JP4423228B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機に関する。

シールド掘進機については、特許文献１、特許文献２等に示すように種々なものがあり、一般的なシールド掘進機の構成について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、前記シールド掘進機は、筒状のシールドフレームを掘進機本体として具備しており、このシールドフレームの内側には、掘削した壁面にセグメントをリング状に組み付けるエレクタ装置が設けられている。また、前記シールドフレームの内側には、既設の前記セグメントからの反力によって前記シールドフレーム（換言すれば、前記シールド掘進機全体）を前進させる複数のシールドジャッキが配設されている。更に、前記シールドフレームの前側には、切羽との間にチャンバーを区画する隔壁フレームが設けられており、この隔壁フレームには、地山を掘削するカッタヘッドが設けられてあって、このカッタヘッドは、軸心を中心として回転可能である。

そして、土圧（泥土圧を含む）によって切羽の安定を図る形式の前記シールド掘進機にあっては、前記シールドフレーム内に、前記チャンバーから掘削土砂を後方向へ搬送するスクリューコンベアが配設されている。また、泥水圧によって切羽の安定を図る形式の前記シールド掘進機にあっては、前記隔壁フレームの上部に、前記チャンバーへ泥水を送る送泥管が前記チャンバーに連通するように接続されると共に、前記隔壁フレームの下部に、前記チャンバーから掘削土砂を含む泥水を排出する排泥管が前記チャンバーに連通するように接続されている。

続いて、前記シールド掘進機を用いて、トンネルの構築する作業について説明する。

即ち、まず、地山に前記トンネルの深度に応じた立坑を施工する。次に、前記シールド掘進機を前記立坑の底部まで搬送して、前記シールド掘進機による掘削の準備を行う。そして、前記カッタヘッドを回転させた状態の下で、前記チャンバー内の掘削土砂等の圧力と切羽の土圧をバランスさせつつ、複数の前記シールドジャッキの作動により既設のセグメントからの反力によって前記シールド掘進機全体を前進させることにより、切羽の安定を図りつつ、前記カッタヘッドにより地山を掘削する。また、地山の掘削と並行して、前記エレクタ装置によって掘削した壁面に前記セグメントをリング状に組み付ける。更に、前述のような地山の掘削と前記セグメントの組付を連続して行うことにより、前記トンネルを構築することができる。
特開平９−４１８７１号公報 特開２００３−３５０８８号公報

ところで、前記トンネルを構築するには、前述のように、前記トンネルの深度に応じた前記立坑を施工する必要があって、特に大深度の場合は、前記立坑の施工が大掛かりなものになる。そのため、前記立坑の施工期間を含めた前記トンネルの工期が長くなると共に、前記立坑の施工費を含めた前記トンネルの工費が高くなるという問題がある。

本発明の特徴は、トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機において、
筒状のシールドフレームと、
前記シールドフレームの前側に設けられ、切羽との間にチャンバーを区画する隔壁フレームと、
前記隔壁フレームに設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、少なくとも縁側の一部に切欠き部を有した第１カッタヘッドと、
前記隔壁フレームに前記第１カッタヘッドと同じ軸心上に設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、前記切欠き部に整合可能な形状に構成され、前記第１カッタヘッドに対して前方向へ突出した突出状態と、前記切欠き部に整合した整合状態とに切替可能に構成され、前記第１カッタヘッドと協働して地山を掘削する第２カッタヘッドと、
前記シールドフレームに設けられ、前後方向に移動可能であって、前方向の移動（フードフレームの前方向の移動）によって前記突出状態の前記第２カッタヘッドと前記シールドフレームとの間の開放領域を覆うように構成されたフードフレームと、を具備したことである。

ここで、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別の部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「揺動可能」とは、所定の範囲内で正逆方向へ回転可能であることをいう。
本発明の特徴によると、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山を掘削する場合には、次のように行う。

