JP4122281B2

JP4122281B2 - シールド掘削機のカッタ板

Info

Publication number: JP4122281B2
Application number: JP2003404387A
Authority: JP
Inventors: 卓郎柚木; 猛佐々木
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005163403A

Description

本発明は粘土層と砂礫層とが存在する地盤の掘削に適したシールド掘削機のカッタヘッドに関するものである。

シールド掘削機によってトンネルを掘削する場合、掘削すべき地盤の土質が粘土層である箇所と砂礫層である箇所とが混在していると、カッタ板に装着しているカッタビットとして粘土層掘削用のスクレーパツールでは砂礫層の掘削は困難であり、砂礫層掘削用のローラビットでは粘土層の掘削を行うことが困難である。そのため、両方の地層に対応可能なカッタビットをカッタ板に装着しておき、粘土層と砂礫層との地層に応じたカッタビットを使用できるように構成しておく必要がある。

カッタビットはカッタ板の前面から前方に突出させた状態で装着されてあり、この状態でカッタビットの交換作業を行うことは安全性、作業性に問題点がある。そのため、例えば、特許文献１に記載されているように、カッタ板の径方向に長い長方形板状のスポークの一方の片面側に砂礫層掘削用のローラビットを装着し、下方の方面側に粘土層掘削用のティースビットを装着しておき、このスポークをカッタ面板に設けている開口部に回転自在に配設して、一方をカッタ板の前面から前方に突出させた状態においては他方をカッタ板の後方に向けた状態となるようにして機内からの保守、点検や交換を可能にしたカッタ板が開発されている。

特開平１１−２４１５９０号公報

しかしながら、上記のように砂礫層掘削用のビットと砂礫層掘削用のビットとをスポークに背中合わせ状にして装着すると、全体の厚みが厚くなって装置が複雑化するばかりでなく回転駆動機構も複雑となり、その上、使用しないビットの先端がカッタ板から後方に突出した状態となるので、例えば、ローラビットをカッタ板の板面から前方に突出させた礫を掘削した場合、カッタ板の背面から後方に向かって突設しているティースビットの刃先がカッタ板の背面側に取り込まれた掘削礫等によって欠損する虞れがあった。

また、スポークはカッタ板に回転自在に軸支されているので、カッタ板を回転させてビットにより地盤を掘削する際に、スポークがビットを切羽面から逃がす方向に回転して掘削が困難となり、そのため、スポークを回転不能に固定する手段が必要であるといった問題点もあった。本発明はこのような問題点を全面的に解消することができるシールド掘削機のカッタ板の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のシールド掘削機のカッタ板は、請求項１に記載したように、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとを装着しているスポークをカッタ板の回転中心部側から外周方に向かって放射状に配設しているカッタ板であって、上記各スポークはカッタ板の面板に開設している開口部に軸心がカッタ板の径方向に指向している回動中心軸回りに前後方向に往復回動自在に配設されていると共に上記回動中心軸を中央にして両側部を互いにカッタ板の背面側に向かって屈折させて一方の側部に上記粘土層掘削用ビットを、他方の側部に上記砂礫層掘削用ビットを長さ方向に所定間隔毎に装着してあり、さらに、このスポークを上記回動中心軸回りに回動させて上記粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとのいずれか一方をカッタ板の前面から突出させ、他方を上記開口部内に没入させる切替手段をカッタ板の背面側に配設した構造としている。

このように構成したシールド掘削機のカッタ板において、請求項２に係る発明は、カッタ板に粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ時計回り方向と反時計回り方向に向けているスポークと、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ反時計回り方向と時計回り方向に向けているスポークとを交互に配設していることを特徴とする。

さらに、請求項３に係る発明は、上記粘土層掘削用ビットはスポークの一側端面に装着されているスクレーパツースであり、砂礫層掘削用ビットはスポークの他側端面に装着されているスクレーツースとこの他側部の幅方向の中央部に回転自在に装着されているローラビットとからなることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、上記切替手段を油圧ジャッキから構成し、この油圧ジャッキのロッドの先端をスポークの他側部背面に連結して、該ロッドの伸縮によりスポーク体を回動中心軸を中心として前後方向に往復回動可能に構成している。

