JP3534490B2 - トンネル掘削機及びトンネル掘削方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、岩盤などを掘削して異
形断面形状のトンネルを掘削するトンネル掘削機並びに
トンネル掘削方法に関する。削方法。

【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、掘削機本体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、矩形、繭形、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、掘削機本体の前部に複数のカッタ
ヘッドを装着し、この複数のカッタヘッドの装着位置を
変えることにより、異形断面のトンネルを形成可能とし
ていた。

【０００４】図５に異形断面トンネルを掘削するための
従来の異形断面トンネル掘削機の正面視、図６に従来の
別の異形断面トンネル掘削機の正面視を示す。

【０００５】図５に示す従来の異形断面トンネル掘削機
１００は矩形トンネルを掘削するためのものであって、
掘削機本体１０１の前端部に３つの円形のカッタヘッド
１０２，１０３，１０４が回転自在に装着されている。
そして、このカッタヘッド１０２，１０３は隣接して配
設され、カッタヘッド１０４はこのカッタヘッド１０
２，１０３の間で掘進方向前方に重なるように配設され
ており、それぞれ図示しない駆動モータによって駆動回
転することができる。また、カッタヘッド１０２，１０
３の外方にそれぞれ上下の小型のカッタヘッド１０５，
１０６が重なるように配設されており、図示しない駆動
モータによって駆動回転することができる。従って、各
円形のカッタヘッド１０２，１０３，１０４及び小型の
カッタヘッド１０５，１０６を駆動回転しながら、掘削
機本体１０１を前進させることで、矩形断面のトンネル
を掘削形成することができる。

【０００６】また、図６に示す従来の異形断面トンネル
掘削機２００は繭形トンネルを掘削するためのものであ
って、掘削機本体２０１の前端部に３つの円形のカッタ
ヘッド２０２，２０３，２０４が回転自在に装着されて
いる。そして、このカッタヘッド２０２，２０３は隣接
して配設され、カッタヘッド２０４はこのカッタヘッド
２０２，２０３の間で掘進方向前方に重なるように配設
されており、それぞれ図示しない駆動モータによって駆
動回転することができる。従って、各円形のカッタヘッ
ド２０２，２０３，２０４を駆動回転しながら、掘削機
本体２０１を前進させることで、繭形断面のトンネルを
掘削形成することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した図５に示す従
来の異形断面トンネル掘削機１００にあっては、複数の
カッタヘッド１０２，１０３，１０４，１０５，１０６
を組み合わせ、これらを駆動回転しながら前進させるこ
とで、矩形断面のトンネルを掘削形成している。ところ
が、このように複数のカッタヘッド１０２，１０３，１
０４，１０５，１０６によって矩形断面のトンネルを掘
削しようとしても、完全に矩形断面にはならず、未掘削
部Ａが発生してしまう。すると、矩形をなす掘削機本体
１０１の前進時に、この掘削機本体１０１が未掘削部Ａ
に接触して推進抵抗が大きくなってしまう。そのため、
異形断面トンネル掘削機１０１の掘削効率が低下してし
まうという問題があった。

【０００８】また、前述した図６に示す従来の異形断面
トンネル掘削機２００にあっては、３つのカッタヘッド
２０２，２０３，２０４を重ねて組み合わせ、これらを
駆動回転しながら前進させることで、繭形断面のトンネ
ルを掘削形成している。この異形断面トンネル掘削機２
００は異形断面トンネル掘削機１００のように未掘削部
は発生しないものの、カッタヘッド２０４はカッタヘッ
ド２０３，２０４と重ねられて配設されており、重複掘
削部Ｂが発生してしまう。すると、掘削機自体に不要部
分が発生し、必要以上に装置自体が大型化してしまい、
不経済であるという問題があった。

【０００９】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、掘削効率の向上を図ると共に装置の小型化を
図ったトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する請
求項１の発明のトンネル掘削機は、掘削機本体の前端部
に、駆動手段によって駆動回転可能な一対の円形のカッ
タヘッドが隣接して設けられると共に、前記一対の円形
のカッタヘッドの間で掘進方向前方あるいは後方に重な
るように、揺動手段によって見かけ上自転せずに公転す
るように揺動回転可能な矩形のカッタヘッドが設けられ
たことを特徴とするものである。

