JP3073416B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、岩盤などを掘削するト
ンネル掘削機に関し、特に、異形断面形状のトンネルを
連続して掘削可能とするものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なトンネル掘削機は円筒形の掘削
機本体の前部に円形のカッタヘッドが回転自在に装着さ
れてなり、このカッタヘッドに装着された駆動モータに
よってカッタヘッドが旋回させながら、掘削機本体を前
進させることで、地盤を掘削してトンネルを構築するも
のである。

【０００３】ところで、掘削形成するトンネルは、地下
鉄が走行するためのものの他に、駅の地下道や下水道な
どとして用いられるものがあり、そのトンネルの断面は
円形のみならず、楕円形や四角形、馬蹄形などとなって
いる。ところが、このような円形以外の異形断面のトン
ネルは上述したようなトンネル掘削機で掘削形成するこ
とはできない。そのため、異形断面のトンネルを形成す
るには、トンネル掘削機にて円形断面のトンネルを形成
し、その後、トンネル内壁部を作業者の手掘りによって
掘削し、異形断面のトンネルを形成していた。

【０００４】ところが、作業車の手堀りによるトンネル
の掘削作業は重労働であると共に、作業時間が長くかか
ってしまい、作業性がよくないという問題があり、異形
断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機の出現が待た
れている。そこで、例えば、特開平１−２５６６９７号
公報に「異形断面シールド工法およびシールド機」とし
て異形断面が掘削可能なトンネル掘削機が開示されてい
る。

【０００５】この特開平１−２５６６９７号公報に開示
されたシールド機は、筒状のシールド機本体の前端部に
おいて、その中心部にセンターカッタを駆動回転自在に
設けると共に、このセンターカッタの外側に２つのサイ
ドカッタを駆動偏心回転自在で、且つ、センターカッタ
の周りを旋回自在に設けたものである。従って、センタ
ーカッタを回転すると共に２つのサイドカッタを偏心回
転させながらセンターカッタの周りを旋回することで、
例えば、四角形断面のトンネルを掘削形成することがで
きる。

【０００６】この特開平１−２５６６９７号公報に開示
された「異形断面シールド工法およびシールド機」とは
別に、特開平５−２９５９８６号公報に「岩盤掘削機」
として開示されたものがある。

【０００７】この特開平５−２９５９８６号公報に開示
された「岩盤掘削機」は、自走自在な走行部を有する掘
削機本体の前部にパラレルリンク機構を介して駆動回転
するカッタヘッドを任意な方向へ揺動自在に設けたもの
である。従って、走行部によって掘削機本体を前進させ
る一方、カッタヘッドを回転させながら、パラレルリン
ク機構によってこのカッタヘッドを外方へ揺動させるこ
とで、自由な断面のトンネルを掘削形成することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平１−
２５６６９７号公報に開示された従来の「異形断面シー
ルド工法およびシールド機」にあっては、岩盤を掘削す
るカッタが３つもあり、この各カッタを駆動する駆動モ
ータも同数必要となるばかりでなく、サイドカッタを複
雑に動作させなければならず、その駆動伝達系が複雑と
なってしまう。そのため、掘削機自体が複雑となって大
型化してしまい、且つ、価格も高コストなものとなって
しまうという問題があった。

【０００９】また、特開平５−２９５９８６号公報に開
示された従来の「岩盤掘削機」は、上述のシールド機よ
りも構造が簡素化されてはいるものの、この「岩盤掘削
機」は自走式のトンネルボーリングマシンであるため、
シールドがなく、掘削機本体が外部にろしゅつしてい
る。更に、カッタ駆動モータ及びパラレルリンク機構も
外部に露出しているため、掘削作業時にこのカッタ駆動
モータやパラレルリンク機構などに掘削土砂や泥水、粉
塵等がかかってしまう。即ち、掘削機は前方の岩盤を掘
削しながら前進するため、掘削土砂や泥水が掘削方向後
方に落下することとなり、この掘削土砂や泥水が掘削機
自体の露出部分であるカッタ駆動モータやパラレルリン
ク機構にかかって付着してしまう。