スポークはその幅方向の中間部を回動中心として両側部を互いにカッタ板の背面側に向かって屈折させた横断面へ字状に形成されてあり、その一側部に粘土層掘削用ビットを、他側部に砂礫層掘削用ビットをそれぞれ装着しているので、その回動中心である中心軸回りにスポークを僅かな角度だけ回動させるだけで、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとを常に前方側に向けた状態にしてそのいずれか一方をカッタ板の板面から前方に突出させ、他方をカッタ板の背面側に後退させた状態にすることができ、従って、この切替手段としてモータ駆動等の回転駆動手段を採用することなくストロークの短いジャッキを採用してカッタ部分の構造をコンパクトに簡素化することができ、ジャッキのの伸縮動作により簡単且つ円滑に地質に応じたビットをカッタ板から前方に突出させることができる。

また、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ時計回り方向と反時計回り方向に向けているスポークと、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ反時計回り方向と時計回り方向に向けているスポークとをカッタ板に交互に配設しておくことによって、カッタ板をどちらの方向に回転させても粘土層地盤や砂礫層地盤を掘削することができ、従って、シールド掘削機をローリングさせることなく円滑にトンネルを掘進していくことができる。

その上、砂礫層掘削用ビットがローラビットである場合、スポークにビット取付孔を長さ方向に一定間隔毎に設けておき、この孔にローラビットを挿通させた状態で回動自在に装着しておくことによってカッタ板の後方の機内側からの点検や交換が容易に行うことができると共に、粘土層掘削用ビットはスクレーバツースであって、請求項３に記載したように、スポークの他側端面に着脱自在に装着しているので、機内側からの交換作業が容易に行うことができるばがりでなく、使用していない場合でも該スクレーパツースの刃先を常にカッタ板の前方に向けた状態にしておくことができ、掘削した礫等との衝接による欠損や破損を防止することができる。

さらに、ビットによる地盤の掘削時には、スポークが回転中心軸回りに回転しようとするが、その回転力は、該回転中心軸と切替手段であるジャッキとによって確実に受止してビットの掘削能力を低下させる虞れがないばかりでなく、掘削中のビットの先端はカッタ板の回転によって常に地盤に食い込む方向に作用し、トンネルを確実且つ効率よく掘進することができる。

次に本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１、図２において、シールド掘削機11のスキンプレート12の前端部内には外周端面を該スキンプレート12の内周面に一体に固着している隔壁13が張設されてあり、この隔壁13にスキンプレート12の外径と略同径の形状のカッタ板１を回転自在に支持させている。

このカッタ板１は、粘土層掘削用ビット２と砂礫層掘削用ビット３とを着脱自在に装着しているスポーク４をその回転中心部から外周方に向かって複数本、放射状に配設している。詳しくは、カッ板１の面板1aにその回転中心部の四方から外周端に向かってカッタ板１の前後面間に亘って貫通した一定幅を有する開口部５を設けてあり、各開口部５にこの開口部５よりも小幅で長さが該開口部５の長さに略等しい長方形板状の上記スポーク４が配設されていて、このスポーク４の両側端と開口部５との対向端縁間に土砂取込口10を設けている。さらに、このスポーク４の幅方向の中央から一側部寄りの中間部の背面に、図３に示すように、全長に亘って円筒形状の回動中心軸６を固着していると共に該回動中心軸６をカッタ板１の径方向に向けてその内外両端部をカッタ板１の背面部における内外周部に回動自在に軸支させ、スポーク４を該回動中心軸６回りに前後方向に往復回動自在に構成している。

そして、スポーク４は上記回動中心軸６を中央にして幅狭い一側部4Aと幅広い他側部4Bとが互いにカッタ板１の背面側に向かって小角度だけ横断面へ字状に屈折させてあり、上記回動中心軸６を中心として一側部4Aをカッタ板１の面板1aと面一状、或いは、平行になるように前方に向かって小回動させた時に他側部4Bが回動中心軸６から斜め後方に向かって後退し、他側部４Ｂをカッタ板１の面板1aと面一状、或いは、平行になるように前方に向かって上記と逆方向に小回動させた時に一側部4Aが回動中心軸６から斜め後方に向かって後退するように構成している。

