JP3400544B2 - 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、土砂を掘削するシール
ド掘進機に関し、より詳細には、地中の土砂のみならず
パイルなどの障害物も併せて切削・破砕し、かつ立坑の
側壁も穿孔することのできるシールド掘進機に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地下鉄を建設するトンネル工事に
おいては、地中に掘り込んだ立坑から発進し、地中深く
を水平に掘り進むシールド工法が採用されている。発進
地点となる立坑付近を除き、地表面への影響がほとんど
ない点、地中深度の大きい箇所においても工事のできる
点、上下水道、ガスなどの埋設物に対する影響が比較的
小さい点、などがシールド工法による工事の利点とされ
ている。

【０００３】ところが、最近の建造物の高層化に伴い、
建造物の土台となる鉄骨や鋼鉄製の円筒内にコンクリー
トを流入させた鋼管杭あるいは鉄筋が配筋された円柱上
の鉄筋コンクリート杭など（以下パイルなどという）が
地中深く打ち込まれており、建造物はこのパイルなどの
上に築き上げられている。従来のシールド工法では、掘
削箇所にパイルなどが打ち込まれている地中を通過する
ときは、アンダーピニング工法と呼ばれる方法が用いら
れている。

【０００４】図７はアンダーピニング工法の説明図であ
る。図では簡略化して説明するため、建造物３１が地下
で例えば４本のパイルなど３２により支持されている場
合を示している。これらのうち中央の２本のパイルなど
がシールドルート３３を遮る場合、これらを取り除くと
安全性に支障をきたすため、あらかじめ建造物の重量を
支えるための梁３４と杭３５をシールドルート３３外の
地中に建造し、建造物３１の荷重を受け替える。この状
態で、トンネル掘削の障害となるシールドルート３３上
のパイルなど３２を深礎工法等により取り壊して撤去
し、その空間に土砂を充填した後、シールド工法により
トンネル工事を行っている。

【０００５】すなわち、パイルなど３２の撤去に際して
は、パイルなど３２を抜出撤去するか、あるいはパイル
など３２の周面を掘削して人間の作業スペース３６を確
保した後、パイルなど３２を建造物３１の下面から人為
的に順次取り壊し、これを地上へ搬出する作業をトンネ
ルを施工する地下深度まで続けて行う。パイルなど３２
の撤去が終了したらこのパイルなど３２の撤去穴と作業
穴とを土砂等で充填し、シールド掘進機が掘進できるよ
うな工事をする方法が採られている。また、シールド掘
進機の発進時および到達時における立坑の側壁も人為的
に取り壊している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなアンダーピニング工法では建造物３１の荷重の受け
替え後、パイルなど３２の周面に人間の作業スペース３
６を確保しなければならないこと、パイルなど３２を人
為的に破砕し、これを地上へ搬出しなければならないこ
と、パイルなど３２の撤去後の作業穴に土砂を充填する
工事が必要であること、立坑の側壁を人為的に取り壊さ
ねばならないこと、立坑やパイルなど３２の数が多くな
れば多くなる程上記作業に関する工費および工期が長く
なること、作業の機械化に限度があることなどから、こ
のようなアンダーピニング工法では建造物下の狭隘な作
業環境での深礎掘削および立坑の側壁やパイルなどの取
り壊し、ならびにパイルなどの撤去穴の埋戻しに多大な
時間と労力を要し、かつ作業上の安全性にも問題がある
ばかりでなくこれらの作業のために多大な経費を必要と
する問題点があった。

【０００７】この問題点を解決する方法としては、シー
ルド掘進機は多数のカッタービットの取り付けられたカ
ッターヘッドを回転させて、地中の土砂を掘削する装置
であるから、カッタービットにより、土砂同様に立坑の
側壁やパイルなどの障害物も除去しうる可能性がある。
これが実現されれば、従来法における立坑の側壁やパイ
ルなどを部分的かつ人為的に取り壊し、搬出する作業が
省かれ、工期の短縮、作業人員および工費の削減、なら
びに工事の安全性が確保できるという多くの利点をもた
らすことになる。

