JP2006322203A - ディスクカッタ取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】カッタヘッドへのディスクカッタの配置ピッチを狭くする。
【解決手段】ディスクカッタ１４をカッタ支持軸１４ａ周りに回転可能に支持するカッタホルダ２４と、前記カッタホルダ２４をホルダ支持軸２５ａ，２５ｂ周りに回動可能に支持する支持ケーシング２０とを備え、前記支持ケーシング２０に対してカッタホルダ２４を回動させることによりディスクカッタ１４を掘削位置と交換位置との間で回動させるように構成されるものにおいて、カッタ支持軸１４ａの軸線とホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの軸線とを直交させるように配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シールド掘進機のカッタヘッドに取り付けられるディスクカッタを機内側から交換できるようにしたディスクカッタ取付構造に関するものである。

従来、岩盤や砂礫を掘削するシールド掘進機として、掘進機本体の前面に配されるカッタヘッドのカッタヘッドスポークもしくはカッタヘッド面板に複数のディスクカッタと複数のツールビットとを備えた形式のシールド掘進機が知られている。このようなシールド掘進機においては、ディスクカッタにより特に岩盤部、巨礫部の掘削が行われ、ツールビットにより岩ズリの取込みが行われる。なお、各ディスクカッタは、各ツールビットよりも前方（切羽側）に先行した位置に設けられており、これによって、岩盤部、巨礫部において確実にディスクカッタによる掘削が行われるようにされている。

ところで、岩盤層、巨礫層を掘進し、掘削距離が長かったりすると、カッタヘッドに設けられているディスクカッタが摩耗、損耗して、ディスクカッタを交換する必要が生じる場合がある。

従来、ディスクカッタを交換する際には、薬液注入、凍結等により地盤改良を行い、チャンバー内に水、土砂等が流入しない状態にしてから、作業者がチャンバー内に入り込んでディスクカッタを交換するという方法が採られている。しかし、この方法によれば、地盤改良を行ってからディスクカッタを交換するため、コスト高となり、また地盤が改良されるまでに相当の時間がかかるため、交換作業のための期間が長くなる等といった問題点がある。

このような問題点を解決するための先行技術として、特許文献１に開示されたものが知られている。この文献に開示された技術は、図８に示されるように、カッタヘッドスポーク５０に、このカッタヘッドスポーク５０の内部への水、土砂等の流入を防ぐディスクカッタ取付箱５１を固着するとともに、このディスクカッタ取付箱５１に、ディスクカッタ５２を回転可能に支持するディスクカッタカバー５３を設け、さらにディスクカッタ取付箱５１の底部カバー５１ａをボルト５４の着脱により開閉自在に構成し、ディスクカッタカバー５３の枢支軸５５を操作部５５ａにて回動操作することにより、掘削を行う掘削位置と、ディスクカッタカバー５３にて止水する止水位置とに切り換え可能にし、止水位置に切り換えたときに、カッタヘッドスポーク５０内部からディスクカッタ５２を交換できるように構成したものである。

この特許文献１に開示された技術によれば、ディスクカッタ５２が止水位置にあるときに、ディスクカッタカバー５３にて切羽とカッタヘッドスポーク５０の内部とが遮断されるので、地山の地盤改良を行わなくても、カッタヘッドスポーク５０内からディスクカッタ５２を容易に交換することができ、工期短縮を図ることができるという効果を奏する。

特開２００２−２７６２９１号公報

しかしながら、前記従来のディスクカッタ取付構造においては、ディスクカッタ５２の支持軸（回転軸）と、ディスクカッタカバー５３の枢支軸（回転軸）５５とが同一方向に配置されているために、カッタヘッドスポーク５０上に複数のディスクカッタ５２を並べて配置する際に、互いに隣接位置にあるディスクカッタカバー５３の枢支軸５５について、外方へ向けて突出する操作部５５ａ同士が干渉しないようにする必要があり、さらには操作部５５ａをトルクレンチなどの工具で回転させるための空間も必要である。したがって、互いに隣接するディスクカッタ５２同士を所定間隔を隔てて配置することが必要になる。このため、ディスクカッタの配置ピッチが粗くなって、岩盤もしくは巨礫の破砕性が劣ることになってしまう。

