(57)【要約】【課題】  ３次元形状を呈する掘削面であっても円滑に掘削することの出来る、シールド掘削機の提供。【解決手段】  外殻２を有し、外殻２の、トンネル掘進方向（矢印Ａ、Ｂ方向）前方にカッタ３を回転駆動自在に設け、カッタ３にセンタカッタ１２をカッタの回転と共に回転し得るようにかつ、トンネル掘進方向に突出駆動自在に設け、カッタに、カッタユニット１１をカッタの回転と共に回転し得るようにかつ、外殻の掘進方向に直角な面における中央部ＣＴを基準に放射方向（矢印Ｃ、Ｄ方向）に移動駆動自在に設け、カッタユニット１１は、掘進方向に突出駆動自在に設けられた掘削ユニット１１ｂを有しており、掘削ユニットは、回転自在に設けられた掘削刃１１ｃを有している。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外殻を有し、
前記外殻の、トンネル掘進方向前方にカッタを回転駆動自在に設け、
前記カッタにセンタカッタを前記カッタの回転と共に回転し得るようにかつ、トンネル掘進方向に突出駆動自在に設け、
前記カッタに、カッタユニットを前記カッタの回転と共に回転し得るようにかつ、前記外殻の掘進方向に直角な面における中央部を基準に放射方向に移動駆動自在に設け、
前記カッタユニットは、前記掘進方向に突出駆動自在に設けられた掘削ユニットを有しており、
前記掘削ユニットは、回転自在に設けられた掘削刃を有している、
ことを特徴とする、シールド掘削機。
【請求項２】
前記カッタユニットは、前記外殻の中央部に対して均等なピッチで複数個、設けられている、請求項１記載のシールド掘削機。
【請求項３】
前記カッタユニットは、前記センタカッタに隣接する位置から前記カッタの外周部に隣接する位置までの任意の位置に移動位置決め自在に設けられている、請求項１記載のシールド掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状を呈する掘削面を掘削するに好適な、シールド掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、立坑を構築することなく、既設のトンネル内部から直接シールド掘削機を発進させて、同様に立坑が構築されていない既設のトンネルに到達させ、発進部及び到達部に立坑を構築しないでトンネルの構築を行う方法が、試行されつつある。
【０００３】
この方法は、発進部及び到達部に立坑を構築する必要が無くなるので、地上面の開削や地下埋設物の移設などの工程が無くなり、施工期間及び施工費用を大幅に低減させることが出来るばかりか、地上の用地の有無に関わりなく、任意の地点からトンネルを分岐構築することが可能となるなど、多くの利点を含んでいる。
【０００４】
しかし、こうしたトンネルの構築に使用するシールド掘削機のカッタ面は、２次元の平面形状に形成されているものが殆どである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２１９０号公報  （図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このようなカッタ面を有するシールド掘削機で、既設のトンネルから発進したり、到達したりする場合、既設のトンネルの覆工面は３次元の曲面形状を呈していることから、掘削の開始時には、カッタ面全面が覆工面と当接した形での掘削が行われず、カッタ面の中央部や周辺部の覆工面が局部的に当接した形で掘削されてしまう現象が生じる。
【０００７】
これでは、覆工部分に過大な集中応力が作用し、覆工に割れや破断が生じてしまい、円滑な掘削動作が出来なくなる不都合が生じる。
【０００８】
本発明は、上記した事情に鑑み、３次元形状を呈する掘削面であっても円滑に掘削することの出来る、シールド掘削機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、外殻（２）を有し、
前記外殻（２）の、トンネル掘進方向（矢印Ａ、Ｂ方向）前方にカッタ（３）を回転駆動自在に設け、
前記カッタ（３）にセンタカッタ（１２）を前記カッタの回転と共に回転し得るようにかつ、トンネル掘進方向に突出駆動自在に設け、
前記カッタに、カッタユニット（１１）を前記カッタの回転と共に回転し得るようにかつ、前記外殻の掘進方向に直角な面における中央部（ＣＴ）を基準に放射方向（矢印Ｃ、Ｄ方向）に移動駆動自在に設け、
前記カッタユニット（１１）は、前記掘進方向に突出駆動自在に設けられた掘削ユニット（１１ｂ）を有しており、
前記掘削ユニットは、回転自在に設けられた掘削刃（１１ｃ）を有している、
ことを特徴として構成される。
【００１０】
請求項２の発明は、前記カッタユニットは、前記外殻の中央部（ＣＴ）に対して均等なピッチ（例えば、１２０°ピッチ）で複数個、設けられて構成される。
【００１１】
