(57)【要約】【課題】  コピーカッタにより掘削された余掘り部の効果を最大限に活かして、急曲線トンネルをもスムーズに施工し得るシールド機を提供すること。【解決手段】  シールド筒を屈曲できる中折れ装置を備え、地山を掘削するカッタヘッド１４に、シールド筒の外側を掘削する余掘り機構を設け、隔壁１０とフード１１とカッタヘッド１４とに囲まれたチャンバ２７を形成してなるシールド機の前記フード１１に、曲線の内側部、もしくは両側部に前記余掘り機構により余掘りされた掘削土砂をチャンバ２７に取り込む掘削土通過窓２８を形成し、前記掘削土通過窓２８に開閉ゲート３１を設置し、この開閉ゲート３１を開閉操作手段３２に連結して構成した。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド筒を屈曲できる中折れ装置を備え、地山を掘削するカッタヘッド（１４）に、シールド筒の外側を掘削する余掘り機構を設け、隔壁（１０）とフード（１１）とカッタヘッド（１４）とに囲まれたチャンバ（２７）を形成してなるシールド機の前記フード（１１）に、曲線の内側部、もしくは両側部に前記余掘り機構により余掘りされた掘削土砂をチャンバ（２７）に取り込む掘削土通過窓（２８）を形成し、
前記掘削土通過窓（２８）に開閉ゲート（３１）を設置し、この開閉ゲート（３１）を開閉操作手段（３２）に連結した、
ことを特徴とする急曲線トンネル掘削用のシールド機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、急曲線トンネル掘削用のシールド機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は急曲線トンネル掘削用の従来のシールド機におけるカッタヘッド周りの概要を示す一部分の横断平面図である。
【０００３】
この図７に示す急曲線トンネル掘削用の従来のシールド機では、カッタヘッド１４にコピーカッタ１９を出没可能に組み込み、急曲線トンネルを施工する場合に、前記コピーカッタ１９により曲げるべき方向の地山Ｇを余掘りした後、シールド筒の内周側に設けられた複数台の中折れジャッキ（この図７では省略）のうちの、曲線に対する外側の中折れジャッキを伸長させ、シールド筒の後胴部（図示省略）に対して前胴部２を傾斜させ、シールド機の方向を転換させ、急曲線トンネルを掘進して行くようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術ではコピーカッタ１９により余掘りされた掘削土砂４７が余掘り部４６に溜まってしまい、このため、
（イ）余掘りの効果が減少する、
（ロ）シールド機の方向を変化させるための支障になる、
（ハ）折角確保した余掘り部４６をシールド機が通過し難くなる、
（ニ）これら（イ）〜（ハ）によって、ジャッキ推力が増大すると、中折れジャッキとは別にシールド機に回転モーメントを発生させる曲線の外側または内側の推進ジャッキの選択に余裕がなくなる、
（ホ）上記（イ）〜（ニ）の原因によって、急曲線トンネルの施工において所定の曲率半径を維持できない、という課題があった。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、コピーカッタにより掘削された余掘り部の効果を最大限に活かして、急曲線トンネルをもスムーズに施工し得る急曲線トンネル掘削用のシールド機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明ではシールド筒の前胴部２と後胴部３とを球面継手４により掘進方向を転換可能に接続し、前胴部２と後胴部３間に、前記球面継手４の位置で、後胴部３に対して前胴部２の推進方向を転換させる中折れジャッキ９を設け、前胴部２の前端部に隔壁１０を固定し、この隔壁１０の前面にフード１１を固定し、前記隔壁１０に、軸受およびカッタ回転軸１３を介してカッタヘッド１４を回転自在に支持するとともに、前記カッタ回転軸１３をカッタ回転駆動装置２１に連結し、前記隔壁１０とフード１１とカッタヘッド１４とに囲まれたチャンバ２７を形成し、前記カッタヘッド１４に、円周方向に所定の間隔をおいて複数の余掘り機構を組み込んでなるシールド機において、前記フード１１に、円周方向に所定の間隔をおいて、前記余掘り機構により余掘りされた掘削土砂をチャンバ２７に取り込む掘削土通過窓２８を曲線の内側部、もしくは外側部に単数ないしは複数形成し、前記掘削土通過窓２８に開閉ゲート３１を設置し、この開閉ゲート３１を開閉操作手段３２に連結している。
