(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の前部に配置したカッタヘッドにより地山を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削機の拡幅掘削装置であって、
掘削機本体の前部に、主カッタヘッドを支持するカッタ駆動ドラムを掘削機本体軸心周りに回転自在に配置し、
前記掘削機本体軸心から偏心した位置に、掘削機本体軸心に平行な揺動軸をカッタ駆動ドラムと主カッタヘッドとの間に配設し、
前記主カッタヘッドに切欠き部を形成し、
この切欠き部に、前記揺動軸に揺動アームを介して揺動自在に支持された副カッタヘッドを主カッタヘッドと面一状に配置して、揺動アームの揺動により前記切欠き部から主カッタヘッドの掘削部外周側に突出自在に構成した
ことを特徴とするトンネル掘削機の拡幅掘削装置。
【請求項２】
掘削機本体の前部に配置したカッタヘッドにより地山を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削機の拡幅掘削装置であって、
掘削機本体の前部に、主カッタヘッドを支持するカッタ駆動ドラムを掘削機本体軸心周りに回転自在に配置し、
前記主カッタ軸心から偏心した位置に、掘削機本体軸心に平行な揺動軸をカッタ駆動ドラムと主カッタヘッドとの間に連結し、
主カッタヘッドの背面側に、前記揺動軸に揺動アームを介して揺動自在に支持された副カッタヘッドを配置して、揺動アームの揺動により主カッタヘッドの背面側から外周側に出退自在に構成した
ことを特徴とするトンネル掘削機の拡幅掘削装置。
【請求項３】
カッタ駆動ドラムの主カッタヘッドの回転駆動力を伝達して副カッタヘッドを駆動する副カッタ駆動装置を設けた
ことを特徴とする請求項１または２記載のトンネル掘削機の拡幅掘削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘削途中で掘削幅を拡張可能なトンネル掘削機の拡幅掘削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル掘削機の掘削装置では、方向修正や曲線施工などで掘削幅を広げるために、コピーカッタをカッタヘッドに装備して余掘りすることは、従来から実施されている。このコピーカッタは、カッタヘッドの外周部から掘削ビットを有するカッタ部材を半径方向に出退するように構成されるもので、掘削抵抗や強度の関係から余掘り量を大きくとることができないため、掘削幅を変更するような余掘り量の大きい拡幅掘削には適さない。
【０００３】
そのため、たとえば特許第２８３９４３３号公報には、回転駆動されるカッタヘッドの外周部に揺動アームを介して副カッタヘッドを設けたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カッタヘッドに揺動アームを設けているため、揺動アームの強度が制限される点、副カッタによる掘削反力を揺動アームの支点軸を介してカッタヘッドで支持する点で、余掘り量を大きくできないという問題があった。また外周部にある副カッタヘッドへの動力伝達機構が複雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決して、十分な強度と余掘り量とを確保できて拡幅掘削可能なトンネル掘削機の拡幅掘削装置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】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、掘削機本体の前部に配置したカッタヘッドにより地山を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削機の拡幅掘削装置であって、掘削機本体の前部に、主カッタヘッドを支持するカッタ駆動ドラムを掘削機本体軸心周りに回転自在に配置し、前記掘削機本体軸心から偏心した位置に、掘削機本体軸心に平行な揺動軸をカッタ駆動ドラムと主カッタヘッドとの間に配設し、前記主カッタヘッドに切欠き部を形成し、この切欠き部に、前記揺動軸に揺動アームを介して揺動自在に支持された副カッタヘッドを主カッタヘッドと面一状に配置して、揺動アームの揺動により前記切欠き部から主カッタヘッドの掘削部外周側に突出自在に構成したものである。
