JP2662576B2 - シールド掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トンネルを構築するシールド工法に用いる
シールド掘削機に係り、特に、大断面かつ任意断面のト
ンネルを形成する際に用いて好適なシールド機に関する
ものである。

［従来の技術］ 近年、都市部の地盤等に鉄道用トンネル等の大断面ト
ンネルを構築する目的で、繭型に形成したスキンプレー
トの前面に２台のカッタを設けたシールド掘削機を用い
てトンネルを形成する、マルチフェースシールド工法、
またはダブルオーチューブ工法と呼ばれる新規なシール
ド工法が提案、実施されている。

従来、前記マルチフェースシールド工法に使用する掘
削機としては、たとえば特開昭62−1998号公報に開示さ
れているように、繭型断面のスキンプレートの前面に２
台の面板型のカッタを、掘進方向に対して若干ずらして
配置し、カッタどうしの相互干渉を防ぐ構造のものが知
られており、また、ダブルオーチューブ工法に使用する
掘削機としては、カッタをスポーク型として、それらを
繭型断面のスキンプレート前面に配置し、スポークどう
しがぶつからないように、それらの位相をずらした状態
で、互いに逆方向に回転させる構造のものが知られてい
る（たとえば特開昭61−47958号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来の大断面シールド工法によれば、それぞれの
工法に適用されるシールド掘削機の特徴を生かすことに
よって、都市部の地盤等に大口径で、かつ異形断面のト
ンネルを構築することができる。しかしながら、このよ
うなシールド掘削機においても、たとえば、次のような
点で解決すべき課題が残されている。

第１に、前記従来の大断面シールド工法に適用される
２種類のシールド掘削機は、いずれも繭型断面のスキン
プレートの前面に２台のカッタを設けた基本構造となっ
ているため、これらのシールド掘削機では、馬蹄形、矩
形といった断面構造のトンネル構造物を構築することが
できない点である。

第２に、前述した従来のシールド掘削機は、繭型断面
のスキンプレートの前面に２台のカッタを並列配置した
構成としているので、その方向制御や修正等のマシンの
制御が難しいといった点である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、制
御が容易であり、大断面、かつ任意断面のトンネルを掘
進し得る、より有効なシールド掘進機を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するためになされたものであ
って、非円形の外殻を形成する筒状の外側スキンプレー
トの前部に隔壁を設け、かつ、この隔壁前方であって前
記外側スキンプレートの内部に、円形の内殻を形成する
円筒形状の内側スキンプレートを設けることにより、こ
の内側スキンプレート内を泥水が圧送される円筒形の泥
水圧室として、また、前記内側スキンプレートと前記外
側スキンプレートとの間に形成される異形のスペースを
泥土圧室として構成し、前記泥水圧室の開口部に、地山
を円形に掘削する大口径カッタを前記内側スキンプレー
トと略同軸的に配設し、前記泥土圧室の開口部に、複数
の小口径カッタをその開口部に沿って配設し、さらに、
前記内側スキンプレートに、前記泥土圧室内の土砂を前
記泥水圧室内に取り入れるためのスリットを、その周方
向に沿って複数設けたことを特徴とし、これに加えて、
前記内側スキンプレートを、前記大口径カッタと一体に
形成したこと、ならびに、前記大口径カッタの周部に、
該カッタの径方向に突出する凸状カッタを、その周方向
に沿った任意の位置に複数形成したことを含むものであ
る。

［作用］ 本発明のシールド掘削機によれば、大口径カッタが掘
削する円形の切羽を、泥水圧水内に圧送した泥水圧によ
り安定させ、また、小口径カッタが掘削する異形の切羽
を、泥水圧および泥土圧により安定させながら、各カッ
タにより切羽を掘削する一方、泥土圧室内の土砂を内側
スキンプレートのスリットより泥水圧室内に移送させて
泥水圧室内の土砂とともに外部に排出していくので、従
来泥土圧室シールド工法に要したスクリューコンベヤは
不要となり、円形部と異形部との組み合わせにより、非
円形かつ大断面のトンネルを容易に構築することができ
る。

