(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドフレームの前端の隔壁にカッタフレームを揺動させるべく所定角度範囲内で揺動回転する回転ドラムを設け、この回転ドラムにその回転中心から偏心して軸支され上記カッタフレームを支持するカッタ支持軸を設け、このカッタ支持軸の自転を防止しつつ公転を許容する自転拘束機構を上記隔壁の後方に設けた揺動カッタ装置であって、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に設けられ径方向外方に延びるブラケットと、このブラケットの端部に上記カッタ支持軸と平行な軸回り回動自在にピン結合されたロッドと、このロッドを上記ピンと平行な軸回り回動自在にピン結合して支持する支持部とを備え、これらピン結合の中心間距離が上記回転ドラムに対する上記カッタ支持軸の偏心量と同じにされたことを特徴とする揺動カッタ装置。
【請求項２】
上記カッタ支持軸が、単軸で設けられた請求項１記載の揺動カッタ装置。
【請求項３】
上記回転ドラムが、伸縮ジャッキによって揺動回転される請求項１または２いずれかに記載の揺動カッタ装置。
【請求項４】
隔壁に複数のメインカッタを設けると共にこれらメインカッタ間の隔壁にカッタフレームを揺動させるべく所定角度範囲内で揺動回転する回転ドラムを設け、この回転ドラムにその回転中心から偏心して軸支され上記カッタフレームを支持するカッタ支持軸を設け、このカッタ支持軸の自転を防止しつつ公転を許容する自転拘束機構を上記隔壁の後方に設けたシールド掘進機であって、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に設けられ径方向外方に延びるブラケットと、このブラケットの端部に上記カッタ支持軸と平行な軸回り回動自在にピン結合されたロッドと、このロッドを上記ピンと平行な軸回り回動自在にピン結合して支持する支持部とを備え、これらピン結合の中心間距離が上記回転ドラムに対する上記カッタ支持軸の偏心量と同じにされたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項５】
上記カッタ支持軸が、単軸で設けられた請求項４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、シールドフレームの前端に揺動するカッタフレームを備えた揺動カッタ装置及びそれを用いたシールド掘進機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カッタフレームを回転させずに、所定角度範囲内で揺動させる揺動カッタ装置は、種々のものが開発されている。
【０００３】
従来の揺動カッタ装置を備えるシールド掘進機としては、例えば、特開平１０−８８９７２号公報に開示された多連型シールド掘進機があった。このシールド掘進機は、図８に示すように、メインカッタである回転カッタ５１が２つ設けられており、その回転カッタ５１間に、各回転カッタ５１の間を掘削する揺動カッタ５２が設けられている。
【０００４】
揺動カッタ５２は、各回転カッタ５１の中心間を結んだ線上で、その中心位置に揺動回転軸５３が形成されており、この揺動回転軸５３の上下にカッタフレーム５４が形成されている。カッタフレーム５４の側面部５５は、回転カッタ５１の外周線と略同等の形状に形成されており、揺動回転軸５３を中心に揺動カッタ５２が所定角度揺動することによって、各回転カッタ５１の間の隙間を掘削するようになっている。
【０００５】
上述の多連型シールド掘進機によって、全体の断面が三連の略ひょうたん型のトンネルが掘削される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の揺動カッタ５２では、各回転カッタ５１同士の間隔が狭くなると、揺動回転軸５３を設置することができなくなる。そこで、揺動カッタ５２を上下に分割して設けることが考えられるが、その場合、揺動中心となる揺動回転軸とカッタフレームの先端との距離が小さくなり、トンネルの中央上下部分が円弧状に突出して、回転カッタ５１による掘削部と揺動カッタ５２による掘削部との間に発生する略三角形状の未掘削部分が大きくなってしまうといった問題があった。
【０００７】
ところで、未掘削部分が大きくなると、セグメントの形状が複雑になったり、トンネル内の有効スペースが小さくなるといった問題が発生するため、理想的には、断面が横方向或いは縦方向に長い楕円形（タマゴ型）のトンネルが好ましい。
【０００８】
