JP2533241B2 - 矩形断面シ―ルド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、矩形断面のトンネルを
掘削するシールド掘進機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般的なシールド掘進機は断面円
形で、この断面円形シールド掘進機によって掘削される
トンネルは無論断面円形となる。

【０００３】また、断面異形のシールド掘進機として
は、断面メガネ形のシールド掘進機が実用化されている
が、この断面メガネ形のシールド掘進機は断面円形のシ
ールド掘進機を一対横に連接した構成になっている。

【０００４】上記断面メガネ形のシールド掘進機は、断
面円形のシールド掘進機に比較して、掘削されるトンネ
ル断面がより矩形に近似するが、なおトンネルの使用目
的によっては、その掘削断面が効率的とはいえない。

【０００５】そこで近時は、より確実な断面矩形のトン
ネルを掘削する断面矩形シールド掘進機が種々（特開平
１−３１５５９２号、特開平２−４３４９４号、特開平
２−６６２９５号、特開平２−６６２９５号等）提案さ
れており、その代表的なものは、特開平２−６６２９５
号に開示されている。これは、断面矩形のスキンプレー
トの前端に、掘進方向と直交する方向の回転軸を中心に
回転自在で、かつ直径がスキンプレートの垂直内法と略
同一のカッタードラムを一対水平方向に並置し、該両カ
ッタードラムの間には直径が上記カッタードラムの略半
分のリングカッターを上下一対並置してなるものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記カッター
ドラムとリングカッターとを使用する従来例は、カッタ
ードラムとリングカッターとがスキンプレートの前端よ
りカッタードラムの直径の半分以上飛び出しているた
め、カッタードラムの上下左右方向からも土砂の呑み込
みを行ったり、切羽を緩めたりするおそれがあり、その
結果、トンネル掘削上最も大切な切羽の安定により地上
への影響を無くすという点において問題を生じる可能性
が高いという欠点を有している。

【０００７】また上記従来例は、カッタードラムとカッ
ターリングに掘削土が付着しやすく、土圧系シールドに
は不向きであるという欠点を有し、さらには、オーバー
カッター機構が装着しにくいため、方向修正に問題があ
るという欠点を有している。

【０００８】さらに上記従来例は、カッター駆動機構が
複雑で、このカッター駆動機構を保護するケーシングが
中央部においてかなりの容積を占めるため、掘削土呑み
込み（排土効率）に支障をきたしやすく、掘削土を後方
室に排出するスクリューコンベヤの設置も物理的に無理
が生じやすいという欠点を有している。

【０００９】そこで本発明は上記欠点に鑑みなされたも
ので、機械的構成が簡易で、排土効率が高く。土圧系シ
ールドへの適応性に優れた矩形断面シールド掘進機を提
供することを目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的に沿い、先述特
許請求の範囲を要旨とする本発明の第１の構成は前述課
題を解決するために、横倒し断面矩形筒状のスキンプレ
ート１内に、このスキンプレート１内を前室Ｆと後室Ｂ
とに仕切る隔壁２を設け、上記隔壁２に少なくとも１個
の掘削土排出口３を設けると共に、この隔壁２を貫通し
てスキンプレート１の面と平行な面内で同一軸心回りに
揺動自在な複数のスイングアーム４を枢着し、上記スイ
ングアーム４の前端に、駆動モーター５によって回転さ
れる複数のカッタードラム６Ａ，６Ｂを配設し、上記カ
ッタードラム６Ａ，６Ｂを少なくとも、スイングアーム
４の前端部間でスイングアーム４の揺動軸心と平行な軸
心回りに回転自在に支持された第１カッタードラム６Ａ
と、スイングアーム４に上記第１カッタードラム６Ａの
軸心に対して前方に傾斜する軸心回りに回転自在に支持
された第２カッタードラム６Ｂとで構成し、後室Ｂに、
スイングアーム４を揺動する揺動駆動シリンダー７を設
けてなる技術的手段を講じたものである。

【００１１】また、第２の構成は、横倒し断面矩形筒状
のスキンプレート１内に、スキンプレート１の面と平行
な面内で同一軸心回りに揺動自在な複数のスイングアー
ム４を支持体７１を介して枢着し、上記スイングアーム
４の前端に、駆動モーター５によって回転される複数の
カッタードラム６Ａ，６Ｂを配設し、上記カッタードラ
ム６Ａ，６Ｂを少なくとも、スイングアーム４の前端部
間でスイングアーム４の揺動軸心と平行な軸心回りに回
転自在に支持された第１カッタードラム６Ａと、スイン
グアーム４に上記第１カッタードラム６Ａの軸心に対し
て前方に傾斜する軸心回りに回転自在に支持された第２
カッタードラム６Ｂとで構成し、スキンプレート１内に
スイングアーム４を揺動する揺動駆動シリンダー７を設
け、スイングアーム４の後部下方に掘削土を排出する排
土用コンベヤ７３を設けてなる技術的手段を講じたもの
である。

