シールド掘進機
【課題】 種々の断面形状のトンネルを掘削でき、構造を簡単化でき、掘削能力が高く、強度的また耐久性の面で優れ、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応できる、シールド掘進機を提供する。
【解決手段】 掘進機本体２の前端側部分に第１軸心Ａ１の回りに回転可能に支持された回転ドラム４０、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持されたカッター支持フレーム５０、カッター支持フレーム５０に第３軸心Ａ３の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット６１を装備した回転型カッター６０、回転ドラム４０に第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持された回転型補助カッター７０、回転ドラム４０とカッター支持フレーム５０と回転型カッター６０と回転型補助カッター７０を夫々独立に回転駆動する第１〜第４回転駆動機構４５，５５，６５，７５を備えた。
【解決手段】 掘進機本体２の前端側部分に第１軸心Ａ１の回りに回転可能に支持された回転ドラム４０、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持されたカッター支持フレーム５０、カッター支持フレーム５０に第３軸心Ａ３の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット６１を装備した回転型カッター６０、回転ドラム４０に第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持された回転型補助カッター７０、回転ドラム４０とカッター支持フレーム５０と回転型カッター６０と回転型補助カッター７０を夫々独立に回転駆動する第１〜第４回転駆動機構４５，５５，６５，７５を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は種々の断面形状のトンネルを掘削可能なシールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削装置とを備えている。一般に、掘進機本体の胴体は円筒状に形成され、掘削装置においては、胴体と同径のカッターヘッドの前面に複数のカッタービットが装備され、このカッターヘッドが、掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸の回りに回転可能に支持されると共に、複数の油圧モータにより回転駆動されて、円形断面のトンネルを掘削する。
【０００３】
ところで、近年、円形断面以外に矩形断面や長円形断面等の種々の断面形状のトンネルを掘削可能なシールド掘進機が開発され、今までに、この種のシールド掘進機が実用化されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
特許文献１のシールド掘進機では、ディスクカッターが掘進機本体に掘進機本体の中心軸の回りに回転可能に支持され、このディスクカッターのディスク本体に遊星カッターが回転可能に支持されている。複数の油圧モータによりディスク本体が回転駆動されると、遊星カッターは、ディスク本体と一体的に公転すると共に、遊星歯車機構によりディスク本体の回転に同期連動して自転する。所定の断面形状のトンネルを掘削可能に、遊星カッターの輪郭形状が遊星カッターの自転数と公転数との比に応じて設定される。
【０００５】
特許文献２のシールド掘進機では、放射状に延びる４本のスポークに４本の伸縮腕が夫々油圧ジャッキにより径方向へ伸縮可能に連結され、各伸縮腕にコーナーカッターとコーナーカッターを回転駆動する油圧モータが取付けられている。
【０００６】
特許文献３のシールド掘進機では、掘進機本体の中心軸と同心の軸を持つ固定軸に固定歯車が固定的に設けられ、この固定歯車に遊星歯車が噛合し、遊星歯車に第１歯車が噛合している。第１ケーシングが固定軸の回りに回転可能に設けられ、この第１ケーシングに固定歯車と遊星歯車と第１歯車が収容され、遊星歯車が第１ケーシングに回転可能に支持されている。第１ケーシングの先端部分から第２ケーシングが前方へ突出しており、第２ケーシングの中空軸部の後端部分が第１ケーシングに回転可能に内嵌され、その中空軸部に第１歯車が外嵌状に固定されている。
【０００７】
第２ケーシングの中空軸部に軸部材が回転可能に挿通され、この軸部材の前端部に第２歯車が固定的に設けられ、この第２歯車に第３歯車が噛合している。中空腕部に第２，第３歯車が収容されると共に回転可能に支持され、第３歯車にカッターが固定的に設けられている。ケーシング駆動モータにより、カッターが第１，第２ケーシングを介して固定軸の回りに回転駆動され、これと同期連動して、カッターが固定，遊星，第１歯車、第２ケーシングを介して軸部材の回りに回転駆動される。所定の断面形状のトンネルを掘削可能に、固定歯車と第１歯車の歯数の比が設定される。カッターは掘進機本体側に設けたカッター駆動モータにより軸部材、第２，第３歯車等を介して独立に回転駆動され自転する。
【０００８】
【特許文献１】特許第２８９８９６８号公報
【特許文献２】特開２００１−５５８９０号公報
【特許文献３】特開平９−１１９２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜３のシールド掘進機では、種々の断面形状のトンネルを掘削可能に構成できる。しかし、所定の断面形状のトンネルを掘削するために、特許文献１の技術では、遊星カッターの輪郭形状を遊星カッターの自転数と公転数との比に応じて設定しなければならないし、特許文献３の技術では、固定歯車と第１歯車の歯数の比を設定しなければならない。つまり、前記所定の断面形状以外の断面形状のトンネルを掘削する場合には、前記設定を変更しなければならないが、その設定変更は非常に大変であり、当然、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも不可能であり、汎用性が極めて低い。
【００１０】
特許文献２のシールド掘進機は、スポークタイプのカッターヘッドを備えたものであり、各スポークに伸縮腕が径方向へ伸縮可能に連結されているため、特に伸縮腕を大きく伸長した状態では、伸縮腕に大きな回転抵抗が作用するため、その伸縮腕や伸縮腕をスポークに連結する部分において、強度的にまた耐久性の面で問題が生じる。例えば、このシールド掘進機を、非常に固い岩盤等の地質を含む地山を掘削するシールド掘進機として適用する場合には、実用に耐えない可能性が高い。
【００１１】
特許文献３のシールド掘進機では、カッターを固定軸の回りに回転させると共に、これと同期連動させて軸部材の回りに回転させるために、更には、カッターを掘進機本体側に設けたカッター駆動モータにより独立に回転駆動するために、第１，第２ケーシング、固定歯車、遊星歯車、第１〜第３歯車等を有する非常に複雑な構造となり、製作コスト的にも不利である。また、カッターを固定軸の回りに回転駆動し且つカッターを軸部材の回りに回転駆動する非常に大きな力を第１，第２ケーシングに入力し伝達させることになるため、その点、強度的にまた耐久性の面で問題が生じる虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、種々の断面形状のトンネルを掘削でき、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、汎用性が極めて高く、構造を簡単化でき、掘削能力が高く、強度的また耐久性の面で優れ、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応できる、シールド掘進機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１のシールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削手段とを備えたシールド掘進機において、前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッターと、前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
このシールド掘進機では、胴体を含む掘進機本体が複数のシールドジャッキにより推進され、掘削手段により掘進機本体の前端側の地山が掘削され、この掘削手段として、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッター、第１〜第３回転駆動手段が設けられている。掘進機本体の前端側部分に第１回転部材が第１軸心の回りに回転可能に支持され、第１回転部材に第２回転部材が第２軸心の回りに回転可能に支持され、第２回転部材に回転型カッターが第３軸心の回りに回転可能に支持されている。第１軸心は掘進機本体の中心軸と平行で、第２軸心は第１軸心と平行で且つ第１軸心から離隔した位置にあり、第３軸心は第２軸心と平行で且つ第２軸心から離隔した位置にある。
【００１５】
第１回転駆動手段により第１回転部材が第１軸心の回りに回転駆動されて、第２回転部材と回転型カッターも一体的に第１軸心の回りに回転し、第２回転駆動手段により第２回転部材が第１回転部材に対して第２軸心の回りに回転駆動されて、回転型カッターも一体的に第２軸心の回りに回転し、第３回転駆動手段により回転型カッターが第２回転部材に対して第３軸心の回りに回転駆動され、これら第１〜第３回転駆動手段は、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッターを夫々独立に駆動する。
【００１６】
第１軸心と第２軸心との距離をＲ、第２軸心と第３軸心との距離をｒ（＜Ｒ）、第３軸心を中心とする回転型カッターの掘削半径をｅとした場合、正面視にて、第２軸心の移動軌跡は第１軸心を中心とする半径Ｒの円周になり、第３軸心の移動軌跡は第２軸心を中心とする半径ｒの円周になり、回転型カッターで掘削可能な掘削可能範囲は、Ｒ≦（ｒ＋ｅ）の場合、第１軸心を中心とする半径（Ｒ＋ｒ＋ｅ）の円になり、Ｒ＞（ｒ＋ｅ）の場合、第１軸心を中心とする半径（Ｒ−（ｒ＋ｅ））の円周と半径（Ｒ＋ｒ＋ｅ）の円周との間のリング状部分になる。
【００１７】
第１，第２回転駆動手段により第１，第２回転部材を夫々独立駆動するため、これら第１，第２回転駆動手段を制御することで、回転型カッターを前記掘削可能範囲内で自由に移動させ、第１軸心からトンネル内面までの距離を、最大（Ｒ＋ｒ＋ｅ）となる所定距離以上の自由な距離に変化させて、種々の自由な断面形状のトンネルを掘削可能になる。
【００１８】
請求項１の発明において、次の構成を採用可能である。
前記掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、前記第１回転部材は、前記隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなる（請求項２）。或いは、前記第１回転部材は、前記隔壁の前側に配置されて放射状に延びる１又は複数のスポークを備えた回転部材からなる。
【００１９】
前記第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、前記第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、前記第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有する（請求項３）。尚、第１〜第３アクチュエータを第１〜第３油圧モータとすることが好ましい。前記第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、前記第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成する（請求項４）。
【００２０】
前記回転型カッターは、円形の前面とこの前面の外周に連なる円筒状外周面とを有し、前記前面と円筒状外周面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備する。或いは、前記回転型カッターは、円形の前面とこの前面の外周に連なる環状テーパ面とこの環状テーパ面の後端に連なる円筒状外周面とを有し、前記前面と環状テーパ面と円筒状外周面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備する。
【００２１】
前記第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備える（請求項５）。前記第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備える（請求項６）。前記第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、前記駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御する（請求項７）。
【００２２】
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、前記回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段とを備える（請求項８）。前記第２回転部材の第２軸心と回転型補助カッターの第４軸心とが、第１回転部材の第１軸心に対して対称位置になるように設定する。前記チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、前記攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備える（請求項９）。
【００２３】
回転型カッターはカッタービット又はローラカッターを取付けるカッターフレームを有し、カッターフレームの内部に前記隔壁側から作業者が入り込めてカッタービット又はローラカッターを交換可能な作業スペースを形成する。前記回転型カッターに加泥材を供給して回転型カッターの前方へ噴射させる加泥材供給手段を備える。前記攪拌羽根に加泥材を供給して攪拌羽根の前方へ噴射させる加泥材供給手段を備える。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１のシールド掘進機によれば、掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材、第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段、第１回転部材に第１軸心と平行で第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材、第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段、第２回転部材に第２軸心と平行で且つ第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッター、回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えた。
