JP4215142B2 - 自由断面型親子シールド掘削機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由断面型の親シールド機の内部に子シールド機を収容した親子シールド掘削機に係り、特に親シールド機の軸芯と子シールド機の軸芯とを一致させる必要がなく、任意の位置に１または複数の子シールド機を配置することができる親子シールド掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地下鉄などをシールド工法で建設する場合、先ず駅部を開削工法によって築造した後、駅部端部に構築した発進基地よりシールド機を発進させて路線部のトンネルをシールド掘削することが一般的に行われていたが、近年は都市の過密化によって開削工法を採用すること自体、困難な状況になりつつある。また、開削工法の場合には、道路面で大規模な覆工を必要とし道路交通上の制約が大きく、また地下埋設物に与える影響を抑制しながらの工事となるため、その完成までには多くの工程と時間を要し、当然に工費も嵩むことになっていた。
【０００３】
このような問題に答えるものとして近年、開発が進められているのが親子シールド機である。この親子シールド機は、相対的に大径のトンネルを掘削した後、これに連続して小径のトンネルを掘削できるように親子シールド機を分離可能としたもので、従来より多くの構造のものが提案されている。
【０００４】
しかし、そのほとんどは、図７に示されるように、円筒状の親シールド機５０の内部に、同軸的にすなわち中心位置に子シールド機５１を収納し、子シールド機５１のカッターヘッド５２を油圧モータ等の駆動源により回転させることにより、子シールド機５１のカッターヘッド５２と係合関係にある外周の親シールドカッターヘッド５３を従動的に回転させるようにしたものであるため、駅部のトンネル中心線と路線部のトンネル中心線とが一致していない場合には適用できないものとなっていた。
【０００５】
そこで、本出願人の一人は、先の特開平１０−１７６４７９号公報において、親シールド機の軸芯と子シールド機の軸芯とを一致させる必要が無く、任意の位置に複数の子シールド機を配置できる親子シールド機を提案した。この親子シールド機は、子シールド機用カッタヘッドを子シールド機から分離して親シールド機用カッタヘッド内に設けるとともに、親子一体時には親シールド用カッタヘッド側をその中心軸周りにカッタ駆動用モータなどの駆動源により回転させることにより、子シールドの配置および個数を任意とするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−１７６４７９号公報記載の親子シールド機の場合には、親シールド用カッタヘッドを回転させるものであるため、親子シールド機による掘削断面が、親シールド機用カッタヘッドの周面に伸縮自在のコピーカッタを設けない限り、実質的に掘削断面が円形に限定されてしまうという問題があった。
【０００７】
近年は、余剰断面の少ない経済的なトンネル掘削の実現や、駅部構造の合理化の要請から、矩形、楕円形、馬蹄形、複合円等の任意トンネル断面を掘削可能とする親子シールド掘削機が望まれていた。
【０００８】
そこで本発明の主たる課題は、掘削断面形状を任意とし得る自由断面型親子シールド掘削機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明は、相対的に大径かつ任意断面形状の親シールド機の内部に、これより小径の子シールド機を収容してなる親子シールド掘削機であって、
前記親シールド機断面内の任意位置に１または複数の子シールド機を配置し、親子シールド一体時の掘削断面の内、子シールド機の配設領域については子シールド用カッタヘッドによって掘削するとともに、前記子シールド機が分担して掘削する領域以外の親シールド掘削面を揺動式カッタヘッドの組合せによって構成し、かつ前記揺動式カッタヘッドは、揺動軸によって揺動自在に支持され、前記揺動軸とは別に背面側にカッタ駆動アームを固設するとともに、このカッタ駆動アームの他端側をシールド掘削機の隔壁を貫通させ前記揺動軸を中心とする弧状ラックギアと連結し、この弧状ラックギアに噛合する複数のカッタモータを駆動源としていることを特徴とするものである。
