JP3814059B2 - 立坑掘削機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はカッターを切羽上部に当接させて回転させることにより掘削された切羽の土砂を立坑外に排出するようにした立坑掘削機の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
都市生活の基盤整備事業の拡充に伴う上下水道、ガス配管や通信ケーブルの敷設等の土中への埋設土木工事が活発に行われるようになった。かかる土木工事では工法の簡便さや工費の安さ等の理由によって、地表から地中に掘り進んで埋設を行う開削工法が主に採用されていたが、路面下部の掘削に伴う車両通行止めによる通行障害や掘削深度の増大に伴う工事の困難さ、工事費の高騰等のために、路面を掘り返すことなく地中を掘削する工法も次第に採用されるようになっている。ところで、トンネルを掘削する一工法として、掘削開始地点に一旦、縦穴を掘削し、この縦穴の底部に配置した掘進機により横方向に地山を掘進する工法が知られており、特に、大径のトンネルの掘削には殆どこのシールド工法が採用されている。
【０００３】
図６は特開平９−４９３８９号公報に開示された大径の縦穴を掘削するための立坑掘削機の縦断面図である。この図は立坑掘削機が立坑４０の内部に設置され、縦穴を掘削中の状態を示している。外形が段部を有した平らな略円筒形のシールド本体３は自重と、立坑４０の周壁面に固設された円弧状のコンクリート製の壁面支持体１２の集合体の下面からの反力と、立坑４０側と切羽５０側とを区画する隔壁２６が受ける下方からの水圧を受けながら地中を掘進する。シールド本体３の中央には先端にカッター１が固設されたカッター軸２が回転自在に、かつ、軸方向（同図で上下方向）に摺動自在に軸受に嵌合している。
【０００４】
カッター１は中央部から外周部に向かって後退する方向（同図で上方向）に傾斜した状態で延設された６本の回転腕１ｂを有している。カッター１の前面（同図で下面）には多数の切削刃１ａが取り付けられていて、カッター１の回転に連れて当接する切羽５０の地山を切削する。回転腕１ｂの中間部には後方向に延設された支持柱２７がそれぞれ設けられており、支持柱２７の他端側はそれぞれ大径の環状輪２９に固設されている。この環状輪２９はシールド本体３の下部に環状に形成された環溝２８内に回転自在に、かつ、軸方向に摺動自在に嵌合していて、軸方向支持ベアリング６を介してカッター架設部材３０に回転自在に支持されている。環状輪２９の上端部外縁にはラック歯が刻設されていて、このラック歯はカッター架設部材３０に取り付けられたカッター駆動モーター８の駆動軸に取り付けられた歯車２０に歯合している。そして、カッター架設部材３０は漸進油圧ジャッキ９を介してシールド本体３に対して上下方向に摺動自在に釣架されている。
【０００５】
シールド本体３の隔壁２６の外周部近傍の下面の複数箇所に送水管１６の先端が開口していて、この開口から図示しない水処理設備からの泥水が切羽５０外周部に注水される。一方、カッター軸２の先端部および複数の支持柱２７の中間部に排泥管１８先端の開口がそれぞれ設けられていて、これらの開口からカッター１により切削された地山の土砂が送水管１６から注水された泥水と共に吸引され、回転継手１４と後方の排泥管１８を経て泥水処理設備に送られ、泥水と分離される。
【０００６】
カッター１の自重によりカッター１が地山を押す圧力が高過ぎると、カッター１を回転駆動するカッター駆動モーター８に過大な負荷が掛かるので、カッター１が適度な圧力で地山に圧接するように、切羽５０側からの水圧が低い場合は漸進油圧ジャッキ９内の油圧がカッター１の自重をある程度減殺するように調整される。カッター１が地山を掘進するに連れて、カッター１およびカッター架設部材３０は自重により沈下し、所定距離だけ下降すると、漸進油圧ジャッキ９が収縮してカッター１およびカッター架設部材３０を最上位位置まで引き上げる。そして、壁面支持体１２の底面からの反力を得ながら推進油圧ジャッキ１０を伸長させて、シールド本体３を切羽５０側に下降させ、推進油圧ジャッキ１０を収縮させた時に壁面支持体１２の集合体との間にできた空間に、支持体組付装置１１により新たな壁面支持体１２を組付ける。次に、推進油圧ジャッキ１０を伸長させ、新たに組付けられた壁面支持体１２に当接させて、この新たな壁面支持体１２に対してシールド本体３の反力を取る。
