JP2014227695A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】既設トンネルの地山等の掘削を行う際にシールド掘進機の軸心が既設トンネルの軸心に一致するようにする。【解決手段】本発明に係るシールド掘進機においては、図１(a) (b) に例示するように角度θ１，θ２，θ３の異なる複数のローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃによって裏込め材Ｇ２を掘削するようになっている。このため、該裏込め材Ｇ２は符号Ｈで示すような仮想線に沿って略すり鉢状に掘削されることとなり、該すり鉢状の表面がガイド面として機能しシールド掘進機１の軸心Ｃと既設トンネルＴ１の軸心とが一致するように該シールド掘進機１の位置調整（センター出し）が行われることとなる。【選択図】図１

Description

本発明は、既設トンネル（既設セグメント）の外周の地山を掘削するシールド掘進機に係り、詳しくは、ローラーカッターの配置構造に関する。

従来、老朽化したトンネルを撤去する装置としてシールド掘進機が使用されており、種々の構造のものが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

図５は、シールド掘進機の従来構造の一例を示す断面図であって、図６は、ローラーカッターの支持部分の構成の一例を示す断面図である。図５に示すシールド掘進機１０１は、既設トンネルＴ_１の外径よりも大径の胴体１０２を備えており、該胴体１０２の前側にはカッタードラム１０３を介して環状のカッターヘッド１０４が回動可能に支持されている。そして、該カッターヘッド１０４には、図５に詳示するようなローラーカッター１０５が複数支持されており、該ローラーカッター１０５を回転させると共に前記カッターヘッド１０４を前記既設トンネルＴ_１の回りに回転させることにより該既設トンネルＴ_１の周囲の地山Ｇ_１を掘削するように構成されていた。また、筒状部材１０６にはシール部材１０７が取り付けられていて、該シール部材１０７を既設トンネルＴ_１側に付勢することによりシールド掘進機１０１の内部への水等の侵入を防止するように構成されていた。

ところで、上述のような既設トンネルＴ_１においては地山Ｇ_１との間に裏込め材Ｇ_２が介装されていて、該裏込め材Ｇ_２は前記ローラーカッター１０５にて掘削されるが、該裏込め材Ｇ_２を完全に除去することは不可能であって、既設トンネルＴ_１の外周面に裏込め材Ｇ_２の層が残存した状態となっている。そして、前記シール部材１０７は該裏込め材Ｇ_２に当接された状態で水等の侵入を防止することとなる。

特許第３３１１３２１号公報 特開２００３−２５３９８４号公報

しかしながら、上述した従来のシールド掘進機においては、既設トンネルＴ_１の軸心とシールド掘進機１０１の軸心とが必ずしも一致せず、掘削後の裏込め材Ｇ_２の厚みは既設トンネルＴ_１の周方向に亘って不均一なものなってしまっていた。そのため、前記シール部材１０７によるシール状態も不均一となり、前記胴体２の内部への水等の侵入を確実に防止できないというおそれがあった。

