JP4212499B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、カッタヘッド駆動装置によりカッタヘッドを回転駆動して楕円形断面のトンネルを掘削するシールド掘進機に関する。

従来、楕円形断面のトンネルを掘削するものとして、ルーロの三角形の原理を利用して頂部がルーロの三角形の３つの頂部に膨出するカッタヘッドを用いて、掘削するものが特許文献１に開示されている。

上記カッタヘッドの駆動機構は、シールド本体前部の隔壁に形成された中央空間部に、円筒支持体が中心軸周りに回転自在に配置され、この円筒支持体に前記中心軸から偏心した位置に貫通孔を形成し、この貫通孔に軸受を介してカッタヘッドの回転軸を回転自在に設けられている。

そして、このカッタヘッドの駆動装置は、公転用駆動部と自転駆動部とで構成されている。公転駆動部は、円筒支持体の後部外周に取り付けられた公転用のリングギヤと、この公転用のリングギヤに噛合される公転駆動ピニオンと、公転駆動ピニオンを回転駆動する公転用回転モータとで構成される。また自転駆動部は、回転軸の後端部に取り付けられた自転用の内歯リングギヤと、シールド本体の後部壁体に固定されて内歯リングギヤに噛合される固定ギヤとで構成されている。
特開平６−３０７１９０号公報

しかし、固定ギヤは、カッタヘッドの回転反力を回転軸および内歯リングギヤを介して支持するため、固定ギヤを支持する後部壁体に大きい負荷がかかり、後部壁体の構造強度を大幅に増大させる必要があった。このため、回転軸の後部周辺の部材や機器、設置環境などを考慮すると、かなり設計に無理が生じるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、カッタ駆動装置に高強度の反力支持部材も不要で構造を簡易化できるシールド掘進機を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、シールド本体の前部で回転軸心周りに回転自在に設けられた公転体に、前記回転軸心に対して偏心した位置に自転体を回転自在に配置し、前記自転体に、外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部位置に突出されたカッタヘッドを設け、前記公転体を回転軸心周りに所定方向に回転させるとともに、前記自転体を公転体と同一方向に偏心軸心周りに１／３の速度で回転させて、前記カッタヘッドにより楕円形のトンネルを掘削するシールド掘進機において、前記公転体に設けられた公転用ギヤに公転用ピニオンを介して公転体を回転駆動するカッタ回転駆動装置を設け、前記シールド本体に回転軸心周りに回転自在に支持された旋回リング体に、リング外歯ギヤを外周部に設けるとともにリング内歯ギヤを内周部に設け、前記公転用ピニオンと同軸上に配置されてカッタ回転駆動装置により同期駆動される自転用ピニオンを前記旋回リング体のリング外歯ギヤに噛合させ、前記自転体に、前記旋回リング体のリング内歯ギヤに噛合される自転用ギヤを設けたものである。

また請求項２記載の発明は、自転体に偏心軸心周りに回転自在な攪拌用軸部材を設け、前記攪拌用軸部材の前端部でカッタヘッドの後部に土砂の攪拌用翼体を設けるとともに、攪拌用軸部材の後端側に攪拌駆動装置を設け、前記攪拌駆動装置を、攪拌用軸部材の後端側に設けられた攪拌用駆動ギヤと、シールド本体に固定されて前記攪拌用駆動ギヤが噛合された攪拌用駆動ギヤとで構成したものである。

請求項１記載の発明によれば、カッタ回転駆動装置により、同軸上に配置された公転用ピニオンと自転用ピニオンとを回転駆動して、公転体を回転駆動するとともに、旋回リング体を介して自転体を回転駆動し、自転体を公転体と同一方向に１／３の速度で回転させるように構成したので、従来のように高強度の反力受け部材も不要で、カッタ回転駆動装置により同軸上で回転駆動される２つのピニオンにより、公転体の回転駆動と自転体の回転駆動とを行うことができ、構造を簡易化することができる。

