JP3697226B2 - カッタ交換装置及び方法並びにトンネル掘削機 - Google Patents
カッタ交換装置及び方法並びにトンネル掘削機 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カッタヘッドに設けられたカッタビットや先行ビット、ローラカッタなどのカッタを交換するカッタ交換装置及び方法、並びにこれを適用したシールド掘削機やトンネルボーリングマシンなどのトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッドに多数のカッタビットが取付けられる一方、後部に掘削機本体を前進させる複数のシールドジャッキが装着されると共に、セグメントを組み立てるエレクタ装置が装着されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転しながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの掘削反力を得て掘削機本体が前進し、多数のカッタビットが前方の地盤を掘削してトンネルを形成する。
【０００３】
近年、トンネルは長距離化の傾向にあり、トンネル掘削の作業中にカッタヘッドに装着されたカッタビットが摩耗してしまう。このカッタビットが摩耗すると地盤の掘削効率が低下するので、掘削作業を停止して磨耗した各カッタを交換しなければならない。従来、カッタビットの交換作業では、前方の地盤を薬液の注入や凍結などにより固化改良し、この地盤改良地点まで掘削した後に後退してチャンバ内の掘削土砂を全て排出し、作業者がこのカッタヘッドの前方やチャンバ内に入ってカッタビットの交換作業を行っていた。
【０００４】
ところが、このような交換作業では、地盤の改良を行うために使用する薬液などに費用がかかって不経済であると共に、作業時間が長くかかってしまい作業性が良くない。また、作業者はカッタヘッドの前方やチャンバ内などの狭い空間で作業を行うこととなり、不自由な作業となって作業者にかかる負担が大きくなってしまうという問題がある。そこで、出願人は、カッタビットを掘削機本体内で交換可能としたものとして、特願平１１−１９９８３７号（特開２００１−０２７０９７号公報）を提案している。
【０００５】
このトンネル掘削機は、掘削機本体の前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、このカッタヘッドに中心部側が内方に屈曲したガイドレールを配設し、複数のカッタビットが屈曲自在に連結されたカッタ列をこのガイドレールに移動自在に支持し、ガイドレールの端部にゲート機構を介してカッタ収納箱を取付け、油圧ジャッキによってカッタ列をカッタ収納箱内に移動可能とし、このカッタ収納箱内で磨耗したカッタビットを新しいカッタビットに交換するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のトンネル掘削機では、カッタ交換時にカッタ列と油圧ジャッキとを容易に連結できるように、カッタ列に連結シャフトを連結している。そして、通常掘削時には、連結シャフトの端部を掘削機本体側に突出して固定し、一対の第１ゲートがこの連結シャフトを挾持して開口部を閉止することで、切羽側から機内への浸水を防止している。一方、カッタ交換作業時には、油圧ジャッキによりカッタ列をカッタ収納箱内に移動し、第２ゲートにより開口部を閉止することで切羽側から機内への浸水を防止している。
【０００７】
一方で、カッタ交換作業時に、ガイドレールに支持されたカッタ列をカッタ収納箱内に移動するため、このガイドレールとカッタ収納箱との間にもカッタ列を移動させるためのレールが必要となる。ところが、前述したように、ガイドレールとカッタ収納箱との間にはその開口部を開閉する２つのゲートが設けられており、ここに十分な長さのレールを設けることができない。そのため、カッタ列をガイドレールからカッタ収納箱内にスムースに移動することができず、作業性が良くなかった。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するものであって、カッタの交換作業時にカッタ列の移動を良好に行うことで作業性の向上を図ったカッタ交換装置及び方法並びにトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のカッタ交換装置は、機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１０】
従って、通常掘削時に、ゲートの開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで、機内側と切羽側とを仕切り、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで、機内側と切羽側とを仕切る。この場合、閉止部材は上方に待機して使用時に下降して切羽側から連結開口を閉止することが望ましく、形状としては半球体や円錐体、弾性を有する平板などが考えられ、切羽に充填された泥水の水圧により閉止状態が維持されるようにすると良い。
【００１１】
請求項２の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は昇降して前記ゲートの開口部を開閉可能であることを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は操作ロッドの下端部に蓋部材が一体に装着されてなり、該操作ロッドが昇降自在に支持されると共に、前記ゲートの開口部に向けて回動自在に支持されたことを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材の蓋部材は略半球形状をなし、その外周湾曲面が前記ゲートの開口部に嵌合して閉止することを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は切羽側の水圧により前記ゲートの開口部を閉止することを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明のカッタ交換装置では、前記ゲートは前記連結シャフトを挾持して機内側と切羽側とを仕切る一対のゲート板であって、該各ゲート板に前記開口部を構成する半円形状の切欠が形成される一方、前記閉止部材は切羽側の水圧により該開口部に嵌合する球面部を有することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項７の発明のカッタ交換方法は、カッタヘッド前面に位置する複数のカッタを一連に連結したカッタ列を有し、該カッタ列の一連またはその一部を切羽側のガイドレールに沿って機内側のカッタ収納箱内に引き込んで他のカッタと交換可能なトンネル掘削機のカッタ交換方法であって、前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間のゲートを閉止して機内側と切羽側とを仕切り、前記ガイドレールの機内側端部に前記カッタ収納箱を取付けると共に、機内側に延出した前記カッタ列の連結シャフトにカッタ移動手段を連結し、前記切羽側及び前記カッタ収納箱内に給水してから前記ゲートを開放し、前記カッタ移動手段を用いて前記カッタ列を前記カッタ収納箱内に引き込んだ後に、前記ゲートを閉止すると共に該ゲートに形成された連結シャフト用開口部を閉止部材により閉止し、前記カッタ収納箱内から排水して該カッタ収納箱内で前記カッタの交換作業を行った後、該カッタ収納箱内に給水してから前記ゲート及び前記閉止部材を開放し、前記カッタ移動手段を用いて交換したカッタ列を前記ガイドレールに沿って前記カッタヘッド前面の所定位置に移動し、前記ゲートで前記連結シャフトを挟持して閉止し、前記カッタ収納箱内から排水することを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項８の発明のトンネル掘削機は、筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドに機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、 図２にトンネル掘削機の正面視、 図３にトンネル掘削機の前部概略断面、図４に 図３のＩＶ−ＩＶ断面、図５にゲート開放時におけるゲート機構の正面視、図６にカッタ移動時におけるゲート機構の正面視、図７にゲート閉止部材の概略断面を示す。
【００２０】
本実施形態のトンネル掘削機は泥水式シールド掘削機であって、 図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなす前胴１２と後胴１３とが球面軸受（図示略）によって屈曲自在に連結され、中折ジャッキ１４によって屈曲可能となっている。この前胴１２の前部には軸受によってカッタヘッド１５が回転自在に装着されている。このカッタヘッド１５は後部にリングギア１６が固定される一方、前胴１２にはカッタ旋回モータ１７が取付けられ、このカッタ旋回モータ１７の駆動ギア１８がこのリングギア１６に噛み合っている。従って、カッタ旋回モータ１７を駆動して駆動ギア１８を回転駆動すると、リングギア１６を介してカッタヘッド１５を回転することができる。
【００２１】
また、前胴１２の前部にはバルクヘッド１９が取付けられており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド１９との間にチャンバ２０が形成されている。そして、このチャンバ２０の上部には一端が機外に延設された送泥管２１の他端が開口し、チャンバ２０の下部には一端が機外に延設された排泥管２２の他端が開口している。
【００２２】
一方、後胴１３の前端内周部にはシールドジャッキ２３が周方向に沿って複数並設されており、このシールドジャッキ２３が掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進することができる。また、掘削機本体１１の後部にはセグメントＳを組立てるエレクタ装置２４が設けられている。
【００２３】
前述したカッタヘッド１５にて、その前面部の中央には先行カッタビット２５が固定され、この先行カッタビット２５から３つのカッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃが放射状に固定されている。そして、カッタスポーク２６ａの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット２７ａが一連に連結されてカッタ列をなし、移動自在に支持されている。従って、このカッタビット２７ａが磨耗して掘削能率が低下したときには、このカッタ列の一連を掘削機本体１１内に引き込んで磨耗したカッタビット２７ａを新しいものと交換できるようになっている。一方、カッタスポーク２６ｂ，２６ｃの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット２７ｂ，２７ｃが固定されている。
【００２４】
また、各カッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃの両側には土砂取込開口２８が形成されており、掘削土砂をこの土砂取込開口２８からチャンバ２０内に取り込むことができる。更に、各カッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃの間には面板２９が固定され、各面板２９には複数のローラカッタ３０とコピーカッタ３１が装着されている。なお、カッタスポーク２６ｂには電磁式摩耗検知ビット３２と油圧式摩耗検知ビット３３が装着されている。
【００２５】
ここで、カッタビット２７ａの交換装置について説明する。 図１乃至図７に示すように、カッタスポーク２６ａは断面が左右対称の矩形形状をなし、各側部にはレール溝３４ａを有する上ガイド部材３４とレール溝３５ａを有する下ガイド部材３５とが所定間隔で対向するように固定されることで、ガイドレール３６を構成している。このガイドレール３６は掘削機本体１１の中心部側から切羽側に延設されており、カッタヘッド１５の中心部から前方に延出してほぼ９０度屈曲し、カッタスポーク２６ａに沿ってカッタヘッド１５の外周部へ向かってほぼ直線状をなしている。この左右のガイドレール３６には連結軸３７により互いに回動自在に連結された４種類のリンク３８〜４１が配設され、各連結リンク３８〜４１のガイド部３８ａ〜４１ａがレール溝３４ａ，３５ａに移動自在に嵌合することで、リンク３８〜４１はガイドレール３６の屈曲形状に合わせて折れ曲がりながら一体に移動することができる。
【００２６】
本実施形態では、５つのＡリンク３８と８つのＣリンク４０が交互に縦列して連結軸３７により回動自在に連結され、カッタヘッド１５の中心部側の端部には３つのＢリンク３９が回動自在に連結される一方、カッタヘッド１５の外周部側の端部にはＤリンク４１が回動自在に連結されている。そして、各リンク３８〜４１が屈曲自在な各連結部には土砂の浸入を防止するスポンジゴム４２が装着されると共に、ガイドレール３６の上下両側には内部への土砂の浸入を防止するラビリンスパッキン４３が装着されている。なお、このリンク３８〜４１の構成やその数はカッタヘッド１５の形状や大きさに応じて適宜設定すればよく、この実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
そして、ガイドレール３６内にてカッタヘッド１５の外周部側に位置する４つのＡリンク３８とＤリンク４１にはカッタ取付部３８ｂ，４１ｂが一体に形成され、この各カッタ取付部３８ｂ，４１ｂにカッタビット２７ａが取付軸４４によってそれぞれ揺動自在に取付けられている。また、ガイドレール３６内にてカッタヘッド１５の中心部側に位置する１つのＡリンク３８にもカッタ取付部３８ｂが一体に形成され、このカッタ取付部３８ｂにダミービット４５が固定されている。この各カッタビット２７ａはカッタヘッド１５の前面部に位置して外部に露出しており、一方、ダミービット４５はカッタヘッド１５の前面部に半分露出し、カッタビット２７ａの交換時にこのカッタビット２７ａを掘削機本体１１内に引き込むための開口部４６を閉止しており、この開口部４６の周縁部にはめ込むシール４７が取付けられている。
【００２８】
一方、左右のガイドレール３６（カッタスポーク２６ａ）におけるカッタヘッド１５の中心側の端部にはそれぞれゲート機構４８を介してカッタ収納箱４９が着脱自在となっている。なお、左右のガイドレール３６に対するゲート機構４８及びカッタ収納箱４９等の構成はほぼ同様であるため、一方についてのみ説明する。
