JP4167184B2 - 可変断面シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、掘削土中にて機幅を拡縮できる可変断面シールド掘進機に関するものである。

トンネル内に非常帯やランプ帯等の拡幅部を形成する場合、トンネル幅を部分的に広げる必要がある。このようなトンネルを構築する場合、一般的に走行帯に拡幅部の幅を加味した大径のシールド掘進機で大径トンネルを構築したのち、この大径トンネル内に走行帯部分と非常帯部分等とを構築する方法が用いられている。この方法によれば確実に所望のトンネルを構築することができる。しかしながら、余計な土砂まで掘削することになるため、トンネルの構築コストが高くなるという問題があった。そこで、土砂を余計に掘削しなくとも拡幅部付きのトンネルを構築できるシールド掘進機の出現が待望されており、これまでに種々のシールド掘進機が案出されている。

例えば、図９に示すように、特許文献１には、シールドフレーム４０を機幅に沿って２分割した分割シールドフレーム４１、４２を形成し、これら分割シールドフレーム４１、４２を互いに機幅方向にスライド自在に設けて構成した可変断面シールド掘進機４３が開示されている。この可変断面シールド掘進機４３は、分割シールドフレーム４１、４２を鉛直方向の土圧に対して水平方向に拡幅移動させることで機幅を拡縮して拡幅部を構築できるようになっている。

また、図１０に示すように、シールドフレーム４５を機幅に沿って３分割して、これら分割シールドフレーム４６、４７、４８同士を互いに機幅方向にスライド自在に設けて構成した可変断面シールド掘進機４９も開示されている。この可変断面シールド掘進機４９は、両側の分割シールドフレーム４６、４８を水平方向に拡幅移動させることで機幅を拡縮できるようになっている。

また、特許文献２及び３においても、同様にシールドフレームを機幅に沿って分割し、分割されたシールドフレーム相互を機幅方向乃至直交する方向に移動させて掘削断面を拡幅する可変断面シールド掘進機が開示されている。

特開平７−３１７４９０号公報 特許第３３７４２５１号公報 特開平１０−３７６６３号公報

従来の可変断面シールド掘進機４３、４９にあっては前述した通り、機長に直交する機幅方向に沿ってシールドフレーム４０、４５が分割され、分割シールドフレーム４１、４２（または分割シールドフレーム４６、４７、４８）をそれぞれ端縁部５０、５１（または端延部５２、５３、５４）を重ね合わせて機幅方向に摺動移動させることにより、掘削断面を可変に拡幅することになる。そこで、各分割シールドフレーム４１、４２（または分割シールドフレーム４６、４７、４８）は鉛直方向の土圧を支承しながら水平方向に拡幅移動することになり、これら土圧を充分支承して耐え得る強度が構造上求められコスト高になる。

また、各分割シールドフレーム４１、４２（または分割シールドフレーム４６、４７、４８）は鉛直方向の土圧を受けながら水平方向に拡幅移動させることになるために、その機幅移動手段が大きな負荷に充分耐える機構を採用しなければならない課題を有している。

更に、分割シールドフレーム４１、４２の重ね合わせが少なくとも上下になるため、それぞれの重ね合わせに応じて土砂水用のシールが必要になり、複雑なシール構造が求められることになっていた。

また、図９に示す可変断面シールド掘進機４３にあっては、分割シールドフレーム４１、４２のいずれか一方にエレクタ等の駆動機器を設けることになるために、分割シールドフレーム４１、４２を相対移動させて拡幅すると、それぞれの機器が片側に偏心してしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡易な構造で容易に拡幅でき、シール構造を簡単にできる可変断面シールド掘進機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、カッタ等の機器を支持する内殻シールドフレームと、該内殻シールドフレームの頂部に、その基端部が枢支されると共に、他端部が自由端となって内殻シールドフレームの底部に移動自在に摺接され、内殻シールドフレームの外側部を覆う外殻シールドフレームと、該外殻シールドフレームを内殻シールドフレームの径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段とを備え、上記内殻シールドフレームの底部は、上記外殻シールドフレームの枢支軸を中心とする円弧状に形成されたものである。

そして、上記外殻シールドフレームを、上記内殻シールドフレームの頂部に一対両開きに枢支するとよい。また、上記内殻シールドフレームの頂部と底部とにシールドジャッキをそれぞれ設け、上記外殻シールドフレームに複数のシールドジャッキを設けるとよい。

