(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、
前記カッタスポークのうち、隣接するカッタスポークの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、
前記可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、
シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに所定角度範囲で往復回動させるとともに、リンクカッタが連結された可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けた
ことを特徴とする矩形断面用シールド掘進機。
【請求項２】
シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、
全てのカッタスポークを、隣接するカッタスポークとの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポークで構成し、
隣接するカッタスポークの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、
前記可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、
シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに所定角度範囲で往復回動させるとともに、リンクカッタが連結された可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けた
ことを特徴とする矩形断面用シールド掘進機。
【請求項３】
シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、
隣接するカッタスポークとの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、
可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、
シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに回転させるとともに可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けた
ことを特徴とする矩形断面用シールド掘進機。
【請求項４】
可動カッタスポークの長さをトンネルの短辺の長さより少し長く設定し、
前記リンクカッタが短辺部に対応する位置で、前記可動カッタスポークの成す角が縮小されてリンクカッタの先端部を突出させ短辺部を掘削するように構成した
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の矩形断面用シールド掘進機。
【請求項５】
可動カッタスポークを、リンクカッタが連結された一方を第１可動カッタスポークとするとともに、リンクカッタが連結された他方を第２可動カッタスポークとし、
カッタヘッドを、カッタ駆動内軸とカッタ駆動外軸とを有するカッタ駆動軸を介して往復回動させるカッタ駆動装置を設け、
前記カッタ駆動装置は、前記第１可動カッタスポークを前記カッタ駆動内軸を介して所定範囲で往復回動する第１スポーク回動ジャッキと、前記第２可動カッタスポークを前記カッタ駆動外軸を介して所定範囲で往復回動する第２スポーク回動ジャッキとを具備した
ことを特徴とする請求項１または２記載の矩形断面用シールド掘進機。
【請求項６】
可動カッタスポークを、リンクカッタが連結された一方を第１可動カッタスポークとするとともに、リンクカッタが連結された他方を第２可動カッタスポークとし、
カッタヘッドを、カッタ駆動内軸とカッタ駆動外軸とを有するカッタ駆動軸を介して回転駆動させるカッタ駆動装置を設け、
前記カッタ駆動装置は、前記第１可動カッタスポークを前記カッタ駆動内軸を介して回転駆動する第１回転モータと、前記第２可動カッタスポークを前記カッタ駆動外軸を介して回転駆動する第２回転モータと、前記第１回転モータおよび第２回転モータとを制御して第１可動カッタスポークと第２可動カッタスポークの成す角を制御するモータ制御部とを具備した
ことを特徴とする請求項３記載の矩形断面用シールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、矩形断面のトンネルを掘削する矩形断面用シールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、正方形や長方形のトンネルを掘削するために、揺動ドラム式やルーロの三角形を用いたもの、余掘装置を使用するものなど、様々なものが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成は構造や駆動制御機構が複雑であったり、掘削性能や土砂の取込み性能、土砂の混練性能が低いという問題があった。