JP2015083749A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】カッタヘッド及びカッタ駆動装置を、掘削完了後の掘削機本体から容易に分離回収して、再利用することができるトンネル掘削機を提供する。
【解決手段】円筒形状をなす掘削機本体１１と、トンネル前後方向に移動可能に支持される隔壁２２と、隔壁２２に回転可能に支持されるカッタヘッド１３と、先端部がトンネル前方に向けてのみ傾いて掘削機本体１１の内周面よりも内側に位置するように、基端部がカッタヘッド１３に回転可能に支持されるカッタスポーク４２と、カッタヘッド１３を回転駆動させるカッタ駆動装置１２と、カッタスポーク４２をトンネル前方に向けて傾動させる油圧ジャッキ６２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、カッタヘッド及びこれを回転駆動させるためのカッタ駆動装置を、掘削機本体から分離回収して、再利用可能としたトンネル掘削機に関する。

一般に、トンネル掘削機を用いて、トンネル構造体を所定の工事区間に構築する場合には、先ず、その工事区間内に、発進立坑及び到達立坑を予め掘削しておく。次いで、トンネル掘削機を構成する各構成部材を、それぞれに分解した状態で、発振立坑内に搬入した後、当該トンネル掘削機へと組み立てる。そして、組立完了後のトンネル掘削機は、発進立坑から到達立坑に向けて、所定の工事路線（計画路線）に沿って地盤を掘削することになる。

また、到達立坑に到達したトンネル掘削機は、解体されることになり、その一部が、小さく分断されて、到達立坑を介して、地上に回収される一方、その残りが、トンネル構造体の一部として、地中に埋設される。このとき、小さく分断されたものについては、スクラップ処理されることになる。

しかしながら、地球の環境保全面から考えると、トンネル掘削機のスクラップ処理による産業廃棄物の増加は、好ましくない。更に、トンネル掘削機の製造コスト面から考えても、そのトンネル掘削機を、１工事区間に使用しただけで、スクラップ処理するのは、非効率である。

このため、近年のトンネル掘削技術においては、トンネル掘削機を構成する各構成部材を回収して、可能な限り再利用することが望まれている。特に、カッタヘッドや、これを回転駆動させるためのカッタ駆動装置は、高価な部材となるため、その要望が高まりつつある。

ここで、カッタヘッド及びカッタ駆動装置を掘削機本体から分離した後には、上述したように、それらを発進立坑から地上に回収することになる。しかしながら、地形、土質、地層構成、地上における建造物の構造等によっては、到達立坑を掘削することができない場合や、トンネル構造体の距離によっては、到達立坑を必要としない場合がある。

このような状況下において、カッタヘッド及びカッタ駆動装置を回収するためには、発進立坑を使用するしかなく、更に、発進立坑を介して回収するためには、カッタヘッド及びカッタ駆動装置を、トンネル後方に向けて移動させなければならない。そこで、特許文献１には、カッタヘッド及びカッタ駆動装置をトンネル後方に向けて移動可能としたトンネル掘削機が開示されている。

特許第３７４０６０３号公報

上記従来のトンネル掘削機においては、カッタヘッドのカッタスポークを掘削機本体側に折り畳んだ後、カッタヘッド及びカッタ駆動装置をトンネル後方に向けて移動させるようにしている。

しかしながら、カッタスポークをトンネル後方に向けて傾動させる構成を採用すると、カッタスポークの傾動方向と、切羽から受ける掘削反力（土水圧）の発生方向とが一致してしまう。これにより、トンネル掘削時においては、カッタビットが装着されたカッタスポークに対して、常に大きな掘削反力が、その傾動方向に作用することになる。