即ち、前記第２カッタヘッドを前記整合状態から前記突出状態に切替えると共に、前記第２カッタヘッドを回転させて前記チャンバーの上部前側領域に位置させる。次に、前記フードフレームを前方向へ移動させて、前記フードフレームによって前記解放領域を覆う。更に、前記第２カッタヘッドを前記チャンバーの上部前側領域において揺動させると共に、前記第１カッタヘッドを揺動させる。そして、既設のセグメントから反力によって前記シールド掘進機全体を前進させる。これによって、前記第１カッタヘッドと前記突出状態の前記第２カッタヘッドの協働により深度の浅い地山を掘削することができる。ここで、前記第２カッタヘッドは前記突出状態にあるため、深度の浅い地山であっても、切羽を自立し易い形状にして、切羽の安定を図ることができる。

一方、前記シールド掘進機によって深度の深い地山を掘削する場合には、次のように行う。

即ち、前記第２カッタヘッドを前記突出状態から前記整合状態に切替えて、前記第１カッタヘッドと前記第２カッタヘッドによって円形状を呈するようにする。次に、前記第１カッタヘッド及び前記整合状態の前記第２カッタヘッドを一体的に回転させる。そして、既設のセグメントから反力によって前記シールド掘進機全体を前進させる。これによって、前記第１カッタヘッドと前記整合状態の前記第２カッタヘッドの協働により深度の深い地山を掘削することができる。ここで、前記第２カッタヘッドは前記整合状態にあるため、深度の深い地山であっても、前記チャンバー内の掘削土砂等の圧力を十分に高めて、切羽の土圧とバランスさせることにより、切羽の安定を図ることができる。

要するに、前記第２カッタヘッドは、前記第１カッタヘッドに対して前方向へ突出した前記突出状態と、前記切欠き部に整合した前記整合状態とに切替可能に構成され、前記フードフレームが前方向の移動によって前記突出状態の前記第２カッタヘッドと前記シールドフレームとの間の開放領域を覆うように構成されているため、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山から大深度の地山にかけて連続して掘削することができる。

以上の如き、本発明によれば、前記シールド掘進機によって深度の浅い地山から大深度の地山にかけて連続して掘削し、大深度・長距離の前記トンネルを構築することができる。よって、前記トンネルの工期を短縮することができると共に、前記トンネルの工費を低減することができる。

本発明の実施形態について図１から図５を参照して説明する。

ここで、図１は、深度の浅い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図であって、図２は、図１におけるII-II線に沿った図であって、図３は、図１におけるIII-III線に沿った図であって、図４は、深度の深い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図であって、図５は、図４におけるV-V線に沿った図である。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指してあって、「ＦＲ」は、後方向を指してある。

図１及び図４に示すように、本発明の実施形態に係わるシールド掘進機１は、大深度・長距離のトンネルを構築するために用いられるものであって、筒状のシールドフレーム３を掘進機本体として具備している。なお、シールドフレーム３は、筒状の前胴と筒状の後胴が屈曲可能に連結してなる中折れ式であっても差し支えない。

シールドフレーム３の内側には、掘削した壁面にセグメント５をリング状に組み付けるエレクタ装置７が設けられている。また、シールドフレーム３の内側には、既設のセグメント５からの反力によってシールドフレーム３（換言すれば、シールド掘進機１全体）を前進させる複数のシールドジャッキ９が周方向に等間隔に配設されている。

シールドフレーム３の前側には、切羽Ｆとの間にチャンバー１１を区画する隔壁フレーム１３が設けられており、この隔壁フレーム１３は、中央に、前後方向へ延びた支持スリーブ部１３ｓを有している。また、シールドフレーム３の内側には、前後方向への延びた筒状のガイドフレーム１５が設けられており、このガイドフレーム１５は、内側に、多角形状のガイド部１５ｇを有している。

隔壁フレーム１３には、リング状の第１カッタ軸１７がベアリング１９を介して設けられており、この第１カッタ軸１７は、軸心を中心として回転可能及び揺動可能（所定の範囲内で正逆方向へ回転可能）である。そして、隔壁フレーム１３の取付部１３ａには、第１カッタ軸１７を回転及び揺動させる複数の第１カッタモータ２１が周方向に間隔を置いて配設されており、複数の第１カッタモータ２１の出力軸には、主動ピニオン２３がそれぞれ一体的に設けられてあって、第１カッタ軸１７には、複数の主動ピニオン２３に噛合したリング状の従動ギア２５が一体的に設けられている。