【００２５】
従って、種々の自由な断面形状のトンネルを掘削することが可能になり、所定の断面形状のトンネルを掘削する場合、その断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を駆動制御することで実現できる。つまり、第１，第２回転駆動手段の制御を変更することで、機械的な構造を変更することなく、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも可能であり、汎用性が極めて高くなる。トンネルのカーブ部分を掘削する場合等、トンネルを少し拡大するために地山を余掘りする必要がある場合でも、その余掘りを回転型カッターで行うことができ、既存のコピーカッターを省略することが可能になる。
【００２６】
しかも、第１〜第３回転駆動手段により第１，第２回転部材、回転型カッターを独立に回転駆動するため、第１，第２回転部材、回転型カッターを連動連結させる複雑な構造が不要となり、構造を簡単化でき、製作コスト的にも有利になり、更に、実質的に回転型カッターを第１軸心の回りにも第２軸心の回りにも第３軸心の回りにも回転させることが可能であり、回転型カッターの軌道を能率よく掘削できる軌道に設定することもできるため、掘削能力が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で優れたものに構成することができ、依って、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応することが可能になる。
【００２７】
請求項２のシールド掘進機によれば、掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、第１回転部材は、隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなるので、第１回転部材の回転方向に対する強度、剛性が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で非常に優れたものとなる。
【００２８】
請求項３のシールド掘進機によれば、第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有するので、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッターを夫々独立に確実に回転駆動でき、第１〜第３回転駆動手段の構造も簡単化できる。
【００２９】
請求項４のシールド掘進機によれば、第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成したので、第１回転部材よりもサイズが大きな種々の断面形状のトンネルを確実に掘削できる。
【００３０】
請求項５のシールド掘進機によれば、第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００３１】
請求項６のシールド掘進機によれば、第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００３２】
請求項７のシールド掘進機によれば、第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御するので、所定の断面形状のトンネルを確実に掘削でき、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができる。
【００３３】
請求項８のシールド掘進機によれば、第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高め、回転型カッターで掘削できない部分をこの回転型補助カッターで掘削できるように構成できる。
【００３４】
請求項９のシールド掘進機によれば、チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備えたので、掘削土を攪拌してチャンバーから外部へ搬送し易くすることができ、その攪拌羽根は攪拌羽根回転駆動手段で自転すると共に、第１回転部材と一体的に回転するため、攪拌性能が非常に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明のシールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削装置とを備えたものであり、この掘削装置として、前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービットを装備した回転型カッターと、前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えている。
【実施例１】
【００３６】
図１〜図３に示すように、シールド掘進機１は、胴体１０を含む掘進機本体２と、掘進機本体２を推進させる複数のシールドジャッキ３と、胴体１０の前胴１１と後胴１２とを中折れさせる複数の中折れジャッキ４と、掘進機本体２の前端側の地山を掘削する掘削装置５と、掘削装置５で掘削した掘削土を排出する左右１対のスクリューコンベア６ａを有する掘削土排出装置６と、掘削装置５で掘削したトンネルＴの内面にセグメントＳを組付ける左右１対のエレクタ装置７と、トンネルＴの内面に組付けたセグメントＳを保持する左右１対のセグメント保持装置８と、トンネルＴの内面とその内面に組付けたセグメントＳとの間にモルタルを注入する裏込注入装置９等を備えている。
【００３７】
掘進機本体２の胴体１０は前胴１１と後胴１２とを有し、前胴１１の後端部と後胴１２の前端部が中折れ部１３を介して中折れ可能に連結されている。前胴１１と後胴１２は、夫々、上下長と左右長の比が約１：２の略縦断面矩形の角筒状に形成され、その上壁及び左右の側壁と、下壁及び左右の側壁との角部分は湾曲状に形成されている。前胴１１の長さは後胴１１の長さの約２倍あり、中折れ部１３においては、後胴１２の前端部に環状の部分球面座１４が形成され、その部分球面座１４に前胴１１の後端部が外嵌され、この前胴１１と後胴１２の嵌合部間に環状シール部材１５が装着されている。
【００３８】
前胴１１は、その前後長が上下長の約１．５倍に形成され、前胴１１の内部には、その前端から後方へ前胴１１の約１／３の長さ部分に鉛直な隔壁１６が設けられている。隔壁１６は、その外周部が前胴１１の内面に固着された固定隔壁１７と、固定隔壁１７に回転可能に内嵌された円板状の可動隔壁１８からなり、可動隔壁１８は、その直径が内胴１１の上下長よりも少し短い長さに形成されている。この隔壁１６と前胴１１のうち隔壁１６よりも前方へ突出している部分とで、掘削装置５で掘削した掘削土を回収するチャンバー１９が形成されている。隔壁１６はチャンバー１９の後端を仕切るものである。
【００３９】
前胴１１の内面には、隔壁１６から後方へ前胴１１の約１／３の長さ部分に、円筒部２１を有する環状部材２０が固着され、この環状部材２０の前端の板部材で固定隔壁１７が形成されている。環状部材２０の円筒部２１に、掘削装置５の回転ドラム４０が回転可能に支持され、この回転ドラム４０の前端の板部材４１で可動隔壁１８が形成されている。前胴１１の固定隔壁１７の後端付近部において、上端部に左右１対の地山探査装置２２ａが可動に設けられ、下端部に左右１対の可動ソリ２ｂが可動に設けられ、可動ソリ２２ｂは胴体１０のローリングを防止し、胴体１０を所期の姿勢に保持する為のものである。
【００４０】
固定隔壁１７には、左右１対のマンロック２３と、左右１対のマンホール２４が設けられ、左右１対の排土口２５が形成され、６つの土圧計２６が設けられ、６つの加泥材注入口２７が形成されている。マンロック２４は、その出入口の空間を掘進機本体２の内部と仕切ってチャンバー１９内の圧力近くに昇圧させる機能を有する。可動隔壁１８には、１対のマンホール２８が設けられ、４つの加泥材注入口２９が形成されている。
【００４１】
後胴１２は、その前後長が上下長の約１／２の長さに形成され、後胴１２の内面には、その前端部にリングウェブ３０が固着され、後端部分にテールシール３１が設けられている。複数のシールドジャッキ３は、前胴１１の後端部分と後胴１２の前端部分とに亙って、その内面に沿って周方向に適当間隔（略等間隔）おきに後方向きに配設され、各シールドジャッキ３のジャッキ本体の後部がリングウェブ３０に貫通状に固定されている。複数のシールドジャッキ３はエレクタ装置８で組付けられたセグメントＳを後方へ押す反力により推進力を発生する。
【００４２】
複数の中折れジャッキ４は、前胴１１の後端部分と後胴１２の前端部（中折れ部１３）とに亙って、その内面に沿って周方向に適当間隔（略等間隔）おきに、複数のシールドジャッキ３と干渉しないように前方向向きに配設され、各中折れジャッキ４の前端部が、前胴１１に固着されたブラケット３２に回動可能に連結され、各中折れジャッキ４の後端部が、後胴１２に固着されたブラケット３３に回動可能に連結されている。
【００４３】
次に、掘削装置５について詳細に説明する。
図１〜図５に示すように、掘削装置５は、掘進機本体２の前端側部分に第１軸心Ａ１の回りに回転可能に支持された第１回転部材に相当する回転ドラム４０と、回転ドラム４０を回転駆動する第１回転駆動機構４５と、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された第２回転部材に相当するカッター支持フレーム５０と、カッター支持フレーム５０を回転ドラム４０に対して回転駆動する第２回転駆動機構５５と、カッター支持フレーム５０に異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持され表面に複数のカッタービット６１を装備した１対の回転型カッター６０と、１対の回転型カッター６０をカッター支持フレーム５０に対して夫々回転駆動する１対の第３回転駆動機構６５と、回転ドラム４０に第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット７１を装備した回転型補助カッター７０と、回転型補助カッター７０を回転ドラム４０に対して回転駆動する第４回転駆動機構７５と、回転ドラム４０に異なる１対の第５軸心Ａ５の回りに夫々回転可能に支持された１対の攪拌羽根８０と、１対の攪拌羽根８０を回転ドラム４０に対して夫々回転駆動する１対の攪拌羽根回転駆動手段に相当する第５回転駆動機構８５と、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５を駆動制御する油圧回路を含む駆動制御ユニット９０と、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５を操作する為の操作盤９５を備えている。
【００４４】
第１軸心Ａ１は掘進機本体２の中心軸Ａｃと一致し（平行で）、第２軸心Ａ２は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１軸心Ａ１から離隔した位置にあり、第３軸心Ａ３は第２軸心Ａ２と平行で且つ第２軸心Ａ２から離隔した位置にあり、第４軸心Ａ４は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１，第２軸心Ａ１，Ａ２から離隔した位置にあり、第５軸心Ａ５は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１，第２，第４軸心Ａ１，Ａ２，Ａ４から離隔した位置にあり、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５は、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０、回転型補助カッター７０、攪拌羽根８０を夫々独立に回転駆動するように構成されている。
【００４５】
例えば、第２軸心Ａ２は第１軸心Ａ１から回転ドラム４０の半径の約３／４の距離離隔した位置にあり、１対の第３軸心Ａ３は第２軸心Ａ２に対して対称位置で夫々第２軸心Ａ２から回転ドラム４０の半径の約１／２の距離離隔した位置にあり、第４軸心Ａ４は第１軸心Ａ１に対して第２軸心Ａ２と対称位置で第１軸心Ａ１から回転ドラム４０の半径の約３／４の距離離隔した位置にあり、１対の第５軸心Ａ５は夫々第１軸心Ａ１を中心として第４軸心Ａ４を周方向両側へ約４５度移動させた位置にある。
【００４６】
前述のように、回転ドラム４０は隔壁１６の一部である可動隔壁１８を構成する板部材４１を前面に有する。回転ドラム４０は板部材４１と外筒４２と複数のリブを有し、この外筒４２が環状部材２０の円筒部２１に内嵌されて回転可能に支持され、これら円筒部２１と外筒４２の間に環状シール部材４３が装着され、外筒４２の後端部にリングギヤ４４が固定的に設けられている。第１回転駆動機構４５は、掘進機本体２に取付けられた複数（例えば、８つ）の第１アクチュエータに相当する第１油圧モータ４６を有する。複数の第１油圧モータ４６は、環状部材２０の後端部分に設けられたリング状のモータ取付部４７に、周方向に適当間隔おきに前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ４４に噛合している。
【００４７】
カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の外周部付近に回転可能に支持され、カッター支持フレーム５０と１対の回転型カッター６０は、正面視にて１対の回転型カッター６０が回転ドラム４０の外周よりも外側へ移動可能に構成されている。カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の前側のチャンバー１９内に配設されたフレーム本体５１と、フレーム本体５１の後端部の長さ方向中央部に連結されて後方へ突出する筒状部５２とを有する。フレーム本体５１は、その長さが回転ドラム４０の直径の約４／５の長さに形成され、その前後厚さがチャンバー１９の前後長よりも少し小さい箱形に形成され、このフレーム本体５１の長さ方向両側部分に１対の回転型カッター６０が装着されている。
【００４８】
回転ドラム４０には、外周近傍部に円筒受部４０ａが内嵌状に固定され、この円筒受部４０ａにカッター支持フレーム５０の筒状部５２が内嵌されて回転可能に支持され、これら円筒受部４０ａと筒状部５２の間に環状シール部材５３が装着され、筒状部５２の後端部にリングギヤ５４が固定的に設けられている。第２回転駆動機構５５は、回転ドラム４０に取付けられた複数（例えば、８つ）の第２アクチュエータに相当する第２油圧モータ５６を有する。複数の第２油圧モータ５６は、所定のモータ取付部に、周方向に適当間隔おきに前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ５４に噛合している。
