JP3373631B2

JP3373631B2 - シールド掘進機

Info

Publication number: JP3373631B2
Application number: JP34425293A
Authority: JP
Inventors: 耕三佐古井; 佐藤　　誠
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH07173989A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セグメントを用いて作
られた既設のトンネルを拡大したり埋め戻したりする目
的で、その周囲を円環状（ドーナツ状）に掘削するシー
ルド掘進機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】下水道などとして使用される地下のトン
ネルのうちには、人口の密集等にともなって最大通水量
が不足するものがある。このような場合、そのトンネル
に代えて断面積のより大きいトンネルを設けることにな
るが、すでに構築された建造物や地下権などとの関係
で、市街地等においてはその新たなトンネルを既設トン
ネルと同じルートに設けざるを得ない（すなわち改築す
る）場合も少なくない。

【０００３】既設トンネルと同じルートにトンネルを掘
る場合、その既設トンネルに使用されたセグメントにつ
いて適切な対応が必要である。セグメントは、シールド
工法によってトンネルを構築する場合にトンネル壁を構
成するもので、鉄板や鋳鉄・鉄筋コンクリートなどから
なる円弧状の板（セグメントピース）がボルト等で連結
されて壁に構成されているので、シールド掘進機など土
砂を掘削する機械によってセグメントのうちの鉄の部分
を掘り進むことは極めて困難だからである。したがって
セグメントを含む既設のトンネルを新しいトンネルに変
える場合には、古いセグメントを削ることなくその周囲
を掘削し、当該セグメントは別の方法で（作業員が逐一
ボルト等を外して解体する等により）取り除く必要があ
る。このことは、下水道用のトンネルに限らず地下鉄路
線用等、シールド工法によって建設されたトンネルにつ
いて基本的に同様であり、また既設トンネルを拡大改築
するのではなく単に埋め戻す場合にも同じである。

【０００４】図８は、既設トンネル９０を拡大するため
の従来の手段として、掘進方向前部が開放された開放式
のシールド掘進機７０を用いる例を示す。掘削部分の周
壁の崩壊をシールドと呼ばれる円筒殻７２によって防止
しながら、切羽（前方掘削面）の掘削を、手掘りもしく
はそれを補う補助掘削具等によって行う。また、切羽の
崩壊防止のためには、切羽に圧気（圧力空気）をかけた
り薬液を注入して固化したりする。シールド７２の後方
にできるトンネル６０の内面には新しいセグメント６１
の壁を構築し、その端部をシールドジャッキ等の推進手
段７５で押すことにより全体を前進させる。

【０００５】そのほか、特開平５−７９２９８号公報に
は、前方にある回転式のカッターで既設トンネルのセグ
メントの周囲を掘削することのできるシールド掘進機が
記載されている。カッターは、油圧モータ等の駆動源に
よって機械的に回転駆動される円環状のものだが、その
外径は掘進機（シールド）の外径とほぼ同一で、内径は
既設トンネルの外径とほぼ同一とされる。カッターの駆
動源やジャッキ等の推進手段も既設トンネルを囲うよう
に配置されているので、掘り進むとき、既設トンネルの
うち未解体の部分がシールド掘進機の内側へ入りこむ形
になる。同公報によると、その後に既設トンネルのセグ
メント等を解体し、そのうえで後方を埋め戻すようにし
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８に示す手段による
場合は、切羽の崩壊防止のために圧気や薬液を使用する
必要があるが、その効果は必ずしも万全でなく、またこ
れらの処置は外部に影響を及ぼす場合があることからも
理想的な手段とは言いがたい。

【０００７】前記公報に記載のシールド掘進機は、回転
式のカッターで掘り進むことから概念的には上記の欠点
を改善しているが、具体的に実施するには、つぎのよう
な未解決の課題が円滑な運転を妨げると予想される。す
なわち、イ ) カッターの内径は既設トンネルの外径とほぼ同一と
されているが、ここでいう「外径」を当該公報の図面よ
りセグメントの外径と解するならば、カッターがセグメ
ントに触れる可能性が高い。すなわち、セグメントの取
付け位置の精度および既設トンネルに対するシールド掘
進機の進行精度（偏心度合い）が完璧に保たれる（この
ようなことは現実には不可能である）のでなければ、セ
グメントの鉄の部分（鉄板や鉄筋等）に当たってカッタ
ーが著しく損耗する恐れがあり、それを回避する高精度
の手段が不可欠となる。