【０００７】
前記余掘り機構は、コピーカッタ１９で説明するが、偏心多軸機構におけるカッタフレームを部分的に拡径するオーバカッタも適用できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、急曲線トンネルを施工する場合に、カッタヘッド１４に組み込まれたコピーカッタ１９により曲線の内側の地山Ｇを掘削するとともに、開閉操作手段３２により開閉ゲート３１を開側に操作し、フード１１に形成された掘削土通過窓２８を開けることによって、コピーカッタ１９により曲線の内側を余掘りした後、シールド機の前胴部２の向きを変えようとして余掘り部４６の塑性流動性を持つ掘削土砂４７を圧迫すると、その掘削土砂４７が掘削土通過窓２８を通り、チャンバ２７内に向かって流入し、同チャンバ２７内に取り込まれる。したがって、本発明によれば、余掘り部４６の掘削土砂４７によりシールド機の前胴部２の方向転換が妨げられることがないので、コピーカッタ１９による余掘り部４６の効果を最大限に活かして急曲線トンネルをもスムーズに施工し得る効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１〜図３は本発明の土圧式シールドにおける実施例１を示すもので、図１は直線トンネルの施工時の横断平面図、図２は図１のＡ−Ａ線切断，一部拡大断面図、図３は急曲線トンネルの施工時の横断平面図である。
【００１１】
これら図１〜図３に示す本発明の実施例１のシールド機１は、前胴部２と後胴部３からなる円形のシールド筒を備えている。
【００１２】
前記前胴部２と後胴部３とは、前胴部２の後端部側の内周面に固定された凹球面部材５と、後胴部３の前端部側の内周面に固定された凸球面部材６とを接合させた球面継手４により接続されており、後胴部３に対して前胴部２が上下左右に方向転換可能に構成されている。
【００１３】
前記前胴部２の内周面には、円周方向に所定の間隔をおいて複数個のブラケット７が固定されている。一方、球面継手４の凸球面部材６の内周面には、前記ブラケット７に対応させて、他のブラケット８が固定されている。そして、２個で一対をなすブラケット７，８には、中折れジャッキ９が取り付けられている。しかして、これら複数台の中折れジャッキ９のうちから選択した中折れジャッキ９を伸長させることにより、前記凸球面部材６に固定された当該ブラケット８に反力を取って、後胴部３に対して前胴部２を上下左右の任意の方向に転換させ得るようになっている。
【００１４】
なお、前記球面継手４において、凹球面部材５を後胴部３側に固定し、凸球面部材６を前胴部２側に固定しても良い。
【００１５】
前記前胴部２の前端部には、隔壁１０が固定されている。この隔壁１０の前面には、シールド筒とほぼ同じ形状のフード１１が固定されている。
【００１６】
前記隔壁１０のほぼ中央部には、軸受１２が取り付けられている。また、後述のカッタ回転駆動装置２１のギヤボックス２２の背面には、他の軸受２３が取り付けられている。そして、これらの軸受１２，２３にわたって、カッタ回転軸１３が支持されている。
【００１７】
前記カッタ回転軸１３の前端部には、ボス１５を介してカッタヘッド１４が取り付けられている。このカッタヘッド１４の前面には、センタビット１６と、多数のカッタビット１７とが設けられている。また、このカッタヘッド１４の背面には、掘削土砂と作泥土材等の練り混ぜ翼１８が多数設けられている。さらに、このカッタヘッド１４には円周方向に所定の間隔をおいて複数のコピーカッタ１９が出没可能に組み込まれている。各コピーカッタ１９は、流体圧供給管２０ａ，２０ｂを通じて流体圧供給ユニット（図示省略）に連結されている。
