JP2006336426A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】円形とは異なる概ね矩形断面形状の掘削を実現するトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】ルーローの三角形状の断面形状を有するルーロー回転軸１１、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状部分の外幅を一辺とする正方形状の内形を呈して当該ルーローの三角形状部分を回転可能に支持する軸受１２、およびルーロー回転軸１１を回転駆動する駆動機構を有した胴部と、胴部の前面に延出したルーロー回転軸１１の端においてルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の断面を拡大してルーロー回転軸１１のルーローの三角形状に対して重心Ｇおよび頂点Ｔの向きを一致させたルーローの三角形の範囲内であって少なくとも重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線に沿って設けた掘削カッタ２とを備える。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部が通過でき、ほぼ正方形状（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘進を行うトンネル掘削機が得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するトンネル掘削機に関するものである。

一般的なトンネル掘削機は、カッターヘッドを回転させることによって当該カッターヘッドで地盤を掘削するものが知られている。このようなトンネル掘削機は、カッターヘッドが回転することから必然的にトンネル断面形状が円形になる。しかし、鉄道や道路などのトンネル利用空間は、トンネル断面形状がほぼ矩形であることが多く、上記円形の範囲内にほぼ矩形の鉄道や道路などの空間を構築する。このため、利用空間以上の掘削を行うことになるので、用地面積が多く必要となることを加えて建設費が嵩むという問題がある。

従来、正方形状穴明け加工装置として、ルーローの三角形なるルーロー三角形回転体に切削用バイトを設け、当該ルーロー三角形回転体を回転することで、被加工物に正方形状の穴明けを行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２６７９５０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に参照する正方形状穴明け加工装置は、トンネル掘削機として適用することが困難である。すなわち、特許文献１では、正方形の穴を有した固定板をガイドにしてルーロー三角形回転体を回転可能に支持し、このルーロー三角形回転体に設けた切削用バイトによって穴明けを行っている。これでは、被加工物に穴明けされた正方形状の穴は、固定板に設けた正方形の穴と同等の大きさの穴であるため、トンネル掘削機としては掘削したトンネルの断面形状よりも大きな装置が必要になるので適用できない。また、特許文献１では、正方形の穴明けしか対応できない。

なお、断面形状が円形とは異なるほぼ矩形断面の掘削を行うトンネル掘削機として、カッターヘッドが回転途中で伸縮するなどの構成が考えられるが、複雑な機構であるため、故障が起こりやすく信頼性が低く、さらにコストが嵩むなどの問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みて、円形とは異なるほぼ矩形断面形状の掘削を実現することができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係るトンネル掘削機は、ルーローの三角形状の断面形状を有するルーロー回転軸、前記ルーロー回転軸のルーローの三角形状部分の外幅を一辺とする正方形状の内形を呈して当該ルーローの三角形状部分を回転可能に支持する軸受、および前記ルーロー回転軸を回転駆動する駆動機構を有した胴部と、前記胴部の前面に延出した前記ルーロー回転軸の前端に設けてあって当該ルーロー回転軸のルーローの三角形状の断面を拡大して前記ルーロー回転軸のルーローの三角形状に対して重心および頂点の向きを一致させたルーローの三角形の範囲内で少なくとも重心から頂点に至る延長線に沿って形成した掘削カッタとを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に係るトンネル掘削機は、上記請求項１において、前記ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向でずらして配置したことを特徴とする。

本発明の請求項３に係るトンネル掘削機は、上記請求項１において、前記ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向で並べて配置しつつ、隣接する各ルーロー回転軸を逆方向に回転駆動することを特徴とする。

本発明の請求項４に係るトンネル掘削機は、上記請求項３において、隣接する相互の掘削カッタの回転位置の位相を異ならせることを特徴とする。

本発明の請求項５に係るトンネル掘削機は、上記請求項１〜４のいずれか一つにおいて、前記胴部の前面と前記掘削カッタとの間に相互の摩擦を低減する摺動材を設けたことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機は、駆動機構の駆動力をルーロー回転軸に伝達することによって、ルーロー回転軸のルーローの三角形状が軸受の正方形状の内形にしたがって輪転運動を行う。このため、ルーロー回転軸に設けた掘削カッタは、ルーロー回転軸のルーローの三角形状の輪転運動に伴ってほぼ矩形状の軌跡をなす。この結果、ほぼ矩形状の断面の掘削孔を掘進することができる。特に、掘削カッタは、ルーロー回転軸のルーローの三角形状の断面を拡大して、ルーロー回転軸のルーローの三角形状に対して重心および頂点の向きを一致させたルーローの三角形状の範囲内で少なくとも拡大したルーローの三角形の重心から頂点に至る延長線に沿って形成してある。このため、掘進した掘削孔の断面形状は、ルーロー回転軸を支持する軸受の内形よりも大きくなるので、ルーロー回転軸の回転に伴い回転した掘削カッタが描く掘削孔の断面形状の範囲内に胴部の輪郭を形成することができる。この結果、掘削カッタが先行して掘進した掘削孔に胴部が通過できるので、ほぼ矩形状の掘削断面の掘進を行うトンネル掘削機を得ることができる。このトンネル掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔を掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。

ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向でずらして配置したことにより、ほぼ矩形状の掘削断面を一連に連続した掘削断面の掘進を行うことができる。

掘削カッタをルーローの三角形状の重心から頂点に至る延長線に沿って形成し、ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向で並べて配置しつつ、隣接する各ルーロー回転軸を逆方向に回転駆動する。この結果、ほぼ矩形状の掘削断面を一連に連続した掘削断面の掘削を行うことができ、かつ、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することができる。さらに、隣接する相互の掘削カッタの回転位置の位相を異ならせることにより、各掘削カッタの干渉を防ぐことができる。

胴部の前面と掘削カッタとの間に相互の摩擦を低減する摺動材を設けたことにより、掘削カッタを常にルーロー回転軸（トンネル掘削機の掘進方向）に垂直な位置にすることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るトンネル掘削機の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明に係るトンネル掘削機の実施の形態を示す断面側面図、図２は図１に示すトンネル掘削機を軸方向から視た概念図である。

図１に示すようにトンネル掘削機は、胴部１と掘削カッタ２とを備えている。胴部１は、掘削カッタ２を支持しつつ掘削カッタ２を駆動するものであって、掘削機の外郭をなし、その内部にルーロー回転軸１１、軸受１２および駆動機構１３を有している。

ルーロー回転軸１１は、自身の軸方向に長手状に形成してあり、軸線に直交する断面形状が図２に示すようにルーローの三角形状に形成してある。ルーローの三角形状は、正三角形の各頂点を中心として他の頂点を結ぶ円弧を描いてなる形状を呈し、その外幅（差し渡し幅）がいずれも定幅なものである。このルーロー回転軸１１は、前端が胴部１の前面側に延出し、後端が胴部１の内部に延在して配置してある。

軸受１２は、胴部１に固定してあって、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状部分を回転可能に支持するものであり、図２に示すようにルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の外幅を一辺とする正方形状の内形を呈している。この軸受１２は、ルーロー回転軸１１の長手方向に沿って複数（本実施の形態では２つ）設けてあり、ルーロー回転軸１１を振れなく安定して支持することが可能になる。また、軸受１２は、複数に限らずルーロー回転軸１１の長手方向に長い内形を有していても、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状部分を振れなく安定して支持することが可能である。

なお、ルーロー回転軸１１は、軸受１２によって支持される部位のみの断面形状がルーローの三角形状としてあればよい。また、図には明示しないがルーロー回転軸１１のルーローの三角形状部分と軸受１２とが互いに接触する部位には摩擦を低減する部材を配置することが好ましい。

駆動機構１３は、軸受１２に支持してあるルーロー回転軸１１を回転駆動するためのものであり、自在継手１３１、主回転軸１３２、減速部１３３および駆動源１３４を有している。自在継手１３１は、２つの軸をある角度をもって連結する場合に用いられるものであって、２つの軸間の相対的な位置や角度が変化しても各軸間の駆動力の伝達に影響を生じないものである。この自在継手１３１は、その一端がルーロー回転軸１１の後端に接続してある。主回転軸１３２は、円柱状に形成してあり、胴部１に固定した軸受１３２ａを介して回転可能に支持してある。この主回転軸１３２の前端には、自在継手１３１の他端が接続してある。減速部１３３は、いわゆる減速歯車であって主回転軸１３２の後端に配置してある。駆動源１３４は、例えばモータなどからなり、その回転出力軸１３４ａに設けた出力歯車１３４ｂを減速部１３３の減速歯車に噛合してある。すなわち、駆動機構１３は、駆動源１３４の駆動力を、減速部１３３、主回転軸１３２および自在継手１３１を介してルーロー回転軸１１に伝達する。なお、上記減速歯車以外にベルトやチェーンなどの伝達体を用いてもよい。