【００１１】請求項２の発明のトンネル掘削機は、前記
一対の円形のカッタヘッド及び前記矩形のカッタヘッド
によって構成されるカッタヘッド群の外周部に小径のカ
ッタヘッドが揺動回転可能に設けられたことを特徴とす
るものである。

【００１２】請求項３の発明のトンネル掘削機は、前記
揺動手段が、矩形のカッタヘッドが第１回転軸により揺
動体に回転自在に支持されると共に第１駆動モータによ
って一方方向に駆動回転可能とされ、前記揺動体が前記
第１回転軸に対して所定量偏心した第２回転軸により本
体に回転自在に支持されると共に第２駆動モータによっ
て前記一方方向とは逆方向に駆動回転可能とされ、前記
第１駆動モータによる一方方向の回転と前記第２駆動モ
ータによる逆方向の回転とが打ち消されることで、前記
カッタヘッドを見かけ上自転せずに公転可能としたカッ
タ駆動装置であることを特徴とするものである。

【００１３】

【００１４】また、請求項４の発明のトンネル掘削方法
は、複数の駆動回転するカッタヘッドによって異形断面
のトンネルを掘削するトンネル掘削方法において、隣接
して設けられた一対の円形のカッタヘッドが駆動回転し
ながら掘進して一対の平行な円形断面トンネルを形成
し、前記一対の円形のカッタヘッドの間で掘進方向前方
あるいは後方に重なるように設けられた矩形のカッタヘ
ッドが見かけ上自転せずに公転しながら掘進して矩形断
面トンネルを形成することで、前記一対の円形断面トン
ネルを連通して異形断面のトンネルを形成することを特
徴とするものである。

【００１５】

【作用】請求項１の発明のトンネル掘削機において、駆
動手段によって駆動回転する一対の円形のカッタヘッド
が掘削機本体の前進に伴って平行な円形断面のトンネル
を形成し、この一対の円形のカッタヘッドの間で揺動手
段によって見かけ上自転せずに公転するように揺動回転
する矩形のカッタヘッドが掘削機本体の前進に伴って一
対の円形断面のトンネルを連通させるように掘削し、異
形断面のトンネルが形成される。

【００１６】請求項２の発明のトンネル掘削機にて、円
形のカッタヘッドと矩形のカッタヘッドによるトンネル
掘削時に、このカッタヘッド群の外周部に設けられた小
径のカッタヘッドが掘削することで、矩形断面のトンネ
ルが形成される。

【００１７】請求項３の発明のトンネル掘削機にて、第
２駆動モータによって第２回転軸を介して揺動体を一方
方向に回転し、且つ、第１駆動モータによって第１回転
軸を介して非円形のカッタヘッドを揺動体と逆方向に回
転すると、第１回転軸と第２回転軸とが所定量偏心して
いることで、第１駆動モータによる一方方向の回転と第
２駆動モータによる逆方向の回転とが打ち消されること
となり、非円形のカッタヘッドは見かけ上自転せずにそ
の姿勢を保ったまま公転、即ち、揺動することとなる。

【００１８】

【００１９】請求項４の発明のトンネル掘削方法におい
て、隣接した一対の円形のカッタヘッドは一対の平行な
円形断面トンネルを形成し、矩形のカッタヘッドは矩形
断面トンネルを形成することで、この一対の円形断面ト
ンネルを連通して異形断面のトンネルを形成する。

【００２０】

【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。

【００２１】図１に本発明の一実施例に係るカッタ駆動
装置が適用されたトンネル掘削機の断面、図２に本実施
例のトンネル掘削機の正面視、図３に矩形カッタヘッド
の作用を表す概略を示す。

【００２２】図１及び図２に示すように、本実施例のト
ンネル掘削機１０は矩形断面のトンネルを掘削できるよ
うに構成されている。このトンネル掘削機１０におい
て、スキンプレート１１は矩形の筒状をなしており、前
端部に左右一対の円形のカッタヘッド１２，１３が配設
されると共に、この左右一対のカッタヘッド１２，１３
の間には掘進方向後方側に重なるように矩形のカッタヘ
ッド１４が配設されている。また、スキンプレート１１
の前端両側部には左右一対のカッタヘッド１２，１３の
掘進方向後方側に重なるように小径のカッタヘッド１
５，１６が配設されている。