【００１２】

【作用】上記第１の構成の圧力保持形および第２の構成
の開放形の矩形断面シールド掘進機は、カッタードラム
６Ａ，６Ｂを切羽に圧接しつつ回転して掘進するのは従
来と同じであるが、このカッタードラム６Ａ，６Ｂはト
ンネルの全断面を一度に全体を掘削するほど大径に設定
されていないため、同時に複数のスイングアーム４を揺
動してスキンプレート１の一面およびこれに対向する面
の一方から他方に向けて順次掘削を行うことになる。

【００１３】そして、圧力保持形では、カッタードラム
６Ａ，６Ｂにより掘削された掘削土がチャンバーと称さ
れる前室Ｆ内に呑み込まれ、この前室Ｆ内の掘削土は掘
削土排出口３を通って後室Ｂに排土されるが、その際
に、掘削土排出口３を通過する掘削土量を調整すること
で前室Ｆ内を所望の土圧に保つ作用を呈する。さらに、
アーム４は揺動することによって前室Ｆ内の掘削土を攪
拌し、掘削土が前室Ｆ内にアーチ状に堆積するのを防止
し、土圧系、泥水系のいずれの圧力保持形を利用しても
排土効率を高くする作用を呈するものである。

【００１４】また、掘削方向とほぼ直交する方向に回転
軸心を有するカッタードラムを設けた構成では、カッタ
ードラムを支持しかつ動力を伝達する一端または両端の
支持部の前方が掘削不能となるため、何らかの掘削手段
を設ける必要がある。しかし本発明の第１および第２の
構成では、一方のカッタードラム６Ａの軸心を他方のカ
ッタードラム６Ｂの軸心に対して前方に傾斜させること
により、カッタードラム６Ａ，６Ｂの端部掘削部分をス
イングアーム４の前端部前方にまで及ばせることができ
る。したがって、特に別の掘削手段を設けることなく、
カッタードラム６Ａ，６Ｂの支持部や動力伝達部で生じ
る掘削不能な部分を掘削することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る圧力保持形の矩形断面シ
ールド掘進機の一実施例を添付図面に従って説明すれ
ば、以下の通りである。図１〜図４において、１はスキ
ンプレートで、このスキンプレート１は、横倒し断面矩
形筒状に形成されている。そして、該スキンプレート１
内に、このスキンプレート１内を前室Ｆと後室Ｂとに仕
切る隔壁２を設けてある。なお、このスキンプレート１
は土圧に充分抗する強度を有するようにしてあるのは無
論である。また前室Ｆは単なる断面矩形筒状でもよい
が、本実施例では前方から隔壁２に向かって順次小径と
なる朝顔型内周板１ａが設けられ、この内周板１ａの下
部には前端から隔壁２部位までスキンプレート１に平行
な掘削土案内凹溝部１ｂが設けられている。

【００１６】そして上記隔壁２には中央下部に１つの掘
削土排出口３を設けるとともに、この隔壁２を貫通する
左右一対のスイングアーム４，４を水平方向に所定間隔
をあけてそれぞれ枢着してある。

【００１７】上記掘削土排出口３は隔壁２の掘削土案内
凹溝部１ｂ対応部位に一端を連通して設けられ、単なる
開口でもよいが、排土量を調整できるようになすのが望
ましく、本実施例ではスクリューコンベヤ３ａを設け、
このスクリューコンベヤ３ａの回転速度で排土量を調整
できるようになしてある。また、泥水系シールドの場合
は、該隔壁２に図示しない泥水の注入口と、上記掘削土
排出口３に該当する泥水排出口を設けることになる。