【０００７】
このように、シールド本体３とカッター１の推進機構を独立させることにより、カッター１が受ける水圧を最小限に止め、カッター駆動モーター８に掛かる負荷を低減できるから、シールド本体３の推進機構とカッター駆動モーター８を小型化でき、カッター１を真直ぐ垂直方向に掘進させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術においては、カッター１に作用する径方向の荷重、カッター軸２の倒回方向および軸方向の荷重は全て軸方向支持ベアリング６で支持されるように構成されているため、ベアリング径が大きくなり、ベアリング部分を一体で輸送することが難しくなる。この困難を回避するにはベアリングを円周方向で分割しなければならないが、ベアリングを分割すると値段が高くなると共に現場での組立作業も難しくなる。
【０００９】
また、前述のように、カッター１が適度な圧力で地山に圧接するように漸進油圧ジャッキ９内の油圧が調整されており、更に、掘削効率を高めるためにカッター１の回転速度を高めているが、カッター１の回転速度をあまり速くすると、大径の環状輪２９が摺接する環溝２８の下端部内面に設けられ、摺動面を水密に保つカッターシール２５が受ける動摩擦力が大きくなり、発熱で焼き付いてしまう虞がある。
【００１０】
さらに、最近起こった阪神大震災等の災害における反省として、水道水や防火用水、あるいはトイレ用水の貯留施設の弱体体制が問題となり、早急な用水貯留施設の建設が検討されている。しかし、かかる施設の建設が特に必要となる場所は住宅や商店が密集した地帯が多く、広大な敷地を確保するのが難しいばかりでなく、仮に確保できても地価が高価なため敷地を収容することも困難であるという異なる性質の問題点がある。
【００１１】
そこで、例えば、広幅の道路の地下に大量の雨水の貯留施設を建設することが試みられているが、道路の交通をなるべく妨げずに、しかも、万一の事故の際に交通車両等に被害を与えないようにしなければならないため、特別に強度の高い構造物にしなければならない等特有の困難も明らかになっている。かかる問題点を克服する方策として、例えば、地下1000ｍ程度の超深度の立坑を掘削して、この立坑を用水貯留施設として利用することにより、入手が容易なさ程広くない敷地内に大量の用水を貯留し得る施設を建設することが検討されている。
【００１２】
ところが、超深度の立坑を掘削する場合には切羽５０側の水圧が数倍乃至十数倍上昇するため、これに連れて前記カッターシール２５が受ける動摩擦力も増大するから、その焼き付きを防止するためにカッター１の回転速度を落とさざるを得ず、立坑掘削機の掘削効率が極端に低下してしまう。
本発明は従来技術におけるかかる事情に鑑みて為されたものであり、カッター軸を垂直に回転自在に支えるベアリングが大型化したり、組立作業が困難になるのを防止すると共に、超深度の立坑を掘削する場合であっても作業効率が低下しない立坑掘削機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、シールド本体の中央部の切羽側に設けられ、カッターの回転軸が嵌挿される貫通穴と、該貫通穴の内壁面に設けられ、回転軸を回転自在に支持するベアリングと、同じく、貫通穴の内壁面に設けられ、回転軸に摺接しつつシールド本体の切羽側と立坑側とを水密に封止する封止材と、シールド本体の中央部の前記貫通穴の上部に設けられ、駆動手段を具え、回転軸をシールド本体に対して回転自在に支持すると共に軸方向に摺動自在なカッター軸支持手段と、該カッター軸支持手段とシールド本体に係合してカッターの切羽に対する押圧力を調整する押圧力調整手段とを有したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を具体化した具体例を詳細に説明する。