JP3803958B2 - シールド掘進機のカッタビット交換方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシールド掘進機のカッタビット交換方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シールドトンネル掘削工事の長距離化に伴い、シールド掘進機のカッタビットの維持管理が問題となっており、掘進途中におけるカッタビットの交換方法が各種提案されている。
従来のカッタビットの交換方法には、トンネル掘進予定位置の途中に、予めビット交換のための立坑を構築しておき、この立坑内にシールド掘進機が到達したときに、該立坑内で掘進機前端のトンネル掘削用カッタに固定されているカッタビットの交換作業を行うようにした中間立坑によるカッタビット交換方法がある（第１従来例）。
【０００３】
また、トンネル掘進予定位置の地盤中に、地盤硬化剤の注入によって安定度の高い改良地盤層を形成しておき、この改良地盤層内にシールド掘進機の先端を進入させた状態で停止させ、チャンバーマンホールよりトンネル掘削用カッタの前面側の改良土を人力によって排出し、形成されるトンネル掘削用カッタ前面側の空間内でビット交換作業を行うようにした事前前面部地盤改良によるカッタビット交換方法がある（第２従来例）。
【０００４】
更に、シールド掘進機がビット交換位置に到達後、坑内よりシールド掘進機の前面及び前端部周囲を凍結工法により地盤改良を行い、前述の方法と同様に、チャンバーマンホールよりトンネル掘削用カッタの前面側の改良土を人力によって排出し、形成されるトンネル掘削用カッタ前面側の空間内でビット交換作業を行うようにした到達後前面部地盤改良によるカッタビット交換方法がある（第３従来例）。
【０００５】
更に、シールド掘進機自体に、カッタビットの交換作業が可能なドライ空間を機械的構造によって形成したり、掘削用カッタを前後に旋回させたり、坑内に引き込んだりしたりできるような機械的構造を予めシールド掘進機に設置しておく等の機械構造によるカッタビット交換方法がある（第４従来例）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の第１〜第４従来例には次のような問題点があった。
まず、第１従来例では、交換位置で立坑を構築する必要があり、そのためのコストが高くなり、また、立坑構築に広い用地の確保が必要なため場所的な制約が伴い、更に工程的に長期間を要する。
【０００７】
また、第２従来例では、人力によって改良地盤の掘削、掘削土砂の撤去等の作業を行う必要があること、及びシールド掘進機と改良地盤との間の止水が必要であること等から、安全性に問題があり、また工程的に長期間を要するという問題がある。
【０００８】
さらに、第３従来例では、坑内から凍結工法によって地盤改良を行うため、小口径のシールドトンネルでは施工できず、凍結、解凍によって地盤変動の発生が予測され、更に、工程的に長期間を要し、工費も高い等の問題がある。
【０００９】
また、第４従来例では、トンネル掘削用カッタ部分の構造が複雑になるとともに、カッタ関係の製作条件としてビット交換構造が支配的となり、シールド掘進機の製造コストが高く、しかも、構造的に小口径のシールドトンネルには利用が困難である等の問題がある。
【００１０】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、低コストかつ短時間で安全かつ容易に施工できるシールド掘進機のカッタビット交換方法及びその装置の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法は、シールド掘進機の前端部の回転カッタ前面から機内側まで連続して形成された支持レールに支持された複数のカッタビットであって、隣接するカッタビットの一方に形成された凹部と他方のカッタビットに形成された凸部とが嵌合することにより前記支持レール内において連結され、前記支持レール外では、前記嵌合が外れることで連結が外れ得るものの最後端のカッタビットに新たなカッタビットを機内側から追加し、前記複数のカッタビットを外周方向に押し出し、最外周のカッタビットを前記支持レールから抜け出させて前記嵌合を外すことにより、該連結が外れた最外周のカッタビットを外部に排出するものである。
【００１２】
また、本発明に係るシールド掘進機のカッタビット交換装置は、シールド掘進機の前端部の回転カッタ前面から機内側まで連続して形成された支持レールと、該支持レールに移動可能に連続して支持された複数のカッタビットと、前記支持レールの後端側に設けられて新たなカッタビットを追加すると共に後端側の既設カッタビットを前記支持レールに沿って押し出すカッタビット追加機構と、隣接するカッタビットの一方に形成された凹部と他方のカッタビットに形成された凸部とを嵌合することにより前記支持レール内において当該隣接するカッタビットを連結し、前記支持レール外では前記嵌合が外れることで連結が外れ得る連結手段とを備え、
