JP2017133285A

JP2017133285A - 掘削機

Info

Publication number: JP2017133285A
Application number: JP2016015400A
Authority: JP
Inventors: 健有川; Takeshi Arikawa; 小野　潤治; Junji Ono; 潤治小野
Original assignee: Okumura Machinery Corp
Current assignee: Okumura Machinery Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: JP6624608B2

Abstract

【課題】掘削機を構成するカッタ盤の寿命を向上させる。【解決手段】掘削機１のカッタヘッド２の外周に回転可能な状態で設けられた外周掘削部２ａの前面中央に、外周掘削部２ａとは独立して回転可能な状態で中央掘削部２ｂを設け、その中央掘削部２ｂを回転可能な状態で支持する支持部材２０の前面にコーン型のローラカッタ４ａを設けるとともに、支持部材２０の後方にコーン型のローラカッタ４ａが支持部材２０の軸方向に移動するのを許容することでコーン型のローラカッタ４ａに対して加わる軸方向の負荷を調整する負荷調整手段を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、掘削機に関し、例えば、地中にトンネルを構築するために地盤を掘削する掘削機に適用して有効な技術に関するものである。

掘削機は、鋼製の筒体を地中に押し込みながらトンネルを構築する機器であり、その主なものに、シールドマシンやトンネルボーリングマシン（ＴｕｎｎｅｌＢｏｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｓ：以下、ＴＢＭという）等がある。

シールドマシンは、主に都市部の地下鉄や下水道の形成に使用される等、比較的軟弱な地質に対する掘削に使用される。一方、ＴＢＭは、主に山岳部の鉄道や発電用導水路の形成に使用される等、比較的硬い地質に対する掘削に使用される。ＴＢＭは、他の工法に比べて掘削速度が速いという利点を有していることから、掘削速度が求められるトンネル掘削工事に使用されている。

いずれの場合も掘削機の進行方向の先端には、カッタヘッドが掘削機の周方向に沿って回転可能な状態で装着されている。このカッタヘッドの前面には、ローラカッタ等のような複数の掘削部材が設置されている。トンネルの掘削時には、カッタヘッドの前面の掘削部材を切羽（掘削面）に押し付けた状態でカッタヘッドを回転させることにより岩盤等を掘削している（例えば、特許文献１〜４参照）。

特開２００４−１９３０２号公報特開平９−２７３３８８号公報特開平８−１９９９８２号公報特許第３９５４０８４号公報

ところで、掘削機のカッタヘッドにおいて、前面中央はその外周に比べて切羽に対する掘削性能が低下する。この対策として、カッタヘッドを外周掘削部と中央掘削部との二重構造（デュアルカッタヘッド構造）とし、中央掘削部を外周掘削部とは独立して高速回転可能な構成とすることにより、切羽中央の掘削性能を向上させることができる。

しかし、上記のようなデュアルカッタヘッド構造としても、図１７に示すように、カッタヘッド１００の前面中央に、ディスク型のローラカッタ１０１を配置すると、ディスク型のローラカッタ１０１は軌道が急なため転動不能となる場合も多く、特に硬い岩盤（硬岩）においては、切羽中央の掘削効率が低下してしまう。また、他の問題として、特に、小口径トンネルを掘削する場合、カッタヘッド１００の中央掘削部に一定サイズの複数のディスク型のローラカッタ１０１を配置することが難しい。

そこで、この対策として、掘削機の中央掘削部の前面にコーン型のローラカッタを設置して切羽中央の掘削方式を圧砕方式とした。これにより、中央掘削部のローラカッタにかかる推力方向荷重を低減することができ、切羽中央を効率良く掘削することができる。

