JP3723497B2 - シールド掘進機のカッタ構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設トンネルのトンネル壁を掘り抜いて発進するシールド掘進機のカッタ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り抜いて発進するシールド掘進機として、本発明者等は図８に示すものを創案した。
【０００３】
図示するように、このシールド掘進機ａは、既設トンネルｂの発進口部分に取り付けられた円筒状の発進部リングｃと、シールドフレームｄにスライド自在に被嵌された円筒状の発進シールｅとを連結した後、発進架台ｆに反力をとる推進ジャッキｇによって上方に推進し、図９および図１０に示すようにカッタｈの回転によって既設トンネルｂの一部を成す断面円弧状の掘削可能壁ｉを掘り抜き、上方に発進するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかるシールド掘進機ａのカッタ構造にあっては、カッタｈ自体の形状がフラットでありカッタｈに取り付けられたビットｊによる掘削面がフラットであるため、図１０に示すようにそのカッタｈによって断面円弧状の掘削可能壁を掘り抜くとき、カッタｈの外周部が中央部に先行して掘削可能壁ｉを切削することになり、中央部が切り残ってしまう。
【０００５】
そして、この中央部は、カッタｈによる上向き切削が進行するに従って、既設トンネルｂとの繋がり部が徐々に小さくなるため、小さな外圧（土圧）によって崩壊し易くなり、ビットｊで切削する前に崩壊して塊でカッタ室内に取り込まれる虞がある。カッタ室内に取り込まれた塊は、通常の土砂を排土することを前提に設計された排土装置では排出できず、排土装置を閉塞させてしまう。
【０００６】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部から径方向外方に切削でき、非切削部が塊としてカッタ室に取り込まれることを防止できるシールド掘進機のカッタ構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明は、既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り抜いて発進するシールド掘進機のカッタ構造であって、カッタによる切羽面の掘削面形状が、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも、小さい曲率半径に設定されているものである。
【０００８】
本発明によれば、カッタによる切羽面の掘削面形状を、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも小さい曲率半径に設定したので、そのトンネル壁を掘り抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部から径方向外方に向けて穴を開けるように切削できる。よって、非切削部は、常に既設トンネルと繋がっており、塊としてカッタ室に取り込まれることはない。
【０００９】
また、上記カッタは、その回転中心から掘進方向後方に傾斜されて放射状に延出された複数のカッタスポークと、各カッタスポークの切羽側面に取り付けられた複数のビットとを有するものが好ましい。こうすれば、カッタスポーク自体が後方に傾斜されているので、各ビットの高さをそれほど変化させなくとも、上述の掘削面形状を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１１】
図１に示すように、既設トンネル１の内部には、その天井部分のトンネル壁（掘削可能壁２）を掘り抜いて上方に発進するシールド掘進機３が、発進架台４上に縦置きされて収容されている。このシールド掘進機３は、発進架台４上に推進ジャッキ５を介して上向きに置かれた筒体状のシールドフレーム６と、シールドフレーム６内を切羽側と坑内側とに仕切る隔壁７と、隔壁７に回転自在に設けられたカッタ８とを備え、ジャッキ５を伸長させてシールドフレーム６を上昇させつつカッタ８をモータ９によって回転させ、掘削可能壁２を掘り抜いて既設トンネル１内から上方に発進するものである。
【００１２】
詳しくは、隔壁７は、中央部に排土口１０を有する円錐状に成形されている。隔壁７とシールドフレーム６との間には、リング状の回転体１１が回転自在に支持されている。回転体１１の上面には、支柱１２を介してカッタ８が取り付けられ、回転体１１の下面には、リングギヤ１３が設けられている。リングギヤ１３は、軸受１４に軸支されており、モータ９のピニオン１５に噛合されて回転駆動されるようになっている。この構成によれば、モータ９を駆動することにより、回転体１１を介してカッタ８が回転し、掘削可能壁２または地山の土砂が掘削される。
【００１３】
カッタ８によって掘削された掘削可能壁２または土砂は、隔壁７の上方のカッタ室１６に取り込まれ、排土口１０に接続された排土装置１７によって下方に排出される。排土装置１７は、排土口１０に接続され下方に延出された排土管１８を有する。排土管１８には、空気や水等の流体圧によって径方向に膨張収縮して排土管内１８を開閉する弾性膜式バルブ１９が設けられている。