本発明は、上述の問題を解消することのできるシールド掘進機を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１(a) (b) 及び図２に例示するものであって、略筒状の胴体（２）と、該胴体（２）の一端側（図２においては左側）にて該胴体（２）の周方向に沿って複数配置されてなるローラーカッター（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）と、を備え、該複数のローラーカッター（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）をそれぞれの回転軸（３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ）の回りに回転させると共に前記胴体（２）の軸心（以下、“胴体軸心”とする）（Ｃ）の回りに回転させることにより既設トンネル（Ｔ_１）の外周の地山（Ｇ_１）を掘削するシールド掘進機（１）において、
前記複数のローラーカッター（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）の内の一つのローラーカッター（３Ａ）を“第１のローラーカッター”とし、該第１のローラーカッター（３Ａ）の回転軸（３４Ａ）を“第１の回転軸”とし、他のローラーカッター（３Ｂ）を“第２のローラーカッター”とし、該第２のローラーカッター（３Ｂ）の回転軸（３４Ｂ）を“第２の回転軸”とした場合に、
前記第１及び第２のローラーカッター（３Ａ，３Ｂ）の刃先部（３１Ａ，３１Ｂ）は、既設トンネル（Ｔ_１）の裏込め材（Ｇ_２）を掘削し得る位置に配置され、
前記第１の回転軸（３４Ａ）と前記胴体軸心（Ｃ）とが為す角度（θ１）が前記第２の回転軸（３４Ｂ）と前記胴体軸心（Ｃ）とが為す角度（θ２）よりも小さくなるように設定され、
前記第２のローラーカッター（３Ｂ）の刃先部（３１Ｂ）が前記第１のローラーカッター（３Ａ）の刃先部（３１Ａ）よりもトンネル掘進方向（Ａ）の前方側に位置するように配置されてなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記複数のローラーカッター（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）の内の一つのローラーカッター（３Ｃ）であって前記第１のローラーカッター（３Ａ）及び前記第２のローラーカッター（３Ｂ）でないローラーカッター（３Ｃ）を“第３のローラーカッター”とし、該ローラーカッター（３Ｃ）の回転軸（３４Ｃ）を“第３の回転軸”とした場合に、
該第３のローラーカッター（３Ｃ）の刃先部（３１Ｃ）は、既設トンネル（Ｔ_１）の裏込め材（Ｇ_２）を掘削し得る位置に配置され、
前記第２の回転軸（３４Ｂ）と前記胴体軸心（Ｃ）とが為す角度（θ１）が前記第３の回転軸（３４Ｃ）と前記胴体軸心（Ｃ）とが為す角度（θ３）よりも小さくなるように設定され、
前記第３のローラーカッター（３Ｃ）の刃先部（３１Ｃ）が前記第２のローラーカッター（３Ｂ）の刃先部（３１Ｂ）よりもトンネル掘進方向（Ａ）の前方側に位置するように配置されてなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、図４に例示するものであって、請求項１又は２に係る発明において、前記第１のローラーカッター（３Ａ）は前記胴体（２）の周方向に沿って複数配置され、前記第２のローラーカッター（３Ｂ）は前記胴体（２）の周方向に沿って複数配置されたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記複数の第１のローラーカッター（３Ａ，…）は前記胴体（２）の周方向に沿って略等間隔で配置され、前記複数の第２のローラーカッター（３Ｂ，…）は前記胴体（２）の周方向に沿って略等間隔で配置されたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項３又は４に記載の発明において、前記第１のローラーカッター（３Ａ，…）の数が、前記第２のローラーカッター（３Ｂ，…）の数よりも多く設定されたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、図１(a) (b) に例示するものであって、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、前記第１のローラーカッター（３Ａ）よりもトンネル掘進方向（Ａ）の後方側には、該第１のローラーカッター（３Ａ）よりも前記胴体軸心（Ｃ）の側に突出する研削ビット（８）が配置され、該研削ビット（８）は前記胴体（２）の周方向に沿って複数配置されると共に前記胴体軸心（Ｃ）の回りに回転駆動されるように構成されたことを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１及び２に係る発明によれば、前記胴体軸心と既設トンネルの軸心とが一致するように前記シールド掘進機の位置調整（センター出し）が行われることとなり、掘削後の裏込め材の厚みは既設トンネルの周方向に亘って略均一となる。その結果、該裏込め材に当接されるシール部材によるシール状態も良好となり、前記胴体の内部への水等の侵入を確実に防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、各ローラーカッターは摩耗しにくくなる。

請求項４に係る発明によれば、該複数の第１のローラーカッターや該複数の第２のローラーカッターによって前記胴体軸心を既設トンネルの軸心に一致させることができ、前記シールド掘進機の位置調整（センター出し）の精度を向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、該第１のローラーカッターの摩耗を低減することができ、該第１のローラーカッターの交換の頻度を低減することができる。

請求項６に係る発明によれば、前記ローラーカッターによって掘削された後の裏込め材の表面が前記研削ビットによって平坦化されることとなり、前記シール部材との間の隙間を少なくしてシール状態をさらに良好にすることができる。

図１(a) は、ローラーカッターの支持部分の構成の一例を示す断面図であり、同図(b) は、ローラーカッターの詳細形状等を示す拡大断面図である。 図２は、本発明に係るシールド掘進機の構造の一例を示す断面図である。 図３は、ローラーカッターの形状の一例を示す断面図である。 図４は、図２のＰ矢視図である。 図５は、シールド掘進機の従来構造の一例を示す断面図である。 図６は、ローラーカッターの支持部分の構成の一例を示す断面図である。

