JP2857682B2 - 矩形シールド掘進機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、矩形断面状のトンネルを掘削する形式
の、いわゆる矩形シールド掘進機（以下単に「矩形シー
ルド（機）」ともいう）に関する。

〔従来の技術〕

近年の地下の利用開発の進展に対応してシールド掘進
機の改良が次々となされている。

通常のシールド掘進機による掘削断面は、第13図に示
す如く円形断面をしている。これはセグメントの強度
上、地山からの土圧を最小断面積で強度をもたせるため
円形断面が効果的であるからである。円形シールド（円
形断面のトンネルを掘削するためのシールド機）は20年
以上の歴史があるものであって、シールドトンネルとい
えば円形断面という観念がトンネル掘削業界で定着して
いる。

ところが、最近になって四角形（矩形）断面のシール
ドトンネル掘削用のシールド機が提案され、業界の注目
を浴びている。

四角形（矩形）断面を採用する目的のひとつは、第13
図に示すように必要空間Ｒに対して円形断面よりも掘削
面積を少なくすることにある。つまり、従来の円形断面
ではR₁部分は無駄な空間となることが多く、この無駄な
掘削を行っていたものを必要な空間Ｒのみ掘削を行うよ
うにし、その分、掘削費用を削減し、工期の短縮化等を
図らんとするものである。

このような四角形断面のトンネル掘削を可能にするシ
ールド掘進機として第９図の斜視図に示すようなものが
提案されている。第10図はその中央縦断面図、第11図は
正面図、第12図は動力伝達機構を示す水平断面図であ
る。

図示するように、スキンプレート31の前部にギヤーケ
ース32が連設され、このギヤケース32を被包する如く中
央にリングカッタ33、外側にドラムカッタ34が配装され
ている。リングカッタ33は上下一対のカッタから構成さ
れ、この両者の径をあわせたような径を有するドラムカ
ッタ34が両側一対に配置されている。これらカッタの周
面にはカッタビット35が配設されている。

第12図の動力伝達機構図において、リングカッタ33と
ドラムカッタ34の駆動装置は次のように構成されてい
る。すなわち、シールド機内に設けられた電動機36の動
力は傘歯車列37、平歯車列38を介して伝導軸39に伝達さ
れるようになっている。そしてこの伝導軸39の両側に設
けた平歯車39aにドラムカッタ34の回転軸34aの平歯車34
bが噛合している。また、この一方の平歯車34bは中央の
リングカッタ33の回転軸33aに装着した平歯車列40に噛
合している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した矩形断面掘削用のシールド掘進機では、次の
ような欠点がある。

掘削土砂を取り込む開口面積が小さい。

第11図に示すようにドラムカッタ33、リングカッタ34
が矩形状のスキンプレート31内一杯に配装されているた
めカッタビット35を含むドラムカッタ34、リングカッタ
33とスキンプレート31との隙間のみが掘削土の呑み込み
開口部Ｓを形成するに過ぎない。しかも、第９図のよう
なカッタ配置構成ではギヤケース32との関係もあって、
中央に支柱41を立ててカッタを支持する必要があり、こ
の支柱41がまた掘削土のチャンバー42内への取り込みの
大きな障害となる。

すなわち、この従来の矩形シールド機では、その構成
上必然的に、掘削土の呑み込み開口部Ｓが非常に小さく
ならざるを得ず、しかも、チャンバー42内への取り込み
にも障害を持たざるを得ないのである。このような本質
的ともいえる欠点のために掘削土の取り込みや排出が円
滑にできず、そのためカッタ33、34に掘削土が付着して
掘削機能を著しく低下させたり、時には掘削不能に陥る
ことがある。かかる事態になると復旧までに多大の労力
と時間を要し、矩形断面トンネルを採用したことの本来
的なメリットが失われてしまう。

動力伝達機構が非常に複雑である。

左右に一対のドラムカッタ34、中央上下に一対リング
カッタ33という構成であるから、これらカッタに対して
多数の歯車列を介して駆動電動機の回転動力を伝達する
ためには、動力伝達機構の複雑化は避けられない。

左右のオーバーカットができないため、カーブ施工お
よびシールド機の方向修正が難しい。

通常、シールド機をシールド掘進すれば、シールド機
は機械自身の特性や土質等の影響から何れかの方向に蛇
行を生じる場合が多いが、左右のオーバーカット（余掘
り）ができないためシールド機の方向修正が困難であ
る。従って、当然のことながらカーブ施工（曲線施工）
や方向（蛇行）修正がしにくい。