【００１４】
弾性膜式バルブ１９は、排土管１８の途中に介設された筒体状の弾性膜２０（ゴム膜等）と、弾性膜２０を囲繞して配置され弾性膜２０の外周面との間に加圧室２１を形成する筒体状のケーシング２２と、ケーシング２２に開口され加圧室に流体（空気、水等）を給排する給排口２３とを有し、給排口２３から加圧室２１内に流体を給排することで弾性膜２０を径方向に膨張収縮させて土砂通過断面積を変化させ、上向き掘進における排土量を調節して切羽の土圧を調整管理するものである。
【００１５】
弾性膜式バルブ１９の下方の排土管１８には、径方向内方に延出されたブラケット２４が設けられており、ブラケット２４には、上方に延出されたセンターロッド２５が取り付けられている。センターロッド２５の頂部は、カッタ８の中央部２６に回転自在に挿入されている。ブラケット２４、センターロッド２５およびカッタ８の内部には、作泥剤の通路２７が形成されている。そして、排土管１８に形成された入口部２８から注入された作泥剤が、上記通路２７を通り、カッタ８に形成された出口部２９から切羽に供給されるようになっている。
【００１６】
センターロッド２５の下方の排土管１８には、ゲート機構３０が設けられている。ゲート機構３０は、相互に近接離間する一対のゲート板３１を有し、排土管１８内の土砂通過断面積を調節する。ゲート機構３０は、土砂通過断面積を適宜狭めることで、弾性膜式バルブ１９の下流側の土砂を詰まり気味にしてその土圧を高め、弾性膜２０の全体に略均一の土圧を作用させるものである。これにより、弾性膜２０は、掘進深度や掘削土質に拘わらず略均一に膨張し、切羽の土圧制御を確実に行える。
【００１７】
さて、カッタ８は、上記モータ９によって回転駆動され、既設トンネル１からの発進時には掘削可能壁２を切削し、発進後は地山を掘削するものである。かかるカッタ８は、図２にも示すように、回転中心に配置された中央部２６と、中央部２６に設けられた三角状のセンタービット３２と、中央部２６から掘進方向後方に所定の角度に傾斜されて放射状に延出され上記支柱１２を介して回転体１１に取り付けられた複数のカッタスポーク３３と、各カッタスポーク３３の切羽側面に取り付けられたビット３４とを有する。
【００１８】
ビット３４は、メインビット３４ａと先行ビット３４ｂとからなる。先行ビット３４ｂは、カッタ８の回転方向に沿って平板状に細長く成形されていると共に、図３にも示すようにメインビット３４ａよりも所定高さ高く設定されており、メインビット３４ａが掘削可能壁２を掘削する前に掘削可能壁２を同心円状に切り込み、その内部の炭素繊維等の補強配筋を切断する。メインビット３４ａは、図４にも示すように、各先行ビット３４ｂの間に配置されたティースビットからなり、先行ビット３４ｂによって回転方向に沿って切り込まれた同芯円状の溝間の掘削可能壁２を削り取る。
【００１９】
なお、発進に際しては、図１に示すように、掘削可能壁２の発進口部分に取り付けられた円筒状の発進部リング３５と、シールドフレーム６にスライド自在に被嵌された円筒状の発進シール４１とを連結し、止水性を確保しておくことは勿論である。そして、掘削可能壁２を掘り抜いて発進した後は、先行ビット３４ｂおよびメインビット３４ａは、既述のように先行ビット３４ｂが切羽面を同心円状に切り込んで溝を掘りつつ、その溝の間の土をメインビット３４ａが削り取り、地山を掘削する。
【００２０】
先行ビット３４ｂおよびメインビット３４ａは、図５乃至図７に示すように、カッタ８が回転したときの切羽面の掘削面形状３６が、掘り抜くべきトンネル壁（掘削可能壁２）の外側面の被掘削面カーブ形状３７よりも、小さい曲率半径に設定されている。また、カッタ８は中央部が先行してトンネル壁を掘り抜くように中央部を尖突させた円錐状に設定されていてもよい。すなわち、各カッタスポーク３３に取り付けられるビット３４の高さは、回転時に上記掘削面３６となるようにそれぞれ高さが微妙に異なっている。
【００２１】
図例では、先行ビット３４ｂおよびメインビット３４ａの両方を上記掘削面３６となるように高さ設定している（詳しくはメインビット３４ａは僅かに低い）。両ビット３４ａ、３４ｂによって少しずつバランスよく掘削可能壁２を掘削するためである。ただし、先行ビット３４ｂのみを上記掘削面３６となるように高さ設定してもよい。メインビット３４ａに先行する先行ビット３４ｂが実質的に掘削可能壁２を切削すると考えることもできるからである。なお、この場合、先行ビット３４ｂの切削負荷が大きくなる点に留意すべきである。
【００２２】
本実施形態の作用を述べる。
【００２３】
既設トンネル１の内部から上向きシールド掘進機３を発進させるときには、図１に示すように、掘削可能壁２の発進部リング３５にシールドフレーム６の発進シール４１を連結した後、モータ９によってカッタ８を回転させつつジャッキ５を伸長させて掘進機３を上昇させる。すると、図５、図６および図７に示すように、回転するカッタ８に取り付けられたビット３４ａ、３４ｂによって、掘削可能壁２がその内周面側から徐々に切削される。
【００２４】
