JP4443875B2 - 掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル等を掘削する掘削機の改良に関するものである。

鉄道線路、道路等の路線下に立体交差するトンネル（横断構造物）を構築する工法として、長尺の鋼材管からなる断面角形あるいはコ字形のエレメントを複数用いてトンネル覆工壁を形成するトンネル構築工法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このトンネル構築工法は、図７に示すように、例えば水平ボーリングによって削孔した路線１０下の地山２０の穴にＰＣ鋼より線３１を挿入した後、ＰＣ鋼より線３１の掘削発進側２１に掘削機３０とエレメント３３を接続して、掘削到着側２２からＰＣ鋼より線３１を牽引する。牽引とともに掘削機３０を駆動させ、エレメント３３枠内を掘削し、掘削発進側２１から掘削到着側２２へとエレメント３３を貫通させる。一つのエレメント３３が貫通すると、隣接する箇所から次の掘削およびエレメント挿入を開始する。以上の作業をトンネルの外枠に沿って順次行っていき、最終的に地山非開削の状態で例えば箱型ラーメン形式や円形等のトンネル覆工壁を形成していくものである（図８参照）。

なお、前記の如く、エレメント３３先端には、エレメント３３を貫通させるための掘削機３０が直結されるとともに、掘削された土砂等を排出するためのホース３５や掘削機を駆動するための油圧配管３４などがエレメント３３内部に配置されている。

ところで、地山にエレメント３３を貫通させるために、エレメント３３の先端部に設置される掘削機３０として、例えば図９から図１１に示すものがある（例えば、特許文献２参照）。

この掘削機３０は、中空の角型外殻３１と、角型外殻３１の内側であって、角型外殻３１の対向する２辺に沿って設けられた複数の打撃装置４０と、角型外殻３１内側の各打撃装置列の間に設けられた排土空間３２と、排土空間３２に設置されたバケット装置５０およびコンベア６０とから構成される。

掘削到着側から牽引される掘削機３０は、打撃装置４０によって切羽を打撃しながら堀進するが、打撃装置４０によって掘削された土砂等はバケット装置５０によって集められ、集められた土砂等はコンベア６０によって後方に搬送される。

打撃装置４０は、切羽を打撃するハンマーヘッド４１と、ハンマーヘッド４１を高速で進退させる油圧ハンマー４３とから構成される。なお、油圧ハンマー４３の後端部に連結された油圧シリンダ４４は打撃装置４０を前後方向に移動させるためのものである。

打撃装置４０を角型外殻３１の内側であって、角型外殻３１の対向する２辺に沿って複数設けることで、角型外殻３１の外形線に沿った掘削を可能とする。

バケット装置５０は、掘削された土砂等を掻き集めるバケット５１と、バケット５１を上下方向（図９における図面上下方向）に回動させる油圧シリンダ５２と、バケット５１を前後方向（図９における図面左右方向）に伸縮させる伸縮アーム５４と、伸縮アーム５４を上下方向に回動させる一対の油圧シリンダ５３と、バケット５１を水平方向（図１０における図面上下方向）に回動させる一対の油圧シリンダ５５とを備える。

バケット５１を上下、左右、前後方向に移動可能にすることで、掘削断面の土砂等を万遍なく掻き集めることができる。
特開平１１−２４７５７９号公報 特開２００３−０３５０９２号公報

前記従来の掘削機３０は、角型外殻３１の対向する２辺に沿って複数の打撃装置４０を用い、角型外殻３１の外形線に沿って切羽を打撃して堀進していくものであるが、打撃装置４０の先端部にあたるハンマー（ハンマーヘッド）４１は、図９あるいは図１０に示すように、その打撃面４２が突起物のない平面状をしていた。