泥土圧室内から泥水圧室内へ土砂を移送する手段は、
スリットによるため、構造が簡単で、かつ動力を省略で
き、もって安価に構成できる。

また、大口径カッタに内側スキンプレートを一体に形
成すれば、泥土圧室内および泥水圧室内の土砂に流動性
が与えられて土砂の排出効率の向上が図られ、さらに、
大口径カッタに凸状カッタを形成すれば、大口径カッタ
が掘削した土砂の排出が円滑に進行する。

［実施例］ 以下、第１図ないし第３図を参照して本発明の一実施
例を説明する。

これら図中符号１で示すものが本実施例にかかるシー
ルド掘削機である。このシールド掘削機１は、外殻を形
成する筒状の外側スキンプレート２の前部に設けられた
大口径カッタ３および小口径カッタ４により地山を掘削
しつつ、スキンプレート２内部で、一次覆工用のセグメ
ント（コンクリートセグメント等）Ｓを組み立てながら
地中を掘進する基本構成となっている。

外側スキンプレート２は、上面が円弧状となった断面
馬蹄形状に形成されたもので、その前部には、先端開口
部を覆って隔壁５が設けられている。この隔壁５の前面
であって外側スキンプレート２内の略中央には、内殻を
形成する円筒形状の内側スキンプレート６が一体に固着
されている。そして、この内側スキンプレート６内が、
泥水が圧送される円形の泥水圧室７として、また、内側
スキンプレート６と外側スキンプレートとの間に形成さ
れる異形のスペースが、泥土圧室８として構成されてい
る。

また、内側スキンプレート６には、泥水圧室７内と泥
土圧室８内とを連通し、泥水圧室８内の土砂を泥水圧室
７内に取り込むためのスリット９が、その周方向に沿っ
て間隔をおいて複数設けられている。スリット９は、内
側スキンプレート６の軸方向に沿った長尺な切込みによ
って形成されている。このスリット９は、図示せぬシャ
ッタによりその開度が調節できるようになっている。

前記泥水圧室７には、地山を円形に掘削する前記大口
径カッタ３が配設されるとともに、その上部には、総帥
管10の端部が開口しており、さらにその下部には、排泥
管11の端部が接続されている。

一方、泥土圧室８の内部には、複数の前記小口径カッ
タ４が、泥土圧室８の開口部に沿って、すなわちこの場
合であれば、第１図に示すように、両端下部を埋めるべ
く、かつ若干の相互間隔をおいて設けられている。

なお、外側スキンプレート２内には、シールド掘削機
１自身を推進させるためのシールドジャッキ12が、外側
スキンプレート２の周方向に沿って複数配設されている
とともに、セグメントＳを組み立てるためのエレクタ装
置13が設けられている。

シールドジャッキ12は、外側スキンプレート２内面に
固定された支持板14に後端が支持され、エレクタ装置13
によって組み立てられたセグメントＳ…の最前端に反力
を取ることにより、シールド掘削機１自身を前方に推進
させるものである。

次に、前記大口径カッタ３と小口径カッタ４について
詳述する。

まず、大口径カッタ３は、内側スキンプレート６と略
同径であって、切羽に対面する円形状の面板プレート15
と、この面板プレート15の軸心から後方に延びて図示せ
ぬ軸受けに回転自在に支持された回転軸16と、この回転
軸16をギヤ16aを介して軸回りに回転させる駆動モータ1
7とを主体として構成されている。回転軸16は、内側ス
キンプレート６の軸心と一致して延びており、すなわち
面板プレート15は、内側スキンプレート６と同軸的に配
設されている。

面板プレート15には、第１図に示すように、土砂を取
り込むスリット15aが、半径方向に沿って放射状に複数
（この場合４つ）形成されており、また、このスリット
15aの周辺には、複数のカッタビット15bが固定されてい
る。

また、面板プレート15の周部には、径方向に突出し、
それ自体が地山を掘削する複数（この場合３つ）の凸状
カッタ18が、面板プレート15と一体に、等間隔に形成さ
れている。これら凸状カッタ18は、面板プレート15が回
転して最下端および最上端に位置したとき、その先端が
外側スキンプレート２の外周面と略一致するようにその
動作が制御されるようになっている。

