JP2004019301A

JP2004019301A - Tunnel boring machine

Info

Publication number: JP2004019301A
Application number: JP2002176969A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kaneko; 金子　研一; Kazuo Takamizawa; 高見沢　計夫; Itsuo Hirano; 平野　逸雄; Hisao Takeuchi; 竹内　久雄; Hisayoshi Tsuchiya; 土屋　寿誉; Masaru Nakajima; 中嶋　大; Takanobu Miki; 三木　孝信; Hiroyuki Ito; 伊藤　広幸
Original assignee: Taisei Corp; IHI Corp; Koken Boring Machine Co Ltd
Current assignee: Taisei Corp; IHI Corp; Koken Boring Machine Co Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: JP4004339B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunnel boring machine which excavates a tunnel of deformed cross section other than a circle even in the hard ground. <P>SOLUTION: A front part of a boring machine body is provided with a main cutter for cutting a working face, and a percussion drill vibrating at least in a longitudinal direction, facing an uncut portion of the main cutter. The working face of the uncut portion of the main cutter is struck and crushed by the percussion drill. The tunnel of deformed cross section other than the circle is thereby excavated even in the hard ground such as a rock bed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円以外の異形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機に係り、特に、硬質地盤に好適なトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機（トンネル掘削機）は、円以外の異形断面のトンネルを掘削する場合、通常、掘削機本体の前部に、切羽を切削する回転式のメインカッタを設けると共に、メインカッタの切り残し部分に対向させて回転式のアジテータや固定式のビットを設け、これらアジテータの回転力や固定ビットの掘進に伴う押付力によって切り残し部分の土砂を崩していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、土質が岩盤等の硬質地盤の場合、上記アジテータの回転力や固定ビットの押付力のみでは地山を崩す（破砕する）ことができず、切羽を異形断面に切削することができない。よって、硬質地盤の場合、実際上、掘削機による機械掘りによって、異形断面のトンネルを掘削することは極めて困難であった。
【０００４】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、硬質地盤であっても円以外の異形断面のトンネルを掘削できるトンネル掘削機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るトンネル掘削機は、掘削機本体の前部に、切羽を切削するメインカッタを設けると共に、該メインカッタの切り残し部分に対向させて少なくとも前後方向に振動するパーカッションドリルを設けたものである。
【０００６】
本発明によれば、メインカッタの切り残し部分の切羽は、パーカッションドリルによって叩かれて破砕される。よって、岩盤等の硬質地盤であっても、円以外の異形断面のトンネルを掘削できる。
【０００７】
また、上記メインカッタを切羽に対向させて複数配置すると共に、上記パーカッションドリルをそれらメインカッタの間に配置してもよい。こうすれば、硬質地盤に各種異形断面のトンネルを掘削できる。
【０００８】
また、上記パーカッションドリルを上記メインカッタの後方に配置してもよい。こうすれば、両カッタの掘削域がラップするため、メインカッタの切り残し部分（硬質地盤）をパーカッションドリルによって確実に破砕できる。
【０００９】
また、上記パーカッションドリルは、前後方向に振動又は打撃すると共に前後軸廻りに回転するものであってもよい。こうすれば、振動又は打撃および回転によって切り残し部分を掘削するので、掘削性能が更に向上する。
【００１０】
また、上記パーカッションドリルは、当該カッタで掘削した土砂を掘進機本体内に移送する排土通路を有していてもよい。こうすれば、パーカッションドリルへの土砂の付着が抑制されるので、長期間安定した掘削性能を維持できる。
【００１１】
また、上記パーカッションドリルが、上記掘進機本体内の隔壁に前後方向にスライド自在に設けられてもよい。こうすれば、パーカッションドリルによるメインカッタに対する先掘り又は後掘りが可能となる。
【００１２】
また、上記隔壁に、後退させたパーカッションドリルを収容しその出没口を塞ぐシャッタを有する収容室を設けてもよい。こうすれば、パーカッションドリルを収容室内に収容してシャッタを閉じることで、そのビット部を交換できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るトンネル掘削機は、岩盤等の硬質地盤を掘進するものであり、断面が略枝豆型の筒体状のシールドフレーム１と、その内部を前後に仕切る隔壁２とを備えた掘削機本体３を有する。隔壁２には、切羽を掘削するメインカッタ４が、左右一対回転可能に取り付けられている。詳しくは、隔壁２の左右には、軸受５を介して回転リング６が夫々回転自在に装着されており、各回転リング６には、周方向に所定間隔を隔てて設けられた中間ビーム７を介し、メインカッタ４が夫々取り付けられている。
