JP2647479B2 - シールド掘進機のカッタシール給脂方法および給脂装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シールド掘進機のシールド本体とカッタホ
イールとの間に設置されたカッタシールの摺動面を潤滑
するとともに、シール背圧をシール前面に働く切羽水圧
に対抗させてシール摺動面圧を軽減するためのカッタシ
ール給脂方法および給脂装置に関する。

〔従来の技術〕

従来技術として、カッタシールを備えたシールド掘進
機の例を第３図に示し、そのカッタシール部の詳細構造
を第４図に示す。１はシールド本体、２はカッタホイー
ル、３はカッタベアリング、４はカッタ駆動装置、5,6
はカッタホイール２に駆動力を伝達するピニオンおよび
旋回ギヤ、７はカッタホイール２の外周部とシールド本
体１のフード部1aとの間に設置されたカッタシール、８
はカッタホイール２の内周部とシールド本体１の隔壁1b
との間に設置されたカッタシールであり、カッタシール
7,8としては、一般に第５図に示すような複数のリップ
を持つゴム製シールを用い、複数段のシールをシール押
え12によりシールド本体１側に装着している。9,10はカ
ッタシール7,8の段間に形成されたグリース注入部であ
り、ここにグリースを注入してシール摺動面の潤滑を行
っている。11は掘削土砂を取り込むカッタチャンバであ
り、カッタシール7,8はそれぞれ切羽側からカッタ駆動
部への土砂，地下水の侵入を防止する土砂シールとして
働く。

〔発明が解決しようとする課題〕

現在、シールド工事において対象とされる切羽土圧な
らびに切羽水圧は、ほとんどが5kgf/cm²以下である。し
かし、シールド工事が多様化し、土かぶりの高い高深度
トンネルや海底下トンネル建設の需要が増えるに従い、
シールド工事における土圧，水圧も5kgf/cm²を超える高
圧となる場合が増えつつある。

カッタシールとして一般に使用されているリップシー
ルは5kgf/cm²を超える高土圧，高水圧下では、第６図に
示すようにリップ同士が重なり合った状態に変形してシ
ール性能の低下を来たしたり、シール摺動面の高まりに
よる異状発熱のためシール材質が劣化する等の問題が生
じる。

この問題に対処するため本発明者は、本出願人が先に
出願した実願昭63−25925号（実開平１−138993号公
報）において、カッタシールの最終段にのみリップ厚，
リップ間隔を大きくした高耐圧のシールを用い、シール
間のグリース注入圧を切過羽水圧より高い圧力に保持
し、そのグリース注入圧でシール背圧を立てることによ
り、最終段シール以外は比較的耐圧の低い一般用シール
を用いて、小スペースで高土圧，高水圧下でのシール機
能を確保することを提案した。

しかし、グリース注入によるシール背圧の管理は次の
点で難しい。

（１）半導体状のグリースは、注入時に空気の排除が容
易に行えず、グリース間に残留する空気の圧縮性によ
り、切羽水圧に対抗するシール背圧を立てにくい。ま
た、空気抜きが十分でないと、潤滑不良の原因にもな
る。

（２）一般にグリースポンプは潤滑用として設計されて
おり、吐出量が少ないため、シール前面の切羽水圧が急
激に上昇した場合、それに追従してシール背圧を高める
ことが困難である。

一方、カッタシールの潤滑剤としてグリースが使用さ
れる理由は次の点にある。

（３）グリースの粘性が高いことから、シール摺動面が
少々損傷しても充填したグリースが抜けることはなく、
またリップ内に土砂，地下水が侵入しにくい。

（１）については、本発明者の実験からグリース間の
完全な空気抜き実際上不可能であることがわかった。ま
た、潤滑に支障のない程度にグリースをシール間に充填
し空気を排除するのに、通常シールド掘進機に装備され
ているグリースポンプでは数日を擁することも確認され
た。

（２）については、シール前面水圧の変化に対するグ
リース注入圧の追従能力の実験結果を第７図，第８図に
示す。この実験は、シール摺動面径3mmφ、グリースち
ょう度番号０号、グリース注入量0.037/minの条件で
行ったもので、第７図はシール前面水圧を3kgf/cm²から
10kgf/cm²に急上昇させた場合、第８図は同じく6kgf/cm
²から10kgf/cm²に急上昇させた場合のグリース注入圧
（シール背圧）の立ち上り状況を示している。

