JP2015510974A5 - - Google Patents

Description

螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置

本発明は、地下トンネル施工技術において、自走前進及び方向転換機能を有する新たな掘進装置と方法を提供し、地下空間がさらに充分に開発利用されるための技術サポートを提供する掘進装置及び掘進方法に関し、非開削型地下トンネルまたは管路の施工分野に属する。

現在、地下工事においては、地上建築物の基礎または地下建築物あるいは構築物の間を縫ってトンネルを施工しなければならないという問題が多く発生している。今広く用いられているシールド工法や推進工法といった非開削施工技術では、地下空間において長距離にわたる施工や、柔軟に方向を転換しつつ掘削することが難しい。これによって、都市の地下配管網整備及び地下空間の開発が大きく制限されている。また、前記２つの技術は、いずれも後方の人工構造または構築物によって掘進装置が前進するための反力を得なくてはならないため、掘進装置の前進速度が後方支保構造の設置時間に影響される。さらに、支保構造は半径方向の使用荷重に耐えると同時に、掘進装置前進の反力を得るための仮施工の荷重にも耐えなければならない。その結果、トンネル施工速度が制約され、支保構造を余分に厚くしなくてはならず、支保資材の浪費につながる。自走式のトンネルまたは管路施工技術及び関連の掘進設備は、これら無用の影響を低減するための有効な技術、装備となり得る。

従来の掘進装置には、土壌掘削時に必ず掘進装置後方の人工構築物に反作用の圧力を加えないと前進できないという課題が存在するが、これを解決するため、本発明は螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置を提供する。

本発明は、以下のような課題解決技術手段を採用した。
１セクション以上を有する筒状体を含み、筒状体間は互いに接続しており、第１セクション筒状体前方には筒状体の軸線にそって１以上の螺旋牽引装置が固定されており、前記螺旋牽引装置はそれ自身の軸心を中心として回転し、掘削に用いる自由端は掘進装置前方の土壌中まで伸び、前記螺旋牽引装置は動力駆動源と接続されており、駆動セクションとする筒状体の円周方向に螺旋推進装置を対に配置し、螺旋推進装置は回転軸となる横断面が円筒形または多角形の筒状体または棒状体または竿状体とその外周方向に取り巻くネジ山から構成され、前記螺旋推進装置の軸線と筒状体の軸線は平行であり、螺旋推進装置は掘進装置内部または後部のトルク駆動源と接続している、螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。

前記掘進装置の筒状体間は油圧シリンダーによって接続する。

前記螺旋牽引装置は、外側にネジ山が取り巻き、軸方向の引張り力に耐える中実軸または中空軸、あるいは軸なし螺旋牽引装置、あるいは軸方向引張り力に耐える外ネジ山構造を有する鋼製骨組みとする。

螺旋機構を駆動して回転させる前記動力駆動源は、掘進装置内部または掘進装置外部のトンネル中またはトンネル外側に配置する。

螺旋機構を駆動して回転させる前記動力駆動源の駆動形式は、１つの駆動源が１つの螺旋牽引装置を回転させる、または１つの駆動源が伝達機構を経由して複数の螺旋牽引装置を回転させるものとする。

前記螺旋牽引装置のネジ山横断面の歯型形式は、三角形、四角形、台形、鋸歯形、円弧形、円形、多角形のいずれでもよい。

螺旋牽引装置と第１セクション筒状体は、ラジアルベアリングまたはスラストベアリングによって接続する。

前記螺旋牽引装置は、左、右回転を対にして使用し、前記螺旋牽引装置のネジ山は一条ネジ山または多条ネジ山とする。

螺旋牽引装置が固定されている筒状体または次の１セクションの筒状体の外側に螺旋推進装置を配置することにより、掘進装置前進時の切羽面への圧力を高める。

前記螺旋推進装置のネジ山全部が掘進装置筒状体外側に伸び出る、またはネジ山の一部が掘進装置筒状体の外側に伸び出る。

本発明の装置の動作プロセスは以下の通りである。
掘進装置から伸び出て切羽面前方土壌に貫入する螺旋牽引装置の回転と同期または非同期の方式により、掘進装置前方において人手または機械装置を用いて掘削し、土中に貫入する螺旋牽引装置の回転の伝達により掘進装置を切羽面方向に前進させる機能を実現する。

掘進装置の方向転換を必要とする時は、
A、螺旋牽引装置と第１セクション筒状体の接続接角度を調整制御する。左に方向転換したい時は、螺旋牽引装置の軸線を左に移動させる。右に方向転換したい時は、螺旋牽引装置の軸線を右に移動させる。上に方向転換したい時は、螺旋牽引装置の軸線を上に移動させる。下に方向転換したい時は、螺旋牽引装置の軸線を下に移動させる。
B、または、各側面の螺旋牽引装置螺旋推進装置の回転速度を調整する。左に方向転換したい時は、右側の螺旋牽引装置螺旋推進装置の回転速度を下げる。右に方向転換したい時は、左側の螺旋牽引装置螺旋推進装置の回転速度を下げる。上に方向転換したい時は、下側の螺旋牽引装置螺旋推進装置の回転速度を下げる。下に方向転換したい時は、上側の螺旋牽引装置螺旋推進装置の回転速度を下げる。