また請求項２記載の発明によれば、攪拌用駆動装置を、攪拌用軸部材に取り付けられた攪拌用駆動ギヤと、この攪拌用駆動ギヤに噛合される攪拌用駆動ギヤとで構成したので、カッタ駆動装置の動力の一部を取り出して攪拌用に利用することができ、攪拌専用の回転駆動装置を不要とすることができて、製造コストの低減に寄与することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、掘削するトンネルの断面と略同一の楕円形断面に形成されたシールド本体１のスキンプレート１ａ内前部には、切羽崩壊土圧を保持する圧力室ＨＣを形成する隔壁２が設けられている。この隔壁２は、シールド本体１のスキンプレート１ａの内周面に固定された固定隔壁３と、この固定隔壁３にシールド軸上の回転軸心Ｏ１を中心として形成された貫通部４に旋回自在に配置される公転隔壁（公転体）６とで構成され、前記公転隔壁６は旋回軸受５を介して後部支持部材２５に支持されている。この公転隔壁６には、前記回転軸心Ｏ１から所定の偏心距離ｅ［ｅ＝（長径ｄ１／２−短径ｄ２／２）／２］離れた偏心軸心Ｏ２を中心に貫通軸受７が設けられ、この軸受孔７ａにカッタ自転軸（自転体）８が回転自在に支持されている。

前記カッタ自転軸８の前端部に取り付けられたカッタヘッド１０は、センタービット１２を有する中心部材１１から３本のメインアーム状カッタ１３が１２０°角度ごとに半径方向に突出され、これらメインアーム状カッタ１３先端の外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部にそれぞれ位置するように設定されている。またメインアーム状カッタ１３間の中間位置にメインアーム状カッタ１３より短いサブアーム状カッタ１４が半径方向に突出されている。そしてメインアーム状カッタ１３とサブアーム状カッタ１４とが補強リング１５により互いに連結され、両アーム状カッタ１３，１４にはそれぞれ掘削用のカッタビット１６が所定位置に取り付けられている。またメインアーム状カッタ１３の外周掘削端には、出退自在な掘削ビットを有するコピーカッタ装置１７が設けられている。

さらに前記固定隔壁３の下部に、カッタヘッド１０により掘削された土砂を切羽崩壊土圧を保持しつつ大気室ＬＣ側に排出するスクリュ式排土装置９が貫設されている。
前記固定隔壁３の大気室ＬＣ側に設けられてカッタヘッド１０を回転駆動するカッタ駆動装置２１は、前記公転隔壁６の外周部に設けられた公転用ギヤＧ２と、この公転用ギヤＧ２に噛合する公転用ピニオンＧ１と、この公転用ピニオンＧ１をカッタ駆動軸２２を介して回転駆動する複数（または単数）のカッタ回転駆動装置（油圧式または電動式モータ）２３と、カッタ駆動装置２３のカッタ駆動軸２２に固定された自転用ピニオンＧ３と、シールド本体１に固定されてカッタ回転駆動装置２３を支持する後部支持部材２５に旋回軸受２４を介して回転軸心Ｏ１周りに回転自在に支持された旋回リング体２６と、前記旋回リング体２６の外周面に形成されて自転用ピニオンＧ３が噛合されるリング外歯ギヤＧ４と、旋回リング体２６の内周面に形成されたリング内歯ギヤＧ５と、カッタ自転軸８の後部側に固定されてリング内歯ギヤＧ５が噛合される自転用ギヤＧ６とを具備している。

したがって、カッタ回転駆動装置２３により公転用ピニオンＧ１および公転用ギヤＧ２を介して公転隔壁６を所定方向に回転駆動すると同時に、自転用ピニオンＧ３によりリング外歯ギヤＧ４を介して旋回リング体２６を回転させる。そしてこの旋回リング体２６によりリング内歯ギヤＧ５および自転用ギヤＧ６を介してカッタ自転軸８を、公転隔壁６と同一方向に１／３の速度で回転させ、図３に仮想線で示すように、カッタヘッド１０のメインアーム状カッタ１３の外周掘削端により楕円形のトンネルを掘削することができる。

ここで図４に示すように、たとえば、公転用ピニオンＧ１の歯数Ｚ１、公転用ギヤＧ２の歯数Ｚ２、自転用ピニオンＧ３の歯数Ｚ３、リング外歯ギヤＧ４の歯数Ｚ４、リング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５、自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６とすると、楕円形断面のトンネル掘削の場合、偏心量ｅ＝（長径−短径）／４である。またリング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５と自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６の関係は、歯車のモジュールＭ、偏心量ｅとすると、Ｚ５＝Ｚ６＋２ｅ／Ｍの関係が必要である。