よって、従来のトンネル掘削機においては、トンネル掘削時におけるカッタスポークが、その起立状態を維持できるように、掘削反力に十分耐え得る構成が必要となるため、機械全体が大掛かりなものとなってしまう。この結果、分離回収作業が煩雑となるおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、カッタヘッド及びカッタ駆動装置を、掘削完了後の掘削機本体から容易に分離回収して、再利用することができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るトンネル掘削機は、
筒状をなす掘削機本体と、
前記掘削機本体内に、トンネル前後方向に移動可能に支持される隔壁と、
前記掘削機本体の前部に設けられ、中心部が前記隔壁に回転可能に支持されるカッタヘッドと、
前記中心部からカッタヘッド径方向外側に向けて延設し、先端部がトンネル前方に向けてのみ傾いて前記掘削機本体の内面よりも内側に位置するように、基端部が前記中心部に回転可能に支持されるカッタスポークと、
前記隔壁に支持され、前記カッタヘッドを回転駆動させるカッタ駆動手段と、
前記カッタスポークの先端部を、当該カッタスポークの基端部を回転中心として、トンネル前方に向けて回転させる傾動手段と、
前記隔壁が前記カッタヘッド及びカッタ駆動手段を支持した状態で、当該隔壁をトンネル後方に向けて移動させる移動手段とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るトンネル掘削機は、
前記傾動手段は、
前記カッタヘッドに設けられ、前記カッタスポークを伸長動作によってトンネル前方に向けて傾動させるジャッキである
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るトンネル掘削機は、
前記傾動手段は、前記掘削機本体の前端開口縁部であって、
前記移動手段が前記隔壁をトンネル後方に向けて移動させると、前記カッタスポークの先端部は、前記前端開口縁部に当接することによって、トンネル前方に向けて回転する
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るトンネル掘削機によれば、カッタスポークをトンネル前方に向けて傾動させると共に、隔壁をトンネル後方に向けて移動させることにより、カッタヘッド及びカッタ駆動手段を、掘削完了後の掘削機本体から容易に分離回収して、再利用することができる。

本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の縦断面図である。 本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の正面図である。 トンネル掘削機における分離回収動作の開始を示した図である。 図３に続く分離回収動作図であって、カッタヘッド及びカッタ駆動装置を引く抜く様子を示した図である。 図４に続く分離回収動作図であって、トンネル掘削機における分離回収動作の完了を示した図である。 カッタスポークを掘削機本体の前端開口縁部によって傾動させたときの様子を示した図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機について、図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、トンネル掘削機１０は、円筒形状をなす掘削機本体１１と、この掘削機本体１１の前部に回転可能に支持されるカッタヘッド１３と、このカッタヘッド１３を回転駆動させるカッタ駆動装置（カッタ駆動手段）１２とを備えている。

掘削機本体１１の前端部における内周面には、環状部材２１が、その周方向全域に亘って凸状に設けられている。更に、この環状部材２１の内周面には、隔壁２２が、掘削機本体軸方向（トンネル前後方向）に摺動可能に支持されている（移動手段）。そして、隔壁２２の中心部には、カッタ駆動装置１２が支持されている。

カッタ駆動装置１２は、カッタ駆動用モータ３１、駆動ピニオン３２、カッタ回転軸３３、従動ギヤ３４、軸受３５、及び、カバー部材３６等から構成されている。

具体的に、隔壁２２の前面には、カバー部材３６の前カバー３６ａが固定される一方、隔壁２２の後面には、カバー部材３６の後カバー３６ｂが固定されている。そして、カッタ回転軸３３は、隔壁２２、前カバー３６ａ、後カバー３６ｂをトンネル前後方向に貫通しており、前カバー３６ａ及び後カバー３６ｂの内面において、軸受３５を介して回転可能に支持されている。

また、カッタ回転軸３３の先端部には、カッタヘッド１３の中心部が固定されている。これにより、掘削機本体１１の前端部内には、掘削機本体１１の内周面、環状部材２１の前面、隔壁２２の前面、及び、カッタヘッド１３の後面とによって区画された空間となるチャンバ２３が、形成されることになり、このチャンバ２３は、カッタヘッド１３の掘削によって生じた掘削土砂を取り込んで溜めるためのものとなっている。一方、カッタ回転軸３３における軸方向中央部には、従動ギヤ３４が嵌合されており、この従動ギヤ３４は、隔壁２２の後面と後カバー３６ｂの内面とによって囲まれた空間内に配置されている。

更に、カッタ回転軸３３の径方向外側には、複数のカッタ駆動用モータ３１が、当該カッタ回転軸３３の周方向において、等角度間隔で配置されており、それらカッタ駆動用モータ３１は、後カバー３６ｂの後面に貫通支持されている。そして、各カッタ駆動用モータ３１の出力軸には、駆動ピニオン３２がそれぞれ設けられており、それら駆動ピニオン３２は、隔壁２２の後面と後カバー３６ｂの内面とによって囲まれた空間内において、従動ギヤ３４と噛み合っている。

従って、カッタ駆動用モータ３１を駆動させることにより、駆動ピニオン３２の回転を、従動ギヤ３４に伝達させることができるので、カッタ回転軸３３と共にカッタヘッド１３を回転させることができる。

