(57)【要約】【課題】  前方の地山を一対のカッタのみによって略矩形断面トンネルの掘削が可能であり、シールド機のローリング等が防止可能なシールド機およびこれを用いた矩形断面トンネルの構築方法を提供する。【解決手段】  シールド機１の略中央でシールド機１の掘削範囲は２分される。２分されたそれぞれの掘削範囲（シールド機１の左右半分の範囲）には、それぞれ掘削部が設けられる。一方の側の掘削範囲には、当該掘削範囲の略中央を回転体回転軸３３ａとする回転体２１ａが設けられる。回転体２１ａにはフレーム２５ａが接合される。フレーム２５ａは回転体２１ａの径方向に向けて延伸されており、端部にはカッタ２９ａが設けられる。他方の側の掘削範囲にも、同様の掘削部が設けられる。すなわち、一対の掘削部が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘進するシールド機であって、
略矩形断面形状のシールド機本体と、
前記シールド機本体を推進するジャッキと、
前記シールド機本体前方が２分され、それぞれの掘削範囲に設けられる一対の掘削部と、
を有し、
一対の前記掘削部は、
前記掘削範囲の略中心をそれぞれ回転軸とする回転体と、
前記回転体の前面に、前記回転体の回転軸に対して略垂直な方向に設けられ、一方の端部が前記回転体の回転軸から偏心した位置に回転可能に配置されたフレームと、
前記フレームの他方の端部に設けられ、複数の刃を有する回転カッタと、
をそれぞれ具備し、
前記回転カッタのみで前記シールド機本体前面を掘削可能であることを特徴とするシールド機。
【請求項２】
２分された前記掘削範囲それぞれの下方には、前記フレームよりも幅が広く、掘削土砂を排出する孔に通じる開口部が設けられることを特徴とする請求項１記載のシールド機。
【請求項３】
前記回転カッタは、
前記回転カッタの回転軸と略垂直な面であるシールド機進行方向前面を掘削する前方掘削部と、
前記前方掘削部の周囲に設けられ、前記シールド機進行方向前面とは略垂直な面を掘削する側方掘削部と、
を有し、
前記前方掘削部により掘削される前記シールド機進行方向と、前記側方掘削部に設けられる刃の配置方向が所定の角度を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のシールド機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のシールド機を用い、略矩形断面トンネルの構築方法であって、
シールド機前方から見て、前記回転体の回転軸を中心とした前記回転カッタの回転移動方向が、前記回転カッタの回転方向と逆回転であることを特徴とする略矩形断面トンネルの構築方法。
【請求項５】
一対の前記回転体のそれぞれの回転方向が互いに逆回転であり、かつ一対の前記回転カッタのそれぞれの回転方向が互いに逆回転であることを特徴とする請求項４記載の略矩形断面トンネルの構築方法。
【請求項６】
掘削範囲の一部は、前記回転カッタが前記シールド機本体の外周から所定量はみ出す範囲まで掘削を行わせるとともに、
他の一部は前記回転カッタが前記シールド機本体の外周から所定量内側までのみの掘削を行わせることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の略矩形断面トンネルの構築方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、略矩形断面形状であって、上下面の略中央位置に内方へ向かうくびれ部を有するトンネルを掘削可能なシールド機およびこれを用いた矩形断面トンネルの構築方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の掘削機の多くは、掘削方向に対面する略円形のカッタの回転により掘削機前方の地山を掘削するものであり、この場合、トンネルは円形断面形状となる。これに対し、複数のカッタを用いて、矩形断面トンネルが掘削可能な掘削機が開発されている。
【０００３】
このような矩形形状等断面形状を有するトンネルを掘削可能なシールド機としては、例えば、シールド機本体前面にメインカッタを設け、メインカッタと一体に回転する回転体の径方向に変位可能な遊星カッタを備え、遊星カッタの公転軌道を制御部により制御し、メインカッタで掘削不可能な部位を遊星カッタの動作によって掘削する自由断面シールド機がある（特許文献１）。
【０００４】
