JP5033257B1 - シールドトンネル掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削する箇所の地盤の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変える構造、地盤の硬さに応じてカッターヘッドの回転方向および回転速度を変化させる構造によって効率の良い掘進を可能とするシールドトンネル掘進機を提供する。
【解決手段】カッターヘッドが小径の内カッターヘッド１０と内カッターヘッドと同軸で取り付けられた大径の外カッターヘッド２０を備える。内カッターヘッド１０の回転シャフト１６はシャフトスライダー１８で前後方向にスライド可能となっている。なお、回転シャフト１６は隔壁３０ａおよび隔壁３０ａに支持された回転シャフト支持部３０ｂにより上下方向に安定して保持されている。第１のカッター駆動手段４０および第２のカッター駆動手段４１により内カッターヘッド１０と外カッターヘッド２０への回転駆動力の伝導径路をそれぞれ内外独立の別系統とし、回転方向、回転速度を自在に調整できるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、岩盤のような硬い地盤だけでなく、軟弱な地盤におけるトンネルの掘削も対応でき、作業能率の高いシールドトンネル掘進機に関する。

近年、都市部では、土地の有効利用の観点から、下水排水のため、また電力供給線、通信線等を敷設するために地下トンネルが広く掘削されている。現在、地下トンネルを掘削する技術としてシールド工法が注目されている。シールド工法に用いる機械としてシールドトンネル掘進機が広く実用に供されている。

シールドトンネル掘進機は、一般に、掘進機本体と、この掘進機本体の前端部に回転可能に設けられたカッターディスクと、カッターディスクを回転駆動するカッター駆動機構と、複数のシールドジャッキと、掘進機本体の後胴内に配設されてトンネル軸方向に所定長さ掘削する毎にトンネル内面を複数のセグメントで順次覆工していく為のエレクターと、スクリューコンベヤを含む排土機構を有する構造となっている。

従来のシールドトンネル掘進機は、一般に、掘進機本体が大きな円筒型をしており、その前面が回転可能に設けられたカッターディスクとなっており、シャフトにより回転駆動可能に支持されている。カッターディスクには例えば略十字形状に仕切るように４本のスポークが設けられており、このスポークの両側部には、所定間隔をあけて超硬合金製の切削チップであるカッタービットが多数配設されている。カッタービットで削り取った土砂をカッターチャンバ内に取り込むために、スポーク１２の両側に沿って所定幅のスリットが形成されている。カッターチャンバの背後には隔壁が設けられ、隔壁により土砂がトンネル掘進機本体の後方側へ流入しないように土留めしている。隔壁の下方には排土機構に通ずる排土孔が開いており、ここから土砂が排土機構へ運ばれていく。

カッターチャンバ内に取り込まれた土砂を排土機構により後方へ排出するが、従来はスリットから流入する土圧のみで土が排土機構へ押し出されていたが、大径トンネルを掘削する際にはカッターチャンバも大きくなり、粘性の高い土砂などはカッターチャンバ内で張り付いて溜まってしまうという問題があった。そこで、泥水式排泥設備を備えたものが多い。泥水式排泥設備とは、カッターチャンバ内の土砂に水を与える送水パイプを備え、土砂を泥水状にしてカッターチャンバ内から隔壁の下方の排土孔に流し出し、泥水として排出するものである。排泥管は、隔壁に貫通状に固定され、トンネル内を後方へ延び地上へ導出された排泥系に接続されている。

地下の地盤の状態はある程度地中レーダーなどにより探知することはできるが、地中の地盤の状態は多様であり、常に均一とは限らない。そのため、トンネルを掘進する予定のルート上の地盤の質が変わったり、まだら模様に入り組んでいたり場合もあり得る。つまり、地盤が硬い岩石や礫石が多く含まれている地盤もあれば、柔らかい土が多い地盤や、水分を含む泥地盤、さらには粘性の高い粘土地盤などもあり得る。

また、地盤の圧力も多様である。海底トンネルの掘削箇所などの大深度の地中では圧力が高く、また、一般に地盤が硬い岩盤であることが多い。

特開２００３−３５０９３号公報

しかし、上記従来のシールドトンネル掘進機では海底トンネルの掘削箇所、例えばドーバー海峡トンネルなどの大深度のトンネル掘削においては以下の問題がある。

第１の問題は、掘削箇所の硬さが硬い岩盤から柔らかい土まで多様である点である。
平地部分や海底の浅い部分は一般に地盤が軟らかい土壌である。ここで、地盤が軟らかい土壌であれば、比較的掘り進みやすく、掘削すべきトンネルの径に合わせた径に応じて比較的速い回転速度でどんどん堀進めて行けば良い。
しかし、海底トンネルの掘削箇所などの大深度の地中は上記したように一般に地盤が硬い岩盤である。ここで、従来のシールドトンネル掘進機は、掘削すべきトンネルの径に合わせた大径の一枚のカッターヘッドを大型のモータにより駆動回転するものであり、従来は岩盤に対して全面を同一方向に回転させ掘削させていたが、パワーを中心部分に集中させて突出したカッターヘッドで掘削した方が進みやすい。また、地盤の硬さに応じて回転方向と回転速度を調整することが好ましい。
このように、硬い岩盤から柔らかい土まで掘削箇所の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変化させた方が、また、その回転速度と回転速度を変えた方がその掘削効率が上がるものであるが、従来のシールドトンネル掘進機ではカッターヘッドの形状を変化させるのが一般には難しいものであった。

