(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の前部に、偏心回転するカッタフレームを有した地中掘削機において、上記掘削機本体の前端の隔壁に上記カッタフレームを回転させるためのカッタ回転ドラムを設け、このカッタ回転ドラムに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単軸で設け、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ことを特徴とする地中掘削機。
【請求項２】
掘削機本体の前部に、偏心回転するカッタフレームを有した地中掘削機において、上記掘削機本体の前端の隔壁に上記カッタフレームを回転させるためのカッタ回転ドラムを設け、このカッタ回転ドラムに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単軸で設け、上記カッタ回転ドラムに上記カッタ支持軸の偏心量を変化させる偏心量調整機構を設け、上記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ことを特徴とする地中掘削機。
【請求項３】
上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に接続された平行リンク機構からなる請求項１記載の地中掘削機。
【請求項４】
上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸の後端に一体的に設けられたスライダと、このスライダの垂直方向の移動を許容する垂直レールと、この垂直レールを水平方向に移動させるための水平レールとからなる請求項１記載の地中掘削機。
【請求項５】
上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸の後端に一体的に設けられたスライダと、このスライダの垂直方向の移動を許容する垂直レールと、この垂直レールを水平方向に移動させるための水平レールとからなる請求項２記載の地中掘削機。
【請求項６】
上記偏心量調整機構が、上記カッタ回転ドラム内に偏心方向に移動自在に設けられたカッタ支持枠と、このカッタ支持枠を移動させる偏心ジャッキとからなる請求項２又は５いずれかに記載の地中掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘削機本体の前部に、偏心回転するカッタフレームを有した地中掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、トンネル掘削では、いわゆる任意断面掘削工法と称される掘削工法及びその掘削装置としての偏心多軸掘削機が多く採用されている。
【０００３】
上述の偏心多軸掘削機には、例えば特公平７−６８８６８号公報に示された地中掘削機がある。図８及び図９に示すように、この地中掘削機５１は、断面矩形状をしたシールドフレーム５２の前部にこのシールドフレーム５２と相似形をした小型のカッタフレーム５３を有している。このカッタフレーム５３には、後方に延出する複数（ここでは４箇所）のカッタ支持軸５４が設けられており、これらカッタ支持軸５４は、隔壁５６に設けられた複数のカッタ回転ドラム５５に偏心してそれぞれ軸支されている。
【０００４】
上記構成によれば、各カッタ回転ドラム５５が互いに同期して回転することで、シールドフレーム５２が偏心回転し、シールドフレーム５２と略相似形の断面形状のトンネルを掘削できる。
【０００５】
尚、図８中、５７はカッタビット、５８は各カッタ回転ドラム５５を駆動するカッタ駆動モータ、５９は掘削した土砂を取り出すスクリューコンベアである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、掘削面に水分を含んだ土砂が出ることがあるが、その土砂が隔壁とカッタ回転ドラム５５との回転部や、カッタ回転ドラム５５とカッタ支持軸５４との回転部からシールドフレーム５２内部に浸入して、破損してしまうことがある。上述の地中掘削機５１においては、カッタ支持軸５４及びカッタ回転ドラム５５が多数設けられているので、土砂の浸入する確率が高く、破損の頻度が高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
