(57)【要約】【課題】カッタ駆動装置に高強度の支持部材も不要で構造を簡易化できる。【解決手段】シールド本体１の前部で回転軸心Ｏ１周りに回転自在に設けられた公転隔壁６と、公転隔壁６に回転軸心Ｏ１に対して偏心した偏心軸心Ｏ２を中心に回転自在に支持されたカッタ自転軸８と、カッタ自転軸８に設けられて少なくとも外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部を成すカッタヘッド１０と、公転隔壁６を回転軸心周りに回転させる公転駆動機構２３Ａ、カッタ自転軸８を偏心軸心Ｏ２周りに回転駆動してカッタヘッド１０を自転させる自転駆動機構２３Ｂとを有するカッタ駆動装置２１を具備したシールド掘進機であって、前記自転駆動機構２３Ｂに、カッタ自転軸８に設けられた自転用ギヤＧ６と、回転軸心Ｏ１周りに回転自在に支持された旋回リング体２６と、旋回リング体２６に設けられて自転用ギヤＧ６に噛合するリング内歯ギヤＧ５とを具備した。【選択図】        図３
2005282120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部で回転軸心周りに回転自在に設けられた公転体と、前記公転体に回転軸心に対して偏心した偏心軸心を中心に回転自在に支持された自転体と、前記自転体に設けられてルーロの三角形の内に位置しかつ外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部位置に突出されたカッタヘッドと、前記公転体を回転軸心周りに回転させる公転駆動機構と、前記自転体を偏心軸心周りに回転駆動してカッタヘッドを自転させる自転駆動機構とを具備したシールド掘進機であって、
前記自転駆動機構に、自転体に設けられた自転用ギヤと、前記回転軸心周りに回転自在に支持された旋回リング体と、該旋回リング体に設けられて前記自転用ギヤに噛合するリング内歯ギヤとを具備した
ことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに噛合する公転用ピニオンと、該公転用ピニオンを回転駆動する公転用回転駆動装置とを設け、
自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに噛合されて旋回リング体を回転駆動する自転用ピニオンと、該自転用ピニオンを回転駆動する自転用回転駆動装置を設け、
トンネルの掘削途中に、前記自転用回転駆動装置と公転用回転駆動装置の回転速度と回転方向とを変更して、断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成された
ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
【請求項３】
公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに連結連動された公転用ピニオンとを設け、
自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに連結連動された自転用ピニオンとを設け、
前記公転駆動機構の公転用ギヤと公転用ピニオンの間、および自転駆動機構のリング外歯ギヤと自転用ピニオンの間の少なくとも一方に、回転速度と回転方向を変更可能な変速ギヤ装置を設け、
カッタ回転駆動装置の駆動軸に前記公転用ピニオンと自転用ピニオンとを設け、
トンネルの掘削途中に、変速ギヤ装置により前記公転駆動機構の公転体および／または自転駆動機構の自転体の回転速度と回転方向とを変更し、カッタヘッドにより断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
【請求項４】
公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに連結連動された公転用ピニオンとを設け、
自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに連結連動された自転用ピニオンとを設け、
カッタ回転駆動装置の駆動軸に前記公転用ピニオンと前記自転用ピニオンを装着するとともに、該駆動軸から自転用ピニオンに回転力を伝達・非伝達可能な動力分離装置を設け、
前記旋回リング体を固定可能なリングロック装置を設け、