カッタヘッド１３は、カッタ中心部材４１、カッタスポーク４２、連結板４３、連結リング４４、土砂取込口４５、ジャッキ収納部材４６、フィッシュテールカッタ５１、先行ビット５２、カッタビット５３、支持軸６１、及び、油圧ジャッキ６２等から構成されている。

具体的に、カッタヘッド１３の中心部には、カッタ中心部材４１が設けられており、このカッタ中心部材４１には、カッタ回転軸３３が固定されている。また、カッタ中心部材４１には、複数のカッタスポーク４２が、カッタヘッド１３の径方向に延在するように、支持されている。更に、各カッタスポーク４２の先端部は、連結板４３を介して、連結リング４４によって連結されている。連結リング４４は、カッタヘッド１３の外周部を形成するものであって、全てのカッタスポーク４３の先端部を繋ぐようなリング状のものや、隣接したカッタスポーク４３の先端部間を繋ぐような円弧状のものでも良く、連結板４３は、カッタスポーク４２及び連結リング４４の表面よりも突出しないように取り付けられている。

即ち、複数のカッタスポーク４２は、カッタ中心部材４１（カッタ回転軸３３）を中心として、放射状に配置されている。これに伴って、カッタヘッド１３の周方向において隣接したカッタスポーク４２間には、扇状の開口部が開口されることになり、この開口部は、掘削土砂をチャンバ２３内に取り込むための土砂取込口４５となっている。

そして、カッタ中心部材４１の前面には、フィッシュテールカッタ５１が設けられている。また、カッタスポーク４２の前面には、多数の先行ビット５２が装着されており、カッタスポーク４２の長手方向両縁部には、多数のカッタビット５３が装着されている。

ここで、上述した、カッタ中心部材４１とカッタスポーク４２とは、ヒンジ構造を用いて、連結されている。カッタ中心部材４１の先端部には、支持軸６１が固定されており、この支持軸６１には、カッタスポーク４２の基端部が回転可能に支持されている。

このとき、支持軸６１は、カッタ中心部材４１の先端部とカッタスポーク４２基端部との間において、トンネル前方側に配置されている。これにより、カッタスポーク４２の先端部は、その基端部における支持軸６１を回転中心として、トンネル前方（切羽側）に向けてのみ傾くようになっており、トンネル後方に向けて傾かないようになっている。即ち、カッタスポーク４２の傾動方向は、切羽から受ける掘削反力（土水圧）の発生方向と、反対方向となっている。

また、カッタ中心部材４１の後部には、ジャッキ収納部材４６が設けられている。このジャッキ収納部材４６の中心部には、カッタ回転軸３３が嵌入されており、当該ジャッキ収納部材４６におけるカッタ回転軸３３の径方向外側には、複数の油圧ジャッキ（傾動手段）６２が収納されている。

そして、複数の油圧ジャッキ６２は、その数量がカッタスポーク４２の数量と同じ数量となっており、カッタヘッド１３の周方向において、等角度間隔で配置されている。即ち、複数の油圧ジャッキ６２は、カッタヘッド１３の周方向において、各カッタスポーク４２と対応するように配置されており、その前方に位置するカッタスポーク４２の後部に、縮んだ状態で接続している。これにより、油圧ジャッキ６２を駆動させることにより、その油圧ジャッキ６２が伸長するため、カッタスポーク４２の先端部を、その基端部を回転中心として、トンネル前方に向けて回転させることができる。

つまり、油圧ジャッキ６２は、カッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を掘削機本体１１から分離回収する際に使用するものであって、カッタスポーク４２は、その油圧ジャッキ６２の駆動によって、先端部が最もカッタヘッド１３の径方向外側に位置したトンネル掘削時の起立状態から、先端部が最もカッタヘッド１３の径方向内側に位置した分離回収時の前傾状態（折り畳み状態）となるまで傾動する。このとき、カッタスポーク４２の前傾状態においては、その先端部が、掘削機本体１１の内周面よりも、カッタヘッド１３の径方向内側に位置することになる。

一方、掘削機本体１１の後端部における内周面には、エレクタ装置７１が移動可能に支持されている。このエレクタ装置７１は、覆工部材としてのセグメントＳを組み立てるものであり、そのセグメントＳは、掘削されたトンネルの内壁面形状に沿うような環片となっている。