請求項３の発明は、前記カッタユニットは、前記センタカッタに隣接する位置から前記カッタの外周部に隣接する位置までの任意の位置に移動位置決め自在に設けられて構成される。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、カッタ（３）の回転と共に回転駆動されるセンタカッタ（１２）及びカッタユニット（１１）が、掘進方向に突出駆動されるので、３次元曲面を有する覆工（２２ａ、２３ａ）表面であっても、カッタ（３）の掘削面（６ａ）の全面を、均等に覆工（２２ａ、２３ａ）に当接させることが出来る。これにより、カッタ（３）の中央部や周辺部のみが覆工と局部的に当接した形で覆工が掘削されてしまう現象の発生を極力防止することが出来、覆工部分に過大な集中応力が作用し、覆工に割れや破断が生じるような事態を防止することが出来、円滑な掘削動作が可能となる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、カッタユニットは、前記外殻の中央部（ＣＴ）に対して均等なピッチ（例えば、１２０°ピッチ）で複数個、設けられているので、各カッタユニットと３次元曲面を有する覆工表面との当接を、極力均等に生じさせることが出来る。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、カッタユニットをセンタカッタ部分からカッタの外周部分までの任意の位置に移動位置決めさせることが出来、センタカッタとカッタユニットで、カッタと対向する切り羽部（２６ａ）分全面の掘削が可能となる。
【００１５】
なお、括弧内の符号等は、図面と対照するためのものであり、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであって、特許請求の範囲に何等影響を及ぼすものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、シールド掘削機の一例を示す断面図、図２は、図１のシールド掘削機の正面図、図３乃至図６は、凸面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図、図７及び図８は、３次元掘削面を掘削する際の、カッタの動きを示す正面図、図９乃至図１２は、凹面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【００１８】
シールド掘削機１は、図１及び図２に示すように、円筒などの筒状の形成された外殻２を有しており、外殻２は、掘進方向である矢印Ａ、Ｂ方向に互いに伸縮自在に接続された前胴２ａと後胴２ｂを有しており、前胴２ａと後胴２ｂの間には、伸縮ジャッキ４が設けられている。外殻２の図中左方の、掘進方向先端側には円盤状に形成されたカッタ３が油圧モータ５などにより回転駆動自在に設けられている。カッタ３は、掘削すべきトンネル断面形状に対応する形で形成された全体円盤状に形成されたカッタ本体６を有しており、カッタ本体６は、軸６ａにより、外殻２内部を矢印Ａ、Ｂ方向に閉塞する隔壁７に軸心ＣＴを中心に回転自在に支持されている。軸６ａの、隔壁７の図１矢印Ｂ方向、即ち後方には、ギヤ９、１０を介して前述の油圧モータ５が接続しており、更に、カッタ本体６の、切り羽と接する掘削面６ｂには、多数の掘削ビット６ｃが設けられている。
【００１９】
なお、カッタ３は、本実施例に示すように、単一のカッタ本体から構成するほかに、掘削すべきトンネル断面形状に適合させた形で複数のカッタ本体を組み合わせて構成することも当然可能である。
【００２０】
カッタ本体６の掘削面６ｂには、図２に示すように、３本の溝６ｄがカッタ軸心ＣＴを中心にして、即ち、外殻２の掘進方向に直角な面における中央部を基準にして均等な１２０°ピッチで放射状に形成されており、各溝６ｄは、後述するセンタカッタ１２とカッタ本体６の外周部を連絡する形で形成されている。また、各溝６ｄには小型カッタユニット１１が該溝６ｄに沿って、カッタ本体６の回転中心である軸心ＣＴを中心に、従って、外殻２の掘進方向に直角な面における中央部を基準にして図示しない油圧アクチュエータにより、該直角な面内で放射方向、即ち矢印Ｃ、Ｄ方向に移動駆動自在に設けられている。これにより、各小型カッタユニット１１は、後述するセンタカッタ１２の外周部に隣接する位置から、放射方向にカッタ本体６の外周部に隣接する位置までの任意の位置に移動し、当該位置を保持することが出来る。
【００２１】
小型カッタユニット１１は、ケーシング１１ａを有しており、ケーシング１１ａには掘削ユニット１１ｂが掘進方向である矢印Ａ、Ｂ方向に図示しない油圧アクチュエータにより進退自在に設けられている。掘削ユニット１１ｂは、掘進方向先端側に、掘削ユニット１１ｂに内蔵された油圧モータにより回転駆動自在に設けられた掘削刃１１ｃを有している。
【００２２】
また、カッタ本体６の中心部には、センタカッタ１２が設けられており、センタカッタ１２は、その軸１２ａがカッタ本体６の軸６ａにその軸心ＣＴ２を一致させた形で設けられている。センタカッタ１２は、油圧アクチュエータ１３により、掘進方向である矢印Ａ、Ｂ方向に進退のみ自在に設けられており、センタカッタ１２は、図２に示すように、切羽２６ａと接する部分に複数のビット１２ｃが設けられた円形の掘削面１２ｂを有している。