また、掘削時に、掘削面に岩盤が出てその岩盤にカッタビット５７が噛み込んだ場合や、掘削面に水を多く含んだ砂が出てその砂がカッタフレーム５３を締め付けた場合等には、カッタ回転ドラム５５が停止してしまうことがある。この場合、カッタ回転ドラム５５を再起動させるのには、非常に大きな掘削力が必要であるため、再起動が困難であった。
【０００８】
【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、掘削機本体の前部に、偏心回転するカッタフレームを有した地中掘削機において、上記掘削機本体の前端の隔壁に上記カッタフレームを回転させるためのカッタ回転ドラムを設け、このカッタ回転ドラムに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単軸で設け、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ものである。
【０００９】
上記構成によれば、カッタ支持軸を単軸で設けたことによって、カッタ回転ドラムも一つ設けるだけでよいので、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。また、自転拘束機構を、隔壁の後方に設けたので、シールドフレーム内でメンテナンスを行うことができ、作業性が良い。
【００１０】
請求項２の発明は、掘削機本体の前部に、偏心回転するカッタフレームを有した地中掘削機において、上記掘削機本体の前端の隔壁に上記カッタフレームを回転させるためのカッタ回転ドラムを設け、このカッタ回転ドラムに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単軸で設け、上記カッタ回転ドラムに上記カッタ支持軸の偏心量を変化させる偏心量調整機構を設け、上記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ものである。
【００１１】
上記構成によれば、カッタ回転ドラムが停止した場合でも、カッタ支持軸の偏心量を小さくすることによって、カッタフレームに掛かる掘削力を大きくすることができるので、再起動を容易に行うことができる。また、掘削途中でカッタ支持軸の偏心量を変化することによって、途中で拡径或いは縮径したトンネルを掘削できる。さらに、上記請求項１の発明と同様の効果も得られる。
【００１２】
請求項３の発明は、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸に接続された平行リンク機構からなる請求項１記載のものである。
【００１３】
請求項４の発明は、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸の後端に一体的に設けられたスライダと、このスライダの垂直方向の移動を許容する垂直レールと、この垂直レールを水平方向に移動させるための水平レールとからなる請求項１記載のものである。
【００１４】
請求項５の発明は、上記自転拘束機構が、上記カッタ支持軸の後端に一体的に設けられたスライダと、このスライダの垂直方向の移動を許容する垂直レールと、この垂直レールを水平方向に移動させるための水平レールとからなる請求項２記載のものである。
【００１５】
請求項６の発明は、上記偏心量調整機構が、上記カッタ回転ドラム内に偏心方向に移動自在に設けられたカッタ支持枠と、このカッタ支持枠を移動させる偏心ジャッキとからなる請求項２又は５いずれかに記載のものである。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は本発明に係る地中掘削機の第一の実施の形態を示した要部断面図、図２は第一の実施の形態の自動拘束機構を示した後面図である。
【００１８】
まず上記地中掘削機の構成を説明する。
【００１９】
図示するように、第一の実施の形態の地中掘削機１は、断面円形状のシールドフレーム２の前部にこのシールドフレーム２と相似形をした小型のカッタフレーム３を有している。カッタフレーム３の前面には、複数のカッタビット４が配設されている。
【００２０】
このカッタフレーム３には、後方に延出するカッタ支持軸５が単軸で設けられている。このカッタ支持軸５は、カッタ回転ドラム７に固定された筒状のカッタ支持枠６を介してカッタ回転ドラム７に軸支されている。
【００２１】
カッタ支持軸５の内部には、シールドフレーム２内からカッタフレーム３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１０が挿通されている。
【００２２】