本発明はこのような従来の課題に鑑みなされたもの
で、その主な目的は、掘削土の呑み込み開口を大きく確
保しながら矩形断面のトンネル掘削を可能にする矩形シ
ールド掘進機を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的達成のため、本発明の基本的な矩形シールド
掘進機は、矩形シールド本体の前部に、その開口幅にわ
たるドラムカッタを幅方向の回転軸回りに回転自在に設
けるとともに、このドラムカッタを矩形シールド前部開
口高さより小さい径に形成し、該ドラムカッタを機軸方
向に延設したスイングビームの前端部で支承し、該スイ
ングビームを上下に揺動して地山を掘削可能になるとと
もに、左右方向に揺動してオーバーカット可能になるよ
うに、その基部を前記矩形シールド本体のバルクヘッド
で枢支し、ドラムカッタを上下動して大きな掘削土の呑
み込み開口部を確保しつつバルクヘッドで切羽崩壊土圧
を保持して矩形断面のトンネルを掘削可能にしたことを
特徴とする。

更にまた、前記構成においてスイングビームとともに
ドラムカッタを機軸方向前方にスライド可能に構成する
か、或いは、矩形シールド本体のフード部の外側一部分
をテレスコピックに構成したことを特徴とする。

〔作用〕

上記基本構成では、スイングビームを上下に揺動させ
ると、これに伴ってドラムカッタも上下に揺動し、従っ
て、ドラムカッタを回転させながら上下に徐々に揺動す
ると、矩形断面のトンネルを掘削する作用が得られる。
そして、掘削中上下移動するドラムカッタの当該占有空
間以外は掘削土呑み込み用の大きな開口部が形成され、
掘削土の取り込みや排出がスムーズとなり、呑み込み用
開口部が確保されるとともに、幅方向にわたるカッタド
ラムで切羽面を支持できて切羽面の崩壊を防止でき、さ
らにドラムカッタへの掘削土付着防止作用が得られる。
その結果、掘削機能低下又は不能といった現象を回避で
きる。さらにまた、バルクヘッドにより切羽崩壊土圧を
保持（土圧シールド、泥水式シールド）により崩壊しや
すい地山に効率よく矩形断面のトネルルを掘削できる。
さらにオーバーカットにより左右方向の曲線施工や蛇行
修正が可能となる。

また、上下のみならず左右にも揺動可能にすれば、ド
ラムカッタが左右に矩形シールド本体（スキンプレート
外側）よりはみ出して左右のオーバーカット作用が得ら
れる。

また、スイングビームとともにドラムカッタを前方に
スライドさせたり、フード部を引っ込めることにより、
左右のスイング角が大きくとれる結果、左右のオーバー
カット量が増大し、それだけ曲線施工が容易となる。ま
た、これと同時に上下スイング角も増大して上下のオー
バーカット量も増大することから、勾配をもったトンネ
ル掘削が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明す
る。

第１図は本発明の矩形シールド掘進機の前部の概略斜
視図、第２図は同正面図、第３図は同水平断面図、第４
図は同縦断面図である。

これらの図に示すように、矩形シールド本体１の外殻
を形成するスキンプレート1Aは矩形状に形成されてお
り、その幅方向ほぼ一杯にドラムカッタＣが配置されて
いる。このドラムカッタＣは幅方向（略水平方向）に回
転軸心O₂を有する左右一対として設けられた円筒状の左
右ドラムカッタ２と、この左右ドラムカッタ２に付設さ
れたこれと一体的に回転する左右端ドラムカッタ３と、
機軸O₁方向に回転軸心を有する中央先端部が山形に出っ
張ったデイスク状の中央ドラムカッタ４とから構成され
ている。これらドラムカッタＣの径はいずれも矩形シー
ルド１の上下開口高さより小さい。つまり、第２図に示
すように前部開口高さＨに対してドラムカッタＣの径を
Ｄとすると、Ｈ＞Ｄである。また、この第２図から明ら
かなようにドラムカッタＣが占有する空間以外（即ち、
この図ではドラムカッタＣが中央位置にある場合で、上
下の空間を意味する）はすべて掘削土砂の呑み込みのた
めの開口部Ｓを形成し、従来に比し非常に拡大された掘
削土の取り入れ開口面積をもつことができるようになっ
ている。すなわち、第２図における呑み込み開口部Ｓの
開口面積は、略Ｗ×（H₁＋H₂）である。ここに、Ｗは開
口の幅である。

