JP3899676B2

JP3899676B2 - トンネル掘削機

Info

Publication number: JP3899676B2
Application number: JP14151198A
Authority: JP
Inventors: 俊明上原; 孝信三木; 智文石野
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JPH11336484A; AU3121799A; US6206478B1; AU747558B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭鉱等の地山を掘進してその後方に掘穴を形成するトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭鉱等の地山掘削に用いられるトンネル掘削機として、地山を掘削するカッタを備えた前胴部と、前胴部に推進ジャッキを介して連結された後胴部とを有するものが知られている。かかるトンネル掘削機は、後胴部に設けた後部グリッパと前胴部に設けた前部グリッパとを交互に掘穴に圧着・離間させながら推進ジャッキを伸縮させ、尺取り虫のように掘進するようにものである。
【０００３】
詳しくは、先ず後部グリッパを掘穴に圧着すると共に前部グリッパを掘穴から離間させた状態で推進ジャッキを伸長させて前胴部を後胴部に対して前進させ、次に推進ジャッキが所定ストローク伸長したならば今度は前部グリッパを掘穴に圧着すると共に後部グリッパを掘穴から離間させた状態で推進ジャッキを収縮させて後胴部を前胴部側に引き込んで前進させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記トンネル掘削機では、推進ジャッキの推進反力を前部グリッパまたは後部グリッパを介して掘穴に支持させているので、断層があるところでは地盤が破砕されているためグリッパによる推進反力が得られず掘進不能になる。また、地山強度が小さいところではグリッパの押付力によって掘穴（坑壁）が破壊してしまうため掘進不能となる。また、掘削機の後進も困難である。
【０００５】
他方、上述の如きグリッパによらずにクローラによって前進するトンネル掘削機も知られているが、このタイプではクローラの接地面の摩擦係数が左右で異なるところでは横滑り等を起こすため操縦が困難である。また、かかるトンネル掘削機は、地山を支保する支保フレームを有していないため、地山が崩落した際には掘削機を構成する種々の機器が破損してしまう。
【０００６】
以上の事情を考慮して創作された本発明の目的は、地盤の状態に影響されずに掘進でき、掘削機の後退が容易であり、掘削機の横滑りを防止でき、崩落時に機器を防護できるトンネル掘削機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に係るトンネル掘削機は、地山掘削用のカッタ、推進後退用のクローラ及び掘穴の天井面を支保すべく昇降する上部支保板を備えたカッタ保持体と、該カッタ保持体の後方に配置され別のクローラを備えたアンカー体と、該アンカー体と上記カッタ保持体とを連結する推進ジャッキと、上記アンカー体に固設された作業板と、該作業板に設けられ、上記上部支保板の後方の掘穴の天井面にロックボルトを打ち込むためのロックボルト打設装置とを備え、上記アンカー体を停止させつつ上記カッタ保持体を上記推進ジャッキのストロークの範囲で前進させることで、上記ロックボルト打設装置によるロックボルトの打込みと上記カッタ保持体の掘進とを同時に行うようにしたものである。
【０００８】
本発明によれば、前進は、上部支保板を掘穴の内面に当接させた状態で、カッタ保持体をクローラで推進させて行う。すると、上部支保板によってカッタ保持体が掘穴に案内されつつ前進する。また、後退は、支保板を径方向内方に移動させて掘穴の内面から離間させ、クローラを逆転させることにより、容易に達成できる。
【０００９】
また、本発明によれば、従来のようにグリッパによって掘穴を突っ張ることなくクローラによって前進するので、地盤の状態に影響されずに掘進できる。また、上部支保板を掘穴の内面に当接させることにより地山を支保できるので、機内の機器を地山の崩落から防護できる。