【０００８】ロ) 当該公報の明細書には、隔壁（カッタ
ーとその駆動源や推進手段等とを仕切る壁）の内側に形
成された内筒にシール装置が設けられているとあるが、
このシール装置は容易には構成されず、しかも重要であ
る。シール装置は、隔壁の前方にあるカッターの部分を
密閉し土圧等によって切羽の崩壊を防止するいわゆる密
閉式のシールド工法をとり得るように設けられていると
考えられるが、その構成が難しい理由はつぎの点にあ
る。すなわち、カッターで削られて形成された既設トン
ネルの外の円筒面が、土砂の露出面であったりセグメン
トが一部に露出したりする面であれば平滑ではあり得な
い点、またカッターの摩耗等に起因してその円筒面の直
径が変化しやすい点などである。そしてもしこのシール
装置によるシール性能が不十分なら、カッターの部分を
密閉できず上記の駆動源や推進手段等の機械部品が泥水
等に浸るという不都合をまねいたり、切羽を適切に加圧
してその崩壊を防止するという密閉式シールド工法の効
果が得られなかったりする。つまり、シール装置は極め
て重要な役割を果たし掘削効率等に大きな影響をなすも
のだが、前記公報のシールド掘進機には、かかるシール
装置の機能を十分に発揮させるための特別な構成は施さ
れていない。

【０００９】本発明は以上の課題を解決することを目的
とするもので、既設トンネルの周囲の掘削を、回転式の
機械的なカッターを用いて円滑に、かつ有効な密閉式シ
ールド工法によって行うことができるシールド掘進機を
提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のシールド掘進機
は、セグメントの壁を含む円形断面の既設トンネルに対
して断面の拡大等のためにその周囲を掘削すべく、既設
トンネルを囲むように配置された回転式のカッター、そ
の駆動源、および後方部分（進行方向の後方。また
「前」は進行方向前方をいう。以下同様）を押して推進
力を得る推進手段などを有するシールド掘進機であっ
て、 a) 上記カッターのうち最も内側（半径方向にいう内
側。以下同様）のカッタービットは、既設トンネルのセ
グメントの外周面よりも数十ミリ（半径で数十ミリ。２
０〜４０ミリ程度が望ましい）だけ外側を削って外向き
の円筒面（以下、外向き円筒面ともいう）を形成するよ
うに配置するとともに、 b) カッターの後方位置でカッターとその駆動源や推進
手段などとを仕切る隔壁の内周部（隔壁自体の内周部分
またはそれと一体に設けた部材の内側）に、上記の外向
き円筒面に沿う（したがってその円筒面と隔壁との間を
シールする）シール部材を取り付け、 c) 上記a)に示した最も内側のカッタービットとして、
他のカッタービットよりも後方において刃を内側に向け
て配置したものを含めた（粗削りビットと、その後方に
おいて刃を内側に向けて配置した仕上げビットとの組合
せにする）ことを特徴としている。

【００１１】また請求項２のように、最も内側のカッタ
ービットが削った外向き円筒面と既設トンネルのセグメ
ントの外周面との間隔を測定する（外向き円筒面の中心
に合わせてシールド掘進機の中心を維持する）ために、
複数個のセンサーを上記の隔壁に取り付けるのもよい。
さらに請求項３のように、隔壁より後方へ掘進速度に合
わせて伸長し得るように円筒殻を設け、隔壁の内周部だ
けでなくこの円筒殻の内周部にもシール部材を取り付け
るとよい。

【００１２】一方、上記b)のシール部材は、請求項４に
記載のとおり、流体を導入可能にした中空弾性体を含め
て構成するとよい。また請求項５のように、上記のシー
ル部材の前面部分（シール部材の前面と上記隔壁の内周
部および外向き円筒面などとに囲まれる部分）に潤滑剤
（グリースなど半固体状のものが望ましい）の封入空間
を形成する（かつ潤滑剤を入れる）のもよい。

【００１３】また請求項６のように、上記の最も内側の
カッタービットが削った円筒面に沿ってシールド掘進機
の本体を案内するガイドを、隔壁の最前面における３カ
所以上に取り付けるのも好ましい。

【００１４】

【作用】本発明のシールド掘進機は、上記の駆動源にて
回転させるカッターにより既設トンネルの周囲を掘削し
ながら、推進手段が後方部分を押すことにより生じる反
力によって前進する。手掘りによらず、機械的に回転駆
動するカッターによって掘り進むため、安全かつ効率的
な掘削を行うことができる。掘削によって、既設トンネ
ルの外側からシールド掘進機のシールド（円筒殻）まで
の範囲で円環（円筒）状の空間を形成することになる
が、セグメントを含む既設トンネルの壁はこうした空間
を形成したのちに解体し、後方において埋め戻したり
（たとえば前掲の公報の例による）、新たなセグメント
等を用いてシールドの径に相当する大径のトンネルを築
いたりすればよい。なお、掘削によって円環状の空間が
形成されたのち、既設トンネルの解体、埋め戻しもしく
は新セグメント壁の構築までの間は、このシールド掘進
機の最外周にあるシールドが、掘削部分の周壁の崩壊を
防止する。

【００１５】このシールド掘進機の特徴は、既設トンネ
ルの周囲を上記のカッターによって円滑に掘削でき、か
つ密閉式のシールド工法を的確に実現できる点にある。
かかる作用はつぎのとおり説明することができる。