【００４９】
１対の回転型カッター６０は、夫々、円形の前面６２ａとこの前面６２ａの外周に連なる環状テーパ面６２ｂとこの環状テーパ面６２ｂの後端に連なる円筒状外周面６２ｃとを有するカッターフレーム６２を有し、この前面６２ａと環状テーパ面６２ｂと円筒状外周面６２ｃに複数のカッタービット６１が装備され、これらカッタービット６１はカッターフレーム６２の内側から着脱可能になっている。フレーム本体５１の長さ方向両側部分に１対のカッター取付部５１ａが設けられ、各回転型カッター６０のカッターフレーム６２の後端部分が各カッター取付部５１ａに前側から内嵌されて回転可能に支持され、これらカッター取付部５１ａとカッターフレーム６２の間に環状シール部材６３が装着され、カッターフレーム６２の後端部にリングギヤ６４が固定的に設けられている。
【００５０】
１対の第３回転駆動機構６５は１対のカッター取付部５１ａに夫々取付けられた複数（例えば、１対）の第３アクチュエータに相当する第３油圧モータ６６を有する。各第３回転駆動機構６５において、複数の第３油圧モータ６６は、カッター取付部５１ａの内部に前向きに装着され、これらの出力ギヤが回転型カッター６０のリングギヤ６４に噛合している。ここで、カッターフレーム６２の内部に、隔壁１６側からカッター支持フレーム５０を通って作業者が入り込めてカッタービット６１を交換可能な作業スペースが形成されている。カッター支持フレーム５０の筒状部５２の後端部に、カッター支持フレーム５０に入るハッチ５０ａが形成されている。尚、カッターフレーム６２には後側へ突出する攪拌羽根も装備されている。
【００５１】
回転型補助カッター７０は、回転型カッター６０と同様の構造であり、円形の前面７２ａとこの前面７２ａの外周に連なる環状テーパ面７２ｂとこの環状テーパ面７２ｂの後端に連なる円筒状外周面７２ｃとを有するカッターフレーム７２を有し、この前面７２ａと環状テーパ面７２ｂと円筒状外周面７２ｃに複数のカッタービット７１が装備され、これらカッタービット７１はカッターフレーム７２の内側から着脱可能になっている。回転ドラム４０にはチャンバー１９内に突出する筒状のカッター取付部５０Ａが固定され、回転型補助カッター７０のカッターフレーム７２の後端部分が、カッター取付部５０Ａに前側から内嵌されて回転可能に支持され、これらカッター取付部５０Ａとカッターフレーム７２の間に環状シール部材７３が装着され、カッターフレーム７２の後端部にリングギヤ７４が固定的に設けられている。
【００５２】
第４回転駆動機構７５は、カッター取付部５０Ａに取付けられた複数（例えば、１対）の第４油圧モータ７６を有する。複数の第４油圧モータ７６は、カッター取付部５０Ａの内部に前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ７４に噛合している。ここで、カッターフレーム７２の内部に、隔壁１６側からカッター取付部５０Ａの内部を通って作業者が入り込めてカッタービット７１を交換可能な作業スペースが形成されている。尚、カッターフレーム７２には後側へ突出する攪拌羽根も装備されている。
【００５３】
１対の攪拌羽根８０はチャンバー１９の内部に配置され、１対の第５回転駆動機構８５は、隔壁１６の後側において回転ドラム４０に夫々取付けられた複数（例えば、３つ）の第５油圧モータ８５を有する。
【００５４】
ところで、回転ドラム４０の中心部にロータリージョイント９１が装着され、第２〜５の回転駆動機構５５，６５，７５，８５の第２〜第５油圧モータ５６，６６，７６，８６へは、駆動制御ユニット９０からロータリージョイント９１を介して油圧が供給される。ここで、本実施例の場合、カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０に対して所定の基準位相角位置から１８０度以上回転しないため、第３回転駆動機構７５の第３油圧モータ７６への油圧の供給は、ロータリージョイント９１から油圧ホースにより行われる。但し、カッター支持フレーム５０の中心部にロータリージョイントを装着し、このロータリージョイントを介して第３油圧モータ７６に油圧を供給してもよい。
【００５５】
また、加泥材供給ユニット（図示略）が設けられており、この加泥材供給ユニットから加泥材がロータリージョイント９１に供給される。１対の回転型カッター６０に加泥材注入口６０ａが夫々形成され、回転型補助カッター７０に加泥材注入口７０ａが形成され、これら加泥材注入口６０ａ，７０ａにロータリージョイント９１から加泥材ホース（図示略）により加泥材が供給される。１対の攪拌羽根８０に加泥材注入口８０ａが夫々形成され、これら攪拌羽根８０の中心部にロータリージョイント９２が装着され、ロータリージョイント９１から加泥材ホース（図示略）によりロータリージョイント９２に加泥材が供給され、このロータリージョイント９２から加泥材注入口８０ａに加泥材が供給される。
【００５６】
尚、掘削土排出装置６、１対のエレクタ装置７、１対のセグメント保持装置８、裏込注入装置９については、既存の装置であるので詳細な説明を省略する。尚、トンネルＴの幅方向中央部に、トンネルＴの内面上部に組付けたセグメントＳを支持する中柱Ｓａが組付けられるが、この中柱Ｓａの組付けは１対のエレクタ装置７の一方で行われる。
【００５７】
次に、シールド掘進機１の作用について説明する。
シールド掘進機１では、掘進機本体２が複数のシールドジャッキ３により推進され、掘削装置５により掘進機本体２の前端側の地山が掘削されて、掘削土はチャンバー１９に回収され掘削土排出装置６により外部へ排出される。こうしてトンネルＴが掘削されると共に、順次、１対のエレクタ装置７により複数のセグメントＳがリング状に組付けられ、そのセグメントＳが１対のセグメント保持装置８で保持された状態で、一方のエレクタ装置７により中柱Ｓａが組付けられる。
【００５８】
掘削装置５では、第１回転駆動機構４５により回転ドラム４０が第１軸心Ａ１の回りに回転駆動されて、カッター支持フレーム５０と１対の回転型カッター６０と回転型補助カッター７０も一体的に第１軸心Ａ１の回りに回転し、第２回転駆動機構５５によりカッター支持フレーム５０が回転ドラム４０に対して第２軸心Ａ２の回りに回転駆動されて、１対の回転型カッター７０も一体的に第２軸心Ａ２の回りに回転し、１対の第３回転駆動機構６５により１対の回転型カッター６０がカッター支持フレーム５０に対して夫々異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに回転駆動され、第４回転駆動機構７５により回転型補助カッター７０が回転ドラム４０に対して第４軸心Ａ４の回りに回転駆動され、１対の第５回転駆動機構８５により１対の攪拌羽根８０が回転ドラム４０に対して夫々回転駆動される。
【００５９】
第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５は、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０、回転型補助カッター７０、攪拌羽根８０を夫々独立に駆動するが、胴体２と同形の矩形断面のトンネルＴを掘削するために、駆動制御ユニット９０による第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５の制御について、図６−１〜図６−１６に基づいて詳細に説明する。尚、正面視における左方を左方とし、１対の回転型カッター６０のうち図６−１における右側をNo.1カッター６０、左側をNo.2カッター６０、回転型補助カッター７０をNo.3カッター７０として説明する。
【００６０】
先ず、掘削装置５が図６−１に示す状態において、掘進機本体２に対して第１軸心Ａ１を中心とする回転ドラム４０のドラム回転角θ（回転位相角θ）を基準位相角０度として、この基準位相角から正面視にて回転ドラム４０の時計回り方向のドラム回転角θを＋側とし、また、回転ドラム４０に対して第２軸心Ａ２を中心とするカッター支持フレーム５０のフレーム揺動角α（回転位相角α）を基準位相角０度として、この基準位相角から正面視にてカッター支持フレーム５０の反時計回り方向のフレーム揺動角αを＋側とする。
【００６１】
ここで、図６−１の状態のとき、第２軸心Ａは上限位置に位置し、カッター支持フレーム５０は水平になり、１対の第３軸心Ａ３の上下方向位置が一致して、No.1，No.2カッター６０の上端部と胴体２の上端部の上下方向位置が一致し、また、第４軸心Ａ４は下限位置に位置し、No.3カッター７０の下端部と胴体２の下端部の上下方向位置が一致する。
【００６２】
さて、掘削の際、第３〜第５回転駆動機構６５，７５，８５では、No.1，No.2カッター６０、No.3カッター７０、攪拌羽根８０を常時正面視にて時計回り方向へ回転駆動するが、第１，第２回転駆動機構４５，５５では、掘削するトンネルＴの断面形状に応じて回転ドラム４０の基準位相角からのドラム回転角θに対応付けてカッター支持フレーム５０のフレーム揺動角αを制御するように、第１，第２回転駆動機構４５，５５を制御する。
【００６３】
具体的に説明すると、先ず、図６−１〜図６−４に示すように、No.1カッター６０により、トンネルＴの右上約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝０→３０→６０→７３．７度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝±０→＋３６．４→＋７４．３→＋５２．８度に揺動する。図６−４の状態のときに、No.1カッター６０がトンネルＴの右側面の上下方向中央部に位置する。次に、図６−４〜図６−６に示すように、No.2カッター６０をトンネルＴの右側面の上下方向中央部に位置させるように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝７３．７→９０→１０６．３度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝＋５２．８→±０→−５２．８度に揺動する。
【００６４】
次に、図６−６〜図６−９に示すように、No. ２カッター６０により、トンネルＴの右下約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝１０６．３→１２０→１５０→１８０度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝−５２．８→−７４．３→−３６．４→±０度に揺動する。図６−９の状態のときに、第２軸心Ａは下限位置に位置し、カッター支持フレーム５０は水平になり、１対の第３軸心Ａ３の上下方向位置が一致して、No.1，No.2カッター６０の下端部と胴体２の下端部の上下方向位置が一致し、また、第４軸心Ａ４は上限位置に位置し、No.3カッター７０の上端部と胴体２の上端部の上下方向位置が一致する。
【００６５】
次に、図６−９〜図６−１２に示すように、No.1カッター６０により、トンネルＴの左下約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝１８０→２１０→２４０→２５３．７度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝±０→＋３６．４→＋７４．３→＋５２．８度に揺動する。図６−１２の状態のときに、No.1カッター６０がトンネルＴの左側面の上下方向中央部に位置する。次に、図６−１２〜図６−１４に示すように、No.2カッター６０をトンネルＴの左側面の上下方向中央部に位置させるように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝２５３．７→２７０→２８６．３度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝＋５２．８→±０→−５２．８度に揺動する。
【００６６】
次に、図６−１４〜図６−１６、図６−１に示すように、No. ２カッター６０により、トンネルＴの左上約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝２８６．３→３００→３３０→３６０（０）度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝−５２．８→−７４．３→−３６．４→±０度に揺動して図６−１の状態になる。以上のように、回転ドラム４０が３６０度回転した場合に、No.1カッター６０による掘削範囲は図７−１に斜線で示す範囲となり、No.2カッター６０による掘削範囲は図７−２に斜線で示す範囲となり、No.3カッター７０による掘削範囲は図７−３に斜線で示す範囲となり、これらのトータルの掘削範囲は、図７−１〜図７−３を重ね合わせた図８に斜線で示す範囲となる。
【００６７】
以上説明したシールド掘進機１によれば次の効果を奏する。
種々の自由な断面形状のトンネルを掘削することが可能になり、所定の断面形状のトンネル（例えば、矩形断面のトンネルＴ）を掘削する場合、その断面形状に応じて回転ドラム４０の基準位相角からの回転位相角（ドラム回転角θ）に対応付けてカッター支持フレーム５０の回転角（フレーム揺動角α）を制御するように、第１，第２回転駆動機構４５，５５を駆動制御することで実現できる。
【００６８】
つまり、第１，第２回転駆動機構４５，５５の制御を変更することで、機械的な構造を変更することなく、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも可能であり、汎用性が極めて高くなる。トンネルのカーブ部分を掘削する場合等、トンネルを少し拡大するために地山を余掘りする必要がある場合でも、その余掘りを回転型カッター６０で行うことができ、既存のコピーカッターを省略することが可能になる。
【００６９】
第１〜第３回転駆動機構４５，５５，６５により回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０を独立に回転駆動するため、これら４０，５０，６０を連動連結させる複雑な構造が不要となり、構造を簡単化でき、製作コスト的にも有利になり、更に、実質的に回転型カッター６０を第１軸心Ａ１の回りにも第２軸心Ａ２の回りにも第３軸心Ａ３の回りにも回転させることが可能であり、回転型カッター６０の軌道を能率よく掘削できる軌道に設定することもできるため、掘削能力が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で優れたものに構成することができ、依って、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応することが可能になる。
【００７０】
掘進機本体２は、掘削土を回収可能なチャンバー１９と、そのチャンバー１９の後端を仕切る隔壁１６とを有し、回転ドラム４０は、隔壁１６の一部である可動隔壁１８を構成する板部材４１を有するので、回転ドラム４０の回転方向に対する強度、剛性が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で非常に優れたものとなる。
