JP2013204222A - トンネル掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】ローラカッターフレームとバイトカッターフレームの何れか一方の前後方向位置を切換え可能に構成することにより、１つのトンネル掘進機で硬軟の両地山の掘削を可能とする。
【解決手段】トンネル掘進機において、前記カッターヘッドは、複数のローラカッターを装備したローラカッターフレームと、複数のバイトカッターを装備したバイトカッターフレームとを備え、ローラカッターフレームとバイトカッターフレームの一方を前記カッタードラムに固定的に連結する固定連結機構と、前記ローラカッターフレームとバイトカッターフレームの他方を、その複数のカッターにより切羽を掘削する前進位置と、前記一方の複数のカッターにより切羽を掘削するように前記前進位置よりも後退させた後退位置とに亙って位置切換え可能に前記カッタードラムに連結する可動連結機構と、前記他方を前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段とを設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、トンネル掘進機に関し、特に第１カッターを装備した第１カッターフレームと、第１カッターとは異なる第２カッターを装備した第２カッターフレームとを備え、
第１カッターフレームをカッタードラムに固定的に連結し、第２カッターフレームを前進位置と後退位置とに切換え可能にカッタードラムに連結して、岩盤等の硬質地層では第１カッター（複数のローラカッター）で掘削し、軟弱地層では第２カッター（複数のバイトカッター）で掘削するようにしたトンネル掘進機に関する。

トンネル掘進機は、胴部材の前端側にカッターヘッドを有し、カッターヘッド回転させながら胴部材をシールドジャッキにより前進駆動することで切羽の掘削を行うようになっている。地層に軟弱地層と岩盤層とが混在するケースが多くある。また、軟弱地層の掘削中に大きな岩石や鉄筋コンクリート等に遭遇する場合もある。このような場合、バイトカッターを装備したトンネル掘進機と、ローラカッターを装備したトンネル掘進機とを切換えて掘削するか、１台のトンネル掘進機のカッターヘッドの全部又は一部のカッターをバイトカッターからローラカッターへ又はその反対に交換することにより対処している。岩盤掘削用のローラカッターは軟弱地層においてカッターが回転せずに偏摩耗するため、軟弱地層の掘削に適していない。

特許文献１に記載のシールド掘進機においては、複数のバイトカッターを装備したカッターヘッドの中央部分に、複数のローラカッターを装備した副カッターヘッドを設け、その外径側に複数のローラカッターを装備した４つの小径の補助カッターヘッドを設け、上記の副カッターヘッドと４つの補助カッターヘッドを、それらのカッター先端部が面板よりも所定距離前進した前進位置と、それらのカッター先端部がカッターヘッドの面板と面一になる位置まで後退させた後退位置とに切換える進退駆動手段を夫々設け、前記カッターヘッドに、副カッターヘッド用の回転駆動手段と、補助カッターヘッド用の４組の回転駆動手段を設けている。

通常時には、副カッターヘッドと補助カッターヘッドを後退位置に保持して掘削を行い、パイプ等の障害物に遭遇した場合に、副カッターヘッドと補助カッターヘッドを前進位置に切換えて、ローラカッターにより障害物を破壊し、その後再び副カッターヘッドと補助カッターヘッドを後退位置に切換えて、バイトカッターによる掘削へ復帰する。

特開平８−１８９２９４号公報

特許文献１に記載されたシールド掘進機においては、カッターヘッドに、１組の副カッターヘッドと４組の補助カッターヘッドとを設けるため、カッターヘッドの構造が複雑化する。また、４組の補助カッターヘッドを面板に支持する構造であるため面板の剛性を通常の面板よりも高める必要がある。しかも、１組の副カッターヘッドと４組の補助カッターヘッドを夫々回転させる回転駆動手段（油圧モータ又は電動モータ）に油圧や電力を、スイベルジョントを介して供給する動力供給系統の数も多くなるため動力供給系が複雑化する。

また、４組の小径の補助カッターヘッドは、短時間の間はパイプや岩石等を掘削できるにしても、岩盤層等の硬質地層を連続掘削するのに適したものではなく、副カッターヘッドと補助カッターヘッドはあくまで補助的なものに過ぎず、このシールド掘進機は主としてバイトカッターで掘削することを前提にしたものである。

本発明の目的は、ローラカッターフレームとバイトカッターフレームとを夫々カッタードラムに連結して支持可能にすること、何れか一方のカッターフレームの位置を前進位置と後退とに切換えて、ローラカッターで掘削する状態とバイトカッターで掘削する状態とに適宜切換え可能にすることである。

請求項１のトンネル掘進機は、胴部材の前端側に配置されたカッターヘッドと、機内とチャンバーを仕切る隔壁に回転自在に装着されたカッタードラムと、このカッタードラムを介してカッターヘッドを回転駆動するカッター回転駆動手段とを有するトンネル掘進機において、前記カッターヘッドは、第１カッターを装備した第１カッターフレームと、前記第１カッターとは異なる第２カッターを装備した第２カッターフレームとを備え、前記第１カッターフレームを前記カッタードラムに固定的に連結する固定連結機構と、前記第２カッターフレームを、前記第２カッターにより切羽を掘削する前進位置と、前記第１カッターにより切羽を掘削するように前記前進位置よりも後退させた後退位置とに亙って位置切換え可能に前記カッタードラムに連結する可動連結機構と、前記第２カッターフレームを前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段とを備えたことを特徴としている。