これら凸状カッタ18のうちの少なくとも１つには、や
はり地山を掘削するコピーカッタ19が収納されている。
このコピーカッタ19は、面板プレート15の径方向に出没
自在に収納され、凸状カッタ18からの突出量は、図示せ
ぬ制御部により無段階に制御されるようになっている。

この大口径カッタ15によれば、駆動モータ17の動力
が、回転軸16を介して面板プレート15に伝達して面板プ
レート15が回転し、カッタビット15bおよび凸状カッタ1
8によって地山を円形に掘削する。第１図Ａで示す円形
部が、その掘削範囲である。

さらに、コピーカッタ19を突出させれば、掘削径はそ
の分大きくなるとともに、円板プレート15が１回転する
途中でその突出量を無段階に変化させ、それを一定のパ
ターンとして制御すれば、円形に限らず、円形に近い異
形の掘削断面が形成される。

一方、小口径カッタ４は、切羽に対面し、その面に大
口径カッタ３と同様のカッタビット20aを有する面板プ
レート20と、この面板プレート20の軸心から後方に延び
て図示せぬ軸受けに回転自在に支持された回転軸21と、
この回転軸21を軸回りに回転させる駆動モータ22とを備
えており、回転軸21には、該回転軸21と一体に回転して
泥土圧室８内の土砂を撹拌する撹拌翼23が設けられてい
る。この撹拌翼23に撹拌された泥土圧室８内の土砂は、
流動性が与えられ、泥土圧室８内から、内側スキンプレ
ート６の各スリット９を通過して泥水圧室７内に取り込
まれるようになっている。

これら小口径カッタ４によれば、駆動モータ22の動力
が、回転軸21を介して面板プレート20に伝達して面板プ
レート20が回転し、カッタビット20bによって地山を掘
削する。これら小口径カッタ４においては、外側スキン
プレート２内における大口径カッタ３の掘削範囲を除
く、泥土圧室８の前面である異形部（第１図Ｂで示す）
が掘削範囲となっている。

なお、上記各小口径カッタ４は面板型であるが、スポ
ーク型を用いてもよい。

また、図中符号24は、シールド掘削機１の外側スキン
プレート２の後端部に設けられ、外側スキンプレート２
の内面で組み立てられたセグメントＳと外側スキンプレ
ート２との間を閉塞するテールパッキンである。

上記構成からなるシールド掘削機１を用いて地山を掘
削するには、まず、送水管10から泥水圧室７内に泥水を
供給して泥水圧室７内を泥水加圧し、大口径カッタ３に
より掘削される円形部の切羽を安定させる。また、内側
スキンプレート６のスリット９の開度を適宜に設定し、
各小口径カッタ４により掘削されて、泥土圧室８から泥
水圧室７に取り込まれる土砂の量を調節することによ
り、泥土圧室８前面の異形部に泥水圧と泥土圧とを発生
させて切羽の崩壊を防止する。

次いで、大口径カッタ３を回転させて円形部Ａの切羽
を掘削するとともに、各小口径カッタ４を回転させて異
形部Ｂの切羽を掘削する。

この際、大口径カッタ３に備えられたコピーカッタ19
の突出量を、先端が、第２図Ｃ→Ｄで示す上側半分を通
過するときは、外側スキンプレート２の外周の半円弧状
部分に一致し、Ｃ→Ｄで示す下側半分を回転するとき
は、下に向かうに従い徐々に引っ込み、最下端に位置す
るときに全体が凸状カッタ18内に収納され、そこから徐
々に出現するよう制御する。これにより、大口径カッタ
３の掘削範囲は、左右に広がった楕円形となる。

一方、エレクタ装置13によりトンネル周壁に組み付け
たセグメントＳ…の最前端に反力を取ることにより、シ
ールドジャッキ12を伸長してシールド掘削機１自体を前
方に推進させ、泥水圧室７内および泥土圧室８内に土砂
を取り込んでいく。

