JPH05106393A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネル等の短距離の掘削を、合理的なコス
トで円滑に実施することができるシールド掘進機を提供
する。 【構成】 切羽８を部分的に掘削する回転刃１１とそ
れを切羽８の全域に移動する移動機構１３とを有する掘
削機（カッター）１０を装備し、切羽８に面して泥水
加圧の可能なチャンバー２０とそれに対する泥水の供給
管２３および排出管２４を設けるとともに、チャンバ
ー２０の下部の泥水排出口２４ｂ付近に破砕撹拌機３０
を配備した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル等を掘削する
機械の一種であるシールド掘進機のうち、とくに低コス
トで構成されるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機は、土壁の崩壊を防ぐシ
ールド（楯）と呼ばれる筒と、前進のためのシールドジ
ャッキ、そしてシールドの前部にあって切羽（地山）を
掘削する各種のカッター（掘削機）を主要部分として構
成される。カッターにて切羽を削るとともに、掘削ずみ
の部分に内張りしたセグメント壁を押すシールドジャッ
キにて推進力を得ることにより、トンネルなどの穴
（坑）を掘り進む。シールド掘進機によれば、開削工法
の場合とちがって地表に影響を与えず、深い所にも穴を
掘れるうえ、シールドによる防護のもとで作業するため
安全性が高い。

【０００３】従来のシールド掘進機の多くは、掘削する
穴の全断面におよぶ円盤に刃物を設けた回転式のカッタ
ーディスクを、上記のカッターとして備えている。シー
ルドの外形に等しい円形のカッターディスクが、切羽の
全域を同時に掘削するので、能率的に速やかに穴を掘り
進むことができる。カッターディスクが全域的に切羽に
接していてその崩壊を防止する役目（山留め効果）を果
たすため、切羽の安定性が保たれる点でも好ましい。ま
た、掘削した土砂を全体的にカッターディスクが撹拌す
ることになるので、削土（掘削した土砂）の排出も容易
になる。なお、このような例は特公平２−４０８３８号
公報などに記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなカッター
ディスクを有する従来のシールド掘進機は、トンネル等
を能率よく掘削できるなどの利点はあるが、掘削に要す
るコストは決して安くない。カッターディスクそのもの
が大径かつ高剛性の構造物であってかなりの製作費を必
要とするうえ、それを回転可能に支える軸受も大型の高
荷重用のものにする必要があり、それらによって各掘進
機が高額になるのである。また、ひとたび掘進機内に配
備して使用したこれらの部材が、大型であるゆえに、掘
削工事の完了後には切断により分解したうえで地上に取
り出す以外にないことも、コスト上の不利となる。取り
出したこれらの主要部材は、別の掘進機において再使用
することができないからである。

【０００５】したがって、たとえば二・三百メートル程
度の短いトンネルを掘削しようとする場合にも、そのト
ンネルの掘削工事のみに一回きりで使用する高価な部材
を組み込んだ高額のシールド掘進機が必要であり、その
トンネルの単位長さあたりの施工費が莫大なものになる
ことがある。

【０００６】なお、以上のほかに、カッターディスクを
有しない低コストのシールド掘進機として、特開平１−
２９５９９２号公報に記載の装置がある。同公報の装置
は、掘削する穴の開口断面よりもかなり小さめの回転刃
を、伸縮・旋回式の移動機構の先端に取り付けて機体前
部に配置したものである。切羽を部分的に掘削するその
回転刃を順次に切羽の全域へ移動していくので掘削能率
はよくないが、掘進機としてのコストは低い。しかしな
がら同公報に開示の範囲では、その装置が、イ)切羽（と
くに回転刃の当たっていない部分）の安定性（崩壊など
の防止）を確保できるかどうか、ロ)削土の全体が回転刃
に触れて破砕されるとは限らないうえ下方にて堆積・固
化する削土があるはずだが、それらを円滑に排出できる
かどうか−について明らかでない。