しかしながら、このような平面状の打撃面４２では、打撃力が打撃面４２全体（打撃面の面積相当分）に分散されて弱まり、必ずしも破砕効果が高いというものではなかった。

また、角型外殻３１の外形線にそって掘削していく場合、堀進過程で、掘削断面の外周壁周辺土と角型外殻３１の外周面とが接触し、周辺土と角型外殻３１との問に摩擦抵抗が発生する。そして、この摩擦抵抗が大きくなればなるほど、堀進のために大きな動力が必要となる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ハンマーヘッドの打撃力を向上させることで破砕効果を高めるとともに、掘削機の地山堀進動力を低減させる掘削機を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するためにこの発明は、中空の角型外殻と、角型外殻の内側であって、角型外殻の少なくとも対向する２辺に沿って設けられた複数の打撃装置と、打撃装置列の間の空間に設けられたバケット装置およびコンベアとからなる掘削機において、打撃装置の先端部に取り付けられたハンマーヘッドの打撃面にくさび形状をしたカッティングエッジ（爪）を設けるとともに、カッティングエッジの上端面が角型外殻の外形面よりも外側に突出するようにしたことを特徴とするものである。

本発明は、ハンマーの打撃面にカッティングエッジを設けることにより、打撃力がカッティングエッジの先端部に集中し、これにより打撃力が向上して破砕効果が高まるとともに、カッティングエッジの上端面を角型外殻の外形面よりも外側に突出させたことにより、地山の掘削断面が角型外殻の外形断面寸法よりも大きくなって、堀進過程において角型外殻が掘削断面の外周壁と殆ど接しなくなる。これにより、角型外殻と掘削断面外周壁間の摩擦抵抗が減少し、堀進のための動力が少なくて済むようになる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１、図３または図４に示すように、掘削機１は中空の角型外殻２と、角型外殻２の内側であって、角型外殻２の対向する２辺に沿って設けられた複数の打撃装置３と、各打撃装置３列の問の空間に設けられたバケット装置４およびコンベア５とから構成される。

打撃装置３の先端部には、切羽を打撃するハンマーヘッド３ｃが設けられており、ハンマーヘッド３ｃの打撃面３ａにはカッティングエッジ３ｂが形成される。そしてさらに、カッティングエッジ３ｂは、その上端面が角型外殻２の外形面よりも外側に突出（はみ出て）して設けられる。

角型外殻２はエレメントの断面形状に対応して角型断面形状をしており、かつ、中空の箱型構造になっている。そして、この角型外殻２の中空内（箱内部）に打撃装置３やバケット装置４、コンベア５等が設けられる。角型外殻２は図３に示すように、天板２ａと左右の側板２ｂ、２ｃおよび底板２ｄから構成される。

打撃装置３は、切羽を打撃するハンマーヘッド３ｃと、ハンマーヘッド３ｃを前後方向に伸縮（進退）させるアクチュエータ３ｆとを備える。アクチュエータ３ｆは、シリンダチューブ３ｅと、シリンダチューブ３ｅ内に収められたピストン（図示せず）及びピストンロッド３ｄからなり、例えば、油圧力等によってピストンロッド３ｄが前後方向に伸縮するようになっている。したがって、アクチュエータ３ｆを高速で伸縮させることによって、ピストンロッド３ｄの先端に取り付けられたハンマーヘッド３ｃが切羽を打撃する。

以上のように構成される打撃装置３は、ハンマーヘッド３ｃを先端方向（切羽方向）に向けて、角型外殻２の対向する２辺（左右の側板２ｂ、２ｃ）に沿った形で複数備え付けられる。図面に示す実施の形態では、打撃装置３は、側板２ｂまたは２ｃの最上部（天板２ａと側板２ｂ、２ｃとの交差部）、側板２ｂまたは２ｃの中央部、側板２ｂまたは２ｃの最下部（底板２ｄと側板２ｂ、２ｃとの交差部）にそれぞれ設置され、かつ、左右の側板２ｂ、２ｃについて対で設けられる。

角型外殻２の側板２ｂまたは２ｃに打撃装置３を設けることによって、角型外殻２の外形線に沿った掘削が行われ、これにより、掘削断面の隅部に未掘削部を残さないという利点がある。なお、打撃装置３は、前記実施例のように必ずしも左右の側板に３つづつ設ける必要はなく、状況に応じて、その数や取り付け位置等が適宜変更されるものである。また、側板２ｂ、２ｃではなく天板２ａや底板２ｄに打撃装置３を設けてもよいことはもちろんである。