しかし、トンネルの切羽の掘削時において、掘削機の中央掘削部が切羽の突出部（凹凸）により衝撃を受ける結果、中央掘削部のコーン型のローラカッタが破損してしまう問題がある。特に、コーン型のローラカッタの場合は、掘削本体を片持ちで支持する構造なのでディスク型のローラカッタに比べて支持部の機械的強度が低い上、掘削本体に複数の掘削チップを突出させた状態で設置する構造なのでディス型のローラカッタに比べて掘削チップが破損し易い。このため、掘削機のカッタ盤の寿命が短くなる結果、高速掘削施工および長距離掘削施工への対応を阻害する。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、掘削機を構成するカッタ盤の寿命を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の掘削機は、機器本体の前面外周に回転可能な状態で設けられた外周掘削部と、前記外周掘削部の前面中央に前記外周掘削部とは独立して回転可能な状態で設けられた中央掘削部と、を備え、前記外周掘削部は、前記外周掘削部の前面に設けられた掘削部材を備え、前記中央掘削部は、前記中央掘削部を回転可能な状態で支持する支持部材と、前記支持部材の前面に回転可能な状態で設けられたコーン型のローラカッタと、前記支持部材に機械的に接続された状態で設けられ、前記コーン型のローラカッタが前記機器本体の軸方向に移動するのを許容することで前記コーン型のローラカッタに対して加わる軸方向の負荷を調整する負荷調整手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の本発明は、上記請求項１記載の発明において、前記負荷調整手段は、前記支持部材の後方に機械的に接続された油圧シリンダと、前記油圧シリンダに機械的に接続されたアキュムレータと、を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の本発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記中央掘削部の少なくとも前記支持部材および前記コーン型のローラカッタを着脱自在の状態で設けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、掘削機の中央掘削部が切羽の突出部（凹凸）により過剰な圧力を受けた場合でも、コーン型のローラカッタを軸方向に沿って機内側に移動させてコーン型のローラカッタに加わる過剰な圧力を緩和することができるので、コーン型のローラカッタの破損を抑制または防止することができる。したがって、掘削機を構成するカッタ盤の寿命を向上させることが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、掘削機を構成するカッタ盤の中央掘削部のコーン型のローラカッタに加わる負荷を簡単な構造で調整することが可能になる。

請求項３記載の発明によれば、掘削機を構成するカッタ盤の中央掘削部のコーン型のローラカッタの点検や交換を安全かつ容易に実施することが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る掘削機を側面側から見た一例の概略構成図である。図１の掘削機のカッタヘッドの一例の正面図である。図１のＩ−Ｉ線の断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。図１のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。図１の掘削機のカッタヘッドおよび前胴部の斜視図である。図７のＶ−Ｖ線の断面図である。図７のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。図１の掘削機の負荷調整機構部の拡大断面図である。図１０の負荷調整機構部において油圧シリンダのシリンダ室内の圧力が高まった場合の拡大断面図である。図１０の負荷調整機構部において油圧シリンダのシリンダ室内の圧力が下がった場合の拡大断面図である。（ａ），（ｂ）はトンネル掘削処理工程中の掘削機の断面図である。（ａ），（ｂ）は図１３に続くトンネル掘削処理工程中の掘削機の断面図である。（ａ），（ｂ）は図１４に続くトンネル掘削処理工程中の掘削機の断面図である。本発明の他の実施の形態に係る掘削機の負荷調整機構部の拡大断面図である。カッタヘッドの正面図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

まず、本実施の形態の掘削機の構成例について図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る掘削機を側面側から見た一例の概略構成図、図２は図１の掘削機のカッタヘッドの一例の正面図、図３〜図６はそれぞれ図１のＩ−Ｉ線、ＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線およびＩＶ−ＩＶ線の断面図である。なお、各図には、掘削機１の径方向の中心線Ｃｘ，Ｃｙおよび高さ方向の中心線Ｃｚを示している。

本実施の形態の掘削機１は、例えば、細長い円柱形状に形成された複胴式シールド型ＴＢＭであり、カッタヘッド（カッタ盤）２と、カッタヘッド２を支持する機器本体３とを備えている。

カッタヘッド２は、地盤を掘削するための掘削盤であり、機器本体３の先端に左右両方向に回転可能な状態で設置されている。このカッタヘッド２の前面には、図２に示すように、複数個のローラカッタ（掘削部材）４ａ，４ｂが回転可能な状態で設置されている。

このローラカッタ４ａ，４ｂは、トンネルの切羽を掘削する部材である。ここでは、カッタヘッド２の前面中央に、例えば、コーン型のローラカッタ４ａが設置され、その外周に、例えば、シングルディスク型の複数のローラカッタ４ｂが設置されている。

また、カッタヘッド２の前面には、その前後面間を貫通する貫通孔５が形成されている。この貫通孔５は、カッタヘッド２により掘削された掘削土砂等を掘削機１内に取り込む孔である。なお、カッタヘッド２の構造については後ほど詳細に説明する。

機器本体３は、例えば、掘削機１の外殻を形成する３つのスキンプレート７ａ，７ｂ，７ｃを備えている。これらのスキンプレート７ａ，７ｂ，７ｃは、例えば、円筒状の鋼材管により形成されており、掘削機１の軸方向に沿って隣接するもの同士で互いに係合した状態で直列に並設されている。

