JP4033767B2 - 分離形シールド掘進機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駅部や路線合流部などの拡張された楕円形やカマボコ形などの異形の大断面トンネルから単数または複数の路線の小断面トンネルを連続して掘削可能な分離形シールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大断面トンネル掘削用の親シールド掘進機から小断面トンネル掘削用の子シールド掘進機を発進させる分離形シールド掘進機には、たとえば特許文献１に示すように、親シールド掘進機をかまぼこ形の大断面トンネルの掘削用とし、左右に２つの円形小断面トンネル掘削用の子シールド掘進機を配置して、大断面のトンネルを掘削後、子シールド掘進機を発進させて小断面トンネルを連続して掘削するものでは、異形断面のトンネルの掘削時には、子シールド掘進機のカッタヘッドにより円形断面を掘削し、残部は揺動式のカッタヘッドを設けて掘削するように構成されている。
【０００３】
また特許文献２のように、楕円形の大断面トンネルを掘削する親シールド掘進機では、円形断面トンネルを掘削する左右一対の子シールド掘進機を発進可能に配置し、大断面トンネルの掘削時には、子シールド掘進機に装備された回転式の円形カッタヘッドと、これら円形カッタヘッド間の上下位置に配置された扇形状の揺動式のカッタヘッドにより掘削するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５４５９１号公報（図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−３３６３８４号公報（図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転式カッタヘッドと揺動式カッタヘッドは、その掘削速度やカッタビットの磨耗程度が相違するため、親シールド掘進機による大断面トンネルの掘削効率が低く、またシールド本体の姿勢制御が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決して、親シールド掘進機の大断面トンネルの掘削を回転式のカッタヘッドのみで構成することで、掘削効率を向上させ、姿勢制御も改善される分離形シールド掘進機を提供することを目的とする。
【０００８】
【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記載の発明は、親シールド本体から子シールド本体を発進して切羽面の大きい大断面トンネルから小断面トンネルを連続して掘削可能な分離形シールド掘進機において、親シールド本体に、単数または複数基の子シールド本体を前方に発進分離可能に保持させるとともに、子シールド本体の前部に回転式の子カッタヘッドを設け、子カッタヘッドの掘削部分以外を掘削する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に設けるとともに、当該親カッタヘッドを子カッタヘッドに対して後方に位置ずれして配設し、親カッタヘッドに、子シールド本体の発進時に子シールド本体が当該親カッタヘッドに干渉することなく通過可能な切欠き部を形成し、親シールド本体の前部で、子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に掘削土砂を収容して切羽崩壊土圧を保持する一体の拡張圧力室を形成し、子シールド本体の発進時に、子カッタヘッドと子シールド本体の子外殻部材の少なくとも一方を接近させ、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成する圧力室形成手段を設け、前記圧力室形成手段は、子カッタヘッドとその回転駆動装置とを一体に形成したカッタ装置が設けられるとともに、当該カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とがシールド軸心方向にスライド可能としたスライドガイド部と、子シールド掘進機の発進時にカッタ装置と子外殻部材とを接近駆動するスライド駆動手段とを具備し、前記スライド駆動手段を、組み立てられたセグメントを反力受けとして子シールド本体を推進する子シールドジャッキにより構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、子シールド本体の前部に、回転式の子カッタヘッドを配置するとともに、その後部に切欠き部を有する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に配置することで、切羽面の大きい大断面トンネルを効率良く掘削することができる。また大径の子カッタヘッドを前部に、小径の親カッタヘッドを後部に配置することで、高効率で安定した掘削ができる。さらに子カッタヘッドおよび親カッタヘッドの回転方向と回転速度とを制御することにより、親シールド本体の姿勢制御を精度良く行うことができる。
【００１０】
また子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に一体の拡張圧力室を形成することにより、掘削土砂の流動性を高めて閉塞を防止することができる。さらに子シールド本体の発進時に、圧力室形成手段により、子カッタヘッドと子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成することができ、子カッタヘッドによる小断面トンネルの掘削も、切羽崩壊土圧を確実に支持して掘削土砂の排出を良好に行うことができる。
【００１１】