【００２３】
カッタ本体６と隔壁７との間には、図１に示すように、筒状のチャンバ１５が形成されており、チャンバ１５には、掘削土砂を撹拌するためのアジテータ１６が隔壁７に装着された形で設けられている。また、隔壁７には、送泥管１７及び排泥管１９が、チャンバ１５に開口する形でそれぞれ設けられている。
【００２４】
外殻２の、矢印Ｂ側、即ち掘進方向後ろ側には、複数の推進ジャッキ２０がスプレッダー２０ａを矢印Ａ、Ｂ方向に突出後退自在に設けられており、また、外殻２の後胴２ｂの後端には、トンネル２５を構成する構築済みの覆工２１が、多数のセグメントピースを接続した形で設けられている。
【００２５】
シールド掘削機１は、以上のような構成を有するので、既設トンネル２２の覆工２２ａを切り破って、別の既設トンネル２３の覆工２３ａに到達する形で新たなトンネル２５を構築する際には、まず、図７及び図９に示すように、発進すべき既設トンネル２２内に、シールド掘削機１を、分解した形で運び込み、トンネル２２内で前胴２ａ部分を組み立て（トンネル内のスペースが狭い場合には、カッタ３、隔壁７及びとチャンバ１５部分のみを組み立て、覆工２２を切り破り後、適宜な距離だけ掘進したところで、前胴２ａ部分を完全に組み立てる形でもよい）、その状態で、カッタ３の掘削面６ａを、切り破るべき覆工２２ａと対向させる。
【００２６】
この状態では、切り破るべき覆工２２はカッタ３に対して３次元曲面を呈した凹面状態となっているので、カッタ本体６の掘削ビット６ｃは、覆工２２の表面に十分当接することが出来ず、カッタ３を回転駆動しても、覆工２２を切り破ることは出来ない。
【００２７】
そこで、油圧アクチュエータ１３を駆動してセンタカッタ１２を適宜な量だけ矢印Ａ方向に突出させ、覆工２２の表面にセンタカッタ１２のビット１２ｃを当接させると共に（センタカッタ１２を矢印Ａ方向に突出させなくても、センタカッタ１２が覆工２２と当接する場合には、センタカッタ１２を矢印Ａ方向に突出させる必要はない）、小型カッタユニット１１を軸心ＣＴを中心に、図２矢印Ｃ、Ｄ方向に移動駆動させ、小型カッタユニット１１の掘削刃１１ｃが覆工２２の表面と当接する位置に位置決めする。
【００２８】
なお、この際、小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂを適宜矢印Ａ方向に突出させてもよい。いずれにせよ、図９乃至図１２に示すいずれかの状態、即ち、全ての小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２がいずれも覆工２２の表面と接触するような状態に、それぞれの小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２を移動駆動して、位置決めする。
【００２９】
この状態で、油圧モータ５を駆動して、カッタ３を回転駆動すると、カッタ３の回転に伴って、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１が回転する。また、その状態で、図７に示すように、小型カッタユニット１１の掘削刃１１ｃを回転駆動する。すると、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１は覆工２２の表面と接触しているので、それらカッタと接触している覆工２２部分は、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１により掘削される。
【００３０】
なお、既設トンネル２２の、シールド掘削機１により切り破るべき覆工２２ａ部分は、予め無筋の高強度モルタルなどで構築しておき、カッタ３による切り破りを円滑に行えるようにしておくとよい。
【００３１】
この状態で、掘進ジャッキ２０をトンネル２２内に設けられた適宜な反力部材から反力をとる形で突出させ、外殻２を矢印Ａ方向に押圧すると、カッタ３、従って、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１は、覆工２２側に押圧され、覆工２２の掘削は矢印Ａ方向に進行する。
【００３２】
なお、カッタ３を回転させると、覆工２２の形状によっては、当該カッタ３の回転に伴って、各小型カッタユニット１１と覆工２２との位置関係が変化し、小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂと覆工２２との間の接触状態が保たれなくなる場合がある。そうした場合には、図１１及び図１２に示すように、小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂを適宜矢印Ａ方向に突出駆動させて、掘削ユニット１１ｂと覆工２２との接触状態を保持し、掘削が適正に行われるように制御する。
【００３３】
既に述べたように、カッタ３は、軸心ＣＴを中心に回転駆動されているので、図９に示すように、小型カッタユニット１１は、軸心ＣＴを中心として回転駆動され、覆工２２はこれにより小型カッタユニット１１が位置する部分が、軸心ＣＴを中心に環状に掘削されると共に、カッタ３の中央部分の覆工２２がセンタカッタ１２により掘削される。
