专利名称：盾构式掘进机的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是构筑具有多边形、最理想是四边形断面形状的隧道、洞窟、沟槽等使用的盾构式掘进机。
对于为构筑具有多边形断面形状的隧道、洞窟、沟槽等使用的方框形盾构式掘进机，是希望它在掘削多边形的各拐角部时能够整齐而不形成弧状。
作为这种方框形盾构式掘进机之一，有使用备有向着与方筒状的盾构本体的轴线成直交的第1方向伸出、且向着与该第1方向及盾构本体的轴线直交的第2方向能够往复移动的几根支承杆，和在各支承杆上安装的若干刀具有刀具组合体;这个刀具是将向第1方向伸出的一对钻头即刀头装在第2方向的端部(特开平1-310089号公报)。这种掘进机是通过向着第2方向的刀具组合体的往复运动带动各个刀具有往复运动而掘削开挖面的。然而，在这种掘进机上，刀具是在第1方向上将相邻的刀具的刀头相连续地配置着，所以就如用刨子刨木材一样，不过是将开挖面整体切削下来，掘进效率不高。
另一种方框型掘进机，是使用向与方筒状的盾构主体的轴线直交方向伸出的在轴线的周围能够旋转的滚筒，和在该滚筒的外周面安装着的若干刀具组成的刀具组合体(特开平2-66295号公报)。这种掘进机，是通过滚筒的旋转运动带动刀具的旋转运动来掘削开挖面。然而，这种众所周知的掘进机，其盾构本体的前端部的大部分都被滚筒闭锁着，所以进入盾构本体内的土砂量少，掘进效率不高。另外，这种众所周知的掘进机所掘削的土砂由于刀具的旋转运动都被耙向一侧，所以就需要较大的驱动力。
还有一种方框型掘进机，是使用由向着前后方向伸出且向着与方筒状的盾构本体的轴线直交的第1方向延伸的轴线的周围能够有角度地旋转的几个臂，和在该臂的前端部安装着且向着第1方向伸出的支承杆，和在该支承杆上安装着的若干刀具组成的刀具组合体(美国专利第3711159号)。这种掘进机是通过臂及支承杆的摆动运动带动刀具进行往复运动来掘削开挖面。然而在这种掘进机上，刀具组合体为了保护开挖面的坍塌，必须推开充满掘削的土砂才能被移动，所以驱动刀具组合体就需要很大的驱动力。
本发明的目的在于提供掘进效率高、驱动刀具组合体不需要很大驱动力的盾构式掘进机。
本发明的盾构式掘进机，包括具有多边形断面形状的筒状盾构本体，和至少应有向着与前述盾构本体的轴线交差的第1方向能够往复移动地配置在前记质构本体的前端部的刀具组合体，和驱动该刀具组合体的驱动机构。
前记刀具组合体，是从在前记盾构本体的前端部上向着与前记盾构本体的轴线和前记第1方向交差的第2方向有间隔地配置着、且向着前记第1方向伸出的若干锯齿状刀具;和在前记盾构本体的前端部向着前记第1方向有间隔地配置着、且向着前记第2方向伸出的若干板状刀具中，选择若干刀具组成。
刀具组合体装有锯齿状的刀具时，在掘进机前进时刀具组合体向着第1方向往复移动，所以由掘进机的前进和刀具组合体的往复移动的作用，各锯齿状的刀具则如锯子一样掘削开挖面。于是，开挖面则被锯齿状的刀具分割成许多碎块。
刀具组合体装有板状刀具情况时，在掘进机前进时刀具组合体向着第1方向往复移动，所以由掘进机的前进和刀具组合体的往复移动的作用，各板状刀具则掘削开挖面。于是，开挖面被板状刀具分割成许多碎块。不论在上述什么情况下，被分割的碎块随着掘进机的前进，经过相邻刀具之间的空间被接入到盾构本体内。其次，被接入到盾构本体内的土砂，则通过各种排出手段，最后排出到掘进机外。
如上所述，按照本发明，至少在第1方向往复移动的刀具组合体，是从向着第2方向有间隔地向第1方向延伸的若干锯齿状刀具，和在第1方向有间隔地向第2方向延伸的若干板状刀具中选择若干刀具组成的，所以开挖面是由许多刀具分割成许多碎块，掘进效率高，刀具用的驱动力也不必很大。