図１及び図３に示すように、第１カッタ軸１７の前側には、リング状のサポート部材２７が複数の中間連結部材２９を介して同じ軸心上に一体的に設けられており、サポート部材２７は、放射状に延びた複数本（本発明の実施形態にあっては６本）の取付片３１及び複数本（本発明の実施形態にあっては２本）の放射状に延びた複数の支持片３３を備えている。

サポート部材２７における複数本の取付片３１には、第１カッタヘッド３５が同じ軸心上に一体的に設けられており、換言すれば、隔壁フレーム１３には、第１カッタヘッド３５が第１カッタ軸１７及びサポート部材２７を介して設けられており、第１カッタヘッド３５は、軸心を中心として回転可能及び揺動可能である。また、第１カッタヘッド３５は、 放射状に延びた複数本のスポーク３７と、複数本のスポーク３７にそれぞれ設けられた多数のカッタビッド３９と備えている。更に、第１カッタヘッド３５は、縁側の一部に、切欠き部３５ｎを有してあって、この切欠き部３５ｎは、第１カッタヘッド３５の中央部まで延びている。

図１及び図４に示すように、隔壁フレーム１３における支持スリーブ部１３ｓには、前後方向へ延びた第２カッタ軸４１が第１カッタ軸１７と同じ軸心上に設けられており、この第２カッタ軸４１は、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、前後方向へ移動可能である。そして、第２カッタ軸４１を回転、揺動、前後方向へ移動させるために、次のように構成している。

即ち、ガイドフレーム１５には、環状の支持スライダ４３が設けられており、この支持スライダ４３は、第２カッタ軸４１の後端部をベアリング４５を介して回転自在に支持するものであって、第２カッタ軸４１と一体的に前後方向へ移動可能である。そして、ガイドフレーム１５の内側には、支持スライダ４３を前後方向へ移動させる複数のスライダジャッキ４７が設けられており、各スライダジャッキ４７における可動ロッド部４７ｒが支持スライダ４３の連結部４３ａにそれぞれ連結されている。なお、支持スライダ４３の連結部４３ａは、ガイドフレーム１５に形成した長穴等によって前後方向に案内されるようになっている。また、支持スライダ４３の取付部４３ｂには、第２カッタ軸４１を回転及び揺動させる複数の第２カッタモータ４９が周方向に間隔を置いて配設されており、複数の第２カッタモータ４９の出力軸には、主動ピニオン５１がそれぞれ一体的に設けられてあって、第１カッタ軸１７の後端部には、複数の主動ピニオン５１に噛合したリング状の従動ギア５３が一体的に設けられている。

図１、図２、及び図４に示すように、第２カッタ軸４１の前端部には、第１カッタヘッド３５と協働して地山Ｇを掘削する第２カッタヘッド５５が同じ軸心上に一体的に設けられており、換言すれば、隔壁フレーム１３には、第２カッタヘッド５５が第２カッタ軸４１を介して第１カッタヘッド３５と同じ軸心上に設けられており、第２カッタヘッド５５は、軸心を中心として回転可能及び揺動可能である。また、第２カッタヘッド５５は、 放射状に延びた複数本のスポーク５７と、複数本のスポークにそれぞれ設けられた多数のカッタビッド５９と備えている。更に、第２カッタヘッド５５は、第１カッタヘッド３５の切欠き部３５ｎに整合可能な形状に構成されてあって、第２カッタ軸４１の前後方向の移動によって、第１カッタヘッド３５に対して前方向へ突出した突出状態（図１に示す状態）と、第１カッタヘッド３５の切欠き部３５ｎに整合した整合状態（図４に示す状態）とに切替可能に構成されている。そして、シールド掘進機１は、図５に示すように、第１カッタヘッド３５と前記整合状態の第２カッタヘッド５５によって円形状を呈するように構成されている。

なお、前記整合状態の第２カッタヘッド５５は、サポート部材２７（複数本の支持片３３を含む）に支持されるようになっており、サポート部材２７には、前記整合状態の第２カッタヘッド５５の対応する被係合穴５５ｈに係合可能な係合ピン６１を備えた複数のショットピン装置６３が内蔵されている。

