(57)【要約】【課題】カッタフェイスのせん断応力を一様又はそれに近付けることで、効率よく地盤を掘削していくことが可能なトンネル掘削機を提供する。【解決手段】前面にカッタフェイス２を有するトンネル掘削機１である。  そして、カッタフェイスは、中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されるとともに、直径方向に中央カッタ部３と環状カッタ部４とに分割されており、中央カッタ部及び環状カッタ部には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部３２，４２が配置されている。  さらに、中央カッタ部と環状カッタ部は、周方向に複数の区分カッタ部（３１，４１）に分割されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面にカッタフェイスを有するトンネル掘削機であって、
前記カッタフェイスは、中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されるとともに、直径方向に複数の周状カッタ領域に分割されており、
前記周状カッタ領域には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部が配置されていることを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
前記周状カッタ領域は、周方向に複数の区分カッタ部に分割されており、
前記区分カッタ部には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
前記ジャッキ部には、伸縮方向及び伸縮直交方向に作用する力を計測するための荷重計が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、前面にカッタフェイスを有する円筒状のトンネル掘削機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中に断面円形のトンネルを掘削していくに際して、前面に円盤状のカッタフェイスが設けられたトンネル掘削機を使用し、カッタフェイスを回転させながらトンネル掘削機を掘進させていくシールド工法やＴＢＭ（トンネルボーリングマシン）工法が広く知られている。
【０００３】
一方、特許文献１には、円錐状に窪んだカッタヘッドを有する横孔掘削機が開示されている。詳細にはこのカッタヘッドには、階段状にカッタビットが設けられており、カッタヘッドを回転させると、階段状の角部に当たった地山が剥離破砕されることで掘削が行われる。
【０００４】
また、特許文献２には、３連式シールド掘進機が開示されており、両脇の側部シールドのカッタヘッドを、中央部のシールド本体の半径軸心まわりで回転させる複数個の円錐状のコーンカッタ部によって構成することが記載されている。この複数個のコーンカッタ部を周方向に並べて構成されるカッタヘッド全体の断面は、掘進方向の前後となる両面がすり鉢状に窪んだ形状に形成される。
【０００５】
さらに、特許文献３には、円環状のカッタ部を備えた掘削装置が開示されており、中央部に残される地盤をブレーカで掘削させる構成のトンネル掘削システムとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３７１７９０号公報
【特許文献２】特開平８−２５４０９５号公報
【特許文献３】特開２０１５−１５５６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１の横孔掘削機では、階段状のカッタビットの角部にのみ応力が集中するので、カッタビットの摩耗が起きやすい構造と言える。また、特許文献３に開示されているように、断面円形のトンネルを掘削するに際して、中央部をいかに効率よく掘削していくかが課題となる。
【０００８】
そこで、本発明は、カッタフェイスのせん断応力を一様又はそれに近付けることで、効率よく地盤を掘削していくことが可能なトンネル掘削機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明のトンネル掘削機は、前面にカッタフェイスを有するトンネル掘削機であって、前記カッタフェイスは、中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されるとともに、直径方向に複数の周状カッタ領域に分割されており、前記周状カッタ領域には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部が配置されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記周状カッタ領域は、周方向に複数の区分カッタ部に分割されており、前記区分カッタ部には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部が配置されている構成とすることができる。また、前記ジャッキ部には、伸縮方向及び伸縮直交方向に作用する力を計測するための荷重計が取り付けられている構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
