JP3844136B2 - シールド掘進機のカッターヘッド - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機のカッターヘッドに関し、特にカッターヘッドに設けた複数のカッタースポークのうち少なくとも一つは伸縮可能なカッタースポークを備え、そのカッタースポークの伸縮により、カッタービットの切換えを可能にしたものに関する。

シールド掘進機は各種シールド坑（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、共同溝用トンネル等）をシールド工法により構築するための掘削装置として広く実用に供されている。

近年では、シールド掘進機により長距離掘削を行うことが多く、その際地盤中の砂利や礫や岩等によってカッタービットが磨耗し、カッターヘッド自体の掘削能力が低下するため、掘削作業を一時中断して磨耗したカッタービットを交換する必要が生じる。
また、長距離掘削を行う場合には、掘削対象の地盤の土質が種々変化するケースが多いことから、土質に応じて複数種類のカッタービットを使い分ける必要も生じる。

このようなカッタービットの交換は、種々の方法で行うことができるが、例えば作業者が切羽に出てカッタースポーク内に入り、カッタービットを手動にて交換する方法や特許文献１に開示された方法がある。

特許文献１に記載されたシールド掘進機においては、６本のカッタースポークのうちの３本の回転式カッタースポークは、そのスポーク軸心回りに回転可能に構成され、この回転式カッタースポークの３つの面には複数のカッタービットが付設されている。カッタースポーク内周側基端部を支持するセンターフレーム内に突出する回転駆動部が設けられ、その回転駆動部をセンターフレーム内側から回転させる為の油圧トルクレンチが設けられている。カッタービットが磨耗した場合には、センターフレーム内から油圧トルクレンチで回転駆動部を１２０度回転させて、カッタースポークを１２０度回転させることにより、カッタースポークの面を切換えて、カッタービットを切換える。こうして、作業者は切羽に出ることなく、カッタービットを交換することができる
特開平１１−３５０８７７号公報

しかし、作業者がカッタースポーク内に入って、カッタービットを人手により交換する方式では、作業者が作業できるだけの空間をカッタースポーク内に設ける必要があるため、小口径シールド掘進機には適用することができない。

特許文献１のシールド掘進機のカッタービット交換装置においては、センターフレームを大型化しなければならないので、小口径シールド掘進機に適用することは難しい。
小口径シールド掘進機のカッターヘッドに、複雑な構造のカッタービット交換装置を装備しようとすると、スペース上余裕がないため装置をコンパクト化する必要がある。
そのため、小さな部品を使用したり部品点数を削減したりする必要があるので、カッタービット交換装置に余計な負荷がかかり、不具合が発生する可能性が高くなる。

本発明の目的は、シールド掘進機のカッターヘッドにおいて、小口径のシールド掘進機に対しても適用可能なカッタービット交換装置を実現すること、簡単な構造のカッタービット交換装置を実現すること、安全に容易にカッタービットを交換可能なカッタービット交換装置を実現すること、などである。

請求項１のシールド掘進機のカッターヘッドは、夫々複数のカッタービットが設けられた複数のカッタースポークを備えたシールド掘進機のカッターヘッドにおいて、前記複数のカッタースポークのうち少なくとも一つは、半径方向外側へいく程前方へ移行するように傾斜した傾斜方向に伸縮可能な伸縮カッタースポークに構成されたことを特徴とするものである。

掘削開始時には、伸縮カッタースポークを縮径状態又は拡径状態にしておき、長距離掘削などによりカッタービットが磨耗して掘削能力が低下した場合や、掘削対象の地盤の土質が変わったために掘削能力が低下したような場合に、伸縮カッタースポークを伸張させた拡径状態又は収縮させた縮径状態にすることで、カッタービットを適したものに切換えることができる。

請求項２のシールド掘進機のカッターヘッドは、請求項１の発明において、前記伸縮カッタースポークは、カッターヘッドのセンターフレームに一体的に固着され且つ前記傾斜方向へ傾斜した傾斜状支持スポークと、この傾斜状支持スポークにスライド自在に嵌合装着され且つ複数のカッタービットが装備された可動スポークと、前記可動スポークを傾斜状支持スポークに沿って進退移動可能な移動駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項３のシールド掘進機のカッターヘッドは、請求項２の発明において、前記可動スポークを後退位置に保持した状態では、その可動スポークの複数のカッタービットの先端が、前記可動スポーク以外のカッタースポークの複数のカッタービットの先端よりも後退した位置を保持し、前記可動スポークを前進位置に保持した状態では、その可動スポークの複数のカッタービットの先端が、前記可動スポーク以外のカッタースポークの複数のカッタービットの先端よりも前進した位置を保持することを特徴とするものである。

