JP2013231317A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】カッタヘッド内周部の切削性の向上や泥土化を効果的に図ることができて大断面のトンネルを掘削するのに好適なトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】カッタヘッド１２を内周カッタ１２Ｂと外周カッタ１２Ａとに分割形成して各々独立した駆動モータ３７，２２で回転可能に設けると共に、カッタヘッド後方に画成されたチャンバ３３内を通る内周カッタの回転軸２５上に外周カッタ用ロータリジョイント２６を嵌装し、外周カッタ用ロータリジョイントの外周から放射状に延出した複数本の筒状フレーム５８を、内周カッタの周囲から放射状に延出した外周カッタの複数本のカッタスポーク１３にそれぞれ接続し、筒状フレーム内に少なくともカッタスポーク１３の加泥注入口４３に通じる加泥剤の供給配管を通した。
【選択図】図１

Description

本発明は、カッタヘッドを内周カッタと外周カッタとに分割形成して大断面のトンネルを掘削するのに好適なトンネル掘削機に関する。

一般に、大断面（例えばφ１６ｍ）のトンネルを掘削する大口径の泥土圧シールド掘削機等において、カッタヘッド内周部の切削性や泥土化の改善を図るのに、カッタヘッドを内周カッタと外周カッタとに分割形成する、所謂二重カッタ方式を採用するのが有効であることが知られている。この種のシールド掘削機として、例えば特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。

特許文献１は、カッタヘッドを中央小円部（内周カッタ）とその外周環部（外周カッタ）に分割形成し、両者をひとつの回転駆動手段で回動し、しかも外周環部の回転方向にかかわらず常に中央小円部の回転方向が一定になる回転動力伝達手段を設け、さらには中央小円部の回転軸を伸縮可能な二重軸構造とし、内部に油圧ジャッキを配設している。

これにより、カッタヘッドの外周環部が正逆両回転しても、中央小円部は常に一定方向に回転し、その中央小円部を常に一定土圧で保持しつつ回転する。そして、中央小円部の回転軸を油圧ジヤツキにより伸縮可能としたことにより、油圧力によって中央小円部が受ける土圧を検出でき、その検出値に応じて伸縮させることにより土圧をも制御できるとしたものである。

特許文献２は、シールド本体の前部に、駆動モータにより回転駆動されるカッタヘッドを設け、このカッタヘッドの前面には放射方向に複数のスポークを設けて、これらスポークに取り付けたカッタにより掘削された土砂を、スポーク間に開口された土砂取込み口よりチャンバ内へ取込むようにしたシールド掘進機において、上記カッタヘッドの中心部に３本スポーク形の中央切削カッタ（内周カッタ）を、そしてチャンバ内の中心部に中央アジテータを設けると共に、これら中央切削カッタ及び中央アジテータを、上記カッタヘッド（外周カッタ）の駆動モータとは別個の駆動モータで回転駆動するようにしている。

これにより、カッタヘッドの中心付近の土砂取込み性が向上すると共に、チャンバ中心付近の土砂流動性もよくなるため、掘削能率も向上するとしたものである。

特公平６−３１５４３号公報 特開平６−２４０９８８号公報

ところが、特許文献１に開示されたものにあっては、掘削時の土圧を制御して切羽安定効果が得られるが、中央小円部がひとつの回転駆動手段により外周環部内において、差動歯車機構や内，外周の爪車等からなる回転動力伝達手段を介して、外周環部の回動方向にかかわらず常に回転方向が一定になるようになっているため、駆動系が頗る繁雑となって信頼性が低くコストアップを招来すると共に、中央小円部の回転速度を上げてカッタヘッド内周部における切削性の改善を図ることができないことから、大口径の泥土圧シールド掘削機等への適用が不可能であるという問題点があった。

