JP2000257386A - カッタヘッド、シールド掘進機及び掘削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用ビット以外のビットに悪影響を与えるこ
となく岩、礫層や粘性土層等が出現する地盤の掘削を行
うことができ、しかも、粘性土層等の土質を地山の骨格
強度を保持しつつ固形状態の土塊として回収して、２次
処理量を低減することのできるカッタヘッドを提供す
る。 【解決手段】 切羽に筋状の先行掘削溝を所定間隔で形
成する少なくとも一対の先行ビット３４と、先行ビット
３４により形成した先行掘削溝間の掘り残された地山を
固形状態で掘り起こし切削する後行ビット３６と、岩、
礫等の地山を掘削するためのローラビット４４とを有
し、少なくとも先行ビット３４及びローラビット４４
は、掘削する地山の状況に応じて前後方向に進退駆動さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カッタヘッド、シ
ールド掘進機及び掘削方法に関し、特に、岩、礫層及び
粘性土層等の掘削に適し、かつ、掘削土を固形回収可能
なカッタヘッド、シールド掘進機及び掘削方法に関す
る。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】一般
に、シールド掘進機によるトンネル掘削においては、カ
ッタヘッドを回転させて切羽を掘削するようにしてお
り、このカッタヘッドには切羽の土質に合わせたビット
を取り付けるようにしている。

【０００３】例えば、粘性土等の柔らかい土質に対して
は、切削用刃を有するカッタビットを取り付けて掘削
し、岩、礫等の土質に対しては、破砕用のローラビット
を取り付けて掘削するようにしている。

【０００４】また、粘性土層や、岩、礫層等の異なる種
類の土質がひとつの掘削工事区間に出現するような場合
には、予め切削用のカッタビット及び破砕用のローラビ
ットの双方をひとつのカッタヘッドに設けて掘削を行う
ようにしている。

【０００５】しかし、このようにひとつのカッタヘッド
に予めカッタビット及びローラビットを取り付けた状態
にしておくと、カッタビットによる粘性土層の掘削時に
ローラビットがめり込んで、切削抵抗が増大し、掘進の
障害となったり、粘土が付着してローラビットが回転不
能となったりすることとなり、逆に、ローラビットによ
る岩、礫層の掘削時にカッタビットが岩、礫等の衝撃に
より欠損や破損が生じたり、岩、礫等によって磨耗して
しまうという問題がある。

【０００６】また、近年では、産業廃棄物の取り扱いに
関する法規制が厳しくなってきており、特に、「汚泥」
として発生する掘削残土の処理に多大な労力及び費用を
要すると共に、それを処分する場所も限定されている。

【０００７】したがって、シールド掘進に伴って発生す
る掘削残土については、振動ふるい等を用いた１次処理
による固液分離量をできるだけ多くし、２次処理で発生
する「汚泥」を減量化することが重要な課題となってい
る。

【０００８】特に、細粒分（粒径７４μｍ以下）を含む
粘性土層の掘削方法や処理方法に関して、多方面で技術
開発が進められている。

【０００９】一方、砂層や礫層などの粗粒土が掘削対象
である場合には、振動ふるいで容易に固液分離が可能で
あり、岩盤の掘削においても、切削・破砕された掘削土
砂は礫と同様の取り扱いが可能である。

【００１０】このようなことから、本発明では、主とし
て粘性土層、特に、ある程度の骨格強さを有する粘性土
層を掘削する場合に、地山状態での骨格強さを保持した
固形状態の土塊として切削（以下、「切り出し掘削」と
いう。）し、トンネル坑外へ搬出することによって、２
次処理量を大幅に低減しようとするものである。

【００１１】さらに、本発明は、岩盤や礫層と粘性土層
が交互に出現するような地盤条件や、これらが互層とな
っている地盤条件においても、地盤特性に応じたカッタ
ビットの適宜な選択を可能とし、かつ、上記課題を解決
するためのカッタヘッド、シールド掘進機及び掘削方法
を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のカッタヘッドは、切羽に筋状の先行掘削溝
を所定間隔で形成する少なくとも一対の先行ビットと、
前記先行ビットにより形成した先行掘削溝間の掘り残さ
れた地山を固形状態で掘り起こし切削する後行ビット
と、岩、礫等の地山を掘削するためのローラビットとを
有し、少なくとも前記先行ビット及び前記ローラビット
は、掘削する地山の状況に応じて掘進方向に進退駆動さ
れることを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、岩、礫等の地山を掘削す
る際には、少なくとも先行ビットをカッタヘッド前面よ
り後退させ、ローラビットをカッタヘッド前面より突出
させた状態とすることで、比較的破損の生じやすい先行
ビットを岩、礫等から保護した状態でローラビットによ
る岩、礫等の破砕を確実に行うことができ、かつ、先行
ビットの破損、欠損、あるいは磨耗を防止することがで
きる。

