JP2008115548A

JP2008115548A - トンネル掘削機

Info

Publication number: JP2008115548A
Application number: JP2006297323A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Matsumoto; 清志松本
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP4731445B2

Abstract

【課題】掘削土砂中に含まれる礫を破砕しながらトンネルを掘削する掘削機であって、礫の破砕が効率よく行えると共に機内側からの切羽の点検や礫破砕部の保守、点検が容易に行えるトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】礫破砕手段は、スキンプレート１内に設けた隔壁２に大径後端部を回転自在に支持され且つ小径側の前端にカッタヘッド４を一体に設けているインナーコーン３と、上記スキンプレート１の内周面に固着したアウターコーン５とからなり、インナーコーン３を隔壁２の背面側に配設した駆動モータ17によって回転軸を使用することなく直接回転させるように構成していると共にこのインナーコーン３の傾斜周壁面にマンホール９を開設し、インナーコーン３の中空内部からこのマンホール９を通じてカッタヘッド４の背面側の土砂取込室６に出入り可能に構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は掘削土砂中に含まれる礫を破砕しながらトンネルを掘進するトンネル掘削機であって、特に、機内側からの切羽側の点検や礫破砕部等の保守、点検が容易に行えるようにしたトンネル掘削機に関するものである。

土砂中に含まれる礫を破砕しながら掘進す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、筒状のスキンプレートの前端部に設けた隔壁に駆動モータによって回転する回転中心軸を支承させ、隔壁から前方に突出するこの回転中心軸に後端から前端に向かって徐々に小径に形成しているインナーコーンを一体に設ける一方、このインナーコーンの傾斜外周面と対向するスキンプレートの内周面に後端から前端に向かって徐々に大径となるアウターコーンを固着し、さらに、上記インナーコーンの前端にカッタヘッドを一体に設けてこのカッタヘッドで掘削した土砂をカッタヘッドと一体に回転するインナーコーンと固定側のアウターコーンとの対向面間の楔状空間部に取り込んでこれらのインナーコーンとアウターコーンとにより土砂中の礫を破砕し、破砕した土砂を後方に排出するように構成したトンネル掘削機が知られている。

このように構成したトンネル掘削機によれば、土砂中に混在する礫をインナーコーンとアウターコーンとからなる礫破砕手段によって効率良く破砕しながら礫地盤中にトンネルを掘進していくことができるが、トンネル掘進中に掘削できない大径の礫や木片などの障害物が存在した場合には、隔壁後方の機内側からカッタヘッドの背面側に作業員が出入りすることができないために障害物を撤去する作業が行えないといった問題点があり、さらに、長距離のトンネル施工中において、カッタヘッドに装着しているカッタビットの交換も行えないといった問題点がある。

このため、特許文献２に記載されているように、機内側からカッタヘッドと隔壁との間の空間部内に作業員が出入り可能に構成したトンネル掘削機が開発された。このトンネル掘削機は、上記特許文献１に記載されている構造、即ち、スキンプレートの前端部に設けている隔壁に駆動モータによって回転する回転中心軸を支承させ、隔壁から前方に突出するこの回転中心軸に後端から前端に向かって徐々に小径に形成し、且つ、前端にカッタヘッドを設けているインナーコーンを一体に固着する一方、このインナーコーンの傾斜外周面と対向するスキンプレートの内周面に後端から前端に向かって徐々に大径に形成したアウターコーンを固着してなるトンネル掘削機において、このアウターコーンの上周部を切除してアウターコーンの該上周部が存在しない空間部を形成し、上記隔壁の上周部にこの空間部に連通するマンホールを設けて作業員がカッタヘッドの背面側空間部に出入り可能に構成している。
特開平９−５３３９２号公報特許第３５０９７６８号公報

しかしながら、隔壁からインナーコーンとアウターコーンとの間の楔状空間部に連通するマンホールを設けるためにアウターコーンの上周部を切除した構造にすると、インナーコーンとアウターコーンとによって破砕中の礫がインナーコーンの回転に伴って上周部側に移動した際に、上周部にはアウターコーンの傾斜周壁面が存在しないために、礫の破砕が継続的に行うことができない状態となって破砕効率が低下することになる。

さらに、隔壁の中心部に回転中心軸を貫通状態に配設して前端にカッタヘッドを一体に設けている上記インナーコーンを隔壁に片持状に支持されたこの回転中心軸の外周面に固定した構造としているため、カッタヘッドと一体にインナーコーンを所定の回転トルクでもって安定的に回転駆動するには、該回転中心軸を比較的大径に形成して強度を持たせておく必要があり、従って、インナーコーンの外径も大径となって、隔壁に作業員が出入り可能な大きさを有するマンホールを開設することが困難となる虞れがあった。