請求項２のトンネル掘進機は、請求項１の発明おいて、前記前進位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも切羽側に位置し、前記後退位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも反切羽側に位置することを特徴としている。
請求項３のトンネル掘進機は、請求項１の発明において、前記第１カッターが複数のローラカッターであり、前記第２カッターが複数のバイトカッターであることを特徴としている。

請求項４のトンネル掘進機は、請求項３の発明において、前記第１カッターフレームは、前記カッターヘッドの軸心に対して放射方向へ延びる複数の第１カッタースポークを有し、前記第２カッターフレームは、前記軸心に対して放射方向へ延びる複数の第２カッタースポークを有することを特徴としている。
請求項５のトンネル掘進機は、請求項４の発明において、前記複数の第１カッタースポークの前記軸心側内端部は一体的に連結されていることを特徴としている。

請求項６のトンネル掘進機は、請求項４の発明において、前記複数の第２カッタースポークの前記軸心側内端部を一体的に連結する環状部材を有することを特徴としている。
請求項７のトンネル掘進機は、請求項４の発明において、前記複数の第２カッタースポークは、前記軸心側において分断されていることを特徴としている。

請求項８のトンネル掘進機は、請求項６の発明において、前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であって前記カッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、前記複数の第２カッタースポークに夫々固定された前記軸心と平行な複数の第１筒体と、これら複数の第１筒体に摺動自在に夫々挿入され且つ後端部が前記複数の支持部材に固定された複数の第２筒体とを有することを特徴としている。

請求項９のトンネル掘進機は、請求項７の発明において、前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であってカッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、前記複数の第２カッタースポークを対応する前記支持部材に夫々連結する複数の平行リンク機構とを有することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、前記カッターヘッドは、第１カッターを装備した第１カッターフレームと、前記第１カッターとは異なる第２カッターを装備した第２カッターフレームとを備えており、第１カッターフレームが固定連結機構によりカッタードラムに固定的に連結され、第２カッターフレームが切換え駆動手段により、第２カッターで切羽を掘削する前進位置と、第１カッターで切羽を掘削するように前進位置よりも後退させた後退位置とに亙って切換えられる。従って、第１カッターで掘削する状態と第２カッターで掘削する状態とに適宜切換えることができる。

第２カッターによる掘削が適した地層を掘削する際には、第２カッターフレームを前進位置に保持して第２カッターにより切羽の掘削を行い、第１カッターによる掘削が適した地層を掘削する際には、第２カッターフレームを後退位置に切換えて、第１カッターにより切羽の掘削を行なう。例えば、第１カッターが岩盤等の硬質地層の掘削に適したローラカッターであり、第２カッターが軟弱地層の掘削に適したバイトカッターである場合、軟弱地層を掘削する際には、第２カッターフレームを前進位置に切換えて第２カッター（複数のバイトカッター）で掘削し、岩盤等の硬質地層を掘削する際には第２カッターフレームを後退位置に切換えて第１カッター（複数のローラカッター）で掘削することができる。

また、前記第１カッターフレームをカッタードラムに固定的に連結する固定連結機構と、第２カッターフレームを前進位置と後退位置に切換え可能にカッタードラムに位置切換え可能に連結する可動連結機構を設けたので、両方のカッターフレームをカッタードラムに連結して支持できるから、それらを支持する支持剛性を確保することができる。
また、両方のカッターフレームをカッター回転駆動手段で回転駆動するため、カッターヘッドの構造が複雑化することがなく、カッターヘッドにスイベルジョンイトを介して油圧や電力を供給する動力供給系が複雑化することがない。

また、両方のカッターフレームをカッター回転駆動手段によりカッタードラムを介して回転駆動する構成にし、前記第２カッターフレームを前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段を設けたので、カッターヘッドの第１，第２カッターを何ら交換することなく、軟弱地層を第１，第２カッターの一方で連続的に掘削し、また硬質地層を第１，第２カッターの他方で連続的に掘削できるため、軟弱地層と硬質地層が入り交じった複合的な地層を連続的に能率的に掘削することができる。

請求項２の発明によれば、前記前進位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも切羽側に位置するため第２カッターで掘削でき、前記後退位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも反切羽側に位置するため、第１カッターで掘削できる。

請求項３の発明によれば、第１カッターが複数のローラカッターであり、第２カッターが複数のバイトカッターである。それ故、岩盤等の硬質地層の掘削に適したローラカッターで掘削する状態と、軟弱地層の掘削に適したバイトカッターで掘削する状態とに適宜切換えて掘削することができる。
しかも、掘削時に後方向きの大荷重が作用する方のカッターフレームを第1カッターフレームとすることにより、第１カッターフレーム（ローラカッターフレーム）を固定連結機構によりカッタードラムに強固に連結することができる。

