JP2000328879A - 坑道掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 大きな推進力を必要とせず、機械の小型化が
可能で、岩盤の地山に対する掘削能力が高く掘削効率と
耐久性が共に優れた坑道掘削機を提供する。 【解決手段】 坑道掘削機本体１の前端部にベアリング
１０を介して支持された頭部掘削盤２の最先端部に圧壊
刃支持枠３１が固定される。この圧壊刃支持枠に支持さ
れた複数の圧壊破砕刃３は立坑内に露出した地山１５に
最初に当接し、転動しながら押圧して線状の圧壊破砕を
生じさせ、小径の先導孔を形成する。圧壊破砕刃３の推
進に連れて、その刃先を含む面が先導孔の孔口の当接面
と直交せず、それよりもやや小さな鋭角を成して交わる
ように取り付けられた剥離破砕刃４ｂの中、最も中心軸
に近いものの刃先が先導孔の内側部分を剥離破砕する。
以下、主支柱２１の前面に径が大となる方向に順次、取
り付けられた剥離破砕刃４ａ，４ｃが次々に地山１５の
岩盤の露出面に当接し、その内側部分を剥離破砕する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数の回転掘削刃が
頭部掘削盤の前面に回転自在に取り付けられ、回転掘削
刃が地山に当接して転動する過程で地山を破砕するよう
にした坑道掘削機に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機で地山を掘削して坑道を
形成する際に、地山の土質が主に軟質の土砂で構成され
ている場合は、摺動回転方向に鋭角の刃先を有した掘削
刃が前面に多数植設された回転掘削盤を地山に摺接しな
がら進行する掘削推進工法が採用されているが、地山が
固い岩盤で形成されている場合は掘削刃を地山に摺接さ
せて推進する掘削工法では掘削刃が破損したり磨耗が著
しいため、この掘削工法を採用することができない。そ
こで、シールド掘進機で岩盤の地山を掘削する場合は、
前面に多数の皿状の回転掘削刃が転動自在に取り付けら
れた回転掘削盤を地山に当接回転させることにより、回
転掘削刃が強い押圧力を受けて当接する岩盤の地山表面
を筋状に圧壊し、隣接する回転掘削刃により形成された
圧壊溝との間に隣接破砕を誘起させる圧壊破砕工法が採
用されている。

【０００３】このように、圧壊破砕工法では岩盤表面を
転動する回転掘削刃に大きな圧力を加えてこれを圧壊す
る工法であるので、シールド掘進機を推進させる推進機
構には大きな推進能力を具えたものが必要になると共
に、回転掘削刃を転動自在に支持するベアリングやシー
ルド掘進機本体を機械的に支持する構造体には強力な耐
圧強度を有したものが必要になる。しかも、岩盤が大き
な圧縮強度を有していた場合は、圧壊が起こり難く、従
って、このような場合は圧壊破砕工法による岩盤の地山
に対する掘進効率が悪いという問題点を有していた。

【０００４】ところで、岩盤は一般にその引張強度は圧
縮強度に対して数分の一乃至十数分の一という小さな値
であることが以前から知られており、この性質を利用し
て岩盤に圧縮力を加えて圧壊させる圧壊破砕ではなく、
岩盤に割れ目を生じさせて、その割れ目に圧力を加えて
割れ目に沿った引張力を作用させて破砕に到らしめる剥
離破砕を用いた掘削工法の研究が行われるようになっ
た。