シールドフレーム３の外側には、フードフレーム６５が設けられており、このフードフレーム６５は、前後方向へ移動可能であって、シールドフレーム３に対して回転不能になっている。また、フードフレーム６５は、自身の前方向の移動（フードフレーム６５の前方向の移動）によって前記突出状態の第２カッタヘッド５５とシールドフレーム３との間の解放領域を覆うように構成されている。そして、シールドフレーム３の内側には、フードフレーム６５を前後方向へ移動させるフードジャッキ６７が設けられており、フードジャッキ６７における可動ロッド部６７ｒがフードフレーム６５の連結部６５ａに連結されている。なお、フードフレーム６５の連結部６５ａは、シールドフレーム３に形成した長穴等によって前後方向に案内されるようになっている。

シールドフレーム３内には、チャンバー１１から掘削土砂を後方向へ搬送するスクリューコンベア６９が配設されている。なお、スクリューコンベア６９によって搬送された掘削土砂は、ベルトコンベア（図示省略）等によって地上に搬送されるものである。

隔壁フレーム１３の上部には、チャンバー１１へ泥水を送る送泥管７１（一部のみ図示）の一端部がチャンバー１１に連通するように接続されており、隔壁フレーム１３の下部には、チャンバー１１から掘削土砂を含む泥水を排出する排泥管７３（一部のみ図示）の一端部がチャンバー１１に連通するように接続されている。なお、泥水は、送泥管７１とチャンバー１１と排泥管７３との間で循環使用されるものである。

シールドフレーム３の後端部には、既設のセグメント５の外周面からシールドフレーム３内に地下水、土砂等の侵入を防ぐテールシール部材７５が設けられている。なお、詳細は省略するが、隔壁フレーム１３、第１カッタ軸１７、第２カッタ軸４１等からシールドフレーム３内に地下水、土砂等が侵入しないようになっている。

続いて、本発明の実施形態の作用について説明する。

シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇを掘削する場合には、次のように行う。

即ち、複数のスライダジャッキ４７の作動により第２カッタ軸４１を支持スライダ４３と一体的に前方向へ移動させることにより、第２カッタヘッド５５を前記整合状態から前記突出状態に切替える。また、複数の第２カッタモータ４９の駆動により第２カッタヘッド５５を第２カッタ軸４１と一体的に回転させることにより、第２カッタヘッド５５をチャンバー１１の上部前側領域に位置させる。次に、フードジャッキ６７の作動によりフードフレーム６５を前方向へ移動させて、フードフレーム６５によって前記解放領域を覆う。

更に、図１に明らかに示すように、第２カッタヘッド５５が第１カッタヘッド３５に対して上下の位置関係にある状態で、複数の第２カッタモータ４９の駆動により第２カッタヘッド５５をチャンバー１１の上部前側領域において揺動させると共に、複数の第１カッタモータ２１の駆動により第１カッタヘッド３５を揺動させる。なお、第１カッタヘッド３５を第２カッタヘッド５５の揺動方向と反対方向に揺動させることが望ましい。そして、複数のシールドジャッキ９の作動により既設のセグメント５からの反力によってシールド掘進機１全体を前進させる。

これによって、図１に示すように、第１カッタヘッド３５と前記突出状態の第２カッタヘッド５５の協働により深度の浅い地山Ｇを掘削することができる。ここで、第２カッタヘッド５５は前記突出状態にあるため、深度の浅い地山Ｇであっても、切羽Ｆを自立し易い形状にして、切羽Ｆの安定を図ることができる。

一方、シールド掘進機１によって深度の深い地山Ｇを掘削する場合には、次のように行う。

即ち、複数のスライダジャッキ４７の作動により第２カッタ軸４１を支持スライダ４３と一体的に後方向へ移動させることにより、第２カッタヘッド５５を前記突出状態から前記整合状態に切替えて、第１カッタヘッド３５と第２カッタヘッド５５によって円形状を呈するようにする。次に、各ショットピン装置６３における係合ピン６１を第２カッタヘッド５５の対応する被係合穴５５ｈに係合させることにより、第１カッタヘッド３５と第２カッタヘッド５５を一体化させる。

