JP2815779B2 - 矩形加泥シールド掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、断面が正方形の横孔
を掘進するための矩形加泥シールド掘削機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シールド掘削機としては次のよう
なものがある（特開昭６３−２４７４９７号公報)。こ
のシールド掘削機は、円筒形状のスキンプレートの前端
に漏斗形状のフードを固定し、上記スキンプレートにフ
ードの後方に位置するように隔壁を固定して、上記フー
ドの後端と隔壁との間にチャンバーを形成している。こ
の隔壁の中心には回転軸を回転自在に嵌合し、この回転
軸の先端にカッタヘッドを固定している。このカッタヘ
ッドは回転軸の先端に固定したコーンとこのコーンの先
端に固定したカッタアーム等の掘削部とからなってお
り、上記コーンとフードとの間に破砕室を形成してい
る。そして、この破砕室には送泥管により泥水を供給
し、掘削部により地盤を掘削し、掘削された礫を破砕室
で破砕し、破砕された礫，土砂等を破砕室からチャンバ
ーに導き、さらに、チャンバーに連通する排泥管により
外部に排出するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、断面
が正方形の管路のための横孔を掘る際には、その管路の
形状に合わせて断面が正方形の横孔を掘削したいという
要請がある。

【０００４】ところが、上記従来のシールド掘削機は円
筒形のスキンプレートに固定した隔壁の中心、つまり円
筒形のスキンプレートの中心に回転軸を配置し、この回
転軸に固定したカッタヘッドの回転によって掘削を行う
ため、掘削された横孔は必然的に円形になり、断面が正
方形の横孔を掘ることができないという問題がある。

【０００５】そこで、この発明の目的は、断面が正方形
の横孔を掘削することができる矩形加泥シールド掘削機
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明の矩形加泥シールド掘削機は、断面
略正方形状のスキンプレートと、上記スキンプレートの
内側に配置され、上記スキンプレートの中心を回転中心
として上記スキンプレートに回転自在に支持された回転
隔壁と、上記回転隔壁の前方に面する壁面に固定された
攪拌羽根と、上記回転隔壁の上記スキンプレートの中心
に対して偏心した位置に回転自在に支持された回転軸
と、上記回転軸の先端に固定され、略正三角形を構成す
る掘削部を有するカッタヘッドと、上記回転軸の他端に
固定された外歯ギヤと、中心が上記スキンプレートの中
心と一致するように上記スキンプレートに固定されると
ともに、ピッチ円の直径が上記外歯ギヤのピッチ円の直
径の４／３倍であり、かつ、上記外歯ギヤと噛合する内
歯ギヤと、上記回転軸を公転させる駆動装置と、上記回
転隔壁と上記カッタヘッドとの間の空間内に外部から加
泥剤を注入する加泥剤注入管と、上記空間内の被掘削物
を外部に排出するスクリューコンベアとを備えたことを
特徴とする矩形加泥シールド掘削機。

【０００７】また、請求項２の発明の矩形加泥シールド
掘削機は、請求項１の矩形加泥シールド掘削機におい
て、上記カッタヘッドの背面に攪拌羽根を固定したこと
を特徴としている。

【０００８】

【作用】上記請求項１の矩形加泥シールド掘削機は、上
記駆動装置を駆動すると、スキンプレートの中心に対し
て偏心した位置で支持された回転軸はスキンプレートの
中心の回りを公転する。このため、上記回転軸の他端に
固定された外歯ギヤが内歯ギヤに噛合して公転しながら
自転する。したがって、上記回転軸もスキンプレートの
中心の回りを公転しながら自転する。すなわち、上記回
転軸は、自転する回転隔壁を介してスキンプレートにそ
の中心に対して偏心して支持された状態で、自転しなが
ら公転する遊星運動を行うのである。そして、上記回転
軸の先端に固定されたカッタヘッドの略正三角形を構成
する掘削部は、地盤の土砂や礫を掘削する。このとき、
上記カッタヘッドの掘削部は、外歯ギヤのピッチ円の直
径と内歯ギヤのピッチ円の直径とが３対４の比であるか
ら、上記回転軸が遊星運動を行い、この掘削部の軌跡の
包絡線は略正方形となる。また、被掘削物である土砂や
礫は、カッタヘッドと回転隔壁との間の空間内に入り、
この空間に加泥剤注入管から加泥剤を注入する。さら
に、上記空間内の土砂や礫は、回転隔壁の前方に面する
壁面に固定された攪拌羽根によって、加泥剤とともに攪
拌され塑性流動状態となる。この塑性流動状態となった
土砂や礫は、スクリューコンベアによって外部に排出さ
れる。