掘削カッタ２は、胴部１の前面に延出したルーロー回転軸１１の前端に設けてある。図２に示すように掘削カッタ２は、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の断面を等比率で拡大して、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状に対して重心Ｇおよび頂点Ｔの向きを一致させたルーローの三角形状の範囲内であって、少なくとも拡大したルーローの三角形の重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線に沿って設けてある。具体的に掘削カッタ２は、拡大したルーローの三角形状の重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線に沿って延在する放射状の３つの掘削翼２１からなる。掘削翼２１の先端の角度θは、拡大したルーローの三角形状の重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線を中心とした１２０°程度であり、拡大したルーローの三角形状の範囲内に掘削カッタ２を収めるため好ましい。そして、掘削翼２１の前面には、重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線の箇所に掘削ビット２２が設けてある。なお、掘削翼２１は、上記３つである必要はなく少なくとも１つあればよい。また、掘削翼２１を複数設けた場合、各掘削翼２１を連結する連結材（図示せず）を設けてもよい。連結材を設けることで掘削翼２１の強度を向上することが可能である。

また、図１に示すように胴部１の前面と掘削カッタ２との間には、相互の摩擦を低減する摺動材３が設けてある。この摺動材３は、胴部１側あるいは掘削カッタ２側のいずれに設けてあってもよい。

上記構成のトンネル掘削機は、駆動機構１３の駆動力をルーロー回転軸１１に伝達することによって、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状が、軸受１２の正方形状の内形にしたがって輪転運動を行う。このため、ルーロー回転軸１１に設けた掘削カッタ２は、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の輪転運動に伴ってその頂点Ｔが正方形状を基にしたほぼ矩形状の軌跡をなす。この結果、ほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進することが可能になる。このため、図２に二点鎖線で示す従前の断面円形の掘削孔Ｈ’と比較して、不要な空間を掘削せずに利用空間のみの掘削が行えるので、必要以外の用地面積を要さないことを加えて建設費を低減することが可能になる。

さらに、掘削カッタ２が、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の断面を等比率で拡大して、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状に対して重心Ｇおよび頂点Ｔの向きを一致させたルーローの三角形状の範囲内で、少なくとも拡大したルーローの三角形の重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線に沿って設けてある。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状は、ルーロー回転軸１１を支持する軸受１２の内形よりも大きくなるので、ルーロー回転軸１１の回転に伴い回転した掘削カッタ２が描く掘削孔Ｈの断面形状の範囲内に胴部１の前面視の輪郭を形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、掘削断面がほぼ矩形状の掘削孔Ｈの掘進を行うトンネル掘削機を得ることが可能になる。このトンネル掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。

また、胴部１の前面と掘削カッタ２との間に相互の摩擦を低減する摺動材３を設けたことにより、掘削カッタ２を常にルーロー回転軸１１（トンネル掘削機の掘進方向）に垂直な位置にすることが可能になる。

なお、図２に示す掘削カッタ２は、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の断面を等比率で拡大してあり、その拡大率を２倍としてある。掘削カッタ２の拡大率が２倍以上である場合には、掘削孔Ｈの断面形状が正方形状（矩形状）から遠ざかり丸みを帯びてしまう。一方、掘削カッタ２の拡大率が２倍以下である場合には、掘削孔Ｈの断面形状がより正方形状（矩形状）に近づくが、掘削孔Ｈの断面形状の内部に占めるルーロー回転軸１１の太さが太くなる。このため、所望とする断面形状に合わせて掘削カッタ２を設定することが好ましく、ほぼ正方形状（ほぼ矩形状）の断面形状の掘削孔Ｈを掘削する場合には、拡大率１．２〜２倍程度の掘削カッタ２を適用することが好ましい。また、丸みを帯びた断面ほぼ矩形状の掘削孔Ｈは、断面矩形状と比較して隅部への応力集中を緩和することができるのでトンネル掘削に際して適している。

ところで、上記構成のトンネル掘削機において、ルーロー回転軸１１を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタ２の回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置をルーロー回転軸１１の軸方向でずらして配置する。このように構成すれば、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘進を行うことが可能になる。

また、ルーロー回転軸１１を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタ２の回転軌跡を前面視で重複する態様で配置する場合、以下のように構成できる。図３は図２に示す掘削カッタを横方向に複数設けた形態を示す概略図、図４は図２に示す掘削カッタを縦方向に複数設けた形態を示す概略図である。