【０００５】例えば、特表平６−５０３３８９号公報に
は、作孔ヘッド基体の回転運動によって工具アームによ
り切羽面にリング中空室を形成し、この工具アームによ
る先導作孔とアンダカット工具によるアンダカットとを
連続して同時に行うように構成した坑道掘進機械の発明
が開示されている。この坑道掘進機械においては回転運
動する工具アームにより切羽面にリング中空室が形成さ
れ、形成されたリング中空室の後端部に沿ってアンダカ
ット工具が径方向に旋回移動することにより切羽面をア
ンダカット（剥離破砕）することができるようになって
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によれ
ば、押圧力を殆ど必要とせず、小さな回転モーメント力
で坑道を掘削することができる。しかしながら、この坑
道掘進機械は工具アームの回転動作により切羽面を先導
作孔すると共に、アンダカット工具が径方向に旋回移動
することにより切羽面を剥離破砕するようになっている
ため、坑道の掘進機構が複雑で制作費が嵩むばかりでな
く、主な坑道掘進動作がアンダカット工具の径方向への
旋回移動動作によっているため掘削能力が低く掘削効率
が悪いという問題点を有していた。さらに、前進しなが
ら連続的に掘削することができないという問題点も有し
ていた。本発明は従来技術におけるかかる問題点を解消
すべく為されたものであり、大きな推進力を必要とせ
ず、従って機械の小型化や低廉化が可能で、岩盤の地山
に対する掘削能力が高く掘削効率と耐久性が共に優れた
坑道掘削機を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、頭部掘削盤の前面に回転自在に取り付けら
れた回転掘削刃は頭部掘削盤の回転中心から所定の径よ
り小さい範囲の地山に当接して線状の圧壊破砕を生じさ
せる複数の圧壊破砕刃と、圧壊破砕刃より後方であっ
て、径方向および後方向にそれぞれ所定の間隔を有して
外周側に向かって順次取り付けられ、各々が前記所定の
径を越えた範囲の地山に当接して該地山を剥離破砕する
ことにより地山に円筒状の段差を形成するように掘削す
る複数の剥離破砕刃とを含み、圧壊破砕刃の掘削時に耐
え得る負荷容量を前記剥離破砕刃の掘削時に耐え得る負
荷容量より大とし、複数の前記圧壊破砕刃を該圧壊破砕
刃の回転面が前記頭部掘削盤の中心軸と平行を成すよう
に取り付け、複数の前記剥離破砕刃をその回転面がその
延長線上において前記頭部掘削盤の反地山側における中
心軸と交差するように取り付けたものであり、好ましく
は、頭部掘削盤の回転中心に近い位置または外周に近い
位置に取り付けられた剥離破砕刃の回転面がその延長線
上において前記頭部掘削盤の回転中心軸と成す角度が、
前記頭部掘削盤の回転中心に近い位置と外周に近い位置
との中間に位置する前記剥離破砕刃の回転面ががその延
長線上において前記頭部掘削盤の中心軸と成す角度より
大きくなるように、それぞれ前記剥離破砕刃をそれぞれ
前記頭部掘削盤に取り付けたものである。

【０００８】頭部掘削盤の回転中心に近い位置に取り付
けられた圧壊破砕刃は最初に地山の地山にほぼ垂直に当
接して線状の圧壊破砕を生じさせつつ推進し、所定の径
より小さい先導孔を形成する。剥離破砕刃は圧壊破砕刃
より後方であって、径方向および後方向にそれぞれ所定
の間隔を有して外周側に向かって順次取り付けられてお
り、圧壊破砕刃に続いて所定の径を越えた範囲の地山
に、剥離破砕刃の刃先を含む面が先導孔の孔口端面と鋭
角を成すように順次当接して該地山を剥離破砕する。こ
れにより、地山に円筒状の段差を有した略円錐形状の切
羽が形成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例を詳細に説明する。図１は本発明の実施例に係る
坑道掘削機の正面図、図２は図１の切断線Ａ−Ａに沿っ
た坑道掘削機の中心軸線に平行な断面図、図３は図１の
切断線Ｂ−Ｂに沿った坑道掘削機の中心軸線に平行な断
面図、図４は両側支持の回転破砕刃の側面図、図５
（ａ），（ｂ）は片側支持の回転破砕刃の側面図であ
る。