【０００８】ところが、立坑の側壁やパイルなどは本質
的に土砂とは性質を異にするため、掘削条件が土砂とは
異なる。このため、立坑の側壁やパイルなどのうち、特
に鉄筋などの鋼製類は回転するカッタービットによりね
じ曲げられ、シールド掘進機のカッターヘッドに巻きつ
き、完全切削には至らないことが確認されている。本発
明は上記問題点を解決するためなされたもので、土砂を
掘削するカッターヘッドにより立坑の側壁の穿孔が可能
で、パイルなどを切削し破砕することもできるシールド
掘進機を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る本発明のシールド掘進機では、カッ
ターヘッドの外周の上周側および下周側の少なくとも一
方に設けられ、かつその前方最先端部にカッタービット
が取り付けられたスライドフードと、このスライドフー
ドの先端が、カッターヘッドの先端より前方および後方
へ移動自在としたスライドフード移動手段と、スライド
フードをカッターヘッドの円周方向へ揺動させるスライ
ドフード揺動手段とを備えた障害物縁部切断手段と、カ
ッターヘッドに取り付けられ、障害物を挟んで切削・破
砕する固定ビットおよび可動ビットを備えた障害物切削
・破砕手段とからなることを特徴としている。

【００１０】また請求項２に係る本発明のシールド掘進
機では、上記に加え、スライドフード揺動手段が、スラ
イドフードに穿設されたコピーカッターホールに、カッ
ターヘッドの周面に取り付けられたコピーカッターを貫
通させることにより、スライドフードをカッターヘッド
に固定させ、該カッターヘッドの正転・逆転運動と同調
させて揺動させるようになっている。さらに請求項３に
係る本発明のシールド掘進機では、上記のいずれかに加
え、障害物切削・破砕手段がカッターヘッドの中心から
円周方向へ並設された複数の固定ビットとこの各固定ビ
ットと対向して近接・離反自在に設けられた可動ビット
からなり、かつ各固定ビットを可動ビットによりカッタ
ーヘッドの前方に位置させて設置している。

【００１１】そして、請求項４に係る本発明のシールド
掘進機では、上記請求項１および請求項２のいずれかに
加え、障害物切削・破砕手段がカッターヘッドの中心か
ら円周方向へ並設された複数の固定ビットとこの各固定
ビットと対向して近接・離反自在に設けられた可動ビッ
トからなり、かつ可動ビットが固定ビットを中心として
カッターヘッドの前方へ揺動自在に設置したものであ
る。また、固定ビットは可動ビットの移動範囲の前方お
よび後方に配設されるようにしても良い。

【００１２】

【作用】上記構成からなる本発明のシールド掘進機で
は、カッターヘッドが障害物に接近した際に、カッター
ヘッドは回転を停止し、スライドフードがせり出し、カ
ッターヘッドの小角度の正転・逆転運動により、または
専用の駆動機構により、スライドフードを揺動させ、そ
の先端に取り付けられたカッタービットにより障害物の
縁が切断される。請求項１乃至３に記載のシールド掘進
機では、カッターヘッドを小角度に回転させ、これに取
り付けられた固定ビットを障害物に食い込ませた後、カ
ッターヘッドの回転を停止させる。この状態で、可動ビ
ットを駆動し固定ビットの食い込み部分をはさみ切る。
可動ビットを元の位置に戻し、カッターヘッドを小角度
逆転させ、この一連の作業を繰り返し、障害物を切削ま
たは破砕する。また、請求項１および２ならびに４に記
載のシールド掘進機では、カッターヘッドを停止させた
まま、可動ビットを駆動し、障害物を切削または破砕す
る。さらに、可動ビットを前方に移動させ、より深く障
害物に切り込み、切削または破砕する。上記いずれかの
方法で切削または破砕された障害物の破片は、シールド
掘進機のチャンバー内に取り込まれ、さらに細かく破砕
されて土砂と同様に排出される。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面により本発明に係るシールド
掘進機の実施例を説明する。図１の（１）（２）（３）
は、シールド掘進機におけるヘッド部分の構成を示す図
である。この装置は、通常はカッターヘッドが正転して
土砂を掘削し、障害物に突き当たると、カッターヘッド
が正転・逆転を繰り返し、障害物を切削または破砕す
る。すなわち、装置本体Ａの先端にカッターヘッド１が
取り付けられており、このカッターヘッド１を含む装置
本体Ａの上部周面に、先端にカッタービット２ａの取り
付けられたスライドフード２が取り付けられている。ス
ライドフード２はスライドジャッキ３で前方へ押し出さ
れる。スライドジャッキ３の運動に対応してフード前後
スライドホール４およびフード揺動ホール５が装置本体
Ａに穿設されている。

