JP2019127805A - シールド掘進機の余掘り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シールド掘進機で硬質地盤中の急曲線区間等を掘進する際に、シールド掘進機周囲に余掘り領域を確実に形成する。【解決手段】 シールド掘進機１のカッタヘッド２内に、装置中心から放射状をなして配列されたカッタスポーク３の外縁付近に、カッタヘッド２の外縁面から突出可能な振動ブレーカ２０とコピーカッタ１０とを備える。通常の地盤の場合には、急曲線区間を掘進する際、通常の地盤ではコピーカッタ１０を用いて余掘り領域を形成し、硬質地盤では振動ブレーカ２０の先端ヘッドをカッタヘッド２の外縁面から所定量突出させながら先端ヘッドを周囲地盤に押圧して振動させて周囲地盤を破砕し、シールド掘進機１の周囲地盤の所定範囲に余掘り領域を形成する。【選択図】 図１

Description

本発明はシールド掘進機の余掘り装置に係り、シールド掘進機で硬質地盤中の急曲線区間等を掘進する際に、シールド掘進機周囲に余掘り領域を確実に形成することができるシールド掘進機の余掘り装置に関する。

シールド掘進機には、施工対象のシールドトンネルの線形に応じた掘進機の方向制御のために、余掘り装置としてのコピーカッタが備えられる場合がある。たとえば、急曲線区間を有するトンネルをシールド工法で構築する場合、シールド掘進機にコピーカッタを装備してシール掘進機本体の周囲の地盤（一般にカーブ（曲線）の内側）に余掘り領域を形成し、所定の曲率半径でカーブしながら掘進するシールド掘進機本体と周囲地盤との接触を低減することで掘進方向への方向制御を円滑に行っている。

コピーカッタは、一例として特許文献１の図１、２に示されたように、シールド掘進機本体の先端部のカッタヘッド内に組み込まれ、カッタヘッドの軸中心位置から半径方向に、カッタヘッド外縁面から所定突出量だけ突出するように油圧機構等によって制御動作される。コピーカッタが所定量だけ突出した状態でカッタヘッドを回転させて掘進することによりコピーカッタ外面に装着されたカッタビットで周囲地盤の対象範囲を切削して余掘り領域を形成することができる。

また、特許文献２は、カッタヘッドに多数のディスクカッタが装着されたタイプのシールド掘進機において、ディスクカッタ全体を余掘り領域まで伸縮するように制御可能な駆動機構を備えたオーバーカッタ装置が装備されている。また、特許文献２には複数の従来技術としてのコピーディスクカッタが開示されており、これらのコピーディスクカッタは各種の油圧機構を備え、余掘り領域まで突出する構造になっている。

特開２００３−２１４０９３号公報 特開平８−１９３４９４号公報

ところで、特許文献１に開示されたシールド掘進機では、コピーカッタを、入れ子構造からなる複数の筒状体で構成することで、切削時に作用する大きなモーメントに抵抗するようになっている。しかし、このような構造であっても、周囲地盤が硬質で切削困難な場合には、コピーカッタに作用する大きな地盤抵抗によってカッタビットの破損、コピーカッタの折れ曲がり等が生じるおそれがある。カッタヘッドの収容位置から突出したコピーカッタが折れ曲がると、カッタヘッド内に再び収容できなくなる事態も生じる。

また、地盤が硬質なためコピーカッタの切削が十分行えない場合には、余掘り領域が十分に確保できないため、周囲地盤との摺動抵抗が軽減できず、シールド掘進機の推力が上昇し、推進装置に過負荷が生じるという問題がある。