スポーク４の一側部4Aには上記粘土層掘削用ビット２が複数個、その刃先である先端部を一側部4Aの前面から前方に突出させた状態にして長さ方向に小間隔毎に装着されてあり、他側部4Bには上記砂礫手層掘削用ビット３が複数個、その刃先部を該他側部4Bの前面から前方に突出させた状態にして長さ方向に小間隔毎に装着されている。

上記粘土層掘削用ビット２はスクレーパツースのみからなり、このスクレーパツースをその刃先をスポーク４の一側部4Aから前方に突出させ且つ内側面をスポーク４の一側面4Aに当接させた状態にしてボルト40a により着脱自在に装着している一方、上記砂礫層掘削用ビット３はスクレーパツース3aとローラビット3bとからなり、スクレーパツース3aを、その刃先をスポーク４の他側部4Bから前方に突出させ且つ内側面をスポーク４の他側面4Bに当接させた状態にしてボルト40b により着脱自在に装着していると共に、ローラビット3bはスポーク４の他側部に長さ方向に所定間隔毎に設けている取付孔41に挿通状態に配設してその中心を支持軸42により回転自在に軸支されている。スポーク４はこのローラビット3bの径よりも薄肉でなり、従って、ローラビット3bの一部はスポーク４の前後面からそれそれ前方、後方に突出させ、前方への突出長は上記スクレーパツース3aの刃先の突出長と同等又は僅かに長くしている。

さらに、スポーク４の後方側にカッタ板１の背面と一体の中空フレーム体1bを設けてこの中空フレーム体1b内にスポーク４の作動切替手段である油圧ジャッキ７とスポーク４の回動を阻止するロックジャッキ８とを配設している。具体的には、上記回動中心軸６の後方の中空フレーム体1b内における上下２個所に該回動中心軸６の中心部に向かってロックジャッキ８を配設してあり、これらのロックジャッキ８のロッド8aを回動中心軸６の背面側における長さ方向の上下２個所に穿設している係止孔9aと該係止孔9aから周方向に小間隔を存した部分とに穿設している係止孔9bとに離脱可能に挿入、係止させることにより、スポーク４が不測に回動するのを防止すると共に、このロックジャッキ８と並行して上記ローラビット3bの後方側に上下二本のスポーク４の作動切替用油圧ジャッキ７を配設し、このロッド7aをスポーク４の他側部4Bの幅方向の中間部における上下部にそれぞれ回動自在に連結して、該ロッド7aを伸縮させることにより、スポークを４を上記回動中心軸６回りに前後方向に小角度だけ交互に回動させて上記粘土層掘削用ビット２と砂礫層掘削用ビット３とのいずれか一方をカッタ板１の前面から突出させ、他方を上記開口部５内に没入させるように構成している。

なお、上記油圧ジャッキ７はロックジャッキ８に対してそのシリンダ部がスポーク４の幅方向に揺動自在に支持されている。また、上記カッタ板１を回転させて地盤を掘削した場合、各スポーク４に装着している粘土層掘削用ビット２又は砂礫層掘削用ビット３による掘削部分の一部が接触又は重複するように、一方のスポーク４に装着しているビット列と他方のスポークに装着しているビットとが長さ方向にずらした状態で配設されている。さらにまた、カッタ板１の前面中心部には複数本のスクレーパツース3cが前方に突出した状態で装着されている。

このように構成しているカッタ板１の回転駆動機構としては、公知のように、上記隔壁13にカッタ板１の回転中心軸14を回転自在に支持させていると共にカッタ板１の外周部に後方に向かって複数本の支持部材15を突設し、これらの支持部材15の後端に一体に取り付けているリング部材16を隔壁13の前面に回転自在に支持させると共に、該リング部材16の後面に内歯車17を固着し、この内歯車17を隔壁13の後面に装着している駆動モータ18の回転軸に固着した歯車19に噛合させて駆動モータ18によりカッタ板１を回転させるように構成している。

さらに、シールド掘削機11の機内にはスクリューコンベア20を配設してその前端開口部を隔壁13の下端部を貫通して上記カッタ板１と隔壁13との間の空間部で形成している土砂取込室21内に臨ませている。また、シールド掘削機11のスキンプレート12は互いに複数本の中折れジャッキ22によって屈折自在に連結した前後胴部12a 、12b からなり、後胴部12b の前端部内周面に固着した周枠23にセグメントＳの組立用エレクタ装置24を配設していると共にこの周枠23に複数本の推進ジャッキ25を挿通状態で支持させている。

