JP2915159B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば多数列の鉄道
線路を敷設するのに好適な、上部が円筒面状で下部が平
坦に近いトンネルを掘削するためのシールド掘進機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機は、土壁の崩壊を防ぐシ
ールド（楯）と呼ばれる筒と、前進のためのシールドジ
ャッキ、そしてシールドの前部にあって切羽（地山）を
削る各種のカッター（掘削具）を主要部分として構成さ
れており、シールドの外形に沿う円形断面のトンネルを
掘削するのが一般である。

【０００３】しかし、複数列に線路（または道路）を敷
設して何台かの車両を平行に通そうとする場合などは、
トンネルの開口断面が、円形であるよりもむしろ横に長
いもの、そしてできれば下部の平坦なものであることが
望ましい。

【０００４】楕円形もしくは下部の平坦な開口断面を有
するトンネルのためのシールド掘進機は、特開平２−９
１３９５号や特開平１−２９５９９２号の各公報に開示
されている。前者の公報に記載されている掘進機は、シ
ールドの前部で回転するカッターフェイス（面板上に掘
削刃等を備える掘削具）の外側に液圧シリンダで径方向
へ伸縮するスライド式の掘削刃を備え、その掘削刃を回
転時に伸縮させることによって、横に長い楕円形断面の
トンネルを掘るものである。一方、後者の公報の掘進機
は、トンネルの開口断面よりもかなり小さい回転（自
転）式の掘削ヘッドを、液圧シリンダで伸縮可能な旋回
（公転）アームの先端に設け、同アームの伸縮・旋回に
よって掘削箇所を移しながら所望形状の開口を形成して
いくといういわゆるＮＡＴＭ工法をとる装置である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記各公報に記載の掘
進機には、それぞれ下記の点で不都合がある。

【０００６】まず前者（特開平２−９１３９５号）のも
のは、スライド式掘削刃の伸縮のために複雑な機構が必
要（機構が複雑な場合は装置のコストや保守負担が増
す）であるほか、楕円の長軸側、つまり同掘削刃を伸ば
して使用する部分の掘削を安定的には行いにくい。カッ
ターフェイスをもつシールド掘進機は、切羽に面した同
フェイスによる土留め効果（崩れないように切羽をサポ
ートすること）に基づいて砂礫層なども安定して掘削す
ることができるが、楕円の長軸側では、上記掘削刃がカ
ッターフェイスから外側へ突出した状態、言いかえれば
カッターフェイスによる土留め効果を得られない状態で
掘削を行わねばならないからである。そのため、この公
報の掘進機が有効に使用できるのは、比較的安定した地
盤に限られる。またトンネルの断面形状についても、楕
円形、またはそれに近いものに限られ、下部の平坦なも
のは掘削し難い。

【０００７】後者（特開平１−２９５９９２号）の装置
は、トンネルの断面形状についてはかなり広い適用可能
性をもつものの、旋回アームの伸縮・旋回機構が複雑で
あるうえ、安定的に掘削の行える地盤が上記例のものよ
りもさらに限定される。シールド前部の掘削ヘッドは、
トンネル開口の何分の一かにすぎない大きさなので、切
羽に対する土留め効果をほとんど期待できないからであ
る。

【０００８】本発明の目的は、複線の鉄道線路を敷設し
たりするのに適した断面形状のトンネルを、各種の地盤
において安定的に掘削することができる、構造の簡単な
シールド掘進機を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のシールド掘進機
は、上部が円筒面状で下部が平坦に近いトンネルを掘削
するために、正面視した外形がトンネル上部に沿う円
弧状部分を含む扇形状で、その円弧状部分まで放射状に
掘削刃と土砂取込み口とが配列され、円弧状部分の曲率
中心を中心として揺動する第一のカッターフェイスと、
第一のカッターフェイスと同一の面内で上記放射状配
列の中心付近に配置されて掘削刃と土砂取込み口とを放
射状に具備し回転する第二のカッターフェイスとを前部
に備え、第一のカッターフェイスにおける上記放射状
配列の角度間隔が、第二のカッターフェイスにおける角
度間隔よりも密である − ことを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明のシールド掘進機によってトンネルを掘
削するとき、その開口断面は、上記のに示した第一の
カッターフェイスによって概ね決定づけられ、上部に円
弧状部分を有し下部に直線的な部分をもつ形状となる。
その理由はつぎのとおりである。すなわちまず、開き角
が１８０°前後の扇形を、その円弧の曲率中心を中心と
して適当な角度だけ回転すれば、幾何学的な軌跡とし
て、扇形の円弧を延長した円弧部分が上部にあって下部
が比較的平らかな図形を得ることができる。その点、第
一のカッターフェイスは、正面視した外形が扇形状であ
り、その円弧状部分の曲率中心を中心として揺動するの
で上記したとおりの幾何学的軌跡を描くが、掘削刃と土
砂取込み口とが前面に放射状に配列されているため、そ
の揺動角度が放射状の各配列（掘削刃）間の角度以上で
あれば、その軌跡内にある切羽を全面的に掘削して上記
形状の開口を形成可能なのである。