【００１４】また、粘性土等の地山を掘削する際には、
ローラビットをカッタヘッド前面より後退させ、先行ビ
ットをカッタヘッド前面より突出させた状態とすること
で、ローラビットを保護した状態で先行ビット及び後行
ビットによる掘削を確実に行うことができ、かつ、ロー
ラビットが地山にめり込んで切削抵抗が増大し、掘進の
支障となったり、粘土の付着により回転不能になったり
するのを防止することができる。

【００１５】さらに、粘性土等の切羽に先行ビットによ
り所定間隔の筋状の先行掘削溝を形成し、この先行掘削
溝間の掘り残された地山を後行ビットにより地山状態の
骨格強さを保持した固形状態の土塊として切り出し掘削
してトンネル坑外へ搬出することができ、掘削土砂の２
次処理量を大幅に減量化することができる。

【００１６】本発明においては、前記先行掘削溝を複数
形成するための複数の先行ビットが配置され、前記複数
の先行掘削溝間の掘り残された地山を切り出し掘削する
複数の後行ビットが配置されることが好ましい。

【００１７】このように、先行ビットおよび後行ビット
を複数設けることにより、切羽全体を効率よく掘削で
き、大口径のシールドトンネルの掘削に際しても、地山
を固形状態のまま切り出し掘削することができる。

【００１８】この場合、前記複数の後行ビットは、正転
掘削用の後行ビットと、逆転掘削用の後行ビットとを含
み、前記正転掘削用の後行ビット及び逆転掘削用の後行
ビットは、それぞれ前後方向に進退駆動可能にされてい
ることが好ましい。

【００１９】このようにすることで、正転時または逆転
時には、一方の後行ビットのみカッタヘッド前面より突
出させ、他方はカッタヘッド前面より後退させた状態で
掘削を行うことができ、正逆転に対応できると同時に、
後行ビットの耐久性を向上させることができる。

【００２０】特に、シールド掘進機の位置、姿勢を制御
する場合には、カッタヘッドを正逆転させることがあ
り、このような場合にも対応することができる。

【００２１】また、ローラビット使用時に双方の後行ビ
ットを後退させておくこともでき、これによって後行ビ
ットの破損、欠損、磨耗等を防止して、耐久性を向上さ
せることができる。

【００２２】また、本発明では、前記ローラビットは、
複数設けられ、各ローラビットは個別に進退駆動可能に
されていることが好ましい。

【００２３】このようにすることで、例えば、切羽が互
層状態であるときに、ローラビットを個別に進退制御す
ることで、岩、礫等を確実に破砕できると共に、ローラ
ビットの機能が損なわれたり、掘進に支障がでるのを確
実に防止することができる。

【００２４】なお、ローラビットを複数設けることによ
り、掘削予定の全断面をローラビットのみで掘削できる
ようなビット配置が可能となる。

【００２５】さらに本発明では、前記複数の先行ビット
は、複数の先行ビット群にて構成され、各先行ビット群
は、それぞれ一体的に進退駆動可能にされていることが
好ましい。

【００２６】この場合、カッタヘッドの回転によって生
じる軌跡が異なる複数の先行ビットを先行ビット群とし
て一体に構成することが好ましい。

【００２７】このように、複数の先行ビット群をそれぞ
れ進退駆動させることで、例えば、切羽が互層状態であ
るときに、粘性土層が出現する地山位置で確実に先行掘
削溝を形成することができ、しかも、岩、礫等の地山位
置での先行ビット群の破損、欠損、磨耗等を確実に防止
することができる。

【００２８】また、先行ビット群ごとに進退駆動させる
ため、駆動手段のスペースを少なくして、限られたスペ
ース内でより多くの各種ビットを取り付けることが可能
となる。

【００２９】本発明のシールド掘進機は、前述のいずれ
かのカッタヘッドと、切羽前方の土質を探査する前方探
査手段と、前記前方探査手段による探査結果に基づき前
記先行ビットと前記ローラビットの進退駆動制御を行う
制御手段とを有することを特徴とする。

【００３０】本発明によれば、前方探査手段により切羽
前方の土質を探査し、その結果に基づいて制御手段によ
り先行ビットとローラビットの進退駆動制御を行うこと
で、切羽の状況に応じた掘削を確実に行うことができ
る。

【００３１】特に、互層状態の切羽においても、岩、礫
層部分ではローラビットを用い、粘性土層では先行ビッ
トを用いることにより、容易に切羽の状況に応じた掘削
を行うことができる。

