(57)【要約】【目的】  泥水の発生量を低減しつつ、安定した掘削を行う。【構成】  地山２側に臨む前面軸心部に設けられた土圧用カッタ３と、該土圧用カッタ３の後方に形成され掘削土砂を取り込むための土圧室４と、上記土圧用カッタ３の外周部に且つ土圧用カッタ３より掘進方向後方に所定の距離を隔てて設けられた泥水用カッタ５と、該泥水用カッタ５の後方に形成され掘削土砂を泥水と共に取り込むための泥水室６とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山側に臨む前面軸心部に設けられた土圧用カッタと、該土圧用カッタの後方に形成され掘削土砂を取り込むための土圧室と、上記土圧用カッタの外周部に且つ土圧用カッタより掘進方向後方に所定の距離を隔てて設けられた泥水用カッタと、該泥水用カッタの後方に形成され掘削土砂を泥水と共に取り込むための泥水室とを備えたことを特徴とする泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【請求項２】
上記土圧室が上記土圧用カッタの後方に位置し軸方向に延出した区画壁によって区画形成され、該区画壁の外周面部と上記泥水用カッタの前面部とで泥水掘削ゾーンを形成するように構成された請求項１記載の泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【請求項３】
上記土圧用カッタと上記泥水用カッタとが一体に接続された請求項１又は２記載の泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【請求項４】
上記土圧用カッタ及び上記泥水用カッタが、リング状ギヤに接続され、該リング状ギヤに沿って配置された回転モータによって回転駆動される請求項１から３いずれかに記載の泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【請求項５】
上記土圧用カッタの軸心部に、掘進機本体側から上記土圧用カッタ及び上記泥水用カッタに添加材或いは油圧用の作動油を供給するためのロータリジョイントを設けた請求項１から４いずれかに記載の泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【請求項６】
上記土圧室の内周面が、掘進方向後方に向かうに連れて縮径するテーパ状に形成された請求項１から５いずれかに記載の泥水・土圧式複合シールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大径断面を有するシールド掘進機に係り、特に、泥水の発生量を低減できると共に、安定した掘削を行うことができるように改良された泥水・土圧式複合シールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機は、泥水式シールド掘進機と土圧式シールド掘進機とがある。
【０００３】
泥水式シールド掘進機は、主に大径断面のトンネルを掘削する場合に多く用いられる。泥水式シールド掘進機は、図５に示すように、地山５１の切羽面５２に送泥管５３で泥水を注入しながら、カッタ５４を回転させて地山５１を掘削し、掘削土砂を泥水と共に排泥管５５で排出するものである（例えば特許文献２参照）。この泥水式シールド掘進機では、シールド掘進機本体５６が地山５１から受ける圧力を低減できるので、安定した掘削を行うことができる。
【０００４】
一方、土圧式シールド掘進機は、比較的小径断面のトンネルを掘削する場合に多く用いられる。土圧式シールド掘進機は、掘削した土砂をスクリュコンベアにてシールド掘進機後方に排出するものである（例えば特許文献１参照）。この土圧式シールド掘進機によって排出された掘削土砂は、埋め戻し材や骨材等の建築材料として利用することが可能である。
【０００５】
【特許文献１】特許第３１９２５７６号公報
【特許文献２】実公昭６０−３８７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のように、大径断面のトンネルを泥水式シールド掘進機で掘削すると、大量の泥水が発生するが、この泥水は、粘度が低く運搬性は優れているものの、泥水であるため、建築材料として利用するためには、再生処理を行わなければならない。また、泥水を産業廃棄物として廃棄する場合にも一次及び二次処理する必要があり、泥水を、建築材料として利用するか或いは廃棄するかどちらにおいても、処理を行う必要があり、全体で大量の泥水を処理しなければならないといった問題があった。
【０００７】
再生処理或いは一次及び二次処理を行うための処理設備５７は、シールド掘進機が発進する立孔５８上部の地上に設けられている。この処理設備５７は処理すべき泥水量が多いため大きいものとなり、処理設備５７を設けるためには、非常に広いスペースが必要であった。