このように構成された本発明のトンネル掘削機では、中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されたカッタフェイスが、直径方向に複数の周状カッタ領域に分割されている。そして、その周状カッタ領域には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部が配置されている。
【００１２】
中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されたカッタフェイスであれば、理論的には地盤にせん断応力を一様に作用させることができる。さらに、多様な地盤に対しても、カッタフェイスを複数に分割してジャッキ部によって押付け力の調整ができるようにすることで、効率よく地盤を掘削していくことが可能となる。
【００１３】
また、周状カッタ領域を周方向に複数の区分カッタ部に分割することで、より細かく押付け力を調整することができるようになる。さらに、ジャッキ部に伸縮方向及び伸縮直交方向に作用する力を計測するための荷重計が取り付けられていれば、測定値に応じて押付け力を調整することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態のトンネル掘削機の構成を説明する断面図である。
【図２】本実施の形態のトンネル掘削機の構成を説明する正面図である。
【図３】カッタフェイスに作用する荷重を説明するための図である。
【図４】カッタフェイスの形状によって異なるせん断応力を対比して説明する図である。
【図５】トンネル掘削機のカッタフェイスの構成を模式的に説明する斜視図である。
【図６】トンネル掘削機の掘削時の状態を説明する断面図である。
【図７】実施例のトンネル掘削機の構成を説明する断面図である。
【図８】実施例のカッタフェイスの構成を模式的に説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１，２は、本実施の形態のトンネル掘削機１の構成を模式的に示した断面図及び正面図である。
【００１６】
トンネル掘削機１は、前面にカッタフェイス２を有する円筒状の掘削機である。このトンネル掘削機１は、シールド工法やＴＢＭ（トンネルボーリングマシン）工法などで使用される。
【００１７】
トンネル掘削機１は、円筒形のスキンプレートなどによって外殻が形成される本体部１１と、掘進方向となる本体部１１の前方に設けられるカッタフェイス２とによって主に構成される。
【００１８】
カッタフェイス２は、図２に示すように、正面視略円形に形成される。すなわち本体部１１の前方の円形の開口部が、カッタフェイス２によって覆われることになる。
【００１９】
このカッタフェイス２は、図示しない回転駆動機構によって、本体部１１の軸心回り（トンネル軸回り）に回転する。すなわち、図２の円形の中心の回りに、時計回り方向又は反時計回り方向に回転する。
【００２０】
そして、カッタフェイス２は、図１，５に示すように、中央が後方に向けて窪む円錐状（以下、「逆円錐状」と呼ぶ場合がある。）に形成される。すなわちカッタフェイス２は、掘進方向に面してすり鉢状に窪んでいる。
【００２１】
このカッタフェイス２の表面には、複数のカッタビット２１，・・・が取り付けられる。カッタビット２１，・・・は、スポークを介して取り付けられたり、直接取り付けられたりする。
【００２２】
また、カッタフェイス２は、少なくとも直径方向に複数の周状カッタ領域に分割されている。本実施の形態で説明するカッタフェイス２は、図２に示すように、中央に正面視円形に形成される中央カッタ部３と、その外周側に正面視環状に形成される環状カッタ部４との２つの周状カッタ領域を備えている。
【００２３】
この中央カッタ部３と環状カッタ部４とは、共通した回転駆動機構によって連動して回転させることができる。また、中央カッタ部３と環状カッタ部４とに、それぞれ別個に回転駆動機構を設けて、別々に回転させることもできる。この場合は、一方の周状カッタ領域（３又は４）が時計回り、他方の周状カッタ領域（４又は３）が反時計回りというように、反対方向にそれぞれ回転させることもできる。
【００２４】
