JP4171705B2 - 可変断面シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、掘進機の掘進方向前面部で偏心回転して地山を掘削すると共に、その掘削断面が変更可能なカッタを備えた可変断面シールド掘進機に関するものである。

従来、地中での掘削途中に、カッタ本体形状を拡大して掘削できるように掘削断面が変更可能なカッタを備えたシールド掘進機としては、図１０に示すように、回転カッタ５１を回転させながら、カッタ本体を幅方向に往復移動させると共に、コピーカッタ５２を出没させて、断面幅広のトンネルを掘削するシールド掘進機５３が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、一般に、図１１及び図１２に示すような偏心多軸方式のシールド掘進機５５も提案されている。このシールド掘進機５５は、鉛直方向の土圧に対して直交する方向にすなわち拡幅方向に互いに相対移動すべく分割された分割シールドフレーム５６ａ、５６ｂを有している。これら各分割シールドフレーム５６ａ、５６ｂには、回転ドラム５７とカッタ支持軸５８とがそれぞれ設けられており、これらカッタ支持軸５８にカッタ５９が取り付けられている。カッタ５９は、幅方向中央部で二分割されており、その中央部で互いに重なり合うように構成されている。そして、分割シールドフレーム５６ａ、５６ｂが相対的に離反して拡幅移動すると、各分割シールドフレーム５６ａ、５６ｂにそれぞれ設けられたカッタ支持軸５８に、カッタ５９の両端が拡幅方向へと引っ張られて、中央の重合部分が互いに離反して、カッタ５９全体で拡幅するようになっている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−２８２５９８号公報 特開平７−３１７４９０号公報 特開２００１−３１７２９２号公報 特開２００１−３６８５号公報 特開２００３−２３２１８４号公報

しかしながら、図１０に示したシールド掘進機５３で用いられているコピーカッタ５２は、強度や耐久性の制限及び出入りストロークスピードの制御の関係より出入り距離が限定されてしまい、断面変化の小さい掘削にしか対応することができないといった問題があった。また、このシールド掘進機５３は、回転カッタ５１を回転させつつ、その回転と同期をとりながらカッタ本体を幅方向に往復移動させるため、カッタ機構が複雑な構成となると共に、回転カッタ５１が一回転しても掘削断面全体を掘削することができず、掘削能率が低かった。

一方、図１１及び図１２に示したシールド掘進機５５では、カッタ５９は、幅方向中央部で二分割され、その中央部で互いに重なり合わされ、その重合部分が互いに離反するようになっているため、この重合部分６１でカッタ５９の強度が低下してしまうといった問題もあった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために創案されたものであり、その目的は、簡単な構造で、大きい範囲の掘削断面変化に対応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、掘進機の掘進方向前面部に、回転ドラムに偏心して軸支されて偏心回転するメインカッタと、該メインカッタの周縁部近傍に基端部が枢支され他端部が自由端となり径方向外方に移動自在に設けられた拡幅カッタと、該拡幅カッタの自由端を径方向外方に移動させるための拡幅カッタ移動手段とを備え、上記拡幅カッタが、少なくとも二分割されてそれぞれの基端部が上記メインカッタの頂部に枢支され、他端部が自由端としてそれぞれ反対方向の径方向外方に移動自在に構成されたことを特徴とする。

さらに、上記拡幅カッタが、上記メインカッタの掘進方向前面側に重ねられて設けられたものが好ましい。

また、上記拡幅カッタ移動手段が、上記メインカッタと上記拡幅カッタ間に架け渡された油圧ジャッキにて構成されるものが好ましい。

そして、上記拡幅カッタを上記メインカッタに対して所定の径方向の移動位置で固定するロック手段を備えたものが好ましい。

また、上記ロック手段が、上記拡幅カッタ或いは上記メインカッタにその掘進方向前後に延びて形成された係合溝と、上記メインカッタ或いは上記拡幅カッタに設けられ上記係合溝に挿抜自在に出没する係合ピンとを有するものが好ましい。

本発明によれば、簡単な構造で、大きい範囲の掘削断面変化に対応できるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳述する。

かかる可変断面シールド掘進機は、拡幅シールド掘進機、親子シールド掘進機や地中接合用シールド掘進機等の掘削断面が変更可能なシールド掘進機として適用される。

図１乃至図６に示すように、本実施の形態に係る可変断面シールド掘進機１は、掘進機本体２の掘進方向前面のバルクヘッド３の中央に、カッタ４を回転させるためのカッタ回転ドラム５が設けられている。このカッタ回転ドラム５には、その前方に位置するカッタ４を支持するカッタ支持軸６が偏心して軸支されている。本実施の形態では、カッタ回転ドラム５及びカッタ支持軸６は、単軸で設けられているので、カッタ支持軸６が自転するのを防止するための自転拘束機構（図示せず）（例えば特開２００１−３６８５号公報参照）が設けられている。これによって、カッタ支持軸６及びカッタ４がその上下方向を変えずに偏心回転し、カッタ４の表面形状と相似形状の断面掘削が可能となる。

