JP2015200088A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的大きな径の玉石、巨礫でも閉塞することなく排出可能とする。
【解決手段】 シールド掘進機は、円筒状の本体１と、本体１の前端部に配置されるカッタヘッド２と、カッタヘッド２の後方に配置されてカッタヘッド２との間にチャンバ３を形成する隔壁４と、チャンバ３内の掘削土砂を隔壁４の後方へ排出する排土機構５と、を含んで構成される。前記排土機構５は、隔壁４を貫通して、チャンバ３内から隔壁４の後方へ延びる円筒状のケーシングパイプ２０と、ケーシングパイプ２０の内周面に突設されて周方向に円弧状に延在し、ケーシングパイプ２０の軸方向に複数配置される羽根２１と、ケーシングパイプ２０をその軸線周りに回転駆動する回転駆動機構２５と、を含んで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シールドトンネルの構築に用いられるシールド掘進機に関し、特にその排土機構に関する。

シールド掘進機は、円筒状の本体と、本体の前端部に配置されるカッタヘッドと、カッタヘッドの後方に配置されてカッタヘッドとの間にチャンバを形成する隔壁と、チャンバ内の掘削土砂を隔壁の後方へ排出する排土機構と、を含んで構成される。

前記排土機構としては、一般に、特許文献１に示されているような、スクリューコンベアが使用されている。スクリューコンベアは、前記チャンバの底部から前記隔壁を貫通して斜め上方へ延在している。
特許文献１にはまた、チャンバ内に取込まれた礫や岩盤塊などの硬質塊状物を所定粒径に破砕する破砕装置を設けることが開示されている。

特開２００４−０６８３８４号公報

しかしながら、排土機構として用いられるスクリューコンベアは、ケーシングの中心にスクリューオーガの回転軸があるので、比較的大きな径の玉石、巨礫により閉塞することがあった。
その一方、引用文献１のように、スクリューコンベアの前段に破砕装置を設けると、排土機構が複雑かつ高コストになってしまう。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、比較的大きな径の玉石、巨礫でも閉塞することなく排出できる排土機構を備えるシールド掘進機を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るシールド掘進機の排土機構は、隔壁を貫通してチャンバ内から隔壁の後方へ延びる円筒状のケーシングパイプと、ケーシングパイプの内周面に突設されて周方向に円弧状に延在し、ケーシングパイプの軸方向に複数配置される羽根と、ケーシングパイプをその軸線回りに回転駆動する回転駆動機構と、を含んで構成される。

本発明によれば、ケーシングパイプの回転に伴って回転するケーシングパイプ内周面の羽根により、土砂を好適に排出することができる。
また、ケーシングパイプの中心には軸等がなく、また、ケーシングパイプ内周面の羽根も円弧状に設けられていて、らせん状につながっていないので、ケーシングパイプ内で土砂の通過を邪魔する部材が少なくなる。よって、比較的大きな径の玉石、巨礫をも排出でき、排土効率、ひいては掘進効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態を示すシールド掘進機の断面図 羽根のレイアウト例を示すケーシングパイプの正面図 羽根のレイアウト例を示すケーシングパイプの平面図 羽根の傾斜角度調整機構を例示する図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すシールド掘進機の断面図である。
シールド掘進機は、円筒状の本体（シールドシェル）１と、本体１の前端部に配置されるカッタヘッド２と、カッタヘッド２の後方に配置され、カッタヘッド２との間にチャンバ３を形成する隔壁（バルクヘッド）４と、チャンバ３内の土砂を隔壁４の後方へ排出する排土機構５と、を含んで構成される。

カッタヘッド２は、円盤状で、前面に多数のカッタビット２ａを有している。カッタヘッド２は、支持アーム６を介して旋回環７に連結されている。旋回環７は、隔壁４の環状開口部を貫通した状態で、隔壁４に旋回可能に支持されている。そして、隔壁４の後方にて、旋回環７に一体的に取付けられたリングギア８に、円周方向に複数配置されるモータ９の出力軸に取付けられたピニオンギア１０を噛み合わせてある。従って、カッタヘッド２は、前記モータ９を駆動源として、旋回し、地山を掘削する。

また、カッタヘッド２側の機器と隔壁４後方の機器とを油圧や電線で連係させるためにロータリージョイント１１が設けられ、ロータリージョイント１１は、隔壁４中央の開口部を貫通している。尚、旋回環７及びロータリージョイント１１の貫通部には止水機構が設けられるが、図示は省略した。

カッタヘッド２による地山の掘削により、カッタヘッド２と隔壁４との間のチャンバ３には、掘削土砂が滞留し、土圧を生じる。
排土機構５は、チャンバ３内の掘削土砂を排出するもので、同時にチャンバ３内の土圧を制御して、切羽の崩落を防止する。排土機構５については後に詳述する。