トンネルの掘削途中に、前記動力分離装置およびリングロック装置を操作して旋回リング体を固定することにより自転軸をリング内歯ギヤと自転用ギヤの歯数比により回転駆動し、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを変更して、カッタヘッドにより断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
【請求項５】
請求項１記載のシールド掘進機を使用してトンネルを掘削するに際して、
公転駆動機構による公転体の回転速度と回転方向と、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを選択し、断面形状の異なるトンネルを連続して掘削する
ことを特徴とするトンネル掘削方法。
【請求項６】
請求項１記載のシールド掘進機を使用してトンネルを掘削するに際して、
公転駆動機構による公転体の回転速度と回転方向と、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを選択的に変更して、先の掘削断面と後の掘削断面とが複合された断面を掘削する
ことを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カッタヘッドを回転駆動して楕円形や矩形などの異形断面のトンネルを掘削するシールド掘進機およびそのシールド掘進機を使用するトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば楕円形断面や矩形断面のトンネルを掘削するものとして、ルーロの三角形の原理を利用し、頂部がルーロの三角形の３つの頂部に膨出するカッタヘッドを用いて、楕円形トンネルを掘削するものが特許文献１に、また矩形断面トンネルを掘削するものが特許文献２にそれぞれ開示されている。
【０００３】
上記両シールド掘進機のカッタヘッド駆動機構は、シールド本体前部の隔壁に形成された中央空間部に、円筒支持体が中心軸周りに回転自在に配置され、この円筒支持体に前記中心軸から偏心した位置に貫通孔を形成し、この貫通孔に軸受を介してカッタヘッドの回転軸を回転自在に設けられている。
【０００４】
そして、特許文献１のカッタヘッドの駆動装置は、公転側駆動部と自転側駆動部とで構成されている。公転側駆動部は、円筒支持体の後部外周に取り付けられた公転用リングギヤと、この公転用リングギヤに噛合される公転用駆動ピニオンと、公転用駆動ピニオンを回転駆動する公転用回転モータとで構成される。また自転側駆動部は、回転軸の後端部に取り付けられた自転用内歯リングギヤと、シールド本体の後部壁体に固定されて自転用内歯リングギヤに噛合される自転用固定ギヤとで構成されている。
【０００５】
また特許文献２に開示されたカッタヘッド駆動装置は、公転側駆動部と自転側駆動部とで構成されている。公転側駆動部は、円筒支持体の後部外周に取り付けられた公転用リングギヤと、この公転用リングギヤに噛合される公転用駆動ピニオンと、公転用駆動ピニオンを回転駆動する公転用回転モータとで構成される。また自転駆動部は、円筒支持体回転軸に取り付けられた自転用ギヤと、この自転用ギヤに噛み合う自転用ピニオンと、自転用ピニオンを回転駆動する自転用回転駆動装置とを具備し、自転用回転駆動装置は円筒支持体に支持された支持ブラケットに取り付けられている。
【特許文献１】特開平６−３０７１９０号公報
【特許文献２】特開平６−３３６８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１では、固定ギヤがカッタヘッドの回転反力を回転軸および内歯リングギヤを介して支持されるため、固定ギヤを支持する後部壁体に大きい負荷がかかり、後部壁体の構造強度を大幅に増大させる必要があった。また特許文献２でも、円筒支持体に取り付けられる支持ブラケットの強度を十分に確保しなければならず、また円筒支持体の大きさや構造に無理が生じる恐れがあった。
【０００７】
このように高強度の支持部材を必要するため、回転軸の後部周辺の部材や機器、設置環境などを考慮すると、かなり設計に無理が生じるという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、カッタ駆動装置に高強度の支持部材も不要で構造を簡易化できるシールド掘進機およびトンネル掘削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】
【０００８】
