JPH061036B2 - シ−ルド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は地中にトンネルの如き横坑を構築する場合に用
いられる大口径のシールド掘進機に関する。

（従来技術およびその問題点） 従来、大口径のシールド掘進機のカッターは、第５図に
示すように、一つの巨大な回転型カッター100により構
成されていた。しかし、この場合、カッター自体の重量
が大きく、しかもカッターに加わるトルクも大きいた
め、カッターを支える軸受101や、カッター自体が巨大
化して製作費が過大となっていた。

また、土圧系の泥土加圧シールドにおいては、掘削土砂
に作泥土材を注入しシールド機内の切羽室102内で練り
混ぜることにより掘削土砂を泥土に変換し、この泥土に
よる圧力で切羽を安定させつつ掘進させるもので、掘削
土砂と作泥土材とを練り混ぜる練り混ぜ機構が掘削土砂
の泥土化にとって重要なこととなる。

しかして、大口径の場合、外周部に比べ内周部はカッタ
ー100の移動速度が非常に遅くなるので、カッタースポ
ーク104の後方に設けた練り混ぜ翼103だけでは、練り混
ぜが不十分となるので、掘削土砂が塑性流動化されず、
掘進に支障をきたすことになる。そこで、カッター100
とは別駆動の中央部練り混ぜ翼などを装備することが必
要となって製作費の増大を招く。

（発明の目的） 本発明は上記の点に鑑み提案されたもので、その目的と
するところは複数基のカッターを組合せて一つの大きな
円形の掘削断面を得るようにし、よって個々のカッター
を通常の小、中口径のものと同程度の構造でも良くして
コスト高を抑え、かつビットの摩耗も小なく、しかも練
り混ぜ能力が高いシールド掘進機を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は上記目的を達成するために、大口径
のシールド掘進機において、シールド掘進機の前方中央
部に中心カッターを設け、この中心カッターの周囲に互
いに同期制御され、かつ回転円が重なり合う中間カッタ
ーを複数設け、この中間カッターの外周部に外周カッタ
ーを設け、かつこれら中心カッター、中間カッターおよ
び外周カッター相互の軌跡の外周縁は全て重なるよう各
カッターを配置した構成とし、上記目的を達成してい
る。

また、大口径のシールド掘進機において、シールド掘進
機の前方中央部に中心カッターを設け、この中心カッタ
ーの周囲に公・自転可能であって中心カッターの外周縁
の軌跡と外周縁の軌跡が重なる複数基の周辺カッターを
設けた構成とし、上記目的を達成している。

（作用） 本発明においては、小ないし中口径のカッターを複数基
組合せて大口径シールドのカッターとすることにより、
個々のカッターにかかるトルクを個々のカッターに分散
させ、個々のカッターは通常の小、中口径シールドのカ
ッターと構造的に同程度のものでよいようにしている。

また、カッターは、それぞれの掘削面が重なっているの
で、ビットの摩耗も少なく、さらに、個々のカッター径
は大口径でないので、カッターの外周部と内周部でのカ
ッタースポークの移動速度に大きな違いはなく、また、
回転方向の異なるカッターの回転円が互いに干渉し合っ
ているので、練り混ぜ能力が非常に高くなっている。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の好ましい実施例を説明す
る。

第１図は本発明の第１実施例を示すもので、図中１はシ
ールド掘進機Ａを構成する大口径の円筒形を呈し鋼板等
よりなるシールド筒であり、前方部内周面には円板状の
隔壁２が設けられ、これにより切羽室３が形成されてい
る。

４はシールド筒１の隔壁２の前方に突出して設けられい
わゆるカッターとして機能する比較的中口径の中心カッ
ターで、この中心カッター４は、先端にフィッシュテー
ル状のセンタービット５が設けられ、かつ軸方向中心線
上に作泥土材用の注入管6aが形成され、軸受７を介し隔
壁２中央部に貫設されたセンターシャフト６と、このセ
ンターシャフト６の前端部にボス８を介して取付けら
れ、かつ前部に多数のビット９が設けられているととも
に、後部に後方に向って延びる複数の練り混ぜ翼10が設
けられた略十字状のカッタースポーク11にて構成されて
いる。そして、隔壁２の中央部背面には支持部材12が設
けられ、この支持部材12に中心カッター用駆動モータ13
が取付けられ、そのモータ軸に連結されたピニオン14が
隔壁２の後方に突出したセンターシャフト６の後部に設
けられた歯車15と噛合し、駆動モータ13を駆動すること
により、中心カッター４が回転するよう構成されてい
る。

