JP2005030102A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】 カッタの回転に影響されることなく、撹拌翼の回転速度を調整することにより、チャンバ内の掘削土砂を十分に撹拌して排土に適した土質に改良することができるシールド掘進機を提供することを課題としている。
【解決手段】 カッタ１０と、カッタ１０の駆動手段３０を有する筒体部２０とを備え、カッタ１０と筒体部２０の隔壁２１との間に形成されたチャンバ２２内に、掘削土砂が取り込まれるように構成されているシールド掘進機１ａであって、チャンバ２２内の掘削土砂を撹拌するための撹拌手段４０と、チャンバ２２内から掘削土砂を排出するためのスクリュコンベア（排土手段）２３とを有し、撹拌手段４０は、カッタ１０の後面１２に取り付けられている固定軸４１と、撹拌翼４２を周囲に備えた出力部４３が固定軸４１周りに回転可能なアウターモータ（油圧モータ）４４とから構成されていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地盤を掘削するためのシールド掘進機に関する。

従来、地盤を掘削するためのシールド掘進機としては、地盤を掘削可能なカッタディスクと、カッタディスクを回転させるための駆動モータを有する筒体部とを備え、カッタディスクと筒体部の前面を閉塞している隔壁との間に形成されたチャンバ内に取り込まれた掘削土砂を撹拌するための撹拌手段と、チャンバ内から掘削土砂を排出するためのスクリュコンベヤとを有している土圧式のシールド掘進機がある。

従来のシールド掘進機における撹拌手段としては、チャンバ内に突出するようにして、複数の撹拌棒をカッタディスクの後面に取り付け、各撹拌棒をカッタディスクの回転中心と同心で公転させることにより、チャンバ内の掘削土砂全体を撹拌するように構成されているものがある。これにより、チャンバ内の掘削土砂を排土に適した土質に改良し、掘削土砂の排土効率を高めることができる。また、チャンバ内に作泥剤を注入して掘削土砂の粘度を調整する場合には、撹拌手段によって作泥剤と掘削土砂を撹拌混合することができる。

また、掘削断面を大きくするためにカッタディスクの前面および後面の面積が大きく形成されている場合には、チャンバ内に突出するようにして、カッタディスクの後面に取り付けられている支軸（遊星シャフト）周りに撹拌翼（撹拌羽根）を自転させながら、撹拌翼をカッタディスクの回転中心と同心で公転させることにより、撹拌効率を高めるように構成されている撹拌手段（撹拌羽根駆動機構）がある。
ここで、撹拌翼の自転および公転は、遊星歯車機構を利用して行われており、筒体部（胴部材）内にカッタディスクの回転中心と同心のリングギヤを設け、このリングギヤに噛合させた遊星ギヤに撹拌翼の支軸の一端を固着させるとともに、太陽ギヤを筒体部に固定させている。そして、リングギヤを駆動モータによって回転させることにより、遊星ギヤの回転に連動して撹拌翼を自転させながら、カッタディスクの回転中心と同心で公転させている。また、撹拌翼の支軸の他端はカッタディスクの後面に取り付けられており、撹拌翼の公転に連動してカッタディスクが回転するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−０３５０９３号公報（段落００２０〜００２１、図１）

しかしながら、従来のシールド掘進機では、以下の問題がある。
撹拌翼がカッタディスクの回転に連動して自転するため、カッタディスクの掘削状況によって撹拌翼の回転速度が決定されてしまう。特に、カッタディスクの回転を停止した場合には、撹拌翼の自転も停止してしまうため、掘削土砂の撹拌が不十分な状態であっても、撹拌作業を停止することになってしまう。

したがって、従来のシールド掘進機では、撹拌翼がカッタディスクの回転と連動して自転しており、掘削土砂の土質に対応して撹拌程度を調整することができないため、チャンバ内の掘削土砂を十分に撹拌することが困難になってしまうという問題がある。

