JP2005029977A - シールド掘進機のカッタ構造 - Google Patents

Abstract

【目的】回転カッタの外周部の摩耗を低減し、シールド掘進機のローリングを防止すると共に、未切削部分を小さくする。
【構成】シールド掘進機１の前面に、掘削断面２と比較して小さい回転カッタ３を、同一平面上で隣接する掘削軌跡が互いに重合するように複数配設すると共に、上記回転カッタ３をその回転軸４から径方向一方に延びるカッタスポーク５を備えた片持ち構造とし、さらに、上記回転カッタ３に、これら複数の回転カッタ３同士を上記カッタスポーク５が干渉しないように同期回転させる同期回転機構６を設けた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シールド掘進機の前面に地山を掘削するために設けられたシールド掘進機のカッタ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機の前面に設けられるカッタは、従来、円形の掘削断面全体を掘削する一個の大型の回転カッタを有する構造のもの（例えば特許文献１参照）があった。
【０００３】
また、横長或いは縦長の異形断面のトンネルを掘削するシールド掘進機のカッタとしては、同一平面上で回転する二連の回転カッタを有する構造のもの（例えば特許文献２参照）があった。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１８９４８２号公報
【特許文献２】
特許第３０８５２１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のカッタでは、回転カッタの最外周部の摺動距離が内周部と比較して長いため、その部分のカッタビットの摩耗が大きいといった問題があった。また、回転カッタは常時同一方向に回転しているため、地山より反力を受けて、シールド掘進機がローリングしてしまうといった問題もあった。
【０００６】
また、特許文献２のカッタでは、二連の回転カッタを採用しているため、矩形断面のトンネルを掘削するときには、コーナ部や回転カッタ間の未切削部分が大きい。そのため、回転カッタの外周部に設けられるコピーカッタのストロークが長くなり強度上余り好ましくない。また、未切削部分に別途小さなカッタを設けるなどにより構造が複雑となる等の問題が発生する。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、回転カッタの外周部の摩耗を低減し、シールド掘進機のローリングを防止すると共に、未切削部分を小さくすることができるシールド掘進機のカッタ構造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、本発明は、シールド掘進機の前面に、掘削断面と比較して小さい回転カッタを、同一平面上で隣接する掘削軌跡が互いに重合するように複数配設すると共に、上記回転カッタをその回転軸から径方向一方に延びるカッタスポークを備えた片持ち構造とし、さらに、上記回転カッタに、これら複数の回転カッタ同士をカッタスポークが干渉しないように同期回転させる同期回転機構を設けたものである。
【０００９】
上記構成によれば、掘削断面と比較して小さい回転カッタを複数設けたことによって、回転カッタの最外周部の摺動距離を短くすることができ、最外周部のカッタビットの摩耗を低減できると共に、回転軸が複数存在するためにシールド掘進機のローリングを防止できる。さらに、個々の回転カッタの掘削半径が小さいことと併せて回転カッタを片持ち構造としたことによって、各回転カッタ間の距離を短くでき、未切削部分を小さくすることができる。
【００１０】
そして、上記同期回転機構が、上記回転カッタの回転軸に設けられ上記シールド掘進機のバルクヘッド後方で互いに噛合するギヤにて構成されたものが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図１は本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第一の実施の形態を示した正面図、図２は本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第一の実施の形態を示した要部断面図である。
【００１３】