また、カッタで掘削形成された掘穴の天井面は、それまで土砂によって支えられていた応力が一気に開放されて崩れやすい状態であるところ、掘削後に直ちに上部支保板によって押えられるためその崩落が防止され、更に上部支保板の長さ分だけ掘進する間に応力が徐々に解放されるため安定した状態となり、上部支保板の後方に露出した後にロックボルト打設装置によってロックボルトが打設されるため、崩落が防止されることになる。
また、カッタ及び上部支保板が備えられたカッタ保持体と、作業板を介してロックボルト打設装置が設けられたアンカー体とが、推進ジャッキで連結されているので、アンカー体を停止させつつカッタ保持体を推進ジャッキのストロークの範囲で前進させることで、ロックボルト打設装置によるロックボルトの打込みとカッタ保持体の掘進とを同時に行うことができる。
【００１０】
上記作業板が、前方に延出されて上記カッタ保持体の後部にスライド自在に載置された前側部を有し、該前側部に、上記ロックボルト打設装置が取り付けられていてもよい。
【００１１】
上記アンカー体に、上記ロックボルト打設装置により掘穴の天井面に打ち込まれたロックボルトを避けて掘穴の左右側部に圧着または離間するグリッパを設けてもよい。こうすれば、グリッパによってアンカー体を掘穴に固定できるので、上記推進ジャッキの推力を大きくすることができる。
【００１２】
上記カッタ保持体に、クローラの走行面の高さを変更すべく、所定範囲で上下動するサブカッタを設けてもよい。こうすれば、サブカッタの上下動によってクローラの走行面の高さを変更することにより、掘削機の掘進方向の上下方向の方向制御が行える。
【００１３】
上記カッタ保持体が、掘穴の側面を支保すべく左右方向に移動する側部支保板を備えていてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１５】
図１および図２は、炭鉱において石炭が混ざった地山を掘進するトンネル掘削機１の概要を示す図であり、図３乃至図１１は、上記トンネル掘削機１の詳細を示す図である。なお、図１および図２に示すトンネル掘削機と図３乃至図１１に示すトンネル掘削機とは、多少相違する点があるものの本質的な相違点ではないので、共通に説明する。
【００１６】
図１および図２に示すように、このトンネル掘削機１は、地山掘削用のカッタ２、２が２個並設されたカッタ保持体３を有する。各カッタは、図５に示すように、水平方向に所定間隔を隔てて、カッタ保持体３に取り付けられている。なお、カッタ２の個数は、２個に限らず１個でも３個以上でもよい。また、カッタ２を複数としたときには、図例のように水平方向に所定間隔を隔てるのではなく、垂直方向に所定間隔を隔ててもよく、三角状または四角状に配置してもよい。
【００１７】
各カッタ２は、図２、図５、図９および図１０に示すように、カッタ保持体３に設けられた支持ブロック４に軸支された回転軸５と、回転軸５の先端部に周方向に等間隔を隔てて取り付けられた３本のカッタスポーク６と、各カッタスポーク６に取り付けられ実質的に地山を掘削するカッティングピック７とを有している。各カッタ２のカッタスポーク６は、互いに干渉することなく噛み合うように配置されている。なお、カッタスポーク６の本数は、３本に限らず２本でも４本以上でもよい。
【００１８】
各カッタ２の回転軸５は、カッタ保持体３にそれぞれ設けられた駆動モータ８（電動モータ又は油圧モータ）の駆動軸９に、シンクロギヤボックス１０を介して連結されている。シンクロギヤボックス１０は、図６に示すように、その内部に複数のギヤ列１１を有し、各カッタ２の回転軸９を所定の位相に保持しつつ相互に同速度で逆回転させるものであり、噛み合うように配置された各カッタスポーク６の干渉（衝突）を防止する。各カッタ２の回転方向は、図５に矢印１２で示すように土砂を中央に掻き寄せる方向である。
【００１９】