【００１８】
前記カッタ回転軸１３は、カッタ回転駆動装置２１に連結されている。このカッタ回転駆動装置２１は、前記隔壁１０の背面に固定されたギヤボックス２２と、このギヤボックス２２の背面に取り付けられた回転駆動源２４と、この回転駆動源２４の出力軸に取り付けられかつギヤボックス２２内に収容されたピニオン２５と、カッタ回転軸１３に取り付けられ，かつギヤボックス２２内に収容され，しかも前記ピニオン２５に噛み合わされたギヤ２６とを備えて構成されている。そして、このカッタ回転駆動装置２１では、前記ピニオン２５とギヤ２６とにより減速装置が構成されていて、この減速装置により回転駆動源２４の回転数を減速し、カッタ回転軸１３を回転させ、カッタヘッド１４を回転駆動するようになっている。
【００１９】
前記隔壁１０とフード１１とカッタヘッド１４とに囲まれた空間には、掘削土砂等を取り込むチャンバ２７が形成されている。
【００２０】
前記フード１１には、図２から分かるように、円周方向に所定の間隔をおいて、複数の掘削土通過窓２８が形成されている。
【００２１】
前記隔壁１０の半径方向の外側端部には、各掘削土通過窓２８に対応させてゲート通過孔２９が形成されている。また、前胴部２の前端部側の内周面には、前記掘削土通過窓２８とゲート通過孔２９に対応させてゲート用ガイド３０が固定されている。
【００２２】
前記当該ゲート用ガイド３０にスライド可能に嵌合させ，かつ当該ゲート通過孔２９に臨ませて、掘削土通過窓用の開閉ゲート３１が設置されている。
【００２３】
前記開閉ゲート３１は、開閉操作手段３２に連結されている。この開閉操作手段３２として、この実施例では流体圧を利用したゲート開閉ジャッキ３３を用いている。このゲート開閉ジャッキ３３におけるシリンダの後端部は、前胴部２の内周面に固定されたブラケット３４にピン３５により結合され、ピストンロッドの前端部は、開閉ゲート３１の後端部に固定されたヨーク３６にピン３７を介して結合されている。かかる開閉ゲート用の開閉操作手段３２では、ゲート開閉ジャッキ３３を開方向に作動させることにより、開閉ゲート３１を開方向に操作して掘削土通過窓２８を開け、ゲート開閉ジャッキ３３を閉方向に作動させることにより、開閉ゲート３１を閉方向に操作して掘削土通過窓２８を閉じるようにしている。
【００２４】
なお、前記開閉ゲート用の開閉操作手段３２は、流体圧を利用したゲート開閉ジャッキ３３に限らず、モータとピニオンとラックを組み合わせたもの等であっても良い。
【００２５】
前記フード１１の前端部側の内周面には、掘削土通過窓２８に対応させて、ゲート戸当たり３８が固定されている。
【００２６】
前記前胴部２の内部側からカッタ回転軸１３の内部に通して、作泥土材注入管４０が配管されている。この作泥土材注入管４０からは、カッタヘッド１４の前面側の掘削土砂や、チャンバ２７内の掘削土砂に作泥土材を注入するようになっている。ここで言う、掘削土とは、土圧式シールドにおける掘削土ないしは泥水式シールドにおける排泥水に含まれる掘削土を含む。この掘削土砂に作泥土材を注入し、回転するカッタおよび練り混ぜ翼１８によって練り混ぜることで、掘削土砂は泥土に変換される。泥土は塑性流動性を帯びており、掘削土通過窓２８を容易に通過できる性状である。
【００２７】
前記シールド筒の内部側から隔壁１０の下部に通し，かつチャンバ２７に取り込み口を臨ませて、排土装置４１が設置されている。この排土装置４１として、図示実施例ではスクリューコンベアを用いている。
【００２８】
前記球面継手４の凸球面部材６における後端部側の内周面には、前記中折れジャッキ用のブラケット８とは別に、ブラケット４２が固定されている。前記ブラケット４２によって、推進ジャッキ４３が取り付けられている。この推進ジャッキ４３は、後胴部３の後方で組み立てられたセグメント５１または５２に反力を取って、シールド機１を推進させるようになっている。
