JP2004019302A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転カッタの回転中心部の掘削性能を向上させたトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】掘削機本体３の前部に切羽を掘削すべく設けられた回転カッタ４と、該回転カッタ４の中心部に前後を連通して開けられた開口部１６と、該開口部１６が対向する切羽を掘削すべく上記掘削機本体３に回転カッタ４から切り離して設けられたパーカッションドリル１７とを備えたもの。回転カッタ４の中心部が対向する切羽は、回転カッタ４から切り離して設けられたパーカッションドリル１７によって叩かれて掘削される。よって、中心部の切羽を回転カッタ４を回転させて掘削することによって生じていた種々の問題（ビットの摺動半径が小さいことによる問題）は一切生じず、回転中心部の掘削性能が向上する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転カッタを備えたトンネル掘削機に係り、特に、回転中心部の掘削性能を向上させたトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、シールド掘進機やトンネルボーリングマシン等のトンネル掘削機は、一般に、掘削機本体ａの前部に切羽を掘削するための回転カッタｂを備えている。回転カッタｂは、掘進機本体ａに回転可能に装着されたカッタヘッドｃを有し、カッタヘッドｃは、モータｄで回転駆動される。
【０００３】
岩盤対応のトンネル掘削機では、カッタヘッドｃには、ローラカッタｅが複数装着されている。これらのローラカッタｅは、カッタヘッドｃ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ｃの回転によって切羽面（岩盤）を転動する。この構成によれば、モータｄによってカッタヘッドｃを回転させることで、各ローラカッタｅの転動によって切羽面に複数の同芯円の切り込みが形成され、カッタヘッドｃに設けた各ティースビットｆによって切羽面の岩盤が切削される。
【０００４】
すなわち、従来のトンネル掘削機は、回転駆動されるカッタヘッドｃの掘削断面積全体にローラカッタｅおよびティースビットｆを装着し、カッタヘッドｃの中心部においても、カッタヘッドｃの回転によるローラカッタｅおよびティースビットｆの切羽面への円状の摺動によって切羽を掘削していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カッタヘッドｃの中心部に取り付けられたローラカッタｅは、切羽面に対する摺動半径（回転中心からの半径）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、カッタヘッドｃの中心部のローラカッタｅ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ｅの軸受に偏荷重が加わって軸受が破損する事態も考えられる。
【０００６】
また、カッタヘッドｃの中心部では、外側部よりもローラカッタｅの取付スペースが少ないため、ローラカッタｅの取付間隔（カッタヘッドｃ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ｇの開口スペースも確保し難い。このため、カッタヘッドｃの中心部においては、ローラカッタｅ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。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、回転カッタの回転中心部の掘削性能を向上させたトンネル掘削機を提供することにある。
【０００８】
【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掘削すべく設けられた回転カッタと、該回転カッタの中心部に前後を連通して開けられた開口部と、該開口部が対向する切羽を掘削すべく上記掘削機本体に回転カッタから切り離して設けられたパーカッションドリルとを備えたものである。
【０００９】
本発明によれば、回転カッタの中心部が対向する切羽は、回転カッタから切り離して設けられたパーカッションドリルによって叩かれて掘削される。よって、従来タイプのように回転カッタの中心部が対向する切羽を回転カッタを回転させて掘削することによって生じていた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。
【００１０】
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回転中心部の切羽を掘削するので、掘削性能が更に向上する。
【００１１】
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、安定した掘削性能を維持できる。
【００１２】
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いてもよい。こうすれば、パーカッションドリルによる回転カッタに対する先掘り又は後掘りが可能となる。
【００１３】
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。
【００１４】
また、上記回転カッタは、当該回転カッタの回転によって切羽面を転動するローラカッタを有していてもよい。この構成によれば、回転カッタの中心部の切羽は上記パーカッションドリルによって破砕・掘削され、その以外の部分の切羽は回転カッタの回転に伴ってローラカッタが転動することで掘削可能となる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係るトンネル掘削機は、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。掘削機本体３の前部には、切羽を掘削する回転カッタ４が回転可能に取り付けられている。詳しくは、掘削機本体３の隔壁２には、回転リング５が軸受６を介して回転自在に装着されており、回転リング５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を介して回転カッタ４が取り付けられている。
【００１７】
