JP2004278030A - カッター交換装置とそれを具備したトンネル掘削機 - Google Patents
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Abstract
【課題】カッターヘッドに設けられたローラーカッターを容易に交換できる交換装置がない。
【解決手段】ローラーカッター２を突出させた支持状態と、ローラーカッター２の前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材４を設け、このカッター取付部材４の反切羽側を球面４ａで形成し、このカッター取付部材４の反切羽側に、カッター取付部材側がこのカッター取付部材４に沿った球面９ａでこのカッター取付部材４の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座９を設け、前記カッター取付部材４の球面４ａの軸心Ｆ位置に、このカッター取付部材４を回動可能に支持するとともに前記ローラーカッター２に作用する負荷をカッターヘッド１で支持する支持軸５を設けて、カッター取付部材４でローラーカッター２の前面を覆えば被圧水下でもローラーカッター２を反切羽側Ｉへ取外して交換できるようにする。
【選択図】 図２
【解決手段】ローラーカッター２を突出させた支持状態と、ローラーカッター２の前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材４を設け、このカッター取付部材４の反切羽側を球面４ａで形成し、このカッター取付部材４の反切羽側に、カッター取付部材側がこのカッター取付部材４に沿った球面９ａでこのカッター取付部材４の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座９を設け、前記カッター取付部材４の球面４ａの軸心Ｆ位置に、このカッター取付部材４を回動可能に支持するとともに前記ローラーカッター２に作用する負荷をカッターヘッド１で支持する支持軸５を設けて、カッター取付部材４でローラーカッター２の前面を覆えば被圧水下でもローラーカッター２を反切羽側Ｉへ取外して交換できるようにする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、トンネル掘削機のカッターヘッドに設けられたローラーカッターを被圧水下で交換するためのカッター交換装置と、それを具備したトンネル掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、地山等にトンネルを形成する場合、その地質に応じたトンネル掘削機やシールド掘進機が用いられている。例えば、海底トンネルのように切羽からの水圧が作用している環境でトンネルを掘削する場合、切羽密閉型の泥水式、泥土圧式シールド掘進機、トンネル掘削機等（この明細書では、総称して「トンネル掘削機」という。）が用いられる。このようなトンネル掘削機で岩盤層や砂礫層などの滞水性の高い地質を掘削する場合には、カッターヘッドにローラーカッターが設けられ、水圧や土圧を作用させながら掘削している。このローラーカッターは、切羽に押圧された状態でカッターヘッドを回転させることにより転動して切羽を掘削するものである。
【０００３】
一方、近年、このようなトンネル掘削機による掘削距離の長距離化に伴い、刃先が摩耗したローラーカッターは被圧水（地中の水圧・土圧等を含む）下で交換する状況が多くなっている。
【０００４】
このような被圧水下の地中でローラーカッターを交換する場合、特に切羽密閉型の泥水圧式、泥土圧式のトンネル掘削機においては、カッターヘッドのチャンバー内の泥水や泥土を排出してからチャンバー内に作業者が入って交換することとなるので、現状では、地上、又はトンネル掘削機内から地山に薬液注入することによって、地山からの湧水を止めると共に地山の崩壊を防ぐ補助工法が必要となる。したがって、ローラーカッターを交換する作業に多くの時間をさかなければならず、その間、トンネル掘削機が停止して掘削効率を悪化させている。しかも、海底トンネルのように海底下での交換には、このような補助工法の適用が非常に困難であったり、適用できない場合がある。そのため、経済性、施工効率の観点から、トンネル掘削機のカッター交換の作業効率向上が求められている。
【０００５】
このような被圧水下で切羽部の泥水や泥土を排出せずにカッターを交換しようとする従来技術として、切羽側に突出したローラーカッターをカッターフレーム内に後退させた状態で、そのローラーカッターの前面を止水ゲートで閉鎖して、カッターフレーム内からローラーカッターを交換できるようにしたカッター装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、他の従来技術として、ディスクカッターの反切羽側に設けられた半円筒状のディスクカッターカバーをディスクカッターの前面へ回動させることにより切羽からカッターヘッドスポーク内に水等が流入するのを阻止し、カッターヘッドスポーク内からディスクカッターを交換できるようにしたカッターヘッドがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２２７５９１号公報（第３頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−２７６２９１号公報（第３−９頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１のカッター装置は、被圧水下でのカッター交換を行える構造となっているが、交換装置の設置にスペースを要するためカッターフレーム内のスペースを大きく取るようなカッターヘッドの設計をする必要があるとともに重量が増加し、しかも、大口径のカッターヘッドでないと適用するのは難しい。
【０００９】
また、前記特許文献２のカッターヘッドも、半円筒形のディスクカッターカバーをカッターヘッドスポーク内で回動させる構成であるため、カッターヘッドスポーク内にスペースを大きく取った設計をする必要があるとともに重量が増加し、しかも、大口径のカッターヘッドでないと適用するのは難しい。
【００１０】
つまり、これらの構成では、中口径（例えば、口径５ｍ位）のカッターヘッドでは設置が難しく、適用が困難である。しかも、大きな設置スペースを必要とするのでドーム型カッターヘッドのゲージ部へ適用するのは困難であり、最も周速が早く摩耗し易い外周部のカッター交換の作業効率向上を図ることができない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明のカッター交換装置は、ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、前記カッター取付部材の球面の軸心位置に、該カッター取付部材を回動可能に支持するとともに前記ローラーカッターに作用する負荷をカッターヘッドで支持する支持軸を設けている。このようにローラーカッターがカッターヘッドから突出した支持状態と、ローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能なカッター取付部材を設け、このカッター取付部材に作用する荷重は支持軸でカッターヘッドに支持し、ローラーカッターの交換時にはこのカッター取付部材でローラーカッターの前面を覆って切羽側を塞ぎ、この状態で球体座の着脱部を取外すことによりローラーカッターを反切羽側へ容易に取外すことができる。これにより、切羽部の泥水または泥土を排出することなく被圧水下でのカッター交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【００１２】
前記球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した通路と、該通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設ければ、被圧水の圧力が大きく、カッター取付部材の反転に大きな力を必要とする場合には、供給口からグリースや流体等をカッター取付部材と球体座との間に注入してカッター取付部材を切羽側へ加圧することにより、カッター取付部材の支持軸に作用する押付力を相殺または減少させてカッター取付部材の反転を容易に行うことができる。
【００１３】