本発明はこ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、隔壁にマンホールを設けることなく、作業員がインナーコーン内からカッタヘッドの背面側の空間部に出入り可能にすると共に、中心回転軸を使用することなくインナーコーンを所定の回転トルクでもって円滑に回転し得るように構成したトンネル掘削機を提供するにある。

上記目的を達成するために本発明のトンネル掘削機は、請求項１に記載したように、筒状のスキンプレートの前端開口部から後方の内周面に固定している隔壁に後端部を回転自在に支持されていると共にその後端部から前端に向かって徐々に小径に形成しているインナーコーンと、このインナーコーンの前端に取付けられたカッタヘッドと、インナーコーンの外周面と対向した上記スキンプレートの前端部内周面に取付けられ、且つ、後端から前端に向かって徐々に大径に形成しているアウターコーンとを有し、上記インナーコーンを隔壁の後面側に配設した回転駆動機構によって回転させることによってカッタヘッドにより掘削された土砂をアウターコーンとインナーコーンとの対向面間の楔状空間部によって形成された土砂取込室に取り込んでこれらのインナーコーンとアウターコーンとにより土砂中の礫を破砕するように構成したトンネル掘削機において、上記インナーコーンを隔壁後方側から該インナーコーン内に出入り可能な中空に形成していると共に該インナーコーンの傾斜周壁部にこの中空内から上記土砂取込室に連通したマンホールを設け、このマンホールを蓋体によって開閉自在に閉止した構造を有している。

このように構成したトンネル掘削機において、請求項２に係る発明は、上記隔壁に回転自在に支持されたインナーコーンの大径後端部を後方に向かって全面的に開口させて作業員の出入口に形成していると共にこの後端部に歯車を一体に設けてあり、さらに、隔壁の後面外周部に数台の駆動モータを配設してこれらの駆動モータの回転軸に固着した小歯車を上記歯車に噛合させて駆動モータの作動によりカッタヘッドをインナーコーンと共に回転させるように構成している。

また、請求項３に係る発明は、上記アウターコーンの後端面と隔壁との間に土砂排出室を設け、この土砂排出室に隔壁後方側に配設した送排泥管を連通させていると共に、インナーコーンの後端部外周面から外方に突設している攪拌部材を上記土砂排出室内に突出させた構造としていることを特徴とし、請求項４に係る発明は、上記カッタヘッドの中心部に切羽面に向かって開口した泥水注入口を設け、この泥水注入口に隔壁後方側からインナーコーン内に配設している送泥管の先端をロータリージョイントを介して連結、連通させたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、隔壁にその大径後端部を回転自在に支持されているインナーコーンを中空に形成して隔壁から機内側に向けている後端面を作業員が出入り可能な開口部に形成していると共に、このインナーコーンの傾斜周壁部に該中空内からこのインナーコーンとアウターコーンとの間の楔状空間部によって形成されている土砂取込室内に連通したマンホールを設けているので、アウターコーンの上周部を切除することなくマンホールを土砂取込室に連通させた構造とすることができ、従って、アウターコーンとインナーコーンとからなる礫破砕手段による礫の破砕効率を低下させることなく該礫破砕手段の全周に亘って礫を連続的に破砕させることができる。

また、インナーコーンの広い傾斜周壁部を利用して該傾斜周壁部に作業員が出入り可能な大きさのマンホールを容易に形成することができると共に、このマンホールを通じてインナーコーンとアウターコーンとの間の楔状空間部内に直接的に出入りが可能となって該楔状空間部によって形成された土砂取込室内から切羽の点検は勿論、破砕が困難な大径礫や木片の除去作業等を行うことができ、インナーコーンとアウターコーンとからなる礫破砕手段の保守、点検やカッタヘッドに装着したカッタビットの交換作業等も容易に行うことができる。この際、マンホールは隔壁に回転自在に支持されたインナーコーンの傾斜周壁部に設けられているので、インナーコーンを回転させることによって土砂取込室に対するマンホールの連通位置を周方向の所望位置に容易に変更することができ、インナーコーンからの土砂取込室内に対する作業員の出入り時における安全性を高めることができると共に作業性の向上を図ることがてきる。

さらに、インナーコーンはその大径側の後端部を隔壁に回転自在に支持させて隔壁の後面側に配設した回転駆動機構によって回転させるように構成しているので、従来のように隔壁に回転中心軸を設けることなく、インナーコーンを直接、回転させることができて構造の簡素化を図ることができるばかりでなく、インナーコーンの大径の後端部を隔壁に回転自在に支持させているので、その回転支持構造の強度が極めて大きくなって安定した回転トルクを得ることができると共に能率のよい掘削が可能となるものである。