請求項１記載の発明は、シールド本体の前部で回転軸心周りに回転自在に設けられた公転体と、前記公転体に回転軸心に対して偏心した偏心軸心を中心に回転自在に支持された自転体と、前記自転体に設けられてルーロの三角形の内に位置しかつ外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部位置に突出されたカッタヘッドと、前記公転体を回転軸心周りに回転させる公転駆動機構と、前記自転体を偏心軸心周りに回転駆動してカッタヘッドを自転させる自転駆動機構とを有するカッタ駆動装置を具備したシールド掘進機であって、前記自転駆動機構に、自転体に設けられた自転用ギヤと、前記回転軸心周りに回転自在に支持された旋回リング体と、該旋回リング体に設けられて前記自転用ギヤに噛合するリング内歯ギヤとを具備したものである。
【０００９】
また請求項２記載の発明は、公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに噛合する公転用ピニオンと、該公転用ピニオンを回転駆動する公転用回転駆動装置とを設け、自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに噛合されて旋回リング体を回転駆動する自転用ピニオンと、該自転用ピニオンを回転駆動する自転用回転駆動装置を設け、トンネルの掘削途中に、前記自転用回転駆動装置と公転用回転駆動装置の回転速度と回転方向とを変更して、断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成されたものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに連結連動された公転用ピニオンとを設け、自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに連結連動された自転用ピニオンとを設け、前記公転駆動機構の公転用ギヤと公転用ピニオンの間、および公転駆動機構のリング外歯ギヤと自転用ピニオンの間の少なくとも一方に、回転速度と回転方向を変更可能な変速ギヤ装置を設け、カッタ回転駆動装置の駆動軸に前記公転用ピニオンと自転用ピニオンとを設け、トンネルの掘削途中に、変速ギヤ装置により前記公転駆動機構の公転体および／または自転駆動機構の自転体の回転速度と回転方向とを変更し、カッタヘッドにより断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成したものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、公転駆動機構に、公転体に設けられた公転用ギヤと、該公転用ギヤに連結連動された公転用ピニオンとを設け、自転駆動機構に、旋回リング体に設けられたリング外歯ギヤと、該リング外歯ギヤに連結連動された自転用ピニオンとを設け、カッタ回転駆動装置の駆動軸に前記公転用ピニオンと前記自転用ピニオンを装着するとともに、該駆動軸から自転用ピニオンに回転力を伝達・非伝達可能な動力分離装置を設け、前記旋回リング体を固定可能なリングロック装置を設け、トンネルの掘削途中に、前記動力分離装置およびリングロック装置を操作して旋回リング体を固定することにより自転軸をリング内歯ギヤと自転用ギヤの歯数比により回転駆動し、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを変更して、カッタヘッドにより断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するように構成したものである。
【００１２】
請求項５記載のトンネル掘削方法は、請求項１記載のシールド掘進機を使用してトンネルを掘削するに際して、公転駆動機構による公転体の回転速度と回転方向と、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを選択的に変更して、断面形状の異なるトンネルを連続して掘削するものである。
【００１３】