請求項４のシールド掘進機のカッターヘッドは、請求項２又は３の発明において、前記傾斜状支持スポークの半径方向外側の外端部は、カッターヘッドの外周よりも内径側位置にあることを特徴とするものである。

請求項５のシールド掘進機のカッターヘッドは、請求項４の発明において、前記移動駆動手段は、傾斜状支持スポークと可動スポークの内部に装着された油圧ジャッキを有することを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、シールド掘進機のカッターヘッドの少なくとも一つは半径方向外側へいく程前方へ移行するように傾斜した傾斜方向に伸縮可能な伸縮カッタースポークに構成されているので、長距離掘削等によりカッタービットが磨耗した場合や、土質に応じてカッタービットを使い分けたいような場合には、伸縮カッタースポークを伸縮させることによって、カッタービットの切換えを容易に行うことができる。

請求項２の発明によれば、伸縮カッタースポークは、カッターヘッドのセンターフレームに一体的に固着され且つ傾斜方向へ傾斜した傾斜状支持スポークと、傾斜状支持スポークにスライド自在に嵌合装着され且つ複数のカッタービットが装備された可動スポークと、可動スポークを傾斜状支持スポークに沿って進退移動可能な移動駆動手段とを備えているので、移動駆動手段によって可動スポークを傾斜状支持スポークに沿って移動させるという簡単な動作により、カッタービットの切換えを安全に簡単に行うことができる。

請求項３の発明によれば、可動スポークを後退位置に保持した状態、つまり可動スポークを収縮させた場合には、可動スポークの複数のカッタービットの先端が可動スポーク以外のカッタースポークのカッタービットの先端よりも後退した位置を保持するため、可動スポークのカッタービットは切羽から離れ、可動スポーク以外のカッタースポークのカッタービットにより切羽を掘削する。そのため、可動スポークのカッタービットは未使用のまま温存され、可動スポークのカッタービットの摩耗を防止できる。

カッタービットを切換えるために可動スポークを前進位置に保持した状態、つまり可動スポークを伸張させた場合には、可動スポークのカッタービットの先端の方が可動スポーク以外のカッタースポークのカッタービットの先端よりも前進した位置を保持するため、可動スポーク以外のカッタースポークのカッタービットは切羽から離れ、可動スポークのカッタービットが切羽を掘削する。そのため、可動スポークのカッタービットの使用開始後には、可動スポークのカッタービットが主に掘削に供されて使用されることとなり、可動スポーク以外のカッタービットによる掘削トルクの増加を防止できる。

請求項４の発明によれば、傾斜状支持スポークの半径方向外側の外端部は、カッターヘッドの外周よりも内径側にあることから、可動スポークの移動ストロークを確保し、傾斜状支持スポークと可動スポークとからなる伸縮カッタースポーク自体のコンパクト化を図ることができる。

請求項５の発明によれば、移動駆動手段が油圧ジャッキからなり、油圧ジャッキを傾斜状支持スポークと可動スポークの内部に装着したので、油圧ジャッキを装着する為のスペースを特に設ける必要がなく、カッターヘッドのコンパクト化を図ることができる。

本発明のシールド掘進機のカッターヘッドは、夫々複数のカッタービットが設けられた複数のカッタースポークを備えたシールド掘進機のカッターヘッドにおいて、前記複数のカッタースポークのうち少なくとも一つは、半径方向外側へいく程前方へ移行するように傾斜した傾斜方向に伸縮可能な伸縮カッタースポークに構成されている。

次に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
本実施例は、比較的小口径のシールド掘進機に本発明を適応した場合の一例であり、最初に、シールド掘進機の全体構造について簡単に説明し、その後本願特有のカッターヘッドについて説明する。尚、掘進方向を前方として説明する。

図１に示すように、このシールド掘進機１は、カッターヘッド２、隔壁３で仕切られたチャンバー４、前胴５、この前胴５に中折れ部６を介して連結された後胴７、後胴７の後瑞に一体的に連結されたテール部胴８、後胴７の内側に摺動自在に設けられた摺動胴９と環状フレーム１０などを含む可動フレーム１１、環状ウェブ１２および牽引梁フレーム１３などを有する。