請求項２に係る発明によれば、上記隔壁に回転自在に支持されたインナーコーンの大径後端部を後方に向かって全面的に開口させて作業員の出入口に形成しているので、インナーコーン内からマンホールを通じての土砂取込室内に対する出入りが容易に行えるものであり、その上、インナーコーンの大径後端部に歯車を一体に設ける一方、隔壁の後面外周部に数台の駆動モータを配設してこれらの駆動モータの回転軸に固着した小歯車を上記歯車に噛合させて駆動モータの作動によりカッタヘッドをインナーコーンと共に回転させるように構成しているので、これらの数台の駆動モータによってインナーコーンを安定した状態で円滑に回転駆動することができると共に、駆動モータはインナーコーンの後端部外周方における隔壁後面に配設されているから、インナーコーンの後端開口部を後方に向かって全面的に開放させておくことができ、インナーコーン内からその後方側の空間部の有効利用を図ることができる。

また、請求項３に係る発明によれば、スキンプレートの前端部内周面に一体に設けている上記アウターコーンの後端面と隔壁との間に土砂排出室を設け、この土砂排出室に隔壁後方側に配設した送排泥管を連通させているので、土砂取込室に取り込まれた掘削土砂やインナーコーンとアウターコーンとによって破砕された礫を土砂排出室内を通じて送排泥管により後方に排出することができるのは勿論、インナーコーンの後端部外周面に攪拌部材を突設してこの攪拌部材を上記土砂排出室内に突出させているので、インナーコーンの回転によって土砂排出内の土砂を攪拌部材により円周方向に全面的に且つ均一に攪拌することができ、排泥管を詰まらせることなく泥水と共に円滑に排出することができる。

請求項４に係る発明によれば、カッタヘッドの中心部に切羽面に向かって開口した泥水注入口を設け、この泥水注入口に隔壁後方側からインナーコーン内に配設している送泥管の先端をロータリージョイントを介して連結、連通させているので、インナーコーンの中空内部を利用して作業員の出入りの邪魔にならない小径の送泥管を通じて切羽面に泥水を簡単に注入することができ、切羽地盤を安定させながらトンネルを能率よく掘進することができる。

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、１はトンネル掘削機の本体である筒状のスキンプレートで、その前端開口部から後方における該スキンプレート１の内周面に円環形状の隔壁２を一体に設けてあり、この隔壁２に後端から前端に向かって徐々に小径に形成している截頭円錐形状のインナーコーン３の大径側の後端部を回転自在に支持させていると共に、インナーコーン３の前端に外径が上記スキンプレート１の外径と略等しい径に形成されているカッタヘッド４の回転中心部を一体に固着してあり、このカッタヘッド４をスキンプレート１の開口端前方に配設している。

さらに、上記インナーコーン３の外周面と対向したスキンプレート１の前端部内周面に後端から前端に向かってその内周面を徐々に大径に形成したアウターコーン５を一体に固着して、これらのインナーコーン３の外周面とアウターコーン５の内周面との対向面間にカッタヘッド４の後面側から後方に向かって徐々に幅狭くなった楔状空間部からなる土砂取込室６を形成している共に、インナーコーン３とアウターコーン５との後端部対向面間の最も幅狭い空間部を上記隔壁２の前面とアウターコーン５の後面との間の周溝形状の空間部によって形成された土砂排出室７に連通した通路6aに形成している。

インナーコーン３は、前端に向かって徐々に小径に形成しなる一定厚みを有する截頭円錐形状の傾斜周壁部3aの後端に後方に向かって一定長さの短筒形状の大径周壁部3bを一体に設けてなり、これらの傾斜周壁部3aと大径の後端周壁部3bとの内周面で囲まれた内部を同じく截頭円錐形状の中空に形成していると共にこの中空内部８の後端を後方に向かって全面的に開口させて作業員の出入口8aに形成してあり、さらに、傾斜周壁部3aの一部に中空内部８から上記土砂取込室６に連通するマンホール９を開設してこのマンホール９を中空内部８内から開閉可能な蓋体10によって閉止している。なお、截頭円錐形状の傾斜周壁部3aの内面には、周方向に所定間隔毎に複数状の補強リブ3cを突設している。

上記スキンプレート１は前胴部1aと後胴部1bとに２分割されていると共に後胴部1bの前端に中折れ部1cを介して前胴部1aの後端を上下左右方向に屈折自在に接続させている。11は前胴部1aの後端部と後胴部1bの前端部との内周面間に連結した中折れジャッキで、周方向に所定間隔毎に複数本、配設されている。

