JP4143911B2 - シールド掘進機のカッタビット交換方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はシールド掘進機のカッタビット交換方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、シールドトンネル掘削工事の長距離化に伴い、シールド掘進機のカッタビットの維持管理が問題となっている。掘進途中におけるカッタビットの交換方法としては、例えばトンネル掘進予定位置の途中に、予めビット交換のための立坑を構築しておき、この立坑内にシールド掘進機が到達したときに、該立坑内で掘進機前端のトンネル掘削用カッタに固定されているカッタビットの交換作業を行う中間立坑方式によるカッタビット交換方法がある。
【0003】
また、トンネル掘進予定位置の地盤中に、地盤硬化剤の注入によって安定度の高い改良地盤層を形成しておき、この改良地盤層内にシールド掘進機の先端を進入させた状態で停止させ、チャンバーマンホールよりトンネル掘削用カッタの前面側の改良土を人力によって排出し、形成されるトンネル掘削用カッタ前面側の空間内でビット交換作業を行う事前前面部地盤改良方式によるカッタビット交換方法がある。
【0004】
また、シールド掘進機がビット交換位置に到達後、坑内よりシールド掘進機の前面および前端部周囲の地盤を凍結工法によって安定度の高い地盤に改良し、前述の方法と同様に、チャンバーマンホールよりトンネル掘削用カッタの前面側の改良土を人力によって排出し、形成されるトンネル掘削用カッタ前面側の空間内でビット交換作業を行う到達後前面部地盤改良方式によるカッタビット交換方法がある。
【0005】
更に、シールド掘進機自体に、カッタビットの交換作業が可能なドライ空間を機械的構造によって形成したり、掘削用カッタを前後に旋回させたり、坑内に引き込んだりしたりできるような機械的構造を予めシールド掘進機に設置しておく等の機械構造方式によるカッタビット交換方法がある。
【0006】
しかし、これらのカッタビット交換方法には、次のような問題点がある。
まず、中間立坑方式によるカッタビット交換方法では、交換位置で立坑を構築する必要があり、工程的に長期間を要し、かつコストが高くなる。さらに、立坑構築に広い用地の確保が必要となり、場所的な制約も伴う。
【0007】
また、事前前面部地盤改良方式によるカッタビット交換方法では、人力によって改良地盤の掘削、掘削土砂の撤去等の作業を行う必要があること、及びシールド掘進機と改良地盤との間の止水が必要であること、などから安全性に問題があり、さらに工程的に長期間を要する。
【0008】
また、到達後前面部地盤改良方式によるカッタビット交換方法では、坑内から凍結工法によって地盤改良を行うため、小口径のシールドトンネルでは施工できず、凍結、解凍によって地盤変動の発生も予測される。さらに、工程的に長期間を要し、工費も高い。
【0009】
また、機械構造方式によるカッタビット交換方法では、トンネル掘削用カッタ部分の構造が複雑になるとともに、カッタ関係の製作条件としてビット交換構造が支配的となり、シールド掘進機の製造コストが高く、しかも構造的に小口径のシールドトンネルには利用が困難である。
【0010】
そこで、回転カッタの中心部より放射状に延びる各カッタビット装着溝のカッタ回転中心側端部に、カッタビット押し出しジャッキを備えた新カッタビット挿入部を設けるとともに、この新カッタビット挿入部の後方に、ビット交換ボックスを設置し、ビット交換ボックスには、その前後にシャッタや蓋を装備させるとともにビットスライド用ジャッキを設置し、カッタビット押し出しジャッキによってカッタビット装着溝に装着したカッタビットを回転カッタ外周側に押出しできるようにし、新カッタビット挿入部には、回転カッタの背面側からビット交換ボックス内に設置した新カッタビットをビットスライド用ジャッキにより挿入できるようにし、ビットスライド用ジャッキによって新カッタビット挿入部に挿入した新カッタビットをさらにカッタビット押し出しジャッキによってカッタビット装着溝に挿入できるようにして、前述の各種問題を解消したカッタビット交換方法が本出願人により既に提案されている(例えば特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開2001−207786号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなカッタビット交換方法においては、カッタビット装着溝の軸線から外れた直交方向にビット交換ボックスが設置されているため、ビット交換ボックス内の新カッタビットを新カッタビット挿入部まで移動させるためのビットスライド用ジャッキが必要となる。さらに、スライダのガイドとなるスリットをビット交換ボックスの壁に形成している。このため、小型化に限界がある上、必然的に開口部が増え、水密対策が必要となるという難点があった。
【0013】
本発明の技術的課題は、開口部が少なく、小型化でき、低コストで、短時間で安全かつ容易にビット交換できるようにすることにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法は、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体に、カッタビット供給孔を周方向複数個所設け、これらカッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有するカッタスポークを前記回転体に一体化して設け、かつ回転体内には、各カッタビット供給孔と選択的に連通する単一のカッタビット収容室を有する内筒を相対回動可能に設けるとともに、内筒にカッタビット押出手段を設けてなるシールド掘進機を用いて、トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、該カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させて、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によって旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換することを特徴としている。
【0015】
