JP2002047888A - シールド掘進機のカッタビット交換方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストかつ短時間で安全かつ容易に施工で
きるシールド掘進機のカッタビット交換方法及びその装
置を提供する。 【解決手段】 シールド掘進機の前端部の回転カッタ７
前面から機内側まで連続して形成された支持レール２１
にカッタビット１９を数珠繋ぎ状に支持して、機内側か
ら新たなカッタビットを追加することによって、支持レ
ール２１の終端のカッタビットを外周方向に押し出して
順次新しいカッタビットに交換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシールド掘進機のカ
ッタビット交換方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、シールドトンネル掘削工事の長距
離化に伴い、シールド掘進機のカッタビットの維持管理
が問題となっており、掘進途中におけるカッタビットの
交換方法が各種提案されている。従来のカッタビットの
交換方法には、トンネル掘進予定位置の途中に、予めビ
ット交換のための立坑を構築しておき、この立坑内にシ
ールド掘進機が到達したときに、該立坑内で掘進機前端
のトンネル掘削用カッタに固定されているカッタビット
の交換作業を行うようにした中間立坑によるカッタビッ
ト交換方法がある（第１従来例）。

【０００３】また、トンネル掘進予定位置の地盤中に、
地盤硬化剤の注入によって安定度の高い改良地盤層を形
成しておき、この改良地盤層内にシールド掘進機の先端
を進入させた状態で停止させ、チャンバーマンホールよ
りトンネル掘削用カッタの前面側の改良土を人力によっ
て排出し、形成されるトンネル掘削用カッタ前面側の空
間内でビット交換作業を行うようにした事前前面部地盤
改良によるカッタビット交換方法がある（第２従来
例）。

【０００４】更に、シールド掘進機がビット交換位置に
到達後、坑内よりシールド掘進機の前面及び前端部周囲
を凍結工法により地盤改良を行い、前述の方法と同様
に、チャンバーマンホールよりトンネル掘削用カッタの
前面側の改良土を人力によって排出し、形成されるトン
ネル掘削用カッタ前面側の空間内でビット交換作業を行
うようにした到達後前面部地盤改良によるカッタビット
交換方法がある（第３従来例）。

【０００５】更に、シールド掘進機自体に、カッタビッ
トの交換作業が可能なドライ空間を機械的構造によって
形成したり、掘削用カッタを前後に旋回させたり、坑内
に引き込んだりしたりできるような機械的構造を予めシ
ールド掘進機に設置しておく等の機械構造によるカッタ
ビット交換方法がある（第４従来例）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
第１〜第４従来例には次のような問題点があった。ま
ず、第１従来例では、交換位置で立坑を構築する必要が
あり、そのためのコストが高くなり、また、立坑構築に
広い用地の確保が必要なため場所的な制約が伴い、更に
工程的に長期間を要する。

【０００７】また、第２従来例では、人力によって改良
地盤の掘削、掘削土砂の撤去等の作業を行う必要がある
こと、及びシールド掘進機と改良地盤との間の止水が必
要であること等から、安全性に問題があり、また工程的
に長期間を要するという問題がある。

【０００８】さらに、第３従来例では、坑内から凍結工
法によって地盤改良を行うため、小口径のシールドトン
ネルでは施工できず、凍結、解凍によって地盤変動の発
生が予測され、更に、工程的に長期間を要し、工費も高
い等の問題がある。

【０００９】また、第４従来例では、トンネル掘削用カ
ッタ部分の構造が複雑になるとともに、カッタ関係の製
作条件としてビット交換構造が支配的となり、シールド
掘進機の製造コストが高く、しかも、構造的に小口径の
シールドトンネルには利用が困難である等の問題があ
る。

【００１０】本発明はかかる課題を解決するためになさ
れたものであり、低コストかつ短時間で安全かつ容易に
施工できるシールド掘進機のカッタビット交換方法及び
その装置の提供を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシールド掘
進機のカッタビット交換方法は、シールド掘進機の前端
部の回転カッタ前面から機内側まで連続して形成された
支持レールにカッタビットを数珠繋ぎ状に支持して、機
内側から新たなカッタビットを追加することによって、
前記支持レールの終端のカッタビットを外周方向に押し
出して順次新しいカッタビットに交換するものである。