前段のスキンプレート７ａにおいて、その前端から機器本体３の内方に後退した位置には、機器本体３内の中空空間を切羽側と機内側とに分ける隔壁８が設置されている。この機器本体３の中空空間内において切羽側（すなわち、カッタヘッド２と隔壁８との間）の下方には、ホッパ９が設置されている。ホッパ９は、カッタヘッド２の貫通孔５を通じて掘削機１内に取り込まれた掘削土砂を一時的に収容する収容部である。

このホッパ９は、排土管１０に機械的に接続されている。排土管１０は、掘削機１の軸方向に沿って延在し坑外の排土タンク（図示せず）に機械的に接続され、さらにエア併用真空排土方式（バキューム方式）の吸引装置（図示せず）に機械的に接続されている。ホッパ９内に収容された掘削土は、吸引装置により吸引され排土管１０を通じて排土タンク内に収容されるようになっている。

一方、機器本体３の中空空間において機内側には、前胴グリッパ１２、外周駆動部１３、方向修正ジャッキ１４、推進ジャッキ１５、後胴グリッパ１６および滑落防止ジャッキ１７等が設置されている。

前胴グリッパ１２は、掘削機１の前部をトンネル内に一時的に固定するための機構部であり、図３に示すように、例えば、スキンプレート７ａ内においてスキンプレート７ａの周方向に沿って４箇所に分散された状態で設置されている。各前胴グリッパ１２は、スキンプレート７ａの径方向に伸縮可能な固定部材１２ａを備えており、この固定部材１２ａを伸ばしてトンネルの抗壁に押し付けることで掘削機１をトンネル内に固定することが可能になっている。

外周駆動部１３は、カッタヘッド２の後述の外周掘削部２ａを回転させる回転駆動手段であり、図１に示すように、回転モータ１３ａと、伝達ギア１３ｂと、支持シャフト１３ｃとを備えている。回転モータ１３ａは、例えば、油圧式または電動式の回転駆動源であり、図３に示すように、例えば、スキンプレート７ａ内において左右対称に２台設置されている。伝達ギア１３ｂは、回転モータ１３ａの回転駆動力を支持シャフト１３ｃに伝えるギアである。支持シャフト１３ｃは、外周駆動部１３とカッタヘッド２の外周掘削部２ａとを機械的に接続することでカッタヘッド２の外周掘削部２ａを回転可能な状態で支持する部材である。

方向修正ジャッキ１４は、掘削機１の掘削方向を修正する機構部であり、スキンプレート７ａ，７ｂ内において、スキンプレート７ａ，７ｂを連結するようにスキンプレート７ａ，７ｂを跨ぐ位置に設置されているとともに、例えば、スキンプレート７ａ，７ｂの周方向に沿って４箇所に分散された状態で設置されている。この方向修正ジャッキ１４に対して油圧装置から圧油を供給し、スキンプレート７ａ，７ｂを予め決められた方向および角度に屈折させた状態で掘削機１を推進することにより掘削機１の掘削方向を制御することが可能になっている。

推進ジャッキ１５は、掘削機１を推進させるための機構部であり、スキンプレート７ｂ，７ｃ内において、スキンプレート７ｂ，７ｃを連結するようにスキンプレート７ｂ，７ｃを跨ぐ位置に設置されているとともに、図４に示すように、例えば、スキンプレート７ｂ，７ｃの周方向に沿って４箇所に分散された状態で設置されている。各推進ジャッキ１５は、掘削機１の軸方向に沿って伸縮可能な構成になっている。

後胴グリッパ１６は、掘削施工時に掘削機１の後部をトンネルに一時的に固定することで推進反力を得るための機構部であり、図５に示すように、例えば、掘削機１の後部のスキンプレート７ｃ内に設置されている。各後胴グリッパ１６は、スキンプレート７ｃの径方向に伸縮可能な固定部材１６ａを備えており、この固定部材１６ａを伸ばしてトンネルの坑壁に押し付けることで掘削機１をトンネル内に一時的に固定することが可能になっている。