【００１６】1) カッターのうち最も内側（最内周）の
カッタービットは上記a)のとおり、既設トンネルのセグ
メントの外周面よりも数十ミリだけ外側を削るように配
置してある。そのため、セグメントの取付け位置の誤差
や掘進機の進行誤差が多少（つまり数十ミリの範囲で）
あっても、その進行方向を適当な制御手段で修正するこ
とにより、カッタービットをセグメント（のうちとくに
鉄の部分）に当てないで円滑に掘削を進めることができ
る。シールド掘進機の進行方向は、最内周のカッタービ
ットが形成する外向き円筒面が既設セグメントの外周面
と同心になるように維持すればよいが、その制御のため
にはたとえば、イ)既設トンネルの未解体部分の端部から
当該二面間の偏心度合いを観察したり、ロ)既設トンネル
の内側から超音波センサーなどで当該二面間の間隔を測
定したり、ハ)請求項３に記載の手段（後述）を用いたり
することができる。二面間の偏心度合いが把握できる
と、それに応じて推進手段を操作することなどによりシ
ールド掘進機の進行方向を適宜修正すればよい。

【００１７】2) 最内周のカッタービットが削る部分、
すなわち既設トンネルのセグメントの外周面から数十ミ
リ外側は、セグメントと土砂との間に充填されたいわゆ
る裏込め材の部分である。裏込め材は、既設トンネルの
掘削の際、シールド掘進機等が掘削した穴の径とセグメ
ントの外径との間に差がある（掘削された穴の径はシー
ルドの外径と同一もしくはやや大きいが、セグメントは
シールドの内面に対して少し隙間をおいた内側で組み立
てられるため、両者の間には（機械径・施工条件等で異
なるが）半径で５０ミリ程度の差がある）ことから生じ
る空間（シールドの後ろにできるためテールボイドとも
呼ばれる）に、地山の緩みを防ぐ等の目的で充填される
モルタルやコンクリートである。このような裏込め材の
部分をカッタービットによって前記a)のように削るなら
ば、土砂等の部分を削る場合よりも強度のある、平滑な
真円に近い外向き円筒面が形成される。このシールド掘
進機では前記b)のとおり、隔壁の内周部に取り付けたシ
ール部材を、こうして形成した外向き円筒面に沿わせる
ことから、シール部材と外向き円筒面との間の密着度合
いが当然に高く、また外向き円筒面の強度に基づいて両
者間の接触圧力も高くとれるので、シール部材が本来の
シール機能を発揮する。したがってこのシールド掘進機
は、切羽に面するカッターの部分を密閉してその部分の
泥水圧や土圧を高め、その圧力で切羽の崩壊を防止する
という密閉式のシールド工法をとりながら、安定的に掘
削を進めることができる。またそのシール機能により、
カッターの駆動源や推進手段等の機械部分に土砂や泥水
の浸入することが避けられる。

【００１８】請求項１のシールド掘進機の場合、最内周
のカッタービットのうちには、刃が前方を向いて粗削り
をするようにされたものとともに、それよりやや後方に
あって刃が内側を向き仕上げ切削をするようにされてい
るものがあることから、外向き円筒面をとくに滑らかに
形成しやすい。また第二に、その最内周（後ろ寄り）の
カッタービット（図１における符号１２）は、内側すな
わち円筒面に刃が向かっていて刃先の長手方向が円筒面
の母線に沿うようになっているため、たとえば粗削り用
のカッタービット（図１における符号１２ａ）の角のみ
で円筒面を形成する場合よりも、当然に滑らかな面を形
成しやすいからである。

【００１９】請求項２のシールド掘進機によれば、最内
周のカッタービットにて形成された外向き円筒面とその
内側にある既設トンネルのセグメントの外周面との間の
間隔を前記センサーのそれぞれによって測定し、それを
基にして当該二面を同心に保つことができるので、二面
間の間隔を前記a)のとおり正確に数十ミリに保つことが
容易である。複数個のセンサーが各測定点で測定した二
面間の間隔を総合すれば、カッタービットが形成した外
向き円筒面が既設トンネルのセグメントの外周面からど
ちらにどれだけ偏心しているかが把握でき、それを基に
たとえば推進手段を操作することにより、このシールド
掘進機の位置を（したがって最内周のカッタービットの
位置をも）修正できるからである。こうして、二面間の
間隔を全周的に数十ミリに保てば、シール部材を当てる
べき円筒面を確実に上記裏込め材の部分に形成すること
ができ、シール部材の機能が確実に発揮される。なお、
このシールド掘進機においてセンサーは前記の隔壁に取
り付けてあるが、隔壁はカッターに近い位置にあるた
め、このセンサーの測定結果を基に行うカッター位置の
修正は、誤差が増大しないうちに迅速に行えることにな
り、上記の偏心度合いが小さく抑えられる。また、回転
体であるカッターそのものにセンサーを取り付けるので
ないから、センサーに極端な摩耗や損傷は生じない。