【０００７】本発明は、トンネル等の短距離の掘削を合
理的なコストで実施することができるとともに、切羽の
安定性の確保や削土の円滑な排出が可能なシールド掘進
機を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のシールド掘進機
は、切羽を部分的に掘削する回転刃とそれを切羽の全
域に移動する移動機構とを有する掘削機（カッター）を
装備し、切羽に面して泥水加圧の可能なチャンバーと
それに対する泥水の供給管および排出管を設けるととも
に、チャンバー下部の泥水排出口付近に破砕撹拌機を
配備した−ものである。

【０００９】

【作用】本発明のシールド掘進機では、第一に、上記
の掘削機がその回転刃を移動機構によって移動すること
により切羽を掘削する。掘削機の回転刃は、切羽を部分
的に掘削するもので一時に切羽を全面的にカバーできる
大きさ（直径）をもたない（つまり、掘削する穴の開口
断面よりもかなり小さい）が、移動機構により切羽の全
域に移動させられて、順次に切羽を掘削するのである。

【００１０】第二に、上記の構成により、供給管から
の泥水が、切羽に面するチャンバー内に送られ、切羽と
の間に満ちて切羽面を加圧する。これは、いわゆる泥水
式の密閉型シールド掘進機における一般的な作用だが、
上記の掘削機を使用する本発明のシールド掘進機にお
いて切羽の安定性を確保する点では、とくに有効であ
る。上記掘削機の回転刃には、切羽の全面に及ぶ大きさ
がないので切羽に対する山留め効果を期待できないが、
それを補うべく、加圧泥水が掘進機の側から切羽面を抑
えつけてその崩壊を防ぐからである。

【００１１】第三に、掘削された切羽からの削土は上記
の排出管から排出されるが、削土はその際、のとお
り泥水排出口付近に設けられた破砕撹拌機によって細か
くされ、スムーズな排出を確実にされる。この点も、掘
削機の回転刃が小さいことに関連して、本発明のシール
ド掘進機には極めて有効である。回転刃が小さいため
に、削土のすべてが回転刃に触れて破砕されるとは限ら
ない（回転刃の付近から塊のまま崩れ落ちるものがあ
る）うえ、一たん破砕された削土が、切羽のうちの他の
部分を掘削機が掘削している間にチャンバー内で堆積・
沈澱し、再度固化することもあるからである。つまり、
本発明のシールド掘進機では機体と切羽との間（チャン
バー内）に塊状物が多いことになるが、それらを、排出
に先だって破砕撹拌機が破砕・撹拌して排出しやすくす
るのである。

【００１２】なお、本発明のシールド掘進機の主要構成
部分である上記の掘削機は、従来の一般的なシールド
掘進機におけるカッターディスクと異なり、掘削する穴
に比べてかなり小さいことから、（掘削能率について優
位性はないものの）コスト上つぎのような作用をもたら
す。すなわち、小型なので安価なうえ、カッターディス
クに必要な大型・高荷重用の軸受が不要であるため、シ
ールド掘進機の製作費を大幅に低減する。また工事の終
了後は、切断等によって分解しなくとも掘削穴より外へ
取り出し、再使用できるため、その再使用に係るシール
ド掘進機の製作費をさらに低減することができる。した
がって本発明のシールド掘進機は、掘削能率があまり問
題とならない短距離の掘削工事を、ごく低いコストにて
施工するのに適している。

【００１３】

【実施例】図１および図２に、本発明の一実施例である
シールド掘進機１について示す。この掘進機１は、図１
の右方から左方に向けて円形断面のトンネルを掘削する
ものである。円筒形をした鋼板製のシールド２の内側
に、切羽８を直接に掘る部分である掘削機１０（後述）
や、掘削ずみのトンネルの内面にセグメント７による壁
を構築するためのエレクター３、さらに、掘進機１の推
進力を得るため施工ずみセグメント７を押す複数のシー
ルドジャッキ４などを備えている。