【００３２】本発明の掘削方法は、少なくとも一対の先
行ビット、後行ビット及びローラビットを有するカッタ
ヘッドの回転によって、岩、礫層や粘性土層等の土層構
成が変化する掘削対象の地山を切削しつつ掘進し、トン
ネルを構築するための掘削方法であって、前記岩、礫層
掘削時に、前記先行ビットを前記カッタヘッド前面より
後退させ、かつ、前記ローラビットを前記カッタヘッド
前面より突出させ、前記ローラビットにより岩、礫等を
破砕する工程と、前記粘性土層掘削時に、前記ローラビ
ットを前記カッタヘッド前面より後退させ、かつ、前記
先行ビットを前記カッタヘッド前面より突出させ、少な
くとも一対の前記先行ビットにより、前記地山にほぼ等
間隔の先行掘削溝を筋状に形成する先行掘削溝形成工程
と、前記後行ビットにより、前記先行掘削溝間の掘り残
された地山を掘り起こし、固形状態を保持した掘削土砂
として切り出し掘削する切り出し掘削工程と、を含むこ
とを特徴とする。

【００３３】本発明によれば、岩、礫等の地山を掘削す
る際には、比較的破損の生じやすい先行ビットを岩、礫
等から保護した状態でローラビットによる岩、礫等の破
砕を確実に行うことができ、かつ、先行ビットの破損、
欠損、あるいは磨耗を防止することができる。

【００３４】また、粘性土等の地山を掘削する際には、
ローラビットを保護した状態で先行ビット及び後行ビッ
トによる掘削を確実に行うことができ、かつ、ローラビ
ットが地山にめり込んで切削抵抗が増大し、掘進の支障
となったり、粘土の付着により回転不能になったりする
のを防止することができる。

【００３５】さらに、粘性土等の土質の切羽を地山状態
の骨格強さを保持した固形状態の土塊として切り出し掘
削してトンネル坑外へ搬出することができ、掘削土砂の
２次処理量を大幅に減量化することができる。

【００３６】本発明においては、前記カッタヘッドに設
けた前方探査手段により切羽前方の土質を探査する工程
と、前記前方探査手段による探査結果に基づき前記先行
ビット及びローラビットを前記岩、礫層及び粘性土層に
応じて進退駆動させる工程とを含むことが好ましい。

【００３７】このようにすることで、切羽の状況に応じ
た掘削を確実に行うことができる。

【００３８】また、本発明においては、前記先行ビット
及びローラビットを前記岩、礫層及び粘性土層に応じて
進退駆動させる工程は、互層区間において前記カッタヘ
ッドが１回転する間に行われることが好ましい。

【００３９】このようにすることで、互層区間において
カッタヘッドが１回転する間に、岩、礫層部分ではロー
ラビットを用い、粘性土層では先行ビットを用いること
により、容易に各土層に応じた掘削を行うことができ
る。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００４１】図１〜９は、本発明の一実施の形態に係る
泥水式のシールド掘進機を示す図である。

【００４２】図２には泥水式のシールド掘進機の概略断
面図を示しており、このシールド掘進機１０は、曲線施
工用の中折れ式のものとなっており、前胴部１２と後胴
部１４とが中折れジャッキ１６によって曲折可能にされ
ている。

【００４３】前胴部１２の先端側には、隔壁１８とカッ
タヘッド２０によりチャンバ２２が画成され、このチャ
ンバ２２内に送泥管２１より泥水を供給して切羽２４の
安定を図りながら、カッタヘッド２０を回転させること
により、地山を掘削し、切羽２４の安定に用いられた泥
水は、チャンバ２２内で掘削土砂と撹拌混合され、排泥
管２３を介して地上へと排出されるようになっている。

【００４４】なお、カッタヘッド２０は、駆動モータ２
６によって回転駆動されるようになっている。

【００４５】また、後胴部１４には、シールドジャッキ
２８及びエレクタ３０が配設され、カッタヘッド２０の
掘削に伴ってシールドジャッキ２８にて所定距離、例え
ばセグメント３２の１リング分の距離前進し、エレクタ
３０によりセグメント３２を組み立て、さらにこの組み
立てたセグメント３２を反力受けにしてシールドジャッ
キ２８により前進しながらトンネルを構築していくよう
になっている。

【００４６】図１は、シールド掘進機１０のカッタヘッ
ド２０を示す正面図である。

【００４７】このカッタヘッド２０には、先行ビット３
４、後行ビット３６、最外周ビット３８、センタービッ
ト４０、図２に示すコピーカッタ４２等のスポーク（図
示せず）に取り付けられた各種の切羽切削用のカッタビ
ットと、切羽破砕用のローラビット４４とが配設され、
岩、礫層や粘性土層等が出現する地盤の掘削を可能にし
ている。