また、シールド機の前面にセンターカッタが設けられ、センターカッタの回転体から外れた位置に回動部材およびこれに設けられた遊星カッタを有し、遊星カッタの軌道を規制するガイド部材が設けられる自由断面シールド機がある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４０５８５号公報
【特許文献２】特開平２−３１１６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載されたシールド機は、前方の地山を掘削するメインのカッタをシールド機の前面に設ける必要がある。例えば矩形形状の断面を掘削する場合には、メインのカッタによって円形に掘削されたトンネルの４隅の掘削を補助的に設けられた遊星カッタにより行うものである。このため、メインカッタに加え遊星カッタが必要となり、複数の形状のカッタを必要とする。
【０００７】
また、特許文献１、特許文献２いずれのシールド機も、矩形形状の４隅を遊星カッタで掘削するものであり、矩形形状の水平方向略中央の一部にくびれ部を有するような形状想定されていない。この場合、特許文献１、２のシールド機では、メインカッタのサイズダウンを行う必要があることから、遊星カッタによる掘削量を増やす必要がある。このため、遊星カッタを大型化する必要がある装置が大型化するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、前方の地山を一対のカッタのみによって略矩形断面トンネルの掘削が可能であり、シールド機のローリング等が防止可能なシールド機およびこれを用いた矩形断面トンネルの構築方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するための第１の発明は、地山を掘進するシールド機であって、略矩形断面形状のシールド機本体と、前記シールド機本体を推進するジャッキと、前記シールド機本体前方が２分され、それぞれの掘削範囲に設けられる一対の掘削部と、を有し、一対の前記掘削部は、前記掘削範囲の略中心をそれぞれ回転軸とする回転体と、前記回転体の前面に、前記回転体の回転軸に対して略垂直な方向に設けられ、一方の端部が前記回転体の回転軸から偏心した位置に回転可能に配置されたフレームと、前記フレームの他方の端部に設けられ、複数の刃を有する回転カッタと、をそれぞれ具備し、前記回転カッタのみで前記シールド機本体前面を掘削可能であることを特徴とするシールド機である。
【００１０】
２分された前記掘削範囲それぞれの下方には、前記フレームよりも幅が広く、掘削土砂を排出する孔に通じる開口部が設けられることが望ましい。
【００１１】
前記回転カッタは、前記回転カッタの回転軸と略垂直な面であるシールド機進行方向前面を掘削する前方掘削部と、前記前方掘削部の周囲に設けられ、前記シールド機進行方向前面とは略垂直な面を掘削する側方掘削部と、を有し、前記前方掘削部により掘削される前記シールド機進行方向と、前記側方掘削部に設けられる刃の配置方向が所定の角度を有することが望ましい。
【００１２】
第１の発明のシールド機によれば、掘削部が、回転体とこれに設けられるフレームとフレームに設けられる回転カッタにより構成され、シールド機前面が２分され、２分されたそれぞれの掘削範囲を掘削可能な一対の掘削部が設けられるため、回転カッタが掘削面全域に対して移動可能であり、一対のカッタのみによってシールド機前方の地山を略矩形断面形状に掘削することができる。
【００１３】
また、２分される掘削範囲それぞれの下方に掘削土砂を排出するためのスクリューコンベアへつながる孔が設けられ、孔の前方にはフレーム幅よりも広い開口部がそれぞれ設けられれば、カッタの移動位置によって、フレーム及びカッタで孔を塞ぐことがない。したがって、カッタ位置によらず、確実に掘削土砂を排出することが可能である。
【００１４】
また、回転カッタが、シールド機の前方を掘削する前方掘削部と、シールド機前面と略垂直な面方向を掘削する側方掘削部とが設けられれば、回転カッタが取り付けられるシールド機の進行方向と、進行方向に略垂直な方向の両方向を掘削することができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明にかかるシールド機を用い、略矩形断面トンネルの構築方法であって、シールド機前方から見て、前記回転体の回転軸を中心とした前記回転カッタの回転移動方向が、前記回転カッタの回転方向と逆回転であることを特徴とする略矩形断面トンネルの構築方法である。
【００１６】
一対の前記回転体のそれぞれの回転方向が互いに逆回転であり、かつ一対の前記回転カッタのそれぞれの回転方向が互いに逆回転であってもよい。
【００１７】
