JP3560941B2 - シールド掘進機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機に関し、特にチャンバー内の掘削土を均一に攪拌可能な攪拌羽根と、チャンバー内の土圧調整の為の圧力発生機構と、排土設備とを設け、地山の保持能力を向上させ大径シールドにも適用可能な土圧式のシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のシールド坑（上下水道用トンネル、地下鉄用トンネル、通信ケーブル用トンネル、共同溝用トンネルなど）をシールド工法により構築する為の掘削装置としてシールド掘進機が広く実用に供されている。このシールド掘進機は、一般に、掘進機本体と、この掘進機本体の前端部に回転可能に設けられたカッターディスクと、カッターディスクを正逆回転駆動するカッター駆動機構と、複数のシールドジャッキと、掘進機本体の後胴内に配設されてトンネル軸方向に所定長さ掘削する毎に、トンネル内面を複数のセグメントで順次覆工していく為のエレクターと、スクリューコンベヤを含む土圧式の排土設備あるいは排泥設備等を有する。
【０００３】
ところで、直径約８ｍ以上の大径トンネルを掘削する際には、地山保持能力の高い排泥設備を備えた泥水式シールド掘進機を採用する実績が多い。即ち、排泥設備は、送泥管と排泥管とバイパス管等を有し、送泥管は、地上からトンネル内に導入された送水系に接続され、掘進機本体の前端部の隔壁に貫通状に固定されてカッターディスクの背面側のチャンバーに連通している。排泥管は、隔壁に貫通状に固定され、トンネル内を後方へ延び地上へ導出された排泥系に接続されている。
【０００４】
前記泥水式シールド掘進機では、チャンバー内のスラリー（泥水）が、略均一流体でありその圧力分布が均等になるだけでなく、掘進速度に関係なく排泥設備のポンプ駆動モータの回転数を制御したり開閉バルブを適宜切換える等して圧力制御を容易に行うことができるので、地山保持能力が高くなり、特に切羽圧力の高くなる大径シールドに適用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記泥水式シールド掘進機では、チャンバー内のスラリーを排泥管を通して地上の処理プラントに送り、土砂と水に分離する後処理工程を行う必要があり、処理プラントの設備費用や処理費用が高くつく。前記処理プラントを省略すれば、スラリーが産業廃棄物扱いとなりその処理の費用も高いものとなる。
【０００６】
土圧式シールド掘進機においては、チャンバー内の土圧が不均一であるし、掘進速度の影響を受け易く圧力制御する事自体が難しいから、地山保持能力が低く、特に切羽圧力の高くなる前記大径シールドに採用するのは難しい。
ここで、チャンバー内の土圧を均一にするため、チャンバー内においてカッターディスクの背面に攪拌羽根を装備したものや、チャンバー内でカッターディスクのセンターシャフトに攪拌装置を外装したものが開発されている。
【０００７】
しかし、カッターディスクの背面に攪拌羽根を装備したものでは、チャンバー内の内周側周速が小さいのでチャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌できないし、カッターディスクのセンターシャフトに攪拌装置を外装したものは、スペース的にその攪拌羽根を大径化できないから、センターシャフト付近の掘削土しか攪拌できない。複数の攪拌装置を隔壁に固着してチャンバー内の掘削土を攪拌することも考えられるが、各攪拌装置の設置付近しか攪拌できず製作費も高くなる。
本発明の目的は、土圧式シールド掘進機のチャンバー内の土圧の圧力制御を容易に行えるようにすること、土圧式シールド掘進機の地山保持能力を高めること、大径トンネル掘削用に土圧式シールド掘進機を採用すること、等である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１のシールド掘進機は、カッターディスクと、胴部材と、カッターディスクの背面側に隔壁で仕切って形成されたチャンバーと、チャンバー内の掘削土を排出する為の排土設備と、カッターディスクに連結されたカッタードラムと、カッターディスクとカッタードラムを回転駆動するカッター駆動手段とを備えたシールド掘進機において、前記チャンバー内に配設されてカッターディスクとカッタードラムに支持され且つチャンバー内の掘削土を攪拌する攪拌羽根と、前記カッター駆動手段の回転駆動力により攪拌羽根を自転させながらカッターディスクと同期して公転させる攪拌羽根駆動機構とを設け、前記攪拌羽根駆動機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有し、前記チャンバー内の土圧を調整する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設け、前記カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、このナイフエッジカッターをカッターディスクの前面側の複数のカッタービットよりも前方へ突出させたことを特徴とするものである。
【０００９】
トンネル掘進の際には、カッターディスクとカッタードラムをカッター駆動手段により回転駆動すると共に、掘進推力を発生させる。このときチャンバー内に掘削土が侵入するが、攪拌羽根駆動機構は、攪拌羽根をカッター駆動手段の回転駆動力により自転させながらカッターディスクと同期して公転させることで、チャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌する。カッター駆動手段の回転駆動力により攪拌羽根を自転させつつ公転させることができるから、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となる。
【００１０】
また、前記攪拌羽根駆動機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有する。それ故、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。
【００１１】
さらに、前記チャンバー内の土圧を調整する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設けた。それ故、掘進速度が低下した場合や掘進停止中にチャンバー内の土圧が低くなるが、この土圧が低くなった分、圧力発生手段から圧力を発生させ前記土圧を略一定の状態に保持する。