【００２０】請求項３のシールド掘進機では、隔壁の内
周部に取り付けたシール部材と、伸長可能な円筒殻の内
周部に取り付けたシール部材とによって、それらシール
部材の摩耗を抑制しながら高いシール性能を得ることが
できる。円筒殻は、掘進速度に合わせて隔壁から後方へ
伸び得るため、シールド掘進機が前進する間にも外向き
円筒面上の同じ位置に留まることができる。したがっ
て、このような円筒殻に取り付けたシール部材には、シ
ールド掘進機の進行にともなって摩耗が生じることはほ
とんどない。掘進機の進行中には、その円筒殻上のシー
ル部材を円筒面上に強く押し付ける（たとえば中空部分
へ導入する流体の圧力を高くすることにより押し付け力
を増す）ことができるので、隔壁上のシール部材の円筒
面上への押し付け力をその分だけ小さくでき、それゆえ
に当該隔壁上のシール部材についても摩耗量が小さくな
る。伸び切った円筒殻を前へ戻す際には、円筒殻上のシ
ール部材の押し付けを解除する代わりに隔壁上のシール
部材を強く押し付ける必要があるが、この動作はシール
ド掘進機の掘削停止中に行うのが通常であるため、この
間に隔壁上のシール部材が摩耗することはなく、全体と
して二種類のシール部材の摩耗は極めて少なくなる。

【００２１】請求項４のシールド掘進機においては、シ
ール部材が流体を入れた中空弾性体を含むため、掘削し
た外向き円筒面の寸法変化等にかかわらず常に安定した
シール機能を発揮する。中空弾性体であるために弾性変
形の範囲が広いことから、カッターの摩耗時や曲進（掘
進機が曲がって進むこと）の際などに隔壁から円筒面ま
での間隔が変化してもシール部材が円筒面に確実に沿い
得るうえ、導入する流体の圧力を調整することによっ
て、状況に合わせた好ましい接触圧力を維持し十分なシ
ール性能を発揮し得るからである。

【００２２】請求項５のように潤滑剤の封入空間を設け
ると、隔壁と外向き円筒面との間に必要なシール性能が
さらに向上する。シール部材がもたらすシール性能に対
し、潤滑剤そのものが泥水等の浸入を防止することによ
るシール性能が加わるほか、その潤滑剤がシール部材と
円筒面との間を潤滑することによってシール部材の摩耗
が抑制されるからである。

【００２３】請求項６に記載のシールド掘進機によれ
ば、最内周のカッタービットにて形成された外向き円筒
面とその内側にある既設トンネルのセグメントの外周面
との間の間隔を前記ガイドのそれぞれによって規制し、
それを基にしてシールド機の後方を振るようにして方向
を調整するので、外向き円筒面は滑らかに、連続した面
として切削される。もしシールド機の前方を振る（横に
移動させる）ように方向修正するなら、切削された外向
き円筒面は段差のついた不連続面となり、上述のシール
機能を阻害する。

【００２４】

【実施例】図１および図２に本発明の第一実施例を示
す。この例は、セグメント９１を含む既設のトンネル９
０を、新たなセグメント６１を含む大径のトンネル６０
に改築するものである。図１(ａ)はシールド掘進機１が
既設トンネル９０の周囲を掘削する状況を示す断面図、
同(ｂ)はその際の掘進機１を前から見た正面図、また図
２(ａ)は、その掘進機１における要部（カッター１０や
シール部材３０など）を示す拡大断面図、同(ｂ)は同
(ａ)におけるｂ−ｂ断面図、同(ｃ)は同(ａ)におけるｃ
部詳細図である。

【００２５】既設トンネル９０は、セグメント９１と裏
込め材９２、および仕上げ壁９３とによってできてい
る。セグメント９１は、たとえば鋼板製の多数のピース
が、周方向およびトンネル９０の軸長方向に鉄製ボルト
（図示せず）によって連結されたものである。かかるセ
グメント９１と地山との間にモルタルによる裏込め材９
２が充填され、またセグメント９１の内面に、コンクリ
ートライニングによる仕上げ壁９３が施されている。

【００２６】図１(ａ)に示すようにシールド掘進機１
は、掘削部分の周壁の崩壊を防ぐためのシールド２と、
前後部の仕切りとしてシールドの内側に形成した隔壁
３、その前部にあって切羽を掘削するためのカッター１
０、そのカッター１０用の駆動源２０、推進手段である
シールドジャッキ２５、および土砂排出用のコンベヤ
（図示せず）などを主要部として構成している。隔壁３
の後ろ側には、駆動源２０やジャッキ２５のほか、新た
なセグメント６１の壁を構築するためのエレクター（図
示せず）も装備してある。カッター１０は、既設トンネ
ル９０を囲むように設けた回転ドラム１４の前部にスポ
ーク１３を備え、その上にカッタービット１１・１２を
有し（図１(ｂ)参照）、駆動源２０によって回転するも
のである。駆動源２０はモータ２１のほか、ドラム１４
に動力を伝えるためのギヤ２２などを含む。この掘進機
１は、ジャッキ２５が後方のセグメント６１を押すこと
により前向きの力を得ながら、駆動源２０にて回転する
カッター１０により既設トンネル９０の外回りを掘り進
む。こうした掘削により、既設トンネル９０の外側から
シールド２までの範囲に円筒状の空間を形成する。その
空間の内側に残る既設トンネル９０の壁は、図のように
掘進機１の内部に入り込むことになるが、新しいセグメ
ント６１を組み立てるエレクターの手前において、セグ
メント９１間の連結ボルトを逐一とり外したり専用の解
体手段（図示せず）を用いたりすることによって解体す
る。なお、カッター１０におけるビット１１・１２（と
くに前部のビット１１）は、地山によっては、図示のよ
うにバイト状のものでなくローラビットに代えることも
できる。また、回転式のカッター１０にたとえば補助的
な掘削手段を付加し、かつシールド２の形状を変えたう
え特殊形状のセグメント６１を使用すれば、新しく構築
するトンネル６０として円形以外の断面を掘削すること
も可能である。