【００７１】
第１回転駆動機構４５は、掘進機本体２に取付けられた複数の第１油圧モータ４６を有し、第２回転駆動機構５５は、回転ドラム４０に取付けられた複数の第２油圧モータ５６を有し、第３回転駆動機構６５は、カッター支持フレーム５０に取付けられた複数の第３油圧モータ６６を有するので、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０を夫々独立に確実に回転駆動することができ、第１〜第３回転駆動機構４５，５５，６５の構造も簡単化できる。
【００７２】
カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の外周部付近に回転可能に支持され、カッター支持フレーム５０と回転型カッター６０は、正面視にて回転型カッター６０が回転ドラム４０の外周よりも外側へ移動可能に構成したので、回転ドラム４０よりもサイズが大きな種々の断面形状のトンネルＴを確実に掘削できる。
【００７３】
カッター支持フレーム５０に異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された１対の回転型カッター６０と、これら１対の回転型カッター６０を夫々回転駆動する１対の第３回転駆動機構６５とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００７４】
回転ドラム４０に第１軸心Ａ１と平行で且つこの第１軸心Ａ１と第２軸心Ａ２から離隔した位置にある第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット７１を装備した回転型補助カッター７０と、回転型補助カッター７０を回転駆動する第４回転駆動機構７５とを備えたので、掘削能力を高め、回転型カッター６０で掘削できない部分をこの回転型補助カッター７０で掘削できるように構成できる。
【００７５】
チャンバー１９の内部に配置され回転ドラム４０に回転可能に支持された攪拌羽根８０と、攪拌羽根８０を回転駆動する第５回転駆動機構８５とを備えたので、掘削土を攪拌してチャンバー１９から外部へ搬送し易くすることができ、その攪拌羽根８０は第５回転駆動機構８５で自転すると共に、回転ドラム４０と一体的に回転するため、攪拌性能が非常に向上する。
【実施例２】
【００７６】
実施例２では、図９−１〜図９−３に示すように、実施例１と同様のシールド掘進機１Ａにより、馬蹄形断面のトンネルＴＡを掘削する場合を示している。トンネルＴＡの水平な底面を形成する場合には、実施例１の矩形断面のトンネルＴの水平な底面を形成する場合と同様に、第１，第２回転駆動機構４５，５５を駆動制御し、その他の円弧状の内面を形成する場合には、１対の回転型カッター６０の一方を正面視にて回転ドラム４０の外周よりも外側へ大きく突出させた状態で、回転ドラム４０に対してカッター支持フレーム５０を固定し、つまり、第１軸心Ａ１から前記一方の回転型カッター６０までの距離を固定して、回転ドラム４０を回転させる。従来は、円形断面のトンネルを形成した後、人や車両が通る所定幅の道路をトンネル下端部よりも大きく上側へ離隔した位置に作る必要があり、この作業負荷が非常に大きいが、本実施例では、鞍形断面のトンネルＴＡを掘削できるため、その底面に所定幅の道路を簡単に確実に形成することができる。
【実施例３】
【００７７】
図１０−１〜図１０−３に示すように、シールド掘進機１Ｂは、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された正面視にて３角形形状のカッター支持フレーム５０Ｂと、このカッター支持フレーム５０Ｂに異なる３つの第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された３つの回転型カッター６０Ｂと、これら３つの回転型カッター６０Ｂを夫々回転駆動する３つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１０−１のように円形断面のトンネルＴＢａを掘削することもできるし、図１０−１、図１０−２のように長円形断面のトンネルＴＢｂを掘削することもできる。
【実施例４】
【００７８】
図１１−１〜図１１−３に示すように、シールド掘進機１Ｃは、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された正面視にて菱形形状のカッター支持フレーム５０Ｃと、このカッター支持フレーム５０Ｃに異なる４つの第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された４つの回転型カッター６０Ｃと、これら４つの回転型カッター６０Ｃを夫々回転駆動する４つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１１−１のように円形断面のトンネルＴＣａを掘削することもできるし、図１１−２、図１１−３のように片側を拡幅にしたトンネルＴＣｂを掘削することもできる。
【実施例５】
【００７９】
図１２−１〜図１２−３に示すように、シールド掘進機１Ｄは、回転ドラム４０に第１軸心Ａ１に対して対称位置にある異なる１対の第２軸心Ａ２の回りに夫々回転可能に支持された１対のカッター支持フレーム５０Ｄと、１対のカッター支持フレーム５０Ｄを夫々回転駆動する１対の第２回転駆動機構（図示略）と、各カッター支持フレーム５０Ｄに異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された１対の回転型カッター６０Ｄ（合計４つの回転型カッター６０Ｄ）と、４つの回転型カッター６０Ｄを夫々回転駆動する４つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１２−１のように円形断面のトンネルＴＤａを掘削することもできるし、図１２−２、図１２−３のように長円形断面のトンネルＴＤｂを掘削することもできる。
【００８０】
尚、回転ドラム４０の代わりに、隔壁１６の前側に配置されて放射状に延びる１又は複数のスポークを備えた第１回転部材を設けてもよい。この場合、１又は複数のスポークにカッター支持フレーム５０を回転可能に支持することで、前記実施例と同様の作用・効果が得られる。また、前記第１〜第３アクチュエータとして、第１〜第３油圧モータの代わりに、油圧ジャッキや電動モータを適用してもよい。
【００８１】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を付加して実施可能であるし、種々のシールド掘進機１に本発明を適用可能である。例えば、非常に固い岩盤等の地質を含む地山を掘削するシールド掘進機に適用する場合には、回転型カッター６０や回転型補助カッター７０に複数のカッタービットの代わりに複数のローラカッターを取付けて対応可能になる。また、セグメントＳを組み付けないトンネル掘削機に本発明の掘削装置を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施例１のシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】左半部が図１のIIIa−IIIa線、右半部が図１のIIIb−IIIb線の断面図である。
【図４】カッター支持フレームと回転型カッターを含む要部の断面図である。
【図５】シールド掘進機の駆動制御系を示すブロック図である。
【図６−１】掘削装置のドラム回転角０度のときの正面図である。
【図６−２】掘削装置のドラム回転角３０度のときの正面図である。
【図６−３】掘削装置のドラム回転角６０度のときの正面図である。
【図６−４】掘削装置のドラム回転角７３．７度のときの正面図である。
【図６−５】掘削装置のドラム回転角９０度のときの正面図である。
【図６−６】掘削装置のドラム回転角１０６．３度のときの正面図である。
【図６−７】掘削装置のドラム回転角１２０度のときの正面図である。
【図６−８】掘削装置のドラム回転角１５０度のときの正面図である。
【図６−９】掘削装置のドラム回転角１８０度のときの正面図である。
【図６−１０】掘削装置のドラム回転角２１０度のときの正面図である。
【図６−１１】掘削装置のドラム回転角２４０度のときの正面図である。
【図６−１２】掘削装置のドラム回転角２５３．７度のときの正面図である。
【図６−１３】掘削装置のドラム回転角２７０度のときの正面図である。
【図６−１４】掘削装置のドラム回転角２８６．３度のときの正面図である。
【図６−１５】掘削装置のドラム回転角３００度のときの正面図である。
【図６−１６】掘削装置のドラム回転角３３０度のときの正面図である。
【図７−１】No.1カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図７−２】No.2カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図７−３】No.3カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図８】No.1〜No.3カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図９−１】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図９−２】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図９−３】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−１】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−２】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−３】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−１】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−２】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−３】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−１】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−２】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−３】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ａ〜１Ｄ シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ シールドジャッキ
５ 掘削装置
１０ 胴体
１６ 隔壁
１９ チャンバー
４０ 回転ドラム
４５ 第１回転駆動機構
４６ 第１油圧モータ
５０，５０Ｂ〜５０Ｄ カッター支持フレーム
５５ 第２回転駆動機構
５６ 第２油圧モータ
６０，６０Ｂ〜６０Ｄ 回転型カッター
６５ 第３回転駆動機構
６６ 第３油圧モータ
７０ 回転型補助カッター
７５ 第４回転駆動機構
８０ 攪拌羽根
８５ 第５回転駆動機構
９０ 駆動制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は種々の断面形状のトンネルを掘削可能なシールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削装置とを備えている。一般に、掘進機本体の胴体は円筒状に形成され、掘削装置においては、胴体と同径のカッターヘッドの前面に複数のカッタービットが装備され、このカッターヘッドが、掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸の回りに回転可能に支持されると共に、複数の油圧モータにより回転駆動されて、円形断面のトンネルを掘削する。
【０００３】
ところで、近年、円形断面以外に矩形断面や長円形断面等の種々の断面形状のトンネルを掘削可能なシールド掘進機が開発され、今までに、この種のシールド掘進機が実用化されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
特許文献１のシールド掘進機では、ディスクカッターが掘進機本体に掘進機本体の中心軸の回りに回転可能に支持され、このディスクカッターのディスク本体に遊星カッターが回転可能に支持されている。複数の油圧モータによりディスク本体が回転駆動されると、遊星カッターは、ディスク本体と一体的に公転すると共に、遊星歯車機構によりディスク本体の回転に同期連動して自転する。所定の断面形状のトンネルを掘削可能に、遊星カッターの輪郭形状が遊星カッターの自転数と公転数との比に応じて設定される。
【０００５】
特許文献２のシールド掘進機では、放射状に延びる４本のスポークに４本の伸縮腕が夫々油圧ジャッキにより径方向へ伸縮可能に連結され、各伸縮腕にコーナーカッターとコーナーカッターを回転駆動する油圧モータが取付けられている。
【０００６】
特許文献３のシールド掘進機では、掘進機本体の中心軸と同心の軸を持つ固定軸に固定歯車が固定的に設けられ、この固定歯車に遊星歯車が噛合し、遊星歯車に第１歯車が噛合している。第１ケーシングが固定軸の回りに回転可能に設けられ、この第１ケーシングに固定歯車と遊星歯車と第１歯車が収容され、遊星歯車が第１ケーシングに回転可能に支持されている。第１ケーシングの先端部分から第２ケーシングが前方へ突出しており、第２ケーシングの中空軸部の後端部分が第１ケーシングに回転可能に内嵌され、その中空軸部に第１歯車が外嵌状に固定されている。
【０００７】
第２ケーシングの中空軸部に軸部材が回転可能に挿通され、この軸部材の前端部に第２歯車が固定的に設けられ、この第２歯車に第３歯車が噛合している。中空腕部に第２，第３歯車が収容されると共に回転可能に支持され、第３歯車にカッターが固定的に設けられている。ケーシング駆動モータにより、カッターが第１，第２ケーシングを介して固定軸の回りに回転駆動され、これと同期連動して、カッターが固定，遊星，第１歯車、第２ケーシングを介して軸部材の回りに回転駆動される。所定の断面形状のトンネルを掘削可能に、固定歯車と第１歯車の歯数の比が設定される。カッターは掘進機本体側に設けたカッター駆動モータにより軸部材、第２，第３歯車等を介して独立に回転駆動され自転する。
【０００８】
【特許文献１】特許第２８９８９６８号公報
【特許文献２】特開２００１−５５８９０号公報