複数セクションの筒状体からなる掘進装置に対しては、AまたはBの方法を採用すると同時に、 左に方向転換したい時は１つ前のセクションの筒状体内の右側油圧シリンダーを長めに接続し、右に方向転換したい時は１つ前のセクションの筒状体内の左側油圧シリンダーを長めに接続し、上に方向転換したい時は１つ前のセクションの筒状体内の下側油圧シリンダーを長めに接続し、下に方向転換したい時は１つ前のセクションの筒状体内の上側油圧シリンダーを長めに接続する。

本発明は、以下のような有益な効果を得ることができる。
本発明は、トンネル掘進装置切羽面前方に配置された１または複数のバネ式螺旋または骨組み外の螺旋の一端を切羽面前方において土壌内に回転貫入させ、螺旋の反対側の一端をベアリングによって推進装置と接続し、螺旋が土壌内に回転貫入する際にこれにつながっている掘進装置筒状体を螺旋の貫入方向に向けて前進させ、さらに掘進装置前方の掘削装置と組み合わせることにより、地下土中において自己駆動走行方式によりトンネルを掘削する掘進技術及び関連の装置を実現するものである。本発明の方法と装置は、現在のシールド工法や推進工法における後方の人工構築物によって反力を得て前進するという方式とは異なり、前方における人手掘削または機械掘削と組み合わせれば、掘進装置が土壌中において自ら駆動前進するという機能が実現される。また、前方螺旋牽引装置を組み付けた１セクションのみの掘進装置であっても土中で前進できるという機能をも実現する。掘進装置前方切羽面に対する推力を高めるためには、掘進装置の第１セクション筒状体の後方に螺旋推進装置を備えた複数セクションの掘進装置を接続してもよいし、または掘進装置筒状体外の抵抗増加部材と周囲土壌の嵌入抵抗増加ソケットを組み合わせて推進機構とし、前方螺旋牽引及び筒状体外側螺旋推進からなる自走式掘進装置セットを構成してもよい。これらにより、切羽面前方全体に対する推力が総合的に高まり、後方の人工構築物に支えられないと前進できないという現行の掘進技術には頼る必要がなく、また、これは掘進筒状体外側の人為的抵抗増加に支えられて前進するという自走式掘進技術及び装置とも異なり、さらには、掘進筒状体外側に螺旋推進装置を設置することにより掘進前進するという自走式掘進技術及び装置とも異なる。

掘進装置内またはトンネル内またはトンネル後方のトルク駆動源の作用の下、螺旋伝達原理を利用し、トンネル掘進装置内の前セクションにおいては有軸または無軸の一重螺旋または多重の螺旋牽引装置を採用し、螺旋牽引装置の一端をトンネルまたは管路掘進切羽面前方土壌内に回転貫入させ、螺旋牽引装置の螺旋回転運動を直線運動に変換し、掘進装置内に固定されている螺旋牽引装置の反対側の一端によって掘進装置を牽引し前進させ、または、螺旋牽引装置の反回転螺旋運動により掘進装置を押して後退させる。掘進装置に対して螺旋牽引前進による自己駆動走行式トンネル掘進技術及びその装置を提供する原理は次の通りである。掘進装置の前セクション筒状体内部においては、一端を掘進装置内に配置してトルク駆動源によって駆動回転させ、もう一端を掘進装置前セクションの前方に伸ばしかつ切羽面前方土壌内に回転貫入させる複数の螺旋牽引装置の回転を利用し、掘進装置の土壌中における自走前進または後退を実現する。掘進装置筒状体外部においては、円周方向に設置したN（N≧1）個の伸び出る螺旋推進装置を掘進装置外側の地盤中で回転させ、螺旋推進装置ネジ山における地盤軸方向反力の作用を利用して、推動掘進装置を土中において後方人工構築物の反力に頼ることなく自己駆動前進させる。前方地盤切羽面に対する掘進装置の作用力を高めるためには、各セクションにすべて螺旋推進装置を備えたL（L≧1）セクションの筒状体を採用して、複数の自己駆動セクションから成る掘進装置を形成し、地盤中を自己駆動前進してトンネルを掘削することができる。螺旋牽引装置が掘進装置を前へと牽引し、螺旋推進装置が掘進装置を推進することを同時に行う時、掘進装置の前方土壌への推力が高まり、その他の切羽面掘削方法と組み合わせることにより、土中トンネルの自走前進掘進が実現される。

この種の掘進装置は、さらにその他の自走式掘進装置の自走方法及び対応する装置と組み合わせることで、複数技術から成る駆動掘進装置自走総合技術及び装置を構成することができる。