更に、掘削機本体１１の後端部における内周面には、複数のテールパッキン７２が、その周方向において、等角度間隔で設けられている。これらテールパッキン７２は、組み立てられたセグメントＳの外周面に密着することにより、掘削機本体１１内への泥土や泥水等の浸入を防止するものとなっている。

そして、掘削機本体１１の内周面における環状部材２１の後方には、環状板部材２４が、その周方向全域に亘って設けられている。この環状板部材２４には、複数のシールドジャッキ（推進ジャッキ）７３が、その周方向において、等角度間隔で支持されている。これらシールドジャッキ７３は、ロッドをトンネル後方に伸長することにより、エレクタ装置７１によって組み立てられたセグメントＳを押圧可能となっており、掘削機本体１１は、そのシールドジャッキ７３がセグメントＳを押圧したときに発生する、押圧力の反力によって、前進することになる。

次に、上述したトンネル掘削機１０の動作について、図面を用いて詳細に説明する。

先ず、所定の工事区間内における発進立坑内に、トンネル掘削機１０を搬入する。

次いで、カッタ駆動用モータ３１を駆動させることにより、カッタヘッド１３を回転させながら、シールドジャッキ７３を伸長させることにより、発進立坑から推進反力を得て、掘削機本体１１を前進させる。これにより、トンネル掘削機１０は、トンネル掘削作業を開始することになり、回転するカッタスポーク４２に装着された、フィッシュテールカッタ５１、先行ビット５２、及び、カッタビット５３によって、前方の地盤となる発進立坑の立壁に、切羽を掘削する。

そして、図１に示すように、引き続き、カッタヘッド１３による地盤掘削を行っていくと、その地盤掘削に伴って発生した掘削土砂は、土砂取込口４５を介して、チャンバ２３内に充満することになり、チャンバ２３内は、所定の圧力に維持される。続いて、チャンバ２３内に充満した掘削土砂は、図示しない排土装置（例えば、送泥管、排泥管、スクリューコンベヤ等）によって、トンネル後方に向けて排出される。つまり、トンネル掘削機１０においては、掘削土砂をチャンバ２３内に充満させて、そのチャンバ２３内を所定の圧力に維持しながら排土することにより、切羽の安定化を図りながらトンネルを掘削するようになっている。

これと同時に、エレクタ装置７１の駆動によって、セグメントＳがトンネル周方向に沿ってリング状に組み立てられ、トンネル構造体が構築される。また、このように、セグメントＳが組み立てられると、シールドジャッキ７３は、そのセグメントＳを押圧することになり、掘削機本体１１は、セグメントＳからの推進反力によって前進する。

なお、上述したトンネル掘削時においては、掘削反力が切羽からトンネル後方に向けて発生することになり、その掘削反力がカッタヘッド１３の前面に作用する。このとき、カッタスポーク４２の傾動方向は、トンネル前方に向かう方向となっているため、その傾動方向と掘削反力の発生方向とは、逆向きとなっている。これにより、カッタスポーク４２は、トンネル前方に向けて倒れることは無く、また、カッタ中心部材４１との間において、掘削反力に対して十分に抗することができるヒンジ構造を備えているため、トンネル後方に向けても倒れることはなく、起立状態が維持される。

更に、トンネル掘削機１０によって、トンネル掘削作業及び覆工作業が続けられると、当該トンネル掘削機１０は、工事区間内における掘終了位置に到達する。ここで、一般的に、掘削完了後のトンネル掘削機においては、分解した各構成部材を、掘削終了位置に予め掘削されている到達立坑を介して、回収することになる。しかしながら、本工事においては、到達立坑が掘削されていない。

そこで、本発明に係るトンネル掘削機１０においては、掘削完了後に分解した各構成部材を、トンネル後方に向けて搬送した後、発進立坑を介して、回収する。

即ち、トンネル掘削機１０が掘削終了位置に到達すると、カッタ駆動用モータ３１、エレクタ装置７１、及び、シールドジャッキ７３の駆動を停止する。

次いで、図３に示すように、掘削機本体１１とセグメントＳとを、固定ブロック８０によって固定した後、連結リング４４、エレクタ装置７１、シールドジャッキ７３、及び、その他の構成部材を取り外して回収する。

そして、図４において破線で示すように、油圧ジャッキ６２を徐々に伸長させることにより、カッタスポーク４２の先端部を、トンネル前方に向けて徐々に回転させながら、隔壁２２をトンネル後方に向けて徐々に移動させることにより、その隔壁２２を介して一体化されたカッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を、掘削機本体１１から分離する。