【０００９】したがって、上記スキンプレートの断面が
略正方形状であることと相俟って、略正方形の横孔を掘
削できる。

【００１０】また、上記回転軸は駆動装置により公転
し、これにより回転軸に固定した外歯ギヤは内歯ギヤに
噛合して遊星運動を行う。したがって、この矩形加泥シ
ールド掘削機は、例えばクランク機構を用いるものに比
べて構造を簡単にでき、機長を短くできる。また、この
矩形加泥シールド掘削機の機長が短くなるから、掘削部
の進む角度を従来より大きな角度に変えることができ、
曲線施行がしやすくなる。

【００１１】また、上記回転隔壁の攪拌羽根は、上記カ
ッタヘッドが１回転する間に逆の回転方向に３回転する
から、上記チャンバー内の土砂や礫を効率よく攪拌でき
る。

【００１２】また、上記土砂や礫は上記加泥剤と攪拌さ
れて塑性流動状態となるから、スクリューコンベアによ
る土砂や礫の送り出しを容易にできる。一方、上記カッ
タヘッドが面する地盤の切羽表面に加泥剤を含む膜を形
成し、この膜によって地盤の切羽部分が崩れないように
できる。

【００１３】上記回転軸が遊星運動しているため、この
箇所でスキンプレート内をカッタヘッド側と駆動装置側
とに仕切ることは、通常困難と考えられている。しか
し、この発明では、上記回転軸は回転隔壁の偏心した位
置に回転自在に支持され、かつ回転隔壁はスキンプレー
トに回転自在に支持されているから、上記回転軸の遊星
運動を許容しつつ、上記スキンプレート内のカッタヘッ
ド側と駆動装置側とを密に仕切ることができる。

【００１４】また、請求項２の矩形加泥シールド掘削機
によれば、上記請求項１の矩形加泥シールド掘削機にお
いて、上記カッタヘッドの背面に攪拌羽根を固定したの
で、このカッタヘッドの攪拌羽根は、上記回転隔壁の攪
拌羽根が３回転する間に逆の回転方向に１回転するか
ら、カッタヘッドと回転隔壁との間の空間内の土砂や礫
を特に効率よく攪拌できる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の矩形加泥シールド掘削機を
一実施例により詳細に説明する。

【００１６】図１はこの発明の一実施例の矩形加泥シー
ルド掘削機の断面図を示しており、１は断面が略正方形
状のスキンプレート、２は上記スキンプレート１の内側
に固定されたリング形状の支持板、３はこの支持板２に
ベアリング１１を介して、上記スキンプレート１の中心
を回転中心として回転自在に支持された回転隔壁であ
る。上記回転隔壁３のスキンプレート１の中心に対して
偏心した位置に第１円筒部６を固定し、その内側に回転
軸１５を挿通し、図示しないブッシュを介して回転自在
に支持している。上記回転軸１５の前方側の一端には、
カッタヘッド２０を固定する一方、上記回転軸１５の支
持板２側の他端には、外歯ギヤ３１を固定している。こ
の外歯ギヤ３１は、スキンプレート１の内周に固定され
た内歯ギヤ３２と歯合し、この外歯ギヤ３１と内歯ギヤ
３２とで偏心リングギヤ装置３０を構成している。