【００１５】
但し、メインカッタ４の取付方式は、かかる中間ビーム支持方式に限られるものではなく、上記中間ビーム７をより径方向外方に移動させた外周ビーム支持方式や、メインカッタ４にシールドフレーム１の前部（フード部）の内周面に入れ子状に嵌る嵌入筒体を取り付けた周辺支持方式であってもよい。また、メインカッタ４の回転中心に支持軸を設け、この支持軸を隔壁２に軸支したセンターシャフト支持方式であってもよい。
【００１６】
左右のメインカッタ４は、面一に配置されている。前後にズラして配置すると、その隙間に掘削した切羽の岩盤の礫等が挟まってしまい、カッタ４の破損や回転トルクの増大を招くからである。但し、必ず面一に配置しなければならないわけではなく、前後にズラして配置しても構わない。この場合、各カッタ４、４の前後のズラした間隔を、掘削した岩盤の礫等が挟まらない程度に広げることが好ましい。
【００１７】
回転リング６には、外歯ギヤ８が設けられており、外歯ギヤ８は、モータ９のピニオン１０に噛合されている。この構成によれば、モータ９を駆動することで、回転リング６が回転し、中間ビーム７を介してメインカッタ４が回転する。メインカッタ４は、中間ビーム７に取り付けられたカッタヘッド１１と、カッタヘッド１１に取り付けられた複数のローラカッタ１２およびティースビット１３とからなる。
【００１８】
各ローラカッタ１２は、カッタヘッド１１にその径方向に所定間隔を隔てて複数装着されており、カッタヘッド１１の回転によって切羽面（岩盤）を転動し、切羽面に複数の同芯円の切り込みを形成する。また、各ティースビット１３は、カッタヘッド１１にその径方向に所定間隔を隔てて複数装着されており、カッタヘッド１１の回転によって切羽面を摺動し、切り込みが形成された切羽面の岩盤を切削する。
【００１９】
カッタヘッド１１には、前後を連通させて土砂取込口１４が複数形成されている。土砂取込口１４は、ローラカッタ１２およびティースビット１３によって切削された切羽の土砂を、カッタヘッド１１と隔壁２との間に区画されたカッタ室１５に取り込むために設けられる。カッタ室１５内に取り込まれた土砂は、図示しない土砂搬送装置（スクリューコンベヤ等）によって隔壁２の後方の坑内に搬送される。
【００２０】
図１に示すように、左右のメインカッタ４、４の近接部分の上下には、略枝豆型に成形されたシールドフレーム１の断面縁線に合わせて、別のメインカッタ（以下サブカッタ１６という）が夫々配置されている。このサブカッタ１６は、上記メインカッタ４と同様の構成となっており、隔壁２に回転可能に支持されて回転駆動されるようになっている。また、サブカッタ１６は、図例ではメインカッタ４と面一に配置されているが、前後にズラして配置してもよい。
【００２１】
各メインカッタ４と各サブカッタ１６との間には、これらカッタ４、１６の切り残し部分に対向させて、少なくとも前後方向に振動するパーカッションドリル１７が、メインカッタ４およびサブカッタ１６の後方に、配置されている。パーカッションドリル１７は、各サブカッタ１６の左右に夫々配置され略枝豆型シールドフレーム１の括れ部の切り残し部分に対向された第１パーカッションドリル１７ａと、各サブカッタ１６の上又は下に夫々配置されメインカッタ４とサブカッタ１６との間の切り残し部分に対向された第２パーカッションドリル１７ｂとからなる。
【００２２】
図２に示すように、第１及び第２パーカッションドリル１７ａ、１７ｂは、隔壁２に開けられた出没口１８に繋げて取り付けられたガイド筒１９内に、スライド自在に収容されている。第１パーカッションドリル１７ａは、図３にも示すように、円柱状の本体２０と、本体２０の後部に回転自在に被嵌されたスイベル２１と、スイベル２１に固設されたギヤケース２２とを有する。そして、かかるパーカッションドリル１７ａは、図２に示すように、本体２０がガイド筒１９内にスライド自在に収容され、スイベル２１とガイド筒１９との間に介設されたアクチュエータ（シリンダ２３等）によってスライド移動される。
【００２３】
図３に示すように、本体２０の前部には、ビット２４が軸方向に移動可能で周方向に回転不能に装着されている。ビット２４は、スイベル２１を介して本体２０内に給排される高圧エアによって軸方向（前後方向）振動又は打撃される。すなわち、本体２０内にはエアの供給通路２５および排出通路２６と振動又は打撃装置が形成されており、スイベル２１の内周面にはこれら通路２５、２６にそれぞれ連通する環状のヘッダ室２７、２８が形成されている。そして、スイベル２１の外周面には、供給ヘッダ室２７に連通させてエア供給ライン２９と、排出ヘッダ２８に連通させてエア排出ライン３０とが、夫々取り付けられている。
【００２４】
この構成によれば、供給ライン２９に供給されたエアは、ヘッダ室２７および供給通路２５を通り、図示しない振動又は打撃機構によりビット２４を振動又は打撃させた後、排出通路２６およびヘッダ室２８を通って排出ライン３０から排出される。なお、油圧機器を使って振動又は打撃させるタイプでもよい。また、エア等によりドリルを振動又は打撃させる機構自体は公知であるため詳しい説明を省略する。
【００２５】
ギヤケース２２の内部には、本体２０に連結された被駆動ギヤ３１と、被駆動ギヤ３１に噛合するアイドルギヤ３２と、アイドルギヤ３２に噛合する駆動ギヤ（ピニオン３３）とが収容されている。ピニオン３３は、ギヤケース２２に取り付けられたモータ３４によって回転される。この構成によれば、モータ３４を駆動することで、本体２０がギヤケース２２およびスイベル２１に対して回転駆動される。
【００２６】
よって、モータ３４を駆動しつつ供給ライン２９にエアを供給することで、モータ３４によって本体２０が回転され同時にエアによって図示しない振動又は打撃機構によって、ビット２４が振動又は打撃しながら回転する。これにより、メインカッタ４の切り残し部分（シールドフレーム１の括れ部分）の切羽（岩盤等の硬質地盤）が破砕される。破砕された掘削土砂は、カッタ室１５内に取り込まれ、隔壁２に取り付けれた図示しない土砂搬送装置（スクリューコンベヤ等）を介して坑内に取り込まれる。
【００２７】
ここで、スイベル２１とガイド筒１９との間に介設されたシリンダ２３は、ビット２４の先端位置を調節するのみならず、スイベル２１およびギヤケース２２の回り止めとしても機能する。また、本体２０のガイド筒１９に対するスライド位置は、上記シリンダ２３によって調節された後、図示しないロック機構（シールドフレーム１側からスイベル２１に係脱されるジャッキ等）によってその位置が固定される。
【００２８】
