JPH07252992A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】地中にトンネルを形成するシールド掘進機にお
いて、面板前面で掘削された土砂が掘削室内で付着した
り、固化するのを防止して、良好で安定した掘進作業が
行えるシールド掘進機を提供することにある。 【構成】面板の前面に取り付けられたカッタで地盤を切
削し、切削された土砂を、面板に形成された土砂取込口
から後方の掘削室に送り込み、掘削室内を加圧して切羽
の安定を計りながらトンネルを構築していくシールド掘
進機において、面板全体が切羽面に対して回転自在に設
けられているとともに、面板前面と面板背面の円周方向
に面板に沿って回転自在な前方回転カッタと背面回転カ
ッタを設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘進機に関す
るもので、詳しくは、下水道や上下水道等の掘削施工に
用いられ、地盤を切削して孔を掘削し、孔の後方に順次
孔壁構造すなわちトンネルを構築していく、シールド掘
進機に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、比較的軟弱な地盤における推進工法
やシールド工法には、カッタを装着した面板を前面に装
備した掘進機を用いる泥水加圧工法や土圧式シールド工
法が採用されている。

【０００３】泥水加圧工法は、シールド掘進機の面板後
方に隔壁を設けて、隔壁と面板の間に掘削室を構成し、
この掘削室に加圧泥水を送り込んで、一定の泥水圧力を
維持しながら、回転する面板に装着されたカッタで切羽
面を切削することによって、切羽の安定を図っている。
カッタで切削された土砂は、泥水に混じって坑外に流体
輸送された後、沈殿槽等で土砂と泥水が分離される。土
砂が分離された泥水は、再び送泥ポンプにより切羽へ送
り込まれる。このようにして泥水を循環させて地盤を掘
削しながら、シールド掘進機全体を推進させていくこと
になる。

【０００４】土圧式シールド掘進機は、面板のカッタで
切削した土砂を、面板の後方に設けた掘削室内に充満さ
せ、その土圧によって切羽の安定を図っている。また、
掘削室の後方隔壁を貫通してスクリュウコンベア等の排
土機構が設けられており、シールド掘進機の推進に伴う
掘削土量と排土量を平衡させることによって、掘削室内
の圧力を調整しながらシールド掘進機を推進させていく
方法である。

【０００５】上記した何れの工法も、シールド掘進機の
前面に面板を設けていることにより、面板の後方に設け
られる掘削室の圧力維持を確実にしている。面板が設け
られていれば、掘削室には土砂取込口を除いては、ほぼ
密閉された空間が構成され、掘削室内を充分に加圧維持
することが容易となる。

【０００６】しかし、上記従来技術では、地盤の土質が
均等でない、いわゆる互層地盤では充分な掘削性能が発
揮できないという問題があった。例えば、互層地盤を掘
削しているときに、硬質粘土等に遭遇すると、この地盤
は切羽部が自立していて容易に崩れないため、切羽の崩
壊による掘削の促進は期待できず、面板に装着されたカ
ッタによる切削のみで地盤を掘削しなければならない。
その結果、地盤の切削能率が低下し、推進速度が著しく
低下する問題があった。

【０００７】そこで、上記のような問題を解決するため
に、特開平３−２２１６９９号による発明が近年開発さ
れている。この発明技術は、面板全体が切羽面に対して
回転自在に設けられているとともに、面板前面の円周位
置に切羽面に沿って回転自在な回転カッタが設けられて
いる。シールド掘進機の基本的な構造は、通常の装置と
同様の構造でよい。面板は後方に設けられたモータ等の
駆動装置により、切羽面に対して回転するように設けら
れている。面板の前面には、切羽を切削する回転カッタ
が設けられ、面板の一部には、土砂を後方の掘削室に送
り込むための土砂取込口が設けられている。回転カッタ
の回転機構としては、各回転カッタ毎にモータ等の駆動
装置を設けてもよいが、前記した面板の駆動力の一部を
遊星ギア機構等で分配して、回転カッタを回転させるよ
うにすれば、回転カッタ毎に駆動機構を設けなくてよく
なり、装置の構造が簡単となる。

【０００８】上記技術により、全体が回転する面板の円
周位置に、切羽面に沿って回転する回転カッタを設けて
おけば、この回転カッタは、面板の回転による公転と、
回転カッタ自身の自転による回転の２種類の運動が複合
された複雑な運動を行ないながら、地盤の切削を行なっ
て行くこととなる。この結果、粘土等の切削が困難な地
盤に対しても、効率良く切削することが可能となった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のような回転カッ
タを設けたシールド掘進機の発明により、どのような地
盤に対しても安定した掘削速度を維持することが可能と
なり、通常の地盤に対しても、より効率的に切削でき、
掘進速度を向上できるようになった。また、面板全体が
同じ方向に運動するのではなく、面板全体の運動に回転
カッタの部分的な運動が組み合わされるので、面板の一
部に粘土等が付着しても付着した粘土は回転カッタによ
り速やかに除去され、粘土等の付着による問題も解決さ
れた。