図１は本具体例の立坑掘削機の縦断面図、図２はその要部断面図、図３は本具体例の立坑掘削機の底面図、図４は図２に示した要部の平面図、図５は図１に示す切断線Ｂ−Ｂに沿った下向きの断面図である。従来例と同一または同一と見做せる個所には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００１５】
これらの図において、３ａはシールド本体３の中央上部に設けられた中央穴、３ｂはシールド本体３の中央下部に設けられ、カッター軸２と接する中央穴３ａより小径の貫通穴、４，５はシールド本体３の貫通穴３ｂの内壁面の周方向に沿って上下にそれぞれ所定距離を隔てて設けられ、カッター軸２を回転自在に支えて径方向の動きを規制する径方向支持ベアリング、７はカッター駆動機構を具えてシールド本体３に上下動可能に支持されたカッター駆動装置、１３はシールド本体３内面と壁面支持体１２との間を封止する内面シール、１５はカッター軸２の先端に開口した泥水吸入口、１７はシールド本体３の中央よりやや外周方向に偏倚した位置に貫通して配置された送水管１６の開口である送水口である。
【００１６】
また、１９はカッター軸２の後端（上端）に嵌合固定された筒状部と、該筒状部が嵌合し、軸方向支持ベアリング６とボルト連結された略円盤状部とから成るカッター駆動体、２１はシールド本体３の中央穴３ａに摺接するカッター駆動装置７の外装容器、２２は外装容器２１の外周部の対向する２箇所に穿設され、これらに嵌合するシールド本体３の中央穴３ａ内周に設けられた凸条体からカッター軸２の回転に対する反力を受ける縦溝、２３はカッター駆動体１９をカッター軸２の後端に固定するための固定部材、２４は固定部材２３を取り付けるためのボルト、３１はシールド本体３の隔壁２６の強度を補強するリブである。
【００１７】
本具体例では、カッター１、従って、カッター軸２に作用する径方向および倒回方向の荷重は径方向支持ベアリング４，５で、軸方向の荷重は軸方向支持ベアリング６で支持されている。従って、カッター軸２に作用する荷重が分散して径方向支持ベアリング４，５および軸方向支持ベアリング６に作用するから、従来例のように大径の軸方向支持ベアリング６を用いる必要がなく、従来例のカッター架設部材３０の径に較べてカッター駆動装置７の径が著しく小さくなるから、カッター駆動装置７を一体のものとして容易に輸送できる。また、カッター駆動装置７をシールド本体３の中央部に配設したから、シールド本体３の構造を簡素化でき、しかも、外力、特に切羽５０側からの水圧に対して強固に構成でき、廉価な製造費用でシールド本体３の機械的強度を高めることができる。
【００１８】
さらに、軸方向支持ベアリング６に作用する切羽５０側からの水圧はカッター軸２の断面積に相当する圧力となるので、極限られた大きさになり、軸方向支持ベアリング６の強度が小さくて済み、切羽５０に対するカッター１の圧接力は殆どの場合はカッター１とカッター駆動装置７の自重を活用することで済む。また、立坑掘削機による掘進作業を完了した後の回収部材の回収作業を行う際には、ボルト２４を緩めて固定部材２３を取り外すと共に、漸進油圧ジャッキ９のピストン作動桿をカッター駆動装置７の外装容器２１に連結している螺子を取り外すだけで、容易にカッター駆動装置７をシールド本体３から分離することができる。
【００１９】