また、この方法に用いられる装置は、請求項3のようにカッタビットを挿通可能なカッタビット供給孔を周方向複数個所に有し、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体と、カッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有し、回転体に固定されたカッタスポークと、カッタスポークの背面側に設けられて、カッタビット装着溝内のカッタビット列を解放可能に固定するカッタビット固定手段と、各カッタビット供給孔と選択的に合致する開口、及び新カッタビットを設置するためのカッタビット設置用孔を備えた単一のカッタビット収容室を有し、回転体内に相対回動可能に設けられた内筒と、内筒のカッタビット設置用孔に設けられた蓋体と、カッタビット収容室内に設置された新カッタビットを径方向外方へ押出可能に、カッタビット収容室の底部に設けられたカッタビット押出手段と、回転体と内筒との間に介在設置され、内筒を回転体と一体化し、又は内筒を回転体に対し相対的に回転駆動する内筒駆動装置と、を備えたものである。
【0016】
本発明の請求項2に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法は、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体に、カッタビット供給孔を周方向複数個所設け、これらカッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有するカッタスポークを回転体に一体化して設け、かつ回転体内には、各カッタビット供給孔と選択的に連通する単一のカッタビット収容室を有する内筒を相対回動可能に設けるとともに、内筒にカッタビット押出手段を設け、カッタスポークには、そのカッタビット装着溝内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段を設けてなるシールド掘進機を用いて、トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させ、カッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段によって弾性支持させた状態下で、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によってカッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段の付勢力に抗してスライドさせ、旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換し、交換後のカッタビット列はカッタビット保持手段の弾性力によって元の位置に復帰させることを特徴としている。
【0017】
また、この方法に用いられる装置は、請求項4のようにカッタビットを挿通可能なカッタビット供給孔を周方向複数個所に有し、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体と、カッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有し、回転体に固定されたカッタスポークと、カッタスポークの背面側に設けられて、カッタビット装着溝内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段と、各カッタビット供給孔と選択的に合致する開口、及び新カッタビットを設置するためのカッタビット設置用孔を備えた単一のカッタビット収容室を有し、回転体内に相対回動可能に設けられた内筒と、内筒のカッタビット設置用孔に設けられた蓋体と、カッタビット収容室内に設置された新カッタビットをカッタビット保持手段の付勢力に抗してカッタビット列と共に径方向外方へ押出可能に、カッタビット収容室の底部に設けられたカッタビット押出手段と、回転体と内筒との間に介在設置され、内筒を回転体と一体化し、又は内筒を回転体に対し相対的に回転駆動する内筒駆動装置と、を備えたものである。
【0018】
また、この装置において、カッタビット保持手段を、請求項5のようにカッタスポークのカッタビット装着溝内のカッタビット列背面側に配置した係止用ブロックと、回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを前方へ付勢するカッタビット固定用油圧シリンダと、回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを径方向へ付勢するカッタビット復帰用油圧シリンダと、カッタビット固定用油圧シリンダとカッタビット復帰用油圧シリンダの油圧回路内に配置されて、これら各油圧シリンダの発生圧力をカッタビット押出手段の発生圧力よりも低圧に保持する第1のリリーフ弁と、油圧回路内に配置されて、各油圧シリンダの発生圧力を最大圧力に保持する第2のリリーフ弁と、第1と第2のリリーフ弁間で油路を切り替える切替弁と、係止用ブロックの径方向外方への移動量を規制するストッパと、から構成したものであり、又はカッタビット保持手段を、請求項6のようにカッタスポークのカッタビット装着溝内のカッタビット列背面側に配置された係止用ブロックと、回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを前方かつ回転カッタ中心方向へ付勢するカッタビット固定用油圧シリンダと、カッタビット固定用油圧シリンダの油圧回路内に配置されて、油圧シリンダの発生圧力をカッタビット押出手段の発生圧力よりも低圧に保持する第1のリリーフ弁と、油圧回路内に配置されて、各油圧シリンダの発生圧力を最大圧力に保持する第2のリリーフ弁と、第1と第2のリリーフ弁間で油路を切り替える切替弁と、係止用ブロックの径方向外方への移動量を規制するストッパと、から構成したものである。
【0019】
また、以上の装置において、内筒駆動装置を、請求項7のように内筒または回転体の一方に設けたリングギヤと、他方に設けられてリングギヤと噛み合うピニオン及びこのピニオンを駆動する油圧モータと、から構成したものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施形態1.