第２の問題は、岩盤から受ける反力によりバランスを崩すおそれである。
海底トンネルの掘削箇所などの大深度の地中は上記したように一般に地盤が硬い岩盤である。従来のシールドトンネル掘進機は、岩盤をカッタービットの刃を当てて細かく砕きながら掘進するため大きな反力を受ける。そのため、掘進機本体は、岩盤掘削により受ける反力に対抗する力がなければ、掘進機本体が回転により回転したり振動したりしてしまう。このように掘進機本体が回転したり振動したりしてしまうと正確なトンネルが掘れなくなってしまう。特に、カッターヘッドを同一方向しか回転しない場合、硬い岩盤から受ける反力により少しずつ曲がりが蓄積してゆき、掘削孔が傾いてしまうという問題が発生しうる。

第３の問題は、トンネル掘進中に地盤の質が変わり硬い地盤から軟弱地盤に遭遇すると、硬い岩盤用のカッターヘッドでは逆に適度な掘削反力が得られないために、空回りしてしまい掘進できなくなるおそれがある。そのため、ヘッドを交換するなどの対策のために工事が中断してしまうという問題があった。
上記のように従来のシールドトンネル掘進機では、大深度の海底トンネルなどのトンネル掘削に対して効果的ではなかった。

そこで、本願発明のシールドトンネル掘進機は、新しい概念で、硬い岩盤などの地盤から柔らかい土壌の地盤まで掘削する箇所の地盤の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変える構造、地盤の硬さに応じてカッターヘッドの回転方向および回転速度を変化させる構造によって効率の良い掘進を可能とするシールドトンネル掘進機を提供することを目的とする。

本発明のシールドトンネル掘進機は、カッタービットが多数配設されたカッターヘッドと、前記カッターベッドの背面側に形成されたカッターチャンバと、前記カッターチャンバ内の掘削土を排出する為の排土設備と、前記カッターディスクを回転駆動するカッター駆動手段と掘進機本体とを備えたシールド掘進機において、前記カッターヘッドが、小径の内カッターヘッドと前記内カッターヘッドを前端面に持つ内カッタードラムと、中央に前記内カッターヘッドドラムが収まる孔を持ち前記内カッターヘッドと同軸で取り付けられた大径の外カッターヘッドと前記外カッターヘッドを前端面に持つ外カッターヘッドドラムと、前記カッターチャンバが、前記内カッターヘッドドラム空間と前記外カッタードラム空間と前記外カッタードラム空間を仕切る隔壁に囲まれた空間であり、前記内カッターヘッドドラムを回転させる回転シャフトと、前記回転シャフトを前後にスライド移動させ、前記内カッターヘッドドラムを前記外カッターヘッドドラムに対して相対的に移動させるシャフトスライダーと、前記隔壁の前面において前記隔壁に固定された部位であり、前記回転シャフトを前記カッターチャンバ内で回転可能かつ前後スライド移動可能に支持する回転シャフト支持部を備え、前記内カッターヘッドが独立して前進後退自在なシールドトンネル掘進機である。
上記構成により、本願発明のシールドトンネル掘進機は、硬い岩盤などの地盤から柔らかい土壌の地盤まで掘削する箇所の地盤の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変える構造とすることができる。

ここで、上記構成において、前記内カッターヘッドの回転方向と前記外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向とし、前記隔壁および前記回転シャフト支持部は回転しない構造とすれば、前記隔壁および前記回転シャフト支持部は回転せずに安定した状態となり、シールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなるとともに、内カッターヘッドの回転方向と外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向であるので、カッターヘッドの回転と地盤からの反力が加わってもシールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなる。

なお、モータの配置についてもシールドトンネル掘進機全体のバランスを考慮することが好ましい。例えば、外カッターヘッドドラムの内周壁に対して回転駆動力を与えるよう配置された第２のカッター駆動手段がモータであり、外カッターヘッドの回転軸に対して等角度に３つ以上配置する。このようにモータの配置も工夫することにより、さらにシールドトンネル掘進機のバランスが良くなる。例えば、３つのモータを中心軸の周囲に１２０度間隔で均等に配置する構成や、４つのモータを中心軸の周囲に９０度間隔で均等に配置する構成がある。

次に、内カッターヘッドと外カッターヘッドとの形状の相対的変化について述べる。上記構成において、前記内カッターヘッド前端面が、前記外カッターヘッド前端面よりも前に配設されている凸状態から、前記外カッターヘッド前端面よりも後ろ配設されている凹状態まで、前記内カッターヘッドが独立して前進後退自在な構造であることが好ましい。
上記構成により、シールドトンネル掘進機の先端部において、内カッターヘッドが外カッターヘッドに対して前方に出て凸型となったり、同じ平面を構成したり、後方に下がって凹型となったり自在に変化することができ、岩盤の硬さに応じてシールドトンネル掘進機の先端部の形状を自在に変化させることができる。