カッタ保持体３の底面部には、図６にも示すように、トンネルの幅方向に所定間隔を隔てて、掘穴１２の下面１２ａを走行する一対のクローラ１３が設けられている。クローラ１３は、駆動モータ１４（電動モータ又は油圧モータ）によって左右独立に駆動され、カッタ保持体３の推進後退機関として機能する。よって、上記カッタ２を回転駆動させた状態でクローラ１３によりカッタ保持体３を前進させると、カッタ２の後方に掘穴１２が形成されることになる。すなわち、従来のようにグリッパによって掘穴１２を突っ張ることなくクローラ１３によって前進走行するので、地盤の状態に影響されずに掘進できる。
【００２０】
カッタ保持体３には、図２、図６、図７、図９および図１０等に示すように、掘穴１２の上部内面１２ｂおよび側部内面１２ｃに当接すべくそれぞれ径方向に移動する上部支保板１５および側部支保板１６が、リンク機構１７、１８（平行リンク機構等）およびジャッキ１９、２０（電動ジャッキ又は油圧ジャッキ等）を介して設けられている。図１および図５に示すように、上部支保板１５は、平板状に形成され、側部支保板１６は、各カッタ２の回転域に合わせて屈曲状に形成されている。
【００２１】
各支保板１５、１６は、カッタ２の直後方から後述するロックボルト打設装置２１の直前方にかけてカッタ保持体３を覆うように形成されており、掘穴１２の内面から崩落する土砂を支保し、駆動モータ８やシンクロギヤボックス１０やリンク機構１７、１８等を防護する。すなわち、各支保板１５、１６を掘穴１２の内面に当接させることにより地山を支保できるので、機内の機器を地山の崩落から防護できる。また、各支保板１５、１６は、ジャッキ１９、２０を伸長させて掘穴１２の内面に当接させた状態で、カッタ保持体３をクローラ１３によって前進させることで、カッタ保持体３を横滑りさせることなく掘穴１２に沿って案内するガイドとなる。
【００２２】
すなわち、図６において、クローラ１３の接地面（掘穴１２の底面１２ａ）の摩擦係数が左右で異なるところでは通常横滑り等が生じて操縦が困難となるが、本実施形態ではそのような状況であっても掘穴１２の内面に当接された各支保板１５、１６がクローラ１３により前進されるカッタ保持体３を掘穴１２に沿って案内するガイドとなるので、横滑りのない安定した前進を確保できる。このとき各支保板１５、１６は、各ジャッキ１９、２０を所定ストロークに固定することにより掘穴１２の内面位置に固定してもよいが、各ジャッキ１９、２０の伸長力を極めて弱く設定することにより径方向外方への移動力を与えて常に軽く掘穴１２の内面に接触させるようにしてもよい。
【００２３】
カッタ保持体３の前部には、図２、図５、図９および図１１等に示すように、左右のカッタ２、２の回転域から外れて掘削不能な部分を掘削するためのサブカッタ２２、２３が、上下二段に配置されている。これら上部サブカッタ２２および下部サブカッタ２３は、カッタ２より後方に配置されている。また、下部サブカッタ２３は、図９に示すようにクローラ１３より前方に配置されており、クローラ１３の走行面２４を掘削する。また、図１に示すように、上部支保板１５には、上部サブカッタ２２を収容するための切欠部２５が形成されている。
【００２４】
上部サブカッタ２２は、図２に示すようにリンク機構２６を介してカッタ保持体３の支持ブロック４に取り付けられており、ジャッキ２７（電動ジャッキ又は油圧ジャッキ）を伸縮させることにより所定範囲で上下動する。上部サブカッタ２２は、図５に示すように、モータ２８によって回転される回転軸２９と、回転軸２９の両端部から中央部に向けて相互に逆螺旋状に形成されたスクリュー翼３０、３１とからなり、土砂を両端部から中央部に掻き寄せる。スクリュー翼３０、３１には、図９に示すように、カッティングピック３２が取り付けられている。
【００２５】
下部サブカッタ２３は、図５および図１１に示すように、水平方向に延出された回転軸３３と、回転軸３３の両端部から中央部に向けて相互に逆螺旋状に形成されたスクリュー翼３４、３５とからなり、土砂を両端部から中央部に掻き寄せる。スクリュー翼３４、３５には、上部サブカッタ２２と同様のカッティングピック（図示せず）が取り付けられている。下部サブカッタ２３の回転軸３３の長さ即ち掘削域の長さは、図６および図１１に示すように、左右のクローラ１３、１３の間隔に合わせて設定されている。クローラ１３の走行面を確保するためである。