一対の前記回転カッタに設けられる前記複数の刃は、全て同じ周方向に向けられており、前記回転カッタは１方向にのみ回転してもよい。
【００１８】
掘削範囲の一部は、前記回転カッタが前記シールド機本体の外周から所定量はみ出す範囲まで掘削を行わせるとともに、他の一部は前記回転カッタが前記シールド機本体の外周から所定量内側までのみの掘削を行わせてもよい。
【００１９】
ここで、はみ出す範囲まで掘削するとは、シールド機の前方から見た投影外形に対して、カッタの一部が外周よりはみ出して掘削する場合をいう（以下、はみ出し掘削という）。また、外周から所定量内側までのみを掘削するとは、カッタがシールド機の外周よりも内側までのみを掘削する場合（すなわち、カッタがシールド機の投影外形内に隠れる）をいう（以下、マイナス側掘削という）。
【００２０】
第２の発明によれば、略矩形断面トンネルを掘削可能であり、また、シールド機前方から見て、回転体の回転軸を中心としたシールド機の掘進方向に略垂直な方向への回転カッタの移動方向が、当該回転カッタの回転方向とは逆向きであるため、それぞれの回転カッタの移動によるシールド機の回転を回転カッタの回転によって打ち消すため、シールド機のローリングを防止できる。
【００２１】
また、一対の掘削範囲において、シールド機前方から見て、回転体の回転軸を中心としたシールド機の掘進方向に略垂直な方向への回転カッタの移動方向が、互いに逆回転であれば、回転カッタの移動によるシールド機の回転が互いに打ち消される。このため、シールド機のローリングを防止できる。さらに一対の回転カッタのそれぞれの回転方向が互いに逆回転であれば、さらに効果的にシールド機のローリングを防止することができる。
【００２２】
また、カッタの掘削範囲をはみ出し掘削、マイナス側掘削と変化させることができるため容易にシールド機の姿勢や進行方向を制御することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、前方の地山を一対のカッタのみによって略矩形断面トンネルの掘削が可能であり、シールド機のローリング等が防止可能なシールド機およびこれを用いた矩形断面トンネルの構築方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】シールド機１を示す側方断面図。
【図２】シールド機１の正面図。
【図３】シールド機１における、回転体２１、フレーム２５、カッタ２９の動作を示す図。
【図４】カッタ２９の移動方向と回転方向を示す図。
【図５】カッタ２９による掘削範囲を示す図。
【図６】カッタ２９を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＨ方向矢視図。
【図７】スポーク４３の側面を示す図で、刃３９の配置角度を示す図。
【図８】シールド機１の外周に対して、（ａ）はカッタ９がはみ出した範囲まで掘削する状態を示す図、（ｂ）はカッタ９がマイナス側まで掘削した状態を示す図。
【図９】シールド機１がローリングした状態において、シールド機１の前方の掘削範囲の制御方法を示す図。
【図１０】シールド機１の進路を変更する場合において、シールド機１の前方の掘削範囲の制御方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１および図２は、本発明にかかるシールド機１を示す図である。なお、図１は図２においてカッタ２９ａ近傍での側方断面図である。図１に示すように、シールド機１は、主に、スキンプレート３、隔壁５、スクリューコンベア１５等から構成されるシールド機本体と、シールドを推進させるためのシールドジャッキである油圧ジャッキ７と、シールド前方の地山を掘削するカッタ２９ａ、フレーム２５ａ、回転体２１ａ等からなる掘削部などから構成される。
【００２６】
シールド機１は、略矩形断面形状の筒状のスキンプレート３を有し、スキンプレート３の後方には、筒状のテールプレート９が接続される。スキンプレート３の内部には、油圧ジャッキ７が設けられる。テールプレート９内には、図示を省略したセグメント組み立て装置によって組み立てられたセグメント１１が設置される。セグメント１１とテールプレート９との間はテールシール１３によってシールされる。
【００２７】
油圧ジャッキ７は、軸方向に往復動作可能である。シールド機１は、油圧ジャッキ７によってセグメント１１を押圧し、セグメント１１からの反力にて前方に推進する。
【００２８】