螺旋牽引と螺旋推進を組み合わせた掘進装置によるトンネル掘削見取り図 掘進装置前方見取り図 掘進装置後方見取り図

次に、図面と具体的な実施方式により本発明をさらに説明する。

図1に示すように、掘進装置6の前端にはカッター4が備えられ、カッター4には土壌1を切削する切刃3が備えられている。カッター4はそれと噛合うカッター駆動ギア5によって駆動され回転する。カッター駆動ギア5は、ベアリング9、カッター駆動軸7、カッター駆動軸継手10によってトルク駆動源11に接続されており、カッター4の切刃3を駆動して土壌1を切削させる。土壌1中に貫入する先行螺旋牽引装置2は、螺旋牽引装置駆動軸14、さらには螺旋牽引装置軸継手17によって、掘進機後方の作業空間内に位置するトルク駆動源18と接続されている。先行牽引螺旋装置2は、トルク駆動源18に駆動されて、土壌1内で回転し、スラストベアリング16の仕切り板8に対する作用により、掘進機6を前へと牽引する。カッター4上の切刃3が切削した土壌1の土砂は仕切り板8前方の土砂溜めに入った後、土砂排出口19を経て掘進機後方の掘削済みトンネル13内に運ばれ、さらにその他の輸送方法によってトンネル外に運び出される。先行牽引装置が掘進機を前へと牽引すると同時に、掘進機筒壁周囲の螺旋推進装置12は、掘進機後方の作業空間に配置されたトルク駆動源18によって掘進機6を前へと移動させる。

この外、カッター4と先行螺旋牽引装置2は同一の駆動源を使用することができる。即ち、螺旋牽引装置トルク駆動源18を使用する時は、中心駆動ホイール15を通じて、カッター4が噛合っているカッター駆動ギア5と噛合い、先行螺旋牽引装置を駆動すると同時に、カッター4を回転させることができる。この種の駆動方式では、クラッチによって先行螺旋牽引装置2とカッター4を共に回転または別々に回転させることができる。

1 土壌
2 螺旋牽引装置
3 切刃
4 カッター
5 カッター駆動ギア
6 掘進装置
7 カッター駆動軸
8 仕切り板
9 ベアリング
10 カッター駆動軸継手
11 カッタートルク駆動源
12 螺旋推進装置
13 掘削済みトンネル
14 螺旋牽引装置駆動軸
15 中心駆動ホイール
16 スラストベアリング
17 螺旋牽引装置軸継手
18 螺旋牽引装置トルク駆動源
19 土砂排出口

Claims (10)

1. 螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置であって、１セクション以上を有する筒状体を含み、筒状体間は互いに接続しており、第１セクション筒状体前方には筒状体の軸線にそって１以上の螺旋牽引装置が固定されており、前記螺旋牽引装置はそれ自身の軸心を中心として回転し、土壌に回転貫入するための自由端は掘進装置前方の土壌中まで伸び、前記螺旋牽引装置は動力駆動源と接続されており、駆動セクションとしての筒状体の円周方向に螺旋推進装置を対に配置し、螺旋推進装置は回転軸となる横断面が円筒形または多角形の筒状体または棒状体または竿状体とその外周方向に取り巻くネジ山から構成され、前記螺旋推進装置の軸線と筒状体の軸線は平行であり、螺旋推進装置は掘進装置内部または後部のトルク駆動源と接続していることを特徴とする螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
2. 前記掘進装置の筒状体間は油圧シリンダーによって接続することを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
3. 前記螺旋牽引装置は、外側にネジ山が取り巻き、軸方向の引張り力に耐える中実軸または中空軸、あるいは軸なし螺旋牽引装置、あるいは軸方向引張り力に耐える外ネジ山構造を有する鋼製骨組みとすることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
4. 螺旋機構を駆動して回転させる前記動力駆動源の駆動形式は、１つの駆動源が１つの螺旋牽引装置を回転させる、または１つの駆動源が伝達機構を経由して複数の螺旋牽引装置を回転させるものとすることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
5. 前記螺旋牽引装置のネジ山横断面の歯型形式は、三角形、四角形、台形、鋸歯形、円弧形、円形、多角形のいずれでもよいことを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
6. 螺旋牽引装置と第１セクション筒状体は、ラジアルベアリングまたはスラストベアリングによって接続することを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
7. 前記螺旋牽引装置は、左、右回転を対にして使用し、前記螺旋牽引装置のネジ山は一条ネジ山または多条ネジ山とすることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
8. 螺旋牽引装置が固定されている筒状体または次の１セクションの筒状体の外側に抵抗増加部材を配置し、前後セクションを連結する油圧装置により掘進機の前セクションを前方に推進し、掘進機前進時の切羽面への圧力を高めることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
9. 前記螺旋推進装置のネジ山全部が掘進装置筒状体外側に伸び出る、またはネジ山の一部が掘進装置筒状体の外側に伸び出ることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。
10. １つの螺旋牽引装置のみを使用する時は、第１セクション筒状体の前方に、土壌切削可能な切羽が配置された回転可能な１つのカッターを備えることを特徴とする、請求項１に記載の螺旋牽引及び推進複合型自走式掘進装置。