JP2926125B2

JP2926125B2 - 矩形シールド装置

Info

Publication number: JP2926125B2
Application number: JP6522391A
Authority: JP
Inventors: 國雄中村; 征行鷹巣
Original assignee: Tokyu Construction Co Ltd
Current assignee: Tokyu Construction Co Ltd
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JPH04281995A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボックスカルバートの
ような矩形断面を有する地下構造物を構築するための矩
形シールド装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、交通トンネル、水路トンネル、
電線・通信トンネル等の地下構造物を構築するにはシー
ルド工法が広く採用されている。ところが、従来のシー
ルド工法では円形断面しか掘削することができず、矩形
断面の地下構造物を構築することは不可能であった。従
って、矩形断面の掘削には、別の方式の自由走行型の掘
削機が適用されていた。しかしながら、上記従来の掘削
機では、地山（切羽）の悪いところでは、薬液注入など
の補助工法を必要とし、余分な工費と工期がかかるだけ
でなく、安全性に欠ける等の問題点があった。

【０００３】また、矩形に類似した断面を掘削するシー
ルド工法も開発されているが、機構が複雑であって、操
作が困難であり、実用性に乏しい等の問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
問題点を解決するためになされたもので、その目的とす
るところは、カッターにより全矩形断面を能率よく掘削
することができ、機構が極めて簡単で操作し易く、安全
性に富んだ矩形シールド装置を提供することにある。

【０００５】

【発明が解決するための手段】本発明の矩形シールド装
置は、矩形断面形状を有するスキンプレートの切羽側の
前端開口部に、正三角形の各頂点を中心とし、その１辺
の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、これら
の３つの円弧により囲まれたルーローの三角形またはそ
れより内方に描かれた曲線あるいは直線により囲まれた
形状のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩形状ス
キンプレートの中心軸の回りに公転させながら、上記回
転軸の回りに自転させて掘削するように構成した矩形シ
ールド装置において、上記前端開口部の付近のスキンプ
レート内に支持壁を設け、該支持壁に公転用駆動盤を回
転自在に設けて上記スキンプレートの中心軸の回りに回
転駆動すると共に、該公転用駆動盤に上記カッターの回
転軸を回転自在に取り付けて該公転用駆動盤の回転方向
とは逆方向に且つ該公転用駆動盤の回転数の１／３の回
転数で回転駆動するように構成したことを特徴とする。
また、本発明の矩形シールド装置は、矩形断面形状を有
するスキンプレートの切羽側の前端開口部に、正三角形
の各頂点を中心とし、その１辺の長さを半径とする円弧
を各対辺の外側に描き、これらの３つの円弧により囲ま
れたルーローの三角形またはそれより内方に描かれた曲
線あるいは直線により囲まれた形状のカッターを、該カ
ッターの回転軸を上記矩形状スキンプレートの中心軸の
回りに公転させながら、上記回転軸の回りに自転させて
掘削するように構成した矩形シールド装置において、上
記前端開口部の付近のスキンプレート内に支持壁を設
け、該支持壁に公転用リングを回転自在に設けて上記ス
キンプレートの中心軸の回りに回転駆動すると共に、該
公転用リングに回転リングを回転自在に取り付けて該公
転用リングの回転方向とは逆方向に且つ該公転用リング
の回転数の１／３の回転数で回転駆動するように構成し
たことを特徴とする矩。さらに、本発明の矩形シールド
装置は、矩形断面形状を有するスキンプレートの切羽側
の前端開口部に正方形のガイド枠を設け、該ガイド枠内
に、正三角形の各頂点を中心とし、その１辺の長さを半
径とする円弧を各対辺の外側に描き、これらの３つの円
弧により囲まれたルーローの三角形から成る三角カムを
納めて、該三角カムの回転軸を上記ガイド枠の中心の回
りに公転させながら、該回転軸の回りに公転方向とは逆
方向に且つ公転数の１／３の回転数で自転せしめ、該三
角カムにカッター杆を放射状に取り付けたことを特徴と
する。さらにまた、本発明の矩形シールド装置は、矩形
断面形状を有するスキンプレートの切羽側の前端開口部
に、正三角形の各頂点を中心とし、その１辺の長さを半
径とする円弧を各対辺の外側に描き、これらの３つの円
弧により囲まれたルーローの三角形より内方に描かれた
曲線あるいは直線により囲まれた形状のカッターを、該
カッターの回転軸を上記矩形状スキンプレートの中心軸
の回りに公転させながら、上記回転軸の回りに自転させ
て掘削するように構成した矩形シールド装置において、
複数のカッターを並べて、それらの一部を前後にオーバ
ーラップさせたことを特徴とする。またさらに、本発明
の矩形シールド装置は、矩形断面形状を有するスキンプ
レートの切羽側の前端開口部に、正三角形の各頂点を中
心とし、その１辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外
側に描き、これらの３つの円弧により囲まれたルーロー
の三角形より内方に描かれた曲線あるいは直線により囲
まれた形状のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩
形状スキンプレートの中心軸の回りに公転させながら、
上記回転軸の回りに自転させて掘削するように構成した
矩形シールド装置において、上記カッターが往復移動す
るように構成したことを特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図１および図２において、１はスキン
プレートであって、四隅が円弧状になった正方形の断面
形状を有する鋼殻状の角筒体である。該スキンプレート
１の切羽側の前端開口部には、カッター２が回転自在に
配置されている。尚、スキンプレート１の前端縁に切刃
を設けてもよい。