なお本実施の形態では、断面が横長矩形のトンネルを掘削するシールド掘進機に設けられたカッタ構造で、縦横方向に隣接する回転カッタ同士が逆方向に同期回転する構成を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１に示すように、シールド掘進機１の前面には、掘削断面２と比較して小さい回転カッタ３が同一平面上で複数配設されている。回転カッタ３は、その回転軸４から径方向一方に延びるカッタスポーク５を備えた片持ち構造となっている。回転軸４及びカッタスポーク５の前面には複数のカッタビット（図示せず）が適宜間隔で配設されている。
【００１５】
本実施の形態では、各回転カッタ３は同等の掘削半径Ｌ０を有し、縦横方向に隣接する回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２が等しい格子状に並列されている。回転カッタ３は、縦方向及び横方向に隣接する回転カッタ３の掘削軌跡が互いに重合するように配置されている。各回転カッタ３は、斜め方向に隣接する回転カッタ３の掘削軌跡同士が少なくとも接するように配置されている。すなわち、斜め方向の回転カッタ３間の距離Ｌ３は、回転カッタ３の掘削直径（Ｌ０×２）以下となり（本実施の形態ではＬ０×２）、縦横方向の回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２は、Ｌ０×√２以下となる（本実施の形態ではＬ０×√２）。縦横方向の回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２は、少なくとも、カッタスポーク５の先端が縦横方向に隣接する回転カッタ３の回転軸４に接触しない長さ以上となっている。
【００１６】
回転カッタ３のカッタスポーク５は、回転角度の位相が、縦方向及び横方向に隣接するカッタスポーク５と９０°ずれて配置され、さらに隣接するカッタスポーク５とは同じ位相となっている。すなわち、縦方向及び横方向で一つおきに、カッタスポーク５の角度の位相が同じ回転カッタ３が配列されている。
【００１７】
なお、本実施の形態では、回転軸４にカッタスポーク５のみを設けた構造であるが、これに限られるものではなく、回転軸４のカッタスポーク５取付部以外の部分に、隣接する回転カッタ３のカッタスポーク５に干渉しない範囲で、スポーク状或いは板状の小型のカッタ部材（図示せず）を設けてもよい。
【００１８】
図２に示すように、回転カッタ３は、シールド掘進機１のバルクヘッド７に軸受け部１１を介して軸支されている。カッタスポーク５の後方には撹拌翼９が設けられている。掘削断面２の最外周部に位置する回転カッタ３のカッタスポーク５の先端には、径方向外方に出没自在のコピーカッタ１２が設けられている。コピーカッタ１２が設けられた回転カッタ３には、コピーカッタ１２を出没させるための油圧ジャッキ１３、オイル通路１４及びマシン後方に位置するオイルポンプ１５がそれぞれ設けられている。
【００１９】
図１及び図２に示すように、回転カッタ３には、これら複数の回転カッタ３同士をカッタスポーク５が干渉しないように同期回転させる同期回転機構６が設けられている。同期回転機構６は、回転カッタ３の回転軸４の後方に設けられ、シールド掘進機１のバルクヘッド７後方で互いに噛合するギヤ８にて構成されている。ギヤ８は、回転軸４を囲繞して固定され、回転軸４と共に回転する。全てのギヤ８は、同径で形成され、等ピッチで配置された歯（図示せず）を有している。ギヤ８は、縦横方向に隣接する回転カッタ３のギヤ８と直接噛合するように構成されており、縦横方向に隣接する回転カッタ３同士が互いに逆方向に同期回転するようになっている。
【００２０】
回転軸４の後方には、回転カッタ３を回転させるべく油圧等で駆動する駆動モータ１６が設けられている。駆動モータ１６は、シールドフレーム１７から延出した支持板１８に固定されており、所定のピッチで複数の回転カッタ３に設けられている。駆動モータ１６は、ギヤ８を介して同期回転する回転カッタ３が少なくとも地山を掘削するのに必要なトルクを発生させる分の個数設けられている。
図中、１９は地山に作泥剤を注入する作泥剤注入装置を示す。この作泥剤注入装置１９が設けられた回転カッタ３の回転軸４には、作泥剤通路２１が形成され、その先端には作泥剤注入口２２が形成されている。
【００２１】
掘削断面２の下部に位置する回転カッタ３のうち、一部の回転カッタ３には、排土機構２３が設けられている。排土機構２３は、回転カッタ３に一体的に設けられたスクリュコンベア２４にて構成されている。