本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、カッタの回転に影響されることなく、撹拌翼の回転速度を調整することにより、チャンバ内の掘削土砂を十分に撹拌して排土に適した土質に改良することができるシールド掘進機を提供することを課題としている。

本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、請求項１に記載の発明は、掘進方向の軸周りに回転可能なカッタと、カッタの後方に配置され、カッタの駆動手段を有する筒体部とを備え、カッタと筒体部の前面を閉塞している隔壁との間に形成されたチャンバ内に、カッタによって掘削された掘削土砂が取り込まれるように構成されているシールド掘進機であって、チャンバ内の掘削土砂を撹拌するための撹拌手段と、チャンバ内から掘削土砂を排出するための排土手段とを有し、撹拌手段は、チャンバ内に突出するようにして、カッタの後面に取り付けられている固定軸と、固定軸が内挿され、撹拌翼を周囲に備えた出力部が固定軸周りに回転可能な油圧モータとから構成されていることを特徴としている。

ここで、カッタは、地盤を確実に掘削し、掘削土砂をチャンバ内に取り込むことができるのであれば、その形状や構成は限定されるものではない。
また、排土手段は、チャンバ内から掘削土砂をシールド掘進機の外部に排出させるものであり、例えば、チャンバ内に連通するようにして筒体部内にスクリュコンベヤを設け、このスクリュコンベヤによってチャンバ内の掘削土砂を排出させる構成がある。
さらに、出力部が軸周りに回転可能な油圧モータは、ラジアルピストンモータやアキシャルピストンモータなどの既存の油圧モータである。
また、油圧モータの出力部の周囲に設けられている撹拌翼は、チャンバ内の掘削土砂を効率良く撹拌することができるものであれば、その形状は限定されるものではない。

この発明によれば、撹拌翼は、カッタの後面に取り付けられている固定軸周りに回転する油圧モータの出力部に設けられており、カッタを回転させるための駆動手段とは別の駆動要素によって独立して自転させることができるため、カッタの回転に影響されることなく、撹拌翼の回転速度を調整することができ、カッタの回転が停止している場合であっても、撹拌翼を自転させることができる。これにより、チャンバ内の掘削土砂を十分に撹拌して排土に適した土質に改良することができるため、チャンバ内に取り込まれた掘削土砂の排土効率を高めることができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のシールド掘進機であって、隔壁には、カッタの回転中心と同心の円周状に形成されているガイド孔が隔壁を貫通した状態で設けられており、固定軸は、ガイド孔を貫通して筒体部内の駆動手段に接続され、駆動手段が固定軸をガイド孔に沿って円周移動させることにより、カッタが回転するように構成されていることを特徴としている。

この発明によれば、固定軸の一端はカッタの後面に取り付けられ、他端は筒体部内の駆動手段に支持されるため、撹拌手段の強度を高めることができる。これにより、撹拌翼を安定した状態で回転させることができるため、掘削土砂の撹拌効率を高めることができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のシールド掘進機であって、カッタの後面における回転中心には、掘進方向に軸方向が配置されている中心軸の一端が取り付けられており、中心軸の他端は、回転可能な状態で隔壁に支持されているとともに、中心軸には、撹拌翼を周囲に備えた出力部が中心軸周りに回転可能な油圧モータが取り付けられていることを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明は、掘進方向の軸周りに回転可能なカッタと、カッタの後方に配置され、カッタの駆動手段を有する筒体部とを備え、カッタと、筒体部の前面を閉塞している隔壁との間に形成されたチャンバ内に、カッタによって掘削された掘削土砂が取り込まれるように構成されているシールド掘進機であって、カッタの後面における回転中心には、掘進方向に軸方向が配置されている中心軸の一端が取り付けられており、中心軸の他端は、回転可能な状態で隔壁に支持されているとともに、中心軸には、撹拌翼を周囲に備えた出力部が中心軸周りに回転可能な油圧モータが取り付けられていることを特徴としている。