【００１０】ところが、上記のような従来技術では切羽
面の掘削効率は著しく向上できたが、土砂取込口から取
り込まれた土砂が掘削室内で固化して、後方隔壁を貫通
して設けたスクリュウコンベア等からの排土が困難とな
ったり、土砂が面板背面に付着して徐々に掘削室内を充
満状態にして土砂の取り込みを不能にしたり、掘削室内
の圧力が異常に大きくなって面板の回転不能や掘進不能
を来たす問題がある。このような問題は、特に硬質粘土
層の場合には顕著であり、通常互層地盤の多いシールド
掘進では重大な問題である。

【００１１】そこで、この発明の課題は、上記のような
面板に回転カッタを装備したシールド掘進機において、
硬質粘土層のような地盤に遭遇しても、何ら支障なく地
盤を切削して掘削室内に土砂を取り込み、掘削室内にお
いても掘削土砂が固化したり付着することなく、掘削推
進できるシールド掘進機を提供することにある。

【００１２】

【発明の構成】すなわち本発明の構成は、面板の前面に
取り付けられたカッタで地盤を切削し、面板に形成され
た土砂取込口から後方の掘削室に送り込み、掘削室内を
加圧して切羽の安定を計りながらトンネルを構築してい
くシールド掘進機において、面板全体が切羽面に対して
回転自在に設けられているとともに、面板前面と面板背
面の円周位置に面板に沿って回転自在な回転カッタが設
けられている。

【００１３】シールド掘進機の基本的な構造は、通常の
装置と同様のものが用いられ、前記した従来技術の泥水
加圧工法や土圧式シールド工法等に用いられていたもの
と同様の構造でよい。ただし、この発明では面板と面板
の後方に構成される掘削室を備えていることが必要であ
る。

【００１４】面板は、後方に設けたモータ等の駆動機構
により、切羽面に対して回転するように設けられてい
る。面板の前面には、切羽を切削するカッタもしくはビ
ット（以下、カッタという）が設けられ、面板の一部に
は、土砂を後方の掘削室に送り込むための土砂取込口が
設けられている。

【００１５】面板に固定された従来のカッタの他に、こ
の発明では面板の前面と面板の背面の円周位置で、切羽
面および面板背面に沿って回転する回転カッタが設けら
れている。この回転カッタの構造および形状は、切羽を
良好に切削したり、掘削室内の土砂を効率よく切削した
り攪拌できれば、任意の構造および形状のものが用いら
れる。各回転カッタは、面板に対して１個もしくは複数
個が設けられる。回転カッタは、面板の回転とともに切
羽面および面板背面の全体を回転カッタが通過しなが
ら、切削および攪拌できるような形状および配置に設け
るのが好ましい。各回転カッタの具体的形状としては、
例えば回転中心に対して直径方向に延びる棒状のもの、
扇形のもの等が挙げられる。

【００１６】回転カッタの回転機構としては、各回転カ
ッタ毎にモータ等の駆動機構を設けてもよいが、面板の
駆動力の一部を、遊星ギア機構等で分配して、各回転カ
ッタを回転させるようにすれば、各回転カッタ毎に駆動
機構を設けなくてもよく、装置の構造が簡単となる。ま
た、面板前面の回転カッタ軸を延長して面板背面の回転
カッタ軸と連結した機構とすることもできる。

【００１７】

【作用】全体が回転する面板の円周位置に、切羽面に沿
って回転する前方回転カッタと面板の背面に沿って回転
する背面回転カッタとを設けておけば、面板の回転によ
る公転と、回転カッタ自身の自転の２種類の運動が複合
されながら、地盤の切羽の切削や掘削室内の土砂の切削
や攪拌をしていくことになる。その結果、粘土等の切削
が難しい地盤に対しても、効率よく切削することが可能
となり、推進速度を低下させる必要もなく、安定した掘
進速度を維持することが可能となる。また、面板の土砂
取込口より掘削室内に取り込まれた土砂も、面板背面の
回転カッタにより再び切削や攪拌がおこなわれるため、
固化することなく均一な状態で充満され、確実な土圧の
維持やスムーズな排土が可能となる。