また、ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の球面の軸心位置に該カッター取付部材を回動可能に支持する支持軸を設け、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で前記ローラーカッターからカッター取付部材に作用する負荷を支持し、該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、該球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した加圧通路と、該加圧通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設ければ、カッター取付部材に作用する荷重は球体座でカッターヘッドに支持し、交換時には支持軸を回動させてカッター取付部材でローラーカッターの前面を覆って切羽側を塞ぎ、この状態で球体座の着脱部を取外すことにより、ローラーカッターを反切羽側へ容易に取外すことができる。しかも、被圧水の圧力が大きい場合でも、供給口からグリースや流体等をカッター取付部材と球体座との間に注入してカッター取付部材を切羽側へ加圧することにより、カッター取付部材が球体座に押付けられる力を相殺または減少させてカッター取付部材の反転を容易に行うことができる。これにより、球体座の広い面積で大きな掘削反力を安定して受け、切羽部の泥水または泥土を排出することなく被圧水下でのカッター交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【００１４】
さらに、前記カッター取付部材を切羽側に反転させた状態で該カッター取付部材の外面と前記球体座との間の前記支持軸の反切羽側で水密を保つシール材を、前記支持軸の切羽側と反切羽側とに設ければ、カッター取付部材を切羽側に反転させた時には支持軸の反切羽側に設けられたシール材には押圧する方向に圧力が作用するので、シール材のシール性をより安定させることができる。
【００１５】
また、前記ローラーカッターの軸心に対する前記カッター取付部材の軸心を、該カッター取付部材の外径が描く軌跡が前記ローラーカッターの外径を超えない範囲で反切羽側に配置すれば、切羽側に反転させるカッター取付部材の中央部厚みを厚くすることができ、カッター取付部材に作用する大きな荷重に耐え得る形態に容易にできる。
【００１６】
さらに、前記カッター取付部材の支持軸の端部に駆動部を形成し、該駆動部をカッターヘッド内の空間に位置させることにより、例えば、駆動部を六角形状とすれば、スパナ等の工具や油圧または電動装置等のアクチュエーターで駆動軸を作業員が回動させることが容易にできるので、状況に応じた交換作業を行うことができる。
【００１７】
また、前記カッター取付部材の所定位置に前記ローラーカッター側に開口した流体通路を設け、該流体通路に洗浄水を供給する洗浄ポートを前記球体座に設ければ、この球体座に設けた洗浄ポートから供給した洗浄水をカッター取付部材の流体通路からローラーカッター側に噴射することにより、カッター取付部材とローラーカッター間に土砂が圧密することを安定して防止することができる。
【００１８】
さらに、前記ローラーカッターの摩耗量を検出する摩耗検知装置を前記カッター取付部材に設ければ、この摩耗検知装置によってローラーカッターの摩耗量（摩耗度等を含む）を検知してローラーカッター交換の要否判断を容易に行うことができる。
【００１９】
一方、本願発明のトンネル掘削機は、これらいずれかのカッター交換装置をカッターヘッドに設け、該カッター交換装置のチャンバー側に切羽から密閉された作業空間を形成している。このようなトンネル掘削機によれば、ローラーカッター交換時に切羽から密閉された空間でローラーカッターを効率良く交換することができる。また、カッター取付部材と球体座とを球体とすることにより、ドーム型カッターヘッドのゲージ部へ適用することも可能となり、周速の早い外周部のカッター交換作業の効率化を図ることができる。
【００２０】
その上、前記作業空間とトンネル掘削機の機内とを連通させるマンホールを設け、該マンホールにカッター搬送機を設ければ、ローラーカッター交換時には、機内からマンホールを介して作業空間に作業者が入り、カッター交換装置とカッター搬送機とを操作してローラーカッターを効率良く交換できるので、切羽から密閉された作業空間でのローラーカッター交換作業を容易に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示すカッター交換装置の掘削時における側面視の断面図であり、図２は図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の断面図である。
【００２２】
図示するように、カッターヘッド１の前面から切羽側Ｊに突出したローラーカッター２は、このローラーカッター２を支持するカッター支持部３が形成されたカッター取付部材４によって支持されている。このカッター取付部材４の内側には、側面視がローラーカッター２の外周と所定距離Ａを設けた球面で、正面視がローラーカッター２の幅方向に所定の円弧を描いた形状の空間Ｂが形成されており、この空間Ｂでローラーカッター２が回転可能なように支持されている。このカッター取付部材４は、カッターヘッド１の前面とほぼ平行な軸心Ｆに設けられた支持軸５によって支持されている。この支持軸５は、カッター取付部材４の球面４ａの軸心位置に設けられている。前記カッター取付部材４の内側に形成された段状のカッター支持部３は、ローラーカッター２の軸部６を支持しており、この軸部６はボルト７でカッター取付部材４に固定された固定部材８によって取付けられている。
【００２３】
カッター取付部材４の反切羽側Ｉ（チャンバー側）には、カッターヘッド１に固定された球体座９が設けられている。この実施形態における球体座９は、カッターヘッド１と一体的に固定された上部球体座１０と、この上部球体座１０に固定されてカッター取付部材４の支持軸５を支持する中部球体座１１と、この中部球体座１１に着脱可能に固定された下部球体座１２とから構成されている。この下部球体座１２が着脱部として構成されており、中部球体座１１との間はシール材１２ａによってシールされている。
【００２４】
この上部球体座１０はカッターヘッド１に溶接で一体的に固定され、中部球体座１１は上部球体座１０にボルト１３で固定され、下部球体座１２は中部球体座１１にボルト１４で固定されている。このようにカッター取付部材４の反切羽側Ｉに取付けられた球体座９は、その全体でカッター取付部材４の外側の球面４ａに沿うように内側が球面９ａに形成されている。したがって、上部球体座１０をカッターヘッド１に固定し、カッター取付部材４を挿入してから中部球体座１１をボルト１３で固定し、下部球体座１２をボルト１４で固定することによりカッター取付部材４が球体座９の内部に組み込まれる。なお、この実施形態では、中部球体座１１の一部にローラーカッター２の端部を通過させる切り欠き部１１ａ（正面は図６参照）を形成することにより、球体座９をコンパクトに形成するようにしている。
【００２５】
これら上部球体座１０と中部球体座１１と下部球体座１２とを組んだ時に形成される球体座９の内面は、前記カッター取付部材４の球面４ａとほぼ同一の球面９ａで形成されており、この実施形態では、カッター取付部材４の外面と球体座９の内面との間に僅かな隙間が設けられている。そのため、ローラーカッター２に作用する荷重は、カッター取付部材４を介して支持軸５でカッターヘッド１に支持されている。
【００２６】
前記中部球体座１１は、カッター取付部材４を回動させる支持軸５を支持している。支持軸５には、カッター取付部材４に設けられた角形の凹部１５に挿入する角形の係合部１６と、中部球体座１１に支持される軸部１７と、中部球体座１１から突出する駆動部１８とが形成されている。この支持軸５の係合部６をカッター取付部材４の凹部１５に挿入し、軸部１７を中部球体座１１で支持した状態で、押え板１９によってカッター取付部材４から外れないように取付けられる。軸部１７と中部球体座１１との間にはシール材２０（Ｏリング等）が設けられており、支持軸５の全周でシールされている。
【００２７】
このように設けられた支持軸５は、カッター取付部材４を球面４ａの軸心Ｆ回りで回転させることが可能であり、支持軸５の駆動部１８は、この実施形態では六角レンチやアクチュエータ等の工具で回動させることが可能なように六角形に形成されている。
【００２８】
また、この支持軸５の軸心Ｆは、前記カッター支持部３に支持されたローラーカッター２の回転軸Ｇに対して反切羽側Ｉとなるように設けられており、カッター取付部材４を反転させた時にこのカッター取付部材４の外径が描く軌跡（２点鎖線）が切羽側Ｊに突出したローラーカッター２の前端を超えない範囲で、回転軸Ｇの反切羽側Ｉに設定されている。このように軸心Ｆを回転軸Ｇからずらすことにより、カッター取付部材４の中央部を厚くして、反転時に切羽側Ｊから作用する大きな水圧等の荷重を安定して受けることができるようにしている。
【００２９】
なお、この実施形態では、ローラーカッター２に作用する荷重をカッター取付部材４から支持軸５を介してカッターヘッド１で受けるようにしているが、球体座９の球面９ａで前記カッター取付部材４の球面４ａを支持することにより、ローラーカッター２からカッター取付部材４に作用する掘削反力（荷重）を球体座９を介して、カッターヘッド１で支持するようにしてもよい。このようなローラーカッター２に作用する水圧等の荷重の支持は、ローラーカッター２に作用する荷重の大きさやローラーカッター２の大きさ等に応じて選択すればよい。