請求項４の発明によれば、前記第１カッターフレームは、前記カッターヘッドの軸心に対して放射方向へ延び且つ軸心側において一体的に連結された複数の第１カッタースポークを有し、第２カッターフレームは前記軸心に対して放射方向へ延びる複数の第２カッタースポークを有するため、第１，第２カッターで掘削する際の高い掘削能力を確保することができる。

請求項５の発明によれば、前記複数の第１カッタースポークの前記軸心側内端部は一体的に連結されているため、第１カッターフレームの一体性を高めることができる。
請求項６の発明によれば、前記複数の第２カッタースポークの前記軸心側内端部を一体的に連結する環状部材を有するため、第２カッターフレームの一体性を高めることができる。

請求項７の発明によれば、前記複数の第２カッタースポークは、前記軸心側において分断されているため、第２カッタースポークを個別に前進位置と後退位置とに亙って切換えるような可動連結機構を採用することが可能になる。

請求項８の発明によれば、前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であって前記カッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、複数の第２カッタースポークに夫々固定された前記軸心と平行な複数の第１筒体と、これら複数の第１筒体に摺動自在に夫々挿入され且つ後端部が前記複数の支持部材に固定された複数の第２筒体とを有するため、前記可動連結機構の構造を簡単化することができる。しかも、第１，第２筒体の内部に、切換え駆動手段としての油圧シリンダを組み込むことも可能になる。

請求項９の発明によれば、前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であってカッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、複数の第２カッタースポークを対応する前記支持部材に夫々連結する複数の平行リンク機構とを有するため、第２カッタースポークを後退位置に切換える際に、後方且つ軸心側
へ移動させるように構成して、第２カッタースポークとカッターヘッドの外周リングとの干渉を防止することができる。

本発明の実施例１に係るトンネル掘進機の縦断面図である。 トンネル掘進機の正面図である。 図２のIII−III線断面図である。 図３の要部拡大図である。 バイトカッタースポークを後退位置にした状態の図３の要部拡大図である。 バイトカッターと平行リンク機構の要部断面図である。 実施例２に係るトンネル掘進機の正面図である。 図７のトンネル掘進機の図３相当図である。 図７のトンネル掘進機における図４相当図である。 図７のトンネル掘進機における図５相当図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

図１〜図３に示すように、本実施例に係るトンネル掘進機ＳＭは、カッターヘッド１のカッターを着脱交換することなく、土砂や礫等の軟弱地層を複数のバイトカッター２３で掘削する状態と、大きな岩石や岩盤等の硬質地層を複数のローラカッター２１で掘削する状態とに適宜切換え可能なトンネル掘進機である。

最初に、トンネル掘進機ＳＭの全体の構造と機構類について説明する。
このトンネル掘進機ＳＭは、円筒状の胴部材２と、この胴部材２の前端側に配置されたカッターヘッド１と、カッターヘッド１の後側のチャンバー３の後端を仕切る隔壁４と、この隔壁４に回転自在に装着されたカッタードラム５と、このカッタードラム５を介してカッターヘッド１を回転駆動するカッター回転駆動機構６と、複数のシールドジャッキ７と、掘削した土砂や岩石片を排出する排土装置８と、トンネル内面をセグメントＳで覆工するエレクタ９と、後部作業デッキ１０などを備えている。前記胴部材２、カッターヘッド１、隔壁４、カッタードラム５などは鋼製のものである。

前記胴部材２は、前胴部材２ａと中胴部材２ｂと後胴部材２ｃとを有し、前胴部材２ａの後端部と中胴部材２ｂの前端部を中折れ可能に連結する第１中折れ機構１１と、中胴部材２ｂの後端部と後胴部材２ｃの前端部を中折れ可能に連結する第２中折れ機構１２も設けられている。第１中折れ機構１１は複数の中折れジャッキ１１ａを有し、第２中折れ機構１２は複数の中折れジャッキ１２ａを有する。中胴部材２ｂには複数のグリッパー１３も装備され、後胴部材２ｃの後端部分にはテールシールも装備されている。尚、チャンバー３内へ作業者が出入りする為のマンロック１４ａ〜１４ｃも設けてある。

次に、カッタードラム５とカッター回転駆動機構６について説明する。
図１、図３に示すように、環状のカッタードラム５は、隔壁４に形成した環状穴の内周側と外周側とに夫々固定されて後方へ突出する内側筒部材１５と外側筒部材１６の間に、シール兼潤滑部を介して回転自在に装着され、カッタードラム５の前端部がチャンバー３内へ突出し、その前端にカッターヘッド１を連結するための環状板５ａが固定されている。

カッター回転駆動機構６は、カッタードラム５の後端に固定され且つ内歯ギヤ１７ａを有するリングギヤ部材１７と、外側筒部材１６とこれに固定した環状板１８にリングギヤ部材１７を旋回自在に支持する旋回ベアリング（図示略）と、リングギヤ部材１７の内歯ギヤ１７ａに噛合したピニオン１９ａとこのピニオン１９ａを回転駆動する回転駆動機１９（電動モータ又は油圧モータ）とからなる複数の回転駆動ユニット２０とを備えている。尚、カッター回転駆動機構６は一般的なカッター回転駆動機構と同様のものである。

