JP2005188127A - トンネル掘削機のカッタヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 一台のトンネル掘削機によって立坑や横坑等の掘削方向の異なるトンネルを掘削する場合、トンネル内においてそのトンネルの掘削に適したカッタヘッドに交換してトンネルを掘削する。
【解決手段】 掘削機本体側にトンネルの外周部を掘削するリング状の外周カッタヘッド部を回転自在に装着しておき、この外周カッタヘッド部に、立坑の掘削時には、機内を通じて搬入可能な大きさに複数分割されている分割カッタヘッドピースを連結して立坑の掘削に適した截頭円錐形状の中央カッタヘッド部を組み立て、横坑の掘削時には該截頭円錐形状の中央カッタヘッド部を分割カッタヘッドピースに分解して撤去し、機内を通じて搬入可能な大きさに複数分割されている分割カッタヘッドピースを上記外周カッタヘッド部に連結して横坑の掘削に適した平円板形状の中央カッタヘッド部を組み立てる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一台のトンネル掘削機によって立坑や横坑等のように掘削方向の異なるトンネルを掘削する場合に、それぞれの方向の掘削に適した形状のカッタヘッドに交換可能なトンネル掘削機のカッタヘッドに関するものである。

一台のトンネル掘削機によって立坑から横坑を連続的に掘削することができるトンネル掘削機としては、例えば、特許文献１に記載されているように、グリッパ式の岩盤トンネル掘削機が開発されている。このトンネル掘削機は、機軸の短い掘削機本体の四方にジャッキ（推進用と支持用の複数本の傾斜ジャッキ）によってトンネル径方向に拡縮可能なグリッパシューを配設していると共に先端に、中心部が小径円板形状カッタヘッド部でこのカッタヘッド部の外周から基端側に向かって拡径する方向に傾斜したカッタヘッド部を一体に設けてなる截頭円錐形状のカッタヘッドを備えてあり、さらに、上記四方のグリッパシューにおいて、互いに平行な一方の一組のグリッパシューを掘削機本体に対して機軸に直交する軸回りに回動自在に取り付けた構造を有している。

そして、このトンネル掘削機を使用して立坑を掘り下げていく場合、四方のグリッパシューを上記複数本の傾斜ジャッキによって立坑の掘削壁面に圧着させると共に截頭円錐形状カッタヘッドを回転させ、推進用傾斜ジャッキを伸長させることによってトンネル掘削機を掘進させており、掘削したズリは、截頭円錐形状のカッタヘッドにおける傾斜したカッタヘッド部分に設けているズリ取込み開口部を通じて内部に取込み、該カッタヘッド部分の傾斜によってズリを中心部の小径円板形状のカッタヘッド部分上に寄せ集めたのち、吸い込み管等を通じてズリを上方に排出している。

こうして所定の深さまで立坑を掘削したのちこのトンネル掘削機により横坑を掘削する場合、上記一方の一組のグリッパシューを立坑掘削壁面の対向壁面部分に圧着させた状態にして他方の一組のグリッパシューを掘削壁面から離間させ、上記一方の一組のグリッパシューを支点として掘削機本体を下向き状態から横向き状態に回動させ、しかるのち、一方の一組のグリッパシューを90℃、回動させて元の状態に復帰させ、全てのグリッパシューを掘削壁面に押し付けてトンネル掘削機を推進させることにより横向きとなった上記截頭円錐形状のカッタヘッドにより横坑を掘削している横坑を掘進している。

特開２００３−３３６４８８号公報

上記のように構成したトンネル掘削機によると、カッタヘッドは截頭円錐形状に形成されているために、立坑の掘削時にはその中心部の小径円板形状のカッタヘッド部とこのカッタヘッド部から斜め上方に傾斜したカッタヘッド部とによって切羽面を該カッタヘッドと同じ截頭円錐形状の掘削面となるように掘削しながら、掘削した土砂を傾斜カッタヘッド部に周方向に所定間隔毎に設けている大きな開口部を通じて内部に取込み、該カッタヘッド部の傾斜内面によって中心部の小径円板形状のカッタヘッド部上に寄せ集めて吸い込み管等により容易に排出することができるが、上述したようにこのトンネル掘削機の向きを変えて横坑を掘削する場合、截頭円錐形状のカッタヘッドでは、上記傾斜したカッタヘッド部が前方に大きく突出して該カッタヘッド部の上周部側においてはこの傾斜カッタヘッド部に設けている開口部が斜め上方に向いた状態となるため、掘削ズリがこの開口部から内部に落下して下方のビット等が損傷する虞れがある。