ところで、本発明は、カッタ４が、カッタ回転ドラム（回転ドラム）５にカッタ支持軸６を介して偏心して軸支されて偏心回転するメインカッタ７と、このメインカッタ７の周縁部近傍（本実施の形態では頂部１４）に基端部１１が枢支され他端部１２が自由端となり径方向外方に移動自在に設けられた拡幅カッタ８とで構成されたことを特徴とする。

本実施の形態では、カッタ４は略馬蹄形に形成されており、拡幅カッタ８は、メインカッタ７の掘進方向前面側に設けられている。メインカッタ７の頂部１４には、拡幅カッタ８を枢支するための枢支軸１５が掘進方向前方に延びて設けられている。

拡幅カッタ８は、幅方向に略半円状に二分割されて、それぞれの基端部１１がメインカッタ７の頂部１４に、枢支軸１５を介してそれぞれ一体的に枢支され、他端部１２が自由端としてそれぞれ反対方向の径方向外方に移動自在に構成されている。

拡幅カッタ８には、その自由端を径方向外方に移動させるための拡幅カッタ移動手段９が設けられている。拡幅カッタ移動手段９は、メインカッタ７の掘進方向後方に配置され、メインカッタ７と拡幅カッタ８間に架け渡された油圧ジャッキ１６にて構成されている。油圧ジャッキ１６は、メインカッタ７の下端近傍部と各拡幅カッタ８の他端部１２近傍との間に、それぞれ架け渡され、各拡幅カッタ８を径方向外方（幅方向）に移動自在に設けられている。

この拡幅カッタ８は、油圧ジャッキ１６を伸長させることによって、枢支軸１５を中心に自由端が径方向外方にそれぞれ移動されて、メインカッタ７の径方向外方に押し出され、範囲を拡幅して掘削することが可能となる。

拡幅カッタ８が径方向外方へ移動した際に中央下部で開く開き部分１９には、メインカッタ７が位置しており、拡幅した掘削範囲全体で掘削可能となる。すなわち、メインカッタ７と拡幅カッタ８とは、拡幅カッタ８が閉じた状態で、少なくとも上記開き部分１９で、掘進方向に互いに重なるように配置されている。

メインカッタ７と拡幅カッタ８は、共にカッタフレーム１７、１８を格子状に組み合わせて形成されている。拡幅カッタ８の周縁部には円弧状のカッタフレーム２０が設けられている。拡幅カッタ８のカッタフレーム１８、２０の前面には複数のカッタビット２１が配列されている。メインカッタ７のカッタビット２１は、カッタフレーム１７の側面両側に複数配列されている。これは、メインカッタ７の前面に拡幅カッタ８が位置するので、前面にはカッタビット２１が設けられないためである。

カッタ４には、図４乃至図６に示すように、拡幅カッタ８をメインカッタ７に対して所定の径方向の移動位置で固定するロック手段２２が設けられている。

ロック手段２２は、拡幅カッタ８にその掘進方向前後に延びて形成された係合溝２３と、メインカッタ７に設けられ係合溝２３に挿抜自在に出没する係合ピン２４を有する油圧式ジャッキ２５とで構成されている。

また、この油圧式ジャッキ２５は、メインカッタ７の幅方向両端に設けられ、その係合ピン２４が拡幅カッタ８側へ出没するように形成されている。係合溝２３は、拡幅カッタ８が閉じた時と拡幅した時に係合ピン２４が位置する場所にそれぞれ形成されており、拡幅カッタ８が閉じた時及び拡幅した時に、係合ピン２４が一方の係合溝２３に挿入されて、拡幅カッタ８の幅方向の位置を固定するようになっている。

なお、係合溝２３と係合ピン２４の取付位置は、上記位置に限られるものではなく、油圧式ジャッキ２５を拡幅カッタ８側に設け係合溝２３をメインカッタ７側に設けてもよい。

また、ロック手段２２を設けずに、拡幅カッタ移動手段９である油圧ジャッキ１６の作動油の制御で、拡幅カッタ３８を固定するようにしてもよい。この場合、油圧ジャッキ１６のサイズは、上記のものより大きくなる。

図１及び図２中、２６は、幅方向に二分割された外殻シールドフレーム２７を枢支するシールドフレーム用枢支軸を示す。分割された外殻シールドフレーム２７は、カッタ等の機器を支持する筒体状の内殻シールドフレーム３０の外側に拡幅自在に設けられている。外殻シールドフレーム２７は、掘進機本体２内の幅方向中央に設けられた柱状部２８に一端が接続された拡幅用ジャッキ２９の他端に接続されており、拡幅カッタ８を拡幅させるときに、拡幅用ジャッキ２９を伸長させて外殻シールドフレーム２７も同時に拡幅するようになっている。