【０００７】上記カッター２の形状は、図３に図解して
示すように、１辺の長さがＬの正三角形の各頂点Ａ，
Ｂ，Ｃを各々中心とする半径Ｌの円弧Ａ′，Ｂ′，Ｃ′
を対辺の外側に描き、これらの３つの円弧Ａ′，Ｂ′，
Ｃ′により囲まれた三角形、いわゆるルーローの三角形
である。Ｑは該ルーローの三角形の中心である。

【０００８】上記カッター２には、例えば図２に例示す
るように、多数のカッタービット２ａが配列されてい
る。２ｂは、該カッタービット２ａにより切削した土砂
を上記スキンプレート１内に取り込むためのスリットで
ある。

【０００９】上記カッター２の上記中心Ｑにはカッター
回転軸３が固定されている。図４に示すように、該カッ
ター回転軸３は、公転用駆動盤４の中心Ｐから偏心距離
Ｒの位置に回転自在に取付けられていて、中心Ｐの回り
を自転しながら公転するようになっている。尚、該公転
用駆動盤４の中心Ｐは上記スキンプレート１の中心に位
置する。

【００１０】上記カッター回転軸３の中心Ｑと公転用駆
動盤４の中心Ｐとの偏心距離Ｒは、上記正三角形の１辺
の長さＬに対して、次のような関係にある。すなわち、
図５に図解して示すように、三角形の中心Ｑから線分Ａ
Ｃに垂線を下ろし、その交点を点Ｄとして、直角三角形
ＡＱＤに着目すると、ＡＤ＝ＡＱ・Ｃｏｓ３０°＝（ＡＰ＋ＰＱ）Ｃｏｓ３０
° ここで、ＡＤ＝ＡＰ＝Ｌ／２、ＰＱ＝Ｒであるから、Ｌ／２＝｛（Ｌ／２）＋Ｒ｝Ｃｏｓ３０゜の関係が成り立つ。これを、偏心距離Ｒについて整理す
ると、Ｒ＝（Ｌ／２）／Ｃｏｓ３０゜−（Ｌ／２）が得られる。

【００１１】上記公転用駆動盤４は支持壁５に回転自在
に取付けられている。該支持壁５は上記スキンプレート
１の内側に一体的に設けられている。上記公転用駆動盤
４には歯車４ａが設けられていて、油圧モーター等の回
転駆動装置６の駆動軸に取付けられた駆動歯車６ａが噛
合っている。従って、上記公転用駆動盤４は上記回転駆
動装置６により回転駆動され、カッター回転軸３を中心
Ｐの回りに偏心距離Ｒで公転させる。７はカッター回転
軸３、すなわちカッター２を回転させるためのカッター
回転駆動装置であって、上記公転用駆動盤４に取付けら
れている。

【００１２】次に、上記カッター２、すなわち、カッタ
ー回転軸３の公転方向と公転回転数Ｎ１ならびに自転方
向と自転回転数Ｎ２について考察する。本発明のルーロ
ーの三角形状のカッター２は、スキンプレート１の横断
面、すなわち、四隅が円弧状となった正方形の断面を掘
削するために、図６ないし図９に示すように、一辺がＬ
の正方形に内接して回転する。