次に、前記内カッターヘッドの回転方向と前記外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向とし、前記内カッターヘッドの回転速度と、前記外カッターヘッドの回転速度が、互いに独立して自在に調整可能であることが好ましい。
上記構成により、シールドトンネル掘進機において、地盤の硬さに応じてカッターヘッドの回転方向および回転速度を容易に変化させることができる。

また、前記カッター駆動手段が、前記内カッターヘッドにつながるシャフトに回転駆動力を与える第1のカッター駆動手段と、前記外カッターヘッドドラムの内周壁に対して回転駆動力を与える１または複数の第２のカッター駆動手段を備え、内カッターヘッドに回転駆動力を与える駆動手段および駆動力の伝導経路と、外カッターヘッドに回転駆動力を与える駆動手段および駆動力の伝導経路とをそれぞれ内外独立の別系統とする。
上記構成により、それぞれ内外独立の別系統であるので、岩盤を砕くカッターヘッドを内側と外側に分けつつ、パワー供給経路がそれぞれに独立しているので複数のモータなどの組み合わせが容易であり、従来のものよりも小さな筐体で全体として大きなパワーを得ることができる。

次に、シャフトスライダーによる回転シャフトのスライド制御に関して、内カッターヘッド１０に対して圧力センサを設けておき、前記内カッターヘッドにかかる岩盤からの負荷圧を前記圧力センサでとらえ、前記シャフトスライダーが、前記圧力センサから得られる岩盤からの負荷圧に応じて、前記内カッターヘッドをスライドさせる制御を行う構成とすることができる。
シールドトンネル掘進機の掘削状況を適切にモニタすることができ、状況に応じて内カッターヘッドを前後にスライドさせることができる。

次に、本発明のシールドトンネル掘進機では、排土処理が効率的にできる。従来のシールドトンネル掘進機では、土砂の持つ粘性によりカッターチャンバ内に土砂が貼り付いてしまうという不具合が発生しやすく、そのため送水パイプで水を供給し、泥水として汲み出していた。しかし、泥水が漏水しないように汲み出すためには配管設備が必要となりまた送水ポンプ設備、排水ポンプ設備も必要である。一方、本発明のシールドトンネル掘進機では、前記カッターチャンバの最外周面を形成する外カッターヘッドドラムが回転することにより、前記カッターチャンバ内に取り込まれた土砂が前記排土設備により取り込まれて運搬されるまでに撹拌することができる。つまり、カッターチャンバ内の土砂は攪拌により土砂や礫石が均質化しやすく、カッターチャンバの内壁面（外カッターヘッドドラムの内壁面）に貼り付くこともない。

本発明のシールドトンネル掘進機によれば、硬い岩盤などの地盤から柔らかい土壌の地盤まで掘削する箇所の地盤の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変える構造とすることができる。例えば、シールドトンネル掘進機の先端部において、内カッターヘッドが外カッターヘッドに対して前方に出て凸型となったり、同じ平面を構成したり、後方に下がって凹型となったり自在に変化することができ、岩盤の硬さに応じてシールドトンネル掘進機の先端部の形状を自在に変化させることができる。
また、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、地盤の硬さに応じてカッターヘッドの回転方向および回転速度を容易に変化させることができる。
また、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、シールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなるとともに、内カッターヘッドの回転方向と外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向であるので、カッターヘッドの回転と地盤からの反力が加わってもシールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなる。
また、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、内カッターヘッドと外カッターヘッドに回転駆動力を与える駆動手段と駆動力の伝導経路がそれぞれ内外独立の別系統であるので、複数のモータなどの組み合わせが容易であり、従来のシールドトンネル掘進機よりも小さな筐体で全体として大きなパワーを得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明のシールドトンネル掘進機の実施形態を説明する。ただし、本発明の技術的範囲は以下の実施形態に示した具体的な用途や形状・寸法などには限定されない。

本発明のシールドトンネル掘進機１００の構成例を示す。図１は、本発明のシールドトンネル掘進機の構成例を示す図である。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図となっている。図２は本発明のシールドトンネル掘進機１００の内部構造を模式的に示した図であり、図２（ａ）はＡ−Ａ線断面図を模式的に示しており、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図を模式的に示しており、図２（ｃ）はＣ−Ｃ線断面図を模式的に示している。なお、図２において隔壁を支える支柱３２や、外カッターヘッドドラム２５を支える支持構造などは図示を省略している。

本発明のシールド掘削機は、図１に示すように、概略、前端中央側にある内カッターヘッド１０、そのやや後方にある外カッターヘッド２０、外カッターヘッドを前端面に持つ外カッターヘッドドラム２５、その後方に控える本体部分である掘進機本体６０がある。

まず、内カッターヘッド１０について説明する。
内カッターヘッド１０は、面板１１、スポーク１２、カッタービット１３、スリット１４、内カッターヘッドドラム１５、回転シャフト１６、ギア１７を備えた構造となっている。また、後段の外ヘッドドラム６０側に、回転シャフト１６を回転自在かつ前後スライド移動自在に支持するシャフトスライダー１８を備えた構造となっている。