【００１１】第一のカッターフェイスを上記のとおり揺
動するとき、それによって掘削される切羽は、上部（す
なわち円弧状の部分）を含むほとんどの部分が常時その
カッターフェイスに面して土留めされるので、砂礫層を
はじめ各種の地盤が安定的に掘削される。ただ、開口と
同じ曲率のカッターフェイスによって外周部までピッタ
リとサポートされる上部に対し、切羽の下部、すなわち
扇の両端付近にあたる箇所には、左右の合計で揺動角度
分の面積だけ、カッターフェイスにてサポートされない
部分ができる。この部分は、他の部分よりも多少不安定
（崩れやすい）になるのは避けられないが、不安定さに
よる影響が深刻でない下方位置にあるうえ、上記 の
ように放射状配列を密に（狭い角度間隔で）設定するこ
とにより揺動角度は（したがってサポートされない部分
の面積も）小さくできるため、こうした点が大きな問題
となることはない。

【００１２】第一のカッターフェイスについて揺動角度
を小さくする場合、放射状配列も密に（角度間隔が狭
く）ならざるを得ないが、そうすると中心付近では掘削
刃と土砂取込み口とを同じ放射状の配列に従って設ける
ことが難しいため、発明の掘進機では、その中心付近に
上記の第二のカッターフェイスが配備されている。こ
の第二のカッターフェイスは、上記により掘削刃や取
込み口の配列が第一のカッターフェイスのものより疎
（まばら）であるが、回転することにより前面の切羽を
確実に掘削する。したがって、第一のカッターフェイス
に対し正面から見て隙間のないように第二のカッターフ
ェイスが配置されると、本発明の掘進機は、切羽のほぼ
全面に対して山留め効果を発揮しながら安定的な掘削を
行う。

【００１３】なお本発明の掘進機は、掘削刃の伸縮式移
動機構などが不要なため構造が簡単なほか、そうした複
雑な機構を介して掘削荷重を支える必要がないため強度
や寿命に関して有利である。

【００１４】

【実施例】図１・図２に、本発明の第一実施例であるシ
ールド掘進機１について、それぞれ正面図および側方視
（図１のＡ−Ａ）断面図を示す。この掘進機１は、地下
鉄の車両留置線として３組の線路を平行に敷設するのに
好適なトンネルを掘削するものである。

【００１５】図２のように、掘進機１は、シールド２の
前面に二つのカッターフェイス１０・２０を有するとと
もに、隔壁３で前部のチャンバー４と仕切られたシール
ド２の内側後部に、各フェイス１０・２０の駆動源１６
・２５のほか、図示は省略したがシールドジャッキや土
砂排出装置（送排泥管・スクリューコンベヤ・ベルトコ
ンベヤなど）・セグメントエレクターなどを備えてい
る。掘削した土壁ａの内面にセグメントをエレクターに
よって内張り施工し、そのセグメントに対しシールドジ
ャッキを押し付けて推進力を得ながらフェイス１０・２
０で切羽ｂを掘削することにより、掘進機１はトンネル
を図２の左方へ掘り進んでいく。

【００１６】二つのカッターフェイス１０・２０は、掘
進機１の前面で同一の面内に並べてほぼ隙間なく配置さ
れており、正面からは図１のように見える。すなわち、
まず第一のカッターフェイス１０について述べれば、そ
の外形は概ね扇形で上方に円弧部分があり、下方にその
曲率の中心Ｏがある。このフェイス１０は、言うまでも
なく切羽を掘削する手段であるため、面板１１ａの前面
に多数の掘削刃（カッタービット）１１を備え、また削
り取った土砂をチャンバー４内へ入れる取込み口１２を
も有している。掘削刃１１は、円弧部分を含むフェイス
１０の外縁に向かう放射状の多数（この例では１９本）
の線上に並べて設けられ、土砂の取込み口１２は、そう
した掘削刃１１を有する各面板１１ａの間にやはり放射
状に形成されている。掘削刃１１と取込み口１２の放射
状配列は、それらを延長した中心点が上記の曲率中心Ｏ
にあり、各配列間に一律に角度Ｒ（この例では１５°）
が設けられている。なおこの例では、放射状の部分以外
に、カッターフェイス１０の下方縁部（円弧部分を除
く）にも掘削刃１１が配置されている。