一方、特許文献２に開示されたものにあっては、中央切削カッタ及び中央アジテータを、カッタヘッドの駆動モータとは別個の駆動モータで回転駆動することで、土砂取込み性や土砂流動性に加えてカッタヘッド内周部における切削性の改善を図ることができるが、泥土化対策が施されていないので、大口径の泥土圧シールド掘削機等への適用が不可能であるという問題点があった。即ち、大断面（例えばφ１６ｍ）のトンネルを掘削する際には、掘削断面に均一に加泥剤を添加することが重要であり、特に、カッタヘッドの外周側へより多く添加することが求められるが、それが実現されないのである。

そこで、本発明は、カッタヘッド内周部の切削性の向上や泥土化を効果的に図ることができて大断面のトンネルを掘削するのに好適なトンネル掘削機を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
カッタヘッドを掘削機本体の前部に回転可能に支持したトンネル掘削機において、
前記カッタヘッドを内周カッタと外周カッタとに分割形成して各々独立した回転駆動手段で回転可能に設けると共に、
前記カッタヘッド後方に画成されたチャンバ内を通る内周カッタの回転軸上に外周カッタ用ロータリジョイントを嵌装し、
前記外周カッタ用ロータリジョイントの外周から放射状に延出した複数本の筒状フレームを、内周カッタの周囲から放射状に延出した外周カッタの複数本のカッタスポークにそれぞれ接続した、
ことを特徴とする。

また、
前記筒状フレームの外周に前記チャンバ内に取り込まれた土砂を撹拌する複数本の撹拌翼を取着した、
ことを特徴とする。

また、
前記内周カッタは前後方向にスライド可能に設けられる、
ことを特徴とする。

また、
前記内周カッタと外周カッタは伴に前記カッタヘッド後方にチャンバを仕切るバルクヘッドに各々独立して支持されることを特徴とする。

また、
前記内周カッタは、回転軸から放射方向に複数本のカッタスポークを設け、これらカッタスポークの前面部に取着したカッタビットにより掘削された土砂をカッタスポーク間に開口された土砂取込み口よりチャンバ内に取り込むと共に、カッタスポークの後面部にはチャンバ内に取り込まれた土砂を撹拌する複数本の撹拌翼を取着したことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機によれば、カッタヘッドを内周カッタと外周カッタとに分割形成して各々独立した回転駆動手段で回転可能に設けたので、内周カッタの回転速度を上げるなどしてカッタヘッド内周部における切削性の向上が図れると共に駆動系の簡略化により信頼性を高められると共にコストダウンが図れる。

また、内周カッタの回転軸上に嵌装された外周カッタ用ロータリジョイントの外周から放射状に延出した複数本の筒状フレームを外周カッタの複数本のカッタスポークにそれぞれ接続したので、該筒状フレーム内に少なくとも加泥剤の供給配管を通すことで、外周カッタの各カッタスポークにおける効果的な位置から加泥剤を切羽やチャンバ内に供給でき、効率良く泥土化が図れる。

これらの結果、大断面のトンネルを掘削するのに好適なトンネル掘削機が実現される。

本発明の一実施例を示す泥土圧シールド掘削機の全体構成図である。 同じく泥土圧シールド掘削機の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 同じく内周カッタの作動状態を示す泥土圧シールド掘削機の要部拡大図である。 同じくロータリジョイント部の変形例を示す泥土圧シールド掘削機の要部拡大図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す泥土圧シールド掘削機の全体構成図、図２は同じく泥土圧シールド掘削機の正面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４は同じく内周カッタの作動状態を示す泥土圧シールド掘削機の要部拡大図、図５は同じくロータリジョイント部の変形例を示す泥土圧シールド掘削機の要部拡大図である。

図１乃至図３に示すように、泥土圧シールド掘削機（トンネル掘削機）の筒状をなす掘削機本体１０のバルクヘッド１１にはカッタヘッド１２が回転自在に支持されると共に、このカッタヘッド１２は外周カッタ１２Ａとその中央に位置する内周カッタ（中央切削カッタとも謂う）１２Ｂとに同心円状に分割形成される。