次に、前記カッターヘッド１について説明する。
図１〜図３に示すように、前記カッターヘッド１は、複数のローラカッター２１を装備したローラカッターフレーム２２と、複数のバイトカッター２３を装備したバイトカッターフレーム２４と、外周リング２５と、複数の面板部材２６とを備えている。ローラカッターフレーム２２とそれに隣接する面板部材２６の間には、土砂や岩石片をチャンバー３内へ取り込む開口部２７が形成されている。同様に、バイトカッターフレーム２４とそれに隣接する面板部材２６の間には、土砂や岩石片をチャンバー３内へ取り込む開口部２８が形成されている。尚、カッターヘッド１には、チャンバー３内に突出する複数の攪拌棒１ａ，１ｂが設けられ、隔壁４にはチャンバー３内に突出する複数の攪拌棒４ａが設けられている。

尚、複数のローラカッター２１が「第１カッター」に相当し、複数のバイトカッターが「第２カッター」に相当し、ローラカッターフレーム２２が「第１カッターフレーム」に相当し、バイトカッターフレーム２４が「第２カッターフレーム」に相当する。

最初に、前記ローラカッターフレーム２２について説明する。
前記ローラカッターフレーム２２は、カッターヘッド１の軸心に対して放射方向（半径方向）へ延びる例えば４本のローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄを有し、これらローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄは正面視にて十文字状に配置され、４本のローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの前記軸心側内端部は一体的に連結されている。尚、ローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの各々が「第１カッタースポーク」に相当する。

４本のローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの外周側部分の前面は湾曲状に形成されている。ローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの各々には、例えば５つのローラカッター２１がその中心軸を放射方向向きにして装着されており、各ローラカッター２１が交換可能に装着されている。但し、カッターヘッド１の軸心近傍のローラカッター２１と外周リング２５の近傍のローラカッター２１は中心軸を傾斜させた状態に装着されている。

尚、ローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの数は４本に限定されるものではなく、複数であればよい。また、ローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの各々に装備されるローラカッター２１の数も５つに限るものではなく、カッターヘッド１の半径の大きさに応じた複数のローラカッター２１が装着される。そして、カッターヘッド１が１回転するとき、切羽の全面を確実に掘削できるように、複数のローラカッター２１の軸心からの半径方向位置が適切に設定されている。

１対のローラカッタースポーク２２ａ，２２ｃの周方向幅は一定であり、これらローラカッタースポーク２２ａ，２２ｃは、一定間隔あけて平行に対向させた連続した１対のスポーク板３０と面板３１とで構成されている。１対のスポーク板３０の径方向途中部には後方へ突出する連結部３０ａが形成され、１対の連結部３０ａの後端に連結板３０ｂが固定されている。尚、各ローラカッター２１は面板３１に形成した開口部３１ａに配置され、スポーク板３０に固定された装着部（図示略）に回転自在に且つ交換可能に装着されている。

１対のローラカッタースポーク２２ｂ，２２ｄの各々の周方向幅は、放射方向外側（半径拡大側）に向ってが徐々に拡大している。ローラカッタースポーク２２ｂ，２２ｄの各々は、ローラカッタースポーク２２ａ，２２ｃと同様に、１対のスポーク板３０と面板３１とで構成されている。１対のスポーク板３０には、前記連結部３０ａと同様の連結部（図示略）が形成され、１対の連結部の後端に連結板（図示略）が固定されている。尚、各ローラカッター２１は面板３１に形成した開口部３１ａに配置され、スポーク板３０に固定された装着部（図示略）に回転自在に装着されている。

次に、ローラカッターフレーム２２とバイトカッターフレーム２４の一方（本実施例ではローラカッターフレーム２２）を、カッタードラム５に固定的に連結する固定連結機構３４について説明する。図１に示すように、４つのローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄに対応する部位において、前記カッタードラム５の環状板５ａの前面には前方へ所定長さ延びる４つの角筒部材３５であって前端にフランジ板３５ａを有する角筒部材３５が固定されている。各ローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄの連結部３０ａの後端に固定された連結板３０ｂが対応する角筒部材３５のフランジ板３５ａの前面に当接され、溶接又はボルト等により固定されている。

次に、バイトカッターフレーム２４について説明する。
図２〜図５に示すように、バイトカッターフレーム２４は、カッターヘッド１の軸心に対して放射方向へ延びる４本の同じ構造のバイトカッタースポーク２４ａを有し、これらバイトカッタースポーク２４ａは周方向に隣接するローラカッターフレーム２２ａ〜２２ｄの間の中間位置に配設されている。４本のバイトカッタースポーク２４ａは、前記軸心側において互いに分断され、ローラカッターフレーム２２と干渉しないように構成してある。尚、バイトカッタースポーク２４ａが「第２カッタースポーク」に相当する。

各バイトカッタースポーク２４ａは径方向と前後方向に夫々所定距離可動に構成されている。各バイトカッタースポーク２４ａの外周側部分の前面は湾曲状に形成されている。 各バイトカッタースポーク２４ａには径方向に小間隔おきに前後方向に細長い複数組（例えば１２組）のバイトカッター２３が固定されている。尚、バイトカッタースポーク２４ａの数は４本に限らず複数であればよく、バイトカッター２３の数は１２組に限らず、カッターヘッド１の半径の大きさに応じた複数組のバイトカッター２３が設けられる。