【００２９】
カッタスポーク２６ａはその端部にカッタ通過空間部５０を有する枠体５１が固定されており、この枠体５１には左右のガイドレール３６に連続する左右の補助ガイドレール５２（上下のガイド溝）がカッタ通過空間部５０に位置して固定されている。そして、ガイドレール３６に移動自在に支持された端部のＢリンク３９には連結部材５３を介して連結シャフト５４が連結されている。枠体５１には取付ボルト５５によってゲート蓋５６が取付けられており、連結シャフト５４はこのゲート蓋５６を貫通し、この連結シャフト５４に固定されたリンク押えブラケット５７が取付ボルト５８によりこのゲート蓋５６に着脱自在に取付けられている。
【００３０】
また、枠体５１には支持フレーム５９が固定され、この支持フレーム５９にカッタ通過空間部５０を開閉可能なゲート６０が装着されている。このゲート６０は上下２枚のゲート板６０ａ，６０ｂを有し、各油圧ジャッキ６１ａ，６１ｂによって昇降して互いに接近離反可能であり、各ゲート板６０ａ，６０ｂには対向する端部に半円形状の切欠６２ａ，６２ｂが形成され、ここにシール部材が固定されている。この場合、連結シャフト５４は断面が円形状をなしており、各ゲート板６０ａ，６０ｂが接近して当接したとき、各切欠６２ａ，６２ｂが円形状となって連結シャフト５４の外周面に嵌合可能となっており、２つの切欠６２ａ，６２ｂによりゲート開口部を構成している。また、補助ガイドレール５２はゲート６０（ゲート板６０ａ，６０ｂ）に対応する箇所だけ切り欠かれている。
【００３１】
更に、枠体５１の上部には連結シャフト５４がないときに各ゲート板６０ａ，６０ｂが接近してゲート６０が閉止状態にあるとき、各切欠６２ａ，６２ｂにより形成された円形のゲート開口部を開閉可能な閉止部材６３が設けられている。
この閉止部材６３は上部がコ字形状をなる操作ロッド６４の下端部に半球状の蓋部材６５が一体に装着されて構成されている。そして、枠体５１にケーシング６６が固定され、このケーシング６６にボールジョイント６７が揺動自在に嵌合し、このボールジョイント６７の中央部に操作ロッド６４がパッキン６８を介して軸方向移動自在に貫入している。また、操作ロッド６４の上端部はカッタヘッド１５の取付板６９にボルト７０により着脱自在に取付けられている。一方、蓋部材６５は球体を半分に切断すると共に、底面を切断して平坦面とした略半球形状をなし、外周湾曲面６５ａが円形状のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）に嵌合可能となっている。
【００３２】
そして、枠体５１に対して着脱自在なカッタ収納箱４９は中空形状をなし、カッタビット２７ａ及びダミービット４５が装着された各リンク３８〜４１や連結シャフト５４等が連結されたカッタ列を収納可能な長さとなっており、内部の水を注入することから水密性を有している。このカッタ収納箱４９の後部にカッタ移動手段としての油圧ジャッキ７１が装着されており、駆動ロッド７２の先端部が連結シャフト５４に連結ピン７３によって連結可能となっている。なお、このカッタ収納箱４９には図示しない給排水設備が設けられている。
【００３３】
従って、カッタヘッド１５を回転して前方の地盤を掘削するときには、油圧ジャッキ６１ａ，６１ｂを収縮して各ゲート板６０ａ，６０ｂを互いに接近させると、各切欠６２ａ，６２ｂが連結シャフト５４を挾持することで、カッタ通過空間部５０を閉塞してゲート６０が閉止する。すると、切羽側（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とを遮断して止水することができる。
【００３４】
一方、カッタビット２７ａを交換するときには、取付ボルト５８を外してリンク押えブラケット５７とゲート蓋５６との連結を解除すると共に、取付ボルト５５を外してゲート蓋５６を取り外してから、枠体５１にカッタ収納箱４９を装着し、油圧ジャッキ７１の駆動ロッド７２の先端部を連結シャフト５４に連結する。そして、この状態で、ゲート６０を開放して油圧ジャッキ７１を収縮することで、カッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等をカッタ通過空間部５０を通してカッタ収納箱４９内に引き込むことができる。
【００３５】
そして、全てのカッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等がカッタ収納箱４９内に引き込まれた状態にて、ゲート６０を閉止すると円形のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）が形成されるため、ボルト７０を緩めて閉止部材６３の操作ロッド６４を下降すると共に揺動することで、蓋部材６５によりこのゲート開口部を閉止する。この場合、切羽（カッタヘッド１５）側には泥水が充満しており、カッタ収納箱４９内を排水することで、蓋部材６５は切羽側の水圧によりゲート開口部を押圧して嵌合することとなり、切羽（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とを遮断して止水することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、カッタヘッド１５による掘削作業時に、掘削土砂がガイドレール３６内に浸入し、カッタビット２７ａの交換作業時に各リンク３８〜４１の移動を阻害しないように、ガイドレール３６と各リンク３８〜４１とのガイド部に潤滑剤としてのグリースを常時注入している。即ち、カッタスポーク２６ａ及び各ガイド部材３４，３５には各レール溝３４ａ，３５ａに連通するグリース注入通路７４が複数形成されており、このグリース注入通路７４には図示しない連結ホースを介してグリース供給源が連結されている。従って、少なくともカッタヘッド１５の回転による掘削作業時と、カッタビット２７ａの交換作業時には、グリース注入通路７４を通してガイドレール３６のレール溝３４ａ，３５ａと各リンク３８〜４１とのガイド面に常時グリースが注入されることとなり、この部分への掘削土砂の浸入が防止され、カッタビット２７ａの交換作業時におけるリンク３８〜４１の移動が阻害されることはない。
【００３７】
また、カッタビット２７ａの交換作業時に、カッタビット２７ａと共にガイドレール３６に位置していた各リンク３８〜４１が、カッタ収納箱４９側に移動して形成されたガイドレール３６の空間部に掘削土砂が浸入し、カッタビット２７ａを交換した後に各リンク３８〜４１が再びガイドレール３６に戻るのを阻害しないように、このガイドレール３６の空間部に充填剤を注入するようにしている。即ち、カッタスポーク２６ａには各ガイドレール３６に連通する充填剤供給通路７５が複数形成されており、この充填剤供給通路７５には連結管７６を介して図示しない洗浄液供給源及び充填剤供給源が連結されている。なお、この充填剤は、流動性を有する高分子系樹脂などを用いると良く、水であってもよい。
【００３８】
従って、カッタビット２７ａの交換作業時に、まず、洗浄液供給源から充填剤供給通路７５を介して洗浄液が各ガイドレール３６に供給されて泥水や泥土が排除された後、続いて充填剤を供給すると、ガイドレール３６の空間部に充填剤が充填されることとなり、掘削土砂の浸入を防止できる。そして、カッタ収納箱４９内でのカッタビット２７ａの交換後、新しいカッタビットと共に各リンク３８〜４１をガイドレール３６の所定位置に戻すとき、この各リンク３８〜４１は充填剤を外方に押し出しながら移動することとなり、その移動が阻害されることはない。
【００３９】
ここで、このように構成された泥水式シールド掘削機によるトンネル掘削作業、並びにカッタビットの交換作業について説明する。
【００４０】
トンネルを掘削形成するには、図１及び図２に示すように、カッタ旋回モータ１７によってカッタヘッド１５を回転しながら、複数のシールドジャッキ２３を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させることで、多数のカッタビット２７ａ，２７ｂ，２７ｃによって前方の地盤を掘削する。そして、掘削された土砂は土砂取込開口２８からチャンバ２０内に取り込まれ、送泥管２１から供給された水と攪拌されて排泥管２２によって外部に排出される。次に、シールドジャッキ２３の何れか一つを縮み方向に作動して既設セグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置２４によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００４１】
このトンネル掘削作業時には、図３に示すように、各リンク３８〜４１に連結された連結シャフト５４がゲート６０を貫通してカッタヘッド１５に固定されると共に、各ゲート板６０ａ，６０ｂがこの連結シャフト５４を挾持してカッタ通過空間部５０を閉止している。そのため、カッタビット２７ａは所定位置に確実に固定されると共に、カッタヘッド１５側と掘削機本体１１側とが確実に遮断されて止水することができる。また、このとき、ガイドレール３６のレール溝３４ａ，３５ａと各リンク３８〜４１とガイド部３８ａ〜４１ａとの間にグリースが注入されており、ガイドレール３６内への掘削土砂の浸入を防止している。この場合、グリースを所定時間連続注入した後に所定時間休止するような間欠注入方式が望ましい。
【００４２】
このようなトンネル掘削作業を長期にわたって行っていくと、カッタビット２７ａが磨耗して掘削能力が低下するため、このカッタビット２７ａの交換が必要となる。この場合、電磁式摩耗検知ビット３２や油圧式摩耗検知ビット３３によってカッタビット２７ａの摩耗状態を検出して交換時期を判定する。
【００４３】
このカッタビット２７ａが磨耗して交換する必要が発生した場合、図３及び図５に示すように、カッタヘッド１５の回転を停止し、交換するカッタビット２７ａが支持されたカッタスポーク２６ａを下方に位置させる。そして、取付ボルト５８を外してリンク押えブラケット５７とゲート蓋５６との連結を解除すると共に、取付ボルト５５を外してゲート蓋５６を取り外す。そして、枠体５１の端部に取付ボルト５５を用いてカッタ収納箱４９を装着すると共に、油圧ジャッキ７１の伸長状態にある駆動ロッド７２の先端部を連結ピン７３によって連結シャフト５４と連結する。この状態で、切羽側に泥水を充満させてから、カッタ収納箱４９内に注水して水圧を切羽側の泥水圧と平衡、あるいはそれよりも高くしてから、ゲート６０の各ゲート板６０ａ，６０ｂによりカッタ通過空間部５０を開放する。
【００４４】
この状態で、油圧ジャッキ７１を収縮し、連結シャフト５４を介してカッタビット２７ａが装着された各リンク３８〜４１等のカッタ列をカッタ収納箱４９内に引き込む。そして、全てのカッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等がカッタ収納箱４９内に引き込まれると、ゲート６０の各ゲート板６０ａ，６０ｂを閉止する。すると、ゲート６０に円形のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）が形成されるため、ボルト７０を緩めて閉止部材６３の操作ロッド６４を下降して揺動し、蓋部材６５をこのゲート開口部に押し当てて閉止する。そして、磨耗したカッタビット２７ａを収納したカッタ収納箱４９内の水を排出すると、切羽側の泥水の水圧により蓋部材６５はゲート開口部に密着することとなり、切羽側と掘削機本体１１側とを遮断して完全に止水することができる。
【００４５】
また、ガイドレール３６に位置するカッタビット２７ａをカッタ収納箱４９内へ移動させるのと同時に、充填剤供給通路７５を通して洗浄液を各ガイドレール３６に供給して泥水や泥土を排除し、その後、各ガイドレール３６に充填剤を供給することで、ガイドレール３６の空間部への掘削土砂の浸入を防止できる。
【００４６】
このようにしてカッタビット２７ａをカッタ収納箱４９内に収納して内部の水を排出したら、図示しない蓋を開けて磨耗したカッタビット２７ａを新しいカッタビット２７と交換する。そして、再び、カッタ収納箱４９の蓋を閉めてから内に注水し、蓋部材６５によりゲート開口部を開放すると共に、このゲート６０によりカッタ通過空間部５０を開放し、油圧ジャッキ７１を伸長することで、新しいカッタビットが装着された各リンク３８〜４１等が連結されたカッタ列をカッタ収納箱４９から押し出し、カッタヘッド１５におけるガイドレール３６の所定の位置に移動し、ゲート６０によりカッタ通過空間部５０を閉止する。このとき、新しいカッタビットが装着された各リンク３８〜４１は、ガイドレール３６内の充填剤を外方に押し出しながら移動することとなり、土砂などによってその移動が阻害されることはない。
【００４７】
そして、新しいカッタビット等がガイドレール２７の所定の位置に戻されると、連結シャフト５４と油圧ジャッキ７１の駆動ロッド７２の先端部との連結を解除すると共に、取付ボルト５５に外してカッタ収納箱４９を枠体５１から取り外す。一方、この枠体５１にゲート蓋５６を取付け、連結シャフト５４に固定したリンク押えブラケット５７を取付ボルト５８によりこのゲート蓋４５を固定することで、新しいカッタビットがガイドレール３６の所定の位置に位置決めされる。なお、１つのカッタスポーク２６ａには２列のカッタビット２７ａが配設されており、上述の交換作業を２回行うこととなる。
【００４８】
上述の作業により磨耗したカッタビット２７ａが新しいカッタビットに交換されると、前述と同様に、カッタヘッド１５を回転しながらシールドジャッキ２３を伸長することで掘削機本体１１を前進させ、カッタヘッド１５により前方の地盤を掘削し、所定長さのトンネルを構築していく。
【００４９】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、カッタヘッド１５のカッタスポーク２６ａにガイドレール３６を設け、このガイドレール３６に互いに回動自在に連結された複数のリンク３８〜４１を移動自在に支持し、このリンク３８〜４１にカッタビット２７ａを装着してカッタ列を構成する一方、ガイドレール３６の端部にゲート６０と閉止部材６３からなるゲート機構４８を介してカッタ収納箱４９を連結してある。
【００５０】
従って、カッタビット２７ａのカッタ列をカッタ収納箱４９内に引き込むことで、短時間で容易にカッタビット２７ａを交換することができ、また、このとき、切羽（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とをゲート機構４８により仕切って止水するため、掘削機本体１１内への泥水の漏洩を確実に防止して十分な安全性を確保することができる。