【００１３】上記カッター２の動きのうち、特に、頂点
Ａと中心Ｑの動きに注目すると、図６の状態において
は、円弧Ａ′が正方形の下辺に常に接しているので、そ
の結果、頂点Ａは常に該接点の真上に位置している。従
って、頂点Ａは正方形の上辺に沿った直線状の軌跡を描
くことになる。頂点Ａの上記直線移動に対応して、中心
ＱはＱ０からＱ１のように中心Ｐの回りに１／４回転す
る。続いて、図７に示すように、頂点ＡがＡ１からＡ２
まで円弧を描いて移動する間に、中心ＱはＱ１からＱ２
まで１／４回転する。さらに、図８に示すように、頂点
ＡがＡ２からＡ３に直線移動する間に、中心ＱはＱ２か
らＱ３まで１／４回転する。更に続いて、図９に示すよ
うに、頂点ＡがＡ３からＡ４に直線移動する間に、中心
ＱはＱ３からＱ４まで１／４回転する。

【００１４】図６から図９までのカッター２の動きは、
各頂点が隣の頂点の位置にまで移動する状態、すなわち
中心Ｑを回転軸とする１２０°の回転を示している。従
って、カッター２、すなわちカッター回転軸３が１２０
°回転する間に、その中心Ｑは、スキンプレート１の断
面、すなわち正方形の中心Ｐの回りに半径Ｒで１回転す
ることになる。言い換えれば、カッター回転軸３は、そ
の公転の回転数Ｎ１が自転の回転数Ｎ２の３倍の速度
で、回転することになる。尚、上記公転方向と自転方向
とは反対方向である。

【００１５】尚、図１において、８は土砂排出用のコン
ベヤ、９はシールドジャッキ、１０はセグメントであ
る。

【００１６】次に、上記実施例のシールド装置の作用に
ついて説明する。まず回転駆動装置６を稼働させると、
駆動歯車６ａおよび歯車４ａを介して公転用駆動盤４が
中心Ｐを軸にして回転する。これと同時に、カッター回
転駆動装置７を稼働させるとカッター回転軸３が中心Ｑ
の回りに回転する。その結果、カッター回転軸３は、図
１０に示すように、中心Ｐの回りを公転しながら自転す
る。この場合、カッター回転軸３の公転方向と自転方向
を逆方向に回転させると共に、公転の回転数Ｎ１を自転
数Ｎ２の３倍で回転させ、更に、カッター回転軸３の偏
心距離Ｒ、を掘削すべき正方形断面の一辺の長さＬに対
して、式Ｒ＝（Ｌ／２）／Ｃｏｓ３０°−（Ｌ／２）を
満足するように設定して、カッター回転軸３を回転させ
ると、カッター２の各頂点Ａ，Ｂ，Ｃは、一辺の長さが
Ｌで四隅が円弧状となった正方形の軌跡を描く。

【００１７】上記カッター２は、一辺の長さがＬの正三
角形の各頂点Ａ，Ｂ，Ｃを各々中心とする半径Ｌの円弧
Ａ′，Ｂ′，Ｃ′を対辺の外側に描き、これらの３つの
円弧Ａ′，Ｂ′，Ｃ′により囲まれたルーローの三角形
であり、その前面および周囲に多数のカッタービット２
ａが植設されているので、シールドジャッキ９により推
進させると、四隅が円弧状となった正方形断面のトンネ
ルが掘削される。

【００１８】上記実施例のカッター２はルーローの三角
形として形成されているが、本発明のカッターはこれに
限定するものではなく、正三角形の各頂点Ａ，Ｂ，Ｃの
間に描かれた上記円弧Ａ′，Ｂ′，Ｃ′より内方に描い
た曲線あるいは直線により囲まれた形状のカッターであ
れば、いずれでもよい。例えば、図１１に例示するよう
な正三角形のカッター２′や３本の放射状カッター竿を
有するカッター２″であってもよい。

【００１９】また、上記実施例のカッター２の切羽面は
平面状に形成されているが、本発明はこれに限定するも
のではなく、例えば、図１２に例示するように、円錐
形、ドーム形、傾斜形等、従来から採用されている各種
のものが適用可能である。

【００２０】切羽の崩壊の恐れがある場合には、これま
でに採用されている泥水加圧工法や山留板等により崩壊
を防止することも可能である。

【００２１】上記カッター２の駆動装置は、例えば、図
１３および図１４に示すように、スキンプレート１に大
径の公転用リング４′を中心Ｐの回りに回転可能に取付
けると共に、該公転用リング４′に偏心距離Ｒで回転リ
ング３′を中心Ｑの回りに回転可能に取付け、該回転リ
ング３′を連結棒２ｃを介してカッター２に連結して構
成する。本実施例においても、カッター２は上記実施例
と全く同じ回転をする。本実施例では、カッター２を安
定して支持することができると共に、スキンプレート１
の中心部の空間を確保できる等の利点がある。