【００１２】
しかも、前記カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、このナイフエッジカッターをカッターディスクの前面側の複数のカッタービットよりも前方へ突出させた。従って、トンネル掘進の際に、複数のカッタービットよりもナイフエッジカッターが先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削する。
【００１３】
請求項２のシールド掘進機は、請求項１の発明において、前記カッターディスクの外周部に、オートクローズ型のオーバーカッターを設け、不使用状態のときにはオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じる封鎖機構を設けたことを特徴とするものである。直進掘削する場合などこのオーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じ、チャンバー内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止する。
【００１４】
請求項３のシールド掘進機は、請求項１又は２の発明において、前記排土設備は、チャンバー内から掘削土を排出するスクリューコンベヤであってその内部に複数のオーガを直列的に配設したスクリューコンベヤと、前記複数のオーガを独立に駆動可能な複数のオーガ駆動手段とを有することを特徴とするものである。例えば前側の第１オーガとこれに直列的に続く第２オーガとの間には、オーガのない掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されることになる。掘進中チャンバー内に突発的に高圧が作用しても、プラグゾーンによりシールド内部に掘削土が噴発するのを防止する。しかも主に第１オーガの回転数を制御するのみで切羽圧力をコントロールすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、直径約８ｍ以上の大径シールドに本発明のシールド掘進機を適用した場合の例について説明する。尚、掘進方向に向かって前後左右を前後左右として説明する。図１に示すように、シールド掘進機１は、カッターディスク２と、胴部材３と、カッターディスク２を回転駆動するカッター駆動機構４と、攪拌羽根５と、攪拌羽根駆動機構６と、圧力制御機構７と、掘進推力を発生させる複数のシールドジャッキ８と、複数対の中折れジャッキ９と、トンネル坑壁にセグメントＳを組付けるエレクタ１０と、真円保持装置１１と、排土設備１２等を備えている。
【００１６】
先ずカッターディスク２について説明する。
図１、図２、図４に示すように、カッターディスク２は、センターフレーム１３と、このセンターフレーム１３から径方向に延びる６本のカッタースポーク１４と、胴部材３と略同径の環状のナイフエッジカッター１５と、オーバーカッター１６等を有する。各カッタースポーク１４の前面には多数のカッタービット１７が付設され、ナイフエッジカッター１５は、カッターディスク２の最外周部に設けられた貫入掘削型のナイフエッジカッター１５であって、カッタービット１７よりも所定小距離前方へ突出するように配設されている。ナイフエッジカッター１５の内径面は前方に向かう程拡径状のテーパ形状であり、先端部に超硬チップ１５ａが溶接接合されている。ナイフエッジカッター１５の後端部には、胴部材の先端部の形状に略一致する段部１５ｂが形成され、地山からの不要な土砂がこのナイフエッジカッター１５と胴部材３との間の隙間δから内部に入り込むのを極力防止する。
【００１７】
図２に示すように、２本のカッタースポーク１４の外周部には、２つのオートクローズ型のオーバーカッター１６が夫々あり、各オーバーカッター１６には封鎖機構１８が設けられている。この封鎖機構１８は、そのオーバーカッター１６の不使用状態のときにオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じる機能を有し、カッタースポーク１４に径外方向きで揺動可能に支持された油圧シリンダ２０と、この油圧シリンダ２０のロッドに連結され且つカッタースポーク１４に油圧シリンダ２０と略直交する方向で枢支されたリンク２１とを有する。リンク２１の先端部にオーバーカッター１６が固着され、油圧シリンダ２０を伸長すると、リンク２１の基端部が拡径位置に切換わり、オーバーカッター１６は開口部１９を閉じる閉位置に切換わる。油圧シリンダ２０を収縮すると、リンク２１の基端部が縮径位置に切換わり、オーバーカッター１６は使用位置に切換わる。
【００１８】
次に、胴部材３等について説明する。
図１、図３に示すように、胴部材３は、前胴２２と、この前胴２２の後端部に中折れ部２３及び前記中折れジャッキ９を介して接合された後胴２４とを有し、後胴２４の後端側内周面には３列のテールグラウトシール２５が付設されている。カッターディスク２の背面側には、チャンバー２６を隔てて前胴２２に一体的に固定された隔壁２７があり、この隔壁２７は、横向き状の円筒体２７ａと、円筒体２７ａの前端を封鎖する中央壁部２７ｂと、円筒体２７ａの後端の周縁部から径方向の外方へ向けて前胴２２の内周に溶接接合された開口壁部２７ｃとで構成されている。開口壁部２７ｃの前面と前胴２２とにわたって断面略Ｌ型の環状フレーム２８が接合され、環状フレーム２８と円筒体２７ａとの間には環状凹部２９が形成されている。
【００１９】
カッターディスク２には、複数の連結部材を介して環状のカッタードラム３０が連結され、カッタードラム３０は環状凹部２９に複数の軸受３１と土砂シール３２（図４参照）を介して回動自在に支持されている。中央壁部２７ｂの中央部にはロータリジョイント３３があり、カッターディスク２から後方向きにロータリジョイント３３まで延びるセンター部材３４がある。これらロータリジョイント３３とセンター部材３４には、複数の油路や加泥剤の為の通路が設けられ、前記複数の油路、通路は順次ロータリジョイント３３、センター部材３４、カッタースポーク１４を通って夫々油圧シリンダ２０、加泥剤供給孔３５（図２参照）まで導設されている。作業者の体を減圧に対して順応させる為のマンロック３６等もある。
【００２０】
次に、カッター駆動機構４について説明する。