この構成例では、図１（ａ）に示したように、面板１１を略十字形状に仕切るように複数本のスポーク１２（この例では４本）が設けられている。この内カッターヘッド１０部分は、本実施例では、後方の隔壁３０を貫通して配置されている回転シャフト１６により回転駆動可能に支持されている。各スポーク１２の両側部には、所定間隔をあけて複数個のカッタービット１３が配設されている。カッタービット１３は、例えば超硬合金製の切削チップからなり、スポーク１２に堅固に固着されている。

また、カッタービット１３で削られた土砂をカッターチャンバ３２内に取り込むために、スポーク１２の両側に沿って所定幅のスリット１４が形成されている。
内カッターヘッドドラム１５は、円筒径のドラムであり、内カッターヘッド全体の筐体である。この構成例では、後述する外カッターヘッドに開けられた孔に収まる径となっており、後述する図４（ａ）、図５（ａ）に示すように内カッターヘッドドラム１５と外カッターヘッドドラム２５とは独立して回転可能なように配設される。

次に、回転シャフト１６は、第１の駆動手段４０により駆動力が与えられる。この実施例ではモータとなっている。ここでは、モータが回転シャフト１６を挟んで上下併せて２つあり、２つのモータの協働により回転シャフト１６が回転する。この第１の駆動手段４０により内カッターヘッド１０の回転が制御される。なお、正逆回転どちらでも制御できるものとする。なお、回転シャフト１６には第１の駆動手段４０のトルクにより回転しやすいようにギア１７が設けられている。なお、この構成例では、ギア１７は後述するように回転シャフト１６がシャフトスライダー１８により前後にスライド移動しても第１の駆動手段４０のトルクを伝達できるように前後方向にある程度の長さを持って設けられている。

次に、シャフトスライダー１８について説明する。
シャフトスライダー１８は、回転シャフト１６を前後にスライド移動させ、内カッターヘッドドラム１０を外カッターヘッドドラム２０に対して前後方向に相対的に移動させるものである。
この構成例では、シャフトスライダー１８は掘進機本体６０側に配設されている。シャフトスライダー１８の内部構造などは特に限定されることはないが、回転シャフト１６を回転軸方向に回転可能に支持しつつ、かつ、回転シャフト１６を前後方向にスライド可能に支持するものとなっている。図２では回転シャフト１６が前方にスライドする様子を簡単に示している。

回転シャフト１６は、ある程度の長さがあり、かつ、先端には内カッターヘッド１０が取り付けられているため、上下方向に安定した形で前後にスライド移動させるように支持を補強することが望ましい。そこで、ここでは、シャフトスライダー１８のみならず、隔壁３０ａおよび回転シャフト支持部３０ｂの２点においても支持することにより、回転シャフト１６を上下方向に安定した形で支えている。この隔壁３０ａおよび回転シャフト支持部３０ｂについては後で詳しく述べる。

なお、図示しないが内カッターヘッド１０に対して圧力センサを設けておき、後述するように、内カッターヘッド１０にかかる岩盤からの負荷圧を圧力センサでとらえ、シャフトスライダー１８が、圧力センサから得られる岩盤からの負荷圧に応じて、内カッターヘッド１０を相対的に前後移動させるスライド動作を制御する構成であっても良い。

次に、外カッターヘッド２０は、面板２１、スポーク２２、カッタービット２３、スリット２４、内カッターヘッドドラム２５、トルク伝導部２６を備えた構造となっている。
この構成例では、図１（ａ）に示したように、面板２１を略十字形状に仕切るように複数本のスポーク２２（この例では４本）が設けられている。各スポーク２２の両側部には、所定間隔をあけて複数個のカッタービット２３が配設されている。カッタービット２３は、例えば超硬合金製の切削チップからなり、スポーク１２に堅固に固着されている。

また、カッタービット２３で削られた土砂をカッターチャンバ３２内に取り込むために、スポーク２２の両側に沿って所定幅のスリット２４が形成されている。

外カッターヘッドドラム２５は、円筒径のドラムであり、外カッターヘッド全体の筐体である。この構成例では、外カッターヘッドドラム２５の中央付近に、内カッターヘッドドラム１５を受け入れるための孔が開けられている。この孔に内カッターヘッドドラム１５が収まる構造となっている。なお、後述するように内カッターヘッドドラム１５と外カッターヘッドドラム２５とは独立して回転可能なように配設される。

外カッターヘッドドラム２５は、図３に示す支柱３２ａにより後段の掘進機本体６０側に支持される形で回転可能に支持されているものとする。そのため、内カッターヘッド１０および外カッターヘッド２０は互いに独立に駆動されることとなる。