前記複数のカッタビットは、前記連結手段により連結されて前記支持レールにより支持されて外周方向に押し出され、その最後端のカッタビットは前記新たなカッタビットと連結され、その最外周のカッタビットは前記支持レールから抜け出して前記嵌合が外れることにより、前記連結が外れて外部に排出されるものである。
【００１６】
また、カッタビット追加機構は、支持レール後端部に設けられて新カッタビットを装入保持する供給用水密箱と、該供給用水密箱と前記支持レールとの間を開閉可能に仕切る開閉手段と、供給用水密箱に装入された新カッタビットを前記支持レール側に押し込む押し込み手段と、押し込まれたカッタビットを前記支持レールに沿って押し出す押し出し手段と、最後端のカッタビットを固定するストッパとを備えてなるものである。
【００１７】
また、外周側の支持レール先端に斜めの切欠きが形成されているものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、シールド掘進機の前端部の縦断面で、図２は、シールド掘進機の進行方向から見た正面図であり、両図面は一部を省略して示している。また、図３は本実施の形態の要部断面図であり、カッタビットの交換途中の状態を示している。以下、図１〜図３に基づいて本実施の形態を説明する。
シールド掘進機の前端部は、円筒状のスキンプレート１と、スキンプレート１の前端から少し後方内部に設けられた隔壁３を備えている。隔壁３の中央部にはコーン状の回転体５が回転可能に取り付けられ、この回転体５の先端側にスキンプレート１の前端を覆うようにカッタヘッド７が設けられ、カッタヘッド７と隔壁３の間に掘削チャンバー８が形成されている。そして、カッタヘッド７には複数のカッタスポーク９が放射状に形成されている。
【００１９】
また、回転体５の先端中心部には回転カッタ１３が設置され、回転体５と一体に回転できるようになっている。回転体５自体は隔壁３の内側に設置された駆動モータ１５によりリングギア１７を介して回転できるようになっている。
【００２０】
各カッタスポーク９には、複数のカッタビット１９を一列に支持するＬ字状のカッタビット支持レール２１が取り付けられている。カッタビット支持レール２１は、カッタヘッド７の位置ではカッタスポーク９に沿っており、カッタヘッド７中央部からシールド掘進機の後方側へ滑らかに屈曲して回転体５を貫通して機内側まで延出している。
このカッタビット支持レール２１は、図３のＡ−Ａ断面図である図４（ａ）に示すように、カッタスポーク９に沿う位置では前面が開口する断面略コ字状をしており、コ字の開口側の両側から対向する片に向けて突出する支持部２１ａが形成されている。
また、カッタビット支持レール２１における屈曲後の位置では、図３のＢ−Ｂ断面図である図４（ｂ）に示すように、カッタビット全体を覆う筒状になっている。
【００２１】
そして、このカッタビット支持レール２１には、複数のカッタビット１９が、カッタビット支持レール２１の支持部２１ａからビット部を突出させた状態でレールに沿って移動可能に装着されている。カッタビット支持レール２１の先端部は、図１、図３に示すように、斜めの切欠き２２が形成されている。この切欠き２２は、カッタビット１９の交換時においてカッタビット１９の排出を容易にするためのものである。
また、カッタビット支持レール２１の後端には、壁体２３が設けられると共に、カッタビットを追加するための後述のカッタビット追加機構が設けられている。
【００２２】
ここで、カッタビット１９の構成について説明する。図５はカッタビット１９の説明図であり、図５（ａ）が平面図、図５（ｂ）が正面図、図５（ｃ）が側面図である。カッタビット１９は、ビット部２５と、このビット部２５を支持するビット支持駒２７とを備え、ビット支持駒２７の後面側の両側にはガイド片２９，３１が設けられている。ガイド片３１の先端部には後述のストッパーに係止する係止部３１ａが形成されている。
また、ビット支持駒２７の後面側の下部には連結用の半球状の凸部３３が、ビット支持駒２７の後面側の上部には連結腕３５が設けられている。連結腕３５の前面側には半球状の凹陥部３５ａが形成されている。
【００２３】
以上のように構成されたカッタビット１９は、図５（ｂ）に示すように、隣接する一方のカッタビット１９（２点鎖線で示すもの）の連結腕３５の凹陥部３５ａを他方のカッタビット１９（実線で示すもの）の凸部３３に嵌入することで連結される。このようにして連結したものが、図１に示すように、カッタビット支持レール２１内に数珠繋ぎに装着されている。
【００２４】
次に、カッタビット追加機構の構成について説明する。図６（ａ）（ｂ）、図７（ｃ）（ｄ）はカッタビット追加機構の構造及び動作の説明図である。まず、図６（ａ）に基づいてカッタビット追加機構の構造を説明する。
カッタビット支持レール２１の後端部には、カッタビット支持レール２１の側方に新カッタビット５０を供給するための供給用水密箱３７が設置されている。新カッタビット５０は、供給用水密箱３７内において供給用水密箱３７の側壁に保持されて図示の姿勢を保持できるようになっている。
【００２５】