請求項３および請求項４に記載の発明によれば、チャンバ内の中心部で撹拌翼を回転させることができるため、チャンバ内に取り込まれた掘削土砂全体を均一に撹拌することができる。

したがって、本発明のシールド掘進機では、カッタの回転に影響されることなく、チャンバ内の掘削土砂を十分に撹拌して排土に適した土質に改良することができ、掘削土砂の排土効率を高めることができるため、地盤を効率良く掘削することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

本発明の実施形態に係るシールド掘進機を用いてトンネルを構築する場合を例として説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機の前部を示した側断面図である。

まず、本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機の構成について説明する。
なお、本実施形態における前後方向とは、シールド掘進機の掘進方向に対応しており、図１の左側が前方であり、図１の右側が後方となっている。
シールド掘進機１ａは、図1に示すように、掘進方向の軸周りに回転可能なカッタ１０と、カッタ１０の後方に配置され、カッタ１０の駆動手段３０を有する筒体部２０とを備え、カッタ１０と、筒体部２０の前面を閉塞している隔壁２１との間に形成されたチャンバ２２内に、カッタ１０によって掘削された掘削土砂が取り込まれるように構成されている。さらに、シールド掘進機１ａは、チャンバ２２内の掘削土砂を撹拌するための撹拌手段４０と、チャンバ２２内の掘削土砂を排出するためのスクリュコンベヤ（請求項における「排土手段」）２３とを有しており、掘削土砂をチャンバ２２内で撹拌した後に排土するように構成されている。

カッタ１０は、前面１１と後面１２が円形の垂直面に形成されている円板状の部材であり、前面１１には複数のビット１３が円中心から放射状に配置され、後面１２の円中心には掘削方向に軸方向が配置されている中心軸１４の前端部が取り付けられている。
このカッタ１０は、前面１１を地盤に当接させた状態で中心軸１４を回転させることによりカッタ１０全体を回転させ、前面１１の各ビット１３によって地盤を掘削するように構成されている。
また、カッタ１０には、正面視で扇形状の開口部１５が複数貫通しており、前面１１によって掘削された掘削土砂が各開口部１５を通じてチャンバ２２内に取り込まれるように構成されている。

撹拌手段４０は、カッタ１０の後面１２の円中心を挟んで２基の撹拌手段４０，４０が所定間隔を離して設けられており、チャンバ２２内に突出するようにして、後面１２に対して水平に取り付けられている固定軸４１と、固定軸４１が内挿され、棒状部材である複数の撹拌翼４２を周囲に備えた出力部４３が固定軸４１周りに回転可能な油圧モータ（以下、「アウターモータ」という）４４とから構成されている。
なお、アウターモータ４４は、内挿された固定軸４１周りに出力部４３が回転する外周駆動型のラジアルピストンモータである。
この撹拌手段４０では、固定軸４１がカッタ１０の回転に連動して移動し、さらに、固定軸４１周りにアウターモータ４４の出力部４３が回転するように構成されている。すなわち、出力部４３の周囲に取り付けられている撹拌翼４２は、固定軸４１周りに自転しながらカッタ１０の回転中心と同心で公転することになる。

また、カッタ１０の後面１２に取り付けられている中心軸１４の後端部は、隔壁２１に設けられた中心孔２５を貫通して筒体部２０内に突出した状態となっており、中心孔２５の内周面に嵌め込まれているベアリングによって軸周りに回転可能となっている。また、中心軸１４の後端部には、中心軸１４の軸周りに歯部が形成されたギヤ１６が取り付けられている。
さらに、中心軸１４には、複数の撹拌翼５２を周囲に備えた出力部５１が中心軸１４周りに回転可能なアウターモータ５０が外挿されており、このアウターモータ５０の撹拌翼５２がチャンバ２２内で回転するように構成されている。