さらに、截頭円錐形状のカッタヘッドでは、横坑を掘進中において横坑の掘削方向を制御する場合に、向きを変える側の傾斜カッタヘッド部分が掘削壁面に圧接して向きが変わるのを阻止しようとする大きな抵抗力を受けて方向制御が極めて困難となり、その上、カッタヘッドの面板に対する傾斜カッタヘッド部に設けている開口部の開口率が大きいために、横坑の切羽面の押さえが不安定となるといった問題点があった。

また、上記截頭円錐形状のカッタヘッドに変えて、横坑の掘削に適したズリ取込み開口部の開口率の小さい円板形状のカッタヘッドを採用した場合、このカッタヘッドを下向きにして立坑を掘削すると、掘削したズリは開口部を通過したカッタヘッドの裏面上に堆積するだけで中心部に向かって移動しないために、ズリの排出が困難となり、立坑掘削用としては適さないといった問題点があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一台のトンネル掘削機によって立坑や横坑等のように掘削方向の異なるトンネルを掘削する場合に、それぞれのトンネルの掘削に適したカッタヘッドの使用を可能にしたトンネル掘削機のカッタヘッドを提供するにある。

上記目的を達成するために本発明のトンネル掘削機のカッタヘッドは、請求項１に記載したように、トンネルの掘削方向に応じて交換可能なトンネル掘削機のカッタヘッドであって、トンネル外周部掘削用のリング状外周カッタヘッド部と、このリング状外周カッタヘッド部に着脱自在に装着する円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部と、この中央カッタヘッド部と交換して上記リング状外周カッタヘッド部に着脱自在に装着する截頭円錐形状の中央カッタヘッド部とから構成していることを特徴とするものである。

このように構成したトンネル掘削機のカッタヘッドにおいて、請求項２に係る発明は、トンネル掘削機を下向きにしてトンネルを掘削する際には上記リング状外周カッタヘッド部に截頭円錐形状の中央カッタヘッド部を装着し、水平方向にトンネルを掘削する際には上記リング状外周カッタヘッド部に円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部を装着することを特徴とする。

さらに、請求項３に係る発明は、上記截頭円錐形状の中央カッタヘッド部と、円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部とはそれぞれ分解可能な複数個の分割カッタヘッドピースを組み合わせて連結してなり、さらに、複数個の分割カッタヘッドピースを連結して組み立てた截頭円錐形状の中央カッタヘッド部の開口率は、複数個の分割カッタヘッドピースを連結して組み立てた円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部の開口率よりも大きい開口率となるように形成している。

本発明のカッタヘッドによれば、トンネル外周部掘削用のリング状外周カッタヘッド部と、円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部と、截頭円錐形状の中央カッタヘッド部とを別体に形成しているので、トンネル外周部を掘削するリング状外周カッタヘッド部を掘削機本体側に装着しておき、このリング外周カッタヘッド部の内周端面に、上記円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部の外周端面を連結するか、或いは、截頭円錐形状の中央カッタヘッド部の外周端面を連結することによって、トンネル掘削方向に応じてその方向のトンネル掘削に適したカッタヘッドを形成することができる。

この場合、トンネル外周部を掘削するリング状外周カッタヘッド部は、上記円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部と、上記截頭円錐形状の中央カッタヘッド部との外周カッタヘッド部として共用しているので、これらの両中央カッタヘッド部はカッタヘッドによるトンネル掘削径よりも外周カッタヘッド部の内外径間の幅だけ小径となって取り扱いが容易となるばかりでなく、カッタヘッド部同士を連結してカッタヘッドを組み立てるものであるから、外周カッタヘッド部の内周端とこの内周端に連結すべき中央カッタヘッド部の外周端とに互いにボルト等によって接合、固着可能なフランジ部を機内側に向かって突設しておくことより、通常のカッタヘッドと同等な強度を有する円板形状又は截頭円錐形状のカッタヘッドを構成することができる。