【００３０】
また、下部球体座１２のほぼ中央部には、下部球体座１２を貫通してカッター取付部材４に設けられた回り止め穴２１に挿入する回り止め部材２２が設けられている。この回り止め部材２２は、円筒状のピン２３と、このピン２３の端部に設けられたフランジ２４が下部球体座１２の外面に設けられた台座部２５に固定されたものである。ピン２３の外周にはシール部材２６が設けられており、調整ボルト２９によって台座部２５の反切羽側Ｉ方向の厚みの範囲でピン２３がスライド可能なように構成されている。
【００３１】
さらに、ピン２３には通路２７が設けられており、フランジ２４に設けられた供給口となるバルブ２８を介して流体等が供給可能なように構成されている。２８ａは開閉レバーである。この球体座９と前記カッター取付部材４との間に開口する通路２７は、前記バルブ２８から球体座９とカッター取付部材４との間に高圧流体を供給するものである。また、この実施形態では、球体座９の所定位置に、この球体座９と前記カッター取付部材４との間に開口するグリスポート３０が複数個設けられている。このグリスポート３０は、下部球体座１２と、この下部球体座１２から中部球体座１１にかけて設けられており、これらの間にカッター取付部材４の周方向の複数位置からグリスを供給できるように配設されている。このグリスポート３０の配置や数は、カッター取付部材４の大きさ等に応じて設定すればよい。
【００３２】
このように加圧流体を供給する通路２７やグリスポート３０を設けることにより、これらからカッター取付部材４と球体座９との間に高圧流体やグリス等の加圧体を供給することで、切羽側Ｊからカッター取付部材４の支持軸５に作用する荷重に対向する方向に力を作用させ、支持軸５に作用する力がバランスするように切羽側Ｊからの大きな力を相殺または減少させて、カッター取付部材４を容易に反転させることができるようにしている。
【００３３】
また、上部球体座１０とカッター取付部材４との間と、中部球体座１１とカッター支持部材３との間にもシール材３１（Ｏリング等）が設けられている。このカッター取付部材４の外面と球体座９の内面との間に設けられたシール材３１により、ローラーカッター２を切羽側に向けたカッター取付部材４の掘削状態と、カッター取付部材４をカッターヘッド１の前面側へ回転させて切羽側Ｊを覆う反転状態とで、切羽側Ｊからの水を安定してシールすることができる。特に、反切羽側Ｉのシール材３１は、反転させたカッター取付部材４が切羽側Ｊから押圧されることによってよりシール性が増すことになる。図１，２に実線で示す状態が、ローラーカッター２を切羽側Ｊへ突出させた掘削時の支持状態であり、２点鎖線で示す状態が、ローラーカッター２の前面にカッター取付部材４を反転させた交換時の反転状態である。
【００３４】
一方、図１に示すように、中部球体座１１には、カッター取付部材４との間に流体室３２が形成されており、カッター取付部材４の全周で連続するように形成されている。また、カッター取付部材４の内部には流体通路３３が設けられており、この流体通路３３の端部が前記流体室３２に開放している。また、この流体通路３３は、カッター取付部材４の周方向からローラーカッター２に向けて開口した噴射口３４が設けられている。さらに、図１に示すように、カッター取付部材４の軸心Ｆと交差する位置には、前記流体室３２に通路３６を介して高圧流体を供給する洗浄ポートとなる洗浄バルブ３５が設けられている。この洗浄バルブ３５は、開閉レバー３５ａの操作によって供給／停止が選択できるように構成されている。これらにより、流体室３２に供給された洗浄水となる高圧流体が流体通路３３を介して噴射口３４からローラーカッター２に向けて噴射するように構成されている。
【００３５】
図３は図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の他例を示す図面であり、（ａ） は断面図、（ｂ） は摩耗検知装置の拡大断面図である。この例では前記図１，２に示す構成に、前記ローラーカッター２の摩耗量を検出する摩耗検知装置５６を設けることにより、ローラーカッター２の摩耗量を機内側から検知可能なようにしている。このローラーカッター２の摩耗量を機内側から検知可能とすることにより、カッター取付部材４を反転させることなくローラーカッター２の交換の要否を容易に判断することができる。
【００３６】
（ａ） に示すように、この例の摩耗検知装置５６は、前記カッター取付部材４のローラーカッター頂部と対向する位置に設けられており、その供給管５７がカッター取付部材４内と一方の支持軸５の中心とを介してカッターヘッド１内に設けられている。この摩耗検知装置５６は、（ｂ） に示すように供給管５７から油圧を後端に作用させることによりカッター取付部材４の内面からローラーカッター２の頂部に向けて突出するロッド５８と、この油圧を抜くとロッド５８が後退するように付勢するスプリング５９とが設けられた油圧ジャッキ式で構成されている。６０はスプリング５９の蓋材である。この摩耗検知装置５６を設ければ、必要に応じて供給管５７から油圧を作用させることによりロッド５８を突出させ、そのロッド５８の突出量からローラーカッター２の摩耗量を求めることができる。しかも、この実施形態では、ロッド５８を突出させる前に前記噴射口３４からローラーカッター２に向けて高圧流体を噴射させることにより、ローラーカッター２の周囲を洗浄してから摩耗量を検知することができるので、正確な摩耗量を容易に検知することができる。したがって、この摩耗検知装置５６を設ければ、予め所定の摩耗量に達したローラーカッター２のみを検知して、効率の良いローラーカッター交換作業を行うことができる。
【００３７】
図４は図１に示すカッター交換装置による交換時の図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図、図５は図４に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図、図６は図５に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。これらの図面に基づいて、前記したカッター交換装置４０によるローラーカッター２の交換手順を以下に説明する。なお、以下の手順ではカッター取付部材４の支持軸５でローラーカッター２に作用する切羽側Ｊの荷重を支持している場合の交換方法を説明する。
【００３８】
上述した図１，２に示す状態が掘削時であり、この状態でローラーカッター２を交換する必要が生じた場合、トンネル掘削機を停止させる。この交換時には、ローラーカッター２と切羽との間に隙間を設け、ローラーカッター２には水圧のみが作用した状態とする。この状態で切羽側Ｊからローラーカッター２に作用する荷重は支持軸５で支持されている。
【００３９】
この状態から、図４（ａ），（ｂ） に示すように、回り止め部材２２の調整ボルト２９を操作して、ピン２３をカッター取付部材４の回り止め穴２１から抜く。この時、ピン２３の周囲に設けたシール部材２６でシール性は保たれている。このようにピン２３を抜いてカッター取付部材４の回動が可能な状態にした後、バルブ２８から通路２７を介してカッター取付部材４と球体座９との間に高圧流体が供給される。この高圧流体としては、切羽側Ｊから作用する荷重と同等に加圧された高圧水等が用いられる。これによりカッター取付部材４の支持軸５で受けている切羽側Ｊからの荷重に対向して反切羽側Ｉから支持軸５に力を作用させ、結果として支持軸５に作用する前後方向の荷重差が減少するようにしている。この状態で、（ａ） に示すように、支持軸５の突出部１８に工具４１（例えば、六角レンチやアクチュエータ等）をセットする。
【００４０】
そして、図５（ａ），（ｂ） に示すように、工具４１によって支持軸５を１８０°回転させてカッター取付部材４を反転させる。このカッター取付部材４の反転時には、ローラーカッター２も１８０°回転し、カッター取付部材４の球体座９と面していた球面４ａが切羽側Ｊに反転してローラーカッター２の切羽側Ｊを覆った状態となる。
【００４１】
このようにカッター取付部材４を回転させる時には、切羽側Ｊからの水圧や土圧が作用しているが、前記したようにカッター取付部材４の支持軸５に作用する荷重がバランスする方向に反切羽側Ｉから水圧を作用させているので、比較的小さな力で回動させることができる。
【００４２】
また、カッター取付部材４と上部球体座１０と中部球体座１１との間に設けられたシール材３１と中部球体座１１と下部球体座１２との間に設けられたシール材１２ａとによって、軸心Ｆを挟んで切羽側Ｊと反切羽側Ｉとをシールしているため、カッター取付部材４の回動時にはこれらのシール材３１によってカッター取付部材４の外面と球体座９との間でのシール性を保つことができる。
【００４３】