【００１０】これらの図において、１は岩盤から成る地
山を掘削推進する坑道掘削機本体、２は坑道掘削機本体
１の先端部に回転可能に支持された略円錐形状の構造体
から成る頭部掘削盤、２１は頭部掘削盤２の先端部から
後部外周を区画する環状体へ向けて構設された４本の主
支柱、２２は頭部掘削盤２の主支柱２１間の前面を覆う
面板、２３は後述する岩礫取込み口を区画する開口板、
２４は主支柱２１の間に構設された４本の副支柱、３は
頭部掘削盤２の先端部に中心軸線に垂直な回転軸の回り
に回転自在に支持され、当接する地山の岩盤を圧壊する
皿状の複数の圧壊破砕刃、３１は頭部掘削盤２の先端部
に固定支持されると共に複数の圧壊破砕刃３を平行かつ
回転自在に支持する圧壊刃支持枠、４ａ，４ｂ，４ｃは
頭部掘削盤２の主支柱２１の外表面に沿って、それらの
回転軸が頭部掘削盤２の回転中心軸の推進方向と鋭角を
成して交わるように、複数個所定の間隔を以てそれぞれ
回転自在に配設された皿状の剥離破砕刃であり、それぞ
れ両側支持、外片側支持、内片側支持のものを示す。

【００１１】５は副支柱２４の外表面に沿って複数個所
定距離を隔てて固設され、破砕された岩礫を次に述べる
礫取込み口内に取り込む礫取込み刃、６は一対の開口板
２３間に開口して崩落した破砕岩礫が落ち込む礫取込み
口、７は礫取込み口６から落ち込んだ破砕岩礫が一時的
に収容される収容器、８は収容器７内に収容された破砕
岩礫を坑道掘削機本体１の後方に搬送する礫搬送装置、
９は頭部掘削盤２の最外周部に滞留する破砕岩礫を頭部
掘削盤２の内側に掻き込む掻込み刃、１０は頭部掘削盤
２の坑道掘削機本体１に対する軸受け部となるベアリン
グ、１１は頭部掘削盤２の内部空間と坑道掘削機本体１
の機械室を区画する隔壁、１５は回転する頭部掘削盤２
により掘削される地山である。

【００１２】次に、本実施例の動作を説明する。坑道掘
削機本体１には坑道掘削機本体１を推進させる図示しな
い複数のシールドジャッキと頭部掘削盤２を回転させる
回転駆動装置が配設されていて、これらの駆動力により
坑道掘削機本体１が推進すると共に頭部掘削盤２がベア
リング１０に支持されて回転する。頭部掘削盤２の先端
部の圧壊刃支持枠３１に回転自在に支持された複数の圧
壊破砕刃３は立坑内に露出した地山１５に最初にほぼ垂
直に当接し、転動しながら岩盤表面を強い押圧力で押圧
して線状の圧壊破砕とそれに伴う隣接破砕を生じさせ
る。

【００１３】この圧壊破砕刃３による岩盤掘削は従来の
シールド掘進機と同様の掘削機構となっており、圧壊破
砕刃３の十分な耐圧性を確保するために、圧壊破砕刃３
の径を剥離破砕刃４（ａ〜ｃ）のものに較べて大きく
し、ベアリングの負荷容量が５倍以上大きなものを使用
している。なお、ベアリングの負荷容量はベアリング幅
を大きくすることにより増大させることもできる。ま
た、前述のように、圧壊破砕刃３には強い押圧力が作用
するので、その径を大きく取ることにより、回転磨耗量
の低減を図ることができる。

【００１４】頭部掘削盤２の回転に連れて回転中心から
最外周に位置する圧壊破砕刃３までの距離にほぼ相当す
る径の先導孔が形成される。この先導孔がある深さまで
形成されると、圧壊破砕刃３の推進に連れて、頭部掘削
盤２の４本の主支柱２１の外表面に沿って配設されてい
る外片側支持の剥離破砕刃４ｂの中、最も中心軸に近い
ものの刃先が当接する。この剥離破砕刃４ｂの刃先が、
外側表面と当接する位置は地山１５の岩盤の岩質に応じ
て、先導孔の孔口端から十数mm〜数十mmとなるように設
定されている。このように剥離破砕刃４ｂの当接位置を
適当に設定することにより、先鋭に形成された剥離破砕
刃４ｂの刃先が岩盤表面に食い込んだ時に、刃先の嵌入
力が剥離破砕刃４ｂの刃先より先導孔の孔口側に位置す
る岩盤を先導孔内側に引き剥がす引張力として作用す
る。

