JP4213074B2 - 矩形断面掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、断面形状が矩形の地下坑を掘削する矩形断面掘削機に関し、より詳しくは、矩形断面形状を正確に掘削することができて埋め戻し等の余計な作業を省略することができる、構造が簡単な矩形断面掘削機に関する。

道路や鉄道等においては、用途に応じてその断面形状が矩形のトンネルを必要とする場合がある。そこで、断面形状が矩形のトンネルを掘削しながら同一断面形状のボックスカルバート等を推進してトンネルを構築する方法が開発されている。このとき、矩形断面の四隅の角部をどのように掘削するかが問題であり、様々な掘削技術が提案されている。

例えば、特開２００１−１３２３８７号公報（特許文献１）に開示されている土圧式シールド掘削機は、図１５に示したように、断面形状が矩形のシールド本体１の掘削方向前面に左右一対のカッタヘッド２，２を回転自在に並設するとともに、カッタスポーク３の先端に出没自在なコピーカッタ４を配置した構造となっている。
シールド本体１の長辺部分１ａおよび短辺部分１ｂに対応する部分を掘削するときには、コピーカッタ４はカッタスポーク３の内部に退避させておく。
そして、矩形断面の四隅の角部を掘削するときには、カッタスポーク３の内部に配設された図示されないジャッキを伸縮させてカッタスポーク３の先端からコピーカッタ４を出没させる。

また、特開２００２−２１４８１号公報（特許文献２）に開示されている矩形断面用シールド推進機は、図１６に示したように、正面視が略三角形状のカッタヘッド５をその自転軸６（中心Ｃ１）の回りに回転させつつ公転体７を中心Ｃ２の回りに所定の速度比で逆方向に回転させ、さらには変位回動体８を中心Ｃ３の回りに回動させることによって断面形状が矩形のトンネルを掘削する構造となっている。

特開２００１−１３２３８７号公報 特開２００２−２１４８１号公報

しかしながら、前者の特開２００１−１３２３８７号公報に開示されている土圧式シールド掘削機は、カッタスポーク３の先端がシールド本体１の長辺部分１ａおよび短辺部分１ｂからはみ出すようにして地下坑を掘削するものであるため、ボックスカルバート等を埋入する際に余分に掘削した部分を埋め戻す必要がある。
また、コピーカッタ４を出没させるためのジャッキを細長いカッタスポーク３の内部に配置する必要があるばかりでなく、このジャッキを駆動するための動力を必要とし、その構造が複雑である。

さらに、後者の特開２００２−２１４８１号公報に開示されている矩形断面用シールド推進機は、自転軸６や公転体７および変位回動体８を同期させつつ回転させるとともに、カッタヘッド５に作用する掘削反力を受けるための反力支持具も必要であり、その構造が極めて複雑である。

そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、断面形状が矩形の地下坑を正確に掘削することができてボックスカルバート等を埋設した後に過剰掘削部分を埋め戻す必要がなく、かつ構造が簡単な矩形断面掘削機を提供することにある。

上記の課題を解決するための請求項１に記載した手段は、断面形状が矩形の地下坑を掘削するための掘削機であって、
前記断面形状の四隅に配設されて掘削方向に延びる回転軸の回りに回転自在な複数のスプロケットと、
前記スプロケット間に巻回されて前記断面形状の周縁に沿って延びるとともに、前記掘削方向に延びる支軸がその掘削方向前側の側面に突設されている無端状のチェーンと、
前記断面形状の中央に配設されて掘削方向に延びる回転軸の回りに回転自在な回転支持体と、
前記スプロケットおよび前記回転支持体を同期させつつ駆動して同一方向に回転させる駆動手段と、
その先端が前記支軸によって揺動自在に軸支されて前記チェーンと一体に変位するとともに、その基端が前記回転支持体の回転軸に対し半径方向にスライド自在にかつ揺動自在に前記回転支持体に支持されて前記回転支持体と一体に回転する、その掘削方向前面に掘削手段を有したカッタスポークと、
を備えることを特徴としている。

すなわち、請求項１に記載した矩形断面掘削機は、掘削する矩形断面の周縁に沿って延びる無端状チェーンと矩形断面の中央部分に配設された回転支持体との間に掛け渡したカッタスポークによって地盤を掘削するものである。
これにより、矩形断面の周縁に沿ってカッタスポークの先端を変位させることができるから、地盤を余分に掘削することがなく、例えばボックスカルバート等を埋設するときに過剰に掘削した部分を埋め戻す必要がない。
また、カッタスポークを変位させる機構は、無端状のチェーンと回転支持体を組み合わせたものであり、その構造が極めて簡単である。

また、請求項２に記載した手段は、請求項１に記載した矩形断面掘削機において、前記回転支持体が、その掘削方向の前面に固定された掘削ビットを有することを特徴とする。 これにより、矩形断面の中央部を回転支持体の掘削ビットによって掘削することができるから、カッタスポークの長さを短く設定することができる。

