JP4061732B2

JP4061732B2 - シールド掘進機

Info

Publication number: JP4061732B2
Application number: JP26963498A
Authority: JP
Inventors: 元中山; 喜彦田畑; 伴和松井; 浩司山田; 隆志輪違; 裕治佐久間; 譲吉田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP2000096984A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中のトンネルを掘削するためのシールド掘進機に係り、特にその切羽を構成するカッタービットの交換作業を容易に行うためのシールド掘進機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は従来のシールド掘進機のうち、大口径泥水式のシールド掘進機を示したものである。図示するように、このシールド掘進機は、筒状をしたシールドフレームａの先端部に隔壁ｂを介してカッターチャンバーｃ（土砂取込み室）が形成されると共に、このカッターチャンバーｃの開口部に、これを覆うように円板状のカッター面板ｄが回転自在に備えられた構造をしている。
【０００３】
そして、カッター面板ｄから隔壁ｂ側に延びる複数本の中間ビームｅのベアリングｆをカッター駆動用電動機ｇによって駆動することでカッター面板ｄを回転駆動して地山を切削した後、カッターチャンバーｃに取り込まれた土砂を送泥管ｈから流れ込む泥水と共に排泥管ｉから排出するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構造をした従来のシールド掘進機にあっては、切削により磨耗したカッター面板ｄのカッタービットｊの交換等、カッター前面部の補修、改造を行う際には多大な時間と労力を要するといった欠点があった。
【０００５】
すなわち、このカッタービットｊの交換作業を行うためには、シールドフレームａの付近に地上から立坑ｋを掘削してカッター面板ｄの前方に適当な作業エリアｓを形成した後、この作業エリアｓ内に立坑ｋから数人の作業員が入り込んでカッター面板ｄの外側からビット交換作業を行うようになっていた。
【０００６】
そのため、施工深さが深い場所では立坑ｋの設置が困難となる上に、その立坑ｋの掘削作業及び作業エリアｓの地盤改良作業等には、多大な費用と長い工期を要するといった欠点がある。また、海底等の立坑自体の設置が不可能な場所では凍結工法等の補助工法が必要となるため、工期、費用がさらに増大してしまうといった問題があった。さらに、シールドフレームａの外での作業であるため、作業時に地下水が溜まったり、地盤が崩落する等のおそれがあり、安全性にも問題があった。
【０００７】
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その主な目的はカッタービットの交換作業を短時間、低コストで安全かつ容易に行うことができる新規なシールド掘進機を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、シールドフレームの先端部に隔壁を介してカッターチャンバーを形成すると共に、そのカッターチャンバーの開口部にこれを覆うようにカッター面板及び複数のカッタービットを取り付けたカッタースポークを回転自在に支持したシールド掘進機において、上記カッター面板の外周に掘進方向後方に延びる周面部を形成し、上記カッタースポークの径方向外側の端部に、径方向に伸縮自在に形成され径方向外方に伸長したとき上記周面部の内周面に当接して上記カッター面板にカッタースポークを固定すると共に、径方向内方に縮退したとき上記カッター面板と上記カッタースポークを離脱させるスポーク伸縮装置を設け、上記カッタースポークをカッター面板に対して回転軸方向に移動可能な構造とし、移動後にカッター面板に生じたスリットを閉じるスリット開閉装置を設けたものである。
【０００９】
従って、隔壁に設けられたスポーク引込み装置によってこのカッタースポークをカッター面板と分離してカッターチャンバー内へ引き込むように移動させると同時に、スリット開閉手段によってカッター面板のスリットを閉じることでカッター面板とカッタースポークとの間に一定の作業空間が形成されるため、この作業空間を利用することで作業員によるカッタービットの交換作業を安全且つ容易に行うことができる。
【００１０】
そのため、従来のようにカッター面板の周囲に作業エリア及びこの作業エリアを形成するための立て坑等を掘削形成する必要がなくなり、交換作業による労力及び作業時間の大幅な短縮化を達成することができる。
【００１１】
しかも、この作業空間はカッターチャンバー内、すなわち周囲がカッターフレームで、地山側がカッター面板によってそれぞれ完全に区画されているため、従来のように地山が崩れ落ちて作業員が危険に晒される虞がなく、常に安全に作業を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本発明に係るシールド掘進機の実施の一形態を示したものである。