このシールド掘進機１は、種々の装備品として、複数のカッター駆動モータ１４、泥水式排土設備の送水管１５と配水管１６とバイパス管１７、複数の中折れジャッキ１８、摺動胴９の内面付近に配設された複数のシールドジャッキ１９、可動フレーム１１に対して掘進機本体を前進移動させる複数の摺動ジャッキ２０、可動フレーム１１に装備されセグメントの組み付けを行うエレクタ装置２１、エレクタ装置２１にセグメントを受け渡すセグメント受け渡し装置２２、トンネル内をセグメントを搬送して来てセグメント受け渡し装置２２に供給するセグメント供給装置２３、図示略の後方台車を牽引梁フレーム１３に連結する牽引部材２４、最前列のセグメントの形状を保持する第１セグメント形状保持装置２５、次列のセグメントの形状を保持する第２セグメント形状保持装置２６などを有する。その他の一般的な装備品についての説明は省略する。

このシールド掘進機１は、シールド掘進機を前進移動させながらトンネルを掘進する作業と並行的に、エレクタ装置２１によるセグメント２７の組み付けを行う同時掘進型の掘進機である。それ故、このシールド掘進機１は、可動フレーム１１と、複数の摺動ジャッキ２０とを備えており、複数のシールドジャッキ１９は、覆工済のセグメントに掘進反力をとって可動フレーム１１を後退しないように支持する機能と掘進機本体を前進移動させる機能を有する。複数の摺動ジャッキ２０は、トンネル掘進時には図１の状態からロッドを伸張させることにより可動フレーム１１に対して掘進機本体を前後移動させる。尚、掘進機本体は、図１のシールド掘進機における、可動フレーム１１と複数のシールドジャッキ１９とエレクタ装置２１以外の全体である。

このシールド掘進機１により、トンネルを掘削する際には、カッターヘッド２を回転駆動しながら、排土設備により掘削土を排出し、これと並行的に掘進機本体を前進移動させることでトンネルを掘削していく。掘進機本体を前進移動させる際には、複数のシールドジャッキ１９のロッドを収縮させた状態のとき複数の摺動ジャッキ２０のロッドを伸張させ、それら摺動ジャッキ２０のロッドの伸張後には、複数のシールドジャッキ１９のロッドを伸張させながら複数の摺動ジャッキ２０のロッドを収縮させるのを、繰り返して連続的に掘進機本体を前進移動させる。他方、エレクタ装置２１によって、掘削したトンネルの内面にセグメント２７を組み付けていく。

次に、カッターヘッド２について説明する。
図２に示すように、カッターヘッド２は、センターフレーム２８と、半径方向に延びる２本の伸縮カッタースポーク３０と、半径方向に延びる４本のカッタースポーク３１と、複数の面板３２，３３と、多数のカッタービット３４，３５などを備えている。６本のカッタースポーク３０，３１が６０度間隔に設けられている。

各カッタースポーク３１の基端部はセンターフレーム２８に固着され、カッタースポーク３１の前面には、複数のカッタービット３４，３５がスポーク軸心方向に延びる３列に付設されている。各カッタースポーク３１は、センターフレーム２８から延びる固定スポーク３１ａと、固定スポーク３１ａに摺動自在に装着された可動スポーク３１ｂとで構成されている。固定スポーク３１ａはカッターヘッド２の半径の約４／５程度の長さを有し、可動スポーク３１ｂの掘削に供される有効部分は、カッターヘッド２の半径の約１／５程度の長さを有し、可動スポーク３１ｂによりトンネルの外周側部分を掘削可能である。

可動スポーク３１ｂは、固定スポーク３１ａと可動スポーク３１ｂとの内部に装着された図示外の油圧ジャッキにより径方向外側に所定小距離伸張する拡径状態と、径方向内側に所定小距離収縮する縮径状態とに切換え可能に構成されている。

次に、伸縮カッタースポーク３０について説明する。
図２、図３に示すように、センターフレーム２８の両側に延びる１対の伸縮カッタースポーク３０が設けられ、伸縮カッタースポーク３０の基端部はセンターフレーム２８に固着され、伸縮カッタースポーク３０の前面には、複数のカッタービット３４，３５がスポーク軸心方向に沿って延びる３列に付設されている。