また、請求項３に記載した手段は、請求項１または２に記載した矩形断面掘削機が、前記無端状チェーンの進行を案内するガイドレールをさらに備えることを特徴とする。
これにより、カッタスポークが地盤を掘削するときに受ける反力をガイドレールによって支持することができるから、矩形断面を正確に掘削することができる。

本発明によれば、断面形状が矩形の地下坑を正確に掘削することができてボックスカルバート等を埋設した後に過剰掘削部分を埋め戻す必要がなく、かつ構造が簡単な矩形断面掘削機を提供することができる。

以下、図１乃至図１４を参照し、本発明に係る矩形断面掘削機の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の部分に同一の符号を用いて重複した説明を省略する。

第１実施形態
まず最初に図１を参照すると、本第１実施形態の矩形断面掘削機１００はいわゆる土圧式シールド掘削機であって、断面形状が矩形のシールド本体１０の後部に配設された隔壁１１によって切羽を遮蔽している。
また、図示されない立坑側から順次推進されるボックスカルバート１２とシールド本体１０との間には方向修正用シリンダ１３がそれぞれ介設され、シールド本体１０の進行方向を調整できるようになっている。
また、隔壁１１によって密閉されているチャンバ内の土砂は、スクリュコンベア１４によって順次取り出された後、ベルトコンベア１５によって後方に搬送されて地表に排出される。

図２に示したように、シールド本体１０の前面で矩形状の掘削断面の四隅に対応する位置には、掘削方向（前後方向）に延びる回転軸線の回りに回転自在な４個のスプロケット２０がそれぞれ配設されている。
そして、これらのスプロケット２０間には無端状のチェーン２１が巻回され、掘削断面の各周縁に沿って延びるようになっている。
なお、チェーン２１の外周側にはカッタ２２が固設されており、掘削する地下坑の内側の側面を掘削するようになっている。
また、チェーン２１の内周側にはガイドプレート２３が固定されており、チェーン２１が撓むことなく移動できるように案内している。
さらに、掘削断面の中心には、掘削方向に延びる回転軸線の回りに回転自在な円筒状の回転支持体２４が配設されており、その前面には掘削ビット２５が固定されている。

また、隔壁１１の後方に配設された駆動モータ２６の回転駆動力は、減速機２７において減速された後、回転支持体２４を回転駆動するための駆動軸２８、およびスプロケット２０を回転駆動するための駆動軸２９にそれぞれ伝達され、チェーン２１および回転支持体２４を同期させながら所定の回転速度で同一方向に回転させるようになっている。

一方、チェーン２１と回転支持体２４との間には合計４本のカッタスポーク３０が掛け渡され、それぞれ回転支持体２４の回転軸線に対して略半径方向外側に延びている。
これらのカッタスポーク３０は、図３および図４に示したように、断面形状が矩形で棒状に延びる本体部分３１の前面に多数の掘削ビット３２を一体に形成したものである。
そして、その先端部は、チェーン２１の各リンクプレートを接続しているピンの一つを掘削方向前側に延設してなるピン２１ａにより、それぞれピン２１ａの軸線の回りに揺動自在に軸支されている。

他方、本体部分３１の基端側に凹設されて長手方向に延びる係合溝３３の内部には、回転支持体２４の前面に突設されて掘削方向に延びるピン３４の大径の頭部がスライド自在に嵌入している。
これにより、カッタスポーク３０の基端側は、ピン３４の軸線の回りに揺動自在に、かつピン３４の回転軸線に対して半径方向にスライド自在に回転支持体２４に支持されている。

したがって、駆動モータ２６を作動させて駆動軸２８，２９をそれぞれ回転させると、カッタスポーク３０の先端部は無端状のチェーン２１と一体に矩形断面の周縁に沿って移動し、基端部は回転支持体２４と一体に駆動軸２８の回転軸線の回りを周回する。
このとき、図５〜図１２に示したように、チェーン２１が延びる方向とカッタスポーク３０が延びる方向との間の角度θの値、およびカッタスポーク３０の先端部を軸支しているピン２１ａの中心と回転支持体２４の回転中心Ｃとの間の距離Ｌの値は、チェーン２１の移動に伴って順次変化する。
しかしながら、カッタスポーク３０の先端部はピン２１ａによって揺動自在にチェーン２１に軸支されており、かつカッタスポーク３０の基端部はピン３４によってスライド自在かつ揺動自在に回転支持体２４に支持されているから、カッタスポーク３０の揺動およびスライドを妨げることはない。

さらに、図１３に示したように、掘削する断面形状の周縁に沿ってカッタスポーク３０の先端部が変位するから、地下坑を掘削する際に地盤を余分に掘削することがない。
これにより、ボックスカルバート１２を埋設するときに、過剰に掘削した部分を埋め戻すといった不要な作業が発生することがない。