【００２３】各円形のカッタヘッド１２，１３は中心部
の回転軸１７，１８が図示しない駆動モータによってそ
れぞれスキンプレート１１に回転自在に支持されてい
る。また、矩形のカッタヘッド１４はカッタ駆動装置１
９によって揺動自在に支持されている。更に、小径のカ
ッタヘッド１５，１６は図示しないカッタ駆動装置によ
って揺動自在に支持されている。

【００２４】この矩形のカッタヘッド１４を揺動自在に
支持するカッタ駆動装置１９において、矩形のカッタヘ
ッド１４は中心部Ｏ₁ に第１回転軸２０の一端部が固着
されて箱状の揺動体２１に回転自在に支持されている。
そして、この第１回転軸２０の他端部には第１駆動ギア
２２が固結され、この第１駆動ギア２２には揺動体２１
に装着された第１駆動モータ２３の出力ギア２４が噛み
合っている。従って、この第１駆動モータ２３を駆動す
ると、出力ギア２４及び第１駆動ギア２２を介して矩形
のカッタヘッド１４を中心部Ｏ₁ を支点として一方方向
に回転させることができる。

【００２５】また、一方、スキンプレート１１のバルク
ヘッド２５にはハウジング２６が固定され、このハウジ
ング２６にはこのスキンプレート１１の中心部Ｏ２ に
位置して第２回転軸２７が回転自在に支持されている。
そして、この第２回転軸２７の一端部は中心部Ｏ２ と
中心部Ｏ１ とが所定量Ｓだけ偏心して揺動体２１に固
着されている。一方、この第２回転軸２７の他端部には
第２駆動ギア２８が固結され、この第２駆動ギア２８に
はバルクヘッド２５に装着された第２駆動モータ２９の
出力ギア３０が噛み合っている。従って、この第２駆動
モータ２３を駆動すると、出力ギア２９及び第２駆動ギ
ア２８を介して揺動体２１を中心部Ｏ２ を支点として
第１回転軸２０（矩形のカッタヘッド１４）とは逆方向
に回転させることができる。

【００２６】なお、小径のカッタヘッド１５，１６のカ
ッタ駆動装置は矩形のカッタヘッド１４のカッタ駆動装
置１９とほぼ同様の構成をなしているため、説明は省略
する。

【００２７】また、スキンプレート１１には円周方向に
複数のシールドジャッキ３１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３２が取付け
られている。このシールドジャッキ３１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３３
にスプレッダ３２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。

【００２８】而して、本実施例のトンネル掘削機１０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３１を伸長し、既設のセグメント３３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１１を前進させる。一方、各円形のカッタヘッド１
２，１３及び矩形のカッタヘッド１４、小径のカッタヘ
ッド１５，１６を駆動させ、前方の岩盤を掘削してい
く。

【００２９】このとき、各円形のカッタヘッド１２，１
３が回転軸１７，１８を中心として回転することで、ス
キンプレート１１の前進に伴って平行な円形断面のトン
ネルを形成する。一方、矩形のカッタヘッド１４はカッ
タ駆動装置１９によって揺動回転することで、スキンプ
レート１１の前進に伴って円形断面のトンネルの間に矩
形断面のトンネルを形成する。更に、小径のカッタヘッ
ド１５，１６は揺動回転することで、スキンプレート１
１の前進に伴って円形断面のトンネルの外側に矩形断面
のトンネルを形成する。従って、一対の円形断面のトン
ネルはその間の矩形断面のトンネルによって連通し、且
つ、外側の矩形断面のトンネルによって角部が掘削さ
れ、矩形断面のトンネルが掘削形成される。

【００３０】即ち、矩形のカッタヘッド１４のカッタ駆
動装置１９において、第２駆動モータ２９を駆動し、出
力ギア３０及び駆動ギア２８を回転し、第２回転軸２７
を介して揺動体２１を一方方向に回転する。更に、第１
駆動モータ２３を駆動し、出力ギア２４及び駆動ギア２
２を回転し、第１回転軸２０を介して矩形のカッタヘッ
ド１４を揺動体２１の回転方向とは逆方向に回転する。
すると、図３に示すように、第２回転軸２７はＯ２ を
中心として時計回り方向に回転し、第１回転軸２０はＯ
１ を中心として反時計回り方向に回転することとな
り、矩形のカッタヘッド１４は回転が打ち消されて見か
け上自転はしない。ところが、この第１回転軸２０と第
２回転軸２７とは所定量Ｓだけ偏心しているので、この
矩

