JP4779142B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、円形断面を掘削する回転カッタと、その回転カッタの外周縁よりも径方向外側の地山を掘削するためのオーバカッタとを備えたシールド掘進機に関する。

シールド掘進機は、シールド本体の前部に設けられた回転カッタで地山を掘削して、その後方でセグメントを順次組立てることにより、トンネルを構築していくものである。回転カッタの前面には複数のビットが配置されており、回転カッタを回転させてビットにより地山を掘削するようになっている。

ところで、道路の横方向の占有幅が上下方向の占有幅より大きいことから、道路用トンネルの断面は、円形断面よりも、上下方向に比べて横方向が広くなる馬蹄形断面が理想的である。つまり、道路用トンネルを馬蹄形断面とすると、円形断面に比べて上下方向に無駄な空間が少なく、建設コストが安価となるという利点がある。

馬蹄形断面、楕円形断面或いは矩形断面等の異形断面を掘削するシールド掘進機としては、例えば、シールド本体の前部に設けられ、掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される回転カッタと、その回転カッタのカッタスポークに設けられ、回転カッタの外周縁よりも径方向外側に出没自在なオーバカッタとを備えたものが知られている。このようなシールド掘進機では、オーバカッタを回転カッタの外周縁よりも径方向外側に突出させ、そのオーバカッタにより回転カッタの外周縁よりも径方向外側の領域を掘削するようになっている。

なお、特許文献１には、カーブ掘進時等に余堀りを行うべく、シールド掘進機のカッタヘッドのカッタスポーク内に設けられた油圧ジャッキと、隣接する上記カッタスポーク間に、カッタヘッドの外周縁の周方向に沿うように架け渡して設けられ、その一端が上記油圧ジャッキに連結され、他端が上記カッタスポークに隣接する他のカッタスポークに回動自在に支持されたカッタフレームとを備えたシールド掘進機が記載されている。

特開２００１−３５５３８６号公報

ところで、従来、馬蹄形断面、楕円形断面或いは矩形断面等の異形断面を掘削するシールド掘進機においては、オーバカッタに複数設けられるビットのうち最外周に配設したビットで掘削孔の最外周を掘削するところ、オーバカッタに複数設けられるビットの配置やオーバカッタの姿勢（回動角度）等によっては、最外周に配設したビットとそれよりも内周側に配設したビットとの間が空き（すき）、未掘削部が発生することがある。

そこで、本発明の目的は、オーバカッタに複数設けたビットのうち最外周に配設したビットとそれよりも内周側に配設したビットとの間が空くことを防止することで、計画された掘削エリアに対する未掘削量を極小に抑えることができる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、シールド本体の前部に回転自在に設けられたカッタフレームと、該カッタフレームに放射状に設けられ、上記カッタフレームの周方向に互いに所定角度となるように配置された二つのガイドと、これら二つのガイドにそれぞれ設けられ、各ガイドの長手方向に沿って移動自在な支持部と、ビーム状に形成され、その長手方向端部よりも長手方向内側の部分が上記各支持部に回動自在に支持された可変ビームと、該可変ビームにおける上記各支持部よりも長手方向外側の部分に設けられた複数のビットと、上記各支持部を上記各ガイドの長手方向に沿って移動させるために上記各支持部にそれぞれ連結されたジャッキと、これら各ジャッキを伸縮させることにより、上記支持部の一方を上記ガイドの一方に沿って移動させ、上記支持部の他方を上記ガイドの他方に沿って移動させ、上記可変ビームの長手方向端部を上記カッタフレームの径方向外側に突出させる制御手段とを備え、上記可変ビームに設けた複数のビットのうち最外周に配設したビットにおける上記カッタフレームの径方向の掘削幅を、それよりも内周側に配設したビットにおける上記カッタフレームの径方向の掘削幅よりも大きくし、上記制御手段は、上記カッタフレームが一回転するとき、最外周に配設したビットで掘削孔の最外周を掘削するように、上記各ジャッキのストロークを制御するものである。