この際、各小口径カッタ４によって掘削された土砂
を、これら小口径カッタ４周囲の泥土圧室８の開口部か
ら、泥土圧室８内に取り込み、さらに、小口径カッタ４
に取り付けられた撹拌翼23により、スリット９から泥水
圧室７内に取り入れる。

このように泥水圧室７内および泥土圧室８内に取り込
んだ泥水を含む土砂を、排泥管11によってトンネル後方
に排出する。この土砂は、最終的に地上に運搬されて、
土砂と泥水とに分離され、泥水は、再び送水管10から泥
土圧室７内に供給される。ところで、本実施例のシール
ド掘削機１の大口径カッタ３において、その掘削径は、
周部に一体に設けられた複数の凸状カッタ18による。凸
状カッタ18によって掘削された土砂は、凸状カッタ18に
形成される円弧状の空間から、その後方の泥土圧室８内
に取り込まれる。

このように、本実施例のシールド掘削機１によれば、
大口径カッタ３で掘削する円形の切羽を泥水圧により安
定させ、また複数の小口径カッタ４で掘削する異形の切
羽を泥水圧および泥土圧により安定させて、大口径カッ
タ３および各小口径カッタ４で掘削した土砂を流体輸送
していく構成であるから、図示例のような馬蹄形状でか
つ大断面のトンネルを、容易に掘削形成することができ
る。また、異形部は、各小口径カッタ４で独立して掘削
するようにしているから、方向制御等マシンの制御を簡
単であるといった利点がある。

また、泥土圧室８から泥水圧室７への土砂の移送は、
各小口径カッタ４に取り付けられた撹拌翼23によって内
側スキンプレート６のスリット９からなされるから、構
造が簡単で、かつ動力を省略でき、もって安価に構成で
きる。

また、凸状カッタ18により、外側および内側スキンプ
レート２、６間に形成される泥土圧室８内への削土の取
り込みが円滑に行われ、したがって土砂の流体輸送が速
やかに行われ、作業時間の短縮が図られる。

さらに、各小口径カッタ４によって掘削した土砂を、
泥土圧室８に取り入れた後、泥水圧室７に導き、泥水圧
室７の内に直接取り入れた土砂とともに排泥管11を介し
て外部に排出するようにしているので、排土設備は泥水
式シールド工法に用いるシールド掘削機の設備のみで対
応することが可能であり、イニシャルコストの低減を図
ることができるといった利点がある。

第４図および第５図は本発明の他の実施例を示してい
る。両図において前記実施例と同一構成要素には、同一
の符号を付し説明を省略する。

本実施例のシールド掘削機30においては、大口径カッ
タ３に内側スキンプレート31が一体に設けられている。
すなわち、第５図に示すように、大口径カッタ３を構成
する面板プレート15の周部裏面に、この面板プレート15
と同軸的に円筒状の内側スキンプレート31が形成されて
いる。そして、この内側スキンプレート31の後端部に
は、泥土圧室８内の土砂を泥水圧室７内に取り込むため
のスリット32が、周方向に沿って複数間隔をおいて形成
されている。また。これらスリット32の周辺には、カッ
タビット33が設けられている。

本実施例のシールド掘削機30によれば、内側スキンプ
レート31が大口径カッタ３とともに回転することによ
り、泥土圧室８内および泥水圧室７内の土砂に流動性が
与えられて、土砂の排出効率の向上が図られるといった
利点を有する。

第６図ないし第９図は外側スキンプレートの断面形状
が、上記各実施例に示した馬蹄形状とは異なるシールド
掘削機の例を示している。

すなわち、第６図の外側スキンプレート41は角が丸い
縦長の長方形状、第７図の外側スキンプレート42は卵
形、第８図の外側スキンプレート43は前記各実施例の外
側スキンプレート２よりも縦長の馬蹄形状、第９図のス
キンプレート44は横長の小判形となっている。これら図
において、Ａは大口径カッタ３の掘削範囲であり、この
うちA₁は凸状カッタ18の掘削範囲である。また、Ｅはコ
ピーカッタ19の掘削範囲である。そして、Ｂは異形部で
あって、小口径カッタ４による掘削断面である。