以下、本発明の第1の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法および装置を図1乃至図7により説明する。図1は本実施形態に係るシールド掘進機の前端中心部を拡大して示す縦断面図、図2は図1のA−A線矢視断面図、図3はシールド掘進機を進行方向前方から見た正面図、図4はシールド掘進機の側面断面図、図5はカッタビット固定手段の詳細を示す縦断面図、図6は図5のB−B線矢視断面図、図7は内筒の背面図である。
【0021】
シールド掘進機の前端部は、図3、図4のように円筒状のスキンプレート1と、スキンプレート1の前端から少し後方内部に設けられた隔壁2を備えている。隔壁2の中央部にはコーン状の回転体3が回転可能に取り付けられ、この回転体3の先端側にスキンプレート1の前端を覆うようにカッタヘッド4が設けられ、カッタヘッド4と隔壁2の間に掘削チャンバ5が形成されている。そして、カッタヘッド4には、図3のように複数のカッタスポーク6が放射状に形成されている。
【0022】
また、回転体3の先端中心部にはフィッシュテールと呼ばれる回転カッタ7が設置され、回転体3と一体に回転できるようになっている。回転体3そのものは、図4のように隔壁2の内側に設置されているカッタヘッド駆動装置50のモータからリングギアを介して動力が伝達され、回転できるようになっている。隔壁2の内側には、さらにシールドジャッキ60と、掘削チャンバ5内の掘削土を排出するためのスクリューコンベア70が設けられている。
【0023】
回転体3には、図2のようにその周方向複数個所(ここでは4個所)に、カッタビット8を挿通可能なカッタビット供給孔3aが設けられ、これらカッタビット供給孔3aの位置に各カッタスポーク6が配置され固定されている。
【0024】
カッタスポーク6は、図2、図6のように前面が開口する断面リップ形状を呈し、回転体3のカッタビット供給孔3aに連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝6aが形成されている。カッタビット装着溝6aは、その前面開口であるスリット6bよりカッタビット8のビット部8aを突出させた状態でカッタビット装着溝6a内にカッタビット8のビット支持駒8bを収容できるようになっていて、複数のカッタビット8をスライド可能に一列に支持できるようになっている。
【0025】
また、カッタスポーク6の背面側には、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列を解放可能に固定するカッタビット固定装置11が設けられている。カッタビット固定装置11は、図5、図6のように各カッタビット8のビット支持駒8bの後面に形成した谷形の係止用凹部8cに嵌入可能な波状面12aを前面に有し、カッタビット装着溝6a内の各カッタビット8の背面側に挿入配置された係止用ブロック12と、係止用ブロック12の長手部を背面より支持して、係止用ブロック12をカッタビット列に対して進退駆動することで、カッタビット装着溝6a内の各カッタビット8を、スリット6bのエッジと波状面12aとで挟み付けて拘束、あるいはこれらの係合を解くことで解放する一対の油圧シリンダ13,14とから構成されている。
【0026】
また、回転体3の内部には、図1、図2、図7のようにシール材15により水密を保持されて回転体3と相対回動可能な内筒16が設けられているとともに、回転体内面における各カッタビット供給孔3aの周りにもシール材15aが設けられている。内筒16には、回転体3の各カッタビット供給孔3aと選択的に合致する単一の開口16aが形成されているとともに、開口16aの内方に、新カッタビット8Aをセットするための単一のカッタビット収容室17が設けられている。さらにカッタビット収容室17の軸方向内端には、カッタビット設置用孔17aが形成され、カッタビット設置用孔17aが蓋体18によって開放可能に密閉されている。またカッタビット収容室17の底部には、このカッタビット収容室17内にセットされた新カッタビット8Aを、内筒16の回動に影響を及ぼさない径方向外方まで押出可能なストロークを有するカッタビット押出手段すなわち油圧シリンダ19が設けられている。油圧シリンダ19は、カッタビット交換時に、新カッタビット8Aと共にカッタビット列全体をカッタビット1個分、径方向外方へ押し出し、カッタビット装着溝6aの終端に位置する旧カッタビット8を外周方向に押し出して順次新しいカッタビットに交換する機能を有するものであるが、カッタビット押出手段を必ずしも油圧シリンダ19に限定する必要はなく、例えばボールねじ等を利用した他の直動機構の採用も可能である。
【0027】
また、内筒16は、図1、図4のように内筒駆動装置21によって、シールド掘進機の掘進時には回転体3と一体となって回動するように、さらにカッタビット交換時には回転体3に対し相対的に回転駆動されるようになっている。内筒駆動装置21は、内筒16の内端に固定したリングギヤ22と、回転体3側に取り付けられてリングギヤ22と噛み合うピニオン23及びこのピニオン23を駆動する油圧モータ24とから構成されており、非駆動時には油圧モータ24によりロックされ、内筒16と回転体3とが一体化されるようになっている。なお、リングギヤ22と、ピニオン23及び油圧モータ24との取付位置関係は逆でもよいことは言うまでもない。さらに、リングギヤとピニオンとの組合せによる回転方式以外に油圧ジャッキなどを使用した回転機構とすることが可能であることも言うまでもない。
【0028】
次に、本実施形態装置によるシールド掘進機のカッタビット交換方法について図1乃至図7に基づき説明する。シールド掘進機の掘進時は、回転体3に対する内筒16のカッタビット収容室17の位置が、各カッタビット供給孔3a間の位置a,b,c,d(図2)のいずれかの位置、すなわちカッタビット収容室17の開口16aが回転体3の内周面で遮蔽されて、回転体3と内筒16間の水密が保持されている位置にあり、この状態で内筒駆動装置21の油圧モータ24が停止していて、内筒16と回転体3とが油圧モータ24によりロックされて一体化し、これによって内筒16と回転体3が一体回転するようになっている。