【００２６】
下部サブカッタ２３の回転軸３３は、図５、図９および図１１に示すように、アーム部材３６の下部に軸支されている。アーム部材３６は、トンネルの幅方向に所定間隔を隔てて２個配置されており、その中央部がピン３７を介してカッタ保持体３に設けたブロック３８に回動自在に支持されている。各アーム部材３６の上部とブロック３８とは、それぞれピン３９、４０を介してジャッキ４１（電動ジャッキ又は油圧ジャッキ）が介設されている。この構成によれば、ジャッキ４１を伸縮させることにより、アーム部材３６がピン３７を中心にして回動し、下部サブカッタ２３が所定範囲で上下動する。
【００２７】
アーム部材３６の上部には、下部サブカッタ２３の回転軸３３を駆動するため駆動モータ４２（電動モータ又は油圧モータ）が設けられている。アーム部材３６の内部には、駆動モータ４２の回転力を下部サブカッタ２３の回転軸３３に伝達するためのギヤ列やチェーン等（図示せず）が収容されている。この構成によれば、駆動モータ４２により回転された下部サブカッタ２３をジャッキ４１によって上下動させることにより、図９に示すように下部サブカッタ２３の直後方に位置するクローラ１３の走行面２４の高さを変更できるので、掘進するカッタ保持体３の垂直方向の方向制御を行うことができる。
【００２８】
カッタ保持体３には、図５および図１１に示すように、カッタ２およびサブカッタ２３の後方に位置させて、掘削された土砂を集める集土板４３が取り付けられている。集土板４３は、掘削土砂を中央に形成された排土口４４に集めるべく、全体的には排土口４４に向けてテーパ状に形成されている。排土口４４には、掘削土砂を後方へ搬送するチェーンコンベヤ４５が設けられている。チェーンコンベヤ４５は、図６、図９および図１１に示すように、トンネルの後方に延出された樋部材４６を有する。樋部材４６は、図４に示すように複数の樋部材片４７が接続されて構成されており、カッタ保持体３の掘進に応じて順次樋部材片４７が継ぎ足されるようになっている。
【００２９】
樋部材４６には、図６に示すように、その上面にキャリヤ面４８が形成され、下面にリターン面４９が形成され、各面４８、４９の左右端部にはパドル５０が係合する凹部５１が形成されている。パドル５０は、図１１に示すように、樋部材４６の長手方向に所定間隔を隔ててキャリヤ面４８およびリターン面４９に複数配置されており、それぞれ無端チェーン５２で連結されている。この構成によれば、無端チェーン５２を図示しない駆動手段で循環させることにより、掘削土砂がキャリヤ面４８上のパドル５０によって後方に移送されることになる。
【００３０】
カッタ保持体３の後方には、図２、図３および図４に示すように、別のクローラ５３を備えたアンカー体５４が配置されている。クローラ５３は、図８にも示すように、アンカー体５４の底面部にトンネルの幅方向に所定間隔を隔てて一対設けられており、駆動モータ５５（電動モータ又は油圧モータ）によって左右独立に駆動される。アンカー体５４とカッタ保持体３とは、図３および図１１にも示すように、トンネルの幅方向に所定間隔を隔てて配置された推進ジャッキ５６（油圧ジャッキ又は電動ジャッキ）を介して連結されている。各推進ジャッキ５６は、別々にストローク量および伸長力が制御可能となっている。
【００３１】
アンカー体５４は、上記カッタ保持体３に設けたクローラ１３のみでは切羽に対する推力が不足する場合に、当該アンカー体５４を停止させて反力受け部材として推進ジャッキ５６を伸長させることにより、さらに大きな推力を得るためのものである。すなわち、この場合、カッタ保持体３の前進力は、カッタ保持体３に設けたクローラ１３の推力および推進ジャッキ５６の伸長力の加算力となり、その反力はアンカー体５４のクローラ５３を介して掘穴１２の底面１２ａに伝達される。
【００３２】