ここで、上記制御手段は、上記カッタフレームが一回転するとき、最外周に配設したビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアが隣り合う内周側のビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアと重なり、且つ、内周側のビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアがより内周側のビットの上記カッタフレームの周方向の掘削エリアと重なるように、上記各ジャッキのストロークを制御するものであっても良い。

本発明によれば、オーバカッタに複数設けたビットのうち最外周に配設したビットとそれよりも内周側に配設したビットとの間が空くことを防止することで、計画された掘削エリアに対する未掘削量を極小に抑えることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図である。

図１に示すように、シールド掘進機１は、シールド本体（図示せず）の前部に回転自在に設けられ、円形断面を掘削する回転カッタ２を備えている。シールド本体は、上下方向（図１中の上下方向）に比べて横方向（図１中の左右方向）に広い馬蹄形断面であって、上下方向の中央よりも下部側で横幅が最も広くなるように形成されている。回転カッタ２は、掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される。

シールド本体の後部には、回転カッタ２及び後述するオーバカッタ３により掘削した掘削孔内にセグメントを組立ててトンネル（道路用トンネル）を構築するためのエレクタ（図示せず）と、シールド本体の内周に所定間隔を隔てて複数設けられ、セグメントに反力を取ってシールド本体を推進させるためのシールドジャッキ（図示せず）とが設けられる。

回転カッタ２は、その回転中心から径方向外側に延出し、掘進方向と平行な軸廻りに回転されるカッタフレーム４を有している。カッタフレーム４の前面には、複数のビット５が配置されている。

カッタフレーム４は、中心部材６と、中心部材６に放射状に取り付けられた複数のスポーク７とを有している。つまり、各スポーク７は、回転カッタ２の回転中心から径方向外側に延出している。

回転カッタ２には、カッタフレーム４に放射状に設けられ回転カッタ２の周方向に互いに所定角度となるように配置された二つのガイド８が設けられる。

本実施形態では、二つのガイド８は、回転カッタ２の周方向に互いに隣接する二本のスポーク７から構成されている。

ガイド８を構成するスポーク７にはそれぞれ、スポーク７の長手方向、つまり回転カッタ２の径方向に沿って移動自在な支持部９が設けられている。

各支持部９は、後述する油圧ジャッキ１０に支持されたケーシング１１と、ケーシング１１内に収容され、後述する可変ビーム１２のピン１３を支持するための軸受１４とを有している。

シールド掘進機１は、回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側の地山を掘削するためのオーバカッタ３を備えている。オーバカッタ３は、ビーム状に形成された可変ビーム１２を有している。可変ビーム１２は、長手方向一端部よりも長手方向内側の部分及び長手方向他端部にてそれぞれ、各支持部９に回動自在に支持されており、長手方向一端部が支持部９よりも外側に延出している。

なお、本実施形態には限定はされず、可変ビーム１２が、長手方向両端部よりも長手方向内側の部分にてそれぞれ、各支持部９に回転自在に支持され、長手方向両端部が支持部９よりも外側に延出するものであっても良い。

本実施形態では、可変ビーム１２の長手方向一端部よりも長手方向内側の部分及び長手方向他端部にはそれぞれピン１３が設けられており、このピン１３にて可変ビーム１２は各支持部９に回動自在に支持されている。

各支持部９はそれぞれ、各スポーク７の長手方向、つまり回転カッタ２の径方向に沿って移動させるためにジャッキ１０（本実施形態では、油圧ジャッキ）に連結される。各油圧ジャッキ１０は、各スポーク７（各ガイド８）の長手方向に沿って伸縮自在であり、シリンダ１５がスポーク７に取り付けられ、ロッド１６には支持部９が取り付けられている。各油圧ジャッキ１０には、油圧ジャッキ１０を作動する油圧回路１７が接続されている（図２参照）。

各支持部９を回転カッタ２の径方向外側に移動させる際には、油圧回路１７を伸長側に作動させて、油圧ジャッキ１０を伸長させる。一方、各支持部９を回転カッタ２の径方向内側に移動させる際には、油圧回路１７を縮退側に作動させて、油圧ジャッキ１０を縮退させる。