外カッターヘッドドラム２５は、その内壁面において第２の駆動手段４１により駆動力が与えられる構造となっている。この実施例では第２の駆動手段４１はモータとする。第２の駆動手段４１により外カッターヘッド２０の回転が制御される。なお、正逆回転どちらでも制御できるものとする。この構成例では第２の駆動手段４１であるモータは、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図に示すように、３つの第２の駆動手段４１が設けられており、中心軸から互いに１２０度の間隔で均等に配置されている。
第１の駆動手段４０は回転シャフト１６に対して設けられていたが、第２の駆動手段４１は外カッターヘッドドラム２５の内周壁に対して回転駆動力を与えるよう配置されており、回転シャフト１６には取り付けられていない。このように、第１の駆動手段４０が内カッターヘッド１０に駆動力を伝導する伝導径路と、第２の駆動手段４１が外カッターヘッド２０に駆動力を伝導する伝導径路が内外独立の別系統となっている。

次に、隔壁３０について説明する。
ここで、隔壁３０ａは、掘削で生じる土砂を一時貯留するカッターチャンバを形成する仕切壁であり、隔壁３０ａは、内カッターヘッドドラム１０および外カッタードラム２０が回転する空間と、外カッタードラム６０との空間を仕切る壁面であり、この隔壁３０ａにより、両空間が仕切られている。この隔壁３０ａは宙に浮いた状態で回転することなく、安定した状態で外カッタードラム６０側に支持されている。図２（ａ）に示した例では、隔壁３０ａは外カッターヘッドドラム２５の中で内カッターヘッド１０の後方位置に設けられている。
隔壁３０には下方に排土孔３１、後方に隔壁全体を支える複数の支柱３２が設けられている。図中、隔壁３０により形成されるカッターチャンバはカッターチャンバ３３として示されている。

排土孔３１は密閉されたカッターチャンバ３３から土砂が排出される出口であり、排土設備のスクリューコンベア５０の土砂投入口が配置される。後述する図５のように土砂が排出されて行き、スクリューコンベア５０の後段にはさらに後方へ排出するためのベルトコンベア５１が配設されている。

支柱３２ａは隔壁３０の後方から延設されており、その先は後段にある掘進機本体６０に対して支持されている。つまり、隔壁３０ａは、後段にある掘進機本体６０から複数本の支柱３２ａを介して宙に浮いた状態で回転しないように配設されている。つまり、掘進機本体６０は回転しないので、掘進機本体６０により支柱３２ａを介して支持固定される隔壁３０は宙に浮いた状態で固定されて不動である。

排土孔３１は隔壁３０の下方に固定されているため、隔壁３０が回転すると排土孔３１の位置が動いてしまうが、本発明のシールドトンネル掘進機１００では内カッターヘッド１０や外カッターヘッド２０が回転しても隔壁３０は内カッターヘッド１０や外カッターヘッド２０と連結している部分がなく連動して回転せず、掘進機本体６０により宙に浮いた状態で固定される。
次に、回転シャフト支持部３０ｂは、隔壁３０ａの前面に設けられた部位であり、隔壁３０ａの一部が前方に突出して固定されている部位とみることもできる。つまり、この隔壁３０ａと回転シャフト支持部３０ｂはともに回転運動とは独立して不動である。後述する図３に示すように、隔壁３０ａが支柱３２ａによりシールド掘進機１００の本体部分とも言える外カッタードラム６０側に固定されており、さらに、回転シャフト支持部３０ｂは支柱３２ｂにより隔壁３０ａに固定されているため、この隔壁３０ａと回転シャフト支持部３０ｂとシールド掘進機１００の本体部分である外カッタードラム６０とは一体化して安定した状態で回転もせず、回転シャフト１６の前後方向へのスライド移動時もの動かない。

図３は内カッターヘッド１０、外カッターヘッド２０、隔壁３０ａ、回転シャフト支持部３０ｂの相対的動作について分かりやすく説明した図である。隔壁３０ａが設けられているＣ−Ｃ線付近の外カッターヘッドドラム２５と、隔壁３０ａと、回転シャフト支持部３０ｂと、回転シャフト１６を抜き出して示している。

図３に示したように、隔壁３０ａの中央付近に回転シャフト１６が貫通するように配設されており、回転シャフト１６は隔壁３０ａに対して回転可能に支持されている。隔壁３０ａの後面側には第１の駆動手段４０（図３には図示せず）が配設されており、所定のギヤ列からなる駆動力伝達構造を介して回転シャフト１６が回動可能となっている。また、外カッターヘッドドラム２５は最外周にあり、図示しない支持機構により回動可能に支持されており、隔壁３０ａに連結せずに回動する。一方、隔壁３０ａは、複数本の支柱３２により掘進機本体１００により宙に浮いた状態で不動に固定されており回転しない。
回転シャフト支持部３０ｂは、支柱３２ｂにより隔壁３０ａに固定されているため、隔壁３０ａと同様、宙に浮いた状態で固定されており、中央付近に回転シャフト１６が貫通するように配設されている。

なお、回転シャフト１６、隔壁３０ａ、回転シャフト支持部３０ｂ、外カッターヘッドドラム２５の内周壁面は連結することなく独立しているが、実際には摩擦が生じるのを防止するため、境目にベアリング等を設けておくことが好ましい。
隔壁３０の後方位置に配置された掘進機本体６０の各種設備については従来のシールドトンネル掘進機の掘進機本体６０の各種設備と同様で良い。