【００２９】
前記シールド筒の内部から、後胴部３の後方で組み立てられたセグメント５１または５２と地山Ｇ間の隙間４９に臨ませて、裏込め材注入管４４が設けられている。この裏込め材注入管４４からは、前記隙間４９に裏込め材５０を充填するようにしている。
【００３０】
前記後胴部３の後端部側には、テールシール４５が設けられている。
【００３１】
前述のごとく構成した実施例１のシールド機１は、次のように使用され、作用する。
【００３２】
まず、直線トンネルを施工する場合には、余掘り用のコピーカッタ１９は必要がないため、図１に示すように、カッタヘッド１４の内部に没入させておく。また、掘削土通過窓２８を同図１に示すように、開閉ゲート３１により閉じておく。
【００３３】
この状態で、カッタ回転駆動装置２１を駆動し、カッタ回転軸１３を介してカッタヘッド１４を回転させ、地山Ｇを掘削する。
【００３４】
その掘削土砂には、作泥土材注入管４０を通じて作泥土材を注入し、チャンバ２７に取り込む。そして、掘削土砂と作泥土材とを練り混ぜ翼１８により攪拌し、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持った泥土に変換させる。
【００３５】
前記泥土をチャンバ２７内に加圧充満させ、その泥土圧によって切羽を抑えつつ、その切羽を所定範囲掘削した後、推進ジャッキ４３を伸長させ、セグメント５１に反力を取ってシールド機１を推進させる。このとき、推進ジャッキ４３の伸長量と、排土装置４１によるチャンバ２７内の泥土の排出量とをバランスさせ、所定の泥土圧を保持して切羽を抑える。
【００３６】
このようにして、切羽をセグメント５１の幅に相当する距離掘進した後、推進ジャッキ４３を縮小させ、後胴部３の後方で新たなセグメント５１を組み立てる。このとき、テールシール４５により、シールド筒とセグメント５１間の隙間（テールクリアランス）４９からシールド筒内に地下水が浸入するのを阻止する。また、裏込め注入管４４より、地山Ｇとセグメント５１間の隙間４９に裏込め材５０を充填し、止水性を確保するとともに、トンネルと地山Ｇとを一体化させる。
【００３７】
以上の工程を繰り返して行い、直線トンネルを施工して行く。
【００３８】
直線トンネルでは外周部の余掘りをしないため、シールド外周部には泥土がほとんど介在しない。掘削土通過窓２８が開いていると、地下水がチャンバ２７に流入し、泥土状態を損なう危惧があり、これを防止するため、開閉ゲート３１により掘削土通過窓２８を閉めて掘進する。
【００３９】
続いて、曲線トンネルを施工する場合は、次のようにして行う。
【００４０】
まず、前記直線トンネルを掘削する場合と同様の工程により、地山Ｇをほぼセグメント１環分の幅に相当する距離掘削する。
【００４１】
そして、例えば左側にカーブするトンネルを掘進する場合、カッタヘッド１４における円周方向に所定の間隔をおいて組み込まれた複数のコピーカッタ１９のうちの、曲線の内側としての左側に位置するコピーカッタ１９を突出させる。
【００４２】
また、フード１１における円周方向に所定の間隔をおいて形成された複数の掘削土通過窓２８に対応させて設けられた複数の開閉ゲート３１のうちの、曲線の内側に位置する開閉ゲート３１を当該開閉操作手段３２により引き込み、図３に示すように、曲線の内側に位置する掘削土通過窓２８を開ける。
【００４３】
そして、前記曲線の内側のコピーカッタ１９により、曲線の内側に当たる地山Ｇを所定の掘削範囲と掘削代（出代）で余掘りする。
【００４４】
前述のごとく、当該コピーカッタ１９により曲線の内側に当たる地山Ｇを余掘りしつつ、同曲線の内側の掘削土通過窓２８を開けた状態で、シールド筒の内側に、円周方向に所定の間隔をおいて設けられた複数の中折れジャッキ９のうちの、曲線の内側の中折れジャッキ９に対して、曲線の外側の中折れジャッキ９を大きく伸長させる。これにより、シールド筒の前胴部２が球面継手４の個所で左側に方向転換する。