これらの事実は、高深度で使用されるシールド掘進機
が発進初期に立坑周辺の薬液性注入ゾーンを越えて高水
圧を受けた時のようにシール前面水圧が急激に上昇した
場合、グリース注入圧によりシール背圧を切羽水圧に対
抗させてシール機能を確保することが非常に難しいこと
を示しており、シール背圧の立ち上り過程で長時間にわ
たり過大な摺動面圧を受けてシールが発熱し劣化する恐
れがある。

潤滑剤として液状のオイルを使用すれば、注入時の空
気の排除が容易であり、またポンプ容量も大きくできる
ことから、上記のような問題はないが、オイルはグリー
スに比べて粘度が低いため、カッタシールのようにリッ
プシールを用いる場合には、シール摺動面の少しの傷で
オイルが抜け、シール背圧を維持できなくなる。また、
リップ内に土砂，地下水が侵入しやすい点が劣る。

本発明は上記の点にかんがみなされたもので、その目
的は、空気を完全に排除してシール間にグリースを充填
することにより、残留空気による潤滑不良をなくし、か
つシール前面水圧に対抗するシール背圧を立てやすくす
ることにある。さらに他の目的は、シール前面水圧が急
激に上昇した場合、それに追従してシール背圧を高める
ことにより、シールの発熱による劣化を防止し、高土
圧，高水圧下でのシール機能を確保することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、シ
ールド本体とカッタホイールとの間に配置された複数段
のシール間に潤滑剤としてグリースを注入する際、グリ
ース注入と同時に、またはそれより先にオイルを注入し
てシール間より空気を排除した後、注入した後、注入し
たオイルをグリースに置換することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、シールド本体とカッタホイー
ルとの間に配置された複数段のシール間に潤滑剤として
グリースとオイルを同時に注入できるように、比較的高
圧小流量のグリース注入装置と比較的低圧大流量のオイ
ル注入装置をそれぞれの注入口に接続して設けたことを
特徴とする。

さらに請求項３記載の発明は、シール前面に働く切羽
水圧を計測する手段と、該切羽水圧計測手段の出力に対
応して前記オイル注入装置の注入圧力を設定する圧力制
御手段とを備えたことを特徴とする。

〔作 用〕

液状のオイルは、シール間に注入した場合、空気を排
除することが容易である。そこで、請求項１記載の発明
では、シール間へのグリース注入と同時に、またはそれ
に先立ってオイルを注入し、シール間の空気を一旦オイ
ルに置換した後、注入したオイルをグリースに置換する
ものである。この方法によって、シール間に空気を残さ
ずにグリースを充填することができる。注入したグリー
スの間にオイルが残留してもシール摺動面の潤滑および
シール背圧の維持という点では何ら支障がない。

発進初期にシールド掘進機が地山に貫入し、高水圧を
受けた場合、シール間の空気を排除してグリースを充填
してあっても、後段シールの変形などによってグリース
注入圧はシール前面水圧の急激な上昇に追従できず、シ
ール前面水圧に対抗するシール背圧が立つまでにかなり
時間がかかる。しかし、請求項２記載の発明では、グリ
ース注入と同時に、シール前面水圧の急上昇に対応でき
るだけの大流量を持つオイル注入装置からシール間にオ
イルを注入することで、シール前面水圧の急上昇に追従
してシール背圧を高めることができる。

第９図にグリース注入圧のみでシール前面水圧の急上
昇に対応させた場合のシール背圧の立ち上り状況を示
し、第10図にグリースとオイルの同時注入でシール前面
水圧の急上昇に対応させた場合のシール背圧の立ち上が
り状況を示す。すなわち、グリースとオイルを同時注入
した場合は、グリース注入圧が立ち上るまでの間、シー
ル前面水圧の急上昇に追従して立ち上るオイル注入圧に
よって、前段シール摺動面圧が過大にならない程度のシ
ール背圧が保持され、グリース注入圧のみでシール前面
水圧の急上昇に対応させた場合のように、グリース注入
圧が立ち上るまでの間、シールが過大な摺動面圧を受け
ることがないので、シールの異常発熱による劣化を防止
し、シール寿命を延ばすことができる。