【００２２】
スクリュコンベア２４は、回転自在に設けられた前方円筒部２５と、その後方に設けられた後方円筒部２６と、これら前方円筒部２５と後方円筒部２６の内部に設けられたオーガ部２７とで構成されている。
【００２３】
前方円筒部２５は、バルクヘッド７に軸受け部１１を介して軸支されており、その後方には、隣接するギヤ８と噛合するギヤ２８が固定されている。このギヤ２８は、他のギヤ８と同等の外径および歯を有している。前方円筒部２５の先端には、他の回転カッタ３と同様のカッタスポーク５及びカッタビット（図示せず）が設けられている。前方円筒部２５の先端部近傍のカッタスポーク５後方には、掘削土砂を前方円筒部２５内に取り込むためのスリット２９が形成されている。前方円筒部２５の後端は、後方円筒部２６の内部まで延出して形成されている。なお、図中、３１は撹拌翼を示す。
【００２４】
後方円筒部２６は、駆動モータ１６等を支持する支持板１８に固定されており、その後部は、トンネル後方の土砂排出部（図示せず）へと延出している。後方円筒部２６と前方円筒部２５との間には、前方円筒部２５が地山から受けるスラスト荷重を受けると共に前方円筒部２５を軸支するスラスト軸受け３２が設けられている。
【００２５】
オーガ部２７は、前方円筒部２５内から後方円筒部２６の後部へと延出しており、前方円筒部２５及び後方円筒部２６の内周面と僅かなクリアランスを保って設けられている。オーガ部２７には、これを回転させる回転機構（図示せず）が設けられており、前方円筒部２５の回転とは独立して回転するように構成されている。
【００２６】
次に、上記構成によるシールド掘進機のカッタ機構の各回転カッタ３の作動を説明しながら作用を説明する。
【００２７】
本実施の形態では、回転カッタ３は、回転角度が０°の第一作動状態（図３（ａ）参照）でカッタスポーク５が上向きになっている左回りの回転カッタ３（図３中、３Ｌと称する）と、カッタスポーク５が左向きになっている右回りの回転カッタ３（図３中、３Ｒと称する）とで構成される。
【００２８】
駆動モータ１６を回転させると、各回転カッタ３がギヤ（図１及び図２参照）８を介して同期回転する。ここで、隣接するギヤ８同士が直接噛合しているので、縦横方向に隣接する回転カッタ３Ｌ、３Ｒは互いに逆方向に同期回転する。
【００２９】
第一作動状態から各回転カッタ３Ｌ、３Ｒがそれぞれ９０°回転した第二作動状態（図３（ｂ）参照）では、左回りの回転カッタ３Ｌが左向きとなり、右回りの回転カッタ３Ｒが上向きとなる。
【００３０】
さらに、各回転カッタ３Ｌ、３Ｒがそれぞれ９０°回転した第三作動状態（図３（ｃ）参照）では、左回りの回転カッタ３Ｌが下向きとなり、右回りの回転カッタ３Ｒが右向きとなる。
【００３１】
第三作動状態から各回転カッタ３Ｌ、３Ｒがさらに９０°回転した第四作動状態（図３（ｄ）参照）では、左回りの回転カッタ３Ｌが右向きとなり、右回りの回転カッタ３Ｒが下向きとなる。
【００３２】
そして、各回転カッタ３Ｌ、３Ｒがさらに９０°回転して図３（ａ）の第一作動状態へと戻る。
【００３３】
本実施の形態では、掘削半径Ｌ０が短い回転カッタ３を、多数設けたことによって、隣接する回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２を短くすることができる。また、回転カッタ３を、回転軸４から径方向一方に延びるカッタスポーク５を備えた片持ち構造としたことによって、隣接する回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２をさらに短くしても回転カッタ３同士が干渉することはない。すなわち、回転カッタ３を片持ち構造としたことにより、回転カッタ３間の距離を大幅に小さくでき、カッタスポーク５による未切削部分を小さくできる。従って、コピーカッタ（図２参照）１２のストロークは長くする必要が無く、コピーカッタ１２に、強度的に無理な負担がかかることはない。
【００３４】
また、本実施の形態では、各回転カッタ３の掘削半径Ｌ０が小さいので、従来のカッタ構造と比較して、回転カッタ３の最外周部（カッタスポーク５の先端部）の摺動距離を大幅に短くすることができ、最外周部のカッタビットの摩耗を低減できると共に、回転カッタ３の内周部のカッタビットと外周部のカッタビットとの摩耗量の差を小さくすることができる（偏摩耗を防止できる）。