【００１８】また、上記スイングアーム４，４の枢着
は、水平方向の軸心Ｏ₀ を中心として各スイングアーム
４，４をスキンプレート１の側面と平行な面内で矢印Ｙ
で示す垂直方向（上下方向）に揺動可能となすもので、
図２に示す如くそれぞれ球面軸受８で隔壁２に枢支され
ている。そして、上記スイングアーム４の前端部には、
３個の円筒状カッタードラム６Ａ，６Ｂ，６Ｂが配設さ
れており、これらカッタードラム６Ａ，６Ｂ，６Ｂは、
両スイングアーム４，４間でスイングアーム４の揺動軸
心Ｏ₀ と平行な軸心Ｏ₁ 回りに回転自在に支持された第
１カッタードラム６Ａと、スイングアーム４，４の側方
で第１カッタードラム６Ａの軸心Ｏ₁ に対して前方に角
度θで傾斜した軸心Ｏ₂ 回りに回転自在に支持された第
２カッタードラム６Ｂ，６Ｂとで構成されている。そし
て、これら第１，第２カッタードラム６Ａ，６Ｂ，６Ｂ
と後室Ｂに設けられる駆動モーター５、５とは適宜伝動
機構で連結されるようになっている。

【００１９】すなわち、この機構の左右のスイングアー
ム４，４のうち一方を図２，図４で更に具体的に説明す
ると、スイングアーム４は筒状に形成されてその内側に
駆動軸１１が挿通されており、この駆動軸１１の後端に
は、スイングアーム４の後端で隔壁２より後室Ｂに貫出
した部位に連設したギヤケーシング４ｅ内においてギヤ
１２が固着され、このギヤ１２は、上記ギヤケーシング
４ｅに配設した駆動モーター５のピニオンギヤ１３，１
３が噛合されている。さらに、該駆動軸１１の前端には
駆動ベベルギヤ１４が固着され、この駆動ベベルギヤ１
４には、スイングアーム４前端の側板４ａ、４ｂに軸心
Ｏ₁ ，Ｏ₂ に平行な軸心回りに回転自在に軸支された第
１，第２受動軸１５Ａ，１５Ｂの第１，第２受動ベベル
ギヤ１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ噛合されている。そし
て、第１カッタードラム６Ａ側の第１受動軸１５Ａに固
定された第１アイドルギヤ１７Ａが、中間ギヤ１８を介
して第１カッタードラム６Ａ内のフランジ部１９Ａに固
定された第１リングギヤ２０Ａに噛合されて、駆動軸１
１に連動連結される。また、第２カッタードラム６Ｂ側
の第２受動軸１５Ｂに固定された第２アイドルギヤ１７
Ｂが第２カッタードラム６Ｂ内のフランジ部１９Ｂに固
定された第２リングギヤ２０Ｂに噛合されて、駆動軸１
１に連動連結されている。他方のスイングアーム４の伝
動機構も同様の構成であり、説明は省略するが、駆動モ
ーター５，５はそれぞれ同期駆動するように制御されて
いる。

【００２０】なお、第１，第２カッタードラム６Ａ，６
Ｂは従来公知なものが使用でき、表面の適宜位置に掘削
用カッタービット６１や螺旋状の掘削カッター６２を適
宜間隔に並置固定してある。

【００２１】そして、後室Ｂ内には、スイングアーム４
を垂直方向に揺動させる揺動駆動シリンダー７を設けて
いる。この揺動駆動シリンダー７は図１に示すごとく、
基端をスキンプレート１などの適宜固定部に枢支し、ロ
ッド先端をギヤケーシング４ｅ等のスイングアーム４の
後端部に枢支して、該揺動駆動シリンダー７の進退でス
イングアーム４乃至カッタードラム６が図１鎖線で示す
ごとく垂直方向に揺動するように構成してある。

【００２２】上記実施例によれば、カッタードラムは、
従来は中心線を通る鉛直面より前方部位をスキンプレー
トの前方に突出し、鉛直面より後方部位はスキンプレー
ト内に収納するようになして、可能な限り切羽をスキン
プレート１の外面で覆って切羽の安定を図っていた。し
かし、本発明の場合はカッタードラム６Ａ，６Ｂの揺動
範囲によりカッタードラム６Ａ，６Ｂの直径を小さくす
ることができ、直径を小さくすることによって切羽の安
定が可能なため、該カッタードラム６Ａ，６Ｂは全体を
スキンプレート１の前方に突出することが可能である。
このように構成することで、該カッタードラム６Ａ，６
Ｂを矢印Ｙ方向に回動してスキンプレート１の断面に対
応する面とそれを垂直方向で越えるオーバーカット部分
の掘削をを容易に実現できるものである。