具体的には、上述したように拡大したルーローの三角形状の重心Ｇから頂点Ｔに至る延長線に沿って放射状に形成した３つの掘削翼２１からなる掘削カッタ２を用いた場合、隣接する各掘削カッタ２の回転軌跡が前面視で重複する態様で、隣接する各掘削カッタ２をルーロー回転軸１１の軸方向で並べて同一面上に配置しつつ、隣接する各ルーロー回転軸１１を逆方向に回転駆動する。この場合、図２で示した掘削カッタ２を横方向に複数設けた形態では、相互の掘削翼２１が重複するため、図３に示すように隣接する相互の掘削カッタ２の回転位置の位相を異ならせればよい。また、図２で示した掘削カッタ２を縦方向に複数設けた形態では、相互の掘削翼２１が重複しないため、図４に示すように隣接する相互の掘削カッタ２の回転位置の位相を異ならせなくてもよい。隣接する各掘削カッタ２の間隔Ｌ（相互の重心Ｇの間隔）は、重心Ｇから頂点Ｔまでの掘削翼２１の長さの１．３〜１．５倍程度が好適である。

すなわち、図３および図４に示すようにほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削を行うことが可能になる。また、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置することによって、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。また、図３および図４に示す形態を複合した形態で、掘削カッタを横方向および縦方向に複数設けてもよい。この場合必要に応じて隣接する相互の掘削カッタ２の回転位置の位相を異ならせることで各掘削カッタの干渉を防ぐことが可能になる。

なお、複数の掘削カッタ２によって、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削を行う場合、図３および図４に示すように各掘削孔Ｈの繋がり部分に内方に僅かに突出する突起ができる。この突起は、従前の断面円形の掘削孔Ｈ’（図２参照）を連続した場合に比べると、格段に小さなものとなりトンネル施工において邪魔になることがない。また、突起を切削したとしても、従前の断面円形の掘削孔Ｈ’（図２参照）を連続した場合に比べると、容易に切削できるので、施工性を向上することが可能である。

なお、上述した実施の形態では、掘削カッタ２として掘削翼２１を３つ設けた例を示したが、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状の断面を等比率で拡大して、ルーロー回転軸１１のルーローの三角形状に対して重心Ｇおよび頂点Ｔの向きを一致させたルーローの三角形状の範囲内であれば、上記掘削翼２１に加えてさらに掘削翼を設けてもよい。また、拡大したルーローの三角形状の掘削カッタとしてもよい。このような場合には、各掘削翼における掘削面積が小さくなるので、駆動源１３４の駆動力を小さくすることができる。また、図３および図４に示す構成とする場合には、隣接する相互の掘削カッタ２の干渉がない範囲で掘削翼を加えるものとする。

また、図には明示しないが、上記構成のトンネル掘削機に対し、円形の掘削を行う機構を併せることによって、ほぼ矩形状に円弧を加えた形状の掘削孔を掘進することが可能になる。

なお、上述した構成は、スキンプレートや推進ジャッキを有するシールドタイプ、グリッパを有するＴＢＭ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｂｏｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）、元押し方式の推進工法に用いる推進機構を有さない推進機などのトンネル掘削機に適用することが可能である。

本発明に係るトンネル掘削機の実施の形態を示す断面側面図である。 図１に示すトンネル掘削機を軸方向から視た概念図である。 図２に示す掘削カッタを横方向に複数設けた形態を示す概略図である。 図２に示す掘削カッタを縦方向に複数設けた形態を示す概略図である。

符号の説明

１ 胴部
１１ ルーロー回転軸
１２ 軸受
１３ 駆動機構
１３１ 自在継手
１３２ 主回転軸
１３２ａ 軸受
１３３ 減速部
１３４ 駆動源
１３４ａ 回転出力軸
１３４ｂ 出力歯車
２ 掘削カッタ
２１ 掘削翼
２２ 掘削ビット
３ 摺動材
Ｇ 重心
Ｔ 頂点
Ｈ 掘削孔
Ｌ 間隔

Claims (5)

1. ルーローの三角形状の断面形状を有するルーロー回転軸、前記ルーロー回転軸のルーローの三角形状部分の外幅を一辺とする正方形状の内形を呈して当該ルーローの三角形状部分を回転可能に支持する軸受、および前記ルーロー回転軸を回転駆動する駆動機構を有した胴部と、
   前記胴部の前面に延出した前記ルーロー回転軸の前端に設けてあって当該ルーロー回転軸のルーローの三角形状の断面を拡大して前記ルーロー回転軸のルーローの三角形状に対して重心および頂点の向きを一致させたルーローの三角形の範囲内で少なくとも重心から頂点に至る延長線に沿って形成した掘削カッタと
   を備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向でずらして配置したことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記ルーロー回転軸を複数平行に設け、隣接する相互の掘削カッタの回転軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタの位置をルーロー回転軸の軸方向で並べて配置しつつ、隣接する各ルーロー回転軸を逆方向に回転駆動することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
4. 隣接する相互の掘削カッタの回転位置の位相を異ならせることを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記胴部の前面と前記掘削カッタとの間に相互の摩擦を低減する摺動材を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のトンネル掘削機。

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