なお、本具体例では、カッター１の回転腕１ｂは４本設けられ、送水管１６の送水口１７は切羽５０の外周部近傍ではなく、シールド本体３の隔壁２６の漸進油圧ジャッキ９の取付位置のやや外方に設けられており、泥水吸入口１５もカッター軸２の先端の１箇所のみに設けられている。また、カッター軸２はカッター１を回転させる駆動力伝達手段と、排泥管１８の導入部としての機能を併せ持った単純な形状としたから、構造が簡単で製造費用を低減できると共にカッター軸２の径を小さくできる。さらに、漸進油圧ジャッキ９はシールド本体３側に設置されており、そのピストン作動桿をカッター駆動装置７の外装容器２１に連結しているので、漸進油圧ジャッキ９のピストンはカッター１とカッター駆動装置７の重量を受圧面積の大きい側で有効に支えることができるようになっている。
【００２０】
次に、本具体例の動作を簡単に説明する。まず、図示しない周知の吊架装置により立坑掘削機を吊り下げて、カッター１を地表付近の地山に当接させ、切羽５０側からの水圧に応じて漸進油圧ジャッキ９の油圧を調整してカッター１が適度の圧力で地山に圧接するようにしながらカッター駆動モーター８を回転させる。カッター駆動モーター８の駆動力は歯車２０およびこれに歯合する軸方向支持ベアリング６の外周に刻設されたギアおよび軸方向支持ベアリング６にボルト連結されたカッター駆動体１９を介してカッター軸２に伝達されるから、カッター軸２が径方向支持ベアリング４，５および軸方向支持ベアリング６に支えられて回転する。なお、超深度掘削時等の場合のように、切羽５０側からの水圧が非常に高く、カッター１とカッター駆動装置７の自重のみではカッター１を切羽５０に圧接することができない場合は、漸進油圧ジャッキ９の推進力を逆方向に作用させてカッター駆動装置７をシールド本体３側に引き込む吸引力を付与する。
【００２１】
こうしてカッター１の回転により、その先端部に取り付けられた切削刃１ａが地山を切削する。カッター駆動モーター８の回転に同期して図示しない送水ポンプが回転し、送水管１６に泥水を送り込む。泥水は送水口１７から地山に向けて注水され、カッター１の回転により掘削された土砂を切羽５０の斜面に沿って下方、即ち、中心部側に押し流し、岩礫は切羽５０の斜面に沿って中心部側に転がり落ちる。掘削土砂は泥水と共にカッター軸２の先端に開口する泥水吸入口１５から吸い込まれ、図示しない吸引ポンプにより吸引されて回転継手１４、排泥管１８を介して泥水処理設備に送られ、そこで泥水と分離される。分離された泥水は送水管１６を介して切羽５０に還流される。
【００２２】
こうして、地山が掘削されると切羽５０が下方に後退し、これに当接するカッター１もカッター駆動装置７と共に徐々に下降する。カッター１が所定距離下降した所で漸進油圧ジャッキ９を収縮させてカッター１およびカッター駆動装置７を引き上げ、吊架装置により吊り下げられたシールド本体３も自重を利用して下降させる。やがて隔壁２６が下方から受ける地山からの水圧と立坑４０の壁面から受ける摩擦力が大きくなり、シールド本体３が自重では下降しなくなる。このような深さに到達した時は、漸進油圧ジャッキ９を収縮させてカッター１およびカッター駆動装置７を引き上げた後、推進油圧ジャッキ１０を伸長させ、壁面支持体１２の集合体下面からの反力を利用してシールド本体３を下降させる。その後、推進油圧ジャッキ１０を収縮させ、空いた空間に支持体組付装置１１により壁面支持体１２を立坑４０の壁面に組み付ける。
【００２３】
上述の掘進作業を繰り返して所望の深さまで立坑掘削機が掘り進んだ時には、切羽５０部分にコンクリートを打設した後、回収可能な部材の回収作業が行われる。まず、支持体組付装置１１を取り外し、それから推進油圧ジャッキ１０を取り外す。その後、送水管１６の立坑４０側部分、排泥管１８および回転継手１４を取り外す。さらに、ボルト２４を緩めて固定部材２３を取り外すと共に、漸進油圧ジャッキ９のピストン作動桿をカッター駆動装置７の外装容器２１に連結している螺子を取り外すことにより、カッター駆動装置７全体を回収する。
【００２４】