【００１７】一方、第二のカッターフェイス２０は、上
記と同じ中心Ｏを中心とする円を外形とし、その中心Ｏ
から外縁へ延びた面板上に掘削刃（カッタービット）２
１を備えるとともに、それらの間に土砂取込み口２２を
有する。その中心Ｏが、上記カッターフェイス１０にお
ける掘削刃１１・取込み口１２の放射状配列の中心でも
あるため、当然ながら、フェイス１０の放射状配列が密
に集まる箇所にこのフェイス２０が配置されていること
になる。

【００１８】中心Ｏの回りにカッターフェイス２０が回
転するのに対し、扇形状の前記カッターフェイス１０
は、同じ中心Ｏの回りに正逆両方向に揺動するようにな
っている。放射状に配列された掘削刃１１による削り残
しが生じないように、その揺動角度Ｓ（この例では約１
７°）は、各配列間の角度Ｒを超える大きさである。

【００１９】カッターフェイス１０（掘削刃１１）のこ
のような揺動とカッターフェイス２０（掘削刃２１）の
回転とによって、掘削される土壁ａの断面形状は図１の
仮想線のとおりになる。つまり、上部に円筒面状の部分
ａ₁ があり、下部には平坦に近い部分ａ₂ がある形であ
る。またそのために、シールド２（図２参照）も、この
土壁ａの断面形状に沿った外形に形成されている。土壁
ａのこの形状は、円筒面状の部分ａ₁ の半径が大きくて
も下部には無駄な開口部が存在しないので、前述した車
両留置線とするのに都合のよい合理的な形状だといえ
る。

【００２０】掘削中の切羽ｂに対してカッターフェイス
１０・２０が常には面することのできない箇所といえ
ば、図１から明らかなように、下部両側（角度にしてそ
れぞれ約８．５°）の部分にすぎない。これは、フェイ
ス１０・２０による土留め効果が広い面積にわたって発
揮され、安定した掘削ができることにほかならない。

【００２１】カッターフェイス１０・２０の支持および
動作の機構は、図２に示すとおりである。すなわち、ま
ずフェイス２０については、隔壁３などと一体に掘進機
１に固定された軸受箱２４によってその支軸２３が支持
され、それが、駆動源（モータ等）２５によって回転駆
動される。一方のフェイス１０は、上記軸受箱２４の回
りの円形のフレーム上に軸受１５を介して一つの環状フ
レーム１４が回転自在に配備され、その環状フレーム１
４上にブラケット１３を用いて取り付けられている。ま
た面板１１ａには、複数個のスラスト受けローラ１８な
どが補助的な支持手段として設けられている。そして、
隔壁３の後部に設けられた油圧シリンダ１６が伸縮し
て、図２の紙面と直角方向（円周上の接線方向）に環状
フレーム１４を動かすことにより、上述のとおりフェイ
ス１０が揺動する。

【００２２】なお本掘進機１には、切羽の掘削をより安
定させる手段としてチャンバー４内を泥水で加圧したり
（泥水式掘進機）、削土や添加材で充満させたり（土圧
式掘進機）する技術も支障なく適用できる。また隔壁３
を設けなければ、いわゆる開放式のシールド掘進機とし
て、比較的安定した地盤の掘削に使用できる。

【００２３】続いて図３に、本発明の参考例（請求項の
発明には該当しないもの）としてのシールド掘進機６の
正面図を示す。この掘進機６も複数列の線路用のトンネ
ルを掘削するもので、扇形状の外形をもつ第一のカッタ
ーフェイス３０と円形の第二のカッターフェイス４０と
を前面に有する。そしてフェイス３０には、掘削刃（図
示省略）を備える面板３１と土砂取込み口３２とが円弧
状の縁部まで放射状に配列されており、一方のフェイス
４０にも、掘削刃をもつ面板４１と土砂取込み口４２と
が図のように９０°おきに設けられている。こうした点
を含めて本掘進機６は前記第一実施例の掘進機１と同様
の構成を有するが、下記の点では前記の掘進機１と相違
する。