図５はハンマーヘッド３ｃの打撃面３ａ形状を表したものである。ハンマーヘッド３ｃの打撃面３ａには、カッティングエッジ３ｂが設けられている。カッティングエッジ３ｂは打撃面３ａから先端（切羽方向）にいく程鋭角になるような、いわゆるくさび形状をした爪である。カッティングエッジ３ｂをくさび形状にすることで、切羽に対する打撃力がカッティングエッジ３ｂの先端部に集中し、前記従来技術で示したような平面状の打撃面と比べて、打撃力を高めることができる。

また、カッティングエッジ３ｂの上端面Ａは角型外殻の外形面Ｂよりも外側（周辺土側）にα分突出するように取り付けられている。カッティングエッジ３ｂの上端面Ａを角型外殻２の外形面Ｂよりも外側に突出するように取り付けることで、掘削断面積が角型外殻２の外形断面積よりも突出分大きくなって、堀進過程で角型外殻２が掘削断面外周壁の周辺土と接触する場合が少なくなる。この結果、摩擦抵抗が低減され、堀進のための駆動力を抑えることができる。

なお、カッティングエッジ３ｂの形状や取り付け位置は、図５（ａ）から（ｊ）に示すように様々な態様が考えられる。

図５の（ａ）および（ｂ）は打撃面の中心位置よりも上方に略矩形のカッティングエッジが設けられた場合の例であり、（ｃ）は円弧状に曲折している場合の例である。さらに、（ｄ）は打撃面の上部円周沿いに複数のカッティングエッジが設けられたものである。

前記いずれの場合も側面から見ると図５の（ｈ）に示すように、打撃面中心位置の上方からカッティングエッジ上端面Ａに向って傾斜した面を有する。

なお、カッティングエッジは、前記の他に、図５の（ｂ）および（ｄ）から（ｇ）の一点鎖線で示すように、賂円錐形状のものでもよい。

また、図５の（ｄ）では、打撃面の円周沿いに３つのカッティングエッジが設けられているが、カッティングエッジはこの数に限定されるものではなく、２つの場合もあり得るし、３っ以上の場合もあり得る。

図５の（ｅ）は打撃面３ａの略全域に渡ってカッティングエッジが形成される場合であって、側面から見ると図５の（ｉ）に示すように、打撃面３ａの中心位置下方からカッティングエッジ上端面に向って傾斜した面を有する。

この場合、カッティングエッジを打撃面３ａの略全域に渡って形成したので、カッティングエッジの強度を向上させることができる。

図５の（ｆ）と（ｇ）は打撃面３ａ上に複数のカッティングエッジが形成された場合の例を示したものである。この形状を側面から示したものが図５の（ｊ）もしくは（ｋ）となる。

この場合、カッティングエッジを打撃面３ａに複数設けることによって、打撃面全体に渡って万遍なく掘削することができる。

なお、前記図５の（ａ）から（ｋ）に示したいずれの態様においても、カッティングエッジの上端面Ａが角型外殻２の外形面Ｂよりもα分外側に突出して形成されている。これにより、カッティングエッジによって掘削された（孔）断面は、角型外殻の断面よりも外側に突出した分大きく形成されるようになる。

ところで、カッティングエッジを打撃面３ａにどのように設けるかは、図５に示した前記実施例に限定されるものではなく、その技術的な思想の範囲内において他の態様が考えられるのは言うまでもない。

バケット装置４は、図１から図４に示すように、角型外殻２の天板２ａに基台４ｈを介して吊り下げられる。そして、このバケット装置４は掘削された土砂等を掻き集めるバケット４ｂと、バケット４ｂを支持するブーム４ｆと、バケット４ｂをリンク４ｃを介してバケット回転軸４ｇまわりに回動させるバケット回動アクチュエータ４ｅと、ブーム４ｆを上下後方に回動させるブーム回動アクチュエータ４ｄとを備える。

バケット４ｂは、土砂を一時的に保持する容器と、土砂等を掻き集め易いように容器の上端面に複数の爪４ａとを備える。また、図３に示すように、バケット４ｂの幅（図面左右方向の寸法）は、左右両側板２ｂ、２ｃに備え付けられる打撃装置３に干渉しない範囲で、幅広に形成される。これにより、左右方向の土砂を掻き集めるのに、従来のバケット装置のように、バケット４ｂを左右方向に動かす必要がなくなり、その分作業効率が向上する。さらに、バケット４ｂを左右方向に動かすための駆動アクチュエータ等が不要となるとともに、駆動アクチュエータが不要となるが故に駆動力の低減も図れる。