図１、図３に示すように、カッター駆動機構４は、開口壁部２７ｃに支持された複数の油圧式または電動式のカッター駆動モータ３７と、開口壁部２７ｃに固着されたリングギヤ３８とを備えている。カッタードラム３０の後端部と開口壁部２７ｃの間にリングギヤ３８があり、複数のカッター駆動モータ３７によりピニオンギヤ３７ａが回転して、リングギヤ３８が回転し、カッタードラム３０とカッターディスク２を回転駆動する。
【００２１】
次に、攪拌羽根５と攪拌羽根駆動機構６について説明する。
図１、図４に示すように、チャンバー２６内の掘削土を攪拌する攪拌羽根５は、後述する遊星シャフト３９にキー４０を介して回動不能に外装されている。攪拌羽根駆動機構６は、カッタードラム３０の公転に連動して攪拌羽根５を自転させる遊星歯車機構４１を有し、この遊星歯車機構４１は、１対の遊星シャフト３９の後端側に夫々一体的にスプライン結合された１対の遊星ギヤ４２と、これら遊星ギヤ４２に共通に噛合した太陽ギヤ４３とを有する。カッタードラム３０の前端部には、前方へやや延びる１対の外筒部材４４が固着され、各外筒部材４４に内装された軸受４５，４６とカッタースポーク１４に内装された軸受４７，４８を介して各遊星シャフト３９がカッターディスク２とカッタードラム３０に回動可能に支持されている。チャンバー２６内の掘削土や泥水が軸受４５〜４８内に侵入するのを防ぐ為のシール部材４９，５０も設けられている。
【００２２】
太陽ギヤ４３は円筒体２７ｂの外周に固着され、各遊星ギヤ４２はカッタードラム３０に軸受５１，５２を介して回動可能に支持されている。複数のカッター駆動モータ３７によりカッタードラム３０を回転駆動することで、遊星シャフト３９つまり攪拌羽根５がカッターディスク２と同期して公転すると共に、太陽ギヤ４３に対して１対の遊星ギヤ４２が回転し、１対の遊星シャフト３９を介して１対の攪拌羽根５が夫々回転（自転）する。
【００２３】
次に、圧力制御機構７について説明する。図１に示すように、圧力制御機構７は、チャンバー２６内の土圧を調整する為の圧力発生機構５３を含む。圧力発生機構５３は、油圧式の圧力発生機構であり、油圧供給源と、環状フレーム２８に支持されチャンバー２６側にピストン部５３ａが露出するダンパー５３とを有し、チャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持するようになっている。即ちチャンバー２６内の土圧が所定値よりも大きくなるのに応じてダンパー５３のピストン部５３ａが後方向きに押込まれ、土圧が所定値よりも小さくなるのに応じてピストン部５３ａがチャンバー２６内に突出することで、チャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持する。
【００２４】
次に、シールドジャッキ８について説明する。
図１に示すように、後胴２４の前端部の内側にはリングウェブ５４が溶接接合され、リングウェブ５４に複数のシールドジャッキ８が前後方向向き且つロッドを後方向きにして固定されている。ロッドの先端部には偏心金具５５を介してスプレッダー５６が連結され、シールド掘進時には、トンネルの内面に覆工されたセグメントＳの前端に複数のスプレッダー５６で反力をとり掘進推力を発生させる。
エレクタ１０について説明すると、エレクタ１０は、複数の回動ローラ５７に回転自在に支持されたエレクタドラム５８と、エレクタドラム５８に取り付けられたエレクタ本体５９と、エレクタ本体５９を回転駆動する図示外の駆動モータ等を有する。
【００２５】
次に、排土設備１２について説明する。
図１、図３に示すように、排土設備１２は、チャンバー２６内から掘削土を排出するスクリューコンベヤ６０と、２つのオーガ駆動機構６１，６２とを有する。スクリューコンベヤ６０は環状フレーム２８から後方上り傾斜状に配設され、スクリューコンベヤ６０の内部には、部分的にチャンバー２６内に配置される前端側の第１オーガ６３と、この第１オーガ６３の後方に直列的に配設された第２オーガ６４があり、これら第１オーガ６３と第２オーガ６４との間には、オーガのない掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されている。第１オーガ６３はオーガ駆動機構６１により独立に駆動可能であり、第２オーガ６４はオーガ駆動機構６２により独立に駆動可能である。プラグゾーンの長さ調整の為の油圧シリンダ６５、開閉シャッター６６を開閉する為の油圧シリンダ６７も設けられている。
【００２６】
以上説明したシールド掘進機１の作用について説明する。
トンネル掘進の際には、カッターディスク２とカッタードラム３０をカッター駆動機構４により回転駆動し、複数のシールドジャッキ８により掘進推力を発生させる。このとき、チャンバー２６内に掘削土が侵入するが、攪拌羽根駆動機構６が、１対の攪拌羽根５をカッター駆動機構４の回転駆動力により自転させながらカッターディスク２と同期して公転させることで、チャンバー２６内の掘削土を万遍なく攪拌することができるので、チャンバー２６内における掘削土の性状が均一化してチャンバー２６内の土圧が均一化する。それ故、チャンバー２６内の土圧の圧力制御がやり易くなり、シールド掘進機１の地山保持能力を高めることができる。
【００２７】
攪拌羽根駆動機構６は、カッタードラム３０の公転に連動して攪拌羽根５を自転させる遊星歯車機構４１を有するので、攪拌羽根５を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機１の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。更に、チャンバー２６内の土圧を調整する為の圧力発生機構５３を含む圧力制御機構７を設けたので、チャンバー２６内の土圧が所定値より大小変動することがあってもチャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持することができ、土圧の圧力制御を一層高精度に行うことができる。
【００２８】
カッターディスク２の最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッター１５を装備し、複数のカッタービット１７よりも前方へ突出させたので、トンネル掘進の際に、複数のカッタービット１７よりもナイフエッジカッター１５が先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削することができ、より安定した掘削が行えるようになる。
