(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽に当接して当該切羽を掘削する遊星カッタと、この遊星カッタを前端部で支持する支持軸と、この支持軸の後端側に連結し、当該支持軸を介して前記遊星カッタを自転させるモータと、前記支持軸を所定の公転軌道に沿って公転させる公転手段と、を備え、前記遊星カッタを自転させつつ公転させて、前記公転軌道に概略相似した断面形状のトンネルを掘削する自由形状掘削シールド機であって、
前記支持軸は、前記外歯車を外周に有する中空の外軸と、この外軸を貫通して回転自在に設けられ、先端側に遊星カッタを設けた内軸と、前記外軸を自転させる外軸自転手段と、前記内軸を自転させる内軸自転手段と、を備え、前記公転手段は、公転軌道に沿って設けられた内歯車と、前記外軸外周に設けられ、前記内歯車と噛み合う外歯車と、を備え、前記外軸の回転を駆動源として当該支持軸を前記公転軌道に沿って公転させることを特徴とする自由形状掘削シールド機。
【請求項２】
請求項１に記載の自由形状掘削シールド機において、遊星カッタは、内軸に直接取り付けられたカッタ保持軸の端部側に、周方向に複数設けられることを特徴とする自由形状掘削シールド機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の自由形状掘削シールド機において、遊星カッタを前端部に備えた支持軸を、周方向に複数備えることを特徴とする自由形状掘削シールド機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断面形状が例えば矩形や楕円形のトンネルをシールド工法で掘削する為に用いられる自由形状掘削シールド機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下鉄道や上下水道などのトンネルや坑道を構築する方法の一つであるシールド工法は、トンネルなどの切羽面に当接するシールド掘削機を用いて穴を掘進し、さらに、穴の内壁をセグメントリングで覆ってトンネルを構築する工法であり、安全かつ確実に作業を行えるという特徴がある。
このシールド工法に用いられるシールド掘削機は、カッタを前面に設けたヘッドを油圧モータなどの駆動機構を用いて回転させながら押し進むことにより、カッタを用いて地山を掘削する機械である。
【０００３】
通常、シールド工法により構築されるトンネルの断面は円形であるが、近年は、工事条件上、断面が楕円形や矩形のトンネルをシールド工法で構築する必要が出てきている。
楕円形や矩形の断面のトンネルを掘削する自由形状掘削シールド機の従来例としては、例えば特開平１０−６１３８２号に開示されたシールド掘削機がある。このシールド機は、断面が円形のトンネルを掘削するための周知の円形シールド掘削機の周囲に、遊星カッタと呼ばれる補助カッタを設け、この補助カッタの正面視における輪郭形状を遊星カッタの自転回転数と公転回転数との比に応じて形成し、その自転回転数と公転回転数との比を適切に設定することで例えば矩形のトンネルを掘削する構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来例は、円形に掘削するためのメインカッタの他に補助カッタを別個に制御、駆動する必要があり、制御系統が複雑になるとともに、消費エネルギーが多くなっていた。
また、遊星カッタの正面視における輪郭形状を遊星カッタの自転回転数と公転回転数との比に応じて形成する必要があるが、この輪郭形状をトンネルの断面形状から直接導き出すことはできなかった。
すなわち、従来は、経済性がいい自由形状掘削シールド機はなかった。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は、任意の形状のトンネルを掘削でき、経済性のよい自由形状掘削シールド機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、請求項１に記載するように、切羽に当接して当該切羽を掘削する遊星カッタ（２２）と、この遊星カッタを前端部で支持する支持軸（３０）と、この支持軸の後端側に連結し、当該支持軸を介して前記遊星カッタを自転させるモータと、前記支持軸を所定の公転軌道に沿って公転させる公転手段と、を備え、前記遊星カッタを自転させつつ公転させて