シールド掘進機は、更に、カッタヘッド２により掘削されたトンネルの壁面に、隔壁４の後方にて、セグメントＳＧを組付けるセグメント組付機構（エレクタ１２）と、本体１を掘削と共に前進させる推進機構（シールドジャッキ１３）とを含んで構成される。
セグメント組付機構は、トンネル径方向及び前後方向に移動しながら、セグメントＳＧを把持してトンネル壁面に組付けるエレクタ１２を主体として構成される。
推進機構は、本体１の内面に沿ってほぼ等間隔で配置される複数のシールドジャッキ１３を主体として構成され、構築済みのセグメントＳＧの端面を押すことで推力を発生させる。

次に本実施形態での排土機構５について説明する。
排土機構５は、回転駆動されるケーシングパイプ２０を含んで構成される。
ケーシングパイプ２０は、隔壁４下部の開口部を貫通して、チャンバ３内から隔壁４の後方へ、斜め上向きに配設されている。
すなわち、ケーシングパイプ２０の軸線は、前方から後方へ向かって、斜め上向きに延び、ケーシングパイプ２０の一端部がチャンバ３の底部に開口し、他端部は本体１後方の上部に位置している。

ケーシングパイプ２０の内周面には複数の羽根２１が備えられる。これについては後述する。

ケーシングパイプ２０はまた、本体１に支持して固定配置したラジアル軸受２３、２４により支持されている。これにより、ケーシングパイプ２０はその軸線回りに回転可能に設けられる。

排土機構５は、また、ケーシングパイプ２０の回転駆動機構２５を含んで構成される。
回転駆動機構２５としては、モータ２６と、モータ２６により減速機２７を介して駆動されるピニオンギア２８と、ケーシングパイプ２０外周に取付けられてピニオンギア２８と噛み合うリングギア２９とが設けられる。ギアの代わりにスプロケットを用いてチェーン駆動方式としてもよい。

排土機構５は、更に、隔壁４とこれを貫通するケーシングパイプ２０との間に設けられる止水機構３０を含んで構成される。止水機構３０が土砂シールを兼ねることは言うまでもない。
止水機構３０としては、ケーシングパイプ２０の一端部（入口側端部）の外周面を囲むように隔壁４に一体的に取付けられる円筒状のガイドパイプ３１と、ガイドパイプ３１の内周面に取付けられてケーシングパイプ２０の外周面と接触する環状のシール部材３２、３３とが設けられる。

シール部材３２、３３は、１次側シール部材３２と２次側シール部材３３との、２段に設けられる。１次側シール部材３２としては、金属製のシールブラシが好ましく用いられる。２次側シール部材３３としては、ゴム製のリップシール（特に前後一対のリップシール間にグリスを注入して使用するもの）が好ましく用いられる。

ケーシングパイプ２０の他端部（出口側端部）は、スラスト軸受３４と、固定の曲がり管３５とを介して、２次排出管３６に接続されている。２次排出管３６については、単純なパイプとする他、スクリューコンベアなどでもよく、或いは、ベルトコンベアなどを使用してもよい。

次にケーシングパイプ２０内に設けられる羽根２１について図２及び図３を参照しつつ説明する。
図２及び図３は羽根２１のレイアウト例を示すケーシングパイプ２０の正面図及び平面図である。尚、図２及び図３では複数の羽根２１のうち上側に配置されるものの符号を２１Ａ、下側に配置されるものの符号を２１Ｂとしてある。

羽根２１（２１Ａ、２１Ｂ）は、ケーシングパイプ２０の軸方向に複数配置され、それぞれは、ケーシングパイプ２０の内周面に突設されて周方向に円弧状に延在する。
本実施形態において、複数の羽根２１は、それぞれ、周方向に１８０°以下の長さで延在し、ケーシングパイプ２０の軸方向に隣合う前後の羽根２１は、互いに周方向にずらして配置される。言い換えれば、軸方向に見たときに、隣合う前後の羽根２１が重ならないようにする。図２及び図３では、ケーシングパイプ２０の軸方向に隣合う前側の羽根２１Ａと後側の羽根２１Ｂとが、前側の羽根２１Ａが上側、後側の羽根１６Ｂが下側となるように、周方向に１８０°ずらして配置されている。
尚、羽根２１の周方向の長さは、９０°〜１８０°の範囲がよく、１２０°程度が好ましい。羽根２１の高さはケーシングパイプ２０の半径の２０％程度とするのがよい。

また、羽根２１は、ケーシングパイプ２０の軸線に対し傾斜して取付けられる。傾斜角度は、軸線と直交する位置での傾斜角度を０°とすると、１５〜４５°程度とする。また、個々の羽根２１が傾斜を持つことで、ケーシングパイプ２０の軸線方向に並ぶ複数の羽根２１は、分断されているものの、全体としては、らせん状をなす。

また、羽根２１は、ケーシングパイプ２０の軸線に対する傾斜角度を変更可能とする傾斜角度調整機構２２を備える。
傾斜角度調整機構２２は、例えば図４に示されるように、羽根２１の２つの取付部２２ａ、２２ｂのうち、一方の取付部２２ａを中心として、羽根２１を回動可能とし、他方の取付部２２ｂを長孔構成とすることで実現できる。羽根２１が取付けられる部位は円筒面であるが、当該円筒面と羽根２１との間にある程度の空隙ができるのを許容すれば、特に問題はない。
この場合、取付用のボルトはケーシングパイプ２０の外側から操作可能とすることで、ケーシングパイプ２０の実装後においても、傾斜角度の調整が可能となる。