供給用水密箱３７とカッタビット支持レール２１との境界には両者の間を開閉するシャッター３９が設けられている。供給用水密箱３７には開閉可能な蓋４１が設けられ、この蓋４１の外部には供給用水密箱３７に装入された新カッタビット５０をカッタビット支持レール２１側へ押し込む押込み手段４３が設置されている。押込み手段４３は、例えば油圧シリンダからなり、シリンダロッドの伸長により新カッタビット５０を押し込むようにする。
【００２６】
また、カッタビット支持レール２１の後端部の壁体２３には追加された新カッタビット５０を前方に押し出す押し出し手段４５が設けられている。さらに、カッタビット支持レール２１の後端側壁部には押し出された新カッタビット５０を保持するストッパ４７が設けられている。ストッパ４７は、例えば油圧シリンダからなり、先端に係止部４８ａが形成されたロッド４８がカッタビット支持レール２１内へ突出して、係止部４８ａが押し出された新カッタビット５０の係止片３１ａに係止して、新カッタビット５０が後方に移動するのを拘束する。
【００２７】
これら供給用水密箱３７、押し込み手段４３、シャッター３９、押し出し手段４５、ストッパー４７によってカッタビット追加機構が構成されている。
なお、カッタビット支持レール２１の後端部にはグリス供給手段４９が設けられており、このグリス供給手段４９からカッタビット支持レール２１内へグリス供給される。これによって、カッタビット１９の腐食と、カッタビット１９送り出し時の摩擦を少なくでき、さらに泥水の逆流を止めることもできる。
【００２８】
次に、上記のように構成されたカッタビット交換装置によって、カッタビットを交換する方法について説明する。
図６（ａ）に示す供給用水密箱３７内に交換用の新カッタビット５０を装入し、押し出し手段４５のロッドを縮退させた状態を出発点として説明する。
図６（ａ）の状態から、シヤッター３９を開けて、カッタビット支持レール２１と供給用水密箱３７とを連通させる。このとき、カッタビット支持レール２１内の泥水等が供給用水密箱３７内に入ってくるが、供給用水密箱３７の蓋４１を閉めているので、泥水が機内に侵入することはない。シャッター３９を開けた状態で、押し込み手段４３によって新カッタビット５０をカッタビット支持レール２１側に押し込む。このとき、供給用水密箱３７の側壁がガイドとなって新カッタビット５０は図示の姿勢を保持したまま移動する。そして、既設のカッタビット１９の連結腕３５に形成された半球状の凹陥部３５ａに新カッタビット５０の半球状の凸部３３が嵌入して、新カッタビット５０と既設カッタビット１９が連結される（図６（ｂ））。
【００２９】
次に、押し出し手段４５のロッドを延出させて新カッタビット５０を前方に押し出して、新カッタビット５０がカッタビット支持レール２１に支持されると、押し込み手段４３のロッドを縮退させて、シャッター３９を閉じる。シヤッター３９を閉じた状態で、蓋４１を開放して供給用水密箱３７に次回に追加する新カッタビット５０を入れ、再び蓋４１を閉じる。このとき、蓋４１を開放しても、シヤッター３９によってカッタビット支持レール２１と供給用水密箱３７が仕切られているので、カッタビット支持レール２１内の泥水等が機内に侵入することはない。
【００３０】
押し出し手段４５のロッドをさらに延出させて新カッタビット５０が所定位置に来ると、ストッパー４７のロッド４８をカッタビット支持レール２１側に突出させて、その係止部４８ａと新カッタビット５０の係止片３１ａとを係合させ、新カッタビット５０が後方に移動するのを防止する。
ところで、押し出し手段４５のロッドによって新カッタビット５０を前方に押し出すと、既設のカッタビット１９は数珠繋ぎ状で全体に前進し、最先端のカッタビット１９はカッタスポーク９の外方に突出して後方に位置するカッタビットとの嵌合が外れて、外部に排出されることになる。このとき、カッタビット支持レール２１の先端部に切欠き２２が形成されているので、カッタビット１９がカッタビット支持レール２１から外れやすく排出が容易にできる。
【００３１】
以上がカッタビット１サイクルの交換動作であるが、トンネル掘削土質によって、複数サイクルの交換を行ったり、または、全ビット支持駒を交換することもできる。
【００３２】
以上のように、本実施の形態においては、カッタビット１９を数珠繋ぎ状態にし、後方から押し出して、カッタヘッド７の最外周のものから順に交換するようにしたので、最も摩耗の激しいものから順次交換でき、最も合理的である。さらに、短時間の掘進作業停止での交換が可能であり、経済性も高い。
【００３３】
また、支持レール２１を回転カッタ前面のカッタスポーク９に沿って設けると共に、回転中心部近傍から後方に向けてに滑らかに屈曲して機内まで延出させたので、カッタビット１９を連続して円滑に追加できる。また、作業をシールド掘進機内の大気中で行うことができ、しかも交換箇所がカッタ回転中心側後部にあり点検・作業がしやすい。
【００３４】