【００１０】また、掘削機によって掘削されたトンネル
内は粉塵などか散乱しており、同様に、掘削機自体の露
出部分にはこの粉塵が付着してしまう。トンネル内の掘
削土砂や泥水などがパラレルリンク機構の周辺部に落下
して充満してしまうと、このパラレルリンク機構の各シ
リンダに負荷がかかり、十分な動作を行うことができ
ず、正確なトンネル掘削を行うことができないという問
題がある。また、トンネル内の掘削土砂や泥水、散乱し
た粉塵などがカッタ駆動モータやパラレルリンク機構に
付着してしまうと、これらが故障してしまう虞もあり、
装置の信頼性並びに安全性の面で不十分であった。

【００１１】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、構造の簡素化及び低価格化を図ると共に、カ
ッタ駆動部及び支持部の防塵性能を上げて信頼性の向上
を図ったトンネル掘削機を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明のトンネル掘削機は、掘削機本体の前端部に
駆動回転自在なカッタヘッドが装着されたトンネル掘削
機において、前記掘削機本体に対して前記カッタヘッド
を揺動支持機構により該カッタヘッドの径方向あるいは
周方向に揺動自在に支持すると共に、前記カッタヘッド
の揺動動作に追従する仕切壁を設けて前記揺動支持機構
を前記掘削機本体内に格納したことを特徴とするもので
ある。

【００１３】また、本発明のトンネル掘削機は、カッタ
ヘッドをその径方向あるいは周方向に揺動自在に支持す
る揺動支持機構を該カッタヘッドの周方向に傾斜させて
トラス状に配設した複数の揺動ジャッキからなるパラレ
ルリンク機構によって構成したことを特徴とするもので
ある。

【００１４】また、本発明のトンネル掘削機は、仕切壁
はカッタヘッドに装着され、掘削機本体に取付けられた
枠体内に移動自在に支持されたことを特徴とするもので
ある。

【００１５】

【作用】揺動支持機構によってカッタヘッドをその径方
向あるいは周方向に揺動自在に支持すると共にカッタヘ
ッドの揺動動作に追従する仕切壁を設けて揺動支持機構
を掘削機本体内に格納したことで、岩盤掘削時に落下す
る土砂や泥水、散乱する粉塵は仕切壁に遮られて揺動支
持機構に直接付着することがない。

【００１６】カッタヘッドの周方向に傾斜させてトラス
状に配設した複数の揺動ジャッキからなるパラレルリン
ク機構により、カッタヘッドをその径方向あるいは周方
向に揺動自在に支持したことで、簡単な構造の掘削機で
異形断面のトンネルを掘削できる。

【００１７】仕切壁はカッタヘッドに装着されて掘削機
本体に取付けられた枠体内に移動自在に支持されたこと
で、カッタヘッドの回転、揺動動作に支障をきたすこと
なく、岩盤掘削時に落下する土砂や泥水などから揺動支
持機構を確実に保護することができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１９】図１に本発明の一実施例に係るトンネル掘
削機の側面概略、図２に本実施例のトンネル掘削機の平
面概略、図３に本実施例のトンネル掘削機の正面概略、
図４に図２のIV−IV断面、図５に揺動ジャッキの制御ブ
ロックを示す。

【００２０】図１乃至図４に示すように、本実施例のト
ンネル掘削機は矩形断面のトンネルを掘削できるように
２組のカッタヘッド及びその駆動装置を有しているが、
両者共にほぼ同様の構造となっているため、同一の符号
を付して説明する。

【００２１】スキンプレート１１は矩形の筒状をなして
おり、前方に凹所１２が形成されるように内部に左右一
対の基盤１３が一体に固定されている。一方、左右一対
のカッタヘッド１４は同じ円形をなしてスキンプレート
１１の凹所１２内に並んで位置しており、このカッタヘ
ッド１４は前面に多数のカッタビット１５が固定され、
各回転軸１６が駆動部１７にそれぞれ回転自在に支持さ
れている。この駆動部１７は油圧モータ１８を有してお
り、この油圧モータ１８が駆動することで、その駆動力
が駆動部１７内の図示しない歯車機構を介して回転軸１
６に伝達され、各カッタヘッド１４を回転することがで
きるようになっている。