【００１２】また、本発明に係るシールド掘進機のカッ
タビット交換装置は、シールド掘進機の前端部の回転カ
ッタ前面から機内側まで連続して形成された支持レール
と、該支持レールに移動可能に連続して支持された複数
のカッタビットと、前記支持レールの後端側に設けられ
て新たなカッタビットを追加すると共に後端側の既設カ
ッタビットを前記支持レールに沿って押し出すカッタビ
ット追加機構とを備えたものである。

【００１３】また、支持レールは回転カッタ前面のカッ
タスポークに沿って設けられると共に、回転中心部近傍
から後方に向けて滑らかに屈曲して機内まで延出してな
るものである。

【００１４】また、複数のカッタビットは、隣接するも
の相互間を前記支持レール内において連結する連結手段
を備えていることを特徴とするものである。

【００１５】また、連結手段は半球状の凸部と該凸部が
嵌入する凹部からなることを特徴とするものである。

【００１６】また、カッタビット追加機構は、支持レー
ル後端部に設けられて新カッタビットを装入保持する供
給用水密箱と、該供給用水密箱と前記支持レールとの間
を開閉可能に仕切る開閉手段と、供給用水密箱に装入さ
れた新カッタビットを前記支持レール側に押し込む押し
込み手段と、押し込まれたカッタビットを前記支持レー
ルに沿って押し出す押し出し手段と、最後端のカッタビ
ットを固定するストッパとを備えてなるものである。

【００１７】また、支持レールの後端部にグリースを注
入するグリス注入手段を備えたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、シールド掘進機の前端部
の縦断面で、図２は、シールド掘進機の進行方向から見
た正面図であり、両図面は一部を省略して示している。
また、図３は本実施の形態の要部断面図であり、カッタ
ビットの交換途中の状態を示している。以下、図１〜図
３に基づいて本実施の形態を説明する。シールド掘進機
の前端部は、円筒状のスキンプレート１と、スキンプレ
ート１の前端から少し後方内部に設けられた隔壁３を備
えている。隔壁３の中央部にはコーン状の回転体５が回
転可能に取り付けられ、この回転体５の先端側にスキン
プレート１の前端を覆うようにカッタヘッド７が設けら
れ、カッタヘッド７と隔壁３の間に掘削チャンバー８が
形成されている。そして、カッタヘッド７には複数のカ
ッタスポーク９が放射状に形成されている。

【００１９】また、回転体５の先端中心部には回転カッ
タ１３が設置され、回転体５と一体に回転できるように
なっている。回転体５自体は隔壁３の内側に設置された
駆動モータ１５によりリングギア１７を介して回転でき
るようになっている。

【００２０】各カッタスポーク９には、複数のカッタビ
ット１９を一列に支持するＬ字状のカッタビット支持レ
ール２１が取り付けられている。カッタビット支持レー
ル２１は、カッタヘッド７の位置ではカッタスポーク９
に沿っており、カッタヘッド７中央部からシールド掘進
機の後方側へ滑らかに屈曲して回転体５を貫通して機内
側まで延出している。このカッタビット支持レール２１
は、図３のＡ−Ａ断面図である図４（ａ）に示すよう
に、カッタスポーク９に沿う位置では前面が開口する断
面略コ字状をしており、コ字の開口側の両側から対向す
る片に向けて突出する支持部２１ａが形成されている。
また、カッタビット支持レール２１における屈曲後の位
置では、図３のＢ−Ｂ断面図である図４（ｂ）に示すよ
うに、カッタビット全体を覆う筒状になっている。