前记刀具组合体，最理想的是装有前记若干锯齿状刀具和与相邻的前记锯齿状刀具连结的前记若干板状刀具。这样，通过掘进机的前进和刀具组合体往复移动的作用，各锯齿状刀具则如锯子那样动作掘削开挖面，各板状刀具则以锤子或锹似的动作掘削开挖面，所以开挖面被锯齿状刀具分割成许多碎块，同时，还被板状刀具分割成许多碎块。其结果是与仅装有锯齿状或板状刀具组合体相比，掘进效率高，刀具用的驱动力也可用得小些。
前记各刀具的刀头至少能够向着前方。在这种情况下，前记驱动机构最理想的是能使前记各刀具移动的机构，以使前记各刀具的刀头一边至少向着前方变位，一边向着前记第1方向的一方变位;且一边向着后方变位，一边向着前记第1方向的另一方变位。这样，刀具的刀头边向着前方变位边向着第1方向的另一方变位时，则切入开挖面内;当边向着后方变位边向着第1方向的另一方变位时，则使之从开挖面离开、移动，所以切入开挖面内的各刀具就很有力，可用较小的驱动力掘削开挖面。
前记驱动机构，最理想的是装有在前记盾构本体配置的驱动源;在前记盾构本体向着前记第2方向伸出的轴线周围能够旋转地配置着、在两端部具有偏心部的曲轴;将前记驱动源的旋转向前记拐轴传输的传动机构;在前记偏心部分别相对应着的一对摇臂，一端在相对应的前记偏心部被可旋转地支承着，他端与前记刀具组合体连结。用这样的驱动机构，与用活塞、油缸机构驱动的千斤顶相比，可以提高单位时间内的刀具往复移动次数，可以更有效地进行掘削。其次，各刀具的刀头是通过刀具组合体进行的偏心运动而描绘着圆形轨迹，所以各刀具向着开挖面是更加有力地钻入似的运动着，于是使进入开挖面的刀具切压作用也更大。
对前记驱动机构还应装上连杆将其一端向着前记第2方向延伸的轴线的周围有角度地能够旋转地配置在前记盾构本体上;另一端则向前记第2方向延伸的轴线的周围有角度地能够旋转地连结在前记刀具组合体上。这样，各刀具的刀头向前后方向移动的同时，各刀具也产生向着第1方向往复移动似地运动，所以提高了掘进效率。
在第1方向中向前记刀具组合体的前记连杆的连结点位置，最好从向前记盾构本体的前记连杆的连结点位置向前记第1方向的另一方变位。如果使用这样的驱动机构，结合由于曲轴旋转发生的旋转运动，各刀具的刀头一边至少向前方变位，一边向前记第1方向的一方变位;且一边向后方变位时，一边向着前记第1方向的另一方变位，于是能够将各刀具用简单的机构使之准确地移动。
在理想的实施例中，应包括有将前记盾构本体内部区划为前方区和后方区的隔板。这时，被掘削出来的土砂则从接料口接入前方区。
还应有配置于前记刀具组合体的后方且通过前记驱动机构驱动的碎石机，进入该碎石机与前记隔板之间或该碎石机与前记盾构本体之间的土砂中的砾石，将由碎石机与前记隔板或前记盾构主体共同破碎。这样，在土砂中的砾石就不会妨害土砂的排出。
还应装上为排出进入前记前方区的土砂的一对管，前记前方区最好设有第1室和第2室，第1室接受前记土砂，配置着前记碎石机本体，第2室通过前记碎石机本体和前记盾构本体之间以及前记碎石机和前记隔板之间接受第1室内土砂，并与上述管连通。这样，开挖面土压通过在第1室充满的土砂传输给隔板，所以第2室可以作为泥水室利用。
前记盾构本体可以通过在前记第1方向有间隔地相对着的一对第1外面部以及在前记第2方向有间隔地相对着的一对第2外面部形成本质上是方型的断面形状。
前记盾构本体上装有配置着前记刀具组合体的第1本体部，和配置于该第1本体部的后方的第2本体部。前记第1以及第2本体部，是通过在前记盾构本体上配置着的与前记方型的四个拐角分别对应的四个千斤顶使之向着靠近或离开的方向可移动地连结着。这样，尽管是方型的掘进机也能够修正前进方向。