図２〜図５に示すように、各バイトカッタースポーク２４ａは、所定の前後幅の１枚の板部材で構成されている。各組の１対のバイトカッター２３は、そのバイト部２３ａをバイトカッタースポーク２４ａの前端よりも前方へ突出させ且つバイトカッタースポーク２４ａを挟んで両面に当接させた状態で、１対のバイトカッター２３とバイトカッタースポーク２４ａに圧入により貫通させた複数（例えば、６本）のピン部材２３ｂにより、バイトカッタースポーク２４ａに固定されている。尚、通常は固定部材としてボルト・ナットが使用されるが、本実施形態ではピン部材２３ｂが使用されている。１対のバイトカッター２３のバイト部２３ａは、互いに反対側へ尖った鋭角的な形状に形成されている。

次に、 前記バイトカッターフレーム２４を、その複数のバイトカッター２３により切羽を掘削する前進位置と、前記ローラカッターフレーム２２の複数のローラカッター２１により切羽を掘削するように前記前進位置よりも後退させた後退位置とに亙って位置切換え可能に前記カッタードラム５に連結する可動連結機構３６について説明する。

図４、図５に示すように、 前記可動連結機構３６は、４つのバイトカッタースポーク２４ａを、夫々前進位置と後退位置とに切換え可能な４組の可動連結機構部３６Ａを有する。可動連結機構部３６Ａは、バイトカッタースポーク２４と平行な１対の支持板３８と、これら支持板３８の後部に形成した連結部３８ａの後端に固定された連結板３８ｂと、カッタードラム５の前端の環状板５ａに固定された角筒部材３９と、１対の支持板３８の両端部をバイトカッタースポーク２４ａに連結する平行リンク機構３７とを備えている。

平行リンク機構３７は、第１，第２リンク部３７ａ，３７ｂとを備えている。１対の支持板３８の連結部３８ａの連結板３８ｂを角筒部材３９の前端のフランジ板３９ａに溶接又はボルト等で固定し、１対の支持板３８をカッタードラム５に固定している。尚、１対の支持板３８と角筒部材３９とが支持部材に相当する。

１対の支持板３８の前部はバイトカッタースポーク２４ａの後部の両面に摺動自在に当接している。第１リンク部３７ａは、１対の支持板３８の内側端部をバイトカッタースポーク２４ａに連結し、第２リンク部３７ｂは１対の支持板３８の外側端部をバイトカッタースポーク２４ａに連結している。第１，第２リンク部３７ａ，３７ｂは、前後方向に細長い１対のリンク部材４０を夫々備えている。

図６に示すように、第１リンク部３７ａの前端部分は、バイトカッタースポーク２４ａとその両側の１対の環状スペーサ４１とその両側の１対のリンク部材４０ に貫通させたピン部材４２によりバイトカッタースポーク２４ａに回動自在に連結されている。第２リンク部３７ｂの前端部分も第１リンク部３７ａと同様にバイトカッタースポーク２４ａに回動自在に連結されている。

第１リンク部３７ａの後端部分は、環状スペーサ４３とその両側の１対の支持板３８とその両側の１対のリンク部材４０に貫通させたピン部材４４により１対の支持板３８に回動自在に連結されている。第２リンク部３７ｂの後端部分も第１リンク部３７ａと同様に１対の支持板３８に回動自在に連結されている。尚、第１リンク部３７ａの近傍において、１対の支持板３８の後端部の間には環状スペーサ４３の後端に当接する連結部材４５が固定され、第２リンク部３７ｂの近傍において、１対の支持板３８の後端部の間には環状スペーサ４３の後端に当接する連結部材４６が固定されている。

バイトカッターフレーム２４を前進位置と後退位置とに切換える切換え駆動手段４９は、４つのバイトカッタースポーク２４ａを前進位置と後退位置とに夫々切換える４つの油圧シリンダ４７を備えている。油圧シリンダ４７のピストンロッド４７ａの前端部は、バイトカッタースポーク２４ａの内側端部近傍部に回動可能に連結され、油圧シリンダ４７のシリンダ本体の長さ方向途中部に固定した１対のピン４７ｂが平行な１対の連結板４８に回動自在に支持され、１対の連結板４８の後端部は、チャンバー３内の中央部に位置するヘッダー部材３３ａであってカッターヘッド１と一体的に回転するヘッダー部材３３ａに固定されている。ヘッダー部材３３ａは、スイベルジョイト３３に相対回転自在に連結されている。

図４に示すように、油圧シリンダ４７のピストンロッド４７ａを伸長させて、バイトカッタースポーク２４ａを前進位置に切換えた状態では、平行リンク機構３７のリンク部材４０が前記軸心と平行方向向きになり、複数のバイトカッター２３の刃先からなる掘削面Ａが複数のローラカッター２１の刃先からなる掘削面Ｂよりも所定距離（例えば、４０ｍｍ）だけ前方に位置し、バイトカッターフレーム２４の複数のバイトカッター２３により切羽を掘削可能になる。