さらに、上記截頭円錐形状の中央カッタヘッド部と、円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部とをそれぞれ分解可能な複数個の分割カッタヘッドピースから構成しておくことによって、交換時には、それまでトンネル掘削に使用したカッタヘッドにおける中央カッタヘッド部を外周カッタヘッド部から取り外して複数個の分割カッタヘッドピースに分解することにより、中央カッタヘッド部が小割り状態になってこれらの分割カッタヘッドピースを容易に機内側に運搬、撤去することができると共に、この中央カッタヘッド部と交換すべき別な中央カッタヘッド部も分割カッタヘッドピースとして機内側から組立場所まで容易に搬入することができ、その上、分割カッタヘッドピースの取り扱いが容易でカッタヘッドの組立作業も円滑に且つ能率よく行うことができる。また、分割カッタヘッドピース同士の連結は、その対向端面に機内側に向かってフランジ部を突設しておき、これらのフランジ部を接合させてボルトにより固着することで強固に一体化させることができ、掘削作業に耐えることができる強度を有するカッタヘッドを組み立てることができる。

次に、本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１は立坑T1を掘削しているトンネル掘削機の簡略縦断正面図、図２はそのグリッパシュー部分の横断面図、図３はカッタヘッドの外底面図であって、掘削機本体１は、長さが掘削すべき立坑T1の径よりも短い筒状胴体1aをトンネル中心部に配設していると共にこの筒状胴体1aを該筒状胴体1aよりも短い長さに形成されている矩形枠体1bの中央円形孔の中心部に挿通し、矩形枠体1bの上端（基端）から筒状胴体1aの上端部を上方に突出させた状態で両者を一体に固着してなるものである。

上記矩形枠体1bの四方端面、即ち、掘削機本体１の長さ方向に平行な四方の平坦な垂直面に複数本のジャッキ3A、3Bによってそれぞれ径方向に伸縮するグリッパシュー２を配設していると共に筒状胴体1aの下端（先端）側にカッタヘッド４を回転自在に配設している。そして、このカッタヘッド４の下端（先端）から上記筒状胴体1aの上端までの機長は、このトンネル掘削機によって掘削される立坑径（トンネル径）よりも僅かに短い長さに形成されている。

立坑T1を掘削するのに適したトンネル掘削機の上記カッタヘッド４の形状は、図１、図３に示すように、下端中心部が小径の水平平板形状に形成されている中心平板部分4B1 とこの中心平板部分4B1 の外周から斜め上方に向かってトンネル半径方向に放射状に突設している複数本のスポーク部分4B2 とによって截頭円錐形状に形成されている。さらに、各スポーク部分4B2 は、カッタヘッド４の回転方向に面する一側端縁を直状に形成していてその略全長に亘って掘削ズリを隣接するスポーク部分4B2 、4B2 間で形成しているズリ取込み開口部42を通じて内部に取り込むためのスクレーパ43を取り付けている一方、他側端縁の外周部を反回転方向に向かって傾斜した傾斜端面41に形成してこの傾斜端面41を有するスポーク部分4B2 の外周部4a1 の幅を外周端に向かって徐々に幅広くしている。

また、上記中心平板部分4B1 や各スポーク部分4B2 には上下面間に亘って貫通した円形のカッタ取付孔44が設けられてあり、このカッタ取付孔44に機内側から算盤玉形状のディスクカッタ45を挿入し、その中心部に固着している中心軸（図示せず）をカッタ取付孔44の対向内周面に着脱自在に支持させるように構成している。なお、この具体的な取付構造は公知であるのでその説明を省略する。