また、各カッタビット１９に、隣接するもの相互間を支持レール２１内において連結するための連結手段として半球状の凸部３３と凹陥部３５ａを設けたので、各カッタビット１９は支持レール２１内においては互いに連結され、最後端のカッタビット１９を固定することで最先端のカッタビット１９を固定できる。そして、支持レール２１から抜け出た状態ではカッタビット１９の連結は外れるので、最先端のカッタビットを後方から押し出すだけて簡単に排出できる。
【００３５】
なお、上記の実施の形態のカッタビット１９は、ビット支持駒２７に１個のビット部２５を形成したものを示したが、１個のビット支持駒２７に複数のビット部２５を形成するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
上記のように、本発明においては、シールド掘進機の前端部の回転カッタ前面に形成された支持レールにカッタビットを数珠繋ぎ状に支持して、機内後方から新たなカッタビットを追加することによって、前記支持レールの終端のカッタビットを外周方向に押し出して順次新しいカッタビットに交換するようにしたので、シールド掘進機の機内側からの交換が可能となり、中間立坑の構築や薬液注入、圧気等の作業が不要となって、コストと時間の大幅な削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交換装置を搭載したシールド掘進機の前端部の縦断面図である。
【図２】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交換装置を搭載したシールド掘進機の前端部の正面図である。
【図３】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交換装置の要部の断面図である。
【図４】 図３のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図５】 本実施の形態に係るカッタビットの説明図である。
【図６】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交換装置の動作説明図である。
【図７】 本発明の一実施の形態に係るカッタビット交換装置の動作説明図である。
【符号の説明】
１ スキンプレート
９ カッタスポーク
１９ カッタビット
２１ カッタビット支持レール
２５ ビット部
２７ ビット支持駒
３３ 凸部
３５ 連結腕

Claims (4)

1. シールド掘進機の前端部の回転カッタ前面から機内側まで連続して形成された支持レールに支持された複数のカッタビットであって、隣接するカッタビットの一方に形成された凹部と他方のカッタビットに形成された凸部とが嵌合することにより前記支持レール内において連結され、前記支持レール外では、前記嵌合が外れることで連結が外れ得るものの最後端のカッタビットに新たなカッタビットを機内側から追加し、前記複数のカッタビットを外周方向に押し出し、最外周のカッタビットを前記支持レールから抜け出させて前記嵌合を外すことにより、該連結が外れた最外周のカッタビットを外部に排出することを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換方法。
2. シールド掘進機の前端部の回転カッタ前面から機内側まで連続して形成された支持レールと、該支持レールに移動可能に連続して支持された複数のカッタビットと、前記支持レールの後端側に設けられて新たなカッタビットを追加すると共に後端側の既設カッタビットを前記支持レールに沿って押し出すカッタビット追加機構と、隣接するカッタビットの一方に形成された凹部と他方のカッタビットに形成された凸部とを嵌合することにより前記支持レール内において当該隣接するカッタビットを連結し、前記支持レール外では前記嵌合が外れることで連結が外れ得る連結手段とを備え、
   前記複数のカッタビットは、前記連結手段により連結されて前記支持レールにより支持されて外周方向に押し出され、その最後端のカッタビットは前記新たなカッタビットと連結され、その最外周のカッタビットは前記支持レールから抜け出して前記嵌合が外れることにより、前記連結が外れて外部に排出されることを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換装置。
3. 前記カッタビット追加機構は、支持レール後端部に設けられて新カッタビットを装入保持する供給用水密箱と、該供給用水密箱と前記支持レールとの間を開閉可能に仕切る開閉手段と、供給用水密箱に装入された新カッタビットを前記支持レール側に押し込む押し込み手段と、押し込まれたカッタビットを前記支持レールに沿って押し出す押し出し手段と、最後端のカッタビットを固定するストッパとを備えてなることを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機のカッタビット交換装置。
4. 外周側の支持レール先端に斜めの切欠きが形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のシールド掘進機のカッタビット交換装置。

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