JP2015025283A - シールド掘進機、及びシールド工法 - Google Patents

Abstract

【課題】内外二重カッタを備えるシールド掘進機において、その中央カッタと外周カッタの前後方向相対位置を可変として、施工途中でも土質毎に対応して掘削時の負荷を低減できるようにする。さらに、中央カッタと外周カッタの隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止する。【解決手段】中央カッタ２０と外周カッタ３０とを備えるシールド掘進機であって、外周カッタ３０の位置に対し前進動作する中央カッタ２０を備えるとともに、その中央カッタ２０の外周に突出動作する隙間余掘りカッタ２５を備える。そして、中央カッタ２０を外周カッタ３０の位置に対し前進させて掘進するとともに、その中央カッタ２０外周の隙間余掘りカッタ２５を突出動作させて外周カッタ３０内周との隙間を余掘りする。【選択図】図２

Description

本発明は、内外二重カッタを備えるシールド掘進機と、それを用いるシールド工法に関する。

シールド掘進機において、中央カッタと外周カッタとからなる内外二重カッタを備え、その中央カッタと外周カッタを個別に回転駆動して掘削効率を向上する技術は公知である（例えば特許文献１、２参照）。
また、内外二重カッタで、その中央カッタと外周カッタを二重反転駆動する技術も公知である（例えば特許文献３参照）。
なお、大径シールド本体の同一軸心状に小径シールド本体を組み込み、大径シールド本体から小径シールド本体を発進させる親子シールド機も公知である（例えば特許文献４参照）。

特許第２６９５８０１（特開平１−１２７７９４）号公報 特許第３１１５９４９（特開平６−５００９０）号公報 特許第３０９２８７２（特開平５−１４９０８９）号公報 特許第２６５０１１４（特開平３−６６８９７）号公報

ところで、特許文献１から３のような内外二重カッタにおいて、掘削時の負荷を土質毎に低減できるカッタ構造や回転方法の最適な組み合わせがあると考えられ、特にシールド掘進の長距離施工では、土質が途中で変わるケースが多いが、途中でカッタ構造を変更できない。
また、常に掘削時の負荷を低減すれば、装備するジャッキ、モータを小さくできる。
しかし、従来の内外二重カッタは、その中央カッタと外周カッタの前後方向相対位置が製造時に固定されて動かないものとなっていた。

そして、中央カッタと外周カッタを個別に回転させるには、互いのカッタが接触しないように隙間がないといけないが、その隙間部分は掘り残しとなるため、掘削負荷が大きくなる。

本発明の課題は、内外二重カッタを備えるシールド掘進機において、その中央カッタと外周カッタの前後方向相対位置を可変として、施工途中でも土質毎に対応して掘削時の負荷を低減できるようにすることである。
さらに、本発明は、中央カッタと外周カッタの隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止することも課題としている。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
中央カッタと外周カッタとを備えるシールド掘進機であって、
前記外周カッタの位置に対し前進動作する前記中央カッタを備えるとともに、
前記中央カッタの外周に突出動作する隙間余掘りカッタを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のシールド掘進機であって、
前記外周カッタの位置に対し後退動作する前記中央カッタを備えるとともに、
前記外周カッタの内周に突出動作する隙間余掘りカッタを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載のシールド掘進機であって、
前記中央カッタと外周カッタを個別に回転駆動するカッタ回転駆動装置を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項２に記載のシールド掘進機であって、
前記中央カッタを外周カッタの位置に対し前進後退駆動するカッタ前進後退駆動装置を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
前記中央カッタを外周カッタの位置に対し前進させて掘進するとともに、
前記中央カッタ外周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記外周カッタ内周との隙間を余掘りすることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
前記中央カッタを外周カッタの位置に対し後退させて掘進するとともに、
前記外周カッタ内周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記中央カッタ外周との隙間を余掘りすることを特徴とする。

本発明によれば、中央カッタと外周カッタの前後方向相対位置を可変として、施工途中でも土質毎に対応して掘削時の負荷を低減することができる。
さらに、中央カッタと外周カッタの隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止することができる。