【００２１】そして、このカッタビット支持レール２１
には、複数のカッタビット１９が、カッタビット支持レ
ール２１の支持部２１ａからビット部を突出させた状態
でレールに沿って移動可能に装着されている。カッタビ
ット支持レール２１の先端部は、図１、図３に示すよう
に、斜めの切欠き２２が形成されている。この切欠き２
２は、カッタビット１９の交換時においてカッタビット
１９の排出を容易にするためのものである。また、カッ
タビット支持レール２１の後端には、壁体２３が設けら
れると共に、カッタビットを追加するための後述のカッ
タビット追加機構が設けられている。

【００２２】ここで、カッタビット１９の構成について
説明する。図５はカッタビット１９の説明図であり、図
５（ａ）が平面図、図５（ｂ）が正面図、図５（ｃ）が
側面図である。カッタビット１９は、ビット部２５と、
このビット部２５を支持するビット支持駒２７とを備
え、ビット支持駒２７の後面側の両側にはガイド片２
９，３１が設けられている。ガイド片３１の先端部には
後述のストッパーに係止する係止部３１ａが形成されて
いる。また、ビット支持駒２７の後面側の下部には連結
用の半球状の凸部３３が、ビット支持駒２７の後面側の
上部には連結腕３５が設けられている。連結腕３５の前
面側には半球状の凹陥部３５ａが形成されている。

【００２３】以上のように構成されたカッタビット１９
は、図５（ｂ）に示すように、隣接する一方のカッタビ
ット１９（２点鎖線で示すもの）の連結腕３５の凹陥部
３５ａを他方のカッタビット１９（実線で示すもの）の
凸部３３に嵌入することで連結される。このようにして
連結したものが、図１に示すように、カッタビット支持
レール２１内に数珠繋ぎに装着されている。

【００２４】次に、カッタビット追加機構の構成につい
て説明する。図６（ａ）（ｂ）、図７（ｃ）（ｄ）はカ
ッタビット追加機構の構造及び動作の説明図である。ま
ず、図６（ａ）に基づいてカッタビット追加機構の構造
を説明する。カッタビット支持レール２１の後端部に
は、カッタビット支持レール２１の側方に新カッタビッ
ト５０を供給するための供給用水密箱３７が設置されて
いる。新カッタビット５０は、供給用水密箱３７内にお
いて供給用水密箱３７の側壁に保持されて図示の姿勢を
保持できるようになっている。

【００２５】供給用水密箱３７とカッタビット支持レー
ル２１との境界には両者の間を開閉するシャッター３９
が設けられている。供給用水密箱３７には開閉可能な蓋
４１が設けられ、この蓋４１の外部には供給用水密箱３
７に装入された新カッタビット５０をカッタビット支持
レール２１側へ押し込む押込み手段４３が設置されてい
る。押込み手段４３は、例えば油圧シリンダからなり、
シリンダロッドの伸長により新カッタビット５０を押し
込むようにする。

【００２６】また、カッタビット支持レール２１の後端
部の壁体２３には追加された新カッタビット５０を前方
に押し出す押し出し手段４５が設けられている。さら
に、カッタビット支持レール２１の後端側壁部には押し
出された新カッタビット５０を保持するストッパ４７が
設けられている。ストッパ４７は、例えば油圧シリンダ
からなり、先端に係止部４８ａが形成されたロッド４８
がカッタビット支持レール２１内へ突出して、係止部４
８ａが押し出された新カッタビット５０の係止片３１ａ
に係止して、新カッタビット５０が後方に移動するのを
拘束する。

【００２７】これら供給用水密箱３７、押し込み手段４
３、シャッター３９、押し出し手段４５、ストッパー４
７によってカッタビット追加機構が構成されている。な
お、カッタビット支持レール２１の後端部にはグリス供
給手段４９が設けられており、このグリス供給手段４９
からカッタビット支持レール２１内へグリス供給され
る。これによって、カッタビット１９の腐食と、カッタ
ビット１９送り出し時の摩擦を少なくでき、さらに泥水
の逆流を止めることもできる。