上記隔壁２は、前後方向に小間隔を存して配設されてその外周端面を前胴部1aの後端部内周面に溶接等によって一体に固着している円環形状の前側隔壁2aと後側隔壁2bとからなり、前側隔離2aの前面と上記アウターコーン５の円環形状の後面板5aとの間の空間部によって内径方向に開口した円周溝からなる上記土砂排出室７を形成してあり、この土砂排出室７に上記インナーコーン３の後端大径周壁部3bの外周面から外方に向かって突設している棒状の攪拌部材12を突入させている。また、インナーコーン３の傾斜周壁部3bの外周面の一部分から外方に向かって土砂取込室６内の泥土を攪拌する攪拌板13を突設している。なお、この攪拌板13はカッタヘッド４の後面に後方に向かって突設しておいてもよい。

さらに、隔壁２における後側隔壁2bの内径を前側隔壁2aの内径よりも小径に形成してその内周部を前側隔壁1aの内周端から内方に突出させていると共に該突出端から前方に向かって短筒形状の周壁部2cを一体に設けてあり、この周壁部2cの前端部とこの前端部に対向する上記前側隔壁2aの下端部とによって形成した環状の空間部に軸受け14を介して上記インナーコーン３の大径周壁部3bの後端に固着したリング部材15を回転自在に支持させている。このリング部材15の後端面にはリング形状の外歯車16を一体に設けてあり、上記隔壁２における後側隔壁2bの後面に、図３に示すように周方向に間隔を存して数台（図においては４台）の駆動モータ17を配設、固定してこれらの駆動モータ17の回転軸を前後隔壁2a、2b間に突出させ、その突出端に固着した小歯車18を上記外歯車16に噛合させることにより、これらの駆動モータ17と外歯車16、小歯車18とによってインナーコーン３の回転駆動機構を構成している。

上記隔壁２から後方側の機内には、発進立坑側から配管した送排泥管19、20が配設されてあり、送泥管19はその前端を上記土砂排出室７の上部内に連通させている一方、排泥管20はその前端を土砂排出室７の下端部内に連通させてあり、送泥管19から土砂排出室７に泥水を供給、充満させて掘削土砂と混合させ、この掘削土砂を泥水と共に排泥管20を通じて後方に排出して発進立坑から地上に設置した分離槽（図示せず）内で掘削土砂を泥水から分離させ、泥水を再び送泥管19に供給するように構成している。

また、隔壁２の後方側において送泥管19から別な送泥管19a を分岐させ、この分岐送泥管19a を上記インナーコーン３の中空内部８内を通じてその前端をカッタヘッド４の回転中心部の後面に装着したロータリージョイント21に接続し、カッタヘッド４の中心部に貫通状態で設けている切羽面に向かって開口した泥水注入口22にこの分岐送泥管19a を連通させている。

礫地盤掘削用のカッタヘッド４は、その回転中心部を上記インナーコーン３の小径前端部に一体に固着してあり、該回転中心部から図２に示すようにスキンプレート１の半径方向に向かって複数本（図においては４本）のスポーク4aを放射状に突設して隣接するスポーク4a、4a間に土砂取込室６に連通した土砂取込口4eを設けていると共に、スポーク4aの互いに平行な側端縁に該スポークの長さ方向に所定間隔毎に複数個の土砂掘削用ビット4bを前方に向かって突設してあり、さらに、これらのスポーク4aに算盤玉形状の砂礫地盤掘削用ビット4cを互いに回転軌跡が重複しないように配設している。このような砂礫地盤掘削用ビット4cは、各スポーク4a以外にカッタヘッド４の外周部四方にも設けられていると共にカッタヘッド４の前面中央部には前方に向かってセンタービット4dを突設している。

このように構成したトンネル掘削機は発進立坑内に設置され、その後胴部1bの後端に一定長さの管体Ｐを接続してその管体Ｐの後端面を複数本の推進ジャッキによって押し進めると共に回転駆動機構によってカッタヘッド４をインナーコーン３と一体的に回転させて切羽地盤を掘削させることによりトンネルを掘進し、管長に応じた一定長さのトンネルが掘削されると、次の管体Ｐを後続させたのちさらにトンネルを掘進し、これを繰り返すことによって管体列からなる管路を形成していく。