【００２９】
カッターディスク２の外周部に、オートクローズ型のオーバーカッター１６を設け、不使用状態のときにはオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じる封鎖機構１８を設けたので、オーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じ、チャンバー２６内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止することができるから、チャンバー２６内の土圧が安定すると共に地山の安定性が向上する。
【００３０】
特に、土圧式のシールド掘進機１のチャンバー２６内の土圧の圧力制御を容易に行えるようになるだけでなく、直径約８ｍ以上の大径シールドに土圧式のシールド掘進機を適用しても地山保持能力を高めることができる。つまり、大径トンネル掘削用に土圧式シールド掘進機を採用することが可能となり、泥水式シールド掘進機を採用した場合に必要なスラリー（泥水）の後処理の為の処理プラント費用や処理費用が不要となり。その分大幅なコスト削減を実現できる。
【００３１】
次に、本実施形態を部分的に変更した変更形態について説明する。
１）ナイフエッジカッター１５の後端部に段部１５ｂを形成するのを省略し、ストレート状に変更してもよい。
２）エアー式の圧力発生機構を適用することも可能であるが、この場合には、空気圧供給源が必要になる。その他、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲において前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、トンネル掘進中にチャンバー内に掘削土が侵入し、攪拌羽根駆動機構は、攪拌羽根をカッター駆動手段の回転駆動力により自転させながらカッターディスクと同期して公転させることで、チャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌することができるので、チャンバー内における掘削土の性状が均一化してチャンバー内の土圧が均一化する。それ故、チャンバー内の土圧の圧力制御がやり易くなり、土圧式シールド掘進機の地山保持能力を高めることができる。しかも攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となる。
【００３３】
また、前記攪拌羽根機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有するので、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。
前記チャンバー内の土圧を調節する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設けたので、掘進速度が低下した場合や掘進停止中に、チャンバー内の土圧が低くなったとき、土圧が低くなった分、圧力発生手段からの圧力により前記土圧を略一定の状態に保持することができるので、土圧の圧力制御を一層高精度に行うことができる。
【００３４】
さらに、カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、複数のカッタービットよりも前方へ突出させたので、トンネル掘進の際に、複数のカッタービットよりもナイフエッジカッターが先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削することができ、より安定した掘削が行えるようになる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、直進掘削する場合などこのオーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じ、チャンバー内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止することができるから、チャンバー内の土圧が安定すると共に地山の安定性が向上する。その他請求項１と同様の効果を奏する。
【００３６】
請求項３の発明によれば、例えば前端側の１次オーガとこれに直列的に続く２次オーガとの間には、オーガのなく掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されることになるが、掘進中チャンバー内に突発的に高圧が作用しても、プラグゾーンによりシールド内部に掘削土が噴発するのを防止することができる。しかも主に前記１次オーガの回転数を制御するのみで切羽圧力をコントロールすることができる。その他請求項１又は２と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】カッターディスクの正面図である。
【図３】図１のＩＩＩ − ＩＩＩ線断面図である。
【図４】攪拌羽根駆動機構等の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１ シールド掘進機
２ カッターディスク
３ 胴部材
４ カッター駆動機構
５ 攪拌羽根
６ 攪拌羽根駆動機構
７ 圧力制御機構
１２ 排土設備
１５ ナイフエッジカッター
１６ オーバーカッター
１８ 封鎖機構
１９ 開口部
２６ チャンバー
２７ 隔壁
３０ カッタードラム
４１ 遊星歯車機構
５３ 圧力発生機構
６０ スクリューコンベヤ
６１，６２ オーガ駆動機構
６３，６４ 第１オーガ，第２オーガ
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機に関し、特にチャンバー内の掘削土を均一に攪拌可能な攪拌羽根と、チャンバー内の土圧調整の為の圧力発生機構と、排土設備とを設け、地山の保持能力を向上させ大径シールドにも適用可能な土圧式のシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のシールド坑（上下水道用トンネル、地下鉄用トンネル、通信ケーブル用トンネル、共同溝用トンネルなど）をシールド工法により構築する為の掘削装置としてシールド掘進機が広く実用に供されている。このシールド掘進機は、一般に、掘進機本体と、この掘進機本体の前端部に回転可能に設けられたカッターディスクと、カッターディスクを正逆回転駆動するカッター駆動機構と、複数のシールドジャッキと、掘進機本体の後胴内に配設されてトンネル軸方向に所定長さ掘削する毎に、トンネル内面を複数のセグメントで順次覆工していく為のエレクターと、スクリューコンベヤを含む土圧式の排土設備あるいは排泥設備等を有する。