以下、図１乃至図４に沿って、本発明の実施の形態について説明する。

本発明に係るシールド掘進機は、図２に符号１で例示するように、
・ 既設トンネル（既設セグメント）Ｔ_１の外径Ｄ_１よりも大きな内径Ｄ_２を持つ略筒状の胴体２と、
・ 該胴体２の一端側（つまり、トンネル掘進方向Ａの先端側）に回転自在に支持（配置）されたローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃと、
を備えている。このローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、図３に例示するものであって、
・ 略環状のカッター本体３０と、
・ 該カッター本体３０の外周面（頂上部分）に鋭角部分を形成するように植設される超硬合金等の硬質材料からなるチップ（刃先部）３１と、
・ 該カッター本体３０の中心部に挿通される軸部材３２と、
・ 該カッター本体３０と該軸部材３２との間に介装される軸受け３３と、
により構成されており、不図示の駆動手段によって回転軸３４の回りに回転駆動されるように構成されている（矢印Ｅ_２参照）。また、このローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、図４に例示するように、前記胴体２の周方向に沿って複数配置されており（少なくともローラーカッター３Ａとローラーカッター３Ｂの２つのローラーカッターが配置されているという意味である）、該胴体２の軸心（図２の符号Ｃ参照。以下、“胴体軸心”とする）の回りに回転駆動されるように構成されている（矢印Ｅ_１参照）。そして、該複数のローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，…をそれぞれの回転軸（図１(b) の符号３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ参照）の回りに回転させると共に前記胴体軸心Ｃの回りに回転させながらトンネル掘進方向Ａに推進させることにより既設トンネルＴ_１の外周の地山Ｇ_１や裏込め材Ｇ_２を掘削するようになっている。さらに、図１(a) 及び図２に例示するように、前記胴体２の側から前記既設トンネルＴ_１の外周面Ｔ_１ａの側にはシール部材４が付勢されるようになっていて、該胴体２の内部への水等の侵入を防止するように構成されている。

なお、本明細書においては、必要に応じて、前記複数のローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，…の内の一つのローラーカッター３Ａを
“第１のローラーカッター”と称することとし、他のローラーカッター３Ｂを“第２のローラーカッター”と称することとし、前記複数のローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，…の内の一つのローラーカッター３Ｃであって前記第１のローラーカッター３Ａでも前記第２のローラーカッター３Ｂでもないローラーカッター３Ｃを“第３のローラーカッター”と称することとし、前記第１のローラーカッター３Ａの回転軸３４Ａを“第１の回転軸”と称することとし、前記第２のローラーカッター３Ｂの回転軸３４Ｂを“第２の回転軸”と称することとし、前記第３のローラーカッター３Ｃの回転軸３４Ｃを“第３の回転軸”と称することとする。

そして、本発明に係るシールド掘進機１においては、前記第１の回転軸３４Ａと前記胴体軸心Ｃとが為す角度θ１が前記第２の回転軸３４Ｂと前記胴体軸心Ｃとが為す角度θ２よりも小さくなるように設定されている。なお、図１(b) 中の符号Ｃ’は前記胴体軸心Ｃに平行な軸を示す。また、前記第１及び第２のローラーカッター３Ａ，３Ｂの刃先部３１Ａ，３１Ｂは、既設トンネルＴ_１の裏込め材Ｇ_２に当接し得る位置（つまり、該裏込め材Ｇ_２を掘削し得る位置）に配置され、しかも、前記第２のローラーカッター３Ｂの刃先部３１Ｂが前記第１のローラーカッター３Ａの刃先部３１Ａよりもトンネル掘進方向Ａの前方側に位置するように配置されている。

本発明によれば、裏込め材Ｇ_２は図１(b) に符号Ｈで示すような仮想線に沿って略すり鉢状（又はテーパー状）に掘削されることとなるが、該裏込め材Ｇ_２に形成された該略すり鉢状の表面がガイド面として機能し前記胴体軸心Ｃと既設トンネルＴ_１の軸心とが一致する方向に前記シールド掘進機１の位置調整（センター出し）が行われることとなる。その結果、符号Ｋで示される掘削後の裏込め材Ｇ_２の厚み（つまり、既設トンネルＴ_１の外周面Ｔ_１ａに残存している裏込め材Ｇ_２の厚みであり、以下、“裏込め材の残存厚”とする）が既設トンネルＴ_１の周方向に亘って略均一となる。該既設トンネルＴ_１の外周面Ｔ_１ａに残存している裏込め材Ｇ_２には上述のシール部材４が当接されることとなるが、該裏込め材Ｇ_２の残存厚Ｋが既設トンネルＴ_１の周方向に亘って略均一となるため、シール状態も良好となり、前記胴体２の内部への水等の侵入を確実に防止することができる。