【００２７】このシールド掘進機１では、既設トンネル
９０の周囲を円滑に掘削できるように、カッター１０の
カッタービット１１・１２のうち最も内側のビット１２
を、その回転半径が既設トンネル９０のセグメント９１
の外周の半径より約３０ミリだけ大きくなる位置に取り
付けた。ビット１２が削る面ともとのセグメント９１と
の間に約３０ミリの差があることになるので、セグメン
ト９１の組み立てについて多少の誤差があっても、カッ
ター１０がセグメント９１の外板等に当たる不都合を避
けやすい。また掘進機１の進行方向が誤差によって既設
トンネル９０の軸心線から多少ずれても、速やかに適切
な修正を施すことにより、カッター１０とセグメント９
１との接触を容易に回避できる。

【００２８】なおこの３０ミリの距離は、ビット１２を
セグメント９１に当てないためには大きいほどよく、後
に行う既設トンネル９０の解体を容易にする点では小さ
い方が好ましいが、３０ミリという数字にはほかにつぎ
のような意味がある。すなわち、既設トンネル９０にお
けるセグメント９１の外周から約３０ミリだけ外側の位
置にビット１２を配置すれば、通常の部分で厚さが５０
〜６０ミリある裏込め材９２を、確実にそのビット１２
が削ることである。裏込め材９２は均質なモルタルから
なるため、これを削ることは、表面の滑らかな外向き円
筒面９４をそのビット１２によって形成できること、ま
たビット１２の耐用寿命を長く保てる（とくにビット１
２ａで粗削りしてビット１２で仕上げるため、ビット１
２の負荷が小さい）ことなど、種々の点で好ましい。

【００２９】ところで、このシールド掘進機１には、既
設トンネル９０の周囲において密閉式のシールド工法を
実現できるという大きな利点がある。密閉式シールド工
法とは、隔壁３を境にして切羽に面する前方部分（カッ
ター１０がある部分）を密閉し、その部分に泥水圧や土
圧をかける工法で、そのような圧力によって切羽の崩壊
を効果的に防止できるほか、隔壁３の後方にある駆動源
２０やジャッキ２５などの機械部分に浸水がないという
メリットをもたらす。かかる工法をとるには、隔壁３の
内周部と未解体の既設トンネル９０の外向き円筒面９４
との間から泥水等がほとんど漏れないことが必要だが、
そのためにこの掘進機１にはつぎの構成を施している。

【００３０】図２(ａ)のように、隔壁３の内周部よ
り後方へ続く円筒壁３ａの内面に新規なシール部材３０
を取り付け、その部材３０の表面を外向き円筒面９４上
にぴったりと沿わせることにより、必要なシール（すな
わち上記した泥水等の漏れ防止）を行うものとした。シ
ール部材３０は、円筒壁３ａと円筒面９４との間隔が変
化しても円筒面９４との接触を保つよう、図２(ｃ)のよ
うに変形可能量の大きな中空の弾性体３１を主体に構成
している。この弾性体３１は、図示のような中空部３１
ａとそれへの圧縮空気の導入口３１ｂとを有するもの
で、ボルト３２と押さえ金具３３とによって前後を円筒
壁３ａ上に固定している。円筒面９４との摩擦によって
極端な変形が生じないように、弾性体３１の前面部分に
は強化繊維３１ｃが複合させてある。また、円筒面９４
上の凹凸に弾性体３１の表面を沿わせるとともに接触圧
力を高める目的で、弾性体３１の表面にはスジ状の凸部
３１ｄを形成している。中空部３１ａに導入する空気圧
により、円筒面９４に対する弾性体３１の押し付け力つ
まりシールの強さを調整することも可能である。

【００３１】シール部材３０のシール性は円筒面９
４の表面が滑らかであるほど高くなるため、その面を形
成するためのカッタービット１２は他のビット１１等と
違ってつぎのように構成した。すなわちビット１２は、
切刃に面するよう進行方向に向けて配置したビット１１
のすぐ後方において、歯を内側（既設トンネル９０の軸
心寄り）に向け、前面のビット１１・１２ａによる掘削
円筒面から内側に数ミリ〜十ミリ程度だけ切り込む位置
に配置した（図２(ａ)・(ｂ)参照）。形状・材質等につ
いても、ビット１２は他のビット１１・１２ａと異なる
ものとし、いわば、前面のビット１１・１２ａによって
粗削りをした部分に仕上げ削りを施すことにより、表面
の滑らかな円筒面９４を形成できるようにしたのであ
る。