在理想的实施例中上，前记盾构本体的轴线是与前记第1方向及第2方向互相直交的。还有，在理想的实施例中，掘进机以前记盾构本体的轴线方向和前记第2方向呈水平方向姿态被使用的。
下面参照
本发明最佳实施例，其中图1是表示本发明的盾构式掘进机的一个实施例的正面图;
图2是图1上沿着2-2线的断面图;
图3是图1上沿着3-3线的断面图;
图4是图1上沿着4-4线的断面图;
图5是表示曲轴端部附近的一个实施例的断面图;
图6是说明方向修正法的图。
参照图1-4，方型的盾构式掘进机10包括有方筒状的盾构本体12、设于该盾构本体上的隔板14、由该隔板支承着的驱动机构16、和通过该驱动机构在与盾构本体12的轴线直交的第1方向(图示的例是上下方向)被往复移动掘削开挖面的刀具组合体18。
盾构本体12被分割为方筒状的第1本体部20和容纳在该第1本体部的后端部的方筒状的第2本体部22。第1及第2本体部20、22如在图6概略所示，在方型的拐角部由分别相对应地配置的4个方向修正用千斤顶24a、24b、24c、24d连结着。
由图上未示出的推进装置类的推力发生装置产生的推力通过沿掘进机10的掘削轨迹推入的若干方筒状管26的传递，使盾构本体12前进。然而，作为推力发生装置也可以使用例如配置在盾构本体和构筑在掘削轨迹筑的衬砌之间、且将前记衬砌作为反力体的若干千斤顶。使用将衬砌作为反力体的若干推进千斤顶时，这些千斤顶也可兼用作方向修正用千斤顶。
第1本体部20的内部由隔板14区划为开挖面侧的前方区28和在其后方维持大气压的后方区30。前方区28由格子32区划为接受掘削出来的土砂的弃渣室即第1室34，和在该第1室的后端下部连接着的泥水室即第2室36。第2室36是在第1室34的后方，在盾构本体12的下部形成着。在第2室36接续有供给泥水用的管38和将土砂和泥水一起排出的管40。
驱动机构16设有由支架42在隔板14支承着的驱动源44;绕在与盾构本体12的轴线及前记第1方向直交的第2方向(图示的例，在图1上是左右方向)延伸的轴线可旋转地支承在隔板14的下部、在主体部的两端部具有偏心部的曲轴46;将驱动源44的旋转传动给曲轴44的传动机构48;与前记偏心部分别相对且在对应的前记偏心部可旋转地支承着的摇臂50;和绕在前记第2方向延伸的轴线作角度旋转的与隔板14的上部连结着的一对连杆52。
驱动源44是众所周知的机构，包括电动机那样的回转源以及与其输出轴连结的减速机。传动机构48也是使用众所周知的链轮和链条。然而也可以用其它装置。各摇臂50的一端部连结在与它对应的前记偏心部。各连杆52的一端部也连结在隔板14上。
如图5所示，曲轴46是沿左右方向延伸在第2室36的上方，通过轴承54及壳56在曲轴主体部的两端部由隔板14支承着。各摇臂50通过轴承58及壳60被与之相对应的曲轴的偏心部支承着。在壳56、60之间配置有机械密封62。壳60装有盖64。壳56、60上配置有各种密封材料，在壳56、60内还填充有润滑油。
刀具组合体18配置在盾构本体12的前端部。在其下部与摇臂50的先端部、其上部与连杆42的先端部分别可绕在前记第2方向延伸的轴线作角度回转地连结着。如图2所示，从上下方向看，与刀具组合体18连结的连杆52的连结点和与盾构本体12及隔板14连结的连杆52的连结点相比位于上方。
刀具组合体18上装有在左右方向有间隔地乾上下方向延伸出的锯齿状的若干刀具66，和在上下方向有间隔地朝左右方向延伸且将相邻的刀具66相互连结着的若干板状连结体68。
