JP3504933B2 - シールド掘削機およびそのカッタービット交換方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド工法に用
いられるシールド掘削機およびそのカッタービット交換
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下構造物や坑道を構築する方法の一つ
であるシールド工法は、軟弱な地盤に適用するトンネル
工法の１つとして開発されたもので、シールド掘削機を
地中に推進させ土砂の崩壊を防ぎながら、その内部で安
全に掘削作業、覆工作業を行いトンネルを構築していく
工法である。このシールド工法は安全かつ確実に作業を
行えるという特徴があり、また、建造物が密集した都心
部など、地面を直接上から掘り下げて構造物を造る開削
工法を用いることが困難な場合には、ほとんどシールド
工法が用いられる。シールド掘削機は、多数のカッター
ビットを前面に設けたカッターヘッドを油圧モータなど
の駆動機構を用いて回転させながら押し進むことによ
り、カッタービットを用いて地山を掘削する掘削機であ
る。

【０００３】近年は施工環境や経済性、工期短縮の面か
らシールド工事の長距離化が進められており、これに伴
ってシールド掘削機の各部の耐久性の向上が必要となっ
てくる。さらに、長距離化により様々な土質を掘削する
必要性が生じることが考えられ、各土質に適したカッタ
ービットを選択して交換することが施工効率に大きく影
響する。

【０００４】シールド掘削機の各部の中で特に劣化が著
しいのは、切羽面に直に接して地山を掘削するカッター
ビットであり、摩耗、損傷が激しく施工途中で交換する
必要がある。そこで従来より、カッタービットを交換で
きるようなシールド掘削機が提案されている。例えば、
切羽を掘削する略円形のカッターヘッド３２と胴体とを
備えるシールド掘削機１０は、図５（Ａ）に示すように
固定カッタービット２４、２４・・・が備えられたカッ
ターヘッド３２の一部が可動式になっている。この可動
機構２１（カッターヘッド３２の可動式の部分）の主部
である可動部２１ａの両縁部には、切羽側に突出するよ
うに予備カッタービット２２、２２・・・が取り付けら
れており、可動部２１ａの裏面の両縁部からは連結部材
２１ｂ、２１ｂが直角に延出している。連結部材２１
ｂ、２１ｂの端部のうち、カッターヘッド３２の中心寄
りである端部は、図５（Ｂ）に示すように前後（図５
（Ｂ）では左右）に揺動自在に、カッターヘッド３２に
設けられたスポーク部３２ａの側壁に、ピン４０、４０
で留められている。可動部２１ａの裏面の、カッターヘ
ッド３２の外周寄りには、可動部２１ａを掘削進行方向
に押し出す押し出しジャッキ４１が取り付けられてい
る。図５（Ｂ）は通常掘削時のシールド掘削機１０を表
しており、可動部２１ａの予備カッタービット２２、２
２・・・は固定カッタービット２４、２４・・・よりも
後退した位置Ａにある。図６は、押し出しジャッキ４１
により可動部２１ａが位置Ｂまで押し出され、予備カッ
タービット２２、２２・・・が固定カッタービット２
４、２４・・・と同じ位置、もしくはさらに前方へ突出
した状態を表している。なお、カッターヘッド３２には
ストッパジャッキ４２が設けられており、可動機構２１
が掘削時に動かないよう固定している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のシールド掘削機
１０によれば、可動部２１ａはピン４０、４０を軸とし
てカッターヘッド３２の外周部周辺のみが動く為、押し
出し前の位置Ａと押し出し後の位置Ｂを比較した場合、
中心寄り（ピン４０寄り）の予備カッタービット２２、
２２・・・は、ほとんど位置が変わらない。つまり、未
使用時でも中心寄りの予備カッタービット２２、２２・
・・は周囲の固定カッタービット２４、２４・・・と同
じ位置にあるため、磨耗してしまうという問題があっ
た。