このような大きな呑み込み開口部Ｓを有する場合には
ドラムカッタＣに掘削土が付着することは殆どなくな
り、従って掘削機能の低下といった現象も発生しない。

左右ドラムカッタ２、左右端ドラムカッタ３にはスパ
イラル状にカッタビット５が配設され、中央ドラムカッ
タ４には放射状にカッタビット５が配設されている。後
述するスイングビーム６の一部から延びた固定支持部6a
の円周上にもカッタビットが設けてある。この部分は回
転しないがドラムカッタ２が上下動する時にかきけずる
ように掘削するものである。

上記ドラムカッタＣは機軸O₁方向に延設された中空円
筒状のスイングビーム６の先端部に支承されている。ス
イングビーム６の基部は少なくとも上下方向に揺動可能
なように矩形シールド本体１側に枢支されている。すな
わち、スイングビーム６の基部は矩形シールド本体１前
部の構造体をなすフード部1Bのバルクヘッド部分1Cに設
けられた球面軸受７に枢支されている。さらに、好まし
くはこの球面軸受７部に係合した水平方向の枢支軸（上
下スイングピン）８をスイングビーム６の基部に設ける
ようにしている。これにより、ドラムカッタＣはスイン
グビーム６が上下スイング（揺動）することにより上下
動可能に、左右スイングすることにより左右移動可能に
構成され、しかも、上下スイングピン８を設けた場合に
はスイングビーム６の上下の揺動範囲（スイング角）が
安定的に大きくとれる。なお、第３図、第４図中、９は
シール部材である。

次に駆動モータからドラムカッタへの動力伝達機構を
主に第３図に基づいて説明する。

中空円筒状のスイングビーム６の前端部と後端部には
ギヤボックス10、11が形成されている。スイングビーム
６の中空内部には、駆動軸12が挿通して設けられ、この
部分の駆動軸12はスイングビーム６前後内面に設けた軸
受13に回転自在に支持されている。後部ギヤボックス11
内において駆動軸12の基端部に平歯車14が装着され、こ
の平歯車14に噛合する左右一対の平歯車15がそれぞれ駆
動モータＭに連結されて配備されている。一方、前部ギ
ヤボックス10内において駆動軸12の先端部には傘歯車16
が装着され、これと噛合するピニオンギヤ17が左右ドラ
ムカッタ２の回転軸2aに連結されている。また、このピ
ニオンギヤ17に噛合する別の傘歯車18が中央ドラムカッ
タ４の回転軸4aに連結されている。これらの回転軸2a、
4aはスイングビーム６の一部を形成している前部ギヤボ
ックス10に軸支されている。スイングビーム６の先端部
から一部左右横方向に延びて形成された円板状の部分
（固定支持部）6aに左右ドラムカッタ２と左右端ドラム
カッタ３との連結軸3aが軸支されている。

上記のように構成される動力伝達機構においては、駆
動モータＭによって平歯車15、14列を介して駆動軸12が
回転して傘歯車16を回転させ、これよりピニオンギヤ17
を介して左右ドラムカッタ２が幅方向の回転軸心O₂回り
に回転し、同時にこれに一体的に連結された左右端ドラ
ムカッタ３も回転し、また同時に中央ドラムカッタ４が
機軸O₁方向の回転軸心回りに回転する。

次に、スイングビーム６を上下左右に揺動させるため
の駆動手段を第３図、第４図に基づいて説明する。

後部ギヤボックス11の背面中央部に突設したブラケッ
ト11aに上下スイングジャッキ19のロッド端が枢着され
ており、該ジャッキ19の胴部はシールド本体１側に球面
座19aによりピボット連結されている。この上下スイン
グジャッキ19を作動させることにより、第４図の想像線
に示す如くスイングビーム６は上下に揺動し、ドラムカ
ッタＣ全体がａからｂ位置まで上下動するようになって
いる。このドラムカッタＣの上下動（上下スイング）よ
って矩形断面のトンネルが掘削できるようになってい
る。

また、後部ギヤボックス11の両側には左右スイングジ
ャッキ20の一端が球面座20aでピボット連結され、他端
もシールド本体側に球面座20bでピボット連結されてい
る。この左右スイングジャッキ20を作動させることによ
り、第３図の想像線で示す如くスイングビーム６が左右
にスイングすることによりドラムカッタＣ全体が左右に
移動できるようになっている。これにより、左右端ドラ
ムカッタ３の一部が第２図、第３図の想像線の位置まで
矩形シールド本体１よりはみ出し、左右のオーバーカッ
トができる結果、小さい曲率の曲線施工やシールド機の
方向（蛇行）修正などができるようになる。また、上下
方向にも多少オーバーカットできるようにもなりうるの
で、この場合には上下方向の小曲線（勾配）施工や方向
修正も可能である。