【００３１】このように本実施例にあっては、一対の円
形のカッタヘッド１２，１３が一対の平行な円形断面ト
ンネルを形成し、その間に設けられた矩形のカッタヘッ
ド１４が矩形断面トンネルを形成することで、この一対
の円形断面トンネルが矩形断面トンネルによって連通
し、矩形断面のトンネルを形成することができ、このと
き矩形のカッタヘッド１４が揺動しながら掘削すること
で、未掘削部が発生することはない。

【００３２】また、上述の実施例のトンネル掘削機１０
にあっては、矩形断面のトンネルを掘削可能としたもの
であるが、トンネルの断面形状はこれに限定されるもの
ではない。

【００３３】図４に本発明の他の実施例に係るトンネル
掘削機の正面視を示す。同図に示すように、本実施例の
トンネル掘削機４０は繭形断面のトンネルを掘削できる
ように構成されており、繭形のスキンプレート４１の前
端部に左右一対の円形のカッタヘッド４２，４３が配設
されると共に、この左右一対のカッタヘッド４２，４３
の間には掘進方向後方側に重なるように上下が弧状をな
す矩形のカッタヘッド４４が配設されている。そして、
各円形のカッタヘッド４２，４３は図示しない駆動モー
タによってそれぞれスキンプレート４１に回転自在に支
持されている。また、矩形のカッタヘッド４４は図示し
ないカッタ駆動装置によって揺動自在に支持されてい
る。なお、この矩形のカッタヘッド４４を揺動自在に支
持するカッタ駆動装置は前述のカッタ駆動装置１９と同
様の構成であるため、説明は省略する。

【００３４】而して、本実施例のトンネル掘削機４０に
よって岩盤を掘削するには、シールド掘削機本体、即
ち、スキンプレート４１を前進させる一方、各円形のカ
ッタヘッド４２，４３及び矩形のカッタヘッド４４を駆
動させ、前方の岩盤を掘削していく。即ち、各円形のカ
ッタヘッド４２，４３が回転することで、スキンプレー
ト４１の前進に伴って平行な円形断面のトンネルを形成
する。一方、矩形のカッタヘッド４４が揺動回転するこ
とで、スキンプレート４１の前進に伴って円形断面のト
ンネルの間に矩形断面のトンネルを形成する。従って、
一対の円形断面のトンネルはその間の矩形断面のトンネ
ルによって連通し、繭形断面のトンネルが掘削形成され
る。

【００３５】なお、上述の各実施例において、一対の円
形のカッタヘッドの間に矩形のカッタヘッドを設けた
り、円形のカッタヘッドの外側に小径のカッタヘッドを
設けて矩形断面のトンネルや繭形断面のトンネルを形成
したが、揺動する矩形のカッタヘッドの配設位置はこれ
らに限定されるものではなく、掘削するトンネルの断面
形状も矩形や繭形以外のものでも形成可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機
本体の前端部に駆動手段によって駆動回転可能な一対の
円形のカッタヘッドを隣接して設けると共に、この一対
の円形のカッタヘッドの間で掘進方向前方あるいは後方
に重なるように揺動手段によって見かけ上自転せずに公
転するように揺動可能な矩形のカッタヘッドを設けたの
で、円形のカッタヘッドによって平行な円形断面のトン
ネルを形成し、矩形のカッタヘッドによってこの円形断
面のトンネルを連通させるように矩形のトンネルを掘削
して異形断面のトンネルを形成することとなり、矩形の
カッタヘッドは見かけ上自転せずにその姿勢を保ったま
ま公転、即ち、揺動することとなり、未掘削部を発生さ
せずに掘削することで掘削効率の向上を図ることができ
ると共に、不要な部分は掘削しないので、装置の小型化
を図ることができる。

【００３７】請求項２の発明のトンネル掘削機によれ
ば、この一対の円形のカッタヘッド及び矩形のカッタヘ
ッドによって構成されるカッタヘッド群の外周部に小径
のカッタヘッドを揺動回転可能に設けたので、円形のカ
ッタヘッドによって掘削された円形断面のトンネルの外
周部が小径のカッタヘッドによって掘削されることで、
未掘削部を発生させずに矩形断面のトンネルを掘削する
ことができる。