特に、ディスクカッタとして、その軸方向寸法が径方向寸法と同等もしくはそれ以上のものがあり、このようなディスクカッタを用いる場合に、上述したディスクカッタの配置ピッチの粗さが顕著になる。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、掘削位置と止水位置との切り換えが容易に行えるようにしたものにおいて、カッタヘッドへのディスクカッタの配置ピッチを狭くして岩盤等の破砕効率を向上させることのできるディスクカッタ取付構造を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるディスクカッタ取付構造は、
ディスクカッタをカッタ支持軸周りに回転可能に支持するカッタホルダと、前記カッタホルダをホルダ支持軸周りに回動可能に支持する支持ケーシングとを備え、前記支持ケーシングに対して前記カッタホルダを回動させることにより前記ディスクカッタを掘削位置と交換位置との間で回動させるように構成されるディスクカッタ取付構造において、
前記カッタ支持軸の軸線と前記ホルダ支持軸の軸線とを所要角度をもって配置することを特徴とするものである。

本発明において、前記所要角度は略９０°とするのが好ましい。

この場合、前記カッタホルダは、カッタ支持軸に直交する向きに配される一対の略扇形状端壁と、前記一対の略扇形状端壁間に連設される部分円筒壁と備える形状とされているのが良い。

本発明によれば、ディスクカッタのカッタ支持軸の軸線とカッタホルダのホルダ支持軸の軸線とが所要角度をもって配置されているので、ディスクカッタの交換時にカッタホルダを回動させるためのカッタ支持軸の先端部が、隣接するホルダ支持軸の先端部と干渉するのを回避して、カッタホルダの配置ピッチ、言い換えればディスクカッタの配置ピッチを密にすることができる。この結果、岩盤もしくは巨礫の破砕効率を向上させることが可能となる。

ここで、カッタ支持軸の軸線とホルダ支持軸の軸線との配置角度を略９０°にする（直交させる）ことで、カッタヘッドの回転に伴いディスクカッタが切羽面から押付け反力を受けて転動する際に、カッタホルダに作用する回転モーメントによる負荷をホルダ支持軸で受ける必要がなくなり、この負荷をカッタ支持軸の軸端部の面で受けることができる。したがって、ホルダ支持軸が損傷するのを防ぐことができるとともに、そのホルダ支持軸の径を必要以上に太くする必要がなくなる。

また、前記カッタホルダを、カッタ支持軸に直交する向きに配される一対の略扇形状端壁と、前記一対の略扇形状端壁間に連設される部分円筒壁と備える形状、言い換えれば全体として略円筒形状に形成すれば、これを球面形状に形成するものに比べて、前記カッタホルダに作用する回転モーメントによる負荷を更に広い面で受けることができる。また、そのカッタホルダの加工・製作が容易に行えるという利点もある。

次に、本発明によるディスクカッタ取付構造の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図（ａ）およびそのＡ−Ａ断面図（ｂ）が示され、図２には、同シールド掘進機の要部縦断面図が示されている。

本実施形態のシールド掘進機１は、円筒状のシールド本体２の前部に大口径ベアリング３を介してカッタヘッド４が回転自在に支持され、このカッタヘッド４がカッタヘッド駆動用モータ５にて回転駆動されるように構成されている。前記カッタヘッド４とシールド本体２の隔壁６との間にはチャンバー７が画成され、このチャンバー７内に先端部が臨むように掘削土砂搬出用のスクリューコンベア８が配されている。また、シールド本体２内には、掘進推力を発生させるためのシールドジャッキ９および掘削されたトンネルの内面にセグメントを組み付けるためのセグメントエレクタ装置（図示せず）等が配されている。

図１に示されるように、前記カッタヘッド４は、その中心から半径方向に放射状に延びる複数本のカッタヘッドスポーク１０を有している。このカッタヘッドスポーク１０は、前面板１０ａと、両端部が傾斜面に形成された背面板１０ｂと、右側面板１０ｃと、左側面板１０ｄとよりなる断面略六角筒形状で、内部空間が作業者１１用の通路１２とされ、機内側からバルクヘッドカバー６ａ（図２参照）を外してカッタヘッドスポーク１０内の通路１２内に作業者１１が入ってその通路１２内で後述するディスクカッタ１４の交換作業が行えるようにされている。

