(57)【要約】【課題】地山が岩盤である場合において、効率的に重複円形断面のトンネルを掘削可能であるシールド掘進機を提供する。【解決手段】複数の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有するシールド本体５に、中央部が回動自在に軸支されている、歯車形状に形成された複数枚の板状のカッタヘッド１１を、前記カッタヘッドの一部が歯合するように、同一平面上において、重複させて配置したシールド掘進機１０であって、前記隣接するカッタヘッド同士は、互いに接触しないように、その回動方向が逆方向となるように回動自在であり、かつ、前記カッタヘッドの回動方向が切換可能となるように制御されているとともに、前記各カッタヘッドの表面部には、複数のローラカッタ１４が配設されているシールド掘進機とした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有するシールド本体に、
中央部が回動自在に軸支されている、歯車形状に形成された複数枚の板状のカッタヘッドを、前記カッタヘッドの一部が歯合するように、同一平面上において重複させて配置したシールド掘進機であって、
前記隣接するカッタヘッド同士は、互いに接触しないように回動自在であり、かつ、前記カッタヘッドの回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返すように、前記カッタヘッドの回動方向が切換可能となるように制御されているとともに、
前記各カッタヘッドの表面部には、複数のローラカッタが配設されていることを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
前記歯車形状に形成されたカッタヘッドの歯形状部には、衝撃掘削手段が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
複数の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有するシールド本体に、
中央部が回動自在に軸支されており、１又は複数の切欠部を有する複数枚の円盤状のカッタヘッドを、前記切欠部において歯合するように、同一平面上において重複させて配置したシールド掘進機であって、
前記複数枚のカッタヘッドは、互いに接触しないように回動自在であり、
かつ、前記カッタヘッドの回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返すように、前記カッタヘッドの回動方向が切換可能となるように制御されているとともに、
前記カッタヘッドの表面部には、複数のローラカッタが配設されていることを特徴とするシールド掘進機。
【請求項４】
前記カッタヘッドは、中央円盤部と周縁部とから形成されており、前記周縁部には、衝撃掘削手段が配設されていることを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
【請求項５】
前記カッタヘッドにおける前記中央円盤部と前記周縁部とが回動方向を独立して設定することができるように分離して形成されており、
前記中央円盤部は所定方向に回動自在であり、
前記周縁部は、隣接する双方の周縁部が互いに接触しないように、その回動方向が同方向となるように回動自在となっており、かつ、その回動方向が切換可能となるように制御されていることを特徴とする請求項４に記載のシールド掘進機。
【請求項６】
前記カッタヘッドが油圧駆動であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤を掘削可能である、重複円形断面（複数の円が部分的に重なり合った断面）形状のトンネルを掘削するための多連型のシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道トンネルのように、上りと下りの２本のトンネルを掘削する場合、円形断面形状のシールド掘進機を用いて、２本のトンネルを別々に掘削せず、重複円形断面形状の多連シールド掘進機を用いて同時に掘削する場合がある。この工法を採用すると、２本のトンネル間の距離を短くすることができ、両者の間を自由に往来することが可能となるとともに、工期を短くすることができるため、非常に有効である。
【０００３】
従来、このような多連シールド掘進機として、ＭＦ（マルチフェイス）シールド掘進機やＤＯＴ（Ｄｏｕｂｌｅ−Ｏ−Ｔｕｂｅ）シールド掘進機等が存在している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−５４５９０号公報（第２頁−第３頁、第１図及び第２図）