将各刀具66在前记第1方向移动使之掘削开挖面时，钻头即刀头70是向着前方和上方即斜上方。各连结体68和相邻的刀具66共同规制着土砂的接料口，刀具66是按比曲轴46的偏心部的偏心量e小的节距P配置着。
各连结体68呈水平状态固定在相邻的刀具66上。各连结体68在图示的例是板状的刀具，所以在左右方向连结延伸着的钻头即刀头72是位于主体部的前缘端部。各板状刀具68的刀头72是向着前方和上方即斜上方。
在隔板14和刀具组合体18之间，配置着碎石机体74。碎石机体74位于从刀具组合体18的后方到相邻的锯齿状刀具66之间，不能移动地连结在摇臂50和锯齿状刀具66上。碎石机体74将在左右方向连续延伸向着前方的钻头即刀头76置于前端缘部。
掘进机10通过驱动源44使曲轴44旋转时，则曲轴46的偏心部绕曲轴46的轴线朝图2的箭头方向旋转，所以摇臂50绕曲轴46的偏心部进行摇动运动，与连杆52共同使刀具组合体18在上下方向往复移动。
为此，掘进机10在承受前进力的状态下驱动源44被驱动时，刀具组合体18则在锯齿状刀具66的配置节距P以上的范围内在上下方向被往复移动，所以由于掘削机10的前进和刀具组合体18的往复移动作用，各锯齿状的刀具66则如锯子似的掘削开挖面，各板状刀具68及碎石机74则如铲子或锹似的掘削开挖面。
于是，通过锯齿状刀具66在开挖面的上下方向形成的延伸着的若干沟槽，所以开挖面被锯齿状刀具66分割成许多碎块。被分割的碎块通过板状刀具68及碎石机体74再次将其分割成更多的碎块。再次被分割的碎块，随着掘进机10的前进，从由锯齿状刀具66及连结体68规制的接料口进入第1室34。
被掘削出来的土砂充满第1室内部28，第1室内部28的土砂经过第1本体部20和碎石机体74之间或隔板12和碎石机体74之间后，通过格子32被接入第2室36。在第2室36内部的土砂，通过管38与供给第2室36的泥水一起，再通过管40从第2室36向掘进机10的外部排出。前方区28的压力由压力表78计测，为防止开挖面塌落应维持在规定的数值。
被再分割后碎块中含有的砾石，在通过第1本体部20和碎石机体74之间或隔板12和碎石机体74之间时，随着碎石机体74的往复运动，由碎石机体74向第1主体部20或隔板14挤压，破碎成能够通过格子32的尺寸。也可使驱动源44时常逆转以提高碎石机体74和第1本体部20之间的破碎效果。
锯齿状刀具66的配置节距P应为曲轴50的偏心部的偏心量e以下。理想的是e＝P～3P更理想的数据是e＝P～1.5P锯齿状刀具66的排列节距P比e大时，相邻的锯齿状刀具66的移动轨迹能连续，所以在开挖面上向着第1方向不能形成连续的沟槽。相反，锯齿状刀具66的排列节距P如过小时，则锯齿状刀具66也要小，锯齿状刀具66的机械强度也就小了。
左右方向的刀头72的尺寸，最好要比锯齿状刀具66的主体部的厚度尺寸稍大一些。这样，锯齿状刀具66的往复移动就能够圆滑。
使用掘进机10是将开挖面由锯齿状刀具66、板状刀具68及碎石机体74分割成许多碎块进行掘削，所以同以往的任何掘进机相比掘进效率高。还有，锯齿状刀具66是在由自身形成的掘削沟槽内移动，所以刀具用的驱动力不必很大。
像掘进机10这样，刀具组合体是由曲轴46的旋转运动使之往复移动，与使用活塞、油缸机构的千斤顶相比，能够提高单位时间内的刀具往复移动次数，能够更有效率地进行掘削。使各刀具的刀头在与盾构本体12的轴线直交、在水平方向延伸的轴线的周围描绘圆型轨迹的偏心运动，是由刀具组合体18进行的，所以能使锯齿状刀具66及板状刀具68向着开挖面内钻入似的运动，于是锯齿状刀具66及板状刀具68向着开挖面内的切压作用是很大的。