【0029】
カッタビットを交換するには、まずカッタヘッド4の回転を停止させ、次いでカッタビット収容室17のカッタビット設置用孔17aを覆っている蓋体18を開放して、カッタビット設置用孔17aよりカッタビット収容室17内に新カッタビット8Aをセットし、その後、再び蓋体18によってカッタビット設置用孔17aを閉止する。
【0030】
次に、前記状態から油圧モータ24を駆動し、ピニオン23、リングギヤ22を介して内筒16を回転体3に対し相対回動させ、カッタビット収容室17の開口16aと、カッタビットを交換したいカッタスポーク6に連なる回転体3のカッタビット供給孔3aとの位置合わせを行う(図1乃至図7の状態)。
【0031】
次いで、新カッタビット8Aが直上の旧カッタビット8に当接するまでカッタビット押出手段である油圧シリンダ19のピストンロッドを伸長させ、次にカッタビット固定装置11の油圧シリンダ13,14の保持圧を油圧シリンダ19の発生圧力よりも低圧に保持して、係止用ブロック12の波状面12aとカッタビット列後面の各係止用凹部8cとの係合を緩める。
【0032】
その後、油圧シリンダ19のピストンロッドをさらに伸長させて、新カッタビット8Aを含むカッタビット列全体をカッタビット1個分、径方向外方へ押し出し、カッタビット装着溝6aの終端に位置する旧カッタビット8を外周方向に押し出す。そして、カッタビット固定装置11の油圧シリンダ13,14を最大圧力モードとし、各ピストンロッドを伸長させて、係止用ブロック12の波状面12aと新カッタビット8Aを含むカッタビット列後面の各係止用凹部8cとの係合状態を強固なものとし、各カッタビットを拘束する。その後、油圧シリンダ19のピストンロッドを元の位置まで縮退させ、カッタビット収容室17内の空間を確保する。
【0033】
さらに、同列において新旧カッタビットの交換が必要があれば、前記状態からカッタビット収容室17の蓋体18を開放して、カッタビット設置用孔17aよりカッタビット収容室17内に新カッタビット8Aをセットし、再び蓋体18によってカッタビット設置用孔17aを閉止した後、前述と同様の手順により新旧カッタビットの交換を行う。以上の動作を、交換が必要なカッタビットの個数分繰り返す。他のカッタスポーク6の新旧カッタビットの交換も前述と同様の手順により行う。
【0034】
必要なカッタビットの交換を全て終えれば、カッタビット収容室17の位置が、もよりの各カッタビット供給孔3a間の位置(図2のa,b,c,dのいずれかの位置)にくるまで油圧モータ24を駆動し、ピニオン23、リングギヤ22を介して内筒16を回転体3に対し相対回動させ、カッタビット収容室17の開口16aを回転体3の内周面にて遮蔽する。
【0035】
このように、本実施形態においては、放射方向に配置されているカッタビット列の中心部に交換用の新カッタビット8Aを直接セットでき、かつ単一のカッタビット収容室17を全てのカッタビット列に対応させることができる。このため、さらなる小型化が図れ、かつ必要とする駆動装置(シリンダ等)の数を従来に比し大幅に減らすことができて、コストを大幅に低減することができる。
【0036】
また、カッタビット収容室17を二重管の内側(内筒16)に設けて、カッタビット収容室17の開口16aを外側の管(回転体3)の内周面にて遮蔽できるようにしているので、水密性が向上し、機内への掘削汚泥等の侵入を防止することができた。
【0037】
また、放射方向に配置されているカッタビット列の中心部から押し出して、カッタヘッド4の最外周のものから順に交換するようにしているので、最も摩耗の激しいものから順次交換でき、合理的である。さらに、交換のために掘進作業を停止させる時間が短時間で済み、経済性も高い。
【0038】
また、カッタビット列の全体を解放可能に背面側より支持するカッタビット固定装置11を設けたので、各カッタビット相互間の連結手段が不要となり、その分、カッタビットの小型・軽量化が図れた。
【0039】
実施形態2.
図8は本発明の第2の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット固定手段の詳細を示す縦断面図であり、図中、前述の第1実施形態のものと同一部分には同一符号を付してある。
【0040】
この第2実施形態のシールド掘進機は、大口径のシールド掘進機に適用したもので、カッタビット80のビット支持駒の後面を係止用斜面80cに形成するとともに、カッタビット固定手段11Aの係止用ブロック12Aの前面にカッタビット列の各係止用斜面80cに嵌入可能なのこ刃状面12bを形成し、かつカッタビット収容室17内にセットされた新カッタビット80Aの押出手段として、前述の第1実施形態の油圧シリンダよりさらにカッタビット1個分、ストロークの長い油圧シリンダ19Aを用いた点が前述の第1実施形態のものと異なっており、それ以外の構成および新旧カッタビット交換の手順は前述の第1実施形態のものと基本的に同じであり、第1実施形態の持つ機能を全て備えている。
【0041】
前述の第1実施形態のカッタビット8では、図5のように重量軽減化のためにビット支持駒部に円孔を形成しているが、この場合には強度確保の観点から小型化に限界がある上、係止用凹部8cを深くすることができない。このため、カッタビット固定手段11の油圧シリンダ13,14の押し付け力をある程度確保する必要がある。
【0042】
この第2実施形態のシールド掘進機においては、カッタビット後面の係止用斜面80cの長さの確保が容易で、さらにカッタビット列が図8の如く上向きに位置した場合には、カッタビット80と係止用ブロック12Aとの係合は基本的に上下の面で行われる。このため、カッタビット列拘束の信頼性が高く、カッタビット固定手段11Aの油圧シリンダ13,14の押し付け力の軽減化が図れる。さらに、カッタビットの強度の確保が容易となり、その小型化が図れる。
【0043】
実施形態3.