なお、図２では、上述した胴体２の後方（図示右方）には中折れ部５（ジャッキ５０やシール部５１）を介して胴部材（後胴）６が接続されていて、前記胴体２と該胴部材６と中折れ部５とによって屈曲可能に構成されたシールド掘進機１を開示しているが、もちろんこれに限られるものではなく、前記胴部材６や前記中折れ部５を有さずに屈曲可能とならないように構成されたものを本発明の範囲から除外するものでは無い。また、本発明に係るシールド掘進機はトンネル更新のための装置（つまり、新設セグメントＴ_２を構築するための装置）であってもトンネル埋め戻しのための装置であってもどちらでも良い。

さらに、前記ローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，…の近傍には、地山Ｇ_１を掘削するための複数のカッタービット７を配置しておくと良い。このカッタービット７の形状等は公知のものであるので、詳細説明は省略する。

さらに、前記第２の回転軸３４Ｂと前記胴体軸心Ｃとが為す角度θ２が前記第３の回転軸３４Ｃと前記胴体軸心Ｃとが為す角度θ３よりも小さくなるように設定すると良い。また、該第３のローラーカッター３Ｃの刃先部３１Ｃは、既設トンネルＴ_１の裏込め材Ｇ_２を掘削し得る位置に配置しておくと良い。さらに、前記第３のローラーカッター３Ｃの刃先部３１Ｃが前記第２のローラーカッター３Ｂの刃先部３１Ｂよりもトンネル掘進方向Ａの前方側に位置するように配置しておくと良い。なお、同様に、第４のローラーカッター（不図示）や第５のローラーカッター（不図示）を設けるようにしても良い。

ところで、図４に例示するように、前記第１のローラーカッター３Ａは前記胴体２の周方向に沿って複数配置しておくと良い。そのようにした場合には、各ローラーカッター３Ａは摩耗しにくくなる。この場合、該複数の第１のローラーカッター３Ａを前記胴体２の周方向に沿って略等間隔で配置しておくと良い。図４に示す例では、該第１のローラーカッター３Ａは９０°の角度で等間隔に配置されているが、もちろんこれに限られるものではなく、他の角度（例えば、７２°や１２０°など）で等間隔に配置するようにしても良い。そのようにした場合には、該複数の第１のローラーカッター３Ａ，…によって前記胴体軸心Ｃを既設トンネルＴ_１の軸心に一致させることができ、前記シールド掘進機１の位置調整（センター出し）の精度を向上させることができる。また、同様に、前記第２のローラーカッター３Ｂも前記胴体２の周方向に沿って複数配置しておくと良く、それらの第２のローラーカッター３Ｂ，…を前記胴体２の周方向に沿って略等間隔で配置しておくと良い。さらに、前記第３のローラーカッター３Ｃも前記胴体２の周方向に沿って複数配置しておくと良く、それらの第３のローラーカッター３Ｃ，…も前記胴体２の周方向に沿って略等間隔で配置しておくと良い。図４に示す例では、該第２のローラーカッター３Ｂ，…や該第３のローラーカッター３Ｃ，…は１８０°の角度で等間隔に配置されているが、もちろんこれに限られるものではなく、他の角度で等間隔に配置するようにしても良い。この場合、前記第１のローラーカッター３Ａ，…の数を前記第２のローラーカッター３Ｂ，…の数や前記第３のローラーカッター３Ｃ，…の数よりも多くすると良い。掘削前の裏込め材Ｇ_２の厚みは不均一であるため、前記第２のローラーカッター３Ｂの刃先部３１Ｂや前記第３のローラーカッター３Ｃの刃先部３１Ｃは硬質の裏込め材Ｇ_２ばかりを掘削するとは限らず地山Ｇ_１を掘削することもあるので負担は軽いが、前記第１のローラーカッター３Ａの刃先部３１Ａは前記既設トンネルＴ_１の外周面Ｔ_１ａに最も近接した位置に配置されているために地山Ｇ_１を掘削することはほとんどなく硬質の裏込め材Ｇ_２ばかりを掘削することとなる。したがって、前記第１のローラーカッター３Ａを多く配置しておけば、該ローラーカッター３Ａの摩耗を低減することができ、該ローラーカッター３Ａの交換の頻度を低減することができる。