、前記公転軌道に概略相似した断面形状のトンネルを掘削する、自由形状掘削シールド機であって、前記支持軸は、前記外歯車を外周に有する中空の外軸（３１）と、この外軸を貫通して回転自在に設けられ、先端側に遊星カッタを設けた内軸（３２）と、前記外軸を自転させる外軸自転手段（例えば外軸モータ３３）と、前記内軸を自転させる内軸自転手段（例えば内軸モータ３４）と、を備え、前記公転手段は、公転軌道（４４）に沿って設けられた内歯車（４３ａ）と、前記外軸外周に設けられ、前記内歯車と噛み合う外歯車（３１ａ）と、を備え、前記外軸の回転を駆動源として当該支持軸を前記公転軌道に沿って公転させることを特徴とする。
【０００７】
本発明において、遊星カッタは自転することによって切羽を掘削し、公転により掘削場所を移動する。すなわち、遊星カッタを自転させつつ公転させると、当該遊星カッタは、公転軌道に沿って当該遊星カッタ自身が通過する部分を掘削しながら公転する。この掘削範囲は、公転軌道を基準として遊星カッタの半径分（遊星カッタが楕円形である場合は長径分）ほど内外に広げた範囲である。
【０００８】
すなわち、本発明に係る自由形状掘削シールド機によれば、公転軌道を、掘削すべきトンネルの形状から遊星カッタの半径分ほど内側（遊星カッタが楕円形である場合は長径分）に設定することにより、円形は勿論、楕円形、矩形といった任意の形状のトンネルを掘削できる。
【０００９】
また、遊星カッタの径は、最大（遊星カッタ数が１つの場合）でも従来の円形シールド掘削機や自由形状掘削シールド機のメインカッタと比べて半分強でよいため、カッタ駆動用のモータは従来と比べて格段に小さくて済む。従って、掘削時の消費エネルギーも格段に小さくなる。
【００１０】
また、簡単な構成であるにもかかわらず、掘削時の負荷が大きくても確実に支持軸を公転できる機構となる。
【００１１】
更に、遊星カッタの自転速度と公転速度とを別個に制御できるため、切羽の性状に合わせて掘削できる。
【００１２】
また、本発明は、請求項２に記載するように、遊星カッタは、内軸に直接取り付けられたカッタ保持軸（２１）の端部側に、周方向に複数設けた構成にしてもよく、また、請求項３に記載するように、遊星カッタを前端部に備えた支持軸を、周方向に複数備えた構成にしてもよい。これらの場合は、遊星カッタ数が増すため、より効率よく切羽を掘削できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の一実施例である自由形状掘削シールド機１について詳細に説明する。
図１は自由形状掘削シールド機１の長手方向の断面概略図である。図２は支持軸３０の構成を説明する断面概略図であり、図３は遊星カッタ部２０の構成を説明する正面概略図である。図４は公転軌道４４の形状を支持軸３０の動きと合わせて説明する正面概略図であり、図５は自由形状掘削シールド機１が掘削するトンネルの断面形状を説明する概略図である。図６は、自由形状掘削シールド機１が掘削するトンネルの断面形状の変形例を説明する図である。
【００１７】
自由形状掘削シールド機１は、例えば断面が楕円のトンネルを掘削する泥水式のシールド機であり、図１に示すように、円筒状の胴部材１ａの隔壁１ｂより先端側に位置して切羽に面する遊星カッタ部２０と、遊星カッタ部２０を先端にて支持しており隔壁１ｂを貫いている支持軸３０と、隔壁１ｂの内側に設けられていて支持軸３０を楕円状に公転させる隔壁状の公転案内手段４０と、支持軸３０を支持すると共に公転案内手段４０と隔壁１ｂとの間に設けられた回転板５０（押さえ手段）とにより概略構成される。
【００１８】
ここで、隔壁１ｂには、支持軸３０の公転軌道４４（詳細は後述）に面するように、公転軌道４４と同形状かつ幅広の輪状開口部１ｃを設ける。輪状開口部１ｃは支持軸３０を公転可能かつ自転可能に通すための開口部である。
さらに、隔壁１ｂと切羽との間に泥水を送水する送泥管２と、掘削土を送水された泥水と共に外部に排泥する排泥管３とを備える。
【００１９】
遊星カッタ部２０は、図１および図２に示すように、支持軸３０に一端を取り付けられた３本のカッタ支持軸２１の他端に、遊星カッタ２２をそれぞれ取り付けた構成となっている。カッタ支持軸２１…の取り付け角度は支持軸３０を中心に１２０゜おきに設定されており、その結果、遊星カッタ２２は図２中点線で示した正三角形の頂点に位置している。