【００４８】先行ビット３４は、カッタヘッド２０の中
心を通る線上に複数、例えば９個配置され、図６（Ａ）
に示すように、切羽２４に所定間隔で筋状の先行掘削溝
４６を形成するようになっている。

【００４９】また、これら複数の先行ビット３４は、図
１におけるセンタービット４０の上方に位置する５つの
先行ビット３４を含む先行ビット群３５ａと、下方に位
置する４つの先行ビット３４を含む先行ビット群３５ｂ
とから構成されている。

【００５０】各先行ビット群３５ａ、３５ｂは、各先行
ビット３４が相隣り合う先行掘削溝４６を同時に形成し
ないよう、少なくとも１条おきに配置され、地山５２の
骨格強さを損なわず所定形状の先行掘削溝４６を形成す
るようにしている。

【００５１】従来の方式では、先行ビットのカッタヘッ
ドからの突出量をほぼ同一にして、相互に隣接する先行
掘削溝を形成するが、この方式では先行ビットが地山を
切削するときに与える地山への攪乱により、地山状態に
おける骨格強さを保持することができず、固形状態の掘
削土砂として切り出し掘削することは困難である。

【００５２】このような先行ビットの相互作用的な先行
掘削溝形成時の悪影響を抑えるために、本実施の形態で
は、カッタヘッド２０の回転に伴って先行ビット３４の
配置位置に応じた位相角のずれが生じることを利用し
て、隣接する先行掘削溝４６を同時に切削しないような
先行ビット３４の配置を採用する。

【００５３】すなわち、カッタヘッド２０の回転によっ
て生じる位相角が同一の線分上（カッタヘッド２０の回
転中心から円周上の１点に至る断面）に配置される先行
ビット３４は、少なくとも１条の隣接する先行掘削溝４
６を挟んだ位置の先行掘削溝３４を形成するように配置
する。

【００５４】すなわち、隣接する先行掘削溝４６を形成
する先行ビット３４同士は、カッタヘッド２０の回転に
伴って異なる位相角となるように、カッタヘッド２０に
配置する。

【００５５】このように先行ビット３４をカッタヘッド
２０に配置することにより、先行掘削溝４６の形成時に
地山の骨格強さを損なうことなく、固形状態の掘削土砂
として切り出し掘削することができる。

【００５６】具体的には、各先行ビット３４が図１の波
線で示す等間隔の円形の軌跡に沿って切羽２４に複数の
筋状の先行掘削溝４６を形成し得るようになっている。

【００５７】また、これら先行ビット群３５ａ、３５ｂ
の各先行ビット３４は、図３に示すように、それぞれ取
付台座４８に取り付けられ、この取付台座４８を先行ビ
ットジャッキ５０にて駆動することで、各先行ビット群
３５ａ、３５ｂを個別に前後方向に進退可能にしてい
る。

【００５８】なお、先行ビット３４は、カッタヘッド２
０の正転方向（図１の矢印Ｃ方向）及び逆転方向（図１
の矢印Ｄ方向）に切削用の刃を有し、正逆転両方向で切
羽２４の切削が可能にされている。

【００５９】後行ビット３６は、図６（Ｂ）、（Ｃ）に
示すように、複数の先行ビット３４によって形成される
所定間隔の先行掘削溝４６間の複数の掘り残された地山
５２を、地山５２の骨格強さを保持した直方体形状、好
ましくは立方体に近い形状の固形状態の土塊として切り
出し掘削するもので、各先行ビット３４の軌跡間に対応
して複数配設されている。

【００６０】この後行ビット３６は、カッタヘッド２０
の回転方向の一方にのみ切削用の刃を有するもので、先
行ビット群３５ａ、３５ｂの一方の片側に正転方向（図
１の矢印Ｃ方向）に刃を向けて配置した正転掘削用の後
行ビット３６ａを有する後行ビット群５４ａ、５４ｂ
と、先行ビット群３５ａ、３５ｂの他方の片側に逆転方
向（図１の矢印Ｄ方向）に刃を向けて配置した逆転掘削
用の後行ビット３６ｂを有する後行ビット群５６ａ、５
６ｂとから構成されている。

【００６１】各後行ビット群５４ａ、５４ｂ、５６ａ、
５６ｂは、各後行ビット３７ａ、３７ｂが相隣り合う先
行掘削溝４６間の地山５２を同時に掘削することがない
よう１条おきに配置され、それぞれ交互に先行掘削溝４
６間の地山５２を掘削して、最外周位置の先行掘削溝４
６間の地山５２を残して、全ての先行掘削溝４６間の地
山５２を掘削し得るようになっている。