【０００６】また、上記従来方法のほかに、例えば特開
平１０−１６９３７４号公報に、カッタービットを使用
位置もしくは退避位置に摺動させることにより、カッタ
ービットの交換作業を行う方法も提示されている。しか
し、このカッタービット交換方法によれば、カッタービ
ットを摺動させる駆動手段がスポークの軸方向と垂直に
設けられている為に場所を取るという問題があった。

【０００７】本発明の課題は、地中内で簡単に行うこと
ができ、安全でかつ効率のよいシールド掘削機およびそ
のカッタービット交換方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、掘削された土砂が取り込
まれる胴体（４）と、該胴体の先端部に回動可能に取り
付けられ、複数のカッタービットを備えたカッターヘッ
ド（２）と、該カッターヘッドの一部をなすように設け
られ、前面に予備カッタービット（１２）を備えた可動
部（１１ａ）と、該可動部の前面をカッターヘッドの主
面に対してほぼ平行とした状態で、前記可動部を前記カ
ッターヘッドに平行移動自在に連結する連結部（連結部
材５７、５８）と、前記可動部を後方に退避させた状態
から、前記予備カッタービットが切羽を掘削するように
押し出す押出手段（押し出しジャッキ５６）とを備えた
ことを特徴とする。

【０００９】請求項１に記載の発明によれば、使用中の
カッタービットが磨耗することによりシールド掘削機の
掘削効率が低下した際には、押出手段を駆動させること
によって、カッターヘッドの主面に対し後方に退避した
状態にある可動部を押し出すことにより、予備カッター
ビットに交換することが出来る。すなわち、従来のよう
に中間立坑をわざわざ構築したり地盤改良などをしたり
する必要がなく、カッタービットの交換を迅速かつ簡単
に行うことができ、コストも抑えられる。また、可動部
は押出手段により平行に移動する為、可動部に備えられ
た複数の予備カッタービットは一様に押し出される。さ
らに、カッターヘッドのカッタービットを用いて掘削す
る際は、可動部に備えられた予備カッタービットはカッ
ターヘッドのカッタービットよりも後方に退避できる
為、使用する前に予備カッタービットが傷つくことがな
い。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のシールド掘削機において、前記カッターヘッドには、
前記予備カッタービットを備える可動部、連結部および
押出手段を格納する予備カッタービット用スポーク部
（１７ａ）が設けられ、該スポーク部が、前記可動部の
前面を除く部分を覆う格納部材（１７）を備え、該可動
部が退避した状態で、前記予備カッタービットの先端部
が前記格納部材の先端部とほぼ一致する位置もしくは前
記格納部材の先端部より後方に配置されるようになって
いることを特徴とする。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、可動部の
前面を除く部分は格納部材により覆われており、可動部
が退避した状態では、予備カッタービットの先端部は格
納部材の先端部よりも前方へ突出しないように配置され
ている。すなわち、使用前の予備カッタービットは格納
部材により保護されることとなり、使用する前に傷つい
たりするのを防止できる。

【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のシールド掘削機において、前記押出手段は、油圧ジャ
ッキを有し、該油圧ジャッキは前記スポーク部の軸方向
に対して斜めに、該スポーク部内に格納されていること
を特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、可動部を
押し出す押出手段は、スポーク部の軸方向に対して斜め
にスポーク部内に格納することができる。従って、例え
ばスポーク部の軸方向に対して垂直な方向に延出するよ
うに、押出手段を格納する為のスペースを設ける必要が
ない。

【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれか一つに記載のシールド掘削機におけるカッター
ビット交換方法であって、予備カッタービットを退避し
た状態から押し出す際に、一つの前記可動部に設けられ
た複数の予備カッタービットをほぼ同じ距離だけ前方に
移動させることを特徴とする。