为了代替将刀具组合体18的上端部通过连杆52枢轴式连结在盾构本体12或隔板14上，也可用导架等规制刀具组合体18的往复移动。
然而，将刀具组合体18的上端部通过连杆52枢轴式连结在盾构本体12或隔板14上时，与用导架等场合相比，驱动机构16能够简单。还有，各刀具的刀头能边向前后方向进行移动，在第1方向进行往复移动的运动，所以可以提高掘削效率。
特别是，在上下方向中的刀具组合体18上的连杆52连结点的位置，最好能从隔板14进而盾构本体12上的连杆52的连结点向下方变位。如果用这样的驱动机构，与由曲轴46的旋转发生的旋转运动相结合，在刀具组合体18上的连杆52的连结点，则如图2上的以两个方向的弧状箭头所示进行变位，所以至少使各刀具的刀头向前方变位的同时向上方变位，且向后方变位的同时向下方变位，各刀具能够用简单的机构使之可靠地进行移动。
锯齿状刀具66掘削开挖面时，在盾构本体12上作用着反力，此时的反力是将盾构本体12下压的力，所以掘进机10的前进方向由于反力被变更的危险性少。
相对计划基准线的掘进机10的位置变化时，掘进机的前进方向有变化时，以及将掘进机的前进方向变更时，可以通过方向修正千斤顶24a、24b、24c、24d进行修正。
将掘进机10的前进方向朝左右方向进行修正时，例如在图6(A)及(B)，将千斤顶24a、24b伸长(或收缩)，或将千斤顶24c、24d收缩(或伸长)即可。还可以将24a、24b伸长(或收缩)，且同时将千斤顶24c、24d收缩(或伸长)也可。
将掘进机10的前进方向朝上下方向进行修正时，例如在图6(A)及(B)，将千斤顶24a、24b伸长(或收缩)，或将千斤顶24b、24c收缩(或伸长)即可。还可以将千斤顶24a、24d伸长(或收缩)且同时将千斤顶24b、24c收缩(或伸长)。
还有，将掘进机10的前进方向向四角形的对角线方向修正时，例如在图6(C)及(D)，使千斤顶24a、24c不伸缩的状态下，将千斤顶24b收缩(可伸长)且将千斤顶24d收缩(或伸长)即可。这样，通过第1本体部20对于第2本体部22绕对角线80进行角度旋转，第1本体部20对于第2本体部22形成倾斜角度θ，所以可以将在箭头82方向的横摆进行修正。
上述的方向修正技术不仅对掘进机10，而且对以往众所周知的方型盾构式掘进机技术也可以适用。在这种情况下盾构本体也可以不分割为第1及第2本体部，推进用的千斤顶也可兼用为方向修正用千斤顶。
此外，为了代替利用掘进机10使锯齿状刀具66的往复移动方向成为上下方向，也可利用掘进机10以绕其轴线大致旋转90度的状态使锯齿状刀具66的往复移动方向成为左右方向;构筑向上下方向或斜向延伸的洞窟等时，也可能使掘进机向上下方向或斜向前进。构筑大面积隧道等时可用几台掘进机10呈“田”字型或矩阵型重叠配置即可。
本发明不仅是具有方形断面形状的掘进机，也可以适用于具有六角形、八角形等其它多角形断面形状的掘进机。
权利要求
1.一种盾构式掘进机，包括具有多角形断面形状的筒状盾构本体、至少能在与前记盾构本体的轴线交差的第1方向往复移动的配置在前记盾构本体前端部的刀具组合体以及驱动该刀具组合体的驱动机构；前记刀具组合体装有从下列刀具中选择的若干刀具，即在前记盾构本体的前端部向着与前记盾构本体的轴线和前记第1方向交差的第2方向有间隔地配置着且沿前记第1方向延伸的若干锯齿状刀具，和在前记盾构本体的前端部向着第1方向有间隔地配置着且沿前记第2方向延伸的若干板状刀具。
2.根据权利要求1中记载的掘进机，其特征在于，前记刀具组合体是锯齿状刀具。
3.根据权利要求1中记载的掘进机，其特征在于，前记刀具组合体是板状刀具。