これに対して、特許文献２に開示されたディスクカッタを備えたオーバーカッタ装置は、ディスクカッタの切削能力が高いため、硬質地盤からの抵抗は小さくなるが、全断面掘削となるためシールド掘進機の周囲地盤に対する部分的な余掘り領域の形成が行えず、余掘り量が過大になるという問題がある。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、硬質地盤における急曲線区間での掘進のための余掘り領域の形成を確実に行えるようにしたシールド掘進機の余掘り装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明はカッタヘッド内に、装置中心から放射状をなして配列されたカッタスポークの外縁付近に、前記カッタヘッドの外縁面から突出可能な振動ブレーカを備え、該振動ブレーカを前記カッタヘッドの外縁面から所定量突出させながら先端部を周囲地盤に押圧して振動させて前記周囲地盤を破砕し、前記カッタヘッドの周囲地盤の所定範囲に余掘り領域を形成することを特徴とする。

前記振動ブレーカは、ロータリージョイントを介して前記カッタヘッド内に配管された油圧系統が接続され、該油圧系統を介して供給される油圧駆動により前記先端部が前記カッタヘッドの外縁面から突出し、振動することが好ましい。

前記振動ブレーカが装備された以外の前記カッタスポークの外縁付近にコピーカッタがさらに装備されることが好ましい。これにより、前記振動ブレーカで破砕した地盤を効率よくそぎ落とすことが可能になる。

前記コピーカッタは、油圧駆動により前記カッタヘッドの外縁面から突出することが好ましい。

前記コピーカッタの作動油圧により前記周囲地盤の状況を確認し、前記コピーカッタによって余掘り領域を形成するか、前記振動ブレーカによって余掘り領域を形成するかを決定することが好ましい。

前記振動ブレーカは、直動ジャッキ構造からなることが好ましい。

本発明のシールド掘進機の余掘り装置の一実施形態が装備されたシールド掘進機を示した正面図。 図１に示したシールド掘進機のＩＩ−ＩＩ断面線に沿って示した概略縦断面図。 図１に示したシールド掘進機の余掘り装置によって、周囲地盤に余掘り領域を形成した状態を示した状態説明図。 図３に示した余掘り領域の縦断方向での形成状態を示した状態説明図。 本発明のシールド掘進機の余掘り装置の一実施形態を示した部分拡大断面図。 図５に示した余掘り装置による余掘り動作状態を示した状態説明図。 本発明のシールド掘進機の余掘り装置の他の実施形態を示した部分拡大断面図。

以下、本発明のシールド掘進機の余掘り装置の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明のシールド掘進機１の余掘り装置１０が装備されたシールド掘進機１のカッタヘッド２の前面を示した概略正面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面線に沿って示したシールド掘進機１と、その後方で組み立てられたセグメント６の一部を示した縦断面図である。

本発明のシールド掘進機１の余掘り装置１０が装備された一例としてのシールド掘進機１は、図１に示したようにカッタヘッド２の全面に、カッタヘッド２の軸中心位置から放射状に十字形をなす４本のカッタスポーク３を備え、各カッタスポーク３の前面には多数のカッタビット（図示せず）が列設されている。本発明では、十字形のカッタスポーク３の外縁付近に、余掘り装置１０としての２台のコピーカッタ１０と２台の振動ブレーカ２０とが配備されている。本実施形態では、各コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０はそれぞれ一直線状をなす２本のカッタスポーク３の外縁付近にそれぞれ装備されている。シールド掘進機１は、その規模、構造によってカッタスポーク３の本数が異なる。このため、装備されるコピーカッタ１０、振動ブレーカ２０の台数、配置は各シールド掘進機１の設計段階で決定する。なお、上述したカッタスポーク３に装着されるカッタビットは、本発明の技術的特徴に関係ないため、図の簡単化のため各図において図示を省略している。

本発明のシールド掘進機１の余掘り装置１０では、周囲地盤Ｇ（図４〜６参照）の硬軟の程度に応じてコピーカッタ１０と振動ブレーカ２０とを使い分けてシールド掘進機１の周囲に所定の余掘り領域を形成することができる。コピーカッタ１０と振動ブレーカ２０のいずれの装置を使用するかは、トンネルが構築される地質縦断に応じてあらかじめ想定できるが、後述する検知部３７で得られた作動油の圧力状態から判断されるコピーカッタ１０の負荷状態等から、コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０いずれを使用するかを決定してもよい。