【００５１】
また、このゲート機構４８を、一対のゲート板６０ａ，６０ｂからなるゲート６０と、ゲート板６０ａ，６０ｂの切欠６２ａ，６２ｂで形成されたゲート開口部を閉止する閉止部材６３とで構成している。従って、掘削作業時には、ゲート板６０ａ，６０ｂが連結シャフト５４を挾持してカッタ通過空間部５０を閉止し、カッタ交換作業時には、ゲート６０（ゲート板６０ａ，６０ｂ）のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）を閉止部材６３の蓋部材６５が閉止してカッタ通過空間部５０を閉止しており、このゲート機構４８の構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレール３６とカッタ収納箱４９との間に補助ガイドレール５２を容易に設けてゲート６０による欠除部が少なくなり、カッタ列をスムースに移動することができ、作動の円滑化を向上することができる。
【００５２】
なお、上述の実施形態において、カッタ収納箱４９を長尺に形成して全てのカッタビット２７ａ及び各リンク３８〜４１等が連結されたカッタ列を収納可能としたが、各リンク３８〜４１の連結を解除可能としてカッタビット２７ａ及び各リンク３８〜４１を一組ずつ収納して交換してもよい。更に、左右のカッタ列に対してそれぞれカッタ収納箱４９を用いたが、左右のカッタ列に対して一つのカッタ収納箱としてもよい。また、一つのカッタスポーク２６ａのカッタビット２７ａを交換可能としたが、全てのカッタビット２７ｂ，２７ｃを交換可能としてもよい。この場合、カッタ収納箱４９を掘削機本体１１側に支持して３つのカッタ列（カッタビット２７ａ，２７ｂ，２７ｃ）に対して共用するとよい。また、カッタ移動手段としての油圧ジャッキ７１を適用したが、駆動モータによってねじ軸を回転し、このねじ軸に螺合するナットにカッタ列を連結して移動可能としてもよい。
【００５３】
図８に本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、図９にトンネル掘削機の正面視、図１０にゲート機構の正面視、図１１に図１０のＸＩ−ＸＩ断面を示す。
【００５４】
本実施形態のトンネル掘削機は土圧式シールド掘削機であって、トンネル掘削機としての基本的な構成は前述した第１実施形態の泥水式シールド掘削機とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００５５】
本実施形態の土圧式シールド掘削機において、図８及び図９に示すように、掘削機本体１１１は前胴１１２と後胴１１３とが球面軸受によって屈曲自在に連結され、中折ジャッキ１１４によって屈曲可能となっている。この前胴１１２の前部には軸受によってカッタヘッド１１５が回転自在に装着されており、後部にリングギア１１６が固定される一方、前胴１１２に装着されたカッタ旋回モータ１１７の駆動ギア１１８がこのリングギア１１６に噛み合っており、カッタ旋回モータ１１７によりカッタヘッド１１５を回転可能となっている。
【００５６】
また、前胴１１２の前部にはバルクヘッド１１９が取付けられてチャンバ１２０が形成されており、掘削機本体１１１に支持ロッド１２１により前傾姿勢で配設されたスクリューコンベヤ１２２の前端部がこのチャンバ１２０の下部に開口している。一方、後胴１１３の前端内周部にはシールドジャッキ１２３が周方向に沿って複数並設されていると共に、後部にはセグメントＳを組立てるエレクタ装置１２４が設けられている。
【００５７】
そして、カッタヘッド１１５にて、その前面部の中央には先行カッタビット１２５が固定され、この先行カッタビット１２５から６つのカッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆが放射状に固定されており、カッタスポーク１２６ａの中央には長手方向に沿って複数の先行ビット１２７ａが一連に連結されてカッタ列をなし、移動自在に支持されている。従って、このカッタビット１２７ａが磨耗して掘削能率が低下したときには、このカッタ列の一連を掘削機本体１１１内に引き込んで磨耗した先行ビット１２７ａを新しいものと交換できるようになっている。一方、他のカッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆの中央には長手方向に沿って複数の先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆが固定されている。
【００５８】
また、各カッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット１２８ａ〜１２８ｆが固定されると共に、カッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆには先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆと直列をなしてディスクカッタ１２９が固定されており、カッタスポーク１２６ｄにはコピーカッタ１３０が装着されている。更に、各カッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆの間には土砂取込開口１３１が形成されており、掘削土砂をこの土砂取込開口１３１からチャンバ１２０内に取り込むことができる。なお、先行カッタビット１２５の近傍には加泥注入孔１３２が設けられ、カッタスポーク１２７ｆには油圧式摩耗検知ビット１３３が装着されている。
【００５９】
ここで、カッタビット１２７ａの交換装置について説明する。図８乃至図１１に示すように、カッタスポーク１２６ａは断面が左右対称の矩形形状をなし、左右にレール溝を有するガイドレール１３４が固定されており、このガイドレール１３４は掘削機本体１１１の中心部側から切羽側に延設されてほぼ９０度屈曲してカッタヘッド１１５の外周へ向かってほぼ直線状をなしている。このガイドレール１３４には前述の第１実施形態と同様に、複数種類のリンク１３５が回動自在に連結されて配設されており、ガイドレール１３４の屈曲形状に合わせて折れ曲がりながら一体に移動することができる。そして、各リンク１３５における外部に露出するリンク１３５に対応して先行ビット１２７ａが固定されている。
【００６０】
一方、ガイドレール１３４（カッタスポーク１２６ａ）におけるカッタヘッド１１５の中心側の端部にはゲート機構１３６を介してカッタ収納箱１３７が着脱自在となっている。即ち、カッタスポーク１２６ａはその端部にカッタ通過空間部１３８を有する枠体１３９が固定されており、この枠体１３９にガイドレール１３４に連続する左右の補助ガイドレール１４０（上下のガイド溝）がカッタ通過空間部１３８に位置して固定されている。そして、ガイドレール１３４に移動自在に支持された端部のリンク１３５に連結シャフト１４１が連結されている。枠体１３９には取付ボルト１４２によってゲート蓋１４３が取付けられており、連結シャフト１４１はこのゲート蓋１４３を貫通し、リンク押えブラケット１４４が取付ボルト１４５によりこのゲート蓋１４３に着脱自在に取付けられている。
【００６１】
また、枠体１３９には支持フレーム１４６が固定され、カッタ通過空間部１３８を開閉可能なゲート１４７が装着されており、このゲート１４７は上下２枚のゲート板１４７ａ，１４７ｂを有し、各油圧ジャッキ１４８ａ，１４８ｂによって昇降して互いに接近離反可能であり、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂには対向する端部に半円形状の切欠１４９ａ，１４９ｂが形成されている。この場合、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂが接近して当接したとき、各切欠１４９ａ，１４９ｂが円形断面をなす連結シャフト１４１に嵌合可能となっており、２つの切欠１４９ａ，１４９ｂによりゲート開口部を構成している。また、補助ガイドレール１４０はゲート１４７（ゲート板１４７ａ，１４７ｂ）に対応する箇所だけ切り欠かれている。
【００６２】
更に、枠体１３９の上部には連結シャフト１４１がないときに各ゲート板１４７ａ，１４７ｂが接近してゲート１４７が閉止状態にあるとき、各切欠１４９ａ，１４９ｂにより形成された円形のゲート開口部を開閉可能な閉止部材１５０が設けられている。この閉止部材１５０は上部がコ字形状をなる操作ロッド１５１の下端部に半球状の蓋部材１５２が一体に装着されて構成されている。そして、枠体１４０にケーシング１５３が固定され、このケーシング１５３にボールジョイント１５４が揺動自在に嵌合し、このボールジョイント１５４の中央部に操作ロッド１５１がパッキン１５５を介して軸方向移動自在に貫入している。また、操作ロッド１５１の上端部はカッタヘッド１１５の取付板１５６にボルト１５７により着脱自在に取付けられている。一方、蓋部材１５２は球体を半分に切断すると共に、底面を切断して平坦面とした略半球形状をなし、外周湾曲面１５２ａが円形状のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）に嵌合可能となっている。
【００６３】
そして、枠体１３９に対して着脱自在なカッタ収納箱１３７は中空形状をなし、カッタビット１２７ａが装着された各リンク１３５や連結シャフト１４１等が連結されたカッタ列を収納可能な長さとなっており、内部の水を注入することから水密性を有している。このカッタ収納箱１３７の後部にカッタ移動手段としての油圧ジャッキ１５８が装着されており、駆動ロッド１５９の先端部が連結シャフト１４１に連結ピン１６０によって連結可能となっている。
【００６４】
従って、カッタヘッド１１５を回転して前方の地盤を掘削するときには、油圧ジャッキ１４８ａ，１４８ｂを収縮して各ゲート板１４７ａ，１４７ｂを互いに接近させると、各切欠１４９ａ，１４９ｂが連結シャフト１４１を挾持することで、カッタ通過空間部１３８を閉塞してゲート１４７が閉止する。すると、切羽側（カッタヘッド１１５）側と掘削機本体１１１側とを遮断して止水することができる。
【００６５】
一方、カッタビット１２７ａを交換するときには、取付ボルト１４５を外してリンク押えブラケット１４４とゲート蓋１４３との連結を解除すると共に、取付ボルト１４２を外してゲート蓋１４３を取り外してから、枠体１３９にカッタ収納箱１３７を装着し、油圧ジャッキ１５８の駆動ロッド１５９の先端部を連結シャフト１４１に連結する。そして、この状態で、ゲート１４７を開放して油圧ジャッキ１５８を収縮することで、カッタビット１２７ａや各リンク１３５等をカッタ通過空間部１３８を通してカッタ収納箱１３７内に引き込むことができる。
【００６６】
そして、全てのカッタビット１２７ａや各リンク１３５等がカッタ収納箱１３７内に引き込まれた状態にて、ゲート１４７を閉止すると円形のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）が形成されているため、ボルト１５７を緩めて閉止部材６３の操作ロッド１５１を下降すると共に揺動することで、蓋部材１５２によりこのゲート開口部を閉止する。この場合、切羽（カッタヘッド１１５）側には泥水が充満しており、カッタ収納箱１３７内を排水することで、蓋部材１５２は切羽側の水圧によりゲート開口部を押圧して嵌合することとなり、切羽側と掘削機本体１１１側とを遮断して止水することができる。
【００６７】
ここで、このように構成された土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削作業、並びに先行ビットの交換作業について説明する。
【００６８】
トンネルを掘削形成するには、図８及び図９に示すように、カッタ旋回モータ１１７によってカッタヘッド１１５を回転しながら、シールドジャッキ１２３を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させることで、多数の先行ビット１２７ａ〜１２７ｆやカッタビット１２８ａ〜１２８ｆによって前方の地盤を掘削する。そして、掘削された土砂は土砂取込開口１３１からチャンバ１２０内に取り込まれ、スクリューコンベヤ１２２によって外部に排出される。また、エレクタ装置１２４によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００６９】
このトンネル掘削作業時には、図１０及び図１１に示すように、各リンク１３５に連結された連結シャフト１４１がゲート１４７を貫通してカッタヘッド１１５に固定されると共に、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂがこの連結シャフト１４１を挾持してカッタ通過空間部１３８を閉止している。そのため、先行ビット１２７ａは所定位置に確実に固定されると共に、カッタヘッド１１５側と掘削機本体１１１側とが確実に遮断されて止水することができる。
【００７０】
このようなトンネル掘削作業を長期にわたって行っていくと、先行ビット１２７ａが磨耗して掘削能力が低下するために交換が必要となる。この場合、油圧式摩耗検知ビット１３３によって先行ビット１２７ａの摩耗状態を検出して交換時期を判定する。先行ビット１２７ａを交換する場合、図８乃至図１１に示すように、カッタヘッド１１５の回転を停止し、カッタビット１２７ａが支持されたカッタスポーク１２６ａを下方に位置させ、取付ボルト１４５を外してリンク押えブラケット１４４とゲート蓋１４３との連結を解除すると共に、取付ボルト１４２を外してゲート蓋１４３を取り外す。そして、枠体１３９の端部に取付ボルト１４２を用いてカッタ収納箱１３７を装着すると共に、油圧ジャッキ１５８の伸長状態にある駆動ロッド１５９の先端部を連結ピン１６０によって連結シャフト１４１と連結する。この状態で、切羽側に泥水を充満させてから、カッタ収納箱１３８内に注水して水圧を切羽側の泥水圧と平衡、あるいはそれよりも高くしてから、ゲート１４７の各ゲート板１４７ａ，１４７ｂによりカッタ通過空間部１３８を開放する。
【００７１】
この状態で、油圧ジャッキ１５８を収縮し、連結シャフト１４１を介して先行ビット１２７ａが装着されたリンク１３５等のカッタ列をカッタ収納箱１３７内に引き込む。そして、全ての先行ビット１２７ａ等がカッタ収納箱１３７内に引き込まれると、ゲート１４７の各ゲート板１４７ａ，１４７ｂを閉止する。すると、ゲート１４７に円形のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）が形成されているため、閉止部材１５０の操作ロッド１５１を下降して揺動し、蓋部材１５２をこのゲート開口部に押し当てて閉止する。そして、カッタ収納箱１３７内の水を排出すると、切羽側の泥水の水圧により蓋部材１５２はゲート開口部に密着することとなり、切羽側と掘削機本体１１１側とを遮断して完全に止水することができる。