また、カッタ等の機器を支持する内殻シールドフレームと、該内殻シールドフレームの頂部に、その基端部が枢支されて他端部を自由端とし、内殻シールドフレームの外側部を覆う外殻シールドフレームと、該外殻シールドフレームを内殻シールドフレームの径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段とを備えた可変断面シールド掘進機であって、上記内殻シールドフレームの頂部に上記外殻シールドフレームを一対両開きに枢支し、上記他端部を摺接移動自在にし、上記内殻シールドフレームの頂部と底部とにシールドジャッキをそれぞれ設け、上記外殻シールドフレームに複数のシールドジャッキを設けたものである。

また、上記外殻シールドフレームに、シールドジャッキを設けると共に該シールドジャッキの推進力を上記内殻シールドフレームに伝える推力伝達部を設けるとよい。

本発明によれば、簡易な構造で容易に拡幅でき、シール構造を簡単にできる。

図１は、本発明の特徴部分を表す可変断面シールド掘進機の正面断面図であり、図２は同可変断面シールド掘進機の平面断面図である。また、図３は同可変断面シールド掘進機を機軸上で切断した側面断面図であり、図４は同可変断面シールド掘進機の正面図である。

図１及び図２に示すように、可変断面シールド掘進機１は、カッタ２等の機器を支持する内殻シールドフレーム３と、内殻シールドフレーム３の頂部４に、その基端部５が枢支されると共に、他端部６が自由端となって内殻シールドフレーム３の底部７に重なり合って移動自在に摺接され、内殻シールドフレーム３の外側部８を覆う外殻シールドフレーム９と、外殻シールドフレーム９を内殻シールドフレーム３の径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段１０とを備えて構成されている。

図２及び図３に示すように、内殻シールドフレーム３は、機体前面を区画する隔壁１１と、隔壁１１に後方へ延びて設けられ、エレクタ１２等の機器を取り付けるための支持胴部１３と、隔壁１１に後方へ延びて設けられ、外殻シールドフレーム９に摺接される底部７とを備えて構成されている。

隔壁１１は、シールド断面を最も小さくしたときの断面形状に形成されており、非円形の形状に形成されている。また、隔壁１１には、掘進方向前方の地山を掘削するためのカッタ２が設けられている。カッタ２は偏心軸１４を介して隔壁１１に設けられており、偏心軸１４が回転されることで揺動されるようになっている。図２及び図４に示すように、カッタ２は、偏心軸１４に取り付けられるメインカッタ１５と、メインカッタ１５の外周上部に枢支軸１６を介して一対両開きに枢支されメインカッタ１５の前方に重ねて配置される拡幅カッタ１７と、拡幅カッタ１７を枢支軸１６回り回動させるカッタ拡縮手段（図示せず）とを備えて構成されている。メインカッタ１５は、拡幅カッタ１７を揺動自在に支持するフレームとしての機能と、拡幅カッタ１７を両側に揺動させたときに機体中央の土砂を掘削するカッタとしての機能とを併せ持つ。拡幅カッタ１７は、メインカッタ１５を左右半割に分割した形状に形成されており、拡幅カッタ１７をそれぞれ機幅方向へ回動させることでカッタ２全体の形状をシールド断面の相似形に変形できるように構成されている。

図２及び図４に示すように、支持胴部１３は、機軸方向に所定の長さを有したリング状に形成され、隔壁１１の掘進方向背面にその外周に沿って設けられ後述する外殻シールドフレーム９の推力伝達部１８から推力を受ける推力受部１９と、推力受部１９の後端に設けられエレクタ１２等の機器を取り付けると共に後述する拡幅手段１０を取り付けるための機器取付部２０とを備えて構成されている。推力受部１９は、後端に推力伝達部１８に当接される受面２１を有する。機器取付部２０は、推力受部１９の後端に同軸上に設けられ環状に形成された環状部２２と、環状部２２内に起立して設けられた柱状部２３とを備える。環状部２２は、推力受部１９より小径に形成されており、後端にエレクタ１２を取り付けられている。柱状部２３は、機体中央に配置されており、両側に外殻シールドフレーム９を径方向外方へ移動させるための拡幅手段１０を備えている。具体的には、拡幅手段１０は、拡幅用ジャッキ２４からなり、一端を柱状部２３に回動自在に軸支され、他端を後述する外殻シールドフレーム９に同様に回動自在に軸支されている。拡幅用ジャッキ２４は油圧ジャッキからなり、内殻シールドフレーム３の柱状部２３と外殻シールドフレーム９との間に図１に示すように複数設けられている。図１及び図３に示すように、底部７は、支持胴部１３の下端に設けられており、外殻シールドフレーム９の枢支軸２５を中心とする円弧状に形成されている。