この状態でバルブ２８を開放することにより、カッター取付部材４を反転させた時に球体座９との間の空間Ｃに入った切羽側Ｊの泥水等が排出され、この空間Ｃ内が反切羽側Ｉと同圧になる。
【００４４】
なお、この実施形態では、通路２７から高圧流体をカッター取付部材４と球体座９との間に供給して支持軸５に作用する荷重のバランスを図っているが、グリスポート３０からカッター取付部材４と球体座９との間に所定圧でグリスを注入して切羽側Ｊから作用する荷重とバランスさせてもよい。これらは、荷重の大きさや使用条件等に応じて決定すればよい。
【００４５】
また、この実施形態では、切羽側Ｊからカッター取付部材４に作用する荷重を支持軸５で支持する構成であるが、カッター取付部材４に作用する荷重を球体座９で受けるような構成にした場合には、カッター取付部材４に作用している荷重Ｗは球体座９の面で受けた状態で回転させられることになる。この場合、カッター取付部材４と球体座９との間にグリスポート３０からグリスを注入することにより、球体座９でカッター取付部材４からの荷重を支持しながら回転させることができる。
【００４６】
その後、図６（ａ），（ｂ） に示すように、ボルト１４を取外して下部球体座１２を取外す。この下部球体座１２を取外したことにより球体座９の反切羽側Ｉが開放するので、カッター取付部材４にローラーカッター２を取付けているボルト７を緩めれば、ローラーカッター２を一体的に反切羽側Ｉへ取外すことができる。
【００４７】
なお、ローラーカッター２を取外した後に新しいローラーカッター２を取付ける手順は、上述した手順の逆手順で行えばよく、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
このようにしてローラーカッター２を取外している時には、カッター取付部材４が切羽側Ｊを塞いでいるので、切羽側Ｊから水圧や土圧が作用している状態でも、切羽やチャンバー内の泥水や泥土を排出することなく、迅速なカッター交換作業を安定して行える。
【００４９】
したがって、このように構成されたカッター交換装置４０によれば、被圧水下でローラーカッター２の交換を行うことができ、また、球体の回転構造により装置自体を比較的コンパクトに形成することができるので、中口径（例えば、口径５ｍ位）からのトンネル掘削機やシールド掘進機に適用することが可能であり、配置が困難なドーム型カッターヘッドのゲージ部への適用も可能となる。
【００５０】
図７は図１に示すカッター交換装置を設けたトンネル掘削機のカッターヘッド１を示す正面図であり、図８は図７に示すカッター交換装置によるローラーカッター交換時のトンネル掘削機を示す縦断面図である。
【００５１】
図７に示すように、トンネル掘削機４２のカッターヘッド１に設けられる前記カッター交換装置４０は、カッターヘッド１の中心から半径方向に所定の間隔で配設されたローラーカッター２のそれぞれに設けられている。この実施形態では、カッターヘッド１の中央部にセンターカッター４３が設けられ、所定位置に設けられた複数のスリット状開口部４４以外が面板４５で覆われている。この面板４５に、ローラーカッター２を設けたカッター交換装置４０が複数配設されている。
【００５２】
図８に示すように、開口部４４以外が面板４５で覆われたカッターヘッド１は、ローラーカッター２の反切羽側Ｉに大きな作業空間４６が形成されている。この作業空間４６で、作業者４７がカッター交換装置４０を操作してローラーカッター２を交換できるようにしている。この作業空間４６は、通路４８によって機内Ｋと連通するように構成されている。また、ローラーカッター２の交換時には、カッターヘッド１内の昇降装置４９と通路４８の搬送台車５０と機内Ｋの搬送ホイスト５１とからなるカッター搬送機５２が設けられる。さらに、この実施形態のトンネル掘削機４２には、機内Ｋからチャンバー５３内に泥水圧を作用させる送泥管５４と、チャンバー５３内から泥水を排出する排泥管５５とが設けられている。
【００５３】
このようにカッター交換装置４０が具備されたトンネル掘削機４２によれば、図８に示すように、ローラーカッター２の交換が必要になるとトンネル掘削機４２を停止させ、前記カッター搬送機５２を設けて、通路４８から作業者４１が作業空間４６内に入る。
【００５４】
そして、作業空間４６から、前記図４〜図６に示す手順によってカッター交換装置４０を操作してローラーカッター２を交換する。このようにして作業者４７が交換するローラーカッター２は、カッター交換装置４０で切羽側Ｊを閉鎖して取外すことができるようにした状態（図７下部）で、カッター搬送機５２の昇降装置４９によって重量を支持し、昇降装置４９で所定位置まで上げて搬送台車５０に載せ、機内Ｋまで搬送し、搬送ホイスト５１によってトンネル掘削機４２の後方へと搬送される。このようにしてローラーカッター２を取外した後は、逆手順によって新しいローラーカッター２がカッターヘッド１に搬送される。
【００５５】
このように、トンネル掘削機４２のカッターヘッド１に設けられたローラーカッター２を、被圧水下において切羽の泥水、土砂を閉止してチャンバー内から大気圧下で効率良く交換することができるので、被圧水下における長距離掘削を効率良く行うことが可能となる。
【００５６】
なお、この実施形態のトンネル掘削機４２では、カッターヘッド１の前面に設けた複数の開口部４４以外を面板４５で覆っているが、カッターヘッド１の大きさや掘削する地山の地質に応じてカッターヘッド１の形態やローラーカッター２の配置は適宜変更すればよい。
【００５７】
また、前記実施の形態では、球体座９を球体としているが、ほぼ球体に近い形状であっても、角部が生じないような形態であれば同様に使用可能であり、完全な球体に限定されるものではない。
【００５８】
さらに、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５９】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００６０】
被圧水下の状態でローラーカッターの切羽側をカッター取付部材で覆うことにより水を遮断してローラーカッターを反切羽側に向けることができるので、ローラーカッターを反切羽側から容易に取外して交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態を示すカッター交換装置の掘削時における側面視の断面図である。
【図２】図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の断面図である。
【図３】図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の他例を示す図面であり、（ａ） は断面図、（ｂ） は摩耗検知装置の拡大断面図である。
【図４】図１に示すカッター交換装置による交換時の図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図５】図４に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図６】図５に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図７】図１に示すカッター交換装置を設けたトンネル掘削機のカッターヘッドを示す正面図である。
【図８】図７に示すカッター交換装置によるローラーカッター交換時のトンネル掘削機を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…カッターヘッド
２…ローラーカッター
３…カッター支持部
４…カッター取付部材
５…支持軸
６…軸部
８…固定部材
９…球体座
１０…上部球体座
１１…中部球体座
１２…下部球体座
１３，１４…ボルト
１７…軸部
１８…駆動部
２０…シール材
２２…回り止め部材
２３…ピン
２６…シール部材
２７…通路
２８…バルブ（供給口）
２９…調整ボルト
３０…グリスポート（供給口）
３１…シール材
３２…流体室
３３…流体通路
３４…噴射口
３５…洗浄バルブ（洗浄ポート）
４０…カッター交換装置
４１…工具
４２…トンネル掘削機
４３…センターカッター
４４…開口部
４５…面板
４６…作業空間
４７…作業者
４８…通路
４９…昇降装置
５０…搬送台車
５１…搬送ホイスト
５２…カッター搬送機
５３…チャンバー
５４…送泥管
５５…排泥管
５６…摩耗検知装置
５７…供給管
５８…ロッド
５９…スプリング
Ｆ…軸心
Ｇ…回転軸
Ｉ…反切羽側
Ｊ…切羽側
Ｋ…機内
【発明の属する技術分野】