ここで、中心軸１４、カッタ１０および各固定軸４１，４１の内部には、各撹拌手段４０，４０および中心軸１４の各アウターモータ４４，５０に駆動油を供給するための給油経路（図示せず）が設けられており、隔壁２１よりも後方で中心軸１４に取り付けられているロータリジョイント１７を介して、給油経路と給油ホース１８が連通している。
そして、給油ホース１８から供給された駆動油が給油経路を通じて各撹拌手段４０，４０および中心軸１４のアウターモータ４４，５０に供給されるように構成されている。同様にして、中心軸１４、カッタ１０および各固定軸４１，４１の内部には、各アウターモータ４４から排出される駆動油の排油経路（図示せず）が設けられており、ロータリジョイント１７を介して排油ホース１９から駆動油が排出されるように構成されている。
これにより、アウターモータ４４，５０に給油ホース１８および排油ホース１９を直接取り付ける必要がなくなるため、アウターモータ４４，５０の駆動時にホースの絡みを考慮する必要がなくなり、さらに、固定軸４１にスイベルジョイントを設ける必要もないため、シールド掘進機１ａの構成を簡易化することができる。

筒体部２０は、軸方向が水平に配置され、カッタ１０と同径の円筒状に形成されている外壁部２４を有しており、外壁部２４の前面は隔壁２１によって閉塞され、この隔壁２１とカッタ１０の後面１２との間にチャンバ２２が形成されている。なお、外壁部２４の前端部は隔壁２１よりも前方に突出しており、チャンバ２２の周囲を囲むように形成されている。また、隔壁２１よりも後方の外壁部２４内には、チャンバ２２内の掘削土砂を排出するためのスクリュコンベヤ２３と、カッタ１０を回転させるための駆動手段３０とが設けられている。
スクリュコンベヤ２３は、その前端部がチャンバ２２の下端部と連通するようにして隔壁２１を貫通しており、筒体部２０内で前端部から斜め上方に傾斜した状態で配置されている。これにより、スクリュコンベヤ２３によってチャンバ２２内の掘削土砂を筒体部２０の後方に排土することができる。

駆動手段３０は、外壁部２４の内側に設けられている取付台座３３上に設置されている駆動モータ３２によってカッタ１０を回転させるように構成されており、駆動モータ３２の回転軸の前端部には、中心軸１４のギヤ１６と噛合しているギヤ３１が取り付けられている。これにより、駆動モータ３２の回転軸を回転させることによって中心軸１４を回転させ、中心軸１４が取り付けられているカッタ１０を回転させることができる。
さらに、筒体部２０内には、シールド掘進機１ａを掘進方向に移動させるための油圧シリンダ（図示せず）が設けられており、油圧シリンダを伸長させることにより、シールド掘進機１ａが掘進方向に移動するように構成されている。

次に、シールド掘進機１ａを用いた地盤の掘削について説明する。
まず、図１に示すように、掘削対象となる地盤にカッタ１０の前面１１が対峙するようにしてシールド掘進機１ａを設置し、駆動手段３０によってカッタ１０を回転させるとともに、給油ホース１８から駆動油を供給し、各撹拌手段４０，４０および中心軸１４のアウターモータ４４，５０の撹拌翼４２，５２を回転させる。

さらに、シールド掘進機１ａを掘進方向に移動させ、カッタ１０の前面１１で地盤を掘削する。そして、掘削された掘削土砂はカッタ１０の各開口部１５を通じてチャンバ２２内に取り込まれる。チャンバ２２内では、各撹拌手段４０，４０の撹拌翼４２が固定軸４１周りに自転しながらカッタ１０の回転中心と同心で公転するとともに、カッタ１０の回転中心と同心位置で中心軸１４のアウターモータ５０の撹拌翼５２が回転しているため、各撹拌翼４２，５２によってチャンバ２２内に取り込まれた掘削土砂全体が均一に撹拌される。
このようにして、チャンバ２２内で十分に撹拌されて粉砕されることにより、排土に適した土質に改良された掘削土砂は、スクリュコンベヤ２３によってシールド掘進機１ａの外部に排出される。