さらに同一のカッタ駆動軸２２上に公転用ピニオンＧ１および自転用ピニオンＧ３が設けられるとともに、同一の回転軸心Ｏ１に公転用ギヤＧ２およびリング外歯ギヤＧ４が設けられているため、公転用ピニオンＧ１および公転用ギヤＧ２のモジュールｍ１、自転用ピニオンＧ３およびリング外歯ギヤＧ４のモジュールｍ２とすると、（Ｚ１＋Ｚ２）×ｍ１＝（Ｚ３＋Ｚ４）×ｍ２の関係となる。

ところで、公転隔壁（公転体）６が１回転した時の旋回リング体２６の回転数ｎ’＝（Ｚ３×Ｚ２）／（Ｚ４×Ｚ１）＝＋４／９であり、また旋回リング体２６により駆動される自転軸８の単独の回転数ｎ”＝ｎ’×（Ｚ５／Ｚ６）＝［（Ｚ３×Ｚ２）／（Ｚ４×Ｚ１）］×（Ｚ５／Ｚ６）である。この時は、公転隔壁６と共に自転軸８が回転されるため、相対的な自転軸８の単独の回転数ｎ＝（Ｚ３×Ｚ２×Ｚ５）／（Ｚ４×Ｚ１×Ｚ６）−（Ｚ５／Ｚ６）＝−２／３
ここで、たとえば偏心量ｅ＝３２５ｍｍとすると、公転用ピニオンＧ１の歯数Ｚ１＝２９、公転用ギヤＧ２の歯数Ｚ２＝１７４、Ｇ１，Ｇ２のモジュールｍ１＝２８、自転用ピニオンＧ３の歯数Ｚ３＝１４、リング外歯ギヤＧ４の歯数Ｚ４＝１８９、Ｇ３，Ｇ４のモジュールｍ２＝２８、リング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５＝７８、自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６＝６５、Ｚ５，Ｚ６のモジュールＭ＝５０とした時に、
公転隔壁６が１回転した時のカッタ自転軸８の回転数ｎ＝（１４×１７４×７８）／（１８９×２９×６５）−７８／６５＝（４×６）／（９×５）−５／６＝−２／３となる。このときのカッタヘッド１０の回転数は、公転隔壁６の回転数＋自転軸８の回転数＝１−２／３＝１／３である。

上記実施の形態によれば、カッタ回転駆動装置２３により、カッタ駆動軸２２上にそれぞれ固定された公転用ピニオンＧ１と自転用ピニオンＧ３とを同期して回転駆動し、公転隔壁６を公転駆動するとともに、旋回リング体２６を介してカッタ自転軸８を回転駆動し、カッタ自転軸８を公転隔壁６と同一方向に１／３の速度で回転させるように構成したので、従来のように高強度の反力受け部材も不要で、カッタ回転駆動装置２３により同軸上で回転駆動される２つのピニオンＧ１，Ｇ３により、公転隔壁６の公転駆動とカッタ自転軸８の自転駆動とを行うことができ、構造を簡易化することができる。

［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態のシールド掘進機は、図５，図６に示すように、カッタ駆動装置２１に、圧力室ＨＣに設けられる土砂の攪拌装置３１を組み込んだものである。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

すなわち、隔壁２は、外周部の固定隔壁３と、この固定隔壁３にシールド軸上の回転軸心Ｏ１を中心として形成された貫通部４に回転自在に配置されるとともに後部支持部材２５に旋回軸受５を介して旋回自在に支持される公転隔壁（公転体）６と、公転隔壁６に回転軸心Ｏ１から所定の偏心距離ｅ離れた偏心軸心Ｏ２を中心とする貫通部４１に、回転軸受４２を介して回転自在に配置された自転隔壁（自転体）４３とで構成されている。

前記自転隔壁４３には、複数の支持脚４４を介してカッタヘッド１０が支持されている。また圧力室ＨＣに設けられた攪拌装置３１は、自転隔壁４３の偏心軸心Ｏ２上に形成された貫通部に軸受を介して回転自在に支持された攪拌軸筒（攪拌用軸部材）３２および攪拌軸筒３２の軸孔に回転自在に内嵌された連結軸４５と、攪拌軸筒３２の先端側で圧力室ＨＣに対応して取り付けられた複数の攪拌翼３３と、攪拌軸筒３２の基端部に設けられた攪拌駆動装置３４とで構成され、掘削後に圧力室ＨＣに取り込まれた掘削土砂を攪拌翼３３により攪拌して流動性を向上させ、排土装置９からの土砂の排出を促進させている。