【００６２】また、これら後行ビット群５４ａ、５４
ｂ、５６ａ、５６ｂの各後行ビット３７ａ、３７ｂは、
図４に示すように、それぞれ取付台座５８に取り付けら
れ、この取付台座５８を後行ビットジャッキ６０にて駆
動することで、各後行ビット群５４ａ、５４ｂ、５６
ａ、５６ｂを個別に前後方向に進退可能にしている。

【００６３】なお、後行ビット３６として機能させるも
のとしては、通常のシールド掘進機におけるメインビッ
トを利用できる。

【００６４】最外周ビット３８は、後行ビット３６の一
部として用いられるもので、カッタヘッド２０の最外周
位置４箇所で取付台座５８にそれぞれ取り付けられて、
各後行ビット群５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂと共に
進退駆動可能にされている。

【００６５】この最外周ビット３８は、後行ビット３７
ａ、３７ｂと同様に片側にのみ切削用の刃を有し、各取
付台座５８上の後行ビット３７ａ、３７ｂと同様の刃の
向きに配置されている。

【００６６】そして、この最外周ビット３８により、最
外周位置の先行掘削溝４６間の地山５２及びその外側の
地山を掘削するように、後行ビット３６の掘削幅よりも
最外周ビット３８の掘削幅を大きく形成している。

【００６７】なお、この最外周ビット３８によって切削
された最外周位置の先行掘削溝４６間の地山５２は、地
山５２の骨格強さを保持した固形状態の土塊として回収
されるようになっている。

【００６８】センタービット４０は、カッタヘッド２０
の中央位置に先行ビット３４及び後行ビット３７ａ、３
７ｂによって掘削されない切羽２４の中央部前面を掘削
可能に複数個一列に配置されている。

【００６９】また、このセンタービット４０の内、最も
外側に位置するセンタービット４０は、最も内側の先行
ビット３４のさらに内側の先行ビットの役割をも果たす
ようになっており、最も内側に位置する後行ビット３７
ａ、３７ｂは、最も内側の先行ビット３４が形成する先
行掘削溝４６と最も外側に位置するセンタービット４０
が形成する掘削部分との間の地山５２を、地山の骨格強
さを保持した固形状態の土塊として掘削するようになっ
ている。

【００７０】コピーカッタ４２は、図２に示すように、
先行ビット群３５ａ、３５ｂの背面側に取り付けられ、
コピーカッタジャッキ６２によりカッタヘッド２０の外
方に突出可能にされ、曲線施工時の余掘りを行えるよう
になっている。

【００７１】このように、コピーカッタ４２を先行ビッ
ト群３５ａ、３５ｂの背面側に取り付けることで、カッ
タヘッド２０の前面に多数のビットを取り付けることが
可能となる。

【００７２】ローラビット４４は、図１に示すように、
各種カッタビットの周囲に複数、例えば６個取り付けら
れて、岩、礫等の切羽２４に対応可能にされている。

【００７３】また、これらローラビット４４は、切羽２
４の正面に向いて取り付けられたものだけでなく、斜め
外方に向いた状態で取り付けられたものをも有し、岩、
礫層においても余掘りを行うことが可能になっている。

【００７４】さらに、各ローラビット４４は、図５に示
すように、筒状の台座６４の取付座６６に取り付けら
れ、この台座６４がカッタヘッド２０と一体にされた筒
状の外ケース６８内に一体的に設けられた内ケース７０
内に摺動可能に取り付けられている。

【００７５】また、内ケース７０と台座６４との間に
は、その軸方向前後位置にシール７２が設けられると共
に、このシール７２間には、２系統のオイル通路７４
ａ、７４ｂと接続した油圧チャンバ７６ａ、７６ｂが設
けられ、この油圧チャンバ７６ａ、７６ｂに圧油を供給
することで、台座６４ごとローラビット４４が外ケース
６８から出没できるように前後方向に進退駆動可能にさ
れている。

【００７６】このように、ローラビット４４を台座６４
ごと一体に出没可能とすることにより、ローラビット４
４を単体で出没させる場合に比し、強度や剛性を確保し
易くなり、高荷重に耐えられる耐久性の高い出没構造と
することができ、しかも油圧駆動とすることで小型で高
出力にすることが可能である。

【００７７】さらに、カッタヘッド２０には、前述のよ
うな各種ビットの他に、図１に示すように、切羽２４の
前方の土質を探査する前方探査手段７８を構成する送信
レーダ７８ａ及び受信レーダ７８ｂを外周部に配設し、
この前方探査手段７８による探査結果に基づいて、先行
ビット３４やローラビット４４等の進退駆動を制御する
ようにしている。