【００２４】a) 前記実施例よりもさらに平面に近い面
を下部に有するトンネルを掘削するために、カッターフ
ェイス３０は、両端部（下部）が直線的で、間にはさま
れる角度がたとえば１５０°強に形成され、角度範囲を
３０°（±１５°）などとして揺動するようになってい
る。

【００２５】b) カッターフェイス４０は、回転するの
でなく、たとえば、９０°（前記の配列間隔）を超える
約１００°の角度範囲で揺動する。揺動のための駆動源
としては、伸縮する流体圧シリンダもよいが、正逆に回
転可能なモータなども使用できる（この点は、フェイス
３０や前記実施例のフェイス１０の各駆動源についても
あてはまる）。

【００２６】c) トンネルとなる土壁ｃのうちに、円筒
面状の部分ｃ₁ と平坦面部分ｃ₂ とのほか、照明具や配
線・配管等の施工スペースとなる上下の突出部分ｃ₃・
ｃ₄を形成するよう構成が施されている。すなわち、カ
ッターフェイス３０の最上部（円弧状部分の中央）にあ
る三つの面板３１が他の部分に比べて外側へやや突出し
ており、カッターフェイス４０の一部がフェイス３０の
外縁部から下方へはみ出している。

【００２７】d) カッターフェイス３０とカッターフェ
イス４０とは、正面から見て隙間なく配置されているも
のの同一平面上にはなく、フェイス４０がやや前方に設
けられている。

【００２８】e) カッターフェイス３０の揺動中心Ｐ
は、その円弧状部分の曲率中心でもあり前記放射状配列
の中心でもあるが、カッターフェイス４０の中心（外形
および回転の中心）Ｑとは一致していない。

【００２９】f) カッターフェイス３０は掘進機６に固
定された円弧状のガイドレール３３上に、それに沿って
スライドしながら揺動可能なように支持され、その状態
で油圧シリンダ（図示せず）により駆動される。

【００３０】以上、一つの実施例と一つの参考例とを紹
介したが、本発明の技術的思想はこれら以外にも多くの
態様によって具現される。第一実施例の掘進機１に類似
し、第二実施例の掘進機６が有する特徴（上記のa)〜
f)）の一部のみを備えるような掘進機も、本発明にした
がって容易に構成され得ることは言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】本発明のシールド掘進機にはつぎの効果
がある。

【００３２】1) 下部が平坦に近く、たとえば複数の鉄
道車両や自動車等を平行に走らせるのに好適な（すなわ
ち無駄のない合理的な）断面形状のトンネルを掘削する
ことができる。

【００３３】2) 上記1)に記したトンネルを、各種の地
盤において安定的に掘削することができる。

【００３４】3) 構造がシンプルなため、装置コストや
整備負担、さらには機械強度や寿命の点で有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例としてのシールド掘進機１
につき、概要を示す正面図である。

【図２】図１の掘進機１について概要を示す側方視断面
図で、図１におけるＡ−Ａでの断面図である。

【図３】本発明の参考例であるシールド掘進機６につい
ての概要正面図である。

【符号の説明】

１・６ 掘進機 １０・３０ （第一の）カッターフェイス ２０・４０ （第二の）カッターフェイス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 助川 禎 千葉県浦安市富岡２−２−１−402 (72)発明者 今井 京平 東京都国分寺市東戸倉２−24−10 (72)発明者 皿田 進 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 車 文男 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (56)参考文献 特開 昭63−130895（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−16987（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部が円筒面状で下部が平坦に近いトン
   ネルを掘削するシールド掘進機であって、 正面視した外形が上記のトンネル上部に沿う円弧状部分
   を含む扇形状で、その円弧状部分まで放射状に掘削刃と
   土砂取込み口とが配列され、円弧状部分の曲率中心を中
   心として揺動する第一のカッターフェイスと、 第一のカッターフェイスと同一の面内で上記放射状配列
   の中心付近に配置されて掘削刃と土砂取込み口とを放射
   状に具備し回転する第二のカッターフェイスとを前部に
   備え、 第一のカッターフェイスにおける上記放射状配列の角度
   間隔が、第二のカッターフェイスにおける角度間隔より
   も密である ことを特徴とする シールド掘進機。