【００２８】次に、上記のように構成されたカッタビッ
ト交換装置によって、カッタビットを交換する方法につ
いて説明する。図６（ａ）に示す供給用水密箱３７内に
交換用の新カッタビット５０を装入し、押し出し手段４
５のロッドを縮退させた状態を出発点として説明する。
図６（ａ）の状態から、シヤッター３９を開けて、カッ
タビット支持レール２１と供給用水密箱３７とを連通さ
せる。このとき、カッタビット支持レール２１内の泥水
等が供給用水密箱３７内に入ってくるが、供給用水密箱
３７の蓋４１を閉めているので、泥水が機内に侵入する
ことはない。シャッター３９を開けた状態で、押し込み
手段４３によって新カッタビット５０をカッタビット支
持レール２１側に押し込む。このとき、供給用水密箱３
７の側壁がガイドとなって新カッタビット５０は図示の
姿勢を保持したまま移動する。そして、既設のカッタビ
ット１９の連結腕３５に形成された半球状の凹陥部３５
ａに新カッタビット５０の半球状の凸部３３が嵌入し
て、新カッタビット５０と既設カッタビット１９が連結
される（図６（ｂ））。

【００２９】次に、押し出し手段４５のロッドを延出さ
せて新カッタビット５０を前方に押し出して、新カッタ
ビット５０がカッタビット支持レール２１に支持される
と、押し込み手段４３のロッドを縮退させて、シャッタ
ー３９を閉じる。シヤッター３９を閉じた状態で、蓋４
１を開放して供給用水密箱３７に次回に追加する新カッ
タビット５０を入れ、再び蓋４１を閉じる。このとき、
蓋４１を開放しても、シヤッター３９によってカッタビ
ット支持レール２１と供給用水密箱３７が仕切られてい
るので、カッタビット支持レール２１内の泥水等が機内
に侵入することはない。

【００３０】押し出し手段４５のロッドをさらに延出さ
せて新カッタビット５０が所定位置に来ると、ストッパ
ー４７のロッド４８をカッタビット支持レール２１側に
突出させて、その係止部４８ａと新カッタビット５０の
係止片３１ａとを係合させ、新カッタビット５０が後方
に移動するのを防止する。ところで、押し出し手段４５
のロッドによって新カッタビット５０を前方に押し出す
と、既設のカッタビット１９は数珠繋ぎ状で全体に前進
し、最先端のカッタビット１９はカッタスポーク９の外
方に突出して後方に位置するカッタビットとの嵌合が外
れて、外部に排出されることになる。このとき、カッタ
ビット支持レール２１の先端部に切欠き２２が形成され
ているので、カッタビット１９がカッタビット支持レー
ル２１から外れやすく排出が容易にできる。

【００３１】以上がカッタビット１サイクルの交換動作
であるが、トンネル掘削土質によって、複数サイクルの
交換を行ったり、または、全ビット支持駒を交換するこ
ともできる。

【００３２】以上のように、本実施の形態においては、
カッタビット１９を数珠繋ぎ状態にし、後方から押し出
して、カッタヘッド７の最外周のものから順に交換する
ようにしたので、最も摩耗の激しいものから順次交換で
き、最も合理的である。さらに、短時間の掘進作業停止
での交換が可能であり、経済性も高い。

【００３３】また、支持レール２１を回転カッタ前面の
カッタスポーク９に沿って設けると共に、回転中心部近
傍から後方に向けてに滑らかに屈曲して機内まで延出さ
せたので、カッタビット１９を連続して円滑に追加でき
る。また、作業をシールド掘進機内の大気中で行うこと
ができ、しかも交換箇所がカッタ回転中心側後部にあり
点検・作業がしやすい。

【００３４】また、各カッタビット１９に、隣接するも
の相互間を支持レール２１内において連結するための連
結手段として半球状の凸部３３と凹陥部３５ａを設けた
ので、各カッタビット１９は支持レール２１内において
は互いに連結され、最後端のカッタビット１９を固定す
ることで最先端のカッタビット１９を固定できる。そし
て、支持レール２１から抜け出た状態ではカッタビット
１９の連結は外れるので、最先端のカッタビットを後方
から押し出すだけて簡単に排出できる。