なお、矩形シールド１の前部を形成するフード部1Bは
四角円錐状の形成するとともに、切羽崩壊土圧を支持す
るバルクヘッドが形成されており、底部には掘削土砂排
出用のスクリューコンベア21が設けられている（第２、
４図）。また、フード部1Bを形成している左右側壁はド
ラムカッタＣの揺動時に当たらないように波打ったよう
な形状になっている（第１、４図）。

次に、ドラムカッタＣの移動範囲（即ち、スイングビ
ーム６のスイング角）を拡大するための実施例を説明す
る。

上述した基本構成においても、矩形シールド１の前端
部をドラムカッタＣより後方に切り込むことにより両者
の間にクリアランスを増やして揺動範囲を多少増大でき
るが、例えば急曲線施工などに難無く対応するため揺動
範囲を更に拡大する方式が以下に述べる２つの実施例で
ある。

まず、スイングビーム６全体を枢支部分と一緒に機軸
方向に進出させる方式が第５図（水平断面図）と第６図
（縦断面図）に示す第２実施例の場合である。前述の第
１（基本）実施例と同一構成には同一符号にて示す。

フード部1Bの構造をスライド（摺動）可能に内外フー
ド部1a、1bに分割してある。内側フード部1aの後方に延
びた延設部1cに上下スイングジャッキ19と左右スイング
ジャッキ20が球面座を介して設けられ、かつ、スライド
ジャッキ22のロッド端がその端部に連結される。スライ
ドジャッキ22の基部はシールド本体１側に装着してあ
る。

そこで、第５図に示す如くスライドジャッキ22を伸長
させると、内側フード部1aが外側フード1b内面を摺動し
て前方に進出し、これに伴いスイングビーム６を介して
ドラムカッタＣが想像線ｅ位置まで前方に進出する。こ
の状態で左右にスイングさせるとドラムカッタＣ（左右
端ドラムカッタ３の外側位置）は想像線ｆの位置まで揺
動でき、フード部1Bの外殻よりかなりはみ出した位置ま
でもってくることができる。これによって急曲線施工な
どに必要なオーバーカット（余堀り）が可能となる。こ
の点は上下方向の対しても同様である。

また、第６図の如くドラムカッタＣが前出した状態で
上下スイングすればフード部1B頂部よりかなりはみ出し
た位置にドラムカッタＣが持ってこれる。これにより上
下方向にもオーバーカットが大きくできる。オーバーカ
ット量が大きくなればそれだけ急勾配施工が容易になる
し、シールド機の方向修正も容易となる。

次に、第７図（水平断面図）と第８図（縦断面図）の
第３実施例では、フード部1Bをテレスコピックにしてオ
ーバーカット量（余堀り量）を増大させようとするもの
である。

フード部1Bを外側一部を分離構成し、その外側フード
部1bを内側（固定）フード部1aに摺動させながら後方に
スライド可能にすべく、スライドジャッキ23を外側フー
ド部1bの後部に内蔵する。このジャッキ23のロッド側は
固定フード1a側に装着してある。他の構成は基本（第
１）実施例と同じであるので同一構成には同一符号で示
している。

そこで、スライドジャッキ23を短縮すると外側フード
部1bは内側フード1aに摺動しながら後退する。すると、
第７図、第８図の想像線で示すごとくドラムカッタＣの
左右、上下の揺動範囲が増大してオーバーカット（余
堀）量が拡大できる。

次に上述した基本実施例における矩形シールド掘進機
の動作について説明する。

矩形断面のトンネル掘削を行う場合、駆動モータＭを
作動させて動力伝達機構を介して中央ドラムカッタ４、
左右ドラムカッタ２、左右端ドラムカッタ３を回転動作
させる。同時に上下スイングジャッキ19を作動させてス
イングビーム６を介してドラムカッタＣ全体を上下にス
イングさせると所望の矩形断面を有するトンネル掘削が
される。この場合、例えば第２図のようにドラムカッタ
Ｃが中央位置にあって掘削している場合には、ドラムカ
ッタＣの占有部分以外の開口部Ｓは掘削土の取り入れ口
となり、掘削土は後方の四角円錐状空間に取り入れられ
た後は、底部のスクリューコンベヤ21によって搬出され
る。