【００３２】掘進機１の進行方向が既設トンネル９
０の軸心から外れると、カッタービット１１・１２がセ
グメント９１に当たったり裏込め材９２以外の部分を削
ったりする恐れがあるので、図２(ａ)・(ｄ)のように、
進行方向を案内するためのセンサー５５を隔壁３の最前
面において等間隔の３箇所以上に取り付けている。セン
サー５５は、ビット１２が形成した外向き円筒面９４と
セグメント９１の外周面との間隔を超音波等によって測
定するもので、スプリング５６や案内部材５７とともに
設けている。センサー５５による測定結果を演算手段
（図示せず）によって総合することによりセグメント９
１からの円筒面９４のズレ、すなわち掘進機１の進行方
向誤差を求め、それに応じてシールドジャッキ２５（図
１(ａ)）を操作する（複数のジャッキ２５のうち一部の
ものを使用して、いわゆる片押しを行う）。そうすれ
ば、掘進機１の進行方向を修正して円筒面９４とセグメ
ント９１の外周面との間隔を全周的に均一な数十ミリに
保ち、つねに既設トンネル９０の裏込め材９２の部分を
削ってシールに好適な平滑な円筒面９４を形成し続ける
ことが可能になる。ビット１２から遠くない位置にセン
サー５５を取り付けたので、円筒面９４のズレを速やか
に検知でき、的確な修正が可能である。

【００３３】の手段によって知り得た裏込め材９
２の厚さの変化を修正し、シールド掘進機の進行方向を
正しくするためにシールド機の方向を、既知の手段（シ
ールドジャッキ操作等）で行う。このとき、シールド機
の前方（理想的にはカッター位置）を回転中心として機
械の向きを変えることが、切削面を滑らかに連続させる
（即ち段差を付けない）ため重要である。このため外向
き円筒面９４に沿ってシールド機を案内するガイド５０
を隔壁３の最前面において円周方向等間隔の３カ所以上
に取り付けている。ガイド５０はシールド機の中心を外
向き円筒面の中心に一致させるから、シールド機の方向
変更は機械の後部を振るようにして行われ、切削面の不
連続（段差）防止する。

【００３４】シールド掘進機１の基本的な構成と作用は
以上に述べたとおりであるが、その要部の一つであるシ
ール部材については、図２(ｃ)に示す構成（シール部材
３０）を一部変更しても同等もしくはそれ以上の効果が
得られる。以下、シール部材３０を改変した実施例を図
３〜図７にしたがって説明する。

【００３５】図３は、圧縮空気等の流体を導入可能にし
た円環チューブ状の中空弾性体３４の内側にブラシシー
ル材３５（ワイヤまたは樹脂の線材をブラシ状に密生さ
せたもの）を付けた例を示す。流体の圧力に基づく弾性
体３４の力で同シール材３５を円筒面９４上に押し付
け、円筒面９４上の凹凸に同シール材３５をぴったりと
沿わせることにより、高いシール性と弾性体３４の耐摩
耗性とがもたらされる。

【００３６】図４に示すのは、図２(ｃ)に示したのと同
じ中空弾性体３１を含むシール部材だが、その弾性体３
１の前面部分に潤滑剤の封入空間３７を設けた点に特徴
がある。隔壁３の内側に可動リング３６を嵌めて円筒面
９４の表面に接触させ、このリング３６と円筒壁３ａ・
円筒面９４・弾性体３１とで囲まれる空間を封入空間３
７としたうえ、ポンプ等とつながる注入管３７ａにより
ここへ潤滑剤（グリース等）を注入するのである。潤滑
剤が円筒面９４の表面の凹凸を埋めることなどからシー
ル性が向上するうえ、その潤滑作用によって弾性体３１
の摩耗も少なくなる。封入空間３７内の潤滑剤の圧力
は、切羽における泥水等の圧力を上回る程度とするのが
好ましい。可動リング３６は、半径方向への移動が可能
なように、隔壁３の内側に形成した溝３６ａに対し半径
方向に隙間をもたせて嵌め入れており、また、その溝３
６ａに入った潤滑剤がリング３６の動きを妨げないよ
う、その溝３６ａの内側から上記封入空間３７にまで通
孔３６ｂが形成してある。このリング３６については、
前面での砂礫類の掻き取り機能を高めたり潤滑剤の前方
への漏れを抑制したりする目的で、たとえば、ピストン
リングのように周上の１箇所に切れ目を設け、内側の円
筒面９４に対して弾性に基づく締め付け力がつねに作用
するように材質・寸法等を定めるのもよい。ただし、内
面の硬度を高くするなど、対摩耗性を付与しておくこと
が望ましい。