【０００３】
ところで、直径約８ｍ以上の大径トンネルを掘削する際には、地山保持能力の高い排泥設備を備えた泥水式シールド掘進機を採用する実績が多い。即ち、排泥設備は、送泥管と排泥管とバイパス管等を有し、送泥管は、地上からトンネル内に導入された送水系に接続され、掘進機本体の前端部の隔壁に貫通状に固定されてカッターディスクの背面側のチャンバーに連通している。排泥管は、隔壁に貫通状に固定され、トンネル内を後方へ延び地上へ導出された排泥系に接続されている。
【０００４】
前記泥水式シールド掘進機では、チャンバー内のスラリー（泥水）が、略均一流体でありその圧力分布が均等になるだけでなく、掘進速度に関係なく排泥設備のポンプ駆動モータの回転数を制御したり開閉バルブを適宜切換える等して圧力制御を容易に行うことができるので、地山保持能力が高くなり、特に切羽圧力の高くなる大径シールドに適用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記泥水式シールド掘進機では、チャンバー内のスラリーを排泥管を通して地上の処理プラントに送り、土砂と水に分離する後処理工程を行う必要があり、処理プラントの設備費用や処理費用が高くつく。前記処理プラントを省略すれば、スラリーが産業廃棄物扱いとなりその処理の費用も高いものとなる。
【０００６】
土圧式シールド掘進機においては、チャンバー内の土圧が不均一であるし、掘進速度の影響を受け易く圧力制御する事自体が難しいから、地山保持能力が低く、特に切羽圧力の高くなる前記大径シールドに採用するのは難しい。
ここで、チャンバー内の土圧を均一にするため、チャンバー内においてカッターディスクの背面に攪拌羽根を装備したものや、チャンバー内でカッターディスクのセンターシャフトに攪拌装置を外装したものが開発されている。
【０００７】
しかし、カッターディスクの背面に攪拌羽根を装備したものでは、チャンバー内の内周側周速が小さいのでチャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌できないし、カッターディスクのセンターシャフトに攪拌装置を外装したものは、スペース的にその攪拌羽根を大径化できないから、センターシャフト付近の掘削土しか攪拌できない。複数の攪拌装置を隔壁に固着してチャンバー内の掘削土を攪拌することも考えられるが、各攪拌装置の設置付近しか攪拌できず製作費も高くなる。
本発明の目的は、土圧式シールド掘進機のチャンバー内の土圧の圧力制御を容易に行えるようにすること、土圧式シールド掘進機の地山保持能力を高めること、大径トンネル掘削用に土圧式シールド掘進機を採用すること、等である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１のシールド掘進機は、カッターディスクと、胴部材と、カッターディスクの背面側に隔壁で仕切って形成されたチャンバーと、チャンバー内の掘削土を排出する為の排土設備と、カッターディスクに連結されたカッタードラムと、カッターディスクとカッタードラムを回転駆動するカッター駆動手段とを備えたシールド掘進機において、前記チャンバー内に配設されてカッターディスクとカッタードラムに支持され且つチャンバー内の掘削土を攪拌する攪拌羽根と、前記カッター駆動手段の回転駆動力により攪拌羽根を自転させながらカッターディスクと同期して公転させる攪拌羽根駆動機構とを設け、前記攪拌羽根駆動機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有し、前記チャンバー内の土圧を調整する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設け、前記カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、このナイフエッジカッターをカッターディスクの前面側の複数のカッタービットよりも前方へ突出させたことを特徴とするものである。
【０００９】
トンネル掘進の際には、カッターディスクとカッタードラムをカッター駆動手段により回転駆動すると共に、掘進推力を発生させる。このときチャンバー内に掘削土が侵入するが、攪拌羽根駆動機構は、攪拌羽根をカッター駆動手段の回転駆動力により自転させながらカッターディスクと同期して公転させることで、チャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌する。カッター駆動手段の回転駆動力により攪拌羽根を自転させつつ公転させることができるから、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となる。
【００１０】
また、前記攪拌羽根駆動機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有する。それ故、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。
【００１１】
さらに、前記チャンバー内の土圧を調整する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設けた。それ故、掘進速度が低下した場合や掘進停止中にチャンバー内の土圧が低くなるが、この土圧が低くなった分、圧力発生手段から圧力を発生させ前記土圧を略一定の状態に保持する。
【００１２】
しかも、前記カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、このナイフエッジカッターをカッターディスクの前面側の複数のカッタービットよりも前方へ突出させた。従って、トンネル掘進の際に、複数のカッタービットよりもナイフエッジカッターが先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削する。
【００１３】