【００１７】上記回転隔壁３は、円板部４と、この円板
部４に固定された上記第１円筒部６と、この円板部４の
外周から支持板２側に延びる第２円筒部４ａと、この第
２円筒部４ａの内周に円板部４から支持板２側に伸びる
第３円筒部５とを備えている。また、上記回転隔壁３の
円板部４の前方に面する壁面には、図３に示すように、
回転隔壁３の回転角度にして略９０度毎に放射状に配置
した三つの第１の攪拌羽根７を備え、回転隔壁３とカッ
タヘッド２０との間の空間１６内において礫や土砂など
を攪拌する働きをする。上記回転隔壁３は、支持板２に
第２円筒部４ａの内周に配置されたベアリング１１を介
して回転自在に支持され、このベアリング１１によっ
て、回転隔壁３に作用するラジアル荷重とスラスト荷重
の両方を支持することができる。また、上記回転隔壁３
の外周の第２円筒部４ａと、スキンプレート１の内周に
固定された外周が略正方形で内周が円筒形のスペーサ板
１２との間はシール部材１３によりシールしている。一
方、上記第３円筒部５は、上記支持板２の内周を貫通
し、上記偏心リングギヤ装置３０側の外周に図４に示す
外歯ギヤ５ａを形成している。この外歯ギヤ５ａと互い
に歯合する駆動ギヤ４１を介して駆動装置としての電動
機４２により、第３円筒部５すなわち回転隔壁３を回転
するようにしている。

【００１８】上記カッタヘッド２０は、図１および図２
に示すように、上記回転軸１５の先端に固定された円筒
部２６と、この円筒部２６に円周方向に等間隔に固定さ
れ、半径方向に延びる３本のカッタアーム２１と、この
カッタアーム２１のほぼ先端部をつなぐ小さな曲率のカ
ッタリング２２とから構成されている。そして、上記カ
ッタアーム２１の回転隔壁３に面する背面には、図１に
示す第２の攪拌羽根２３を固定している。上記カッタア
ーム２１の前面には、一つまたは二つのカッタ歯２４を
半径方向に異なった位置に夫々配置する一方、カッタリ
ング２３の前面の中央には、一つの外周ビット２５を夫
々配置している。なお、上記各カッタアーム２１の頂点
Ａは、断面が略正方形のスキンプレート１のほぼ外側に
位置し、このカッタアーム２１の頂点Ａを夫々結ぶと正
三角形が構成されるようにしている。

【００１９】一方、上記偏心リングギヤ装置３０は、図
５に示す内歯ギヤ３２のピッチ円の半径と外歯ギヤ３１
のピッチ円の半径の比は４対３になっている。この内歯
ギヤ３２の中心はスキンプレート１の中心に位置してい
る。例えば、上記内歯ギヤ３２のピッチ円の半径Ｒ1＝
４、外歯ギヤ３１のピッチ円の半径Ｒ2＝３とすると、
上記回転軸１５および外歯ギヤ３１はスキンプレート１
の中心から偏心量ｅ＝１だけ偏心していることになる。
さらに、この偏心量ｅ＝１、半径Ｒ1＝４、半径Ｒ2＝３
のときに、図２に示すように、スキンプレート１の一辺
の長さＳ＝１４とし、カッタアームの頂点Ａを結ぶ正三
角形の一辺の長さＳ＝１４としている。そして、上記電
動機４２が第３円筒部５の外歯ギヤ５ａと駆動ギヤ４１
とを介して回転隔壁３を回転させると、上記偏心リング
ギヤ装置３０の外歯ギヤ３１は内歯ギヤ３２に噛合し、
外歯ギヤ３１は内歯ギヤ３２の内周を自転しながら公転
することができる。

【００２０】また、図１において、５１はこの矩形加泥
シールド掘削機の掘進方向を修正するための方向修正ジ
ャッキ、５２は上記スペーサ板１２のスキンプレート１
の上側平坦部分の中央近傍に設けた図３に示す開口部５
２ａを通して、カッタヘッド２０と回転隔壁３との間の
空間１６内に加泥剤としてのベントナイトを注入する加
泥剤注入管、５３は上記空間１６内の被掘削物としての
土砂や礫を外部に送り出すスクリューコンベアである。
また、図１および図３に示すように、上記スクリューコ
ンベア５３は、スキンプレート１のコーナー部近傍の広
い箇所に設けた開口部５３ａを有し、円筒形状の管内に
スクリュー５４を配置して、このスクリュー５４を図示
しない駆動装置で回転することによって、空間１６内に
溜まった土砂や礫を空間１６側から外部に向けて送り出
すようにしている。