【００２２】各駆動部１７の外周部にはそれぞれ支持盤
１９が固定されており、この支持盤１９はスキンプレー
ト１１の凹所１２内に位置し、基盤１３と対向してい
る。そして、基盤１３と支持盤１９とは複数（本実施例
では８本）の揺動ジャッキ２１〜２８によって揺動自在
に連結されている。この揺動ジャッキ２１〜２８は油圧
の給排によって伸縮作動するものであって、ジャッキ本
体は基盤１３に取付けられた各球軸受２９によって揺動
自在に支持され、ロッド先端部は支持盤１９に取付けら
れた各球軸受３０によって揺動自在に支持されている。
そして、この揺動ジャッキ２１〜２８は２本で１組をな
し、例えば、揺動ジャッキ２１がカッタヘッド１４の周
方向一方に傾斜し、揺動ジャッキ２２がカッタヘッド１
４の周方向他方に傾斜して全体としてトラス状に配設さ
れることでパラレルリンク機構３１を構成している。

【００２３】従って、各油圧モータ１８を作動すること
で駆動部１７を介してそれぞれカッタヘッド１４を独立
して回転することができ、この状態で各パラレルリンク
機構３１の各揺動ジャッキ２１〜２８を作動することで
カッタヘッド１４を周方向に回転（自転）させながら、
凹所１２内を揺動させることができる。

【００２４】また、左右一対のカッタヘッド１４にはそ
れぞれ回転軸１６の外周辺部に位置して円盤状の仕切壁
３２が固定されている。一方、スキンプレート１１の前
端部には枠体３３が固定されており、この枠体３３には
一対のカッタヘッド１４に対応して開口部が形成される
と共に各カッタヘッド１４に固定された各仕切壁３２を
支持するガイド凹部３４が形成されている。従って、カ
ッタヘッド１４は仕切壁３２が枠体３３のガイド凹部３
４内に図示しないシール部材を介して嵌合しており、且
つ、前述したパラレルリンク機構３１によるカッタヘッ
ド１４の揺動に伴って仕切壁３２はガイド凹部３４内を
移動することができる。

【００２５】スキンプレート１１はその後部に円周方向
に複数のシールドジャッキ３５が並設されており、後方
に伸びる駆動ロッドの先端部にはスプレッダ３６が取付
けられている。このシールドジャッキ３５が作動してト
ンネル掘削機の掘進方向後方に駆動ロッドが伸長し、掘
削したトンネル内周面に構築された既設のセグメント３
７にスプレッダ３６を押し付けることで、その反力によ
りスキンプレート１１を前進することができる。また、
スキンプレート１１の後部にはカッタヘッド１４に対応
して左右一対の支持盤３８が駆動回転自在に装着されて
おり、この一対の支持盤３８にはエレクタ装置３９がそ
れぞれ取付けられている。このエレクタ装置３９はシー
ルドジャッキ３５によって前進したスキンプレート１１
と既設のセグメント３７との間の空所に新しいセグメン
ト３７を装着する。

【００２６】更に、スキンプレート１１にはカッタヘッ
ド１４によって掘削され、凹所１２内に溜まった土砂を
外部に搬出する左右一対のスクリューコンベア４０が設
けられている。

【００２７】ここで、前述した複数の揺動ジャッキ２１
〜２８から構成されるパラレルリンク機構３１の制御シ
ステムの構成について説明する。

【００２８】図５に示すように、揺動ジャッキ２１〜２
８において、例えば、揺動ジャッキ２１の図示しないピ
ストンによって仕切られた２つの圧力室には油圧給排管
４１，４２が連結されており、各油圧給排管４１，４２
はそれぞれ非常遮断弁４３，４４を介してサーボ弁４５
に連結されている。このサーボ弁４５は揺動ジャッキ２
１の各圧力室への油圧の供給及び排出を切り換えるもの
であって、連結管４６，４７を介して油圧給排源４８に
連結されている。