また、16は中心カッター４に比べやや小口径の中間カッ
ターで、中心カッター４の周辺、すなわち、中心カッタ
ー４と隔壁２の外周部に設けられた、詳しくは後述する
外周カッター17との間において互いに離間して偶数基設
けられている。しかして、この中間カッター16は中心カ
ッター４の軸心に対し略同心円状に配設されており、中
心カッター４と略同様先端にフィッシュテール状のセン
タービット18が設けられ、かつ軸方向中心線上に作泥土
材用の注入管19aが形成され、軸受20を介し隔壁２に貫
設されたセンターシャフト19と、このセンターシャフト
19の前端部にボス21を介し取付けられ略Ｘ字状に延びる
スポーク22a，22bおよびその外周部を弧状に連結する弧
状スポーク22cにてなる扇形のカッタースポーク22と、
この扇形カッタースポーク22の前部に設けられた多数の
ビット23および後部に設けられ、かつ後方に向かって延
び長さの異なる練り混ぜ翼24a，24bとによって構成され
ている。なお、扇形カッタースポーク22はスポーク22
a，22b，22c構造とせず扇形の面板部材とすることも可
能である。また、練り混ぜ翼24bは隔壁２近傍まで延
び、かつ軸受20付近の練り混ぜ翼は軸受20にぶつからな
いようその近傍までの短かい長さとなっているが、軸受
20の前端が必要以上に隔壁２前方に突出しないものであ
れば各練り混ぜ翼24a，24bは同じ長さでも良いことは勿
論である。

また、中間カッター16のカッター部は中心カッター４よ
り若干前方に突出した位置に設けられ、中心カッター４
の周囲において互いに適間隔をあけ、かつ相互の外周縁
の軌跡が重なるように設けられている。この場合、各中
間カッター16は互いに衝突しないよう適度の位相差を付
されて配設され、それぞれ略同一速度で、かつ隣り合う
もの同志が逆方向に同期制御されて回転される。換言す
ると各中間カッター16は一つ置きに同一方向に回転する
ようになっている。

次に中間カッター16の回転機構について説明する。隔壁
２の背面であって中心カッター用回転機構の周囲には支
持部材25が設けられ、この支持部材25には中間カッター
用駆動モータ26が設けられている。また、支持部材25内
には２つの略リング状の第１、第２の歯車27，28が前後
して設けられ、かつモータ軸に前後して設けられた第
１、第２のピニオン29，30が第１、第２の歯車27，28に
それぞれ噛合され、第１、第２の歯車27，28はそれぞれ
逆方向に回転するように構成されている。そして、一つ
置きの各中間カッター16のセンターシャフト19の適位置
に第１または第２の歯車27，28と噛合する歯車31，32が
設けられ、これによって隣り合う中間カッター16が互い
に逆方向に回転される。なお、このとき隣り合うカッタ
ーの回転速度が同じになるように第１、第２のピニオン
29，30と第１、第２の歯車27，28の比を調節しておく必
要がある。

また、17はシールド筒１内であって隔壁２の外周部に設
けられた大口径のリング状の外周カッターで、この外周
カッター17は、中間カッター16の扇形カッタースポーク
22の後方に位置し、かつ前部に多数のビット33が設けら
れた、例えば略コ字状をなすカッタースポーク34と、カ
ッタースポーク34と支持ビーム35によって連絡され、か
つシールド筒１内であって隔壁２の外周部に回転可能に
設けられた回転隔壁36と、この回転隔壁36の後方に設け
られた歯車部36aと噛合するピニオン37を介しそのモー
タ軸が連結され、かつ支持部材38に取付けられた外周カ
ッター用駆動モータ39とにて構成されている。

さらに、40は坑内側に設けられたスクリューコンベア
で、その前端40aは隔壁２の下部と接続され、かつ後端
に設けられたスクリュー駆動用モータ41を駆動すること
により切羽室３内の泥土等を内部に取り込み排出するも
のである。なお、図中ではスクリューコンベア40は一基
であるが、必らずしも一基に限定されるものではなく、
複数基の設置も可能である。