加えて、地下坑の切羽を掘削する際にカッタスポーク３０に作用する力は、それぞれチェーン２１の移動を案内しているガイドプレート２３および回転支持体２４を介してシールド本体１０に伝達される。
また、回転支持体２４に固定した掘削ビット２５が、カッタスポーク３０と同時に切羽を掘削するから、矩形断面の地下坑を効率良く確実に掘削することができる。

第２実施形態
次に図１４を参照し、第２実施形態の矩形断面掘削機２００について説明すると、この掘削機２００は上述した第１実施形態の掘削機１００に対し、スプロケット２０を回転駆動するための機構が異なっている。

すなわち、駆動モータ４１の回転駆動力は、歯車４２および歯車４３を介して駆動軸２８に伝達されて回転支持体２４を回転させる。
また、回転支持体２４の周囲には、スプロケット２０に回転駆動力を伝達するための円筒状の駆動力伝達体４４が、駆動軸２８と同軸かつ相対回転自在に支持されている。
そして、この駆動力伝達体４４の基端側に設けられている内歯リングギヤ４５は、駆動モータ４１によって回転駆動されるピニオンギヤ４６と噛み合っている。
さらに、駆動力伝達体４４の先端外周には、スプロケット２０と噛み合う外周歯４７が突設されている。
これにより、駆動モータ４１によって、回転支持体２４および各スプロケット２０を互いに同期させつつ同一方向に回転させることができる。

なお、駆動力伝達体４４の側壁には多数の開口が設けられており、地盤を掘削することにより生じる土砂の移動、攪拌およびスクリュコンベア１４による搬送を妨げることはない。さらに、回転支持体２４の前部には多数の掘削ビット２５が設けられており、掘削断面の中心部を確実に掘削することができる。

以上、本発明に係る矩形断面掘削機の各実施形態ついて詳しく説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態においてはスプロケット２０を回転駆動することによってチェーン２１を移動させているが、スプロケット２０の他に設けた駆動スプロケットによってチェーン２１を駆動し、スプロケット２０は従動スプロケットとすることもできる。
また、カッタスポーク３０の本数は必要に応じて増加させることもできる。

第１実施形態の矩形断面掘削機を模式的に示す側面断面図。 図１に示した矩形断面掘削機の正面図。 図２中に示したIII−破断線に沿った断面図。 図３中に示したIV−破断線に沿った断面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークの作動を説明する正面図。 図２に示したカッタスポークによる掘削範囲を示す正面図。 第２実施形態の矩形断面掘削機を模式的に示す側面断面図。 特開２００１−１３２３８７号公報に記載されている掘削機の構造を模式的に示す正面図。 特開２００２−２１４８１号公報に記載されている掘削機の構造を模式的に示す正面図。

符号の説明

１ シールド本体
２ カッタヘッド
３ カッタスポーク
４ コピーカッタ
５ カッタヘッド
６ 自転軸
７ 公転体
８ 変位回動体
１０ シールド本体
１１ 隔壁
１２ ボックスカルバート
１３ 方向修正用シリンダ
１４ スクリュコンベア
１５ ベルトコンベア
２０ スプロケット
２１ チェーン
２２ カッタ
２３ ガイドプレート
２４ 回転支持体
２５ 掘削ビット
２６ 駆動モータ
２７ 減速機
２８，２９ 駆動軸
３０ カッタスポーク
３１ 本体部分
３２ 掘削ビット
３３ 係合溝
３４ ピン
４１ 駆動モータ
４２，４３ 歯車
４４ 駆動力伝達体
４５ 内歯リングギヤ
４６ ピニオンギヤ
４７ 外周歯
１００ 第１実施形態の矩形断面掘削機
２００ 第２実施形態の矩形断面掘削機

Claims (3)

1. 断面形状が矩形の地下坑を掘削するための掘削機であって、
   前記断面形状の四隅に配設されて掘削方向に延びる回転軸の回りに回転自在な複数のスプロケットと、
   前記スプロケット間に巻回されて前記断面形状の周縁に沿って延びるとともに、前記掘削方向に延びる支軸がその掘削方向前側の側面に突設されている無端状のチェーンと、
   前記断面形状の中央に配設されて掘削方向に延びる回転軸の回りに回転自在な回転支持体と、
   前記スプロケットおよび前記回転支持体を同期させつつ駆動して同一方向に回転させる駆動手段と、
   その先端が前記支軸によって揺動自在に軸支されて前記チェーンと一体に変位するとともに、その基端が前記回転支持体の回転軸に対し半径方向にスライド自在にかつ揺動自在に前記回転支持体に支持されて前記回転支持体と一体に回転する、その掘削方向前面に掘削手段を有したカッタスポークと、
   を備えることを特徴とする矩形断面掘削機。
2. 前記回転支持体が、その掘削方向の前面に固定された掘削ビットを有することを特徴とする請求項１に記載した矩形断面掘削機。
3. 前記無端状チェーンの進行を案内するガイドレールをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載した矩形断面掘削機。

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