JP3963566B2 - カッタヘッドおよび支障物の切削方法 - Google Patents

カッタヘッドおよび支障物の切削方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、密閉型シールド掘進機の先端部に取り付けられるカッタヘッドであって、シールド前面に出現した支障物を切削する機能を有するカッタヘッドに関するものである。また、このカッタヘッドを用いた支障物の切削方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
人口集中の著しい主要都市部においては、シールド工法により地下空間に構造物を構築する場合、地上および地下構造物の輻輳によって、既設構造物やその基礎がシールド計画線上に出現し、シールド掘進の支障物となる事例が増加している。近年、シールド工事は周辺への影響等を考慮し、密閉型シールド工法が主流となっており、この密閉型シールド掘進機ではその構造上、施工中に切羽前方の状況を直接確認することは不可能である。
【0003】
そこで、密閉型シールド工法で切羽前面に支障物が出現した場合には、従来、薬液注入等により支障物周辺の地盤改良を実施したり、チャンバ内に限定圧気をかける等の切羽安定対策を施した後、作業員が切羽へ出て支障物を撤去する方法が一般的に採用されている。また、工事計画段階から支障物が存在することが明らかな場合には、開削工法への変更や、支障物を撤去し易いように開放型シールドを採用したり、途中の立坑で密閉型シールドから開放型シールドへ改造するといった方法が採用されることもある。
【0004】
しかしながら、これらの方法では、切羽の安定を薬液注入等の地盤改良や圧気工法等の補助工法に依存せざるを得ず、経済性および工期などの点が隘路となっている。また、このような状況下で、作業員が狭い切羽空間に出て作業を行わなければならないことから、安全性や作業性、施工性の点においても改善策が期待されている。
【0005】
シールドトンネルの計画線上に出現する支障物の種類としては、杭および土留めがあり、これらの材質としては、H形鋼、鋼管、鋼矢板等の鋼材やRC、木材等が挙げられる。この中で、木材については、シールドマシンに取り付けられる通常のカッタビットで切削が可能であり、シールド掘進上は特に大きな問題とはならない。鋼材やRCについては、単独で出現した場合には特殊な対策を施していない通常のシールドマシンで切削した事例もあるが、このような場合には切削によりカッタビットが損傷し、直後にビット交換を実施する等の対策が必要となる。このような観点から、密閉型シールドで作業員が切羽へ出ることなく支障物をスムーズに撤去することができる工法を確立することが要請されている。
【0006】
特開平7−324589号公報には、土砂を掘削するシールド掘進機のカッタヘッドにより鉄筋や鋼管杭などの障害物も切削破砕することのできるシールド掘進機として、カッタヘッドの外周に設けられ、前方最先端部にカッタビットが取り付けられたスライドフードと、このスライドフードの前後移動手段と、スライドフードをカッタヘッドの円周方向へ揺動させるスライドフード揺動手段とを備えた障害物縁部切断手段と、カッタヘッドに取り付けられ障害物を挟んで切削破砕する固定ビットおよび可動ビットを備えた障害物切削・破砕手段とからなるシールド掘進機が開示されている。
【0007】
しかしながら、上記公報記載のシールド掘進機は、支障物を切断および切削するために、前記した障害物縁部切断手段と障害物切削・破砕手段とを必要とする上に、該障害物切削・破砕手段は固定ビットと可動ビットとによる挟切という複雑な構造と手間の掛かる作業を強いる構成となっており、装置コストが増大するという問題点を有している。
【0008】
特開平8−319798号公報には、掘削ビット、切削ビットおよび保護ビットからなり、切削ビットはカッタヘッドと同心に円弧状に形成され、半径方向に隣接する切削ビットの間を前記掘削ビットが通るように配置され、保護ビットは切削ビットの回転軌跡上に位置し、先端が切削ビットより前方に位置する保護位置と後方に位置する待機位置との間を前後に移動可能に設けられているシールド掘進機の障害物切削装置が開示されている。
【0009】