【００７８】この前方探査手段７８としては、例えば、
既知の地中探知レーダ装置を用いることができる。

【００７９】次に、前述のシールド掘進機１０を用いた
掘削方法について、図７を参照して説明する。

【００８０】まず、カッタヘッド２０を回転させながら
前方探査手段７８の送信アンテナ７８ａから切羽２４の
前方に向けて、例えば高周波のパルス状電波を送信し、
その表面伝播波及び反射波を受信アンテナ７８ｂにて受
信する。

【００８１】この受信アンテナ７８ｂに受信された表面
伝播波の伝播時間や減衰量などから切羽２４の前方の土
質、例えば種類や含水量を判別してその土質データを記
憶部８０に記憶させる。

【００８２】また、反射波により切羽前方の障害物探知
を行う。

【００８３】この前方探査手段７８による切羽２４の前
方の探査と平行して、回転角検出部８２が探査位置に対
応したカッタヘッド２０の回転角度を検出し、この回転
角度データを記憶部８０に記憶させる。

【００８４】このようにしてカッタヘッド２０が１回転
すると、切羽２４の外周位置の土質が検出され、これに
よって切羽２４全体の土質が、岩、礫層なのか、粘性土
層なのか、あるいはこれらが混在する互層状態なのかが
判別されることとなる。

【００８５】カッタヘッド２０が次の回転を開始する
と、制御部８４が記憶部８０から土質データ及び回転角
度データを読み出し、探査結果に基づいて、先行ビット
駆動部８３及びローラビット駆動部８５等を制御し、先
行ビット３４及びローラビット４４等を土質に応じて進
退駆動させる。

【００８６】すなわち、探査結果が岩、礫層のみからな
る切羽２４である場合には、先行ビットジャッキ５０に
よりカッタヘッド２０に設けた先行ビット群３５ａ、３
５ｂをカッタヘッド２０の前面より突出しないように後
退させると共に、各ローラビット４４の内ケース７０に
形成した油圧チャンバ７６ａ、７６ｂ内の油圧を調整し
て台座６４ごとローラビット４４を外ケース６８より前
方に突出させた状態とする。

【００８７】この場合、後行ビットジャッキ６０により
各後行ビット群５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂもカッ
タヘッド２０の前面より後退させて、後行ビット３６を
使用しないようにすることも可能である。

【００８８】この状態で、ローラビット４４を切羽２４
に当ててカッタヘッド２０を回転させることにより、
岩、礫層を破砕しながら掘進をすることができる。

【００８９】この場合、破砕された岩、礫等は、振動ふ
るいで容易に固液分離ができ、２次処理を省略すること
ができる。

【００９０】また、ローラビット４４による掘削時に
は、先行ビット３４及び後行ビット３６は、ローラビッ
ト４４よりも後退した状態となっているため、岩、礫等
による衝撃によって破損、欠損、磨耗することがなく、
耐久性が向上することとなる。

【００９１】次に、探査結果が比較的硬い粘性土層の切
羽２４である場合には、ローラビット４４を油圧により
台座６４ごと外ケース６８内に後退させて外ケース６８
内に格納した状態とすると共に、先行ビットジャッキ５
０により先行ビット群３５ａ、３５ｂをカッタヘッド２
０の前面より前方に突出させた状態とする。

【００９２】また、後行ビット３６は、カッタヘッド２
０の回転方向に対応させて、正転掘削用の後行ビット３
７ａを有する後行ビット群５４ａ、５４ｂまたは逆転掘
削用の後行ビット３７ｂを有する後行ビット群５６ａ、
５６ｂのいずれかを後行ビットジャッキ６０により前進
させカッタヘッド２０の前面より突出させた状態とす
る。

【００９３】この状態で、カッタヘッド２０を回転させ
ながら、先行ビット群３５ａ、３５ｂと、後行ビット群
５４ａ、５４ｂまたは５６ａ、５６ｂを用いて粘性土層
からなる切羽２４を掘削する。

【００９４】この場合、先行ビット群３５ａ、３５ｂに
より、切羽２４の表面に複数の筋状の先行掘削溝４６が
ほぼ等間隔で切削され、この先行ビット群３５ａ、３５
ｂによって切削されなかった先行掘削溝４６間の掘り残
された地山５２が後行ビット群５４ａ、５４ｂまたは５
６ａ、５６ｂにより、地山５２の骨格強さを保持した固
形状態の土塊として切り出し掘削される。