ここで、支持軸３０と遊星カッタ２２との距離や、遊星カッタ２２の径は、詳細を後述する遊星カッタ２２…の軌跡が掘削すべきトンネルの断面に一致するように設定する。
また、遊星カッタ部２０の自転により形成される自転円２０ｂの直径が、掘削すべきトンネルの断面（楕円形）の長径の半分以上にする。
【００２０】
支持軸３０は、図３に示すように、公転案内手段４０に直接接している中空の外軸３１と、外軸３１の中に回転自在に挿入されていて遊星カッタ部２０を先端部で支持する内軸３２と、外軸３１を回転させる外軸モータ３３と、内軸３２を回転させる内軸モータ３４とにより概略構成されている。
また、外軸３１は、中央部近辺であり公転案内手段４０と接する部分の外周に外歯車３１ａを備えている。
ここで、外軸モータ３３，内軸モータ３４は公転案内手段４０より内側に設けられている。
【００２１】
公転案内手段４０は、図３に示すように、隔壁１ｂの中心に胴部材１ａの内側に突出して固定された中心軸４１と、中心軸４１によって隔壁１ｂの内側に支持されている楕円形の内ガイド壁４２と、内ガイド壁４２を納めるための開口部４３ｂを有していて内ガイド壁４２と面一になるように胴部材１ａの内壁に取り付けられた外ガイド壁４３と、により概略構成されている。
ここで、内ガイド壁４２の外周部および外ガイド壁４３の開口部４３ｂの周部は強固な構造になっており、さらに、開口部４３ｂの周部には外歯車３１ａに噛み合う内歯車４３ａを設けている。また、内ガイド壁４２の外周端と内歯車４３ａとの間隔は外歯車３１ａの外径よりやや大きい程度とする。すなわち、内ガイド壁４２の外周部よび開口部４３ｂの周部の間で支持軸３０および遊星カッタ部２０の公転軌道４４（図４参照）を形成している。
【００２２】
回転板５０は、中心軸４１に回転自在に貫通支持された板であり、周縁部には、支持軸３０を貫通させるための貫通孔５１（止水パッキン付孔）を備えている。
また、切羽からの泥水の浸入を防止するため、貫通孔５１の内周面には止水パッキン５１ａを支持軸３０の側周面に圧接するように設けている。
【００２３】
また、回転板５０と隔壁１ｂとの間には、輪状開口部１ｃの内周端、外周端に沿って止水パッキン５２，５２がそれぞれ支持軸３０に圧接するように設けられているが、回転板５０は止水パッキン５２，５２を隔壁１ｂに押しつける役割も有する。この止水パッキン５２，５２は貫通孔５１より手前で切羽からの泥水の浸入を防止するものである。
【００２４】
すなわち、支持軸３０は、外歯車３１ａが内歯車４３ａに噛み合うことにより内ガイド壁４２，外ガイド壁４３に支持され、止水パッキン５１ａを介して回転板５０によっても支持され、また隔壁１ｂの輪状開口部１ｃを公転可能に貫いている。
【００２５】
このような構成の自由形状掘削シールド機１において、外軸モータ３３を駆動させて外軸３１および外歯車３１ａを回転させると、外歯車３１ａが内歯車４３ａに噛み合っているため、支持軸３０および遊星カッタ部２０は公転軌道４４に沿って公転する。この際、回転板５０は支持軸３０を保持しながら支持軸３０と共に中心軸４１を中心に自転する。
また、内軸モータ３４を駆動させて内軸３２を回転させると、遊星カッタ部２０が回転して切羽を掘削する。
従って、外軸モータ３３と内軸モータ３４との双方を同時に回転させると、遊星カッタ部２０は切羽を掘削しながら公転する。
【００２６】
また、図５に概略を記載するように、公転軌道４４は楕円形であるため、遊星カッタ部２０の軌跡２０ａすなわち掘削面の形状は楕円となり、その大きさは、概略、長径が、公転軌道４４の長径と、自転円２０ｂの半径との和であり、短径が、公転軌道４４の短径と自転円２０ｂの半径との和になる。また、公転軌道４４および遊星カッタ部２０の大きさは、切羽全面を覆うように設計している。
従って、遊星カッタ部２０は楕円形の切羽全面を掘削する。
【００２７】
ここで、公転案内手段４０の内ガイド壁４２の外形や外ガイド壁４３の開口部４３ｂの形状を矩形状にすると、公転軌道４４は矩形状になるため、図６に示すように、遊星カッタ部２０の軌跡２０ａすなわち掘削面の形状は矩形状となり、その大きさは公転軌道４４から外側に自転円２０ｂの半径分ほど膨らんだ程度になる。
同様に、内ガイド壁４２の外形や外ガイド壁４３の開口部４３ｂの形状を変えることにより、掘削面を任意の形状に設定できる。
【００２８】