さらに、中央カッタ部３及び環状カッタ部４は、周方向に複数の区分カッタ部に分割される。例えば正面視円形の中央カッタ部３は、４等分に分割されて、正面視扇形の４つの扇形カッタ部３１，・・・がそれぞれ区分カッタ部となる。
【００２５】
一方、環状カッタ部４は、４等分に分割されて、正面視円弧形の４つの円弧形カッタ部４１，・・・がそれぞれ区分カッタ部となる。ここで図１では、中央カッタ部３及び環状カッタ部４を一定の厚みで図示したが、これに限定されるものではなく、掘削側の面が円錐状に窪む形状に成形されたカッタフェイス２となっていればよい。
【００２６】
扇形カッタ部３１，・・・の背後側（本体部１１の内部側）には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部３２，・・・が配置される。すなわちジャッキ部３２を伸縮させることによって、扇形カッタ部３１が周囲のカッタ部から独立して前後し、地盤の掘削面に対する押付け力を変化させることができる。
【００２７】
また、円弧形カッタ部４１，・・・の背後側（本体部１１の内部側）にも、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部４２，・・・が配置される。すなわちジャッキ部４２を伸縮させることによって、円弧形カッタ部４１が周囲のカッタ部から独立して前後し、地盤の掘削面に対する押付け力を変化させることができる。
【００２８】
そして、ジャッキ部３２，４２には、伸縮方向及び伸縮直交方向に作用する力を計測するための荷重計が取り付けられる。例えば２方向の力を測定するロードセル３３，４３が、それぞれのジャッキ部３２，４２の先端に荷重計として取り付けられる。
【００２９】
ロードセル３３，４３には、ひずみゲージ式、磁歪式、静電容量式、ジャイロ式、油圧式などの様々な原理の装置が使用できる。そして、ロードセル３３，４３で測定されるジャッキ部３２，４２の伸縮方向の力は、扇形カッタ部３１又は円弧形カッタ部４１の地盤への押付け力の大きさを表すことになる。
【００３０】
一方、ロードセル３３，４３で測定されるジャッキ部３２，４２の伸縮直交方向の力は、扇形カッタ部３１又は円弧形カッタ部４１に作用するせん断力の大きさを表すことになる。
【００３１】
ジャッキ部３２，４２の伸縮直交方向には、カッタフェイス２の周方向、平面視円形の径方向など様々な方向がある。ここでは、カッタフェイス２の周方向の力をせん断力として測定する。
【００３２】
次に、カッタフェイス２を、図５に示すように中央が後方に向けて窪む円錐状（逆円錐状）に形成することによって期待できる利点について説明する。図３は、カッタフェイス２を正面から見た場合の円形の説明図である。
【００３３】
ここで、カッタフェイス２の半径をＲとし、中心Ｏから半径方向の任意の位置をｒとする。また、カッタフェイス２を回転させた際に、平面視で外縁の位置（Ｒ）で地盤から受ける円周方向の荷重をＦとする。
【００３４】
図３を参照すれば、逆円錐状のカッタフェイス２の内周面の半径がｒとなる位置に作用する円周方向の荷重ｆは、以下の式で表せる。
ｆ＝Ｆ／Ｒ・ｒ
【００３５】
一方、カッタフェイス２の内周面の半径がｒとなる位置の内周面の面積Ａを薄肉円筒形で仮定すると、Ａ＝２πｒとなる。そして、上記荷重ｆを周面積Ａで除すことで、任意の位置ｒのせん断応力τが算出できる。
τ＝ｆ／Ａ＝Ｆ／Ｒ・ｒ／２πｒ＝(Ｆｒ)／(Ｒ２πｒ)＝Ｆ／２πＲ
【００３６】
すなわち逆円錐状のカッタフェイス２の内周面に発生するせん断応力τは、カッタフェイス２の半径方向の位置ｒに関わらず、一定の値（Ｆ／２πＲ）になる。図４は、逆円錐状のカッタフェイス２と、従来の円盤状（平板形）のカッタフェイスとで、せん断応力分布を比較した図である。
【００３７】
ここで、いずれのカッタフェイスにも、外縁の位置で等しいせん断応力τｅが発生するとする。この場合、右側の逆円錐状のカッタフェイス２のせん断応力分布Ｓ１は、一様の長方形分布となる。
【００３８】
これに対して、左側の円盤状のカッタフェイスのせん断応力分布Ｓ２は、中心Ｏで０となる直角三角形分布となる。すなわち円盤状のカッタフェイスは、中心Ｏ位置でせん断応力がゼロとなる中央部の掘削能力の低い形状と言える。また、それぞれのせん断応力の平均値を算出すると、逆円錐状のカッタフェイス２はτｅとなるのに対して、円盤状のカッタフェイスは0.5τｅとなる。
【００３９】
このため、地盤に与えることができるひずみエネルギーを比較すると、以下のようになる。
Ｕ０＝0.25τｅ２／２Ｇ  ＜  τｅ２／２Ｇ  ＝Ｕ１
ここで、円盤状のカッタフェイスのひずみエネルギーがＵ０、逆円錐状のカッタフェイス２のひずみエネルギーがＵ１、Ｇは地盤のせん断剛性率である。
【００４０】