前記外周カッタ１２Ａは、その回転中心から放射状をなして周方向へ複数本（図示例では長，短合せて１６本）に亘って配設されるカッタスポーク１３が中間リング１４と外周リング１５とに固定されてなる。カッタスポーク１３及び外周リング１５の前面部には多数の各種カッタビット１６が取着されている。また、周方向に等配された４本のカッタスポーク１３には、カッタヘッド１２の径方向（カッタスポーク１３の長手方向）へ油圧ジャッキ１７により伸縮（出没）可能に、コピーカッタ１８が装着される。

また、外周カッタ１２Ａは、前記中間リング１４部において、中間ビーム１９及びカッタドラム２０を介してベアリング２１により回転自在に装着される。このベアリング２１は外周カッタ１２Ａに作用する負荷の内のスラスト力とラジアル力とモーメント力の三軸方向の荷重を担持するリングギア付き三軸コロ軸受からなる。

そして、前記ベアリング２１のリングギア部２１ａには、複数個（図示例では２６個）からなる駆動モータ（回転駆動手段）２２の駆動ギア２３が噛み合っている。従って、駆動モータ２２の駆動により駆動ギア２３が回転すると、ベアリング２１のリングギア部２１ａを介して外周カッタ１２Ａが回転駆動される。このベアリング２１と駆動モータ２２はベアリングハウジング２４を介してバルクヘッド１１に支持される。

前記内周カッタ１２Ｂは、その回転軸２５が、バルクヘッド１１に円盤状フレーム５９を介して固設された外周カッタ用ロータリジョイント２６の図示しない固定リングに回転自在で且つ前後方向にスライド可能に支持されてなる。

前記ロータリジョイント２６の外周からは、略Ｌ字状の複数本の筒状フレーム５８が放射状に延出され、それらの先端部が外周カッタ１２Ａの複数本のカッタスポーク１３にそれぞれ接続されている。そして、各筒状フレーム５８内には、前記コピーカッタ１８の油圧ジャッキ１７に対し圧油を給排したり、前記カッタスポーク１３の加泥注入口４３へ加泥剤を供給したり、前記各種カッタビット１６の摩耗を検知する信号等を送信するための図示しない配管、配線が通される。尚、前記ロータリジョイント２６から掘削機本体１０側への前記配管、配線は円盤状フレーム５９と後述する支持筒部４０内を通される。

前記回転軸２５の前端には筒部２７を介してフィッシュテールカッタ２８が取着されると共に、筒部２７の外周から放射状をなして周方向へ複数本（図示例では４本）に亘ってカッタスポーク２９が配設され、それらの先端が外周リング２９ａで連結されている。カッタスポーク２９の前面部には多数の各種カッタビット３０が取着されている。

そして、周方向に等配された２本のカッタスポーク２９には、カッタヘッド１２の径方向（カッタスポーク２９の長手方向）へ油圧ジャッキ３１により伸縮（出没）可能に、コピーカッタ３２が装着される。また、カッタスポーク２９の後面部には複数本の撹拌翼３４が取着され、前記バルクヘッド１１により画成されたチャンバ３３内に取り込まれた土砂に後述する内周カッタ用ロータリジョイント４２を介して供給される加泥剤を加えて撹拌し、泥土化し得るようになっている。

一方、回転軸２５の後端には、カッタドラム３５を介してベアリング３６が連接される。このベアリング３６は内周カッタ１２Ｂに作用する負荷の内のスラスト力とラジアル力とモーメント力の三軸方向の荷重を担持するリングギア付き三軸コロ軸受からなる。

そして、前記ベアリング３６のリングギア部３６ａには、複数個（図示例では３個）からなる駆動モータ（回転駆動手段）３７の駆動ギア３８が噛み合っている。従って、駆動モータ３７の駆動により駆動ギア３８が回転すると、ベアリング３６のリングギア部３６ａを介して内周カッタ１２Ｂが回転駆動される。