【００１５】請求項４に記載の発明によれば、可動部に
設けられた複数の予備カッタービットは、ほぼ同じ距離
だけ前方に移動するので、カッターヘッドの中心寄りの
予備カッタービットも外周寄りの予備カッタービットも
同じように交換することが出来る。つまり、使用前の予
備カッタービットは一様に後方に退避している為、どれ
か一部の予備カッタービットだけが使用前に磨耗するよ
うなことは無い。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
から図４に基づいて詳細に説明する。図１（Ａ）はシー
ルド掘削機１の正面概略図であり、図１（Ｂ）は側面概
略図である。シールド掘削機１は、切羽に当接する略円
形状のカッターヘッド２と、カッターヘッド２の切羽側
と反対側の面に接続され、掘削された土砂が取り込まれ
るチャンバー等を備えた胴体４を有している。カッター
ヘッド２の切羽に当接する面には、半径方向に沿ったス
リット２ａ、２ａ・・・が、カッターヘッド２の円周方
向に９０度おきに計４つ形成されている。前記スリット
２ａ、２ａ・・・には、複数の固定カッタービット１
４、１４・・・を備えたスポーク部１４ａ、１４ａ・・
・が設けられている。このスポーク部１４ａどうしの間
に、該カッターヘッド２の半径方向に沿って計４つのス
リット２ｂ、２ｂ・・・がそれぞれ設けられている。さ
らに、スリット２ｂ、２ｂ・・・には後述する可動機構
１１、１１・・・が、それぞれ該カッターヘッド２の半
径方向に沿って設けられている。可動機構１１、１１・
・・はカッターヘッド２の一部をなしており、可動機構
１１、１１・・・は、カッターヘッド２の円周方向に沿
って９０度おきに並んでいる。カッターヘッド２の中心
には、図示しない油圧モータ等により回転駆動される駆
動軸３が回転自在に取り付けられている。この駆動軸３
の回転に伴ってカッターヘッド２が回転することによ
り、切羽が掘削される。シールド掘削機１は、可動機構
１１の構成以外は周知のシールド掘削機と同様の構成で
あるため、以下、可動機構１１の構成および機能につい
てのみ詳細に説明する。なお、ここではカッターヘッド
２の中心側を上側、外周側を下側とする。

【００１７】図２に示すように、予備カッタービット１
２、１２・・・を出没させる可動機構１１は、カッター
ヘッド２の一部をなすように設けられ、かつカッターヘ
ッド２の主面とほぼ平行である板状の可動部１１ａ、可
動部１１ａの裏面（胴体４側）から延出する側壁５９、
５９、可動部１１ａを切羽側に押し出す押し出しジャッ
キ５６等を備えている。両縁部に予備カッタービット１
２、１２・・・が備えられた可動部１１ａの下方の面
は、折れ曲がるように胴体４側に傾斜している（図３
（Ａ）参照）。図３（Ｂ）に示すように、可動部１１ａ
の裏面の長手方向に沿った両縁部からは、胴体４側に向
かって垂直に側壁５９、５９が延出しており、可動部１
１ａと二つの側壁５９、５９は略コ字状になっている。
この略コ字状の開口部を塞ぐように、後述するスポーク
部１７ａの平板状の支持板６１がカッターヘッド２に設
けられている。これら側壁５９、５９は、切羽側から可
動部１１ａに力が加えられると支持板６１に当接して可
動部１１ａが後方に下がるのを防ぎ、押し出しジャッキ
５６に力がかかるのを防ぐ。

【００１８】可動部１１ａと側壁５９、５９からなる二
つの角部には、予備カッタービット１２、１２・・・が
刃先を切羽側に向けるように、列をなして突出するよう
に設けられている。予備カッタービット１２、１２・・
・の外側には、可動機構１１を保護するように格納する
格納板１７、１７が、それぞれ側壁５９、５９と平行に
なるように設けられている。この際、前述の支持板６１
の短手方向の長さは、可動部１１ａの短手方向の長さよ
りも長くなっており、格納板１７、１７の縁部が支持板
６１の端部に接合されている。つまり、支持板６１およ
び格納板１７、１７は略コ字状になっており、予備カッ
タービット１２、１２・・・が突出した可動機構１１が
格納されるスポーク部１７ａを形成している。なお、図
３は可動部１３ａが押し出される前の状態を表した図で
あり、この時、予備カッタービット１２、１２・・・は
格納板１７、１７から突出することなく、スポーク部１
７ａ内に完全に格納されている。