カッタヘッド４によって掘削された土砂は、土砂取込口4eを通じてインナーコーン３とアウターコーン５との間の空間部によって形成された土砂取込室６内に取り込まれ、カッタヘッド４と一体に回転する攪拌板13によってこの掘削土砂が送泥管19を通じて土砂排出室７から該土砂取込室６内に供給、充満している泥水と攪拌、混合されて泥土化し、土砂取込室６から通路6aを通じて土砂排出室７内に流動してこの土砂排出室７内でさらにインナーコーン３の後端部に突設している棒状の攪拌部材12により均一に攪乱されながらこの土砂排出室７から排泥管20を通じて後方に排出される。

また、大塊土からなる礫が土砂取込室６内に取り込まれた場合には、インナーコーン３とアウターコーン５とによって破砕することにより泥土化させ、掘削土砂と共に土砂排出室７内に排泥管20を通じて排出される。なお、カッタヘッド４によって掘削される切羽は上記土砂取込室６内の泥水化した泥水圧によって抑えられて該切羽地盤が崩壊するのを防止されている。

次に、トンネル掘削中において、カッタヘッド４によって掘削が困難な障害物が存在してこれを撤去する必要が生じた場合やインナーコーン３とアウターコーン５とからなる礫破砕手段等の保守、点検を行う場合、或いは、カッタヘッド４のビット交換等を行う必要が生じた場合には、土砂取込室６や土砂排出室７内の泥水を排除したのち、作業員が機内側からインナーコーン３の中空内部８内に入り、このインナーコーン３の傾斜周壁部3aに設けているマンホール９を密閉した蓋体10をインナーコーン３内から開放し、マンホール９を通じて土砂取込室６内に侵入することにより、上記切羽の点検や障害物の排除作業その他の保守、点検やビット交換作業等を行うものである。この際、予め、カッタヘッド４を所望角度だけ回動させてマンホール９の開口方向を作業や出入りがし易い方向に向けておくことが望ましい。

なお、以上の実施の形態において、前端にカッタヘッド４を一体に設けているインナーコーン３の回転駆動機構として、このインナーコーン３の後端に外歯車16を固着し、この外歯車16に駆動モータ17の回転軸に固着している小歯車18を噛合させているが、インナーコーン３の後端部内周面に内歯車（図示せず）を一体に設け、この内歯車に上記駆動モータ17の回転軸に固着している小歯車18を噛合させた構造としておいてもよい。

トンネル掘削機の縦断側面図。そのカッタヘッドの正面図。隔壁を後方からみた背面図。

符号の説明

１スキンプレート
２隔壁
３インナーコーン
４カッタヘッド
５アウターコーン
６土砂取込室
７土砂排出室
９マンホール
10 蓋体
12 攪拌部材
19 送泥管
20 排泥管

Claims

筒状のスキンプレートの前端開口部から後方の内周面に固定している隔壁に後端部を回転自在に支持されていると共にその後端部から前端に向かって徐々に小径に形成しているインナーコーンと、このインナーコーンの前端に取付けられたカッタヘッドと、インナーコーンの外周面と対向した上記スキンプレートの前端部内周面に取付けられ、且つ、後端から前端に向かって徐々に大径に形成しているアウターコーンとを有し、上記インナーコーンを隔壁の後面側に配設した回転駆動機構によって回転させることによってカッタヘッドにより掘削された土砂をアウターコーンとインナーコーンとの対向面間の楔状空間部によって形成された土砂取込室に取り込んでこれらのインナーコーンとアウターコーンとにより土砂中の礫を破砕するように構成したトンネル掘削機において、上記インナーコーンを隔壁後方側から該インナーコーン内に出入り可能な中空に形成していると共に該インナーコーンの傾斜周壁部にこの中空内から上記土砂取込室に連通したマンホールを設け、このマンホールを蓋体によって開閉自在に閉止していることを特徴とするトンネル掘削機。
隔壁に回転自在に支持されたインナーコーンの大径後端部を後方に向かって全面的に開口させて作業員の出入口に形成していると共にこの後端部に歯車を一体に設けてあり、さらに、隔壁の後面外周部に数台の駆動モータを配設してこれらの駆動モータの回転軸に固着した小歯車を上記歯車に噛合させて駆動モータの作動によりカッタヘッドをインナーコーンと共に回転させるように構成し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。
アウターコーンの後端面と隔壁との間に土砂排出室を設けてあり、この土砂排出室に隔壁後方側に配設した送排泥管を連通させていると共に、インナーコーンの後端部外周面から外方に突設している攪拌部材を上記土砂排出室内に突出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。
カッタヘッドの中心部に切羽面に向かって開口した泥水注入口を設け、この泥水注入口に隔壁後方側からインナーコーン内に配設している送泥管の先端をロータリージョイントを介して連結、連通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。