また、上述の未掘削部分は、回転カッタ５１に設けられたコピーカッタ（図示せず）によって、ある程度掘削することは可能であるが、コピーカッタが長すぎると強度上問題があるため、掘削範囲は制限されていた。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決するために案出されたものであって、その目的は、メインカッタ間の距離が短い場合であっても、断面が楕円形のトンネルを掘削することができる揺動カッタ装置及びそれを用いたシールド掘進機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、シールドフレームの前端の隔壁にカッタフレームを揺動させるべく所定角度範囲内で揺動回転する回転ドラムを設け、この回転ドラムにその回転中心から偏心して軸支され上記カッタフレームを支持するカッタ支持軸を設け、このカッタ支持軸の自転を防止しつつ公転を許容する自転拘束機構を上記隔壁の後方に設けた揺動カッタ装置であって、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に設けられ径方向外方に延びるブラケットと、このブラケットの端部に上記カッタ支持軸と平行な軸回り回動自在にピン結合されたロッドと、このロッドを上記ピンと平行な軸回り回動自在にピン結合して支持する支持部とを備え、これらピン結合の中心間距離が上記回転ドラムに対する上記カッタ支持軸の偏心量と同じにされたものである。
【００１１】
請求項２の発明は、上記カッタ支持軸が、単軸で設けられた揺動カッタ装置である。
【００１２】
請求項３の発明は、上記回転ドラムが、伸縮ジャッキによって揺動回転されるものである。
【００１３】
請求項４の発明は、隔壁に複数のメインカッタを設けると共にこれらメインカッタ間の隔壁にカッタフレームを揺動させるべく所定角度範囲内で揺動回転する回転ドラムを設け、この回転ドラムにその回転中心から偏心して軸支され上記カッタフレームを支持するカッタ支持軸を設け、このカッタ支持軸の自転を防止しつつ公転を許容する自転拘束機構を上記隔壁の後方に設けたシールド掘進機であって、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に設けられ径方向外方に延びるブラケットと、このブラケットの端部に上記カッタ支持軸と平行な軸回り回動自在にピン結合されたロッドと、このロッドを上記ピンと平行な軸回り回動自在にピン結合して支持する支持部とを備え、これらピン結合の中心間距離が上記回転ドラムに対する上記カッタ支持軸の偏心量と同じにされたものである。
【００１４】
請求項５の発明は、上記カッタ支持軸が、単軸で設けられたシールド掘進機である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明に係る揺動カッタ装置の好適な実施の形態を示した断面図、図２は本発明に係る揺動カッタ装置の好適な実施の形態を示した後面図、図３及び図４は本発明に係る揺動カッタ装置の作動状態を示した後面図、図５は本発明に係る揺動カッタ装置の作動範囲を示した概略図、図６は本発明に係るシールド掘進機の好適な実施の形態を示した正面図、図７は本発明に係るシールド掘進機における揺動カッタ装置の作動状態を示した正面図である。
【００１７】
まず、係る揺動カッタ装置の構成を説明する。
【００１８】
図１及び図２に示すように、係る揺動カッタ装置１は、シールドフレーム２の前端の隔壁３にカッタフレーム４を揺動させるべく所定角度範囲内で揺動回転する回転ドラム５を設け、この回転ドラム５にその回転中心から偏心して軸支され上記カッタフレーム４を支持するカッタ支持軸６を設け、このカッタ支持軸６の自転を防止しつつ公転を許容する自転拘束機構７を隔壁３の後方に設けたことを特徴とする。カッタ支持軸６は単軸で設けられている。
【００１９】
カッタフレーム４は、揺動カッタ装置１で掘削する形状よりも小さく略相似形に形成されており、その前面には、複数のカッタビット８が配設されている。
【００２０】
このカッタフレーム４には、後方に延出するカッタ支持軸６が単軸で設けられている。このカッタ支持軸６は、回転ドラム５に固定された筒状のカッタ支持枠９を介して回転ドラム５に軸支されている。
【００２１】
カッタ支持軸６の内部には、シールドフレーム２内からカッタフレーム４側へ延出する油圧配管や制御ケーブル等のカッタフレーム接続配管（図示せず）が挿通されている。
【００２２】
カッタ支持枠９の内部には、カッタ支持軸６を囲繞してラジアル軸受とスラスト軸受（図示せず）とが設けられている。また、カッタ支持軸６には、カッタ支持枠９の前端の位置で、掘削土砂の浸入を防止するためのシール部材（図示せず）が、カッタ支持軸６を囲繞してリング状に複数設けられている。
【００２３】
回転ドラム５は、シールドフレーム２の前端の隔壁３に回転自在に設けられている。回転ドラム５の前端には、シールドフレーム２内への掘削土砂の浸入を防止するためのシール部材１１がカッタ回転ドラム５を囲繞してリング状に設けられている。