【００１９】可動機構１１の中央には、可動部１１ａを
押し出す押し出しジャッキ５６が設けられている。図３
（Ａ）に示すように、押し出しジャッキ５６は支持板６
１の上部中央から可動部１１ａの裏面の下部中央にかけ
て斜めに取り付けられている。つまり、押し出しジャッ
キ５６の一方の端部はピン５０によって、支持板６１に
取り付けられた留め具５０ａと回動自在に接続され、他
方の端部（ロッド５６ａ）は、ピン５１によって、可動
部１１ａの裏面に取り付けられた留め具５１ａと回動自
在に接続されている。ところで、可動機構１１は押し出
しジャッキ５６を挟んで左右（図３（Ｂ）では上下）対
称な構造である為、以下、片側についてのみ詳細な説明
を行う。

【００２０】図３（Ａ）に示すように可動部１１ａの裏
面の長手方向の縁部からは、留め具５２ａ、５４ａが上
下に並んで取り付けられている。つまり留め具５２ａが
カッターヘッド２の中心寄りに、留め具５４ａが外周寄
りに設けられている。同様に、可動部１１ａに対向する
ように設けられている支持板６１からは留め具５３ａ、
５５ａが並んで取り付けられている。これらの留め具５
２ａ、５３ａ、５４ａ、５５ａは、図３（Ｂ）に示すよ
うに可動部１１ａあるいは支持板６１から垂直に延出し
ている。ここで、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の上部（カッ
ターヘッド２の中心寄り）の断面図であるため、留め具
５４ａ、５５ａは図示されていない。

【００２１】可動部１１ａの裏面からは、後述する連結
部材５７を固定する固定部材６３が、留め具５２ａ、５
４ａと側壁５９との間に位置するように垂直に延出して
いる。同様に、支持板６１からは固定部材６２が、留め
具５３ａ、５５ａと側壁５９との間に位置するように延
出している。固定部材６２、６３は板状の部材であり、
長手方向の長さは可動機構１１の長手方向の長さと同程
度である。固定部材６２、６３に沿って外側に配置され
た側壁５９が切羽側に移動する際には、これら固定部材
６２、６３が左右にぶれないようガイドする。可動部１
１ａと支持板６１との間を連結する細長い板状の連結部
材５７の一方の端部は、留め具５２ａ、固定部材６３の
間に挟みこまれピン５２により揺動自在に留められてい
る。他方の端部は留め具５３ａ、固定部材６２の間に挟
みこまれ、ピン５３により揺動自在に留められている。
同様に、連結部材５７よりも下方にある連結部材５８の
両端部は、それぞれ留め具５４ａと固定部材６３との
間、あるいは留め具５５ａと固定部材６２との間に挟み
こまれ、ピン５４あるいはピン５５により揺動自在に留
められている。これら連結部材５７、５８、支持板６
１、および可動部１１ａが平行リンクを形成している。

【００２２】以上、可動機構１１の片側についてのみ説
明を行ったが、前述のように可動機構１１は押し出しジ
ャッキ５６を挟んで左右対称な構造であるため、説明を
行っていない側も上記同様の構成となっている。可動機
構１１内には、可動部１１ａの位置を固定するストッパ
ジャッキ６０が左右の固定部材６２、６２同士を繋ぐよ
うに、かつ押し出しジャッキ５６の下をくぐって二つの
連結部材５７、５８の間を通るように設けられている。
図３は可動部１１ａを押し出す前の図、図４は可動部１
１ａを押し出した後の図であるが、図３ではストッパジ
ャッキ６０とピン６０ａが係合することにより可動部１
１ａの位置が固定されている。同様に図４では、ストッ
パジャッキ６０とピン６０ｂが係合することにより、押
し出された後の可動部１１ａの位置が固定されている。

