JP5574904B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、円形断面を掘削するメインカッタに加えて異形断面を掘削するサブカッタを備えたトンネル掘削機に関するものである。

近年、矩形、楕円形、卵形、馬蹄形等のように特殊な断面（異形断面）のトンネルが施工されるようになってきている。異形断面のトンネルは、内部構造物の寸法的制約が少ないため、幅広い用途に用いられている。

従来、異形断面のトンネルを施工する場合、特許文献１や特許文献２に開示されているように、円形のメインカッタの外周に開閉自在にスイングカッタを設けたシールド掘削機が用いられ、メインカッタの所定の回転位置でスイングカッタを開いて異形部の掘削をおこなうようになっている。

メインカッタの回転方向に応じて正逆回転用のスイングカッタが設けられ、それぞれのスイングカッタの開閉はトラニオン型のスイングジャッキの伸縮駆動により行われ、スイングカッタの開閉に伴ってスイングジャッキ自体も揺動するようになっている。

ところで、このようなスイングカッタ機構にあっては、掘削中のスイングカッタの開閉によりスイングジャッキの伸縮による揺動が繰り返され、また、メインカッタの回転方向に応じて反対側のスイングジャッキは固定された状態にあるため、常にスイングジャッキの間の空間が変化しているとともに、スイングカッタが閉じられた際にスイングカッタの先端とシールド掘削機のフレーム等との間の空間に掘削土砂がたまることから、掘削土砂に圧密や固結が生じてスイングカッタの作動不良を招き所望の掘削断面が得られなくなるという虞がある。

そこで、特許文献１や特許文献２のスイングカッタ機構では、正回転用のスイングジャッキと逆回転用のスイングジャッキとの空間に土砂粒度調整剤の注入口を設けかつ正回転用のスイングジャッキと逆回転用のスイングジャッキとにわたり弾性体を固定したり（特許文献１の場合）、圧密土砂を破砕するための突起をスイングカッタの内側に設けたり（特許文献２の場合）して、上述した虞を解消している。

特許第２８８３０７５号公報 特許第２８８３０７６号公報

ところが、上述した特許文献１や特許文献２のスイングカッタ機構にあっては、正逆回転用のスイングカッタが依然として別個に設けられているとともに、掘削土砂の圧密や固結によるスイングカッタの作動不良を防止する構造が施されているので、部品点数の増大と構造の煩雑化によりコストアップを招来するとともに装置に対する信頼性も低いという問題点があった。

そこで、本発明は、カッタ構造を簡略化して異形断面を円滑かつ安価に掘削することができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
中央円筒部材と外周リングとの間にカッタスポークと前壁および後壁の二重壁から成る保護鉄板が交互に架設されて掘削機本体の前部に円形断面を掘削するメインカッタを正逆回転自在に設けるとともに、前記メインカッタの外周であって前記前壁と前記後壁との間に非円形断面を掘削するサブカッタを揺動自在に備え、前記サブカッタはその揺動支点を境に複数の正回転用ビットと逆回転用ビットとを対称に備えるとともに前記揺動支点からずれた位置に、基端部が前記メインカッタに枢支されたスイングジャッキの先端部を枢支させ、前記スイングジャッキの伸縮により前記複数の正回転用ビットと逆回転用ビットとがメインカッタに対し選択的に出没可能としたことを特徴とする。

また、
前記サブカッタは、メインカッタの点対称位置に二個配設されることを特徴とする。

また、
前記サブカッタは、山形状に形成されて成り、その長手方向中間部において山形形状部を前記保護鉄板の外周部に沿わせて軸支され、前記各正回転用ビットと各逆回転用ビットは、サブカッタの前面において前記山形形状部に沿い所定間隔離間しかつ揺動支点を境にハの字状に対称に配設されるとともに、それぞれ掘削前方を指向して斜めに配設されることを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機によれば、サブカッタの部品点数削減及び構造の簡略化が図れ、掘削土砂の圧密や固結等によるサブカッタの作動不良が回避されるとともにサブカッタに掛かるコストの低減が可能となり、異形断面を円滑かつ安価に掘削することができる。

本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の概略構成図である。 泥土圧式シールド掘削機の正面図である。 サブカッタの外観図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の概略構成図、図２は泥土圧式シールド掘削機の正面図、図３はサブカッタの外観図である。

本実施例で説明するトンネル掘削機は、切羽に加泥剤を注入しながら掘削した土砂をスクリューコンベアにより外部に排出しながらトンネルを構築する泥土圧式シールド掘削機である。

図１に示すように、略矩形断面をなす掘削機本体１０の前部には円環部材（回転リング）１１が回転軸受１２を介して回転自在に支持され、回転軸受１２の外周には大歯車１３が設けられている。掘削機本体１０には駆動モータ（カッタ旋回電動モータ）１４が設けられ、駆動モータ１４の出力軸には駆動ピニオン１５が設けられている。駆動ピニオン１５は大歯車１３に噛み合い、駆動モータ１４の駆動により駆動ピニオン１５及び大歯車１３（回転軸受１２）を介して円環部材１１が正逆回転可能に駆動される。