請求項６記載のトンネル掘削方法は、請求項１記載のシールド掘進機を使用してトンネルを掘削するに際して、公転駆動機構による公転体の回転速度と回転方向と、自転駆動機構による自転体の回転速度と回転方向とを選択的に変更して、先の掘削断面と後の掘削断面とが複合された断面を掘削するものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、カッタヘッドを自転させる自転駆動機構として、公転体の回転軸と同軸周りに回転自在に支持された旋回リング体を配設し、旋回リング体のリング内歯ギヤにより自転体を自転用ギヤを介して回転駆動するように構成したので、反力が一部に集中することがなく旋回リング体の支持部材全体に分散できて支持部材の強度を軽減でき、しかも支持部材および旋回リング体ならびにその回転駆動装置をシールド本体内の外周側に設けることができて、構造を簡易化することができる。またこのような構造により、公転体と旋回リング体の回転速度と回転方向とを選択するだけで、矩形や楕円、大径円など任意な断面形状のトンネルを掘削することができ、異形断面トンネル掘削用のシールド掘進機における部品の共通化がはかれ、製造コストの削減に寄与できる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、独立して設置された自転用回転駆動装置と公転用回転駆動装置とを設け、回転速度と回転方向とを変更することで、掘削途中であっても掘削トンネルの断面形状を任意に変更することができる。これにより曲線施工時の大きな余掘りや、並設トンネルの接合時の地盤改良部のラップ掘削により、並設トンネルの接合時の地盤の安定化を図ることができる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、自転駆動機構および／または公転駆動機構に、回転速度と回転方向を変更可能な変速ギヤ装置を介在させて、公転体および／または旋回リング体の回転速度と回転方向とを変更することで、掘削途中であっても掘削トンネルの断面形状を任意に変更することができる。これにより曲線施工時の大きな余掘りや、並設トンネルの接合時の地盤改良部のラップ掘削により、並設トンネルの接合時の地盤の安定化を図ることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、カッタ回転駆動装置の駆動軸に公転用ピニオンと自転用ピニオンとを同軸上に設け、リングロック装置により旋回リング体を固定するとともに、動力分離装置により駆動軸の動力を自転用ピニオンに非伝達にすることで、自転軸をリング内歯ギヤと自転用ギヤの歯数比により回転させ、公転体に対する自転体の回転速度と回転方向とを変更することができる。これにより、異形断面のトンネルを連続して掘削することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、掘削途中の所定箇所でトンネルの断面形状を任意に変更して、目的に応じた施工を容易に行うことができる。たとえば曲線施工時の大きな余掘りを行うことで、シールド本体の屈曲角度を削減して掘削の安定化をはかり、またシールド本体の屈曲範囲を縮小することができる。また並設トンネルを掘削する時に地盤改良部のラップ掘削を行うことで、並設トンネルの接合時の地盤の安定化を図ることができる。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、シールド本体の外周部に設置した地盤改良剤の注入ノズルや配管など突起物がある場合、硬い岩盤や到達立坑の到達口などのようにコピーカッタでは掘削が不可能な硬い障害物があると、無理な掘進により突起物が損傷することがある。しかし、たとえば矩形断面トンネルを掘削途中に、矩形断面トンネル掘削の回転速度および回転方向と、横長楕円形断面トンネルの回転速度および回転方向とを、ミリ単位の掘削距離ごとに交互に切替えることで、矩形断面と楕円形断面とが重なり合った複合断面トンネルを掘削することができる。これにより突起物の損傷を未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、楕円形断面に形成されたシールド本体１のスキンプレート１ａ内前部には、切羽崩壊土圧を保持する圧力室ＨＣを形成する隔壁２が設けられている。この隔壁２は、シールド本体１のスキンプレート１ａの内周面に固定された固定隔壁３と、この固定隔壁３にシールド軸上の回転軸心（公転軸心）Ｏ１を中心として形成された貫通部４に旋回自在に配置される公転隔壁（公転体）６とで構成され、前記公転隔壁６は旋回軸受５を介して後部支持部材２５に支持されている。この公転隔壁６には、前記回転軸心Ｏ１から所定の偏心距離ｅ［たとえばｅ＝（長径ｄ１／２−短径ｄ２／２）／２］離れた偏心軸心Ｏ２を中心とする貫通軸受７が設けられ、この軸受孔７ａにカッタ自転軸（自転体）８が回転自在に支持されている。