１対の伸縮カッタースポーク３０は、付設されたカッタービット３４，３５の配置と数が異なること以外は同一構造である。伸縮カッタースポーク３０は、センターフレーム２８に一体的に固着された傾斜状支持スポーク３６と、この傾斜状支持スポーク３６にスライド自在となるように嵌合装着された可動スポーク３９とを備えている。傾斜状支持スポーク３６には、正面視Ｙ形の面板３３が一体的に固定されている。

傾斜状支持スポーク３６は、前後に広幅でセンターフレーム２８に固着されたスポーク基部３７と、このスポーク基部３７の後瑞から一体的に延び半径方向外側へいく程前方へ移行するように傾斜した傾斜スポーク本体３８とで構成されている。傾斜スポーク本体３８の外端部は、カッターヘッド２の外周よりも内径側位置にある。これは、可動スポーク３９の移動ストロークを確保する為である。尚、前記の傾斜スポーク本体３８の傾斜角はトンネル軸心に直交する面に対して約３５度である。

可動スポーク３９は、側面視ほぼ台形状で、傾斜スポーク本体３８が摺動自在に挿入される摺動穴３９ａを有し、可動スポーク３９の前面には、トンネル軸心と直交状のカッタービット取り付け面が形成され、このカッタービット取り付け面に複数のカッタービット３４，３５が３列に付設されている。

傾斜スポーク本体３８と可動スポーク３９の内部には、可動スポーク３９を傾斜状支持スポーク３８に沿って進退移動させるための移動駆動手段としての油圧ジャッキ４０が装着されている。その油圧ジャッキ４０のロッドの先端部が傾斜スポーク本体３８に固定されたブラケット４１にピン結合され、ジャッキ本体が固定ピン４２により可動スポーク３９に連結されている。油圧ジャッキ４０は、図示外の油圧ホースやロータリジョイントなどを介して油圧供給源に接続されており、油圧ジャッキ４０により傾斜状支持スポーク３６に対して可動スポーク３９を所定ストローク進退移動駆動可能である。

図３のように油圧ジャッキ４０を収縮させた状態（後退位置）では、伸縮カッタースポーク３０が縮径状態となり、可動スポーク３９に付設された複数のカッタービット３４，３５の先端が、可動スポーク３９以外のカッタースポーク３１，３７のカッタービット３４，３５の先端よりも後退した位置を保持する。図４に示すように、油圧ジャッキ４０を伸長させた状態（前進位置）では、可動スポーク３９が前側且つ外側へ移動し、伸縮カッタースポーク３０が拡径状態となり、可動スポーク３９に付設された複数のカッタービット３４，３５の先端が、可動スポーク３９以外のカッタースポーク３１，３７のカッタービット３４，３５の先端よりも前進した位置を保持し、可動スポーク３９の複数のカッタービット３４，３５が切羽を掘削する。

次に、以上説明したカッターヘッド２の作用について説明する。
トンネル掘進開始後の当分の間は、可動スポーク３９を図３に示すように後退位置に保持し、可動スポーク３９の複数のカッタービット３４，３５を切羽から所定距離（例えば、４０ｍｍ程度）後退させて切羽の掘削に供しない状態に保持し、それら複数のカッタービット３４，３５を未使用のまま温存する。そして、カッターヘッド２を回転させながら、カッタースポーク３１のカッタービット３４，３５と、傾斜状支持スポーク３６のスポーク基部３７の複数のカッタービット３４，３５と、センターフレーム２８の複数のカッタービットにより切羽の掘削を行う。

このように、可動スポーク３９を後退位置に保持する場合は、可動スポーク３９のカッタービット３４，３５は使用されずに温存されるので、摩耗を防止することができ、カッタービット３４，３５を未使用状態に維持しておくことができる。

トンネルを所定の距離又は所定期間掘削して、カッタースポーク３１やセンターフレーム２８のカッタービット３４，３５が磨耗して掘削能力が低下した場合、或いは土質が変わったために掘削能力が低下した場合など、カッタービット３４，３５を切換える必要性が生じた場合には、可動スポーク３９を前進位置に切換えることで、可動スポーク３９の複数のカッタービット３４，３５を、可動スポーク３９以外のカッタースポーク３１，３７のカッタービット３４，３５の先端よりも前進させ且つ外径側へ移動させて、切羽の掘削に供することができる。

この場合、センターフレーム２８の複数のカッタービットも切羽の掘削に供される。尚、可動スポーク３９を拡径させた前進位置に切換えた場合、可動スポーク３９の複数のカッタービット３４，３５の先端は、傾斜状支持スポーク３６の複数のカッタービット３４，３５やカッタースポーク３１のカッタービット３４，３５の先端よりも約２０ｍｍ程度前進した位置になる。