前記各カッタヘッドスポーク１０の前面板１０ａには多数個のディスクカッタ１４が装着されており、またそのカッタヘッドスポーク１０の右側面板１０ｃおよび左側面板１０ｄには、それぞれ多数個のツールビット１５が取り付けられている。各ディスクカッタ１４は、切羽を一様に掘削できるように所要の配置間隔でカッタヘッド４の径方向に並べて配置され、かつカッタヘッド４の回転に伴い転動される向きでカッタヘッドスポーク１０の前面板１０ａから所定量突出するように設けられている。一方、各ツールビット１５は、前記ディスクカッタ１４よりも所定量後退した位置で、かつ前面板１０ａに対して所定量突出するように設けられている。こうして、各ディスクカッタ１４により主として岩盤部の掘削が行われ、各ツールビット１５により主として岩ズリの取込みが行われる。

図３には、本実施形態のディスクカッタ取付構造を示す正面図（ａ）およびそのＢ矢視図（ｂ）が示されている。また、図４には、図３（ｂ）の拡大断面図が示されている。

これらの図に示されているように、前記カッタヘッドスポーク１０の前面板１０ａには、ディスクカッタ１４を支持するための支持ケーシング２０が固着されている。この支持ケーシング２０は、前面側および背面側が開放された角筒状のケーシング本体２１と、このケーシング本体２１の背面側の開口部を覆うようにそのケーシング本体２１にボルト２２にて固着されるドーム型のカバー２３とからなり、カッタヘッドスポーク１０の通路１２内への水および土砂等の流入を防ぐ構造にされるとともに、ボルト２２の着脱によってカバー２３を取り外して開閉可能な構造になっている。

前記支持ケーシング２０内には、ディスクカッタ１４を回転可能に支持するカッタホルダ２４が配されている。このカッタホルダ２４は、ディスクカッタ１４の支持軸であるカッタ支持軸１４ａに直交する向きに配される一対の略扇形状端壁２４ａ，２４ｂと、この一対の略扇形状端壁２４ａ，２４ｂ間に連設され、ディスクカッタ１４の両側部および底部を覆う部分円筒壁２４ｃとを備え、全体として円筒体の上部を切り落としたような形状（略円筒形状）とされている。そして、図４に示されるように、前記ケーシング本体２１の一対の側壁２１ａ，２１ｂの内周面および前記カバー２３の内周面は、前記部分円筒壁２４ｃの外周面と略同じ曲率の円筒面に形成され、これによってカッタホルダ２４が支持ケーシング２１の内周面に沿って回動できる形状とされている。

また、前記カッタホルダ２４には略扇形状端壁２４ａ，２４ｂにホルダ支持軸２５ａ，２５ｂが設けられる一方、前記ケーシング本体２１の一対の端壁２１ｃ，２１ｄには、各ホルダ支持軸２５ａ，２５ｂに係合する軸孔２１ｅ，２１ｆが形成されている。さらに、各ホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの端部には前記端壁２１ｃ，２１ｄに対して突出するように操作部２５ｃ，２５ｄが一体に設けられている。この操作部２５ｃ，２５ｄは断面六角形状（四角形状であっても良い。）とされ、トルクレンチ等の工具を用いてその軸心周りに回動操作できるようにされている。こうして、操作部２５ｃ，２５ｄが回動操作されることで、支持ケーシング２０に対してカッタホルダ２４を回動させることが可能となる。

前記カッタホルダ２４の外周面と支持ケーシング２０の内周面との間には全周に亘ってシール部材２６が設けられ、両者間の隙間を密閉するようにされ、また、ケーシング本体２１の軸孔２１ｅ，２１ｆと各ホルダ支持軸２５ａ，２５ｂとの間にもシール部材２７が設けられ、それら両者間の隙間を密閉するようにされている。なお、図４において、符号２８にて示されるのは、ディスクカッタ１４を用いた掘削によってそのディスクカッタ１４とカッタホルダ２４との間の空隙部に入り込んだ土砂等によってその空隙部が閉塞するのを防止するための水噴射ノズルである。

このような構成において、ディスクカッタ１４を切羽に臨ませて掘削を行う掘削位置にあっては、支持ケーシング２０とカッタホルダ２４とが、そのカッタホルダ２４の外側に配される回り止めプレート３１を介してボルト２９にて締結され、カッタホルダ２４が掘削位置を保持するようにされる。また、ディスクカッタ１４の交換に際しては、ボルト２９を取り外すことにより、カッタホルダ２４がフリー状態となり、ホルダ支持軸２５ａ，２５ｂを１８０°回動操作することで、部分円筒壁２４ｃによって切羽とカッタヘッドスポーク１０内とが遮断される止水位置にカッタホルダ２４を回動させることができる。