【００２１】
前記カッタ自転軸８の前端部に取り付けられたカッタヘッド１０は、センタービット１２を有する中心部材１１から３本のメインアーム状カッタ１３が１２０°角度ごとに半径方向に突出され、これらメインアーム状カッタ１３先端の外周掘削端がルーロの三角形の３つの頂部にそれぞれ位置するように設定されている。またメインアーム状カッタ１３間の中間位置にメインアーム状カッタ１３より短いサブアーム状カッタ１４がルーロの三角形の片の中央部に向って突出されている。そしてメインアーム状カッタ１３とサブアーム状カッタ１４とが補強リング１５により互いに連結され、両アーム状カッタ１３，１４にはそれぞれ掘削用のカッタビット１６が所定位置に取り付けられ、各アーム状カッタ１３，１４はそれぞれルーロの三角形内に配置される。またメインアーム状カッタ１３の外周掘削端には、出退自在な掘削ビットを有するコピーカッタ装置１７が設けられている。
【００２２】
さらに前記固定隔壁３の下部に、カッタヘッド１０により掘削された土砂を切羽崩壊土圧を保持しつつ大気室ＬＣ側に排出するスクリュ式排土装置９が貫設されている。
前記固定隔壁３の大気室ＬＣ側に設けられてカッタヘッド１０を回転駆動するカッタ駆動装置２１は、前記公転隔壁６を回転駆動する公転駆動機構２１Ａと、カッタ自転軸８を回転駆動する自転駆動機構２１Ｂとで構成されている。前記公転駆動機構２１Ａは、前記公転隔壁６の外周部に設けられた公転用ギヤＧ２と、この公転用ギヤＧ２に噛合する公転用ピニオンＧ１と、この公転用ピニオンＧ１をカッタ駆動軸２２を介して回転駆動する複数（または単数）のカッタ回転駆動装置（油圧式または電動式モータ）２３と、公転用ピニオンＧ１とカッタ駆動軸２２との間に介在されて公転用ピニオンＧ１の回転速度と回転方向を変更可能な変速ギヤ装置２７とで構成されている。一方、自転駆動機構２１Ｂは、シールド本体１に固定されてカッタ回転駆動装置２３を支持する後部支持部材２５に旋回軸受２４を介して回転軸心Ｏ１周りに回転自在に支持された旋回リング体２６と、旋回リング体２６の外周面に形成されたリング外歯ギヤＧ４と、旋回リング体２６の内周面に形成されたリング内歯ギヤＧ５と、カッタ自転軸８の後部側に固定されてリング内歯ギヤＧ５が噛合される自転用ギヤＧ６と、公転駆動機構２１Ａと共通のカッタ駆動装置２３のカッタ駆動軸２２に固定された自転用ピニオンＧ３とで構成されている。
【００２３】
したがって、カッタ回転駆動装置２３により変速ギヤ装置２７を介して公転用ピニオンＧ１を回転駆動し公転用ギヤＧ２を介して公転隔壁６を所定方向に回転させると同時に、自転用ピニオンＧ３によりリング外歯ギヤＧ４を介して旋回リング体２６を回転させ、リング内歯ギヤＧ５に自転用ピニオンＧ３を介してカッタ駆動軸２２を回転させることができる。
【００２４】
ここで図４に示すように、たとえば公転用ピニオンＧ１の歯数Ｚ１、公転用ギヤＧ２の歯数Ｚ２、自転用ピニオンＧ３の歯数Ｚ３、リング外歯ギヤＧ４の歯数Ｚ４、リング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５、自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６とし、変速ギヤ装置２７の入力軸と出力軸の回転比＝１：１とすると、楕円形断面のトンネル掘削の場合、偏心量ｅ＝（長径−短径）／４である。またリング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５と自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６の関係は、歯車のモジュールＭ、偏心量ｅとすると、Ｚ５＝Ｚ６＋２ｅ／Ｍの関係が必要である。
【００２５】
さらに同一のカッタ駆動軸２２上に公転用ピニオンＧ１および自転用ピニオンＧ３が設けられるとともに、同一の回転軸心Ｏ１に公転用ギヤＧ２およびリング外歯ギヤＧ４が設けられているため、公転用ピニオンＧ１および公転用ギヤＧ２のモジュールｍ１、自転用ピニオンＧ３およびリング外歯ギヤＧ４のモジュールｍ２とすると、（Ｚ１＋Ｚ２）×ｍ１＝（Ｚ３＋Ｚ４）×ｍ２の関係となる。
【００２６】
ところで、公転隔壁（公転体）６が１回転した時の旋回リング体２６の回転数ｎ’＝（Ｚ３×Ｚ２）／（Ｚ４×Ｚ１）＝＋４／９であり、また旋回リング体２６により駆動される自転軸８の単独の回転数ｎ”＝ｎ’×（Ｚ５／Ｚ６）＝［（Ｚ３×Ｚ２）／（Ｚ４×Ｚ１）］×（Ｚ５／Ｚ６）である。この時は、公転隔壁６と共に自転軸８が回転されるため、相対的な自転軸８の単独の回転数ｎ＝（Ｚ３×Ｚ２×Ｚ５）／（Ｚ４×Ｚ１×Ｚ６）−（Ｚ５／Ｚ６）＝−２／３