当該障害物切削装置では、切削ビットは障害物に溝を付けることによりこれを破断し易くし、掘削ビットと協働させて障害物を切断するものであり、障害物を効率的に撤去することができない。また、切削ビットを保護するための保護ビットおよびこれを前後移動させるためのジャッキを必要とするなど、複雑な構造となっている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シールド前面に出現した支障物を作業員が切羽に出ることなく撤去することのできる密閉型シールド掘進機に係り、支障物を切削する機能を有し、簡易な構造のカッタヘッドを提供することを発明の解決課題とするものである。また、このカッタヘッドを用いた支障物の効率的な切削方法を提供することを発明の目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る密閉型シールド掘進機の前面に取り付けられる円盤状のカッタヘッドは、該カッタヘッドは地山掘削ビットを有する掘削部と支障物切削用の切削ビットを有する切削部とに分割されてなり、該掘削部を基準として該切削部を前進・後退自在としてなることを特徴とするものである。
【0012】
前記切削部は、カッタヘッドの中央部とその外側部とに分離させて設けるとともに、両切削部に設けられた切削ビットの回転軌跡によってシールド掘進機の全断面がカバーされてなることが好ましい。
また、前記外側部に設けられる切削部が、カッタヘッドの中心から点対称位置に配置され、一の切削部に設けられた切削ビットの切削面がカッタヘッドの正回転方向に向き、他の切削部に設けられた切削ビットの切削面がカッタヘッドの逆回転方向に向いてなることが好ましい。
前記外側部に設けられる切削部の背面に、支障物切削用カッタを半径方向移動自在に備えてなることが好ましい。
【0013】
本発明に係る支障物の切削方法は、シールド掘進機の前面に出現した支障物を撤去するに際し、前記一の切削部と他の切削部とを交互に前進・後退させつつ、カッタヘッドを正回転または逆回転させることを特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のカッタヘッドを面板式のものに適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳述する。
【0015】
図1は、カッタヘッド20の正面図であり、図2はII−II線における縦断面を泥水式シールド掘進機10の要部と共に示す縦断側面図であり、図3はIII −III 線における横断側面図である。
【0016】
始めに、図2によりこのシールド掘進機10の構成を説明する。シールド掘進機10は、シールド11の前面に設けられたカッタヘッド20を回転させて地山を掘削し、かつ、隔壁12と切羽の間のチャンバ13を加圧した泥水で満たすことにより、切羽の安定を図るとともに、掘削した土砂を泥水中に取り込み、排泥水として流体輸送を行う、通常の泥水式シールドタイプのものである。
【0017】
このシールド掘進機10は、カッタヘッドの支持方式としてセンター支持方式を採用しており、ラジアルベアリング14aとスラストベアリング14bによって支持された回転軸15の先端にカッタヘッド20が固定され、回転軸15はギア16を介して接続された駆動モータ17により正回転または逆回転するようになっている。
【0018】
なお、図2において、符号8、9は夫々、泥水用の送泥管と排泥管であり、符号18はシールド推進ジャッキであり、符号19はチャンバ内泥水用のアジテータである。
【0019】
図1において、カッタヘッド20は多数の掘削ビット21および先行ビット22が埋め込まれた掘削部23と、支障物を切削するための切削ビット30が埋め込まれた中央切削部32および外側切削部35A、35Bとに分割されており、これらが一体となって円盤状のカッタヘッド20が構成されている。
【0020】
掘削ビット21は後述する中央切削部32および外側切削部35A、35Bの形状と配置を考慮して、カッタヘッド20の一直径を間に挟んで、正逆回転用に2列平行に設けられている。掘削ビット21はカッタヘッド20の掘削部23において半径方向に所定の間隔を以て取着されており、先行ビット22はこの掘削ビット21、21・・の間隙を補足してシールド全断面の掘削を可能にするためのものである。
【0021】
なお、カッタヘッド20には、掘削ビット21、21・・に沿って図示を省略したスリットが設けられており、このスリットから掘削された土砂が背面部のチャンバ13内に取り込まれるようになっている。
【0022】
符号25、25はカッタヘッド20の周面に取り付けられたコピーカッタであり、掘削すべきトンネルの径を広げ、シールド掘進機10本体の通過を可能にするための掘削手段である。従って、コピーカッタ25は、余掘り時にはカッタヘッド20から突出し、不使用時には内側に格納されている。また、礫層主体の地山を掘進する場合には、別に、図示してないローラービット等をカッタヘッド20の前面に装着しておくことが望まれる。