次に、シールドトンネル掘進機１００の掘削動作について説明する。
図４および図５は、シールドトンネル掘進機１００の内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０に対して相対的に前後に移動する様子を示している。

図４（ａ）は、内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０の位置まで下がっている様子を示している。なお、内カッターヘッド１０の移動範囲はシャフトスライダー１８の調整により決まり、例えば、内カッターヘッド１０が最も下がった位置が外カッターヘッド２０の位置よりもさらに低く、シールドトンネル掘進機１００の先端形状がいわゆる凹型になるまで下がれるように移動範囲を広くすることも可能である。

つまり、シャフトスライダー１８によるスライド調整範囲としては、内カッターヘッド１０の前端面が、外カッターヘッド２０の前端面よりも前に配設されている凸状態から、外カッターヘッド２０の前端面よりも後ろ側に配設されている凹状態まで、内カッターヘッド１０が独立して前進後退自在なものとする。
なお、図４（ａ）の例では、両者の位置が同じであり、シールドトンネル掘進機１００の先端形状がいわゆるフラットになっている。

図４に示すように、例えば、第１の駆動手段４０が時計回りに回転すると、回転シャフト１６が時計回りに回転し、回転シャフト１６により駆動力が内カッターヘッド１０に伝導されて内カッターヘッド１０が時計回りに回転する。また、第２の駆動手段４１が反時計回りに回転すると、外カッターヘッドドラム２５の内周壁面に回転力が伝導され、外カッターヘッドドラム２５全体が反時計回りに回動することによりその前端面の外カッターヘッド２０が反時計回りに回動する。なお、隔壁３０ａは図４には図示していないが支柱３２ａを介して支えられており、第１の駆動手段４０および第２の駆動手段４１の駆動力は伝導されず、回動しない。同様に、回転シャフト支持部３０ｂは支柱３２ｂを介して隔壁３０ａにより支えられており回動しない。

図４（ａ）の状態から、シャフトスライダー１８により回転シャフト１６が押し出され、内カッターヘッド１０が前方に押し出されてゆく。

図４（ｂ）は、内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０の位置よりも前方に移動し、シールドトンネル掘進機１００の先端形状がいわゆる凸型に変形した様子を示している。
なお、このように内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０に対して相対的に前後に移動する場合、一時的に内カッターヘッド１０の回転駆動を停止した上でシャフトスライダー１８により前後に移動させても良いし、内カッターヘッド１０の回転駆動は停止せずに回転させたままシャフトスライダー１８により前後に移動させる構成であっても良い。

次に、図５（ａ）から図５（ｂ）は、内カッターヘッド１０の位置が図４（ｂ）に示した位置よりもさらに前方に移動し、シールドトンネル掘進機１００の先端形状がさらに突出した凸型に変形した様子を示している。
先端形状を変形して凸型にした場合、内カッターヘッド１０の前端面は外カッターヘッド２０の前端面よりも前方に位置しているため、第１の駆動手段４０の駆動力のパワーを内カッターヘッド１０の面積に集中することができ、前方の岩盤を砕くとともに、後方の外カッターヘッド２０により複数の第２の駆動手段４１の駆動力のパワーにより周囲の岩盤を削ることができる。

以上、このように、シールドトンネル掘進機１００は、掘削する岩盤や地盤の硬さや礫の多さなどに応じて先端形状を変形することができる。

次に、シールドトンネル掘進機１００が回転して掘削した土砂の排出について説明しておく。
図６はトンネル掘進により削り取られてカッターチャンバ３３内に流入してきた土砂を掘進機本体６０側に排出する動作を分かりやすく示した図である。
図６（ａ）はシールドトンネル掘進機１００の先端形状が図４（ｂ）に示した凸型の場合において土砂が取り込まれて排出される様子を簡単に示す図であり、図６（ｂ）はシールドトンネル掘進機１００の先端形状が図５（ｂ）に示した凸型の場合において土砂が取り込まれて排出される様子を簡単に示す図である。

図６に示すように、本発明のシールドトンネル掘進機１００が進行すると、トンネル掘進が行われ、内カッターヘッド１０のカッタービット１３の両側端のスリット１４、外カッターヘッド２０のカッタービット２３の両側端の２４を介してカッターチャンバ３３内に土砂が流入してくる。土砂はスリット１４、２４を介して流入するのである程度細かい土砂や礫石となっている。これらはカッターチャンバ３３内で重力により下方に落ちる。

ここで、外カッターヘッドドラム２５は、図６に示すように回転しているので、土砂はカッターチャンバ３３内で撹拌され、外カッターヘッドドラム２５の内壁面に貼り付くことがない。いわゆるコンクリートミキサー車のように撹拌され、外周壁面が回転することにより、内部の材質が壁面に貼り付くことなく内部で流動状態を保ちやすい。