また、内殻シールドフレーム３の頂部４と底部７とには第１推進シールドジャッキ２６がそれぞれ複数本ずつ設けられている。これらの第１推進シールドジャッキ２６は、推進力を発生する機能の他、後述する外殻シールドフレーム９を回動させるときに可変断面シールド掘進機１の姿勢を保持する機能を有する。すなわち、第１推進シールドジャッキ２６は、後述する外殻シールドフレーム９の第２推進シールドジャッキ２７が全て縮退されたとき、伸長した状態で突っ張ることにより可変断面シールド掘進機１が土圧に屈して後退するのを防ぎつつ機体のバランスを保つようになっている。

図１及び図２に示すように、外殻シールドフレーム９は、内殻シールドフレーム３の外周部８を覆うように略断面円弧状に形成されており、内殻シールドフレーム３の頂部４に一対両開きに枢支されている。また、外殻シールドフレーム９の前部には、径方向内側へ延びて隔壁１１の前面に摺接される鍔部２８が形成されており、隔壁１１と外殻シールドフレーム９との間をシールするように構成されている。またさらに、外殻シールドフレーム９には、第２推進シールドジャッキ２７が所定間隔を隔てて複数設けられると共に、第２推進シールドジャッキ２７の推進力を内殻シールドフレーム３に伝えるための推力伝達部１８が設けられている。推力伝達部１８は、外殻シールドフレーム９の内周部に径方向内側へ突出する突起を形成してなるものであり、内殻シールドフレーム３の推力受部１９に後方から当接されるようになっている。そして特に推力伝達部１８は、内殻シールドフレーム３の略全周に均等に推力を伝えられるように正面視円弧状に形成されている。

そして、内殻シールドフレーム３の底部７とそれぞれの外殻シールドフレーム９の他端部６との間には、図示しないシールが設けられており、機内に土砂や泥水等が浸入しないようになっている。

次に本実施の形態の作用を述べる。

走行帯のみの通常幅のトンネルを構築する場合、図５及び図６に示すように、拡幅用ジャッキ２４を縮退させて機幅を縮めると共に、図７に示すように拡幅カッタ１７を機幅方向内側へ寄せてカッタを縮め、可変断面シールド掘進機１を掘進させる。このとき、可変断面シールド掘進機１の地山側となる前端は隔壁１１で区画されると共に、隔壁１１と外殻シールドフレーム９の鍔部２８は液密に摺接されており、外殻シールドフレーム９の自由端は内殻シールドフレーム３の底部７にシールを介して液密に重ね合わされている。このため、機内に土砂等が浸入することはない。また特に、外殻シールドフレーム９の自由端は内殻シールドフレーム３の底部７に液密に重ね合わされていればよく、鉛直方向の土圧は内殻シールドフレーム３が受けて支承するため、極めて簡易な構造となっている。

可変断面シールド掘進機１の掘進は、一般的なシールドと同様であり、それぞれの推進シールドジャッキ２６、２７を伸長させて推力を発生させながら、カッタ２を揺動させて掘進方向前方の地山を掘削することでなされる。第２推進シールドジャッキ２７から外殻シールドフレーム９に伝わった推力は、推力伝達部１８を介して内殻シールドフレーム３の推力受部１９に伝わり、隔壁１１を介してカッタ２に伝わる。

そして、可変断面シールド掘進機１が非常帯等の拡幅部を構築すべき位置まで掘進したら、拡幅カッタ１７をそれぞれ機幅方向外側へ突出させて掘削幅を拡大しながら、拡幅用ジャッキ２４を伸長させる。外殻シールドフレーム９は、それぞれ自由端を内殻シールドフレーム３の底部７に摺接させると共に鍔部２８を隔壁１１に摺接させながら機幅方向外側即ち径方向外方へ回動され、図１及び図２に示すように機体が拡幅される。よって、外殻シールドフレーム９を回動させても機体に隙間が空くことはなく、機内に土砂等が浸入することはない。

