JP2955825B2 - 異形断面掘削トンネル掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異形断面のトンネルを
掘進するトンネル掘進機に関する。

【０００２】

【従来の技術】異形断面のトンネルを掘進するトンネル
掘進機としては種々のものが知られている。例えば、特
開平３−１２２３９８号公報に示すように、シールド本
体に一対の円形第１カッタヘッドを回転自在に設け、こ
の円形第１カッタヘッドの後方に第２カッタヘッドを回
転自在に設けた第１のトンネル掘進機。

【０００３】また、特開平４−１４３３９８号公報に示
すように、円形となった２つのメインカッタを並設した
２つの本体胴部にそれぞれ設け、その２つの本体胴部の
間にワイパ型揺動カッタを装着した第２のトンネル掘進
機。

【０００４】また、特開平４−２８５２９４号公報に示
すように、スキンプレートに２つの円形カッター板を配
設し、その２つの円形カッター板間の上下に端部カッタ
ーを配設した第３のトンネル掘削機。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の各トンネル掘進
機によればほぼ長円形断面のトンネルを掘進できるが、
第１のトンネル掘進機であると第２カッタヘッドが一対
の円形カッタヘッドの後方において一対の円形カッタヘ
ッド間に亘って設けてあるので、第１円形カッタヘッド
で掘削した後に掘削できない部分を第２カッタヘッドで
掘削することになり、第２カッタヘッドにより掘削した
後に第１円形カッタヘッドで掘削できない。つまり、第
２カッタヘッドで先行掘削できない。

【０００６】また、第１のトンネル掘進機であると第２
カッタヘッドのほぼ半分程度が一対の第１円形カッタヘ
ッドの後方に位置し、第２カッタヘッドの有効掘削部分
が全体のほぼ半分程度となり、第２カッタヘッドが必要
以上に大きくなってしまう。

【０００７】第２のトンネル掘進機であるとカッタをワ
イパーのように揺動して掘削するワイパ型揺動カッタを
２つ用いるので駆動源も複数必要となる。またカッタ揺
動時はジャッキ操作を常に切換えねばならず、操作が複
雑になる。さらに揺動カッタ間の部分が掘削できず掘削
残りが生じてしまう。

【０００８】第３のトンネル掘進機であると、端部カッ
ターがスキンプレートと平行に回転して２つの円形カッ
ター間の部分を掘削するので、その２つの円形カッター
間の部分を全て掘削できずに掘削残りが生じてしまう。
なお、掘削残りをなくするため中央にカッタを追加する
と、カッタを回転させるための駆動機構が複雑になって
しまう。

【０００９】そこで、本発明は前述の課題を解決できる
ようにした異形断面掘削トンネル掘進機を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、掘進機本
体１の前端部に、その前面が掘進方向と直角となり、か
つ回転軸が掘進方向と平行にして取付けた複数の円形カ
ッタヘッド２と、前記掘進機本体１の前端部における隣
接する２つの円形カッタヘッド２間と対向した位置に取
付けたドラムカッタヘッド３を備え、前記ドラムカッタ
ヘッド３は、ギヤボックス２７に第１ドラムカッタヘッ
ド２０と第２ドラムカッタヘッド２１が相対向して回転
自在に取付けられ外周面が前記円形カッタヘッド２の外
周面と略同一曲率の鼓形で、かつ軸方向長さが円形カッ
タヘッド２の直径と略等しく、その第１ドラムカッタヘ
ッド２０、第２ドラムカッタヘッド２１の回転軸が掘進
方向と直角で、かつ円形カッタヘッド２の前面と平行
で、前記ギヤボックス２７の前面に回転カッタ２２を取
付け、前記ギヤボックス２７内に主駆動軸３２と、その
主駆動軸３２を第１・第２ドラムカッタヘッド２０，２
１と回転カッタ２２に連結する傘歯車機構３１を設けた
異形断面掘削トンネル掘進機である。第２の発明は、掘
進機本体１の前端上部に大径の円形カッタヘッド２、前
端下部に小径の円形カッタヘッド２を、その前面が掘進
方向と直角となり、かつ回転軸が掘進方向と平行にして
それぞれ取付け、前記掘進機本体１の前端部における隣
接する大径、小径の円形カッタヘッド２間の後部位置に
鼓形で下向きＶ字状となったドラムカッタヘッド３を、
前記大径の円形カッタヘッド２の外周面に沿って回転
し、その軸方向両端面を大径の円形カッタヘッド２の外
周面と小径の円形カッタヘッド２の外周面を結ぶ仮想直
線に沿って取付けた異形断面掘削トンネル掘進機であ
る。