この式からわかるように、逆円錐状のカッタフェイス２のひずみエネルギーＵ１は、円盤状のカッタフェイスのひずみエネルギーＵ０の４倍にもなる。要するに、従来の円盤状のカッタフェイスによって地盤に与えられたひずみエネルギーを、逆円錐状のカッタフェイス２であればより小さなトルクで与えることができる。
【００４１】
換言すると、逆円錐状のカッタフェイス２を使用することによって、小さなトルクで地盤に大きなひずみエネルギーを与えて効率よく掘削していくことができる。
【００４２】
次に、本実施の形態のトンネル掘削機１を使用したトンネル掘削方法、及びその作用について説明する。
【００４３】
逆円錐状のカッタフェイス２を備えたトンネル掘削機１を使用してトンネルを掘削する場合、カッタフェイス２が対峙する地盤が均質であれば、図１に示すように、ジャッキ部３２，４２によって同じ大きさの押付け力を扇形カッタ部３１，・・・及び円弧形カッタ部４１，・・・に与えて、カッタフェイス２を回転させればよい。
【００４４】
しかしながら通常、掘削する地盤の硬さはカッタフェイス２の全面で均質ではなく、例えば接する土質によって硬さが異なったり、玉石や礫石などの存在によって局所的に硬い部分が存在したりする。このようなカッタフェイス２が対峙（接触）する地盤の状態は、ジャッキ部３２，４２に取り付けられたロードセル３３，４３の測定値によって把握することができる。
【００４５】
例えば図６に示すように、円弧形カッタ部４１Ａとジャッキ部４２Ａとの間のロードセル４３Ａの測定値が、他のロードセル３３，４３の測定値よりも小さくなった場合、円弧形カッタ部４１Ａによる掘削が効率よく行われていないと判断して、ジャッキ部４２Ａを伸長して押付け力を高め、より強い力で円弧形カッタ部４１Ａによる掘削を行わせることができる。
【００４６】
反対に、局所的に硬い地盤に対峙したり玉石等が存在したりしてロードセル４３Ａの測定値が他のロードセル３３，４３の測定値よりも大きくなった場合は、それ以上円弧形カッタ部４１Ａの負荷が大きくならないように、ジャッキ部４２Ａを縮めて押付け力を弱めることができる。
【００４７】
このように構成された本実施の形態のトンネル掘削機１では、中央が後方に向けて窪む円錐状（逆円錐状）に形成されたカッタフェイス２が、直径方向に中央カッタ部３と環状カッタ部４とに分割されている。そして、その中央カッタ部３及び環状カッタ部４には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部３２，４２が配置されている。
【００４８】
逆円錐状に形成されたカッタフェイス２であれば、理論的には地盤にせん断応力を一様に作用させることができる。このため、従来の円盤状のカッタフェイスと比較して、小さなトルクで大きなひずみエネルギーを地盤に与えて、効率よく掘削を行うことができる。
【００４９】
一方、従来と同程度の大きさのトルクをカッタフェイス２に与えた場合、４倍のひずみエネルギーで地盤の掘削が行われることになるため、トンネル掘削機１の掘進速度を高めることができる。そして、掘進速度が上がって工期が短縮されれば、工費の削減が可能になる。
【００５０】
また、カッタフェイス２が少なくとも２つの中央カッタ部３と環状カッタ部４とに分割されて、ジャッキ部３２，４２によって部位に応じて押付け力の調整ができるようにすることで、多様な地盤に対してもせん断応力の分布を一様に近付けて効率よく掘削していくことができる。
【００５１】
特に本実施の形態では、中央カッタ部３をさらに複数の扇形カッタ部３１，・・・に分割し、環状カッタ部４も複数の円弧形カッタ部４１，・・・に分割しているので、より細かく押付け力を調整することができる。
【００５２】
さらに、ジャッキ部３２，４２に伸縮方向及び伸縮直交方向（周方向）に作用する力を計測するためのロードセル３３，４３が取り付けられていれば、測定値に応じて押付け力を調整することができるようになる。
【実施例】
【００５３】
以下、前記した実施の形態とは別の形態のトンネル掘削機１Ａについて、図７，８を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。
【００５４】
本実施例で説明するトンネル掘削機１Ａは、カッタフェイス２Ａの形状が前記実施の形態で説明したカッタフェイス２の形状と異なっている。このカッタフェイス２Ａは、全体視で中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されているうえに、中心付近も局所的に中央が後方に向けて窪む円錐状に形成されている。
【００５５】
詳細にはカッタフェイス２Ａは、少なくとも直径方向に複数の周状カッタ領域に分割されている。本実施例で説明するカッタフェイス２Ａは、図８に示すように、中央に正面視円形に形成される中央カッタ部５と、その外周側に正面視環状に形成される環状カッタ部６との２つの周状カッタ領域を備えている。