【００１４】カッターヘッド１の周面には、その回転に
より掘削されるトンネルの径を広げ本体の通過を容易に
する目的で取り付けられたコピーカッター６が備えられ
ている。通常はカッターヘッドから突き出しており、必
要に応じて格納されるように設計されている。スライド
フード２には、コピーカッターホール７が開けられてい
る。これはコピーカッター６をコピーカッターホール７
に貫通させ、これを支点としてカッターヘッド１とスラ
イドフード２が一緒に動くようにしてスライドフード２
を揺動させることを目的としている。また、この方法を
用いいない場合は、フード揺動シリンダ８によりスライ
ドフード２を揺動させる。また、カッターヘッド１に
は、カッタービット９と、中央の斜面状の部分には可動
ビット１０と固定ビット１１とが設けられている。

【００１５】図２には、可動ビット１０の駆動機構を示
している。可動ビット１０はスライドジャッキ１２を推
進源として揺動レール１３を案内機構として直進運動す
る。可動ビット１０の停止点で固定ビット１１と交差
し、切削・破砕対象物１４を切断する。図には１台のス
ライドジャッキ１２により１組の可動ビット１０が直進
運動すように描かれているが、実際には２，３または
４，５個毎に可動ビット１０が同時に直進運動するよう
にしても良い。

【００１６】図３は切削または破砕の過程を示す説明図
である。カッターヘッド１は回転し、固定ビット１１が
切削・破砕対象物１４に食い込む。この状態で、図には
示さないカッターヘッド１の回転トルク検出器が、回転
トルクに変化が生じたことを検知し、これも図には示さ
ない回転制御装置によりカッターヘッド１の回転が停止
する。ここで破砕対象物１４に食い込んだ固定ビット１
１と対向する可動ビット１０を駆動させ、切削・破砕対
象物１４を切削または破砕する。これにより図の点線１
５に示す部分まで切り進むことになる。可動ビット１０
を元の位置に戻し、さらにカッターヘッド１を小角度逆
転させ、また正転させる。これにより、前回と同様固定
ビット１１が切削・破砕対象物１４に食い込む。前回の
動作により切削・破砕対象物１４は切りとられているた
め、カッターヘッド１の回転角は前回よりも大きくな
り、より深い位置から切削または破砕が開始される。前
回と同様の過程を行い、図の点線１６に示す部分まで切
り進む。これを繰り返すことにより、切削・破砕対象物
１４を小片に切削または破砕することができる。

【００１７】図４は、シールド掘進機の他の実施例の構
成を示す図である。この装置は、カッターヘッド１７の
回転を停止した状態で、障害物を切削または破砕する。
図には示していないが、前記の実施例と同様、カッター
ビット２ａの取り付けられたスライドフード２が装置本
体Ａの上部にあり、揺動シリンダ８により駆動される。
カッターヘッド１７にはカッタービット１９とコピーカ
ッター２０が設けられている。中央部には固定ビット２
１，２２と可動ビット２３，２４がありシリンダロッド
２５を案内として往復運動する。

【００１８】図５は可動ビットを駆動する機構を示す図
である。可動ビット２３，２４は油圧・空気圧などによ
り往復運動する揺動シリンダ２６に取り付けられてい
る。揺動シリンダ２６はシリンダロッド２５を案内レー
ルとして動作する。また、シリンダロッド２５の一端は
軸２９に枢着され、これを中心に伸縮ジャッキ２７によ
り、固定ビット２１・可動ビット２３，２４の部分が前
進・後退することができるようになっている。前進・後
退の動作を円滑にするために、起伏ガイド板２８が設け
られている。