【特許文献３】特開平９−１１９２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜３のシールド掘進機では、種々の断面形状のトンネルを掘削可能に構成できる。しかし、所定の断面形状のトンネルを掘削するために、特許文献１の技術では、遊星カッターの輪郭形状を遊星カッターの自転数と公転数との比に応じて設定しなければならないし、特許文献３の技術では、固定歯車と第１歯車の歯数の比を設定しなければならない。つまり、前記所定の断面形状以外の断面形状のトンネルを掘削する場合には、前記設定を変更しなければならないが、その設定変更は非常に大変であり、当然、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも不可能であり、汎用性が極めて低い。
【００１０】
特許文献２のシールド掘進機は、スポークタイプのカッターヘッドを備えたものであり、各スポークに伸縮腕が径方向へ伸縮可能に連結されているため、特に伸縮腕を大きく伸長した状態では、伸縮腕に大きな回転抵抗が作用するため、その伸縮腕や伸縮腕をスポークに連結する部分において、強度的にまた耐久性の面で問題が生じる。例えば、このシールド掘進機を、非常に固い岩盤等の地質を含む地山を掘削するシールド掘進機として適用する場合には、実用に耐えない可能性が高い。
【００１１】
特許文献３のシールド掘進機では、カッターを固定軸の回りに回転させると共に、これと同期連動させて軸部材の回りに回転させるために、更には、カッターを掘進機本体側に設けたカッター駆動モータにより独立に回転駆動するために、第１，第２ケーシング、固定歯車、遊星歯車、第１〜第３歯車等を有する非常に複雑な構造となり、製作コスト的にも不利である。また、カッターを固定軸の回りに回転駆動し且つカッターを軸部材の回りに回転駆動する非常に大きな力を第１，第２ケーシングに入力し伝達させることになるため、その点、強度的にまた耐久性の面で問題が生じる虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、種々の断面形状のトンネルを掘削でき、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、汎用性が極めて高く、構造を簡単化でき、掘削能力が高く、強度的また耐久性の面で優れ、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応できる、シールド掘進機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１のシールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削手段とを備えたシールド掘進機において、前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッターと、前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
このシールド掘進機では、胴体を含む掘進機本体が複数のシールドジャッキにより推進され、掘削手段により掘進機本体の前端側の地山が掘削され、この掘削手段として、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッター、第１〜第３回転駆動手段が設けられている。掘進機本体の前端側部分に第１回転部材が第１軸心の回りに回転可能に支持され、第１回転部材に第２回転部材が第２軸心の回りに回転可能に支持され、第２回転部材に回転型カッターが第３軸心の回りに回転可能に支持されている。第１軸心は掘進機本体の中心軸と平行で、第２軸心は第１軸心と平行で且つ第１軸心から離隔した位置にあり、第３軸心は第２軸心と平行で且つ第２軸心から離隔した位置にある。
【００１５】
第１回転駆動手段により第１回転部材が第１軸心の回りに回転駆動されて、第２回転部材と回転型カッターも一体的に第１軸心の回りに回転し、第２回転駆動手段により第２回転部材が第１回転部材に対して第２軸心の回りに回転駆動されて、回転型カッターも一体的に第２軸心の回りに回転し、第３回転駆動手段により回転型カッターが第２回転部材に対して第３軸心の回りに回転駆動され、これら第１〜第３回転駆動手段は、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッターを夫々独立に駆動する。
【００１６】
第１軸心と第２軸心との距離をＲ、第２軸心と第３軸心との距離をｒ（＜Ｒ）、第３軸心を中心とする回転型カッターの掘削半径をｅとした場合、正面視にて、第２軸心の移動軌跡は第１軸心を中心とする半径Ｒの円周になり、第３軸心の移動軌跡は第２軸心を中心とする半径ｒの円周になり、回転型カッターで掘削可能な掘削可能範囲は、Ｒ≦（ｒ＋ｅ）の場合、第１軸心を中心とする半径（Ｒ＋ｒ＋ｅ）の円になり、Ｒ＞（ｒ＋ｅ）の場合、第１軸心を中心とする半径（Ｒ−（ｒ＋ｅ））の円周と半径（Ｒ＋ｒ＋ｅ）の円周との間のリング状部分になる。
【００１７】
第１，第２回転駆動手段により第１，第２回転部材を夫々独立駆動するため、これら第１，第２回転駆動手段を制御することで、回転型カッターを前記掘削可能範囲内で自由に移動させ、第１軸心からトンネル内面までの距離を、最大（Ｒ＋ｒ＋ｅ）となる所定距離以上の自由な距離に変化させて、種々の自由な断面形状のトンネルを掘削可能になる。
【００１８】
請求項１の発明において、次の構成を採用可能である。
前記掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、前記第１回転部材は、前記隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなる（請求項２）。或いは、前記第１回転部材は、前記隔壁の前側に配置されて放射状に延びる１又は複数のスポークを備えた回転部材からなる。
【００１９】
前記第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、前記第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、前記第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有する（請求項３）。尚、第１〜第３アクチュエータを第１〜第３油圧モータとすることが好ましい。前記第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、前記第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成する（請求項４）。
【００２０】
前記回転型カッターは、円形の前面とこの前面の外周に連なる円筒状外周面とを有し、前記前面と円筒状外周面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備する。或いは、前記回転型カッターは、円形の前面とこの前面の外周に連なる環状テーパ面とこの環状テーパ面の後端に連なる円筒状外周面とを有し、前記前面と環状テーパ面と円筒状外周面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備する。
【００２１】
前記第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備える（請求項５）。前記第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備える（請求項６）。前記第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、前記駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御する（請求項７）。
【００２２】
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、前記回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段とを備える（請求項８）。前記第２回転部材の第２軸心と回転型補助カッターの第４軸心とが、第１回転部材の第１軸心に対して対称位置になるように設定する。前記チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、前記攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備える（請求項９）。
【００２３】
回転型カッターはカッタービット又はローラカッターを取付けるカッターフレームを有し、カッターフレームの内部に前記隔壁側から作業者が入り込めてカッタービット又はローラカッターを交換可能な作業スペースを形成する。前記回転型カッターに加泥材を供給して回転型カッターの前方へ噴射させる加泥材供給手段を備える。前記攪拌羽根に加泥材を供給して攪拌羽根の前方へ噴射させる加泥材供給手段を備える。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１のシールド掘進機によれば、掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材、第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段、第１回転部材に第１軸心と平行で第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材、第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段、第２回転部材に第２軸心と平行で且つ第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッター、回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えた。
【００２５】
従って、種々の自由な断面形状のトンネルを掘削することが可能になり、所定の断面形状のトンネルを掘削する場合、その断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を駆動制御することで実現できる。つまり、第１，第２回転駆動手段の制御を変更することで、機械的な構造を変更することなく、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも可能であり、汎用性が極めて高くなる。トンネルのカーブ部分を掘削する場合等、トンネルを少し拡大するために地山を余掘りする必要がある場合でも、その余掘りを回転型カッターで行うことができ、既存のコピーカッターを省略することが可能になる。
【００２６】
しかも、第１〜第３回転駆動手段により第１，第２回転部材、回転型カッターを独立に回転駆動するため、第１，第２回転部材、回転型カッターを連動連結させる複雑な構造が不要となり、構造を簡単化でき、製作コスト的にも有利になり、更に、実質的に回転型カッターを第１軸心の回りにも第２軸心の回りにも第３軸心の回りにも回転させることが可能であり、回転型カッターの軌道を能率よく掘削できる軌道に設定することもできるため、掘削能力が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で優れたものに構成することができ、依って、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応することが可能になる。
【００２７】
請求項２のシールド掘進機によれば、掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、第１回転部材は、隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなるので、第１回転部材の回転方向に対する強度、剛性が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で非常に優れたものとなる。
【００２８】
請求項３のシールド掘進機によれば、第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有するので、第１回転部材、第２回転部材、回転型カッターを夫々独立に確実に回転駆動でき、第１〜第３回転駆動手段の構造も簡単化できる。
【００２９】
請求項４のシールド掘進機によれば、第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成したので、第１回転部材よりもサイズが大きな種々の断面形状のトンネルを確実に掘削できる。
【００３０】
請求項５のシールド掘進機によれば、第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００３１】
請求項６のシールド掘進機によれば、第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００３２】
請求項７のシールド掘進機によれば、第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御するので、所定の断面形状のトンネルを確実に掘削でき、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができる。
【００３３】
請求項８のシールド掘進機によれば、第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段とを備えたので、掘削能力を高め、回転型カッターで掘削できない部分をこの回転型補助カッターで掘削できるように構成できる。
【００３４】
請求項９のシールド掘進機によれば、チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備えたので、掘削土を攪拌してチャンバーから外部へ搬送し易くすることができ、その攪拌羽根は攪拌羽根回転駆動手段で自転すると共に、第１回転部材と一体的に回転するため、攪拌性能が非常に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明のシールド掘進機は、胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削装置とを備えたものであり、この掘削装置として、前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービットを装備した回転型カッターと、前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段とを備えている。
【実施例１】
【００３６】