さらにこのとき、鉛直方向の土圧を内殻シールドフレーム３が主に受けて支承し、外殻シールドフレーム９は拡幅方向に移動するに応じて鉛直方向の土圧を受けることになり、移動する外殻シールドフレーム９に作用する土圧は低減される。内殻シールドフレーム３の頂部４で外殻シールドフレーム９は枢支され、この枢支軸２５を支点として外殻シールドフレーム９を揺動させて拡幅移動させることになるので比較的小さな駆動力で容易に外殻シールドフレーム９を回動乃至揺動させることができる。

また、内殻シールドフレーム３は拡幅時に水平方向等に移動することはなく保持されることになるので、エレクタ１２等の機器は即ち可動しない内殻シールドフレーム３内に取り付けられていることになり、所謂一側への偏心が起こらず、且つ安定した状態で安全に支持されることになる。拡幅掘削のための内殻シールドフレーム３が可動することがないことにより、従って、拡幅掘削作業と掘進掘削作業とが並行してなし得ることからこの種拡幅作業を可及的に効率を高めることができる。またさらに、第２推進シールドジャッキ２７は外殻シールドフレーム９と共に移動するため、常にセグメント２９の延長線上に位置され、セグメント２９を容易に押すことができる。

可変断面シールド掘進機１を元の小さな幅に戻すときは、拡幅カッタ１７をそれぞれ機幅方向内側に引っ込めて、拡幅用ジャッキ２４を縮退させる。

このように、カッタ２等の機器を支持する内殻シールドフレーム３と、内殻シールドフレーム３の頂部４乃至上縁部に、その基端部５が枢支されると共に、他端部６が自由端となって内殻シールドフレーム３の底部７に重ね合わされて移動自在に摺接され、内殻シールドフレーム３の外側部８を覆う外殻シールドフレーム９と、外殻シールドフレーム９を内殻シールドフレーム３の径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段１０とを備えて可変断面シールド掘進機１を構成したため、鉛直方向の土圧を内殻シールドフレーム３で支承しながら外殻シールドフレーム９を拡幅移動させることができる。このため、機体構造を簡易に達成することができ、且つ、作業も容易になし得る。さらに、枢支軸２５の周囲はシールすべき範囲が比較的小さいため、内殻シールドフレーム３の底部７と外殻シールドフレーム９との間を確実にシールすればよく、シール箇所を少なくすることができ、且つシール構造を簡単なものにできる。

また、内殻シールドフレーム３の底部７を、枢支軸２５を中心とする円弧状に形成したため、外殻シールドフレーム９を回動させても常に他端部６を内殻シールドフレーム３に密着させておくことができ、外殻シールドフレーム９が土圧で撓むのを防ぐことができる。このため、機体構造を簡易にでき、安全確実に拡幅作業がなし得る。

またさらに、外殻シールドフレーム９を、内殻シールドフレーム３の頂部４に一対両開きに枢支したため、簡単な構造でより大きく拡幅することができ、可変断面シールド掘進機１を拡幅させたとき内殻シールドフレーム３をさらに確実に機軸上に保つことができる。

そして、内殻シールドフレーム３の頂部４と底部７とに第１推進シールドジャッキ２６をそれぞれ設け、外殻シールドフレーム９に複数の第２推進シールドジャッキ２７を所定間隔を隔てて設けたため、第１推進シールドジャッキ２６で反力を取りながら第２推進シールドジャッキ２７を縮退させて外殻シールドフレーム９を回動させることができ、可変断面シールド掘進機１を掘削土中で安全確実に拡幅作業することができる。

また、外殻シールドフレーム９に、第２推進シールドジャッキ２７を設けると共に第２推進シールドジャッキ２７の推進力を内殻シールドフレーム３に伝える推力伝達部１８を設けたため、簡易な構造で容易に推進力を内殻シールドフレーム３に伝えることができる。

なお、拡幅手段１０は油圧ジャッキからなるものとしたが、これに限るものではなく、例えば、ネジ式のジャッキであってもよく、他のタイプのジャッキであってもよい。

可変断面シールド掘進機１の断面形状は非円形であればよいが、図１及び図５に示すような馬蹄形にすると土圧に対する強度を得やすい。

次に他の実施の形態について述べる。

図８に示す可変断面シールド掘進機３０は、上述の可変断面シールド掘進機１の外殻シールドフレーム９に変更を加えたものである。上述と同様の構成については同符号を付し説明を省く。