また、推進ジャッキ５６を伸長させる際、左右のジャッキ５６、５６のストローク量や伸長力に差を付けることにより、カッタ保持体３を斜めに押し出すことができるので、掘進するカッタ保持体３の水平方向の方向制御を行うことができる。この際、左右のジャッキ５６、５６のストローク量を管理すれば、精度の高いカーブ施工が達成できる。推進ジャッキ５６は、所定ストロークまで伸長したならば、クローラ５３によってアンカー体５４を前進させることによって収縮され、リセット状態となる。なお、カーブ施工時には、左右の側部支保板１６、１６を引き込むことにより、カーブの内側に疑似的な余掘りスペースを確保できるので、側部支保板１６が掘穴１２に引っ掛かることなくスムーズな施工が行える。
【００３３】
アンカー体５４には、図３、図４および図８に示すように、当該アンカー体５４を掘穴１２に対して固定または解放すべく、掘穴１２に圧着または離間するグリッパ５７が設けられている。グリッパ５７は、アンカー体５４にピン５８を介して回動自在に取り付けられた回動アーム５９と、回動アーム５９に取り付けられた掘穴１２の側面に押圧離間されるシュー６０と、シュー６０とアンカー体５４との間にピン６１、６２を介して介設され回動アーム５９を回動させるジャッキ６３（電動ジャッキ又は油圧ジャッキ）とからなっている。なお、グリッパ５７は、この構成に限らず、図２、図９および図１０に示す支保板１５、１６用のようなリンク機構１７、１８であってもよいが、本実施形態のように回動アーム５９を用いた方式にすればアンカー体５４上に広い作業空間６４を確保できる。
【００３４】
かかるグリッパ５７のシュー６０を掘穴１２に押し付けてアンカー体５４を掘穴１２に固定することにより、推進ジャッキ５６を伸長させたときに生じる虞のあるアンカー体５４の後方へのスリップを防止できる。すなわち、図８において、アンカー体５４のクローラ５３と掘穴１２の底面１２ａとの摩擦係数が小さい場合には、推進ジャッキ５６を伸長させたときにアンカー体５４が後方へ滑ってしまい、推進ジャッキ５６の伸長力を有効にカッタ保持体３に伝えることができないが、本実施形態によればグリッパ５７でアンカー体５４を掘穴１２に固定することで上記スリップを抑えられる。よって、推進ジャッキ５６の伸長力を確実にカッタ保持体３に伝達でき、カッタ保持体３の前進力を大きくできる。逆説的にいえば、推進ジャッキ５６の推力を大きくしても上記スリップが生じなくなるため、カッタ保持体３の前進力を大きくできるのである。
【００３５】
アンカー体５４には、図２、図３および図４に示すように、作業員の作業場となる作業板６５が固定的に設けられている。作業板６５は、その前側部６５ａがカッタ保持体３の後部にスライド自在に載置されており、推進ジャッキ５６を伸長させてアンカー体５４に対してカッタ保持体３を前進させた場合でも、掘穴１２に対して停止状態を保持する。すなわち、作業板６５は、推進ジャッキ５６の伸長ストロークの範囲内であれば、カッタ保持体３が前進中であっても停止状態となる。このように、作業員の作業場となる作業板６５がカッタ保持体３の掘進中においても停止状態となるため、作業員に安定した作業環境を提供できる。
【００３６】
作業板６５の前側部６５ａには、上部支保板１５の直後方に位置させて、掘穴１２の天井面１２ｂ（上面）にロックボルト６６を打ち込むロックボルト打設装置２１が設けられている。ロックボルト打設装置２１は、カッタ保持体３の前進に伴って上部支保板１５の後方に露出した掘穴１２の上面１２ｂにロックボルト６６を打ち込み、掘穴１２の上面１２ｂを崩落しないように保持するものである。ロックボルト打設装置２１は、上記作業板６５に設けられているため、推進ジャッキ５６の伸長ストロークの範囲内であれば、カッタ保持体３の前進に拘らず掘穴１２に対して停止状態を保持できる。よって、上記ロックボルト６６の打込作業をカッタ保持体３の前進（掘進）と同時に行うことができる。
【００３７】
図４において、カッタ２で掘削されて形成された掘穴１２の上面１２ｂは、それまで土砂によって支えられていた応力が一気に解放されて崩れやすい状態であるが、直ちに上部支保板１５によって押えられるためその崩落が防止され、更に上部支保板１５の長さ分だけ掘進する間に徐々に応力解放されるため安定した状態となり、その後上部支保板１５の後方に露出した直後に上記ロックボルト打設装置２１によってロックボルト６６が打設されるため、崩落が防止されるのである。