【００２３】また、中央部を掘削する第１カッタードラ
ム６Ａは、両端部をスイングアーム４，４に枢支されて
それぞれ駆動力を伝達されるので、大きい強度と大きい
掘削力を得ることができる。また、２個のカッタードラ
ム６Ａ，６Ｂに駆動力を伝達する部位すなわちスイング
アーム４前端部の前方は、一般に掘削不能な箇所で他の
掘削手段が必要であるが、この図示実施例では、第２カ
ッタードラム６Ｂを第１カッタードラム６Ａに対して前
方にθ°傾斜させて、第２カッタードラム６Ｂの内側外
周縁前部を第１カッタードラム６Ａの側端縁に極めて接
近するように設定することで、傾斜側の第２カッタード
ラム６Ｂでスイングアーム４前端部の前方にまで及んで
掘削することができ、前述の掘削不能な箇所を掘削する
ことができる。

【００２４】さらに、外側で傾斜する第２カッタードラ
ム６Ｂの外側外周縁の後部が、スキンプレート１前端前
方から外方にまで突出するように設定することで、スキ
ンプレート１の外側まで余堀りを行うオーバーカットが
可能となり、余堀りのためにカッタードラム６Ａ，６Ｂ
を水平方向に揺動させる必要もなくなるとともに、余堀
りのための装置の複雑化を回避することができる。な
お、第２カッタードラム６Ｂの外側外周縁の後部とスキ
ンプレート１との干渉をなくすため、スキンプレート１
の側面前端は、曲線状に形成されている。

【００２５】図５はカッタードラムの他の実施例を示す
もので、第２カッタードラム６Ｃを外側ほど小径となる
円錐台状に形成したものである。この第２カッタードラ
ム６Ｃを先に述べた実施例の第２カッタードラム６Ｂと
入れ換えることで、平面視で明らかなように、第１カッ
タードラム６Ａの掘削面から前方に突出する量を極めて
少なくすることができ、切羽の安定に効果を奏する。

【００２６】さらに、上記実施例ではスイングアーム
４，４を支持する球面軸受８を隔壁２の中央部に設けた
が、中央からずれた位置たとえば中央から少し上方にず
れた位置であってもよい。さらにまた、スイングアーム
４，４を垂直方向に往復揺動したが、水平方向であって
も差し支えない。

【００２７】図６および図７は開放形の矩形断面シール
ド掘進機の一実施例を示し、上記実施例と同一の部材に
は同一の符号を付し説明は省略する。横倒し断面矩形筒
状のスキンプレート１の前端から所定距離後方の両側壁
間には、アーム支持体７１が水平方向に連結され、この
アーム支持体７１にはスイングアーム４の後端側をそれ
ぞれ矢印Ｙで示す垂直方向に回動自在に支持する球面軸
受７２が介装されている。そして、スイングアーム４後
部下方の掘削土案内凹溝部１ｂ後端には、掘削土を後方
に搬送排出するベルト式排土用コンベヤ装置７３が設け
られている。

【００２８】上記構成によれば、駆動モーター５により
カッタードラム６Ａ，６Ｂを回転させるとともに、揺動
駆動シリンダー７を作動させることにより、スキンプレ
ート１前方の地盤をスキンプレート１上面側から下面側
あるいはその逆方向にカッタードラム６，６Ｂを移動し
て掘削し、スキンプレート１の断面に対応する矩形状に
極めて効率よく掘削することができる。そしてカッター
ドラム６Ａ，６Ｂにより掘削された掘削土は、排土用コ
ンベヤ装置７３により、後方に排出される。

【００２９】

【発明の効果】以上に述べたごとく本発明の第１の構成
の圧力保持形および第２の構成の開放形のシールド掘進
機によれば、複数のカッタードラム６Ａ，６Ｂをスイン
グアーム４，４を介して揺動しながら掘進するため、掘
削するトンネルの口径に比べてカッタードラム６Ａ，６
Ｂを小径にすることができ、それだけスキンプレート１
よりの突出量が低減されるので、切羽への悪影響が低減
できる。また、機械的構成は簡易であるばかりか小径と
なしたことで、強度を低く設定でき、伝動機構等を小さ
く設定でき、排土効率になんら支障となることのない矩
形断面シールド掘進機を提供することができるものであ
る。