図５に、上記第１パーカッションドリル１７ａを最も後退させた様子を示す。このときビット２４の先端は、隔壁２に開けられた出没口１８よりも後方に位置する。そして、出没口１８は、隔壁２に設けられたシャッタ３８によって閉じられる。シャッタ３８は、図２に示すように、通常時には出没口１８を開放しており、図５のときのみスライドして出没口１８を閉じる。
【００２９】
これにより、シャッタ３８より後方のガイド筒１９内は、切羽の土圧等から切り離された状態となり、その内部に区画された収容室３９内にて、ビット２４を安全に交換することが可能となる。具体的には、ガイド筒１９の側面に通常時には閉じられ図５のときのみ開かれる作業穴（図示せず）を設けておき、その作業穴を通じてビット２４を交換する。
【００３０】
図４に、上記第２パーカッションドリル１７ｂの概要を示す。この第２パーカッションドリル１７ｂは、図３に示す第１パーカッションドリル１７ａと略同様の構成となっているため、同一の部品には同一の符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。第１の相違点は、本体２０と装着されるビット２４が複数である点である。各本体２０とビット２４は、正面から見て放射状に配置され、それぞれ軸方向に移動可能で周方向に回転不能に装着されている。
【００３１】
第２の相違点は、本体２０の内部に、各ビット２４によって掘削された土砂を取り込むための排土通路３５を形成した点である。排土通路３５は、本体２０の前面に入口を有し、本体２０の後部側面に出口を有する。出口は、スイベル２１の内周面に環状に形成された排土用のヘッダ室３６と連通している。そして、このヘッダ室３６は、スイベル２１の外周面に取り付けた排土ライン３７と連通している。
【００３２】
排土通路３５の入口は、ビット２４を複数とすることで本体２０の前面を全面的に切削可能としつつ前面にビット２４が装着されない領域を確保できることとなったことに伴い、その領域に形成されるものである。すなわち、第２パーカッションドリル１７ｂの排土通路３５は、ビット２４を複数とした点と密接に結びついている。なお、排土通路３５は、図例のように１本ではなく、各ビット２４の間に計３本設けてもよい。
【００３３】
この構成によれば、モータ３４を駆動しつつ供給ライン２９にエアを供給することで、各ビット２４が振動又は打撃しながら回転する。これにより、メインカッタ４とサブカッタ１６との間の部分の切羽（岩盤等の硬質地盤）が破砕される。そして、破砕された掘削土砂は、その一部が排土通路３５および排土ライン３７を通って坑内に排出されると共に、残りがカッタ室１５内に取り込まれ隔壁２に取り付けられた図示しない土砂搬送装置（スクリューコンベヤ等）を介して坑内に排出される。
【００３４】
なお、上記パーカッションドリル１７ａは、基本的にエアを送る管１本でもよい。但し、エアを切羽に出したくないときには、エア排出管をもう１本設ける。また、上記パーカッションドリル１７ａ、１７ｂは、エアを切羽に排出しても構わないときには、排出通路２６、ヘッダ室２８および排出ライン３０を省略できる。
【００３５】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【００３６】
本実施形態によれば、図１に示すメインカッタ４およびサブカッタ１６の切り残し部分の切羽（岩盤等の硬質地盤）は、第１および第２パーカッションドリル１７ａ、１７ｂによって叩かれて破砕される。すなわち、メインカッタ４およびサブカッタ１６の回転掘削領域以外（切り残し部分）の切羽は、岩盤等の硬質地盤であるため自律的に崩壊することはなく、柱状に延びてメインカッタ４およびサブカッタ１６の後方まで侵入するが、上記第１および第２パーカッションドリル１７ａ、１７ｂに叩かれて破砕される。
【００３７】
破砕された切羽の土砂（岩盤等）は、一部が図４に示す第２パーカッションドリル１７ｂの排土通路３５および排土ライン３７を通って坑内に排出されると共に、残りが図２に示すカッタ室１５内に一旦取り込まれた後隔壁２に取り付けれた図示しない土砂搬送装置（スクリューコンベヤ等）を介して坑内に排出される。よって、岩盤等の硬質地盤であっても、断面枝豆型の異形断面のトンネルを掘進機による機械掘りによって掘削できる。
【００３８】
ここで、図２に示すように、第１および第２パーカッションドリル１７ａ、１７ｂのビット２４の先端部とメインカッタ４およびサブカッタ１６の裏面部との間には、所定の隙間をあけることが好ましい。その隙間に破砕された切羽の礫等が挟まる事態を回避するためである。この隙間は、切羽の岩盤の破砕の性質によって、破砕粒径が大きいときには大きく小さいときには小さく変更するようにしてもよい。
【００３９】
また、第２パーカッションドリル１７ｂには、当該ドリル１７ｂで掘削した土砂を坑内に移送する排土通路３５が形成されているので、ビット２４及び本体２０の前面への土砂の付着が抑制され、長期に亘り安定した掘削性能を維持できる。すなわち、仮に排土通路３５が無いとすると、パーカッションドリル１７ｂで破砕切削した土砂がビット２４の部分に付着して掘削性能が低下する可能性があるが、これを回避できる。
【００４０】
なお、第１パーカッションドリル１７ａには、排土通路３５が設けられていないが、第２パーカッションドリル１７ｂに比べて直径が小さいため、それ程大きな問題とならない。但し、第１パーカッションドリル１７ａも第２パーカッションドリル１７ｂと同様の構成としてもよい。この場合、本体２０に複数のビット２４を装着すると共にその内部に排土通路３５を形成する都合上、直径をある程度大きくしなければならない。
【００４１】
第１パーカッションドリル１７ａのビット２４のビット部が寿命となったなら、図５に示すように、第１パーカッションドリル１７ａを後退させてガイド筒１９の内部の収容室３９に収容し、隔壁２の出没口１８をシャッタ３８で閉じる。これにより、シャッタ３８より後方の収容室３９内は、切羽の土圧等から切り離された状態となり、その収容室３９内にてビット２４の先端の刃先を安全に交換することが可能となる。
【００４２】
例えば、ガイド筒１９の側面に通常時には閉じられ図５のときのみ開かれる作業穴（図示せず）を設けておき、その作業穴を通じてビット２４の先端のビットを交換する。また、第２パーカッションドリル１７ｂも、同様にして、ガイド筒１９の内部の収容室３９内に引き込むとことにより、各ビット２４の先端のビットを交換することが可能である。
【００４３】
本発明の別の実施形態を図６及び図７に示す。
【００４４】
図示するようにこの実施形態に係るトンネル掘削機は、前実施形態に係るトンネル掘削機と略同様の構成となっているため、同一の部品には同一の符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。このトンネル掘削機は、メインカッタ４の回転中心部に前後を連通して開口部５０を設け、隔壁にその開口部５０が対向する切羽（岩盤等の硬質地盤）を破砕する第３パーカッションドリル１７ｃを設けたものである。