本願発明は、トンネル掘削機のカッターヘッドに設けられたローラーカッターを被圧水下で交換するためのカッター交換装置と、それを具備したトンネル掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、地山等にトンネルを形成する場合、その地質に応じたトンネル掘削機やシールド掘進機が用いられている。例えば、海底トンネルのように切羽からの水圧が作用している環境でトンネルを掘削する場合、切羽密閉型の泥水式、泥土圧式シールド掘進機、トンネル掘削機等（この明細書では、総称して「トンネル掘削機」という。）が用いられる。このようなトンネル掘削機で岩盤層や砂礫層などの滞水性の高い地質を掘削する場合には、カッターヘッドにローラーカッターが設けられ、水圧や土圧を作用させながら掘削している。このローラーカッターは、切羽に押圧された状態でカッターヘッドを回転させることにより転動して切羽を掘削するものである。
【０００３】
一方、近年、このようなトンネル掘削機による掘削距離の長距離化に伴い、刃先が摩耗したローラーカッターは被圧水（地中の水圧・土圧等を含む）下で交換する状況が多くなっている。
【０００４】
このような被圧水下の地中でローラーカッターを交換する場合、特に切羽密閉型の泥水圧式、泥土圧式のトンネル掘削機においては、カッターヘッドのチャンバー内の泥水や泥土を排出してからチャンバー内に作業者が入って交換することとなるので、現状では、地上、又はトンネル掘削機内から地山に薬液注入することによって、地山からの湧水を止めると共に地山の崩壊を防ぐ補助工法が必要となる。したがって、ローラーカッターを交換する作業に多くの時間をさかなければならず、その間、トンネル掘削機が停止して掘削効率を悪化させている。しかも、海底トンネルのように海底下での交換には、このような補助工法の適用が非常に困難であったり、適用できない場合がある。そのため、経済性、施工効率の観点から、トンネル掘削機のカッター交換の作業効率向上が求められている。
【０００５】
このような被圧水下で切羽部の泥水や泥土を排出せずにカッターを交換しようとする従来技術として、切羽側に突出したローラーカッターをカッターフレーム内に後退させた状態で、そのローラーカッターの前面を止水ゲートで閉鎖して、カッターフレーム内からローラーカッターを交換できるようにしたカッター装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、他の従来技術として、ディスクカッターの反切羽側に設けられた半円筒状のディスクカッターカバーをディスクカッターの前面へ回動させることにより切羽からカッターヘッドスポーク内に水等が流入するのを阻止し、カッターヘッドスポーク内からディスクカッターを交換できるようにしたカッターヘッドがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２２７５９１号公報（第３頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−２７６２９１号公報（第３−９頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１のカッター装置は、被圧水下でのカッター交換を行える構造となっているが、交換装置の設置にスペースを要するためカッターフレーム内のスペースを大きく取るようなカッターヘッドの設計をする必要があるとともに重量が増加し、しかも、大口径のカッターヘッドでないと適用するのは難しい。
【０００９】
また、前記特許文献２のカッターヘッドも、半円筒形のディスクカッターカバーをカッターヘッドスポーク内で回動させる構成であるため、カッターヘッドスポーク内にスペースを大きく取った設計をする必要があるとともに重量が増加し、しかも、大口径のカッターヘッドでないと適用するのは難しい。
【００１０】
つまり、これらの構成では、中口径（例えば、口径５ｍ位）のカッターヘッドでは設置が難しく、適用が困難である。しかも、大きな設置スペースを必要とするのでドーム型カッターヘッドのゲージ部へ適用するのは困難であり、最も周速が早く摩耗し易い外周部のカッター交換の作業効率向上を図ることができない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明のカッター交換装置は、ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、前記カッター取付部材の球面の軸心位置に、該カッター取付部材を回動可能に支持するとともに前記ローラーカッターに作用する負荷をカッターヘッドで支持する支持軸を設けている。このようにローラーカッターがカッターヘッドから突出した支持状態と、ローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能なカッター取付部材を設け、このカッター取付部材に作用する荷重は支持軸でカッターヘッドに支持し、ローラーカッターの交換時にはこのカッター取付部材でローラーカッターの前面を覆って切羽側を塞ぎ、この状態で球体座の着脱部を取外すことによりローラーカッターを反切羽側へ容易に取外すことができる。これにより、切羽部の泥水または泥土を排出することなく被圧水下でのカッター交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【００１２】
前記球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した通路と、該通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設ければ、被圧水の圧力が大きく、カッター取付部材の反転に大きな力を必要とする場合には、供給口からグリースや流体等をカッター取付部材と球体座との間に注入してカッター取付部材を切羽側へ加圧することにより、カッター取付部材の支持軸に作用する押付力を相殺または減少させてカッター取付部材の反転を容易に行うことができる。
【００１３】
また、ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の球面の軸心位置に該カッター取付部材を回動可能に支持する支持軸を設け、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で前記ローラーカッターからカッター取付部材に作用する負荷を支持し、該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、該球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した加圧通路と、該加圧通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設ければ、カッター取付部材に作用する荷重は球体座でカッターヘッドに支持し、交換時には支持軸を回動させてカッター取付部材でローラーカッターの前面を覆って切羽側を塞ぎ、この状態で球体座の着脱部を取外すことにより、ローラーカッターを反切羽側へ容易に取外すことができる。しかも、被圧水の圧力が大きい場合でも、供給口からグリースや流体等をカッター取付部材と球体座との間に注入してカッター取付部材を切羽側へ加圧することにより、カッター取付部材が球体座に押付けられる力を相殺または減少させてカッター取付部材の反転を容易に行うことができる。これにより、球体座の広い面積で大きな掘削反力を安定して受け、切羽部の泥水または泥土を排出することなく被圧水下でのカッター交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【００１４】
さらに、前記カッター取付部材を切羽側に反転させた状態で該カッター取付部材の外面と前記球体座との間の前記支持軸の反切羽側で水密を保つシール材を、前記支持軸の切羽側と反切羽側とに設ければ、カッター取付部材を切羽側に反転させた時には支持軸の反切羽側に設けられたシール材には押圧する方向に圧力が作用するので、シール材のシール性をより安定させることができる。
【００１５】
また、前記ローラーカッターの軸心に対する前記カッター取付部材の軸心を、該カッター取付部材の外径が描く軌跡が前記ローラーカッターの外径を超えない範囲で反切羽側に配置すれば、切羽側に反転させるカッター取付部材の中央部厚みを厚くすることができ、カッター取付部材に作用する大きな荷重に耐え得る形態に容易にできる。
【００１６】
さらに、前記カッター取付部材の支持軸の端部に駆動部を形成し、該駆動部をカッターヘッド内の空間に位置させることにより、例えば、駆動部を六角形状とすれば、スパナ等の工具や油圧または電動装置等のアクチュエーターで駆動軸を作業員が回動させることが容易にできるので、状況に応じた交換作業を行うことができる。
【００１７】
また、前記カッター取付部材の所定位置に前記ローラーカッター側に開口した流体通路を設け、該流体通路に洗浄水を供給する洗浄ポートを前記球体座に設ければ、この球体座に設けた洗浄ポートから供給した洗浄水をカッター取付部材の流体通路からローラーカッター側に噴射することにより、カッター取付部材とローラーカッター間に土砂が圧密することを安定して防止することができる。
【００１８】