バケット回動アクチュエータ４ｅは、バケット回転軸４ｇを支点としてバケット４ｂを上下方向に回動させるものである。したがって、バケット回動アクチュエータ４ｅが伸張すると、バケット４ｂがバケット回転軸４ｇを支点として下方に回動し、バケット回動アクチュエータ４ｅが収縮するとバケット４ｂがバケット回転軸４ｇを支点として上方に回動する（図２）。

ブーム回動アクチュエータ４ｄは、基端部を基台４ｈに、先端部をブーム４ｆに、それぞれ回動自在に取り付けられていて、ブーム回動アクチュエータ４ｄが伸縮することで、ブーム４ｆが上下方向に回動（傾斜）するようになっている。したがって、ブーム回動アクチュエータ４ｄが伸張すると、ブーム４ｆが下方に回動（傾斜）し、ブーム回動アクチュエータ４ｄが収縮すると、ブーム４ｆが上方に回動（傾斜）する。

なお、バケット装置４を支持する基台４ｈの側部には、図４に示すように、ローラ４ｊが設置されていて、このローラ４ｊが同じく角型外殻２の天板２ａに設けられたガイド４ｋに沿って前後方向に転接するようになっている。

ガイド４ｋはコ字形凹状をしており、ローラ４ｊに向って開口している。したがって、ローラ４ｊがガイド４ｋの凹部に嵌合することで、ローラ４ｊがガイド４ｋに沿って移動し、バケット装置４が角型外殻２の前後方向に移動（スライド）できるようになる。

以上の構成により、例えば、非作業時においてバケット装置４のメンテナンスなどを行うような場合に、ローラ４ｊがガイド４ｋ上を転接することで、バケット装置４を角型外殻２から取り外せるようになっている。

コンベア５は、図１に示すように、バケット４ｄによって掻き集められた土砂等を後方へ搬出するための装置であり、角型外殻２の内側であって、バケット装置４の下方空間、すなわち、角型外殻２の底板２ｄに備え付けられている。

コンベア５はベルト車（図示せず）まわりに幅広の無端環状のベルト５ａを循環させて、その上に掘削された土砂等を載せて搬送するものである。ベルト５ａはゴム層で保護された帆布でもよいし、鋼線でもよい。

なお、本実施の形態では、いわゆるベルトコンベアが適用されているが、これに限定されるものではなく、例えば、バケットコンベアやエプロンコンベア等のように水平運搬を可能とする連続作業機械であればよい。

以上のように構成される本発明の実施の形態につき、次に作用について説明する。

地山を挿通するＰＣ鋼より線の掘削発進側には、掘削機１および掘削機１に直結するエレメントが取り付けられている。一方、ＰＣ鋼より線の掘削到着側には牽引装置が取り付けられている。牽引装置によりＰＣ鋼より線を牽引し、これと共に掘削機１を駆動すると、掘削機１、すなわち、角型外殻２が牽引されながら地山を堀進し、これに直結されたエレメントも掘削機１に追従しながら地山に侵入していく。

堀進過程において、打撃装置３のカッティングエッジ３ｂが切羽に繰り返し打ち込まれて切羽を掘削し、掘削された土砂等はバケット４ｂによって掻き集められる。バケット４ｂによって掻き集められた上砂等はコンベア５によって後方に搬送される。

打撃装置３は、角型外殻２の外形線に沿った形で配列されているため、掘削断面は角型外殻２の外形形状と略同等な形状（角型形状）となる。しかしながら、打撃装置３の打撃面に取り付けられたカッティングエッジ３ｂの上端面は角型外殻２の外形面よりも外側に突出して設けられているので、掘削された掘削断面は角型外殻２の外形面よりも大きくなる。すなわち、掘削孔の断面積よりも角型外殻２の断面積の方が小さくなるので、堀進過程で、角型外殻２が掘削断面外周壁の周辺土に殆ど接触せずに堀進することができる。

掘削機１によって角型に掘削された孔にエレメントが嵌入されていき、掘削機１が掘削を完了し、掘削到着側に到達すると、エレメントも地山を貫通する。そして、一つのエレメントが地山を貫通すると、隣接する箇所から次の掘削およびエレメント挿入を開始する。以上の作業をトンネルの外枠に沿って順次行っていき、最終的に地山非開削の状態で例えば箱型ラーメン形式や円形等のトンネル覆工壁を形成していく。