【００７２】
このようにしてカッタビット１２７ａをカッタ収納箱１３７内に収納して内部の水を排出したら、図示しない蓋を開けて磨耗した先行ビット１２７ａを新しいカッタビット２７と交換する。そして、再び、カッタ収納箱１３７の蓋を閉めてから内に注水し、蓋部材１５２によりゲート開口部を開放すると共に、このゲート１４７によりカッタ通過空間部１３８を開放し、油圧ジャッキ１５８を伸長することで、新しいカッタビットが装着された各リンク１３５等が連結されたカッタ列をカッタ収納箱１３７から押し出し、カッタヘッド１１５におけるガイドレール１３４の所定の位置に移動し、ゲート１４７によりカッタ通過空間部１３８を閉止する。
【００７３】
そして、新しいカッタビット等がガイドレール１３４の所定の位置に戻されると、連結シャフト１４１と油圧ジャッキ１５８との連結を解除すると共にカッタ収納箱１３７を枠体１３９から取り外す。一方、この枠体１３９にゲート蓋１４３を取付ける共にこのゲート蓋１４３に連結シャフト５４を固定し、新しいカッタビットをガイドレール１３４の所定の位置に位置決めされる。
【００７４】
上述の作業により磨耗した先行ビット１２７ａが新しいカッタビットに交換されると、前述と同様に、カッタヘッド１１５を回転しながらシールドジャッキ１２３を伸長することで掘削機本体１１１を前進させ、カッタヘッド１１５により前方の地盤を掘削し、所定長さのトンネルを構築していく。
【００７５】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、カッタヘッド１１５のカッタスポーク１２６ａにガイドレール１３４を設け、このガイドレール１３４に互いに回動自在に連結された複数のリンク１３５を移動自在に支持し、このリンク１３５に先行ビット１２７ａを装着してカッタ列を構成する一方、ガイドレール１３４の端部にゲート１４７と閉止部材１５１からなるゲート機構１３６を介してカッタ収納箱１３７を連結してある。
【００７６】
従って、先行ビット１２７ａのカッタ列をカッタ収納箱１３７ 引き込むことで、短時間で容易に先行ビット１２７ａを交換することができ、また、このとき、切羽（カッタヘッド１１５）側と掘削機本体１１１側とをゲート機構１３６により仕切って止水するため、掘削機本体１１１内への泥水の漏洩を確実に防止して十分な安全性を確保することができる。
【００７７】
また、このゲート機構１３６を、切欠１４９ａ，１４９ｂを有するゲート１４７と、この切欠１４９ａ，１４９ｂで形成されたゲート開口部を閉止する閉止部材１５０とで構成している。従って、掘削作業時には、ゲート板１４７ａ，１４７ｂが連結シャフト１４１を挾持してカッタ通過空間部１３８を閉止し、カッタ交換作業時には、ゲート１４７のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）を閉止部材１５０の蓋部材１５２が閉止してカッタ通過空間部１３８を閉止しており、このゲート機構１３６の構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレール１３４とカッタ収納箱１３７との間に補助ガイドレール１４０を容易に設けてゲート１４７による欠除部が少なくなり、カッタ列をスムースに移動することができ、作動の円滑化を向上することができる。
【００７８】
なお、上述の実施形態において、一つのカッタスポーク１２６ａの先行ビット１２７ａのみを交換可能としたが、他のカッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆの先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆを交換可能としてもよい。この場合、カッタ収納箱１３７を掘削機本体１１１側に支持して各カッタ列に対して共用するとよい。
【００７９】
また、上述の各実施形態において、閉止部材６３，１５０を操作ロッド６４，１５１と蓋部材６５，１５２とにより構成したが、閉止部材６３，１５０はゲート６０，１４７の開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を開閉可能なものであればよく、その形状は実施形態に限定されるものではない。例えば、操作ロッドを鎖や紐状としたり、蓋部材を球状や円錐状としてもよい。また、蓋部材を昇降式ではなく、上下あるいは左右、前後のスイング式としてもよい。更に、蓋部材を平板式としてゲート開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を覆って閉止するようにしてもよい。また、切羽側の泥水の水圧により蓋部材６３，１５２をゲート開口部に密着して閉止するようにしたが、蓋部材６３，１５２をゲート開口部に強制的に押しつけて閉止するようにしてもよい。
【００８０】
更に、上述した各実施形態では、ゲート６０，１４７を上下のゲート板６０ａ，６０ｂ，１４７ａ，１４７ｂとして、上下の切欠６２ａ，６２ｂ，１４９ａ，１４９ｂをゲート開口部としたが、この構造に限定されるものではない。ゲートを左右に回動あるいはスライドする２枚のゲート板あるいは３枚以上のゲート板から構成してもよい。そして、ゲート開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を円形としたが、楕円形や矩形などのような形状としてもよい。また、１枚のゲート板をカッタ通過空間部５０，１３８の端面に当接して閉止するようにしてもよい。
【００８１】
また、上述した各実施形態では、本発明のトンネル掘削機を、泥水式シールド掘削機や土圧式シールド掘削機として説明したが、カッタスポークの中央部に複数のローラカッタ列を設けたトンネルボーリングマシンに適用することもでき、この場合、カッタビットのみならずローラカッタ列を移動可能としてもよい。そして、カッタビットやローラカッタの配置は前述の実施形態に限定されるものではない。
【００８２】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のカッタ交換装置によれば、機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されてガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共にガイドレールとカッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、連結シャフトに着脱可能であってガイドレールとカッタ収納箱との間でカッタ列を移動するカッタ移動手段とを設けたので、通常掘削時には、ゲートは開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで機内側と切羽側とを仕切り、一方、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで機内側と切羽側とを仕切ることとなり、ゲートの構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレールとカッタ収納箱との間でのカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上することで、作業性の向上を図ることができる。
【００８３】
請求項２の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材が昇降してゲートの開口部を開閉可能としたので、不使用時には上部の待機位置に停止し、使用時に下降してゲートの開口部を容易に閉止することができ、構造の簡素化を図ることで専用スペースを縮小して機内スペースを効率的に使用することができる。
【００８４】
請求項３の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は操作ロッドの下端部に蓋部材を一体に装着して構成され、操作ロッドを昇降自在に支持すると共に、ゲートの開口部に向けて回動自在に支持したので、ゲートの開口部に対して蓋部材をその正面から移動して密着させることができ、蓋部材によりゲートの開口部を確実に閉止して止水の信頼性を向上することができる。
【００８５】
請求項４の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は外周湾曲面がゲートの開口部に嵌合して閉止するので、閉止部材とゲートの開口部との嵌合性をよくして止水性を向上することができる。
【００８６】
請求項５の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は切羽側の水圧によりゲートの開口部を閉止するので、閉止部材をゲートの開口部に密着させるだけで容易に止水することができ、別途ゲートの開口部に対する閉止部材の支持部材を不要として構造の簡素化を図ることができる。
【００８７】
請求項６の発明のカッタ交換装置によれば、ゲートは連結シャフトを挾持して機内側と切羽側とを仕切る一対のゲート板であり、各ゲート板に開口部を構成する半円形状の切欠を形成する一方、閉止部材に切羽側の水圧により開口部に嵌合する球面部を設けたので、ゲート板は連結シャフトを挾持することで、機内側と切羽側とを仕切って確実に止水することができると共に、閉止部材は球面部が水圧によりゲート板の切欠に嵌合して止水することができる。
【００８８】
また、請求項７の発明のカッタ交換方法によれば、ガイドレールとカッタ収納箱との間のゲートを閉止して機内側と切羽側とを仕切り、ガイドレールの機内側端部にカッタ収納箱を取付けると共に、機内側に延出したカッタ列の連結シャフトにカッタ移動手段を連結し、切羽側及びカッタ収納箱内に給水してからゲートを開放し、カッタ列をカッタ収納箱内に引き込んだ後に、ゲートを閉止すると共にゲートに形成された連結シャフト用開口部を閉止部材により閉止し、カッタ収納箱内から排水してカッタ収納箱内でカッタの交換作業を行うようにしたので、ゲートを小型化してカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上して作業性の向上を図ることができる。
【００８９】
また、請求項８の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体と、掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、カッタヘッドに機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されてガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共にガイドレールとカッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、連結シャフトに着脱可能であってガイドレールとカッタ収納箱との間でカッタ列を移動するカッタ移動手段とを設けたので、通常掘削時には、ゲートは開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで機内側と切羽側とを仕切り、一方、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで機内側と切羽側とを仕切ることとなり、ゲートの構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレールとカッタ収納箱との間でのカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上することで、作業性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図２】トンネル掘削機の正面図である。
【図３】トンネル掘削機の前部概略断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】ゲート開放時におけるゲート機構の正面図である。
【図６】カッタ移動時におけるゲート機構の正面図である。
【図７】ゲート閉止部材の概略断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図９】トンネル掘削機の正面図である。
【図１０】ゲート機構の正面図である。
【図１１】 図１０のＸＩ−ＸＩ断面図である。
【符号の説明】
１１，１１１ 掘削機本体
１５，１１５ カッタヘッド
１７，１１７ カッタ旋回モータ
２３，１２３ シールドジャッキ（推進ジャッキ）
２４，１２４ エレクタ装置
２６ａ，１２６ａ カッタスポーク
２７ａ，１２７ａ カッタビット
３６，１３４ ガイドレール
３８，３９，４０，４１，１３５ リンク
４８，１３６ ゲート機構
４９，１３７ カッタ収納箱
５０，１３８ カッタ通過空間部
５２，１４０ 補助ガイドレール
５４，１４１ 連結シャフト
６０，１４７ ゲート
６０ａ，６０ｂ，１４７ａ，１４７ｂ ゲート板
６２ａ，６２ｂ，１４９ａ，１４９ｂ 切欠（ゲート開口部）
６３，１５０ 閉止部材
６４，１５１ 操作ロッド
６５，１５２ 蓋部材
６７，１１１ ボールジョイント
７１，１５８ 油圧ジャッキ（カッタ移動手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、カッタヘッドに設けられたカッタビットや先行ビット、ローラカッタなどのカッタを交換するカッタ交換装置及び方法、並びにこれを適用したシールド掘削機やトンネルボーリングマシンなどのトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッドに多数のカッタビットが取付けられる一方、後部に掘削機本体を前進させる複数のシールドジャッキが装着されると共に、セグメントを組み立てるエレクタ装置が装着されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転しながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの掘削反力を得て掘削機本体が前進し、多数のカッタビットが前方の地盤を掘削してトンネルを形成する。
【０００３】