前記ベアリング３６と駆動モータ３７はベアリングハウジング３９に支持され、このベアリングハウジング３９はバルクヘッド１１の支持筒部４０内を油圧式のスライドジャッキ４１により支持部材７０に反力をとって前後方向（掘進方向）にスライド可能になっている。また、支持筒部４０には、ベアリングハウジング３９が内周カッタ１２Ｂの回転反力を取りながらスライドすることができるように、図示しない回転止め付きガイドが装備されている。さらに、前記ベアリングハウジング３９には、前記コピーカッタ３２の油圧ジャッキ３１に対し圧油を給排したり、内周カッタに前述した加泥剤を供給したりするための内周カッタ用ロータリジョイント４２の図示しない固定リングが支持されている。

前記掘削機本体１０の内部には左右一対のスクリューコンベヤ４４が配設され、カッタヘッド１２で掘削された土砂をトンネルの後方へ排出可能になっている。即ち、各スクリューコンベヤ４４の前端部（取出口）がバルクヘッド１１の下部を貫通してチャンバ３３に開口すると共に、後下部に設けた排出口（ジャッキ４５駆動のゲート４６で開閉される）がトンネル内の長手方向に配設された図示しないベルトコンベア上に対向するのである。このスクリューコンベヤ４４は、後上がりに傾斜して配置された円筒管４４ａの内部に、駆動モータ４４ｂによって回転可能にスクリュー翼４４ｃが装着されてなる。

前記掘削機本体１０の内周部には、覆工部材としてトンネルの内周面に構築された（組み立てられた）既設のセグメントＳに対し伸縮し得る推進ジャッキ４７が円周方向へ所定間隔離間して多数本（図示例では５０本）配設される。また、掘削機本体１０の後端部（スキンプレート）は、テールシール４８を介して前記既設セグメントＳの外周に嵌合している。また、掘削機本体１０の後部にはリングガータ５６を介して前記セグメントＳを組み立てるエレクタ４９と後方張出台５０が組み付けられ、この後方張出台５０上に、組み立てたセグメントＳの真円保持を行うセグメントアジャスタ５１や旋回式組立足場５２が装備される。尚、図１中５３は外周カッタ１２Ａの後面部から突出した複数本の撹拌翼で、５４はバルクヘッド１１の前面部から突出した複数本の撹拌翼である。

このように構成されるため、泥土圧シールド掘削機による掘削にあたっては、先ず、全ての推進ジャッキ４７が縮んだ初期位置（図１の状態）で、駆動モータ２２及び３７を駆動してカッタヘッド１２を回転させる。つまり、外周カッタ１２Ａと内周カッタ１２Ｂを伴に回転させるのである。

次に、前記状態から全て又は任意の推進ジャッキ４７を伸ばして掘削機本体１０を１ストローク推進（前進）させる。この際、推進反力は既設セグメントＳで受ける。そして、この推進により、カッタヘッド１２に装着された多数の各種カッタビット１６及び３０が前方の地盤を掘削する。掘削された土砂は、外周カッタ１２Ａにおいてはカッタスポーク１３間に開口された土砂取込み口５５Ａから、また、内周カッタ１２Ｂにおいてはカッタスポーク２９間に開口された土砂取込み口５５Ｂからそれぞれチャンバ３３内取り込まれ、このチャンバ３３内からスクリューコンベヤ４４等によって外部に排出される。

次に、カッタヘッド１２の旋回を止めた状態で、推進ジャッキ４７を部分的に順次縮めてエレクタ４９及びセグメントアジャスタ５１によりセグメントＳを組み立てると共にその真円保持を行う。以降、前述した工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していく。

そして、上記一連の掘進下において、外周カッタ１２Ａの突出状態にあるコピーカッタ１８によりトンネルの余掘りが可能となっていると共に、内周カッタ１２Ｂの突出状態にあるコピーカッタ３２により内周カッタ１２Ｂの外周と外周カッタ１２Ａの内周との隙間が掘削可能となっているので掘削効率が高められる。