さらに、カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とをスライドガイド部を介してシールド軸心スライド可能に構成しておき、子シールドジャッキにより、セグメントを反力受けとして子外殻部材を推進することで、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて、子カッタヘッド後部に子シールド圧力室を形成することができる。したがって、簡単な構造で必要な要素である推進ジャッキを使用して子シールド圧力室を形成することができ、装置を簡略化できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る分離形シールド掘進機の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
【００１３】
このシールド掘進機は、略楕円形の大断面トンネル掘削用の親シールド本体１内に、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１を分離発進可能に内装したものである。各子シールド本体５１の前部には、円形断面の単路線トンネル（小断面トンネル）Ｔｓをそれぞれ掘削可能な回転式で大径の子カッタヘッド５２が親シールド軸心Ｏｗと直交する同一平面上に配置されている。また親シールド本体１の前部で中心部の上下位置には、回転式で小径の親カッタヘッド２がそれぞれ配置され、２つの子カッタヘッド５２と２つの親カッタヘッド２により、大断面の拡張部トンネル（大断面トンネル）Ｔｗを掘削可能に構成されている。そしてこの拡張部トンネルＴｗを掘削した親シールド本体１から左右の子シールド本体５１をそれぞれ分離して発進させ、子カッタヘッド５２によりそれぞれ単路線トンネルＴｓを連続して掘削することができる。（図５，６参照）
図２，図４に示すように、前記親シールド本体１には、短径上の上下位置で子カッタヘッド５２に干渉しない後方に親カッタヘッド２がそれぞれ配置されており、切羽面の大きい子カッタヘッド５２を前部に配置することで、拡張トンネルＴｗを効率良く安定して掘削できるとともに、４つのカッタヘッド２，５２の回転方向や回転速度を制御することにより親シールド本体１を精度良く姿勢制御することができる。
【００１４】
前記親カッタヘッド２は、図１，図２に示すように、カッタ軸３が切羽崩壊土圧を支持する親側隔壁４に回転軸受を介して回転自在に支持されており、カッタ軸３に取り付けられた大ギヤ５ａと、大ギヤ５ａに噛合する複数の駆動ピニオン５ｂと、各駆動ピニオン５ｂをそれぞれ回転駆動する油圧式の親カッタ駆動モータ５ｃからなる親カッタ駆動装置５により親カッタヘッド２が回転駆動される。
【００１５】
またこれら親カッタヘッド２は、子シールド本体５１の発進時に、子シールド本体５１が親カッタヘッド２に干渉することなく通過可能なように、左右一対の切欠き部２ａが形成された親カッタ面板６が、正面視略扇形状になるように形成されている。そして親カッタ面板６には、センタビットを有するセンタ部材７から放射方向に複数の放射状のメインビーム材８とサブビーム材９とが配置され、メインビーム材８とサブビーム材９の両側に形成された土砂取入口１０に臨んで、多数のカッタビットが装着されている。
【００１６】
前記左右の子シールド本体５１は、図３（ａ）に示すように、同一構成で円形断面に形成されるとともに、親シールド本体１の長径上に親シールド軸心Ｏｗに平行な子シールド軸心Ｏｓに沿って、親シールド本体１の親外殻部材１１内からそれぞれ固定および発進可能に配置されている。子シールド本体５１は、子スキンプレート５３ａを有する子外殻部材５３の前部にリング状の固定隔壁５４が配置されると共に、後部に子エレクタ装置（図示せず）により組み立てられた子セグメントＳｓを反力受けとして子シールド本体５１を推進させる複数の子推進ジャッキ５５が設けられている。また前記固定隔壁５４の内周面には円筒状のスライドガイド部５６が設けられており、スライドガイド部５６内には、子カッタヘッド５２と一体のカッタ装置６０が設けられている。
【００１７】
前記カッタ装置６０は、旋回軸受を介して回転リング６１を子シールド軸心Ｏｓ周りに回転自在に支持する中心隔壁６２と、回転リング６１に複数の脚部５７を介して支持された円形状の子カッタヘッド５２と、中心隔壁６２の背面側に設けられた子カッタ駆動装置６３とで構成され、このカッタ装置６０がスライドガイド部５６を介して子外殻部材５３内にスライド自在に支持されて、圧力室形成手段が構成されている。そして、子外殻部材５３には、子カッタヘッド５２と子外殻部材５３とが離間する拡張トンネル掘削位置と、子カッタヘッド５２と子外殻部材５３とが接近する単路線トンネル掘削位置とでそれぞれカッタ装置６０を子外殻部材５３に固定する隔壁固定装置６４が設けられており、たとえば図示するように、コッターピンと、その出退用シリンダとで構成される。
【００１８】
前記子カッタ駆動装置６３は、回転リング６１の背面に固定されたリングギヤ６３ａと、前記リングギヤ６３ａに噛合する駆動ピニオン６３ｂと、中心隔壁６２に支持されて駆動ピニオン６３ｂを回転駆動する子カッタ駆動装置（油圧モータなど）６３ｃにより構成されている。
【００１９】
前記子カッタヘッド５２は、図１に示すように、円形のカッタ面板６５を有する面板形カッタで、センタビットを有するセンタ部材から放射方向に複数本（図では６本と６本）の放射状のメインビーム材６６とサブビーム材６７が設けられ、メインビーム材６６とサブビーム材６７の両側縁に多数のカッタビットが装着されるとともに、メインビーム材６６とサブビーム材６７の両側のカッタ面板６５に、土砂取入口６８がそれぞれ形成されている。また任意の複数のメインビーム材６６には、拡張部トンネルＴｗの掘削時に、他の部材に干渉しない位置で伸縮装置により突出されて広い面積を掘削可能なコピーカッタ６９が設けられている。
【００２０】
親シールド本体１は、外周部が略楕円形断面の親スキンプレート１１ａを有する親外殻部材１１に覆われ、後部に親エレクタ装置（図示せず）により組み立てられた親セグメントＳｗを反力受けとして、親シールド本体１を推進する複数の親推進ジャッキ１２が設けられている。親外殻部材１１の前部には、親カッタヘッド２の後部で切羽崩壊土圧を支持する親側隔壁４が設けられている。親スキンプレート１１ａの前端のフード部は、図４に示すように、左右側部が子カッタヘッド５２に接近する前寄りのフード突出部１５ａと、上下部が親カッタヘッド２に接近する後寄りのフード後退部１５ｂと、フード突出部１５ａとフード後退部１５ｂとを接続するフード接続部１５ｃとで構成されている。