さらに、前記ローラーカッターの摩耗量を検出する摩耗検知装置を前記カッター取付部材に設ければ、この摩耗検知装置によってローラーカッターの摩耗量（摩耗度等を含む）を検知してローラーカッター交換の要否判断を容易に行うことができる。
【００１９】
一方、本願発明のトンネル掘削機は、これらいずれかのカッター交換装置をカッターヘッドに設け、該カッター交換装置のチャンバー側に切羽から密閉された作業空間を形成している。このようなトンネル掘削機によれば、ローラーカッター交換時に切羽から密閉された空間でローラーカッターを効率良く交換することができる。また、カッター取付部材と球体座とを球体とすることにより、ドーム型カッターヘッドのゲージ部へ適用することも可能となり、周速の早い外周部のカッター交換作業の効率化を図ることができる。
【００２０】
その上、前記作業空間とトンネル掘削機の機内とを連通させるマンホールを設け、該マンホールにカッター搬送機を設ければ、ローラーカッター交換時には、機内からマンホールを介して作業空間に作業者が入り、カッター交換装置とカッター搬送機とを操作してローラーカッターを効率良く交換できるので、切羽から密閉された作業空間でのローラーカッター交換作業を容易に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示すカッター交換装置の掘削時における側面視の断面図であり、図２は図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の断面図である。
【００２２】
図示するように、カッターヘッド１の前面から切羽側Ｊに突出したローラーカッター２は、このローラーカッター２を支持するカッター支持部３が形成されたカッター取付部材４によって支持されている。このカッター取付部材４の内側には、側面視がローラーカッター２の外周と所定距離Ａを設けた球面で、正面視がローラーカッター２の幅方向に所定の円弧を描いた形状の空間Ｂが形成されており、この空間Ｂでローラーカッター２が回転可能なように支持されている。このカッター取付部材４は、カッターヘッド１の前面とほぼ平行な軸心Ｆに設けられた支持軸５によって支持されている。この支持軸５は、カッター取付部材４の球面４ａの軸心位置に設けられている。前記カッター取付部材４の内側に形成された段状のカッター支持部３は、ローラーカッター２の軸部６を支持しており、この軸部６はボルト７でカッター取付部材４に固定された固定部材８によって取付けられている。
【００２３】
カッター取付部材４の反切羽側Ｉ（チャンバー側）には、カッターヘッド１に固定された球体座９が設けられている。この実施形態における球体座９は、カッターヘッド１と一体的に固定された上部球体座１０と、この上部球体座１０に固定されてカッター取付部材４の支持軸５を支持する中部球体座１１と、この中部球体座１１に着脱可能に固定された下部球体座１２とから構成されている。この下部球体座１２が着脱部として構成されており、中部球体座１１との間はシール材１２ａによってシールされている。
【００２４】
この上部球体座１０はカッターヘッド１に溶接で一体的に固定され、中部球体座１１は上部球体座１０にボルト１３で固定され、下部球体座１２は中部球体座１１にボルト１４で固定されている。このようにカッター取付部材４の反切羽側Ｉに取付けられた球体座９は、その全体でカッター取付部材４の外側の球面４ａに沿うように内側が球面９ａに形成されている。したがって、上部球体座１０をカッターヘッド１に固定し、カッター取付部材４を挿入してから中部球体座１１をボルト１３で固定し、下部球体座１２をボルト１４で固定することによりカッター取付部材４が球体座９の内部に組み込まれる。なお、この実施形態では、中部球体座１１の一部にローラーカッター２の端部を通過させる切り欠き部１１ａ（正面は図６参照）を形成することにより、球体座９をコンパクトに形成するようにしている。
【００２５】
これら上部球体座１０と中部球体座１１と下部球体座１２とを組んだ時に形成される球体座９の内面は、前記カッター取付部材４の球面４ａとほぼ同一の球面９ａで形成されており、この実施形態では、カッター取付部材４の外面と球体座９の内面との間に僅かな隙間が設けられている。そのため、ローラーカッター２に作用する荷重は、カッター取付部材４を介して支持軸５でカッターヘッド１に支持されている。
【００２６】
前記中部球体座１１は、カッター取付部材４を回動させる支持軸５を支持している。支持軸５には、カッター取付部材４に設けられた角形の凹部１５に挿入する角形の係合部１６と、中部球体座１１に支持される軸部１７と、中部球体座１１から突出する駆動部１８とが形成されている。この支持軸５の係合部６をカッター取付部材４の凹部１５に挿入し、軸部１７を中部球体座１１で支持した状態で、押え板１９によってカッター取付部材４から外れないように取付けられる。軸部１７と中部球体座１１との間にはシール材２０（Ｏリング等）が設けられており、支持軸５の全周でシールされている。
【００２７】
このように設けられた支持軸５は、カッター取付部材４を球面４ａの軸心Ｆ回りで回転させることが可能であり、支持軸５の駆動部１８は、この実施形態では六角レンチやアクチュエータ等の工具で回動させることが可能なように六角形に形成されている。
【００２８】
また、この支持軸５の軸心Ｆは、前記カッター支持部３に支持されたローラーカッター２の回転軸Ｇに対して反切羽側Ｉとなるように設けられており、カッター取付部材４を反転させた時にこのカッター取付部材４の外径が描く軌跡（２点鎖線）が切羽側Ｊに突出したローラーカッター２の前端を超えない範囲で、回転軸Ｇの反切羽側Ｉに設定されている。このように軸心Ｆを回転軸Ｇからずらすことにより、カッター取付部材４の中央部を厚くして、反転時に切羽側Ｊから作用する大きな水圧等の荷重を安定して受けることができるようにしている。
【００２９】
なお、この実施形態では、ローラーカッター２に作用する荷重をカッター取付部材４から支持軸５を介してカッターヘッド１で受けるようにしているが、球体座９の球面９ａで前記カッター取付部材４の球面４ａを支持することにより、ローラーカッター２からカッター取付部材４に作用する掘削反力（荷重）を球体座９を介して、カッターヘッド１で支持するようにしてもよい。このようなローラーカッター２に作用する水圧等の荷重の支持は、ローラーカッター２に作用する荷重の大きさやローラーカッター２の大きさ等に応じて選択すればよい。
【００３０】
また、下部球体座１２のほぼ中央部には、下部球体座１２を貫通してカッター取付部材４に設けられた回り止め穴２１に挿入する回り止め部材２２が設けられている。この回り止め部材２２は、円筒状のピン２３と、このピン２３の端部に設けられたフランジ２４が下部球体座１２の外面に設けられた台座部２５に固定されたものである。ピン２３の外周にはシール部材２６が設けられており、調整ボルト２９によって台座部２５の反切羽側Ｉ方向の厚みの範囲でピン２３がスライド可能なように構成されている。
【００３１】
さらに、ピン２３には通路２７が設けられており、フランジ２４に設けられた供給口となるバルブ２８を介して流体等が供給可能なように構成されている。２８ａは開閉レバーである。この球体座９と前記カッター取付部材４との間に開口する通路２７は、前記バルブ２８から球体座９とカッター取付部材４との間に高圧流体を供給するものである。また、この実施形態では、球体座９の所定位置に、この球体座９と前記カッター取付部材４との間に開口するグリスポート３０が複数個設けられている。このグリスポート３０は、下部球体座１２と、この下部球体座１２から中部球体座１１にかけて設けられており、これらの間にカッター取付部材４の周方向の複数位置からグリスを供給できるように配設されている。このグリスポート３０の配置や数は、カッター取付部材４の大きさ等に応じて設定すればよい。
【００３２】
このように加圧流体を供給する通路２７やグリスポート３０を設けることにより、これらからカッター取付部材４と球体座９との間に高圧流体やグリス等の加圧体を供給することで、切羽側Ｊからカッター取付部材４の支持軸５に作用する荷重に対向する方向に力を作用させ、支持軸５に作用する力がバランスするように切羽側Ｊからの大きな力を相殺または減少させて、カッター取付部材４を容易に反転させることができるようにしている。
【００３３】
また、上部球体座１０とカッター取付部材４との間と、中部球体座１１とカッター支持部材３との間にもシール材３１（Ｏリング等）が設けられている。このカッター取付部材４の外面と球体座９の内面との間に設けられたシール材３１により、ローラーカッター２を切羽側に向けたカッター取付部材４の掘削状態と、カッター取付部材４をカッターヘッド１の前面側へ回転させて切羽側Ｊを覆う反転状態とで、切羽側Ｊからの水を安定してシールすることができる。特に、反切羽側Ｉのシール材３１は、反転させたカッター取付部材４が切羽側Ｊから押圧されることによってよりシール性が増すことになる。図１，２に実線で示す状態が、ローラーカッター２を切羽側Ｊへ突出させた掘削時の支持状態であり、２点鎖線で示す状態が、ローラーカッター２の前面にカッター取付部材４を反転させた交換時の反転状態である。