【特許文献２】
特開平６−２２９１９２号公報（第２頁、第１３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の多連シールド掘進機は、地山が軟らかい土砂である場合に適用するために開発されたものであり、地山が硬い岩盤である場合には以下のような問題点を有していた。
【０００６】
すなわち、岩盤を掘削するためのシールド掘進機に用いられるカッタヘッドはドーム型（お椀型）であり、当該カッタヘッドの表面部にはローラカッタが設けられていることが一般的である。一方、ＭＦシールド掘進機は、複数のカッタヘッドを前後にずらし、かつ、一部が重なり合うようにして、中央部を支持して配置する構造を採用しているが、岩盤を掘削するための厚みを有しているドーム型のカッタヘッドをそのまま取り付けようとした場合には、支持機構が複雑かつ大規模になることから、現実的には適用が難しいという問題点を有していた。
また、ＤＯＴシールド掘進機は、スポーク状のカッタヘッドを採用しているため、岩盤を効率的に掘削するためのローラカッタを設けることができないという問題点を有していた。
【０００７】
本発明は、前記の各問題点を解決するためになされたものであり、地山が岩盤である場合において、効率的に重複円形断面のトンネルを掘削可能であるシールド掘進機を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１発明であるシールド掘進機は、複数の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有するシールド本体に、中央部が回動自在に軸支されている、歯車形状に形成された複数枚の板状のカッタヘッドを、前記カッタヘッドの一部が歯合するように、同一平面上において重複させて配置したシールド掘進機であって、前記隣接するカッタヘッド同士は、互いに接触しないように、その回動方向が逆方向（一方が時計回りの場合には他方は反時計回りであり、一方が反時計回りの場合には他方は時計回り）となるように回動自在であり、かつ、前記カッタヘッドの回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返すように、前記カッタヘッドの回動方向が切換可能となるように制御されているとともに、前記各カッタヘッドの表面部には、複数のローラカッタが配設されていることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の第２発明のシールド掘進機は、複数の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有するシールド本体に、中央部が回動自在に軸支されており、１又は複数の切欠部を有する複数枚の円盤状のカッタヘッドを、前記切欠部において歯合するように、同一平面上において重複させて配置したシールド掘進機であって、前記複数枚のカッタヘッドは、互いに接触しないように、その回動方向が同方向（ともに、時計回り又は反時計回り）となるように回動自在であり、かつ、前記カッタヘッドの回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返すように、前記カッタヘッドの回動方向が切換可能となるように制御されているとともに、前記カッタヘッドの表面部には、複数のローラカッタが配設されていることを特徴としている。
【００１０】
ここで、カッタヘッドを同一平面上に配置したとは、完全に同一平面上に配置したことを意味するものではなく、地山の掘削が阻害されることないように略同一の平面上に配置されているものであればよい。
また、カッタヘッドが歯合するようにとは、通常の歯車のように、完全に歯部等が噛み合うことを意味するものではなく、互いに接触しない状態で、一方の歯部等の間に、他方の歯部等が配置されることを意味する。
また、切欠部とは、カッタヘッドにおける所定形状の断面領域が削除されている部位を言い、その形状や大きさは問わないものである。
【００１１】
本発明によれば、カッタヘッドをスポーク状でなく板状又は円盤状としているため、当該カッタヘッドの表面部に設けることができるとともに、カッタヘッドを中央部で支持しているため、地山に対して強い押圧力を付与することができる。従って、効率的に岩盤を掘削することができる。