図５に示すように、油圧シリンダ４７のピストンロッド４７ａを収縮させると、バイトカッタースポーク２４ａが平行リンク機構３７を介して後方且つ軸心側へ移動して、バイトカッタースポーク２４ａが後退位置に切換わる。バイトカッタースポーク２４ａを後退位置に切換えた状態では、平行リンク機構３７のリンク部材４０が前記軸心に対して傾斜状態（図５に示すθが約５０°）になり、複数のバイトカッター２３の刃先からなる掘削面Ｃが複数のローラカッター２１の刃先からなる掘削面Ｂよりも所定距離（例えば、４０ｍｍ）だけ後方（反切羽側）に位置し、ローラカッターフレーム２２の複数のローラカッター２１により切羽を掘削可能になる。

バイトカッタースポーク２４ａには、第１，第２リンク部３７ａ，３７ｂに対応する切欠部５０と、この切欠部５０の内側へ延びる傾斜端部５１が形成されており、バイトカッタースポーク２４ａが前進位置になったとき、傾斜端部５１が環状スペーサ４３に当接して、平行リンク機構３７のリンク部材４０の姿勢が安定し且つバイトカッタースポーク２４ａから環状スペーサ４３にも荷重が伝達する係合状態になる。バイトカッタースポーク２４ａが後退位置になったとき、環状スペーサ４３が切欠部５０に係合する。

次に、上記のトンネル掘進機ＳＭの作用、効果について説明する。
前記カッターヘッド１は、複数のローラカッター２１を装備したローラカッターフレーム２２と、複数のバイトカッター２３を装備したバイトカッターフレーム２４とを備え、ローラカッターフレーム２２とバイトカッターフレーム２４の一方（本実施例では、ローラカッターフレーム２２）を固定連結機構３４によりカッタードラム５に固定的に連結し、ローラカッターフレーム２２とバイトカッターフレーム２４の他方（本実施例では、バイトカッターフレーム２４）を可動連結機構３６により前進位置と後退位置とに切換え可能にカッタードラム５に連結し、軟弱地層の切羽を掘削する際には切換え駆動手段４９によりバイトカッターフレーム２４を前進位置に切換えて複数のバイトカッター２３により掘削し、岩盤等の硬質地層の切羽を掘削する際には切換え駆動手段４９によりバイトカッターフレーム２４を後退位置に切換えて複数のローラカッター２１で掘削することができる。

掘削時に後方向きの大荷重が作用するローラカッターフレーム２２を固定連結機構３４によりカッタードラム５に強固に連結する構造にしたので、ローラカッターフレーム２２をカッタードラム５に連結して支持する構造の剛性、強度の面で有利である。

バイトカッターフレーム２４を、可動連結機構４９を介してカッタードラム５に支持させる構造にしたので、掘削時にバイトカッターフレーム２４に作用する荷重をローラカッターフレーム２２で支持する必要がないから、カッターヘッド１の構造と、バイトカッターフレーム２４を支持する支持剛性確保の面で有利である。ローラカッターフレーム２２とバイトカッターフレーム２４の両方をカッタードラム５を介して共通のカッター回転駆動機構６により駆動するため、カッターヘッド１の構造が複雑化することがない。

カッターヘッド１に装備する補助的なカッターを回転駆動する回転駆動手段をカッターヘッド１に装備する必要がないため、カッターヘッド１にスイベルジョンイト３３を介して油圧や電力を供給する動力供給系が複雑化することがない。

前記バイトカッターフレーム２４を前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段４９を設け、バイトカッターフレーム２４に装備した複数のバイトカッター２３で掘削する状態と、ローラカッターフレーム２２に装備した複数のローラカッター２１で掘削する状態とに適宜切換えることができるため、カッターヘッド１のローラカッター２１やバイトカッター２３を交換することなく、軟弱地層を複数のバイトカッター２３で連続的に掘削し、また岩盤等の硬質地層を複数のローラカッター２１で連続的に掘削することができる。そのため、軟弱地層と岩盤層が入り交じった複合的な地層を連続的に能率的に掘削することができる。

前記ローラカッターフレーム２２は、前記カッターヘッド１の軸心に対して放射方向へ延び且つ軸心側において一体的に連結された４つのローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄを有するため、ローラカッターフレーム２２の一体性を確保でき、４つのローラカッタースポーク２２ａ〜２２ｄに設けた複数のローラカッター２１による高い掘削能力を確保することができる。

前記バイトカッターフレーム２４は、前記カッターヘッド１の軸心に対して放射方向へ延び且つ前記軸心側において分断された４つのバイトカッタースポーク２４ａを有するため、４つのバイトカッタースポーク２４ａに設けた複数のバイトカッター２３による高い掘削能力を確保できる。また、４つのバイトカッタースポーク２４ａを個別に前進位置と後退位置に切換え可能になる。