図１〜図３に示すように、シールド掘進機１は、胴体１０を含む掘進機本体２と、掘進機本体２を推進させる複数のシールドジャッキ３と、胴体１０の前胴１１と後胴１２とを中折れさせる複数の中折れジャッキ４と、掘進機本体２の前端側の地山を掘削する掘削装置５と、掘削装置５で掘削した掘削土を排出する左右１対のスクリューコンベア６ａを有する掘削土排出装置６と、掘削装置５で掘削したトンネルＴの内面にセグメントＳを組付ける左右１対のエレクタ装置７と、トンネルＴの内面に組付けたセグメントＳを保持する左右１対のセグメント保持装置８と、トンネルＴの内面とその内面に組付けたセグメントＳとの間にモルタルを注入する裏込注入装置９等を備えている。
【００３７】
掘進機本体２の胴体１０は前胴１１と後胴１２とを有し、前胴１１の後端部と後胴１２の前端部が中折れ部１３を介して中折れ可能に連結されている。前胴１１と後胴１２は、夫々、上下長と左右長の比が約１：２の略縦断面矩形の角筒状に形成され、その上壁及び左右の側壁と、下壁及び左右の側壁との角部分は湾曲状に形成されている。前胴１１の長さは後胴１１の長さの約２倍あり、中折れ部１３においては、後胴１２の前端部に環状の部分球面座１４が形成され、その部分球面座１４に前胴１１の後端部が外嵌され、この前胴１１と後胴１２の嵌合部間に環状シール部材１５が装着されている。
【００３８】
前胴１１は、その前後長が上下長の約１．５倍に形成され、前胴１１の内部には、その前端から後方へ前胴１１の約１／３の長さ部分に鉛直な隔壁１６が設けられている。隔壁１６は、その外周部が前胴１１の内面に固着された固定隔壁１７と、固定隔壁１７に回転可能に内嵌された円板状の可動隔壁１８からなり、可動隔壁１８は、その直径が内胴１１の上下長よりも少し短い長さに形成されている。この隔壁１６と前胴１１のうち隔壁１６よりも前方へ突出している部分とで、掘削装置５で掘削した掘削土を回収するチャンバー１９が形成されている。隔壁１６はチャンバー１９の後端を仕切るものである。
【００３９】
前胴１１の内面には、隔壁１６から後方へ前胴１１の約１／３の長さ部分に、円筒部２１を有する環状部材２０が固着され、この環状部材２０の前端の板部材で固定隔壁１７が形成されている。環状部材２０の円筒部２１に、掘削装置５の回転ドラム４０が回転可能に支持され、この回転ドラム４０の前端の板部材４１で可動隔壁１８が形成されている。前胴１１の固定隔壁１７の後端付近部において、上端部に左右１対の地山探査装置２２ａが可動に設けられ、下端部に左右１対の可動ソリ２ｂが可動に設けられ、可動ソリ２２ｂは胴体１０のローリングを防止し、胴体１０を所期の姿勢に保持する為のものである。
【００４０】
固定隔壁１７には、左右１対のマンロック２３と、左右１対のマンホール２４が設けられ、左右１対の排土口２５が形成され、６つの土圧計２６が設けられ、６つの加泥材注入口２７が形成されている。マンロック２４は、その出入口の空間を掘進機本体２の内部と仕切ってチャンバー１９内の圧力近くに昇圧させる機能を有する。可動隔壁１８には、１対のマンホール２８が設けられ、４つの加泥材注入口２９が形成されている。
【００４１】
後胴１２は、その前後長が上下長の約１／２の長さに形成され、後胴１２の内面には、その前端部にリングウェブ３０が固着され、後端部分にテールシール３１が設けられている。複数のシールドジャッキ３は、前胴１１の後端部分と後胴１２の前端部分とに亙って、その内面に沿って周方向に適当間隔（略等間隔）おきに後方向きに配設され、各シールドジャッキ３のジャッキ本体の後部がリングウェブ３０に貫通状に固定されている。複数のシールドジャッキ３はエレクタ装置８で組付けられたセグメントＳを後方へ押す反力により推進力を発生する。
【００４２】
複数の中折れジャッキ４は、前胴１１の後端部分と後胴１２の前端部（中折れ部１３）とに亙って、その内面に沿って周方向に適当間隔（略等間隔）おきに、複数のシールドジャッキ３と干渉しないように前方向向きに配設され、各中折れジャッキ４の前端部が、前胴１１に固着されたブラケット３２に回動可能に連結され、各中折れジャッキ４の後端部が、後胴１２に固着されたブラケット３３に回動可能に連結されている。
【００４３】
次に、掘削装置５について詳細に説明する。
図１〜図５に示すように、掘削装置５は、掘進機本体２の前端側部分に第１軸心Ａ１の回りに回転可能に支持された第１回転部材に相当する回転ドラム４０と、回転ドラム４０を回転駆動する第１回転駆動機構４５と、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された第２回転部材に相当するカッター支持フレーム５０と、カッター支持フレーム５０を回転ドラム４０に対して回転駆動する第２回転駆動機構５５と、カッター支持フレーム５０に異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持され表面に複数のカッタービット６１を装備した１対の回転型カッター６０と、１対の回転型カッター６０をカッター支持フレーム５０に対して夫々回転駆動する１対の第３回転駆動機構６５と、回転ドラム４０に第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット７１を装備した回転型補助カッター７０と、回転型補助カッター７０を回転ドラム４０に対して回転駆動する第４回転駆動機構７５と、回転ドラム４０に異なる１対の第５軸心Ａ５の回りに夫々回転可能に支持された１対の攪拌羽根８０と、１対の攪拌羽根８０を回転ドラム４０に対して夫々回転駆動する１対の攪拌羽根回転駆動手段に相当する第５回転駆動機構８５と、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５を駆動制御する油圧回路を含む駆動制御ユニット９０と、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５を操作する為の操作盤９５を備えている。
【００４４】
第１軸心Ａ１は掘進機本体２の中心軸Ａｃと一致し（平行で）、第２軸心Ａ２は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１軸心Ａ１から離隔した位置にあり、第３軸心Ａ３は第２軸心Ａ２と平行で且つ第２軸心Ａ２から離隔した位置にあり、第４軸心Ａ４は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１，第２軸心Ａ１，Ａ２から離隔した位置にあり、第５軸心Ａ５は第１軸心Ａ１と平行で且つ第１，第２，第４軸心Ａ１，Ａ２，Ａ４から離隔した位置にあり、第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５は、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０、回転型補助カッター７０、攪拌羽根８０を夫々独立に回転駆動するように構成されている。
【００４５】
例えば、第２軸心Ａ２は第１軸心Ａ１から回転ドラム４０の半径の約３／４の距離離隔した位置にあり、１対の第３軸心Ａ３は第２軸心Ａ２に対して対称位置で夫々第２軸心Ａ２から回転ドラム４０の半径の約１／２の距離離隔した位置にあり、第４軸心Ａ４は第１軸心Ａ１に対して第２軸心Ａ２と対称位置で第１軸心Ａ１から回転ドラム４０の半径の約３／４の距離離隔した位置にあり、１対の第５軸心Ａ５は夫々第１軸心Ａ１を中心として第４軸心Ａ４を周方向両側へ約４５度移動させた位置にある。
【００４６】
前述のように、回転ドラム４０は隔壁１６の一部である可動隔壁１８を構成する板部材４１を前面に有する。回転ドラム４０は板部材４１と外筒４２と複数のリブを有し、この外筒４２が環状部材２０の円筒部２１に内嵌されて回転可能に支持され、これら円筒部２１と外筒４２の間に環状シール部材４３が装着され、外筒４２の後端部にリングギヤ４４が固定的に設けられている。第１回転駆動機構４５は、掘進機本体２に取付けられた複数（例えば、８つ）の第１アクチュエータに相当する第１油圧モータ４６を有する。複数の第１油圧モータ４６は、環状部材２０の後端部分に設けられたリング状のモータ取付部４７に、周方向に適当間隔おきに前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ４４に噛合している。
【００４７】
カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の外周部付近に回転可能に支持され、カッター支持フレーム５０と１対の回転型カッター６０は、正面視にて１対の回転型カッター６０が回転ドラム４０の外周よりも外側へ移動可能に構成されている。カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の前側のチャンバー１９内に配設されたフレーム本体５１と、フレーム本体５１の後端部の長さ方向中央部に連結されて後方へ突出する筒状部５２とを有する。フレーム本体５１は、その長さが回転ドラム４０の直径の約４／５の長さに形成され、その前後厚さがチャンバー１９の前後長よりも少し小さい箱形に形成され、このフレーム本体５１の長さ方向両側部分に１対の回転型カッター６０が装着されている。
【００４８】
回転ドラム４０には、外周近傍部に円筒受部４０ａが内嵌状に固定され、この円筒受部４０ａにカッター支持フレーム５０の筒状部５２が内嵌されて回転可能に支持され、これら円筒受部４０ａと筒状部５２の間に環状シール部材５３が装着され、筒状部５２の後端部にリングギヤ５４が固定的に設けられている。第２回転駆動機構５５は、回転ドラム４０に取付けられた複数（例えば、８つ）の第２アクチュエータに相当する第２油圧モータ５６を有する。複数の第２油圧モータ５６は、所定のモータ取付部に、周方向に適当間隔おきに前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ５４に噛合している。
【００４９】
１対の回転型カッター６０は、夫々、円形の前面６２ａとこの前面６２ａの外周に連なる環状テーパ面６２ｂとこの環状テーパ面６２ｂの後端に連なる円筒状外周面６２ｃとを有するカッターフレーム６２を有し、この前面６２ａと環状テーパ面６２ｂと円筒状外周面６２ｃに複数のカッタービット６１が装備され、これらカッタービット６１はカッターフレーム６２の内側から着脱可能になっている。フレーム本体５１の長さ方向両側部分に１対のカッター取付部５１ａが設けられ、各回転型カッター６０のカッターフレーム６２の後端部分が各カッター取付部５１ａに前側から内嵌されて回転可能に支持され、これらカッター取付部５１ａとカッターフレーム６２の間に環状シール部材６３が装着され、カッターフレーム６２の後端部にリングギヤ６４が固定的に設けられている。
【００５０】
１対の第３回転駆動機構６５は１対のカッター取付部５１ａに夫々取付けられた複数（例えば、１対）の第３アクチュエータに相当する第３油圧モータ６６を有する。各第３回転駆動機構６５において、複数の第３油圧モータ６６は、カッター取付部５１ａの内部に前向きに装着され、これらの出力ギヤが回転型カッター６０のリングギヤ６４に噛合している。ここで、カッターフレーム６２の内部に、隔壁１６側からカッター支持フレーム５０を通って作業者が入り込めてカッタービット６１を交換可能な作業スペースが形成されている。カッター支持フレーム５０の筒状部５２の後端部に、カッター支持フレーム５０に入るハッチ５０ａが形成されている。尚、カッターフレーム６２には後側へ突出する攪拌羽根も装備されている。
【００５１】
回転型補助カッター７０は、回転型カッター６０と同様の構造であり、円形の前面７２ａとこの前面７２ａの外周に連なる環状テーパ面７２ｂとこの環状テーパ面７２ｂの後端に連なる円筒状外周面７２ｃとを有するカッターフレーム７２を有し、この前面７２ａと環状テーパ面７２ｂと円筒状外周面７２ｃに複数のカッタービット７１が装備され、これらカッタービット７１はカッターフレーム７２の内側から着脱可能になっている。回転ドラム４０にはチャンバー１９内に突出する筒状のカッター取付部５０Ａが固定され、回転型補助カッター７０のカッターフレーム７２の後端部分が、カッター取付部５０Ａに前側から内嵌されて回転可能に支持され、これらカッター取付部５０Ａとカッターフレーム７２の間に環状シール部材７３が装着され、カッターフレーム７２の後端部にリングギヤ７４が固定的に設けられている。
【００５２】
第４回転駆動機構７５は、カッター取付部５０Ａに取付けられた複数（例えば、１対）の第４油圧モータ７６を有する。複数の第４油圧モータ７６は、カッター取付部５０Ａの内部に前向きに装着され、これらの出力ギヤがリングギヤ７４に噛合している。ここで、カッターフレーム７２の内部に、隔壁１６側からカッター取付部５０Ａの内部を通って作業者が入り込めてカッタービット７１を交換可能な作業スペースが形成されている。尚、カッターフレーム７２には後側へ突出する攪拌羽根も装備されている。
【００５３】
１対の攪拌羽根８０はチャンバー１９の内部に配置され、１対の第５回転駆動機構８５は、隔壁１６の後側において回転ドラム４０に夫々取付けられた複数（例えば、３つ）の第５油圧モータ８５を有する。
【００５４】
ところで、回転ドラム４０の中心部にロータリージョイント９１が装着され、第２〜５の回転駆動機構５５，６５，７５，８５の第２〜第５油圧モータ５６，６６，７６，８６へは、駆動制御ユニット９０からロータリージョイント９１を介して油圧が供給される。ここで、本実施例の場合、カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０に対して所定の基準位相角位置から１８０度以上回転しないため、第３回転駆動機構７５の第３油圧モータ７６への油圧の供給は、ロータリージョイント９１から油圧ホースにより行われる。但し、カッター支持フレーム５０の中心部にロータリージョイントを装着し、このロータリージョイントを介して第３油圧モータ７６に油圧を供給してもよい。
【００５５】
また、加泥材供給ユニット（図示略）が設けられており、この加泥材供給ユニットから加泥材がロータリージョイント９１に供給される。１対の回転型カッター６０に加泥材注入口６０ａが夫々形成され、回転型補助カッター７０に加泥材注入口７０ａが形成され、これら加泥材注入口６０ａ，７０ａにロータリージョイント９１から加泥材ホース（図示略）により加泥材が供給される。１対の攪拌羽根８０に加泥材注入口８０ａが夫々形成され、これら攪拌羽根８０の中心部にロータリージョイント９２が装着され、ロータリージョイント９１から加泥材ホース（図示略）によりロータリージョイント９２に加泥材が供給され、このロータリージョイント９２から加泥材注入口８０ａに加泥材が供給される。
【００５６】
尚、掘削土排出装置６、１対のエレクタ装置７、１対のセグメント保持装置８、裏込注入装置９については、既存の装置であるので詳細な説明を省略する。尚、トンネルＴの幅方向中央部に、トンネルＴの内面上部に組付けたセグメントＳを支持する中柱Ｓａが組付けられるが、この中柱Ｓａの組付けは１対のエレクタ装置７の一方で行われる。
【００５７】
次に、シールド掘進機１の作用について説明する。