上記カッタヘッド４は、図４〜図６に示すように、トンネル（立坑）の外周部を掘削する上記全てのスポーク部分4B2 の外周部4a1 からなるリング状の外周カッタヘッド部4Aと、この外周部4a1 を除くスポーク部分及び上記中心平板部分4B1 とからなる截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bとに分割されている。即ち、各スポーク部分4B2 の外周部4a1 は切り離されていて周方向に一定間隔毎に設けられているこれらの分割外周部4a1 により上記リング状の外周カッタヘッド部4Aを形成してあり、それ以外のカッタヘッド部分によって截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bを形成している。そして、上記外周カッタヘッド部4Aの内周端にこの截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bの外周端を着脱自在に装着することによってカッタヘッド４を形成している。

さらに、截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bは一枚ものであってもよいが、図６に示すように、互いに着脱自在に連結可能な複数個の分割カッタヘッドピース4b1 、4b2 から構成されている。即ち、上記中心平板部分4B1 を二分割することによって中心側分割カッタヘッドピース4b1 、4b1 に形成していると共に、スポーク部分4B2 の分割外周部4a1 を除く各スポーク部分を中心平板部分4B1 から切り離して複数個のスポーク側分割カッタヘッドピース4b2 に形成している。

中心側分割カッタヘッドピース4b1 、4b1 同士を分割可能に連結する構造としては、図７に示すように、これらの分割カッタヘッドピース4b1 、4b1 の対向端面に機内側（上方）に向かってフランジ部46、46を突設していると共に各フランジ部46、46の数カ所にボルト取付孔47を設け、両フランジ部46、46を接合させて互い連通したボルト取付孔47、47間にボルト48を挿入し、このボルト48の先端部にナット49を螺締することによって一体に連結するように構成している。

この中心側分割カッタヘッドピース4b1 の外端面に対してスポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の内端面を連結するには、さらには、各スポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の外端面を上記外周カッタヘッド部4Aの各分割外周部4a1 の内周端面に連結するには、上記同様に中心側分割カッタヘッドピース4b1 の外端面とスポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の内外端面及び外周カッタヘッド部4Aの各分割外周部4a1 の内周端面とに機内側（上方）向かってフランジ部46、46を突設しておき、対向するフランジ部46、46を接合させてこれらのフランジ部46の数カ所に設けているボルト取付孔47、47間にボルト48を挿入し、このボルト48の先端部にナット49を螺締することによって一体に連結するように構成している。

一方、上記トンネル掘削機を用いて横坑T2を掘削する時には、上記截頭円錐形状のカッタヘッド４を図８、図９に示すように円板形状のカッタヘッド4'に交換するように構成している。

この円板形状のカッタヘッド4'は、その外周部の四方に、上記立坑T1を掘削する截頭円錐形状のカッタヘッド４に設けているズリ取込み開口部42よりも開口面積の小さいズリ取込み開口部42' を設けていてこの開口部42' の一側端縁にスクレーパ43' を取り付けていると共に、該カッタヘッドの面板にこの面板の内外面（前後面）間に亘って貫通した多数の円形カッタ取付孔44' を設けてあり、このカッタ取付孔44' に機内側から算盤玉形状のディスクカッタ45' を挿入し、該ディスクカッタ45' の中心部に固着している中心軸（図示せず）をカッタ取付孔44' の対向内周面に着脱自在に支持させるように構成している。

そして、このカッタヘッド4'は、図10に示すように、掘削機本体１側に配設されている上記外周カッタヘッド部4Aとこの外周カッタヘッド部4Aの内周端面にその外周端面を着脱自在に装着した平円板形状の中央カッタヘッド部4Cとに分割されている。この中央カッタヘッド部4Cは一枚ものであってもよいが、図11に示すように、互いに着脱自在に連結可能な複数数の分割カッタヘッドピース4c1 、4c2 から構成されている。即ち、この中央カッタヘッド部4Cを中心側の小径円板部分4C1 と外側の平板部分4C2 とに分割していると共に、中心側の小径円板部分4C1 を二個の半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 に分割し、外側の平板部分4C2 を周方向に等間隔毎に複数個の扇形状の分割カッタヘッドピース4c2 に分割している。

また、上記外周カッタヘッド部4Aは、図12に示すように、隣接する分割外周部4a1 、4a1 の対向端面間の空間部を閉鎖板部材4a2 によって閉鎖して上記ズリ取込み開口部42' のみを残してあり、上記截頭円錐形状のカッタヘッド４のズリ取込開口部42の開口率よりもこの円板形状のカッタヘッド4'のズリ取込開口部の開口率を小さくしている。