次に、このように構成したシールド掘削機11によってトンネルを掘進する場合におけるカッタ板１の作用を説明すると、掘削すべき地盤が砂礫層である場合には、図３に実線で示すように、切替用油圧ジャッキ７のロッド7aを伸長させることによって、回動中心軸６を中心としてスポーク４の他側部4Bを前方に小角度だけ回動させることによりその砂礫層掘削用ビット３であるスクレーパツース3aとローラビッド3bとをカッタ板１の前面から前方に突出させる一方、スポーク４の一側部4Aを開口部５内に没入、後退させた状態とし、この状態にしてロックジャッキ８のロッド8aを伸長させることによって回動中心軸６の係止孔9bに挿入、係止させてスポーク４を固定する。

しかるのち、駆動モータ18によってカッタ板１を回転させると共に推進ジャッキ25のロッドを伸長させることにより、エレクタ装置24によって組立てたセグメントＳの前端面に反力をとってシールド掘削機11を掘進させ、トンネルを築造していく一方、砂礫層掘削用ビット３によって掘削した砂礫層を土砂取込口10を通じて取込室21に取り込み、スクリューコンベア20によって後方に排出する。なお、このトンネルの掘進中において、曲線トンネル部を掘削する場合や掘進方向を修正したい場合には、中折れジャッキ22を作動させて後胴部12b に対して前胴部12a を所定方向に屈折させればよい。

次に、掘削すべき地盤が粘土層である場合には、一旦、ロックジャッキ８のロッド8aを後退させて回動中心軸６の係止孔9bから離脱させたのち、図３に仮想線で示すように、切替用油圧ジャッキ７のロッド7aを後退させることによって、回動中心軸６を中心としてスポーク４を上記と反対方向に小角度だけ回動させ、その一側部4Bを前方に移動させることにより該一側部1Bの側端面に装着している粘土層掘削用ビット２をカッタ板１の前面から前方に突出させる一方、スポーク４の他側部4Bを開口部５内に没入、後退させた状態とし、この状態にしてロックジャッキ８のロッド8aを伸長させることによって回動中心軸６の係止孔9aに挿入、係止させてスポーク４を固定する。

しかるのち、上記同様に駆動モータ18によってカッタ板１を上記とは逆方向に回転させると共に推進ジャッキ25のロッドを伸長させることにより、エレクタ装置24によって組立てたセグメントＳの前端面に反力をとってシールド掘削機11を掘進させ、粘土層中にトンネルを築造していくものである。

上記粘土層掘削用ビット２や砂礫層掘削用ビット３によって地盤を掘削する場合、カッタ板１を回転させると、ビット２又は３は回動中心軸６を支点として前方、即ち、地盤に食い込む方向に作用し、従って、地盤を円滑且つ確実に掘削することができるものである。

上記実施の形態においては、粘土層の地盤を掘削する場合には、スポーク４の一側部に装着している粘土層掘削用ビット２をカッタ板１の前面から突出させてその刃先をカッタ板１の一回転方向に向けた状態で該カッタ板１を一方向にのみ回転させる一方、砂礫層の地盤を掘削する場合には、スポーク４の他側部に装着している砂礫層掘削用ビット３をカッタ板１の前面から突出させてその刃先をカッタ板１の上記回転方向とは逆方向に向けた状態で該カッタ板１をその方向に回転させるように構成しているが、このように、掘削すべき地層に応じてカッタ板１をそれぞれ同一方向に回転させると、シールド掘削機11がローリングすることになる。

このようなローリングを発生させることなく、粘土層や砂礫層の地盤を掘削し得るように構成したカッタ板1'について、次に説明する。図４はそのカッタ板1'の正面図であって、上記図２で示した実施の形態は、四方の開口部５に配設している全てのスポーク４を、その粘土層掘削用ビット２を装着している一側部4Aを一方の回転方向（図においては時計回り方向）に向け、砂礫層掘削用ビット３を装着している他側部4Bを他方の回転方向（図においては反時計回り方向）に向けているが、この実施の形態においては、隣接するスポーク４、４において、粘土層掘削用ビット２を装着している一側部4Aを時計回り方向と反時計回り方向、従って、砂礫層掘削用ビット３を装着している他側部4Bは反時計回り方向と時計回り方向とにそれぞれ交互に向けた状態で配設してなるものである。その他の構造については上記実施の形態と同様であるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