カッターチャンバ３３内には土砂が次々と流入してくるので、土圧が発生し、土砂は徐々に後方に送られて行く。重力により下方に集まり、その結果、排土孔３２に集まりやすくなる。排土孔３２にはスクリューコンベア５０があり、次々と排土孔３２を介して後段の掘進機本体６０側に送られて行く。
上記のように、内カッターヘッド１０が外カッターヘッド２０に対して相対的に前後に移動しても、カッターチャンバ３３内への土砂の取り込み処理、排土孔３２を介した土砂の排出処理は影響受けることなく継続することができる。

次に、内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を自在に変化させる制御と、内カッターヘッド１０の回転速度と外カッターヘッド２０の回転速度を互いに独立して自在に調整可能とする制御について述べる。

まず、内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を自在に変化させる制御について述べる。
図７は、内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を互いに逆方向とする制御を簡単に示す図である。

図７（ａ）は、内カッターヘッド１０が反時計回り、外カッターヘッド２０が時計回りに回転している様子を示す図である。
硬い岩盤などを切削する場合には内カッターヘッド１０、外カッターヘッド２０ともに大きな反力を受けるが、図７（ａ）のように、内カッターヘッド１０は反時計回りに回転する一方、外カッターヘッド２０は時計回りに回転しているので、相互に受ける反力は逆方向であり、全体として反力がキャンセルする方向に働き、バランスをとることができる。

図７（ｂ）は、図７（ａ）とは逆で、内カッターヘッド１０が時計回り、外カッターヘッド２０が反時計回りに回転している様子を示した図である。図７（ａ）と同様、内カッターヘッド１０は時計回りに回転する一方、外カッターヘッド２０は反時計回りに回転しているので、相互に受ける反力は逆方向であり、全体として反力がキャンセルする方向に働き、バランスをとることができる。

なお、図７（ａ）のように回転させたり、その逆で図７（ｂ）のように回転させたりする回転方向の制御は、第１の駆動手段４０の回転方向、第２の駆動手段４１の回転方向を制御することにより簡単に切り替えることができる。
また、当然、内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を互いに同方向とする制御も可能である。

図８は、内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を互いに同方向とする制御を簡単に示す図である。
図８（ａ）は、内カッターヘッド１０が反時計回り、外カッターヘッド２０も同じ反時計回りに回転している様子を示す図である。一方、図８（ｂ）は、図８（ａ）とは逆で、内カッターヘッド１０が時計回り、外カッターヘッド２０も同じ反時計回りに回転している様子を示した図である。

なお、図８の場合、シールドトンネル掘進機１００の先端形状は、内カッターヘッド１０が前方にスライドしているいわゆる凸型でも良いし、内カッターヘッドが後方にスライドしている平面型や凹型であっても良い。特に、内カッターヘッド１０を外カッターヘッド２０と同一平面の平面型となり、回転速度も同じならば、あたかも大きな一枚のカッターが回転している場合と同様にすることも可能である。

次に、内カッターヘッド１０の回転速度と外カッターヘッド２０の回転速度を互いに独立して自在に調整可能とする制御について述べる。
図９は、内カッターヘッド１０の回転速度と外カッターヘッド２０の回転速度を変化させる様子を簡単に示す図である。この例では、図８（ａ）と同様、内カッターヘッド１０が反時計回り、外カッターヘッド２０が時計回りに回転している場合を示している。

図９（ａ）は、内カッターヘッド１０の回転速度を速くし、外カッターヘッド２０の回転速度を遅く制御している場合を簡単に示している。
図９（ｂ）は、内カッターヘッド１０の回転速度を遅くし、外カッターヘッド２０の回転速度を速く制御している場合を簡単に示している。
このように、内カッターヘッド１０の回転速度と外カッターヘッド２０の回転速度は互いに独立して自在に制御することができる。なお、回転速度の制御は、第１の駆動手段４０の回転速度、第２の駆動手段４１の回転速度を各々独立して制御することにより簡単に調整することができる。

上記実施例に示したように、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、硬い岩盤などの地盤から柔らかい土壌の地盤まで掘削する箇所の地盤の硬さに応じてカッターヘッドの形状を変える構造とすることができる。例えば、シールドトンネル掘進機の先端部において、内カッターヘッドが外カッターヘッドに対して前方に出て凸型となったり、同じ平面を構成したり、後方に下がって凹型となったり自在に変化することができ、岩盤の硬さに応じてシールドトンネル掘進機の先端部の形状を自在に変化させることができる。
また、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、地盤の硬さに応じてカッターヘッドの回転方向および回転速度を容易に変化させることができる。
また、本発明のシールドトンネル掘進機によれば、シールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなるとともに、内カッターヘッドの回転方向と外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向であるので、カッターヘッドの回転と地盤からの反力が加わってもシールドトンネル掘進機全体のバランスが良くなる。

以上、本発明のシールドトンネル掘進機における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明は、シールドトンネル掘進機に対して広く適用することができる。