【００２１】
そして、図１に示すように、前記フード接続部１５ｃにカッティング用の固定刃１６が取り付けられるか、または親カッタヘッド２にコピーカッタ１４が出退自在に内蔵されるか、その一方または両方により、親カッタヘッド２および子カッタヘッド５２が届かないフード接続部１５ｃの内側部分が掘削される。
【００２２】
ところで泥水圧シールドでは、親シールド本体１の親側隔壁４と子シールド本体５１の子圧力隔壁（固定隔壁５４，中心隔壁６２，回転リング６１）により、切羽崩壊土圧を支持する拡張圧力室２０が形成され、掘削された土砂を泥水状として拡張圧力室２０から排出する泥水式排土装置（送泥管７１，排泥管７２）が設けられている。このような圧力室は、子カッタヘッド５２，５２毎と親カッタヘッド２，２毎にそれぞれ独立させてもよく、実際にマルチフェイス形のシールド掘進機では、きめ細かい掘削制御および排土制御を必要とするため、圧力室をそれぞれ独立させることが多い。しかし、圧力室をそれぞれ独立させると、それぞれに泥水式排土装置が必要であり、またこの実施の形態では、親カッタヘッド２と子カッタヘッド５２とが重なる交差部があるため、フード部で仕切りすることができない。また親カッタヘッド２側の圧力室が変形状になるため、土砂の十分な攪拌ができずに、泥水の密度差により閉塞が発生するという問題が起こりやすい。したがって、この実施の形態では、拡張部トンネルＴｗの掘削時に親子カッタヘッド２，５２後部に互いに連通する一体の拡張圧力室２０を形成している。
【００２３】
この拡張圧力室２０では、拡張部トンネルＴｗの掘削に際して、一般的に圧力室の上部に送泥管を接続し、下部に排泥管を接続する。特にレキなどが多い土質の場合、下部の親カッタヘッド２に対応する圧力室部分の下部付近に排泥管を接続する必要があるが、通常の泥水の場合には、送泥管と排泥管の接続箇所は任意に選択可能である。このため、ここでは子カッタヘッド５２に対応する子シールド圧力室７０の上部に接続された送泥管７１と下部に接続された排泥管７２とを使用して、拡張圧力室２０の土砂を排出している。なお、特にレキなどが多い土質では、親カッタヘッド２の下部に対応して排泥管７２’を接続するとよい。
【００２４】
ところで、単路線トンネルＴｓを掘削する場合、子カッタヘッド５２の後部外周は開放状態にあるが、図３（ｂ）に示すように、隔壁固定装置６４を開放し、切羽面により前進を規制されたカッタ装置６０に対して、子セグメントＳｓを反力受けとして子推進ジャッキ５５を進展させることにより、スライドガイド部５６を介して子外殻部材５３を前進させ、そのフード部５３ｂを子カッタヘッド５２の外周部に接近させて周囲を囲み、隔壁固定装置６４を作動させることで子シールド圧力室７０を形成する。
【００２５】
次に上記構成の分離形シールド掘進機の運転動作を説明する。
親シールド本体１内に２基の子シールド本体５１が収容された状態で、子カッタヘッド５２と親カッタヘッド２とにより拡張部トンネルＴｗの切羽面が掘削される。子カッタヘッド５２により切羽面の左右側部が掘削され、コピーカッタ６９により左右側部が拡張されて掘削される。また親カッタヘッド２により切羽面の上下面が掘削され、また親カッタヘッド２の両側で固定刃１６により残部が掘削される。そして拡張圧力室２０では、土砂取り入れ口１０，６８から取り込まれた掘削土砂が、送泥管７１から供給された泥水や泥しょうと混合攪拌され、崩壊土圧を保持しつつ排泥管７２から排出される。親シールド本体１の後部では、図示しない親エレクタ装置により親セグメントＳｗが組み立てられ、組み立てられた親セグメントＳｗを反力受けとして親推進ジャッキ１２により親シールド本体２が前進される。
【００２６】
拡張部トンネルＴｗの掘削が完了すると、引き続いて単路線トンネルＴｓを掘削する。親エレクタ装置を分解して搬出し、左右の子シールド本体５１の後部に子エレクタ装置をそれぞれ組み立てる。そして、左右の子シールド本体５１を順次発進させる。すなわち、隔壁固定装置６４を解除して子外殻部材５３とカッタ装置６０とを切り離し、子エレクタ装置により仮組み立てされた子セグメントを反力受けとしてスライド駆動手段である子推進ジャッキ５５を進展する。この時、カッタ装置６０は切羽面に前進を規制されており、子外殻部材５３はスライドガイド部５６と親外殻部材１１の内面をスライドして子外殻部材５３が前進され、フード部５３ｂが子カッタヘッド５２に接近し子シールド圧力室７０が形成される。
【００２７】
なお、子カッタヘッド５２およびカッタ装置６０の前進規制手段として、切羽面を使用したが、カッタビットが切羽面に食い込み、再起動時に支障を来たす恐れがある場合には、拡張圧力室２０内で泥水圧により崩壊土圧を支持させつつ、子外殻部材５３の突出による昇圧に応じて排泥管７２から泥水を排出する。また子カッタヘッド５２およびカッタ装置６０の前進規制手段として、子カッタヘッド５２またはカッタ装置６０を親シールド本体１に機械的に固定する前進規制装置を設けても良い。
【００２８】
そして隔壁固定装置６４を起動してカッタ装置６０と子外殻部材５３とを連結固定する。これにより、子カッタヘッド５２による掘削が開始されて子シールド本体５１が発進される。
【００２９】
上記実施の形態によれば、拡張部トンネルＴｗの掘削時には、前面に配置された回転式で大径の２つの子カッタヘッド５２と、その後部に配置した回転式で小径の切欠き部２ａを有する２つの親カッタヘッド２とにより、安定して効率良く大断面の拡張部トンネルＴｗを掘削することができる。
【００３０】
またこの時の２つの回転式の子カッタヘッド５２および２つの回転式の親カッタヘッド２の回転方向が制限されないため、任意の回転方向と回転速度とを制御することで、親シールド本体１の姿勢制御を容易かつ正確に行うことができる。
【００３１】