スキンプレート３の前方には隔壁５が設けられる。隔壁５は、油圧ジャッキ７等が設けられる側と、後述するカッタ２９ａ等が設けられる側（チャンバ１９側）とを区画する。隔壁５の下方には、開口部１７ａ、１７ｂ（図２）が設けられる。開口部１７ａ、１７ｂは、それぞれ後方のスクリューコンベア１５ａ、１５ｂと連通する。すなわち、隔壁５の前方に向かって開口する開口部１７ａ、１７ｂは後方にスクリューコンベア１５ａ、１５ｂに連通する孔が設けられる。掘削部によって掘削されたチャンバ１９内の掘削土砂は、所定の圧力を保持しつつ開口部１７ａ、１７ｂ内に取り込まれ、スクリューコンベア１５ａ、１５ｂによって後方に排出される。
【００２９】
隔壁５には、回転体２１ａ、２１ｂ（図２）が設けられる。回転体２１ａ、２１ｂは、回転体回転軸３３ａ、３３ｂを中心にモータ２３によって回転可能である。
【００３０】
回転体２１ａの前面には、フレーム２５ａが設けられる。フレーム２５ａは、回転体２１ａの回転体回転軸３３ａに対して略垂直な方向にアーム状に設けられる。回転体２１ａにはフレーム２５ａを回転させるためのフレームモータ２７ａが設けられ、フレーム２５ａは、フレーム回転軸３５ａを中心に回転可能である。なお、フレーム回転軸３５ａは回転体回転軸３３ａに対し偏心している（すなわちずれた位置に位置する）。すなわち、フレーム２５ａの一方の端部が、フレーム回転軸３５ａを中心に回転可能なように回転体２１ａに接合され、フレーム２５ａは、回転体２１ａに対して異なる回転軸で回転動作が可能である。
【００３１】
フレーム２５ａの、回転体２１ａとの接合部とは反対側の端部近傍に、複数の刃を有するカッタ２９ａが設けられる。カッタ２９ａは地山を掘削する部位である。フレーム２５ａにはカッタモータ３１ａが設けられ、カッタ２９ａは、カッタ回転軸３７ａを中心に回転可能である。なお、カッタ回転軸３７ａはフレーム回転軸３５ａおよび回転体回転軸３３ａに対し偏心している（すなわちずれた位置に位置する）。なお、回転体２１ｂ等も同様の構成である。
【００３２】
図２は、シールド機１の正面図を示す。略矩形の断面形状を有するスキンプレート３はシールド機１の外周を形成する。シールド機１は、上下面それぞれの略中央位置にくびれ部４ａ、４ｂが設けられる。すなわち、シールド機１の外形は上下略中央に、シールド機１の内方にくびれたくびれ部を有する略矩形形状断面である。
【００３３】
シールド機１の略中央（くびれ部４ａ、４ｂを結んだ線）でシールド機１の掘削範囲は２分される。図２においては、くびれ部４ａ、４ｂを結んだ線により左右に２分される。２分されたそれぞれの掘削範囲（シールド機１の左右半分の範囲）には、それぞれ掘削部が設けられる。
【００３４】
一方の側の掘削範囲（例えば図２の左側半分）には、当該掘削範囲の略中央を回転体回転軸３３ａとする回転体２１ａが設けられる。回転体２１ａにはフレーム２５ａが接合される。フレーム２５ａは回転体２１ａの径方向に向けて延伸されており、端部にはカッタ２９ａが設けられる。カッタ２９ａには複数の刃３９が設けられる。フレーム２５ａのカッタ２９ａとの接合部とは逆側には、攪拌翼４１ａが設けられる。攪拌翼４１ａは、チャンバ１９（図１）内の土砂を攪拌し、土砂の固結や閉塞を防止する。
【００３５】
ここで、回転体２１ａは、回転体回転軸３３ａを中心に往復方向に回転可能である（図中矢印Ａ１、Ｂ１方向）。また、フレーム２５ａはフレーム回転軸３５ａを中心に往復回転動作が可能である（図中矢印Ｃ１、Ｄ１方向）。また、カッタ２９ａはカッタ回転軸３７ａを中心に一方向に回転する（例えば図中矢印Ｅ１方向）。すなわち、カッタ２９ａは常に同じ方向に回転し、地山を掘削する。このため、カッタ２９ａに設けられる刃３９は、一方向（回転方向に対し同一周方向）に向けて設けられる。
【００３６】
他方の側の掘削範囲（例えば図２の右側半分）にも、左側の掘削範囲と同様の掘削部が設けられる。右側の掘削部の構成は、左側の掘削部の構成と同様であるので説明を省略する。
【００３７】
次に、シールド機１の掘削部の動作を説明する。図３はシールド機１の掘削部動作を示す図である。
【００３８】
まず、図３（ａ）の位置からシールド機１に向かって（図面正面からみて）、カッタ２９ａは回転体回転軸３３ａを中心に反時計回りに移動し、カッタ２９ｂは回転体回転軸３３ｂを中心に時計回りに移動する例を説明する。図３（ａ）の位置では、カッタ２９ｂが矩形断面の角部近傍を掘削する状態であり、カッタ２９ｂは、中心（回転体回転軸３３）から最も遠い位置を掘削する。従って、例えば、回転体回転軸３３ｂ、フレーム回転軸３５ｂ、カッタ回転軸３７ｂが一直線上に並ぶように位置する。カッタ２９ｂは、この位置からトンネル下面方向の掘削範囲に移動する。
【００３９】