次に図６に示す他の実施形態について説明する。

この実施の形態は、角型外殻２の内側であって、側板２ｂ、２ｃに取り付けられた各打撃装置間の空間内に門型フレーム７を設置し、この門型フレーム７の頂部７ａにバケット装置４を取り付けたものである。門型フレーム７の足部７ｃは角型外殻２の底板２ｄに支持されているが、足部７ｃには角型外殻２の底板２ｄに当接するローラ７ｄが取り付けられる。このローラ７ｄは角型外殻２の底板２ｄに形成されたレール７ｅに沿って転接するので、例えば、非作業時等に角型外殻２からバケット装置４を門型フレーム７とともに取り外せるようになっている。

なお、ローラを足部７ｃではなく、門型フレーム７の側部７ｂに取り付けてもよい。この場合、門型フレーム７の側部７ｂから角型外殻２の側板２ｂ、２ｃに向ってローラを突出させ、角型外殻２の側板２ｂ、２ｃに形成されたガイドに、このローラを転接自在に嵌合させる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の掘削機は、トンネル等を掘削するものに利用できる。

本発明の実施の形態を示す掘削機の側面図。 同じく掘削機の先端部において、バケットの動作状態を示す側面図。 同じく掘削機の前面を示す正面図。 同じく掘削機の後面を示す正面図。 ハンマーヘッドの打撃面を正面および側面から示した図。 他の実施の形態を示す掘削機を後面から示した正面図。 従来例を示す従来のトンネル掘削工法を示す横断面図。 同じく地山にエレメントを挿入して覆工壁を形成した状態を示す縦断面図。 従来例を示す掘削機の側面図。 同じく掘削機の前面を示す正面図。 同じく掘削機の前面を示す正面図。

符号の説明

１ 掘削機
２ 角型外殻
３ 打撃装置
３ａ 打撃面
３ｂ カッティングエッジ
３ｃ ハンマーヘッド
３ｄ ピストンロッド
３ｅ ピストンチューブ
３ｆ アクチュエータ
４ バケット装置
４ａ 爪
４ｂ バケット
４ｃ リンク
４ｄ ブーム回動アクチュエータ
４ｅ バケット回動アクチュエータ
４ｆ ブーム
４ｇ バケット回転軸
４ｈ 基台
４ｊ ローラ
４ｋ ガイド
５ コンベア
５ａ ベルト
７ 門型フレーム
７ａ 頂部
７ｂ 側部
７ｃ 足部
７ｄ ローラ
７ｅ レール

Claims (6)

1. 中空の角型外殻と、
   前記角型外殻の内側であって、前記角型外殻の少なくとも対向する２辺に沿って設けられた複数の打撃装置と、
   前記打撃装置列の間の空間に設けられたバケット装置およびコンベアとからなる掘削機において、
   前記打撃装置は、その先端に切羽を打撃するハンマーヘッドを備え、前記ハンマーヘッドにくさび形状をしたカッティングエッジを設けるとともに、前記カッティングエッジの上端面を前記角型外殻の外形面よりも外側に突出して配置させたことを特徴とする掘削機。
2. 前記バケット装置を前記角型外殻の天板から吊り下げる構造としたことを特徴とする請求項１に記載の掘削機。
3. 前記バケット装置に設けられたローラと、前記角型外殻に設けられたガイドとを備え、前記ローラが前記ガイドに転接自在に嵌合することで、前記バケット装置を前記角型外殻から取り外すことができるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の掘削機。
4. 前記バケット装置のバケット幅を前記角型外殻の側板に取り付けられた前記打撃装置に干渉しない範囲で幅広に形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の掘削機。
5. 前記角型外殻の内側であって、前記各打撃装置列の間の空間内に設けた門型フレームと、この門型フレームの頂部に取り付けられたバケット装置とを有することを特徴とする請求項１に記載の掘削機。
6. 前記門型フレームの足部に、それぞれ前記角型外殻の下板に当接するローラを取り付けたことを特徴とする請求項５に記載の掘削機。

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