【００３４】
また、カッタ３の回転と同時に、図８に示すように、小型カッタユニット１１を溝６ｄに沿って矢印Ｃ、Ｄ方向に、軸心ＣＴを中心に適宜往復駆動させると共に、掘削ユニット１１ｂを矢印Ａ、Ｂ方向に突出後退させて、小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２との間の覆工２２部分についても、小型カッタユニット１１により掘削を行う。結果的に、小型カッタユニット１１は、図８、図１１及び図１２に示すように、掘進方向及び当該掘進方向に直角な方向に移動駆動されるので、カッタ本体６による回転掘削動作も相まって、センタカッタ１２の外側部分の、カッタ本体６の掘削面６ｂと対向する部分は満遍なく掘削されることとなる。カッタ本体６の中央部分は、センタカッタ１２により掘削されるので、カッタ本体６の掘削面６ｂ部分に対向する覆工２２は、その全面が均等に掘削されることとなる。また、必要に応じて、センタカッタ１２も矢印Ａ、Ｂ方向に、図１０に示すように、突出駆動させるようにしてもよい。こうして、カッタ３により、覆工２２の全面を均等に掘削し、切り破るようにする。
【００３５】
覆工２２が切り破られ、前胴２ａ部分が所定距離矢印Ａ方向に掘進した時点で、外殻２の後胴２ｂを組み立てて、その状態で更に、矢印Ａ方向に、地山２６中を掘進してゆく。覆工２２が切り破られた時点で、センタカッタ１２は矢印Ｂ方向に後退させ、また小型カッタユニット１１も矢印Ｃ方向のカッタ本体６の外周部に移動させると共に掘削ユニット１１ｂを矢印Ｂ方向に後退させて、図１及び図２に示すように、カッタ３の掘削面６ｂを軸心ＣＴに対してほぼ垂直に形成する。
【００３６】
この状態で、シールド掘削機１は地山２６中を矢印Ａ方向に掘進してゆき、シールド掘削機１の後方には、図１に示すように、公知の手法により覆工２１が組み立てられ、トンネル２５が、トンネル２２から分岐した形で構築されてゆく。こうして、シールド掘削機１は、当該シールド掘削機１により構築したトンネル２５を接続すべき既設トンネル２３に向けて掘進してゆく。なお、掘削により生じた掘削土砂は、送泥管１７を介してチャンバ１５及び切り羽２６ａに供給された泥水と共に、チャンバ１５に回収され、アジデータ１６で撹拌された後、排泥管１９を介してトンネル外部に排出される。
【００３７】
こうして掘進してゆくうち、図３から図６に示すように、シールド掘削機１は、現在構築中のトンネル２５を接続すべき既設トンネル２３に到達する。既設トンネル２３の覆工２３ａも、その外周面は３次元曲面を呈しており、この状態では、切り破るべき覆工２３ａはカッタ３に対して３次元曲面を呈した凸面状態となっている。このままでは、カッタ本体６の掘削ビット６ｃは、覆工２２の表面に十分当接することが出来ず、カッタ３を回転駆動しても、図３に示すように、センタカッタ１２部分のみが覆工２３ａと当接するだけで、カッタ３の掘削面６ａ全面に渡って覆工２３ａを切り破ることは出来ない。
【００３８】
そこで、小型カッタユニット１１を軸心ＣＴを中心に、図２矢印Ｃ、Ｄ方向に移動駆動させる。通常、図３に示すように、小型カッタユニット１１を矢印Ｃ方向に、カッタ３の最外周部にまで移動させる。
【００３９】
なお、この際、図４に示すように、小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂを適宜矢印Ａ方向に突出させる。こうして、図４乃至図６に示すいずれかの状態、即ち、全ての小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２がいずれも覆工２３ａの表面と接触するような状態に、それぞれの小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２を移動駆動して、位置決めする。
【００４０】
この状態で、油圧モータ５を駆動して、カッタ３を回転駆動すると、カッタ３の回転に伴って、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１が回転する。また、その状態で小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂを回転駆動する。すると、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１は覆工２３ａの表面と接触しているので、それらカッタと接触している覆工２３ａ部分は、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１により掘削される。
【００４１】
この状態で、掘進ジャッキ４をトンネル２５の覆工２１から反力をとる形で突出させ、外殻２を矢印Ａ方向に押圧すると、カッタ３、従って、センタカッタ１２及び小型カッタユニット１１は、覆工２３ａ側に押圧され、覆工２３ａの掘削は矢印Ａ方向に進行する。
【００４２】