次に、図５を参照しつつディスクカッタ１４の交換手順等について説明する。

掘削作業時には、図５（ａ）に示されるように、ディスクカッタ１４が切羽３０に面する側（掘削位置）になるようにカッタホルダ２４がボルト２９にて支持ケーシング２０に締結・固定される。この状態で、カッタヘッド駆動用モータ５によりカッタヘッド４を回転させることにより、ディスクカッタ１４およびツールビット１５により切羽が掘削される。また、シールド本体２はシールドジャッキ９をセグメントの端面に押し当てて伸長させることにより推進される。また、掘削された土砂等は、チャンバー７内に取り込まれ、このチャンバー７の下部からスクリューコンベア８により後方へ搬出される。

ディスクカッタ１４の摩耗、損耗等によってそのディスクカッタ１４を交換する必要が生じた場合には、一旦カッタヘッド４の回転を停止し、カッタヘッド４の面板と切羽３０との間に所定の隙間を設ける。この後、作業者１１が機内側からバルクヘッドカバー６ａを外してカッタヘッドスポーク１０内の通路１２に入る。そして、支持ケーシング２０とカッタホルダ２４とを締結固定しているボルト２９を取り外し、カッタホルダ２４をフリー状態にする。次いで、操作部２５ｃ，２５ｄにトルクレンチ等の工具を係合させて、図５（ｂ）（ｃ）に示されるようにカッタホルダ２４をホルダ支持軸２５ａ，２５ｂ周りに止水位置まで１８０°回動させる。なお、図５（ｂ）に示される回動途中の状態では、切羽３０側からカッタヘッドスポーク１０内に水、土砂等が流入しようとするが、それら水、土砂等は支持ケーシング２０のカバー２３によって受け止められ、その流入が阻止される。また、図５（ｃ）に示される止水位置においては、カッタホルダ２４の部分円筒壁２４ｃによってカッタヘッドスポーク１０内が切羽３０から遮断され、やはり水、土砂等の流入が阻止される。

続いて、止水位置にあるとき、図５（ｄ）に示されるように、ボルト２２を取り外してカバー２３を取り外し、次いで、図５（ｅ）に示されるように、ディスクカッタ１４を取り外して新品のものと交換する。なお、ディスクカッタ１４を交換した後は、上述とは逆の手順で元の状態に戻して掘削作業を再開する。

本実施形態のディスクカッタ取付構造によれば、ディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸線とカッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの軸線とが互いに直交するように配置されているので、ディスクカッタ１４の交換時にカッタホルダ２４を回動させるための操作部２５ｃ，２５ｄが、隣接するカッタホルダ２４の操作部２５ｃ，２５ｄと干渉するのを回避することができ、カッタホルダ２４、言い換えれば隣接するディスクカッタ１４同士を密に配置することができるという効果がある。そして、この結果、従来のものに比べて、岩盤もしくは巨礫の破砕効率を格段に向上させることができる。

このことを図６を用い、直径がＤの刃を２つ備えるディスクカッタ１４を３つ並べた場合を例にとってより詳細に説明する。本実施形態のディスクカッタ取付構造によれば、図６（ａ）（ｂ）に示されるように、支持ケーシング２０の幅（図で上下方向長さ）は１．４×Ｄで、長さ（図で左右方向長さ）は１．６×Ｄとなり、また操作部２５ｃ，２５ｄの先端面間の長さは１．８×Ｄとなる。このディスクカッタ１４を複数個、各カッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの軸線を平行にして配置すると、図６（ｃ）に示されるようになり、１．４×Ｄのピッチで配置することが可能となる。これに対して、特許文献１に示される従来例のように、ディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸線とカッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの軸線とが同方向に設けられている取付構造の場合、図６（ｄ）に示されるように、その配置ピッチは１．８×Ｄとなる。この結果、本実施形態のディスクカッタ取付構造の方が寸法上有利であることがわかる。

また、本実施形態のディスクカッタ取付構造によれば、上述のように、ディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸線とカッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの軸線とが互いに直交するように配置されているので、カッタヘッド４の回転に伴いディスクカッタ１４が切羽３０から押付け反力を受けて転動する際に、カッタホルダ２４に作用する回転モーメントによる負荷をそのカッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂで受ける必要がなくなり、この負荷をディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸端部の面で受けることができる。