【０００７】
上記構成によれば、主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとの間に揺動軸を連結し、この揺動軸に揺動アームを介して副カッタヘッドを設けたので、掘削反力を主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとで支持することができ、突出量（余掘り量）が大きくても掘削反力を十分に支持可能な高強度に構成することができる。また主カッタヘッドと副カッタヘッドとを面一状に配置したので、掘削装置をコンパクトに構成でき、また土砂の取り込み性能を向上させることができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、掘削機本体の前部に配置したカッタヘッドにより地山を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削機の拡幅掘削装置であって、掘削機本体の前部に、主カッタヘッドを支持するカッタ駆動ドラムを掘削機本体軸心周りに回転自在に配置し、前記主カッタ軸心から偏心した位置に、掘削機本体軸心に平行な揺動軸をカッタ駆動ドラムと主カッタヘッドとの間に連結し、主カッタヘッドの背面側に、前記揺動軸に揺動アームを介して揺動自在に支持された副カッタヘッドを配置して、揺動アームの揺動により主カッタヘッドの背面側から外周側に出退自在に構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとの間に揺動軸を連結し、この揺動軸に揺動アームを介して副カッタヘッドを設けたので、掘削反力を主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとで支持することができ、突出量（余掘り量）が大きくても掘削反力を十分に支持可能な高強度に構成することができる。また主カッタヘッドの背面側に副カッタヘッドを配置したので、必要なときのみ揺動アームを揺動させて副カッタヘッドにより掘削するので、副カッタヘッドのカッタビットの摩耗を少なくできる。
【００１０】
さらに請求項３記載の発明は、カッタ駆動ドラムの主カッタヘッドの回転駆動力を伝達して副カッタヘッドを駆動する副カッタ駆動装置を設けたものである。
上記構成によれば、副カッタヘッドの回転駆動源をカッタ駆動ドラムから取出すので、独自の駆動源が不要となり、コンパクトに構成できるとともに、設備コストを低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る拡幅掘削装置を備えたシールド掘進機（トンネル掘削機）の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１２】
このシールド掘進機は、図１〜図４に示すように、たとえば円形断面のトンネルを掘削途中で、駅部や待避車線を形成するために、部分的にトンネルの幅を拡張する拡幅部を掘削可能なもので、拡幅構造のシールド本体（掘削機本体）１と、拡幅掘削可能なカッタヘッド２Ａ，２Ｂとを具備している。
【００１３】
シールド本体１は、図５に示すように、主カッタヘッド２Ａを支持する固定胴部４と可動胴部５からなり、この可動胴部５は、固定胴部４に対して拡副方向に平行移動自在に配置された拡幅内胴６と、この拡幅内胴６にシールド軸心（掘削機本体軸心）Ｏと直交する垂直軸心まわりに傾動自在に支持された揺動外胴７とで構成されている。
【００１４】
すなわち、シールド本体１の円筒形外殻（スキンプレート）８は横断面でトンネル軸心Ｏを中心に１８０°より大きい角度αでトンネル軸心Ｏ方向に沿う切断線に沿って２つに分離されており、長円弧外殻８ａ側に固定胴部４が設けられるとともに、短円弧外殻８ｂ側に可動胴部５（揺動外胴７）が設けられている。そして、可動胴部５の拡幅内胴６は、短円弧外殻８ｂの内側に沿う円弧フレーム１０の両端部から互いに平行な一対のスライド部材１１が延設され、これらスライド部材１１は固定胴部４の両側のラップ部４ａ内に嵌合されるている。また揺動外胴７は、短円弧外殻８ｂの端部からスライド部材１１とラップ部４ａの間にスライド自在に嵌合される一対の支持プレート１２が延設され、支持プレート１２の内面にそれぞれ突設された揺動ピン１３が、前記スライド部材１１の支持孔１４に回動自在に嵌合され、拡幅内胴６に対して揺動外胴７が揺動ピン１３を中心に所定範囲で揺動自在に支持されている。