【0023】
本実施形態において、切削部は、長円形の中央切削部32と、カッタヘッド20の最外周側を上底とし中央寄りを下底とする変形した台形状の外側切削部35A、35Bとから構成されている。中央切削部32は前記2列の掘削ビット21間に配置され、他方、外側切削部35A、35Bは掘削ビット21の外側近傍からカッタヘッド20の最外周部に至るまで、中央切削部32を間に挟んで対称位置に設けられている。
【0024】
本実施形態において、切削部を中央切削部32と外側切削部35に分離したのは、通常掘削時において地山を掘削するためのビットを可能な限り多数配置してカッタトルクを軽減すべく、掘削ビットのレイアウトを優先したためである。従って、中央切削部32と2つの外側切削部35A、35Bに分離した本実施形態以外にも種々の変形例を採用することができ、例えば、カッタヘッド20が大径の場合には、2以上の外側切削部35、35・・・をカッタヘッド20の中心から点対称位置に設けるようにしてもよい。
【0025】
さらに、切削部の形状にも特別の制限はないが、各切削部32、35、35・・・に設けられた切削ビット30の回転軌跡によってシールドの全断面がカバーされることが必要である。このため、本実施形態において外側切削部35A、35Bに設けた切削ビット30、30、・・・の回転軌跡は、内外周縁が僅かずつ重なるように配置されている。
【0026】
図4は、切削ビット30の正面図(同図(a))と左側面図(同図(b))であり、切削ビット30は、母材30aの先端部に超硬合金30bが溶着されている。図1に示すように、この切削ビット30は台座30cを介在させて、外側切削部35A、35Bの表面に固着されている。
また、符号30dはビット30の切削面であり、一方の外側切削部35Aに設けた切削ビット30の切削面30dをカッタヘッド20の正回転方向に向け、他方の外側切削部35Bに設けた切削ビット30の切削面30dをカッタヘッド20の逆回転方向に向けることが望ましい。
【0027】
中央切削部32には、前記超硬合金30bを埋め込んだ切削ビット30を、中央切削部32の形状に応じて2本設けている。切削ビット30は一連の細長いブレード状としてもよいし、複数個に分割したものを並設してもよい。
【0028】
図1において、符号40、41は、中央切削部32と外側切削部35A、35Bを夫々前進・後退させるためのジャッキである。ジャッキ41は、図5(a)に部分断面図を以て示すように、後端部がピン42でカッタヘッド20を構成する掘削部23に固定され、前端部がピン43で外側切削部35に固定されている。同様に、中央切削部32も、図5(b)に示すように、ジャッキ40によって、掘削部23と連結されている。
【0029】
上記切削ビット30の回転軌跡によってシールドの全断面がカバーされているので、シールド前方に出現した支障物を切削することができるが、さらに、シールド断面の周縁部を切削するためのスライドカッタ45を設けることにより、カーブ施工時における支障物との遭遇、または最外周部を確実に切断することができるようになる。このスライドカッタ45は、図3に示すように、外側切削部35A、35Bの背面に取り付けられた油圧ジャッキ46によって、カッタヘッド20の半径方向へスライドすることができるようになっている。
【0030】
続いて、上記カッタヘッド20の作用を説明する。
図2および図3では、シールド掘進機10は掘削部23により地山を掘進する状態を示しており、このとき、中央切削部32および外側切削部35A、35Bは後退位置にある。従って、通常掘進時には、全ての切削ビット30が磨耗等による損傷から保護されることになる。
【0031】
シールド前方にH形鋼やRC杭等の長尺形状、または平板状、その他の形状の支障物が出現したときには、支障物の直前位置でシールド掘進機10を停止させる。
【0032】
次いで、ジャッキ40、41を作動させて、中央切削部32および外側切削部35Aを前進させ、外側切削部35Bは後退位置のままとして、図2と図3において破線で示すように、切削ビット30を掘削ビット21より前方(切羽側)に位置させ、支障物の表面に切削ビット30を当接させる。この状態で、シールド推進ジャッキ18から反力を取りつつ、カッタヘッド20を正回転させれば、支障物を切削することができる。シールド推進ジャッキ18の前進速度は1〜数mm/分とし、緩やかに推進させて支障物の切削を行う。
【0033】