従って、自由形状掘削シールド機１によれば、簡単な機械的構成や制御方式で任意の断面形状のトンネルを掘削することが可能であるため、シールド掘削機の製造コストを低減できる。
【００２９】
また、遊星カッタ部２０が公転しながら切羽を掘削するため、自転円２０ｂの大きさが掘削面より小さくても掘り残しを生じない。すなわち、従来と比べて自転するカッタ部の大きさが小さいため、カッタ部自転用のモータの出力を小さくできる。従って、掘削に必要な消費エネルギーを低減できる。
【００３０】
また、公転軌道４４に内歯車４３ａを設け、さらに支持軸３０に外歯車３１ａを取り付け、支持軸３０を回転させて遊星カッタ部２０を公転軌道４４に沿って公転させるため、遊星カッタ部２０は大負荷時にも確実に公転する。
また、支持軸３０を、外歯車３１ａを有する外軸３１の中に内軸３２を回転自在に設け、内軸３２の先端に遊星カッタ部２０を固定し、外軸３１と内軸３２とを別個に回転させる構成としたので、切羽の性状に合わせて、公転速度と、自転速度すなわち掘削速度との比を調節できる。
【００３１】
なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形できる。
例えば、遊星カッタ部２０は３つの遊星カッタ２２を備えた構成としたが、その数は任意でよく、例えば自転円２０ｂと同程度の大きさのカッタを用いてその数を１つにすることも可能である。
さらに、同一の公転軌道４４上に複数の遊星カッタ部２０を支持軸３０と共に設けて掘削効率を高めてもよい。この場合は、好ましくはすべての遊星カッタ部２０の公転速度を一致させる。
また、自由形状掘削シールド機１を泥水式としたが、周知のスクリューコンベア式の排土機構を公転案内手段４０を避けて設置することにより、土圧式のシールド掘削機とすることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上より、本発明に係る自由形状掘削シールド機によれば、公転軌道を、掘削すべきトンネルの形状から遊星カッタの半径分ほど内側（遊星カッタが楕円形である場合は長径分）に設定することにより、円形は勿論、楕円形、矩形といった任意の形状のトンネルを掘削できる。
【００３３】
また、遊星カッタの径は、最大（遊星カッタ数が１つの場合）でも従来の円形シールド掘削機、自由形状掘削シールド機のメインカッタと比べて半分強でよいため、カッタ駆動用のモータは従来と比べて格段に小さくて済む。従って、掘削時の消費エネルギーも格段に小さくなる。
【００３４】
更に、遊星カッタの自転速度と公転速度とを別個に制御できるため、切羽の性状に合わせて掘削できる。
【００３５】
また、請求項２や３記載の構成にすると、遊星カッタ数が増すため、より効率よく切羽を掘削できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である自由形状掘削シールド機の長手方向の断面概略図である。
【図２】遊星カッタ部の構成を説明する正面概略図である。
【図３】支持軸の構成を説明する断面概略図である。
【図４】公転軌道の形状を支持軸の動きと合わせて説明する正面概略図である。
【図５】自由形状掘削シールド機が掘削するトンネルの断面形状を説明する概略図である。
【図６】自由形状掘削シールド機が掘削するトンネルの断面形状の変形例を説明する図である。
【符号の説明】
１              自由形状掘削シールド機
１ｂ            隔壁
１ｃ            輪状開口部
２１            カッタ保持軸
２２            遊星カッタ
３０            支持軸
３１            外軸
３１ａ          外歯車
３２            内軸
３３            外軸モータ（外軸自転手段）
３４            内軸モータ（内軸自転手段）
４３ａ          内歯車
５０            回転板（押さえ手段）
５１            貫通孔５１（止水パッキン付孔）
５２            止水パッキン
【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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