本実施形態においては、カッタヘッド２と隔壁４との間のチャンバ３内の土圧により、チャンバ３内の土砂が排土機構５のケーシングパイプ２０内に送り込まれる。
ケーシングパイプ２０内に送り込まれた土砂は、前記土圧により、そのままケーシングパイプ２０内を移送される。

また、ケーシングパイプ２０の回転により、その内周面に取付けられた羽根２１の送り出し作用で、より効果的に、土砂を移送することができる。あるいは、羽根２１により送り出しを抑制しつつ排出でき、チャンバ３内の土圧を維持したまま排土できる。
従って、ケーシングパイプ２０の回転速度や羽根２１の傾斜角度の調整により、土砂の排出速度や、チャンバ３内の土圧を制御することができる。チャンバ３内の土圧が過度に低下すると、切羽の崩落が発生し、チャンバ３内が目詰まり状態となるなどして、掘進効率が低下するが、かかる不具合を土圧の制御により回避できる。

また、ケーシングパイプ２０の中心には軸等がなく、また、ケーシングパイプ２０内周面の羽根２１も円弧状に設けられていて、らせん状につながっていないので、ケーシングパイプ２０内で土砂の通過を邪魔する部材が少ない。
しかも、複数の羽根２１が、それぞれ、周方向に１８０°以下の長さで延在し、ケーシングパイプ２０内の軸方向に隣合う羽根２１は、互いに周方向にずらして配置されており、複数の羽根２１は分散配置されている。
よって、土砂の通過を邪魔する部材が少なくことにより、比較的大きな径の玉石、巨礫をも排出でき、排土効率、ひいては掘進効率の向上を図ることができる。

また、ケーシングパイプ２０の中心に軸等がない分、ケーシングパイプ２０を小径化することが可能となる。これにより、旋回環７の径を大きくすることが可能となり、カッタヘッド２の駆動に際しトルク的に有利となる。
また、羽根２１は分断型で、１個ずつ取付けられるので、らせん状の長尺の羽根を取付けものと比較して、組立が容易となる。

また、羽根２１の傾斜角度を変更可能とする傾斜角度調整機構２２を備えるので、ケーシングパイプ２０の回転速度の調整と合わせ、土砂の排出速度や土圧の調整をより細かく行うことができる。

また、隔壁４におけるケーシングパイプ２０の貫通部には、止水機構３０（２段のシール部材３２、３３）が備えられているので、機内への水や土砂の流入を招くことなく、ケーシングパイプ２０を良好に回転させることができる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 本体（シールドシェル）
２ カッタヘッド
２ａ カッタビット
３ チャンバ
４ 隔壁（バルクヘッド）
５ 排土機構
６ 支持アーム
７ 旋回環
８ リングギア
９ モータ
１０ ピニオンギア
１１ ロータリージョイント
１２ エレクタ
１３ シールドジャッキ
２０ ケーシングパイプ
２１（２１Ａ、２１Ｂ） 羽根
２２ 傾斜角度調整機構
２３、２４ ラジアル軸受
２５ 回転駆動機構
２６ モータ
２７ 減速機
２８ ピニオンギア
２９ リングギア
３０ 止水機構
３１ ガイドパイプ
３２ １次側シール部材
３３ ２次側シール部材
３４ スラスト軸受
３５ 曲がり管
３６ ２次排出管

Claims (6)

1. 円筒状の本体と、本体の前端部に配置されるカッタヘッドと、カッタヘッドの後方に配置されてカッタヘッドとの間にチャンバを形成する隔壁と、チャンバ内の掘削土砂を隔壁の後方へ排出する排土機構と、を含んで構成される、シールド掘進機であって、
   前記排土機構は、
   前記隔壁を貫通して、前記チャンバ内から前記隔壁の後方へ延びる円筒状のケーシングパイプと、
   前記ケーシングパイプの内周面に突設されて周方向に円弧状に延在し、前記ケーシングパイプの軸方向に複数配置される羽根と、
   前記ケーシングパイプをその軸線周りに回転駆動する回転駆動機構と、
   を含んで構成される、
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記排土機構は、前記隔壁とこれを貫通する前記ケーシングパイプとの間に設けられる止水機構を更に含んで構成されることを特徴とする、請求項１記載のシールド掘進機。
3. 前記止水機構は、前記隔壁側に取付けられて前記ケーシングパイプの外周面と接触する環状のシール部材であることを特徴とする、請求項２記載のシールド掘進機。
4. 前記複数の羽根は、それぞれ、周方向に１８０°以下の長さで延在し、前記ケーシングパイプの軸方向に隣合う羽根は、互いに周方向にずらして配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のシールド掘進機。
5. 前記羽根は、前記ケーシングパイプの軸線に対し傾斜していることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のシールド掘進機。
6. 前記羽根は、前記ケーシングパイプの軸線に対する傾斜角度を変更可能とする傾斜角度調整機構を備えることを特徴とする、請求項５記載のシールド掘進機。