前記円環部材１１には中間支持部材（連結ビーム）１６を介してトンネルの円形断面を掘削する円形のメインカッタ１７が固定され、このメインカッタ１７の中央円筒部材１８と外周リング１９との間には２本のカッタスポーク２０と２枚の保護鉄板（面盤）２１が交互に９０度の間隔で架設される。即ち、各カッタスポーク２０と各保護鉄板２１とはそれぞれ点対称に配置されるのである。

前記中央円筒部材１８は、その先端にトンネルの中央部を掘削するフィッシュテールカッタ２２が設けられるとともに、後端にはロータリジョイント２３が連結されてなる。このロータリジョイント２３には中央円筒部材１８の回転角、即ち、メインカッタ１７の回転角を検出する図示しない回転検出装置が設けられている。また、ロータリジョイント２３には図示しない各種配管が設けられ、メインカッタ１７に装備された油圧機器、流体機器及び電気機器等に対し掘削機本体１０側からそれぞれ油圧、流体の給排や電力の供給・停止が可能になっている。

前記各カッタスポーク２０の前面には多数のカッタビット２４が取り付けられるとともに加泥注入口２５が開口形成される。

前記各保護鉄板２１は、前，後壁２１ａ，２１ｂの二重壁からなり、その前壁２１ａの前面に多数の保護ビット２６が取り付けられるとともに、前，後壁２１ａ，２１ｂ間にトンネルの非円形断面を掘削するサブカッタ２７が設けられる。このサブカッタ２７の詳細な説明は後述する。

また、掘削機本体１０内には、掘削土砂を外部に搬出するためのスクリューコンベア２８が配設されており、その前部が下方に傾斜して掘削機本体１０の前壁部を貫通してメインカッタ１７の後方空間部に開口している。

一方、掘削機本体１０の後部には、その内周面に沿ってリングガータ２９が固定されており、このリングガータ２９には複数本のシールドジャッキ（推進ジャッキ）３０が掘削機本体１０の周方向に沿って装着されており、このシールドジャッキ３０を後方に伸長してスプレッダ３１を既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１０が前進することができる。

また、リングガータ２９には旋回リング３２が掘削機本体１０の周方向に沿って旋回自在に支持され、駆動モータ（リング旋回電動モータ）３３により旋回駆動可能となっており、この旋回リング３２にセグメントＳを組み立てるエレクター装置３４が設けられている。さらに、リングガータ２９には左右一対の支柱３５が固定され、この支柱３５からは後方に向かってほぼ水平な架台３６が延設されており、この架台３６にはセグメントＳの組み立てを補助する形状保持装置３７が前後方向に移動自在に装着されている。

前述したサブカッタ２７は、図２に示すように、細長いブロック体でかつ正面視で低くなだらかな山形状に形成されてなり、その長手方向中間部において、山形形状部を保護鉄板２１の外周部に沿わせて当該保護鉄板２１の前，後壁２１ａ，２１ｂ間に枢軸４０を介して揺動自在に軸支（枢支）される。このサブカッタ２７の前面には前記枢軸４０を境に複数個（図示例では５個）からなる正回転用ビット４１ａと逆回転用ビット４１ｂとが対称に取り付けられる。

また、サブカッタ２７の前記揺動支点（枢軸４０）からずれた位置に、基端部が前記保護鉄板２１における内周部の前，後壁２１ａ，２１ｂ間に枢軸４２を介して回動自在に軸支（枢支）されたスイングジャッキ４３のピストンロッド先端部がピン４４を介して回動自在に枢支される。そして、前記スイングジャッキ４３の伸縮により前記正回転用ビット４１ａと逆回転用ビット４１ｂとがメインカッタ１７（保護鉄板２１）に対し選択的に出没可能となっている。即ち、正回転用ビット４１ａと逆回転用ビット４１ｂがともにメインカッタ１７内に収容された、図２中実線で示すサブカッタ２７の状態からスイングジャッキ４３を収縮すると、サブカッタ２７の一半部がメインカッタ１７（保護鉄板２１）の外周から突出して正回転用ビット４１ａが使用可能となり、逆に伸長すると、サブカッタ２７の他半部がメインカッタ１７（保護鉄板２１）の外周から突出して逆回転用ビット４１ｂが使用可能となるのである。

前記各正回転用ビット４１ａと各逆回転用ビット４１ｂは、図３に示すように、サブカッタ２７の前面において山形形状部に沿い所定間隔離間しかつ枢軸４０を境にハの字状に対称に配設されるとともに、それぞれ掘削前方を指向して斜めに配設され、掘削した土砂が互いに隣接するビット間の隙間を通って、メインカッタ１７及び保護鉄板２１の後方に積極的に排出可能になっている。