請求項２のシールド掘進機は、請求項１の発明において、前記カッターディスクの外周部に、オートクローズ型のオーバーカッターを設け、不使用状態のときにはオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じる封鎖機構を設けたことを特徴とするものである。直進掘削する場合などこのオーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じ、チャンバー内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止する。
【００１４】
請求項３のシールド掘進機は、請求項１又は２の発明において、前記排土設備は、チャンバー内から掘削土を排出するスクリューコンベヤであってその内部に複数のオーガを直列的に配設したスクリューコンベヤと、前記複数のオーガを独立に駆動可能な複数のオーガ駆動手段とを有することを特徴とするものである。例えば前側の第１オーガとこれに直列的に続く第２オーガとの間には、オーガのない掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されることになる。掘進中チャンバー内に突発的に高圧が作用しても、プラグゾーンによりシールド内部に掘削土が噴発するのを防止する。しかも主に第１オーガの回転数を制御するのみで切羽圧力をコントロールすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、直径約８ｍ以上の大径シールドに本発明のシールド掘進機を適用した場合の例について説明する。尚、掘進方向に向かって前後左右を前後左右として説明する。図１に示すように、シールド掘進機１は、カッターディスク２と、胴部材３と、カッターディスク２を回転駆動するカッター駆動機構４と、攪拌羽根５と、攪拌羽根駆動機構６と、圧力制御機構７と、掘進推力を発生させる複数のシールドジャッキ８と、複数対の中折れジャッキ９と、トンネル坑壁にセグメントＳを組付けるエレクタ１０と、真円保持装置１１と、排土設備１２等を備えている。
【００１６】
先ずカッターディスク２について説明する。
図１、図２、図４に示すように、カッターディスク２は、センターフレーム１３と、このセンターフレーム１３から径方向に延びる６本のカッタースポーク１４と、胴部材３と略同径の環状のナイフエッジカッター１５と、オーバーカッター１６等を有する。各カッタースポーク１４の前面には多数のカッタービット１７が付設され、ナイフエッジカッター１５は、カッターディスク２の最外周部に設けられた貫入掘削型のナイフエッジカッター１５であって、カッタービット１７よりも所定小距離前方へ突出するように配設されている。ナイフエッジカッター１５の内径面は前方に向かう程拡径状のテーパ形状であり、先端部に超硬チップ１５ａが溶接接合されている。ナイフエッジカッター１５の後端部には、胴部材の先端部の形状に略一致する段部１５ｂが形成され、地山からの不要な土砂がこのナイフエッジカッター１５と胴部材３との間の隙間δから内部に入り込むのを極力防止する。
【００１７】
図２に示すように、２本のカッタースポーク１４の外周部には、２つのオートクローズ型のオーバーカッター１６が夫々あり、各オーバーカッター１６には封鎖機構１８が設けられている。この封鎖機構１８は、そのオーバーカッター１６の不使用状態のときにオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じる機能を有し、カッタースポーク１４に径外方向きで揺動可能に支持された油圧シリンダ２０と、この油圧シリンダ２０のロッドに連結され且つカッタースポーク１４に油圧シリンダ２０と略直交する方向で枢支されたリンク２１とを有する。リンク２１の先端部にオーバーカッター１６が固着され、油圧シリンダ２０を伸長すると、リンク２１の基端部が拡径位置に切換わり、オーバーカッター１６は開口部１９を閉じる閉位置に切換わる。油圧シリンダ２０を収縮すると、リンク２１の基端部が縮径位置に切換わり、オーバーカッター１６は使用位置に切換わる。
【００１８】
次に、胴部材３等について説明する。
図１、図３に示すように、胴部材３は、前胴２２と、この前胴２２の後端部に中折れ部２３及び前記中折れジャッキ９を介して接合された後胴２４とを有し、後胴２４の後端側内周面には３列のテールグラウトシール２５が付設されている。カッターディスク２の背面側には、チャンバー２６を隔てて前胴２２に一体的に固定された隔壁２７があり、この隔壁２７は、横向き状の円筒体２７ａと、円筒体２７ａの前端を封鎖する中央壁部２７ｂと、円筒体２７ａの後端の周縁部から径方向の外方へ向けて前胴２２の内周に溶接接合された開口壁部２７ｃとで構成されている。開口壁部２７ｃの前面と前胴２２とにわたって断面略Ｌ型の環状フレーム２８が接合され、環状フレーム２８と円筒体２７ａとの間には環状凹部２９が形成されている。
【００１９】
カッターディスク２には、複数の連結部材を介して環状のカッタードラム３０が連結され、カッタードラム３０は環状凹部２９に複数の軸受３１と土砂シール３２（図４参照）を介して回動自在に支持されている。中央壁部２７ｂの中央部にはロータリジョイント３３があり、カッターディスク２から後方向きにロータリジョイント３３まで延びるセンター部材３４がある。これらロータリジョイント３３とセンター部材３４には、複数の油路や加泥剤の為の通路が設けられ、前記複数の油路、通路は順次ロータリジョイント３３、センター部材３４、カッタースポーク１４を通って夫々油圧シリンダ２０、加泥剤供給孔３５（図２参照）まで導設されている。作業者の体を減圧に対して順応させる為のマンロック３６等もある。
【００２０】
次に、カッター駆動機構４について説明する。
図１、図３に示すように、カッター駆動機構４は、開口壁部２７ｃに支持された複数の油圧式または電動式のカッター駆動モータ３７と、開口壁部２７ｃに固着されたリングギヤ３８とを備えている。カッタードラム３０の後端部と開口壁部２７ｃの間にリングギヤ３８があり、複数のカッター駆動モータ３７によりピニオンギヤ３７ａが回転して、リングギヤ３８が回転し、カッタードラム３０とカッターディスク２を回転駆動する。
【００２１】
次に、攪拌羽根５と攪拌羽根駆動機構６について説明する。