前記攪拌駆動装置３４は、攪拌軸筒３２の後部に固定された攪拌用ギヤＧ１１と、後部支持部材２５の面板２５ａに固定された固定リング３５の内周部に形成され攪拌用ギヤＧ１１が噛合される攪拌用内歯ギヤＧ１２とで構成されている。これにより、公転隔壁６の回転に伴って攪拌用ギヤＧ１１が回転軸心Ｏ１を中心として旋回移動され、攪拌用内歯ギヤＧ１２と攪拌用ギヤＧ１１との噛み合いにより攪拌軸筒３２が回転されて攪拌翼３３が回転駆動される。

なお、前記連結軸４５は、その先端部がカッタヘッド１０の中心部材１１に連結されるとともに、その中空部にカッタヘッド１０の機器に油圧源、電源供給用や、信号送受用などの配管やケーブルが内装され、回転継手を介してカッタヘッド１０に配管やケーブルを接続するように構成されている。

上記構成によれば、攪拌用駆動装置３４を、攪拌用軸筒３２に取り付けられた攪拌用ギヤＧ１１と、この攪拌用ギヤＧ１１に噛合される攪拌用内歯ギヤＧ１２とで構成したので、カッタ駆動装置２１の動力の一部を取り出して攪拌用に利用することができ、従来で必要とした攪拌専用の回転駆動装置を不要とすることができるので、製造コストの低減に寄与することができる。

本発明に係るシールド掘進機の第１の実施の形態を示す縦断面図である。 同シールド掘進機の正面図である。 同シールド掘進機のカッタヘッドの動きを示す正面図である。 同シールド掘進機のカッタ駆動装置の歯車の噛み合いを示す説明図である。 本発明に係るシールド掘進機の第２の実施の形態を示す縦断面図である。 同シールド掘進機の正面図である。

符号の説明

Ｏ１ 回転軸心
Ｏ２ 偏心軸心
ｅ 偏心距離
ＨＣ 圧力室
ＬＣ 大気室
１ シールド本体
２ 隔壁
３ 固定隔壁
６ 公転隔壁
８ カッタ自転軸
１０ カッタヘッド
１２ センタービット
１３ メインアーム状カッタ
２１ カッタ駆動装置
２２ カッタ駆動軸
２３ カッタ回転駆動装置
２４ 旋回軸受
２５ 後部支持部材
２６ 旋回リング体
Ｇ１ 公転用ピニオン
Ｇ２ 公転用ギヤ
Ｇ３ 自転用ピニオン
Ｇ４ リング外歯ギヤ
Ｇ５ リング内歯ギヤ
Ｇ６ 自転用ギヤ
３１ 攪拌装置
３２ 攪拌軸筒
３３ 攪拌翼
３４ 攪拌駆動装置
３５ 固定リング
Ｇ１１ 攪拌用ギヤ
Ｇ１２ 攪拌用内歯ギヤ
４３ 自転軸
４４ 支持脚
４５ 連結軸

Claims (2)

1. シールド本体の前部で回転軸心周りに回転自在に設けられた公転体に、前記回転軸心に対して偏心した位置に自転体を回転自在に配置し、前記自転体に、外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部位置に突出されたカッタヘッドを設け、前記公転体を回転軸心周りに所定方向に回転させるとともに、前記自転体を公転体と同一方向に偏心軸心周りに１／３の速度で回転させて、前記カッタヘッドにより楕円形のトンネルを掘削するシールド掘進機において、
   前記公転体に設けられた公転用ギヤに公転用ピニオンを介して公転体を回転駆動するカッタ回転駆動装置を設け、
   、前記シールド本体に回転軸心周りに回転自在に支持された旋回リング体に、リング外歯ギヤを外周部に設けるとともにリング内歯ギヤを内周部に設け、
   前記公転用ピニオンと同軸上に配置されてカッタ回転駆動装置により同期駆動される自転用ピニオンを前記旋回リング体のリング外歯ギヤに噛合させ、
   前記自転体に、前記旋回リング体のリング内歯ギヤに噛合される自転用ギヤを設けた
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 自転体に偏心軸心周りに回転自在な攪拌用軸部材を設け、
   前記攪拌用軸部材の前端部でカッタヘッドの後部に土砂の攪拌用翼体を設けるとともに、攪拌用軸部材の後端側に攪拌駆動装置を設け、
   前記攪拌駆動装置を、攪拌用軸部材の後端側に設けられた攪拌用ギヤと、シールド本体に固定されて前記攪拌用ギヤが噛合された攪拌用の内歯駆動ギヤとで構成した
   ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
   
   
   

Images