近年、トンネルは長距離化の傾向にあり、トンネル掘削の作業中にカッタヘッドに装着されたカッタビットが摩耗してしまう。このカッタビットが摩耗すると地盤の掘削効率が低下するので、掘削作業を停止して磨耗した各カッタを交換しなければならない。従来、カッタビットの交換作業では、前方の地盤を薬液の注入や凍結などにより固化改良し、この地盤改良地点まで掘削した後に後退してチャンバ内の掘削土砂を全て排出し、作業者がこのカッタヘッドの前方やチャンバ内に入ってカッタビットの交換作業を行っていた。
【０００４】
ところが、このような交換作業では、地盤の改良を行うために使用する薬液などに費用がかかって不経済であると共に、作業時間が長くかかってしまい作業性が良くない。また、作業者はカッタヘッドの前方やチャンバ内などの狭い空間で作業を行うこととなり、不自由な作業となって作業者にかかる負担が大きくなってしまうという問題がある。そこで、出願人は、カッタビットを掘削機本体内で交換可能としたものとして、特願平１１−１９９８３７号（特開２００１−０２７０９７号公報）を提案している。
【０００５】
このトンネル掘削機は、掘削機本体の前部にカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、このカッタヘッドに中心部側が内方に屈曲したガイドレールを配設し、複数のカッタビットが屈曲自在に連結されたカッタ列をこのガイドレールに移動自在に支持し、ガイドレールの端部にゲート機構を介してカッタ収納箱を取付け、油圧ジャッキによってカッタ列をカッタ収納箱内に移動可能とし、このカッタ収納箱内で磨耗したカッタビットを新しいカッタビットに交換するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のトンネル掘削機では、カッタ交換時にカッタ列と油圧ジャッキとを容易に連結できるように、カッタ列に連結シャフトを連結している。そして、通常掘削時には、連結シャフトの端部を掘削機本体側に突出して固定し、一対の第１ゲートがこの連結シャフトを挾持して開口部を閉止することで、切羽側から機内への浸水を防止している。一方、カッタ交換作業時には、油圧ジャッキによりカッタ列をカッタ収納箱内に移動し、第２ゲートにより開口部を閉止することで切羽側から機内への浸水を防止している。
【０００７】
一方で、カッタ交換作業時に、ガイドレールに支持されたカッタ列をカッタ収納箱内に移動するため、このガイドレールとカッタ収納箱との間にもカッタ列を移動させるためのレールが必要となる。ところが、前述したように、ガイドレールとカッタ収納箱との間にはその開口部を開閉する２つのゲートが設けられており、ここに十分な長さのレールを設けることができない。そのため、カッタ列をガイドレールからカッタ収納箱内にスムースに移動することができず、作業性が良くなかった。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するものであって、カッタの交換作業時にカッタ列の移動を良好に行うことで作業性の向上を図ったカッタ交換装置及び方法並びにトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のカッタ交換装置は、機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１０】
従って、通常掘削時に、ゲートの開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで、機内側と切羽側とを仕切り、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで、機内側と切羽側とを仕切る。この場合、閉止部材は上方に待機して使用時に下降して切羽側から連結開口を閉止することが望ましく、形状としては半球体や円錐体、弾性を有する平板などが考えられ、切羽に充填された泥水の水圧により閉止状態が維持されるようにすると良い。
【００１１】
請求項２の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は昇降して前記ゲートの開口部を開閉可能であることを特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は操作ロッドの下端部に蓋部材が一体に装着されてなり、該操作ロッドが昇降自在に支持されると共に、前記ゲートの開口部に向けて回動自在に支持されたことを特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材の蓋部材は略半球形状をなし、その外周湾曲面が前記ゲートの開口部に嵌合して閉止することを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明のカッタ交換装置では、前記閉止部材は切羽側の水圧により前記ゲートの開口部を閉止することを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明のカッタ交換装置では、前記ゲートは前記連結シャフトを挾持して機内側と切羽側とを仕切る一対のゲート板であって、該各ゲート板に前記開口部を構成する半円形状の切欠が形成される一方、前記閉止部材は切羽側の水圧により該開口部に嵌合する球面部を有することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項７の発明のカッタ交換方法は、カッタヘッド前面に位置する複数のカッタを一連に連結したカッタ列を有し、該カッタ列の一連またはその一部を切羽側のガイドレールに沿って機内側のカッタ収納箱内に引き込んで他のカッタと交換可能なトンネル掘削機のカッタ交換方法であって、前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間のゲートを閉止して機内側と切羽側とを仕切り、前記ガイドレールの機内側端部に前記カッタ収納箱を取付けると共に、機内側に延出した前記カッタ列の連結シャフトにカッタ移動手段を連結し、前記切羽側及び前記カッタ収納箱内に給水してから前記ゲートを開放し、前記カッタ移動手段を用いて前記カッタ列を前記カッタ収納箱内に引き込んだ後に、前記ゲートを閉止すると共に該ゲートに形成された連結シャフト用開口部を閉止部材により閉止し、前記カッタ収納箱内から排水して該カッタ収納箱内で前記カッタの交換作業を行った後、該カッタ収納箱内に給水してから前記ゲート及び前記閉止部材を開放し、前記カッタ移動手段を用いて交換したカッタ列を前記ガイドレールに沿って前記カッタヘッド前面の所定位置に移動し、前記ゲートで前記連結シャフトを挟持して閉止し、前記カッタ収納箱内から排水することを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項８の発明のトンネル掘削機は、筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドに機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、 図２にトンネル掘削機の正面視、 図３にトンネル掘削機の前部概略断面、図４に 図３のＩＶ−ＩＶ断面、図５にゲート開放時におけるゲート機構の正面視、図６にカッタ移動時におけるゲート機構の正面視、図７にゲート閉止部材の概略断面を示す。
【００２０】
本実施形態のトンネル掘削機は泥水式シールド掘削機であって、 図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなす前胴１２と後胴１３とが球面軸受（図示略）によって屈曲自在に連結され、中折ジャッキ１４によって屈曲可能となっている。この前胴１２の前部には軸受によってカッタヘッド１５が回転自在に装着されている。このカッタヘッド１５は後部にリングギア１６が固定される一方、前胴１２にはカッタ旋回モータ１７が取付けられ、このカッタ旋回モータ１７の駆動ギア１８がこのリングギア１６に噛み合っている。従って、カッタ旋回モータ１７を駆動して駆動ギア１８を回転駆動すると、リングギア１６を介してカッタヘッド１５を回転することができる。
【００２１】
また、前胴１２の前部にはバルクヘッド１９が取付けられており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド１９との間にチャンバ２０が形成されている。そして、このチャンバ２０の上部には一端が機外に延設された送泥管２１の他端が開口し、チャンバ２０の下部には一端が機外に延設された排泥管２２の他端が開口している。
【００２２】
一方、後胴１３の前端内周部にはシールドジャッキ２３が周方向に沿って複数並設されており、このシールドジャッキ２３が掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進することができる。また、掘削機本体１１の後部にはセグメントＳを組立てるエレクタ装置２４が設けられている。
【００２３】
前述したカッタヘッド１５にて、その前面部の中央には先行カッタビット２５が固定され、この先行カッタビット２５から３つのカッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃが放射状に固定されている。そして、カッタスポーク２６ａの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット２７ａが一連に連結されてカッタ列をなし、移動自在に支持されている。従って、このカッタビット２７ａが磨耗して掘削能率が低下したときには、このカッタ列の一連を掘削機本体１１内に引き込んで磨耗したカッタビット２７ａを新しいものと交換できるようになっている。一方、カッタスポーク２６ｂ，２６ｃの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット２７ｂ，２７ｃが固定されている。
【００２４】
また、各カッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃの両側には土砂取込開口２８が形成されており、掘削土砂をこの土砂取込開口２８からチャンバ２０内に取り込むことができる。更に、各カッタスポーク２６ａ，２６ｂ，２６ｃの間には面板２９が固定され、各面板２９には複数のローラカッタ３０とコピーカッタ３１が装着されている。なお、カッタスポーク２６ｂには電磁式摩耗検知ビット３２と油圧式摩耗検知ビット３３が装着されている。
【００２５】
ここで、カッタビット２７ａの交換装置について説明する。 図１乃至図７に示すように、カッタスポーク２６ａは断面が左右対称の矩形形状をなし、各側部にはレール溝３４ａを有する上ガイド部材３４とレール溝３５ａを有する下ガイド部材３５とが所定間隔で対向するように固定されることで、ガイドレール３６を構成している。このガイドレール３６は掘削機本体１１の中心部側から切羽側に延設されており、カッタヘッド１５の中心部から前方に延出してほぼ９０度屈曲し、カッタスポーク２６ａに沿ってカッタヘッド１５の外周部へ向かってほぼ直線状をなしている。この左右のガイドレール３６には連結軸３７により互いに回動自在に連結された４種類のリンク３８〜４１が配設され、各連結リンク３８〜４１のガイド部３８ａ〜４１ａがレール溝３４ａ，３５ａに移動自在に嵌合することで、リンク３８〜４１はガイドレール３６の屈曲形状に合わせて折れ曲がりながら一体に移動することができる。
【００２６】
本実施形態では、５つのＡリンク３８と８つのＣリンク４０が交互に縦列して連結軸３７により回動自在に連結され、カッタヘッド１５の中心部側の端部には３つのＢリンク３９が回動自在に連結される一方、カッタヘッド１５の外周部側の端部にはＤリンク４１が回動自在に連結されている。そして、各リンク３８〜４１が屈曲自在な各連結部には土砂の浸入を防止するスポンジゴム４２が装着されると共に、ガイドレール３６の上下両側には内部への土砂の浸入を防止するラビリンスパッキン４３が装着されている。なお、このリンク３８〜４１の構成やその数はカッタヘッド１５の形状や大きさに応じて適宜設定すればよく、この実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
そして、ガイドレール３６内にてカッタヘッド１５の外周部側に位置する４つのＡリンク３８とＤリンク４１にはカッタ取付部３８ｂ，４１ｂが一体に形成され、この各カッタ取付部３８ｂ，４１ｂにカッタビット２７ａが取付軸４４によってそれぞれ揺動自在に取付けられている。また、ガイドレール３６内にてカッタヘッド１５の中心部側に位置する１つのＡリンク３８にもカッタ取付部３８ｂが一体に形成され、このカッタ取付部３８ｂにダミービット４５が固定されている。この各カッタビット２７ａはカッタヘッド１５の前面部に位置して外部に露出しており、一方、ダミービット４５はカッタヘッド１５の前面部に半分露出し、カッタビット２７ａの交換時にこのカッタビット２７ａを掘削機本体１１内に引き込むための開口部４６を閉止しており、この開口部４６の周縁部にはめ込むシール４７が取付けられている。
【００２８】
一方、左右のガイドレール３６（カッタスポーク２６ａ）におけるカッタヘッド１５の中心側の端部にはそれぞれゲート機構４８を介してカッタ収納箱４９が着脱自在となっている。なお、左右のガイドレール３６に対するゲート機構４８及びカッタ収納箱４９等の構成はほぼ同様であるため、一方についてのみ説明する。
【００２９】
カッタスポーク２６ａはその端部にカッタ通過空間部５０を有する枠体５１が固定されており、この枠体５１には左右のガイドレール３６に連続する左右の補助ガイドレール５２（上下のガイド溝）がカッタ通過空間部５０に位置して固定されている。そして、ガイドレール３６に移動自在に支持された端部のＢリンク３９には連結部材５３を介して連結シャフト５４が連結されている。枠体５１には取付ボルト５５によってゲート蓋５６が取付けられており、連結シャフト５４はこのゲート蓋５６を貫通し、この連結シャフト５４に固定されたリンク押えブラケット５７が取付ボルト５８によりこのゲート蓋５６に着脱自在に取付けられている。
【００３０】
また、枠体５１には支持フレーム５９が固定され、この支持フレーム５９にカッタ通過空間部５０を開閉可能なゲート６０が装着されている。このゲート６０は上下２枚のゲート板６０ａ，６０ｂを有し、各油圧ジャッキ６１ａ，６１ｂによって昇降して互いに接近離反可能であり、各ゲート板６０ａ，６０ｂには対向する端部に半円形状の切欠６２ａ，６２ｂが形成され、ここにシール部材が固定されている。この場合、連結シャフト５４は断面が円形状をなしており、各ゲート板６０ａ，６０ｂが接近して当接したとき、各切欠６２ａ，６２ｂが円形状となって連結シャフト５４の外周面に嵌合可能となっており、２つの切欠６２ａ，６２ｂによりゲート開口部を構成している。また、補助ガイドレール５２はゲート６０（ゲート板６０ａ，６０ｂ）に対応する箇所だけ切り欠かれている。