【００１９】図６は可動ビットの揺動による切削または
破砕過程について説明する図である。切削・破砕対象物
３０に対して、図中の（１）から（２）のように、可動
ビット２３，２４は揺動シリンダ２６により固定ビット
２２の方向へ移動する。このとき、可動ビット２３は切
削・破砕対象物３０を削り取り切削または破砕する。次
に図中の（３）のように、揺動シリンダ２６を固定ビッ
ト２１および２２の両方向へ往復させ、伸縮ジャッキ２
７を伸ばし揺動部分を前方に進め、前記と同じ動作を行
う。結果として図中（４）のように、可動ビット２３，
２４により、さらに深く切削または破砕が行われる。

【００２０】また、固定ビット２１または２２が切削・
破砕対象物３０に接触する場合は、より深い切削または
破砕を行うために伸縮ジャッキ２７を一度縮め揺動部分
を後退させ、再度伸縮ジャッキ２７を伸ばし、固定ビッ
ト２１または２２を切削・破砕対象物３０により、深く
食い込ませるようにしてもよい。伸縮ジャッキ２７の全
ストローク長まで切削または破砕を行った後にも切削・
破砕対象物３０が残っている場合には、カッターヘッド
を回転させ土砂を掘削し、装置全体を前進させ再度前記
と同じ動作を行う。この説明では述べなっかったが、カ
ッタービット２ａの取り付けられたスライドフード２を
揺動させ、切削・破砕対象物３０の縁切切断を事前に行
う。

【００２１】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば実施例ではスライドフード２や可動
ビット１０，２３，２４の揺動動力源としてジャッキ
３，１２やシリンダ２６を使うこととしているが、電動
または別の機械的駆動法を用いても差支えないし、スラ
イドフード２は上周側と下周側に個別に、あるいは一体
的に全周に設置してもかまわない。また、上記実施例で
はカッターヘッド１が面板型（密閉型）のものを示した
が、スポーク型（開放型）に適用できることは自明であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、パイルな
どのように、掘進機の回転するカッタービットにより切
削し得ない障害物であっても、揺動するカッタービット
をカッターヘッドに設け、切削・破砕することができる
ので、地中に埋設された立坑の側壁や建造物のパイルな
ど、シールド掘進機の土砂掘削に対する障害物をシール
ド掘進機自体によって穿孔し、撤去することができる。

【００２３】また、従来人手による作業でしか穿孔およ
び除去できなかった立坑の側壁やパイルなどを、シール
ド掘進機により穿孔および除去できるため、工程の短縮
・作業人員および工費の削減ならびに作業の安全性を確
保することができるとともに、シールド工法そのものの
効率・経済性を著しく向上させることができる。さら
に、鉄筋などの鋼製類は、あらかじめ切削する範囲の上
端部または上端部と下端部の縁部を切断した後パイルな
どを切削し、破砕するので、長尺の鋼製類が掘進機のカ
ッターヘッドに巻きつかずパイルなどの切削・破砕が支
障なく行われる。

【００２４】なお、請求項２の発明によれば、スライド
フードの揺動に格別な揺動手段を必要とせずシールド掘
進機の構成を可及的に簡潔化し得られ、請求項３の発明
によれば、固定ビットが可動ビットより先に障害物に接
触するので、可動ビットの揺動が障害物により妨げられ
ることがなく、障害物の切削・破砕がより完全に行わ
れ、請求項４の発明によれば、障害物の切削に際して大
型のカッターヘッドを切削回数と同回数正転・逆転させ
る必要がなく、小型の可動ビットを切削量に応じてカッ
ターヘッド前方へ揺動すればよいから、障害物の切削工
程が簡易化され、請求項５の発明によれば、可動ビット
の移動範囲の前方および後方に位置する障害物を切削で
きるので、前方移動での切削に際して可動ビットの移動
範囲内に鉄筋等の鋼製類が変形介在した場合でも後方移
動時にこれを切削できて、切削効果をより一層確実なも
のとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（１）乃至（３）は本発明に係るシールド掘進
機の一実施例を示す正面図，平面図，側面図である。