ここで、たとえば偏心量ｅ＝３２５ｍｍとすると、公転用ピニオンＧ１の歯数Ｚ１＝２９、公転用ギヤＧ２の歯数Ｚ２＝１７４、Ｇ１，Ｇ２のモジュールｍ１＝２８、自転用ピニオンＧ３の歯数Ｚ３＝１４、リング外歯ギヤＧ４の歯数Ｚ４＝１８９、Ｇ３，Ｇ４のモジュールｍ２＝２８、リング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５＝７８、自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６＝６５、Ｚ５，Ｚ６のモジュールＭ＝５０とした時に、
公転隔壁６が１回転した時のカッタ自転軸８の回転数ｎ＝（１４×１７４×７８）／（１８９×２９×６５）−７８／６５＝（４×６）／（９×５）−５／６＝−２／３となる。このときのカッタヘッド１０の回転数は、公転隔壁６の回転数＋自転軸８の回転数＝１−２／３＝１／３である。これにより、図２に示すように、カッタヘッド１０の外周端が楕円形の軌跡を描いて回転移動され、楕円形断面のトンネルＴａを掘削することができる。
【００２７】
ここで、上記楕円形断面トンネルＴａの掘削設例を含み、公転隔壁６に対する自転軸８の回転比を変化させた設例を図７に示す。
設例Ａでは、公転隔壁６の＋１の回転に対してカッタ自転軸８を−５／３回転させることで、カッタヘッド１０の回転が−２／３回転となり、カッタヘッド１０により掘削されるトンネルは、図４に示すように、偏心量ｅ分半径が大きくなった大径の円形トンネルＴｂが掘削される。
【００２８】
設例Ｂでは、公転隔壁６の＋１の回転に対してカッタ自転軸８を−４／３回転させることで、カッタヘッド１０の回転が−１／３回転となり、カッタヘッド１０により掘削されるトンネルは、図５に示すように、４つのコーナー部が円弧状の略矩形断面のトンネルＴｃが掘削される。偏心量ｅ＝（長径−短径）／２ではないので、四辺は直線ではなく、外側に少し膨らんだ曲線となる。
【００２９】
設例Ｃでは、旋回リング体２６を固定した場合で、リング内歯ギヤＧ５の歯数Ｚ５：自転用ギヤＧ６の歯数Ｚ６＝４：３であった場合、公転隔壁６の＋１の回転に対して、カッタ自転軸８を−６／５回転させ、カッタヘッド１０の回転が−１／５となる。これにより設例Ｂと同様に、図５に示す４つのコーナー部が円弧状の略矩形断面のトンネルＴｃが掘削される。
【００３０】
設例Ｄは、先に説明した設例であり、公転隔壁６の＋１の回転に対してカッタ自転軸８を−２／３回転させることで、カッタヘッド１０の回転が＋１／３回転となり、カッタヘッド１０により掘削されるトンネルは、図２に示すように、横長の楕円形断面のトンネルＴａが掘削される。
【００３１】
トンネルＴａ，Ｔｂ，Ｔｃを重ね合わせると図６のように表され、設例ＡのトンネルＴｂは、他のトンネルＴａ，Ｔｃの外周側まで掘削することができ、またトンネルＴａおよびＴｂはトンネルＴｃに比較して、カッタヘッド１０により左右に拡張掘削することができる。ここでトンネルＴａ，Ｔｃに連続してＴｂを掘削すると、シールド掘進機が落ち込むことになるが、障害物を除去するような短い距離であれば、裏込め材を注入することにより問題が生じることはない。
【００３２】
したがって、たとえばシールド本体が略矩形断面のシールド掘進機５１を使用し、図８に示すように、略矩形断面のトンネルＴｃを掘削中に、大きい曲率で湾曲する経路（曲率半径が短い）に差しかかった時に、トンネルＴａに変更して連続掘削することにより、湾曲半径方向のトンネル幅を拡張できてシールド本体の傾動に余裕ができ、たとえば図のような前胴５１ａと後胴５１ｂの屈曲式であれば、その屈曲角度を小さくして安定した姿勢制御ができる。また湾曲経路を掘削するために、シールド本体の軸心方向の長さが規制されることもない。
【００３３】
また図９に示すように、略矩形断面のトンネルＴｃを掘削途中に、並設される矩形断面トンネルＴｃ’がある場合、楕円形断面トンネルＴａまたは大円形断面トンネルＴｂに変更することで、地盤改良部のラップ掘削を行うことができ、ラップ掘削部に充填材を充填することで、並設トンネルの接合時の地盤の安定化を図ることができる。
【００３４】