更に、複数の第１カッタモータ２１及び複数の第２カッタモータ４９の駆動により第１カッタヘッド３５及び前記整合状態の第２カッタヘッド５５を一体的に回転させる。そして、複数のシールドジャッキ９の作動によりシールド掘進機１全体を前進させる。

これによって、図４に示すように、第１カッタヘッド３５と前記整合状態の第２カッタヘッド５５の協働により深度の深い地山Ｇを掘削することができる。ここで、第２カッタヘッド５５は前記整合状態にあるため、深度の深い地山Ｇであっても、チャンバー１１内の掘削土砂等の圧力を高めて、切羽Ｆの土圧とバランスさせることにより、切羽の安定を図ることができる。なお、チャンバー１１内の掘削土砂等の圧力と切羽Ｆの土圧をバランスさせるために、複数のシールドジャッキ９による推進力を調節する他に、スクリューコンベア６９によって搬送される掘削土砂の搬送量、或いは、送泥管７１によって送られる泥水の流量及び排泥管７３によって排出される泥水の流量を調節してもよい。

要するに、第２カッタヘッド５５は、第１カッタヘッド３５に対して前方向へ突出した前記突出状態と、第１カッタヘッド３５の切欠き部３５ｎに整合した前記整合状態とに切替可能に構成され、フードフレーム６５が前方向の移動によって前記突出状態の第２カッタヘッド５５とシールドフレーム３との間の開放領域を覆うように構成され、シールド掘進機１は、第１カッタヘッド３５と前記整合状態の第２カッタヘッド５５によって円形状を呈するように構成されているため、シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇから大深度の地山Ｇにかけて連続して掘削することができる。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、シールド掘進機１によって深度の浅い地山Ｇから大深度の地山Ｇにかけて連続して掘削し、大深度・長距離の前記トンネルを構築することができる。よって、前記トンネルの工期を短縮することができると共に、前記トンネルの工費を低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものではなく、例えば、第１カッタ軸１７を回転・揺動可能にする代わりに、回転可能にする等、適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。

深度の浅い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図である。 図１におけるII-II線に沿った図である。 図１におけるIII-III線に沿った図である。 深度の深い地山を掘削する際におけるシールド掘進機の断面図である。 図４におけるV-V線に沿った図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
３ シールドフレーム
１１ チャンバー
１３ 隔壁フレーム
１７ 第１カッタ軸
３５ 第１カッタヘッド
３５ｎ 切欠き部
４１ 第２カッタ軸
５５ 第２カッタヘッド
６７ フードジャッキ

Claims (3)

1. トンネルを構築するために用いられるシールド掘進機において、
   筒状のシールドフレームと、
   前記シールドフレームの前側に設けられ、切羽との間にチャンバーを区画する隔壁フレームと、
   前記隔壁フレームに設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、少なくとも縁側の一部に切欠き部を有した第１カッタヘッドと、
   前記隔壁フレームに前記第１カッタヘッドと同じ軸心上に設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、前記切欠き部に整合可能な形状に構成され、前記第１カッタヘッドに対して前方向へ突出した突出状態と、前記切欠き部に整合した整合状態とに切替可能に構成され、前記第１カッタヘッドと協働して地山を掘削する第２カッタヘッドと、
   前記シールドフレームに設けられ、前後方向に移動可能であって、前方向の移動によって前記突出状態の前記第２カッタヘッドと前記シールドフレームとの間の開放領域を覆うように構成されたフードフレームと、を具備したことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記切欠き部は、前記第１カッタヘッドの中央部にまで延びていることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記隔壁フレームに設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能なリング状の第１カッタ軸と、
   前記第１カッタ軸の内側に同じ軸心上に設けられ、軸心を中心として回転可能及び揺動可能であって、前後方向へ移動可能な第２カッタ軸と、を具備しており、
   前記第１カッタヘッドが前記隔壁フレームに前記第１カッタ軸を介して設けられ、前記第２カッタヘッドが前記隔壁フレームに前記第２カッタ軸を介して前記第１カッタヘッドと同じ軸心上に設けられてあって、
   前記第２カッタヘッドは、前記第２カッタ軸の前後方向の移動によって前記突出状態と前記整合状態とに切替わるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシールド掘進機。

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