滑落防止ジャッキ１７は、掘削機１の滑落を防止する機構部であり、掘削機１の軸方向に沿って伸縮可能な状態で掘削機１の後部に設置されている。滑落防止ジャッキ１７は、図５および図６に示すように、例えば、スキンプレート７ｃ内において下部の２箇所に設置されている。これにより、地質不良部において後胴グリッパ１６による反力確保が困難な場合に、掘削機１の後方に設置されたセグメントＳＧに対して滑落防止ジャッキ１７を押し付けることで反力を得ることが可能になっている。このように地質の状態等に応じて、掘削機１の推進反力の取り方を変えることができるので、トンネルを安全にしかも短期間で形成することができる。

次に、カッタヘッド２の構造の一例について図１〜図３、図７〜図１０を参照して説明する。図７は図１の掘削機のカッタヘッドおよび前胴部の斜視図、図８は図７のＶ−Ｖ線の断面図、図９は図７のＶＩ−ＶＩ線の断面図、図１０は図１の掘削機の負荷調整機構部の拡大断面図である。

カッタヘッド２は、その前面外周の外周掘削部２ａと、カッタヘッド２の前面中央の中央掘削部２ｂとを備えている。外周掘削部２ａは、切羽の面内外周部の掘削に寄与する部分であり、カッタヘッド２の外周部分で構成されている。外周掘削部２ａは、上記外周駆動部１３によって左右両方向に回転可能な状態とされている。この外周掘削部２ａの前面（切羽に対向する面）には、図２および図７に示すように、複数個のディスク型のローラカッタ４ｂが、その外周の刃先を切羽側に向けて回転自在の状態で設置されている。ディスク型のローラカッタ４ｂの直径は、例えば、４０ｃｍ程度である。

カッタヘッド２の前面中央には、図１、図２、図８および図９に示すように、カッタヘッド２の前後面を貫通する貫通孔２ｃが形成されており、その貫通孔２ｃ内には、中央掘削部２ｂが設置されている。この中央掘削部２ｂは、切羽の面内中央部の掘削に寄与する部分であり、外周掘削部２ａとは独立して左右両方向に回転可能な状態で設置されている。このように本実施の形態の掘削機１においては、中央掘削部２ｂを外周掘削部２ａに対して独立して回転駆動可能な状態で設けたことにより、異なる掘削メカニズムにおいて切羽の面内中央の掘削性を向上させることができる。

このような中央掘削部２ｂは、支持部材２０と、コーン型のローラカッタ４ａと、中央駆動部２１と、負荷調整機構部（負荷調整手段）２２とを備えている。支持部材２０は、中央掘削部２ｂを回転可能な状態で支持する部材である。この支持部材２０は、例えば、円柱形状に形成されており、カッタヘッド２の前面中央の貫通孔２ｃおよびその後方の円筒管２３内に回転可能な状態で設置されている。なお、円筒管２３は、貫通孔２ｃと中心軸を一致させた状態でカッタヘッド２の後方のスキンプレート７ａ内に設置されている。この円筒管２３の内周と支持部材２０の外周との間には、リング状のシール部材２４が介在されている。

この支持部材２０の軸方向の前端面（切羽に対向する面）には、例えば、円錐形状の２個のコーン型のローラカッタ４ａ，４ａが、その各々の頂点を中央掘削部２ｂの中心に向け、かつ、その各々の外周面が切羽（掘削面）に対向するようにコーン型のローラカッタ４ａ，４ａの支持軸を切羽に対して傾けた状態で設置されている。また、各コーン型のローラカッタ４ａ，４ａは、支持軸を中心に回転自在の状態で片持ち支持されている。各コーン型のローラカッタ４ａは、円錐形状のドラムに超硬合金製等の複数の掘削チップ４ａ１を埋め込むことで構成されている。このように本実施の形態の掘削機１においては、切羽の面内中央に対する掘削方式をディスク型のローラカッタによる剥離破砕方式とするのではなく、コーン型のローラカッタによる圧砕方式にすることにより、中央掘削部２ｂに掛かる推力方向荷重を低減することができるので、掘進停止を防止することができる。このため、掘削機１の切羽の面内中央の掘削性を向上させることができ、掘削効率を向上させることができるので、高速掘削施工を実現することができ、工期の短縮を実現することができる。また、中央掘削部２ｂにディスク型のローラカッタを配置するのは困難であるが（図１７参照）、コーン型のローラカッタ４ａを配置したことにより掘削部材の配置上の問題も解消することができる。ただし、コーン型のローラカッタ４ａの配置個数は２個に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、３個でも良い。