本発明を適用したシールド掘進機の一実施形態の構成を示すもので、内外二重カッタの正面図である。 中央カッタ前進時を示した縦断側面図である。 中央カッタ後退時を示した縦断側面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
（概要）
先ず、内外二重カッタにより、単一カッタでは、掘削効率を上げるために内周の刃の周速を大きくしようとして回転速度を上げると、外周の刃は周速がさらに大きくなり、摩耗量が大きいといった問題を解消できる。
そして、中央カッタを外周カッタとの面一位置よりも前進させると、山岳トンネルで知られている芯抜き効果により掘削抵抗が低減する。つまり、中央カッタが外周カッタより前進すると、先行した部分の周辺地盤が崩れやすくなり、硬い地山（地盤）で掘削の負荷を低減でき、すなわち、カッタを回転駆動するモータやシールド掘進機を推進するジャッキを小型化して、コストダウンでき、電力消費を抑制できる。
また、中央カッタを外周カッタとの面一位置よりも後退させると、緩い地山で外周カッタにより周りの崩壊を防止しながら掘進できる。
従って、施工途中でも土質毎に対応して掘削時の負荷を低減できる。

さらに、中央カッタが外周カッタより前進したときは、中央カッタ外周から隙間余掘りカッタを外周方向に突出動作させて、中央カッタから外周りの余掘りを行う。
また、中央カッタが外周カッタより後退したときは、外周カッタ内周から隙間余掘りカッタを内周方向に突出動作させて、外周カッタから内周りの余掘りを行う。
従って、中央カッタと外周カッタの隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止できる。

（実施形態）
図１及び図２は本発明を適用したシールド掘進機の一実施形態の構成として内外二重カッタ部分を示すもので、１は機体、２０は中央カッタ、３０は外周カッタ、４０は中間カッタである。

図示のように、シールド掘進機本体である機体１の前端部の隔壁２に内筒部３が備えられ、この内筒部３にシール材４を介装して円筒部５が前進後退動作可能に組み付けられ、この円筒部５に中央隔壁６が備えられている。

中央カッタ２０は、複数本（図示例では４本）のカッタスポーク２１が中央軸２２に備えられている。
この中央軸２２が前記中央隔壁６の中央に軸受支持されている。

また、中央カッタ２０と中央隔壁６との間にチャンバが形成されて、中央隔壁６の前面に固定攪拌翼７が備えられる一方、カッタスポーク２１の背面に回転攪拌翼２３が備えられている。
そして、中央隔壁６の背面に中央カッタ回転駆動用のモータ８が備えられている。このモータ８の回転駆動力は、ギヤ機構を介して中央軸２２に伝達されて、中央軸２２と一体に中央カッタ２０が回転する。

さらに、機体１の内部に備えた反力受け用のリング状バックアンカー９と円筒部５との間に中央カッタ前進後退動作用のジャッキ１１が架け渡されている。
カッタスポーク２１間からチャンバに取り込まれた土砂は、中央隔壁６の固定攪拌翼７とカッタスポーク２１の回転攪拌翼２３で攪拌されて、中央隔壁６の底部に接続した排土スクリュー１２により排土される。
そして、中央カッタ２０には、カッタスポーク２１の外周に突出動作する隙間余掘りカッタ２５と連結ピン２６（図３参照）が個別にそれぞれ組み込まれている。

また、中央カッタ２０の周囲を囲む中間カッタ４０は、複数本（図示例では６本）のカッタスポーク４１を備えるカッタリングで、そのカッタスポーク４１の外周に突出動作する連結ピン４２が組み込まれている。
なお、カッタスポーク４１の内周には、中央カッタ２０のカッタスポーク２１外周から突出動作する連結ピン２６が進入する連結穴が形成されている。

以上の中間カッタ４０は、外周カッタ３０の内方に連結ピン４２及び連結穴で連結状態とされている。
従って、外周カッタ３０及び中間カッタ４０は、モータ１６の駆動により一体に回転する。