また、内周カッタ１２Ｂにおけるカッタスポーク２９の後面部には複数本の撹拌翼３４が取着されているので、筒状フレーム５８による撹拌効果と相俟って、チャンバ３３内における内周カッタ１２Ｂ付近の土砂の流動性及び泥土化が向上し、内周カッタ１２Ｂにおける前述した土砂取込み口５５Ｂからの土砂の取込み性が一段と向上する。これによって、アジテータ及びこれの駆動モータ等を用いないで済む。

また、内周カッタ１２Ｂの回転軸２５上に嵌装された外周カッタ用ロータリジョイント２６の外周から放射状に延出した複数本の筒状フレーム５８を外周カッタ１２Ａの複数本のカッタスポーク１３にそれぞれ接続して該筒状フレーム５８内に少なくとも加泥剤の供給配管を通したので、外周カッタ１２Ａの各カッタスポーク１３における効果的な位置から加泥剤を切羽やチャンバ３３内に供給でき、効率良く泥土化が図れる。これにより、大断面のトンネルを掘削するのに好適となる。

また、万が一、内周カッタ１２Ｂの駆動系が故障して回転不能になった場合は、先ず、コピーカッタ３２を一旦縮めた後、図４に示すように、スライドジャッキ４１を収縮して内周カッタ１２Ｂを外周カッタ１２Ａと面一になるまで後退させる。その後、外周カッタ１２Ａを回転させて、所定の回転位相合せ手段により、外周カッタ１２Ａの内周面（厳密にはカッタスポーク１３の内端面）に形成した係合孔５７が前記コピーカッタ３２と位相が一致したら、コピーカッタ３２を再び突出させて前記係合孔５７に挿入すれば、内周カッタ１２Ｂと外周カッタ１２Ａが連結される。これにより、内周カッタ１２Ｂと外周カッタ１２Ａは外周カッタ駆動用の駆動モータ２２により一体回転され、内周カッタ１２Ｂの空転等が未然に回避される。

また、内周カッタ１２Ｂを前方へスライドさせた状態の仮壁掘進時等において、大きな推進力が内周カッタ１２Ｂに過負荷した場合は、これをスライドジャッキ４１のストロークセンサや油圧センサ等で検知して、内周カッタ１２Ａをスライドジャッキ４１の収縮により後方へスライドさせるので、内周カッタ１２Ｂの過負荷を効果的に吸収することができ、内周カッタ１２Ｂの破損等を未然に回避できる。この際、コピーカッタ３２を突出させた状態のまま外周カッタ１２Ａの直前まで後退させても良いし、コピーカッタ３２を縮めた状態のまま内周カッタ１２Ｂを外周カッタ１２Ａと面一になるまで後退させても良い。

また、内周カッタ１２Ｂを前方へスライドさせた状態では、芯抜き効果と加泥剤撹拌向上効果により高速掘進時のトルク低減が図れる一方、内周カッタ１２Ｂを後方へスライドさせた状態では、立坑組立時の機長短縮が図れるという利点も得られる。

そして、本実施例では、内周カッタ１２Ｂと外周カッタ１２Ａを各々独立した駆動モータ２２，３７で回転させるので、特許文献１のように差動歯車機構や内，外周の爪車等からなる回転動力伝達手段を用いる場合と比べ、駆動系の簡略化により信頼性を高められると共にコストダウンが図れる。

また、内周カッタ１２Ｂの回転速度を外周カッタ１２Ａの回転速度如何に拘わらず任意に上昇させられるので、例えばφ１６ｍの大口径のカッタヘッド１２であっても、掘削効率や撹拌効率を高められ、カッタ全体のカッタトルクや電力量の低減が図れるという利点もある。

また、内周カッタ１２Ｂと外周カッタ１２Ａは伴にバルクヘッド１１に各々独立して支持されるので、特許文献１及び２のように内周カッタ部が外周カッタ部に内装されて個別駆動される場合と比べ、外周カッタ１２Ａの駆動モータ２２の負荷が、内周カッタ部の重量分だけ軽減できる利点もある。