【００２３】次に、シールド掘削機１におけるカッター
ビット交換方法について説明する。シールド掘削機１は
従来のシールド掘削機１０と同様に、カッターヘッド２
を回転させて地山を掘削していく。まず始めに、切羽に
当接して実際に地山を削るのは固定カッタービット１
４、１４・・・であり、可動機構１１の可動部１１ａは
図３に示すように後退した位置にある。このように後退
した位置にある可動機構１１の連結部材５７、５８は、
互いに平行になっており、可動部１１ａから支持板６１
に向かって傾斜している。

【００２４】ある程度の掘削を行うと、固定カッタービ
ット１４、１４・・・の磨耗や土質の変化によりシール
ド掘削機１の掘削効率が低下する。そこで、以下の方法
によって予備カッタービット１２、１２・・・に交換
し、この予備カッタービット１２、１２・・・を用いて
地山の掘削を進める。まず、押し出しジャッキ５６を駆
動させることによりロッド５６ａを伸ばす。ロッド５６
ａの伸長に伴って、傾斜していた連結部材５７、５８は
共に水平に近づいていき、図４（Ａ）に示すように可動
部１１ａの主面に対してほぼ直角になったところでロッ
ド５６ａの伸長が停止する。この際、連結部材５７、５
８の長さは予め、可動部１１ａに対して連結部材５７、
５８がほぼ直角になったときにちょうど、予備カッター
ビット１２、１２・・・が固定カッタービット１４、１
４・・・と同じ位置か、もしくはやや前方へ突出するよ
うに設計されている。つまり、押し出しジャッキ５６が
駆動されることにより、傾斜していた連結部材５７、５
８が水平になり、固定カッタービット１４、１４・・・
に対して後退位置にあった予備カッタービット１２、１
２・・・が押し出されることによってカッタービットが
交換される。

【００２５】以上の本発明における、シールド掘削機１
およびそのカッタービット交換方法によれば、スポーク
部１７ａ内には、予備カッタービット１２、１２・・・
を備えた可動部１１ａを有する可動機構１１が設けられ
ている。固定カッタービット１４、１４・・・が磨耗し
た際には、押し出しジャッキ５６により平行移動するよ
うに可動部１１ａが押し出され、可動部１１ａに設けら
れた予備カッタービット１２、１２・・・は切羽に当接
する。従って、押し出しジャッキ５６を駆動させて予備
カッタービット１２、１２・・・を備えた可動部１１ａ
を押し出すことにより、容易にカッタービットを交換す
ることができる。すなわち、中間立坑や切羽周辺の地盤
改良などを行う必要がなく、可動部１１ａを押し出しジ
ャッキ５６によって押し出すことによりカッタービット
の交換を行うことができるので、大幅なコスト削減にな
る。また、迅速にカッタービットの交換を行うことが出
来るため、工期を短縮することが可能である。

【００２６】また、予備カッタービット１２、１２・・
・を使用する前は、可動機構１１はスポーク部１７ａ内
に収められているので、掘削された土砂がカッターヘッ
ド２から取りこまれる際や、回転するカッターヘッド２
と取りこまれた土砂との摩擦により、予備カッタービッ
ト１２、１２・・・が磨耗することを防止できる。さら
に、可動部１１ａを押し出す押し出しジャッキ５６は、
スポーク部１７ａの軸方向に沿って斜めに設けられるた
め、スポーク部１７ａ内に格納することが出来る。よっ
て、例えばスポーク部１７ａの軸方向に対して垂直な方
向にスペースを設ける必要が無く、無駄を省くことが出
来る。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明よれば、可動部は
押出手段により平行に移動する為、カッターヘッドの中
心寄りの予備カッタービットも、外周寄りの予備カッタ
ービットも一様に押し出される。また、カッターヘッド
のカッタービットを用いて掘削する際には、可動部に備
えられた予備カッタービットはカッタービットよりも後
方に位置している為、使用する前に予備カッタービット
が傷つくことがない。

【００２８】請求項２に記載の発明によれば、可動部の
前面を除く部分は格納部材により覆われており、可動部
が退避した状態では、予備カッタービットの先端部は格
納部材の先端部よりも前方へ突出しないように配置され
ている。すなわち、使用前の予備カッタービットは格納
部材により保護されているため、掘削された土砂がカッ
ターヘッドから取りこまれる際や、回転するカッターヘ
ッドと取りこまれた土砂との摩擦などにより傷ついたり
することがない。