また、中間カッタ４０の周囲を囲む外周カッタ３０は、複数本（図示例では６本）のカッタスポーク３１がアーム部材３２を介してリング状部材３３に備えられ、このリング状部材３３が隔壁２に軸受支持されている。
すなわち、隔壁２の背面に突出して設けた円筒部１３・１４において、リング状部材３３がその内外周でそれぞれ軸受支持されている。

ここで、外周カッタ３０と隔壁２との間にチャンバが形成されて、隔壁２の前面に固定攪拌翼１５が備えられる一方、カッタスポーク３１の背面に回転攪拌翼３４が備えられている。
そして、隔壁２の背面に外周カッタ回転駆動用のモータ１６が備えられている。このモータ１６の回転駆動力は、ギヤ機構を介してリング状部材３３に伝達されて、リング状部材３３と一体に外周カッタ３０が回転する。

なお、外周カッタ３０のカッタスポーク３１の外周に突出動作する余掘りカッタ３５が組み込まれている。
カッタスポーク３１間からチャンバに取り込まれた土砂は、隔壁２の固定攪拌翼１５とカッタスポーク３１の回転攪拌翼３４で攪拌されて、隔壁２の底部に接続した排土スクリュー１７により排土される。

そして、外周カッタ３０には、カッタスポーク３１の内周に突出動作する隙間余掘りカッタ３８が組み込まれている。
なお、カッタスポーク３１の内周には、中央カッタ２０のカッタスポーク２１外周から突出動作する連結ピン２６が進入する連結穴が形成されている。

以上の中央カッタ２０及び中間カッタ４０と外周カッタ３０を備えるシールド掘進機は、モータ８の駆動で中央カッタ２０を適切な速度及び方向で回転させて、これとは独立して、モータ１６の駆動で外周カッタ３０及び中間カッタ４０を適切な速度及び方向（中央カッタ２０と同方向や逆方向）で回転させることができる。
従って、単一カッタでは、掘削効率を上げるために内周の刃の周速を大きくしようとして回転速度を上げると、外周の刃は周速がさらに大きくなり、摩耗量が大きいといった問題を解消することができる。

そして、図２は中央カッタ２０の前進時を示したもので、図示のように、中央カッタ２０をジャッキ１１の駆動により外周カッタ３０及び中間カッタ４０との面一位置よりも前進させると、山岳トンネルで知られている芯抜き効果により掘削抵抗が低減する。
すなわち、中央カッタ２０が外周カッタ３０及び中間カッタ４０より前進すると、先行した中央カッタ２０による掘削部分の周辺地盤が崩れやすくなり、硬い地山での外周カッタ３０及び中間カッタ４０による掘削の負荷を低減することができる。
従って、カッタを回転駆動するモータやシールド掘進機を推進するジャッキを小型化して、コストダウンすることができて、電力消費も抑制することができる。

また、図示のように、外周カッタ３０及び中間カッタ４０より前進した中央カッタ２０の外周から隙間余掘りカッタ２５を外周方向に突出動作させて、中央カッタ２０から外周りの余掘りを行うことで、中央カッタ２０と外周カッタ３０及び中間カッタ４０の隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止することができる。

さらに、図３は中央カッタ２０及び中間カッタ４０の後退時を示したもので、図示のように、中央カッタ２０及び中間カッタ４０をジャッキ１１の駆動により外周カッタ３０との面一位置よりも後退させると、緩い地山で先行する外周カッタ３０により周りの崩壊を防止しながら掘進することができる。

また、図示のように、後退した中央カッタ２０及び中間カッタ４０に対し前進位置にある外周カッタ３０の内周から隙間余掘りカッタ３８を内周方向に突出動作させて、外周カッタ３０から内周りの余掘りを行うことで、中央カッタ２０及び中間カッタ４０と外周カッタ３０の隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止することができる。