【００１４】
図示するように、円筒状をしたシールドフレーム１内にはこれを前後に仕切るための隔壁２が設けられており、さらに、この隔壁２の前部開口部にはこれを覆うように円板状をしたカッター面板３が回転軸４を介して隔壁２の中心部に回転自在に軸支されている。
【００１５】
この隔壁２とカッター面板３との間には一定の空間からなるカッターチャンバー５が区画形成されており、送泥管６ａから流れ込む泥水の特性と泥水圧を利用してカッター面板３に作用する土圧と水圧に対抗させて切羽地盤の安定を図ると共に、掘削した土砂を泥水と混合して排泥管６ｂから外部へ排出するようになっている。
【００１６】
また、このカッター面板３の内側には、地山側に複数のカッタービット７，７…を備えた放射状のカッタースポーク８が着脱自在に設けられており、カッター面板３と共に回転自在となっている。
【００１７】
このカッタースポーク８は、図１及び図２に示すようにカッター面板３の中心部の取付けドラム９に着脱自在に嵌め込まれるベースリング１０と、このベースリング１０から四方に放射状に延びる４本のスポーク１１，１１，１１，１１と、これら各スポーク１１，１１間を周方向に連結する中間ビーム用リング１２とから形成されており、この取付けドラム９とベースリング１０とを連結する油圧駆動の連結ピン等の連結手段（図示せず）によってカッター面板３の内側に着脱自在となっている。
【００１８】
また、この中間ビーム用リング１２には４つの貫通孔１３，１３，１３，１３が形成されており、隔壁２側から延びる４本の中間ビーム１４，１４，１４，１４の先端を貫通するようになっている。さらに、図１に示すように、これら中間ビーム１４，１４，１４，１４の後端部は隔壁２側に回転自在に設けられたベアリング１５に固定されており、このベアリング１５と共にカッターチャンバー５内で回転自在となっている。また、このベアリング１５は隔壁２の上下に取り付けられた二つのカッター駆動用電動機１６，１６のピニオン１７に係合されており、これらカッター駆動用電動機１６，１６によって回転駆動されるようになっている。
【００１９】
従って、このカッター駆動用電動機１６，１６による回転トルクをベアリング１５及び中間ビーム１４，１４，１４，１４を介してカッタースポーク８側に伝えることで、カッタースポーク８は勿論、カッター面板３も同時に回転駆動するようになっている。
【００２０】
また、図２に示すように、このカッター面板３には掘削土砂を取り込むべく径方向外方に延びる４つのスリット１８，１８，１８，１８が形成されており、カッタースポーク８がカッター面板３と合体した際に、カッタースポーク８に取り付けられたカッタービット７，７…を通過させてカッター面板３の前方の地山側に突出させるようになっている。
【００２１】
さらに、図２及び図３に示すようにこれら各スリット１８，１８，１８，１８の両側にはそれぞれ一対のシャッター１９，１９及びこれらシャッター１９，１９をスライド移動させるスリット開閉装置２０，２０がそれぞれ対になって設けられており、このスリット開閉装置２０によってシャッター１９を各スリット１８，１８，１８，１８側にスライド移動させ、それら各スリット１８の開度を０〜１００％の間で調節することで、切削停止時の切羽崩落防止と共に、土質に応じた土砂の取込み量を任意に調節できるようになっている。
【００２２】
すなわち、このスリット開閉装置２０は、図３に示すようにカッター面板３側に取り付けられた油圧シリンダ２０ａと、シャッター１９側に取り付けられるシリンダロッド２０ｂとからなっており、このシリンダロッド２０ｂを油圧で伸縮させることによって図示矢印に示すように、シャッター１９をスリット１８方向にスライド移動するようになっている。尚、これらシャッター１９は、図示しないガイドやリンク機構等によって常に一定の軌跡を往復動するようになっていると共に、図示しないシール部材によって閉じたときに地下水などの浸入を効果的に防止できるようになっている。
【００２３】
また、図２に示すようにこのカッタースポーク８を構成する４本のスポーク１１，１１，１１，１１の各先端部には、その長さを自在に調節できる伸縮装置２１が取り付けられている。
【００２４】
この伸縮装置２１は、図３に示すように、スポーク１１内に収容された油圧シリンダ２２と、この油圧シリンダ２２のシリンダロッド２３先端に固定された伸縮スポーク２４とから構成されており、油圧シリンダ２２を伸縮することによって伸縮スポーク２４をスポーク１１の延長線上で自在に伸縮できるようになっている。尚、この油圧シリンダ２２及び上述したスリット開閉装置２０の油圧シリンダ２０ａを駆動する油圧は、図１に示すように隔壁２側に設けられた油圧供給手段２５から回転軸４を通過してカッタースポーク８側に延びる耐圧ホース（図示せず）等を介して供給されるようになっている。さらに、図示するようにこの伸縮スポーク２４にもスポーク１１と同様、複数のカッタービット７，７…が着脱自在に取り付けられるようになっている。