また余掘り装置を使用するものでは、長径と短径の比が大きくなると、余掘り用カッタに大きい掘削負荷が加わり、構造上および強度上の問題が生じるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決して、特に長辺と短辺の比率が大きい矩形断面トンネルであっても効果的に掘削でき、任意の矩形断面トンネルを効率良く掘削できる矩形断面用シールド掘進機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、前記カッタスポークのうち、隣接するカッタスポークの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、前記可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに所定角度範囲で往復回動させるとともに、リンクカッタが連結された可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けたものである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、全てのカッタスポークを、隣接するカッタスポークとの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポークで構成し、隣接するカッタスポークの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、前記可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに所定角度範囲で往復回動させるとともに、リンクカッタが連結された可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けたものである。
【０００７】
上記請求項１または２の構成によれば、可動カッタスポークを所定の角度範囲で往復回動させるとともに、隣接する可動カッタスポークとの成す角を変更することにより、リンクカッタの先端部を出退させて短辺部側を掘削することができ、折り曲げることで出退自在に構成されたリンクカッタは、従来のコピーカッタに比べて十分な強度と高い掘削能力を確保することができるので、短辺と長辺の比の大きい矩形断面のトンネルであっても、効率良く掘削することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、シールド本体の前部に、シールド軸心から半径方向に延びる複数のカッタスポークを備えたカッタヘッドを設け、隣接するカッタスポークとの成す角を拡大縮小自在な可動カッタスポーク間に、中間部で折り曲げ自在に連結された一対のリンクカッタを連結し、可動カッタスポークの拡縮動により、リンクカッタの折り曲げられた先端部をカッタスポークの外周軌跡より外側で半径方向に出退するように構成し、シールド本体に、カッタヘッドをシールド軸心周りに回転させるとともに可動カッタスポークの成す角を拡縮可能なスポーク拡縮機能付きのカッタ駆動装置を設けたものである。
【０００９】
上記構成によれば、カッタヘッドを回転することにより、請求項１の発明と同様の効果を奏することができる。
請求項５記載の発明は、可動カッタスポークを、リンクカッタが連結された一方を第１可動カッタスポークとするとともに、リンクカッタが連結された他方を第２可動カッタスポークとし、カッタヘッドを、カッタ駆動内軸とカッタ駆動外軸とを有するカッタ駆動軸を介して往復回動させるカッタ駆動装置を設け、前記カッタ駆動装置は、前記第１可動カッタスポークを前記カッタ駆動内軸を介して所定範囲で往復回動する第１スポーク回動ジャッキと、前記第２可動カッタスポークを前記カッタ駆動外軸を介して所定範囲で往復回動する第２スポーク回動ジャッキとを具備したものである。
【００１０】
上記構成によれば、２つのスポーク回動ジャッキにより可動カッタスポークを往復回動させるので、構造をより簡易化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る矩形断面用シールド掘進機の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１２】
このシールド掘進機は、図３に示すように、掘削するトンネルに対応してシールド本体３１が矩形断面に形成され、シールド本体３１の前部に設けられた圧力隔壁３２により切羽崩壊土圧を支持する圧力室３３が形成されている。この圧力隔壁３２のシールド軸心Ｏ位置に設けられた軸受３４にカッタ駆動軸３５Ａ，３５Ｂが回転自在に支持され、カッタ駆動軸３５Ａ，３５Ｂの先端部にカッタヘッド３６が設けられるとともに、カッタ駆動軸３５Ａ，３５Ｂの基端側で大気室３９に、カッタヘッド３６を往復回動させるカッタ駆動装置３７が設けられている。３８は掘削土圧を保持しつつ圧力室３３から掘削土砂を排出するリボンスクリュー式の排土装置である。
【００１３】