【００１５】
また図１，図４に示すように、左右のラップ部４ａの内側には、拡幅内胴６を拡縮方向に移動する拡幅駆動装置である複数の拡幅用ジャッキ１５が配設されている。さらに固定胴部の後部には、組み立てられたセグメント１６を反力受けとしてシールド本体１を前進させる推進駆動装置である固定推進用ジャッキ１７Ａか設けられている。
【００１６】
また拡幅内胴６には、拡幅方向に所定範囲で移動自在な可動フレーム１８を介して可動推進用ジャッキ１７Ｂが配設されており、左右のラップ部４ａの内側に可動フレーム１８を拡幅方向に移動して可動推進用ジャッキ１７Ｂの押出し位置を調整する推進位置調整装置である推進調整用ジャッキ１９が設けられている。さらに拡幅内胴６の後部には、揺動外筒７の後端部に連結された揺動調整装置である揺動用ジャッキ２０が設けられており、通常掘削部から拡幅部に至る傾斜面にあわせて揺動外筒７の傾斜角を調整することができる。
【００１７】
シールド本体１の前部には、切羽崩壊土圧を保持する圧力室２１を形成する圧力隔壁２２が設けられており、前記カッタヘッド２は、圧力隔壁２２に軸受２３ａおよびシール部材２３ｂを介してシールド軸心Ｏ周りに回転自在に支持されたカッタ駆動ドラム２４に支持脚２０を介して支持されている。また主カッタヘッド２Ａは、図２，図３に示すように、多数のカッタビットと土砂取入口を有するとともにシールド軸心Ｏ周りに回転自在に支持された主カッタヘッド２Ａと、多数のカッタビットと土砂取入口を有するとともに揺動軸心Ｏｅ周りに所定範囲で揺動自在でかつ副カッタ軸心Ｏｓ周りに回転自在に配置された副カッタヘッド２Ｂとで構成されている。そして主カッタヘッド２Ａは、シールド本体１の直径の大きさの円形面板を切欠き部２５で一部を削除した形状に形成され、また副カッタヘッド２Ｂは主カッタヘッド２Ａの半径より小さい円形に形成されて、前記切欠き部２５に主カッタヘッド２Ａと面一状に配置されている。この切欠き部２５は、後退位置から最大余掘り位置まで揺動角度βの範囲で副カッタヘッド２Ｂの揺動を許容するように形成されている。
【００１８】
そして、主カッタヘッド２Ａは、カッタ駆動ドラム２４から圧力室２１側に突設された複数の支持脚２０により支持されている。また副カッタヘッド２Ｂは、前記シールド軸心Ｏから偏心距離Ｅ（図では最大拡幅距離）だけ偏心した位置に、シールド軸心Ｏに平行な揺動軸２７が前記カッタ駆動ドラム２４と主カッタヘッド２Ａの背面板との間に軸受を介して連結支持されている。そしてこの揺動軸２７に揺動アーム２６が設けられ、揺動アーム２６の遊端部に副カッタヘッド２Ｂがシールド軸心Ｏに平行な副カッタ軸２８を介して回転自在に支持されている。
【００１９】
圧力隔壁２２の後方の大気室２９側には、主カッタ駆動装置３１と、副カッタ駆動装置３２とが設けられ、またカッタ駆動ドラム２４内に、揺動アーム２６を介して副カッタヘッド２Ｂを揺動させる副カッタ揺動装置３３が設けられている。
【００２０】
主カッタ駆動装置３１は、図６に示すように、カッタ駆動ドラム２４の後端部外周に設けられた受動リングギヤ３４と、圧力隔壁２２の後部に支持部材３０を介して支持された複数のカッタ回転駆動装置（油圧モータなど）３５と、これらカッタ回転駆動装置３５により減速機を介して回転駆動され受動リングギヤ３４に噛合する駆動ピニオン３６とで構成されている。したがって、カッタ回転駆動装置３５により受動リングギヤ３４を回転駆動し受動リングギヤ３４を介してカッタ駆動ドラム２４を回転させ、支持脚２０を介して主カッタヘッド２Ａを所定方向に回転駆動することができる。
【００２１】