【００２２】図１５および図１６は、カッター駆動装置
の更に別の実施例を示すもので、カッター２は上記スキ
ンプレート１の前端縁に形成されているガイド部１′の
内側に案内されながら回転するようになっている。カッ
ター回転軸３には小歯車１１が取付けられていて、大歯
車１２の内歯に噛合いながら転動するようになってい
る。上記大歯車１２は適宜回転駆動装置（図示せず）に
より支持壁５内を回転駆動される。該大歯車１２の回転
中心は上記中心Ｐであり、一方、小歯車１１の回転中心
は上記中心Ｑである。また、上記大歯車１２の半径は上
記偏心距離Ｒの４倍であり、小歯車１１の半径は偏心距
離Ｒの３倍に設定されている。従って、上記大歯車１２
を矢印方向に回転駆動すると、小歯車１１も同方向に回
転して、この回転力はカッター回転軸３を介してカッタ
ー２を回転駆動し、その結果、カッター２はガイド部
１′内で案内されながら回転する。尚、上記大歯車１２
を支持壁５に固定して、その内側に小歯車１１を回転駆
動させるようにしてもよい。この場合、小歯車１１を回
転駆動する駆動装置の反力を取る必要がある。本実施例
では、カッター回転軸３の公転運動をスキンプレート１
に対して規制することができれば、上記ガイド部１′は
省略することができる。

【００２３】図１７は上記実施例の回転駆動方式と同様
にして三角カム１３をガイド枠１４内で回転させ、カッ
ター回転軸３に固定したカッター板１５にカッター杆１
６を放射状に取付けて、該カッター杆１６にカッタービ
ット２ａを適宜配置したものである。本実施例では正方
形に類似した断面を掘削することができる。

【００２４】本発明のカッター駆動装置は、以上のよう
な構成に限定するものではなく、要するに、カッター２
の回転軸が、スキンプレート１の中心Ｐに対して上記偏
心距離Ｒを有し、公転方向と自転方向が逆であって、且
つ公転数が自転数の３倍となるように駆動し得る機構で
あれば、いずれの機構であってもよい。尚、回転駆動部
には土砂シールをする。

【００２５】上記実施例ではカッター２を１枚使用し
て、正方形状のトンネルと掘削するようにしたが、図１
８に示すように、カッターを複数枚（本実施例では２
枚）並べて長方形状のトンネルを掘削することも可能で
ある。この場合、カッター２，２を前後にオーバーラッ
プさせて、自由な縦横比の矩形トンネルを掘削すること
ができる。１″は長方形スキンプレートである。

【００２６】また、図１９に示すように、１枚のカッタ
ー２の公転の中心Ｐを、ＰとＰ′の間で往復移動させる
ことにより、長方形の断面を掘削することができる。更
に、カッター回転軸３の偏心距離Ｒを変化させたり、上
記公転の中心Ｐの移動を組み合わせることにより、正方
形や長方形の矩形に類似した断面のトンネルを掘削する
ことも可能である。尚、偏心距離Ｒを０にすれば、円形
断面のトンネルを掘削することも可能である。

【００２７】カッター回転軸３を公転用駆動盤４内で自
由に移動できるように構成すれば、１本のトンネルにつ
いて、長手方向にいろいろな断面形状を組み合わせたト
ンネルを掘削することができる。

【００２８】

【発明の効果】１）一枚のカッターをスキンプレートの
中心軸の回りに公転させながら自転させることにより、
自由な断面形状の地下構造物を構築することができる。２）一枚のカッターを公転させながら自転させるだけの
極めて簡単な機構で矩形状の断面を掘削することができ
る。３）自由な形状の断面を掘削できるので、あらゆる地下
構造物に対処することができる。４）カッターの偏心距離、公転及び自転の回転数や回転
方向等を特定することにより、正方形等の矩形断面を掘
削することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の矩形シールドの一実施例の縦断面図で
ある。