このように、コピーカッタ19の突出量を制御し、かつ
異形部Ｂに小口径カッタ４を配すれば、各形状の外側ス
キンプレートに対応した掘削断面が形成される。

さらに、これらのようなシールド掘削機を並べて同時
に作動させれば、第10図および第11図に示すようにさら
に大なる断面のトンネルを掘削形成することができる。
ちなみに、第10図は第６図に示したシールド掘削機、第
11図は第８図のシールド掘削機を用いた例である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のシールド機によれば、
非円形の外殻を形成する筒状の外側スキンプレートの前
部に隔壁を設け、かつ、この隔壁前方であって前記外側
スキンプレートの内部に、円形の内殻を形成する円筒形
状の内側スキンプレートを設けることにより、この内側
スキンプレート内を泥水が圧送される円形の泥水圧室と
して、また、前記内側スキンプレートと前記外側スキン
プレートとの間に形成される異形のスペースを泥土圧室
として構成し、前記泥水圧室の開口部に、地山を円形に
掘削する大口径カッタを前記内側スキンプレートと略同
軸的に配設し、前記泥土圧室の開口部に、複数の小口径
カッタをその開口部に沿って配設し、さらに、前記内側
スキンプレートに、前記泥土圧室内の土砂を前記泥水圧
室内に取り入れるためのスリットを、その周方向に沿っ
て複数設けたことを特徴とするから、円形部と異形部と
の組み合わせによって非円形かつ大断面のトンネルを構
築することができる。泥土圧室から泥水圧室へ土砂を移
送する手段は内側スキンプレートに形成したスリットに
よるため、構造が簡単で、かつ動力を省略でき、もって
安価に構成できる。

また、内側スキンプレートを、大口径カッタと一体に
形成したり、大口径カッタの周部に、該カッタの径方向
に突出する凸状カッタを、その周方向に沿って複数形成
すれば、土砂の流動性が向上して掘削能力が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例を示す図であっ
て、第１図はその正面図、第２図は第１図のII−II線矢
視断面図、第３図は第２図のIII−III線矢視断面図、第
４図および第５図は本発明の他の実施例を示し、第４図
は側断面図、第５図は大口径カッタの斜視図、第６図な
いし第９図はそれぞれ断面形状の異なる外側スキンプレ
ートの例を示す正面概略図、第10図および第11図はそれ
ぞれ第６図および第８図に示したシールド機を複数並べ
て大断面のトンネルを形成する例を示す正面概略図であ
る。 １、30、……シールド機、２、41、42、43、44……外側
スキンプレート、３……大口径カッタ、４……小口径カ
ッタ、５……隔壁、６……内側スキンプレート、７……
泥水圧室、８……泥土圧室、９……スリット、18……凸
状カッタ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非円形の外殻を形成する筒状の外側スキン
   プレートの前部に隔壁を設け、かつ、この隔壁前方であ
   って前記外側スキンプレートの内部に、円形の内殻を形
   成する円筒形状の内側スキンプレートを設けることによ
   り、 この内側スキンプレート内を泥水が圧送される円筒形の
   泥水圧室として、また、前記内側スキンプレートと前記
   外側スキンプレートとの間に形成される異形のスペース
   を泥土圧室として構成し、 前記泥水圧室の開口部に、地山を円形に掘削する大口径
   カッタを前記内側スキンプレートと略同軸的に配設し、 前記泥土圧室の開口部に、複数の小口径カッタをその開
   口部に沿って配設し、 さらに、前記内側スキンプレートに、前記泥土圧室内の
   土砂を前記泥水圧室内に取り入れるためのスリットを、
   その周方向に沿って複数設けたことを特徴とするシール
   ド掘削機。
2. 【請求項２】前記内側スキンプレートを、前記大口径カ
   ッタと一体に形成したことを特徴とする請求項１記載の
   シールド掘削機。
3. 【請求項３】前記大口径カッタの周部に、該カッタの径
   方向に突出する凸状カッタを、その周方向に沿った任意
   の位置に複数形成したことを特徴とする請求項１および
   ２記載のシールド掘削機。