図１、図４に示すように、チャンバー２６内の掘削土を攪拌する攪拌羽根５は、後述する遊星シャフト３９にキー４０を介して回動不能に外装されている。攪拌羽根駆動機構６は、カッタードラム３０の公転に連動して攪拌羽根５を自転させる遊星歯車機構４１を有し、この遊星歯車機構４１は、１対の遊星シャフト３９の後端側に夫々一体的にスプライン結合された１対の遊星ギヤ４２と、これら遊星ギヤ４２に共通に噛合した太陽ギヤ４３とを有する。カッタードラム３０の前端部には、前方へやや延びる１対の外筒部材４４が固着され、各外筒部材４４に内装された軸受４５，４６とカッタースポーク１４に内装された軸受４７，４８を介して各遊星シャフト３９がカッターディスク２とカッタードラム３０に回動可能に支持されている。チャンバー２６内の掘削土や泥水が軸受４５〜４８内に侵入するのを防ぐ為のシール部材４９，５０も設けられている。
【００２２】
太陽ギヤ４３は円筒体２７ｂの外周に固着され、各遊星ギヤ４２はカッタードラム３０に軸受５１，５２を介して回動可能に支持されている。複数のカッター駆動モータ３７によりカッタードラム３０を回転駆動することで、遊星シャフト３９つまり攪拌羽根５がカッターディスク２と同期して公転すると共に、太陽ギヤ４３に対して１対の遊星ギヤ４２が回転し、１対の遊星シャフト３９を介して１対の攪拌羽根５が夫々回転（自転）する。
【００２３】
次に、圧力制御機構７について説明する。図１に示すように、圧力制御機構７は、チャンバー２６内の土圧を調整する為の圧力発生機構５３を含む。圧力発生機構５３は、油圧式の圧力発生機構であり、油圧供給源と、環状フレーム２８に支持されチャンバー２６側にピストン部５３ａが露出するダンパー５３とを有し、チャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持するようになっている。即ちチャンバー２６内の土圧が所定値よりも大きくなるのに応じてダンパー５３のピストン部５３ａが後方向きに押込まれ、土圧が所定値よりも小さくなるのに応じてピストン部５３ａがチャンバー２６内に突出することで、チャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持する。
【００２４】
次に、シールドジャッキ８について説明する。
図１に示すように、後胴２４の前端部の内側にはリングウェブ５４が溶接接合され、リングウェブ５４に複数のシールドジャッキ８が前後方向向き且つロッドを後方向きにして固定されている。ロッドの先端部には偏心金具５５を介してスプレッダー５６が連結され、シールド掘進時には、トンネルの内面に覆工されたセグメントＳの前端に複数のスプレッダー５６で反力をとり掘進推力を発生させる。
エレクタ１０について説明すると、エレクタ１０は、複数の回動ローラ５７に回転自在に支持されたエレクタドラム５８と、エレクタドラム５８に取り付けられたエレクタ本体５９と、エレクタ本体５９を回転駆動する図示外の駆動モータ等を有する。
【００２５】
次に、排土設備１２について説明する。
図１、図３に示すように、排土設備１２は、チャンバー２６内から掘削土を排出するスクリューコンベヤ６０と、２つのオーガ駆動機構６１，６２とを有する。スクリューコンベヤ６０は環状フレーム２８から後方上り傾斜状に配設され、スクリューコンベヤ６０の内部には、部分的にチャンバー２６内に配置される前端側の第１オーガ６３と、この第１オーガ６３の後方に直列的に配設された第２オーガ６４があり、これら第１オーガ６３と第２オーガ６４との間には、オーガのない掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されている。第１オーガ６３はオーガ駆動機構６１により独立に駆動可能であり、第２オーガ６４はオーガ駆動機構６２により独立に駆動可能である。プラグゾーンの長さ調整の為の油圧シリンダ６５、開閉シャッター６６を開閉する為の油圧シリンダ６７も設けられている。
【００２６】
以上説明したシールド掘進機１の作用について説明する。
トンネル掘進の際には、カッターディスク２とカッタードラム３０をカッター駆動機構４により回転駆動し、複数のシールドジャッキ８により掘進推力を発生させる。このとき、チャンバー２６内に掘削土が侵入するが、攪拌羽根駆動機構６が、１対の攪拌羽根５をカッター駆動機構４の回転駆動力により自転させながらカッターディスク２と同期して公転させることで、チャンバー２６内の掘削土を万遍なく攪拌することができるので、チャンバー２６内における掘削土の性状が均一化してチャンバー２６内の土圧が均一化する。それ故、チャンバー２６内の土圧の圧力制御がやり易くなり、シールド掘進機１の地山保持能力を高めることができる。
【００２７】
攪拌羽根駆動機構６は、カッタードラム３０の公転に連動して攪拌羽根５を自転させる遊星歯車機構４１を有するので、攪拌羽根５を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機１の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。更に、チャンバー２６内の土圧を調整する為の圧力発生機構５３を含む圧力制御機構７を設けたので、チャンバー２６内の土圧が所定値より大小変動することがあってもチャンバー２６内の土圧を略一定の状態に保持することができ、土圧の圧力制御を一層高精度に行うことができる。
【００２８】
カッターディスク２の最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッター１５を装備し、複数のカッタービット１７よりも前方へ突出させたので、トンネル掘進の際に、複数のカッタービット１７よりもナイフエッジカッター１５が先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削することができ、より安定した掘削が行えるようになる。
【００２９】
カッターディスク２の外周部に、オートクローズ型のオーバーカッター１６を設け、不使用状態のときにはオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じる封鎖機構１８を設けたので、オーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部１９を自動的に閉じ、チャンバー２６内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止することができるから、チャンバー２６内の土圧が安定すると共に地山の安定性が向上する。
【００３０】