可変ビーム１２の長手方向一端部の前面には、複数のビット１８が配置されている。これらビット１８は、カッタフレーム４に設けたビット５よりもわずかに掘進方向後方に配置される。つまり、可変ビーム１２の長手方向一端部が回転カッタ２の外周縁よりも径方向内側に位置した状態では、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）は地山には当接されず掘削土砂を撹拌するのみである。また、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）が回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側に突出した状態では、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）が回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側の地山に当接されて地山を掘削する。

本実施形態では、可変ビーム１２の長手方向一端部は弧状に形成され、その長手方向一端部に長手方向に所定間隔を隔てて複数のビット１８が配置される。図示例では、可変ビーム１２の長手方向一端部には、三つのビット１８（第一ビット１８ａ、第二ビット１８ｂ、第三ビット１８ｃ）が設けられる。第一ビット１８ａと第三ビット１８ｃとの間に位置する第二ビット１８ｂは、その先端Ｐ２が第一ビット１８ａの先端Ｐ１と第三ビット１８ｃの先端Ｐ３とを結ぶライン（直線）Ｌ上に位置するように配置される（図１参照）。言い換えると、可変ビーム１２に設けられる複数のビット１８（第一ビット１８ａ、第二ビット１８ｂ、第三ビット１８ｃ）は、略一直線上に配置される。

このように複数のビット１８を配置することで、後述する制御部１９により、カッタフレーム４が一回転するとき、最外周に配設した第一ビット１８ａで常に掘削孔の最外周を掘削し、且つ、内周側の第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃが計画された馬蹄形断面の掘削エリアを越えて掘削（オーバカット）しないように各油圧ジャッキ１０のストロークを制御した際に、内周側の第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃが最外周に配設した第一ビット１８ａの掘削エリアを越えて掘削（オーバカット）することを防止でき、計画された馬蹄形断面の掘削エリアに対するオーバカット量を極小に抑えることが可能となる。

また本実施形態では、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設した第一ビット１８ａの幅Ｗ１を、それよりも内周側に配設した第二ビット１８ｂの幅Ｗ２及び第三ビット１８ｃの幅Ｗ３よりも大きくすることで、最外周に配設した第一ビット１８ａにおけるカッタフレーム４の径方向の掘削幅を、それよりも内周側に配設した第二ビット１８ｂにおけるカッタフレーム４の径方向の掘削幅及び第三ビット１８ｃにおけるカッタフレーム４の径方向の掘削幅よりも大きくしている（図１参照）。図示例では、第二ビット１８ｂの幅Ｗ２と第三ビット１８ｃの幅Ｗ３とを略等しくし、第一ビット１８ａの幅Ｗ１を、第二ビット１８ｂの幅Ｗ２及び第三ビット１８ｃの幅Ｗ３の約１．５倍としている。

また本実施形態では、最外周に配設した第一ビット１８ａの耐摩耗性を向上すべく、第一ビット１８ａにおける先端Ｐ１側（外周側）の厚さＴｏを、その先端Ｐ１とは反対側（内周側）の厚さＴｉよりも厚くしている（図２参照）。

さらに本実施形態では、最外周に配設した第一ビット１８ａの幅Ｗ１を、その掘削エリア（カッタフレーム４の周方向の掘削エリア）が隣り合う内周側の第二ビット１８ｂの掘削エリア（カッタフレーム４の周方向の掘削エリア）と重なるように充分大きく設定すると共に、その内周側の第二ビット１８ｂの幅Ｗ２を、その掘削エリア（カッタフレーム４の周方向の掘削エリア）がより内周側の第三ビット１８ｃの掘削エリア（カッタフレーム４の周方向の掘削エリア）と重なるように設定している（図６参照）。

本実施形態に係るシールド掘進機１は、各油圧ジャッキ１０を伸縮させることにより、二本のスポーク７（ガイド８）に設けられた支持部９のうち、一方の支持部９を回転カッタ２の径方向外側に移動させ、他方の支持部９を回転カッタ２の径方向内側に移動させ、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）を回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側に突出させるための制御手段（制御部）１９を備えている（図２参照）。