【００１１】

【作 用】第１の発明に係るトンネル掘進機によれ
ば、隣接する２つの円形カッタヘッド２間の掘削できな
い鼓状部分をドラムカッタヘッド３で掘削してほぼ長円
形断面のトンネルを掘進できる。また、ドラムカッタヘ
ッド３を円形カッタヘッド２よりも前方に突出させてド
ラムカッタヘッド３で先行掘削できる。また、ドラムカ
ッタヘッド３の全体が掘削動作するからドラムカッタヘ
ッド３は隣接する２つの円形カッタヘッド２間の掘削で
きない部分と略同一の大きさとなる。また、ドラムカッ
タヘッド３は回転駆動により掘削するから掘削力が大き
く、効率良く掘削できる。また、主駆動軸３２を駆動す
ることで第１ドラムカッタヘッド２０と第２ドラムカッ
タヘッド２１と回転カッタ２２が回転し、回転カッタ２
２でギヤボックス２７の前方を掘削できる。第２の発明
によれば、大径の円形カッタヘッド２で掘削した大径の
円形断面の上部トンネルと小径の円形カッタヘッド２で
掘削した小径の円形断面の下部トンネルの外周面がドラ
ムカッタヘッド３の掘削によって連続するので、上部が
大径で下部が小径なる長円形状のトンネルを掘削でき
る。

【００１２】

【実 施 例】図１と図２に示すように、スキンプレー
トと呼ばれる筒状の掘進機本体１には一対の円形カッタ
ヘッド２が回転自在に設けてあり、その隣接した一対の
円形カッタヘッド２間にドラムカッタヘッド３が回転自
在に設けられている。

【００１３】前記掘進機本体１は図３に示すように半円
形断面形状で相対向した第１円弧状部４と第２円弧状部
５を直線状で相互に平行となった第１直線部６と第２直
線部７により一体的に連結した長円形断面の筒状体とな
り、その第１、第２直線図６，７の前端部における長軸
方向の中間部は図１に示すように半円形状に切欠きされ
て切欠凹部８を有している。

【００１４】前記一対の円形カッタヘッド２は図１と図
２に示すように円板状の回転体１０の前面に複数のビッ
ト１１を取付けたもので、その回転体１０の後面にフレ
ーム１２を介してリング状回転体１３が固設しており、
前記掘進機本体１の前部寄りに支持フレーム１４が固設
され、この支持フレーム１４の第１、第２円弧状部４，
５にリング状支持体１５が前方に向けてそれぞれ固設し
てあり、このリング状支持体１５に前記リング状回転体
１３が軸受１６を介して回転自在に支承され、円形カッ
タヘッド２は掘進機本体１の前端面１ａよりも若干前方
に突出して第１、第２円弧状部４，５に沿って回転自在
となり、その円形カッタヘッド２の回転軸は掘進方向と
平行で、前面２ａは掘進方向と直角である。

【００１５】前記支持フレーム１４には一対の第１駆動
モータ１７が取付けられ、この各第１駆動モータ１７で
駆動されるピニオン１８が前記各リング状回転体１３に
それぞれ設けたリングギヤ１９にそれぞれ噛合してい
る。