但し、回転カッタ４の掘削機本体３に対する取付方式は、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、回転カッタ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。要は、後述のように、回転カッタ４の中心部に、その前後を連通して開口部１６を形成する都合上、センターシャフト支持方式でなければよい。
【００１８】
回転リング５には、外歯ギヤ８が設けられている。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５が回転し、中間ビーム７を介して回転カッタ４が回転する。回転カッタ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。
【００１９】
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。
【００２０】
カッタヘッド１１の周辺部（中心部以外）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。
【００２１】
カッタヘッド１１の中心部には、前後を連通させて円穴状の開口部１６が形成されている。そして、開口部１６の後方の隔壁２には、開口部１６が対向する切羽を掘削するためのパーカッションドリル１７が、回転カッタ４とは切り離して設けられている。パーカッションドリル１７は、開口部１６の後方の隔壁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。
【００２２】
パーカッションドリル１７は、図２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１７は、図１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２に示すように、本体２０の前部には、複数のビット２４が軸方向に移動可能に装着されている。各ビット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。
【００２４】
そして、スイベル２１には、各ヘッダ室２７とヘッダ室２８とに夫々連通されたエア供給ライン２９と排出ライン３０とが、取り付けられている。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各ビット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、エアによりビット２４を振動又は打撃させる機構自体は公知であるため説明を省略する。
【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】
本体２０の内部には、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が形成されている。排土通路３５は、本体２０の前面に入口を有し、本体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、ヘッダ室３６は、スイベル２１に取り付けた排土ライン３７と連通している。
【００２７】
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、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り、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、回転カッタ４の中心部に開けられた開口部１６の切羽が掘削され、その掘削土砂が排土通路３５および排土ライン３７を通って坑内に排出される。
【００２８】
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、各ビット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。
【００２９】
図４に、上記パーカッションドリル１７を最も後退させた様子を示す。このとき各ビット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１および図２に示すように、通常時には出没口１８を開放しており、図４のときのみスライドして出没口１８を閉じる。
【００３０】
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、先端のビット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４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先端のビット２４を交換する。
【００３１】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態に係るトンネル掘削機によれば、回転カッタ４の中心部が対向する切羽は、回転カッタ４から切り離して設けられたパーカッションドリル１７によって掘削される。よって、図５に示す従来タイプのように中心部の切羽を回転カッタｂを回転させて掘削することによって生じていた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。
【００３３】
すなわち、図５に示すように、従来のトンネル掘削機は、回転駆動されるカッタヘッドｃの掘削断面積全体にローラカッタｅおよびティースビットｆを装着し、カッタヘッドｃの中心部においても、カッタヘッドｃの回転によるローラカッタｅおよびティースビットｆの切羽面への円状の摺動によって切羽を掘削していたため、次のような問題が生じていた。
【００３４】
先ず、カッタヘッドｃの中心部に取り付けられたローラカッタｅ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ｅ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ｅ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。
【００３５】
次に、カッタヘッドｃの中心部では、外側部よりもローラカッタｅの取付スペースが少ないため、ローラカッタｅの取付間隔（カッタヘッドｃ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ｇの開口スペースも確保し難い。このため、カッタヘッドｃの中心部においては、ローラカッタｅ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。