【００３４】
一方、図１に示すように、中部球体座１１には、カッター取付部材４との間に流体室３２が形成されており、カッター取付部材４の全周で連続するように形成されている。また、カッター取付部材４の内部には流体通路３３が設けられており、この流体通路３３の端部が前記流体室３２に開放している。また、この流体通路３３は、カッター取付部材４の周方向からローラーカッター２に向けて開口した噴射口３４が設けられている。さらに、図１に示すように、カッター取付部材４の軸心Ｆと交差する位置には、前記流体室３２に通路３６を介して高圧流体を供給する洗浄ポートとなる洗浄バルブ３５が設けられている。この洗浄バルブ３５は、開閉レバー３５ａの操作によって供給／停止が選択できるように構成されている。これらにより、流体室３２に供給された洗浄水となる高圧流体が流体通路３３を介して噴射口３４からローラーカッター２に向けて噴射するように構成されている。
【００３５】
図３は図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の他例を示す図面であり、（ａ） は断面図、（ｂ） は摩耗検知装置の拡大断面図である。この例では前記図１，２に示す構成に、前記ローラーカッター２の摩耗量を検出する摩耗検知装置５６を設けることにより、ローラーカッター２の摩耗量を機内側から検知可能なようにしている。このローラーカッター２の摩耗量を機内側から検知可能とすることにより、カッター取付部材４を反転させることなくローラーカッター２の交換の要否を容易に判断することができる。
【００３６】
（ａ） に示すように、この例の摩耗検知装置５６は、前記カッター取付部材４のローラーカッター頂部と対向する位置に設けられており、その供給管５７がカッター取付部材４内と一方の支持軸５の中心とを介してカッターヘッド１内に設けられている。この摩耗検知装置５６は、（ｂ） に示すように供給管５７から油圧を後端に作用させることによりカッター取付部材４の内面からローラーカッター２の頂部に向けて突出するロッド５８と、この油圧を抜くとロッド５８が後退するように付勢するスプリング５９とが設けられた油圧ジャッキ式で構成されている。６０はスプリング５９の蓋材である。この摩耗検知装置５６を設ければ、必要に応じて供給管５７から油圧を作用させることによりロッド５８を突出させ、そのロッド５８の突出量からローラーカッター２の摩耗量を求めることができる。しかも、この実施形態では、ロッド５８を突出させる前に前記噴射口３４からローラーカッター２に向けて高圧流体を噴射させることにより、ローラーカッター２の周囲を洗浄してから摩耗量を検知することができるので、正確な摩耗量を容易に検知することができる。したがって、この摩耗検知装置５６を設ければ、予め所定の摩耗量に達したローラーカッター２のみを検知して、効率の良いローラーカッター交換作業を行うことができる。
【００３７】
図４は図１に示すカッター交換装置による交換時の図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図、図５は図４に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図、図６は図５に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。これらの図面に基づいて、前記したカッター交換装置４０によるローラーカッター２の交換手順を以下に説明する。なお、以下の手順ではカッター取付部材４の支持軸５でローラーカッター２に作用する切羽側Ｊの荷重を支持している場合の交換方法を説明する。
【００３８】
上述した図１，２に示す状態が掘削時であり、この状態でローラーカッター２を交換する必要が生じた場合、トンネル掘削機を停止させる。この交換時には、ローラーカッター２と切羽との間に隙間を設け、ローラーカッター２には水圧のみが作用した状態とする。この状態で切羽側Ｊからローラーカッター２に作用する荷重は支持軸５で支持されている。
【００３９】
この状態から、図４（ａ），（ｂ） に示すように、回り止め部材２２の調整ボルト２９を操作して、ピン２３をカッター取付部材４の回り止め穴２１から抜く。この時、ピン２３の周囲に設けたシール部材２６でシール性は保たれている。このようにピン２３を抜いてカッター取付部材４の回動が可能な状態にした後、バルブ２８から通路２７を介してカッター取付部材４と球体座９との間に高圧流体が供給される。この高圧流体としては、切羽側Ｊから作用する荷重と同等に加圧された高圧水等が用いられる。これによりカッター取付部材４の支持軸５で受けている切羽側Ｊからの荷重に対向して反切羽側Ｉから支持軸５に力を作用させ、結果として支持軸５に作用する前後方向の荷重差が減少するようにしている。この状態で、（ａ） に示すように、支持軸５の突出部１８に工具４１（例えば、六角レンチやアクチュエータ等）をセットする。
【００４０】
そして、図５（ａ），（ｂ） に示すように、工具４１によって支持軸５を１８０°回転させてカッター取付部材４を反転させる。このカッター取付部材４の反転時には、ローラーカッター２も１８０°回転し、カッター取付部材４の球体座９と面していた球面４ａが切羽側Ｊに反転してローラーカッター２の切羽側Ｊを覆った状態となる。
【００４１】
このようにカッター取付部材４を回転させる時には、切羽側Ｊからの水圧や土圧が作用しているが、前記したようにカッター取付部材４の支持軸５に作用する荷重がバランスする方向に反切羽側Ｉから水圧を作用させているので、比較的小さな力で回動させることができる。
【００４２】
また、カッター取付部材４と上部球体座１０と中部球体座１１との間に設けられたシール材３１と中部球体座１１と下部球体座１２との間に設けられたシール材１２ａとによって、軸心Ｆを挟んで切羽側Ｊと反切羽側Ｉとをシールしているため、カッター取付部材４の回動時にはこれらのシール材３１によってカッター取付部材４の外面と球体座９との間でのシール性を保つことができる。
【００４３】
この状態でバルブ２８を開放することにより、カッター取付部材４を反転させた時に球体座９との間の空間Ｃに入った切羽側Ｊの泥水等が排出され、この空間Ｃ内が反切羽側Ｉと同圧になる。
【００４４】
なお、この実施形態では、通路２７から高圧流体をカッター取付部材４と球体座９との間に供給して支持軸５に作用する荷重のバランスを図っているが、グリスポート３０からカッター取付部材４と球体座９との間に所定圧でグリスを注入して切羽側Ｊから作用する荷重とバランスさせてもよい。これらは、荷重の大きさや使用条件等に応じて決定すればよい。
【００４５】
また、この実施形態では、切羽側Ｊからカッター取付部材４に作用する荷重を支持軸５で支持する構成であるが、カッター取付部材４に作用する荷重を球体座９で受けるような構成にした場合には、カッター取付部材４に作用している荷重Ｗは球体座９の面で受けた状態で回転させられることになる。この場合、カッター取付部材４と球体座９との間にグリスポート３０からグリスを注入することにより、球体座９でカッター取付部材４からの荷重を支持しながら回転させることができる。
【００４６】
その後、図６（ａ），（ｂ） に示すように、ボルト１４を取外して下部球体座１２を取外す。この下部球体座１２を取外したことにより球体座９の反切羽側Ｉが開放するので、カッター取付部材４にローラーカッター２を取付けているボルト７を緩めれば、ローラーカッター２を一体的に反切羽側Ｉへ取外すことができる。
【００４７】
なお、ローラーカッター２を取外した後に新しいローラーカッター２を取付ける手順は、上述した手順の逆手順で行えばよく、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
このようにしてローラーカッター２を取外している時には、カッター取付部材４が切羽側Ｊを塞いでいるので、切羽側Ｊから水圧や土圧が作用している状態でも、切羽やチャンバー内の泥水や泥土を排出することなく、迅速なカッター交換作業を安定して行える。
【００４９】
したがって、このように構成されたカッター交換装置４０によれば、被圧水下でローラーカッター２の交換を行うことができ、また、球体の回転構造により装置自体を比較的コンパクトに形成することができるので、中口径（例えば、口径５ｍ位）からのトンネル掘削機やシールド掘進機に適用することが可能であり、配置が困難なドーム型カッターヘッドのゲージ部への適用も可能となる。
【００５０】
図７は図１に示すカッター交換装置を設けたトンネル掘削機のカッターヘッド１を示す正面図であり、図８は図７に示すカッター交換装置によるローラーカッター交換時のトンネル掘削機を示す縦断面図である。
【００５１】