図9は本発明の第3の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図であり、図中、前述の第1実施形態のものと同一部分には同一符号を付してある。
【0044】
図9に示すように各カッタビット8の外周側端面と内周側端面にそれぞれ凹部30aと凸部30bを設ければ、カッタビット列を整列させることができて、カッタビットの交換作業や固定作業が容易となる。しかし、この場合は、カッタビットを交換する際に、油圧シリンダ19のピストンロッドを伸長させて、新カッタビット8Aを含むカッタビット列全体をカッタビット1個分、径方向外方へ押し出し、カッタビット装着溝6a(図2参照)の終端に位置する旧カッタビット8を外周方向に押し出したとしても、この状態では押し出された旧カッタビット(以下これを「排出カッタビット」という)8とカッタビット装着溝終端に位置する次のカッタビット8とは互いの凹凸部30a,30bが係合した状態にあり、排出カッタビット8と次のカッタビット8との境界部からの分離(以下これを「縁切り」という)が不十分な場合も想定される。
【0045】
この第3実施形態のシールド掘進機は、カッタスポーク6の背面側に、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段40Aを設けて、縁切りをスムーズに行えるようにしたものである。
【0046】
これを更に詳述すると、カッタビット保持手段40Aは、カッタスポーク6のカッタビット装着溝6a内のカッタビット列背面側に配置した係止用ブロック12と、回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝6aの軸線に沿って放射方向に延びる面(以下これを「放射面」という)内で揺動可能となるように、ロッド側が軸32aを介して係止用ブロック12に、ボトム側がカバー31及びこれに取り付けられた軸32bを介してカッタスポーク6に、それぞれ枢着されて、係止用ブロック12を前方へ付勢する一対のカッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aと、カバー36に覆われて前記放射面内で揺動可能となるようにカッタビット固定用油圧シリンダ13A,14A間に配置され、ロッド側がブラケット33及び軸37aを介して係止用ブロック12に、ボトム側がブラケット34及び軸37bを介してカッタスポーク6に、それぞれ枢着されて、係止用ブロック12を径方向すなわち回転カッタ中心側へ付勢するカッタビット復帰用油圧シリンダ35と、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aとカッタビット復帰用油圧シリンダ35の図示しない油圧回路内に配置されて、これら各油圧シリンダ13A,14A,35の発生圧力をカッタビット押出手段である油圧シリンダ19の発生圧力よりも低圧に保持する第1のリリーフ弁、各油圧シリンダ13A,14A,35の発生圧力を最大圧力に保持する第2のリリーフ弁、及びこれらリリーフ弁間で油路を切り替える切替弁と、係止用ブロック12の径方向外方への移動量を規制するストッパとなるカッタヘッド外部枠4aと、この外部枠4aの先端部と径方向で重畳するように係止用ブロック12の背面部における径方向外端に形成した段部12cとから構成されている。それ以外の構成は前述の第1実施形態のものと同様である。
【0047】
この第3実施形態のシールド掘進機において、カッタビット復帰用油圧シリンダ35による係止用ブロック12すなわちカッタビット列の復帰位置は、カッタビット装着溝基端に位置するカッタビット8の凸部30bが内筒16と干渉しない位置となっており、その位置がカッタビット復帰用油圧シリンダ35のストロークエンドとなるように設定されている。
【0048】
次に、本実施形態装置によるシールド掘進機のカッタビット交換方法について図9に基づき前述の図1乃至図4を参照しながら説明する。シールド掘進機の掘進時は、回転体3に対する内筒16のカッタビット収容室17の位置が、各カッタビット供給孔3a間の位置a,b,c,d(図2)のいずれかの位置、すなわちカッタビット収容室17の開口16aが回転体3の内周面で遮蔽されて、回転体3と内筒16間の水密が保持されている位置にあり、この状態で内筒駆動装置21の油圧モータ24が停止していて、内筒16と回転体3とが油圧モータ24によりロックされて一体化し、これによって内筒16と回転体3が一体回転する。
【0049】
カッタビットを交換するには、まずカッタヘッド4の回転を停止させ、次いでカッタビット収容室17のカッタビット設置用孔17aを覆っている蓋体18を開放して、カッタビット設置用孔17aよりカッタビット収容室17内に新カッタビット8Aをセットし、その後、再び蓋体18によってカッタビット設置用孔17aを閉止する。
【0050】
次に、前記状態から油圧モータ24を駆動し、ピニオン23、リングギヤ22を介して内筒16を回転体3に対し相対回動させ、カッタビット収容室17の開口16aと、カッタビットを交換したいカッタスポーク(例えば直下に位置するカッタスポーク)に連なる回転体3のカッタビット供給孔3aとの位置合わせを行う。
【0051】