【００９５】このような掘削を行うことによって、固形
状態で切り出し掘削された掘削物が、流体（泥水）輸送
中に泥水中に溶解することなく、そのままの状態で坑外
へ搬出され、掘削土砂を固形状態の塊として１次処理で
容易に固液分離でき、２次処理を大幅に減量することが
できる。

【００９６】このように掘削土砂を固形状態で回収する
ことにより、例えば、標準貫入試験におけるＮ値が１０
以上の土質の切羽２４から１０〜８０％程度の割合で、
２次処理の不要な地山５２の骨格強さを保持した固形状
態の土塊として回収することができる。

【００９７】これにより、２次処理設備を含む立坑用地
を省面積化し、環境への影響や処理費用を抑えることが
できる。

【００９８】また、この掘削に際しては、後行ビット３
６は、後行ビット群５４ａ、５４ｂまたは５６ａ、５６
ｂの一方のみを使用しているため、この使用している後
行ビット３６が磨耗した場合やシールド掘進機の位置・
姿勢を制御する場合には、カッタヘッド２０を逆回転さ
せることにより、後行ビット３６を交換することなく掘
削を継続することができる。

【００９９】さらに、ローラビット４４は、外ケース６
８内に格納された状態となっているため、ローラビット
４４が地山にめり込んで切削抵抗が増大して掘進の支障
となったり、粘土の付着により回転不能になったりする
のを防止することができる。

【０１００】なお、軟弱粘性土層の切羽２４である場合
には、後行ビット３６のみをカッタヘッド２０の前面よ
り突出させ、先行ビット３４はカッタヘッド２０の前面
より後退させた状態として掘削することができる。

【０１０１】次に、探査結果が、図８に示すように、上
層の粘性土層８６と下層の岩、礫層８８の２層からなる
互層状態である場合には、カッタヘッド２０が１回転す
る間に、粘性土層８６に相当する回転範囲Ａにおいては
先行ビット３４及び後行ビット３６を前進させ、ローラ
ビット４４を後退させて掘削を行い、岩、礫層８８に相
当するカッタヘッド２０の回転範囲Ｂにおいては、先行
ビット３４及び後行ビット３６を後退させ、ローラビッ
ト４４を前進させて掘削を行うように制御することで、
互層状態に対応し、かつ、掘削土砂の固形回収を行うよ
うにしている。

【０１０２】さらに、探査結果が、図９に示すように、
上層の軟弱粘性土層８６ａと、中間層の岩、礫層８８
と、下層の比較的硬い粘性土層８６ｂとの３層からなる
互層状態である場合には、カッタヘッド２０が１回転す
る間に、上層の軟弱粘性土層８６ａに相当するカッタヘ
ッド２０の回転範囲Ａ１においては、先行ビット３４及
びローラビット４４を後退させ、後行ビット３６のみ前
進させて掘削を行い、中間層の岩、礫層８８に相当する
カッタヘッド２０の回転範囲Ｂにおいては、先行ビット
３４及び後行ビット３６を後退させ、ローラビット４４
を前進させて掘削を行い、下層の比較的硬い粘性土層８
６ｂに相当する回転範囲Ａ２においては先行ビット３４
及び後行ビット３６を前進させ、ローラビット４４を後
退させて掘削を行うように制御することで、３層の互層
状態に対応し、かつ、掘削土砂の固形回収を行うように
している。

【０１０３】なお、上層の軟弱粘性土層８６ａのように
層が薄い場合には、後行ビット群５４ａ、５４ｂ、５６
ａ、５６ｂを径方向で分割して進退駆動を個別に制御す
るようにすることが好ましい。

【０１０４】本発明は、前記実施の形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態
に変形可能である。

【０１０５】例えば、前記実施の形態では、先行ビット
は９つ設けられているが、少なくとも一対あればよい。

【０１０６】また、本発明の適用は、泥水式のシールド
工法に限定されず、例えば、地中連続壁工法やリバース
工法等における泥水を用いた掘削工法にも適用できる。

【０１０７】さらに、カッタヘッドとしては、上述した
円盤状のカッタヘッドだけでなく、矩形断面シールド掘
進機に用いられるドラムカッタ等に適用することも効果
的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２に示す泥水式のシールド掘進機のカッタヘ
ッドを示す拡大正面図である。

【図２】本発明の一実施の形態にかかるシールド掘進機
の概略断面図である。

【図３】先行ビットの取付状態を示す拡大断面図であ
る。

【図４】後行ビットの取付状態を示す拡大断面図であ
る。

【図５】ローラビットの取付状態を示す拡大断面図であ
る。

【図６】先行ビットと後行ビットの進退による地山の掘
削状態を平面的に示す概略図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は
先行ビットと後行ビットによる地山の掘削状態を示す図
である。