【００２５】
また、図１に示すように隔壁２には、回転軸４を挟んで上下に一対のスポーク引込み装置２６，２６が設けられており、カッター面板３に取り付けられたカッタースポーク８をカッター面板３と分離して隔壁２側に引き込み移動するようになっている。すなわち、このスポーク引込み装置２６は、隔壁２側に固定された油圧シリンダ２７と、そのシリンダロッド先端部に設けられた把持部材２８とから構成されており、この把持部材２８によってカッタースポーク８に設けられた一対の着脱ピース２９，２９をそれぞれ把持した後、そのシリンダロッドを伸縮することでカッタースポーク８をカッターチャンバー５内で隔壁２側に引き込んだり、元の位置に押し戻すようになっている。そして、このスポーク引込み装置２６を駆動する油圧も上記伸縮装置２１と同様、隔壁２側に設けられた油圧供給手段２５、又はこれと別個に設けられた図示しない他の油圧供給手段から供給されるようになっている。
【００２６】
また、図４に示すように、シールドフレーム１の先端部と、カッター面板３の周面部３ａとの接続部は、上下に重ね合わされるように嵌合されていると共に、その隙間に摩擦抵抗の少ないシール部材３９が設けられており、その隙間を効果的にシールして地下水等の浸入を防止するようになっている。
【００２７】
尚、図１中３０はカッター面板３の中心部に固定されたセンタービット、３１は攪拌羽根、３２は作業員が隔壁２からカッターチャンバー内にアクセスするためのマンロックであり、さらにこのシールド掘進機の先端付近にはその他、従来のシールド掘進機と同様に、図示しないコピーカッター、アジテータ、可動ソリ、貫入式地山探査装置、超音波式地山空洞探査装置、土圧計、回転センサ、添加剤注入口、油圧供給管、電気信号線、テールシール充填材用注入管等が設けられている。
【００２８】
次に、このような構成をした本発明のシールド掘進機の作用を説明する。
【００２９】
先ず、図１に示すように、カッター面板３とカッタースポーク８が一体となった状態でカッター駆動用電動機１６，１６を駆動させてベアリング１５を回転させると、この回転トルクが中間ビーム１４，１４，１４，１４を介してカッタースポーク８に伝わり、これがカッター面板３と共に回転することによって地山を掘削することになる。そして、掘削された土砂はカッター面板３に形成されたスリット１８，１８，１８，１８からカッターチャンバー５内に取り入れられた後、送泥管６ａから送られてくる泥水と混じり合うと共に中間ビーム１４，１４，１４，１４及び攪拌羽根３１によってカッターチャンバー５内で攪拌されて流動化されながら泥水管６ｂから連続的に排出されることになる。
【００３０】
次に、このような掘削を行うことによってカッターフレーム８に取り付けられたカッタービット７，７…が磨耗してきた場合には、先ず、カッター駆動用電動機１６，１６を停止してカッターフレーム８の回転を止めて掘削作業を一時的に停止した後、カッタースポーク８の先端部の各スポーク伸縮装置２１を駆動してカッタースポーク８を縮めて伸縮スポーク２４とカッター面板３との係合を解除する。
【００３１】
次に、このようにしてカッタースポーク８とカッター面板３との係合が解除されたなら、一対のスポーク引込み装置２６，２６の把持部材２８，２８によってカッタースポーク８の着脱ピース２９，２９を把持した後、このスポーク引込み装置２６，２６を縮ませてカッタースポーク８を引っ張る。すると、図５に示すようにこのカッタースポーク８がカッター面板３から分離してカッタースポーク８のみが隔壁２側にスライドするように引き込まれてカッター面板３とカッタースポーク８との間に一定の間隙が形成される。
【００３２】
そして、このような状態になったなら、図３に示すようにカッター面板３に形成されたスリット１８，１８，１８，１８をそれぞれシャッター１９，１９で閉じてこれらスリット１８，１８，１８，１８から土砂や地下水の流入を阻止した後、このカッターチャンバー５内の泥水及び土砂を排泥管６ｂから全て抜き取る。その後、作業員がマンロック３２からカッターチャンバー５内に入り込み、カッタースポーク８を乗り越えてカッター面板３とカッタースポーク８との空間にアクセスして図６に示すようにこの空間を作業スペースとして利用することで、カッタースポーク８に取り付けられているカッタービット７，７…の交換作業を行うことになる。
【００３３】
このようにして形成された作業スペースは、周囲が頑強なシールドフレーム１で覆われていると共に、地山側がカッター面板３で塞がれている状態となっていることから、作業スペース内に地山の崩落による土砂や地下水が浸入するおそれがなく、その交換作業を安全、且つ確実に行うことができる。
【００３４】
