JP2006028922A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】 トンネルを掘削したのち、発進立坑側に回収、撤去が可能なトンネル掘削機であって、カッタヘッドの回転反力を確実に受止しながら掘進することができると共に、機内に対して優れた止水性を発揮する構造を備えたトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】 外胴１の前端部内にリング体２を固着し、このリング体３の円形孔３に外径が該円形孔３よりも小径に縮径させることができるカッタヘッド６と該カッタヘッドの駆動モータ５を備えている掘削機主体部４の筒状内胴体７の前部円形外周面7aを円形リング状のシール材13を介して摺動自在に挿嵌、支持させていると共に、上記筒状内胴体７の後部に、該後部の円形外周面から内方に向かって段状に屈折させることにより機軸方向に平坦な係止面7bを形成し、この係止面7bを外胴１側に対して着脱自在に固定した固定部材14上に係止させている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、地中にトンネルを掘削したのち、トンネル内を通じて撤去、回収し、再使用を可能にしたトンネル掘削機の改良に関するものである。

発進立坑側から地中にトンネルを掘削しながら該掘削壁面にトンネル覆工体を形成していくトンネル掘削機であって、所定長のトンネルを掘削後、トンネル掘削機のスキンプレートからカッタヘッドと駆動部を含む掘削機本体を切り離してスキンプレートを掘削壁面に残したまま該掘削機本体を発進立坑側に回収する、所謂、回収型のトンネル掘削機としては、従来から、例えば、特許文献１に記載されているように、スキンプレートを外胴とし、この外胴の前部内周面に矩形断面の内胴を固着し、この固定内胴に可動内胴を前後方向に摺動自在に装着し、該可動内胴にカッタヘッドと駆動部とを備えている掘削機本体を一体に設けて可動内胴を後方に引き出すことにより、掘削機本体を可動内胴と共に回収するように構成しなるトンネル掘削機が知られている。
特開２００３−２３９６８２号公報

上記トンネル掘削機によれば、掘削機本体を一体に設けている可動内胴を、外胴の内周面に固着している矩形断面の固定内胴の内面に沿うように同じく断面矩形状に形成しているために、カッタヘッドによる回転掘削時にはその回転反力を固定内胴の内周面と可動内胴の外周面とで確実に受止することができるという利点を有する反面、固定内胴と可動内胴間を止水するためのシール材としては、固定内胴と可動内胴の断面形状と同じ矩形状となるように形成してこれらの内胴間に介在させた構造となっている。このため、矩形断面の内胴の角部と直線部とにおけるシール材の密着力が不均等となり、止水性が悪くなるといった問題点がある。

また、トンネル掘削時における推進力を固定内胴から可動内胴に伝達してこの可動内胴に一体に設けている掘削機本体に伝達するには、固定内胴と可動内胴とを掘削機本体の駆動部からさらに後方に突出した比較的長い角筒体から形成しておき、可動内胴の後端部内周面に係止部材を固着する一方、この可動内胴の後端から後方に突出した固定内胴の後端部内周面にこの係止部材を受止した推進反力受止部材を取り外し可能に装着した構造としているため、機内での作業空間が狭くなるばかりでなく、カッタヘッドの背面側に設けている土砂を滞留させるチャンバーからの機内後方への排土手段の配設が困難になるといった問題点があった。本発明はこのような問題点を全面的に解消することができるトンネル掘削機の提供を目的とする。

上記目的を達成するために本発明のトンネル掘削機は、請求項１に記載したように、地中にトンネルを掘削しながら該掘削壁面にトンネル覆工体を形成していくトンネル掘削機であって、外径がトンネル掘削径と略同径の外胴と、この外胴の前端部内周面に外周端面を一体に固着し、且つ、その内周端を上記トンネル覆工体の内径よりも小径の円形に形成してなるリング体と、このリング体の上記内周端面内に形成された円形孔にカッタヘッドを回転自在に軸支した筒状内胴体である掘削機主体部とを備え、この掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を上記リング体の円形孔に沿う円形外周面に形成している一方、該筒状内胴体の後部外周面における少なくとも径方向に対向する２箇所を平坦な係止面に形成して、この筒状内胴体の上記前部外周面を上記リング体の円形孔の内周面に円形リング状のシール材を介して摺動自在に支持させていると共に、上記筒状内胴体の後部外周面に形成した平坦な係止面と上記外胴の内周面との間に該平坦な係止面と面状に当接する固定部材を着脱自在に介在させてなる構造としている。