【００２９】請求項３に記載の発明によれば、可動部を
押し出す押出手段は、スポーク部の軸方向に対して斜め
にスポーク部内に格納することができる。つまり、押出
し手段は、スポーク部の軸方向とほぼ平行に設けること
が出来るため、スポーク部内のスペースを有効活用する
ことが出来る。よって、例えばスポーク部の軸方向に垂
直な方向に押出手段を格納するスペースをわざわざ設け
る必要が無いので、装置全体を小型化・単純化すること
ができる。

【００３０】請求項４に記載の発明によれば、可動部に
設けられた複数の予備カッタービットは、ほぼ同じ距離
だけ前方に移動するので、カッターヘッドの中心寄りの
予備カッタービットも外周寄りの予備カッタービットも
同じように交換することが出来る。つまり、使用前の予
備カッタービットは一様に後方に退避している為、どれ
か一部の予備カッタービットだけが使用前に磨耗するよ
うなことは無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の一実施例であるシールド掘削
機の正面概略図であり、（Ｂ）は側面概略図である。

【図２】本発明の一実施例であるシールド掘削機のカッ
ターヘッドの一部を示した平面図である。

【図３】（Ａ）は可動部を押し出す前の可動機構の断面
概略図であり、（Ｂ）は幅方向の断面図である。

【図４】（Ａ）は可動部を押し出した後の可動機構の断
面概略図であり、（Ｂ）は幅方向の断面図である。

【図５】（Ａ）は従来のシールド掘削機のカッターヘッ
ドの一部を示した平面図であり、（Ｂ）はその断面図で
ある。

【図６】従来のシールド掘削機の可動部を押し出した後
の可動機構の断面図である。

【符号の説明】

１ シールド掘削機 ２ カッターヘッド １１ 可動機構 １１ａ 可動部 １２ 予備カッタービット １４ 固定カッタービット １７ 格納部材 １７ａ スポーク部 ５６ 押し出しジャッキ（押出手段） ５７、５８ 連結部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−169374（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−34780（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−332086（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−137081（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−63697（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】掘削された土砂が取り込まれる胴体と、 該胴体の先端部に回動可能に取り付けられ、複数のカッ
   タービットを備えたカッターヘッドと、 該カッターヘッドの一部をなすように設けられ、前面に
   予備カッタービットを備えた可動部と、 該可動部の前面をカッターヘッドの主面に対してほぼ平
   行とした状態で、前記可動部を前記カッターヘッドに平
   行移動自在に連結する連結部と、 前記可動部を後方に退避させた状態から、前記予備カッ
   タービットが切羽を掘削するように押し出す押出手段と
   を備えたことを特徴とするシールド掘削機。
2. 【請求項２】前記カッターヘッドには、前記予備カッタ
   ービットを備える可動部、連結部および押出手段を格納
   する予備カッタービット用スポーク部が設けられ、 該スポーク部が、前記可動部の前面を除く部分を覆う格
   納部材を備え、 該可動部が退避した状態で、前記予備カッタービットの
   先端部が前記格納部材の先端部とほぼ一致する位置もし
   くは前記格納部材の先端部より後方に配置されるように
   なっていることを特徴とする請求項１に記載のシールド
   掘削機。
3. 【請求項３】前記押出手段は、油圧ジャッキを有し、該
   油圧ジャッキは前記スポーク部の軸方向に対して斜め
   に、該スポーク部内に格納されていることを特徴とする
   請求項２に記載のシールド掘削機。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか一つに記載のシー
   ルド掘削機におけるカッタービット交換方法であって、 予備カッタービットを退避した状態から押し出す際に、
   一つの前記可動部に設けられた複数の予備カッタービッ
   トをほぼ同じ距離だけ前方に移動させることを特徴とす
   るカッタービット交換方法。