さらに、複数枚のカッタヘッドが互いに接触しないように回動自在となっており、かつ、その回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返すように切換可能となるように制御されていることからも、効率的に岩盤を掘削することができる。
【００１２】
また、前記第１発明のシールド掘進機において、前記歯車形状に形成されたカッタヘッドの歯形状部には衝撃掘削手段が配設されているものであってもよい。さらに、前記第２発明のシールド掘進機において、前記カッタヘッドは、中央円盤部と周縁部とから形成されており、前記周縁部には、衝撃掘削手段が配設されているものであってもよい。
【００１３】
ここで、衝撃掘削手段とは、ロータリパーカッションドリル等に代表される手段であり、衝撃力を付与して地山を掘削する手段をいう。
【００１４】
本発明によれば、シールド掘進機に衝撃掘削手段が設けられていることから、さらに、掘削効率を高めることができる。
【００１５】
また、前記第２発明のシールド掘進機における前記カッタヘッドにかえて、前記中央円盤部と前記周縁部が回動方向を独立して設定することができるように分離して形成されている他のカッタヘッドを用い、前記中央円盤部は所定方向に回動自在であり、前記周縁部は、隣接する双方の周縁部が互いに接触しないように、その回動方向が同方向となるように回動自在となっており、かつ、その回動方向が切換可能となるように制御する構成としてもよい。
【００１６】
ここで、前記中央円盤部の回動方向は、切換可能となるように制御されていてもよい。
【００１７】
本発明によれば、カッタヘッドの回動モードを中央円盤部と周縁部と異ならせているとともに、周縁部には衝撃掘削手段も設けられていることから、地山の地質に対応した効率的な掘削を行うことができる。
【００１８】
さらに、前記第１発明及び第２発明のシールド掘進機において、前記カッタヘッドが油圧駆動であるものであってもよい。
【００１９】
本発明によれば、カッタヘッドの回動方向等をインバータ制御することが不要になることから、シールド掘進機の製造費用を低減させることができるとともに、インバータ制御用機器（支持台車及びケーブル類等も含む）が不要となるため、作業スペース等を確保することができる。さらに、インバータ制御が不要になるため、掘削した岩盤の噛み込みによるカッタヘッドの停止等の不具合が生じることを減少させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
なお、本実施形態では、２基の円筒部を連結した重複円形断面形状を有するシールド本体を有するシールド掘進機について説明するが、３基以上の円筒部を連結したシールド掘進機についても適用可能であることは言うまでもない。
【００２１】
［第１実施形態］
図１に示されているように、本発明の第１実施形態のシールド掘進機１０は、２基の円筒部を並列、かつ、一部重複するように連結した重複円形断面形状を有する眼鏡型（繭型）のシールド本体５を有している。このシールド本体５の先端部には隔壁６が設けられており、当該隔壁には、歯車形状に形成された２枚のカッタヘッド１１（回動カッタ）が、同一平面上において、前記カッタヘッド１１の一部が歯合するように重複して配置されており、この軸受（図示せず）を介してその中央部が回動可能に軸支されている。
【００２２】
前記カッタヘッド１１は、中央円盤部１２の周囲に約６０度間隔で６枚の歯状部１３が形成されており、当該歯形状部１３の最外縁部の軌跡がシールド本体５の断面形状と略同一形状である眼鏡型に形成されるようになっている。そして、一方のカッタヘッド１１の歯状部１３が、他方のカッタヘッド１１の歯間部１３ａに対向する位置となるように配置されている。さらに、前記カッタヘッド１１の表面部には、複数のローラカッタ１４が配設されている。
【００２３】
カッタヘッド１１は、油圧を駆動源とする駆動モータ７から減速機構８を介してトルクが伝達されることにより、回動することができるように構成されている。
そして、２枚のカッタヘッド１１は、互いに接触（干渉）しないように、制御装置９により、互いの回動方向が逆方向（一方が時計回りの場合には他方は反時計回りであり、一方が反時計回りの場合には他方は時計回り）となるように制御されている（図２（ａ），（ｂ）参照）。加えて、カッタヘッド１１の回動は、常時、一方向の回動をするのではなく、所定角度（本実施形態では約９０度）回動後に反転する動作を繰り返すように、前記カッタヘッド１１の回動方向が切換わるように制御されている。
【００２４】
なお、シールド本体５には、図示しない、推進機構（推進ジャッキ等）、排土機構（スクリューコンベヤ等）、セグメント組立機構（エレクタ）等の地山の掘削に必要となる各種機構が装備されている。