このように構成したシールド掘削機において、請求項２に係る発明は、上記リング体の内周面に短筒部の前端外周面を一体に固着してこの短筒部によって円形孔を形成していると共に該短筒部の前端内周面に上記シール材を装着してあり、この短筒部に掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を摺動自在に支持させたことを特徴としている。

さらに、請求項３に係る発明は、上記掘削機主体部の筒状内胴体の後部外周面に形成している平坦な係止面の前端と筒状内胴体の前部円形外周面の後端間に径方向に平坦な垂直面を形成し、この垂直面と上記係止面とに固定部材の平坦な前端面と内端面をそれぞれ当接させていることを特徴とする。

本発明のシールド掘削機によれば、外径がトンネル掘削径と略同径の外胴と、この外胴の前端部内周面に外周端面を一体に固着し、且つ、その内周端を上記トンネル覆工体の内径よりも小径の円形に形成してなるリング体と、このリング体の上記内周端面内に形成された円形孔にカッタヘッドを回転自在に軸支した筒状内胴体を支持させている掘削機主体部とを備え、この掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を上記リング体の円形孔に沿う円形外周面に形成して該前部外周面を上記リング体の円形孔の内周面に円形リング状のシール材を介して摺動自在に支持させているので、この円形リング状のシール材によって全周に亘り均一にして確実な止水性を発揮させることができると共に、上記筒状内胴体の後部外周面における少なくとも径方向に対向する２箇所を平坦な係止面に形成して、この平坦な係止面と上記外胴の内周面との間に該平坦な係止面と面状に当接する固定部材を着脱自在に介在させているので、固定部材に筒状内胴体の後部に形成している平坦な係止面を強固に係止させてカッタヘッドの回転反力を確実に受止させることができる。

また、請求項２に係る発明によれば、外胴の前端部内周面に外周端面を固着している上記リング体は、その内周面に短筒部の前端外周面を一体に固着してこの短筒部によって円形孔を形成していると共に該短筒部の前端内周面にシール材を装着してあり、この短筒部に掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を摺動自在に支持させているので、筒状内胴体の後面側に装着しているカッタヘッド駆動部から後方の機内空間を広くとることができて作業性が良好となるばかりでなく、リング体の短筒部外周面と外胴の前端部内周面間の隙間の前後方向の長さが短いので、小口径のトンネル掘削機であってもその隙間を通じての土砂排出管路等の排出手段の配設が容易となると共に、この排出手段に邪魔されることなく上記カッタヘッドの駆動部や推進ジャッキ等を配置することができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、掘削機主体部の筒状内胴体の後部外周面に形成している上記平坦な係止面の前端と筒状内胴体の前部円形外周面の後端間に、径方向に平坦な垂直面を形成し、この垂直面と上記係止面とに上記固定部材の平坦な前端面と内端面をそれぞれ当接させているので、トンネル掘削時における推進力をこの固定部材の前端面から該前端面に受止されている垂直な係止面を有する筒状内胴体を介してこの筒状内胴体に支持されているカッタヘッドに円滑且つ確実に伝達することができると共に、その推進反力も強固に受止することができ、従って、別途に推進反力受止部材を設けることなくこの固定部材によって推進反力の受止作用と共にカッタヘッドの回転反力の受止作用も行わせることができ、構造の簡素化を図ることができる。

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はトンネルＴを掘削しながらその掘削壁面にセグメント等のトンネル覆工体Ｓを形成していくトンネル掘削機の簡略縦断側面図であって、外径がトンネル掘削径と略同径の円筒形状の外胴１と、この外胴１の前端部内周面にその外周端面を溶接等により一体に固着していると共に中央部に上記トンネル覆工体Ｓの内径よりも小径の円形孔３を設けている円環板形状のリング体２と、駆動モータ５によって回転させられるカッタヘッド６を回転自在に軸支した筒状内胴体７を備え且つこの筒状内胴体７の前部を上記リング体２の円形孔３に支持させている掘削機主体部４とを有し、さらに、筒状内胴体７の後方側における外胴１の内周面に複数本の中折れジャッキ８と推進ジャッキ９を装着していると共に、上記カッタヘッド６の後面とリング体２及び筒状内胴体７の前面間の空間部によって形成しているチャンバー10内の土砂を排出するための土砂排出手段11とを備えている。12はセグメントを組み立てるエレクターである。