【００１４】このシールド掘進機１は、比較的短いトン
ネルの掘削を目的とすることから、掘削機１０として、
図１のように切羽８を一部分ずつ掘削する小型のものを
配備している。掘削機１０の先端にはモータ１２で回る
（自転する）回転刃１１を付けているが、その直径（こ
の例では約１ｍ）は、切羽８の直径（この例では約９
ｍ）に比べて大幅に小さい。そこで、移動機構１３によ
ってこの回転刃１１を切羽８の全域へ順次移動するもの
とし、移動した各部分で進行方向への掘削ができるよう
にした。移動機構１３は、油圧式の揺動型アクチュエー
タ１４と、伸縮ロッドが回転しないタイプの油圧シリン
ダ１５、減速機１６およびモータ１７などから構成して
いる。つまり、掘進機１の軸心に対する回転刃１１の軸
心の角度をアクチュエータ１４によって変更し、さら
に、掘進機１の軸心まわりの回転刃１１の公転を減速機
１６つきのモータ１７で行わせることにより、切羽８に
面するどの部分にも回転刃１１を移動できるよう構成し
た。また、シリンダ１５によって回転刃１１を前方へ
（この例では約２ｍ）押し出せるものとし、掘進機１自
体が前進しないでも部分的な掘削ができるようにした。
掘削機１０は図のように、シールド２の内側の隔壁２１
（下記）に対して固定配備している。

【００１５】シールド２の内側（前後の中程）には、図
１のとおり、掘削機１０の前半分（回転刃１１からアク
チュエータ１４まで）を機体前部に突き出す形で隔壁２
１を設けることにより、それより前方を泥水チャンバー
２０とした。チャンバー２０とは、切羽８に面する部分
をシールド２と上記の隔壁２１とによって密閉した空間
で、ここへは、図のように泥水の供給管２３と排出管２
４とを接続している。この点は、一般的な密閉型・泥水
式のシールド掘進機としての構造と同じで、供給管２３
から供給する泥水をチャンバー２０内に満たして加圧す
る一方、その泥水とともに削土を排出管２４から地上へ
輸送し排出する。図中の符号２３ａ・２４ａはそれぞ
れ、供給管２３・排出管２４に設けた開閉弁である。な
お、前述の掘削機１０のうちアクチュエータ１４より前
方の部分は、こうして泥水が満たされるチャンバー２０
内で機能するため、十分な耐水性を備えるよう配慮して
構成した。

【００１６】図１のようにチャンバー２０の下部には、
排出管２４への流入端である排出口２４ｂを開口させる
とともに、その直前部分に一組の破砕撹拌機（クラッシ
ングアジテータ）３０を設置している。破砕撹拌機３０
は、先端寄りの円錐部とそれに続く円柱部の外周にそれ
ぞれ突起物を形成した図２のような一対の回転体３１Ａ
・３１Ｂを近接配置し、それらを図１のモータ３２Ａな
どで駆動するよう構成したものである。泥水とともに削
土を撹拌するほか、塊状の削土や巨大礫などを回転体３
１Ａ・３１Ｂの間に挟んで破砕することができる。ま
た、この破砕撹拌機３０および排出口２４ｂの位置へ削
土が集まりやすいようにするため、隔壁２１の下半分に
傾斜隔壁２２を接続してその中央下部に開口３３をあ
け、そこに破砕撹拌機３０と排出口２４ｂとを設けてい
る。図２のように開口３３の両脇に回転式の掻き寄せ具
３４も配置したので、切羽８からチャンバー２０内に落
ちた削土は、泥水とともに必ず、開口３３を経て破砕撹
拌機３０の作用を受けたうえ排出口２４ｂに流入する。

【００１７】そのほかこのシールド掘進機１には、図１
・図２に示すような可動フード４１と山留め板４３とを
設けている。可動フード４１は、油圧ジャッキ４２によ
って前方へ押し出されるとき、先端の尖った部分で切羽
８の上部を掘るもので、掘削能率を多少でも高める作用
をなす。山留め板４３は、掘削を休止していて泥水圧を
かけていないときなどに、油圧シリンダ４４によって図
の仮想線の位置まで移動し、切羽８からの土砂の崩落を
支えるものである。