バルクヘッド３の後部には、上記内殻シールドフレーム３０に一体的に固定され、地山からの土圧を受ける推力受部３１が設けられている。内殻シールドフレーム３０の一部を構成する推力受部３１の後方には、外殻シールドフレーム２７の一部を構成し、シールドジャッキ３２と一体的に固定された推力伝達部３３が設けられている。外殻シールドフレーム２７が閉じた状態では、推力受部３１の後端と推力伝達部３３の前端とが断面全体で掘進方向に当接しており、外殻シールドフレーム２７が拡幅した状態では、推力受部３１の後端外側部と推力伝達部３３の前端内側部とが掘進方向に当接するようになっている。

上記構成によれば、通常の掘削断面の掘削時には、図２に示すように、油圧ジャッキ１６は縮退して拡幅カッタ８は閉じた状態となっている。このとき、ロック手段２２により拡幅カッタ８はメインカッタ７に固定されているので、カッタ４の回転によって、拡幅カッタ８が開くことはない。

一方、拡幅カッタ８の拡幅時には、油圧ジャッキ１６を伸長させることで、拡幅カッタ８を枢支軸１５を中心に回動させて、径方向外方へと押し開く。そして、ロック手段２２の係合ピン２４を係合溝２３に挿入することで、拡幅カッタ８をメインカッタ７に固定する。これによって、拡幅カッタ８と、拡幅した拡幅カッタ８間に位置するメインカッタ７で、大面積の掘削を行うことができる。

上記構成によれば、拡幅カッタ８をメインカッタ７に枢支軸１５を介して回動自在に設けたことで、拡幅カッタ８の拡幅は、油圧ジャッキ１６を伸長させるといった容易な作業で行うことができる。

また、拡幅カッタ８は、幅方向に二分割され、それぞれがフレーム１８を組み合わせて一体的に形成されているので、一般の偏心軸回転方式に耐えうるカッタ強度を充分に有している。さらに、掘削中（カッタ４の回転中）は、拡幅カッタ８はメインカッタ７に固定されており、コピーカッタのように回転しながらカッタの形状を変化させる構成ではないので、メインカッタ７に対して大きく拡幅することができると共に、カッタ４の回転に合わせて同期制御する必要もない。また、少数の油圧ジャッキ１６で、大面積の拡幅カッタ８を移動させることができるので、カッタ４の移動機構を単純で信頼性の高いものとすることができる。

さらに、ロック手段２２で、拡幅カッタ８をメインカッタ７に固定しているので、掘進時に油圧ジャッキ１６にかかる負担をなくすことができる。すなわち、油圧ジャッキ１６は、拡幅カッタ８の移動時にだけ作動すればよいので、油圧ジャッキ１６の小型化が達成でき、それに伴いカッタ４の小型化及び軽量化が達成できる。さらに、油圧ジャッキ１６の長寿命化も達成できる。

また、拡幅カッタ８の後方にメインカッタ７が設けられているので、前面の掘削地山からの圧力は、拡幅カッタ８からメインカッタ７へと伝達され、その後、カッタ支持軸６、バルクヘッド３、内殻シールドフレーム３０の一部を構成する推力受部３１、外殻シールドフレーム２７の一部を構成する推力伝達部３３、シールドジャッキ３２へと順次伝わり、既設のセグメント３４に確実に伝達され、効率的な掘削が可能となる。

図７及び図８は、本発明に係る可変断面シールド掘進機の他の好適な実施の形態を示した正面図である。

本実施の形態に係る可変断面シールド掘進機３６では、拡幅カッタ３８が、幅方向に二分割されて、それぞれ略三日月状を呈した円弧状に形成されている。拡幅カッタ３８は、それぞれの基端部３９がメインカッタ３７の頂部１４に、枢支軸１５を介してそれぞれ一体的に枢支され、他端部４１が自由端としてそれぞれ反対方向の径方向外方に移動自在に構成されている。拡幅カッタ３８は、円弧状に形成されたカッタフレーム（図示せず）の前面に複数のカッタビット（図示せず）を配列して形成されている。

メインカッタ３７は、略馬蹄形に形成されており、複数のカッタフレーム（図示せず）を格子状に組み合わせて、その前面に複数のカッタビット（図示せず）を配列して構成されている。メインカッタ３７の頂部１４には、拡幅カッタ３８を枢支するための枢支軸１５が掘進方向前方に延びて設けられている。

メインカッタ３７の前面の拡幅カッタ３８との重複部分（図７中、斜線ハッチングにて示す）４３以外のカッタフレームには、その前面にカッタビットが配列されている。重複部分４３のカッタフレームには、その側面にカッタビットが配列されている。