【００１６】前記ドラムカッタヘッド３は図４に示すよ
うに、第１ドラムカッタヘッド２０と第２ドラムカッタ
ヘッド２１と回転カッタ２２を備え、第１、第２ドラム
カッタヘッド２０，２１は漏斗状の外周面２３を有する
ドラム２４に複数の取付座２５を放射状に固着し、その
取付座２５に複数のビット２６を取付けたもので、その
ドラム２４の小径部がギヤボックス２７の上下に相対向
して回転自在に支承され、第１、第２ドラムカッタヘッ
ド２０，２１の各ビット２６の軸方向の配列軌跡は前記
円形カッタヘッド２の外周面と略同一曲率の凹円弧状と
なり、ドラムカッタヘッド３は隣接する一対の円形カッ
タヘッド２間に形成された鼓形の空間部と略同一形状、
具体的には円形カッタヘッド２の外周面と略同一曲率の
鼓形で、軸方向長さが円形カッタヘッド２の外径と略同
一となり前記ギヤボックス２７の前面に回転カッタ２２
が回転自在に支承され、この回転カッタ２２の回転軸は
前記第１、第２ドラムカッタヘッド２０，２１の回転軸
と９０度位相がずれている。

【００１７】前記ギヤボックス２７には第１ドラムカッ
タヘッド２０を駆動する第１駆動軸２８と第２ドラムカ
ッタヘッド２１を駆動する第２駆動軸２９と回転カッタ
２２を駆動する第３駆動軸３０が設けてあり、この第
１、第２駆動軸２８，２９は傘歯車機構３１を介して主
駆動軸３２に連結し、第３駆動軸３０は主駆動軸３２に
連結している。

【００１８】前記傘歯車機構３１は図５（ａ）に示すよ
うに、主駆動軸３２に設けた第１駆動傘歯車３３を第１
駆動軸２８に設けた第１従動傘歯車３４に噛合し、主駆
動軸３２に設けた第２駆動傘歯車３５を中間傘歯車３６
を介して第２駆動軸２９に設けた第２従動傘歯車３７に
噛合してあり、駆動軸３２を一方向に駆動すると第１駆
動軸２８が他方向に回転し、第２駆動軸２９が一方向に
回転する。

【００１９】このようであるから、主駆動軸３２を駆動
すると第１ドラムカッタヘッド２０と第２ドラムカッタ
ヘッド２１が逆方向に回転駆動され、第１、第２ドラム
カッタヘッド２０，２１の掘削反力がバランスするため
掘進機本体１は掘進方向から外れる力が作用しないよう
になる。

【００２０】つまり、第１ドラムカッタヘッド２０の掘
削反力と第２ドラムカッタヘッド２１の掘削反力が相互
に打ち消し合うから、掘進機本体１にドラムカッタヘッ
ド回転方向の力が作用せずに正しく掘進方向に掘進でき
る。

【００２１】また、主駆動軸３２、傘歯車機構３１はギ
ヤボックス２７内に設けられ、第１、第２、第３駆動軸
２８，２９，３０のギヤボックス２７貫通部分をシール
材でシールしてあり、これにより傘歯車機構３１に泥水
等が流入することを防止できる。

【００２２】前記ギヤボックス２７は図１に示すように
支持フレーム１４の凹湾曲部５寄りに固設されて円形カ
ッタヘッド２より若干前方に突出し、その第１、第２ド
ラムカッタヘッド２０，２１の回転軸は掘進方向と直角
で円形カッタヘッド２の前面２ａと平行となり、かつ掘
進方向の位置は円形カッタヘッド２と略同一で、第３駆
動軸３０（ドラムカッタヘッド３の軸方向中央部３ａ）
は２つの円形カッタヘッド２の回転中心２ｂを結ぶ直線
上に位置し、ドラムカッタヘッド３の各ビット２６は一
対の円形カッタヘッド２間において円形カッタヘッド２
の外周面に沿って回転する。

【００２３】前記ギヤボックス２７の後端部には第２駆
動モータ３８が取付けてあり、送水管３９で円形カッタ
ヘッド２の裏面側に水を供給して掘削した土砂と水を混
合して泥水とし、泥水を吸引管４０で吸引して排出する
ようにしてある。なお泥土状による土砂排出方法に限ら
ず、スクリューコンベヤによる排出でもよい。