【００４５】
なお、曲率半径の小さい急曲線トンネルを施工する場合は、コピーカッタ１９の出代を大きくし、中折れジャッキ９の折れ角度を大きくして対処する。
【００４６】
前述のごとく、前胴部２が左側に方向転換するに伴い、フード１１の左側の外面が余掘りされた掘削土砂４７に押し付けられると、その掘削土砂４７は塑性流動性を帯びており、開いている当該掘削土通過窓２８を容易に通って、図３に矢印４８で示すように流れ、チャンバ２７内に取り込まれる。
【００４７】
したがって、余掘り部４６に滞留する掘削土砂４７により前胴部２の方向転換が阻害されることなく、施工すべき曲線トンネルが急曲線であっても、余掘り部４６の効果を最大限に活かして、スムーズに施工することができる。
【００４８】
前述のごとく、前胴部２を方向転換させた後、推進ジャッキ４３を縮小させ、後胴部３の後方で新たなセグメントを組み立てる。かかる曲線トンネルを施工する場合に、セグメントとして、幅が小さくかつテーパを有するテーパセグメント５２を用いる。
【００４９】
また、地山Ｇとテーパセグメント５２間の隙間４９に裏込め材５０を充填する。かかる曲線トンネルの施工に当たっては、余掘り部４６があるため、裏込め材５０として瞬結タイプのものを用い、切羽側へ裏込め材５０が回り込まないようにする。
【００５０】
なお、曲線トンネルの施工が終了した場合には、伸長させた中折れジャッキ９を縮小させながら中折れ角度を減少させて行き、やがて中折れ角度を０に戻しておく。
【００５１】
また、掘削土通過窓２８の使用後は、開閉操作手段３２を閉方向に制御し、開閉ゲート３１をゲート用戸当たり３８に当接するまで押し込み、開閉ゲート３１により掘削土通過窓２８を閉じておく。
【００５２】
次に、右側にカーブするトンネルを施工する場合は、曲線の内側に当たる右側のコピーカッタ１９を突出させ、このコピーカッタ１９により地山Ｇを余掘りする。
【００５３】
そして、前記曲線の内側に当たるコピーカッタ１９に対応する位置の掘削土通過窓２８の開閉操作手段３２を開方向に制御し、当該開閉ゲート３１を引き込み、当該掘削土通過窓２８を開ける。
【００５４】
ついで、曲線の内側の中折れジャッキ９に対して、外側の中折れジャッキ９の伸長量を大きく伸長させ、シールド筒の後胴部３に対して、前胴部２を右側に方向転換させる。
【００５５】
このとき、余掘り部の掘削土砂がフード１１の外面で圧迫されると、その掘削土砂は開いている掘削土通過窓２８を通ってチャンバ２７内に流れ込み、収容される。
【００５６】
したがって、かかる右側にカーブする曲線トンネルを施工する場合も、余掘り部に溜まった掘削土砂により前胴部２の方向転換が阻害されることなく、余掘り部の効果を最大限に活かして、スムーズに施工することができる。
【００５７】
また、この実施例１は上方または下方にカーブする曲線トンネルの施工にも適用することができる。
【００５８】
急曲線区間では多くの場合、地盤改良が施され、地盤の自立性が確保されるとともに、地盤の不透性も高まっている。このため、開閉ゲート３１により掘削土通過窓２８を開いて掘進しても、余掘り部の掘削土砂（泥土）は地下水にさらされることが少なく、おおむね良好な泥土状態を維持できる。
【実施例２】
【００５９】
ついで、図４〜図６は本発明の実施例２を示すもので、図４は直線トンネルの施工時の横断平面図、図５は図４のＢ−Ｂ線切断，一部拡大断面図、図６は急曲線トンネルの施工時の横断平面図である。
【００６０】
これら図４〜図６に示す本発明の実施例２では、フード１１に、その円周方向に所定の間隔をおいて掘削土通過窓２８が複数形成されている。
【００６１】
一方、隔壁１０には前記掘削土通過窓２８に対応させてゲート通過孔２９が形成されている。各ゲート通過孔２９は、当該掘削土通過窓２８の前端部に向かって下り勾配の傾斜角度αをもって形成されている。
【００６２】