なお、このトンネル掘削機は泥水式シールド工法に使用される掘削機を示しており、従って、上記土砂排出手段11としては還流泥水による掘削土砂排出手段を採用しているが、推進工法に使用するトンネル掘削機であってもよく、この場合には、土砂排出手段11としてスクリューコンベア等を採用することができる。

上記リング体２は、その内周部を後方に向かって直角に屈折させて短筒部を形成し、この短筒部の内周面によって円形孔３を形成してもよいが、図においては、リング体２の内周端面に該リング体２とは別体の短筒部2aの前端外周面を溶接等によって一体に固着し、この短筒部2aの内周端面内を円形孔３に形成している。さらに、リング体２におけるこの短筒部2aの前端内周面にシール材13を円形リング状に装着している。なお、短筒部2aの前後方向の長さは、掘削機主体部４の筒状内胴体７の前部の前後幅に等しいか、それよりも短い長さに形成されている。

掘削機主体部４の筒状内胴体７はその前部外周面を図４に示すように、上記リング体２の円形孔３に沿う円形外周面7aに形成してその前部を図１、図２、図４及び図５の簡略図に示すように、円形孔３に上記シール材13を介して前後方向に摺動自在に挿嵌して掘削機主体部４の中心線を外胴１の中心線上に合致させた状態で支持させていると共に、その後部外周面の四方部を円形外周面から内方に向かって段状に屈折、形成して機軸方向に平坦な係止面7b（内胴体７を回転方向に係止）を形成してあり、さらに、この係止面7bの前端と、筒状内胴体７の上記前部円形外周面の後端間に該後端から係止面の前端に向かって内径方向に屈折した平坦な垂直面7c（内胴体７を前後方向に係止）に形成している。なお、これらの係止面7b、7cは、筒状内胴体７の後部外周面における少なくとも径方向に対向する２箇所に形成しておけばよい。

筒状内胴体７の後部における上記機軸方向に平坦な係止面7bと、この係止面7bに対向した外胴１の内周面との間には固定部材14が着脱自在に介在してあり、この固定部材14の平坦な内端面14a を上記係止面7bに面状に当接させることにより内胴体７が回転しようとするのを係止させていると共に垂直な前端面14b を筒状内胴体７の上記垂直面7cに当接させている。

固定部材14としては、外胴１の内周面から上記筒状内胴体７の係止面7bに達する高さに形成しておき、その外端面を外胴１の内周面にボルト等によって着脱自在に固定した構造としておいてもよいが、図１、図２、図４に示すように、筒状内胴体７の外周面とこの外周面に対向する外胴１の内周面間の間隔部における径方向に対向する２箇所に、上記掘削土砂排出手段11の送泥管11a と排泥管11b とにおけるリング体２を貫通してチャンバー10内に連通した先端部を配設し、これらの管の先端部を被覆したカバー部材15a 、15a と係止面7b、7bとの隙間に固定部材14を挿入、介在させてその外端面をカバー部材15a 、15a にボルトによって着脱自在に固着している。なお、係止面7bに係止している固定部材14の内端面を係止面7bに対してもボルトによって着脱自在に固定しておいてもよい。

筒状内胴体７は、その前後開口端をそれぞれの開口端に一体に固着した前面板7dと後面板7eとによって閉止されてあり、これらの前後面板7d、7eの中心部に上記カッタヘッド６の回転軸16を回転自在に挿通、支持していると共に前面板7dから突出した回転軸16の前端にカッタヘッド６の中心部を一体に固着している。さらに、後面板7eの背面に駆動モータ５を装着してあり、図２に示すように、この駆動モータ５の回転軸に固着した小径歯車17を筒状内胴体７内において上記回転軸16に固着している大径歯車18に噛合させて駆動モータ５によりカッタヘッド６を回転させるように構成している。

カッタヘッド６は図１、図２に示すように、回転軸16の前端から外径方向に向かって、回転軸16の中心からの長さが上記リング体２の円形孔３を通過可能な長さ、即ち、円形孔３の半径よりも僅かに短い長さに形成されている複数本の中空スポーク6aを放射状に突設していると共に、各中空スポーク6a内に外端側スポーク片6bを中空スポーク6aの開口端から外方に向かって出没自在に収納し、これらの中空スポーク6aと外端側スポーク片6bに長さ方向に所定間隔毎に複数本の掘削ビット6cを前方に向かって突設してなるスポークタイプのカッタヘッドに形成されている。