前記カッタ駆動軸３５Ａ，３５Ｂは、軸心部のカッタ駆動内軸３５Ａと、このカッタ駆動内軸３５Ａに外嵌されたカッタ駆動外軸３５Ｂから構成されている。またカッタヘッド３６は、図１，図２に示すように、カッタ駆動内軸３５Ａ先端のセンター部材４１から１８０°隔てて半径方向に延びる第１可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ａが取付けられるとともに、カッタ駆動外軸３５Ｂの先端部から１８０°隔てて半径方向に延びる第２可動カッタスポーク４２Ｂ，４２Ｂが取付けられている。これら第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂは、同一長さでトンネルの短辺部１３Ｂより少し長く形成され、カッタ駆動軸３５Ａ，３５Ｂにより成す角αを所定範囲（図では約９５°〜６５°）で拡大縮小自在に構成されている。そして、長径部１３Ａ側で隣接する第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂおよびセンター部材４１には、ブラケット４２ａ，４２ａにシールド軸心方向の取付けピン４３を介してリンクカッタ４４，４４がそれぞれ回動自在に連結され、これらリンクカッタ４４，４４がシールド軸心方向の連結ピン４５を介して回動自在に連結され、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの拡縮動により、リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａがカッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの外周軌跡より外側で出退移動される。また、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂには、左右両方向の回転動により地山を掘削するカッタビット４６が取り付けられ、さらにリンクカッタ４４，４４の第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂ側にも地山を掘削するカッタビット４７が取付けられている。
【００１４】
前記カッタ駆動装置３７は、図４，図５に示すように、伸縮駆動装置である一対の第１スポーク回動ジャッキ５１Ａと、一対の第２スポーク回動ジャッキ５１Ｂとを具備し、これら第１，第２スポーク回動ジャッキ５１Ａ，５１Ｂにより、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂをそれぞれ所定範囲（図では９５°）で往復回動可能に構成されるとともに、回動速度の変動により互いに成す角（リンクカッタ側の）φを拡大縮少するスポーク拡縮機能を奏することができる。
【００１５】
すなわち、カッタ駆動内軸３５Ａの基端部に第１リンクブラケット５２が取り付けられている。そして、シールド本体３１の上部コーナー部に設けられた支持ブラケット５３にシールド軸心方向の支持ピン５４を介して第１スポーク回動ジャッキ５１Ａ，５１Ａの本体５１ａ，５１ａがそれぞれ支持され、第１スポーク回動ジャッキ５１Ａ．５１Ａの出力軸５１ｂ，５１ｂが第１受動フランジ５２にシールド軸心方向の連結ピン５５を介して連結されている。また、カッタ駆動外軸３５Ｂの基端部に第２リンクブラケット６２が取り付けられている。そして、シールド本体１の上部コーナー部に設けられた支持ブラケット６３にシールド軸心方向の支持ピン６４を介して第２スポーク回動ジャッキ５１Ｂ，５１Ｂの本体５１ｃ，５１ｃがそれぞれ支持され、第２スポーク回動ジャッキ５１Ｂ，５１Ｂの出力軸５１ｄ，５１ｄが第２受動フランジ６２にシールド軸心方向の連結ピン６５を介して連結されている。
【００１６】
ところで、各部材の動作範囲は、図１，図２に示すように、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの成す角αが最大ではαmax≒１２０°であり、この時リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａは短辺部１３Ｂの中央に位置して後退限となる。反対に第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの成す角αが最小ではαmin≒６５°であり、この時リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａがコーナー部１３Ｃに位置して突出限にある。また、リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａの回動範囲βおよび第１カッタスポーク４２Ａの回動範囲γ１ならびに第２可動カッタスポーク４２Ｂの回動範囲γ２は、それぞれ約９５°である。
【００１７】
そして、第１，第２スポーク回動ジャッキ５１Ａ，５１Ｂにより第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂがそれぞれ回転駆動され、この回動に伴ってリンクカッタ４４，４４の先端部４４ａが短辺部１３Ｂに沿って移動するように、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの回転速度が制御されて角αが選択される。すなわち、図６，図７に示すように、リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａが短辺部１３Ｂの中央位置の図６（ａ）から図左側に回動して（ｂ）、（ｃ）に移動し、さらに図７（ｄ）から先端部４４ａがコーナー部１３Ｃを通過して（ｅ）の長辺部１３Ａに差し掛かり、さらに（ｆ）に示すように長辺部１３Ａの外側を所定範囲だけ掘削する。この図左側の掘削限から逆方向に（ｆ）から（ａ）に順次移動し、更に反対方向に右側の掘削限まで移動する。この掘削状態は（ａ）から（ｆ）の図と線対称で表わすことができる。このように往復可動されて矩形断面のトンネルが掘削される。
【００１８】