【００４５】
この構成によれば、メインカッタ４の回転中心部が対向する切羽は、メインカッタ４から切り離して設けられた第３パーカッションドリル１７ｃによって掘削される。よって、メインカッタ４の回転中心部の切羽をメインカッタ４を回転させて掘削することによって生じる種々の問題は一切生じず、回転中心部の掘削性能が向上する。
【００４６】
すなわち、図１に示すトンネル掘削機は、回転駆動されるメインカッタ４の掘削断面積全体にローラカッタ１２およびティースビット１３を装着し、メインカッタ４の回転中心部においても、カッタヘッド１１の回転によるローラカッタ１２およびティースビット１３の切羽面への円状の摺動によって切羽を掘削するため、次のような問題が生じ得る。
【００４７】
先ず、カッタヘッド１１の中心部に取り付けられたローラカッタ１２は、切羽面に対する摺動半径が小さいため、切羽面上を転動し難く、固着気味となり易い。このため、中心部のローラカッタ１２には、偏摩耗が発生し易い。また、摺動半径が小さいため、当該ローラカッタ１２の軸受に偏荷重が加わって軸受が破損する可能性もある。
【００４８】
次に、カッタヘッド１１の中心部では、外側部よりもローラカッタ１２の取付スペースが少ないため、ローラカッタ１２の取付間隔（カッタヘッド１１の径方向に沿った取付間隔）を外側部と同等とすることが困難である上、土砂取込口１４の開口スペースも確保し難い。このため、カッタヘッド１１の中心部においては、ローラカッタ１２の偏摩耗・偏荷重の問題とも相俟って、掘削性能が低下し易い。
【００４９】
このような問題が生じ得る図１に示すタイプに対し、図６に示す本実施形態は、問題となるメインカッタ４の回転中心部の切羽を、カッタヘッド１１の回転によるローラカッタ１２およびティースビット１３の切羽面への円状の摺動によって掘削するのではなく、メインカッタ４とは切り離して設けた第３パーカッションドリル１７ｃによって叩いて掘削するので、上記種々の問題は一切生じない。
【００５０】
つまり、メインカッタ４の中心部が対向する切羽（岩盤）は、上記第３パーカッションドリル１７ｃのビット２４の振動又は打撃・回転によって破砕・掘削され、それ以外の部分の切羽（岩盤）は、カッタヘッド１１の回転に伴って各ローラカッタ１２が転動することで同心円状に切り込まれ各ティースビット１３によって切削される。これにより、回転中心部の掘削性能を図１のタイプよりも向上できる。
【００５１】
また、本実施形態においても、前実施形態と同様に、メインカッタ４の切り残し部の切羽を第１及び第２パーカッションドリル１７ａ、１７ｂによって破砕することにより、岩盤等の硬質地盤であっても異形断面トンネルを掘進機による機械掘りによって形成できるという作用効果を奏することは勿論である。
【００５２】
なお、第３パーカッションドリル１７ｃには、図２に示す排土通路３５を形成してもよい。また、第３パーカッションドリル１７ｃを隔壁２のガイド筒１９に前後方向にスライド自在に設けることで、ビット２４のビットの交換を可能とすると共に、メインカッタ４に対する先掘り又は後掘りを可能としてもよい。
【００５３】
本発明の別の実施形態を図８に示す。
【００５４】
図示するようにこの実施形態に係るトンネル掘削機は、図１に示す実施形態に係るトンネル掘削機に対し、メインカッタ４を１個とし、シールドフレーム１を断面矩形状とし、その四隅にパーカッションドリル１７ｄを配置した点のみが異なっており、その他は同様の構成となっているため、同一の部品には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本実施形態に係るトンネル掘削機によれば、メインカッタ４の回転掘削領域以外の切羽（シールドフレーム１の四隅の切羽）は、岩盤等の硬質地盤であるため自律的に崩壊することはなく、柱状に延びてメインカッタ４の後方まで侵入するが、上記パーカッションドリル１７ｄに叩かれて破砕される。よって、岩盤等の硬質地盤の地山であっても、断面矩形状のトンネルを形成できる。
【００５６】
なお、パーカッションドリル１７ｄの内部に、図４に示すように、排土通路３５を形成してもよく、メインカッタ４の回転中心部の構造を、図６及び図７に示すタイプと同様の構成にしてもよいことは勿論である。
【００５７】
また、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、メインカッタ４は、図例のように回転式ではなく、平行リンク機構によって平行状態のまま円運動（平行リンク運動）するタイプであってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るトンネル掘削機によれば、硬質地盤であっても円以外の異形断面のトンネルを掘削できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の正面図である。
【図２】上記トンネル掘削機の平断面図である。
【図３】上記トンネル掘削機に備えられた第１パーカッションドリルの説明図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側断面図である。
【図４】上記トンネル掘削機に備えられた第２パーカッションドリルの説明図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側断面図である。
【図５】上記パーカッションドリルを後退させたトンネル掘削機の平断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るトンネル掘削機の正面図である。
【図７】上記トンネル掘削機の平断面図である。
【図８】本発明の更に別の実施形態に係るトンネル掘削機の正面図である。
【符号の説明】
２　隔壁
３　掘削機本体
４　メインカッタ
１７ａ　第１パーカッションドリル
１７ｂ　第２パーカッションドリル
１７ｃ　第３パーカッションドリル
１８　出没口
３５　排土通路
３８　シャッタ
３９　収容室[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a tunnel excavator for excavating a tunnel having a non-circular shaped cross section, and more particularly to a tunnel excavator suitable for hard ground.