42はオイルジャッキで、前端はシールド筒１の内壁面に
立設された支持部１ａに、また、後端は反力受（図示せ
ず）に当接させられている。

しかして、上記オイルジャッキ42は、切羽室３に充満さ
れら泥土の圧力を一定に保つため、スクリューコンベア
40の泥土の排出量を考慮しつつ駆動され、シールド筒１
を前進させる。この場合、切羽室３内の泥土の圧力は切
羽室３に面した隔壁２の適箇所に設けた圧力計（図示せ
ず）によって検出される。

その他、43は回転隔壁36の周囲に設けられたシール、4
4，45はそれぞれ第１、第２の歯車27，28を支持する軸
受である。

次に本発明の動作について説明する。

掘削断面が円形のシールド掘進機において、その断面の
半径よりも短かい直径である偶数基の中間カッター16を
それぞれのカッターの掘削円が、シールド掘進機Ａの掘
削断面円の内側に接するように配設してあり、また、そ
れぞれの隣り合う中間カッター16の中心を結ぶと正多角
形を形成するようになっており、かつ多角形の一辺の長
さが中間カッター16の半径よりも長く直径よりも短かく
なっている。さらに、シールド掘進機Ａの掘削断面中心
にも中心カッター４が配設されていて、前記中間カッタ
ー16と接触することのないようにその後方に位置してい
る。

また、シールド掘進機外周部には、回転するリング状の
回転隔壁36に取り付けられ、外周縁に沿って回転するカ
ッタースポーク34が、前記の正多角形状に配設された中
間カッター16の後方に位置するように配設されていて、
これら３種類の中心カッター４、中間カッター16、外周
カッター17等を各駆動モータ13，26，39にて駆動するこ
とにより、一つの大きな円形断面を掘削することができ
る。

このように、小ないし中、大口径のカッターを複数基組
合せることにより大きな円形断面を掘削するようにして
いるため、個々のカッターは通常の小、中口径シールド
のカッターと構造的に同程度のものでよい。また、各カ
ッター相互は、それぞれの掘削面が重なっているので、
カッターの外周部と内周部でのカッタースポークの移動
速度に大きな違いはなく、また、回転方向の異なるカッ
ターの回転円が互いに干渉し合っているので、練り混ぜ
能力が非常に高い。

しかして、各カッターにより掘削される切羽の掘削土
は、切羽室３に取込まれるが、この掘削土を切羽の地山
と単位体積重量が略同程度で、塑性流動性、不透水性の
ある泥土に泥土化するために各センターシャフト６，19
の後端部に設けられたスイベルジョイント46，47を介し
外部から作泥土材が注入され、この作泥土材はセンター
シャフト６，19の内部の注入管6a，19aを通ってその先
端部から外部に注入されるものである。なお、この種の
注入管6a，19aは隔壁２の適宜の箇所にも設けたり、カ
ッタースポーク11，22の適箇所に設けても良いことは勿
論である。

掘削土に対しこのようにして必要に応じ作泥土材を注入
しつつ各カッタースポーク11，22後方の練り混ぜ翼10，
24a，24bで練り混ぜることによりこの土砂を前述のよう
に泥土に変換する。この泥土を隔壁前部の切羽室３とス
クリューコンベア40内に充満し、オイルジャッキ42によ
り加圧して、泥土に圧力を発生させて、この泥土によ
り、切羽の崩壊を防止しながら、排土と掘進を行なうも
のである。

第２図は本発明の第２実施例を示すもので、この実施例
では最外周のリング48にビット33を取り付けたものを支
持ビーム49で支持し第１実施例の回転隔壁に相当する部
材36に連結させ回転させるようにしたものである。

この場合、シールド断面内に掘削されない部分ができる
ことがあるので、地山対象としては崩壊性のある砂層や
軟弱な地山でなければならない。

その他の構成、作用は第１実施施例と略同様である。

第３図は本発明の第３実施例を示すもので、この実施例
では第１実施例における大口径の外周カッターを公転す
るとともに自転装置50によって自転する複数基の外周カ
ッター51にて構成した点に主として特徴を有しといる。

すなわち、この外周カッター51は、先端にビット52を有
し、かつ外周の軌跡シールド筒径と略接する小径の円形
をなすカッタースポーク53が設けられたセンターシャフ
ト54と、このセンターシャフト54を回転可能に支持する
とともに、支持部材55に取付けられた駆動モータ56のピ
ニオン57と噛合する略リング状の歯車58と、前記センタ
ーシャフト54の後端に設けられたピニオン59が噛合す
る、シールド筒１の内側に設けられた略リング状の大径
の固定歯車60とによって構成されている。なお、歯車58
の前端は回転隔壁58aとなっている。