外殻シールドフレーム９、３１は、内殻シールドフレーム３の頂部４に一対両開きに枢支されており、左右非対称に形成されている。内殻シールドフレーム３の一側を覆う第１外殻シールドフレーム９は、上述の可変断面シールド掘進機１と同様に他端部６を内殻シールドフレーム３の底部７に摺接するように形状を決定されている。他方、内殻シールドフレーム３の他側を覆う第２外殻シールドフレーム３１は、他端部６を第１外殻シールドフレーム９の外周に摺接するように形状を決定されている。すなわち、第１外殻シールドフレーム９と第２外殻シールドフレーム３１とは、他端部６同士を摺接自在に重ね合わされている。

また、第１外殻シールドフレーム９の他端部６と第２外殻シールドフレーム３１の他端部６との間にはシール（図示せず）が設けられており、機内に土砂等が浸入しないようになっている。

このように、外殻シールドフレーム９、３１の他端部６同士を摺接移動自在に重ね合わせても、鉛直方向の土圧を内殻シールドフレーム３で支承しながら外殻シールドフレーム９、３１を拡幅移動させることができ、機体構造を簡易にでき、拡幅作業を安全確実になし得る。また、上述の実施の形態では内殻シールドフレーム３の底部７と、一対の外殻シールドフレーム９との間をそれぞれシールするのに対し、本実施の形態では一対の外殻シールドフレーム９、３１間をシールするだけでよく、シール構造を更に簡単にできる。

本発明の好適実施の形態を示す可変断面シールド掘進機の正面断面図である。 可変断面シールド掘進機の平面断面図である。 可変断面シールド掘進機の側面断面図である。 可変断面シールド掘進機の正面図である。 外殻シールドフレームを閉じた可変断面シールド掘進機の正面断面図である。 外殻シールドフレームを閉じた可変断面シールド掘進機の平面断面図である。 外殻シールドフレームを閉じた可変断面シールド掘進機の正面図である。 他の実施の形態を示す可変断面シールド掘進機の正面断面図である。 従来の可変断面シールド掘進機の斜視展開図である。 従来の可変断面シールド掘進機の斜視展開図である。

符号の説明

１ 可変断面シールド掘進機
２ カッタ
３ 内殻シールドフレーム
４ 頂部
５ 基端部
６ 他端部
７ 底部
８ 外側部
９ 外殻シールドフレーム
１０ 拡幅手段
１８ 推力伝達部
２５ 枢支軸
２６ 第１推進シールドジャッキ（シールドジャッキ）
２７ 第２推進シールドジャッキ（シールドジャッキ）
３０ 可変断面シールド掘進機
３１ 外殻シールドフレーム

Claims (5)

1. カッタ等の機器を支持する内殻シールドフレームと、該内殻シールドフレームの頂部に、その基端部が枢支されると共に、他端部が自由端となって内殻シールドフレームの底部に移動自在に摺接され、内殻シールドフレームの外側部を覆う外殻シールドフレームと、該外殻シールドフレームを内殻シールドフレームの径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段とを備え、上記内殻シールドフレームの底部は、上記外殻シールドフレームの枢支軸を中心とする円弧状に形成されたことを特徴とする可変断面シールド掘進機。
2. 上記外殻シールドフレームを、上記内殻シールドフレームの頂部に一対両開きに枢支した請求項１記載の可変断面シールド掘進機。
3. 上記内殻シールドフレームの頂部と底部とにシールドジャッキをそれぞれ設け、上記外殻シールドフレームに複数のシールドジャッキを設けた請求項１又は２記載の可変断面シールド掘進機。
4. カッタ等の機器を支持する内殻シールドフレームと、該内殻シールドフレームの頂部に、その基端部が枢支されて他端部を自由端とし、内殻シールドフレームの外側部を覆う外殻シールドフレームと、該外殻シールドフレームを内殻シールドフレームの径方向外方に拡幅移動させるための拡幅手段とを備えた可変断面シールド掘進機であって、上記内殻シールドフレームの頂部に上記外殻シールドフレームを一対両開きに枢支し、上記他端部を摺接移動自在にし、上記内殻シールドフレームの頂部と底部とにシールドジャッキをそれぞれ設け、上記外殻シールドフレームに複数のシールドジャッキを設けたことを特徴とする可変断面シールド掘進機。
5. 上記外殻シールドフレームに、シールドジャッキを設けると共に該シールドジャッキの推進力を上記内殻シールドフレームに伝える推力伝達部を設けた請求項１〜４いずれかに記載の可変断面シールド掘進機。

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