一方、支持部材２０の軸方向の後端面には、中央駆動部２１が機械的に接続されている。中央駆動部２１は、中央掘削部２ｂを外周掘削部２ａとは独立した状態で回転させる回転モータで構成されている。この中央駆動部２１は、例えば、油圧式または電動式の回転駆動源であり、外周駆動部１３の回転モータ１３ａよりも高速回転可能な構成になっている。掘削時においては、外周掘削部２ａの外周の周速度と、中央掘削部２ｂの外周の周速度とが一致するように外周駆動部１３と中央駆動部２１の回転速度を設定する。

また、支持部材２０の軸方向の後端部には、図８および図９に示すように、小径部２０ａが形成されており、その外周に沿って段差部２０ｂが形成されている。この支持部材２０の軸方向の後端部には、図３、図８および図９に示すように、平面リング状の支持板２５が支持部材２０の軸方向に移動可能な状態で嵌め込まれている。この支持板２５の内周部は、支持部材２０の段差部２０ｂに重なるように支持部材２０の小径部２０ａまで延在しているが、支持部材２０の回転を阻害しないように、支持部材２０（小径部２０ａおよび段差部２０ｂ）には接合されてはいない。支持板２５の外周において中央の開口部を挟んで対称位置には、支持板２５の中心方向に延びる凹部が形成されている。一方、支持部材２０の後端部の外周に位置する枠体２６において支持部材２０を挟んで対称位置には、図３および図９に示すように、掘削機１の軸方向に延在する一対のガイド板２７，２７が立設されている。支持板２５は、その中央の開口部内に支持部材２０の小径部２０ａを嵌め込むとともに、支持板２５の外周の各々の凹部にガイド板２７，２７を嵌め込むことで支持部材２０の軸方向に沿って移動可能な状態で支持されている。

さらに、支持部材２０の軸方向の後端部の外周近傍には、図１および図８に示すように、例えば、２個の負荷調整機構部２２が上下対称に設置されている。各負荷調整機構部２２，２２は、コーン型のローラカッタ４ａが機器本体３の軸方向に移動するのを許容することでコーン型のローラカッタ４ａに対して加わる軸方向の負荷を調整する手段である。各負荷調整機構部２２は、それぞれ油圧シリンダ２２ａｃ，２２ａｃと、アキュムレータ２２ｂ，２２ｂとを備えている。これにより、掘削機１を構成するカッタヘッド２の中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａに加わる負荷を簡単な構造で調整することができる。

図８および図１０に示すように、油圧シリンダ２２ａは、シリンダ２２ａｃと、プランジャ２２ａｐと、作動油２２ａｆとを備えている。各油圧シリンダ２２ａ，２２ａのシリンダ２２ａｃ，２２ａｃは、共通の支持板２５に接続されている。このように２つのシリンダ２２ａｃ，２２ａｃを共通の支持板２５に接続したことにより、２つのシリンダ２２ａｃ，２２ａｃを支持部材２０の軸方向に沿ってスムーズに移動させることができる。

また、シリンダ２２ａｃ，２２ａｃは、着脱自在の状態で支持板２５に接続されている。そして、コーン型のローラカッタ４ａ、支持部材２０および中央駆動部２１が着脱自在の状態で設置されており、これらを一体として機内側から取り出したり、装着したりすることが可能になっている。これにより、コーン型のローラカッタ４ａの点検や交換作業の際に、コーン型のローラカッタ４ａ、支持部材２０および中央駆動部２１のみを機内側から取り出すことができるので、安全かつ簡単にコーン型のローラカッタ４ａの点検や交換を実施することができる。したがって、工期の短縮を実現することができるとともに、長距離掘削作業にも柔軟に対応することができる。

このような油圧シリンダ２２ａ，２２ａのシリンダ２２ａｃ，２２ａｃ内には、作動油２２ａｆが充填されているとともに、プランジャ２２ａｐ，２２ａｐの一部がシリンダ２２ａｃの軸方向に沿って摺動可能な状態で収容されている。ここでは、プランジャ２２ａｐ，２２ａｐにおいてシリンダ２２ａｃ，２２ａｃの外部に突出した部分が枠体２６に固定されているので、シリンダ２２ａｃ，２２ａｃが軸方向に沿って移動可能な状態で設置されている。なお、プランジャ２２ａｐを着脱自在にすることで、中央掘削部２ｂ（コーン型のローラカッタ４ａ、支持部材２０、中央駆動部２１および負荷調整機構部２２）全体を着脱自在にしても良い。