【００３５】なお、上記の実施の形態のカッタビット１
９は、ビット支持駒２７に１個のビット部２５を形成し
たものを示したが、１個のビット支持駒２７に複数のビ
ット部２５を形成するようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】上記のように、本発明においては、シー
ルド掘進機の前端部の回転カッタ前面に形成された支持
レールにカッタビットを数珠繋ぎ状に支持して、機内後
方から新たなカッタビットを追加することによって、前
記支持レールの終端のカッタビットを外周方向に押し出
して順次新しいカッタビットに交換するようにしたの
で、シールド掘進機の機内側からの交換が可能となり、
中間立坑の構築や薬液注入、圧気等の作業が不要となっ
て、コストと時間の大幅な削減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交
換装置を搭載したシールド掘進機の前端部の縦断面図で
ある。

【図２】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交
換装置を搭載したシールド掘進機の前端部の正面図であ
る。

【図３】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交
換装置の要部の断面図である。

【図４】 図３のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図で
ある。

【図５】 本実施の形態に係るカッタビットの説明図で
ある。

【図６】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交
換装置の動作説明図である。

【図７】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交
換装置の動作説明図である。

【符号の説明】

１ スキンプレート ９ カッタスポーク １９ カッタビット ２１ カッタビット支持レール ２５ ビット部 ２７ ビット支持駒 ３３ 凸部 ３５ 連結腕

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 修一 栃木県那須郡西那須野町四区町1534番１号 五洋建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 岡田 英明 東京都文京区後楽２丁目２番８号 五洋建 設株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AC01 BA07 BB07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機の前端部の回転カッタ前
   面から機内側まで連続して形成された支持レールにカッ
   タビットを数珠繋ぎ状に支持して、機内側から新たなカ
   ッタビットを追加することによって、前記支持レールの
   終端のカッタビットを外周方向に押し出して順次新しい
   カッタビットに交換することを特徴とするシールド掘進
   機のカッタビット交換方法。
2. 【請求項２】 シールド掘進機の前端部の回転カッタ前
   面から機内側まで連続して形成された支持レールと、該
   支持レールに移動可能に連続して支持された複数のカッ
   タビットと、前記支持レールの後端側に設けられて新た
   なカッタビットを追加すると共に後端側の既設カッタビ
   ットを前記支持レールに沿って押し出すカッタビット追
   加機構とを備えたことを特徴とするシールド掘進機のカ
   ッタビット交換装置。
3. 【請求項３】 支持レールは回転カッタ前面のカッタス
   ポークに沿って設けられると共に、回転中心部近傍から
   後方に向けてに滑らかに屈曲して機内まで延出してなる
   ことを特徴とする請求項２記載のシールド掘進機のカッ
   タビット交換装置。
4. 【請求項４】 複数のカッタビットは、隣接するもの相
   互間を前記支持レール内において連結する連結手段を備
   えていることを特徴とする請求項２又は３記載のシール
   ド掘進機のカッタビット交換装置。
5. 【請求項５】 連結手段は半球状の凸部と該凸部が嵌入
   する凹部からなることを特徴とする請求項４記載のシー
   ルド掘進機のカッタビット交換装置。
6. 【請求項６】 カッタビット追加機構は、支持レール後
   端部に設けられて新カッタビットを装入保持する供給用
   水密箱と、該供給用水密箱と前記支持レールとの間を開
   閉可能に仕切る開閉手段と、供給用水密箱に装入された
   新カッタビットを前記支持レール側に押し込む押し込み
   手段と、押し込まれたカッタビットを前記支持レールに
   沿って押し出す押し出し手段と、最後端のカッタビット
   を固定するストッパとを備えてなることを特徴とする請
   求項２〜５のいずれかに記載のシールド掘進機のカッタ
   ビット交換装置。
7. 【請求項７】 支持レールの後端部にグリースを注入す
   るグリス注入手段を備えたことを特徴とする請求項２〜
   ６のいずれかに記載のシールド掘進機のカッタービット
   交換装置。