【００３１】
更に、枠体５１の上部には連結シャフト５４がないときに各ゲート板６０ａ，６０ｂが接近してゲート６０が閉止状態にあるとき、各切欠６２ａ，６２ｂにより形成された円形のゲート開口部を開閉可能な閉止部材６３が設けられている。
この閉止部材６３は上部がコ字形状をなる操作ロッド６４の下端部に半球状の蓋部材６５が一体に装着されて構成されている。そして、枠体５１にケーシング６６が固定され、このケーシング６６にボールジョイント６７が揺動自在に嵌合し、このボールジョイント６７の中央部に操作ロッド６４がパッキン６８を介して軸方向移動自在に貫入している。また、操作ロッド６４の上端部はカッタヘッド１５の取付板６９にボルト７０により着脱自在に取付けられている。一方、蓋部材６５は球体を半分に切断すると共に、底面を切断して平坦面とした略半球形状をなし、外周湾曲面６５ａが円形状のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）に嵌合可能となっている。
【００３２】
そして、枠体５１に対して着脱自在なカッタ収納箱４９は中空形状をなし、カッタビット２７ａ及びダミービット４５が装着された各リンク３８〜４１や連結シャフト５４等が連結されたカッタ列を収納可能な長さとなっており、内部の水を注入することから水密性を有している。このカッタ収納箱４９の後部にカッタ移動手段としての油圧ジャッキ７１が装着されており、駆動ロッド７２の先端部が連結シャフト５４に連結ピン７３によって連結可能となっている。なお、このカッタ収納箱４９には図示しない給排水設備が設けられている。
【００３３】
従って、カッタヘッド１５を回転して前方の地盤を掘削するときには、油圧ジャッキ６１ａ，６１ｂを収縮して各ゲート板６０ａ，６０ｂを互いに接近させると、各切欠６２ａ，６２ｂが連結シャフト５４を挾持することで、カッタ通過空間部５０を閉塞してゲート６０が閉止する。すると、切羽側（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とを遮断して止水することができる。
【００３４】
一方、カッタビット２７ａを交換するときには、取付ボルト５８を外してリンク押えブラケット５７とゲート蓋５６との連結を解除すると共に、取付ボルト５５を外してゲート蓋５６を取り外してから、枠体５１にカッタ収納箱４９を装着し、油圧ジャッキ７１の駆動ロッド７２の先端部を連結シャフト５４に連結する。そして、この状態で、ゲート６０を開放して油圧ジャッキ７１を収縮することで、カッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等をカッタ通過空間部５０を通してカッタ収納箱４９内に引き込むことができる。
【００３５】
そして、全てのカッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等がカッタ収納箱４９内に引き込まれた状態にて、ゲート６０を閉止すると円形のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）が形成されるため、ボルト７０を緩めて閉止部材６３の操作ロッド６４を下降すると共に揺動することで、蓋部材６５によりこのゲート開口部を閉止する。この場合、切羽（カッタヘッド１５）側には泥水が充満しており、カッタ収納箱４９内を排水することで、蓋部材６５は切羽側の水圧によりゲート開口部を押圧して嵌合することとなり、切羽（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とを遮断して止水することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、カッタヘッド１５による掘削作業時に、掘削土砂がガイドレール３６内に浸入し、カッタビット２７ａの交換作業時に各リンク３８〜４１の移動を阻害しないように、ガイドレール３６と各リンク３８〜４１とのガイド部に潤滑剤としてのグリースを常時注入している。即ち、カッタスポーク２６ａ及び各ガイド部材３４，３５には各レール溝３４ａ，３５ａに連通するグリース注入通路７４が複数形成されており、このグリース注入通路７４には図示しない連結ホースを介してグリース供給源が連結されている。従って、少なくともカッタヘッド１５の回転による掘削作業時と、カッタビット２７ａの交換作業時には、グリース注入通路７４を通してガイドレール３６のレール溝３４ａ，３５ａと各リンク３８〜４１とのガイド面に常時グリースが注入されることとなり、この部分への掘削土砂の浸入が防止され、カッタビット２７ａの交換作業時におけるリンク３８〜４１の移動が阻害されることはない。
【００３７】
また、カッタビット２７ａの交換作業時に、カッタビット２７ａと共にガイドレール３６に位置していた各リンク３８〜４１が、カッタ収納箱４９側に移動して形成されたガイドレール３６の空間部に掘削土砂が浸入し、カッタビット２７ａを交換した後に各リンク３８〜４１が再びガイドレール３６に戻るのを阻害しないように、このガイドレール３６の空間部に充填剤を注入するようにしている。即ち、カッタスポーク２６ａには各ガイドレール３６に連通する充填剤供給通路７５が複数形成されており、この充填剤供給通路７５には連結管７６を介して図示しない洗浄液供給源及び充填剤供給源が連結されている。なお、この充填剤は、流動性を有する高分子系樹脂などを用いると良く、水であってもよい。
【００３８】
従って、カッタビット２７ａの交換作業時に、まず、洗浄液供給源から充填剤供給通路７５を介して洗浄液が各ガイドレール３６に供給されて泥水や泥土が排除された後、続いて充填剤を供給すると、ガイドレール３６の空間部に充填剤が充填されることとなり、掘削土砂の浸入を防止できる。そして、カッタ収納箱４９内でのカッタビット２７ａの交換後、新しいカッタビットと共に各リンク３８〜４１をガイドレール３６の所定位置に戻すとき、この各リンク３８〜４１は充填剤を外方に押し出しながら移動することとなり、その移動が阻害されることはない。
【００３９】
ここで、このように構成された泥水式シールド掘削機によるトンネル掘削作業、並びにカッタビットの交換作業について説明する。
【００４０】
トンネルを掘削形成するには、図１及び図２に示すように、カッタ旋回モータ１７によってカッタヘッド１５を回転しながら、複数のシールドジャッキ２３を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させることで、多数のカッタビット２７ａ，２７ｂ，２７ｃによって前方の地盤を掘削する。そして、掘削された土砂は土砂取込開口２８からチャンバ２０内に取り込まれ、送泥管２１から供給された水と攪拌されて排泥管２２によって外部に排出される。次に、シールドジャッキ２３の何れか一つを縮み方向に作動して既設セグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置２４によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００４１】
このトンネル掘削作業時には、図３に示すように、各リンク３８〜４１に連結された連結シャフト５４がゲート６０を貫通してカッタヘッド１５に固定されると共に、各ゲート板６０ａ，６０ｂがこの連結シャフト５４を挾持してカッタ通過空間部５０を閉止している。そのため、カッタビット２７ａは所定位置に確実に固定されると共に、カッタヘッド１５側と掘削機本体１１側とが確実に遮断されて止水することができる。また、このとき、ガイドレール３６のレール溝３４ａ，３５ａと各リンク３８〜４１とガイド部３８ａ〜４１ａとの間にグリースが注入されており、ガイドレール３６内への掘削土砂の浸入を防止している。この場合、グリースを所定時間連続注入した後に所定時間休止するような間欠注入方式が望ましい。
【００４２】
このようなトンネル掘削作業を長期にわたって行っていくと、カッタビット２７ａが磨耗して掘削能力が低下するため、このカッタビット２７ａの交換が必要となる。この場合、電磁式摩耗検知ビット３２や油圧式摩耗検知ビット３３によってカッタビット２７ａの摩耗状態を検出して交換時期を判定する。
【００４３】
このカッタビット２７ａが磨耗して交換する必要が発生した場合、図３及び図５に示すように、カッタヘッド１５の回転を停止し、交換するカッタビット２７ａが支持されたカッタスポーク２６ａを下方に位置させる。そして、取付ボルト５８を外してリンク押えブラケット５７とゲート蓋５６との連結を解除すると共に、取付ボルト５５を外してゲート蓋５６を取り外す。そして、枠体５１の端部に取付ボルト５５を用いてカッタ収納箱４９を装着すると共に、油圧ジャッキ７１の伸長状態にある駆動ロッド７２の先端部を連結ピン７３によって連結シャフト５４と連結する。この状態で、切羽側に泥水を充満させてから、カッタ収納箱４９内に注水して水圧を切羽側の泥水圧と平衡、あるいはそれよりも高くしてから、ゲート６０の各ゲート板６０ａ，６０ｂによりカッタ通過空間部５０を開放する。
【００４４】
この状態で、油圧ジャッキ７１を収縮し、連結シャフト５４を介してカッタビット２７ａが装着された各リンク３８〜４１等のカッタ列をカッタ収納箱４９内に引き込む。そして、全てのカッタビット２７ａや各リンク３８〜４１等がカッタ収納箱４９内に引き込まれると、ゲート６０の各ゲート板６０ａ，６０ｂを閉止する。すると、ゲート６０に円形のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）が形成されるため、ボルト７０を緩めて閉止部材６３の操作ロッド６４を下降して揺動し、蓋部材６５をこのゲート開口部に押し当てて閉止する。そして、磨耗したカッタビット２７ａを収納したカッタ収納箱４９内の水を排出すると、切羽側の泥水の水圧により蓋部材６５はゲート開口部に密着することとなり、切羽側と掘削機本体１１側とを遮断して完全に止水することができる。
【００４５】
また、ガイドレール３６に位置するカッタビット２７ａをカッタ収納箱４９内へ移動させるのと同時に、充填剤供給通路７５を通して洗浄液を各ガイドレール３６に供給して泥水や泥土を排除し、その後、各ガイドレール３６に充填剤を供給することで、ガイドレール３６の空間部への掘削土砂の浸入を防止できる。
【００４６】
このようにしてカッタビット２７ａをカッタ収納箱４９内に収納して内部の水を排出したら、図示しない蓋を開けて磨耗したカッタビット２７ａを新しいカッタビット２７と交換する。そして、再び、カッタ収納箱４９の蓋を閉めてから内に注水し、蓋部材６５によりゲート開口部を開放すると共に、このゲート６０によりカッタ通過空間部５０を開放し、油圧ジャッキ７１を伸長することで、新しいカッタビットが装着された各リンク３８〜４１等が連結されたカッタ列をカッタ収納箱４９から押し出し、カッタヘッド１５におけるガイドレール３６の所定の位置に移動し、ゲート６０によりカッタ通過空間部５０を閉止する。このとき、新しいカッタビットが装着された各リンク３８〜４１は、ガイドレール３６内の充填剤を外方に押し出しながら移動することとなり、土砂などによってその移動が阻害されることはない。
【００４７】
そして、新しいカッタビット等がガイドレール２７の所定の位置に戻されると、連結シャフト５４と油圧ジャッキ７１の駆動ロッド７２の先端部との連結を解除すると共に、取付ボルト５５に外してカッタ収納箱４９を枠体５１から取り外す。一方、この枠体５１にゲート蓋５６を取付け、連結シャフト５４に固定したリンク押えブラケット５７を取付ボルト５８によりこのゲート蓋４５を固定することで、新しいカッタビットがガイドレール３６の所定の位置に位置決めされる。なお、１つのカッタスポーク２６ａには２列のカッタビット２７ａが配設されており、上述の交換作業を２回行うこととなる。
【００４８】
上述の作業により磨耗したカッタビット２７ａが新しいカッタビットに交換されると、前述と同様に、カッタヘッド１５を回転しながらシールドジャッキ２３を伸長することで掘削機本体１１を前進させ、カッタヘッド１５により前方の地盤を掘削し、所定長さのトンネルを構築していく。
【００４９】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、カッタヘッド１５のカッタスポーク２６ａにガイドレール３６を設け、このガイドレール３６に互いに回動自在に連結された複数のリンク３８〜４１を移動自在に支持し、このリンク３８〜４１にカッタビット２７ａを装着してカッタ列を構成する一方、ガイドレール３６の端部にゲート６０と閉止部材６３からなるゲート機構４８を介してカッタ収納箱４９を連結してある。
【００５０】
従って、カッタビット２７ａのカッタ列をカッタ収納箱４９内に引き込むことで、短時間で容易にカッタビット２７ａを交換することができ、また、このとき、切羽（カッタヘッド１５）側と掘削機本体１１側とをゲート機構４８により仕切って止水するため、掘削機本体１１内への泥水の漏洩を確実に防止して十分な安全性を確保することができる。
【００５１】
また、このゲート機構４８を、一対のゲート板６０ａ，６０ｂからなるゲート６０と、ゲート板６０ａ，６０ｂの切欠６２ａ，６２ｂで形成されたゲート開口部を閉止する閉止部材６３とで構成している。従って、掘削作業時には、ゲート板６０ａ，６０ｂが連結シャフト５４を挾持してカッタ通過空間部５０を閉止し、カッタ交換作業時には、ゲート６０（ゲート板６０ａ，６０ｂ）のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）を閉止部材６３の蓋部材６５が閉止してカッタ通過空間部５０を閉止しており、このゲート機構４８の構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレール３６とカッタ収納箱４９との間に補助ガイドレール５２を容易に設けてゲート６０による欠除部が少なくなり、カッタ列をスムースに移動することができ、作動の円滑化を向上することができる。
【００５２】
なお、上述の実施形態において、カッタ収納箱４９を長尺に形成して全てのカッタビット２７ａ及び各リンク３８〜４１等が連結されたカッタ列を収納可能としたが、各リンク３８〜４１の連結を解除可能としてカッタビット２７ａ及び各リンク３８〜４１を一組ずつ収納して交換してもよい。更に、左右のカッタ列に対してそれぞれカッタ収納箱４９を用いたが、左右のカッタ列に対して一つのカッタ収納箱としてもよい。また、一つのカッタスポーク２６ａのカッタビット２７ａを交換可能としたが、全てのカッタビット２７ｂ，２７ｃを交換可能としてもよい。この場合、カッタ収納箱４９を掘削機本体１１側に支持して３つのカッタ列（カッタビット２７ａ，２７ｂ，２７ｃ）に対して共用するとよい。また、カッタ移動手段としての油圧ジャッキ７１を適用したが、駆動モータによってねじ軸を回転し、このねじ軸に螺合するナットにカッタ列を連結して移動可能としてもよい。