以上、実施形態の内外二重カッタを備えるシールド掘進機によれば、外周カッタ３０の位置に対し前進動作及び後退動作する中央カッタ２０（中間カッタ４０は後退動作のみ）を備えたことで、中央カッタ２０と外周カッタ３０の前後方向相対位置を変化させて、施工途中でも土質毎に対応して掘削時の負荷を低減することができる。

さらに、中央カッタ２０を外周カッタ３０及び中間カッタ４０の位置に対し前進させて、その中央カッタ２０外周に突出動作させた隙間余掘りカッタ２５で余掘りしたり、中央カッタ２０及び中間カッタ４０を外周カッタ３０の位置に対し後退させて、外周カッタ３０内周に突出動作させた隙間余掘りカッタ３８で余掘りすることで、中央カッタ２０と外周カッタ３０及び中間カッタ４０の隙間部分、または中央カッタ２０及び中間カッタ４０と外周カッタ３０の隙間部分の掘り残しによる掘削不能を防止することができる。

（変形例）
以上の実施形態においては、外周カッタと中央カッタに固定可能な中間カッタを設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、中間カッタは設けなくてもよい。
さらに、その他、カッタスポークのスポーク数や、隙間余掘りカッタ数など、具体的な細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 機体（シールド掘進機本体）
２ 隔壁
３ 内筒部
４ シール材
５ 円筒部
６ 中央隔壁
７ 固定攪拌翼
８ 中央カッタ回転駆動装置
９ バックアンカー
１１ 中央カッタ前進後退駆動装置
１２ 排土スクリュー
１３ 円筒部
１４ 円筒部
１５ 固定攪拌翼
１６ 外周カッタ回転駆動装置
１７ 排土スクリュー
２０ 中央カッタ
２１ カッタスポーク
２２ 中央軸
２３ 回転攪拌翼
２５ 隙間余掘りカッタ
２６ 連結ピン
３０ 外周カッタ
３１ カッタスポーク
３２ アーム部材
３３ リング状部材
３４ 回転攪拌翼
３５ 余掘りカッタ
３８ 隙間余掘りカッタ
４０ 中間カッタ
４１ カッタスポーク
４２ 連結ピン

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
中央カッタと外周カッタとを備えるシールド掘進機であって、
前記外周カッタの位置に対し後退動作する前記中央カッタを備えるとともに、
前記外周カッタの内周に突出動作する隙間余掘りカッタを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のシールド掘進機であって、
前記外周カッタの位置に対し前進動作する前記中央カッタを備えるとともに、
前記中央カッタの外周に突出動作する隙間余掘りカッタを備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
前記中央カッタを外周カッタの位置に対し後退させて掘進するとともに、
前記外周カッタ内周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記中央カッタ外周との隙間を余掘りすることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項２から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
前記中央カッタを外周カッタの位置に対し前進させて掘進するとともに、
前記中央カッタ外周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記外周カッタ内周との隙間を余掘りすることを特徴とする。

Claims (6)

1. 中央カッタと外周カッタとを備えるシールド掘進機であって、
   前記外周カッタの位置に対し前進動作する前記中央カッタを備えるとともに、
   前記中央カッタの外周に突出動作する隙間余掘りカッタを備えることを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記外周カッタの位置に対し後退動作する前記中央カッタを備えるとともに、
   前記外周カッタの内周に突出動作する隙間余掘りカッタを備え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. 前記中央カッタと外周カッタを個別に回転駆動するカッタ回転駆動装置を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のシールド掘進機。
4. 前記中央カッタを外周カッタの位置に対し前進後退駆動するカッタ前進後退駆動装置を備えることを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
   前記中央カッタを外周カッタの位置に対し前進させて掘進するとともに、
   前記中央カッタ外周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記外周カッタ内周との隙間を余掘りすることを特徴とするシールド工法。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載のシールド掘進機を用いるシールド工法であって、
   前記中央カッタを外周カッタの位置に対し後退させて掘進するとともに、
   前記外周カッタ内周の前記隙間余掘りカッタを突出動作させて前記中央カッタ外周との隙間を余掘りすることを特徴とするシールド工法。

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