[0002]
[Prior art]
When excavating tunnels with irregular cross-sections other than circles, shield excavators (tunnel excavators) usually provide a rotary main cutter for cutting a face at the front of the excavator body and leave the main cutter uncut. A rotary agitator or a fixed bit is provided facing the portion, and the earth and sand in the uncut portion is broken by the rotating force of the agitator and the pressing force accompanying the excavation of the fixed bit.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the soil is hard ground such as rock, the ground cannot be broken (crushed) only by the rotating force of the agitator or the pressing force of the fixed bit, and the face cannot be cut into an irregular cross section. Therefore, in the case of hard ground, it is extremely difficult to actually excavate a tunnel having an irregular cross section by mechanical excavation using an excavator.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention, which has been made in view of the above circumstances, is to provide a tunnel excavator capable of excavating a tunnel having a deformed cross section other than a circle even on hard ground.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a tunnel excavator according to the present invention is provided with a main cutter for cutting a face at a front portion of an excavator main body, and vibrates at least in a front-rear direction so as to face a remaining portion of the main cutter. Percussion drill.
[0006]
According to the present invention, the face of the uncut portion of the main cutter is beaten and crushed by the percussion drill. Therefore, even in a hard ground such as a bedrock, a tunnel having a deformed cross section other than a circle can be excavated.
[0007]
Further, a plurality of the main cutters may be arranged so as to face the face, and the percussion drill may be arranged between the main cutters. In this case, tunnels of various irregular cross sections can be excavated on the hard ground.
[0008]
Further, the percussion drill may be arranged behind the main cutter. In this case, since the excavation areas of both cutters overlap, the uncut portion (hard ground) of the main cutter can be reliably crushed by the percussion drill.
[0009]
Further, the percussion drill may be one that vibrates or hits in the front-rear direction and rotates about the front-rear axis. In this case, since the uncut portion is excavated by vibration or impact and rotation, the excavation performance is further improved.
[0010]
Further, the percussion drill may have an earth removal passage for transferring earth and sand excavated by the cutter into the body of the excavator. In this case, since the adhesion of the earth and sand to the percussion drill is suppressed, stable excavation performance can be maintained for a long time.
[0011]
Further, the percussion drill may be provided slidably in a front-rear direction on a partition wall in the machine body. This makes it possible to pre-dig or rear-dig the main cutter with the percussion drill.
[0012]
Further, the partition may be provided with an accommodation chamber having a shutter for accommodating the retreated percussion drill and closing the opening thereof. In this case, the bit portion can be replaced by housing the percussion drill in the housing chamber and closing the shutter.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0014]
As shown in FIGS. 1 and 2, a tunnel excavator according to the present embodiment excavates a hard ground such as a bedrock, and includes a cylindrical shield frame 1 having a substantially green soybean-shaped cross section and an inside thereof. An excavator main body 3 having a partition wall 2 partitioning front and rear is provided. A main cutter 4 for excavating a face is mounted on the partition wall 2 so as to be rotatable in a pair of left and right directions. Specifically, rotating rings 6 are rotatably mounted on the left and right sides of the partition 2 via bearings 5, respectively. Each rotating ring 6 is provided with an intermediate beam 7 provided at a predetermined interval in the circumferential direction. Each of the main cutters 4 is attached through the intermediary.
[0015]
However, the mounting method of the main cutter 4 is not limited to the intermediate beam supporting method. The outer beam supporting method in which the intermediate beam 7 is moved more radially outward, or the shield frame 1 is attached to the main cutter 4. A peripheral support system may be used in which a fitting cylinder that fits in a nested manner is attached to the inner peripheral surface of the front part (hood part). Further, a center shaft supporting system in which a support shaft is provided at the rotation center of the main cutter 4 and the support shaft is supported by the partition wall 2 may be used.
[0016]
The left and right main cutters 4 are arranged flush. This is because, if it is displaced back and forth, gravel or the like on the rock face of the excavated face will be caught in the gap, resulting in damage to the cutter 4 and an increase in rotational torque. However, it is not always necessary to arrange them flush with each other, and they may be arranged to be shifted back and forth. In this case, it is preferable to widen the gap between the front and rear of the cutters 4 and 4 so that the excavated rock or the like does not get caught.
[0017]
An external gear 8 is provided on the rotating ring 6, and the external gear 8 is meshed with a pinion 10 of a motor 9. According to this configuration, by driving the motor 9, the rotating ring 6 rotates, and the main cutter 4 rotates via the intermediate beam 7. The main cutter 4 includes a cutter head 11 attached to the intermediate beam 7, a plurality of roller cutters 12 attached to the cutter head 11, and a tooth bit 13.
[0018]
A plurality of roller cutters 12 are mounted on the cutter head 11 at predetermined intervals in the radial direction, and roll the face (rock) by the rotation of the cutter head 11, and a plurality of concentric circles are formed on the face. Form a notch. A plurality of tooth bits 13 are mounted on the cutter head 11 at predetermined intervals in a radial direction thereof, and the tooth bits 13 slide on the face face by the rotation of the cutter head 11 to remove the rock face of the face face in which the cut is formed. To cut.