【００５３】
図８に本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面、図９にトンネル掘削機の正面視、図１０にゲート機構の正面視、図１１に図１０のＸＩ−ＸＩ断面を示す。
【００５４】
本実施形態のトンネル掘削機は土圧式シールド掘削機であって、トンネル掘削機としての基本的な構成は前述した第１実施形態の泥水式シールド掘削機とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００５５】
本実施形態の土圧式シールド掘削機において、図８及び図９に示すように、掘削機本体１１１は前胴１１２と後胴１１３とが球面軸受によって屈曲自在に連結され、中折ジャッキ１１４によって屈曲可能となっている。この前胴１１２の前部には軸受によってカッタヘッド１１５が回転自在に装着されており、後部にリングギア１１６が固定される一方、前胴１１２に装着されたカッタ旋回モータ１１７の駆動ギア１１８がこのリングギア１１６に噛み合っており、カッタ旋回モータ１１７によりカッタヘッド１１５を回転可能となっている。
【００５６】
また、前胴１１２の前部にはバルクヘッド１１９が取付けられてチャンバ１２０が形成されており、掘削機本体１１１に支持ロッド１２１により前傾姿勢で配設されたスクリューコンベヤ１２２の前端部がこのチャンバ１２０の下部に開口している。一方、後胴１１３の前端内周部にはシールドジャッキ１２３が周方向に沿って複数並設されていると共に、後部にはセグメントＳを組立てるエレクタ装置１２４が設けられている。
【００５７】
そして、カッタヘッド１１５にて、その前面部の中央には先行カッタビット１２５が固定され、この先行カッタビット１２５から６つのカッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆが放射状に固定されており、カッタスポーク１２６ａの中央には長手方向に沿って複数の先行ビット１２７ａが一連に連結されてカッタ列をなし、移動自在に支持されている。従って、このカッタビット１２７ａが磨耗して掘削能率が低下したときには、このカッタ列の一連を掘削機本体１１１内に引き込んで磨耗した先行ビット１２７ａを新しいものと交換できるようになっている。一方、他のカッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆの中央には長手方向に沿って複数の先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆが固定されている。
【００５８】
また、各カッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆの両側には長手方向に沿って複数のカッタビット１２８ａ〜１２８ｆが固定されると共に、カッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆには先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆと直列をなしてディスクカッタ１２９が固定されており、カッタスポーク１２６ｄにはコピーカッタ１３０が装着されている。更に、各カッタスポーク１２６ａ〜１２６ｆの間には土砂取込開口１３１が形成されており、掘削土砂をこの土砂取込開口１３１からチャンバ１２０内に取り込むことができる。なお、先行カッタビット１２５の近傍には加泥注入孔１３２が設けられ、カッタスポーク１２７ｆには油圧式摩耗検知ビット１３３が装着されている。
【００５９】
ここで、カッタビット１２７ａの交換装置について説明する。図８乃至図１１に示すように、カッタスポーク１２６ａは断面が左右対称の矩形形状をなし、左右にレール溝を有するガイドレール１３４が固定されており、このガイドレール１３４は掘削機本体１１１の中心部側から切羽側に延設されてほぼ９０度屈曲してカッタヘッド１１５の外周へ向かってほぼ直線状をなしている。このガイドレール１３４には前述の第１実施形態と同様に、複数種類のリンク１３５が回動自在に連結されて配設されており、ガイドレール１３４の屈曲形状に合わせて折れ曲がりながら一体に移動することができる。そして、各リンク１３５における外部に露出するリンク１３５に対応して先行ビット１２７ａが固定されている。
【００６０】
一方、ガイドレール１３４（カッタスポーク１２６ａ）におけるカッタヘッド１１５の中心側の端部にはゲート機構１３６を介してカッタ収納箱１３７が着脱自在となっている。即ち、カッタスポーク１２６ａはその端部にカッタ通過空間部１３８を有する枠体１３９が固定されており、この枠体１３９にガイドレール１３４に連続する左右の補助ガイドレール１４０（上下のガイド溝）がカッタ通過空間部１３８に位置して固定されている。そして、ガイドレール１３４に移動自在に支持された端部のリンク１３５に連結シャフト１４１が連結されている。枠体１３９には取付ボルト１４２によってゲート蓋１４３が取付けられており、連結シャフト１４１はこのゲート蓋１４３を貫通し、リンク押えブラケット１４４が取付ボルト１４５によりこのゲート蓋１４３に着脱自在に取付けられている。
【００６１】
また、枠体１３９には支持フレーム１４６が固定され、カッタ通過空間部１３８を開閉可能なゲート１４７が装着されており、このゲート１４７は上下２枚のゲート板１４７ａ，１４７ｂを有し、各油圧ジャッキ１４８ａ，１４８ｂによって昇降して互いに接近離反可能であり、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂには対向する端部に半円形状の切欠１４９ａ，１４９ｂが形成されている。この場合、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂが接近して当接したとき、各切欠１４９ａ，１４９ｂが円形断面をなす連結シャフト１４１に嵌合可能となっており、２つの切欠１４９ａ，１４９ｂによりゲート開口部を構成している。また、補助ガイドレール１４０はゲート１４７（ゲート板１４７ａ，１４７ｂ）に対応する箇所だけ切り欠かれている。
【００６２】
更に、枠体１３９の上部には連結シャフト１４１がないときに各ゲート板１４７ａ，１４７ｂが接近してゲート１４７が閉止状態にあるとき、各切欠１４９ａ，１４９ｂにより形成された円形のゲート開口部を開閉可能な閉止部材１５０が設けられている。この閉止部材１５０は上部がコ字形状をなる操作ロッド１５１の下端部に半球状の蓋部材１５２が一体に装着されて構成されている。そして、枠体１４０にケーシング１５３が固定され、このケーシング１５３にボールジョイント１５４が揺動自在に嵌合し、このボールジョイント１５４の中央部に操作ロッド１５１がパッキン１５５を介して軸方向移動自在に貫入している。また、操作ロッド１５１の上端部はカッタヘッド１１５の取付板１５６にボルト１５７により着脱自在に取付けられている。一方、蓋部材１５２は球体を半分に切断すると共に、底面を切断して平坦面とした略半球形状をなし、外周湾曲面１５２ａが円形状のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）に嵌合可能となっている。
【００６３】
そして、枠体１３９に対して着脱自在なカッタ収納箱１３７は中空形状をなし、カッタビット１２７ａが装着された各リンク１３５や連結シャフト１４１等が連結されたカッタ列を収納可能な長さとなっており、内部の水を注入することから水密性を有している。このカッタ収納箱１３７の後部にカッタ移動手段としての油圧ジャッキ１５８が装着されており、駆動ロッド１５９の先端部が連結シャフト１４１に連結ピン１６０によって連結可能となっている。
【００６４】
従って、カッタヘッド１１５を回転して前方の地盤を掘削するときには、油圧ジャッキ１４８ａ，１４８ｂを収縮して各ゲート板１４７ａ，１４７ｂを互いに接近させると、各切欠１４９ａ，１４９ｂが連結シャフト１４１を挾持することで、カッタ通過空間部１３８を閉塞してゲート１４７が閉止する。すると、切羽側（カッタヘッド１１５）側と掘削機本体１１１側とを遮断して止水することができる。
【００６５】
一方、カッタビット１２７ａを交換するときには、取付ボルト１４５を外してリンク押えブラケット１４４とゲート蓋１４３との連結を解除すると共に、取付ボルト１４２を外してゲート蓋１４３を取り外してから、枠体１３９にカッタ収納箱１３７を装着し、油圧ジャッキ１５８の駆動ロッド１５９の先端部を連結シャフト１４１に連結する。そして、この状態で、ゲート１４７を開放して油圧ジャッキ１５８を収縮することで、カッタビット１２７ａや各リンク１３５等をカッタ通過空間部１３８を通してカッタ収納箱１３７内に引き込むことができる。
【００６６】
そして、全てのカッタビット１２７ａや各リンク１３５等がカッタ収納箱１３７内に引き込まれた状態にて、ゲート１４７を閉止すると円形のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）が形成されているため、ボルト１５７を緩めて閉止部材６３の操作ロッド１５１を下降すると共に揺動することで、蓋部材１５２によりこのゲート開口部を閉止する。この場合、切羽（カッタヘッド１１５）側には泥水が充満しており、カッタ収納箱１３７内を排水することで、蓋部材１５２は切羽側の水圧によりゲート開口部を押圧して嵌合することとなり、切羽側と掘削機本体１１１側とを遮断して止水することができる。
【００６７】
ここで、このように構成された土圧式シールド掘削機によるトンネル掘削作業、並びに先行ビットの交換作業について説明する。
【００６８】
トンネルを掘削形成するには、図８及び図９に示すように、カッタ旋回モータ１１７によってカッタヘッド１１５を回転しながら、シールドジャッキ１２３を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させることで、多数の先行ビット１２７ａ〜１２７ｆやカッタビット１２８ａ〜１２８ｆによって前方の地盤を掘削する。そして、掘削された土砂は土砂取込開口１３１からチャンバ１２０内に取り込まれ、スクリューコンベヤ１２２によって外部に排出される。また、エレクタ装置１２４によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００６９】
このトンネル掘削作業時には、図１０及び図１１に示すように、各リンク１３５に連結された連結シャフト１４１がゲート１４７を貫通してカッタヘッド１１５に固定されると共に、各ゲート板１４７ａ，１４７ｂがこの連結シャフト１４１を挾持してカッタ通過空間部１３８を閉止している。そのため、先行ビット１２７ａは所定位置に確実に固定されると共に、カッタヘッド１１５側と掘削機本体１１１側とが確実に遮断されて止水することができる。
【００７０】
このようなトンネル掘削作業を長期にわたって行っていくと、先行ビット１２７ａが磨耗して掘削能力が低下するために交換が必要となる。この場合、油圧式摩耗検知ビット１３３によって先行ビット１２７ａの摩耗状態を検出して交換時期を判定する。先行ビット１２７ａを交換する場合、図８乃至図１１に示すように、カッタヘッド１１５の回転を停止し、カッタビット１２７ａが支持されたカッタスポーク１２６ａを下方に位置させ、取付ボルト１４５を外してリンク押えブラケット１４４とゲート蓋１４３との連結を解除すると共に、取付ボルト１４２を外してゲート蓋１４３を取り外す。そして、枠体１３９の端部に取付ボルト１４２を用いてカッタ収納箱１３７を装着すると共に、油圧ジャッキ１５８の伸長状態にある駆動ロッド１５９の先端部を連結ピン１６０によって連結シャフト１４１と連結する。この状態で、切羽側に泥水を充満させてから、カッタ収納箱１３８内に注水して水圧を切羽側の泥水圧と平衡、あるいはそれよりも高くしてから、ゲート１４７の各ゲート板１４７ａ，１４７ｂによりカッタ通過空間部１３８を開放する。
【００７１】
この状態で、油圧ジャッキ１５８を収縮し、連結シャフト１４１を介して先行ビット１２７ａが装着されたリンク１３５等のカッタ列をカッタ収納箱１３７内に引き込む。そして、全ての先行ビット１２７ａ等がカッタ収納箱１３７内に引き込まれると、ゲート１４７の各ゲート板１４７ａ，１４７ｂを閉止する。すると、ゲート１４７に円形のゲート開口部（切欠１４９ａ，１４９ｂ）が形成されているため、閉止部材１５０の操作ロッド１５１を下降して揺動し、蓋部材１５２をこのゲート開口部に押し当てて閉止する。そして、カッタ収納箱１３７内の水を排出すると、切羽側の泥水の水圧により蓋部材１５２はゲート開口部に密着することとなり、切羽側と掘削機本体１１１側とを遮断して完全に止水することができる。
【００７２】
このようにしてカッタビット１２７ａをカッタ収納箱１３７内に収納して内部の水を排出したら、図示しない蓋を開けて磨耗した先行ビット１２７ａを新しいカッタビット２７と交換する。そして、再び、カッタ収納箱１３７の蓋を閉めてから内に注水し、蓋部材１５２によりゲート開口部を開放すると共に、このゲート１４７によりカッタ通過空間部１３８を開放し、油圧ジャッキ１５８を伸長することで、新しいカッタビットが装着された各リンク１３５等が連結されたカッタ列をカッタ収納箱１３７から押し出し、カッタヘッド１１５におけるガイドレール１３４の所定の位置に移動し、ゲート１４７によりカッタ通過空間部１３８を閉止する。
【００７３】
そして、新しいカッタビット等がガイドレール１３４の所定の位置に戻されると、連結シャフト１４１と油圧ジャッキ１５８との連結を解除すると共にカッタ収納箱１３７を枠体１３９から取り外す。一方、この枠体１３９にゲート蓋１４３を取付ける共にこのゲート蓋１４３に連結シャフト５４を固定し、新しいカッタビットをガイドレール１３４の所定の位置に位置決めされる。
【００７４】
上述の作業により磨耗した先行ビット１２７ａが新しいカッタビットに交換されると、前述と同様に、カッタヘッド１１５を回転しながらシールドジャッキ１２３を伸長することで掘削機本体１１１を前進させ、カッタヘッド１１５により前方の地盤を掘削し、所定長さのトンネルを構築していく。