【００３０】また本発明の第１および第２の構成では、
中央部を掘削する第１カッタードラム６Ａが両端部をス
イングアーム４，４に支持されて両スイングアーム４，
４からそれぞれ駆動力を伝達することができるので、大
きい強度と大きい掘削力を得ることができる。さらに、
並設したカッタードラム６Ａ，６Ｂに駆動力を伝達する
部位すなわちスイングアーム４前端部の前方は、一般に
は掘削不能な箇所で他の掘削手段が必要であるが、本発
明では、第２カッタードラム６Ｂを第１カッタードラム
６Ａに対して前方に傾斜させているので、第２カッター
ドラム６Ｂの内側外周縁前部がスイングアーム４前端部
前方にまで及んで第１カッタードラム６Ａの側端縁に極
めて接近するように設定することができ、傾斜側の第２
カッタードラム６Ｂでスイングアーム４前端部の前方に
まで及んで掘削することができ、前述の掘削不能な箇所
を掘削することができる。

【００３１】さらに本発明の第１の構成は、前述したよ
うに排土効率に優れるとともに、さらにスイングアーム
４の揺動によって掘削土の攪拌効果が期待できるため、
土圧系および泥水系の圧力保持形シールドに正に好適な
矩形断面シールド掘進機を提供することができるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力保持形矩形断面シールド掘進
機の一実施例を示す中央縦断面図である。

【図２】同矩形断面シールド掘進機の平面断面図であ
る。

【図３】同矩形断面シールド掘進機の正面図である。

【図４】同スイングアーム先端部の平面断面図である。

【図５】他の実施例を示すシールド掘進機の平面断面図
である。

【図６】さらに他の実施例の開放形矩形断面シールド掘
進機を示す中央縦断面図である。

【図７】同矩形断面シールド掘進機の平面断面図であ
る。

【符号の説明】

１ スキンプレート ２ 隔壁 ３ 掘削土排出口 ４ スイングアーム ５ 駆動モーター 6A 第１カッタードラム 6B 第２カッタードラム 6C 第２カッタードラム ７ 揺動駆動シリンダー ８ 球面軸受 11 駆動軸 71 アーム支持体 72 球面軸受 73 排土用コンベヤ装置 Ｆ 前室 Ｂ 後室 Ｏ₁ 第１カッタードラム軸心 Ｏ₂ 第２カッタードラム軸心 θ 傾斜角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平田 昌三 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28 号 日立造船株式会社内 (72)発明者 糸永 洋 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28 号 日立造船株式会社内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横倒し断面矩形筒状のスキンプレート
   （１）内に、このスキンプレート（１）内を前室（Ｆ）
   と後室（Ｂ）とに仕切る隔壁（２）を設け、上記隔壁
   （２）に少なくとも１個の掘削土排出口（３）を設ける
   と共に、この隔壁（２）を貫通してスキンプレート
   （１）の面と平行な面内で同一軸心回りに揺動自在な複
   数のスイングアーム（４）を枢着し、上記スイングアー
   ム（４）の前端に、駆動モーター（５）によって回転さ
   れる複数のカッタードラム（６Ａ，６Ｂ）を配設し、上
   記カッタードラム（６Ａ，６Ｂ）を少なくとも、スイン
   グアーム（４）の前端部間でスイングアーム（４）の揺
   動軸心と平行な軸心回りに回転自在に支持された第１カ
   ッタードラム（６Ａ）と、スイングアーム（４）に上記
   第１カッタードラム（６Ａ）の軸心に対して前方に傾斜
   する軸心回りに回転自在に支持された第２カッタードラ
   ム（６Ｂ）とで構成し、後室（Ｂ）に、スイングアーム
   （４）を揺動する揺動駆動シリンダー（７）を設けてな
   る矩形断面シールド掘進機。
2. 【請求項２】 横倒し断面矩形筒状のスキンプレート
   （１）内に、スキンプレート（１）の面と平行な面内で
   同一軸心回りに揺動自在な複数のスイングアーム（４）
   を支持体（７１）を介して枢着し、上記スイングアーム
   （４）の前端に、駆動モーター（５）によって回転され
   る複数のカッタードラム（６Ａ，６Ｂ）を配設し、上記
   カッタードラム（６Ａ，６Ｂ）を少なくとも、スイング
   アーム（４）の前端部間でスイングアーム（４）の揺動
   軸心と平行な軸心回りに回転自在に支持された第１カッ
   タードラム（６Ａ）と、スイングアーム（４）に上記第
   １カッタードラム（６Ａ）の軸心に対して前方に傾斜す
   る軸心回りに回転自在に支持された第２カッタードラム
   （６Ｂ）とで構成し、スキンプレート（１）内にスイン
   グアーム（４）を揺動する揺動駆動シリンダー（７）を
   設け、スイングアーム（４）の後部下方に掘削土を排出
   する排土用コンベヤ（７３）を設けてなる矩形断面シー
   ルド掘進機。