【００２５】
前記シールド掘進機１０を使用して地山の掘削を行う場合には、２枚のカッタヘッド１１を回動させるとともに、ローラカッタ１４を回動させながら地山に押圧させることにより掘削を行い、掘削地盤をカッタヘッド１１と隔壁６の間に形成されたチャンバに取り込んで排土機構（図示せず）により後方へ排出することになる。
【００２６】
本発明によれば、カッタヘッド１１をスポーク状でなく板状としているため、当該カッタヘッド１１の表面部に設けることができるとともに、カッタヘッド１１を中央部で支持しているため、地山に対して強い押圧力を付与することができる。また、２枚のカッタヘッド１１が互いに接触しないように、互いの回動方向が逆方向となるように回動自在となっていることからも、効率的に岩盤を掘削することができる。
加えて、２枚のカッタヘッドの回動方向が所定角度回動後に反転する動作を繰り返す動作を行うことにより、地山に適切に衝撃力を付与することができるため、更に効率的に岩盤を掘削することができる。
【００２７】
さらに、カッタヘッド１１を駆動モータ７により回動させており、従来のシールド掘進機が採用していたカッタヘッド１１の回動をインバータ制御することが不要になることから、シールド掘進機１０の製造費用を低減させることができるとともに、インバータ制御用機器が不要となるため、作業スペース等を確保することができる。さらに、インバータ制御が不要になるため、掘削した岩盤の噛み込みによるカッタヘッドの停止等の不具合が生じることを減少させることができる。
【００２８】
［第２実施形態］
第１実施形態のシールド掘進機１０を使用した場合において、ローラカッタ１４を有するカッタヘッド１１を地山に押圧するだけでは、地山における岩盤の質によっては、掘削ができない場合がある。そのため、本発明のシールド掘進機２０（第２実施形態）は、第１実施形態のシールド掘進機１０におけるカッタヘッド１１の構造を改良することにより、掘削効率を向上させたものである。
【００２９】
すなわち、図３に示されているように、本実施形態のシールド掘進機２０において、カッタヘッド２１は、中央円盤部２２の周囲に６枚の歯形状部２３を有しているが、各々の歯形状部２３に、それぞれ、ロータリパーカッションドリル２５が設けられている。このロータリパーカッションドリル２５は、基体部２６の先端に超硬合金製の複数のビット２７（本実施形態では３つ）が自転可能となるよう装着されているとともに、当該基体部２６も中心軸２５ａまわりに回動可能に構成され、各ビット２７の回動力により地山に衝撃力を付与して掘削を行う装置であり、公知の装置を使用することができる。
【００３０】
前記シールド掘進機２０によれば、地山を掘削するにあたり、ローラカッタ１４を有するカッタヘッド２１を地山に押圧するとともに、ロータリパーカッションドリル２５を回動させることで、ローラカッタ１４及びロータリパーカッションドリル２５の相乗効果により地山を効率的に掘削することが可能となる。
なお、掘削を行う際に、カッタヘッド２１の全体が回動するため、掘削断面における未掘削部が生じることはない。
【００３１】
［第３実施形態］
図４に示されているように、本発明のシールド掘進機３０（第３実施形態）は、第１実施形態のシールド掘進機１０においてカッタヘッド３１の形状が異なる装置である。
すなわち、このカッタヘッド３１は、円形領域から円弧領域（約９０度の扇形部から１／４円部を除去した領域）を切り欠いて形成されている円盤状であり、中央円盤部３２とその周縁における略Ｃ字形状である周縁部３３とから形成されている。
そして、前記２枚のカッタヘッド３１は、各切欠部３１ａが対向する位置となり、当該切欠部３１ａにおいて歯合するように、同一平面上である隔壁６に重複して配置されている。
【００３２】
また、カッタヘッド３１の表面には、複数のローラカッタ１４が設けられており、及び、２枚のカッタヘッド３１は、互いに接触しないように、制御装置（図示せず）により、互いの回動方向が同方向（ともに、時計回り又は反時計回り）となるように制御されている。さらに、前記カッタヘッド３１は、一方向の回動をするのではなく、所定角度（本実施形態では約９０度）回動後に反転する動作を繰り返すように、その回動方向が切換わるように制御されている（図５（ａ），（ｂ）参照）。
【００３３】
本実施形態のシールド掘進機３０においても、第１実施形態のシールド掘進機１０と同様の効果を奏することができるが、当該第１実施形態のシールド掘進機１０と比較して、カッタヘッド３１にローラカッタ１４を多く配設することができるため掘削効率を向上させることができるという利点を有する。