一方、図１０に示すように、アキュムレータ２２ｂは、気体が油圧により圧縮される性質を利用した作動機器である。アキュムレータ２２ｂを構成する本体部２２ｂｂの中空室２２ｂｒは、上記した油圧シリンダ２２ａの作動油２２ａｆが流入することが可能なように連通管２２ｃを通じてシリンダ２２ａｃの室内と接続されている。なお、連通管２２ｃには、作動油２２ａｆの供給排出に作用する給排油弁が設けられている。

また、本体部２２ｂｂの中空室２２ｂｒ内には、プラダ２２ｂｐが収容されている。プラダ２２ｂｐは、例えば、ゴムのような可撓性部材からなり、その内部には封入口２２ｂｆを通じて窒素ガス等のような気体が充填されている。このプラダ２２ｂｐは、その内部に充填された気体と中空室２２ｂｒ内に流入した作動油２２ａｆとを分離する隔膜であり、プラダ２２ｂｐ内の気体の圧縮比で圧油の貯蓄を行うようになっている。なお、封入口２２ｂｆには給気弁が設置されている。

ここで、負荷調整機構部２２の動作例について図１０〜図１２を参照して説明する。図１１は図１０の負荷調整機構部において油圧シリンダのシリンダ室内の圧力が高まった場合の拡大断面図、図１２は図１０の負荷調整機構部において油圧シリンダのシリンダ室内の圧力が下がった場合の拡大断面図である。

まず、図１０は初期設定状態のアキュムレータ２２ｂを示している。この状態では、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａに対して、掘削機１の機内に向かって軸方向に力が加わっていない。この場合は、アキュムレータ２２ｂのプラダ２２ｂｐが本体部２２ｂｂの中空室２２ｂｒ内に膨らんでいる。このため、油圧シリンダ２２ａのシリンダ２２ａｃ内の油圧によって支持部材２０の軸方向の移動が押さえられている。これにより、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａが切羽に対して充分な圧力で当たり切羽を良好に掘削することができる。このため、掘削機１の切羽の面内中央の掘削性を向上させることができ、掘削効率を向上させることができる。

続いて、図１１に示すように、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａに対して、掘削機１の機内に向かって軸方向に力が加わった場合に、その力がアキュムレータ２２ｂのプラダ２２ｂｐ内の気体の封入圧力より小さい場合は、油圧シリンダ２２ａのシリンダ２２ａｃ内の油圧により支持部材２０の軸方向の移動が押さえられる。一方、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａに対して、掘削機１の機内に向かって軸方向にアキュムレータ２２ｂのプラダ２２ｂｐ内の気体の封入圧力以上の過剰な圧力が加わると、プラダ２２ｂｐ内の気体が圧縮されるとともに、シリンダ２２ａｃ内の作動油２２ａｆがアキュムレータ２２ｂの中空室２２ｂｒ内に流れ込む。これにより、シリンダ２２ａｃ内の油圧が低下するのでシリンダ２２ａｃ内の油圧による支持部材２０の抑止力が解除される結果、支持部材２０およびコーン型のローラカッタ４ａも機内側に向かって移動する。このように本実施の形態においては、掘削機１の中央掘削部２ｂが切羽の突出部（凹凸）により過剰な圧力を受けた場合でも、コーン型のローラカッタ４ａを軸方向に沿って機内側に移動させることができ、コーン型のローラカッタ４ａに加わる過剰な圧力を緩和することができるので、コーン型のローラカッタ４ａの破損を抑制または防止することができる。したがって、掘削機１のカッタヘッド２の寿命を向上させることができるので、工期の短縮を実現することができるとともに、長距離掘削作業にも柔軟に対応することができる。

続いて、図１２に示すように、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａに対し、掘削機１の機内に向かって軸方向に加わる力が弱まりアキュムレータ２２ｂのプラダ２２ｂｐ内の封入圧力より下がると、アキュムレータ２２ｂのプラダ２２ｂｐ内の気体が膨張し、中空室２２ｂｒ内の作動油２２ａｆがシリンダ２２ａｃ室内に流入する。これにより、シリンダ２２ａｃ内に流入した作動油２２ａｆの油圧でシリンダ２２ａｃが元の位置に移動するので、シリンダ２２ａｃに接続された支持板２５も元の位置に移動する。このため、支持板２５に係合された支持部材２０も元の位置に移動する。これにより、中央掘削部２ｂのコーン型のローラカッタ４ａが切羽に対して充分な圧力で当たり切羽を良好に掘削することができる。このため、掘削機１の切羽の面内中央の掘削性を向上させることができ、掘削効率を向上させることができる。