さらに、各中空スポーク6a内に収納した外端側スポーク片6bは、中空スポーク6a内に装着しているジャッキ19の作動により外端側スポーク片6bを中空スポーク6aの開口端から出没させてスポーク長、即ち、カッタヘッド６の外径を外胴１の外径に略等しい長さから上記リング体２の円形孔３よりも小径となる長さにまで拡縮させるように構成している。なお、上記回転軸16の前面にセンタビット6c' を突設している。

上記外胴１は、前胴部1aと後胴部1bとに分割されていると共に、後胴部1bの前端部内周面にリングガータ20の外周面を固着してあり、このリングガータ20の外周部前端から前方に向かって外周面を凸円弧状湾曲面に形成している中折れ部21を突設して、その外周面をシール材を介して前胴部1aの後端部内周面に屈折自在に接続している。さらに、上記中折れジャッキ８を前胴部1aの後部内周面に沿って周方向に所定間隔毎（図においては四方）に配設し、各中折れジャッキ８の前後端を前胴部1aの内周面に突設しているブラケット22a と中折れ部21の内周面に突設しているブラケット22b 間に連結してこれらの中折れジャッキ８を伸縮させることにより、後胴部1bに対して前胴部1aを所定方向に屈折させるように構成している。一方、上記リングガータ20に周方向に所定間隔毎に上記複数本の推進ジャッキ９を前後方向に挿通状態で支持させている。

このように構成したトンネル掘削機は、発進立坑（図示せず）内に設置されて該発進立坑から所定方向にトンネルＴを掘削していく。トンネルＴの掘進は、カッタヘッド６の外端側スポーク片6bを中空スポーク6aから外径方向に突出させて外胴１の外径に等しい外径にしたのち、駆動モータ５により該カッタヘッド６を回転させると共に推進ジャッキ９をトンネル覆工体Ｓの前端面に反力を受止させた状態で伸長させることにより行われる。詳しくは、推進ジャッキ９を伸長させると、その推進力がリングガータ20からこのリングガータ20を固着させている外胴１に伝達され、さらに、外胴１から該外胴１の内周面に直接、或いは送排泥管11a 、11b のカバー部材15a 、15a を介して固着している固定部材14に伝達されてこの固定部材14の前端面14b で掘削機主体部４の筒状内胴体７の垂直な係止面7cを押圧し、カッタヘッド６を軸支している該筒状内胴体７を外胴１と一体に前進させながらトンネルＴを掘進していくものである。

この際、カッタヘッド６の回転によって筒状内胴体７が一体に回転しようとするが、該筒状内胴体７の後部に形成している平坦な係止面7bが固定部材14の内端面14a に接合状態で係止されているので、この固定部材14に該カッタヘッド６の回転反力が強固に受止されて筒状内胴体７は共回りする虞れはない。その上、カッタヘッド６の推進反力も筒状内胴体７の垂直な係止面7cを押圧している固定部材14の前端面14b によって確実に受止することができる。

そして、トンネル掘削機によって一定長のトンネルが掘削される毎にエレクター12によって後胴部1bの後部内でセグメントを組み立て、掘進に従って後方に送り出すことによりトンネル覆工体Ｓを施工していく。なお、セグメント等はトンネル覆工体Ｓの内底面上に敷設しているレール上を走行する台車（図示せず）によって搬入される。また、カッタヘッド６によって掘削された土砂はチャンバー10内に取り込まれ、送泥管11a を通じてこのチャンバー10内に供給、充満させている泥水と共に排泥管11b を通じて後方に排出される。この際、掘削機主体部４の筒状内胴体７の前部の外周面は円形状に形成されてあり、この円形外周面をリング体２の円形孔３に円形リング状のシール材13を介して挿嵌、支持させているので、シール材13が全周に亘って均一なシール作用を奏し、チャンバー10内の泥水が機内側に漏出するのを確実に防止することができる。なお、トンネルの掘進中において、トンネル掘削機の方向を修正したり曲線トンネル部を掘削する場合には、中折れジャッキ８を作動させて後胴部1bに対して前胴部1aを所定方向に屈折させることにより行う。