また、図５に示すように、撹拌機能を有する複数本の筒状フレーム５８をロータリジョイント２６の前後方向中間部からそれぞれ延出して、これらの筒状フレーム５８の外周に複数本の撹拌翼５８ａを取着して、撹拌機能をより一層高めるのも好適である。この場合、筒状フレーム５８の形状、材質、剛性、強度等を考慮する必要がある。また、筒状フレーム５８の形状は、略Ｌ字状に限らず、直線形状や円弧状であっても良い。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、カッタスポーク１３，２９及びコピーカッタ１８，３２の本数変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。また、本発明は面盤を有するカッタヘッドにも適用することができる。

本発明に係るトンネル掘削機は、カッタヘッド内周部の切削性の向上や泥土化を効果的に図ることができるので、大断面のトンネルを掘削する泥土圧シールド掘削機に用いて好適である。

１０ 掘削機本体
１１ バルクヘッド
１２ カッタヘッド
１２Ａ 外周カッタ
１２Ｂ 内周カッタ
１３ カッタスポーク
１４ 中間リング
１５ 外周リング
１６ 各種カッタビット
１７ 油圧ジャッキ
１８ コピーカッタ
１９ 中間ビーム
２０ カッタドラム
２１ ベアリング
２１ａ リングギア部
２２ 駆動モータ（回転駆動手段）
２３ 駆動ギア
２４ ベアリングハウジング
２５ 回転軸
２６ 外周カッタ用ロータリジョイント
２７ 筒部
２８ フィッシュテールカッタ
２９ カッタスポーク
２９ａ 外周リング
３０ 各種カッタビット
３１ 油圧ジャッキ
３２ コピーカッタ
３３ チャンバ
３４ 撹拌翼
３５ カッタドラム
３６ ベアリング
３６ａ リングギア部
３７ 駆動モータ（回転駆動手段）
３８ 駆動ギア
３９ ベアリングハウジング
４０ 支持筒部
４１ スライドジャッキ
４２ 内周カッタ用ロータリジョイント
４３ 加泥注入口
４４ スクリューコンベヤ
４４ａ 円筒管
４４ｂ 駆動モータ
４４ｃ スクリュー翼
４５ ジャッキ
４６ ゲート
４７ 推進ジャッキ
４８ テールシール
４９ エレクタ
５０ 後方張出台
５１ セグメントアジャスタ
５２ 旋回式組立足場
５３ 撹拌翼
５４ 撹拌翼
５５Ａ 土砂取込み口
５５Ｂ 土砂取込み口
５６ リングガータ
５７ 係合孔
５８ 筒状フレーム
５８ａ 撹拌翼
５９ 円盤状フレーム
７０ 支持部材
Ｓ セグメント

Claims (5)

1. カッタヘッドを掘削機本体の前部に回転可能に支持したトンネル掘削機において、
   前記カッタヘッドを内周カッタと外周カッタとに分割形成して各々独立した回転駆動手段で回転可能に設けると共に、
   前記カッタヘッド後方に画成されたチャンバ内を通る内周カッタの回転軸上に外周カッタ用ロータリジョイントを嵌装し、
   前記外周カッタ用ロータリジョイントの外周から放射状に延出した複数本の筒状フレームを、内周カッタの周囲から放射状に延出した外周カッタの複数本のカッタスポークにそれぞれ接続した、
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記筒状フレームの外周に前記チャンバ内に取り込まれた土砂を撹拌する複数本の撹拌翼を取着したことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記内周カッタは前後方向にスライド可能に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記内周カッタと外周カッタは伴に前記カッタヘッド後方にチャンバを仕切るバルクヘッドに各々独立して支持されることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記内周カッタは、回転軸から放射方向に複数本のカッタスポークを設け、これらカッタスポークの前面部に取着したカッタビットにより掘削された土砂をカッタスポーク間に開口された土砂取込み口よりチャンバ内に取り込むと共に、カッタスポークの後面部にはチャンバ内に取り込まれた土砂を撹拌する複数本の撹拌翼を取着したことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のトンネル掘削機。

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