[0019]
A plurality of earth and sand intake ports 14 are formed in the cutter head 11 so as to communicate front and rear. The earth and sand intake port 14 is provided for taking earth and sand of the face cut by the roller cutter 12 and the teeth bit 13 into a cutter chamber 15 defined between the cutter head 11 and the partition wall 2. The earth and sand taken into the cutter chamber 15 is conveyed into a pit behind the partition 2 by an earth and sand conveying device (such as a screw conveyor) not shown.
[0020]
As shown in FIG. 1, another main cutter (hereinafter, referred to as a sub-cutter 16) is provided above and below a portion adjacent to the left and right main cutters 4, 4 in accordance with a sectional edge line of the shield frame 1 formed into a substantially green soybean type. Are arranged respectively. The sub-cutter 16 has a configuration similar to that of the main cutter 4 and is rotatably supported by the partition wall 2 so as to be rotatable. Further, the sub-cutter 16 is arranged flush with the main cutter 4 in the illustrated example, but may be arranged to be shifted back and forth.
[0021]
Between each of the main cutters 4 and each of the sub-cutters 16, a percussion drill 17 vibrating at least in the front-rear direction is arranged behind the main cutters 4 and the sub-cutters 16 so as to face uncut portions of the cutters 4 and 16. Have been. The percussion drills 17 are respectively arranged on the left and right of each sub-cutter 16, the first percussion drill 17 a is opposed to the uncut portion of the constricted portion of the substantially green soybean type shield frame 1, and the main percussion drill is arranged above or below each sub-cutter 16. The second percussion drill 17b is opposed to the uncut portion between the cutter 4 and the sub cutter 16.
[0022]
As shown in FIG. 2, the first and second percussion drills 17 a and 17 b are slidably accommodated in a guide tube 19 which is attached to and attached to an opening 18 opened in the partition wall 2. As shown in FIG. 3, the first percussion drill 17 a has a cylindrical main body 20, a swivel 21 rotatably fitted to a rear portion of the main body 20, and a gear case 22 fixed to the swivel 21. . As shown in FIG. 2, the percussion drill 17a has a main body 20 slidably housed in a guide cylinder 19 and an actuator (a cylinder 23 or the like) interposed between the swivel 21 and the guide cylinder 19. The slide is moved.
[0023]
As shown in FIG. 3, a bit 24 is mounted on the front part of the main body 20 so as to be movable in the axial direction and not to rotate in the circumferential direction. The bit 24 is vibrated or struck in the axial direction (front-rear direction) by high-pressure air supplied and discharged into the main body 20 via the swivel 21. That is, an air supply passage 25 and an air discharge passage 26 and a vibration or impact device are formed in the main body 20, and an annular header chamber 27 communicating with the passages 25 and 26 is formed on the inner peripheral surface of the swivel 21. 28 are formed. An air supply line 29 communicating with the supply header chamber 27 and an air discharge line 30 communicating with the discharge header 28 are attached to the outer peripheral surface of the swivel 21.
[0024]
According to this configuration, the air supplied to the supply line 29 passes through the header chamber 27 and the supply passage 25, and vibrates or strikes the bit 24 by a vibration or impact mechanism (not shown), and then the discharge passage 26 and the header chamber 28. Through the discharge line 30. It should be noted that a type of vibration or impact using a hydraulic device may be used. In addition, a mechanism for causing the drill to vibrate or hit by air or the like is known, and a detailed description thereof is omitted.
[0025]
Inside the gear case 22, a driven gear 31 connected to the main body 20, an idle gear 32 meshing with the driven gear 31, and a driving gear (pinion 33) meshing with the idle gear 32 are housed. The pinion 33 is rotated by a motor 34 attached to the gear case 22. According to this configuration, by driving the motor 34, the main body 20 is rotationally driven with respect to the gear case 22 and the swivel 21.
[0026]
Therefore, by supplying air to the supply line 29 while driving the motor 34, the main body 20 is rotated by the motor 34, and at the same time, the bit 24 is rotated while being vibrated or struck by the vibration or striking mechanism (not shown) by the air. Thereby, the face (hard ground such as rock) of the uncut portion of the main cutter 4 (the constricted portion of the shield frame 1) is crushed. The crushed excavated earth and sand is taken into the cutter chamber 15 and is taken into the pit via a not-shown earth and sand conveying device (such as a screw conveyor) attached to the partition 2.
[0027]
Here, the cylinder 23 interposed between the swivel 21 and the guide cylinder 19 not only adjusts the tip position of the bit 24 but also functions as a detent for the swivel 21 and the gear case 22. After the slide position of the main body 20 with respect to the guide cylinder 19 is adjusted by the cylinder 23, the position is fixed by a lock mechanism (not shown) such as a jack engaged with the swivel 21 from the shield frame 1 side.
[0028]
FIG. 5 shows a state where the first percussion drill 17a is most retracted. At this time, the tip of the bit 24 is located behind the opening 18 opened in the partition wall 2. Then, the opening 18 is closed by a shutter 38 provided in the partition wall 2. As shown in FIG. 2, the shutter 38 normally opens the opening 18, and slides and closes the opening 18 only in FIG. 5.
[0029]
Thereby, the inside of the guide cylinder 19 behind the shutter 38 is cut off from the earth pressure of the face, etc., and the bit 24 can be safely exchanged in the storage chamber 39 defined therein. Become. Specifically, a work hole (not shown) which is normally closed and opened only in FIG. 5 is provided on the side surface of the guide cylinder 19, and the bit 24 is exchanged through the work hole.
[0030]
FIG. 4 shows an outline of the second percussion drill 17b. Since the second percussion drill 17b has substantially the same configuration as the first percussion drill 17a shown in FIG. 3, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted, and only differences will be described. I do. The first difference is that a plurality of bits 24 are attached to the main body 20. The main bodies 20 and the bits 24 are arranged radially when viewed from the front, and are mounted so as to be movable in the axial direction and non-rotatable in the circumferential direction.