【００２４】
この回転ドラム５の後部には、これを揺動させるための揺動機構１２が設けられている。揺動機構１２は、カッタ支持枠９の後部に形成されたブラケット１４と、このブラケット１４に接続された伸縮ジャッキ１５とを備えている。
【００２５】
伸縮ジャッキ１５は２機設けられており、その基端部は固定側であるシールドフレーム２から延びるブラケット（図示せず）にピン結合され、先端部がカッタ支持枠９のブラケット１４にピン結合されている。この伸縮ジャッキ１５が所定のストロークで伸縮することによって、回転ドラム５が所定角度（本実施の形態では６０°）範囲内で揺動回転するようになっている。
【００２６】
ところで、本発明においては、カッタ支持軸６を単軸としたため、カッタ支持軸６は、回転ドラム５の回転に伴ってその中心軸を中心に公転（偏心回転）しつつ、カッタ支持軸６の中心軸を中心に自転しようとする。そこで、カッタ支持軸６の後方には、カッタ支持軸６の自転を防止しつつ、回転ドラム５の回転による公転を許容する自転拘束機構７が設けられている。
【００２７】
自転拘束機構７は、カッタ支持軸６の後端に設けられその径方向に延びたブラケット１６と、このブラケット１６の端部に先端部がピン結合されたロッド１７と、このロッド１７の基端部をピン結合して支持する支持部１８とで構成されている。
【００２８】
ブラケット１６は、カッタ支持軸６部分を頂角（本実施の形態では、下側）として三角形状に形成されており、２つの底角（本実施の形態では、上側２箇所）部分でロッド１７が接続されている。
【００２９】
ロッド１７の先端部と基端部のピン結合の中心間距離は、カッタ支持軸６の回転ドラム５の中心からの偏心量（本実施の形態では２５０ｍｍ）と同じ長さとなっている。これによって、ブラケット１６は、３つの角部が、回転ドラム５の中心軸及び各支持部１８のピンを中心とした半径２５０ｍｍの円上を通過するので、傾斜角度が変化せずに平行移動することとなり、カッタ支持軸６の自転が拘束される。
【００３０】
なお、本実施の形態では、支持部１８及びロッド１７が２箇所に設けられているが、これに限られるものではなく、１箇所或いはさらに多数であってもよい。この場合、ブラケット１６の形状をその個数に合わせて変形させる。
【００３１】
次に、上記構成の揺動カッタ装置１を装着したシールド掘進機２１の構成を説明する。
【００３２】
図６に示すように、係るシールド掘進機２１は、複数（本実施の形態では２機）のメインカッタ２２を有するシールド掘進機であって、メインカッタ２２間の隙間２３を上述の揺動カッタ装置１によって掘削するものである。
【００３３】
メインカッタ２２は、例えば、２機のスポーク式の回転カッタより構成されており、各カッタ２２の中心に位置するカッタ回転軸２４には、径方向に延びる複数のカッタスポーク２５が設けられている。カッタスポーク２５の前面には複数のカッタビット２６が設けられている。メインカッタ２２は、その外周同士が互いに近接して配置されており、その上下に隙間２３が形成されている。
【００３４】
メインカッタ２２間の上下に位置する隙間２３には、揺動カッタ装置１がそれぞれ設けられている。揺動カッタ装置１のカッタフレーム４は、掘削される隙間２３の形状より小さい相似形の略三角形状に形成されており、メインカッタ２２に隣接する斜辺がメインカッタ２２の外周に沿った円弧状に形成され、外周辺が掘削されるトンネルの上辺及び下辺に沿った円弧状に形成されている。
【００３５】
揺動カッタ装置１は、図７中、破線にて示すように、下側の揺動カッタ装置１が図１と同様の向きで装着されており、上側の揺動カッタ装置１が図１とは上下対称の向きで装着されている。
【００３６】
カッタフレーム４が、回転ドラム５の中心軸を中心に所定角度範囲内で揺動するようになっている（図６及び図７では、揺動範囲の一端側を実線にて示し、他端側を一点鎖線にて示している）。
【００３７】
次に、上記構成の揺動カッタ装置１及びシールド掘進機２１の作用を説明する。
【００３８】
係る揺動カッタ装置１の作動は、図３及び図４に示した状態の間を、回転ドラム５の中心軸を中心として揺動回転することとなる。
【００３９】
ここで、上記実施の形態によれば、回転ドラム５の中心軸とカッタ支持軸６との偏心量が２５０ｍｍで、揺動角度αが６０°であるので、カッタフレーム４の移動範囲は、図５に示すように、水平移動距離Ｌが２５０ｍｍ、垂直移動距離Ｈが２５０（１−ｓｉｎ（（１８０−α）／２））（α：揺動角度）で示され、約３３．５ｍｍとなる。
【００４０】
このように、上記揺動カッタ装置１では、揺動方向である水平方向での移動距離Ｌが大きく、偏心方向である垂直方向での移動距離Ｈを小さくすることができるといった特性を得ることができる。これによって、メインカッタ２２間の隙間２３の両端部の狭隘な部分を掘削することが可能となる。