この状態から、カッタ２９ｂの位置を動かすためには、回転体２１ｂを時計回り方向（図中矢印Ｂ２方向）に回転させながら、フレーム２５ｂを反時計回り（図中矢印Ｃ２方向）に回転させる。なお、以下、カッタ２９ｂは常に一定方向（例えば図中矢印Ｅ２方向の反時計回り）に回転しながら掘削を行う。
【００４０】
同様に、カッタ２９ａはくびれ部４ａ近傍を掘削し、トンネル上面の掘削範囲に移動する。この状態から、カッタ２９ａの位置を動かすためには、回転体２１ａを反時計回り方向（図中矢印Ａ１方向）に回転させながら、フレーム２５ａを時計回り（図中矢印Ｄ１方向）に回転させる。なお、以下、カッタ２９ａは常に一定方向（例えば図中矢印Ｅ１方向の時計回り）に回転しながら掘削を行う。
【００４１】
図３（ｂ）は、このようにしてカッタ２９ａ、２９ｂの位置が移動した状態を示す。カッタ２９ａが矩形断面の角部近傍に来ると、回転体２１ａの回転方向を時計回りに（図中矢印Ｂ１方向）逆転させるとともに、フレーム２５ａの回転方向を反時計回り（図中矢印Ｃ１方向）に逆転させる。同様に、カッタ２９ｂについても、回転体２１ｂの回転方向を反時計回りに（図中矢印Ａ２方向）逆転させるとともに、フレーム２５ｂの回転方向を時計回り（図中矢印Ｄ２方向）に逆転させる。
【００４２】
さらに、カッタ２９ａが矩形断面の角部近傍を通過すると、図３（ｃ）に示すように、回転体２１ａの回転方向を反時計回りに（図中矢印Ａ１方向）逆転させるとともに、フレーム２５ａの回転方向を時計回り（図中矢印Ｄ１方向）に逆転させる。同様に、カッタ２９ｂについても、回転体２１ｂの回転方向を時計回りに（図中矢印Ｂ２方向）逆転させるとともに、フレーム２５ｂの回転方向を反時計回り（図中矢印Ｃ２方向）に逆転させる。
【００４３】
以後、同様に、カッタ２９ａ、２９ｂを矩形断面外周に沿って移動させる。以上の動作を繰り返し、カッタ２９ａ、２９ｂをそれぞれの掘削範囲内で移動させながら、シールド機１の前方の地山を掘削する。
【００４４】
なお、フレーム２５ａ、２５ｂ、カッタ２９ａ、２９ｂが開口部１７ａ、１７ｂ（図２）の前を通過する際においても、開口部１７ａ、１７ｂがフレーム２５ａ、２５ｂの幅よりも大きいため、フレーム２５ａ、２５ｂによって開口部１７ａ、１７ｂが完全に塞がれることがない。このため、カッタ２９ａ、２９ｂの位置によらず、掘削土砂の排出には問題がない。
【００４５】
図４は、シールド機１の前面から見てカッタ２９ａ、２９ｂの移動方向とカッタ２９ａ、２９ｂの回転方向を示す図である。シールド機１は、例えばカッタ２９ａが回転体回転軸３３ａを中心に反時計回りに移動しながらシールド機１の左半分の掘削範囲を掘削する。すなわち、カッタ２９ａはシールド機１の掘進方向に対して略垂直な方向に移動しながら地山を掘削する。この際、カッタ２９ａは、カッタ回転軸３７ａを中心に時計回りに回転する。したがって、カッタ２９ａの回転方向と、カッタ２９ａの掘削範囲内での移動方向（回転体回転軸３３ａを中心とした回転方向）とは逆回転である。
【００４６】
一方、カッタ２９ｂは回転体回転軸３３ｂを中心に時計回りに移動しながらシールド機１の右半分の掘削範囲を掘削する。すなわち、カッタ２９ｂはシールド機１の掘進方向に対して略垂直な方向に移動しながら地山を掘削する。この際、カッタ２９ｂは、カッタ回転軸３７ｂを中心に反時計回りに回転する。したがって、カッタ２９ｂの回転方向と、カッタ２９ｂの掘削範囲内での移動方向（回転体回転軸３３ｂを中心とした回転方向）とは逆回転である。また、カッタ２９ａの回転体回転軸３３ａを中心とした回転方向と、カッタ２９ｂの回転体回転軸３３ｂを中心とした回転方向も逆回転である。このため、掘削に伴うシールド機１に発生するローリング方向の力が打ち消し合い、ローリングを防止することができる。したがって、通常のローリング対策のようにカッタの回転方向を正逆回転させる必要がないため、カッタ２９ａ、２９ｂは常に一定方向のみに回転すれば良い。
【００４７】
図５は、カッタ２９ａ、２９ｂの移動軌跡であるカッタ軌跡４０を示す図である。図５に示すように、カッタ２９ａ、２９ｂは掘削断面４２の全範囲を掘削可能である。すなわち、シールド機１は、一対のカッタ２９ａ、２９ｂのみによって、シールド機１の前方の地山を略矩形断面に掘削可能である。
【００４８】
なお、本シールド機１によれば、前記した矩形断面に限らず種々の断面形状のトンネルも掘削可能である。
【００４９】