また、副カッタ駆動装置３２は、カッタ駆動ドラム２４から主カッタヘッド２Ａの回転駆動力を取出す動力取出し部４１と、この動力取出し部４１から副カッタヘッド２Ｂに動力を伝達する動力伝達部４２とで構成されている。すなわち、揺動軸２７は、前記カッタ駆動ドラム２４と主カッタヘッド２Ａの背面板に軸受を介して回転自在に支持されるとともに揺動アーム２６が取付けられた外筒部２７ａと、この外筒部２７ａ内の軸心位置に回転自在に支持された軸部２７ｂからなり、図６，図７に示すように、前記動力取出し部４１は、支持部材３０にシールド軸心Ｏを中心として固定された固定リングギヤ４３と、揺動軸２７の軸部２７ｂの後端側に固定されて固定リングギヤ４３に噛合される入力ギヤ４４とで構成されている。また動力伝達部４２は、揺動軸２７で軸部２７ｂの前端側に取付けられた副カッタ駆動ギヤ４５と、副カッタ軸２８に固定された副カッタ受動ギヤ４６と、副カッタ駆動ギヤ４５と副カッタ受動ギヤ４６との間に互いに噛合された複数の中間ギヤ４７からなるギヤ式連動機構により構成されているが、スプロケットとチェーンを使用した巻き掛け連動機構であってもよい。したがって、主カッタ駆動装置３１によりカッタ駆動ドラム２４が回転駆動されると、支持部材３０の周囲を揺動軸２７が旋回移動されることから、固定リングギヤ４３に噛み合う入力ギヤ４４を介して揺動軸２７の軸部２７ｂが回転駆動され、軸部２７ｂから副カッタ駆動ギヤ４５、中間ギヤ４７、副カッタ受動ギヤ４６からなる動力伝達部４２を介して副カッタ軸２８が回転されて副カッタヘッド２Ｂが回転駆動される。
【００２２】
なお、固定リングギヤ４３と入力ギヤ４４との噛合、離脱可能に構成したり、あるいは軸部２７ｂにクラッチを介在させることにより、必要な時のみ動力を伝達して副カッタヘッド２Ｂを回転させることができる。
【００２３】
副カッタ揺動装置３３は、カッタ駆動ドラム２４内で、揺動軸２７の外筒部２７ａに所定角度隔てて設けられた受動アーム５１Ａ，５１Ｂと、カッタ駆動ドラム２４の固定側ブラケット５２Ａ，５２Ｂとの間に、揺動用伸縮装置（油圧式や電動式シリンダなど）５３Ａ，５３Ｂがそれぞれ連結されて構成され、上下の揺動用伸縮装置５３Ａ，５３Ｂを交互に伸縮することにより、揺動軸２７の外筒部２７ａを揺動させ、揺動アーム２６を介して副カッタヘッド２Ｂを揺動させ、主カッタヘッド２Ａの掘削部内とその外周側の範囲で揺動させて余掘りすることができる。
【００２４】
上記構成において、円形断面トンネルを掘削する通常掘削部から拡幅掘削部に移行する場合、主カッタヘッド２Ａの所定の回転角度範囲で、副カッタ揺動装置３３の揺動用伸縮装置５３Ａ，５３Ｂを起動して揺動アーム２６を介して副カッタヘッド２Ｂを往復揺動させ、副カッタヘッド２Ｂを主カッタヘッド２Ａの掘削範囲から突出させて余掘りを開始し、順次揺動角を大きくして余掘り量を大きくし、最大揺動角βまで揺動させて余掘りする。余掘り量の増大に従って、揺動外胴７が傾動されるとともに、拡幅内胴６が拡幅方向に移動される。拡幅掘削部から通常掘削部への移行は、逆の手順で実施される。
【００２５】
上記実施の形態によれば、主カッタヘッド２Ａとカッタ駆動ドラム２４とを揺動軸２７で連結し、この揺動軸２７に揺動アーム２６を介して副カッタヘッド２Ｂを設けたので、副カッタヘッド２Ｂの突出量を大きくして余掘りを行う場合でも、安定して効率良く自由断面が掘削できる。また副カッタ駆動装置３２を、動力取出し部４１と動力伝達部４２とにより構成したので、主カッタ駆動装置３１の駆動力を取出して副カッタヘッド２Ｂを回転駆動することができ、独立の副カッタ駆動源が不要となり、設備コストを低減できる。さらに、副カッタヘッド２Ｂが主カッタヘッド２Ａと面一状に配置されるので、掘削装置をコンパクトに構成できるとともに、土砂の取り込み性能を向上させることができる。
【００２６】
次に他の拡幅掘削装置を備えたシールド掘進機の実施の形態を図８〜図１２に基づいて説明する。なお、先の実施の形態と同一部材には、同一符号を付して説明を省略する。
【００２７】
この拡幅掘削装置は、先のシールド掘進機において、主カッタヘッド２Ａの背面側に副カッタヘッド２Ｂを配置したものである。したがって、主カッタヘッド２Ａは、切欠き部を有しない円形面板により形成されている。
【００２８】