なお、各撹拌翼４２，５２は、アウターモータ４４，５０の出力部４３，５１の周囲に設けられており、カッタ１０を回転させるための駆動手段３０とは別の駆動要素によって回転するため、カッタ１０の回転に影響されることなく、撹拌翼４２の回転速度を調整することができる。これにより、カッタ１０の回転を停止させた後でもチャンバ２２内の掘削土砂を撹拌することができるため、掘削土砂を確実に所望の土質にすることができる。

したがって、本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機１ａでは、カッタ１０の回転に影響されることなく、チャンバ２２内の掘削土砂を十分に撹拌して排土に適した土質に改良することができるため、チャンバ２２内に取り込まれた掘削土砂の排土効率を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るシールド掘進機について説明する。
第２実施形態に係るシールド掘進機は、第１実施形態に係るシールド掘進機と略同様の構成であり、カッタを回転させる構成が異なっている。
図２は、本発明の第２実施形態に係るシールド掘進機の前部を示した側断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に係るシールド掘進機を示した図で、（ａ）は部分断面正面図、（ｂ）は図２のＡ−Ａ断面図である。

第２実施形態に係るシールド掘進機１ｂの駆動手段６０は、図２および図３に示すように、カッタ１０の回転中心と同心の円周状に形成され、筒体部２０内に配置されているリングギヤ６１と、外壁部２４の内側の左右側部（図３（ｂ）における左右方向）および上部側部に設けられている各取付台座６３に設置されている３基の駆動モータ６２とから構成されている。この駆動手段６０は、リングギヤ６１の外周面に形成されている歯部と、駆動モータ６２の回転軸に取り付けられているギヤ６４とを噛合させることにより、リングギヤ６１を３基の駆動モータ６２によってカッタ１０の回転中心と同心で回転させるように構成されている。なお、本実施形態では、３基の駆動モータ６２によってリングギヤ６１を回転させているが、駆動モータ６２の台数は限定されるものではなく、６基から８基の駆動モータ６２を用いてリングギヤ６１を効率良く回転させることが好ましい。

また、隔壁２１には、カッタ１０の回転中心と同心の円周状に形成されているガイド孔２６が隔壁２１を貫通した状態で設けられており、ガイド孔２６における両側の内周面にはベアリングが嵌め込まれている。
さらに、各撹拌手段４０，４０の固定軸４１’の後端部は、ガイド孔２６を貫通してリングギヤ６１の内周面に取り付けられており、ガイド孔２６の内部に沿って移動可能となっている。
これにより、駆動手段６０を構成している駆動モータ６２，６２がリングギヤ６１を回転させ、この回転に連動させて各固定軸４１，４１をガイド孔２６の内部に沿って円周移動させることにより、各固定軸４１，４１の前端部が取り付けられているカッタ１０を回転させることができるように構成されている。
なお、符号２８は、ガイド孔２６から筒体部２０内への掘削土砂の流入を防止するために、ガイド孔２６内に嵌め込まれている円周状の内嵌部材であり、各固定軸４１，４１に取り付けられており、各固定軸４１，４１に連動してガイド孔２６内で移動するように構成されている。また、符号２７は、内嵌部材２８とガイド孔２６の内周縁および外周縁との隙間を塞ぐようにして、カッタ１０の前面１１に設けられているシール部材であり、内嵌部材２８に連動してカッタ１０の前面１１を摺動するように構成されている。

したがって、第２実施形態に係るシールド掘進機１ｂでは、固定軸４１’の前端部はカッタ１０の後面１２に取り付けられ、後端部は筒体部２０内の駆動手段６０に支持されているため、撹拌手段４０の強度を高めることができる。これにより、撹拌翼４２を安定した状態で回転させることができるため、掘削土砂の撹拌効率を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、撹拌手段は２基に限定されるものではなく、各アウターモータに駆動油を供給することができるのであれば、カッタの後面に２基以上の撹拌手段を設けてもよい。
また、隣り合うアウターモータの撹拌翼を互いに異なる方向に回転させ、各撹拌翼の間の掘削土砂を確実に撹拌することにより、撹拌効率を高めることができる。