[0031]
The second difference is that an earth discharging passage 35 for taking in earth and sand excavated by each bit 24 is formed inside the main body 20. The discharging passage 35 has an inlet on the front surface of the main body 20 and an outlet on a rear side surface of the main body 20. The outlet communicates with an earth discharging header chamber 36 formed in an annular shape on the inner peripheral surface of the swivel 21. The header chamber 36 communicates with a discharge line 37 attached to the outer peripheral surface of the swivel 21.
[0032]
The entrance of the discharging passage 35 is formed in a region where the bit 24 is not mounted on the front surface while the front surface of the main body 20 can be entirely cut by using a plurality of bits 24. Is what is done. That is, the earth discharging passage 35 of the second percussion drill 17b is closely connected to the point where the plurality of bits 24 are provided. The number of earth discharging passages 35 is not limited to one as shown in FIG.
[0033]
According to this configuration, by supplying air to the supply line 29 while driving the motor 34, each bit 24 rotates while vibrating or hitting. Thereby, the face (the hard ground such as the bedrock) at the portion between the main cutter 4 and the sub cutter 16 is crushed. Part of the crushed excavated earth and sand is discharged into the pit through the earth discharging passage 35 and the earth discharging line 37, and the rest is taken into the cutter chamber 15 and is attached to the partition wall 2 (not shown). It is discharged into the pit via a transfer device (such as a screw conveyor).
[0034]
The percussion drill 17a may basically be a single tube for sending air. However, when it is not desired to output air to the face, another air discharge pipe is provided. When the percussion drills 17a and 17b can discharge air to the face, the discharge passage 26, the header chamber 28, and the discharge line 30 can be omitted.
[0035]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described.
[0036]
According to the present embodiment, the uncut face (hard ground such as rock) of the main cutter 4 and the sub cutter 16 shown in FIG. 1 is beaten and crushed by the first and second percussion drills 17a and 17b. That is, the face of the main cutter 4 and the sub cutter 16 other than the rotary excavation area (the uncut portion) does not collapse autonomously because it is a hard ground such as a bedrock, and extends in a columnar shape to extend the main cutter 4 and the sub cutter 16. It penetrates to the rear, but is crushed by being hit by the first and second percussion drills 17a and 17b.
[0037]
Part of the crushed earth and sand (rock and the like) is discharged into the pit through the discharging passage 35 and the discharging line 37 of the second percussion drill 17b shown in FIG. 4, and the rest is shown in FIG. After being once taken into the cutter chamber 15, it is discharged into the pit via a soil transport device (not shown) (not shown) attached to the partition 2. Therefore, even on a hard ground such as a bedrock, a tunnel having an irregular cross section of a green soybean cross section can be excavated by mechanical excavation using an excavator.
[0038]
Here, as shown in FIG. 2, it is preferable to leave a predetermined gap between the tip of the bit 24 of the first and second percussion drills 17a, 17b and the back of the main cutter 4 and the sub cutter 16. . This is in order to avoid a situation in which crushed face pebbles and the like are caught in the gap. The gap may be changed to be small when the crushed particle size is large and small when the crushed particle size is large, depending on the crushing property of the rock face of the face.
[0039]
Further, since the second percussion drill 17b is formed with the earth discharging passage 35 for transferring the earth and sand excavated by the drill 17b into the pit, the adhesion of the earth and sand to the bit 24 and the front surface of the main body 20 is suppressed, and The stable excavation performance can be maintained over a long period of time. In other words, if there is no earth removal passage 35, the earth and sand crushed and cut by the percussion drill 17b may adhere to the bit 24 and the excavation performance may be reduced, but this can be avoided.
[0040]
Although the first percussion drill 17a is not provided with the earth discharging passage 35, the diameter is smaller than that of the second percussion drill 17b, so that it does not cause a serious problem. However, the first percussion drill 17a may have the same configuration as the second percussion drill 17b. In this case, the diameter must be increased to some extent in order to mount the plurality of bits 24 on the main body 20 and to form the earth discharging passage 35 therein.
[0041]
When the bit portion of the bit 24 of the first percussion drill 17a has reached the end of its life, the first percussion drill 17a is retracted and accommodated in the accommodation chamber 39 inside the guide cylinder 19, as shown in FIG. The opening 18 is closed by a shutter 38. As a result, the interior of the storage chamber 39 behind the shutter 38 is cut off from the earth pressure of the face and the like, and the cutting edge at the tip of the bit 24 can be safely replaced in the storage chamber 39.
[0042]
For example, a work hole (not shown) which is normally closed and opened only in FIG. 5 is provided on the side surface of the guide cylinder 19, and the tip bit of the bit 24 is exchanged through the work hole. Similarly, by pulling the second percussion drill 17b into the accommodation chamber 39 inside the guide cylinder 19, the bit at the tip of each bit 24 can be replaced.
[0043]
Another embodiment of the present invention is shown in FIGS.
[0044]
As shown in the figure, the tunnel excavator according to this embodiment has substantially the same configuration as the tunnel excavator according to the previous embodiment, and therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted. Only the differences will be described. In this tunnel excavator, an opening 50 is provided in front and rear communication with the center of rotation of the main cutter 4, and a third percussion drill 17 c for crushing a face (hard ground such as rock) facing the partition 50 with the partition 50. Is provided.
[0045]
According to this configuration, the face facing the rotation center portion of the main cutter 4 is excavated by the third percussion drill 17 c provided separately from the main cutter 4. Therefore, various problems caused by excavating the face at the center of rotation of the main cutter 4 by rotating the main cutter 4 do not occur at all, and the excavating performance of the center of rotation is improved.