【図２】矩形シールドの正面図である。

【図３】ルーローの三角形の説明図である。

【図４】カッター回転軸の偏心の説明図である。

【図５】偏心距離の算出説明図である。

【図６】カッターの第１の作動状態を示す図である。

【図７】カッターの第２の作動状態を示す図である。

【図８】カッターの第３の作動状態を示す図である。

【図９】カッターの第４の作動状態を示す図である。

【図１０】公転用駆動盤とカッター回転軸の回転方向の
説明図である。

【図１１】カッターの別の形状例を示す図である。

【図１２】カッターの切羽面の別の形状例を示す図であ
る。

【図１３】カッターの駆動装置の別の実施例の縦断面図
である。

【図１４】図１３の実施例のイーイ断面図である。

【図１５】カッターの駆動装置の更に別の実施例の縦断
面図である。

【図１６】図１５の駆動装置を透視した正面図である。

【図１７】シールドの改変例を示す図である。

【図１８】２個のカッターによる長方形断面の掘削図で
ある。

【図１９】１個のカッターによる長方形断面の掘削図で
ある。

【符号の説明】

１スキンプレート１′ガイド部１″長方形スキンプレート２カッター２ａカッタービット２ｂスリット２ｃ連結棒３カッター回転軸４公転用駆動盤４ａ歯車５支持壁６回転駆動装置６ａ駆動歯車７カッター回転駆動装置８コンベヤ９シールドジャッキ１０セグメント１１小歯車１２大歯車１３三角カム１４ガイド枠１５カッター板１６カッター杆Ａ頂点Ｂ頂点Ｃ頂点Ａ′円弧Ｂ′円弧Ｃ′円弧Ｄ交点Ｌ三角形及び正方形の１辺の長さＰスキンプレート及び公転用駆動盤の中心Ｑカッター及びカッター回転軸の中心Ｒ偏心距離

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形断面形状を有するスキンプレートの切
羽側の前端開口部に、正三角形の各頂点を中心とし、そ
の１辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、
これらの３つの円弧により囲まれたルーローの三角形ま
たはそれより内方に描かれた曲線あるいは直線により囲
まれた形状のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩
形状スキンプレートの中心軸の回りに公転させながら、
上記回転軸の回りに自転させて掘削するように構成した
矩形シールド装置において、上記前端開口部の付近のス
キンプレート内に支持壁を設け、該支持壁に公転用駆動
盤を回転自在に設けて上記スキンプレートの中心軸の回
りに回転駆動すると共に、該公転用駆動盤に上記カッタ
ーの回転軸を回転自在に取り付けて該公転用駆動盤の回
転方向とは逆方向に且つ該公転用駆動盤の回転数の１／
３の回転数で回転駆動するように構成したことを特徴と
する矩形シールド装置。
【請求項２】矩形断面形状を有するスキンプレートの切
羽側の前端開口部に、正三角形の各頂点を中心とし、そ
の１辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、
これらの３つの円弧により囲まれたルーローの三角形ま
たはそれより内方に描かれた曲線あるいは直線により囲
まれた形状のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩
形状スキンプレートの中心軸の回りに公転させながら、
上記回転軸の回りに自転させて掘削するように構成した
矩形シールド装置において、上記前端開口部の付近のス
キンプレート内に支持壁を設け、該支持壁に公転用リン
グを回転自在に設けて上記スキンプレートの中心軸の回
りに回転駆動すると共に、該公転用リングに回転リング
を回転自在に取り付けて該公転用リングの回転方向とは
逆方向に且つ該公転用リングの回転数の１／３の回転数
で回転駆動するように構成したことを特徴とする矩形シ
ールド装置。
【請求項３】矩形断面形状を有するスキンプレートの切
羽側の前端開口部に正方形のガイド枠を設け、該ガイド
枠内に、正三角形の各頂点を中心とし、その１辺の長さ
を半径とする円弧を各対辺の外側に描き、これらの３つ
の円弧により囲まれたルーローの三角形から成る三角カ
ムを納めて、該三角カムの回転軸を上記ガイド枠の中心
の回りに公転させながら、該回転軸の回りに公転方向と
は逆方向に且つ公転数の１／３の回転数で自転せしめ、
該三角カムにカッター杆を放射状に取り付けたことを特
徴とする矩形シールド装置。
【請求項４】矩形断面形状を有するスキンプレートの切
羽側の前端開口部に、正三角形の各頂点を中心とし、そ
の１辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、
これらの３つの円弧により囲まれたルーローの三角形よ
り内方に描かれた曲線あるいは直線により囲まれた形状
のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩形状スキン
プレートの中心軸の回りに公転させながら、上記回転軸
の回りに自転させて掘削するように構成した矩形シール
ド装置において、複数のカッターを並べて、それらの一
部を前後にオーバーラップさせたことを特徴とする矩形
シールド装置。
【請求項５】矩形断面形状を有するスキンプレートの切
羽側の前端開口部に、正三角形の各頂点を中心とし、そ
の１辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、
これらの３つの円弧により囲まれたルーローの三角形よ
り内方に描かれた曲線あるいは直線により囲まれた形状
のカッターを、該カッターの回転軸を上記矩形状スキン
プレートの中心軸の回りに公転させながら、上記回転軸
の回りに自転させて掘削するように構成した矩形シール
ド装置において、上記カッターが往復移動するように構
成したことを特徴とする矩形シールド装置。