【００２１】上記構成の矩形加泥シールド掘削機は次の
ように動作する。まず、この矩形加泥シールド掘削機
は、縦穴の底部に設けた図示しないジャッキによって埋
設管を介して前方に推進される。

【００２２】この矩形加泥シールド掘削機を前方に推進
しながら、電動機４２によって第３円筒部５の外歯ギヤ
５ａと駆動ギヤ４１とを介して回転隔壁３を回転させる
と、回転隔壁３に偏心した位置に回転自在に支持された
回転軸１５がスキンプレート１の中心の回りを回る。こ
のため、上記回転軸１５の一端に固定された外歯ギヤ３
１は、内歯ギヤ３２に歯合して自転し、回転隔壁３が３
回転する間に自転を１回行い、自転をしながらその自転
と逆方向の公転を３回行う。この外歯ギヤ３１の遊星運
動によって、上記回転軸１５やカッタヘッド２０も同様
に回転隔壁３が３回転する間に、自転を１回行い、それ
と逆方向の公転を３回して遊星運動を行う。一方、上記
偏心リングギヤ装置３０の内歯ギヤ３２のピッチ円の半
径Ｒ1＝４、外歯ギヤ３１のピッチ円の半径Ｒ2＝３、回
転隔壁３の偏心量ｅ＝１、カッタアーム２１の頂点Ａを
結ぶ正三角形の一辺の長さＳ＝１４、およびスキンプレ
ート１の一辺の長さＳ＝１４であるため、上記カッタヘ
ッド２０のカッタアーム２１の先端Ａの軌跡は、図６に
示すように、スキンプレート１の外形に適合した略正方
形となる。したがって、上記カッタアーム２１等の掘削
部は、スキンプレート１の外形に適合した略正方形の横
孔を掘削する。そして、掘削された土砂や礫は空間１６
内に入り、加泥剤注入管５２の開口部５２ａからベント
ナイトを空間１６内に注入する。そして、上記空間１６
内の土砂や礫を回転隔壁３の第１の攪拌羽根７とカッタ
ヘッド２０の第２の攪拌羽根２３とによって攪拌して、
塑性流動状態にする。こうして、上記空間１６内に溜ま
った塑性流動状態の土砂や礫を開口部５３ａからスクリ
ューコンベア５３によって外部に排出する。

【００２３】このように、上記カッタヘッド２０のカッ
タアーム２１の先端は、略正方形の軌跡を描きながら前
方の地盤を掘削するので、スキンプレート１の外形が略
正方形であることと相俟って、略正方形の横孔を掘削す
ることができる。

【００２４】また、上記電動機４２が第３円筒部５の外
歯ギヤ５ａと駆動ギヤ４１とを介して回転隔壁３を回転
させるから、外歯ギヤ３１を遊星運動させるための、例
えばクランク機構のような全長の長い伝達機構が不要で
ある。したがって、この矩形加泥シールド掘削機の構造
を簡単にでき、機長を短くすることができる。また、こ
の矩形加泥シールド掘削機の機長が短くなることによっ
て、上記方向修正ジャッキ５１による掘削部の進む角度
を大きく変えることができ、横孔の曲線施行がしやすく
なる。

【００２５】また、上記回転隔壁３の第１の攪拌羽根７
が３回転する間にカッタヘッド２０の第２の攪拌羽根２
３はこの第１の攪拌羽根７と逆の回転方向に１回転する
から、カッタヘッド２０と回転隔壁３との間の空間１６
内の土砂や礫を効率よく攪拌することができる。

【００２６】また、上記土砂や礫はベントナイトと攪拌
されて塑性流動状態となるから、スクリューコンベア５
３によって土砂や礫を容易に送り出すことができる。一
方、上記カッタヘッド２０の前方の地盤の切羽表面にベ
ントナイトを含む土砂の膜を形成し、この膜によって地
盤を押さえて、地盤の切羽部分が崩れないようにしてい
る。

【００２７】また、地盤を掘削する際に、遊星運動する
回転軸１５に作用する大きな曲げモーメントは、上記回
転軸１５を偏心した位置で回転自在に支持しながら回転
する回転隔壁３によって支持されるから、この回転軸１
５は曲がることなくスムーズに回転することができる。