なお、ここで第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂが短辺部１３Ｂの長さの１／２より少し長く形成されて、長辺部１３Ａの一部が円弧凹部が掘削されることになるが、平面状のセグメントを組立て充填材を充填することにより、後の行程で障害となることはない。
【００１９】
上記構成によれば、第１，第２可動カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂを回動させるとともに、その成す角αを変更することにより、リンクカッタ４４，４４の先端部４４ａを出退させて短辺部１３Ｂを掘削するので、長辺部１３Ａと短辺部１３Ｂの比の大きい矩形断面トンネルであっても良好に掘削することができ、開閉されて出退されるリンクカッタ４４，４４では、十分な強度と掘削能力を確保することができる。
【００２０】
またカッタ駆動装置３７を一対２組のスポーク回動ジャッキ５１Ａ，５１Ｂを使用して、直線運動を回転運動に変更するリンク機構により構成したので、構造を簡素化することができ、安価に提供することができて大きい駆動力を得ることができる。さらに往復回動するカッタヘッド３６に対して、油圧配管や信号線などの接続構造に高価な回転継手やスリップリングなどが不要となり、構造を簡易化、低コスト化を図ることができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態のカッタ駆動装置７，３７においてカッタ駆動ジャッキの直線運動を回転運動に変換するリンク機構を、図８に示すように、カッタ駆動ジャッキ５２，５２により往復移動される駆動ラック５３，５３と駆動軸５４（５，３５Ａ，３５Ｂに相当）に取付けられた受動ピニオン５５とを備えたラック・ピニオン機構で構成してもよい。
【００２２】
図９は上記実施の形態のカッタ駆動装置がカッタヘッドを往復回動させたのに対して、このカッタ駆動装置６１はカッタヘッド３６を回転駆動するようにしたものである。
【００２３】
すなわち、カッタ駆動内軸３５Ａの基端部に第１受動ギヤ６２Ａが取付けられ、第１回転モータ６３Ａにより駆動される第１駆動ピニオン６４Ａが第１受動ギヤ６２Ａに噛合されている。またカッタ駆動外軸３５Ｂの基端部に第２受動ギヤ６２Ｂが取付けられ、第２回転モータ６３Ｂにより駆動される第２駆動ピニオン６４Ｂが第２受動ギヤ６２Ｂに噛合されている。そしてカッタ駆動内軸３５Ａおよびカッタ駆動外軸３５Ｂの回転角度を検出する回転検出器６５Ａ，６５Ｂの検出信号に基づいて回転制御装置６６から第１回転モータ６３Ａおよび第２回転モータ６３Ｂのモータ制御部６３ａ，６３ｂに制御信号が出力され、第１，第２カッタスポーク４２Ａ，４２Ｂの角度αが制御される。
【００２４】
上記構成によれば、先の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
なお、先の実施の形態において、角度を調整可能な可動カッタスポークのみとしたが、調整できない固定カッタスポークを設けることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明の請求項１または２記載の発明によれば、可動カッタスポークを所定の角度範囲で往復回動させるとともに、隣接する可動カッタスポークとの成す角を変更することにより、リンクカッタの先端部を出退させて短辺部側を掘削することができ、折り曲げることで出退自在に構成されたリンクカッタは、従来のコピーカッタに比べて十分な強度と高い掘削能力を確保することができるので、短辺と長辺の比の大きい矩形断面のトンネルであっても、効率良く掘削することができる。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、カッタヘッドを回転させることにより、請求項１の発明と同様の効果を奏することができる。
請求項５記載の発明によれば、カッタヘッドを伸縮駆動装置により往復回動させるので、構造をより簡易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る矩形断面用シールド掘進機の実施の形態を示すカッタヘッドの正面図である。
【図２】  同カッタヘッドのコーナー部の掘削動作を説明する正面図である。
【図３】  同シールド掘進機の縦断面図である。
【図４】  図３に示すＢ−Ｂ断面図である。
【図５】  図３に示すＣ−Ｃ断面図である。
【図６】  （ａ）〜（ｃ）はそれぞれカッタヘッドの回動状態を示す正面図である。
【図７】  （ｄ）〜（ｆ）はそれぞれカッタヘッドの回動状態を示す正面図である。
【図８】  先の実施の形態におけるカッタ駆動装置の変形例を示す横断面図である。
【図９】  先の実施の形態におけるカッタ駆動装置の他の変形例を示す横断面図である。
【符号の説明】
１３Ａ  長辺部
１３Ｂ  短辺部
１３Ｃ  コーナー部
３１    シールド本体
３５Ａ  カッタ駆動内軸
３５Ｂ  カッタ駆動外軸
３６    カッタヘッド
３７    カッタ駆動装置
４２Ａ  第１可動カッタスポーク
４２Ｂ  第２可動カッタスポーク
４４    リンクカッタ
４５    連結ピン
４６，４７  カッタビット
５１Ａ  第１スポーク回動ジャッキ
５１Ｂ  第２スポーク回動ジャッキ
【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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