【００１８】また、面板全体が同じ方向に運動するので
はなく、面板全体の運動に各回転カッタの部分的な運動
が組み合わされているので、面板の前面や背面に粘土が
付着しようとしても、付着した粘土等は回転カッタによ
り速やかに除去される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の詳細について図面に基づいて
説明する。第１図は、本発明のシールド掘進機全体を詳
細に説明する縦断面図である。筒状をなすシールド本体
の外殻１の前面に面板３が設けられており、面板の背面
には駆動軸４を経て駆動モータ５が連結され、面板３が
外殻１の前面で、地盤の切羽面に対して回転するように
なっている。

【００２０】第２図は、シールド掘進機前面の面板の構
造を説明する正面図である。円板状の面板の前面で、円
周上で対向する２ヵ所に前方回転カッタ７、７が設けら
れている。前方回転カッタ７は、背面中心に回転軸８が
設けられ、この回転軸８を中心にして、面板３の前面で
直径方向に延びる角棒状をなしている。前方回転カッタ
７の回転範囲は、面板３の外周近くから中心近くまでを
カバーしている。面板３には、前方回転カッタ７の回転
範囲外には、放射方向に続く扇形の土砂取込口１８が貫
通形成されている。土砂取込口１８は、左右対称位置に
２か所づつ形成されている。

【００２１】第１図において、前方回転カッタ７の回転
軸８は、面板３およびハウジング１２を貫通して後方へ
延ばし、前方回転カッタ７、７と対向する２ヵ所に背面
回転カッタ９、９が設けられている。背面回転カッタ９
の形状は、前方回転カッタ７と同様に直径方向に延びる
角棒状を成している。回転カッタ７の回転軸８は、面板
３およびハウジング１２の軸受部２２、１６で回転可能
に支持されている。軸受部２２、１６は、ダストシール
およびメタル軸受で構成されており、メタル軸受は、ス
ラスト、ラジアルの両方向の荷重を支持できるようにな
っている。また、メタル軸受に代えて、ボールベアリン
グ等のベアリングを用いることもできる。

【００２２】面板３の背面で回転軸８にはピニオン歯車
１０が取り付けられている。ピニオン歯車１０は、面板
３の回転中心と中心を一致させた固定歯車１１に噛み合
わせられている。固定歯車１１は、軸受部１４、１５を
介して、面板３の駆動軸４に摺動回転可能に支持されて
いるとともに、固定歯車１１の後端が、中空円盤状の固
定板１３を介して隔壁２にボルト等で固定されている。
隔壁２は、前方の面板３との間に掘削室２３を構成する
ためのものであり、外周がシールド本体の外殻１に固定
されている。したがって、この固定歯車１１は、固定板
１３および隔壁２を介してシールド本体の外殻２に固定
されていることになり、この固定歯車１１の中心を面板
３の駆動軸４が摺動可能に貫通していることになる。

【００２３】固定歯車１１とピニオン歯車１０部分に
は、土砂等が侵入しないように歯部分にハウジング１２
が覆うように設けられている。ハウジング１２は、面板
３に固定され、面板３とともに回転するので、固定歯車
１１とハウジング１２の摺動部分には、摺動シール２４
が設けられている。隔壁２の下部にはスクリュウコンベ
ア機構１７が取り付けられ、掘削室２３内の土砂を排出
する。面板３の前面中心には固定ビット６が設けられて
いる。

【００２４】第３図は、シールド掘進機の面板３の背面
を説明する背面図である。背面回転カッタ９の回転軸８
に取り付けられたピニオン歯車１０は、面板３の回転中
心と中心を一致させた固定歯車１１に噛み合わされてい
る。ピニオン歯車１０および固定歯車１１部分は、ハウ
ジング１２により覆われて保護されている。

【００２５】次に、上記構造のシールド掘進機の作動に
ついて、第２図および第３図を基に説明する。駆動モー
タ５を回転駆動させると、駆動軸４が回転して面板３全
体が回転する。第３図に示すように、面板３が回転する
と、前方回転カッタ７と背面回転カッタ９のピニオン歯
車１０も円周上を移動するので、ピニオン歯車１０は面
板３全体の回転方向と同じ方向に回転することになる。
すなわち第３図において、面板３全体が時計回りに回転
すれば、ピニオン歯車１０も時計回りに回転し、背面回
転カッタ９も時計回りに回転することとなる。これは、
いわゆる遊星歯車機構の原理である。その結果、第２図
に示す面板３の前面では、面板３は反時計回りに回転
し、前方回転カッタ７も反時計回りに回転することとな
る。すなわち、前方回転カッタ７と背面回転カッタ９
は、面板３とともに公転すると同時に、各回転カッタ
７、９自身が自転するものである。

【００２６】各回転カッタ７、９の面板３に対する回転
数ｎは、固定歯車１１の歯数Ｚ１とピニオン歯車１０の
歯数Ｚ２から、面板３が１回転する毎に、ｎ＝Ｚ２／Ｚ
１回転する。また、各回転カッタ７、９の自転回数Ｎ
は、Ｎ＝（Ｚ１／Ｚ２＋１）となる。