[0046]
That is, the tunnel excavator shown in FIG. 1 mounts the roller cutter 12 and the teeth bit 13 on the entire excavation cross-sectional area of the main cutter 4 that is driven to rotate, and also rotates the cutter head 11 at the rotation center of the main cutter 4. Since the face is excavated by the circular sliding of the roller cutter 12 and the teeth bit 13 to the face of the roller cutter, the following problem may occur.
[0047]
First, since the roller cutter 12 attached to the center of the cutter head 11 has a small sliding radius with respect to the face, the roller cutter 12 is unlikely to roll on the face and tends to stick. Therefore, uneven wear is likely to occur on the roller cutter 12 at the center. In addition, since the sliding radius is small, an eccentric load may be applied to the bearing of the roller cutter 12 and the bearing may be damaged.
[0048]
Next, since the mounting space for the roller cutter 12 is smaller at the center of the cutter head 11 than at the outer portion, the mounting interval of the roller cutter 12 (the mounting interval along the radial direction of the cutter head 11) is equal to that of the outer portion. In addition, it is difficult to secure the opening space of the sediment intake 14. For this reason, in the central portion of the cutter head 11, the excavation performance is liable to deteriorate due to the problem of uneven wear and uneven load of the roller cutter 12.
[0049]
In contrast to the type shown in FIG. 1 in which such a problem may occur, the present embodiment shown in FIG. 6 employs the roller cutter 12 and the tooth bit Since the excavation is not performed by circular sliding on the face of the thirteen, but is performed by hitting with the third percussion drill 17c provided separately from the main cutter 4, the above various problems do not occur at all.
[0050]
That is, the face (rock) facing the center of the main cutter 4 is crushed and excavated by the vibration or impact / rotation of the bit 24 of the third percussion drill 17c, and the face (rock) of the other part is cut. Each of the roller cutters 12 rolls with the rotation of the head 11 so that the roller cutters 12 are concentrically cut and cut by the tooth bits 13. Thereby, the excavation performance of the rotation center can be improved as compared with the type shown in FIG.
[0051]
Also in the present embodiment, as in the previous embodiment, the face of the uncut portion of the main cutter 4 is crushed by the first and second percussion drills 17a, 17b, so that even the hard ground such as a bedrock can be obtained. It is a matter of course that the tunnel with the irregular cross section can be formed by mechanical excavation using an excavator.
[0052]
The third percussion drill 17c may be formed with a discharging passage 35 shown in FIG. In addition, by providing the third percussion drill 17c in the guide cylinder 19 of the partition wall 2 so as to be slidable in the front-rear direction, it is possible to replace the bit of the bit 24 and also to perform first digging or rear digging on the main cutter 4. Good.
[0053]
Another embodiment of the present invention is shown in FIG.
[0054]
As shown in the figure, the tunnel excavator according to this embodiment is different from the tunnel excavator according to the embodiment shown in FIG. 1 in that the number of main cutters 4 is one, the shield frame 1 is rectangular in cross section, and percussion drills are provided at four corners thereof. Only the point where 17d is arranged is different, and the other configuration is the same. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0055]
According to the tunnel excavator according to the present embodiment, the face (the face at the four corners of the shield frame 1) other than the rotary excavation area of the main cutter 4 does not collapse autonomously because it is a hard ground such as a bedrock. It extends in a columnar shape and penetrates to the rear of the main cutter 4, but is crushed by being hit by the percussion drill 17d. Therefore, a tunnel having a rectangular cross section can be formed even on a hard ground such as a bedrock.
[0056]
In addition, as shown in FIG. 4, an earth discharging passage 35 may be formed inside the percussion drill 17d, and the structure of the center of rotation of the main cutter 4 has the same structure as the type shown in FIGS. Needless to say, this may be done.
[0057]
Further, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the main cutter 4 may not be a rotary type as shown in the figure, but may be of a type that performs a circular motion (parallel link motion) in a parallel state by a parallel link mechanism.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the tunnel excavator according to the present invention, a tunnel having an irregular cross section other than a circle can be excavated even on hard ground.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a tunnel excavator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan sectional view of the tunnel excavator.
3 is an explanatory view of a first percussion drill provided in the tunnel excavator, wherein FIG. 3 (a) is a front view and FIG. 3 (b) is a side sectional view.
FIG. 4 is an explanatory view of a second percussion drill provided in the tunnel excavator, wherein FIG. 4 (a) is a front view and FIG. 4 (b) is a side sectional view.
FIG. 5 is a plan sectional view of the tunnel excavator in which the percussion drill is retracted.
FIG. 6 is a front view of a tunnel excavator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan sectional view of the tunnel excavator.
FIG. 8 is a front view of a tunnel excavator according to still another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Partition wall 3 Excavator main body 4 Main cutter 17a First percussion drill 17b Second percussion drill 17c Third percussion drill 18 Ingress / exit port 35 Discharge passage 38 Shutter 39 Storage chamber

Claims

A tunnel excavator, comprising: a main cutter for cutting a face at a front portion of an excavator main body; and a percussion drill that vibrates at least in a front-rear direction in opposition to an uncut portion of the main cutter.

The tunnel excavator according to claim 1, wherein a plurality of the main cutters are arranged so as to face the face, and the percussion drill is arranged between the main cutters.

3. The tunnel excavator according to claim 1, wherein the percussion drill is disposed behind the main cutter.

4. The tunnel excavator according to claim 1, wherein the percussion drill vibrates or hits in a front-rear direction and rotates about a front-rear axis.

The tunnel excavator according to any one of claims 1 to 4, wherein the percussion drill has an earth removal passage for transferring earth and sand excavated by the drill into an excavator body.

The tunnel excavator according to claim 1, wherein the percussion drill is slidably provided in a partition wall inside the excavator body in a front-rear direction.

7. The tunnel excavator according to claim 6, wherein the partition wall is provided with a storage chamber having a shutter for storing the retreated percussion drill and closing the opening of the percussion drill.