半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 同士の連結やこの半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 の外周端面に対する各扇形状分割カッタヘッドピース4c2 の連結、隣接する扇形状分割カッタヘッドピース4c2 、4c2 同士の連結、および外周カッタヘッド部4Aの内周端面に対する各扇形状分割カッタヘッドピース4c2 の連結、さらに外周カッタヘッド部4Aの隣接する分割外周部4a1 、4a1 間に対する閉鎖板部材4a2 の介入、連結は、上記截頭円錐形状のカッタヘッド４の場合と同様に、図13に示すように、対向する端面にフランジ部46、46を突設しておくと共に各フランジ部46、46の数カ所にボルト取付孔47を設けておき、両フランジ部46、46を接合させて互い連通したボルト取付孔47、47間にボルト48を挿入し、このボルト48の先端部にナット49を螺締することによって一体に連結するように構成している。

また、上記外周カッタヘッド部4Aは図１に示すように、この外周カッタヘッド部4Aを構成している各分割外周部4a1 の内面（背面）にアーム部材５の外端を一体に固着してあり、これらのアーム部材５を内径方向に向かって突設してその内端にリング部材６を一体に固着し、該リング部材６を掘削機本体１の上記矩形枠体1bの円形内周面における下端部（先端部）に回転自在に支持させていると共に、このリング部材６の内周面に設けている内歯ギヤ７に、筒状胴体1aと矩形枠体1bとの間に設置している複数個数の駆動用モータ８の回転軸に固着した外歯ギヤ９を噛合させてモータ８の駆動により回転させられるように構成している。

掘削機本体１における上記矩形枠体1bの外周四方に配設しているグリッパシュー２は、その外面を周方向（幅方向）にトンネル（立坑、横坑）の掘削壁面の周方向と同じ湾曲度でもって湾曲している凸円弧状湾曲外面21に形成されている。さらに、掘削機本体１の直径方向に対向する互いに平行な二組のグリッパシュー２、２において、一方の一組のグリッパシュー2A、2Aは、掘削機本体１の軸心に直交する軸回りに回動自在に装着されてあり、他方の一組のグリッパシュー2B、2Bは、上記一方の一組のグリッパシュー2A、2Aと同様に、掘削機本体１の軸心に直交する軸回りに回動自在に装着しておいてもよいが、矩形枠体1bの互いに平行な面にそれぞれ回動不能に装着されている。

掘削機本体１の矩形枠体1bに対するこれらのグリッパシュー2A、2Bの取付構造は図２に示すように、矩形枠体1bの外周四方の上記垂直な四方端面に固定台板10を固着し、互いに平行な二組の固定台板10、10における一方の一組の固定台板10、10上に支持台11、11を重ね合わせてその中心部を固定台板10、10の中心に突設している支軸12に回動自在に枢着すると共にこれらの回動支持台11、11とグリッパシュー2A、2Aとの対向面間を複数本のジャッキ3A、3Bによって連結している一方、他方の一組の固定台板10、10上に支持台を設けることなくこの固定台板10、10とグリッパシュー2B、2Bとの対向面間を複数本のジャッキ3A、3Bによって連結している。

なお、上記回動支持台11、11と掘削機本体１とを支軸７を中心として相対的に回動させる回動駆動機構としては、図示していないが、例えば、矩形枠体1b上に回動用モータを設置し、このモータの回転軸に固着したピニオンを回動支持台11、11の支軸12を中心として一体に設けている円形ラックに噛合させて上記回動用モータにより回動支持台11、11を上記支軸７回りに回動させるように構成しておけばよい。