コピーカッタ１０は、図１に示したように、各種の公知の構造と同様に、カッタビット１１が外縁部に装着された筒状体あるいは箱状体１３からなり、これら筒状体あるいは箱状体１３を、図示しない油圧ジャッキやリンク機構を介してカッタヘッド２の外縁面から所定量突出、後退させることができる。コピーカッタ１０のカッタヘッド２の外縁面２ａからの突出量と、コピーカッタ１０による周囲地盤Ｇの切削状況は、コピーカッタ１０の突出、後退を制御する作動油の圧力状態を油圧系統３０中の油圧ゲージ等で計測して把握することができる。

本実施形態の振動ブレーカ２０は、図１，図２に示したように、コピーカッタ１０が装着されていない２本のカッタスポーク３の外縁端付近に装備され、図３（ａ）に示したように、先端ヘッド２４がカッタヘッド２の外縁面２ａから所定量突出、後退するブレーカ本体２１と、カッタスポーク３内に保持され、ブレーカ本体２１を油圧機構により伸縮可能に収容する筒状ケーシング２２とから構成されている。すなわち、振動ブレーカ２０はシリンダとしてのブレーカ本体２１が伸縮可能に筒状ケーシング２２に保持された油圧制御の直動ジャッキ構造からなる。ブレーカ本体２１内には振動体としての先端ヘッド２４に所定の振動を与える油圧駆動の振動モータ２３が内蔵されている。また、振動ブレーカ２０には、ブレーカ本体２１を筒状ケーシング２２内から伸縮可能に駆動させる第１油圧系統３５と、ブレーカ本体２１の振動モータ２３へ油圧を供給する第２油圧系統３６とが接続されている。振動ブレーカ２０の構造の変形例として、筒状ケーシング２２を用いず、ブレーカ本体２１を図示しないリンク機構で直接保持させることも好ましい。この場合、油圧モータ等でリンク機構の入力リンクアームに所定の動作を付与することで、ブレーカ本体２１の先端ヘッド２４のカッタヘッド２外縁面２ａから突出させ、あるいはカッタヘッド２内に後退させることができる。

先端ヘッド２４は、本実施形態では、図３（ａ）に示したように、円錐台形状をなし、ブレーカ本体２１がカッタヘッド２の外縁面２ａから突出してヘッド２４の端面が周囲地盤Ｇに押圧された状態で振動を周囲地盤Ｇに加えることで、岩や硬質地盤を塊状ブロックに割って破砕することができる。先端ヘッド２４の形状は、耐衝撃性のある円錐台形状に限られず、ノミ状の鋭い円錐形状にして硬質地盤や岩にクラックを入れることで破砕効果を高くすることもできる。

ここで、油圧系統３０および制御系統４０の構成について、図１、図２を参照して説明する。
油圧系統３０は、油圧タンク（図示せず）及びポンプ３１およびポンプ３１を運転制御する制御部４２（後述する。）とを備えた油圧ユニット３２と、油圧ユニット３２から供給された作動油を、シールド掘進機１本体内のカッタ運転用旋回モータ３３、シールド推進ジャッキ３４等に供給する駆動系油圧設備と、上述した第１油圧系統３５と第２油圧系統３６とに切り替える切替弁３８と、第１油圧系統３５と第２油圧系統３６の作動油の圧力を計測確認し、コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０の位置、動作状態を把握するための検知部３７とを備え、各部は所定流量に合った直径の油圧配管で連結されている。本実施形態の第１油圧系統３５と第２油圧系統３６の油圧配管は、シールド掘進機１のセンターシャフト内に配管され、ロータリージョイント５を介してカッタスポーク３内で各コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０に接続されている。地盤状況によっては、振動ブレーカ２０によって硬質の周囲地盤を破砕した後にコピーカッタ１０を突出させて所定範囲の余掘り領域を形成することができる。その場合には突出させたコピーカッタ１０の動作油の圧力を検知部３７で確認して過負荷運転状態にならないようにすることが好ましい。