請求項３記載の発明では、シール前面水圧が急上昇し
た場合、圧力制御手段が切羽水圧計測値に対応した設定
圧力までオイル注入圧を自動的に引き上げ、シール前面
水圧の急上昇に追従してシール背圧を高める働きをす
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

カッタシールの構成段数および使用するシールの種類
は任意であるが、本例では、シールド本体１とカッタホ
イール２の間に配置するカッタシールの前２段に第５図
に示したような複数のリップのシール21,22を土砂シー
ルとして用い、最終段には潤滑性の良い１枚のリップの
シール23を前段シールの背圧を維持するための背圧シー
ルとして配置している。最終段シール23は、背圧維持の
ため必要な耐圧を持ったものとする。

グリース注入装置30は、グリースタンク31に貯えられ
たグリースをモータ駆動のグリースポンプ32によりグリ
ース分配弁33、逆流防止弁34,35を介して各段シール間
のグリース注入口36,37へ圧送する。一方、オイル注入
装置40は、オイルタンク41に貯えられた潤滑オイル（例
えばギヤオイル）をモータ駆動のオイルポンプ42により
オイル分配弁43、逆流防止弁44,45を介して各段シール
間のオイル注入口46,47へ圧送する。オイルポンプ42と
オイル分配弁43の間には、オイル注入圧を設定値に保持
するための圧力制御弁48と圧力計49が接続されている。

ここに使用されるグリースポンプ32は、切羽水圧（例
えば10kgf/cm²）に対抗してシール摺動面の潤滑に必要
な量のグリースを供給できる高圧小容量ポンプ（例えば
最高吐出圧力140kgf/cm²、吐出量0.037l/min）であり、
オイルポンプ42は、シール前面水圧の急上昇に対応でき
る低圧大容量ポンプ（例えば、最高吐出圧力10kgf/c
m²、吐出量4.2l/min）である。

次に、カッタシール給脂装置としての作用を説明す
る。

シールド掘進機の現場組立完了後、掘進開始前にグリ
ースポンプ32,オイルポンプ42を駆動して、グリースと
オイルをシール間に同時注入する。オイルポンプ42の吐
出量はグリースポンプ32の吐出量より２桁以上大きいの
で、最初、シール間の大部分に充満し、空気を排除す
る。その後、グリース注入が進むにつれて先に注入した
オイルはグリースに置換されて流出し、グリース間に空
気でなく、オイルが残留した状態となる。シール上部か
らグリースが溢れるまでグリースを充填したところで堀
進を開始し、その後もグリースとオイルの注入を続け
る。

発進初期にシールド掘進機が立坑周辺の薬液注入ゾー
ンを越えるまでは、シール前面圧は1kgf/cm²程度であ
り、シール背圧もこれを若干上回る程度の圧力に保たれ
る。シールド掘進機が薬液注入ゾーンを越えて高水圧を
受けると、シール前面水圧の急激な上昇に対応して、圧
送制御弁48の設定圧力までオイル注入圧が上昇し、オイ
ルポンプ42から吐出されるオイルがシール間に流入し
て、第10図に示すようにシール背圧を高め、グリース注
入圧が立ち上るまでの間、土砂シール21,22の摺動面圧
をシールの異常発熱が生じない程度に抑える。この間の
シール前面水圧とシール背圧（オイル注入圧）との差が
5kgf/cm²内であれば、一般用シールでもシール寿命を著
しく縮めることはない。したがって、切羽水圧を10kgf/
cm²とすれば、オイル注入圧は５〜10kgf/cm²の範囲に設
定されていればよいことになる。

オイル注入圧は、予想される切羽水圧に基づいてあら
かじめ設定しておいてもよいし、あるいは地山貫入時の
切羽水圧計測値に基づいてそれに対応するオイル注入圧
を設定し、それまではオイルの損失を少なくするため、
配管抵抗に打ち勝ってオイルを注入できる程度の低い値
に設定しておいてもよい。