【００２９】また、揺動ジャッキ２１にはその作動位置
を検出する変位センサ４９が装着されており、この変位
センサ４９はコントローラ５０を介して制御部５１に接
続されている。そして、前述したサーボ弁４５はサーボ
アンプ５２を介して制御部５１に接続されている。な
お、この制御部５１には複数のジョイスティクレバーを
有する操作部５３と非常停止ボタン５４が接続されてい
る。

【００３０】従って、変位センサ４９は揺動ジャッキ２
１の作動位置を検出しており、その検出信号をコントロ
ーラ５０を介して制御部５１に出力している。制御部５
１はこの検出信号に基づいてサーボアンプ５２に指令信
号を出力し、サーボアンプ５２はその指令信号に基づい
てサーボ弁４５を制御し、油圧給排源４８と揺動ジャッ
キ２１との間で油圧の給排を行うようになっている。な
お、ここでは揺動ジャッキ２１についてのみ説明した
が、他の揺動ジャッキ２２〜２８についても同様の構成
となっている。

【００３１】而して、本実施例のトンネル掘削機によっ
て岩盤を掘削するには、まず、複数のシールドジャッキ
３５を伸長し、既設のセグメント３７への押し付け反力
によってシールド掘削機本体、即ち、スキンプレート１
１を前進させる。一方、油圧モータ１８を駆動し、駆動
部１７によりカッタヘッド１４を旋回させ、カッタビッ
ト１５によって前方の岩盤を掘削していく。このとき、
パラレルリンク機構３１の各揺動ジャッキ２１〜２８を
作動し、支持盤１９を介してカッタヘッド１４を、図３
に示すように、径方向に移動させることで、例えば、本
実施例のように矩形断面のトンネルを掘削することがで
きる。

【００３２】このとき、制御部５１には変位センサ４９
が検出した揺動ジャッキ２１〜２８の作動位置の検出信
号が入力されており、制御部５１は予め設定された掘削
条件（掘削するトンネルの形状や寸法、長さ等）及び変
位センサ４９の検出信号に基づいてサーボアンプ５２に
指令信号を出力してサーボ弁４５を制御し、油圧給排源
４８と揺動ジャッキ２１〜２８との間で油圧の給排を行
う。従って、揺動ジャッキ２１〜２８は油圧の給排によ
って所定量往復駆動し、Ｘ方向及びＹ方向、Ｚ方向の制
御が行われながら、カッタヘッド１４を揺動させる。

【００３３】そして、カッタビット１５によって掘削さ
れた土砂は仕切壁３２及び枠体３３に阻止されて掘削機
本体（スキンプレート１１）内には入り込まず、チャン
バ室としての凹所１２に取り込まれ、掘削土砂はスクリ
ューコンベア４０により外部に排出される。次に、シー
ルドジャッキ３５の何れか一つを縮み方向に作動して既
設のセグメント３７との間に空所を形成し、エレクタ装
置３９によってこの空所に新しいセグメント３７を装着
する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネル
を掘削形成していく。

【００３４】このように本実施例にあっては、カッタヘ
ッド１４を複数の揺動ジャッキ２１〜２８からなるパラ
レルリンク機構３１によって揺動自在に支持し、カッタ
ヘッド１４の仕切壁３２をスキンプレート１１の枠体３
３のガイド凹部３４内に移動自在に嵌合したので、パラ
レルリンク機構３１のみの簡単な構造で異形断面のトン
ネルを掘削でき、この岩盤掘削時に落下する土砂や泥
水、散乱する粉塵に対して仕切壁３２により駆動部１７
及び油圧モータ１８、パラレルリンク機構３１が保護さ
れ、これらの故障などを防止できる。また、カッタヘッ
ド１４及び駆動部１７、油圧モータ１８をユニット化し
ているので、トンネル掘削後に別の掘削機に装着するこ
とで再使用が可能となる。