制御系統４０は、各部の運転操作を入力する入力部と各部の運転状況（シールド掘進機１の掘進状況、コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０の運転状況）を表示する表示部とを備えた運転指令インターフェース４１と、運転指令インターフェース４１の各種情報を処理し、カッタ運転用旋回モータ３３、シールド推進ジャッキ３４、コピーカッタ１０、振動ブレーカ２０に適切な運転指令を送出し、各部からフィードバックされた運転状況の情報を処理する制御部４２とを備える。

制御部４２は特に、本発明の余掘り装置１０としての振動ブレーカ２０の運転に関し、後述するように、振動ブレーカ２０の運転状況、周囲地盤の破砕状況、シールド掘進機１の掘進状況を検知、把握し、適正な余掘り領域の形成を行うための運転情報を取得、保持、出力する役割を果たす。たとえば余掘り装置１０がマニュアル操作モードの場合には、操作者に運転に必要な動作情報の確認を求め、操作者が与えた指示情報に沿った振動ブレーカ２０の動作指令を出す。自動運転モードの場合には、あらかじめ設定された動作情報と動作によって取得した情報とをもとに余掘り領域を形成するための連続運転を行う。

硬質な周囲地盤Ｇにおける振動ブレーカ２０による余掘り領域８の形成手順について、図４各図を参照して説明する。図４（ａ）は、余掘り領域８を形成する位置に到達したシールド掘進機１のカッタヘッド２内に装備された振動ブレーカ２０の初期状態を示した部分断面図である。この状態から運転指令インターフェース４１（図２）を通じて、振動ブレーカ２０に接続されている第１油圧系統３５と第２油圧系統３６に作動油を供給し、ブレーカ本体２１の先端ヘッド２４をカッタヘッド２の外縁面２ａから突出させるとともに、先端ヘッド２４を振動させて周囲地盤Ｇの破砕を行う（同図（ｂ））。先端ヘッド２４によって所定の余掘り量を確保可能な突出長まで周囲地盤Ｇの破砕を行ったら、ブレーカ本体２１を縮退してカッタヘッド２の外縁面２ａをフラットな状態にしてシールド掘進機１を、振動ブレーカ２０で破砕された範囲を越えて進行（掘進）させる（同図（ｃ）、（ｄ））。掘進後、すでに破砕し形成した余掘り領域８に隣接した周囲地盤Ｇを引き続き破砕し、余掘り領域８を拡大する（同図（ｅ））。上述の図４（ｂ）〜（ｅ）の動作を連続して行うことにより、トンネル縦断方向に連続した余掘り領域８を形成することができる（図６）。

一方、シールド掘進機１の円周方向の所定範囲に余掘り領域８を形成する場合について、図５を参照して説明する。振動ブレーカ２０の先端ヘッド２４はシールド掘進機１の中心軸を挟んで一直線をなす２本のカッタスポーク３の外縁端からそれぞれ独立して突出させることができる。通常は１台の振動ブレーカ２０の動作によって所定範囲の余掘り領域８を形成する。余掘り領域８が広い場合には、２台の振動ブレーカ２０の突出量を変えて周囲地盤Ｇの破砕を行うことも可能である。この場合、図５に示したように、たとえば先行する振動ブレーカ２０Ａで１次破砕を行い、他方の振動ブレーカ２０Ｂはカッタヘッド２の矢印方向への回転により１８０°遅れて、周囲地盤Ｇをさらに破砕する２次破砕を行う。これにより半径方向外方により広い範囲の余掘り領域８を効率よく形成することができる。このように、振動ブレーカ２０を用いた余掘り領域８の範囲は、シールド掘進機１の側面の半径方向範囲、円周方向範囲を細かく設定して形成することができる。なお、シールド掘進機１の稼動距離に応じて２台のコピーカッタ１０、振動ブレーカ２０の一方を予備の装備としておくことも好ましい。