なお、カッタ３を回転させると、覆工２３ａの形状によっては、当該カッタ１２の回転に伴って、各小型カッタユニット１１と覆工２３ａとの位置関係が変化し、小型カッタユニット１１の掘削刃１１ｃと覆工２３ａとの間の接触状態が保たれなくなる場合がある。そうした場合には、図４及び図５に示すように、小型カッタユニット１１の掘削ユニット１１ｂを適宜矢印Ａ方向に突出駆動させて、掘削ユニット１１ｂと覆工２３ａとの接触状態を保持し、掘削が適正に行われるように制御する。
【００４３】
既に述べたように、カッタ３は、軸心ＣＴを中心に回転駆動されているので、図４に示すように、小型カッタユニット１１は、軸心ＣＴを中心として回転駆動され、覆工２３ａはこれにより小型カッタユニット１１が位置する部分が、軸心ＣＴを中心に環状に掘削されると共に、カッタ３の中央部分の覆工２３ａがセンタカッタ１２により掘削される。
【００４４】
また、カッタ３の回転と同時に、図８に示すように、小型カッタユニット１１を溝６ｄに沿って矢印Ｃ、Ｄ方向に、軸心ＣＴを中心に放射方向に適宜往復駆動させると共に、掘削ユニット１１ｂを矢印Ａ、Ｂ方向に突出後退させて、小型カッタユニット１１とセンタカッタ１２との間の覆工２３ａ部分についても、小型カッタユニット１１により掘削を行う。結果的に、小型カッタユニット１１は、図５及び図６に示すように、掘進方向及び当該掘進方向に直角な方向に移動駆動されるので、カッタ本体６による回転掘削動作も相まって、センタカッタ１２の外側部分の、カッタ本体６の掘削面６ｂと対向する部分は満遍なく掘削されることとなる。カッタ本体６の中央部分は、センタカッタ１２により掘削されるので、カッタ本体６の掘削面６ｂ部分に対向する覆工２３ａは、その全面が均等に掘削されることとなる。また、必要に応じて、センタカッタ１２も矢印Ａ、Ｂ方向に突出駆動させるようにしてもよい。こうして、カッタ３により、覆工２３ａの全面を均等に掘削し、切り破るようにする。
【００４５】
こうして、覆工２３ａが切り破られたところで、更にシールド掘削機１を、既設トンネル２３内に移動させて、トンネル２３内に入ったカッタ３部分から、シールド掘削機１を分解してゆき、最後に、トンネル２５の覆工２１と既設トンネル２３の覆工２３ａを接続して、工事は終了する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
既設トンネルから、又は既設トンネルへ向けた新設トンネルの構築を、シールド掘削機を用いて行うような場合に、広く利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、シールド掘削機の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のシールド掘削機の正面図である。
【図３】図３は、凸面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図４】図４は、凸面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図５】図５は、凸面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図６】図６は、凸面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図７】図７は、３次元掘削面を掘削する際の、カッタの動きを示す正面図である。
【図８】図８は、３次元掘削面を掘削する際の、カッタの動きを示す正面図である。
【図９】図９は、凹面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図１０】図１０は、凹面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図１１】図１１は、凹面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【図１２】図１２は、凹面の掘削面を掘削する際のシールド掘削機の挙動を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１……シールド掘削機
２……外殻
３……カッタ
１１……カッタユニット
１１ｂ……掘削ユニット
１２……センタカッタ
ＣＴ……中央部（軸心）
【図１】
2005188078.tif 000003
【図２】
2005188078.tif 000004
【図３】
2005188078.tif 000005
【図４】
2005188078.tif 000006
【図５】
2005188078.tif 000007
【図６】
2005188078.tif 000008
【図７】
2005188078.tif 000009
【図８】
2005188078.tif 000010
【図９】
2005188078.tif 000011
【図１０】
2005188078.tif 000012
【図１１】
2005188078.tif 000013
【図１２】
2005188078.tif 000014