次に、カッタ２９ａ、２９ｂについて説明する。なお、以下の説明においてはカッタ２９ａ、２９ｂは同じ構成であるため、特に記載がない限り、カッタ２９として説明する。図６は、カッタ２９を示す図で、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）はスポーク４３の側面図であり、図６（ａ）のＨ矢視図である。カッタ２９は、カッタ回転軸３７を中心として、スポーク４３が放射状に設けられる。スポーク４３は、略矩形断面の部材である。
【００５０】
スポーク４３の前面には、複数の刃３９が設けられる。図６（ａ）に示すように、カッタ２９は、例えば矢印Ｆ方向の一方向に回転する。したがって、カッタ２９の各スポーク４３に設けられる刃３９は、全て同一周方向（図中矢印Ｇ方向）に向けて設けられる。カッタ２９の回転方向を一方向とすることで、刃３９を両側（両回転方向）に向けて設置する必要がなく、このため、カッタ２９による掘削時の抵抗を減らすことができる。なお、前述の通り、カッタ２９ａとカッタ２９ｂとは互いに逆方向に回転するため、刃３９の向きは互いに逆向きとなる。たとえば、カッタ２９ａがＦ方向に回転する場合、カッタ２９ｂはＦ方向とは反対向きに回転し、カッタ２９ｂの刃３９はＧ方向とは反対向きに設けられれば良い。
【００５１】
図６（ｂ）に示すように、スポーク４３には、回転内周側の前方掘削部４７と、回転外周側の側方掘削部４５が設けられる。前方掘削部４７は、カッタ２９前方（シールド機１の進行方向）に向けて配置される。一方、側方掘削部４５は、シールド機１の進行方向に対して、カッタ径方向にやや傾きをもって配置される。
【００５２】
前方掘削部４７は、主にカッタ２９前方（シールド機１の進行方向の前面）に対して地山を掘削する部位である。側方掘削部４５は、主にカッタ２９の側方（シールド機１の進行方向に略垂直な方向）に対して地山を掘削する部位である。
【００５３】
すなわち、前述の通りカッタ２９は、回転体２１およびフレーム２５の回転動作によって、シールド機１の進行方向に略垂直な面内を移動する。側方掘削部４５は、カッタ２９の移動方向に対して地山を掘削する部位である。
【００５４】
スポーク４３の側面（カッタ２９が回転する方向の側面）には、加泥材注入口４９が設けられる。通常、シールド機に使用されるカッタは、シールド機の進行方向前面に対して地山を掘削するため、加泥材注入口はカッタ前方に向けて設置される。一方、本発明のカッタ２９は、側方掘削部４５により、カッタの２９の移動方向（カッタ２９の側方）の掘削がメインとなるため、カッタ２９の掘削方向であるスポーク４３の側面に加泥材注入口４９を設けることが望ましい。
【００５５】
図７は、カッタ２９により地山５３を掘削する状態を示す図で、刃３９の配置および方向を示した図である。図中矢印Ｉは、カッタ２９の前方であり、シールド機１の進行方向を示す。前方掘削部４７の刃３９は、刃間隔５５ａをあけて配置される。前方掘削部４７の刃３９の設置方向はシールド機１の進行方向と一致する。すなわち、前方掘削部４７の刃３９はシールド機１の進行方向前面の地山５３を掘削する。
【００５６】
側方掘削部４５においては、スポーク４３は前方掘削部４７に対して２段階で所定の角度のテーパが形成される。側方掘削部４５では、テーパに応じて刃３９がカッタ２９の径方向に傾けて設けられる。たとえば、前方掘削部４７の外周位置には、２０度程度の角度を設け、さらにその外周に４５度程度の角度を有するテーパ部を設ける。さらに最外周部には、シールド機１の進行方向とは略垂直な面を形成する。したがって、この場合、それぞれの位置での刃３９の設置方向は、シールド機１の進行方向に対して、刃角度５１ａが２０度、刃角度５１ｂが４５度、刃角度５１ｃが９０度となる。
【００５７】
また、側方掘削部４５における刃３９の刃間隔５５ｂは、前方掘削部４７における刃間隔５５ａよりも狭い。すなわち、側方掘削部４５においては刃３９の設置密度が大きい。これは、カッタ２９は、カッタ前方向への掘削よりもカッタ側方への掘削がメインとなるためである。
【００５８】
なお、カッタ２９の形状は図７に示す例に限られない。側方掘削部４５のテーパ形状は２段階以外でもよく、また、角度は問わない。ただし、カッタ側方を効率良く掘削するためには、側方掘削部は２０〜９０度程度の角度を有することが望ましく、さらに望ましくは、カッタ外周部に少なくとも４５〜９０度程度の角度が形成されていることが望ましい。
【００５９】
図８は、シールド機１のカッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲を変更して掘削する状態を示す図である。回転体２１ａ、２１ｂとフレーム２５ａ、２５ｂの回転角度を制御することにより、カッタ２９ａ、２９ｂの一部をシールド機１の外周（すなわちスキンプレート３により形成される外周）よりも外側にはみ出させることができる。図８においては、カッタ２９ａの一部がシールド機１よりも、はみ出し掘削量Ｆだけはみ出した例を示す。