したがって、駆動モーター56により外周カッター51をシ
ールド外周部に回転させると外周カッター51のセンター
シャフト54に固定されたピニオン59が固定歯車60の内側
を歯がかみ合ったまま移動するので、外周カッター51は
センターシャフト54を中心として回転する。つまり、外
周カッター51は自転しながら公転することとなる。

この場合、外周カッター51は自転と公転をそれぞれ別の
モーターにより行うことにより自転と公転を独立した動
きとすることもできる。よって、効率良く切羽を掘削
し、かつ掘削土と作泥土材を練り混ぜることができる。

この実施例では中間カッター16の掘削円がシールド筒１
の外縁と接することなく、内側へよっている。その他の
構成、作用は前述の実施例と略同様である。

なお、上記第１〜第２実施例において中間カッター16の
隣り合うものどうしを逆方向の同速度で回転させる手段
は実施例に示されるような手段に限らず、電気的方法な
どによって駆動モータを制御するようにして行ってもよ
い。また、各実施例において中間カッター16は、地山が
軟弱な土質であればそのカッターの掘削円が必ずしも重
なる必要はなく、その場合、中間カッター16の駆動はそ
れぞれ独立させて構成してもよい。

第４図は本発明の第４実施例を示すもので、この実施例
ではカッターは中口径の中心カッター61と前述の実施例
の中間カッターおよび外周カッターを兼用した自・公転
可能な周辺カッター62とにて構成されている。

すなわち、この場合、中心カッター61のカッタースポー
ク63は円形スポーク63aとそれを支持する支持スポーク6
3bにて構成されている。その他回転機構は第１実施例の
ものと基本的に同様である。

また、個々の周辺カッター62は比較的に小口径の円形を
なすカッタースポーク64と、このカッタースポーク64が
先端に設けられているとともに、さらにその先端にセン
タービット65が設けられたセンターシャフト66と、この
センターシャフト66を歯車機構を介し駆動する自転用駆
動モータ67とを備えている。

そして、この周辺カッター62のセンターシャフト66およ
び前記中心カッター61はそれぞれ専用の軸受69，69′を
介し回転可能な回転隔壁70に貫設され、駆動モータ67を
支持するとともに、内部に、センターシャフト66後端に
設けられた歯車71、これと噛合するピニオン72等の回転
機構が収納された支持部材73が回転隔壁70側の外周側後
部に設けられている。

また、それらの後方に回転隔壁駆動モータ74が取付けら
れた支持部材75が設けられている。回転隔壁駆動モータ
74のモータ軸にはピニオン76が設けられ、このピニオン
76は略リング状をなす大歯車77と噛合している。この大
歯車77の支持ビーム77aの先端は支持部材73に連結され
ている。また、支持ビーム77aは、先端が軸受69の外周
部側に連結され、かつ回転機構および駆動モータ67が設
けられた支持部材73等を包囲し、回転隔壁70とともに回
転する回転ケーシング78に連結されている。なお、回転
ケーシング78の後部は軸受79を介し支持部材75の支持さ
れている。

しかして、駆動モータ74を駆動するとその回転は、ピニ
オン76、大歯車77、回転ケーシング78へと伝達される。
このため、シールド筒１内の前方部外周に設けられたフ
ランジ状の固定隔壁1bの内面にシール兼軸受80を介し回
転可能に設けられた回転隔壁70が回転し、これにより中
心カッター61の周囲を周辺カッター62が回転、つまり公
転し個々の周辺カッター62全体として大口径のカッター
の役割りをなすようになっている。また、この場合、駆
動モータ67を駆動させればその回転がピニオン72、歯車
71、センターシャフト66へと伝達され、周辺カッター62
を自転させることができる。この際各周辺カッター62の
駆動はそれぞれの専用の駆動モータ67によって行われ独
立している。

なお、中心カッター61は若干前方へ突出し、かつそのカ
ッタースポーク63の外周縁とやや内側に位置する周辺カ
ッター62のカッタースポーク64の外周縁は前方から見て
重なっており、また、カッタースポーク64の軌跡の外周
縁はシールド筒１と重なっている。

そして、図示の状態において周辺カッター62は中心カッ
ター61の上下、左右の４ケ所に設けられており、それら
の中心、周辺カッター61，62を駆動することにより全体
として一つの大きな円形の掘削断面を得ることができ
る。