【００２８】また、上記回転軸１５は回転隔壁３の偏心
した位置に回転自在に支持され、かつ回転隔壁３はスキ
ンプレート１に回転自在に支持されているから、上記回
転軸１５の遊星運動を許容しつつ、上記スキンプレート
１内のカッタヘッド２０側と偏心リングギヤ装置３０側
とを密に仕切ることができる。したがって、上記カッタ
ヘッド２０と回転隔壁３との間の空間１６内のベントナ
イトとともに攪拌された土砂や礫が、上記スキンプレー
ト１内の偏心リングギヤ装置３０側に侵入するのを防止
することができる。

【００２９】上記実施例では、上記第３円筒部５の外歯
ギヤ５ａと駆動ギヤ４１とを介して電動機４２により回
転隔壁３を回転させたが、電動機等の駆動装置から回転
隔壁に回転させる力を伝える伝達機構はこれに限らない
のは勿論である。なお、駆動装置は必ずしも回転隔壁を
駆動する必要はなく、クランク軸で回転軸を直接駆動す
るようにしてもよい。

【００３０】また、上記実施例では、加泥剤としてベン
トナイトを用いたが、加泥剤はこれに限らず、土砂や礫
などを塑性流動状態にするとともに、地盤の切羽表面の
崩れを防ぐ膜を形成する加泥剤であればよい。

【００３１】また、上記実施例では、上記回転隔壁３の
偏心量ｅ＝１、内歯ギヤ３２のピッチ円の半径Ｒ1＝
４、外歯ギヤ３１のピッチ円の半径Ｒ2＝３とし、さら
にカッタアーム２１の頂点Ａを結ぶ正三角形の一辺の長
さＳ＝１４としたが、この一辺の長さＳの長さと偏心量
ｅとの比を変えることによって各一辺が内側あるいは外
側に湾曲した多少変形した略正方形の断面の横孔を掘削
することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の発
明の矩形加泥シールド掘削機は、断面略正方形のスキン
プレートの内側に回転隔壁を配置し、この回転隔壁をス
キンプレートの中心を回転中心として回転自在に支持
し、この回転隔壁の前方に面する壁面に攪拌羽根を設け
るとともに、上記回転隔壁のスキンプレートの中心に対
して偏心した位置に回転軸を回転自在に支持し、上記回
転軸の先端に略正三角形を構成する掘削部を有するカッ
タヘッドを固定し、上記回転軸の他端に外歯ギヤを固定
し、ピッチ円の直径が外歯ギヤのピッチ円の直径の４／
３倍の内歯ギヤを外歯ギヤと歯合し、この内歯ギヤの中
心がスキンプレートと一致するようにスキンプレートに
固定し、上記回転軸を駆動装置により公転し、上記カッ
タヘッドと回転隔壁との間の空間に加泥剤注入管から加
泥剤を注入して、上記空間内の被掘削物としての土砂や
礫をスクリューコンベアにより外部に排出するものであ
る。

【００３３】したがって、請求項１の発明の矩形加泥シ
ールド掘削機によれば、駆動装置によって回転軸を公転
させると、この回転軸の公転によって外歯ギヤを内歯ギ
ヤに噛合しながら自転をさせ、それと逆方向の公転をさ
せて、この外歯ギヤに固定した回転軸およびカッタヘッ
ドを自転させながら公転させる。このため、上記カッタ
ヘッドの略正三角形を構成する掘削部が遊星運動し、こ
の略正三角形の掘削部の軌跡が略正方形となるので、ス
キンプレートが略正方形断面を有することと相俟って、
略正方形の横孔を掘削することができる。

【００３４】また、上記駆動装置は回転軸を公転させ、
クランク軸等を用いて外歯ギヤを駆動するような長い伝
達機構が不要であるから、この矩形加泥シールド掘削機
の構造を簡単にでき、機長を短くすることができる。ま
た、この矩形加泥シールド掘削機の機長が短くなると、
掘削部の進む角度をより大きく変えることができ、横孔
の曲線施行がしやすくなる。