【００１０】
従来の回転式カッタヘッドの場合には、カッタヘッドのほぼ重心位置に回転軸を設け、この回転軸をモータ駆動により回転させる駆動方式が採用されている。仮にこの駆動方式を本発明シールド掘削機で採用した場合には、揺動軸配置の自由度が著しく制限され、実質的に揺動式カッタヘッドの組合せによって任意掘削断面を構成することは困難となる。すなわち、後述のように、ほとんどのケースでは、揺動式カッタ面版の配置や組合せ態様によって揺動式カッタ面版の揺動軸が掘削断面の外側に配置されたり、揺動軸が外側位置または中央近傍位置に近接して配置されたりすることとなり、従来のような回転軸を原動軸とする方式では構造に無理がある。その点、揺動軸は単に揺動式カッタを揺動可能に支持するものとし、前述の駆動機構により揺動運動させるようにすれば、揺動式カッタヘッドを任意の位置に配置することが可能となる。なお、掘削断面内には回転式カッタヘッドを含んで構成してもよい。
【００１１】
また、各揺動式カッタヘッドは、小さな揺動運動の繰り返しとなるためビット摩耗が抑えられ長距離掘削が可能になるとともに、駆動機構部分はすべて隔壁の内側に設備されるため、点検、修理および部品交換等が容易に行えるようになるなどの利点が同時にもたらされるようになる。また、後述の実施形態例のように、揺動範囲を小さくして開口部面積を小さくすることも可能であり、土圧式、加水式または泥土圧式以外に泥水工法への適用も容易に可能となる。
【００１２】
また、前記任意断面を構成する揺動式カッタヘッドに係り、前記揺動式カッタヘッドの掘削外形線に沿う周縁が揺動軸を中心とする円弧線に整合しない場合は、前記揺動軸より前記周縁を向けて引いた法線位置にて揺動式カッタヘッドを分割し、それぞれの揺動式カッタヘッドを前記略法線位置を揺動運動の折返し点として揺動運動させるようにすればよい。
【００１３】
他方、本発明の一例に係る馬蹄形状親子シールド掘削機は、親シールド機の断面形状が馬蹄形であり、この馬蹄断面内に左右方向に対称配置で２基の断面円形の子シールド機を収容してなる親子シールド掘削機であって、
前記子シールド機は、前記馬蹄断面の内、子シールド機の配設領域を分担して掘削するカッタヘッドを備え、
一方、前記親シールド機は、前記馬蹄断面の鉛直中心線上に配置された揺動軸を中心として揺動運動するとともに、前記子シールド機による掘削領域を除く馬蹄断面の上側部分を掘削する略傘形状の揺動式カッタヘッドと、前記馬蹄断面の鉛直中心線上に配置され揺動軸を中心として揺動運動するとともに、前記子シールド機による掘削領域を除く馬蹄断面の下側中間部分を掘削する、前記鉛直中心線を境に対称配置された一対の略三角形状の揺動式カッタヘッドとを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００１５】
〔第１形態例〕
図１は第１形態例に係る親子シールド機１Ａの正面図であり、図２は図１のII−II線矢視図、図３は図１のIII−III線矢視図である。なお、説明の都合上、前側とは切羽側を指し、後側とは坑口側を指す。
【００１６】
親子シールド機１Ａは、断面馬蹄形の親シールド機２の内部に、図１に示される配置態様で、すなわち馬蹄断面内に左右方向に対称配置で断面円形の子シールド機３，４を収容してなる親子シールド掘削機である。
【００１７】
親スキンプレート５の内部には、前記子シールド機３，４をそれぞれ収容する円筒状空間を形成するために子シールド機３，４の子スキンプレート１３の径よりも若干大径の収容リング６，７が配置され、この収容リング６，７の内部に前記子シールド機３，４が収容されている。子シールド機３，４は、後述する理由により、カッタ面版１１（１２）が親シールド機２のカッタ面版８〜１０よりも前側に突出させて配置され、親子一体時には、親シールド機２のカッタ面版８〜１０および子シールド機３，４のカッタ面版１１、１２がそれぞれ独立して駆動され、それぞれの分担部分を掘削する。
【００１８】
以下、具体的に詳述すると、