次に、本実施の形態のトンネル掘削方法の一例について図１３〜図１５を参照して説明する。図１３〜図１５はトンネル掘削処理工程中の掘削機１の断面図である。なお、図中の符号ＳＧはセグメントを示している。また、図１３および図１５では、説明上、後胴グリッパ１６の固定部材１６ａを掘削機１の上下に示している。

ここでは、例えば、中小水力発電用の水路（水圧管路、導水路または放水路等）や広域ガスパイプライン等のような小口径上向き斜方トンネルの掘削作業を一例として説明する。岩盤強度は、例えば、１００ＭＰａ以上、掘削外径は、例えば、１５００〜２５００ｍｍ、掘削延長は、例えば、１０００ｍ以上である。

まず、図１３（ａ）に示すように、掘削機１の後胴グリッパ１６の固定部材１６ａを掘削機１の外周から外方に向かって伸ばしトンネルの坑壁に押し当てるとともに、掘削機１の後部の滑落防止ジャッキ１７をセグメントＳＧに押し当てる。これにより、掘削機１をトンネル内に固定する。

続いて、図１３（ｂ）に示すように、推進ジャッキ１５を掘削機１の軸方向前方に伸ばし、カッタヘッド２の前面のローラカッタ４を地盤に押し付けた状態でカッタヘッド２の外周掘削部２ａおよび中央掘削部２ｂを回転させることによりトンネルの切羽の地盤を掘削する。この際、外周掘削部２ａおよび中央掘削部２ｂの周速度を一致させるように設定する。

次いで、掘削機１の推進ジャッキ１５が伸びきったところでカッタヘッド２の外周掘削部２ａおよび中央掘削部２ｂの回転を停止し、後胴グリッパ１６で反力を得たまま、図１４（ａ）に示すように、前胴グリッパ１２の固定部材１２ａを掘削機１の外周から外方に伸ばしてトンネルの坑壁に押し当てることにより掘削機１を固定する。

続いて、後胴グリッパ１６の固定部材１６ａを掘削機１内に向かって縮めて後胴グリッパ１６による固定状態を解除した後、図１４（ｂ）に示すように、掘削機１の推進ジャッキ１５を縮めて掘削機１の後部のスキンプレート７ｃを前方のスキンプレート７ａ，７ｂ側に引き寄せるとともに、掘削機１の滑落を防止するための滑落防止ジャッキ１７を掘削機１の軸方向後方に伸ばしてスキンプレート７ｃを前方に推し進める。

次いで、図１５（ａ）に示すように、前胴グリッパ１２で掘削機１を固定したまま、後胴グリッパ１６の固定部材１６ａをトンネルの抗壁に向かって伸ばし抗壁に押し当てて掘削機１を固定する。

続いて、前胴グリッパ１２および後胴グリッパ１６で掘削機１を固定した状態で滑落防止ジャッキ１７を縮めて、その滑落防止ジャッキ１７の後方の空き領域に新たなセグメントＳＧを設置する。

その後、図１５（ｂ）に示すように、前胴グリッパ１２の固定部材１２ａを掘削機１内に向かって縮めて前胴グリッパ１２による掘削機１の固定状態を解除する。その後、図１３〜図１５で説明した作業を繰り返すことによりトンネルの全体を形成する。

このように本実施の形態においては、斜方トンネルであっても安全かつ高速に掘削作業を実施することができる。また、カッタヘッド２の中央に、外周掘削部２ａに対して独立して回転駆動可能な中央掘削部２ｂを設けたことにより、切羽の掘削性を向上させることができる。また、カッタヘッド２の中央掘削部２ｂの前面にコーン型のローラカッタ４ａを設置したことにより、掘削機１の掘進停止を防止することができるので、掘削機１の切羽の掘削効率を向上させることができる。さらに、掘削機１の中央掘削部２ｂが切羽の突出部（凹凸）により過剰な圧力を受けた場合でも、コーン型のローラカッタ４ａを軸方向に沿って機内側に移動させることができ、コーン型のローラカッタ４ａに加わる過剰な圧力を緩和することができるので、コーン型のローラカッタ４ａの破損を抑制または防止することができる。これらにより、掘削作業の工期の短縮を実現することができるとともに、長距離掘削作業にも柔軟に対応することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