【００３５】また、上記回転隔壁の攪拌羽根は、上記カ
ッタヘッドが１回転する間に逆の回転方向に３回転する
から、上記カッタヘッドと回転隔壁との間の空間内の土
砂や礫を効率よく攪拌することができる。

【００３６】また、上記土砂や礫は加泥剤と攪拌され、
上記空間内で塑性流動状態となるから、土砂や礫はスク
リューコンベアによって容易に外部へ排出することがで
きる。一方、上記カッタヘッドの前方の地盤の切羽表面
に加泥剤を含む土砂の膜を形成し、この膜によって地盤
を押さえて、地盤の切羽部分が崩れるのを防止すること
ができる。

【００３７】また、掘削時に、遊星運動している回転軸
に作用する大きな曲げモーメントは、上記回転隔壁によ
り支持されるから、この回転軸は曲がることなくスムー
ズに回転することができる。

【００３８】また、上記回転軸は回転隔壁の偏心した位
置に回転自在に支持され、かつ上記回転隔壁はスキンプ
レートに回転自在に支持されているから、上記回転軸の
遊星運動を許容しつつ、上記スキンプレート内のカッタ
ヘッド側と駆動装置側とを密に仕切ることができる。

【００３９】また、請求項２の発明の矩形加泥シールド
掘削機は、請求項１の矩形加泥シールド掘削機におい
て、上記カッタヘッドの背面に攪拌羽根を固定したもの
である。

【００４０】したがって、請求項２の発明の矩形加泥シ
ールド掘削機によれば、このカッタヘッドの攪拌羽根
は、上記回転隔壁の攪拌羽根が３回転する間に逆の回転
方向に１回転するから、上記カッタヘッドと回転隔壁と
の間の空間内の土砂や礫を特に効率よく攪拌することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１はこの発明の一実施例の矩形加泥シール
ド掘削機の断面図である。

【図２】 図２は図１のII−II線から見た図である。

【図３】 図３は図１のIII−III線から見た図である。

【図４】 図４は図１のIV−IV線から見た図である。

【図５】 図５は図１のV−V線から見た図である。

【図６】 図６は正三角形を構成する掘削部が遊星運動
を行うことによって、正方形の横孔を掘削することを示
す説明図である。

【符号の説明】

１…スキンプレート、２…支持板、３…回転隔壁、４…
円板部、４ａ…第２円筒部、５…第３円筒部、６…第１
円筒部、７…第１の攪拌羽根、１１…ベアリング、１２
…スペーサ板、１３…シール部材、１５…回転軸、１６
…空間、２０…カッタヘッド、２１…カッタアーム、２
２…カッタリング、２３…第２の攪拌羽根、３０…偏心
リングギヤ装置、３１…外歯ギヤ、３２…内歯ギヤ、４
１…駆動ギヤ、４２…電動機、５１…方向修正ジャッ
キ、５２…加泥剤注入管、５３…スクリューコンベア、
５４…スクリュー。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面略正方形状のスキンプレートと、 上記スキンプレートの内側に配置され、上記スキンプレ
   ートの中心を回転中心として上記スキンプレートに回転
   自在に支持された回転隔壁と、 上記回転隔壁の前方に面する壁面に固定された攪拌羽根
   と、 上記回転隔壁の上記スキンプレートの中心に対して偏心
   した位置に回転自在に支持された回転軸と、 上記回転軸の先端に固定され、略正三角形を構成する掘
   削部を有するカッタヘッドと、 上記回転軸の他端に固定された外歯ギヤと、 中心が上記スキンプレートの中心と一致するように上記
   スキンプレートに固定されるとともに、ピッチ円の直径
   が上記外歯ギヤのピッチ円の直径の４／３倍であり、か
   つ、上記外歯ギヤと噛合する内歯ギヤと、 上記回転軸を公転させる駆動装置と、 上記回転隔壁と上記カッタヘッドとの間の空間内に外部
   から加泥剤を注入する加泥剤注入管と、 上記空間内の被掘削物を外部に排出するスクリューコン
   ベアとを備えたことを特徴とする矩形加泥シールド掘削
   機。
2. 【請求項２】 上記カッタヘッドの背面に攪拌羽根を固
   定したことを特徴とする請求項１に記載の矩形加泥シー
   ルド掘削機。