前記親シールド機２は、図３に示されるように、馬蹄形のスキンプレート５の前部側位置に隔壁１４が設けられ、掘削部とシールド機内空間とに区画され、前記隔壁１４の前側に土砂取り込み用チャンバ１５の空間を空けて３枚の揺動式カッタ面版８〜１０が設けられている。前記土砂取り込み用チャンバ１５の上方には送泥管１６が接続されるとともに、下方には排泥管１７が接続され、前記揺動式カッタ面版８〜１０によって掘削された土砂が流体輸送されるようになっている。また、前記隔壁１４の後方側周囲には周方向に沿ってシールドジャッキ１８，１８…が設けられ、順次シールド掘進に伴って設置されるセグメント１９，１９…の端面に反力を取りながら親子シールド掘削機１Ａを推進させるようになっている。セグメント１９の設置は、エレクター２０によって行われ、掘進の度に周方向に沿ってリング状に設置される。
【００１９】
前記揺動式カッタ面版８〜１０は、馬蹄形断面の内、前記子シールド機３，４によって掘削される部分以外、すなわち前記子シールド機３，４による円形掘削面を除く極めて異形の掘削面部分を掘削するために、任意形状かつ任意数の揺動式カッタ面版の組合せによって構成されたもので、図示の例では掘削断面の略中央位置に配置された揺動軸１６を共通支軸として揺動自在に支持された３枚の揺動式カッタ面版８〜１０によって掘削面が構成されている。なお、前記揺動式カッタ面版８〜１０は揺動空間を確保するために、子シールド機３，４との間には所定の空間Ｓが形成され、前記揺動式カッタ面版８〜１０によって掘削出来ない部分、具体的には馬蹄掘削断面の下方両端の円弧部分を掘削するために、前記子シールド用カッタ面版１１，１２の周面には出没自在のコピーカッタ３２，３２が設けられている。
【００２０】
前記揺動式カッタ面版８〜１０の内、上部に配置される揺動式カッタ面版８は、馬蹄掘削断面の上部周縁形状に整合する上部側弧線８ａと、下端側に形成された子シールド機３，４の外径線に沿う左右２つの切欠き円弧線８ｂ、８ｃとによって形取られた略傘状のカッタ面版であり、子シールド３，４のスキンプレート１３に衝突しない揺動範囲内（Ｓ寸法内）で揺動運動し、馬蹄断面の内、上部側を掘削する。
【００２１】
前記揺動式カッタ面版８は、図３に示されるように、その背面側にカッタ駆動アーム２１を設け、このカッタ駆動アーム２１の他端側を前記隔壁１４より後方側に突出させ、前記揺動軸１６を中心とする弧状のラックギア２２と連結し、この弧状ラックギア２２にギア２３ａを噛合させて配置された複数のカッタ駆動モータ２３，２３…を駆動源として、所定の角度範囲で揺動運動するようになっている。
【００２２】
一方、前記揺動軸１６の下方側に、鉛直中心線を跨いで両側に夫々配置される揺動式カッタ面版９，１０は、馬蹄掘削断面の下端辺に沿う円弧線９ａ（１０ａ）と、子シールド機３，４の外形線に沿う円弧線９ｂ（１０ｂ）と、垂直線９ｃ（１０ｃ）とによって形取られた略三角形状のカッタ面版であり、馬蹄中心線と子スキンプレート１３との間で揺動運動し、馬蹄形断面の下方中間の略三角形部分を掘削する。このように、前記揺動式カッタヘッド９，１０の掘削外形線に沿う周縁が揺動軸１６を中心とする円弧線に整合しない場合には、前記揺動軸１６より馬蹄形の下辺側周縁を向けて引いた法線（鉛直中心線）位置にて揺動式カッタヘッド９、１０に分割し、それぞれの揺動式カッタヘッド９，１０を前記法線位置を揺動運動の折返し点として揺動運動させるようにすればよい。
【００２３】
前記揺動式カッタ面版９，１０についても同じく、その背面側にカッタ駆動アーム２４を設け、このカッタ駆動アーム２４の他端側を前記隔壁１４より後方側に突出させ、前記揺動軸１６を中心とする弧状のラックギア２５連結し、この弧状ラックギア２５にギア２６ａを噛合させて配置した複数のカッタ駆動モータ２６，２６…を駆動源として、所定の角度範囲で揺動運動するようになっている。なお、以下に後述する揺動式カッタ面版はすべてこの駆動方式を採用している。
【００２４】
一方、子シールド機３，４は、図２に示されるように、円形のスキンプレート１３の前部側位置に隔壁２７が設けられ、掘削部とシールド機内側とに区画され、前記隔壁２７の前側に土砂取り込み用チャンバ２８の空間を空けて円形の回転式カッタ面版１１（１２）が設けられている。前記土砂取り込み用チャンバ２８の上方には送泥管２９が接続されるとともに、下方には排泥管３０が接続され、前記回転式カッタ面版１１（１２）によって掘削された土砂が流体輸送されるようになっている。また、前記隔壁２７の後方側周囲には将来の掘進に備えて周方向に沿ってシールドジャッキ３１，３１…が設けられている。