本発明のシールドトンネル掘進機の構成例を示す図である。 本発明のシールドトンネル掘進機１００の内部構造を模式的に示した図である。 内カッターヘッド１０、外カッターヘッド２０、隔壁３０ａ、回転シャフト支持部３０ｂの相対的動作について分かりやすく説明した図である。 内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０に対して相対的に前後に移動する様子を示す図（その１）である。 内カッターヘッド１０の位置が外カッターヘッド２０に対して相対的に前後に移動する様子を示す図（その２）である。 トンネル掘進により削り取られてカッターチャンバ３３内に流入してきた土砂を掘進機本体６０側に排出する動作を分かりやすく示した図である。 内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を互いに逆方向とする制御を簡単に示す図である。 内カッターヘッド１０の回転方向と外カッターヘッド２０の回転方向を互いに同方向とする制御を簡単に示す図である。 内カッターヘッド１０の回転速度と外カッターヘッド２０の回転速度を変化させる様子を簡単に示す図である。

１０ 内カッターヘッド
１１ 面板
１２ スポーク
１３ カッタービット
１４ スリット
１５ 内カッターヘッドドラム
１６ 回転シャフト
１７ ギア
１８ シャフトスライダー
２０ 外カッターヘッド
２１ 面板
２２ スポーク
２３ カッタービット
２４ スリット
２５ 外カッターヘッドドラム
２６ トルク伝導部
３０ａ 隔壁
３０ｂ 回転シャフト支持部
３１ 排土孔
３２ａ，３２ｂ 支柱
３３ カッターチャンバ
４０ 第１の駆動手段
４１ 第２の駆動手段
５０ スクリューコンベア
５１ ベルトコンベア
６０ 掘進機本体
１００ シールドトンネル掘進機

Claims (8)

1. カッタービットが多数配設されたカッターヘッドと、前記カッターベッドの背面側に形成されたカッターチャンバと、前記カッターチャンバ内の掘削土を排出する為の排土設備と、前記カッターディスクを回転駆動するカッター駆動手段と掘進機本体とを備えたシールド掘進機において、
   前記カッターヘッドが、小径の内カッターヘッドと前記内カッターヘッドを前端面に持つ内カッタードラムと、中央に前記内カッターヘッドドラムが収まる孔を持ち前記内カッターヘッドと同軸で取り付けられた大径の外カッターヘッドと前記外カッターヘッドを前端面に持つ外カッターヘッドドラムと、
   前記カッターチャンバが、前記内カッターヘッドドラム空間と前記外カッタードラム空間と前記外カッタードラム空間を仕切る隔壁に囲まれた空間であり、
   前記内カッターヘッドドラムを回転させる回転シャフトと、
   前記回転シャフトを前後にスライド移動させ、前記内カッターヘッドドラムを前記外カッターヘッドドラムに対して相対的に移動させるシャフトスライダーと、
   前記隔壁の前面において前記隔壁に固定された部位であり、前記回転シャフトを前記カッターチャンバ内で回転可能かつ前後スライド移動可能に支持する回転シャフト支持部を備え、
   前記内カッターヘッドが独立して前進後退自在なシールドトンネル掘進機。
2. 前記内カッターヘッドの回転方向と前記外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向とし、前記隔壁および前記回転シャフト支持部は回転しないことを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル掘進機。
3. 前記内カッターヘッド前端面が、前記外カッターヘッド前端面よりも前に配設されている凸状態から、前記外カッターヘッド前端面よりも後ろ配設されている凹状態まで、前記内カッターヘッドが独立して前進後退自在な構造である請求項１または２に記載のシールドトンネル掘進機。
4. 前記内カッターヘッドの回転方向と前記外カッターヘッドの回転方向を互いに逆方向とし、前記内カッターヘッドの回転速度と、前記外カッターヘッドの回転速度が、互いに独立して自在に調整可能である請求項１から３のいずれか１項に記載のシールドトンネル掘進機。
5. 前記カッター駆動手段が、前記内カッターヘッドにつながるシャフトに回転駆動力を与える第1のカッター駆動手段と、前記外カッターヘッドドラムの内周壁に対して回転駆動力を与える１または複数の第２のカッター駆動手段を備え、
   内カッターヘッドに回転駆動力を与える駆動手段および駆動力の伝導経路と、外カッターヘッドに回転駆動力を与える駆動手段および駆動力の伝導経路とをそれぞれ内外独立の別系統としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシールドトンネル掘進機。
6. 内カッターヘッド１０に対して圧力センサを設けておき、前記内カッターヘッドにかかる岩盤からの負荷圧を前記圧力センサでとらえ、前記シャフトスライダーが、前記圧力センサから得られる岩盤からの負荷圧に応じて、前記内カッターヘッドをスライドさせる制御を行う請求項１から５のいずれか１項に記載のシールドトンネル掘進機。
7. 前記カッターチャンバの最外周面を形成する外カッターヘッドドラムが回転することにより、前記カッターチャンバ内に取り込まれた土砂が前記排土設備により取り込まれて運搬されるまでに撹拌することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシールドトンネル掘進機。
8. 前記外カッターヘッドドラムの内周壁に対して回転駆動力を与えるよう配置された前記第２のカッター駆動手段がモータであり、前記外カッターヘッドの回転軸に対して等角度に３つ以上配置したことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のシールドトンネル掘進機。

Images