【０００８】
ところで、土圧式シールド掘進機を、大径断面のトンネルの掘削に利用すると、上述のような掘削土砂の処理を行う必要はないものの、地山が固い場合には、掘削負荷が増大し、安定した掘削を行うことができないといった問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題を解決すべく創案されたものであり、その目的は、泥水の発生量を低減できると共に、安定した掘削を行うことができる泥水・土圧式複合シールド掘進機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、地山側に臨む前面軸心部に設けられた土圧用カッタと、該土圧用カッタの後方に形成され掘削土砂を取り込むための土圧室と、上記土圧用カッタの外周部に且つ土圧用カッタより掘進方向後方に所定の距離を隔てて設けられた泥水用カッタと、該泥水用カッタの後方に形成され掘削土砂を泥水と共に取り込むための泥水室とを備えたものである。
【００１１】
そして、上記土圧室が上記土圧用カッタの後方に位置し軸方向に延出した区画壁によって区画形成され、該区画壁の外周面部と上記泥水用カッタの前面部とで泥水掘削ゾーンを形成するように構成されたものが好ましい。
【００１２】
また、上記土圧用カッタと上記泥水用カッタとが一体に接続されたものが好ましい。
【００１３】
さらに、上記土圧用カッタ及び上記泥水用カッタが、リング状ギヤに接続され、該リング状ギヤに沿って配置された回転モータによって回転駆動されるものが好ましい。
【００１４】
また、上記土圧用カッタの軸心部に、掘進機本体側から上記土圧用カッタ及び上記泥水用カッタに添加材或いは油圧用の作動油を供給するためのロータリジョイントを設けたものが好ましい。
【００１５】
さらに、上記土圧室の内周面が、掘進方向後方に向かうに連れて縮径するテーパ状に形成されたものが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、泥水の発生量を低減できると共に、安定した掘削を行うことができるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な実施の形態を示した断面図、図２は本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図、図３は図１のIII-III線断面図である。
【００１９】
かかる泥水・土圧式複合シールド掘進機は、主に大径断面のトンネルを掘削するのに用いられる。
【００２０】
図示するように、泥水・土圧式複合シールド掘進機１は、地山２側に臨む前面軸心部に設けられた土圧用カッタ３と、この土圧用カッタ３の後方に形成され掘削土砂を取り込むための土圧室４と、土圧用カッタ３の外周部に且つ土圧用カッタ３より掘進方向後方に所定の距離を隔てて環状に設けられた泥水用カッタ５と、この泥水用カッタ５の後方に形成され掘削土砂を泥水と共に取り込むための泥水室６とを備えている。
【００２１】
土圧用カッタ３は、その軸心部から径方向外側に放射状に延びる複数のカッタスポーク７を有したスポーク型カッタにて構成されている。カッタスポーク７の前面には複数のカッタビット８が配列されている。カッタスポーク７の後面には後方に延出して土圧室４内の掘削土砂を撹拌するための撹拌翼１５が設けられている。
【００２２】
土圧用カッタ３の外周縁部（カッタスポーク７の外周端）には、掘進方向後方に延出する筒体状の区画壁９が一体で設けられており、土圧室４の外周部を区画するようになっている。土圧室４の後部は、シールドフレーム１１の前端に設けられたバルクヘッド１２の軸心部に設けられ、このバルクヘッド１２から掘進方向前方へ所定の距離を隔てて前方に突出して形成された隔壁１４によって区画されている。この隔壁１４の前面には前方に延出する撹拌翼１５が設けられている。隔壁１４の下部には、掘削土砂を取り込んで後方へ搬送するためのスクリュコンベヤ１６が開口して接続されている。
【００２３】
土圧用カッタ３の軸心部には、掘進機本体側から土圧用カッタ３及び泥水用カッタ５に添加材或いはコピーカッタ２１等を駆動させる油圧用の作動油を供給するためのロータリジョイント１７が設けられている。ロータリジョイント１７は、土圧用カッタ３の軸心部から後方に一体的に延出して、隔壁１４の軸心部に軸支されている。
【００２４】
土圧室４の内周面１８、すなわち区画壁９の内周面１８は、掘進方向後方に向かうに連れて縮径するテーパ状に形成されている。
【００２５】
泥水用カッタ５は、区画壁９の後端から径方向外周側へと延出して環状に形成された面板１９を有する面板型カッタにて構成されている。面板１９は、区画壁９と一体に接続されており、泥水用カッタ５、区画壁９及び土圧用カッタ３は、一体に接続されている。面板１９の前面には、複数のカッタビット８が放射状に配列されている。