また、上記グリッパシュー2A、2Bと回動支持台11又は固定台板10間を連結している上記ジャッキ3A、3Bは、支持台11又は固定台板10からグリッパシュー2A、2Bに向かって掘削機本体１の後方（図においては上方）側に傾斜している推進用傾斜ジャッキ3Aと、支持台11又は固定台板10からグリッパシュー2A、2Bに向かって掘削機本体１の前方（図においては下方）側に傾斜している支持用傾斜ジャッキ3Bとからなり、支持台11又は固定台板10から前方側に向かって傾斜している支持用傾斜ジャッキ3Bの伸長によりグリッパシュー2A、2Bを掘削壁面ｔに圧着させて掘削機本体１が必要以上に下動するのを阻止すると共に支持台11又は固定台板10から前方側に向かって傾斜している推進用傾斜ジャッキ3Aの伸長により掘削機本体１を掘進させるように構成している。

次に、このように構成したトンネル掘削機によって、まず、立坑T1を所定深さまで垂直状に切り下げ掘削していくには、図１に示すように、截頭円錐形状のカッタヘッド４を装着してこのカッタヘッド４により立坑T1を掘削する。このカッタヘッド４の組立ては、掘削機本体１に回転自在に装着しているリング状の外周カッタヘッド部4Aの各分割外周部4a1 の内周端面に、図６に示すように、複数分割されている各スポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の外端面を接合させてこれらの対向端面のフランジ部46、46間をボルト・ナット48、49により連結することによりスポーク部分4B2 を組み立てると共に各スポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の内端面に中心側分割カッタヘッドピース4b1 、4b1 の外周端面を上記同様に対向するフランジ部46、46間をボルト・ナット48、49により連結することにより中心平板部分4B1 を組み立てることによって行われる。さらに、こうして組立てたカッタヘッド４の面板に設けている全てのカッタ取付孔44に機内側からディスクカッタ45を装着する。

このトンネル掘削機による立坑T1の掘削は、掘削機本体１の四方に配設しているグリッパシュー2A、2Bを傾斜ジャッキ3A、3Bによって立坑T1の掘削壁面ｔに圧着させることにより該掘削壁面ｔに推進反力をとると共にトンネル掘削機Ａ及び後続台10〜12の支持を行わせ、矩形枠体1bから斜め上方に傾斜している推進用傾斜ジャッキ3Aを伸長させることによってトンネル掘削機Ａを下方に推進させながらカッタヘッド４の回転によって切羽の岩盤を掘削していく。なお、矩形枠体1bから斜め下方に傾斜している突っ張り用傾斜ジャッキ3Bは、掘削壁面ｔに対するグリッパシュー2A、2Bの下端部の圧着力を調整してトンネル掘削機Ａが必要以上に降下するのを阻止するものである。

推進用の傾斜ジャッキ3A、3Aの伸長によってトンネル掘削機Ａが一定長、掘進すると、これらの傾斜ジャッキ3A、3Aを収縮させると共に突っ張り用傾斜ジャッキ3Bによる掘削壁面ｔへの圧着力を減少させることにより、四方のグリッパシュー2A、2Bを次の位置まで前進（下動）させたのち、再び、これらの傾斜ジャッキ3A、3Bを伸長させることによって立坑T1を掘進する。

カッタヘッド４によって掘削されたズリは、スクレーパ43によってズリ取込み開口部42を通過してカッタヘッド４内の上面側に取り込まれると共にスポーク側分割カッタヘッドピース4b2 の傾斜内面によって中心平板部分4B1 上に集積され、このカッタヘッド４内に供給されている泥水と共に中心平板部分4B1 上の開口下端を臨ませている吸引排出管13を通じて上方に排出される。

こうして、トンネル掘削機を下方に掘進させて所定深さにまで立坑T1を掘削したのち、該トンネル掘削機によって横坑T2を掘削するには、まず、トンネル掘削機をその突っ張り用傾斜ジャッキ3Bを伸長させることによって僅かに上方に後退させてカッタヘッド４を切羽面から離間させたのち、回動支持台11、11側の一方の一組のグリッパシュー2A、2Aを掘削壁面ｔに圧着させた状態で、他方の一組のグリッパシュー2B、2Bをそれらを支持しているジャッキ3A、3Bを収縮させることによって掘削壁面ｔから離間させ、しかるのち、図14に示すように、支軸12を中心として掘削機本体１をカッタヘッド４が下向き状態から徐々に掘削壁面ｔの一側方に対向する方向に回動させる。なお、掘削機本体１の回動時にカッタヘッド４の截頭円錐形状のカッタヘッド部4Bが掘削壁面の一側部に当接する場合には、該カッタヘッド部4Bに設けているディスクカッタ45によりその壁面の一部を掘削しながら回動させる。