図７に示すように、トンネル掘削機４２のカッターヘッド１に設けられる前記カッター交換装置４０は、カッターヘッド１の中心から半径方向に所定の間隔で配設されたローラーカッター２のそれぞれに設けられている。この実施形態では、カッターヘッド１の中央部にセンターカッター４３が設けられ、所定位置に設けられた複数のスリット状開口部４４以外が面板４５で覆われている。この面板４５に、ローラーカッター２を設けたカッター交換装置４０が複数配設されている。
【００５２】
図８に示すように、開口部４４以外が面板４５で覆われたカッターヘッド１は、ローラーカッター２の反切羽側Ｉに大きな作業空間４６が形成されている。この作業空間４６で、作業者４７がカッター交換装置４０を操作してローラーカッター２を交換できるようにしている。この作業空間４６は、通路４８によって機内Ｋと連通するように構成されている。また、ローラーカッター２の交換時には、カッターヘッド１内の昇降装置４９と通路４８の搬送台車５０と機内Ｋの搬送ホイスト５１とからなるカッター搬送機５２が設けられる。さらに、この実施形態のトンネル掘削機４２には、機内Ｋからチャンバー５３内に泥水圧を作用させる送泥管５４と、チャンバー５３内から泥水を排出する排泥管５５とが設けられている。
【００５３】
このようにカッター交換装置４０が具備されたトンネル掘削機４２によれば、図８に示すように、ローラーカッター２の交換が必要になるとトンネル掘削機４２を停止させ、前記カッター搬送機５２を設けて、通路４８から作業者４１が作業空間４６内に入る。
【００５４】
そして、作業空間４６から、前記図４〜図６に示す手順によってカッター交換装置４０を操作してローラーカッター２を交換する。このようにして作業者４７が交換するローラーカッター２は、カッター交換装置４０で切羽側Ｊを閉鎖して取外すことができるようにした状態（図７下部）で、カッター搬送機５２の昇降装置４９によって重量を支持し、昇降装置４９で所定位置まで上げて搬送台車５０に載せ、機内Ｋまで搬送し、搬送ホイスト５１によってトンネル掘削機４２の後方へと搬送される。このようにしてローラーカッター２を取外した後は、逆手順によって新しいローラーカッター２がカッターヘッド１に搬送される。
【００５５】
このように、トンネル掘削機４２のカッターヘッド１に設けられたローラーカッター２を、被圧水下において切羽の泥水、土砂を閉止してチャンバー内から大気圧下で効率良く交換することができるので、被圧水下における長距離掘削を効率良く行うことが可能となる。
【００５６】
なお、この実施形態のトンネル掘削機４２では、カッターヘッド１の前面に設けた複数の開口部４４以外を面板４５で覆っているが、カッターヘッド１の大きさや掘削する地山の地質に応じてカッターヘッド１の形態やローラーカッター２の配置は適宜変更すればよい。
【００５７】
また、前記実施の形態では、球体座９を球体としているが、ほぼ球体に近い形状であっても、角部が生じないような形態であれば同様に使用可能であり、完全な球体に限定されるものではない。
【００５８】
さらに、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５９】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００６０】
被圧水下の状態でローラーカッターの切羽側をカッター取付部材で覆うことにより水を遮断してローラーカッターを反切羽側に向けることができるので、ローラーカッターを反切羽側から容易に取外して交換作業を効率良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態を示すカッター交換装置の掘削時における側面視の断面図である。
【図２】図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の断面図である。
【図３】図１に示すカッター交換装置の掘削時における正面視の他例を示す図面であり、（ａ） は断面図、（ｂ） は摩耗検知装置の拡大断面図である。
【図４】図１に示すカッター交換装置による交換時の図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図５】図４に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図６】図５に示すカッター交換装置による交換時の次手順を示す図面であり、（ａ） は側面視の断面図、（ｂ） は正面視の断面図である。
【図７】図１に示すカッター交換装置を設けたトンネル掘削機のカッターヘッドを示す正面図である。
【図８】図７に示すカッター交換装置によるローラーカッター交換時のトンネル掘削機を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…カッターヘッド
２…ローラーカッター
３…カッター支持部
４…カッター取付部材
５…支持軸
６…軸部
８…固定部材
９…球体座
１０…上部球体座
１１…中部球体座
１２…下部球体座
１３，１４…ボルト
１７…軸部
１８…駆動部
２０…シール材
２２…回り止め部材
２３…ピン
２６…シール部材
２７…通路
２８…バルブ（供給口）
２９…調整ボルト
３０…グリスポート（供給口）
３１…シール材
３２…流体室
３３…流体通路
３４…噴射口
３５…洗浄バルブ（洗浄ポート）
４０…カッター交換装置
４１…工具
４２…トンネル掘削機
４３…センターカッター
４４…開口部
４５…面板
４６…作業空間
４７…作業者
４８…通路
４９…昇降装置
５０…搬送台車
５１…搬送ホイスト
５２…カッター搬送機
５３…チャンバー
５４…送泥管
５５…排泥管
５６…摩耗検知装置
５７…供給管
５８…ロッド
５９…スプリング
Ｆ…軸心
Ｇ…回転軸
Ｉ…反切羽側
Ｊ…切羽側
Ｋ…機内
Claims (10)
- ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、前記カッター取付部材の球面の軸心位置に、該カッター取付部材を回動可能に支持するとともに前記ローラーカッターに作用する負荷をカッターヘッドで支持する支持軸を設けたカッター交換装置。
- 前記球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した通路と、該通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設けた請求項１記載のカッター交換装置。
- ローラーカッターをカッターヘッドの前面に突出させた支持状態と、該ローラーカッターの前面へ回動してローラーカッターの前面を覆う反転状態とに変化可能に支持したカッター取付部材を設け、該カッター取付部材の反切羽側を球面で形成し、該カッター取付部材の球面の軸心位置に該カッター取付部材を回動可能に支持する支持軸を設け、該カッター取付部材の反切羽側に、カッター取付部材側が該カッター取付部材に沿った球面で前記ローラーカッターからカッター取付部材に作用する負荷を支持し、該カッター取付部材の反転状態で反切羽側に取外し可能な着脱部を備えた球体座を設け、該球体座に、該球体座と前記カッター取付部材との間に開口した加圧通路と、該加圧通路からカッター取付部材と球体座との間に加圧体を供給する供給口とを設けたカッター交換装置。
- 前記カッター取付部材を切羽側に反転させた状態で該カッター取付部材の外面と前記球体座との間の前記支持軸の反切羽側で水密を保つシール材を、前記支持軸の切羽側と反切羽側とに設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載のカッター交換装置。
- 前記ローラーカッターの軸心に対する前記カッター取付部材の軸心を、該カッター取付部材の外径が描く軌跡が前記ローラーカッターの外径を超えない範囲で反切羽側に配置した請求項１〜４のいずれか１項に記載のカッター交換装置。
- 前記カッター取付部材の支持軸の端部に駆動部を形成し、該駆動部をカッターヘッド内の空間に位置させた請求項１〜５のいずれか１項に記載のカッター交換装置。
- 前記カッター取付部材の所定位置に前記ローラーカッター側に開口した流体通路を設け、該流体通路に洗浄水を供給する洗浄ポートを前記球体座に設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載のカッター交換装置。
- 前記ローラーカッターの摩耗量を検出する摩耗検知装置を前記カッター取付部材に設けた請求項１〜７のいずれか１項に記載のカッター交換装置。
- 請求項１〜８のいずれか１項に記載のカッター交換装置をカッターヘッドに設け、該カッター交換装置のチャンバー側に切羽から密閉された作業空間を形成したトンネル掘削機。
- 前記作業空間とトンネル掘削機の機内とを連通させるマンホールを設け、該マンホールにカッター搬送機を設けた請求項９記載のトンネル掘削機。
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