掘削土を泥土化する場合、スイベルジョイント81と接続
された作泥土材注入管82を介しセンターシャフト68の注
入管68aに注入させる。この作泥土材は、例えばセンタ
ーシャフト68の先端部から外部に噴出されるとともに、
センターシャフト68の略中央部に設けられたスイベルジ
ョイント83を介し各周辺カッター62のセンターシャフト
66内にも作泥土材注入管84およびスイベルジョイント85
を経て作泥土材が供給され、適箇所から外部に噴出され
る。

そして、掘削土と作泥土材とを各カッタースポーク63，
64の後方に設けられ、それぞれ適切な長さに設定されて
いる練り混ぜ翼86，87で練り混ぜることにより泥土に変
換し、これによって切羽を押えつつ掘進を行うものであ
る。また、切羽室３内の泥土は固定隔壁1bの下部に前端
が接続された適数個のスクリューコンベア40を介し外部
に排出される。

なお、上記各実施例において地山にシルト、粘土分等が
多く含まれている場合には、例えばベントナイト溶液、
ＣＭＣなどの作泥土材を注入しなくとも良いことは勿論
である。作泥土材としては掘削土の性状を切羽を好適に
押えるものに変換するものであればよく、他のものであ
っても良いことは勿論である。

また、地山が軟弱であれば第１ないし第３実施例におい
て中間カッター16を中心に近づけることにより、中心カ
ッター４を省略することも可能である。

さらに、第１ないし第３実施例において、中心カッター
４は中間カッター16、の後方に位置するようにしても良
いし、その逆に第４実施例のように前方に位置するよう
にしても良い。一方、第４実施例においてカッターの前
後関係を第１ないし第３実施例のようにしても良い。

また、上記実施例は、いわゆる泥土加圧シールドに本発
明を適用した場合について説明したが、泥水加圧などの
他のメカニカルシールドに適用することも可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、大口径のシールド掘進機
において、シールド掘進機の前方部に設けられ、かつ回
転自在な複数基のカッターによって一つの大口径の略円
形の掘削断面を得るようにし、小、中口径のカッターを
複数基組合せることにより大口径シールドのカッターと
したから、個々のカッターにかかるトルクが小さくなる
ため、個々のカッターは通常の小、中口径シールドのカ
ッターと構造的に同程度のものでよく、そのため製作費
を軽減することができる利点がある。

また、中心カッターおよびその周辺に設けられるカッタ
ーは、それぞれの掘削面が重なっているので、未掘削部
分はなく、かつビットの摩耗も少なくなる。

さらに、個々のカッター径が大口径でないので、カッタ
ーの外周部でのカッタースポークの移動速度に大きな違
いはなく、また、回転方向の異なるカッターの回転円は
互いに干渉し合っているので、練り混ぜ能力が非常に高
い利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例で、(イ)は正面図、(ロ)は側
面図、第２図は本発明の第２実施例の部分側断面図、第
３図(イ)，(ロ)は本発明の第３実施例、第４図(イ)，(ロ)は
同第４実施例、第５図は従来例である。 １‥‥シールド筒、２‥‥隔壁、４，61‥‥中心カッタ
ー、16‥‥中間カッター、17，51‥‥外周カッター、62
‥‥周辺カッター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−122696（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−87092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−595（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−207494（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大口径のシールド掘進機において、シール
   ド掘進機の前方中央部に中心カッターを設け、この中心
   カッターの周囲に互いに同期制御され、かつ回転円が重
   なり合う中間カッターを複数設け、この中間カッターの
   外周部に外周カッターを設け、かつこれら中心カッタ
   ー、中間カッターおよび外周カッター相互の軌跡の外周
   縁は全て重なるよう各カッターを配置したことを特徴と
   するシールド掘進機。
2. 【請求項２】外周カッターは中心カッターおよび中間カ
   ッターの周囲を公転するリング状のもの、または円形の
   回転可能な複数基のものからなり、かつ中心カッターお
   よび中間カッターの周囲を公転するとともに自転する特
   許請求の範囲第１項記載のシールド掘進機。
3. 【請求項３】大口径のシールド掘進機において、シール
   ド掘進機の前方中央部に中心カッターを設け、この中心
   カッターの周囲に公・自転可能であって中心カッターの
   外周縁の軌跡と外周縁の軌跡が重なる複数基の周辺カッ
   ターを設けてなることを特徴としたシールド掘進機。