図７各図は、余掘り装置１０としての振動ブレーカ２０の他の実施形態を示した部分拡大断面図である。図７（ａ）は、上述した構造の振動ブレーカ２０の設置角度を前方に向けてθ（たとえば６０°＜θ＜９０°）で傾けてカッタヘッド２内に設置した状態を示している。このように振動ブレーカ２０を適当な角度で前方に向けて傾けて設置することにより、先端ヘッド２４の振動がシールド掘進機１の進行方向の周囲地盤に向けて効果的に作用するため破砕効率が高くなり、結果振動ブレーカ２０の出力を小さくしたり、装置の小型化が可能になる。図７（ｂ）は２台の振動ブレーカ２０Ｆ、２０Ｒを進行方向に沿って前後位置に並設した実施形態を示している。前方の振動ブレーカ２０Ｆの先端ヘッド２４はロッド状をなし、後方の振動ブレーカ２０Ｒの先端ヘッド２４の形状は、上述した円錐台形状と同様である。このように２台の振動ブレーカ２０Ｆ、２０Ｒを前後に配置して周囲地盤の破砕を行うと、前方の振動ブレーカ２０Ｆのロッド状の先端ヘッド２４が硬質の周囲地盤にくさび状に食い込んでクラックを発生させて地盤を比較的大きな塊状ブロックに大割りし、その後、後方の振動ブレーカ２０Ｒによって塊状ブロックを効率よく細かく破砕することができる。

以上の説明では、シールド掘進機１のトンネル掘進時において遭遇する硬質の周囲地盤に余掘り領域を形成する場合について述べたが、同時裏込め注入管がフード外面の一部に装備されているシールド掘進機１を発進立坑から発進させる場合のように、シールド掘進機１のフード外面から突起している一部がコンクリート隔壁と干渉するような場合、突起部に対応する位置のコンクリート隔壁を部分的に斫るために使用することもできる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ シールド掘進機
２ カッタヘッド
３ カッタスポーク
５ ロータリージョイント
６ セグメント
８ 余掘り領域
１０ コピーカッタ
２０ 振動ブレーカ
２１ ブレーカ本体
２２ 筒状ケーシング
２４ 先端ヘッド
３０ 油圧系統
３１ ポンプ
３２ 油圧ユニット
３７ 検知部
４０ 制御系統
４２ 制御部
Ｇ 周囲地盤

Claims (6)

1. カッタヘッド内に、装置中心から放射状をなして配列されたカッタスポークの外縁付近に、前記カッタヘッドの外縁面から突出可能な振動ブレーカを備え、
   該振動ブレーカを前記カッタヘッドの外縁面から所定量突出させながら先端部を周囲地盤に押圧して振動させて前記周囲地盤を破砕し、前記カッタヘッドの周囲地盤の所定範囲に余掘り領域を形成することを特徴とするシールド掘進機の余掘り装置。
2. 前記振動ブレーカは、ロータリージョイントを介して前記カッタヘッド内に配管された油圧系統が接続され、該油圧系統を介して供給される油圧駆動により前記先端部が前記カッタヘッドの外縁面から突出し、振動する請求項１に記載のシールド掘進機の余掘り装置。
3. 前記振動ブレーカが装備された以外の前記カッタスポークの外縁付近にコピーカッタがさらに装備された請求項１に記載のシールド掘進機の余掘り装置。
4. 前記コピーカッタは、油圧駆動により前記カッタヘッドの外縁面から突出可能な請求項３に記載のシールド掘進機の余掘り装置。
5. 前記コピーカッタの作動油圧により前記周囲地盤の状況を確認し、前記コピーカッタによって余掘り領域を形成するか、前記振動ブレーカによって余掘り領域を形成するかを決定する請求項３または４に記載のシールド掘進機の余掘り装置。
6. 前記振動ブレーカは、直動ジャッキ構造からなる請求項１または請求項２に記載のシールド掘進機の余掘り装置。

Images