【００３５】
さらに、回転カッタ３の回転軸４が複数存在するために、従来のシールド掘進機のような掘削断面の中央に位置する回転軸を中心にシールド掘進機を回転させようとする力が、シールド掘進機全体にかかることはない。従って、シールド掘進機１のローリングを防止することができる。
【００３６】
また、各回転カッタ３は、ギヤ８によって互いに連結されているので、駆動モータ１６を全ての回転カッタ３に設ける必要がない。従って、各種装置の設置スペースをバルクヘッド７の後方に得ることができ、装置のレイアウト上、非常に有利となる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、各回転カッタ３は同等の掘削半径Ｌ０を有するように形成されているが、適宜、掘削半径を変えて形成するようにしてもよい。
【００３８】
次に、図４及び図５に基づいて本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の第二の実施の形態を説明する。
【００３９】
図示するように、本実施の形態では、各回転カッタ３が同一方向に同期回転する。本実施の形態も上述の第一の実施の形態と同様に、各回転カッタ３が同等の掘削半径Ｌ０を有し、縦横方向に隣接する回転カッタ３間の距離Ｌ１、Ｌ２が等しい格子状に並列されている。回転カッタ３は、縦方向及び横方向に隣接する回転カッタ３の掘削軌跡が互いに重合するように配置されている。各回転カッタ３は、斜め方向に隣接する回転カッタ３の掘削軌跡同士が少なくとも接するように配置されている。
【００４０】
各回転カッタ３のカッタスポーク５は、全て同じ方向を向いており（図４の状態で全て上向き）、回転角度の位相が、全て同じ位相となっている。
【００４１】
この場合、同期回転機構３６を構成するギヤ３７は、回転カッタ３の回転軸４後方に設けられた回転軸ギヤ３８と、縦横方向に隣接する回転軸ギヤ３８間に介設されたアイドルギヤ３９とで構成されている。各回転軸ギヤ３８同士はそれぞれ同形状に形成され、各アイドルギヤ３９同士もそれぞれ同形状に形成されている。これによって、全ての回転カッタ３が同方向に同期回転する。
【００４２】
本実施の形態によれば、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、各回転カッタ３同士が干渉することはなく、各回転カッタ３間の距離を短くすることができ、上記第一の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４３】
図６は本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の第三の実施の形態を示した正面図である。
【００４４】
本実施の形態は、上記第一及び第二の実施の形態が、各回転カッタ３を縦横の格子状に配列したものであるのに対して、各回転カッタ３の配置を４５°回転させて、斜めの格子状に回転カッタ３を配列したものである。
【００４５】
本実施の形態においても、隣接する各回転カッタ３間の距離が同等であるので、各回転カッタ３同士が干渉することはなく、各回転カッタ３間の距離を短くすることができ、上記第一の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
この場合、掘削断面２の縦横方向に隣接する回転カッタ３同士の距離Ｌ４は、図１で示した斜め方向に隣接する回転カッタ３間の距離Ｌ３と同等となる。
【００４７】
図７は本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の第四の実施の形態を示した正面図、図８は本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の第五の実施の形態を示した正面図である。
【００４８】
上記第四及び第五の実施の形態では、各回転カッタ３が、図１、図４及び図６に示すような格子状に配置されるのではなく、千鳥状に配置されている。具体的には、各回転カッタ３は、それらの回転軸４同士を結ぶと、正三角形となるように配置されている。そして、第四の実施の形態では、各回転カッタ３が同方向に同期回転し、第五の実施の形態では、横方向に配列された各回転カッタ３が同方向に同期回転し、上下に隣接する回転カッタ３のカッタ列毎で互いに反対方向に同期回転するようになっている。