シールド掘進機１では、掘進機本体２が複数のシールドジャッキ３により推進され、掘削装置５により掘進機本体２の前端側の地山が掘削されて、掘削土はチャンバー１９に回収され掘削土排出装置６により外部へ排出される。こうしてトンネルＴが掘削されると共に、順次、１対のエレクタ装置７により複数のセグメントＳがリング状に組付けられ、そのセグメントＳが１対のセグメント保持装置８で保持された状態で、一方のエレクタ装置７により中柱Ｓａが組付けられる。
【００５８】
掘削装置５では、第１回転駆動機構４５により回転ドラム４０が第１軸心Ａ１の回りに回転駆動されて、カッター支持フレーム５０と１対の回転型カッター６０と回転型補助カッター７０も一体的に第１軸心Ａ１の回りに回転し、第２回転駆動機構５５によりカッター支持フレーム５０が回転ドラム４０に対して第２軸心Ａ２の回りに回転駆動されて、１対の回転型カッター７０も一体的に第２軸心Ａ２の回りに回転し、１対の第３回転駆動機構６５により１対の回転型カッター６０がカッター支持フレーム５０に対して夫々異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに回転駆動され、第４回転駆動機構７５により回転型補助カッター７０が回転ドラム４０に対して第４軸心Ａ４の回りに回転駆動され、１対の第５回転駆動機構８５により１対の攪拌羽根８０が回転ドラム４０に対して夫々回転駆動される。
【００５９】
第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５は、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０、回転型補助カッター７０、攪拌羽根８０を夫々独立に駆動するが、胴体２と同形の矩形断面のトンネルＴを掘削するために、駆動制御ユニット９０による第１〜第５回転駆動機構４５，５５，６５，７５，８５の制御について、図６−１〜図６−１６に基づいて詳細に説明する。尚、正面視における左方を左方とし、１対の回転型カッター６０のうち図６−１における右側をNo.1カッター６０、左側をNo.2カッター６０、回転型補助カッター７０をNo.3カッター７０として説明する。
【００６０】
先ず、掘削装置５が図６−１に示す状態において、掘進機本体２に対して第１軸心Ａ１を中心とする回転ドラム４０のドラム回転角θ（回転位相角θ）を基準位相角０度として、この基準位相角から正面視にて回転ドラム４０の時計回り方向のドラム回転角θを＋側とし、また、回転ドラム４０に対して第２軸心Ａ２を中心とするカッター支持フレーム５０のフレーム揺動角α（回転位相角α）を基準位相角０度として、この基準位相角から正面視にてカッター支持フレーム５０の反時計回り方向のフレーム揺動角αを＋側とする。
【００６１】
ここで、図６−１の状態のとき、第２軸心Ａは上限位置に位置し、カッター支持フレーム５０は水平になり、１対の第３軸心Ａ３の上下方向位置が一致して、No.1，No.2カッター６０の上端部と胴体２の上端部の上下方向位置が一致し、また、第４軸心Ａ４は下限位置に位置し、No.3カッター７０の下端部と胴体２の下端部の上下方向位置が一致する。
【００６２】
さて、掘削の際、第３〜第５回転駆動機構６５，７５，８５では、No.1，No.2カッター６０、No.3カッター７０、攪拌羽根８０を常時正面視にて時計回り方向へ回転駆動するが、第１，第２回転駆動機構４５，５５では、掘削するトンネルＴの断面形状に応じて回転ドラム４０の基準位相角からのドラム回転角θに対応付けてカッター支持フレーム５０のフレーム揺動角αを制御するように、第１，第２回転駆動機構４５，５５を制御する。
【００６３】
具体的に説明すると、先ず、図６−１〜図６−４に示すように、No.1カッター６０により、トンネルＴの右上約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝０→３０→６０→７３．７度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝±０→＋３６．４→＋７４．３→＋５２．８度に揺動する。図６−４の状態のときに、No.1カッター６０がトンネルＴの右側面の上下方向中央部に位置する。次に、図６−４〜図６−６に示すように、No.2カッター６０をトンネルＴの右側面の上下方向中央部に位置させるように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝７３．７→９０→１０６．３度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝＋５２．８→±０→−５２．８度に揺動する。
【００６４】
次に、図６−６〜図６−９に示すように、No. ２カッター６０により、トンネルＴの右下約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝１０６．３→１２０→１５０→１８０度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝−５２．８→−７４．３→−３６．４→±０度に揺動する。図６−９の状態のときに、第２軸心Ａは下限位置に位置し、カッター支持フレーム５０は水平になり、１対の第３軸心Ａ３の上下方向位置が一致して、No.1，No.2カッター６０の下端部と胴体２の下端部の上下方向位置が一致し、また、第４軸心Ａ４は上限位置に位置し、No.3カッター７０の上端部と胴体２の上端部の上下方向位置が一致する。
【００６５】
次に、図６−９〜図６−１２に示すように、No.1カッター６０により、トンネルＴの左下約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝１８０→２１０→２４０→２５３．７度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝±０→＋３６．４→＋７４．３→＋５２．８度に揺動する。図６−１２の状態のときに、No.1カッター６０がトンネルＴの左側面の上下方向中央部に位置する。次に、図６−１２〜図６−１４に示すように、No.2カッター６０をトンネルＴの左側面の上下方向中央部に位置させるように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝２５３．７→２７０→２８６．３度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝＋５２．８→±０→−５２．８度に揺動する。
【００６６】
次に、図６−１４〜図６−１６、図６−１に示すように、No. ２カッター６０により、トンネルＴの左上約１／４の周部分の内面を形成するように、回転ドラム４０がドラム回転角θ＝２８６．３→３００→３３０→３６０（０）度に回転し、その間に、カッター支持フレーム５０がフレーム揺動角α＝−５２．８→−７４．３→−３６．４→±０度に揺動して図６−１の状態になる。以上のように、回転ドラム４０が３６０度回転した場合に、No.1カッター６０による掘削範囲は図７−１に斜線で示す範囲となり、No.2カッター６０による掘削範囲は図７−２に斜線で示す範囲となり、No.3カッター７０による掘削範囲は図７−３に斜線で示す範囲となり、これらのトータルの掘削範囲は、図７−１〜図７−３を重ね合わせた図８に斜線で示す範囲となる。
【００６７】
以上説明したシールド掘進機１によれば次の効果を奏する。
種々の自由な断面形状のトンネルを掘削することが可能になり、所定の断面形状のトンネル（例えば、矩形断面のトンネルＴ）を掘削する場合、その断面形状に応じて回転ドラム４０の基準位相角からの回転位相角（ドラム回転角θ）に対応付けてカッター支持フレーム５０の回転角（フレーム揺動角α）を制御するように、第１，第２回転駆動機構４５，５５を駆動制御することで実現できる。
【００６８】
つまり、第１，第２回転駆動機構４５，５５の制御を変更することで、機械的な構造を変更することなく、掘削するトンネルの断面形状の変更を簡単に行うことができ、掘削途中のトンネルの断面形状を変更することも可能であり、汎用性が極めて高くなる。トンネルのカーブ部分を掘削する場合等、トンネルを少し拡大するために地山を余掘りする必要がある場合でも、その余掘りを回転型カッター６０で行うことができ、既存のコピーカッターを省略することが可能になる。
【００６９】
第１〜第３回転駆動機構４５，５５，６５により回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０を独立に回転駆動するため、これら４０，５０，６０を連動連結させる複雑な構造が不要となり、構造を簡単化でき、製作コスト的にも有利になり、更に、実質的に回転型カッター６０を第１軸心Ａ１の回りにも第２軸心Ａ２の回りにも第３軸心Ａ３の回りにも回転させることが可能であり、回転型カッター６０の軌道を能率よく掘削できる軌道に設定することもできるため、掘削能力が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で優れたものに構成することができ、依って、あらゆる土質を含む地山を掘削する場合に対応することが可能になる。
【００７０】
掘進機本体２は、掘削土を回収可能なチャンバー１９と、そのチャンバー１９の後端を仕切る隔壁１６とを有し、回転ドラム４０は、隔壁１６の一部である可動隔壁１８を構成する板部材４１を有するので、回転ドラム４０の回転方向に対する強度、剛性が非常に高くなり、強度的また耐久性の面で非常に優れたものとなる。
【００７１】
第１回転駆動機構４５は、掘進機本体２に取付けられた複数の第１油圧モータ４６を有し、第２回転駆動機構５５は、回転ドラム４０に取付けられた複数の第２油圧モータ５６を有し、第３回転駆動機構６５は、カッター支持フレーム５０に取付けられた複数の第３油圧モータ６６を有するので、回転ドラム４０、カッター支持フレーム５０、回転型カッター６０を夫々独立に確実に回転駆動することができ、第１〜第３回転駆動機構４５，５５，６５の構造も簡単化できる。
【００７２】
カッター支持フレーム５０は、回転ドラム４０の外周部付近に回転可能に支持され、カッター支持フレーム５０と回転型カッター６０は、正面視にて回転型カッター６０が回転ドラム４０の外周よりも外側へ移動可能に構成したので、回転ドラム４０よりもサイズが大きな種々の断面形状のトンネルＴを確実に掘削できる。
【００７３】
カッター支持フレーム５０に異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された１対の回転型カッター６０と、これら１対の回転型カッター６０を夫々回転駆動する１対の第３回転駆動機構６５とを備えたので、掘削能力を高めることができる。
【００７４】
回転ドラム４０に第１軸心Ａ１と平行で且つこの第１軸心Ａ１と第２軸心Ａ２から離隔した位置にある第４軸心Ａ４の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット７１を装備した回転型補助カッター７０と、回転型補助カッター７０を回転駆動する第４回転駆動機構７５とを備えたので、掘削能力を高め、回転型カッター６０で掘削できない部分をこの回転型補助カッター７０で掘削できるように構成できる。
【００７５】
チャンバー１９の内部に配置され回転ドラム４０に回転可能に支持された攪拌羽根８０と、攪拌羽根８０を回転駆動する第５回転駆動機構８５とを備えたので、掘削土を攪拌してチャンバー１９から外部へ搬送し易くすることができ、その攪拌羽根８０は第５回転駆動機構８５で自転すると共に、回転ドラム４０と一体的に回転するため、攪拌性能が非常に向上する。
【実施例２】
【００７６】
実施例２では、図９−１〜図９−３に示すように、実施例１と同様のシールド掘進機１Ａにより、馬蹄形断面のトンネルＴＡを掘削する場合を示している。トンネルＴＡの水平な底面を形成する場合には、実施例１の矩形断面のトンネルＴの水平な底面を形成する場合と同様に、第１，第２回転駆動機構４５，５５を駆動制御し、その他の円弧状の内面を形成する場合には、１対の回転型カッター６０の一方を正面視にて回転ドラム４０の外周よりも外側へ大きく突出させた状態で、回転ドラム４０に対してカッター支持フレーム５０を固定し、つまり、第１軸心Ａ１から前記一方の回転型カッター６０までの距離を固定して、回転ドラム４０を回転させる。従来は、円形断面のトンネルを形成した後、人や車両が通る所定幅の道路をトンネル下端部よりも大きく上側へ離隔した位置に作る必要があり、この作業負荷が非常に大きいが、本実施例では、鞍形断面のトンネルＴＡを掘削できるため、その底面に所定幅の道路を簡単に確実に形成することができる。
【実施例３】
【００７７】
図１０−１〜図１０−３に示すように、シールド掘進機１Ｂは、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された正面視にて３角形形状のカッター支持フレーム５０Ｂと、このカッター支持フレーム５０Ｂに異なる３つの第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された３つの回転型カッター６０Ｂと、これら３つの回転型カッター６０Ｂを夫々回転駆動する３つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１０−１のように円形断面のトンネルＴＢａを掘削することもできるし、図１０−１、図１０−２のように長円形断面のトンネルＴＢｂを掘削することもできる。
【実施例４】
【００７８】
図１１−１〜図１１−３に示すように、シールド掘進機１Ｃは、回転ドラム４０に第２軸心Ａ２の回りに回転可能に支持された正面視にて菱形形状のカッター支持フレーム５０Ｃと、このカッター支持フレーム５０Ｃに異なる４つの第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された４つの回転型カッター６０Ｃと、これら４つの回転型カッター６０Ｃを夫々回転駆動する４つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１１−１のように円形断面のトンネルＴＣａを掘削することもできるし、図１１−２、図１１−３のように片側を拡幅にしたトンネルＴＣｂを掘削することもできる。
【実施例５】
【００７９】
図１２−１〜図１２−３に示すように、シールド掘進機１Ｄは、回転ドラム４０に第１軸心Ａ１に対して対称位置にある異なる１対の第２軸心Ａ２の回りに夫々回転可能に支持された１対のカッター支持フレーム５０Ｄと、１対のカッター支持フレーム５０Ｄを夫々回転駆動する１対の第２回転駆動機構（図示略）と、各カッター支持フレーム５０Ｄに異なる１対の第３軸心Ａ３の回りに夫々回転可能に支持された１対の回転型カッター６０Ｄ（合計４つの回転型カッター６０Ｄ）と、４つの回転型カッター６０Ｄを夫々回転駆動する４つの第３回転駆動機構（図示略）とを備え、前記の回転型補助カッター７０は省略されており、その他の構成は実施例１のシールド掘進機１と同様である。図１２−１のように円形断面のトンネルＴＤａを掘削することもできるし、図１２−２、図１２−３のように長円形断面のトンネルＴＤｂを掘削することもできる。
【００８０】