一方、前記第１のローラーカッター３Ａよりもトンネル掘進方向Ａの後方側（図示右側）には、該第１のローラーカッター３Ａよりも内方側（つまり、前記胴体軸心Ｃの側）に突出する研削ビット８を設けておくと良い。そして、該研削ビット８は前記胴体２の周方向に沿って複数配置すると共に、前記胴体軸心Ｃの回りに回転駆動されるように構成しておくと良い。該研削ビット８は、前記トンネル掘進方向Ａに沿って延設された研削部８ａを有していると良い。そのようにした場合には、前記ローラーカッター３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，…によって掘削された後の裏込め材Ｇ_２の表面が前記研削ビット８によって平坦化されることとなり、前記シール部材４との間の隙間を少なくしてシール状態をさらに良好にすることができる。

１ シールド掘進機
２ 胴体
３Ａ 第１のローラーカッター
３Ｂ 第２のローラーカッター
３Ｃ 第３のローラーカッター
８ 研削ビット
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 刃先部
３４Ａ 第１の回転軸
３４Ｂ 第２の回転軸
３４Ｃ 第３の回転軸
Ｃ 胴体軸心
Ｇ_１ 地山
Ｇ_２ 裏込め材
Ｔ_１ 既設トンネル

Claims (6)

1. 略筒状の胴体と、該胴体の一端側にて該胴体の周方向に沿って複数配置されてなるローラーカッターと、を備え、該複数のローラーカッターをそれぞれの回転軸の回りに回転させると共に前記胴体の軸心（以下、“胴体軸心”とする）の回りに回転させることにより既設トンネルの外周の地山を掘削するシールド掘進機において、
   前記複数のローラーカッターの内の一つのローラーカッターを“第１のローラーカッター”とし、該第１のローラーカッターの回転軸を“第１の回転軸”とし、他のローラーカッターを“第２のローラーカッター”とし、該第２のローラーカッターの回転軸を“第２の回転軸”とした場合に、
   前記第１及び第２のローラーカッターの刃先部は、既設トンネルの裏込め材を掘削し得る位置に配置され、
   前記第１の回転軸と前記胴体軸心とが為す角度が前記第２の回転軸と前記胴体軸心とが為す角度よりも小さくなるように設定され、
   前記第２のローラーカッターの刃先部が前記第１のローラーカッターの刃先部よりもトンネル掘進方向の前方側に位置するように配置されてなる、
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記複数のローラーカッターの内の一つのローラーカッターであって前記第１のローラーカッター及び前記第２のローラーカッターでないローラーカッターを“第３のローラーカッター”とし、該ローラーカッターの回転軸を“第３の回転軸”とした場合に、
   該第３のローラーカッターの刃先部は、既設トンネルの裏込め材を掘削し得る位置に配置され、
   前記第２の回転軸と前記胴体軸心とが為す角度が前記第３の回転軸と前記胴体軸心とが為す角度よりも小さくなるように設定され、
   前記第３のローラーカッターの刃先部が前記第２のローラーカッターの刃先部よりもトンネル掘進方向の前方側に位置するように配置されてなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記第１のローラーカッターは前記胴体の周方向に沿って複数配置され、前記第２のローラーカッターは前記胴体の周方向に沿って複数配置された、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
4. 前記複数の第１のローラーカッターは前記胴体の周方向に沿って略等間隔で配置され、前記複数の第２のローラーカッターは前記胴体の周方向に沿って略等間隔で配置された、
   ことを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
5. 前記第１のローラーカッターの数は、前記第２のローラーカッターの数よりも多く設定された、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のシールド掘進機。
6. 前記第１のローラーカッターよりもトンネル掘進方向の後方側には、該第１のローラーカッターよりも前記胴体軸心の側に突出する研削ビットが配置され、該研削ビットは前記胴体の周方向に沿って複数配置されると共に前記胴体軸心の回りに回転駆動されるように構成された、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシールド掘進機。

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