【００２７】上記のような運動を行いながら、前方回転
カッタ７が地盤を切削していく。前方回転カッタ７は、
切羽面の全体を移動しながら切削していくとともに、面
板３に付着しようとする粘土等を除去する。前方回転カ
ッタ９で切削された切羽の土砂は、土砂取込口１８から
掘削室２３の内側に送りこまれる。掘削室２３内では、
面板３の背面に設けられた背面回転カッタ９で、面板３
背面の全体を移動しながら自転させることにより、再び
固化しようとする粘土等を切削、混練して、均等に土砂
を充満させ、所定の土圧を発生させた状態で、スクリュ
ウコンベア機構１７から土砂を搬出させる。

【００２８】以上、本発明の一実施例について説明して
きたが、次に、上記実施例と回転機構が異なる別の実施
例について、第４図および第５図を基に説明する。第４
図は、別の遊星歯車機構の実施例を説明する背面図であ
る。背面回転カッタ９のピニオン歯車２０を、シールド
本体の外殻１の内周に固定した内歯固定歯車１９と噛み
合せている。いま仮に、面板３が時計回りに回転する
と、ピニオン歯車２０も円周上を時計回りに移動するの
で、ピニオン歯車２０は面板３の全体の回転方向と逆方
向に回転することになる。すなわち、ピニオン歯車２０
の自転方向は、面板３全体の公転方向と逆方向に回転す
る。

【００２９】第５図は、第４図における各回転カッタ
７、９の回転機構を説明する断面図である。内歯固定歯
車１９とピニオン歯車２０は、面板３に固定されたハウ
ジング２１、２５に収容されており、ハウジング２１、
２５とシールド本体の外殻１および回転軸８の摺動部分
にも、前記同様の摺動シール部２６、２７、２８が設け
られている。

【００３０】前記実施例においては、前方回転カッタ７
と背面回転カッタ９が、前後に対向する位置の構造で説
明したため、回転軸８が共通した構造となっいるが、前
後の回転カッタ７、９に別々のピニオン歯車を設けて、
任意の位置に回転カッタ７、９を設けることも可能であ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上に述べたとおり、面板の前後に取り
付けられて面板の回転とともに公転しながら、それ自身
が自転する前方回転カッタと背面回転カッタを設けたこ
とにより、切羽面に対する切削能率を大幅に向上させる
とともに、掘削室内において掘削土砂を均一に充満する
ことができるようになった。その結果、従来のシールド
掘進機では掘削室内での土砂の均等な充満や排土が極め
て困難となっていた硬質粘土層のような地盤に対しても
何ら支障なく、良好で安定した掘進速度を維持すること
ができる。また、面板の背面に付着する粘土等を、背面
回転カッタの公転と自転を組み合わせた運動によって除
去することができるようになり、掘削室内に異常な土圧
が発生したり、切削不可能となる心配はなく、長期間に
わたって、安定した掘進作業が可能になった。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【第１図】本発明のシールド掘進機全体を詳細に説明す
る縦断面図である。

【第２図】シールド掘進機前面の面板の構造を説明する
正面図である。

【第３図】シールド掘進機の面板の背面を説明する背面
図である。

【第４図】別の遊星歯車機構を説明する背面図である。

【第５図】第４図における各回転カッタの回転機構を説
明する断面図である。

【符号の説明】

１ シールド本体の外殻 ２ 隔壁 ３ 面板 ４ 駆動軸 ５ 駆動モータ ６ 固定ビット ７ 前方回転カッタ ８ 回転軸 ９ 背面回転カッタ １０ ピニオン歯車 １１ 固定歯車 １２ ハウジング １３ 固定板 １４ 軸受部 １５ 軸受部 １６ 軸受部 １７ スクリュウコンベア機構 １８ 土砂取込口 １９ 内歯固定歯車 ２０ ピニオン歯車 ２１ ハウジング ２２ 軸受部 ２３ 掘削室 ２４ 摺動シール ２５ ハウジング ２６ 摺動シール ２７ 摺動シール ２８ 摺動シール

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】面板の前面に取り付けられたカッタで地盤
   を切削し、切削された土砂を、面板に形成された土砂取
   込口から後方の掘削室に送り込み、掘削室内を加圧して
   切羽の安定を計りながらトンネルを構築していくシール
   ド掘進機において、面板全体が切羽面に対して回転自在
   に設けられているとともに、面板前面と面板背面の円周
   位置に面板に沿って回転自在な回転カッタが設けられて
   いることを特徴とするシールド掘進機。