JP4342285B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、断面が略正方形状のトンネルを掘削し得るシールド掘進機に関するものである。

シールド掘進機の中には、ルーロの三角形の動作原理を利用したものがあり、このシールド掘進機は、回転軸部の前端部に、３本のアーム状カッタ部が等角度おきで放射状に突設されてなるカッタヘッドを回転させることにより、断面が略正方形状のトンネルを掘削するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このシールド掘進機は、図９に示すように、シールド本体５１内の前部に配置された隔壁５２に設けられた円筒支持体５３に、軸受５４を介して、その回転軸心ｃから所定距離ｅだけ偏心した位置ｄで貫通穴５５ａが形成された大径の筒状回転体５５を回転自在に支持するとともに、この筒状回転体５５の貫通穴５５ａ内にカッタヘッド５６の回転軸部５６ａを挿通させて支持したもので、しかも上記筒状回転体５５を、カッタヘッド５６の回転方向（自転）と逆方向に３／４倍の速度でもって回転（公転）させるようにしたものである。

以下、カッタヘッド５６の回転駆動機構について簡単に説明する。
上記筒状回転体５５の後端部外周にはリング状外歯車６１が設けられるとともに、カッタヘッド５６の回転軸部５６ａの後端部には歯車体６２が設けられ、さらにシールド本体５１側には上記リング状外歯車６１を駆動用歯車６３を介して回転させる第１電動機６４が設けられるとともに、筒状回転体５５側には歯車体６２を駆動用歯車６５を介して回転させる第２電動機６６が設けられている。簡単に言えば、カッタヘッド５６の自転用と公転用の駆動装置が別個に設けられていた。

そして、上記公転用と自転用の各電動機６４，６６を駆動して、筒状回転体５５を回転軸部５６ａとは逆方向に３／４倍の速度でもって回転させることにより、アーム状カッタ部５６ｂにより略正方形状のトンネルが掘削される。

しかし、上記シールド掘進機の構成によると、カッタヘッド５６の公転用と自転用の駆動装置が別個に設けられているため、シールド本体５１の中央部に、掘削地山の土質改良などを行うための作業用スペースを確保することができないという問題がある。例えば、作業用スペースを無理に確保しようとすると、シールド本体５１の中央部以外の場所、すなわち大径の円筒支持体５３の外周側に配置することが考えられるが、スペース的には無理であり、たとえ、配置できたとしても、作業が地山の土質改良を目的とする場合には、カッタヘッド５６の周辺部分しか改良することができず、十分な作業を行うことができない。

そこで、本発明は、ルーロの三角形の動作原理を用いて断面が略正方形状のトンネルを掘削する際に、シールド本体前方での作業を十分に行い得るシールド掘進機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るシールド掘進機は、シールド本体の前部に回転自在に設けられた円形板体に、その回転軸心に対して偏心した位置で、回転軸部の前端部に３本のアーム状カッタ部が等角度おきで突設されてなるカッタヘッドを回転自在に支持するとともに、上記円形板体を、その後面の外周近傍に取り付けられたリング状外歯車を介して回転駆動機により所定方向に回転させた際に、連動機構を介して、上記カッタヘッドを逆方向に４／３倍の速度でもって回転させてアーム状カッタ部により略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機であって、
上記連動機構を、上記リング状外歯車の内方に且つ当該リング状外歯車と同一軸心を有するようにシールド本体側に支持されたリング状内歯車と、上記カッタヘッドの回転軸部の後部に取り付けられるとともに上記リング状内歯車に噛合する歯車体とから構成し、
且つ上記円形板体の回転軸心に対して偏心した位置で回転自在に設けられた歯車体と、上記円形板体の回転軸心と同一軸心を有するように配置された上記リング状内歯車との間に形成される円形板体の三日月形状部分に、薬液注入用の開口部を設けたものである。

また、本発明の請求項２に係るシールド掘進機は、シールド本体の前部に回転自在に設けられた円形板体に、その回転軸心に対して偏心した位置で、回転軸部の前端部に３本のアーム状カッタ部が等角度おきで突設されてなるカッタヘッドを回転自在に支持するとともに、上記円形板体を、その後面の外周近傍に取り付けられたリング状外歯車を介して回転駆動機により所定方向に回転させた際に、連動機構を介して、上記カッタヘッドを逆方向に４／３倍の速度でもって回転させてアーム状カッタ部により略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機であって、
上記連動機構を、上記リング状外歯車の内方に且つ当該リング状外歯車と同一軸心を有するようにシールド本体側に支持されたリング状内歯車と、上記カッタヘッドの回転軸部の後部に取り付けられるとともに上記リング状内歯車に噛合する歯車体とから構成し、
且つ上記円形板体の回転軸心に対して偏心した位置で回転自在に設けられた歯車体と、上記円形板体の回転軸心と同一軸心を有するように配置された上記リング状内歯車との間に形成される円形板体の三日月形状部分に、作業員出入用の開口部を設けたものである。