さらに、たとえば矩形断面のシールド本体１を具備して矩形断面トンネルＴｃを掘削途中に、シールド本体１の左右外側面に地盤改良剤の注入ノズルや配管などの突起物を有している場合、通常の礫混じり程度の地盤では問題がないが、硬い岩盤が出現したり、また到達立坑の壁面を掘削するような場合、コピーカッタでは突起物を含む断面のトンネルを掘削することができず、無理に通過しようとすると、突起物が損傷するおそれがある。そこで、このシールド掘進機では、図１０に示すように、設例Ｂと設例Ｄとを、掘進距離が数ミリ単位で切替えて矩形断面トンネルＴｃと楕円形断面トンネルＴａを交互に掘削することで、矩形断面トンネルＴｃと楕円形断面トンネルＴａとが重なり合った複合断面トンネルＴｅを掘削する。これにより突起物があるシールド本体１の側面側に拡張して障害物を掘削し、突起物の損傷を未然に防止することができる。
【００３５】
上記実施の形態によれば、カッタ駆動装置２１の自転駆動機構２１Ｂにおいて、カッタ自転軸８を回転駆動する旋回リング体２６を、旋回軸受２４を介して後部支持部材２５に回転軸心Ｏ１周りに回転自在に支持させることにより、シールド本体１内の外周側に負荷を分散させることができるとともに、旋回リング体２６の回転方向の負荷を軽減でき、後部支持部材２５および支持部材２８の強度を低減することができる。また公転隔壁６と同じ回転軸心Ｏ１周りに回転自在に配置された同一の回転軸心Ｏ１上に公転隔壁６と共に旋回リング体２６を、カッタ駆動軸２２に設けられた公転用ピニオンＧ１と自転用ピニオンＧ３とで、公転隔壁６の公転駆動と旋回リング体２６の自転駆動とを回転駆動することができる。これにより、カッタ回転駆動装置の削減と小型化を図ることができる。
【００３６】
さらに変速ギヤ装置２７により、自転用ピニオンに対して公転用ピニオンＧ１のＧ３回転速度と回転方向とを変更してトンネルの断面形状を変更することができる。たとえば矩形断面トンネルＴｃの掘削途中で、曲率の大きい曲線施工する場合に、楕円形断面トンネルＴａ（または大径断面トンネルＴｂ）に切替えることで、湾曲半径方向の掘削幅を広く確保し、シールド本体と地山との接触を少なくし、または前胴５１ａと後胴５１ｂとが屈曲自在に連結されたシールド本体の屈曲角度を浅くすることができ、安定した掘削と姿勢の安定性を図ることができる。さらに並設されたトンネルＴｃ’との地盤改良部Ｓを、隣接する側の掘削量を大きく確保することで、ラップ掘削して並設トンネルの接合時の地盤の安定化を図ることができる。さらにまた、掘削部に硬い障害物がある場合には、公転隔壁６とカッタ自転軸８の回転方向と回転速度とを交互に切替えることにより、カッタヘッド１０で複合断面Ｔｅに掘削することができ、これによりシールド本体１の外周部にある突起物の損傷を未然に防止することができる。
【００３７】
なお、ギヤ変速装置２７をカッタ駆動軸２２と自転用ピニオンＧ３との間に設けることもできる。
［実施の形態２］
この実施の形態２は、実施の形態１における変速ギヤ装置２７に代えて、駆動軸から自転用ピニオンＧ３に回転力を伝達・非伝達切替え可能な動力分離装置３１と、旋回リング体２６を固定可能なリングロック装置３２とを設けたものである。
【００３８】
すなわち、動力分離装置３１は、カッタ駆動軸２２に形成されたスプライン外歯部と歯欠き部から成るスライド部２２ａに、自転用ピニオンＧ３がスプライン内歯を介してスライド自在に外嵌され、フオーク部材３１ａを介して自転用ピニオンＧ３をスライド部２２ａのスプライン歯部と歯欠き部の間でスライドさせる直線駆動装置からなる切替え装置３１ｂにより構成されている。
【００３９】
またリングロック装置３２は、後部支持部材２５の背面でシールド本体１の外周側に、中間部材を介してカッタ回転駆動装置２３を支持する後部プレート２８が設けられており、前記後部プレート２８に回転軸心Ｏ１を中心とする周方向に一定間隔ごとに配設されてロックピン３２ｂを回転軸心Ｏ１方向に出退自在なピン出退装置３２ａと、旋回リング体２６の背面に一定間隔ごとに形成されたロック用ピン穴３２ｃとで構成されている。
【００４０】
したがって、動力分離装置３１によりカッタ駆動軸２２から自転用ピニオンＧ３への動力伝達を停止し、同時にリングロック装置３により旋回リング体２６をロックすることにより、設例Ｃのように矩形断面トンネルＴｃを掘削することができ、他の断面トンネルＴａ，Ｔｂなどと組合わせて異形断面の２種類のトンネルを掘削することができる。
【００４１】
上記実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の作用効果を奏することができる。