前記可動連結機構３６は、４つのバイトカッタースポーク２４ａに対応する４対の支持部材３８であってカッタードラム５に固定的に連結された４対の支持部材３８と、４つのバイトカッタースポーク２４ａを対応する前記支持板３８に夫々連結する４組の平行リンク機構３７とを有し、バイトカッタースポーク２４ａを後退位置に切換える際に、後方且つ軸心側へ移動させる構造にしたので、バイトカッタースポーク２４ａとカッターヘッド１の外周リング２５との干渉を防止することができる。

バイトカッターフレーム２４を前進位置に切換えた状態において、平行リンク機構３７において、バイトカッタースポーク２４ａの傾斜端部５１が支持部材３８とピン部材４４に支持された環状スペーサ４３に当接して荷重伝達するように構成してあるため、バイトカッター２３で掘削する際における、バイトカッターフレーム２４を支持する支持剛性を確保することができる。また、バイトカッタースポーク２４ａの後部が１対の支持部材３８の間に摺動自在に挟持されているため、バイトカッタースポーク２４ａの掘削時の安定性を確保することができる。

実施例２に係るトンネル掘進機ＳＭＡについて説明する。
図１、図７〜図１０に示すように、このトンネル掘進機ＳＭＡのローラカッターフレーム及びローラカッターは、実施例１のトンネル掘進機ＳＭのローラカッターフレーム２２及びローラカッター２１と同じ構造であり、カッターヘッド以外の構造も前記トンネル掘進機ＳＭと同様であるので、図１は本実施例にも適用される。このトンネル掘進機ＳＭＡは、バイトカッターフレーム２４Ａの一部と、可動連結機構５０と、切換え駆動手段５４とが実施例１と相違しているだけであるので、それらについてのみ説明し、同様の構成部材には同じ符号を付して説明を省略する。

前記バイトカッターフレーム２４Ａは、前記カッターヘッド１Ａの軸心に対して放射方向へ延びる４つのバイトカッタースポーク２４ｂと、これら４つのバイトカッタースポーク２４ｂの軸心側内端部を一体的に連結する環状部材２４ｃとを備えている。このバイトカッターフレーム２４Ａは、ローラカッターフレーム２２と干渉することなく、前進位置と後退位置とに切換え可能に構成されている。
尚、バイトカッターフレーム２４Ａが「第２カッターフレーム」に相当し、バイトカッタースポーク２４ｂが「第２カッタースポーク」に相当し、複数のバイトカッターが「第２カッター」に相当する。

バイトカッターフレーム２４Ａを前進位置にした状態では、複数のバイトカッター２３の刃先からなる掘削面Ａが複数のローラカッター２１の刃先からなる掘削面Ｂよりも所定距離（例えば、４０ｍｍ）だけ前方に位置し、バイトカッターフレーム２４Ａを後退位置にした状態では、複数のバイトカッター２３の刃先からなる掘削面Ｃが複数のローラカッター２１の刃先からなる掘削面Ｂよりも所定距離（例えば、４０ｍｍ）だけ後方に位置する。

バイトカッターフレーム２４Ａを前進位置と後退位置とに切換え可能にカッタードラム５に連結する可動連結機構５０が設けられている。この可動連結機構５０は、４つのバイトカッタースポーク２４ｂに対応するように夫々カッタードラム５に固定的に連結された４つの角筒部材５１（これが、支持部材に相当する）と、４つのバイトカッタースポーク２４ｂに夫々固定され且つカッターヘッド１Ａの軸心と平行な軸心を有する４つの第１筒体５２と、これら４つの第１筒体５２に摺動自在に夫々挿入され且つ後端部が前記４つの角筒部材５１に夫々固定された４つの第２筒体５３とを有する。

前記第１筒体５２の前端部分には半球部５２ａが形成され、第１筒体５２の前部の片側半分がバイトカッタースポーク２４ｂの片面側へ突出し、第１筒体５２の前部の他側半分がバイトカッタースポーク２４ｂの他面側へ突出している。４組の第１，第２筒体５２，５３の前記軸心と平行方向への相対的な摺動を介して、バイトカッターフレーム２４Ａが前進位置と後退位置とに亙って位置切換え可能になっている。尚、この可動連結機構５０は、バイトカッターフレーム２４Ａを前後方向に平行移動させて位置切換えする直動式の可動連結機構である。

バイトカッターフレーム２４Ａを前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段５４は、４つのバイトカッタースポーク２４ｂに対応する４つの油圧ジャッキ５５で構成されている。油圧ジャッキ５５は、第１，第２筒体５２，５３の内部に収容され、そのシリンダ本体の前端が半球部５２ａの後端面に当接し、油圧ジャッキ５５のピストンロッド５５ａの先端が角筒部材５１の前端のフランジ板５１ａに当接している。尚、油圧ジャッキ５５に前記スイベルジャイント３３を介して油圧を供給する油圧供給系も設けられている。

図９に示すように、４つの油圧ジャッキ５５のピストンロッド５５ａを伸長させると、バイトカッターフレーム２４Ａが前進位置に切換えられ、図１０に示すように４つの油圧ジャッキ５５のピストンロッド５５ａを退入させると、バイトカッターフレーム２４Ａが後退位置に切換えられる。