【００７５】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、カッタヘッド１１５のカッタスポーク１２６ａにガイドレール１３４を設け、このガイドレール１３４に互いに回動自在に連結された複数のリンク１３５を移動自在に支持し、このリンク１３５に先行ビット１２７ａを装着してカッタ列を構成する一方、ガイドレール１３４の端部にゲート１４７と閉止部材１５１からなるゲート機構１３６を介してカッタ収納箱１３７を連結してある。
【００７６】
従って、先行ビット１２７ａのカッタ列をカッタ収納箱１３７ 引き込むことで、短時間で容易に先行ビット１２７ａを交換することができ、また、このとき、切羽（カッタヘッド１１５）側と掘削機本体１１１側とをゲート機構１３６により仕切って止水するため、掘削機本体１１１内への泥水の漏洩を確実に防止して十分な安全性を確保することができる。
【００７７】
また、このゲート機構１３６を、切欠１４９ａ，１４９ｂを有するゲート１４７と、この切欠１４９ａ，１４９ｂで形成されたゲート開口部を閉止する閉止部材１５０とで構成している。従って、掘削作業時には、ゲート板１４７ａ，１４７ｂが連結シャフト１４１を挾持してカッタ通過空間部１３８を閉止し、カッタ交換作業時には、ゲート１４７のゲート開口部（切欠６２ａ，６２ｂ）を閉止部材１５０の蓋部材１５２が閉止してカッタ通過空間部１３８を閉止しており、このゲート機構１３６の構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレール１３４とカッタ収納箱１３７との間に補助ガイドレール１４０を容易に設けてゲート１４７による欠除部が少なくなり、カッタ列をスムースに移動することができ、作動の円滑化を向上することができる。
【００７８】
なお、上述の実施形態において、一つのカッタスポーク１２６ａの先行ビット１２７ａのみを交換可能としたが、他のカッタスポーク１２６ｂ〜１２６ｆの先行ビット１２７ｂ〜１２７ｆを交換可能としてもよい。この場合、カッタ収納箱１３７を掘削機本体１１１側に支持して各カッタ列に対して共用するとよい。
【００７９】
また、上述の各実施形態において、閉止部材６３，１５０を操作ロッド６４，１５１と蓋部材６５，１５２とにより構成したが、閉止部材６３，１５０はゲート６０，１４７の開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を開閉可能なものであればよく、その形状は実施形態に限定されるものではない。例えば、操作ロッドを鎖や紐状としたり、蓋部材を球状や円錐状としてもよい。また、蓋部材を昇降式ではなく、上下あるいは左右、前後のスイング式としてもよい。更に、蓋部材を平板式としてゲート開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を覆って閉止するようにしてもよい。また、切羽側の泥水の水圧により蓋部材６３，１５２をゲート開口部に密着して閉止するようにしたが、蓋部材６３，１５２をゲート開口部に強制的に押しつけて閉止するようにしてもよい。
【００８０】
更に、上述した各実施形態では、ゲート６０，１４７を上下のゲート板６０ａ，６０ｂ，１４７ａ，１４７ｂとして、上下の切欠６２ａ，６２ｂ，１４９ａ，１４９ｂをゲート開口部としたが、この構造に限定されるものではない。ゲートを左右に回動あるいはスライドする２枚のゲート板あるいは３枚以上のゲート板から構成してもよい。そして、ゲート開口（切欠６２ａ，６２ｂ，１４８ａ，１４８ｂ）を円形としたが、楕円形や矩形などのような形状としてもよい。また、１枚のゲート板をカッタ通過空間部５０，１３８の端面に当接して閉止するようにしてもよい。
【００８１】
また、上述した各実施形態では、本発明のトンネル掘削機を、泥水式シールド掘削機や土圧式シールド掘削機として説明したが、カッタスポークの中央部に複数のローラカッタ列を設けたトンネルボーリングマシンに適用することもでき、この場合、カッタビットのみならずローラカッタ列を移動可能としてもよい。そして、カッタビットやローラカッタの配置は前述の実施形態に限定されるものではない。
【００８２】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のカッタ交換装置によれば、機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されてガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共にガイドレールとカッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、連結シャフトに着脱可能であってガイドレールとカッタ収納箱との間でカッタ列を移動するカッタ移動手段とを設けたので、通常掘削時には、ゲートは開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで機内側と切羽側とを仕切り、一方、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで機内側と切羽側とを仕切ることとなり、ゲートの構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレールとカッタ収納箱との間でのカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上することで、作業性の向上を図ることができる。
【００８３】
請求項２の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材が昇降してゲートの開口部を開閉可能としたので、不使用時には上部の待機位置に停止し、使用時に下降してゲートの開口部を容易に閉止することができ、構造の簡素化を図ることで専用スペースを縮小して機内スペースを効率的に使用することができる。
【００８４】
請求項３の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は操作ロッドの下端部に蓋部材を一体に装着して構成され、操作ロッドを昇降自在に支持すると共に、ゲートの開口部に向けて回動自在に支持したので、ゲートの開口部に対して蓋部材をその正面から移動して密着させることができ、蓋部材によりゲートの開口部を確実に閉止して止水の信頼性を向上することができる。
【００８５】
請求項４の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は外周湾曲面がゲートの開口部に嵌合して閉止するので、閉止部材とゲートの開口部との嵌合性をよくして止水性を向上することができる。
【００８６】
請求項５の発明のカッタ交換装置によれば、閉止部材は切羽側の水圧によりゲートの開口部を閉止するので、閉止部材をゲートの開口部に密着させるだけで容易に止水することができ、別途ゲートの開口部に対する閉止部材の支持部材を不要として構造の簡素化を図ることができる。
【００８７】
請求項６の発明のカッタ交換装置によれば、ゲートは連結シャフトを挾持して機内側と切羽側とを仕切る一対のゲート板であり、各ゲート板に開口部を構成する半円形状の切欠を形成する一方、閉止部材に切羽側の水圧により開口部に嵌合する球面部を設けたので、ゲート板は連結シャフトを挾持することで、機内側と切羽側とを仕切って確実に止水することができると共に、閉止部材は球面部が水圧によりゲート板の切欠に嵌合して止水することができる。
【００８８】
また、請求項７の発明のカッタ交換方法によれば、ガイドレールとカッタ収納箱との間のゲートを閉止して機内側と切羽側とを仕切り、ガイドレールの機内側端部にカッタ収納箱を取付けると共に、機内側に延出したカッタ列の連結シャフトにカッタ移動手段を連結し、切羽側及びカッタ収納箱内に給水してからゲートを開放し、カッタ列をカッタ収納箱内に引き込んだ後に、ゲートを閉止すると共にゲートに形成された連結シャフト用開口部を閉止部材により閉止し、カッタ収納箱内から排水してカッタ収納箱内でカッタの交換作業を行うようにしたので、ゲートを小型化してカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上して作業性の向上を図ることができる。
【００８９】
また、請求項８の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体と、掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、カッタヘッドに機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されてガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共にガイドレールとカッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、連結シャフトに着脱可能であってガイドレールとカッタ収納箱との間でカッタ列を移動するカッタ移動手段とを設けたので、通常掘削時には、ゲートは開口部が連結シャフトに嵌合してガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止することで機内側と切羽側とを仕切り、一方、カッタ交換作業時には、ゲートがガイドレールとカッタ収納箱との連結開口を閉止すると共に、閉止部材がゲートの開口部を閉止することで機内側と切羽側とを仕切ることとなり、ゲートの構成を簡略化して小型化が図れるため、ガイドレールとカッタ収納箱との間でのカッタ列の移動をスムースに行うことができ、作動の円滑化を向上することで、作業性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図２】トンネル掘削機の正面図である。
【図３】トンネル掘削機の前部概略断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】ゲート開放時におけるゲート機構の正面図である。
【図６】カッタ移動時におけるゲート機構の正面図である。
【図７】ゲート閉止部材の概略断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の概略断面図である。
【図９】トンネル掘削機の正面図である。
【図１０】ゲート機構の正面図である。
【図１１】 図１０のＸＩ−ＸＩ断面図である。
【符号の説明】
１１，１１１ 掘削機本体
１５，１１５ カッタヘッド
１７，１１７ カッタ旋回モータ
２３，１２３ シールドジャッキ（推進ジャッキ）
２４，１２４ エレクタ装置
２６ａ，１２６ａ カッタスポーク
２７ａ，１２７ａ カッタビット
３６，１３４ ガイドレール
３８，３９，４０，４１，１３５ リンク
４８，１３６ ゲート機構
４９，１３７ カッタ収納箱
５０，１３８ カッタ通過空間部
５２，１４０ 補助ガイドレール
５４，１４１ 連結シャフト
６０，１４７ ゲート
６０ａ，６０ｂ，１４７ａ，１４７ｂ ゲート板
６２ａ，６２ｂ，１４９ａ，１４９ｂ 切欠（ゲート開口部）
６３，１５０ 閉止部材
６４，１５１ 操作ロッド
６５，１５２ 蓋部材
６７，１１１ ボールジョイント
７１，１５８ 油圧ジャッキ（カッタ移動手段）
Claims (8)
- 機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするカッタ交換装置。
- 請求項１において、前記閉止部材は昇降して前記ゲートの開口部を開閉可能であることを特徴とするカッタ交換装置。
- 請求項２において、前記閉止部材は操作ロッドの下端部に蓋部材が一体に装着されてなり、該操作ロッドが昇降自在に支持されると共に、前記ゲートの開口部に向けて回動自在に支持されたことを特徴とするカッタ交換装置。
- 請求項１において、前記閉止部材の蓋部材は略半球形状をなし、その外周湾曲面が前記ゲートの開口部に嵌合して閉止することを特徴とするカッタ交換装置。
- 請求項１において、前記閉止部材は切羽側の水圧により前記ゲートの開口部を閉止することを特徴とするカッタ交換装置。
- 請求項１において、前記ゲートは前記連結シャフトを挾持して機内側と切羽側とを仕切る一対のゲート板であって、該各ゲート板に前記開口部を構成する半円形状の切欠が形成される一方、前記閉止部材は切羽側の水圧により該開口部に嵌合する球面部を有することを特徴とするカッタ交換装置。
- カッタヘッド前面に位置する複数のカッタを一連に連結したカッタ列を有し、該カッタ列の一連またはその一部を切羽側のガイドレールに沿って機内側のカッタ収納箱内に引き込んで他のカッタと交換可能なトンネル掘削機のカッタ交換方法であって、前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間のゲートを閉止して機内側と切羽側とを仕切り、前記ガイドレールの機内側端部に前記カッタ収納箱を取付けると共に、機内側に延出した前記カッタ列の連結シャフトにカッタ移動手段を連結し、前記切羽側及び前記カッタ収納箱内に給水してから前記ゲートを開放し、前記カッタ移動手段を用いて前記カッタ列を前記カッタ収納箱内に引き込んだ後に、前記ゲートを閉止すると共に該ゲートに形成された連結シャフト用開口部を閉止部材により閉止し、前記カッタ収納箱内から排水して該カッタ収納箱内で前記カッタの交換作業を行った後、該カッタ収納箱内に給水してから前記ゲート及び前記閉止部材を開放し、前記カッタ移動手段を用いて交換したカッタ列を前記ガイドレールに沿って前記カッタヘッド前面の所定位置に移動し、前記ゲートで前記連結シャフトを挟持して閉止し、前記カッタ収納箱内から排水することを特徴とするカッタ交換方法。
- 筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドに機内側から切羽側に延設されたガイドレールと、複数のカッタが一連に連結されて該ガイドレールに沿って移動自在なカッタ列と、該カッタ列の機内側端部に設けられた連結シャフトと、前記ガイドレールの機内側端部に着脱可能なカッタ収納箱と、前記連結シャフトに嵌合する開口部を有すると共に前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間に位置して機内側と切羽側とを仕切可能なゲートと、該ゲートの開口部を開閉可能な閉止部材と、前記連結シャフトに着脱可能であって前記ガイドレールと前記カッタ収納箱との間で該カッタ列を移動するカッタ移動手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
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