次に、このシールド掘削機によって所定長のトンネルＴを掘削したのち、掘削機主体部４等を発進立坑側に撤去、回収するには、まず、土砂掘削手段11やエレクター12等を解体して上記台車上に載せ、発進立坑Ｂ側に撤去、回収する一方、カッタヘッド６の各中空スポーク6a内に設けているジャッキ19を収縮させることによって全ての外端側スポーク片6bを中空スポーク6a内に収納し、カッタヘッド６の外径をリング体２の円形孔３の径よりも小径にすると共に、掘削機主体部４の筒状内胴体７を固定している固定部材14を撤去する。

しかるのち、掘削機主体部４を後方に牽引して筒状内胴体７の前部をリング２の円形孔３から後方に抜き取ると共に、カッタヘッド６をこの円形孔３を通過させて機内側に取り込む（図６参照）。この掘削機主体部４を発進立坑側に搬出するには、該掘削機主体部４の筒状内胴体７の下周部に上記レール上を転動する車輪を装着することによって行うことができ、また、レール上を走行する台車に載せて搬出することもできる。一方、掘削壁面を覆っている上記外胴１はそのトンネル掘削機到達個所に残しておくが、この外胴１の内周面に装着している中折れジャッキ８や推進ジャッキ９は外胴１から取り外して回収し、上記掘削機主体部４と共に次のトンネル掘削工事に使用する。

なお、上記実施の形態においては、カッタヘッド６の径を拡縮させる機構としては、中空スポーク6aから外端側スポーク片6bをジャッキ19の作動により出没させる機構を採用しているが、スポーク6aの外端に一定長のスポーク片を切り離し自在に連結して、該スポーク片を連結した状態においてはカッタヘッド６を外胴１の外径に略等しい外径とし、スポーク片を取り外した状態においては、カッタヘッド６の外径をリング体２の円形孔３を通じて撤去可能な径となるように構成しておいてもよい。さらに、スポークタイプに限らず、面板形状のカッタヘッドの外周部を着脱自在な部分に形成してその部分を取付けている場合には、カッタヘッドを外胴１の外径に略等しい外径とし、取り外した場合には、リング体２内を通じて撤去可能な径となるように構成しておいてもよい。

トンネル掘削機の簡略縦断側面図。 その主要部の縦断側面図。 その横断面図。 図２におけるＸ−Ｘ線における断面図。 トンネル掘削機の構造を説明するための簡略図。 掘削機主体部を後方に引き出した状態の簡略縦断側面図。

符号の説明

１ 外胴
２ リング体
３ 円形孔
４ 掘削機主体部
６ カッタヘッド
７ 筒状内胴体
7a 円形外周面
7b 平坦な係止面
7c 垂直な係止面
13 シール材
14 固定部材

Claims (3)

1. 地中にトンネルを掘削しながら該掘削壁面にトンネル覆工体を形成していくトンネル掘削機であって、外径がトンネル掘削径と略同径の外胴と、この外胴の前端部内周面に外周端面を一体に固着し、且つ、その内周端を上記トンネル覆工体の内径よりも小径の円形に形成してなるリング体と、このリング体の上記内周端面内に形成された円形孔にカッタヘッドを回転自在に軸支した筒状内胴体である掘削機主体部とを備え、この掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を上記リング体の円形孔に沿う円形外周面に形成している一方、該筒状内胴体の後部外周面における少なくとも径方向に対向する２箇所を平坦な係止面に形成して、この筒状内胴体の上記前部外周面を上記リング体の円形孔の内周面に円形リング状のシール材を介して摺動自在に支持させていると共に、上記筒状内胴体の後部外周面に形成した平坦な係止面と上記外胴の内周面との間に該平坦な係止面と面状に当接する固定部材を着脱自在に介在させていることを特徴とするトンネル掘削機。
2. リング体はその内周面に短筒部の前端外周面を一体に固着してこの短筒部によって円形孔を形成していると共に該短筒部の前端内周面にシール材を装着してあり、この短筒部に掘削機主体部の筒状内胴体の前部外周面を摺動自在に支持させていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 掘削機主体部の筒状内胴体の後部外周面に形成している平坦な係止面の前端と筒状内胴体の前部円形外周面の後端間に径方向に平坦な垂直面が形成されてあり、この垂直面と上記係止面とに固定部材の平坦な前端面と内端面をそれぞれ当接させていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル掘削機。

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