【図７】前方探査手段と先行ビット及びローラビットの
制御状態を示す機能ブロック図である。

【図８】２層の互層状態における切羽の掘削制御を示す
説明図である。

【図９】３層の互層状態における切羽の掘削制御を示す
説明図である。

【符号の説明】

１０ シールド掘進機 ２０ カッタヘッド ２４ 切羽 ３４ 先行ビット ３５ａ、３５ｂ 先行ビット群 ３６ 後行ビット ３７ａ 正転掘削用の後行ビット ３７ｂ 逆転掘削用の後行ビット ４４ ローラビット ４６ 先行掘削溝 ５２ 掘り残された地山 ５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ 後行ビット群 ６４ 台座 ７８ 前方探査手段 ８４ 制御部 ８６ 粘性土層 ８８ 岩、礫層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 幸之助 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 岩井 義雄 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 浅井 康彦 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 清水 義治 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 吉田 英 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 三谷 典夫 東京都港区赤坂２丁目３番６号 株式会社 小松製作所内 (72)発明者 岩切 満行 東京都港区赤坂２丁目３番６号 株式会社 小松製作所内 Ｆターム(参考） 2D054 BA04 BA06 BA07 BB04

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切羽に筋状の先行掘削溝を所定間隔で形
   成する少なくとも一対の先行ビットと、前記先行ビット
   により形成した先行掘削溝間の掘り残された地山を固形
   状態で掘り起こし切削する後行ビットと、岩、礫等の地
   山を掘削するためのローラビットとを有し、 少なくとも前記先行ビット及び前記ローラビットは、掘
   削する地山の状況に応じて掘進方向に進退駆動されるこ
   とを特徴とするカッタヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記先行掘削溝を複数形成するための複数の先行ビット
   が配置され、前記複数の先行掘削溝間の掘り残された地
   山を切り出し掘削する複数の後行ビットが配置されるこ
   とを特徴とするカッタヘッド。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記複数の後行ビットは、正転掘削用の後行ビットと、
   逆転掘削用の後行ビットとを含み、 前記正転掘削用の後行ビット及び逆転掘削用の後行ビッ
   トは、それぞれ前後方向に進退駆動可能にされているこ
   とを特徴とするカッタヘッド。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記ローラビットは、複数設けられ、各ローラビットは
   個別に進退駆動可能にされていることを特徴とするカッ
   タヘッド。
5. 【請求項５】 請求項２〜４のいずれかにおいて、 前記複数の先行ビットは、複数の先行ビット群にて構成
   され、 各先行ビット群は、それぞれ一体的に進退駆動可能にさ
   れていることを特徴とするカッタヘッド。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかのカッタヘッド
   と、 切羽前方の土質を探査する前方探査手段と、 前記前方探査手段による探査結果に基づき前記先行ビッ
   トとローラビットの進退駆動制御を行う制御手段とを有
   することを特徴とするシールド掘進機。
7. 【請求項７】 少なくとも一対の先行ビット、後行ビッ
   ト及びローラビットを有するカッタヘッドの回転によっ
   て、岩、礫層や粘性土層等の土層構成が変化する掘削対
   象の地山を切削しつつ掘進し、トンネルを構築するため
   の掘削方法であって、 前記岩、礫層掘削時に、前記先行ビットを前記カッタヘ
   ッド前面より後退させ、かつ、前記ローラビットを前記
   カッタヘッド前面より突出させ、前記ローラビットによ
   り岩、礫等を破砕する工程と、 前記粘性土層掘削時に、前記ローラビットを前記カッタ
   ヘッド前面より後退させ、かつ、前記先行ビットを前記
   カッタヘッド前面より突出させ、少なくとも一対の前記
   先行ビットにより、前記地山にほぼ等間隔の先行掘削溝
   を筋状に形成する先行掘削溝形成工程と、 前記後行ビットにより、前記先行掘削溝間の掘り残され
   た地山を掘り起こし、固形状態を保持した掘削土砂とし
   て切り出し掘削する切り出し掘削工程と、 を含むことを特徴とする掘削方法。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記カッタヘッドに設けた前方探査手段により切羽前方
   の土質を探査する工程と、 前記前方探査手段による探査結果に基づき前記先行ビッ
   ト及びローラビットを前記岩、礫層及び粘性土層に応じ
   て進退駆動させる工程と、 を含むことを特徴とする掘削方法。
9. 【請求項９】 請求項８において、 前記先行ビット及びローラビットを前記岩、礫層及び粘
   性土層に応じて進退駆動させる工程は、互層区間におい
   て前記カッタヘッドが１回転する間に行われることを特
   徴とする掘削方法。