上記の各構成によると、円形板体と、この円形板体に偏心した位置で回転自在に設けられるカッタヘッドの回転軸部とを、円形板体の外周寄りに設けられたリング状外歯車に対向する位置でシールド本体側に支持されたリング状内歯車およびこのリング状内歯車に噛合する歯車体を介して、連動させるようにしたので、従来のように、円形板体自体を回転させる駆動装置のほかに、円形板体側にカッタヘッドを回転させる駆動装置を別途設ける必要がないため、リング状内歯車と当該リング状内歯車に対して偏心された歯車体との間の三日月状部分に薬液注入用または作業員出入用の開口部を設けることができ、したがって例えばシールド本体の前方地山に薬液を注入する場合、またはカッタヘッドの保守点検を行う場合でも、容易且つ十分に各作業を行うことができる。

以下、ルーロの三角形の動作原理を用いて断面が略正方形状のトンネルを掘削する際に、シールド本体の前方での作業を十分に行い得るシールド掘進機の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
以下、実施の形態１に係るシールド掘進機を、図１〜図５に基づき説明する。

このシールド掘進機は、図１〜図３に示すように、断面が略正方形状に形成されてなるシールド本体１と、このシールド本体１の前部内周面に設けられた隔壁２に軸受３を介して当該シールド本体１の中心軸ａ回りで回転自在に支持された大径の円形板体４と、この円形板体４の中心軸（回転軸心ともいう）ａとは所定距離ｅだけ偏心した位置ｂで当該円形板体４を挿通するように取り付けられるとともに中心部に貫通穴５ａが形成された筒状部材５と、この筒状部材５の貫通穴５ａ内に回転自在に挿通（支持）された回転軸部６ａおよび当該回転軸部６ａの前端部に等角度おきで且つ放射状に突設された３本のアーム状カッタ６ｂからなるカッタヘッド６と、上記円形板体４を回転させる回転駆動装置７とを有するとともに、上記円形板体４が所定方向に回転された際に、カッタヘッド６を当該円形板体４とは逆方向にシールド本体１に対する円形板体４の回転速度の４／３倍の速度で回転させるための連動機構８が具備されている。

上記回転駆動装置７は、円形板体４の外周近傍で且つ後方に突出して設けられた第１リング状外歯車（外周面に歯部が設けられたもの）１１と、この第１リング状外歯車１１を駆動用歯車１２を介して回転させる回転駆動機（例えば、電動機が用いられる）１３とから構成されている。

また、上記連動機構８は、上記第１リング状外歯車１１の内方位置（対向する位置）で且つ当該第１リング状外歯車１１の回転軸心ａと同一軸心を有するように取付ブラケット１４を介してシールド本体１側に取り付けられたリング状内歯車（内周面に歯部が設けられたもの）１５と、上記カッタヘッド６の回転軸部６ａの後端部に取付ブラケット１６を介して支持されるとともに上記リング状内歯車１５に噛合する第２リング状外歯車（外周面に歯部が設けられたもので、歯車体の一例である）１７とから構成され、しかもリング状内歯車１５と第２リング状外歯車１７との歯数の比は、円形板体４が所定方向に１回転する間に、言い換えれば、筒状部材５に支持されたカッタヘッド６が１回転でもって公転する間に、カッタヘッド６がその軸心回りで逆方向に４／３回（相対角度）でもって自転するように構成されている。すなわち、シールド本体１に対してカッタヘッド６が所定方向に１回転（自転）する間に、同じくシールド本体１に対して円形板体４が逆方向に３回転（公転）して、各アーム状カッタ６ｂの先端が正方形状に移動するため、断面が略正方形状のトンネルが掘削されることになる。なお、上記第１リング状外歯車１１は、シールド本体１側に支持されたリング状内歯車１５側に旋回台軸受９を介して支持されている。この旋回台軸受９は、リング状内歯車１５の外面に突設された環状突条部１５ａの前後面および内周面の３面に配置される円筒ころ９ａにより構成されている。

ところで、図１および図４に示すように、リング状内歯車１５は、円形板体４の回転軸心ａと同一軸心上に配置されるとともに、第２リング状外歯車１７は、円形板体４の回転軸心ａと所定距離ｅだけ偏心した位置ｂで且つ上記リング状内歯車１５に係合して（接触して）回転自在に設けられているため、両者の間には三日月状のスペース（以下、三日月状部分と称する）Ｓが形成されることになる。