そして、カッタービット７，７…の交換作業が終了したならば、これとは逆の作業、すなわち作業員が隔壁２の外へ出た後、スポーク引込み装置２６，２６を延ばしてカッタースポーク８をカッター面板３側へ押し出して合体させ、その後、再び、作業員がカッターチャンバー５内に入り込んでカッタースポーク８を連結すると共にスポーク引込み装置２６，２６を解除して引き戻し、さらにその後、各スポーク伸縮装置２１をよってカッタースポーク８の先端を伸ばしてカッター面板３の周縁部に係合させることで、直ちに新たな掘削作業を開始することができる。
【００３５】
従って、本発明によれば、従来のようにカッター面板３の周囲に立坑や作業エリアの構築、及び地盤改良作業等が全く不要となり、カッタービット７，７…の交換作業に要する労力や時間、コストを大幅に低減することができる。尚、この交換作業に際してカッタースポーク８は中間ビーム１４，１４，１４，１４に沿って前後にスライド移動するようになっていることから、カッター面板３と再結合する際にそれらの軸芯部同士を芯合わせする必要がなく、その脱着作業はスムーズに行われることになる。
【００３６】
次に、図７〜図１４は本発明の他の実施の形態を示したものである。
【００３７】
先ず、図７は、カッター面板３の回転軸４にカッタースポーク８を支持するスポーク仮受台３３を設けたものである。
【００３８】
この仮受け台３３は、図８に示すように、回転軸４の外周に位置する筒状の基体３４の周囲に、カッター面板３側の角部が面取りされた４枚の支持板３５，３５，３５，３５を回転軸４の軸方向に沿って放射状に設けると共に、これら各支持板３５，３５間を扇状の梁板３６でそれぞれ連結し、さらに筒体３４の隔壁２側に支持板３５，３５，３５，３５より外径の大きい円板状の停止板３７を設けたものである。
【００３９】
従って、図７に示すように、カッタースポーク８を隔壁２側に引き抜いた際に、そのカッタースポーク８の荷重の一部を仮受け台３３で負担することができるため、中間ビーム１４，１４，１４，１４やベアリング１５等への負担を軽減することができる。すなわち、上記実施の形態ではカッタースポーク８を引き込んだ際にその全荷重が中間ビーム１４，１４，１４，１４に加わることになるため、場合によっては、その荷重により中間ビーム１４，１４，１４，１４が下方に撓んで軸ずれが生じることが考えられるが、本実施の形態のようにカッター面板３の回転軸４にスポーク仮受台３３を備えれば、その荷重の一部がスポーク仮受台３３を介してカッター面板３側に伝えられるため、中間ビーム１４，１４，１４等への負担が軽減されて軸ずれなどの不都合を未然に防止することができる。
【００４０】
次に、図９は回転トルクを伝える中間ビーム１４を伸縮自在なテレスコピック状に形成すると共に、その中間ビーム１４の内部に、上述したスポーク引込み装置２６を伸縮自在に収容したものである。
【００４１】
すなわち、本実施の形態は上記実施の形態においてそれぞれ別個に独立した状態となっていたスポーク引込み装置２６と中間ビーム１４とを一体的に構成したものである。従って、本実施の形態のように構成すれば、カッターチャンバー５内が広くなり、作業員のアクセスなどが容易にできる上に、スポーク引込み装置２６が中間ビーム１４で保護されることから、汚泥等による悪影響を有効に防止することができる。
【００４２】
また、図１０は本実施の形態の変形例としてセンターシャフト方式を用いたものである。すなわち、本実施の形態は、このスポーク引込み装置２６をカッター面板３の回転軸４近傍に設けると共に、これらスポーク引込み装置２６の周囲を回転軸４と共にテレスコピック状の保護筒４１で覆うように構成したものであり、このような構成にしても図９と同様な効果を得ることができる。
【００４３】
一方、図１１に示すように、各中間ビーム１４，１４，１４，１４の端部をそのまま延ばしてカッター面板３側に直接連結させるように構成すれば、図７に示すような荷重分散効果ばかりでなく、回転トルクをカッタースポーク８のみならずカッター面板３側にも直接伝えることもできるため、カッタースポーク８とカッター面板３の連結部へ集中する回転トルクの負担も軽減することができる。
【００４４】
さらに、図１２に示すように、カッター面板３のカッタースポーク８が干渉しない位置に、足場板４２等を取り付けておけば、シールドフレーム１の径が大きい場合であっても、その作業スペース内に架台等を搬入、構築する必要がなくなり、より作業効率を向上させることができる。
【００４５】
また、カッタースポーク８側に延びる油圧ケーブルやホース等を隔壁２側から引き回す方法としては、図１３に示すように、回転軸４内にケーブル４０等を余長を持たせて通過させるようにしたいわゆるケーブルベア方式や、図１４に示すように、回転軸４内及びその周囲の収容室４３にリール４４を備えたケーブルリール方式等を用いれば、カッタースポーク８の動きを規制することなく良好にケーブル４０を引き回すことができる。
【００４６】