第２図はオイル注入圧の自動設定機能を付加した本発
明の他の実施例を示す。図中、第１図と共通の部分につ
いては同一符号を付して示すのみで説明を省略する。本
実施例では、１段目シール21に働く切羽水圧の計測手段
として圧力センサ50を備え、該圧力センサ50の出力信号
を信号増幅器51を介して制御演算器52に入れ、関数発生
器等により切羽水圧の計測値に対応したオイル注入圧を
設定するための制御信号を取り出し、これをパワー増幅
器53で電流に変換し電磁比例圧力制御弁48′の入力電流
とすることにより、シール前面に切羽水圧を受けるまで
は、オイル注入圧を配管抵抗に打ち勝つ程度の低い値に
抑え、切羽水圧を受けた時点でそれに対応した値にオイ
ル注入圧を設定する。

このようなオイル注入圧の自動設定機能を持たせるこ
とにより、掘進中の予測できない切羽水圧の変化に対し
ても、それに追従してオイル注入圧を変化させ、シール
背圧を適切に管理することができる。

〔発明の効果〕

請求項１記載の発明では、グリース注入と同時に、ま
たはそれに先立って行うオイル注入により、空気を完全
に排除してシール間にグリースを充填できるので、残留
空気による潤滑不良を防止し、またシール背圧をシール
前面水圧に対抗させることが容易となる。

請求項２記載の発明では、シール間にグリースとオイ
ルを同時注入できるように、高圧小流量のグリース注入
装置と低圧大流量のオイル注入装置を備えたことによ
り、空気を排除してグリース充填ができるとともに、発
進初期にシールド掘進機が薬液性注入ゾーンを越えて高
水圧を受けた場合、オイル注入圧によりシール前面水圧
の急上昇に追従してシール背圧を高め、グリース注入圧
が立ち上るまでの間、前段シールが過大な摺動面圧を受
けて発熱し劣化することを防止でき、グリース潤滑とオ
イル潤滑の両方の長所を生かして高土圧，高水圧下での
シール機能を確保することができる。

さらに請求項３記載の発明によれば、オイル注入圧を
シール前面水圧に対応した値に自動設定できるので、予
測できない切発明の効果水圧の変化に追従してオイル注
入によるシール背圧の管理を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の一部断面で示した構成説
明図、第２図は本発明の他の実施例の一部断面で示した
構成説明図、第３図は従来のカッタシールを備えたシー
ルド掘進機の例を示す断面図、第４図はそのカッタシー
ル部詳細図、第５図は一般用カッタシールの断面図、第
６図はカッタシールの変形状態を示す断面図、第７図，
第８図はシール前面水圧の変化に対するグリース注入圧
の追従能力実測図、第９図はグリース注入のみで切羽水
圧の急上昇に対応させた場合の切羽水圧とシール背圧の
関係図、第10図はグリースとオイルの同時注入で切羽水
圧の急上昇に対応させた場合の切羽水圧とシール背圧の
関係図である。 １……シールド本体、２……カッタホイール、21,22…
…土砂シール、23……背圧シール、30……グリース注入
装置、32……グリースポンプ、33……グリース分配弁、
36,37グリース注入口、40……オイル注入装置、42……
オイルポンプ、43……オイル分配弁、46,47……オイル
注入口、48……圧力制御弁、48′……電磁比例圧力制御
弁、50……羽水圧計測用圧力センサ、51……信号増幅
器、52……制御演算器、53……パワー増幅器。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド本体とカッタホイールとの間に配
   置された複数段のシール間に潤滑剤としてグリースを注
   入する際、グリース注入と同時に、またはそれより先に
   オイルを注入してシール間より空気を排除した後、注入
   したオイルをグリースに置換することを特徴とするシー
   ルド掘進機のカッタシール給脂方法。
2. 【請求項２】シールド本体とカッタホイールとの間に配
   置された複数段のシール間に潤滑剤としてグリースとオ
   イルを同時に注入できるように、比較的高圧小流量のグ
   リース注入装置と比較的低圧大流量のオイル注入装置と
   をそれぞれの注入口に接続して設けたことを特徴とする
   シールド掘進機のカッタシール給脂装置。
3. 【請求項３】シール前面に働く切羽水圧の計測手段と、
   該切羽水圧計測手段の出力に対応して前記オイル注入装
   置の注入圧力を設定する圧力制御手段とを備えたことを
   特徴とする請求項２記載のシールド掘進機のカッタシー
   ル給脂装置。