このように構成したので、砂礫層の地盤を掘削する場合には、図５に示すように各スポーク４における切替用油圧ジャッキ７のロッド7aを伸長させると、スポーク４は回動中心軸６を中心として小角度だけ回動して砂礫層掘削用ビット３をカッタ板１の前面から前方に突出させる一方、粘土層掘削用ビット２を開口部５内に後退、没入させた状態となる。この際、砂礫層掘削用ビット３を装着している四方のスポーク４の他半部4Bを交互に相反する方向に向けた状態にして各スポーク４を開口部５に配設しているので、隣接するスポーク４、４における砂礫層掘削用ビット３、３の刃先はそれぞれカッタ板１の時計回りの回転方向と反時計回りの回転方向とに向けた状態となり、カッタ板１を時計回り方向、反時計回り方向のいずれの方向に回転させても砂礫層の掘削が可能となり、シールド掘削機11のローリングを防止することができる。

同様に、粘土層の地盤を掘削する場合には、図６に示すように、各スポーク４における切替用油圧ジャッキ７のロッド7aを収縮させると、スポーク４は回動中心軸６を中心として小角度だけ回動して粘土層掘削用ビット２をカッタ板１の前面から前方に突出させる一方、砂礫層掘削用ビット３を開口部５内に後退、没入させた状態となる。この際、粘土層掘削用ビット２を装着している四方のスポーク４の一半部4Aを交互に相反する方向に向けた状態にして各スポーク４を開口部５に配設しているので、隣接するスポーク４、４における粘土層掘削用ビット２、２の刃先はそれぞれカッタ板１の時計回りの回転方向と反時計回りの回転方向とに向けた状態となり、カッタ板１を時計回り方向、反時計回り方向のいずれの方向に回転させても砂礫層の掘削が可能となり、シールド掘削機11のローリングを防止することができる。

シールド掘削機の簡略縦断側面図。カッタヘッドの正面図。スポーク部分の横断面図。別な実施の形態を示すカッタヘッドの正面図。その隣接するスポーク部分を展開した横断面図。粘土層掘削用ビットによる掘削状態を示す横断面図。

符号の説明

１カッタ板
２粘土層掘削用ビット
３砂礫層掘削用ビット
４スポーク
５開口部
６回転中心軸
７切替用油圧ジャッキ
８ロックジャッキ
11 シールド掘削機

Claims

粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとを装着しているスポークをカッタ板の回転中心部側から外周方に向かって放射状に配設しているカッタ板であって、上記各スポークはカッタ板の面板に開設している開口部に軸心がカッタ板の径方向に指向している回動中心軸回りに前後方向に往復回動自在に配設されていると共に上記回動中心軸を中央にして両側部を互いにカッタ板の背面側に向かって屈折させて一方の側部に上記粘土層掘削用ビットを、他方の側部に上記砂礫層掘削用ビットを長さ方向に所定間隔毎に装着してあり、さらに、このスポークを上記回動中心軸回りに回動させて上記粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとのいずれか一方をカッタ板の前面から突出させ、他方を上記開口部内に没入させる切替手段をカッタ板の背面側に配設していることを特徴とするシールド掘削機のカッタ板。
粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ時計回り方向と反時計回り方向に向けているスポークと、粘土層掘削用ビットと砂礫層掘削用ビットとをそれぞれ反時計回り方向と時計回り方向に向けているスポークとを交互に配設していることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘削機のカッタ板。
粘土層掘削用ビットはスポークの一側端面に装着されているスクレーパツースであり、砂礫層掘削用ビットはスポークの他側端面に装着されているスクレーツースとこの他側部の幅方向の中央部に回転自在に装着されているローラビットとからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシールド掘削機のカッタ板。
切替手段は油圧ジャッキからなり、そのロッドの先端をスポークの他側部背面に連結して、該ロッドの伸縮によりスポーク体を回動中心軸を中心として前後方向に往復回動可能に構成していることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のシールド掘削機のカッタ板。