尚、これら様々な実施の形態はそれぞれ単独で採用しても良いことは勿論であるが、必要に応じて最適に組み合わせても良いことはいうまでもない。また、上記実施の形態では、カッター面板３の中心部に設けられるセンタービット３０の交換作業を行うことはできないが、カッター面板３の中心部は摺動距離が小さく磨耗が殆ど進行しないことから、このセンタービット３０は殆ど交換する必要性はない。また、地山側に薬液注入工法などの地盤改良を施し、地山の崩壊や地下水の湧出をある程度防止することができる場合には、シャッター１９のシール材及びシール等を省略することも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すような優れた効果を発揮することができる。
【００４８】
（１）カッタービットの交換等のカッター前面部の補修・改造作業に際して、カッター面板の外部に立坑や作業エリアを形成する必要がないため、作業に要する労力と費用及び時間を大幅に低減、短縮することができる。
【００４９】
（２）従って、掘削作業全体の工期の短縮及び費用の低減に大きく貢献することができる。
【００５０】
（３）また、作業スペースがシールドフレームとカッター面板とで区画形成されて安全に確保されているため、土砂の崩落などのおそれがなくなり、交換作業を安全確実に行うことができる。
【００５１】
（４）カッタービットの交換等のカッター前面部の補修・改造作業の場所や交換回数、時期に制限がなくなるため、信頼性の高いシールド工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】図１中、Ｘ−Ｘ断面図である。
【図３】図２中、カッタースポークの先端部付近を示す部分拡大図である。
【図４】図１中、Ａ部を示す部分拡大図である。
【図５】図１の状態からカッタースポークのみを隔壁側に移動させた状態を示す縦断面図である。
【図６】作業員がビット交換作業を行っている状態を示す概念図である。
【図７】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態を示す縦断面図である。
【図８】図７中、Ｘ−Ｘ矢視図である。
【図９】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１３】ケーブル等の引き回し処理方法の一例を示す説明図である。
【図１４】ケーブル等の引き回し処理方法の一例を示す説明図である。
【図１５】従来のビット交換作業状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１シールドフレーム
２隔壁
３カッター面板
４回転軸
５カッターチャンバー
７カッタービット
８カッタースポーク
14 中間ビーム
16 カッター駆動用電動機
18 スリット
19 シャッター
20 スリット開閉装置
21 スポーク伸縮装置
24 伸縮スポーク
26 スポーク引込み装置
33 スポーク仮受台
41 保護筒
42 足場板

Claims

シールドフレームの先端部に隔壁を介してカッターチャンバーを形成すると共に、そのカッターチャンバーの開口部にこれを覆うようにカッター面板及び複数のカッタービットを取り付けたカッタースポークを回転自在に支持したシールド掘進機において、上記カッター面板の外周に掘進方向後方に延びる周面部を形成し、上記カッタースポークの径方向外側の端部に、径方向に伸縮自在に形成され径方向外方に伸長したとき上記周面部の内周面に当接して上記カッター面板にカッタースポークを固定すると共に、径方向内方に縮退したとき上記カッター面板と上記カッタースポークを離脱させるスポーク伸縮装置を設け、上記カッタースポークをカッター面板に対して回転軸方向に移動可能な構造とし、移動後にカッター面板に生じたスリットを閉じるスリット開閉装置を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
上記カッター面板の回転軸に、上記カッタースポークを引き込んだ際にこれを上記カッター面板と同軸上に支持するスポーク仮受台を備えたことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
上記カッタースポークを上記隔壁側から延びる複数の中間ビームを介して回転自在に支持し、これら中間ビームを伸縮自在に形成すると共にこれら中間ビーム内に上記スポーク引込み装置を収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
上記カッタースポークを上記カッター面板の回転軸を囲繞するように上記隔壁側から延びるセンターシャフトを介して回転自在に支持し、このセンターシャフトを伸縮自在に形成すると共にこのセンターシャフト内に上記スポーク引込み装置を収容したことを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
上記カッター面板に、仮足場を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシールド掘進機。