そして、この三日月状部分Ｓにおける円形板体４側には、例えば円周方向の３箇所にて、薬液注入用の開口部２１が形成されるとともに、この開口部２１には、ボールジョイント２２を介して薬液注入用穴を掘削するためのボーリング機２４を接続するための接続用密封装置２３が取り付けられている。このボーリング機２４は、上記接続用密封装置２３および薬液注入用の開口部２１を介して、掘削管２５を地山側に押し込むようにしたものであり、この掘削管２５から薬液（土質改良剤ともいう）が地山に注入される。ところで、掘削時においては、薬液は注入されないため、ボーリング機２４は接続用密封装置２３から取り外されており、このとき、接続用密封装置２３の接続フランジ部には蓋板が取り付けられる。

なお、シールド本体１内には、隔壁２の下部に接続されてカッタヘッド４により掘削された掘削土砂を外部に排出するためのスクリュウ式排土装置３１が配置され、またシールドジャッキ３２および掘削されたトンネル内壁面にセグメント３３を設置するためののセグメント組立装置３４が配置されており、またカッタヘッド６のアーム状カッタ６ｂにはコピーカッタ３５が配置されている。

上記シールド掘進機において、回転駆動機１３を作動させて円形板体４を所定方向に回転させると、円形板体４の偏心位置に設けられた筒状部材５が偏心距離ｅに相当する半径でもってシールド本体１の中心軸ａ回りで公転する。

筒状部材５が公転すると、リング状内歯車１５に噛合している第２リング状外歯車１７が、逆方向に４／３倍の速度でもって自転し、これら両者の回転により、カッタヘッド６の先端部が正方形状に移動して略正方形状のトンネルが掘削される。

ところで、トンネルを掘削している最中に、地山土質を改良する必要が生じた場合、薬液が注入される。
この場合、薬液を注入すべき箇所に対応する位置に、薬液注入用の開口部２１が来るように円形板体４を停止させる。

次に、図５に示すように、ボーリング機２４を接続用密封装置２３に接続し、そして掘削管２５を接続用密封装置２３および薬液注入用の開口部２１を介して、地山側に押し込んだ後、この掘削管２５から薬液を地山に注入する。

勿論、この薬液注入作業は、土質を改良すべき範囲で行われ、例えば三日月状部分Ｓに３箇所で設けられた各薬液注入用の開口部２１にて行われる。
この３箇所からの薬液注入作業だけでは、土質改良が十分に行われない場合には、一旦、ボーリング機２４を取り外し、三日月状部分Ｓがさらに土質の改良をすべき位置に来るように円形板体４を回転させて、再び、ボーリング機２４を取り付けて薬液を注入すればよい。この作業による薬液注入可能範囲は、図２の仮想線Ｄにて示すような範囲となる。

このように、ルーロの三角形の動作原理を用いて、断面が略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機において、大径の円形板体４と、この円形板体４に偏心した位置で回転自在に設けられるカッタヘッド６を支持する筒状部材５とを、円形板体４の外周寄り位置に設けられた第１リング状外歯車１１に対向する位置でシールド本体１側から支持されたリング状内歯車１５およびこのリング状内歯車１５に噛合する第２リング状外歯車１７からなる連動機構８を介して連動させるように構成したので、従来のように、円形板体自体を回転させる回転駆動機のほかに、円形板体側にカッタヘッドを回転させる回転駆動機を別途設ける必要がないため、リング状内歯車１５と当該リング状内歯車１５に対して偏心された小径の第２リング状外歯車１７との間の三日月状部分Ｓに、薬液注入用の開口部２１を設けることができ、したがってこの開口部２１から前方地山に薬液を注入して容易且つ十分に（確実に）土質の改良を行うことができる。
［実施の形態２］
次に、実施の形態２に係るシールド掘進機を、図６〜図８に基づき説明する。

上記実施の形態１においては、リング状内歯車１５と当該リング状内歯車１５に対して偏心位置で設けられ第２リング状外歯車１７との間の三日月状部分Ｓに、薬液注入用の開口部２１を設けたが、本実施の形態２においては、作業用の開口部を設けたものである。

本実施の形態２と上述した実施の形態１と異なる箇所は、三日月状部分Ｓであるため、本実施の形態２においては、この部分に着目して説明するとともに、上述した実施の形態１と同一の構成部材については、同一番号を付して、その説明を省略する。

すなわち、図６〜図８に示すように、リング状内歯車１５と当該リング状内歯車１５に対して偏心した位置で設けられた第２リング状外歯車１７との間の三日月状部分Ｓにおける円形板体４に、そのカッタヘッド６側（地山側）にて所定の作業を行い得るように、作業員出入用のマンホール（開口部）４１が設けられたものである。勿論、このマンホール４１には蓋板４２が設けられている。なお、シールド本体１の隔壁２にも、外周部分での作業用マンホール４３が設けられている。