前述のように、カッターシール２５は従来例で環溝２８の下端部内面に設けられていた場合に較べてカッター１の回転中心からの半径が著しく小さくなっているから、カッター１の回転速度が同じであってもカッターシール２５の摺動速度が低下する。従って、超深度の立坑を掘削する場合に切羽５０側の水圧が数倍乃至十数倍上昇しても、カッターシール２５の摺動速度低下が水圧の上昇による動摩擦力の増加分を十分相殺してカッターシール２５が焼き着くのを防止することができる。また、切羽５０側の水圧が低い、深度が比較的浅い領域では、カッター駆動モーター８の回転数を増大させて、カッター１の土砂掘削能力を高めることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、シールド本体の中央部の切羽側に設けた貫通穴の内壁面に回転軸を回転自在に支持するベアリングと回転軸に摺接しつつシールド本体の切羽側と立坑側とを水密に封止する封止材とを設け、軸方向に摺動自在なカッター軸支持手段により回転軸をシールド本体に対して回転自在に支持すると共に押圧力調整手段によりカッター軸支持手段とシールド本体に係合してカッターの切羽に対する押圧力を調整するようにしたので、これらの構造により封止材の取付け半径を小さくでき、回転による摺動速度が著しく低下するから、深度が比較的浅い領域では駆動手段の速度を増大させてカッターの土砂掘削能力を高めることができると共に超深度の立坑を掘削する場合に切羽の水圧が上昇しても封止材が焼き着くのを防止することができ、カッターをベアリングとカッター軸支持手段とで分散支持したから、これらの回転部材の径を小さくできると共に一体輸送を可能にし、さらにシールド本体の機械的強度を高め、回収部材の回収作業を容易にすることができる。
【００２６】
請求項２記載の発明によれば、押圧力調整手段をシールド本体側に設置された油圧ジャッキとし、そのピストン作動桿がカッター軸支持手段側に連結されて成るようにしたので、カッターとカッター軸支持手段の重量を受圧面積の大きい側で有効に支えることができると共に回収部材の回収作業を一層容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例の立坑掘削機の縦断面図
【図２】図１の要部断面図
【図３】本発明の具体例の立坑掘削機の底面図
【図４】図４は図２に示した要部の平面図
【図５】図１に示す切断線Ｂ−Ｂに沿った下向きの断面図
【図６】従来例に係る立坑掘削機の縦断面図
【符号の説明】
１ カッター
２ カッター軸
３ シールド本体
３ｂ 貫通穴
４，５ 径方向支持ベアリング
６ 軸方向支持ベアリング
７ カッター駆動装置
８ カッター駆動モーター
９ 漸進油圧ジャッキ
１０ 推進油圧ジャッキ
１２ 壁面支持体
１４ 回転継手
１６ 送水管
１８ 排泥管
１９ カッター駆動体
２０ 歯車
２１ 外装容器
２５ カッターシール
２６ 隔壁
４０ 立坑
５０ 切羽

Claims (2)

1. 略円筒状の外形を有した構造体から成るシールド本体に回転自在に支持されたカッターを切羽上部に当接させ、駆動手段により前記カッターを回転させると共に、該カッターの回転により掘削された切羽の土砂を排出手段により立坑外に排出するようにした立坑掘削機において、前記シールド本体の中央部の切羽側に設けられ、前記カッターの回転軸が嵌挿される貫通穴と、該貫通穴の内壁面に設けられ、前記回転軸を回転自在に支持するベアリングと、同じく、前記貫通穴の内壁面に設けられ、前記回転軸に摺接しつつ前記シールド本体の切羽側と立坑側とを水密に封止する封止材と、前記シールド本体の中央部の前記貫通穴の上部に設けられ、前記駆動手段を具え、前記回転軸を前記シールド本体に対して回転自在に支持すると共に軸方向に摺動自在なカッター軸支持手段と、該カッター軸支持手段と前記シールド本体に係合して前記カッターの切羽に対する押圧力を調整する押圧力調整手段とを有したことを特徴とする立坑掘削機。
2. 押圧力調整手段はシールド本体側に設置された油圧ジャッキであり、そのピストン作動桿がカッター軸支持手段側に連結されて成ることを特徴とする請求項１記載の立坑掘削機。

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