この切削時において、カッタヘッド20の回転速度を掘削時の2〜3倍の高速回転とすれば、切削速度を高めることができる。このとき、高速回転に伴う回転軸周りの発熱に対しては、摺動シールをフッ素樹脂等の耐熱性の高いものとすることにより、この発熱を抑制することができる。
【0034】
切削ビット30が支障物に食い込むなどして、カッタヘッド20の回転に大きな負荷が掛かったり、シールド掘進機10がローリングするようであれば、カッタヘッド20の回転を一旦停止し、ジャッキ41、41を作動させて、外側切削部35Aを後退させると共に、外側切削部35Bを前進させて、その切削ビット30を掘削ビット21より前方に位置させる。次いで、カッタヘッド20を逆回転させれば、再び、支障物をスムーズに切削したり、ローリング修正を行うことができるようになる。
【0035】
また、上記切削作業時には、適宜、スライドカッタ45を使用して、シールド断面の最外周部を確実に切断する。
上記切削作業を繰り返すことにより、細かく切削された支障物の切削屑はチャンバ13内に取り込まれ、掘削土砂と一緒に回収され、排泥管9にて後方へ送られるから、シールド断面内の支障物を完全に撤去することができる。
【0036】
本発明のカッタヘッド20は、上記面板タイプの他、スポークタイプの構造形式にも適用できる。更に、密閉型のシールド掘進機であればいずれの形式であっても適用可能であり、土圧シールドあるいは泥土圧シールド掘進機のいずれにも適用可能である。また、カッタヘッドの支持方式には制限がなく、センター支持、中間支持、外周支持のいずれも採用可能である。
【0037】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、作業員が切羽へ出ることなくシールド前方に出現した支障物をスムーズに切削、撤去することができる。特に、支障物に対する精密な探査が不要であり、また、支障物は切削屑として泥水と共に、容易に回収することができる。
更に、掘削ビットと切削ビットを夫々、対象物となる土砂と支障物とに確実に使い分けることができるので、ビットの損傷も少ない。また、本カッタヘッドは掘削部と切削部とからなる一体構造を採用しており、構造が簡易である。
【0038】
請求項2または請求項3記載の発明によれば、前記効果に加えて、支障物の切削を効率的に行うことが可能となる。
【0039】
請求項4記載の発明によれば、前記効果に加えて、シールド断面の最外周部を確実に切断することができるので、シールド掘進機を容易に通過するさせることができる。
【0040】
請求項5記載の発明によれば、支障物を極めて効率的に切削することができるので、シールド掘進機の前面に出現した支障物をスムーズに撤去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】カッタヘッドの正面図である。
【図2】図1のII−II線における縦断面を泥水式シールド掘進機の要部と共に示す縦断側面図である。
【図3】図1のIII −III 線における横断面を泥水式シールド掘進機の要部と共に示す横断側面図である。
【図4】切削ビットの正面図(同図(a))と左側面図(同図(b))である。
【図5】ジャッキ近辺における、外側切削部(同図(a))と中央切削部(同図(b))の部分断面図である。
【符号の説明】
10 シールド掘進機
20 カッタヘッド
21 地山掘削ビット
23 掘削部
30 支障物用切削ビット
30d 切削ビットの切削面
32 中央切削部
35A、B 外側切削部
40、41 ジャッキ
45 支障物切削用スライドカッタ

Claims (2)

  1. 密閉型シールド掘進機の前面に取り付けられる円盤状のカッタヘッドにおいて、該カッタヘッドは地山掘削ビットを有する掘削部と支障物切削用の切削ビットを有する切削部とに分割されてなり、該掘削部を基準として該切削部を前進・後退自在とし、前記切削部をカッタヘッドの中央部とその外側部とに分離させて設けるとともに、両切削部に設けられた切削ビットの回転軌跡によってシールド掘進機の全断面がカバーされてなり、前記外側部に設けられる切削部が、カッタヘッドの中心から点対称位置に配置され、一の切削部に設けられた切削ビットの切削面がカッタヘッドの正回転方向に向き、他の切削部に設けられた切削ビットの切削面がカッタヘッドの逆回転方向に向いてなることを特徴とするカッタヘッド。
  2. シールド掘進機の前面に出現した支障物を撤去するに際し、請求項に記載した一の切削部と他の切削部とを交互に前進・後退させつつ、カッタヘッドを正回転または逆回転させることを特徴とする支障物の切削方法。
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