上下方向の掘削（この時必要ならば多少の上下のオー
バーカットも可能である）に加えて、左右方向のオーバ
ーカットも左右スイングジャッキ20を作動してドラムカ
ッタＣを左右に揺動することによって行われる。なお、
図示していないが、矩形シールド機の掘進は機内のシー
ルドジャッキによるか又は押管式（シールド機の後方か
らジャッキで押す形式）による。また、掘進後には矩形
状にセグメントリングを構築するか又は場所打ちコンク
リートによって矩形状のライニングをする（第13図）。

第２実施例、第３実施例のシールド機では急曲線施工
が容易となる。すなわち、スライドジャッキ22、23を作
動させることによって、ドラムカッタＣ全体を前進させ
たり（第５図、第６図）或いは外側フード部1bを後退さ
せることより（第７図、第８図）スイングビーム６のス
イング角を大きくしてドラムカッタＣの揺動範囲を拡大
して左右端ドラムカッタ３でオーバーカット量が増大で
きる。また、この状態では上下のオーバーカットも大き
くできるから大きな勾配をもったトンネル掘削（上下方
向の急曲線施工）も容易となる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明にかかる矩形シールド掘進機によ
れば、次のような効果が得られる。

（ａ）本発明（請求項１）の基本的矩形シールドはドラ
ムカッタを上下に揺動して矩形断面のトンネルを掘削す
る方式であるため、掘削土の呑み込みスペースが十分に
広く確保できて取り込み、排出が円滑化されるととも
に、切羽面を十分に支持することができ、これに伴って
掘削土がドラムカッタに付着しにくくなり、掘削機能の
低下や掘削不能といった現象を未然に防止できる。ま
た、バルクヘッドにより、切羽崩壊土圧を支持できるの
で、崩壊しやすい土質であっても掘削を行うことができ
る。さらに、さらにオーバーカットにより左右方向の曲
線施工や蛇行修正が可能となる。

（ｂ）本発明（請求項２又は３）の矩形シールドでは、
左右のスイング量を調整することによってオーバーカッ
ト量を大きくして急曲線施工にも対応できるようにな
る。また、スイングビームの上下のスイング量を調整す
ることよってトンネル勾配への対応もし易い。

（ｄ）本発明の構成では、ドラムカッタの動力伝達機構
が簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

図のうち、第１図〜第８図は本発明にかかる矩形シール
ド機の実施例の説明図であって、第１図は本発明の第１
（基本）実施例である矩形シールド機の前部斜視図、第
２図は同正面図、第３図は水平断面図、第４図は縦断面
図である。第５図と第６図はオーバーカット量を増大さ
せるための第２実施例に係る矩形シールドの水平断面図
と縦断面図であり、第７図と第８図は同じく第３実施例
に係る矩形シールドの水平断面図と縦断面図である。 第９図〜第12図は従来の矩形断面掘削のためるシールド
機であって、第９図はその前部の斜視図、第10図は同中
央縦断面図、第11図は正面図、第12図は同動力伝達機構
を示す水平断面図である。 第13図は円形断面と矩形断面のトンネルの掘削空間の比
較図である。 １……矩形シールド本体、1B……フード部、1a……内側
フード部、1b……外側フード部、1A……スキンプレー
ト、Ｃ……ドラムカッタ、２……左右ドラムカッタ、３
……左右端ドラムカッタ、４……中央ドラムカッタ、６
……スイングビーム、７……球面軸受、８……上下スイ
ングピン、19……上下スイングジャッキ、20……左右ス
イングジャッキ、22、23……スライドジャッキ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/08 E21D 9/06 301

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形シールド本体の前部に、その開口幅に
   わたるドラムカッタを幅方向の回転軸回りに回転自在に
   設けるとともに、このドラムカッタを矩形シールド前部
   開口高さより小さい径に形成し、 該ドラムカッタを機軸方向に延設したスイングビームの
   前端部で支承し、該スイングビームを上下に揺動して地
   山を掘削可能になるとともに、左右方向に揺動してオー
   バーカット可能になるように、その基部を前記矩形シー
   ルド本体のバルクヘッドで枢支し、 ドラムカッタを上下動して大きな掘削土の呑み込み開口
   部を確保しつつバルクヘッドで切羽崩壊土圧を保持して
   矩形断面のトンネル掘削を可能にした ことを特徴とする矩形シールド掘進機。
2. 【請求項２】スイングビームとともにドラムカッタを機
   軸方向前方にスライド可能に構成した ことを特徴とする請求項１記載の矩形シールド掘進機。
3. 【請求項３】矩形シールド本体のフード部の外側一部分
   をテレスコピックに構成したことを特徴とする請求項１
   又は２記載の矩形シールド掘進機。