特に、土圧式のシールド掘進機１のチャンバー２６内の土圧の圧力制御を容易に行えるようになるだけでなく、直径約８ｍ以上の大径シールドに土圧式のシールド掘進機を適用しても地山保持能力を高めることができる。つまり、大径トンネル掘削用に土圧式シールド掘進機を採用することが可能となり、泥水式シールド掘進機を採用した場合に必要なスラリー（泥水）の後処理の為の処理プラント費用や処理費用が不要となり。その分大幅なコスト削減を実現できる。
【００３１】
次に、本実施形態を部分的に変更した変更形態について説明する。
１）ナイフエッジカッター１５の後端部に段部１５ｂを形成するのを省略し、ストレート状に変更してもよい。
２）エアー式の圧力発生機構を適用することも可能であるが、この場合には、空気圧供給源が必要になる。その他、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲において前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、トンネル掘進中にチャンバー内に掘削土が侵入し、攪拌羽根駆動機構は、攪拌羽根をカッター駆動手段の回転駆動力により自転させながらカッターディスクと同期して公転させることで、チャンバー内の掘削土を万遍なく攪拌することができるので、チャンバー内における掘削土の性状が均一化してチャンバー内の土圧が均一化する。それ故、チャンバー内の土圧の圧力制御がやり易くなり、土圧式シールド掘進機の地山保持能力を高めることができる。しかも攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となる。
【００３３】
また、前記攪拌羽根機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有するので、攪拌羽根を回転させる特別の駆動源が不要となるし、シールド掘進機の回転軸中心付近部のスペースを有効活用することができる。
前記チャンバー内の土圧を調節する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設けたので、掘進速度が低下した場合や掘進停止中に、チャンバー内の土圧が低くなったとき、土圧が低くなった分、圧力発生手段からの圧力により前記土圧を略一定の状態に保持することができるので、土圧の圧力制御を一層高精度に行うことができる。
【００３４】
さらに、カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、複数のカッタービットよりも前方へ突出させたので、トンネル掘進の際に、複数のカッタービットよりもナイフエッジカッターが先行することで地山を乱すことなく貫入状に掘削することができ、より安定した掘削が行えるようになる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、直進掘削する場合などこのオーバーカッターの不使用状態のときには、封鎖機構によりオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じ、チャンバー内に地山からの不要な土砂が入り込むのを防止することができるから、チャンバー内の土圧が安定すると共に地山の安定性が向上する。その他請求項１と同様の効果を奏する。
【００３６】
請求項３の発明によれば、例えば前端側の１次オーガとこれに直列的に続く２次オーガとの間には、オーガのなく掘削土砂が圧密された所謂プラグゾーンが形成されることになるが、掘進中チャンバー内に突発的に高圧が作用しても、プラグゾーンによりシールド内部に掘削土が噴発するのを防止することができる。しかも主に前記１次オーガの回転数を制御するのみで切羽圧力をコントロールすることができる。その他請求項１又は２と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシールド掘進機の縦断面図である。
【図２】カッターディスクの正面図である。
【図３】図１のＩＩＩ − ＩＩＩ線断面図である。
【図４】攪拌羽根駆動機構等の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１ シールド掘進機
２ カッターディスク
３ 胴部材
４ カッター駆動機構
５ 攪拌羽根
６ 攪拌羽根駆動機構
７ 圧力制御機構
１２ 排土設備
１５ ナイフエッジカッター
１６ オーバーカッター
１８ 封鎖機構
１９ 開口部
２６ チャンバー
２７ 隔壁
３０ カッタードラム
４１ 遊星歯車機構
５３ 圧力発生機構
６０ スクリューコンベヤ
６１，６２ オーガ駆動機構
６３，６４ 第１オーガ，第２オーガ
Claims (3)
- カッターディスクと、胴部材と、カッターディスクの背面側に隔壁で仕切って形成されたチャンバーと、チャンバー内の掘削土を排出する為の排土設備と、カッターディスクに連結されたカッタードラムと、カッターディスクとカッタードラムを回転駆動するカッター駆動手段とを備えたシールド掘進機において、
前記チャンバー内に配設されてカッターディスクとカッタードラムに支持され且つチャンバー内の掘削土を攪拌する攪拌羽根と、
前記カッター駆動手段の回転駆動力により攪拌羽根を自転させながらカッターディスクと同期して公転させる攪拌羽根駆動機構とを設け、
前記攪拌羽根駆動機構は、カッタードラムの公転に連動して攪拌羽根を自転させる遊星歯車機構を有し、
前記チャンバー内の土圧を調整する為の圧力発生手段を含む圧力制御手段を設け、
前記カッターディスクの最外周部に、オーバーカットのない貫入掘削型の環状のナイフエッジカッターを装備し、このナイフエッジカッターをカッターディスクの前面側の複数のカッタービットよりも前方へ突出させた、
ことを特徴とするシールド掘進機。 - 前記カッターディスクの外周部に、オートクローズ型のオーバーカッターを設け、不使用状態のときにはオーバーカッター突出用開口部を自動的に閉じる封鎖機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機。
- 前記排土設備は、チャンバー内から掘削土を排出するスクリューコンベヤであってその内部に複数のオーガを直列的に配設したスクリューコンベヤと、前記複数のオーガを独立に駆動可能な複数のオーガ駆動手段とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
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