【００３８】請求項３の発明のトンネル掘削機によれ
ば、揺動手段を、矩形のカッタヘッドを第１回転軸によ
り揺動体に回転自在に支持して第１駆動モータによって
一方方向に駆動回転可能とし、揺動体を第１回転軸に対
して所定量偏心した第２回転軸により本体に回転自在に
支持して第２駆動モータによって一方方向とは逆方向に
駆動回転可能とし、第１駆動モータによる一方方向の回
転と第２駆動モータによる逆方向の回転とが打ち消され
ることで、カッタヘッドを見かけ上自転せずに公転可能
としたカッタ駆動装置としたので、非円形のカッタヘッ
ドは自転せずにその姿勢を保ったまま公転、即ち、揺動
することとなり、簡単な構造で非円形のトンネルを掘削
することができる。

【００３９】

【００４０】また、請求項４の発明のトンネル掘削方法
によれば、隣接して設けられた一対の円形のカッタヘッ
ドが駆動回転しながら掘進して一対の平行な円形断面ト
ンネルを形成し、この一対の円形のカッタヘッドの間で
掘進方向前方あるいは後方に重なるように設けられた矩
形のカッタヘッドが見かけ上自転せずに公転しながら掘
進して矩形断面トンネルを形成することで、一対の円形
断面トンネルを連通して異形断面のトンネルを形成する
ようにしたので、簡単な構造で非円形のトンネルを掘削
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るカッタ駆動装置が適用
されたトンネル掘削機の断面図である。

【図２】本実施例のトンネル掘削機の正面図である。

【図３】矩形カッタヘッドの作用を表す概略図である。

【図４】本発明の他の実施例に係るトンネル掘削機の正
面図である。

【図５】異形断面トンネルを掘削するための従来の異形
断面トンネル掘削機の正面図である。

【図６】従来の別の異形断面トンネル掘削機の正面図で
ある。

【符号の説明】

１０ トンネル掘削機 １１ スキンプレート（掘削機本体） １２，１３ 円形のカッタヘッド １４ 矩形のカッタヘッド １５，１６ 小径のカッタヘッド １９ カッタ駆動装置 ２０ 第１回転軸 ２１ 揺動体 ２３ 第１駆動モータ ２７ 第２回転軸 ２９ 第２駆動モータ ４０ トンネル掘削機 ４１ スキンプレート（掘削機本体） ４２，４３ 円形のカッタヘッド ４４ 矩形のカッタヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−209497（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−272472（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−17495（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/087

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削機本体の前端部に、駆動手段によっ
   て駆動回転可能な一対の円形のカッタヘッドが隣接して
   設けられると共に、前記一対の円形のカッタヘッドの間
   で掘進方向前方あるいは後方に重なるように、揺動手段
   によって見かけ上自転せずに公転するように揺動回転可
   能な矩形のカッタヘッドが設けられたことを特徴とする
   トンネル掘削機。
2. 【請求項２】 前記一対の円形のカッタヘッド及び前記
   矩形のカッタヘッドによって構成されるカッタヘッド群
   の外周部に小径のカッタヘッドが揺動回転可能に設けら
   れたことを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機。
3. 【請求項３】 前記揺動手段が、矩形のカッタヘッドが
   第１回転軸により揺動体に回転自在に支持されると共に
   第１駆動モータによって一方方向に駆動回転可能とさ
   れ、前記揺動体が前記第１回転軸に対して所定量偏心し
   た第２回転軸により本体に回転自在に支持されると共に
   第２駆動モータによって前記一方方向とは逆方向に駆動
   回転可能とされ、前記第１駆動モータによる一方方向の
   回転と前記第２駆動モータによる逆方向の回転とが打ち
   消されることで、前記カッタヘッドを見かけ上自転せず
   に公転可能としたカッタ駆動装置であることを特徴とす
   る請求項１記載のトンネル掘削機。
4. 【請求項４】 複数の駆動回転するカッタヘッドによっ
   て異形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削方法にお
   いて、隣接して設けられた一対の円形のカッタヘッドが
   駆動回転しながら掘進して一対の平行な円形断面トンネ
   ルを形成し、前記一対の円形のカッタヘッドの間で掘進
   方向前方あるいは後方に重なるように設けられた矩形の
   カッタヘッドが見かけ上自転せずに公転しながら掘進し
   て矩形断面トンネルを形成することで、前記一対の円形
   断面トンネルを連通して異形断面のトンネルを形成する
   ことを特徴とするトンネル掘削方法。