このように構成されるため、本実施例の泥土圧式シールド掘削機にあっては、先ず、駆動モータ１４によりメインカッタ１７が正，逆回転されるとともに、このメインカッタ１７の所定の回転角で、メインカッタ１７の正，逆回転に対応してサブカッタ２７が、所謂シーソーの如くスイングされる。

この状態で、複数のシールドジャッキ３０が伸長されスプレッダ３１が既設のセグメントＳへ押し付けられることで、その反力によって掘削機本体１０が前進される。これにより、メインカッタ１７のカッタビット２４とサブカッタ２７の正回転用ビット４１ａ及び逆回転用ビット４１ｂにより前方の地盤が掘削され、その掘削土砂がカッタスポーク２０及び保護鉄板２１の後方へ積極的に排出されてスクリューコンベア２８によって外部に搬出される。

そして、エレクター装置３４では、順次収縮されるシールドジャッキ３０に対応してトンネル内に搬入されたセグメントＳを把持してトンネル内壁面に沿って移動し、把持したセグメントＳを所定の位置に固定してリング状に組み立てていく。このとき、形状保持装置３７はリング状に組み立てられたセグメントＳが所定の形状となるように矯正する。

このようにして、異形断面（図示例では縦長の楕円形状）のトンネルが掘削される。

そして、本実施例では、サブカッタ２７はその揺動支点を境に正回転用ビット４１ａと逆回転用ビット４１ｂとを対称に備えるとともに揺動支点からずれた位置に、基端部がメインカッタ１７の保護鉄板２１に枢支されたスイングジャッキ４３の先端部を枢支させているので、サブカッタ２７の部品点数削減及び構造の簡略化が図れる。

即ち、特許文献１や特許文献２のスイングカッタ機構と比較して、サブカッタ２７（スイングカッタ）が二個から一個で済むとともに、これに伴いスイングジャッキ４３も二個から一個で済むのである。言い換えれば、単一のサブカッタ２７（スイングカッタ）が正回転用と逆回転用を兼用するのである。

また、サブカッタ２７（スイングカッタ）が一個であるとともに、サブカッタ２７（スイングカッタ）の一半部（正回転用ビット４１ａ）が突出するときは他半部（逆回転用ビット４１ｂ）が大きく没しているので、特許文献１や特許文献２のスイングカッタ機構のように、スイングジャッキ間やスイングカッタ先端と掘削機本体フレーム等との間で掘削土砂の圧密や固結が生じることもない。

依って、サブカッタ２７に掛かるコストの低減が可能となるとともにサブカッタ２７の作動不良が未然に回避され、異形断面を円滑かつ安価に掘削することができる。

本発明に係るトンネル掘削機は、泥土圧式シールド掘削機に限らず、泥水式シールド掘削機、機械式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）等にも適用することができる。

１０ 掘削機本体
１１ 円環部材（回転リング）
１２ 回転軸受
１３ 大歯車
１４ 駆動モータ（カッタ旋回電動モータ）
１５ 駆動ピニオン
１６ 中間支持部材（連結ビーム）
１７ メインカッタ
１８ 中央円筒部材
１９ 外周リング
２０ カッタスポーク
２１ 保護鉄板（面盤）
２１ａ，２１ｂ 前，後壁
２２ フィッシュテールカッタ
２３ ロータリジョイント
２４ カッタビット
２５ 加泥注入口
２６ 保護ビット
２７ サブカッタ
２８ スクリューコンベア
２９ リングガータ
３０ シールドジャッキ
３１ スプレッダ
３２ 旋回リング
３３ 駆動モータ（リング旋回電動モータ）
３４ エレクター装置
３５ 支柱
３６ 架台
３７ 形状保持装置
４０ 枢軸
４１ａ 正回転用ビット
４１ｂ 逆回転用ビット
４２ 枢軸
４３ スイングジャッキ
４４ ピン
Ｓ セグメント

Claims (3)

1. 中央円筒部材と外周リングとの間にカッタスポークと前壁および後壁の二重壁から成る保護鉄板が交互に架設されて掘削機本体の前部に円形断面を掘削するメインカッタを正逆回転自在に設けるとともに、前記メインカッタの外周であって前記前壁と前記後壁との間に非円形断面を掘削するサブカッタを揺動自在に備え、前記サブカッタはその揺動支点を境に複数の正回転用ビットと逆回転用ビットとを対称に備えるとともに前記揺動支点からずれた位置に、基端部が前記メインカッタに枢支されたスイングジャッキの先端部を枢支させ、前記スイングジャッキの伸縮により前記複数の正回転用ビットと逆回転用ビットとがメインカッタに対し選択的に出没可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記サブカッタは、メインカッタの点対称位置に二個配設されることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記サブカッタは、山形状に形成されて成り、その長手方向中間部において山形形状部を前記保護鉄板の外周部に沿わせて軸支され、
   前記各正回転用ビットと各逆回転用ビットは、サブカッタの前面において前記山形形状部に沿い所定間隔離間しかつ揺動支点を境にハの字状に対称に配設されるとともに、それぞれ掘削前方を指向して斜めに配設される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。

Images