さらに、図４の側断面図に示すように、カッタ１０の後面１２に撹拌手段４０（図１参照）を設けることなく、中心軸１４に設けたアウターモータ５０の撹拌翼５２によってチャンバ２２内の掘削土砂を撹拌するように構成してもよい。このシールド掘進機１ｃでは、撹拌手段を備えた場合と比較して各撹拌翼５２の長さを大きくすることにより、チャンバ２２内の掘削土砂を撹拌することができるため、シールド掘進機１ｃの構成を簡易化することができる。

さらに、チャンバ内に作泥剤を注入可能な注入手段を筒体部内に設け、作泥剤が注入された掘削土砂を撹拌翼によって撹拌混合することにより、掘削土砂を排土に適した粘度に調整するように構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機の前部を示した側断面図である。 本発明の第２実施形態に係るシールド掘進機の前部を示した側断面図である。 本発明の第２実施形態に係るシールド掘進機を示した図で、（ａ）は部分断面正面図、（ｂ）は図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るシールド掘進機の前部における他の構成を示した側断面図である。

符号の説明

１ａ シールド掘進機（第１実施形態）
１ｂ シールド掘進機（第２実施形態）
１０ カッタ
１４ 中心軸
２０ 筒体部
２１ 隔壁
２２ チャンバ
２３ スクリュコンベヤ
３０ 駆動手段
４０ 撹拌手段
４４ アウターモータ（撹拌手段）
５０ アウターモータ（中心軸）

Claims (4)

1. 掘進方向の軸周りに回転可能なカッタと、
   前記カッタの後方に配置され、前記カッタの駆動手段を有する筒体部と、を備え、
   前記カッタと、前記筒体部の前面を閉塞している隔壁との間に形成されたチャンバ内に、前記カッタによって掘削された掘削土砂が取り込まれるように構成されているシールド掘進機であって、
   前記チャンバ内の掘削土砂を撹拌するための撹拌手段と、
   前記チャンバ内から掘削土砂を排出するための排土手段と、を有し、
   前記撹拌手段は、
   前記チャンバ内に突出するようにして、前記カッタの後面に取り付けられている固定軸と、
   前記固定軸が内挿され、撹拌翼を周囲に備えた出力部が前記固定軸周りに回転可能な油圧モータと、から構成されていることを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記隔壁には、前記カッタの回転中心と同心の円周状に形成されているガイド孔が前記隔壁を貫通した状態で設けられており、
   前記固定軸は、前記ガイド孔を貫通して前記筒体部内の前記駆動手段に接続され、前記駆動手段が前記固定軸を前記ガイド孔に沿って円周移動させることにより、前記カッタが回転するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記カッタの後面における回転中心には、掘進方向に軸方向が配置されている中心軸の一端が取り付けられており、
   前記中心軸の他端は、回転可能な状態で前記隔壁に支持されているとともに、
   前記中心軸には、前記撹拌翼を周囲に備えた出力部が前記中心軸周りに回転可能な油圧モータが取り付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 掘進方向の軸周りに回転可能なカッタと、
   前記カッタの後方に配置され、前記カッタの駆動手段を有する筒体部と、を備え、
   前記カッタと、前記筒体部の前面を閉塞している隔壁との間に形成されたチャンバ内に、前記カッタによって掘削された掘削土砂が取り込まれるように構成されているシールド掘進機であって、
   前記カッタの後面における回転中心には、掘進方向に軸方向が配置されている中心軸の一端が取り付けられており、
   前記中心軸の他端は、回転可能な状態で前記隔壁に支持されているとともに、
   前記中心軸には、前記撹拌翼を周囲に備えた出力部が前記中心軸周りに回転可能な油圧モータが取り付けられていることを特徴とするシールド掘進機。

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