【００１５】このような引張力による岩盤の破砕、即
ち、岩盤の剥離破砕は押圧力による岩盤の破砕、即ち、
圧壊破砕に較べて数分の一乃至十数分の一程度の押圧力
で起こるので、剥離破砕刃４ｂのベアリングは負荷容量
の小さなものを用いることができ、従って、剥離破砕刃
４ｂの径を小さくできる。中心軸に近い所に配設される
剥離破砕刃４ｂは圧壊刃支持枠３１に接近した場所に取
り付けられるため、取付けに関する空間的制約が厳し
く、従って、外片側支持の剥離破砕刃４ｂとされてい
る。また、上記制約と坑道掘削機本体１が曲進掘削する
際の地山１５からの押圧反力に耐えられるようにするた
めに、剥離破砕刃４ｂの刃先を含む面が当接面と直交せ
ず、それよりもやや小さな鋭角を成して交わるように、
つまり、剥離破砕刃４ｂの刃先を含む面が先導孔の内周
面と成す角度、即ち、逃げ角φ_b は図５（ａ）に示すよ
うに、やや大きな鋭角を成すように取り付けられてい
る。

【００１６】こうして、中心軸線からの外方への距離と
頭部掘削盤２の先端からの後方への距離がそれぞれ所定
値ずつ大きくなる位置に取り付けられた剥離破砕刃４ｂ
の刃先が順次地山１５の岩盤の露出面に当接し、その内
側部分を剥離破砕することにより、地山１５を円筒状の
段差を有した略円錐形状を成すように開削して行く。

【００１７】本実施例では中心軸から所定距離離れた位
置に取り付けられる剥離破砕刃は外片側支持の剥離破砕
刃４ｂから両側支持の剥離破砕刃４ａに置き変えられて
いる。剥離破砕刃４ａは両側支持となっているので、安
定的に支持されることの外は特に外片側支持の剥離破砕
刃４ｂのものと機能的な違いはない。実際の掘進作業で
は圧倒的に直進掘削の場合が多いので、取付けに関する
空間的制約があまり無い剥離破砕刃４ａについては、直
進掘削時の押圧反力に対する耐圧性を考慮して本実施例
では逃げ角φ_a は図４に示すように、やや小さな値に設
定されている。また、頭部掘削盤２の外周に近い場所に
配設される剥離破砕刃４ｃについても基本的には同様で
あるが、中心軸に近い所に配設される剥離破砕刃４ｂと
同様に、取付けに関する空間的制約が厳しため、内片側
支持で、逃げ角φ_c は図５（ｂ）に示すように、やや大
きく設定されている。

【００１８】符号Ｔ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ ，…，Ｔ_n は頭部掘
削盤２の４本の主支柱２１に配設された全ての剥離破砕
刃４（ａ〜ｃ）の刃先の軌跡を中心軸に近い順に示した
ものである。図４に示すように、各剥離破砕刃４（ａ〜
ｃ）の刃先が当接する地山１５の岩盤は次々に剥離破砕
して崩落し、剥離長ａと剥離幅ｂとを有した段差が形成
される。剥離長ａと剥離幅ｂとの比ａ／ｂの最適値は岩
盤の岩質によって異なる。図４および図５（ａ）に示す
剥離破砕刃４ａ，４ｂの刃先形状はやや丸みを帯びたも
のとなっているが、鋭角的に尖った形状であっても良
い。