このトンネル掘進機ＳＭＡは基本的に前記トンネル掘進機ＳＭとほぼ同様の作用、効果を奏する。この切換え駆動手段５４では、油圧ジャッキ５５が第１，第２筒部材５２，５３の内部に収容されるため、油圧ジャッキ５５が前記チャンバー３内の土砂や岩石片で損傷しにくく、耐久性に優れる。また、４つのバイトカッタースポーク２４ａの軸心側が環状部材２４ｃで一体的に連結され、バイトカッターフレーム２４Ａを前後に平行移動させる構造であるため、可動連結機構５０と切換え駆動手段５４の構造が簡単になる。しかも、バイトカッターフレーム２４Ａの一体性が高まり、その作動安定性も高まる。

次に、前記実施例１，２を部分的に変更する例について説明する。
（１）前記実施例１，２のトンネル掘進機ＳＭ，ＳＭＡにおいては、ローラカッターフレーム２２を固定連結機構３４を介してカッタードラム５に固定し、バイトカッターフレーム２４，２４Ａを可動連結機構３６，５０を介してカッタードラム５に連結する例について説明したが、実施例２のバイトカッターフレーム２４Ａと同様のバイトカッターフレームを前記固定連結機構３４と同様の固定連結機構を介してカッタードラム５に固定し、ローラカッターフレーム２２を前記可動連結機構５０と同様の可動連結機構を介して前進位置と後退位置とに亙って切換え可能にカッタードラム５に連結してもよい。

この場合、軟弱地層を掘削する際にはローラカッターフレーム２２を後退位置に切換えて複数のバイトカッター２３により掘削し、岩盤等の硬質地層を掘削する際にはローラカッターフレーム２２を前進位置に切換えて複数のローラカッター２１で掘削する。

（２）前記バイトカッタースポーク２４ａ，２４ｂの各々を、それらと同様の２枚の板部材と、これら２枚の板部の前端に固定された面板とで構成してもよい。
（３）その他、当業者であれば、前記実施例に部分的な変更を付加して適宜実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

ＳＭ，ＳＭＡ トンネル掘進機
１，１Ａ カッターヘッド
２ 胴部材
３ チャンバー
４ 隔壁
５ カッタードラム
６ カッター回転駆動手段
２１ ローラカッター
２２ ローラカッターフレーム
２２ａ〜２２ｄ ローラカッタースポーク
２３ バイトカッター
２４，２４Ａ バイトカッターフレーム
２４ａ，２４ｂ バイトカッタースポーク
２４ｃ 環状部材
３４ 固定連結機構
３６，５０ 可動連結機構
３７ 平行リンク機構
３７ａ，３７ｂ 第１，第２リンク部
３８ 支持板
３９ 角筒部材
４９，５４ 切換え駆動手段
５２，５３ 第１，第２筒体

Claims (9)

1. 胴部材の前端側に配置されたカッターヘッドと、機内とチャンバーを仕切る隔壁に回転自在に装着されたカッタードラムと、このカッタードラムを介してカッターヘッドを回転駆動するカッター回転駆動手段とを有するトンネル掘進機において、
   前記カッターヘッドは、第１カッターを装備した第１カッターフレームと、前記第１カッターとは異なる第２カッターを装備した第２カッターフレームとを備え、
   前記第１カッターフレームを前記カッタードラムに固定的に連結する固定連結機構と、
   前記第２カッターフレームを、前記第２カッターにより切羽を掘削する前進位置と、前記第１カッターにより切羽を掘削するように前記前進位置よりも後退させた後退位置とに亙って位置切換え可能に前記カッタードラムに連結する可動連結機構と、
   前記第２カッターフレームを前進位置と後退位置とに亙って切換える切換え駆動手段とを備えたことを特徴とするトンネル掘進機。
2. 前記前進位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも切羽側に位置し、
   前記後退位置では、前記第２カッターの刃先が前記第１カッターの刃先よりも反切羽側に位置することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘進機。
3. 前記第１カッターが複数のローラカッターであり、前記第２カッターが複数のバイトカッターであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘進機。
4. 前記第１カッターフレームは、前記カッターヘッドの軸心に対して放射方向へ延びる複数の第１カッタースポークを有し、前記第２カッターフレームは、前記軸心に対して放射方向へ延びる複数の第２カッタースポークを有することを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘進機。
5. 前記複数の第１カッタースポークの前記軸心側内端部は一体的に連結されていることを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘進機。
6. 前記複数の第２カッタースポークの前記軸心側内端部を一体的に連結する環状部材を有することを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘進機。
7. 前記複数の第２カッタースポークは、前記軸心側において分断されていることを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘進機。
8. 前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であって前記カッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、前記複数の第２カッタースポークに夫々固定された前記軸心と平行な複数の第１筒体と、これら複数の第１筒体に摺動自在に夫々挿入され且つ後端部が前記複数の支持部材に固定された複数の第２筒体とを有することを特徴とする請求項６に記載のトンネル掘進機。
9. 前記可動連結機構は、前記複数の第２カッタースポークに対応する複数の支持部材であってカッタードラムに固定的に連結された複数の支持部材と、前記複数の第２カッタースポークを対応する前記支持部材に夫々連結する複数の平行リンク機構とを有することを特徴とする請求項７に記載のトンネル掘進機。