さらに、２つの回転式の子カッタヘッド５２および２つの回転式の親カッタヘッド２の後部で崩壊土圧を支持する拡張圧力室２０を一体としたので、掘削土砂の流動性を阻害することなく、良好に排土することができる。また泥水圧シールドでは、排泥管７２を任意位置に開口でき、子シールド本体５１に装備された排泥管７２を使用することができ、必ずしも拡張部トンネルＴｗの掘削専用に親シールド本体１に排泥管を設ける必要がない。
【００３２】
さらにまた、単路線トンネルＴｓを掘削する時には、隔壁固定装置６４により外殻部材５３とカッタ装置６０とを切り離し、子推進ジャッキ５５により子外殻部材５３を前進させてフード部５３ｂを子カッタヘッド５２に接近させ、子シールド圧力室７０を形成することができ、切羽崩壊土圧を良好に支持させるとともに、土砂を安定して保持し流動させて効果的に排泥管７２から排出することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、両方の子シールド本体５１をそれぞれ発進できるように構成したもので、子シールド本体５１が通過した後にも、組み立てられた子セグメントＳｓがあるために親カッタヘッド２は回転させることができない。このため、親カッタヘッド２の切欠き部２ａを２箇所必要であったが、片方の子シールド本体５１のみ発進する場合には、図７に示すように、親カッタヘッド２に形成する切欠き部２ａも１箇所と少なくすることができ、掘削能力の減少を少なくすることができる。
【００３４】
また、この発明では、略楕円形の大断面トンネル掘削用の親シールド本体１内に、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１を分離発進可能に内装したものとして説明したが、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１をそれぞれ独立して掘削させ、到達用立坑に到達させた後、立坑内で親シールド本体１を組み立てて子シールド本体５１を一体化し、親シールド本体１を立坑から発進させて大断面トンネルを連続して掘削してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、子シールド本体の前部に、回転式の子カッタヘッドを配置するとともに、その後部に切欠き部を有する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に配置することで、切羽面の大きい大断面トンネルを効率良く掘削することができる。また大径の子カッタヘッドを前部に、小径の親カッタヘッドを後部に配置することで、高効率で安定した掘削ができる。さらに子カッタヘッドおよび親カッタヘッドの回転方向と回転速度とを制御することにより、親シールド本体の姿勢制御を精度良く行うことができる。
【００３６】
また、子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に一体の拡張圧力室を形成することにより、掘削土砂の流動性を高めて閉塞を防止することができる。また子シールド本体の発進時に、圧力室形成手段により、子カッタヘッドと子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成することができ、子カッタヘッドによる小断面トンネルの掘削も、切羽崩壊土圧を確実に支持して掘削土砂の排出を良好に行うことができる。
【００３７】
さらに、子カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とをスライドガイド部を介してシールド軸心方向にスライド可能に構成しておき、子シールドジャッキにより、セグメントを反力受けとして子外殻部材を推進することで、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて、子カッタヘッド後部に子シールド圧力室を形成することができる。したがって、簡単な構造で必要な要素である推進ジャッキを使用して子シールド圧力室を形成することができ、装置を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る分離形シールド掘進機の実施の形態を示す正面図である。
【図２】 図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は発進状態を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図４】 同分離形シールド掘進機の分解斜視図である。
【図５】 （ａ）〜（ｃ）は子シールド本体の発進順序を示す平面断面図である。
【図６】 同分離形シールド掘進機の子シールド発進状態を示す分解斜視図である。
【図７】 本発明に係る分離形シールド掘進機の他の実施の形態を示す正面図である。
【符号の説明】
Ｔｗ 拡張部トンネル
Ｔｓ 単路線トンネル
Ｏｗ 親シールド軸心
Ｏｓ 子シールド軸心
Ｓｗ 親セグメント
Ｓｓ 子セグメント
１ 親シールド本体
２ 親カッタヘッド
２ａ 切欠き部
４ 親圧力隔壁
５ 親カッタ駆動装置
１１ 親外殻部材
１１ａ スキンプレート
１２ 親推推進ジャッキ
１４ コピーカッタ
２０ 拡張圧力室
５１ 子シールド本体
５２ 子カッタヘッド
５３ 子外殻部材
５３ａ スキンプレート
５３ｂ フード部
５５ 子推進ジャッキ
５６ スライドガイド部
６０ カッタ装置
６３ 子カッタ駆動装置
６４ 隔壁固定装置
７０ 子シールド圧力室
７１ 送泥管
７２，７２’ 排泥管
【発明の属する技術分野】
本発明は、駅部や路線合流部などの拡張された楕円形やカマボコ形などの異形の大断面トンネルから単数または複数の路線の小断面トンネルを連続して掘削可能な分離形シールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大断面トンネル掘削用の親シールド掘進機から小断面トンネル掘削用の子シールド掘進機を発進させる分離形シールド掘進機には、たとえば特許文献１に示すように、親シールド掘進機をかまぼこ形の大断面トンネルの掘削用とし、左右に２つの円形小断面トンネル掘削用の子シールド掘進機を配置して、大断面のトンネルを掘削後、子シールド掘進機を発進させて小断面トンネルを連続して掘削するものでは、異形断面のトンネルの掘削時には、子シールド掘進機のカッタヘッドにより円形断面を掘削し、残部は揺動式のカッタヘッドを設けて掘削するように構成されている。