【００３７】図５の例は、図３のシール部材について図
４と同様に潤滑剤の封入空間３７を設けたものである。
すなわち、流体導入式のチューブ状の中空弾性体３４の
内側にブラシシール材３５を設けて円筒面９４上に押し
付けるようにし、同時に、隔壁３の内側に取り付けた可
動リング３６と当該ブラシシール材３５などとの間を潤
滑剤の封入空間３７としている。注入管３７ａからこの
空間３７へ封入される潤滑剤がブラシシール材３５の線
材の間を埋めるので、このシール部材もやはり高いシー
ル性能を発揮する。

【００３８】図６には、図３や図５に示したのと同様の
シール部材を前後に重ねて配置した例を示す。チューブ
状の中空弾性体３４とブラシシール材３５とを含み可動
リング３６等によって潤滑剤の封入空間３７を形成した
部分と、中空弾性体３４およびブラシシール材３５のみ
からなる部分とを図のように前後二段に設けたのであ
る。シール部材が二段（二重）にあることになるため、
当然ながら高いシール性を発揮する。後段のシール部材
についても、ブラシシール材３５とその前の弾性体３４
などとの間の空間３７を潤滑剤の封入空間とすることが
できる。

【００３９】また図７は、上記のように隔壁３（円筒壁
３ａ）に対して不動に取り付けたシール部材（第一のシ
ール部材）に、前後へ位置を変え得るシール部材（第二
のシール部材）を併設した例を示す。すなわち、油圧シ
リンダ４４などの作用で隔壁３より後方へ伸長し再び収
縮し得るように円筒殻４１を設け、第二のシール部材は
この円筒殻４１の内周部に取り付けている。そして円筒
壁３ａとこの伸長式の円筒殻４１との間には、第三のシ
ール部材としてフィン状の弾性体４２を配置している。
なお、進行方向が曲がる場合に対応すべく円筒殻４１は
円筒壁３ａに対して傾斜可能だが、そのための両者間の
隙間は、円筒壁に付けたスライダー４１ａによって通常
は１ミリ程度に維持される。

【００４０】この図７の例においてシリンダ４４（つま
り円筒殻４１）の伸長速度をシールド掘進機１（図１）
の掘進速度に合わせるようにすれば、第二のシール部材
の弾性体３１は、掘進機１が前進する間にも外向き円筒
面９４上の同じ位置に留まることができ、その間にはほ
とんど摩耗を受けることがない。そのため掘進機１の進
行中には、その弾性体３１内の流体圧力を高めて弾性体
３１を円筒面９４上に強く押し付けることができ、第一
のシール部材の弾性体３４についてはその分だけ内部の
流体圧力を下げて円筒面９４への押し付け力を小さく
し、摩耗の進行を抑えることができる。一方、掘進機１
が所定距離を前進したのちに伸びきった円筒殻４１を前
へ戻すには、第二のシール部材の弾性体３１につき流体
圧力を解除し、シリンダ４４によって速やかに円筒殻４
１を前方へ縮める。このようにすれば、第一・第二のシ
ール部材の双方において各弾性体３４・３１の摩耗が抑
制される。なお、この例では、第一のシール部材を図５
の形式とし、第二のシール部材を図４の形式のものとし
てそれらと第三のシール部材４２とで囲まれる空間に弁
つき注入管４３より潤滑剤を入れるものとしたが、各シ
ール部材の構成をこれに限らなくても同様の作用効果が
もたらされることは言うまでもない。

【００４１】

【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。すなわち、 1) 手掘りにはよらず、機械的に回転駆動するカッター
や推進手段等の作用で掘り進むため、掘削効率が高い。

【００４２】2) 鉄製部分を含む既設トンネルのセグメ
ントにカッター（カッタービット）を当てないようにす
ることが容易であるため、カッターを傷めず、円滑に掘
削を進めることができる。

【００４３】3) カッタービットが既設トンネルの裏込
め材の部分を削って平滑な外向き円筒面を形成したう
え、隔壁の内周部に付けたシール部材をその円筒面に沿
わせることから、シール部材の機能を十分に引き出して
いわゆる密閉式のシールド工法を可能にし、安定的に掘
削を進めることができる。同工法をとり得る結果、効率
・コストならびに効果や環境面で万全とはいえない薬液
または圧気による切羽の安定化をはかる必要がなくな
る。

【００４４】4) 最内周のカッタービットが上記の外向
き円筒面をとくに滑らかに形成しやすいため、上記3)の
効果が顕著である。

【００４５】5) 請求項２のシールド掘進機によれば、
最内周のカッタービットが形成する外向き円筒面とその
内側にある既設トンネルのセグメントの外周面との間隔
を全周的に数十ミリに保つことができるので、外向き円
筒面を確実に上記裏込め材の部分に形成することがで
き、シール部材の機能をよく発揮させる。そのため、や
はり上記3)の面で好ましい。

【００４６】6) 請求項３のシールド掘進機は、シール
部材の摩耗を抑制しながら高いシール性能を発揮するの
で、やはり上記3)の効果を長く確実に維持できるという
効果を有する。

【００４７】7) 請求項４のシールド掘進機は、弾性変
形範囲が広くシール性能の調整が可能な中空弾性体をシ
ール部材のうちに含むため、隔壁・円筒面間の間隔の変
化や掘削状況等の変化が大きい場合にも、つねに確実に
上記3)の効果を発揮する。