更に、図４において実線で示すように、カッタスポーク４２を折り畳んだ状態で、カッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を、掘削機本体１１から引き抜いて、回収する。即ち、カッタスポーク４２をトンネル前方に向けて傾動させ、カッタヘッド１３の外径を、掘削機本体１１の内径（環状部材２１の内径）よりも小径とすることにより、カッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を、掘削機本体１１から分離回収する。

次いで、図５に示すように、地中に残された掘削機本体１１を、溶接やコンクリート打設によって、セグメントＳに接合して、トンネル構造体の一部として使用する。一方、回収したカッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３については、別のトンネル掘削機で再利用されることになる。

従って、本発明に係るトンネル掘削機１０によれば、カッタスポーク４２をトンネル前方に向けて傾動させると共に、隔壁２２をトンネル後方に向けて移動させることにより、カッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を、掘削完了後の掘削機本体１１から容易に分離回収して、再利用することができる。

なお、上述した実施形態においては、カッタスポーク４２の傾動を、油圧ジャッキ６２の駆動のみで行うようにしているが、図６に示すように、カッタヘッド１３を引く抜く際に、カッタスポーク４２の前端部を、掘削機本体１１の前端開口縁部１１ａに当接させることにより、カッタスポーク４２を傾動させるようにしても構わない。つまり、前端開口縁部１１ａを、カッタスポーク４２の先端部をトンネル前方に向けて回転させるための傾動手段として使用する。

これにより、油圧ジャッキ６２を設けることなく、前端開口縁部１１ａのみによって、カッタスポーク４２を傾動させる場合には、油圧ジャッキ６２及びこれを収納するジャッキ収納部材４６を設ける必要がなくなるため、カッタヘッド１３の軽量化を図ることができる。よって、カッタ駆動装置１２及びカッタヘッド１３を素早く引き抜くことができるので、分離回収作業を効率的に行うことができる。

また、前端開口縁部１１ａと油圧ジャッキ６２とを併用する場合には、油圧ジャッキ６２の押圧力を低く抑えることができるので、当該油圧ジャッキ６２の小型化を図ることができる。よって、設備コストの低減を図ることができる。

本発明は、カッタスポークに装着したカッタの保守点検作業を容易に行うことができるトンネル掘削機に適用可能である。

１０ トンネル掘削機
１１ 掘削機本体
１１ａ 前端開口縁部
１２ カッタ駆動装置
１３ カッタヘッド
２１ 環状部材
２２ 隔壁
２３ チャンバ
３１ カッタ駆動用モータ
３３ カッタ回転軸
４１ カッタ中心部材
４２ カッタスポーク
４６ ジャッキ収納部材
６１ 支持軸
６２ 油圧ジャッキ
７１ エレクタ装置
７３ シールドジャッキ
Ｓ セグメント

Claims (3)

1. 筒状をなす掘削機本体と、
   前記掘削機本体内に、トンネル前後方向に移動可能に支持される隔壁と、
   前記掘削機本体の前部に設けられ、中心部が前記隔壁に回転可能に支持されるカッタヘッドと、
   前記中心部からカッタヘッド径方向外側に向けて延設し、先端部がトンネル前方に向けてのみ傾いて前記掘削機本体の内面よりも内側に位置するように、基端部が前記中心部に回転可能に支持されるカッタスポークと、
   前記隔壁に支持され、前記カッタヘッドを回転駆動させるカッタ駆動手段と、
   前記カッタスポークの先端部を、当該カッタスポークの基端部を回転中心として、トンネル前方に向けて回転させる傾動手段と、
   前記隔壁が前記カッタヘッド及びカッタ駆動手段を支持した状態で、当該隔壁をトンネル後方に向けて移動させる移動手段とを備える
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 請求項１に記載のトンネル掘削機において、
   前記傾動手段は、
   前記カッタヘッドに設けられ、前記カッタスポークを伸長動作によってトンネル前方に向けて傾動させるジャッキである
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
3. 請求項１または２に記載のトンネル掘削機において、
   前記傾動手段は、前記掘削機本体の前端開口縁部であって、
   前記移動手段が前記隔壁をトンネル後方に向けて移動させると、前記カッタスポークの先端部は、前記前端開口縁部に当接することによって、トンネル前方に向けて回転する
   ことを特徴とするトンネル掘削機。

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