【００１９】複数の圧壊破砕刃３と多数の剥離破砕刃４
（ａ〜ｃ）が前面に取り付けられた頭部掘削盤２が回転
することにより掘削された破砕岩礫は４本の副支柱２４
の前面に多数取り付けられた礫取込み刃５により掻き寄
せられ、開口板２３の間の礫取込み口６から頭部掘削盤
２の内部に取り込まれ、収容器７内に一時的に収容され
る。また、頭部掘削盤２の最外周部近傍に滞留する破砕
岩礫は掻込み刃９により頭部掘削盤２の内部に取り込ま
れる。収容器７内に収容された破砕岩礫は礫搬送装置８
により坑道掘削機本体１の後方に搬送される。

【００２０】このように、剥離破砕刃４（ａ〜ｃ）を頭
部掘削盤２の主支柱２１の前面にそれぞれ所定の間隔を
以て取り付ける際に、中心軸に近い場所から外周に近い
場所となるに従って、後方に後退した場所に適切な剥離
幅ｂを持って配設することにより、圧壊破砕刃３が地山
１５の岩盤に当接して圧壊破砕を起こさせる場合に必要
な押圧力に対して、数分の一乃至十数分の一程度の押圧
力で剥離破砕を起こさせることができるから、中心軸に
近い位置の比較的狭い範囲内に配設した圧壊破砕刃３に
大きな回転モーメント力を付与して小さめの先導孔を容
易に開削することができる。つまり、大きな回転モーメ
ント力を必要とする中心軸から離れた位置の岩盤に当接
する破砕刃を剥離破砕刃４（ａ〜ｃ）とすることによ
り、比較的小さな押圧力で当接した地山１５の岩盤に剥
離破砕を起こさせることができるから、比較的大きな口
径の坑道掘削であっても、頭部掘削盤２を回転させる回
転駆動力および坑道掘削機本体１を推進させる推進力は
さ程大きなものを必要としない。

【００２１】従って、強力なシールドジャッキや坑道掘
削機本体１および頭部掘削盤２に掛かる外力を支えるた
めの頑強な構造体を必要としないから、機械の軽量化、
低価格化を実現できる。また、複雑な掘進機構によら
ず、従来と同様の頭部回転掘削型の構成が簡単な掘進機
構とすることができる。さらに、剥離破砕刃４（ａ〜
ｃ）の径とベアリングの負荷容量を小さくして主支柱２
１の前面に多数取り付けることができるから、岩盤掘削
効率の優れたものにできる。また、剥離破砕刃４（ａ〜
ｃ）の刃先を含む面が当接面と直交せず、それよりもや
や小さな鋭角を成して交わるように取り付けられている
ので、坑道掘削機本体１が曲進掘削する時でも、それら
のベアリングに作用する斜め力によりベアリングが損傷
を受ける虞を低減できる。なお、本実施例では中心軸に
近い場所と外周に近い場所との中間の場所に配設される
剥離破砕刃４ａの逃げ角φ_a は全てやや小さな値とした
が、坑道掘削機本体１のより円滑な曲進掘削に配慮して
一部の剥離破砕刃４ａについてはやや大きな値に設定し
ても良い。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、複数の圧壊破砕刃が頭部掘削盤の回転中心か
ら所定の径より小さい範囲の地山に当接して線状の圧壊
破砕を生じさせて小径の先導孔を形成すると共に、複数
の圧壊破砕刃を該圧壊破砕刃の回転面が頭部掘削盤の中
心軸と平行を成すように取り付け、圧壊破砕刃より後方
であって、径方向および後方向にそれぞれ所定の間隔を
有して外周側に向かって順次取り付けられ、掘削時に耐
え得る負荷容量が圧壊破砕刃の掘削時に耐え得る負荷容
量より大で、その回転面がその延長線上において頭部掘
削盤の反地山側における中心軸と交差するように取り付
けられた複数の剥離破砕刃が各々、前記所定の径を越え
た範囲の地山に当接して地山を剥離破砕することにより
地山に円筒状の段差を形成するようにしたので、強い力
で頭部掘削盤を地山に当接させるための推進力と回転駆
動力を必要とせず、曲進掘削時にベアリングが斜め力を
受けて損傷する虞も少ないから、複雑な機構によること
なく、軽量かつ安価で掘削能力が高く掘削効率と耐久性
が共に優れた坑道掘削機を提供することができる。