【００２４】前記傘歯車機構３１は図５（ｂ）に示す構
成としても良い。つまり、第１駆動軸２８と第２駆動軸
２９を一体とし、第３駆動軸３０と主駆動軸３２を別体
とし、その第３駆動軸３０に設けた傘歯車３０ａを第１
従動傘歯車３４に噛合してある。

【００２５】このようにすれば、３つの傘歯車で第１、
第２、第３駆動軸２８，２９，３０を回転できる。

【００２６】前記傘歯車機構３１は図５（ｃ）に示す構
成としても良い。つまり、第１駆動軸２８と第２駆動軸
２９を別体として自在継手３１ａで連結し、第３駆動軸
３０と主駆動軸３２を別体とし、その第３駆動軸３０に
設けた傘歯車３０ａを第１従動傘歯車３４に噛合してあ
る。

【００２７】このようにすれば、３つの傘歯車で第１、
第２、第３駆動軸２８，２９，３０を回転できるし、第
１駆動軸２８と第２駆動軸２９をハ字状とすることがで
きる。

【００２８】次に掘進動作を説明する。一対の第１駆動
モータ１７を駆動して一対の円形カッタヘッド２を回転
すると共に、第２駆動モータ３８を駆動してドラムカッ
タヘッド３を回転しながら掘進機本体１を推進して地山
を掘削する。

【００２９】これにより、図６の仮想線で示すようにド
ラムカッタヘッド３により鼓形断面の第１トンネル４１
を先行掘削し、その後に一対の円形カッタヘッド２，２
により先行掘削した第１トンネル４１の両側部掘削して
一対の円形断面の第２トンネル４２，４２を掘削し、そ
の第一トンネル４１と一対の第２トンネル４２が連続し
て全体として長円形断面のトンネル４３が掘削される。

【００３０】このようであるから、一対の円形カッタド
ラム２間の掘削できない鼓形の部分をドラムカッタヘッ
ド３により全て掘削できるし、そのドラムカッタヘッド
３の全体が掘削するのでドラムカッタヘッド３は前記一
対の円形カッタヘッド２間の鼓形の掘削できない部分と
同一大きさで良いからドラムカッタヘッド３は必要の大
きさとなり、全体がコンパクトとなる。しかも、ドラム
カッタヘッド３は回転駆動して掘削するので、その掘削
力が大きい。

【００３１】なお、一対の円形カッタヘッド２を反対方
向に回転すれば掘削反力が相互に打ち消し合って正しい
掘進方向に掘進でき、同一方向に回転すれば掘進機本体
１に掘削反力によって掘進方向からずれる力が作用する
から掘進方向の修正などが可能となる。

【００３２】次に第２実施例を説明する。図７に示すよ
うに、ドラムカッタヘッド３の第１ドラムカッタヘッド
２０のドラム２４の大径側端面２４ａを凸円弧状とし、
第２ドラムカッタヘッド２１のドラム２４の大径側端面
２４ａも凸円弧状としてある。このようにすれば、だ円
となった断面形状のトンネルを掘進できる。

【００３３】次に第３実施例を説明する。図８に示すよ
うに、４つの円形カッタドラム２を隣接して取付け、隣
接する円形カッタドラム２間にドラムカッタヘッド３が
設けてあり、トンネル掘進機全体が円弧状となってい
る。

【００３４】前述の図８のトンネル掘進機によれば長尺
で円弧状断面のトンネルを一度に掘進できる。

【００３５】以上の各実施例はドラムカッタヘッド３の
回転中心を円形カッタヘッド２の前面と掘進方向に略同
一位置としたが、図９に示すようにドラムカッタヘッド
３の回転中心を円形カッタヘッド２の前面よりも掘進方
向後側に位置させても良い。

【００３６】このようにすれば、掘進機本体１を推進し
てトンネルを掘進する際に一対の円形カッタヘッド２に
より２つの円形断面の第１トンネルが掘進され、その後
にドラムカッタヘッド３により鼓形断面の第２トンネル
が掘進される。つまり、円形カッタヘッド２が掘進残し
た部分をドラムカッタヘッド３で掘進する。これによ
り、砂れき層などの弱い地盤を効率良く掘進できる。