【００４１】
要するに、水平移動距離Ｌに対する垂直方向距離Ｈの比率が大きい場合には、水平方向に長い狭隘な部分では、カッタフレーム４の端部がメインカッタ２２のカッタスポーク２５の先端と干渉してしまうため、カッタフレーム４の端部を余り延ばすことができず、未切削部分が多くなってしまう。これによって、メインカッタ２２のコピーカッタ２８で掘削する部分が多くなり、コピーカッタ２８の長さが長くなり強度上問題が発生してしまう。
【００４２】
これに対して、本発明では、水平移動距離Ｌに対する垂直方向距離Ｈの比率が小さいので、カッタフレーム４の端部２９を掘削部分の端部近傍まで延出して形成することができる。従って、隙間２３の先端の狭隘な部分まで掘削できる。なお、図６中、３１で示した部分はメインカッタ２２のコピーカッタ２８で掘削することとなるが、コピーカッタ２８の長さは強度上問題のない長さにすることができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、揺動カッタ装置１を横向きに設置しているため、揺動方向が水平方向で、偏心方向が垂直方向であるが、揺動カッタ装置１を縦向きに設置した場合には、偏心方向である水平方向の移動距離Ｌが、揺動方向である垂直方向の移動距離Ｈと比較して短くなる。
【００４４】
以上の作用によって、メインカッタ２２間の距離が狭い場合であっても、従来発生していた回転カッタ５１による掘削部と揺動カッタ５２による掘削部との間に発生する略三角形状の未掘削部分を無くすことができ、断面が楕円形のトンネルを掘削することができる。
【００４５】
これによって、セグメントの形状が複雑にならず、その製造及び組み付けが容易となり、さらに、トンネル内に窪み部分が発生せず、トンネルスペース全体を有効に活用することが可能となる。
【００４６】
また、カッタ支持軸６を単軸で設けたことによって、装置を安価で製造できると共に、その信頼性を高めることができる。さらに、掘削面と接する回転部を少なくでき、土砂の浸入する確率を低くできるので、回転ドラム５やカッタ支持軸６の破損の頻度を可及的に低くできる。また、万一土砂が浸入したとしても、その浸入場所を容易に特定することができる。
【００４７】
さらに、自転拘束機構７は、隔壁３の後方に設けられているので、そのメンテナンスをシールドフレーム２内部から行うことができ、非常に容易である。
【００４８】
なお、本実施の形態では、回転ドラム５の揺動機構１２として、伸縮ジャッキ１５を採用しているが、これに限られるものではない。例えば、モータ等を用いてもよい。但し、揺動角度を決定するのに、ストローク管理で行うことができる点で伸縮ジャッキ１５が優れている。また、伸縮ジャッキ１５の本数は、２本に限られるものではない。
【００４９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、揺動方向での移動距離が大きく、偏心方向での移動距離を小さくすることができるので、メインカッタ間の隙間の両端部の狭隘な部分を掘削することが可能となり、メインカッタ間の距離が短い場合であっても、従来発生していた未掘削部分を無くすことができ、断面が楕円形のトンネルを掘削することができるという優れた効果を発揮する。
【００５０】
これによって、セグメントの形状の単純化及びトンネルスペース全体の有効活用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る揺動カッタ装置の好適な実施の形態を示した断面図である。
【図２】本発明に係る揺動カッタ装置の好適な実施の形態を示した後面図である。
【図３】本発明に係る揺動カッタ装置の作動状態を示した後面図である。
【図４】本発明に係る揺動カッタ装置の作動状態を示した後面図である。
【図５】本発明に係る揺動カッタ装置の作動範囲を示した概略図である。
【図６】本発明に係る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７】本発明に係るシールド掘進機における揺動カッタ装置の作動状態を示した正面図である。
【図８】従来の揺動カッタ装置を示した正面図である。
【符号の説明】
１  揺動カッタ装置
２  シールドフレーム
３  隔壁
４  カッタフレーム
５  回転ドラム
６  カッタ支持軸
７  自転拘束機構
１５  伸縮ジャッキ
２２  メインカッタ
【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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