【０００３】
また特許文献２のように、楕円形の大断面トンネルを掘削する親シールド掘進機では、円形断面トンネルを掘削する左右一対の子シールド掘進機を発進可能に配置し、大断面トンネルの掘削時には、子シールド掘進機に装備された回転式の円形カッタヘッドと、これら円形カッタヘッド間の上下位置に配置された扇形状の揺動式のカッタヘッドにより掘削するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５４５９１号公報（図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−３３６３８４号公報（図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転式カッタヘッドと揺動式カッタヘッドは、その掘削速度やカッタビットの磨耗程度が相違するため、親シールド掘進機による大断面トンネルの掘削効率が低く、またシールド本体の姿勢制御が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決して、親シールド掘進機の大断面トンネルの掘削を回転式のカッタヘッドのみで構成することで、掘削効率を向上させ、姿勢制御も改善される分離形シールド掘進機を提供することを目的とする。
【０００８】
【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記載の発明は、親シールド本体から子シールド本体を発進して切羽面の大きい大断面トンネルから小断面トンネルを連続して掘削可能な分離形シールド掘進機において、親シールド本体に、単数または複数基の子シールド本体を前方に発進分離可能に保持させるとともに、子シールド本体の前部に回転式の子カッタヘッドを設け、子カッタヘッドの掘削部分以外を掘削する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に設けるとともに、当該親カッタヘッドを子カッタヘッドに対して後方に位置ずれして配設し、親カッタヘッドに、子シールド本体の発進時に子シールド本体が当該親カッタヘッドに干渉することなく通過可能な切欠き部を形成し、親シールド本体の前部で、子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に掘削土砂を収容して切羽崩壊土圧を保持する一体の拡張圧力室を形成し、子シールド本体の発進時に、子カッタヘッドと子シールド本体の子外殻部材の少なくとも一方を接近させ、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成する圧力室形成手段を設け、前記圧力室形成手段は、子カッタヘッドとその回転駆動装置とを一体に形成したカッタ装置が設けられるとともに、当該カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とがシールド軸心方向にスライド可能としたスライドガイド部と、子シールド掘進機の発進時にカッタ装置と子外殻部材とを接近駆動するスライド駆動手段とを具備し、前記スライド駆動手段を、組み立てられたセグメントを反力受けとして子シールド本体を推進する子シールドジャッキにより構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、子シールド本体の前部に、回転式の子カッタヘッドを配置するとともに、その後部に切欠き部を有する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に配置することで、切羽面の大きい大断面トンネルを効率良く掘削することができる。また大径の子カッタヘッドを前部に、小径の親カッタヘッドを後部に配置することで、高効率で安定した掘削ができる。さらに子カッタヘッドおよび親カッタヘッドの回転方向と回転速度とを制御することにより、親シールド本体の姿勢制御を精度良く行うことができる。
【００１０】
また子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に一体の拡張圧力室を形成することにより、掘削土砂の流動性を高めて閉塞を防止することができる。さらに子シールド本体の発進時に、圧力室形成手段により、子カッタヘッドと子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成することができ、子カッタヘッドによる小断面トンネルの掘削も、切羽崩壊土圧を確実に支持して掘削土砂の排出を良好に行うことができる。
【００１１】
さらに、カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とをスライドガイド部を介してシールド軸心スライド可能に構成しておき、子シールドジャッキにより、セグメントを反力受けとして子外殻部材を推進することで、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて、子カッタヘッド後部に子シールド圧力室を形成することができる。したがって、簡単な構造で必要な要素である推進ジャッキを使用して子シールド圧力室を形成することができ、装置を簡略化できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る分離形シールド掘進機の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
【００１３】