上記構成によれば、先の実施の形態の作用効果に加えて、通常掘削時に副カッタヘッド２Ｂは掘削せず、拡幅掘削時などの必要時のみ、副カッタヘッド２Ｂを回転させて掘削するので、カッタビットの摩耗を最小限に止めることができる。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、拡幅掘削時にのみ副カッタヘッド２Ｂを揺動させたが、方向修正や曲線施工など余掘りも自在に実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとの間に揺動軸を連結し、この揺動軸に揺動アームを介して副カッタヘッドを設けたので、掘削反力を主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとで支持することができ、突出量（余掘り量）が大きくても掘削反力を十分に支持可能な高強度に構成することができる。また主カッタヘッドと副カッタヘッドとを面一状に配置したので、掘削装置をコンパクトに構成でき、また土砂の取り込み性能を向上させることができる。
【００３１】
また請求項２記載の発明によれば、主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとの間に揺動軸を連結し、この揺動軸に揺動アームを介して副カッタヘッドを設けたので、掘削反力を主カッタヘッドとカッタ駆動ドラムとで支持することができ、突出量（余掘り量）が大きくても掘削反力を十分に支持可能な高強度に構成することができる。また主カッタヘッドの背面側に副カッタヘッドを配置したので、必要なときのみ揺動アームを揺動させて副カッタヘッドにより掘削するので、副カッタヘッドのカッタビットの摩耗を少なくできる。
【００３２】
さらに請求項３記載の発明によれば、副カッタヘッドの回転駆動源をカッタ駆動ドラムから取出すので、独自の駆動源が不要となり、コンパクトに構成できるとともに、設備コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の実施の形態を示す拡幅掘削状態の平面断面図である。
【図２】同シールド掘進機の拡幅掘削状態の正面図である。
【図３】同シールド掘進機の通常掘削状態を示す正面図である。
【図４】同シールド掘進機の拡幅掘削状態を示す背面図である。
【図５】同シールド掘進機のシールド本体を示す分解斜視図である。
【図６】同シールド掘進機の拡幅掘削状態を示す拡大平面断面図である。
【図７】同シールド掘進機の掘削装置を示す拡大正面断面図である。
【図８】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態を示す拡幅掘削状態の平面断面図である。
【図９】同シールド掘進機の拡幅掘削状態を示す正面図である。
【図１０】同シールド掘進機の通常掘削状態を示す正面図である。
【図１１】同シールド掘進機の拡幅掘削状態を示す拡大平面断面図である。
【図１２】同シールド掘進機の掘削装置を示す拡大正面断面図である。
【符号の説明】
Ｏ    シールド軸心
Ｏｅ  揺動軸心
Ｏｓ  副カッタ回転軸心
１    シールド本体
２Ａ  主カッタヘッド
２Ｂ  副カッタヘッド
３    固定胴部
５    可動胴部
６    拡幅内胴
７    揺動外胴
１３    揺動ピン
１５    拡幅用ジャッキ
２２    圧力隔壁
２４    カッタ駆動ドラム
２５    切欠き部
２６    揺動アーム
２７    揺動軸
２７ａ  外筒部
２７ｂ  軸部
２８    副カッタ軸
３１    主カッタ駆動装置
３２    副カッタ駆動装置
３３    副カッタ揺動装置
３４    受動リングギヤ
３５    カッタ回転駆動装置
３６    駆動ピニオン
４１    動力取出し部
４２    動力伝達部
５３Ａ，５３Ｂ  揺動用伸縮装置
【図１】
0003838853.tif 000002
【図２】
0003838853.tif 000003
【図３】
0003838853.tif 000004
【図４】
0003838853.tif 000005
【図５】
0003838853.tif 000006
【図６】
0003838853.tif 000007
【図７】
0003838853.tif 000008
【図８】
0003838853.tif 000009
【図９】
0003838853.tif 000010
【図１０】
0003838853.tif 000011
【図１１】
0003838853.tif 000012
【図１２】
0003838853.tif 000013