【００２５】
前記回転式カッタ面版１１（１２）は、重心位置に配置された回転軸３４によって支持されるとともに、隔壁２７よりも後方側に突出する回転軸部分に一体的に大径の円形ギア３５を設け、この円形ギア３５にギア３６ａを噛合させて配置された複数のカッタ駆動モータ３６を駆動源として回転するようになっている。
【００２６】
前記回転式カッタ面版１１（１２）の周面には、１または複数のコピーカッタ３２が設けられている。このコピーカッタ３２は、ジャッキ３３により出没自在とされ、親子一体時には外方に突出させて前記揺動式カッタ面版８〜１０では掘削し得ない部分、具体的には馬蹄断面の下方両側部を掘削するとともに、子シールド３，４周囲の揺動式カッタ面版８〜１０では掘削し得ない部分を掘削する。
【００２７】
前記子シールド機３，４の回転式カッタ面版１１（１２）は、揺動式カッタ面版８〜１０よりも前方側に位置し、相互の干渉が起こらないようになっているとともに、大きな玉石や礫が砕かれないまま親シールド機２の土砂取り込み用チャンバ１５に流入するのを防止するようになっている。仮に、子シールド機３，４のカッタ面版を親シールド機２のカッタヘッド面よりも後方側、すなわち土砂取り込み用チャンバ１５内に位置させた場合には、親シールド機２のカッタ面版に大きな開口が形成されることとなり掘削効率が低下するとともに、切羽の安定が保たれずこの開口から大きな玉石や礫が砕かれないままチャンバ内に流入し、排泥管による輸送が円滑に行われないなどの問題が発生することになる。
【００２８】
なお、図１に示される第１形態例では、カッタヘッド構造を面版構造（閉鎖型）としたが、土圧式を採用する場合にはカッタフレーム構造（開放型）が採用される。
【００２９】
〔第２形態例〕
図４に示される第２形態例は、親子シールド掘削機の掘削断面を円形とした場合の例を示すものである。
【００３０】
親子シールド掘削機１Ｂは、断面円形の親シールド機２Ｂの断面内に、左右方向に対称配置で同じく断面円形の子シールド機３，４を収容したものであり、親シールド機２Ｂのカッタ面版は丁度、中心点（揺動軸）１６を通る水平線を境に、第１形態例における略傘状の揺動式カッタ面版８を上下位置に設けた構造となっている。他の構造については第１形態例と同様であるため説明は省略する。
【００３１】
〔第３形態例〕
図５に示される第３形態例は、親子シールド掘削機の掘削断面を楕円とした場合の例を示すものである。
【００３２】
親子シールド掘削機１Ｃは、断面楕円の親シールド機２Ｃの断面内に、左右方向に対称配置で断面円形の子シールド機３，４を収容したものであり、親シールド機２Ｃの掘削面は、揺動軸１６を共通支軸として、上側および下側にそれぞれ、第１形態例における揺動式カッタ面版９，１０と同様のカッタ面版３７，３８を設けた構造となっている。すなわち、鉛直中心線を跨いで両側に夫々配置される揺動式カッタ面版３７，３８は、楕円掘削断面の上下辺に沿う円弧線３７ａ（３８ａ）と、子シールド機３，４の外形線に沿う円弧線３７ｂ（３８ｂ）と、垂直線３７ｃ（３８ｃ）とによって形取られた略三角形状のカッタ面版３７，３８であり、鉛直中心線と子シールド機３、４のスキンプレート１３との間で揺動運動し、楕円形断面の内、子シールド機３，４によって掘削されない中間上下部分を掘削する。
【００３３】
〔第４形態例〕
図６に示される第４形態例は、親子シールド掘削機の掘削断面を横方向に長い矩形とした場合の例を示すものである。
【００３４】
親子シールド掘削機１Ｄは、断面矩形の親シールド機２Ｄの断面内に、左右方向に対称配置で断面円形の子シールド機３，４を収容したものであり、前記親シールド機２の掘削面は、中間上下部分に鉛直中心線を跨いで両側に夫々配置される揺動式カッタ面版３９，４０を設けるとともに、各隅部に揺動式カッタ面版４２を設けた構造となっている。
【００３５】
前記揺動式カッタ面版３９，４０は、揺動軸１６を共通支軸として、矩形掘削断面の上下辺に沿う水平線３９ａ（４０ａ）と、子シールド機３，４の外形線に沿う円弧線３９ｂ（４０ｂ）と、垂直線３９ｃ（４０ｃ）とによって形取られた略三角形状のカッタ面版３９，４０を左右対で配置したもので、鉛直中心線と子シールド機３、４のスキンプレート１３との間で揺動運動し、矩形断面の内、子シールド機３，４によって掘削されない中間上下部分を掘削する。