4.根据权利要求1中记载的掘进机，其特征在于，前记刀具组合体装有前记若干锯齿状刀具和若干板状刀具，前记各板状刀具是被连结在相邻的前记锯齿状刀具上。
5.根据权利要求1-4中任何一项所记载的掘进机，其特征在于，至少使前记各刀具的刀头向着前方。
6.根据权利要求4中记载的掘进机，其特征在于，前记驱动机构是使上述各刀具移动的机构，前记各刀具的刀头至少边向前方变位，边向前记第1方向的一方进行变位;并且边向后方变位，边向前记第1方向的另一方进行变位。
7.根据权利要求6中记载的掘进机，其特征在于，前记第1方向中的前记刀具组合体上的前记连杆的连结点的位置是从前记盾构本体上的前记连杆的连结点向前记第1方向的另一方进行变位。
8.根据权利要求5-7中任何一项所记载的掘进机，其特征在于，前记驱动机构上装有在前记盾构本体上配置的驱动源;在前记盾构本体绕第2方向延伸的轴线可旋转地配置着、在两端部具有偏心部的曲轴;将前记驱动源的旋转向前记曲轴传动的传动机构;在前记偏心部分上分别相对的一对摇臂，该摇臂一端在相对的前记偏心部上被可旋转地支承着，另一端在前记刀具组合体上连结着。
9.根据权利要求8中记载的掘进机，其特征在于，前记驱动机构还装有连杆，其一端可绕沿前记第2方向延伸的轴线角度回转地配置在前记盾构本体上，另一端则可绕沿前记第2方向延伸的轴线进行角度回转地连结在前记刀具组合体上。
10.根据权利要求1-9中任何一项所记载的掘进机，其特征在于，还包括将前记盾构本体内部区划为前方区和后方区的隔板。
11.根据权利要求10中记载的掘进机，其特征在于，还包括配置于前记刀具组合体的后方且由前记驱动机构驱动的碎石机体，其与前记隔板或盾构本体共同破碎进入该碎石机体与前记隔板之间或该碎石机体与前记盾构本体之间的土砂中的砾石。
12.根据权利要求10或11中记载的掘进机，其特征在于，还装有包括将进入前记前方区的土砂排出用的一对管;前记前方区设有第1室和第2室，第1室接受前记土砂，且配置有前记碎石机体;该第1室内的土砂通过前记碎石机体与前记盾构本体的空间及前记碎石机体与前记隔板的空间进入第2室，其与前记管连通。
13.根据权利要求1-12中任何一项所记载的掘进机，其特征在于，前记盾构本体通过在前记第1方向有间隔地相对着的一对第1外面部以及在前记第2方向有间隔地相对着的一对第2外面部，本质上具有方型的断面形状。
14.根据权利要求13中记载的掘进机，其特征在于，前记盾构本体上装有配置前记刀具组合体的第1本体部和配置在该第1本体部的后方的第2本体部;前记第1及第2本体部通过分别相对应地配置在前记盾构本体上前记四角形的四个拐角部的四台千斤顶，使其可在靠近或分离的方向移动地连结着。
15.根据权利要求1-14中任何一项记载的掘进机，其特征在于，前记盾构本体的轴线与前记第1方向和前记第2方向，是相互直交的。
16.根据权利要求15中记载的掘进机，其特征在于，前记盾构本体的轴线方向和前记第2方向是水平方向，前记第1方向是上下方向。
全文摘要
一种掘进机，包括具有多角形断面形状的筒状盾构本体、沿与盾构本体的轴线交差的第1方向可移动地配置在盾构本体前端部的刀具组合体以及驱动该刀具组合体的驱动机构。刀具组合体上装有在盾构本体的前端部、与盾构本体的轴线和第1方向交差的第2方向上有间隔地配置着、且在第1方向延伸的若干锯齿状刀具，以及在盾构本体的前端部、沿第1方向有间隔地配置着且在第2方向延伸的若干板状刀具。
文档编号E02F5/00GK1102450SQ93114218
公开日1995年5月10日 申请日期1993年11月5日 优先权日1993年11月5日
发明者明坂登始夫, 滨田和人 申请人:株式会社伊萨基开发工机