【００２６】
泥水室６は、泥水用カッタ５の面板１９と、シールドフレーム１１の前端に設けられたバルクヘッド１２と、その外周に前方に延出して設けられた筒状のフード２２とで区画形成されている。バルクヘッド１２の上端近傍には、泥水室６及び地山２に泥水を供給する送泥管２３が開口して接続されている。バルクヘッド１２の下端近傍には、泥水用カッタ５で掘削された掘削土砂を泥水と共に取り込む排泥管２４が開口して接続されている。排泥管２４の先端には掘削土砂を撹拌するためのアジテータ２５が設けられている。
【００２７】
泥水用カッタ５の前方には、泥水が供給されて泥水掘削ゾーン２６が形成される。泥水掘削ゾーン２６は、泥水用カッタ５の面板１９の前面部と、土圧用カッタ３の後方の筒体状の区画壁９の外周面部とで区画され、外周部の泥水が土圧室４内に流入しないように構成されている。すなわち、土圧用カッタ３は、少なくとも泥水掘削ゾーン２６の前端面よりも、掘削方向前方に突出するように形成されており、区画壁９は、土圧室４と泥水掘削ゾーン２６とを液密に区画するように構成されている。
【００２８】
バルクヘッド１２の軸心部の隔壁１４の外周部には、リング状ギヤ２７が設けられている。リング状ギヤ２７は、区画壁９の後方に位置して、掘進方向後方に延出する複数の連結部材２８によって、区画壁９と一体に連結されている。連結部材２８は周方向に所定ピッチで複数設けられている。掘進機内には、リング状ギヤ２７を回転させるための複数の回転モータ２９が設けられている。回転モータ２９は、油圧モータからなり、その回転軸ギヤ３１がリング状ギヤ２７の内周面に形成されたギヤ３２に噛合するように、リング状ギヤ２７の内周面に沿って配列されている。
【００２９】
バルクヘッド１２には、リング状ギヤ２７を回転自在に支持する支持部３７が設けられている。支持部３７には、泥水室６と機内側とを液密にシールするシール部材（図示せず）が設けられている。
【００３０】
リング状ギヤ２７のギヤ３２の外周部には鍔部３３が形成されており、この鍔部３３を掘進方向前後から挟むように軸受け３６が構成されている。これによって、リング状ギヤ２７は、掘進方向前後において掘進機本体に固定され、土圧用カッタ３及び泥水用カッタ５にかかる地山２からの圧力は、バルクヘッド１２、シールドフレーム１１及びシールドジャッキ３４を介して既設セグメント３５へと伝達される。
【００３１】
かかる泥水・土圧式複合シールド掘進機１によれば、泥水式の掘削機と土圧式の掘削機とを複合したことによって、泥水の発生量を低減できると共に、安定した掘削を行うことができるといった効果を発揮する。
【００３２】
すなわち、泥水・土圧式複合シールド掘進機１では、掘削断面全体を泥水式で掘削する場合と比較すると、掘削断面全体面積に対する土圧用カッタ３の面積分の泥水を低減させることができる。これによって、泥水の処理量を減少させることができると共に、産業廃棄物の低減も達成できる。また、泥水の処理量が低減するので、地上に設ける処理設備の省スペース化が達成され、施工費の削減や施工時の道路規制の緩和等を図ることができる。
【００３３】
また、土圧式で掘削された掘削土砂は、泥水となっていないので、コンクリートに混ぜる骨材やトンネル内の埋め戻し土砂等の建築材料として有効利用することができる。
【００３４】
さらに、かかる泥水・土圧式複合シールド掘進機１では、土圧用カッタ３を軸心部に設け、泥水用カッタ５を径方向外周側に設けたので、掘削安定性が高い。すなわち、泥水用カッタ５を径方向外側に設けたので、そのシールド掘進機の外周側に泥水掘削ゾーン２６が形成されることとなり、泥水・土圧式複合シールド掘進機１の前面周縁部を掘削する負荷は非常に小さい。よって、泥水・土圧式複合シールド掘進機１は、掘削負荷が低減し、安定した掘削が可能となる。軸心部に土圧用カッタ３を設けているが、その掘削断面は、比較的小さいので、掘削負荷に影響を及ぼすほどのものではない。
【００３５】
なお、ここで、本実施の形態の泥水・土圧式複合シールド掘進機１と、掘進方向前方に位置する土圧用カッタを外周側に設け、泥水用カッタを軸心側に設ける場合とを比較すると、後者のシールド掘進機では、その前面周縁部の掘削負荷が大きくなってしまうため、本実施の形態の方が優れている。
【００３６】
また、土圧用カッタ３を泥水用カッタ５よりも所定の距離を隔てて掘進方向前方に設けると共に、区画壁９で土圧室４と泥水掘削ゾーン２６とを区画したことによって、外周部の泥水が土圧室４内に流入するのを防止できる。これによって、泥水がスクリュコンベヤ１６から噴発することはなく、土圧室４内の圧力と前面地山２の圧力とを好適にバランスさせることができるので、効率的且つ確実な掘削を行うことができる。