したがって、正方形状のトンネルを掘削している最中に、アーム状カッタ６ｂに取り付けられているカッタビットなどの保守・点検作業すなわちシールド本体１前面の中央部分での作業を行う必要が生じた場合には、円形板体４を所定の位置で停止させた後、蓋板４２を取り外し、作業員がマンホール４１からカッタヘッド６側に入り、保守点検作業を行う。

この構成の場合にも、上述した実施の形態１における場合と同様に、ルーロの三角形の動作原理を用いて、断面が略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機において、大径の円形板体４と、この円形板体４に偏心した位置で回転自在に設けられるカッタヘッド６を支持する筒状部材５とを、円形板体４の外周寄り位置に設けられた第１リング状外歯車１１に対向する位置でシールド本体１側から支持されたリング状内歯車１５およびこのリング状内歯車１５に噛合する第２リング状外歯車１７からなる連動機構８を介して連動させるように構成したので、従来のように、円形板体自体を回転させる回転駆動機のほかに、円形板体側にカッタヘッドを回転させる回転駆動機を別途設ける必要がないため、リング状内歯車１５と当該リング状内歯車１５に対して偏心された小径の第２リング状外歯車１７との間の三日月状部分Ｓに、作業員出入用のマンホール４１を設けることができ、したがってカッタヘッド６などの保守点検作業を容易且つ十分に（確実に）行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るシールド掘進機の断面図である。 同シールド掘進機の正面図である。 同シールド掘進機の背面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 同シールド掘進機における薬液注入作業を説明する断面図である。 本発明の実施の形態２に係るシールド掘進機の断面図である。 同シールド掘進機の正面図である。 図６のＢ−Ｂ断面図である。 従来例のシールド掘進機の断面図である。

符号の説明

１ シールド本体
２ 隔壁
４ 円形板体
５ 筒状部材
５ａ 貫通穴
６ カッタヘッド
６ａ 回転軸部
６ｂ アーム状カッタ部
７ 回転駆動装置
８ 連動機構
１１ 第１リング状外歯車
１２ 駆動用歯車
１３ 回転駆動機
１５ リング状内歯車
１７ 第２リング状外歯車
２１ フランジ部
２４ ボーリング機
２５ 掘削管
４１ マンホール
４２ 蓋板

Claims (2)

1. シールド本体の前部に回転自在に設けられた円形板体に、その回転軸心に対して偏心した位置で、回転軸部の前端部に３本のアーム状カッタ部が等角度おきで突設されてなるカッタヘッドを回転自在に支持するとともに、上記円形板体を、その後面の外周近傍に取り付けられたリング状外歯車を介して回転駆動機により所定方向に回転させた際に、連動機構を介して、上記カッタヘッドを逆方向に４／３倍の速度でもって回転させてアーム状カッタ部により略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機であって、
   上記連動機構を、上記リング状外歯車の内方に且つ当該リング状外歯車と同一軸心を有するようにシールド本体側に支持されたリング状内歯車と、上記カッタヘッドの回転軸部の後部に取り付けられるとともに上記リング状内歯車に噛合する歯車体とから構成し、
   且つ上記円形板体の回転軸心に対して偏心した位置で回転自在に設けられた歯車体と、上記円形板体の回転軸心と同一軸心を有するように配置された上記リング状内歯車との間に形成される円形板体の三日月形状部分に、薬液注入用の開口部を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
2. シールド本体の前部に回転自在に設けられた円形板体に、その回転軸心に対して偏心した位置で、回転軸部の前端部に３本のアーム状カッタ部が等角度おきで突設されてなるカッタヘッドを回転自在に支持するとともに、上記円形板体を、その後面の外周近傍に取り付けられたリング状外歯車を介して回転駆動機により所定方向に回転させた際に、連動機構を介して、上記カッタヘッドを逆方向に４／３倍の速度でもって回転させてアーム状カッタ部により略正方形状のトンネルを掘削するシールド掘進機であって、
   上記連動機構を、上記リング状外歯車の内方に且つ当該リング状外歯車と同一軸心を有するようにシールド本体側に支持されたリング状内歯車と、上記カッタヘッドの回転軸部の後部に取り付けられるとともに上記リング状内歯車に噛合する歯車体とから構成し、
   且つ上記円形板体の回転軸心に対して偏心した位置で回転自在に設けられた歯車体と、上記円形板体の回転軸心と同一軸心を有するように配置された上記リング状内歯車との間に形成される円形板体の三日月形状部分に、作業員出入用の開口部を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
   

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