拡幅カッタ３８には、その自由端を径方向外方に移動させて固定するための拡幅カッタ移動手段９が設けられている。拡幅カッタ移動手段９は、上記実施の形態のものと同様の構成である。

上記構成の可変断面シールド掘進機３６では、上述した図１の実施の形態の可変断面シールド掘進機１と同様の作用効果の他に、拡幅カッタ３８の大きさを小さくすることで、カッタの軽量化及び部品点数の低減を図ることができるといった作用効果を得られる。

なお、上記実施の形態では、拡幅カッタ８、３８は、メインカッタ７、３７の掘進方向前面側に設けられているが、これに限られるものではない。拡幅カッタ８、３８は、メインカッタ７、３７の後面側或いは、図９に示すようにメインカッタ７、３７の周縁部に形成した収容溝４４の内部に設けるようにしてもよい。

これによれば、拡幅カッタ８、３８を使用するのは、拡幅時だけであるので、拡幅掘削区間が短い場合には、拡幅カッタ８、３８のカッタビットに高価な超硬チップを用いる必要がなく、コストダウンを達成できる。

なお、上記実施の形態では、拡幅カッタ８、３８と共に外殻シールドフレーム２７が拡幅する可変断面シールド掘進機１、３６を例に挙げて説明したが、上記構成のカッタ４の構造は、親子シールド掘進機や地中接合用シールド掘進機等のカッタの掘削断面を変更する必要がある他のシールド掘進機にも適用できるのは勿論である。

また、上記実施の形態では、拡幅カッタ８、３８は、左右で対称的に移動するようになっているが、非対称に移動させるようにしてもよい。例えば、一方の拡幅カッタ８、３８のみを拡幅させれば、急カーブ掘削時の余掘りを行うことができる。

さらに、上記実施の形態では、拡幅カッタ８、３８を枢支する枢支軸１５は、メインカッタ７、３７の頂部１４に設けられているが、この位置はこれに限られるものではない。例えば、側部に枢支軸を設ければ、上下方向に拡幅することが可能となる。

また、上記実施の形態では、拡幅カッタ８、３８は、二分割されているが、これに限られることはなく、三分割、四分割或いはそれ以上であってもよい。この場合、枢支軸は複数設けられることとなる。

本発明に係る可変断面シールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の好適な実施の形態を示した垂直方向断面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の好適な実施の形態を示した水平方向断面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の好適な実施の形態を示した水平方向断面図である。 ロック手段を示した断面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の他の好適な実施の形態を示した正面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機の他の好適な実施の形態を示した正面図である。 本発明に係る可変断面シールド掘進機のメインカッタと拡幅カッタを示した断面図である。 従来の可変断面シールド掘進機を示した正面図である。 従来の可変断面シールド掘進機を示した正面図である。 従来の可変断面シールド掘進機を示した正面図である。

符号の説明

１ 可変断面シールド掘進機
５ カッタ回転ドラム（回転ドラム）
７ メインカッタ
８ 拡幅カッタ
９ 拡幅カッタ移動手段
１１ 基端部
１２ 他端部
１４ 頂部
１６ 油圧ジャッキ
２２ ロック手段
２３ 係合溝
２４ 係合ピン
３６ 可変断面シールド掘進機
３７ メインカッタ
３８ 拡幅カッタ
３９ 基端部
４１ 他端部

Claims (5)

1. 掘進機の掘進方向前面部に、回転ドラムに偏心して軸支されて偏心回転するメインカッタと、該メインカッタの周縁部近傍に基端部が枢支され他端部が自由端となり径方向外方に移動自在に設けられた拡幅カッタと、該拡幅カッタの自由端を径方向外方に移動させるための拡幅カッタ移動手段とを備え、上記拡幅カッタが、少なくとも二分割されてそれぞれの基端部が上記メインカッタの頂部に枢支され、他端部が自由端としてそれぞれ反対方向の径方向外方に移動自在に構成されたことを特徴とする可変断面シールド掘進機。
2. 上記拡幅カッタが、上記メインカッタの掘進方向前面側に重ねられて設けられた請求項１に記載の可変断面シールド掘進機。
3. 上記拡幅カッタ移動手段が、上記メインカッタと上記拡幅カッタ間に架け渡された油圧ジャッキにて構成された請求項１又は２に記載の可変断面シールド掘進機。
4. 上記拡幅カッタを上記メインカッタに対して所定の径方向の移動位置で固定するロック手段を備えた請求項１から３いずれかに記載の可変断面シールド掘進機。
5. 上記ロック手段が、上記拡幅カッタ或いは上記メインカッタにその掘進方向前後に延びて形成された係合溝と、上記メインカッタ或いは上記拡幅カッタに設けられ上記係合溝に挿抜自在に出没する係合ピンとを有する請求項４記載の可変断面シールド掘進機。

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