【００３６】
また、前記揺動式カッタ面版４２は、斜辺を子シールド機の外形線に沿う円弧線とする略三角形状の揺動式カッタ面版であり、隅部に配置された揺動軸４１を中心として揺動運動することにより矩形断面の内、子シールド機３，４によって掘削されない四隅部分を掘削する。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳説のとおり本発明によれば、子シールド機が配置される領域については子シールド用カッタヘッドによって掘削し、子シールド掘削面以外の親シールド掘削面を揺動式カッタヘッドの組合せによって構成するようにしたため、任意断面の掘削が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本第１形態例に係る、馬蹄形状親子シールド掘削機１Ａの正面図である。
【図２】 そのII−II線矢視図である。
【図３】 そのIII−III線矢視図である。
【図４】 本第２形態例に係る、円形状親子シールド掘削機１Ｂの正面図である。
【図５】 本第３形態例に係る、楕円形状親子シールド掘削機１Ｃの正面図である。
【図６】 本第４形態例に係る、矩形親子シールド掘削機１Ｄの正面図である。
【図７】 従来の円形親子シールド掘削機の正面図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｄ…親子シールド掘削機、２・２Ｂ〜２Ｄ…親シールド機、３・４…子シールド機、８〜１０・３７〜４２…揺動式カッタ面版、１１・１２…回転式カッタ面版

Claims (5)

1. 相対的に大径かつ任意断面形状の親シールド機の内部に、これより小径の子シールド機を収容してなる親子シールド掘削機であって、
   前記親シールド機断面内の任意位置に１または複数の子シールド機を配置し、親子シールド一体時の掘削断面の内、子シールド機の配設領域については子シールド用カッタヘッドによって掘削するとともに、前記子シールド機が分担して掘削する領域以外の親シールド掘削面を揺動式カッタヘッドの組合せによって構成し、かつ前記揺動式カッタヘッドは、揺動軸によって揺動自在に支持され、前記揺動軸とは別に背面側にカッタ駆動アームを固設するとともに、このカッタ駆動アームの他端側をシールド掘削機の隔壁を貫通させ前記揺動軸を中心とする弧状ラックギアと連結し、この弧状ラックギアに噛合する複数のカッタモータを駆動源としていることを特徴とする自由断面型親子シールド掘削機。
2. 前記子シールド機は、子シールド用カッタヘッドが親シールド機の揺動式カッタヘッド面よりも切羽側に突出した状態で収容されている請求項１記載の自由断面型親子シールド掘削機。
3. 前記親シールド機掘削面は、回転式カッタヘッドを含んで構成される請求項１記載の自由断面型親子シールド掘削機。
4. 前記揺動式カッタヘッドの掘削外形線に沿う周縁が揺動軸を中心とする円弧線に整合しない場合において、前記揺動軸より前記周縁を向けて引いた法線位置にて揺動式カッタヘッドを分割し、それぞれの揺動式カッタヘッドを前記略法線位置を揺動運動の折返し点として揺動運動させるようにした請求項１〜３いずれかに記載の自由断面型親子シールド掘削機。
5. 親シールド機の断面形状が馬蹄形であり、この馬蹄断面内に左右方向に対称配置で２基の断面円形の子シールド機を収容してなる親子シールド掘削機であって、
   前記子シールド機は、前記馬蹄断面の内、子シールド機の配設領域を分担して掘削するカッタヘッドを備え、
   一方、前記親シールド機は、前記馬蹄断面の鉛直中心線上に配置された揺動軸を中心として揺動運動するとともに、前記子シールド機による掘削領域を除く馬蹄断面の上側部分を掘削する略傘形状の揺動式カッタヘッドと、前記馬蹄断面の鉛直中心線上に配置され揺動軸を中心として揺動運動するとともに、前記子シールド機による掘削領域を除く馬蹄断面の下側中間部分を掘削する、前記鉛直中心線を境に対称配置された一対の略三角形状の揺動式カッタヘッドとを備えたことを特徴とする自由断面型親子シールド掘削機。

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