カッタ支持枠６の内部には、カッタ支持軸５を囲繞してラジアル軸受８とスラスト軸受９とが設けられている。また、カッタ支持軸５には、カッタ支持枠６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１１が、カッタ支持軸５を囲繞してリング状に複数設けられている。
【００２３】
カッタ回転ドラム７は、シールドフレーム２前端の隔壁１２に回転自在に設けられている。カッタ回転ドラム７の前端には、掘削土砂の浸入を防止するためのシール部材１３がカッタ回転ドラム７を囲繞してリング状に複数設けられている。
【００２４】
このカッタ回転ドラム７の後方には、これを回転させるための筒状のドラム回転ギヤ１４が、その周方向に沿って設けられている。このドラム回転ギヤ１４は、ドラム駆動モータ１５に設けられたモータギヤ１６と歯合して、カッタ回転ドラム７を回転させるようになっている。また、ドラム回転ギヤ１４の内側には、これを回転自在に支持する筒状のドラム回転用軸受１７が設けられている。
【００２５】
隔壁１２の下部には、掘削した土砂を後方に排出するためのスクリュコンベア１８が設けられている。
【００２６】
本発明においては、カッタ支持軸５を単軸としたため、カッタ支持軸５はカッタ回転ドラム７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５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５の後方には、カッタ支持軸５の自転を防止しつつ、カッタ回転ドラム７の回転による公転を許容する自転拘束機構１９が設けられている。
【００２７】
自転拘束機構１９は、カッタ支持軸５に接続された平行リンク機構２１からなっている。
【００２８】
平行リンク機構２１は、カッタ支持軸５の後端に設けられその径方向（本実施の形態においては下方）に延びたロッド２２と、このロッド２２の端部に接続されたクランク部２３を有するクランク回転軸２４とで構成されている。
【００２９】
クランク回転軸２４は、その両端が固定側となる軸受２５に軸支され、クランク部２３を介して円運動する中間部がロッド２２を貫通してロッド２２に設けられたクランク軸受２６に軸支されている。
【００３０】
上記軸受２５とクランク軸受２６との偏心量ｈ2 は、カッタ回転ドラム７の中心軸Ｘとカッタ支持軸５の中心軸Ｙとの偏心量ｈ1 と同等となっている。
【００３１】
なお、上記実施の形態においては、クランク回転軸２４は、両端が軸受２５に軸支され、中間部が偏心してクランク軸受２６に軸支されているが、これに限られるものではない。例えば、一端が軸受２５に支持され、他端が偏心してクランク軸受２６に軸支されるように、側面が略Ｚ状のものであってもよい。
【００３２】
次に、上記構成による地中掘削機１の作用を説明する。
【００３３】
上記地中掘削機１によって、立坑或いは横坑を掘削する際には、地中掘削機１の後方で、図示していないエレクタによって組み立てられたセグメントをシールドジャッキによって押しながら、地中掘削機１を前方に推進させながら、ドラム駆動モータ１５を駆動させてカッタフレーム３を偏心回転させて、トンネルを掘削する。
【００３４】
このとき、カッタ支持枠６はカッタ回転ドラム７と共に回転するが、カッタ支持軸５は、カッタ支持枠６に軸支されているので、カッタ支持枠６に対して相対的に回転しながら、自転をしないようになっている。
【００３５】
これによって、図５に示すように、小径のカッタフレーム３で、このカッタフレーム３と相似形の大径の穴２７が形成される。従って、カッタフレーム３の形状を円形から異形に平行することによって、例えば、断面楕円状や略矩形状のトンネルを掘削することが可能となる。
【００３６】
また、カッタ支持軸５は単軸で設けられているので、カッタ回転ドラム７も一つ設けるだけで良い。従って、掘削面と接する回転部は、隔壁１２とカッタ回転ドラム７との間、カッタ回転ドラム７とカッタ支持軸５との間の二箇所のみとなり、従来と比較して少なくできる。
【００３７】
よって、土砂の浸入する確率を低くでき、カッタ回転ドラム７やカッタ支持軸５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。
【００３８】
さらに本発明では、カッタ支持軸５を単軸で設けているが、自転拘束機構１９を設けたことによって、カッタフレーム３の自転を防止でき、カッタフレーム接続配管１０の捩れを防ぎつつ適宜偏心回転をすることができる。