【００６０】
同様に、カッタ２９ａ、２９ｂの一部をシールド機１の外周よりも内側に位置させることもできる。図８においては、カッタ２９ｂの一部がシールド機１よりもマイナス側掘削量Ｇだけマイナス側に配置した例を示す。
【００６１】
なお、はみ出し掘削量とは、はみ出し掘削時において、シールド機１の投影外形外周部からのカッタ２９のはみ出し長さをいう。同様に、マイナス側掘削量とは、マイナス側掘削時において、シールド機１の投影外形外周部からのカッタ２９による掘削範囲最外部までの長さをいう。
【００６２】
次に、シールド機１の制御について説明する。図９は、カッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲を変更して、シールド機１のローリングを修正する方法を示す。
【００６３】
シールド機１自体にローリングが生じ、シールド機１が水平状態から変位した場合、カッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲を制御して、掘削範囲を変更する。たとえば、図９（ａ）に示すように、シールド機１が正規掘削断面５７からローリングした場合、カッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲（シールド機１の掘進方向とは垂直な方向におけるカッタ２９ａ、２９ｂの移動範囲）を変更し、正規掘削断面５７となるように制御する。
【００６４】
この場合、例えば、シールド機１の外周よりも正規掘削断面５７が外側に来る部分である余掘り部５９は、前述の図８のカッタ２９ａのように、カッタ２９ａ、２９ｂをシールド機１からはみ出すように移動させる。
【００６５】
同様に、シールド機１の外周よりも正規掘削断面５７が内側に来る部分であるマイナス掘り部６１は、前述の図８のカッタ２９ｂのように、カッタ２９ａ、２９ｂをシールド機１からマイナス側に来るように移動させる。
【００６６】
このようにすることで、シールド機１の外周形状によらず、正規掘削断面５７を掘削することができる。なお、シールド機１のローリング角度が小さい状態でこのような制御を行えば、シールド機１は掘削断面内に収まろうとするため、やがて正規掘削断面５７内に収まる。すなわち、シールド機１のローリングが修正可能である。
【００６７】
図１０は、同様の制御方法によりシールド機１の進行方向を制御する方法を示す図である。たとえば、図１０（ａ）に示すように、シールド機１の進行方向（図中矢印Ｇ）に対して、シールド機１の進行方向にずれが生じた場合には、シールド機１が正規の進行方向となるように、進みたい側の掘削範囲を余掘り部５９として、進みたい側とは逆側をマイナス掘り部６１とすればよい。
【００６８】
このようにすることで、シールド機１は掘削断面内に収まろうとするため、シールド機１の進行方向が正規の方向に向くように制御することができる。
【００６９】
なお、このような制御は、シールド機１内に設けられた各種センサ等によって姿勢および方向等を検知し、シールド機１内に設けられたコンピュータによって、自動で掘削範囲の設定し、カッタ２９ａ、２９ｂが掘削範囲を移動できるように回転体２１ａ、２１ｂ、フレーム２５ａ、２５ｂの動作を制御してもよい。カッタ２９ａ、２９ｂの位置やフレーム２５ａ、２５ｂ、回転体２１ａ、２１ｂの回転角度などは、回転計などにより把握される。
【００７０】
また、シールド機１の前面に土砂の土質を検知可能な検出部を設けておき、土質に応じて掘削範囲を制御してもよい。たとえば、軟質の土質を掘削する場合には、カッタ２９ａ、２９ｂのはみ出し堀量やマイナス堀量を少なくし、硬質の土質を掘削する場合には、カッタ２９ａ、２９ｂのはみ出し堀量やマイナス堀量を多くしてもよい。シールド機１が掘進し、掘削位置の土質に応じて掘削範囲を変えることで、掘削面の崩落や過剰な掘削を防止でき、効率良く掘削を行うことができる。
【００７１】
土質の検出としては、掘削土砂のチャンバ内の流動抵抗等を検知する検知器を設けたり、カッタ２９ａ、２９ｂのモータ電流等によって土質を検出してもよい。
【００７２】
以上説明したように、本発明の実施形態にかかるシールド機１によれば、シールド機前面が２分され、２分されたそれぞれの掘削範囲を掘削可能な一対の掘削部が設けられ、それぞれの掘削部が、回転体２１ａ、２１ｂとこれに設けられるフレーム２５ａ、２５ｂとフレーム２５ａ、２５ｂに設けられるカッタ２９ａ、２９ｂにより構成されるため、一対のカッタ２９ａ、２９ｂが掘削面全域に対して移動可能であり、一対のカッタのみによってシールド機１前方の地山を略矩形断面形状に掘削することができる。