ここで、カッタ８に取り付けられた各ビットビット３４ａ、３４ｂは、カッタ８の回転による切羽面の掘削面形状３６が、掘り抜くべき掘削可能壁２の外側面の被掘削面カーブ形状３７よりも急に設定されているので、その掘削可能壁２を掘り抜いて発進する際、掘削可能壁２をカッタ８の中心部から径方向外方に向けて楕円穴（図中ハッチングで示す）を開けるように切削する。よって、図５乃至図７に示すように、楕円穴の縁部を成す非切削部３８は、常に既設トンネル１と繋がっており、塊としてカッタ室１６に落下して取り込まれることはない。
【００２５】
すなわち、上記カッタ８およびビット３４によれば、図８乃至図１０のタイプのように掘削可能壁ｉが大きな塊の状態で崩落してカッタ室１６内に取り込まれることはなく、掘削可能壁２を各ビット３４によって切削して小さな削り屑としてカッタ室１６内に取り込むことができる。よって、カッタ室１６内に取り込まれた掘削可能壁２の削り屑を、通常の土砂を排土することを前提に設計された排土装置７によって、容易に排出できる。
【００２６】
具体的には、図８乃至図１０のタイプでは、掘削可能壁ｉが塊の状態でカッタ室１６に落下した場合、その塊が排土口１０の内径よりも大きいと、排出不可能となるが、本実施形態によれば、図５乃至図７に示すように、掘削可能壁２を崩壊させることなく各ビット３４によって切削して小さな削り屑としてカッタ室１６内に取り込むことができるので、排土口１０の内径よりも大きな塊がカッタ室１６内に取り込まれることはなく、常に確実に排出できる。
【００２７】
また、本実施形態においては、図７(b)に示すように、カッタ８の各ビット３４による切羽面の掘削面形状３６を掘削可能壁２の外側面の被掘削面カーブ形状３７と殆ど等しく（極く僅かに急に）設定しているので、掘削可能壁２をカッタ８の径方向に沿って略同時にバランスよく掘り抜くことができる。また、カッタスポーク３３を掘進方向後方に傾斜させ、その切羽側面にビット３４を取り付けているので、各ビット３４の高さをそれほど変化させなくとも、上述の掘削面形状３６を得ることができ、ビット３４の支持剛性が高まる。
【００２８】
なお、本実施形態では、既設の横向きトンネル１の内部からシールド掘進機３が上向きに発進する場合を示したが、横向き又は下向きに発進する場合にも本発明を適用できる。また、既設の立坑からシールド掘進機を横向きに発進させる場合にも、本発明を適用できる。要は、本発明は、カッタの各ビットによる切羽面の掘削面形状が、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも、急に設定されていればよいのである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るシールド掘進機のカッタ構造によれば、既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り抜いて発進する際、トンネル壁をカッタの中心部から径方向外方に切削でき、非切削部が塊としてカッタ室に取り込まれることを防止できる。よって、排土装置の閉塞を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すシールド掘進機のカッタ構造の側断面図である。
【図２】上記カッタの正面図である。
【図３】上記カッタのカッタスポークの断面図であり、図３(a)は メインビット、 図３(b)は先行ビットを示す説明図である。
【図４】先行ビットとメインビットとの位置関係を示す説明図である。
【図５】上記カッタおよびビットによる掘削可能壁の掘削の様子を示す説明図であり、図５(a)は平面図、図５(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）である。
【図６】図５の続きを示す説明図であり、図６(a)は平面図、図６(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）である。
【図７】図６の続きを示す説明図であり、図７(a)は平面図、図７(b)は(a)のb-b線断面図（正面断面図）である。
【図８】本発明者等が先に開発したシールド掘進機のカッタ構造の側断面図である。
【図９】上記カッタおよびビットによる掘削可能壁の掘削の様子を示す説明図である。
【図１０】図９の続きを示す説明図である。
【符号の説明】
１ 既設トンネル
２ トンネル壁としての掘削可能壁
３ シールド掘進機
８ カッタ
３３ カッタスポーク
３４ａ メインビット
３４ｂ 先行ビット
３６ 掘削面形状
３７ 被掘削面カーブ形状

Claims (2)

1. 既設トンネルの内部からそのトンネル壁を掘り抜いて発進するシールド掘進機のカッタ構造であって、カッタによる切羽面の掘削面形状が、掘り抜くべきトンネル壁の外側面の被掘削面カーブ形状よりも、小さい曲率半径に設定されていることを特徴とするシールド掘進機のカッタ構造。
2. 上記カッタは、その回転中心から掘進方向後方に傾斜されて放射状に延出された複数のカッタスポークと、各カッタスポークの切羽側面に取り付けられた複数のビットとを有する請求項１記載のシールド掘進機のカッタ構造。

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