他方、前胴部２の内部の隔壁１０側における前記掘削土通過窓２８およびゲート通過孔２９に対応する位置には、開閉ゲート用の取り付け台３９が固定されている。各取り付け台３９には、当該ゲート通過孔２９に連なる傾斜角度αの斜面３９′が形成されている。
【００６３】
前記各取り付け台３９の斜面３９′には、ゲート用ガイド３０と、開閉ゲート３１と、開閉操作手段３２を構成しているゲート開閉ジャッキ３３とが設置されている。
【００６４】
各ゲート開閉ジャッキ３３は、シリンダの後端部が取り付け台３９の斜面３９′に固定されたブラケット３４にピン３５により結合され、ピストンロッドの前端部は開閉ゲート３１の後端部に固定されたヨーク３６にピン３７により結合されている。
【００６５】
前記フード１１の内周面には、各掘削土通過窓２８の前方に、傾斜角度αをもって進出して来る開閉ゲート３１を受け止めるゲート用戸当たり３８が固定されている。
【００６６】
そして、この実施例２ではフード１１に形成された各掘削土通過窓２８に対して、開閉ゲート３１を傾斜角度αの斜め方向から開閉操作するようにしている。
【００６７】
しかして、この実施例２では斜面３９′を有する取り付け台３９の、前記斜面３９′に開閉ゲート３１とその付属部材を設置しているので、機械室としての前胴部２の内部に配置されている設備に対して、開閉ゲート３１とその付属部材が干渉しないように、適宜設置することができる。
【００６８】
また、この実施例２において、隔壁１０とフード１１間の隅角部に、円周方向に所定の間隔をおき，かつ傾斜角度αにスラットを固定し、円周方向に隣合うスラット間に、同傾斜角度αをもって前記開閉ゲート３１を組み入れ、前記隔壁１０とフード１１間の隅角部を全体としてコーン型に形成しても良い。
【００６９】
本発明の実施例は、泥土圧式の円形シールド機で説明したが、矩形断面、任意断面、複円形断面形状でもかまわない。また、泥水式でも適用が可能である。
【００７０】
なお、この実施例２の他の構成，作用については、前記実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施例１を示すもので、直線トンネルの施工時の横断平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線切断，一部拡大断面図である。
【図３】同実施例１において、曲線トンネルの施工時の横断平面図である。
【図４】本発明の実施例２を示すもので、直線トンネルの施工時の横断平面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線切断，一部拡大断面図である。
【図６】同実施例２において、曲線トンネルの施工時の横断平面図である。
【図７】従来技術におけるカッタヘッド周りの概要を示す一部分の横断平面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  シールド機
２  シールド筒の前胴部
３  シールド筒の後胴部
４  前胴部と後胴部の球面継手
９  中折れジャッキ
１０  隔壁
１１  フード
１３  カッタ回転軸
１４  カッタヘッド
１９  コピーカッタ
２１  カッタ回転駆動装置
２７  チャンバ
２８  掘削土通過窓
３１  開閉ゲート
３２  開閉ゲートの開閉操作手段
３９  開閉ゲートとその付属部材の取り付け台
４０  作泥土材注入管
４１  排土装置
４３  推進ジャッキ
４４  裏込め材注入管
４６  余掘り部
４７  コピーカッタによる掘削土砂
４８  余掘りされた掘削土砂の流れ方向
【図１】
2005330749.tif 000003
【図２】
2005330749.tif 000004
【図３】
2005330749.tif 000005
【図４】
2005330749.tif 000006
【図５】
2005330749.tif 000007
【図６】
2005330749.tif 000008
【図７】
2005330749.tif 000009