【００３５】なお、上述の実施例において、カッタヘッ
ド１４の仕切壁３２を枠体３３のガイド凹部３４内に移
動自在に嵌合するように構成したが、パラレルリンク機
構３１などの揺動支持機構によってカッタヘッド１４が
揺動可能であり、このときに外部の掘削土砂などの浸入
を仕切壁３２によってすることができればよいものであ
り、この構造に限定されるものではない。また、カッタ
ヘッド１４を揺動させる揺動支持機構をパラレルリンク
機構３１としたが、従来から知られている歯車機構とし
てもよい。そして、このパラレルリンク機構３１を８本
の揺動ジャッキ２１〜２８によって構成したが、揺動ジ
ャッキの数は８本に限定されるものではなく、６本以上
であればよく、１０本でも１２本でもよいものであり、
この場合であっても前述と同様の作用効果を奏すること
ができる。更に、本実施例では、カッタヘッド１４を２
組設けたが、その数は掘削形成するトンネルの断面形状
に合わせて選択すればよく、１つでも、また、３つある
いは４つ以上でもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体に対
してカッタヘッドを揺動支持機構によりその径方向ある
いは周方向に揺動自在に支持すると共にカッタヘッドの
揺動動作に追従する仕切壁を設けてこの揺動支持機構を
掘削機本体内に格納したので、異形断面のトンネルを掘
削形成するときに落下する土砂や泥水、あるいは散乱す
る粉塵が仕切壁に阻止されて揺動支持機構に直接付着す
ることがなく、この揺動支持機構の破損や故障、作動不
良などを防止することができ、カッタ支持部の信頼性の
向上を図ることができる。

【００３７】また、本発明のトンネル掘削機によれば、
カッタヘッドをその径方向あるいは周方向に揺動自在に
支持する揺動支持機構をそのカッタヘッドの周方向に傾
斜させてトラス状に配設した複数の揺動ジャッキからな
るパラレルリンク機構によって構成したので、複数の揺
動ジャッキを用いるだけで異形断面のトンネルを自由に
掘削形成することができ、構造の簡素化及び低価格化を
図ることができる。

【００３８】また、本発明のトンネル掘削機によれば、
仕切壁がカッタヘッドに装着されて掘削機本体に取付け
られた枠体内を移動自在としたので、カッタヘッドの回
転、揺動動作に支障をきたすことなく、簡単な構造で岩
盤掘削時に落下する土砂や泥水などから揺動支持機構を
確実に保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の側面
概略図である。

【図２】本実施例のトンネル掘削機の平面概略図であ
る。

【図３】本実施例のトンネル掘削機の正面概略図であ
る。

【図４】図２のIV−IV断面図である。

【図５】揺動ジャッキの制御ブロック図である。

【符号の説明】

１１ スキンプレート（掘削機本体） １２ 凹所 １３ 基盤 １４ カッタヘッド １７ 駆動部 １８ 駆動モータ １９ 支持盤 ２１〜２８ 揺動ジャッキ ２９，３０ 球軸受 ３１ パラレルリンク機構 ３２ 仕切壁 ３３ 枠体 ３４ ガイド凹部 ３５ シールドジャッキ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 風間 慶三 東京都千代田区神田司町２−３ 株式会 社大林組 東京本社内 (72)発明者 大野 浩史 東京都千代田区神田司町２−３ 株式会 社大林組 東京本社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/08 E21D 9/06 301

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削機本体の前端部に駆動回転自在なカ
   ッタヘッドが装着されたトンネル掘削機において、前記
   掘削機本体に対して前記カッタヘッドを揺動支持機構に
   より該カッタヘッドの径方向あるいは周方向に揺動自在
   に支持すると共に、前記カッタヘッドの揺動動作に追従
   する仕切壁を設けて前記揺動支持機構を前記掘削機本体
   内に格納したことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 【請求項２】 請求項１記載のトンネル掘削機におい
   て、カッタヘッドをその径方向あるいは周方向に揺動自
   在に支持する揺動支持機構を該カッタヘッドの周方向に
   傾斜させてトラス状に配設した複数の揺動ジャッキから
   なるパラレルリンク機構によって構成したことを特徴と
   するトンネル掘削機。
3. 【請求項３】 請求項１記載のトンネル掘削機におい
   て、仕切壁はカッタヘッドに装着され、掘削機本体に取
   付けられた枠体内に移動自在に支持されたことを特徴と
   するトンネル掘削機。