【００３７】これに対して、図１に示すようにドラムカ
ッタヘッド３を円形カッタヘッド２よりも前方に突出さ
せたトンネル掘進機の場合には、ドラムカッタヘッド３
でまず掘進し、その後に円形カッタヘッド２で掘進する
ので、円形カッタヘッド２の掘進負荷が減少し、固い地
盤の掘進に好適となる。

【００３８】次に第５実施例を説明する。図１０と図１
１に示すように、掘進機本体１の上部に設けた一方の円
形カッタヘッド２が大径で下部に設けた他方の円形カッ
タヘッド２が小径となり、その大径の円形カッタヘッド
２が小径の円形カッタヘッド２よりも前方に突出し、そ
の２つの円形カッタヘッド２は大径の回転軸５０により
支持フレーム１４に回転自在に支承され、ドラムカッタ
ヘッド３は小径の円形カッタヘッド２の後方に位置し、
そのドラムカッタヘッド３の第１駆動軸２８と第２駆動
軸２９は小径の円形カッタヘッド２に向けてハ字状とな
り、第１ドラムカッタヘッド２０と第２ドラムカッタヘ
ッド２１が下向きＶ字状となっている。

【００３９】以下その具体構造を図１１に基づいて説明
する。主駆動軸３２（ドラムカッタヘッド３の軸方向中
央部３ａ）は大径の円形カッタヘッド２の外周面に接近
した位置となり、第１駆動軸２８と第２駆動軸２９は主
駆動軸３２を中心として一直線に対して大径の円形カッ
タヘッド２より離れる方向に向けて斜めとなり、これに
よって第１ドラムカッタヘッド２０と第２ドラムカッタ
ヘッド２１は軸方向に対して下向きＶ字状となってい
る。

【００４０】これにより、第１、第２ドラムカッタヘッ
ド２０，２１の軸方向に配設した複数のビット２６が大
径の円形カッタヘッド２の外周面に沿い、第１、第２ド
ラムカッタヘッド２０，２１のドラム２４における大径
側端面２４ａ，２４ａ（ドラムカッタヘッド３の軸方向
両端面）は小径の円形カッタヘッド２に向けて逆ハ字状
で、かつ大径の円形カッタヘッド２の外周面と小径の円
形カッタ２の外周面を結ぶ仮想直線に沿うようになる。

【００４１】このようであるから、図１２に示すように
大径の円形カッタヘッド２により大径円形断面の上部ト
ンネル５１が掘削され、小径の円形カッタヘッド２によ
り小径円形断面の下部トンネル５２が掘削されドラムカ
ッタヘッド３により略鼓形断面の中間部トンネル５３が
掘削され、その中間部トンネル５３の第１、第２直線状
部５４，５５が上部トンネル５１と下部トンネル５２に
連続するので、全体としてのトンネル５６は上部が大径
で下部が小径なる長円形状となり、下水道などの水が流
れるトンネルとして好適となる。

【００４２】以上の各実施例では円形カッタヘッド２、
ドラムカッタヘッド３にビットを取付けたが、図１３に
示すようにディスクカッタ６０を取付けても良い。

【００４３】

【発明の効果】第１の発明に係るトンネル掘進機によれ
ば、隣接する２つの円形カッタドラム２間の掘削できな
い鼓状部分をドラムカッタヘッド３で掘削するので、ほ
ぼ長円形断面のトンネルを掘進できる。また、ドラムカ
ッタヘッド３を円形カッタヘッド２よりも前方に突出さ
せることが可能となるから、ドラムカッタヘッド３で先
行掘削でき、円形カッタヘッド２の掘削抵抗が小さくな
って硬い地盤を効率良く掘削できる。また、ドラムカッ
タヘッド３の全体が掘削動作するからドラムカッタヘッ
ド３は隣接する２つの円形カッタヘッド３間の掘削でき
ない部分と略同一の大きさで良く、全体がコンパクトに
なるし、その掘削できない部分を完全に掘削して掘削残
しが生じることがない。また、ドラムカッタヘッド３は
回転駆動により掘削するから掘削力が大きく、効率良く
掘削できてトンネル掘進機全体の掘削作業効率が向上す
る。また、主駆動軸３２を駆動することで第１ドラムカ
ッタヘッド２０と第２ドラムカッタヘッド２１と回転カ
ッタ２２が回転し、回転カッタ２２でギヤボックス２７
の前方を掘削できる。