【００４９】
第四の実施の形態の同期回転機構３６を構成するギヤ３７は、回転軸４後方に設けられた回転軸ギヤ３８と、アイドルギヤ３９とで構成されている。アイドルギヤ３９は、横方向及び斜め方向に隣接する回転カッタ３の回転軸ギヤ３８間に介設されている。各回転軸ギヤ３８同士はそれぞれ同形状に形成され、各アイドルギヤ３９同士もそれぞれ同形状に形成されている。これによって、全ての回転カッタ３が同方向に同期回転する。
【００５０】
第五の実施の形態の同期回転機構３６を構成するギヤ３７は、回転軸４後方に設けられた回転軸ギヤ３８と、アイドルギヤ３９、４１とで構成されている。アイドルギヤ３９は、横方向に隣接する回転カッタ３の回転軸ギヤ３８間に一つずつ介設され、上下に隣接する回転カッタ３のカッタ列間では、二連のアイドルギヤ４１が介設されている。これによって、横方向に配列された各回転カッタ３が同方向に同期回転し、上下に隣接する回転カッタ３のカッタ列毎で互いに反対方向に同期回転する。
【００５１】
上記第四及び第五の実施の形態によれば、隣接する回転カッタ３間の距離を、第一乃至第三の実施の形態よりもさらに短くすることができ、掘削断面２が矩形ではない、異形断面（本実施の形態では略台形）を掘削するシールド掘進機のカッタ構造とすることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、断面台形のトンネルを掘削するシールド掘進機１を示したが、その断面形状はこれに限られるものではない。回転カッタ３の大きさや配列形態を変えることによって、円形や楕円形或いは瓢箪型等どのような異形断面でも掘削することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、回転カッタの外周部の摩耗を低減し、シールド掘進機のローリングを防止すると共に、未切削部分を小さくすることができるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第一の実施の形態を示した正面図である。
【図２】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第一の実施の形態を示した要部断面図である。
【図３】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第一の実施の形態の（ａ）は第一の作動状態、（ｂ）は第二の作動状態、（ｃ）は第三の作動状態、（ｄ）は第四の作動状態を示した正面図である。
【図４】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第二の実施の形態を示した正面図である。
【図５】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第二の実施の形態の（ａ）は第一の作動状態、（ｂ）は第二の作動状態、（ｃ）は第三の作動状態、（ｄ）は第四の作動状態を示した正面図である。
【図６】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第三の実施の形態を示した正面図である。
【図７】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第四の実施の形態を示した正面図である。
【図８】本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造の好適な第五の実施の形態を示した正面図である。
【符号の説明】
１ シールド掘進機
２ 掘削断面
３ 回転カッタ
４ 回転軸
５ カッタスポーク
６、３６ 同期回転機構
７ バルクヘッド
８、３７ ギヤ

Claims (2)

1. シールド掘進機の前面に、掘削断面と比較して小さい回転カッタを、同一平面上で隣接する掘削軌跡が互いに重合するように複数配設すると共に、上記回転カッタをその回転軸から径方向一方に延びるカッタスポークを備えた片持ち構造とし、さらに、上記回転カッタに、これら複数の回転カッタ同士を上記カッタスポークが干渉しないように同期回転させる同期回転機構を設けたことを特徴とするシールド掘進機のカッタ構造。
2. 上記同期回転機構が、上記回転カッタの回転軸に設けられ上記シールド掘進機のバルクヘッド後方で互いに噛合するギヤにて構成された請求項１記載のシールド掘進機のカッタ構造。

Images