複数のビット１８を設けた可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）を回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側に突出させる際には、二本のスポーク７（ガイド８）に設けられた支持部９のうち、一方の支持部９（図示例では、図１中の左側の支持部９）を回転カッタ２の径方向外側に移動させることにより、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）が回転カッタ２の径方向外側に移動されると共に、他方の支持部９（図示例では、図１中の右側の支持部９）を回転カッタ２の径方向内側に移動させることにより、可変ビーム１２の長手方向一端部が上記一方の支持部９回りに回転カッタ２の径方向外側へと回動される。

制御部１９には、回転カッタ２の回転角度を検出するための角度検出手段としての角度センサ（図示せず）が接続されている。

制御部１９は、角度センサによって検出した回転カッタ２の回転角度を油圧ジャッキ用マップ（図示せず）に入力して油圧ジャッキ１０の伸縮量（ストローク）を求める。上記油圧ジャッキ用マップには、回転カッタ２の回転角度に応じた油圧ジャッキ１０の伸縮量（ストローク）が予め求められて入力されており、上記油圧ジャッキ用マップに回転カッタ２の回転角度を入力することによって、油圧ジャッキ１０の伸縮量（ストローク）が求められる。

本実施形態では、制御部１９は、各スポーク７に設けられた油圧ジャッキ１０のストロークを、上記油圧ジャッキ用マップで求めた値に制御するようになっている。

また本実施形態では、制御部１９は、カッタフレーム４が一回転するとき、可変ビーム１２の長手方向一端部に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設した第一ビット１８ａで常に馬蹄形断面の掘削孔の最外周を掘削し、且つ、内周側の第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃが計画された馬蹄形断面の掘削エリアを越えて掘削（オーバカット）しないように（つまり、第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃで常に第一ビット１８ａよりも内周側を掘削するように）、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御するようになっている。

より詳しくは、制御部１９は、カッタフレーム４が一回転するとき、可変ビーム１２の長手方向一端部に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設した第一ビット１８ａによる掘削エリアが隣り合う内周側の第二ビット１８ｂによる掘削エリアと重なり、且つ、内周側の第二ビット１８ｂによる掘削エリアがより内周側の第三ビット１８ｃの掘削エリアと重なるように、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御する。

制御部１９は、例えば図３から図５に示す各回転角度において、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設したビット１８ａが出張り、その第一ビット１８ａで馬蹄形断面の掘削孔の最外周を掘削し、且つ、第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃで第一ビット１８ａよりも内周側を掘削するように、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御する。

さらに本実施形態では、制御部１９は、最内周の第三ビット１８ｃによる掘削エリアが回転カッタ２（ビット５）による掘削エリアと重なるように、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御するようになっている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

地山を掘削する際には、回転カッタ２を回転駆動させると、その回転カッタ２によって地山が円形断面に掘削されて、円形断面の掘削孔が形成される（図１参照）。

また、図３から図５に示すように、回転カッタ２の回転角度に応じて、可変ビーム１２の長手方向一端部（ビット１８）を回転カッタ２の外周縁よりも径方向外側に突出させると、回転カッタ２により形成された円形断面の掘削孔の外周縁よりも径方向外側の未掘削領域の地山が、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８により掘削されて、円形断面の掘削孔に連続された馬蹄形断面の掘削孔が形成される。

また、回転カッタ２の回転角度に応じて各油圧ジャッキ１０のストロークを制御することで、図６に示すように、カッタフレーム４が一回転するとき、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設したビット１８ａで常に馬蹄形断面の掘削孔の最外周を掘削し、且つ、第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃで第一ビット１８ａよりも内周側を掘削することができる。

ここで、本実施形態では、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設した第一ビット１８ａの幅Ｗ１を、それよりも内周側に配設した第二ビット１８ｂの幅Ｗ２及び第三ビット１８ｃの幅Ｗ３よりも大きくし、カッタフレーム４が一回転するとき、最外周に配設した第一ビット１８ａで常に馬蹄形断面の掘削孔の最外周を掘削するように、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御している。このようにすることで、第一ビット１８ａは常に第二ビット１８ｂよりも外周側に位置し、第一ビット１８ａと第二ビット１８ｂとの間の地山が幅を大きくした第一ビット１８ａによって掘削されることとなり、第一ビット１８ａとそれよりも内周側の第二ビット１８ｂとの間が空くことを防止することができ、計画された馬蹄形断面の掘削エリアに対する未掘削量を極小に抑えることが可能となる。