【００１８】以上のように構成した図示のシールド掘進
機１では、つぎの手順によってトンネルの掘削を進める
ことができる。すなわち、 1) まず図１の実線位置にある掘削機１０の回転刃１１
を、モータ１２により回転（自転）させながら移動機構
１３によって切羽８の全域へ移動し（仮想線参照）、掘
り残しのないように掘削を行う。ここでいう移動のため
には、減速機１６つきのモータ１７で回転刃１１を公転
させるとともに油圧シリンダ１５でその位置を前後させ
ながら、アクチュエータ１４の揺動角を次第に変えるこ
とにより回転刃１１を渦巻き状の経路で動かすのがよ
い。そしてこの間、供給管２３からの泥水供給によって
チャンバー２０内を加圧し続けるともに、破砕撹拌機３
０を駆動しながら削土および泥水を排出管２４より排出
する。

【００１９】2) 掘削機１０が、セグメント７の一組
（１リング）分の距離だけ切羽８を掘り進むと、シール
ドジャッキ４を伸ばすことによって掘進機１の全体を前
進させる。こうして前進したうえでジャッキ４を縮め、
施工ずみのセグメント７の先に継ぎ足すかたちで、エレ
クター３により新たな一組のセグメント７を構築するの
である。そのため、セグメント７の一組分の長さだけ
は、上記1)の間に前方へ掘削しておく必要がある。な
お、この間もチャンバー２０内には泥水の供給・加圧を
続け、破砕撹拌機３０の運転と削土・泥水の排出も継続
するのがよい。

【００２０】3) 上記2)によって新たに一組のセグメン
ト７が構築されると（あるいはその過程において条件が
整った段階で）、セグメント７の端部にジャッキ４の先
端を押し当てて支持力を得られるようにしたうえ、上記
の1)以降を繰り返す。

【００２１】以上、一実施例を紹介したが、本発明のシ
ールド掘進機に関しては、たとえば下記のような実施態
様をとることも可能である。

【００２２】イ) 掘削機において回転刃を切羽の全域に
移動する方式としては、シールド掘進機の軸心回りに掘
削機を公転させる上記のもの以外に、回転刃を左右に往
復させながら上から下へ次第に位置を変えるものなど、
各種の方式を採用できる。

【００２３】ロ) 掘削機の回転刃の使い方によって切羽
の外形を任意に形成できるので、円形以外の断面形状の
穴の掘削に本発明のシールド掘進機を適用することも容
易である。

【００２４】ハ) あるトンネルの掘削工事が終了してた
とえば上記実施例のシールド掘進機１が用ずみになる
と、最も高額な主要構成部分である掘削機１０を、機体
からそのまま取り外し、台車等によって地上に運び出す
ことができる。そうした掘削機１０は、摩耗した回転刃
１１のみを取り替えて、別のシールド掘進機に組み込む
ことも可能である。この別の掘進機は、実施例の掘進機
１と同一のものでなくとも、掘削機１０が十分に用をな
せる形式の（たとえば掘進機１よりも小径の穴を掘る）
ものであればよい。主要部分として流用品を使用できる
ので、相当な低コストで短期間のうちに構成できること
は当然である。

【００２５】

【発明の効果】本発明のシールド掘進機は、主要部分で
ある掘削機（カッター）が小型であるうえ、その掘削機
の再使用（別のシールド掘進機への流用）が可能なた
め、掘進機そのものが低額に構成される。したがって、
短距離のトンネル等を工事費を低めに抑えて掘削するの
に極めて好都合である。

【００２６】なお、掘削中に切羽の安定性が確保され、
削土が円滑に排出される点でも申し分がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるシールド掘進機１を示
す縦断面図である。

【図２】上記セミシールド掘進機１の正面図（図１のII
−II矢視図）である。

【符号の説明】

８ 切羽 １０ 掘削機 １１ 回転刃 １３ 移動機構 ２０ チャンバー ２１ 隔壁 ２３ 供給管 ２４ 排出管 ２４ｂ 排出口 ３０ 破砕撹拌機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切羽を部分的に掘削する回転刃とそれを
   切羽の全域に移動する移動機構とを有する掘削機を装備
   し、切羽に面して泥水加圧の可能なチャンバーとそれに
   対する泥水の供給管および排出管を設けるとともに、チ
   ャンバー下部の泥水排出口付近に破砕撹拌機を配備した
   ことを特徴とするシールド掘進機。