【００３６】
このような種々の問題が生じていた図５に示す従来タイプに対し、図１に示す本実施形態は、問題となっていた回転カッタ４の中心部の切羽を、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、回転カッタ４とは切り離して設けたパーカッションドリル１７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。
【００３７】
つまり、回転カッタ４の中心部が対向する切羽（岩盤）は、上記パーカッションドリル１７のビット２４の振動又は打撃・回転によって破砕・掘削され、その以外の部分の切羽（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従来タイプよりも向上できる。
【００３８】
また、パーカッションドリル１７には、当該ドリル１７で掘削した土砂を掘進機本体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１７で掘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。
【００３９】
また、パーカッションドリル１７が、隔壁２のガイド筒１９に前後方向にスライド自在に設けられているので、パーカッションドリル１７による回転カッタ４に対する先掘り又は後掘りが可能となる。また、図３に示すように、パーカッションドリル１７のビット２４の位置を回転カッタ４のローラカッタ１２と面一として同時掘りとしてもよい。この場合、切羽が安定して掘削されることになる。
【００４０】
そして、図３の状態からパーカッションドリル１７を前進させた先掘りでは、回転カッタ４による掘削に先立って回転中心部の切羽がパーカッションドリル１７で破砕されるため、回転カッタ４はその中心部が破砕された切羽を掘削することになり、回転カッタ４の掘削負担が小さくなる。よって、ローラカッタ１２およびティースビット１３（特に回転中心側のもの）の寿命が延びる。
【００４１】
また、図３の状態からパーカッションドリル１７を後退させた後掘り（図１）では、パーカッションドリル１７は、回転カッタ４で掘削されることなく開口部１６からカッタ室１５内に柱状に侵入した切羽（岩盤）を破砕することになるため、掘削負担が小さくなる。よって、パーカッションドリル１７のビット２４の寿命が延びる。
【００４２】
パーカッションドリル１７のビット２４のビット部が寿命となったなら、図４に示すように、パーカッションドリル１７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内にて先端のビット２４を安全に交換することが可能となる。
【００４３】
なお、上記同時掘り、先掘り又は後掘りは、切羽（岩盤）の硬さや特性、各カッタ１２、１７の設定性能等に応じて、適宜切り替えられる。また、切羽の土質によっては、パーカッションドリル１７の回転機構３１、３２、３３、３４を省略することもできる。また、本実施形態は、切羽が岩盤等の硬質地盤であって回転カッタ４にローラカッタ１２を取り付けたタイプを説明したが、これに限定されるものではない。
【００４４】
すなわち、本発明は、ローラカッタ１２が装着されない回転カッタ４を備えた通常土質用のトンネル掘削機に適用してもよい。回転カッタ４を回転させてそれに装着したビットによって切羽を掘削する以上、回転中心部に取り付けられたビットの摺動半径は外側部のビットの摺動半径よりも小さくなり、中心部の掘削性能が外側部よりも低下することには変わりないからである。
【００４５】
また、パーカッションドリル１７の振動又は打撃機構は、図例のようにエアによって駆動されるものに限られず、油圧駆動としてもよい。
【００４６】
【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、回転カッタの回転中心部の掘削性能を向上させることができる。
【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説明図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側断面図である。
【図２】上記トンネル掘削機に備えられたパーカッションドリルの説明図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側断面図である。
【図３】上記パーカッションドリルを前進させたトンネル掘削機の側断面図である。
【図４】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側断面図である。
【図５】従来例を示すトンネル掘削機の説明図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側断面図である。
【符号の説明】
２　隔壁
３　掘削機本体
４　回転カッタ
１２　ローラカッタ
１６　開口部
１７　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

Claims (6)

1. 掘削機本体の前部に切羽を掘削すべく設けられた回転カッタと、該回転カッタの中心部に前後を連通して開けられた開口部と、該開口部が対向する切羽を掘削すべく上記掘削機本体に回転カッタから切り離して設けられたパーカッションドリルとを備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 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る請求項１記載のトンネル掘削機。
3. 上記パーカッションドリルは、当該ドリル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する請求項１乃至２記載のトンネル掘削機。
4. 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た請求項１乃至３記載のトンネル掘削機。
5. 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た請求項４記載のトンネル掘削機。
6. 上記回転カッタは、当該回転カッタの回転によって切羽面を転動するローラカッタを有する請求項１記載のトンネル掘削機。

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