掘削機本体１が90度、支軸12回りに回動して水平方向に向きを変えると、収縮している他方の一組のグリッパシュー2B、2Bを伸長させて下方側のグリッパシュー2Bを立坑T1の底面に圧着することによりこのグリッパシュー2Bによって掘削機本体１を支持させた状態にして掘削壁面ｔに圧着している一方の一組のグリッパシュー2A、2A本体を収縮させ、しかるのち、回動支持台11、11を90℃、支軸12を中心として回動させることによってこれらのグリッパシュー2A、2Aの向きを横坑T2を掘削するのに適した状態、即ち、その凸円弧状に湾曲した外面2a、2aが横坑T2の掘削壁面t'の周方向に向いた状態にする。この状態にしてこのトンネル掘削機のカッタヘッド４を回転させると共に、グリッパシュー2A、2A及び下側のグリッパシュー2Bのジャッキ3A、3Bを作動させて立坑T1の底部から立坑T1に直角に連なる横坑T2の掘削を開始する。

この横坑T2の掘削を開始するに先立って、截頭円錐形状のカッタヘッド４を円板形状のカッタヘッド4'に交換する。この交換作業は、掘削機本体１側に装着されているリング状の外周カッタヘッド部4Aから截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bを取り外し、この截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bに代えて平円板形状の中央カッタヘッド部4Cを上記リング状の外周カッタヘッド部4Aに装着する。截頭円錐形状の中央カッタヘッド部4Bの取り外しは、このカッタヘッド部4Bのスポーク部分4B2 を複数個のスポーク側分割カッタヘッドピース4b2 に分解すると共に中心平板部部4B1 を構成している中心側分割カッタヘッドピース4b1 も分解する。これらの分割カッタヘッドピース4b1 、4b2 の分解は、機内側からボルト・ナット48、49を取り外すことによって互いに接合している分割カッタヘッドピースのフランジ部46、46同士の連結を解くことにより行われる。分解した分割カッタヘッドピース4b1 、4b2 は順次、機内の後方に回収、撤去される。

次いで、上記リング状の外周カッタヘッド部4Aに平板形状の中央カッタヘッド部4Cを装着して円板形状のカッタヘッド4'を形成する。このカッタヘッド4'の組立作業は、まず、上記リング状の外周カッタヘッド部4Aにおける各隣接する分割外周部4a1 、4a1 間の対向端面間に閉鎖板部材4a2 を介入、連結することによりリング状の外周カッタヘッド部4Aをズリ取込み開口部42' 以外の部分を残して全面閉鎖した形状にする。

しかるのち、このリング状の外周カッタヘッド部4Aの内周端面に、扇形状分割カッタヘッドピース4c2 の外端面を互いに接合したフランジ部46、46間をボルト・ナット48、49で固着することにより順次連結すると共に、隣接する扇形状分割カッタヘッドピース4c2 、4c2 の対向側端面同士も同様に、そのフランジ部46、46同士をボルト・ナット48、49で固着することにより順次連結する。

この際、ズリ取込み開口部42' を有する扇形状分割カッタヘッドピース4c2 は、上記リング状の外周カッタヘッド部4Aにおけるズリ取込み開口部42' に連通する部分に組み立てる。扇形状分割カッタヘッドピース4c2 の内周端面で囲まれた中心部に半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 を互いに円形状となるように組み合わせた状態で配してこれらの半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 の外周端面と扇形状分割カッタヘッドピース4a2 の内周端面、及び半円状分割カッタヘッドピース4c1 、4c1 の対向端面を、互いに接合したフランジ部46、46同士をボルト・ナット48、49で固着することにより連結する。こうして組立てた円板形状のカッタヘッド4'の面板に設けている全てのカッタ取付孔44に機内側からディスクカッタ45を装着する。