このシールド掘進機は、略楕円形の大断面トンネル掘削用の親シールド本体１内に、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１を分離発進可能に内装したものである。各子シールド本体５１の前部には、円形断面の単路線トンネル（小断面トンネル）Ｔｓをそれぞれ掘削可能な回転式で大径の子カッタヘッド５２が親シールド軸心Ｏｗと直交する同一平面上に配置されている。また親シールド本体１の前部で中心部の上下位置には、回転式で小径の親カッタヘッド２がそれぞれ配置され、２つの子カッタヘッド５２と２つの親カッタヘッド２により、大断面の拡張部トンネル（大断面トンネル）Ｔｗを掘削可能に構成されている。そしてこの拡張部トンネルＴｗを掘削した親シールド本体１から左右の子シールド本体５１をそれぞれ分離して発進させ、子カッタヘッド５２によりそれぞれ単路線トンネルＴｓを連続して掘削することができる。（図５，６参照）
図２，図４に示すように、前記親シールド本体１には、短径上の上下位置で子カッタヘッド５２に干渉しない後方に親カッタヘッド２がそれぞれ配置されており、切羽面の大きい子カッタヘッド５２を前部に配置することで、拡張トンネルＴｗを効率良く安定して掘削できるとともに、４つのカッタヘッド２，５２の回転方向や回転速度を制御することにより親シールド本体１を精度良く姿勢制御することができる。
【００１４】
前記親カッタヘッド２は、図１，図２に示すように、カッタ軸３が切羽崩壊土圧を支持する親側隔壁４に回転軸受を介して回転自在に支持されており、カッタ軸３に取り付けられた大ギヤ５ａと、大ギヤ５ａに噛合する複数の駆動ピニオン５ｂと、各駆動ピニオン５ｂをそれぞれ回転駆動する油圧式の親カッタ駆動モータ５ｃからなる親カッタ駆動装置５により親カッタヘッド２が回転駆動される。
【００１５】
またこれら親カッタヘッド２は、子シールド本体５１の発進時に、子シールド本体５１が親カッタヘッド２に干渉することなく通過可能なように、左右一対の切欠き部２ａが形成された親カッタ面板６が、正面視略扇形状になるように形成されている。そして親カッタ面板６には、センタビットを有するセンタ部材７から放射方向に複数の放射状のメインビーム材８とサブビーム材９とが配置され、メインビーム材８とサブビーム材９の両側に形成された土砂取入口１０に臨んで、多数のカッタビットが装着されている。
【００１６】
前記左右の子シールド本体５１は、図３（ａ）に示すように、同一構成で円形断面に形成されるとともに、親シールド本体１の長径上に親シールド軸心Ｏｗに平行な子シールド軸心Ｏｓに沿って、親シールド本体１の親外殻部材１１内からそれぞれ固定および発進可能に配置されている。子シールド本体５１は、子スキンプレート５３ａを有する子外殻部材５３の前部にリング状の固定隔壁５４が配置されると共に、後部に子エレクタ装置（図示せず）により組み立てられた子セグメントＳｓを反力受けとして子シールド本体５１を推進させる複数の子推進ジャッキ５５が設けられている。また前記固定隔壁５４の内周面には円筒状のスライドガイド部５６が設けられており、スライドガイド部５６内には、子カッタヘッド５２と一体のカッタ装置６０が設けられている。
【００１７】
前記カッタ装置６０は、旋回軸受を介して回転リング６１を子シールド軸心Ｏｓ周りに回転自在に支持する中心隔壁６２と、回転リング６１に複数の脚部５７を介して支持された円形状の子カッタヘッド５２と、中心隔壁６２の背面側に設けられた子カッタ駆動装置６３とで構成され、このカッタ装置６０がスライドガイド部５６を介して子外殻部材５３内にスライド自在に支持されて、圧力室形成手段が構成されている。そして、子外殻部材５３には、子カッタヘッド５２と子外殻部材５３とが離間する拡張トンネル掘削位置と、子カッタヘッド５２と子外殻部材５３とが接近する単路線トンネル掘削位置とでそれぞれカッタ装置６０を子外殻部材５３に固定する隔壁固定装置６４が設けられており、たとえば図示するように、コッターピンと、その出退用シリンダとで構成される。
【００１８】
前記子カッタ駆動装置６３は、回転リング６１の背面に固定されたリングギヤ６３ａと、前記リングギヤ６３ａに噛合する駆動ピニオン６３ｂと、中心隔壁６２に支持されて駆動ピニオン６３ｂを回転駆動する子カッタ駆動装置（油圧モータなど）６３ｃにより構成されている。
【００１９】
前記子カッタヘッド５２は、図１に示すように、円形のカッタ面板６５を有する面板形カッタで、センタビットを有するセンタ部材から放射方向に複数本（図では６本と６本）の放射状のメインビーム材６６とサブビーム材６７が設けられ、メインビーム材６６とサブビーム材６７の両側縁に多数のカッタビットが装着されるとともに、メインビーム材６６とサブビーム材６７の両側のカッタ面板６５に、土砂取入口６８がそれぞれ形成されている。また任意の複数のメインビーム材６６には、拡張部トンネルＴｗの掘削時に、他の部材に干渉しない位置で伸縮装置により突出されて広い面積を掘削可能なコピーカッタ６９が設けられている。
【００２０】
親シールド本体１は、外周部が略楕円形断面の親スキンプレート１１ａを有する親外殻部材１１に覆われ、後部に親エレクタ装置（図示せず）により組み立てられた親セグメントＳｗを反力受けとして、親シールド本体１を推進する複数の親推進ジャッキ１２が設けられている。親外殻部材１１の前部には、親カッタヘッド２の後部で切羽崩壊土圧を支持する親側隔壁４が設けられている。親スキンプレート１１ａの前端のフード部は、図４に示すように、左右側部が子カッタヘッド５２に接近する前寄りのフード突出部１５ａと、上下部が親カッタヘッド２に接近する後寄りのフード後退部１５ｂと、フード突出部１５ａとフード後退部１５ｂとを接続するフード接続部１５ｃとで構成されている。
【００２１】
そして、図１に示すように、前記フード接続部１５ｃにカッティング用の固定刃１６が取り付けられるか、または親カッタヘッド２にコピーカッタ１４が出退自在に内蔵されるか、その一方または両方により、親カッタヘッド２および子カッタヘッド５２が届かないフード接続部１５ｃの内側部分が掘削される。
【００２２】