例えば、掘削機１のカッタヘッド２の中央掘削部２ｂを掘削機１の軸方向に沿って前後に移動させることが可能な構成としても良い。この場合、例えば、図１６に示すように、掘削機１の初期段階において、プランジャ２２ａｐのフランジ頭部の端面とシリンダ２２ａｃの内壁面との間に空間を設けておくとともに、枠体２６とこれに対向するシリンダ２ａｃの先端面との間に空間を空けておく。また、シリンダ２２ａｃの室内に作動油２２ａｆを供給するための連通管３０をシリンダ２２ａｃに設けるとともに、その連通管３０に制御バルブを設けておく。また、アキュムレータ２２ｂ側の連通管２２ｃに制御バルブを設けておく。中央掘削部２ｂを突出させたい場合は、アキュムレータ２２ｂ側の連通管２２ｃを制御バルブにより閉じた後、矢印ＰＰに示すように、連通管３０を通じて作動油２２ａｆをシリンダ２２ａｃの室内に供給する。すると、油圧によりシリンダ２２ａｃが図１６の左方向に移動するので、シリンダ２２ａｃに接続された支持板２５も図１６の左方向に移動する。その結果、支持板２５によって中央掘削部２ｂの後部が左方向に押され、中央掘削部２ｂの先端部が切羽側に突出する。これにより、例えば、地山の状態により切羽の中央部のみを中央掘削部２ｂによって先行して掘削するなど、地山に応じた掘削を実施することができる。なお、アキュムレータ２２ｂを動作させる状況では、連通管３０側の制御バルブを閉じておく。また、図１６ではアキュムレータ２２ｂの機構部と中央掘削部２ｂの突出機構部とを共有させているが、これに限定されるものではなく、中央掘削部２ｂの突出後退用の油圧機構部を中央掘削部２ｂの後方にアキュムレータ２２ｂとは別個に設けても良い。

本発明は、ＴＢＭに適用することに限定されるものではなく、例えば、推進工法またはシールド工法で用いる掘削機に適用することもできる。

１掘削機
２カッタヘッド
２ａ外周掘削部
２ｂ中央掘削部
２ｃ貫通孔
３機器本体
４ａコーン型のローラカッタ
４ａ１掘削チップ
４ｂディスク型のローラカッタ
５貫通孔
７ａ，７ｂ，７ｃスキンプレート
８隔壁
９ホッパ
１０排土管
１２前胴グリッパ
１２ａ固定部材
１３カッタ駆動部
１３ａ回転モータ
１３ｂ伝達ギア
１３ｃ支持シャフト
１４方向修正ジャッキ
１５推進ジャッキ
１６後胴グリッパ
１６ａ固定部材
１７滑落防止ジャッキ
２０支持部材
２０ａ小径部
２０ｂ段差部
２１中央駆動部
２２負荷調整機構部
２２ａ油圧シリンダ
２２ａｃシリンダ
２２ａｐプランジャ
２２ａｆ作動油
２２ｂアキュムレータ
２２ｂｂ本体部
２２ｂｐプラダ
２２ｂｆ封入口
２２ｃ連通管
２３円筒管
２４シール部材
２５支持板
２６枠体
２７ガイド板
３０連通管

Claims

機器本体の前面外周に回転可能な状態で設けられた外周掘削部と、
前記外周掘削部の前面中央に前記外周掘削部とは独立して回転可能な状態で設けられた中央掘削部と、
を備え、
前記外周掘削部は、
前記外周掘削部の前面に設けられた掘削部材を備え、
前記中央掘削部は、
前記中央掘削部を回転可能な状態で支持する支持部材と、
前記支持部材の前面に回転可能な状態で設けられたコーン型のローラカッタと、
前記支持部材に機械的に接続された状態で設けられ、前記コーン型のローラカッタが前記機器本体の軸方向に移動するのを許容することで前記コーン型のローラカッタに対して加わる軸方向の負荷を調整する負荷調整手段と、
を備えることを特徴とする掘削機。
前記負荷調整手段は、
前記支持部材の後方に機械的に接続された油圧シリンダと、
前記油圧シリンダに機械的に接続されたアキュムレータと、
を備えることを特徴とする請求項１記載の掘削機。
前記中央掘削部の少なくとも前記支持部材および前記コーン型のローラカッタを着脱自在の状態で設けたことを特徴とする請求項１または２記載の掘削機。