より詳しくは、可変ビーム１２に設けた複数のビット１８のうち最外周に配設した第一ビット１８ａの幅Ｗ１を、その掘削エリアが隣り合う内周側の第二ビット１８ｂの掘削エリアと重なるように充分大きく設定すると共に、その内周側の第二ビット１８ｂの幅Ｗ２を、その掘削エリアがより内周側の第三ビット１８ｃの掘削エリアと重なるように設定し、カッタフレーム４が一回転するとき、最外周に配設した第一ビット１８ａによる掘削エリアが隣り合う内周側の第二ビット１８ｂによる掘削エリアと重なり、且つ、その内周側の第二ビット１８ｂによる掘削エリアがより内周側の第三ビット１８ｃの掘削エリアと重なるように、各油圧ジャッキ１０のストロークを制御している。このようにすることで、第一ビット１８ａと第二ビット１８ｂとの間の地山は第一ビット１８ａ及び第二ビット１８ｂのいずれかで掘削され、第二ビット１８ｂと第三ビット１８ｃの間の地山は第二ビット１８ｂ及び第三ビット１８ｃのいずれかで掘削されることとなり、第一ビット１８ａと第二ビット１８ｂとの間、第二ビット１８ｂと第三ビット１８ｃとの間がそれぞれ空くことを防止することができ、計画された馬蹄形断面の掘削エリアに対する未掘削量を極小に抑えることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態においては、シールド掘進機１を用いて馬蹄形断面の掘削孔を掘削する例を説明したが、シールド掘進機１を用いて、馬蹄形断面以外の異形断面（例えば、楕円形断面等）の掘削孔を掘削することも可能である。

本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図である。 可変ビーム及びビットを有するオーバカッタの概略図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。 可変ビーム及びビットを有するオーバカッタの掘削軌跡を示す概略図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
４ カッタフレーム
８ ガイド
９ 支持部
１０ 油圧ジャッキ（ジャッキ）
１２ 可変ビーム
１８ ビット
１９ 制御部（制御手段）

Claims (2)

1. シールド本体の前部に回転自在に設けられたカッタフレームと、該カッタフレームに放射状に設けられ、上記カッタフレームの周方向に互いに所定角度となるように配置された二つのガイドと、これら二つのガイドにそれぞれ設けられ、各ガイドの長手方向に沿って移動自在な支持部と、ビーム状に形成され、その長手方向端部よりも長手方向内側の部分が上記各支持部に回動自在に支持された可変ビームと、該可変ビームにおける上記各支持部よりも長手方向外側の部分に設けられた複数のビットと、上記各支持部を上記各ガイドの長手方向に沿って移動させるために上記各支持部にそれぞれ連結されたジャッキと、これら各ジャッキを伸縮させることにより、上記支持部の一方を上記ガイドの一方に沿って移動させ、上記支持部の他方を上記ガイドの他方に沿って移動させ、上記可変ビームの長手方向端部を上記カッタフレームの径方向外側に突出させる制御手段とを備え、
   上記可変ビームに設けた複数のビットのうち最外周に配設したビットにおける上記カッタフレームの径方向の掘削幅を、それよりも内周側に配設したビットにおける上記カッタフレームの径方向の掘削幅よりも大きくし、
   上記制御手段は、上記カッタフレームが一回転するとき、最外周に配設したビットで掘削孔の最外周を掘削するように、上記各ジャッキのストロークを制御することを特徴とするシールド掘進機。
2. 上記制御手段は、上記カッタフレームが一回転するとき、最外周に配設したビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアが隣り合う内周側のビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアと重なり、且つ、内周側のビットによる上記カッタフレームの周方向の掘削エリアがより内周側のビットの上記カッタフレームの周方向の掘削エリアと重なるように、上記各ジャッキのストロークを制御する請求項１記載のシールド掘進機。

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