【００３９】
また、自転拘束機構１９を隔壁１２の後方に設けたので、シールドフレーム２内で作業員が自転拘束機構１９の位置まで直接行ってメンテナンスを行うことができ、作業性が非常に良くなる。
【００４０】
次に、第二の実施の形態を説明する。
【００４１】
図３は本発明に係る地中掘削機の第二の実施の形態を示した要部断面図、図４は第二の実施の形態の自動拘束機構を示した後面図である。
【００４２】
図示するように、第二の実施の形態の地中掘削機３１は、カッタ回転ドラム３７に上記カッタ支持軸３８の偏心量を変化させる偏心量調整機構３２を設けると共に、上述の第一の実施の形態とは異なる自転拘束機構３３を設けたものである。
【００４３】
なお、第二の実施の形態の地中掘削機１において、他の部分は第一の実施の形態と同様であるので同じ符号を付して説明を省略する。
【００４４】
偏心量調整機構３２は、カッタ回転ドラム３６内に偏心方向に移動自在に設けられたカッタ支持枠３４と、このカッタ支持枠３４を移動させる偏心ジャッキ３５とからなっている。
【００４５】
カッタ回転ドラム３７は中空状に形成されており、その前面及び後面には、偏心方向（ここでは径方向）に延びる長穴３６がそれぞれ形成されており、この長穴３６に、カッタ支持枠３４が、長穴３６の長手方向に移動自在に挿入されている。
【００４６】
カッタ支持枠３４のカッタ回転ドラム３７への挿入部の前面には、長穴３６を覆う前面板３９が形成されている。この前面板３９の周縁部近傍には、掘削土砂のシールドフレーム２内への浸入を防止するためのシール部材４１が設けられている。
【００４７】
また、カッタ支持枠３４のカッタ回転ドラム３７へ挿入される部分には、長穴３６の長手方向に沿ってカッタ回転ドラム３７の中空部４３へ延びる鍔部４４が形成されている。鍔部４４は、中空部４３の前後方向の長さと略同等の厚さを有しており、スラスト受けの役目をなす。また、この鍔部４４の長手方向両端には、カッタ支持枠３４を偏心方向へ移動させるためのガイド部材４５が設けられている。
【００４８】
偏心ジャッキ３５は、一端がカッタ支持枠３４の鍔部４４の端部に連結され、他端がカッタ回転ドラム３７の中空部４３の内周壁４０に連結されている。この偏心ジャッキ３５を伸縮させることによって、カッタ支持枠３４を移動させて、カッタ支持軸３８を偏心量を変化させるようになっている。
【００４９】
なお、図示しないが、偏心ジャッキ３５には、その伸縮量を制御するための制御装置が接続されている。この制御装置は、カッタ回転ドラム３７の回転量も制御できるようになっている。
【００５０】
一方、カッタ支持軸３８の後端に設けられた自転拘束装置３３は、カッタ支持軸３８の後端に一体的に設けられたスライダ４６と、そのスライダ４６の垂直方向の移動を許容するための垂直レール４７と、その垂直レール４７を水平方向に移動させるための水平レール４８とからなっている。
【００５１】
図２に示すように、スライダ４６は、カッタ支持軸３８の後端を上下から挟持するように支持部４９が設けられており、この支持部４９には、垂直レール４７に接して回動するローラ５０が軸支されている。スライダ４６はローラ５０によって、垂直レール４７に沿って自由に上下移動するようになっている。
【００５２】
垂直レール４７は、スライダ４６を左右から挟むように配置されており、カッタ支持軸３８の公転軌跡（図中一点鎖線にて示す）よりも上下に延びて形成されて、その上下端では互いに連結され一体化されている。カッタ支持軸３８の後端は、その左右両端が垂直方向にカットされて平らになっており、そのカット部分を垂直レール４７が若干のクリアランスをあけて挟むようになっている。
【００５３】
そして、垂直レール４７の水平レール４８と交差する位置には、水平レール４８と接して回動するローラ５０が軸支されている。水平レール４８は、カッタ支持軸３８の公転軌跡よりも左右に水平に延びて形成されている。垂直レール４７はローラ５０によって、スライダ４６と共に水平レール４８に沿って自由に水平移動するようになっている。
【００５４】
この自転拘束装置３３は、偏心量調整機構３２のない地中掘削機においても、適用できることは勿論である。
【００５５】
次に、上記構成による地中掘削機３１の作用を説明する。
【００５６】
上記地中掘削機３１によれば、上述の地中掘削機１と同様の作用を得ることができる他に、さらに以下の作用を得ることができる。
【００５７】