【００３４】
［第４実施形態］
図６に示されているように、本発明のシールド掘進機４０（第４実施形態）は、第３実施形態のシールド掘進機３０においてカッタヘッド３１の構造を改良した装置である。
【００３５】
第４実施形態のシールド掘進機４０のカッタヘッド４１は、第３実施形態のシールド掘進機３０と同様に、中央円盤部４２とその周縁における略Ｃ字形状である周縁部４３とから形成されている。そして、中央円盤部４２と周縁部４３は、回動方向を独立して変更できるように分離して形成されており、通常時には、中央円盤部４２は互いに異なる方向（一方が時計回りの場合に、他方が反時計回り）に回動するように制御されているとともに、周縁部４３は、隣接する双方が互いに接触しないように、その回動方向が同方向（ともに、時計回り又は反時計回り）であり、所定角度（本実施形態では約９０度）回動後に反転する動作を繰り返すように、回動方向が切換わるように制御されている（図７（ａ），（ｂ）参照）。
なお、この周縁部４３の回動制御は、第３実施形態のシールド掘進機３０におけるカッタヘッド３１の制御と同様である。また、中央円盤部４２の回動方向及び回動数等については、周縁部４３の回動に依存しないこと以外は、特に制限はない。
【００３６】
また、カッタヘッド４１の周縁部４３には、第２実施形態のシールド掘進機２０で用いられたものと同様の構造である複数のロータリパーカッションドリル２５が、所定間隔で設けられている。
【００３７】
本実施形態のシールド掘進機４０によれば、カッタヘッド４１の回動モード（回動方向、回動数等）を中央円盤部４２と周縁部４３とで異なるものとしているとともに、周縁部４３にはロータリパーカッションドリル２５も設けられていることから、地山の地質に対応した効率的な掘削を行うことができる。
【００３８】
以上、本発明について、好適な実施形態の一例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能である。
特に、カッタヘッドを歯車形状に形成した場合における歯車の形状（歯部の数等も含む）や、衝撃掘削手段の種類や数等については制限はない。また、カッタヘッドの回動角度等についても、地山の状態等に応じて適切に定めることができる。
【００３９】
なお、本発明を３基以上のカッタヘッドを備えたシールド掘進機に適用する場合において、隣接するカッタヘッドの回動方向の制御については、本実施形態の場合と同様に考えることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、地山が岩盤である場合において、効率的に重複円形断面のトンネルを掘削可能であるシールド掘進機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシールド掘進機（第１実施形態）を示す斜視図である。
【図２】（ａ），（ｂ）ともに、本発明の分離合体型トンネル掘進機（第１実施形態）のカッタヘッドの回動状態を示す正面図である。
【図３】本発明のシールド掘進機（第２実施形態）を示す正面図である。
【図４】本発明のシールド掘進機（第３実施形態）を示す正面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）ともに、本発明の分離合体型トンネル掘進機（第３実施形態）のカッタヘッドの回動状態を示す正面図である。
【図６】本発明のシールド掘進機（第４実施形態）を示す正面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）ともに、本発明の分離合体型トンネル掘進機（第４実施形態）のカッタヘッドの回動状態を示す正面図である。
【符号の説明】
５　　　　シールド本体
１０，２０，３０，４０　　　シールド掘進機
１１，２１，３１，４１　　　カッタヘッド
１２　　　中央円盤部
１３　　　歯状部
１４　　　ローラカッタ
２５　　　ロータリパーカッションドリル
３１ａ　　切欠部
３２，４２　　　中央円盤部
３３，４３　　　周縁部
【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】
2004131992.tif 000007
【図６】
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【図７】
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