次いで、切替弁によりカッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aとカッタビット復帰用油圧シリンダ35の油圧回路を第1のリリーフ弁側に切り替えて、これら各油圧シリンダ13A,14A,35の発生圧力をカッタビット押出手段である油圧シリンダ19の発生圧力よりも低圧となるように設定した後、カッタビット押出手段である油圧シリンダ19のピストンロッドを、各油圧シリンダ13A,14A,35の付勢力に抗して伸長させ、新カッタビット8Aを含むカッタビット列全体をカッタビット1個分以上、径方向外方へ押し出し、カッタビット装着溝6aの終端に位置する旧カッタビット8を外周方向に押し出す。その際、途中で係止用ブロック12の段部12cが外部枠4aに係合して、係止用ブロック12の径方向外方への移動が規制されるが、油圧シリンダ19の伸長動作は所定ストロークまで継続される。このため、係止用ブロック12に対してカッタビット列が相対移動し、そのカッタビット列後面に形成される波状面によって係止用ブロック12がカッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aの付勢力に抗して後方へ押しやられ、互いの波状面の相対移動が一山超えれば再び係止用ブロック12の波状面12aとカッタビット列後面に形成される波状面とが嵌り合って係合する。この段階で油圧シリンダ19はストロークエンドとなり、続いて縮退動作を開始する。
【0052】
その後、油圧シリンダ19の縮退動作に伴って係止用ブロック12すなわちカッタビット列が、カッタビット復帰用油圧シリンダ35の復帰力によりそのストロークエンドまでカッタビット装着溝6a内を径方向内方へスライドする。
【0053】
さらに、同列において新旧カッタビットの交換が必要があれば、前記状態からカッタビット収容室17の蓋体18を開放して、カッタビット設置用孔17aよりカッタビット収容室17内に新カッタビット8Aをセットし、再び蓋体18によってカッタビット設置用孔17aを閉止した後、前述と同様の手順により新旧カッタビットの交換を行う。以上の動作を、交換が必要なカッタビットの個数分繰り返す。他のカッタスポーク6の新旧カッタビットの交換も前述と同様の手順により行う。
【0054】
必要なカッタビットの交換を全て終えれば、カッタビット収容室17の位置が、もよりの各カッタビット供給孔3a間の位置(図2のa,b,c,dのいずれかの位置)にくるまで油圧モータ24を駆動し、ピニオン23、リングギヤ22を介して内筒16を回転体3に対し相対回動させ、カッタビット収容室17の開口16aを回転体3の内周面にて遮蔽するとともに、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aとカッタビット復帰用油圧シリンダ35の油圧回路を第2のリリーフ弁側に切り替えて、これら各油圧シリンダ13A,14A,35の発生圧力が最大圧力に保持されるよう設定してカッタビット列の位置を油圧により固定する。
【0055】
このように、本実施形態においては、カッタビット保持手段40Aにより、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するようにしているので、各カッタビット8の外周側端面と内周側端面にそれぞれカッタビット整列用の凹部30aと凸部30bを設けても、排出カッタビットとの縁切りをスムーズに行うことができる。
【0056】
実施形態4.
図10は本発明の第4の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図であり、図中、前述の第3実施形態のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、ここでも説明にあたっては前述の図1乃至図4を参照するものとする。
【0057】
この第4実施形態のシールド掘進機は、カッタスポーク6の背面側に設けられて、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段40Bの簡略化を図ったもので、一方のカッタビット固定用油圧シリンダ14Aの係止用ブロック12へのロッド枢着部とカッタビット復帰用油圧シリンダ35の係止用ブロック12へのロッド枢着部が、共通のブラケット41により構成されているとともに、これらを覆うカバー42も共通化され、カッタビット固定用油圧シリンダ14Aのボトム側が前記共通カバー42及びこれに取り付けられた軸32bを介してカッタスポーク6に枢着されるようにした点が前述の第3実施形態のものと異なっており、設定圧力の異なる第1及び第2のリリーフ弁を選択的に利用する油圧回路を含むそれ以外の構成および新旧カッタビット交換の手順は前述の第3実施形態のものと同じであり、第3実施形態の持つ機能を全て備えている。
【0058】
この第4実施形態のシールド掘進機においても、カッタビット保持手段40Bにより、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定することができるので、前述の第3実施形態のものと同様、排出カッタビットとの縁切りをスムーズに行うことができるとともに、構成が簡略化された分、製作が容易となる。
【0059】
実施形態5.