また、カッタヘッド4'の背面外周部に図８に示すように掻き上げ板14を取り付けると共に掘削機本体１の前面中央部にズリ受けホッパ15を配設し、さらに、このズリ受けホッパ15の下端排出口の下方に搬送始端部を臨ませた状態にしてズリ搬出コンベア16を設置する。

しかるのち、四方のグリッパシュー2A、2Bを横坑T2の掘削壁面t'に押し付けた状態にしてカッタヘッド4'を回転させながらトンネル掘削機を推進させ横坑T2を掘進していく。カッタヘッド4'によって掘削されたズリは、ズリ取込み開口部42' からカッタヘッド4'内に取り込まれ、掻き上げ板14によって掻き上げられてズリ受けホッパ15内に投入され、搬出コンベア16によって機内後方に搬出、処理される。この際、この円板形状のカッタヘッド4'の面板の開口率は、上記立坑掘削時に装着される截頭円錐形状のカッタヘッド４の面板の開口率よりも小さいので、切羽の崩落を防止しながら掘進することができると共に、円板形状であるから方向制御も容易に行うことができるものである。

なお、以上の実施の形態においては、立坑T1から横坑T2に至るトンネルの掘削時において、それぞれのトンネルの掘削に適したカッタヘッドに交換しているが、立坑T1や横坑T2の掘削に限らず、トンネルの掘削方向に応じて截頭円錐形状のカッタヘッド４と円板形状のカッタヘッド4'とを使い分けして最も効率のよいトンネルの掘削を行うようにすればよい。また、水平方向に掘削するのに適したカッタヘッドとして、掘削機本体１側に取り付けているリング状の外周カッタヘッド部4Aに装着する中央カッタヘッド部としては、平円板形状に限らず、緩やかな円弧状に湾曲したドーム形状の中央カッタヘッド部を使用してもよい。

立坑を所定深さまで掘削したトンネル掘削機の簡略縦断側面図。 その四方に配設したグリッパシュー部分の簡略横断面図。 カッタヘッドの外底面図。 カッタヘッドを切り離した状態の簡略縦断側面図。 リング状外周カッタヘッド部の外底面図。 截頭円錐形状の中央カッタヘッド部の分解図。 分割カッタヘッドピース同士の連結構造を示す簡略断面図。 横坑を掘削する形態に変更したトンネル掘削機の簡略縦断側面。 そのカッタヘッドの正面図。 カッタヘッドを切り離した状態の簡略縦断側面図。 平円板形状の中央カッタヘッド部の分解図。 リング状外周カッタヘッド部の正面図。 分割カッタヘッドピース同士の連結構造を示す簡略断面図。 方向転換を行っている状態の簡略縦断側面図。

符号の説明

１ 掘削機本体
２ グリッパシュー
４ 截頭円錐形状のカッタヘッド
4' 円板形状のカッタヘッド
4A 外周カッタヘッド部
4B、4C 中央カッタヘッド部
4b1 、4b2 、4c1 、4c2 分割カッタヘッドピース

Claims (3)

1. トンネルの掘削方向に応じて交換可能なトンネル掘削機のカッタヘッドであって、トンネル外周部掘削用のリング状外周カッタヘッド部と、このリング状外周カッタヘッド部に着脱自在に装着する円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部と、この中央カッタヘッド部と交換して上記リング状外周カッタヘッド部に着脱自在に装着する截頭円錐形状の中央カッタヘッド部とからなることを特徴とするトンネル掘削機のカッタヘッド。
2. トンネル掘削機を下向きにしてトンネルを掘削する際にはリング状外周カッタヘッド部に截頭円錐形状の中央カッタヘッド部を装着し、水平方向にトンネルを掘削する際には円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部を装着することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機のカッタヘッド。
3. 截頭円錐形状の中央カッタヘッド部と、円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部とはそれぞれ分解可能な複数個の分割カッタヘッドピースを組み合わせて連結してなり、さらに、複数個の分割カッタヘッドピースを連結して組み立てた截頭円錐形状の中央カッタヘッド部の開口率は、複数個の分割カッタヘッドピースを連結して組み立てた円板形状又はドーム形状の中央カッタヘッド部の開口率よりも大きい開口率となるように形成していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載いのトンネル掘削機のカッタヘッド。

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