【００５６】
この中央カッタ部５と環状カッタ部６とは、共通した回転駆動機構によって連動して回転させることができる。また、中央カッタ部５と環状カッタ部６とに、それぞれ別個に回転駆動機構を設けて、別々に回転させることもできる。この場合は、一方の周状カッタ領域（５又は６）が時計回り、他方の周状カッタ領域（６又は５）が反時計回りというように、反対方向にそれぞれ回転させることもできる。
【００５７】
中央カッタ部５は、外形は円筒状に形成されるとともに、内周面は中央が後方に向けて窪む円錐状に形成される。また、本実施例の中央カッタ部５は、周方向の分割はされておらず、一体の円錐カッタ部５１となる。
【００５８】
円錐カッタ部５１の背後側（本体部１１の内部側）には、複数のジャッキ部５２，・・・が配置されている。すなわちジャッキ部５２，・・・を伸縮させることによって、円錐カッタ部５１が独立して前後し、地盤の掘削面に対する押付け力を変化させることができる。ここで、円錐カッタ部５１は一体であるため、単一のジャッキ部５２によっても前後させることはできるが、上下左右の荷重バランスを取るために複数配置される。
【００５９】
一方、環状カッタ部６は、４等分に分割されて、正面視円弧形の４つの円弧形カッタ部６１，・・・がそれぞれ区分カッタ部となる。ここで図７，８では、中央カッタ部５及び環状カッタ部６の背面側が連続する曲面となるように図示したが、これに限定されるものではなく、掘削側の面が円錐状に窪む形状に成形されたカッタフェイス２Ａとなっていればよい。
【００６０】
また、円弧形カッタ部６１，・・・の背後側（本体部１１の内部側）には、それぞれ個別に前後させるためのジャッキ部６２，・・・が配置される。すなわちジャッキ部６２を伸縮させることによって、円弧形カッタ部６１が周囲のカッタ部から独立して前後し、地盤の掘削面に対する押付け力を変化させることができる。
【００６１】
そして、ジャッキ部５２，６２には、伸縮方向及び伸縮直交方向（周方向）に作用する力を計測するための荷重計が取り付けられる。すなわち２方向の力を測定するロードセル５３，６３が、それぞれのジャッキ部５２，６２の先端に荷重計として取り付けられる。
【００６２】
このように構成された本実施例のトンネル掘削機１Ａでは、カッタフェイス２Ａが、全体視で逆円錐状に形成されているうえに、中央カッタ部５も局所的に逆円錐状に形成されている。
【００６３】
このため、円盤状のカッタフェイスではせん断応力がゼロになる中心部付近において、円錐カッタ部５１によってより一様なせん断応力を作用させることができるようになる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。
【００６４】
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
【００６５】
例えば前記実施の形態では、２つの周状カッタ領域（３，４）をそれぞれ４分割して区分カッタ部（３１，４１）とする場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、周状カッタ領域だけ分割によって設けて、区分カッタ部に分割しなくてもよい。また、周状カッタ領域及び区分カッタ部の分割数は、任意に設定することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１              トンネル掘削機
２              カッタフェイス
３              中央カッタ部（周状カッタ領域）
３１            扇形カッタ部（区分カッタ部）
３２            ジャッキ部
３３            ロードセル（荷重計）
４              環状カッタ部（周状カッタ領域）
４１，４１Ａ    円弧形カッタ部（区分カッタ部）
４２，４２Ａ    ジャッキ部
４３，４３Ａ    ロードセル（荷重計）
１Ａ            トンネル掘削機
２Ａ            カッタフェイス
５              中央カッタ部（周状カッタ領域）
５２            ジャッキ部
５３            ロードセル（荷重計）
６              環状カッタ部（周状カッタ領域）
６１            円弧形カッタ部（区分カッタ部）
６２            ジャッキ部
６３            ロードセル（荷重計）
【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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