図11は本発明の第5の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図であり、図中、前述の第3実施形態のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、ここでも説明にあたっては前述の図1乃至図4を参照するものとする。
【0060】
この第5実施形態のシールド掘進機は、カッタスポーク6の背面側に設けられて、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段40Cの更なる簡略化を図ったもので、前述の第3及び第4実施形態で用いたカッタビット復帰用油圧シリンダ35を削減し、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aにカッタビット復帰用油圧シリンダの機能をも持たせるようにしたものである。
【0061】
すなわち、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aおよびカバー31A,31Aは、いずれも前方かつ回転カッタ中心方向を向くように斜めに配置されている。そして、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aは、放射面内で揺動可能となるように、ロッド側が軸32aを介して係止用ブロック12に、ボトム側がカバー31A及びこれに取り付けられた軸32bを介してカッタスポーク6に、それぞれ枢着されて、係止用ブロック12すなわちカッタビット列を前方かつ回転カッタ中心方向へ付勢するように構成されている点が前述の第3及び第4実施形態のものと異なっており、設定圧力の異なる第1及び第2のリリーフ弁を選択的に利用する油圧回路を含むそれ以外の構成および新旧カッタビット交換の手順は前述の第3及び第4実施形態のものと基本的に同じであり、第3実施形態の持つ機能を全て備えている。
【0062】
この第5実施形態のシールド掘進機において、カッタビット固定用油圧シリンダ13A,14Aは、前方への所定の付勢力が確保されているのであれば、可能な限り回転カッタ中心方向へ向けて配置することが望ましい。すなわち、係止用ブロック12の段部12cが外部枠4aに係合して、係止用ブロック12の径方向外方への移動が規制された状態下で、係止用ブロック12に対して径方向内方への付勢力(復帰力)が作用するように設置すればよい。
【0063】
この第5実施形態においても、カッタビット保持手段40Cにより、カッタビット装着溝6a内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定することができるので、前述の第3実施形態のものと同様、排出カッタビットとの縁切りをスムーズに行うことができるとともに、カッタビット復帰用油圧シリンダを削減できた分、コストを低減することができる。
【0064】
なお、前述の各実施形態ではいずれも本発明を土圧式シールド掘進機に用いたものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、本発明を他の方式、例えば泥水式シールド掘進機にも適用できることは言うまでもない。
【0065】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、該カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させて、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によって旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換するようにしたので、放射方向に配置されているカッタビット列の中心部に交換用の新カッタビットを直接セットでき、かつ単一のカッタビット収容室を全てのカッタビット列に対応させることができた。このため、小型化が図れ、かつ必要とする駆動装置の数を従来に比し大幅に減らすことができて、コストを大幅に低減することができた。
また、カッタビット収容室を二重管の内筒に設けて、カッタビット収容室の開口を外側の回転体の内周面にて遮蔽できるようにしたので、水密性が向上し、機内への掘削汚泥等の侵入を防止することができた。
【0066】
また、本発明によれば、トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、該カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させ、カッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段によって弾性支持させた状態下で、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によってカッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段の付勢力に抗してスライドさせ、旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換し、交換後のカッタビット列はカッタビット保持手段の弾性力によって元の位置に復帰させるようにしたので、排出するカッタビットとの縁切りをスムーズに行うことができた。
【0067】
また、内筒駆動装置を、内筒または回転体の一方に設けたリングギヤと、他方に設けられてリングギヤと噛み合うピニオン及びこのピニオンを駆動する油圧モータと、から構成したので、内筒を回転体と一体化し、又は内筒を回転体に対し相対的に回転駆動する内筒駆動装置を容易に得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るシールド掘進機の前端中心部を拡大して示す縦断面図である。
【図2】図1のA−A線矢視断面図である。
【図3】第1実施形態に係るシールド掘進機を進行方向前方から見た正面図である。
【図4】第1実施形態に係るシールド掘進機の側面断面図である。
【図5】第1実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット固定手段の詳細を示す縦断面図である。
【図6】図5のB−B線矢視断面図である。
【図7】第1実施形態に係るシールド掘進機の内筒の背面図である。
【図8】本発明の第2実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット固定手段の詳細を示す縦断面図である。
【図9】本発明の第3の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図である。
【図10】本発明の第4の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図である。
【図11】本発明の第5の実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット保持手段の詳細を示す縦断面図である。
【符号の説明】
3 回転体
3a カッタビット供給孔
4a カッタヘッド外部枠(ストッパ)
7 回転カッタ
6 カッタスポーク
6a カッタビット装着溝
8,80 カッタビット
8A,80A 新カッタビット
11,11A カッタビット固定手段
12 係止用ブロック
12c 段部
13A,14A カッタビット固定用油圧シリンダ
16 内筒
16a 開口
17 カッタビット収容室
17a カッタビット設置用孔
18 蓋体
19,19A 油圧シリンダ(カッタビット押出手段)
21 内筒駆動装置
22 リングギヤ
23 ピニオン
24 油圧モータ
35 カッタビット復帰用油圧シリンダ
40A,40B,40C カッタビット保持手段
Claims (7)
- シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体に、カッタビット供給孔を周方向複数個所設け、これらカッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有するカッタスポークを前記回転体に一体化して設け、かつ該回転体内には、前記各カッタビット供給孔と選択的に連通する単一のカッタビット収容室を有する内筒を相対回動可能に設けるとともに、内筒にカッタビット押出手段を設けてなるシールド掘進機を用いて、トンネル掘進途中でカッタビットを交換する方法であって、
トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、該カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、
カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させて、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によって旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換することを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換方法。 - シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体に、カッタビット供給孔を周方向複数個所設け、これらカッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有するカッタスポークを前記回転体に一体化して設け、かつ該回転体内には、前記各カッタビット供給孔と選択的に連通する単一のカッタビット収容室を有する内筒を相対回動可能に設けるとともに、内筒にカッタビット押出手段を設け、カッタスポークには、そのカッタビット装着溝内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段を設けてなるシールド掘進機を用いて、トンネル掘進途中でカッタビットを交換する方法であって、
トンネル掘進時には、カッタビット収容室をカッタビット供給孔との非連通位置に位置させて、該カッタビット収容室を回転体にて遮蔽し、
カッタビット交換時には、カッタビット収容室とカッタビット供給孔とを連通させ、カッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段によって弾性支持させた状態下で、カッタビット収容室内に設置した新カッタビットをカッタビット押出手段によってカッタビット装着溝内に挿入するとともに、この挿入圧力によってカッタビット装着溝内のカッタビット列をカッタビット保持手段の付勢力に抗してスライドさせ、旧カッタビットをカッタビット装着溝における回転カッタ外周側よりシールド掘進機外に押し出すことによって、順次新しいカッタビットに交換し、交換後のカッタビット列はカッタビット保持手段の弾性力によって元の位置に復帰させることを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換方法。 - カッタビットを挿通可能なカッタビット供給孔を周方向複数個所に有し、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体と、
前記カッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有し、前記回転体に固定されたカッタスポークと、
前記カッタスポークの背面側に設けられて、前記カッタビット装着溝内のカッタビット列を解放可能に固定するカッタビット固定手段と、
前記各カッタビット供給孔と選択的に合致する開口、及び新カッタビットを設置するためのカッタビット設置用孔を備えた単一のカッタビット収容室を有し、前記回転体内に相対回動可能に設けられた内筒と、
前記内筒のカッタビット設置用孔に設けられた蓋体と、
前記カッタビット収容室内に設置された新カッタビットを径方向外方へ押出可能に、該カッタビット収容室の底部に設けられたカッタビット押出手段と、
前記回転体と前記内筒との間に介在設置され、前記内筒を前記回転体と一体化し、又は前記内筒を前記回転体に対し相対的に回転駆動する内筒駆動装置と、
を備えたことを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換装置。 - カッタビットを挿通可能なカッタビット供給孔を周方向複数個所に有し、シールド掘進機前端の回転カッタの中心部に配置された筒状の回転体と、
前記カッタビット供給孔に連通して放射方向に延びるカッタビット装着溝を有し、前記回転体に固定されたカッタスポークと、
前記カッタスポークの背面側に設けられて、前記カッタビット装着溝内のカッタビット列をスライド可能に弾性支持または固定するカッタビット保持手段と、
前記各カッタビット供給孔と選択的に合致する開口、及び新カッタビットを設置するためのカッタビット設置用孔を備えた単一のカッタビット収容室を有し、前記回転体内に相対回動可能に設けられた内筒と、
前記内筒のカッタビット設置用孔に設けられた蓋体と、
前記カッタビット収容室内に設置された新カッタビットを前記カッタビット保持手段の付勢力に抗して前記カッタビット列と共に径方向外方へ押出可能に、該カッタビット収容室の底部に設けられたカッタビット押出手段と、
前記回転体と前記内筒との間に介在設置され、前記内筒を前記回転体と一体化し、又は前記内筒を前記回転体に対し相対的に回転駆動する内筒駆動装置と、
を備えたことを特徴とするシールド掘進機のカッタビット交換装置。 - カッタビット保持手段を、
カッタスポークのカッタビット装着溝内のカッタビット列背面側に配置した係止用ブロックと、
回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が前記係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを前方へ付勢するカッタビット固定用油圧シリンダと、
回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が前記係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを径方向へ付勢するカッタビット復帰用油圧シリンダと、
カッタビット固定用油圧シリンダとカッタビット復帰用油圧シリンダの油圧回路内に配置されて、これら各油圧シリンダの発生圧力をカッタビット押出手段の発生圧力よりも低圧に保持する第1のリリーフ弁と、
前記油圧回路内に配置されて、前記各油圧シリンダの発生圧力を最大圧力に保持する第2のリリーフ弁と、
前記第1と第2のリリーフ弁間で油路を切り替える切替弁と、
前記係止用ブロックの径方向外方への移動量を規制するストッパと、
から構成したことを特徴とする請求項4記載のシールド掘進機のカッタビット交換装置。 - カッタビット保持手段を、
カッタスポークのカッタビット装着溝内のカッタビット列背面側に配置された係止用ブロックと、
回転カッタの中心軸線からカッタビット装着溝の軸線に沿って放射方向に延びる面内で揺動可能に、ロッド側とボトム側が前記係止用ブロックとカッタスポークとにそれぞれ枢着されて、係止用ブロックを前方かつ回転カッタ中心方向へ付勢するカッタビット固定用油圧シリンダと、
カッタビット固定用油圧シリンダの油圧回路内に配置されて、該油圧シリンダの発生圧力をカッタビット押出手段の発生圧力よりも低圧に保持する第1のリリーフ弁と、
前記油圧回路内に配置されて、前記各油圧シリンダの発生圧力を最大圧力に保持する第2のリリーフ弁と、
前記第1と第2のリリーフ弁間で油路を切り替える切替弁と、
前記係止用ブロックの径方向外方への移動量を規制するストッパと、
から構成したことを特徴とする請求項4記載のシールド掘進機のカッタビット交換装置。 - 内筒駆動装置を、内筒または回転体の一方に設けたリングギヤと、他方に設けられて前記リングギヤと噛み合うピニオン及び該ピニオンを駆動する油圧モータと、から構成したことを特徴とする請求項3乃至請求項6のいずれかに記載のシールド掘進機のカッタビット交換装置。
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