ところで泥水圧シールドでは、親シールド本体１の親側隔壁４と子シールド本体５１の子圧力隔壁（固定隔壁５４，中心隔壁６２，回転リング６１）により、切羽崩壊土圧を支持する拡張圧力室２０が形成され、掘削された土砂を泥水状として拡張圧力室２０から排出する泥水式排土装置（送泥管７１，排泥管７２）が設けられている。このような圧力室は、子カッタヘッド５２，５２毎と親カッタヘッド２，２毎にそれぞれ独立させてもよく、実際にマルチフェイス形のシールド掘進機では、きめ細かい掘削制御および排土制御を必要とするため、圧力室をそれぞれ独立させることが多い。しかし、圧力室をそれぞれ独立させると、それぞれに泥水式排土装置が必要であり、またこの実施の形態では、親カッタヘッド２と子カッタヘッド５２とが重なる交差部があるため、フード部で仕切りすることができない。また親カッタヘッド２側の圧力室が変形状になるため、土砂の十分な攪拌ができずに、泥水の密度差により閉塞が発生するという問題が起こりやすい。したがって、この実施の形態では、拡張部トンネルＴｗの掘削時に親子カッタヘッド２，５２後部に互いに連通する一体の拡張圧力室２０を形成している。
【００２３】
この拡張圧力室２０では、拡張部トンネルＴｗの掘削に際して、一般的に圧力室の上部に送泥管を接続し、下部に排泥管を接続する。特にレキなどが多い土質の場合、下部の親カッタヘッド２に対応する圧力室部分の下部付近に排泥管を接続する必要があるが、通常の泥水の場合には、送泥管と排泥管の接続箇所は任意に選択可能である。このため、ここでは子カッタヘッド５２に対応する子シールド圧力室７０の上部に接続された送泥管７１と下部に接続された排泥管７２とを使用して、拡張圧力室２０の土砂を排出している。なお、特にレキなどが多い土質では、親カッタヘッド２の下部に対応して排泥管７２’を接続するとよい。
【００２４】
ところで、単路線トンネルＴｓを掘削する場合、子カッタヘッド５２の後部外周は開放状態にあるが、図３（ｂ）に示すように、隔壁固定装置６４を開放し、切羽面により前進を規制されたカッタ装置６０に対して、子セグメントＳｓを反力受けとして子推進ジャッキ５５を進展させることにより、スライドガイド部５６を介して子外殻部材５３を前進させ、そのフード部５３ｂを子カッタヘッド５２の外周部に接近させて周囲を囲み、隔壁固定装置６４を作動させることで子シールド圧力室７０を形成する。
【００２５】
次に上記構成の分離形シールド掘進機の運転動作を説明する。
親シールド本体１内に２基の子シールド本体５１が収容された状態で、子カッタヘッド５２と親カッタヘッド２とにより拡張部トンネルＴｗの切羽面が掘削される。子カッタヘッド５２により切羽面の左右側部が掘削され、コピーカッタ６９により左右側部が拡張されて掘削される。また親カッタヘッド２により切羽面の上下面が掘削され、また親カッタヘッド２の両側で固定刃１６により残部が掘削される。そして拡張圧力室２０では、土砂取り入れ口１０，６８から取り込まれた掘削土砂が、送泥管７１から供給された泥水や泥しょうと混合攪拌され、崩壊土圧を保持しつつ排泥管７２から排出される。親シールド本体１の後部では、図示しない親エレクタ装置により親セグメントＳｗが組み立てられ、組み立てられた親セグメントＳｗを反力受けとして親推進ジャッキ１２により親シールド本体２が前進される。
【００２６】
拡張部トンネルＴｗの掘削が完了すると、引き続いて単路線トンネルＴｓを掘削する。親エレクタ装置を分解して搬出し、左右の子シールド本体５１の後部に子エレクタ装置をそれぞれ組み立てる。そして、左右の子シールド本体５１を順次発進させる。すなわち、隔壁固定装置６４を解除して子外殻部材５３とカッタ装置６０とを切り離し、子エレクタ装置により仮組み立てされた子セグメントを反力受けとしてスライド駆動手段である子推進ジャッキ５５を進展する。この時、カッタ装置６０は切羽面に前進を規制されており、子外殻部材５３はスライドガイド部５６と親外殻部材１１の内面をスライドして子外殻部材５３が前進され、フード部５３ｂが子カッタヘッド５２に接近し子シールド圧力室７０が形成される。
【００２７】
なお、子カッタヘッド５２およびカッタ装置６０の前進規制手段として、切羽面を使用したが、カッタビットが切羽面に食い込み、再起動時に支障を来たす恐れがある場合には、拡張圧力室２０内で泥水圧により崩壊土圧を支持させつつ、子外殻部材５３の突出による昇圧に応じて排泥管７２から泥水を排出する。また子カッタヘッド５２およびカッタ装置６０の前進規制手段として、子カッタヘッド５２またはカッタ装置６０を親シールド本体１に機械的に固定する前進規制装置を設けても良い。
【００２８】
そして隔壁固定装置６４を起動してカッタ装置６０と子外殻部材５３とを連結固定する。これにより、子カッタヘッド５２による掘削が開始されて子シールド本体５１が発進される。
【００２９】
上記実施の形態によれば、拡張部トンネルＴｗの掘削時には、前面に配置された回転式で大径の２つの子カッタヘッド５２と、その後部に配置した回転式で小径の切欠き部２ａを有する２つの親カッタヘッド２とにより、安定して効率良く大断面の拡張部トンネルＴｗを掘削することができる。
【００３０】
またこの時の２つの回転式の子カッタヘッド５２および２つの回転式の親カッタヘッド２の回転方向が制限されないため、任意の回転方向と回転速度とを制御することで、親シールド本体１の姿勢制御を容易かつ正確に行うことができる。
【００３１】
さらに、２つの回転式の子カッタヘッド５２および２つの回転式の親カッタヘッド２の後部で崩壊土圧を支持する拡張圧力室２０を一体としたので、掘削土砂の流動性を阻害することなく、良好に排土することができる。また泥水圧シールドでは、排泥管７２を任意位置に開口でき、子シールド本体５１に装備された排泥管７２を使用することができ、必ずしも拡張部トンネルＴｗの掘削専用に親シールド本体１に排泥管を設ける必要がない。
【００３２】
さらにまた、単路線トンネルＴｓを掘削する時には、隔壁固定装置６４により外殻部材５３とカッタ装置６０とを切り離し、子推進ジャッキ５５により子外殻部材５３を前進させてフード部５３ｂを子カッタヘッド５２に接近させ、子シールド圧力室７０を形成することができ、切羽崩壊土圧を良好に支持させるとともに、土砂を安定して保持し流動させて効果的に排泥管７２から排出することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、両方の子シールド本体５１をそれぞれ発進できるように構成したもので、子シールド本体５１が通過した後にも、組み立てられた子セグメントＳｓがあるために親カッタヘッド２は回転させることができない。このため、親カッタヘッド２の切欠き部２ａを２箇所必要であったが、片方の子シールド本体５１のみ発進する場合には、図７に示すように、親カッタヘッド２に形成する切欠き部２ａも１箇所と少なくすることができ、掘削能力の減少を少なくすることができる。