【００４８】8) 請求項５のシールド掘進機は、隔壁と
外向き円筒面との間のシール性能がさらに高くて上記3)
の効果が顕著であるうえ、シール部材の摩耗が抑制され
てその効果が長く維持される。

【００４９】9) 請求項６のシールド掘進機は、カッタ
ーに近い前方位置に設けたガイドを利用し、後方を振る
ようにして方向を変更するので、切削面に不連続な段差
が生じにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に関する図面で、図１(ａ)
はシールド掘進機１が既設トンネル９０の周囲を掘削す
る状況を示す断面図、同(ｂ)はその際のシールド掘進機
１を前から見た正面図である。

【図２】図１のシールド掘進機１について詳細を示すも
ので、図２(ａ)はシールド掘進機１における要部を示す
拡大断面図、同(ｂ)は同(ａ)におけるｂ−ｂ断面図、同
(ｃ)は同(ａ)におけるｃ部詳細図、そして同(ｄ)は同
(ａ)におけるｄ部詳細図である。

【図３】本発明の別の実施例としてシール部材を示す断
面図である。

【図４】本発明のさらに別の実施例としてシール部材を
示す断面図である。

【図５】本発明のさらに別の実施例としてシール部材を
示す断面図である。

【図６】本発明のさらに別の実施例としてシール部材を
示す断面図である。

【図７】本発明のさらに別の実施例としてシール部材を
示す断面図である。

【図８】従来のシールド掘進機７０を用いて既設トンネ
ル９０の周囲を掘削する状況を示す断面図である。

【符号の説明】

１シールド掘進機３隔壁１０カッター１１・１２カッタービット２０駆動源２５シールドジャッキ（推進手段）３０シール部材３１・３４中空弾性体３７（潤滑剤の）封入空間４１円筒殻５０ガイド５５センサー９０既設トンネル９１セグメント９２裏込め材９４外向き円筒面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/06 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セグメントの壁を含む円形断面の既設ト
ンネルに対して断面の拡大等のためにその周囲を掘削す
べく、既設トンネルを囲むように配置された回転式のカ
ッター、その駆動源、および後方部分を押して推進力を
得る推進手段を有するシールド掘進機であって、上記カッターのうち最も内側のカッタービットは、既設
トンネルのセグメントの外周面よりも数十ミリだけ外側
を削って外向きの円筒面を形成するように配置するとと
もに、カッターの後方位置でカッターとその駆動源や推
進手段とを仕切る隔壁の内周部に、上記円筒面に沿うシ
ール部材を取り付け、上記の最も内側のカッタービットとして、他のカッター
ビットよりも後方において刃を内側に向けて配置したも
のを含めたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】セグメントの壁を含む円形断面の既設ト
ンネルに対して断面の拡大等のためにその周囲を掘削す
べく、既設トンネルを囲むように配置された回転式のカ
ッター、その駆動源、および後方部分を押して推進力を
得る推進手段を有するシールド掘進機であって、上記カッターのうち最も内側のカッタービットは、既設
トンネルのセグメントの外周面よりも数十ミリだけ外側
を削って外向きの円筒面を形成するように配置するとと
もに、カッターの後方位置でカッターとその駆動源や推
進手段とを仕切る隔壁の内周部に、上記円筒面に沿うシ
ール部材を取り付け、上記の最も内側のカッタービットが削った円筒面と既設
トンネルのセグメントの外周面との間隔を測定するセン
サーを複数個、上記の隔壁に取り付けたことを特徴とす
るシールド掘進機。
【請求項３】セグメントの壁を含む円形断面の既設ト
ンネルに対して断面の拡大等のためにその周囲を掘削す
べく、既設トンネルを囲むように配置された回転式のカ
ッター、その駆動源、および後方部分を押して推進力を
得る推進手段を有するシールド掘進機であって、上記カッターのうち最も内側のカッタービットは、既設
トンネルのセグメントの外周面よりも数十ミリだけ外側
を削って外向きの円筒面を形成するように配置するとと
もに、カッターの後方位置でカッターとその駆動源や推
進手段とを仕切る隔壁の内周部に、上記円筒面に沿うシ
ール部材を取り付け、上記シール部材を、上記隔壁より後方へ掘進速度に合わ
せて伸長し得る円筒殻の内周部にも取り付けたことを特
徴とするシールド掘進機。
【請求項４】上記のシール部材を、流体を導入可能に
した中空弾性体を含めて構成した請求項１〜３のいずれ
かに記載のシールド掘進機。
【請求項５】上記のシール部材の前面部分に潤滑剤の
封入空間を形成した請求項１〜４のいずれかに記載のシ
ールド掘進機。
【請求項６】上記の最も内側のカッタービットが削っ
た円筒面に沿ってシールド掘進機の本体を案内するガイ
ドを、隔壁の最前面における３カ所以上に取り付けた請
求項１〜５のいずれかに記載のシールド掘進機。