尚、回転ドラム４０の代わりに、隔壁１６の前側に配置されて放射状に延びる１又は複数のスポークを備えた第１回転部材を設けてもよい。この場合、１又は複数のスポークにカッター支持フレーム５０を回転可能に支持することで、前記実施例と同様の作用・効果が得られる。また、前記第１〜第３アクチュエータとして、第１〜第３油圧モータの代わりに、油圧ジャッキや電動モータを適用してもよい。
【００８１】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を付加して実施可能であるし、種々のシールド掘進機１に本発明を適用可能である。例えば、非常に固い岩盤等の地質を含む地山を掘削するシールド掘進機に適用する場合には、回転型カッター６０や回転型補助カッター７０に複数のカッタービットの代わりに複数のローラカッターを取付けて対応可能になる。また、セグメントＳを組み付けないトンネル掘削機に本発明の掘削装置を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施例１のシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】左半部が図１のIIIa−IIIa線、右半部が図１のIIIb−IIIb線の断面図である。
【図４】カッター支持フレームと回転型カッターを含む要部の断面図である。
【図５】シールド掘進機の駆動制御系を示すブロック図である。
【図６−１】掘削装置のドラム回転角０度のときの正面図である。
【図６−２】掘削装置のドラム回転角３０度のときの正面図である。
【図６−３】掘削装置のドラム回転角６０度のときの正面図である。
【図６−４】掘削装置のドラム回転角７３．７度のときの正面図である。
【図６−５】掘削装置のドラム回転角９０度のときの正面図である。
【図６−６】掘削装置のドラム回転角１０６．３度のときの正面図である。
【図６−７】掘削装置のドラム回転角１２０度のときの正面図である。
【図６−８】掘削装置のドラム回転角１５０度のときの正面図である。
【図６−９】掘削装置のドラム回転角１８０度のときの正面図である。
【図６−１０】掘削装置のドラム回転角２１０度のときの正面図である。
【図６−１１】掘削装置のドラム回転角２４０度のときの正面図である。
【図６−１２】掘削装置のドラム回転角２５３．７度のときの正面図である。
【図６−１３】掘削装置のドラム回転角２７０度のときの正面図である。
【図６−１４】掘削装置のドラム回転角２８６．３度のときの正面図である。
【図６−１５】掘削装置のドラム回転角３００度のときの正面図である。
【図６−１６】掘削装置のドラム回転角３３０度のときの正面図である。
【図７−１】No.1カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図７−２】No.2カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図７−３】No.3カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図８】No.1〜No.3カッターによる掘削範囲を示す図である。
【図９−１】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図９−２】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図９−３】実施例２のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−１】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−２】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１０−３】実施例３のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−１】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−２】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１１−３】実施例４のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−１】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−２】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【図１２−３】実施例５のシールド掘進機の正面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ａ〜１Ｄ シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ シールドジャッキ
５ 掘削装置
１０ 胴体
１６ 隔壁
１９ チャンバー
４０ 回転ドラム
４５ 第１回転駆動機構
４６ 第１油圧モータ
５０，５０Ｂ〜５０Ｄ カッター支持フレーム
５５ 第２回転駆動機構
５６ 第２油圧モータ
６０，６０Ｂ〜６０Ｄ 回転型カッター
６５ 第３回転駆動機構
６６ 第３油圧モータ
７０ 回転型補助カッター
７５ 第４回転駆動機構
８０ 攪拌羽根
８５ 第５回転駆動機構
９０ 駆動制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削手段とを備えたシールド掘進機において、
前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、
前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、
前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、
前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッターと、
前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
前記掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、
前記第１回転部材は、前記隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
前記第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、前記第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、前記第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有することを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
前記第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、
前記第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成されたことを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
【請求項５】
前記第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載のシールド掘進機。
【請求項６】
前記第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載のシールド掘進機。
【請求項７】
前記第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、
前記駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のシールド掘進機。
【請求項８】
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、
前記回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のシールド掘進機。
【請求項９】
前記チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、
前記攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のシールド掘進機。
【請求項１】
胴体を含む掘進機本体と、掘進機本体を推進させる複数のシールドジャッキと、掘進機本体の前端側の地山を掘削する掘削手段とを備えたシールド掘進機において、
前記掘進機本体の前端側部分に掘進機本体の中心軸と平行な第１軸心の回りに回転可能に支持された第１回転部材と、
前記第１回転部材を回転駆動する第１回転駆動手段と、
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心から離隔した位置にある第２軸心の回りに回転可能に支持された第２回転部材と、
前記第２回転部材を第１回転部材に対して第１回転駆動手段とは独立に回転駆動する第２回転駆動手段と、
前記第２回転部材に前記第２軸心と平行で且つこの第２軸心から離隔した位置にある第３軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型カッターと、
前記回転型カッターを第２回転部材に対して第１，第２回転駆動手段とは独立に回転駆動する第３回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
前記掘進機本体は、掘削土を回収可能なチャンバーと、そのチャンバーの後端を仕切る隔壁とを有し、
前記第１回転部材は、前記隔壁の一部を構成する板部材を有する回転ドラムからなることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
前記第１回転駆動手段は、掘進機本体に取付けられた複数の第１アクチュエータを有し、前記第２回転駆動手段は、第１回転部材に取付けられた複数の第２アクチュエータを有し、前記第３回転駆動手段は、第２回転部材に取付けられた複数の第３アクチュエータを有することを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
前記第２回転部材は、第１回転部材の外周部付近に回転可能に支持されたカッター支持フレームからなり、
前記第２回転部材と回転型カッターは、正面視にて回転型カッターが第１回転部材の外周よりも外側へ移動可能に構成されたことを特徴とする請求項３に記載のシールド掘進機。
【請求項５】
前記第２回転部材に異なる複数の第３軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の回転型カッターと、これら複数の回転型カッターを夫々回転駆動する複数の第３回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載のシールド掘進機。
【請求項６】
前記第１回転部材に異なる複数の第２軸心の回りに夫々回転可能に支持された複数の第２回転部材と、これら複数の第２回転部材を夫々回転駆動する複数の第２回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載のシールド掘進機。
【請求項７】
前記第１〜第３回転駆動手段を駆動制御する駆動制御手段を備え、
前記駆動制御手段は、掘削するトンネルの断面形状に応じて第１回転部材の基準位相角からの回転位相角に対応付けて第２回転部材の回転角を制御するように、第１，第２回転駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のシールド掘進機。
【請求項８】
前記第１回転部材に前記第１軸心と平行で且つこの第１軸心と前記第２軸心から離隔した位置にある第４軸心の回りに回転可能に支持され表面に複数のカッタービット又はローラカッターを装備した回転型補助カッターと、
前記回転型補助カッターを回転駆動する第４回転駆動手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のシールド掘進機。
【請求項９】
前記チャンバーの内部に配置され第１回転部材に回転可能に支持された攪拌羽根と、
前記攪拌羽根を回転駆動する攪拌羽根回転駆動手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のシールド掘進機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図６−５】
【図６−６】
【図６−７】
【図６−８】
【図６−９】
【図６−１０】
【図６−１１】
【図６−１２】
【図６−１３】
【図６−１４】
【図６−１５】
【図６−１６】
【図７−１】
【図７−２】
【図７−３】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図９−３】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１０−３】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１２−３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図６−４】
【図６−５】
【図６−６】
【図６−７】
【図６−８】
【図６−９】
【図６−１０】
【図６−１１】
【図６−１２】
【図６−１３】
【図６−１４】
【図６−１５】
【図６−１６】
【図７−１】
【図７−２】
【図７−３】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図９−３】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１０−３】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１１−３】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１２−３】
【公開番号】特開２００７−３９９７６（Ｐ２００７−３９９７６Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２５３０６（Ｐ２００５−２２５３０６）
【出願日】平成１７年８月３日（２００５．８．３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３日（２００５．８．３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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