【００２３】請求項２記載の発明によれば、頭部掘削盤
の回転中心に近い位置または外周に近い位置に取り付け
られた剥離破砕刃の回転面がその延長線上において頭部
掘削盤の回転中心軸と成す角度が、頭部掘削盤の回転中
心に近い位置と外周に近い位置との中間に位置する剥離
破砕刃の回転面ががその延長線上において頭部掘削盤の
中心軸と成す角度より大きくなるように、それぞれ剥離
破砕刃をそれぞれ頭部掘削盤に取り付けたので、取付け
に関する空間的制約が厳しい位置での取付けに適切に対
応できると共に、曲進掘削時にベアリングに斜め応力が
作用して損傷を受ける虞をより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る坑道掘削機の正面図

【図２】図１の切断線Ａ−Ａに沿った坑道掘削機の中心
軸線に平行な断面図

【図３】図１の切断線Ｂ−Ｂに沿った坑道掘削機の中心
軸線に平行な断面図

【図４】両側支持の回転破砕刃の側面図

【図５】片側支持の回転破砕刃の側面図

【符号の説明】

１ 坑道掘削機本体 ２ 頭部掘削盤 ３ 圧壊破砕刃 ４ａ〜４ｃ 剥離破砕刃 ５ 礫取込み刃 ６ 礫取込み口 ７ 収容器 ８ 礫搬送装置 １０ ベアリング １１ 隔壁 １５ 地山 ２１ 主支柱 ２３ 開口板 ２４ 副支柱 ３１ 圧壊刃支持枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田山 稔 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 植田 和憲 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 三木 雅明 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 日 立建機株式会社内 (72)発明者 飯島 理夫 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 日 立建機株式会社内 (72)発明者 岡和田 剛 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 日 立建機株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 BA06 BB06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削して形成しようとする坑道とほぼ同
   一の径を有して先端部に回転可能に支持された頭部掘削
   盤を具え、該頭部掘削盤の前面に、掘削機本体の坑道掘
   削機本体の推進力を受けて地山に当接して転動する過程
   で前記地山を破砕する複数の回転掘削刃が回転自在に取
   り付けられた坑道掘削機において、前記回転掘削刃は前
   記頭部掘削盤の回転中心から所定の径より小さい範囲の
   前記地山に当接して線状の圧壊破砕を生じさせる複数の
   圧壊破砕刃と、該圧壊破砕刃より後方であって、径方向
   および後方向にそれぞれ所定の間隔を有して外周側に向
   かって順次取り付けられ、各々が前記所定の径を越えた
   範囲の前記地山に当接して該地山を剥離破砕することに
   より地山に円筒状の段差を形成するように掘削する複数
   の剥離破砕刃とを含み、前記圧壊破砕刃の掘削時に耐え
   得る負荷容量を前記剥離破砕刃の掘削時に耐え得る負荷
   容量より大とし、複数の前記圧壊破砕刃を該圧壊破砕刃
   の回転面が前記頭部掘削盤の中心軸と平行を成すように
   取り付け、複数の前記剥離破砕刃をその回転面がその延
   長線上において前記頭部掘削盤の反地山側における中心
   軸と交差するように取り付けたことを特徴とする坑道掘
   削機。
2. 【請求項２】 前記頭部掘削盤の回転中心に近い位置ま
   たは外周に近い位置に取り付けられた剥離破砕刃の回転
   面がその延長線上において前記頭部掘削盤の回転中心軸
   と成す角度が、前記頭部掘削盤の回転中心に近い位置と
   外周に近い位置との中間に位置する前記剥離破砕刃の回
   転面ががその延長線上において前記頭部掘削盤の中心軸
   と成す角度より大きくなるように、それぞれ前記剥離破
   砕刃をそれぞれ前記頭部掘削盤に取り付けたことを特徴
   とする請求項１記載の坑道掘削機。