【００３８】
上記構成のトンネル掘削機１を後退は、図７に示すように、各支保板１５、１６を掘穴１２の内面から離間させた状態で各クローラ１３、５３を逆回転させ、カッタ保持体３およびアンカー体５４を一体的に後退させることにより達成する。このとき、上部支保板１５の下降量は、掘穴１２の上面１２ｂに打設されたロックボルト６６に当該上部支保板１５が干渉しないように設定されることは勿論である。
【００３９】
図１２乃至図１４は、前述したトンネル掘削機１に、カッタ２やサブカッタ２２、２３によって掘削された土砂を排土口４４に導くための集土パドル６７を設けたものである。集土パドル６７は、左右のアーム部材３６、３６にその間を掛け渡して軸支された回転軸６８と、回転軸６８に放射状に取り付けられたロッド６９とからなる。回転軸６８は、下部サブカッタ２３を駆動する駆動モータ４２によって、アーム部材３６内に収容されたギヤ列やチェーン等を介して、下部サブカッタ２３と連動して図１３に矢印７０、７１で示すように同方向に回転駆動される。これにより、掘削土砂の排土口４４への排土効率が高まる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るトンネル掘削機によれば、地盤の状態に影響されずに掘進でき、掘削機の後退が容易であり、掘削機の横滑りを防止でき、地山の崩落時に機器を防護できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の斜視図である。
【図２】上記トンネル掘削機の支保板を外した状態を示す斜視図である。
【図３】上記トンネル掘削機の平面図である。
【図４】上記トンネル掘削機の側面図である。
【図５】図４の V-V線断面図である。
【図６】図４の VI-VI線断面図である。
【図７】図６において支保板を作動させた様子を示す説明図である。
【図８】図４の VIII-VIII線断面図である。
【図９】図３の IX-IX線断面図である。
【図１０】図４の X-X線断面図である。
【図１１】図４の XI-XI線断面図である。
【図１２】別の実施形態に係るトンネル掘削機の正面図である（図５に相当する）。
【図１３】上記トンネル掘削機の側面図である（図９に相当する）。
【図１４】上記トンネル掘削機の平面図である（図１１に相当する）。
【符号の説明】
１トンネル掘削機
２カッタ
３カッタ保持体
１２掘穴
１３クローラ
１５上部支保板
１６側部支保板
２３サブカッタ
５３別のクローラ
５４アンカー体
５６推進ジャッキ
５７グリッパ

Claims

地山掘削用のカッタ、推進後退用のクローラ及び掘穴の天井面を支保すべく昇降する上部支保板を備えたカッタ保持体と、該カッタ保持体の後方に配置され別のクローラを備えたアンカー体と、該アンカー体と上記カッタ保持体とを連結する推進ジャッキと、上記アンカー体に固設された作業板と、該作業板に設けられ、上記上部支保板の後方の掘穴の天井面にロックボルトを打ち込むためのロックボルト打設装置とを備え、
上記アンカー体を停止させつつ上記カッタ保持体を上記推進ジャッキのストロークの範囲で前進させることで、上記ロックボルト打設装置によるロックボルトの打込みと上記カッタ保持体の掘進とを同時に行うようにしたことを特徴とするトンネル掘削機。
上記作業板が、前方に延出されて上記カッタ保持体の後部にスライド自在に載置された前側部を有し、該前側部に、上記ロックボルト打設装置が取り付けられた請求項１に記載のトンネル掘削機。
上記アンカー体に、上記ロックボルト打設装置により掘穴の天井面に打ち込まれたロックボルトを避けて掘穴の左右側部に圧着または離間するグリッパを設けた請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
上記カッタ保持体に、クローラの走行面の高さを変更すべく、所定範囲で上下動するサブカッタを設けた請求項１〜３のいずれかに記載のトンネル掘進機。
上記カッタ保持体が、掘穴の側面を支保すべく左右方向に移動する側部支保板を備えた請求項１〜４のいずれかに記載のトンネル掘削機。