図７には、本発明の他の実施形態に係るディスクカッタ取付構造および配置ピッチ説明図が示されている。

本実施形態においては、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されるように、カッタホルダ２４Ａおよび支持ケーシング２０Ａを半球面形状に形成するとともに、カッタホルダ２４Ａのホルダ支持軸２５ａ'，２５ｂ'の軸線の方向をディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸線に対して４５°傾斜させて配置したものである。このような配置にすることで、前記実施形態と同様、隣接するカッタホルダ２４Ａの操作部２５ｃ'，２５ｄ'同士が干渉するのを回避することができ、ディスクカッタ１４を密に配置することが可能となる。勿論、本実施形態においても、ディスクカッタ１４Ａのカッタ支持軸１４ａの軸線とカッタホルダ２４Ａのホルダ支持軸２５ａ'，２５ｂ'の軸線とを互いに直交するように配置しても、あるいは４５°以外の傾斜角度で配置しても同様の効果が得られるのは言うまでもない。

本実施形態のディスクカッタ取付構造によれば、複数個のディスクカッタ１４を隣接配置したとき、図７（ｃ）に示されるように、各ディスクカッタ１４を１．６×Ｄのピッチで配置することが可能となる。これに対して、ディスクカッタ１４のカッタ支持軸１４ａの軸線とカッタホルダ２４Ａのホルダ支持軸２５ａ'，２５ｂ'の軸線とが同方向に設けられている取付構造の場合、図７（ｄ）に示されるように、その配置ピッチは１．８×Ｄとなって、配置間隔が大きくなる。

また、図６に示される実施形態では、カッタホルダ２４の形状が全体として略円筒形状に形成されているので、これを図７に示されるような球面形状に形成するものに比べて、前記カッタホルダ２４に作用する回転モーメントによる負荷をより広い面で受けることができる。したがって、カッタホルダ２４のホルダ支持軸２５ａ，２５ｂが損傷するのを防ぐことができるとともに、そのホルダ支持軸２５ａ，２５ｂの径を必要以上に太くする必要がなくなるという利点がある。

また、このようにカッタホルダ２４を略円筒形状に形成すれば、球面形状のものに比べてそのカッタホルダの加工・製作が容易に行えるという利点もある。

本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図（ａ）およびそのＡ−Ａ断面図（ｂ） 本実施形態の同シールド掘進機の要部縦断面図 本実施形態のディスクカッタ取付構造を示す正面図（ａ）およびそのＢ矢視図（ｂ） 図３（ｂ）の拡大断面図 本実施形態におけるディスクカッタ交換手順説明図 ディスクカッタの配置ピッチを従来例との比較で説明する図 他の実施形態に係るディスクカッタ取付構造および配置ピッチ説明図 従来のディスクカッタ取付構造を示す断面図

符号の説明

１ シールド掘進機
４ カッタヘッド
１０ カッタヘッドスポーク
１２ 通路
１４ ディスクカッタ
１４ａ カッタ支持軸
２０，２０Ａ 支持ケーシング
２１ ケーシング本体
２３ カバー
２４，２４Ａ カッタホルダ
２４ａ，２４ｂ 略扇形状端壁
２４ｃ 部分円筒壁
２５ａ，２５ｂ ホルダ支持軸
２５ｃ，２５ｄ 操作部
３０ 切羽

Claims (3)

1. ディスクカッタをカッタ支持軸周りに回転可能に支持するカッタホルダと、前記カッタホルダをホルダ支持軸周りに回動可能に支持する支持ケーシングとを備え、前記支持ケーシングに対して前記カッタホルダを回動させることにより前記ディスクカッタを掘削位置と交換位置との間で回動させるように構成されるディスクカッタ取付構造において、
   前記カッタ支持軸の軸線と前記ホルダ支持軸の軸線とを所要角度をもって配置することを特徴とするディスクカッタ取付構造。
2. 前記所要角度が略９０°である請求項１に記載のディスクカッタ取付構造。
3. 前記カッタホルダは、カッタ支持軸に直交する向きに配される一対の略扇形状端壁と、前記一対の略扇形状端壁間に連設される部分円筒壁と備える形状とされている請求項２に記載のディスクカッタ取付構造。

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