地中掘削機３１は、偏心量調整機構３２を設けたので、掘削面に岩盤が出てその岩盤にカッタビット４が噛み込んだりしてカッタ回転ドラム３７が停止した場合でも、カッタ支持軸３８の偏心量ｈ1 を、図６に示すように一旦小さくすればカッタフレーム３に掛かる掘削力を大きくすることができるので、再起動を容易に行うことができる。
【００５８】
すなわち、カッタフレーム３に掛かる掘削力Ｆは、Ｔ／ｈ（但し、Ｔ：回転トルク、ｈ：偏心量を示す）で表すことができるが、偏心量ｈ1 を例えば半分のｈ3 にすれば、掘削力Ｆを２倍にすることができる。
【００５９】
そして、再起動した後は、偏心量をｈ1 に戻して通常の掘削に戻る。
【００６０】
また、掘削途中に、カッタ支持軸３８の偏心量を変えることによって、途中で拡径或いは縮径したトンネルを掘削できる。
【００６１】
さらに、図示していない制御装置によって、カッタ回転ドラム３７の回転量に合わせて、カッタ支持軸３８の偏心量を変化させることによって、部分的な拡大掘削が可能となる。
【００６２】
具体的には、図７（ａ）から（ｃ）に示すように、カッタフレーム３が図中右側を掘削するときには、偏心量をｈ4 としておく。そして、カッタフレーム３が図中左側を掘削するときに、カッタ回転ドラム３７の回転量に同期させて偏心量を徐々に大きくし、図７（ｄ）に示すように、カッタフレーム３が最も左側に位置した時に偏心量がｈ5 となるようにする。その後、カッタ回転ドラム３７の回転量に同期させて偏心量を徐々に小さくし、図７（ｅ）に示すように、カッタフレーム３が最も上側に位置した時に偏心量がｈ4 となるようにする。これによって、図中ハッチングで示す部分３０を拡大掘削することができる。
【００６３】
なお、上述の拡大掘削は、ほんの一例であり、カッタ回転ドラム３７の回転量とカッタ支持軸３８の偏心量を適宜組み合わせることによって、様々な形状の拡大掘削が可能である。
【００６４】
また、上記地中掘削機３１によれば、トンネル経路の両側から掘削してきたトンネルをその中間点で地中接合を容易に行うことができる。
【００６５】
すなわち、中間点となる所定位置まで一方の地中掘削機３１で掘削した後、カッタフレーム３がシールドフレーム２の内部に挿入できるように偏心量を小さくして、シールドフレーム２以外の部分をシールドフレーム２内の後方に所定距離後退させておく。
【００６６】
その後、中間点まで他方の地中掘削機３１で掘削した後、そのカッタフレーム３の偏心量を小さくして、そのカッタフレーム３を、先に到着した地中掘削機３１のシールドフレーム２内に挿入させる。
【００６７】
これによって、各地中掘削機３１のシールドフレーム２の前端部を互いに当接させることができ、この部分を溶接して地中接合が終了する。
【００６８】
なお、地中接合の終了後、シールドフレーム２以外の各部分はトンネル内を通って地上に搬出される。
【００６９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、回転部に掘削土砂の浸入する確率を低くできる。また、自転拘束機構のメンテナンスをシールドフレーム内で行うことができ、作業性が良いという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地中掘削機の第一の実施の形態を示した要部断面図である。
【図２】第一の実施の形態の自動拘束機構を示した後面図である。
【図３】本発明に係る地中掘削機の第二の実施の形態を示した要部断面図である。
【図４】第二の実施の形態の自動拘束機構を示した後面図である。
【図５】カッタ支持軸の偏心量を説明するための概略正面図である。
【図６】カッタ支持軸の偏心量を説明するための概略正面図である。
【図７】部分的な拡大掘削を説明するための概略正面図である。
【図８】従来の地中掘削機を示した断面図である。
【図９】従来の地中掘削機のカッタフレームを示した後面図である。
【符号の説明】
１  地中掘削機
３  カッタフレーム
５  カッタ支持軸
７  カッタ回転ドラム
１２  隔壁
１９  自転拘束機構
２１  平行リンク機構
３１  地中掘削機
３２  偏心量調整機構
３３  自転拘束機構
３４  カッタ支持枠
３５  偏心ジャッキ
３７  カッタ回転ドラム
３８  カッタ支持軸
４６  スライダ
４７  垂直レール
４８  水平レール
【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】
0004085522.tif 000008
【図８】
0004085522.tif 000009
【図９】
0004085522.tif 000010