このように、カッターヘッド２のカッタービット３４，３５の交換に際しては、油圧ジャッキ４０を伸張させることで、可動スポーク３９を前方且つ外径側へ移動させて実現できるから、油圧ジャッキを遠隔操作することで簡単に安全に切換えることができる。
この場合、可動スポーク３９のカッタービット３４，３５とセンターフレーム２８のカッタービットだけが切羽の掘削に供されるため、４本のカッタースポーク３１のカッタービット３４，３５による掘削トルクの増加を防止でき、カッターヘッド２の回転が安定する。

カッターヘッド２の構成に関しても、伸縮カッタースポーク３０を設けておき、可動スポーク３９を傾斜状支持スポーク３６に対してスライド自在となるように嵌合装着しておき、伸縮カッタースポーク３０の内部に油圧ジャッキ４０を設けておけば良いので、従来のカッタービット切換え装置やカッタービット交換装置と比べて、装置の構造が格段に簡単になる。この構造は特に小型のシールド掘進機に好適である。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
１）伸縮カッタースポーク３０が２本の場合を例にして説明したが、伸縮カッタースポーク３０を設ける数は、特に限定されるものではなく、１本でもよく、３本以上でもよい。

２）前記実施例における伸縮カッタースポーク３０の傾斜角はトンネル軸心に直交する面に対して３５度であったが、この傾斜角はこの角度に限定されるものではない。
３）前記伸縮カッタースポーク３０の方向をセンターフレームから半径方向向きに配置しているが、伸縮カッタースポーク３０の方向は前記の半径方向に限定されるものではなく、種々の方向に向けて配置することも不可能ではない。

４）前記実施例では、トンネルの掘進の開始後当分の間は、伸縮カッタースポーク３０を縮径状態にして掘進するものとして説明したが、トンネルの掘進の開始後当分の間は、伸縮カッタースポーク３０を拡径状態にして掘進し、その伸縮カッタースポーク３０のカッタービットが摩耗した場合に、伸縮カッタースポーク３０を縮径状態に切換えるようにすることもある。
５）その他、当業者であれば、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更された種々の形態を包含するものである。

本発明は、種々のトンネルを掘削するシールド掘進機に適用することができる。

本発明の実施例に係るシールド掘進機の断面図である。 カッターヘッドの正面図である。 伸縮カッタースポーク（後退位置）の断面図である。 伸縮カッタースポーク（前進位置）の断面図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
２ カッターヘッド
２８ センターフレーム
３０ 伸縮カッタースポーク
３６ 傾斜状支持スポーク
３９ 可動スポーク
３４，３５ カッタービット
４０ 油圧ジャッキ

Claims (5)

1. 夫々複数のカッタービットが設けられた複数のカッタースポークを備えたシールド掘進機のカッターヘッドにおいて、
   前記複数のカッタースポークのうち少なくとも一つは、半径方向外側へいく程前方へ移行するように傾斜した傾斜方向に伸縮可能な伸縮カッタースポークに構成された
   ことを特徴とするシールド掘進機のカッターヘッド。
2. 前記伸縮カッタースポークは、カッターヘッドのセンターフレームに一体的に固着され且つ前記傾斜方向へ傾斜した傾斜状支持スポークと、この傾斜状支持スポークにスライド自在に嵌合装着され且つ複数のカッタービットが装備された可動スポークと、前記可動スポークを傾斜状支持スポークに沿って進退移動可能な移動駆動手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のシールド掘進機のカッターヘッド。
3. 前記可動スポークを後退位置に保持した状態では、その可動スポークの複数のカッタービットの先端が、前記可動スポーク以外のカッタースポークの複数のカッタービットの先端よりも後退した位置を保持し、
   前記可動スポークを前進位置に保持した状態では、その可動スポークの複数のカッタービットの先端が、前記可動スポーク以外のカッタースポークの複数のカッタービットの先端よりも前進した位置を保持する
   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ーヘッド。
4. 前記傾斜状支持スポークの半径方向外側の外端部は、カッターヘッドの外周よりも内径側位置にあ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ーヘッド。
5. 前記移動駆動手段は、傾斜状支持スポークと可動スポークの内部に装着された油圧ジャッキを有することを特徴とする請求項４に記載のシールド掘進機のカッターヘッド。