【００４４】第２の発明によれば、大径の円形カッタヘ
ッド２で掘削した大径の円形断面の上部トンネルと小径
の円形カッタヘッド２で掘削した小径の円形断面の下部
トンネルの外周面がドラムカッタヘッド３の掘削によっ
て連続するので、上部が大径で下部が小径なる長円形状
のトンネルを掘削できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の前面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図４】ドラムカッタヘッドの断面図である。

【図５】傘歯車機構の説明図である。

【図６】掘削したトンネルの断面形状の説明図である。

【図７】本発明の第２実施例を示す前面図である。

【図８】本発明の第３実施例を示す前面図である。

【図９】本発明の第４実施例を示す縦断面図である。

【図１０】本発明の第５実施例を示す縦断面図である。

【図１１】図１０の前面図である。

【図１２】掘削したトンネルの断面形状の説明図であ
る。

【図１３】ディスクカッタを取付けた実施例を示す前面
図である。

【符号の説明】

１…掘進機本体 ２…円形カッタヘッド ３…ドラムカッタヘッド ２０…第１ドラムカッタヘッド ２１…第２ドラムカッタヘッド ２２…回転カッタ ２４…ドラム ２５…取付座 ２６…ビット ２７…ギヤケース ３１…傘歯車機構 ３２…主駆動軸 ４４…トンネル ５６…トンネル ６０…ディスクカッタ

フロントページの続き (72)発明者 竹内 盛代司 東京都港区赤坂２丁目３番６号 株式会 社小松製作所本社内 (56)参考文献 特開 平２−16294（ＪＰ，Ａ) (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】 掘進機本体（１）の前端部に、その前面
   が掘進方向と直角となり、かつ回転軸が掘進方向と平行
   にして取付けた複数の円形カッタヘッド（２）と、 前記掘進機本体（１）の前端部における隣接する２つの
   円形カッタヘッド（２）間と対向した位置に取付けたド
   ラムカッタヘッド（３）を備え、 前記ドラムカッタヘッド（３）は、ギヤボックス（２
   ７）に第１ドラムカッタヘッド（２０）と第２ドラムカ
   ッタヘッド（２１）が相対向して回転自在に取付けられ
   外周面が前記円形カッタヘッド（２）の外周面と略同一
   曲率の鼓形で、かつ軸方向長さが円形カッタヘッド
   （２）の直径と略等しく、その第１ドラムカッタヘッド
   （２０）、第２ドラムカッタヘッド（２１）の回転軸が
   掘進方向と直角で、かつ円形カッタヘッド（２）の前面
   と平行で、前記ギヤボックス（２７）の前面に回転カッ
   タ（２２）を取付け、 前記ギヤボックス（２７）内に主駆動軸（３２）と、そ
   の主駆動軸（３２）を第１・第２ドラムカッタヘッド
   （２０），（２１）と回転カッタ（２２）に連結する傘
   歯車機構（３１）を設けた 異形断面掘削トンネル掘進
   機。
2. 【請求項２】 掘削機本体（１）の前端上部に大径の円
   形カッタヘッド（２）、前端下部に小径の円形カッタヘ
   ッド（２）を、その前面が掘進方向と直角となり、かつ
   回転軸が掘進方向と平行にしてそれぞれ取付け、前記掘
   進機本体（１）の前端部における隣接する大径、小径の
   円形カッタヘッド（２）間の後部位置に鼓形で下向きＶ
   字状となったドラムカッタヘッド（３）を、前記大径の
   円形カッタヘッド（２）の外周面に沿って回転し、その
   軸方向両端面を大径の円形カッタヘッド（２）の外周面
   と小径の円形カッタヘッド（２）の外周面を結ぶ仮想直
   線に沿って取付けた異形断面掘削トンネル掘進機。