【００３７】
土圧室４内に流入した掘削土砂は、撹拌翼１５で撹拌されながら、テーパ状の内周面１８によってスクリュコンベヤ１６へと案内され、確実に掘進機後方へと搬出される。
【００３８】
さらに、土圧用カッタ３と泥水用カッタ５とが一体に接続されて、共に回転するように構成されているので、土圧用カッタ３の軸心部に設けられたロータリジョイント１７から、泥水用カッタ５のコピーカッタ２１を駆動させる油圧用の作動油や添加材を低コストで供給することができる。すなわち、土圧用カッタ３と泥水用カッタ５との間に、添加材や作動油を供給するための供給管（図示せず）の接続機構を設ける必要がなく、土圧用カッタ３と泥水用カッタ５を同期回転させる機構を設ける必要もない。そのため、上述の各機構分のコストアップを防止できる。
【００３９】
また、土圧用カッタ３、区画壁９及び泥水用カッタ５を回転させるのに、比較的大径（土圧用カッタ３と略同径）のリング状ギヤ２７を設けて、その内周に沿って配置された回転モータ２９を用いたので、回転モータ２９個々が必要とする回転トルクを低減させることができる。これによって、回転モータ２９の小型化が達成され、機内の各種機器のレイアウトが有利となる。
【００４０】
さらに、土圧用カッタ３、区画壁９及び泥水用カッタ５を一体に接続固定して形成しているので、これらを支持する軸受けやシールは、リング状ギヤ２７を軸支する軸受けとシールを設けるだけで済む。要するに、土圧用カッタ３と泥水用カッタ５とを分離して設けた場合では、軸受けとシールはそれぞれのカッタ３、５に必要となるが、本実施の形態では、各カッタ３、５を一体化したことで、軸受けとシールをそれぞれ共用化することができ、低コスト化が達成できる。
【００４１】
図４は本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な他の実施の形態を示した断面図である。
【００４２】
かかる実施の形態の泥水・土圧式複合シールド掘進機４１は、土圧室４と泥水掘削ゾーン２６とを区画する区画壁４３が、土圧室４の後部を区画する隔壁１４に一体的に形成されている。区画壁４３は、隔壁１４の前面から土圧用カッタ３の後面まで延出して形成されている。区画壁４３の前端部にはシール部材（図示せず）が設けられており、このシール部材が当接する土圧用カッタ３の後面には、リング状のシール受け部材４４が設けられている。区画壁４３は、掘進方向前方に行くに連れて拡径する漏斗状に形成されており、土圧室４の内周面１８は、掘進方向後方に向かうに連れて縮径するテーパ状となっている。
【００４３】
土圧用カッタ３と泥水用カッタ５とは、掘進方向に延出する連結部材４５によって、一体に連結されている。連結部材４５は、土圧用カッタ３の後面と、泥水用カッタ５の面板１９の前面との間に架け渡されており、周方向に所定ピッチで複数設けられている。
【００４４】
なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態の泥水・土圧式複合シールド掘進機１と同様であるので、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
上記実施の形態の泥水・土圧式複合シールド掘進機４１においては、上記泥水・土圧式複合シールド掘進機１と同様の作用効果を得られる他に、土圧用カッタ３と泥水用カッタ５とを連結する連結部材４５が泥水掘削ゾーン２６の土砂を撹拌する役目を有するので、泥水式掘削の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な実施の形態を示した断面図である。
【図２】本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図である。
【図３】図１のIII-III線断面図である。
【図４】本発明に係る泥水・土圧式複合シールド掘進機の好適な他の実施の形態を示した断面図である。
【図５】従来の泥水式シールド掘進機を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  泥水・土圧式複合シールド掘進機
２  地山
３  土圧用カッタ
４  土圧室
５  泥水用カッタ
６  泥水室
９  区画壁
１７  ロータリジョイント
１８  （土圧室の）内周面
２６  泥水掘削ゾーン
２７  リング状ギヤ
２９  回転モータ
４１  泥水・土圧式複合シールド掘進機
４３  区画壁
【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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