［実施の形態３］
この実施の形態３では、公転駆動機構２１Ａの公転用カッタ回転駆動装置（公転用回転駆動装置）２３Ａと、自転駆動機構２１Ｂの自転用カッタ回転駆動装置（自転用回転駆動装置）２３Ｂとをそれぞれ独立して設けたものである。
【００４２】
すなわち、シールド本体１内の外周側の後部プレート２８には、公転用カッタ回転駆動装置２３Ａと自転用カッタ回転駆動装置２３Ｂの複数の設置位置が周方向に所定間隔ごとに形成されており、公転用カッタ回転駆動装置２３Ａが両側部に２個並んで設置され、それ以外の位置に自転用カッタ回転駆動装置２３Ｂが設置される。
【００４３】
そして公転用カッタ回転駆動装置２３Ａの公転用カッタ駆動軸２２Ａに、公転用ギヤＧ１に噛合する公転用ピニオンＧ１が取り付けられ、また自転用カッタ回転駆動装置２３Ｂの自転用カッタ駆動軸２２Ｂに、リング外歯ギヤＧ４に噛合する自転用ピニオンＧ３が取り付けられる。
【００４４】
したがって、掘削途中で公転用カッタ回転駆動装置２３Ａと自転用カッタ回転駆動装置２３Ｂとの回転方向と回転速度とを変更することにより、カッタヘッドの回転方向と回転速度を変更して、掘削断面を変化させることができる。これにより実施の形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の実施の形態１を示す縦断面図である。
【図２】同シールド掘進機の正面図である。
【図３】同シールド掘進機のカッタ回転駆動装置の配置を示す背面図である。
【図４】同シールド掘進機のカッタヘッドによる大径掘削断面を説明する正面図である。
【図５】同カッタヘッドによる矩形掘削断面を説明する正面図である。
【図６】同カッタヘッドによる掘削断面を比較説明する正面図である。
【図７】同シールド掘進機のカッタ駆動装置による回転方向と回転速度とを例示する図表である。
【図８】同シールド掘進機による湾曲部の掘削状態を説明する断面図である。
【図９】同シールド掘進機による並設トンネルの掘削状態を説明する断面図である。
【図１０】同シールド掘進機による掘削部を示す正面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るシールド掘進機の実施の形態２を示し、（ａ）は全体縦断面図、（ｂ）は動力分離装置とリングロック装置を示す部分拡大図、（ｃ）はリングロック装置を示す背面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るシールド掘進機の実施の形態３を示し、（ａ）は公転駆動機構を示す全体縦断面図、（ｂ）は（ｃ）に示すＡ−Ａ矢視拡大縦断面図、（ｃ）は公転用カッタ駆動装置と自転用カッタ駆動装置の配置を示す背面図である。
【符号の説明】
【００４６】
３２ｃ  ロック用ピン穴
Ｏ１    回転軸心
Ｏ２    偏心軸心
ｅ    偏心距離
ＨＣ    圧力室
ＬＣ    大気室
Ｇ１    公転用ピニオン
Ｇ２    公転用ギヤ
Ｇ３    自転用ピニオン
Ｇ４    リング外歯ギヤ
Ｇ５    リング内歯ギヤ
Ｇ６    自転用ギヤ
１    シールド本体
２    隔壁
３    固定隔壁
６    公転隔壁
８    カッタ自転軸
１０    カッタヘッド
１２    センタービット
１３    メインアーム状カッタ
２１    カッタ駆動装置
２１Ａ  公転駆動機構
２１Ｂ  自転駆動機構
２２    カッタ駆動軸
２２Ａ  公転用カッタ駆動軸
２２Ｂ  自転用カッタ駆動軸
２３    カッタ回転駆動装置
２３Ａ  公転用カッタ回転駆動装置
２３Ｂ  自転用カッタ回転駆動装置
２４    旋回軸受
２５    後部支持部材
２６    旋回リング体
２８    後部プレート
３１    動力分離装置
３１ａ  スライド軸部
３１ｂ  フオーク部材
３２    リングロック装置
３２ａ  ピン出退装置
３２ｂ  ロックピン
【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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【図１１】
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【図１２】
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