【００３４】
また、この発明では、略楕円形の大断面トンネル掘削用の親シールド本体１内に、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１を分離発進可能に内装したものとして説明したが、２基の円形小断面トンネル掘削用の子シールド本体５１をそれぞれ独立して掘削させ、到達用立坑に到達させた後、立坑内で親シールド本体１を組み立てて子シールド本体５１を一体化し、親シールド本体１を立坑から発進させて大断面トンネルを連続して掘削してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、子シールド本体の前部に、回転式の子カッタヘッドを配置するとともに、その後部に切欠き部を有する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に配置することで、切羽面の大きい大断面トンネルを効率良く掘削することができる。また大径の子カッタヘッドを前部に、小径の親カッタヘッドを後部に配置することで、高効率で安定した掘削ができる。さらに子カッタヘッドおよび親カッタヘッドの回転方向と回転速度とを制御することにより、親シールド本体の姿勢制御を精度良く行うことができる。
【００３６】
また、子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に一体の拡張圧力室を形成することにより、掘削土砂の流動性を高めて閉塞を防止することができる。また子シールド本体の発進時に、圧力室形成手段により、子カッタヘッドと子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成することができ、子カッタヘッドによる小断面トンネルの掘削も、切羽崩壊土圧を確実に支持して掘削土砂の排出を良好に行うことができる。
【００３７】
さらに、子カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とをスライドガイド部を介してシールド軸心方向にスライド可能に構成しておき、子シールドジャッキにより、セグメントを反力受けとして子外殻部材を推進することで、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて、子カッタヘッド後部に子シールド圧力室を形成することができる。したがって、簡単な構造で必要な要素である推進ジャッキを使用して子シールド圧力室を形成することができ、装置を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る分離形シールド掘進機の実施の形態を示す正面図である。
【図２】 図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は発進状態を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図４】 同分離形シールド掘進機の分解斜視図である。
【図５】 （ａ）〜（ｃ）は子シールド本体の発進順序を示す平面断面図である。
【図６】 同分離形シールド掘進機の子シールド発進状態を示す分解斜視図である。
【図７】 本発明に係る分離形シールド掘進機の他の実施の形態を示す正面図である。
【符号の説明】
Ｔｗ 拡張部トンネル
Ｔｓ 単路線トンネル
Ｏｗ 親シールド軸心
Ｏｓ 子シールド軸心
Ｓｗ 親セグメント
Ｓｓ 子セグメント
１ 親シールド本体
２ 親カッタヘッド
２ａ 切欠き部
４ 親圧力隔壁
５ 親カッタ駆動装置
１１ 親外殻部材
１１ａ スキンプレート
１２ 親推推進ジャッキ
１４ コピーカッタ
２０ 拡張圧力室
５１ 子シールド本体
５２ 子カッタヘッド
５３ 子外殻部材
５３ａ スキンプレート
５３ｂ フード部
５５ 子推進ジャッキ
５６ スライドガイド部
６０ カッタ装置
６３ 子カッタ駆動装置
６４ 隔壁固定装置
７０ 子シールド圧力室
７１ 送泥管
７２，７２’ 排泥管
Claims (1)
- 親シールド本体から子シールド本体を発進して切羽面の大きい大断面トンネルから小断面トンネルを連続して掘削可能な分離形シールド掘進機において、
親シールド本体に、単数または複数基の子シールド本体を前方に発進分離可能に保持させるとともに、子シールド本体の前部に回転式の子カッタヘッドを設け、
子カッタヘッドの掘削部分以外を掘削する回転式の親カッタヘッドを親シールド本体に設けるとともに、当該親カッタヘッドを子カッタヘッドに対して後方に位置ずれして配設し、
親カッタヘッドに、子シールド本体の発進時に子シールド本体が当該親カッタヘッドに干渉することなく通過可能な切欠き部を形成し、
親シールド本体の前部で、子カッタヘッドと親カッタヘッドの後部に掘削土砂を収容して切羽崩壊土圧を保持する一体の拡張圧力室を形成し、
子シールド本体の発進時に、子カッタヘッドと子シールド本体の子外殻部材の少なくとも一方を接近させ、子カッタヘッドの外周部に子外殻部材を接近させて子シールド圧力室を形成する圧力室形成手段を設け、
前記圧力室形成手段は、子カッタヘッドとその回転駆動装置とを一体に形成したカッタ装置が設けられるとともに、当該カッタ装置と子シールド本体の子外殻部材とがシールド軸心方向にスライド可能としたスライドガイド部と、子シールド掘進機の発進時にカッタ装置と子外殻部材とを接近駆動するスライド駆動手段とを具備し、前記スライド駆動手段を、組み立てられたセグメントを反力受けとして子シールド本体を推進する子シールドジャッキにより構成した
ことを特徴とする分離形シールド掘進機。
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