【図２】図１における可動ビット揺動機構の構成を示す
拡大図である。

【図３】（１）乃至（３）は実施例に係るシールド掘進
機による切削・破砕対象物の切削過程を示す平面図およ
び正面図である。

【図４】（１）および（２）は本発明に係るシールド掘
進機の他の実施例を示す正面図および平面図である。

【図５】図４における可動ビット揺動機構および前進・
後退機構の構成を示す拡大図である。

【図６】（１）乃至（４）は実施例に係るシールド掘進
機による切削・破砕対象物の切削過程を示す一部を断面
とした側面図である。

【図７】従来工法であるアンダーピニング法についての
説明図である。

【符号の説明】

１，１７・・・・・カッターヘッド ２・・・・・・・・スライドフード ２ａ，９，１９・・カッタービット ３・・・・・・・・スライドジャッキ ６，２０・・・・・コピーカッター ７・・・・・・・・コピーカッターホール ８，２６・・・・ 揺動シリンダー １０，２３，２４・・可動ビット １１，２１，２２・・固定ビット １４，３０・・・・・切削・破砕対象物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤木 育雄 東京都台東区東上野３丁目19番６号 帝 都高速度交通営団内 (72)発明者 沼澤 憲二郎 東京都台東区東上野３丁目19番６号 帝 都高速度交通営団内 (56)参考文献 特開 平６−288177（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−202595（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−202588（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−80906（ＪＰ，Ｕ) 実用新案登録2574651（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/06 301 - 302 E21D 9/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カッターヘッド（１）（１７）の外周の上
   周側および下周側の少なくとも一方に設けられ、かつそ
   の前方最先端部にカッタービット（２ａ）が取り付けら
   れたスライドフード（２）と、このスライドフード
   （２）の先端が、カッターヘッド（１）（１７）の先端
   より前方および後方へ移動自在としたスライドフード移
   動手段（３）と、スライドフード（２）をカッターヘッ
   ド（１）（１７）の円周方向へ揺動させるスライドフー
   ド揺動手段（８）とを備えた障害物縁部切断手段（２）
   （２ａ）（３）（８）と、カッターヘッド（１）（１
   ７）に取り付けられ、障害物（１４）（３０）を挟んで
   切削・破砕する固定ビット（１１）（２１）（２２）お
   よび可動ビット（１０）（２３）（２４）を備えた障害
   物切削・破砕手段（１０）（１１）（２１）〜（２４）
   （２６）とからなることを特徴とするシールド掘進機。
2. 【請求項２】スライドフード揺動手段（８）が、スライ
   ドフード（２）に穿設されたコピーカッターホール
   （７）に、カッターヘッド（１）（１７）の周面に取り
   付けられたコピーカッター（６）（２０）を貫通させる
   ことにより、スライドフード（２）をカッターヘッド
   （１）（１７）に固定させ、該カッターヘッド（１）
   （１７）の正転・逆転運動と同調させて揺動させる請求
   項１に記載のシールド掘進機。
3. 【請求項３】障害物切削・破砕手段（１０）（１１）
   （２１）〜（２４）（２６）がカッターヘッド（１）
   （１７）の中心から円周方向へ並設された複数の固定ビ
   ット（１１）（２１）（２２）とこの各固定ビット（１
   １）（２１）（２２）と対向して近接・離反自在に設け
   られた可動ビット（１０）（２３）（２４）からなり、
   かつ各固定ビット（１１）（２１）（２２）を可動ビッ
   ト（１０）（２３）（２４）よりカッターヘッド（１）
   （１７）の前方に位置させて設置した請求項１および請
   求項２いずれか記載のシールド掘進機。
4. 【請求項４】障害物切削・破砕手段（１０）（１１）
   （２１）〜（２４）（２６）がカッターヘッド（１）
   （１７）の中心から円周方向へ並設された複数の固定ビ
   ット（２１）（２２）とこの各固定ビット（２１）（２
   ２）と対向して近接・離反自在に設けられた可動ビット
   （２３）（２４）からなり、かつ可動ビット（２３）
   （２４）が固定ビット（２１）（２２）を中心としてカ
   ッターヘッド（１７）の前方へ揺動自在に設置された請
   求項１および請求項２いずれか記載のシールド掘進機。
5. 【請求項５】固定ビット（１１）（２１）（２２）が可
   動ビット（１０）（２３）（２４）の移動範囲の前方お
   よび後方に配設された請求項１乃至請求項４いずれか記
   載のシールド掘進機。