【００７３】
特に、カッタ２９ａ、２９ｂには、シールド機１の前方を掘削する前方掘削部４５と、シールド機前面と略垂直な面方向を掘削する側方掘削部４７とが設けられるため、シールド機１の進行方向とは略垂直な方向へも掘削することができる。
【００７４】
また、シールド機１によれば、くびれ部を有する略矩形断面形状トンネルを容易に掘削可能であるため、通常の矩形断面トンネルよりも、少ない掘削量で必要最低限のトンネル断面を得ることができ、また、上方からの土圧に対してアーチ効果により強度が高いトンネルを得ることができる。
【００７５】
また、２分される掘削範囲それぞれの下方に掘削土砂を排出するためのスクリューコンベア１５ａ、１５ｂへつながる孔が設けられ、孔の前方にはフレーム２５ａ、２５ｂ幅よりも広い開口部１７ａ、１７ｂがそれぞれ設けられるため、カッタ２９ａ、２９ｂの移動位置によって、フレームフレーム２５ａ、２５ｂ及びカッタ２９ａ、２９ｂで孔を塞ぐことがない。したがって、カッタ位置によらず、確実に掘削土砂を排出することが可能である。
【００７６】
また、フレーム２５ａ、２５ｂには攪拌翼４１ａ、４１ｂが設けられるため、カッタ２９ａ、２９ｂの移動に伴うフレーム２５ａ、２５ｂの回転動作によって、掘削された土砂がシールド機１のチャンバ１９内で攪拌され、土砂の固結や閉塞が防止することができる。
【００７７】
また、一対の回転体２１ａ、２１ｂのそれぞれの回転方向が互いに逆回転であるため、シールド機１前方から見て、回転体回転軸３３ａ、３３ｂを中心としたシールド機１の掘進方向に略垂直な方向へのカッタ２９ａ、２９ｂの移動方向が、互いに逆回転となる。このため、カッタ２９ａ、２９ｂの移動によるシールド機１のローリングが打ち消される。したがって、シールド機１のローリングを防止できる。さらに一対のカッタ２９ａ、２９ｂそれぞれの回転方向が互いに逆回転であれば、さらに効果的にシールド機１のローリングを防止することができる。
【００７８】
また、カッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲をはみ出し掘削、マイナス側掘削と変化させることができるため容易にシールド機の姿勢を制御することができる。
【００７９】
例えば、シールド機１がローリングした場合であっても、シールド機１の姿勢によらずに、カッタ２９ａ、２９ｂの掘削範囲を正規掘削断面５７とすれば、容易にシールド機１の姿勢を制御することができる。また、同様に、進行方向を、はみ出し掘削としてその逆側をマイナス側掘削とすれば、シールド機１の進行方向を容易に制御することができる。また、土質に応じて掘削範囲を変化できれば、掘削面の崩落や過剰な余掘りを防止することができる。
【００８０】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８１】
例えば、カッタ２９ａ、２９ｂの回転方向や移動方向は実施例に限られない。カッタ２９ａ、２９ｂを図４とは逆方向へ回転、移動させてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１………シールド機
３………スキンプレート
５………隔壁
７………油圧ジャッキ
９………テールプレート
１１………セグメント
１３………テールシール
１５ａ、１５ｂ………スクリューコンベア
１７ａ、１７ｂ………開口部
１９………チャンバ
２１ａ、２１ｂ………回転体
２３ａ、２３ｂ………回転体モータ
２５ａ、２５ｂ………フレーム
２７ａ、２７ｂ………フレームモータ
２９ａ、２９ｂ………カッタ
３１ａ、３１ｂ………カッタモータ
３３ａ、３３ｂ………回転体回転軸
３５ａ、３５ｂ………フレーム回転軸
３７ａ、３７ｂ………カッタ回転軸
３９………刃
４０………カッタ軌跡
４１ａ、４１ｂ………攪拌翼
４２………掘削断面
４３………スポーク
４５………側方掘削部
４７………前方掘削部
４９………加泥材注入口
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ………刃角度
５３………地山
５５ａ、５５ｂ………刃間隔
５７………正規掘削断面
５９………余掘り部
６１………マイナス掘り部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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