JP4679184B2 - 立坑用トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、主に岩盤層において立坑を掘削する立坑用トンネル掘削機に関するものである。

従来、カッタヘッドに具備される所要のディスクカッタを切羽に押し付けつつそのカッタヘッドを掘進方向に沿う軸心の回りに回転駆動することにより、切羽の全断面を掘削するように構成される立坑用トンネル掘削機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この立坑用トンネル掘削機においては、機体内部（チャンバ）に取り込まれた掘削ズリに添加材を注入して泥土とし、この泥土をスクリューコンベヤによる機械的な搬送機構と泥土圧とを利用して機体の上方に搬出するようにされている。

特開２００２−３３２７９２号公報

しかしながら、前記特許文献１に係る立坑用トンネル掘削機では、下向きの切羽に対しカッタヘッドを押し付けつつそのカッタヘッドを掘進方向に沿う軸心の回りに回転させることにより、切羽に生じた掘削ズリを、カッタヘッドに設けられた掘削ズリ導入口を通して機体内部に取り込むようにされているために、切羽における掘削ズリを確実に機体内部に取り込むことができず、その結果、掘削ズリを高効率で排土することができないという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、切羽における掘削ズリを確実に機体内部に取り込んで、排土効率を向上させるとともに、高速掘進の可能な立坑用トンネル掘削機を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、第１発明による立坑用トンネル掘削機は、
立坑を掘削する立坑用トンネル掘削機であって、
（ａ）機体フレーム、
（ｂ）前記機体フレームに軸受装置を介して掘進方向に沿う軸心の回りに回転可能に取着されるカッタホイール支持体、
（ｃ）前記カッタホイール支持体に固設され、中央部に開口部が形成されるとともに、この開口部を取り囲む切羽の外周部を掘削するカッタを備えるカッタヘッド、
（ｄ）切羽の中央部を掘削するカッタと切羽における掘削ズリを掬い込むバケットとを備え、前記カッタホイール支持体に軸受装置を介して掘進方向に沿う軸心と直交する軸心の回りに回転可能に取着されるとともに、前記カッタヘッドの開口部を通して下端部が切羽に臨むように配されるカッタホイール、
（ｅ）前記カッタホイールを回転駆動する第１の回転駆動装置、
（ｆ）前記カッタホイール支持体を回転駆動する第２の回転駆動装置、
（ｇ）前記機体フレームを掘進方向に推進させる推進装置および
（ｈ）前記バケットによって前記カッタホイール内に掬い込まれた掘削ズリを搬出する掘削ズリ搬送装置
を備えることを特徴とするものである。

本発明において、前記掘削ズリ搬送装置は、前記カッタホイール内に配されるホッパに一端部が接続される第１の吸込み管と、この第１の吸込み管の他端部に一端部が接続される伸縮自在な第２の吸込み管と、この第２の吸込み管の他端部に接続され、それら第１の吸込み管および第２の吸込み管を介して掘削ズリを吸い上げるバキューム装置とを備えて構成されるのが好ましい（第２発明）。

第１発明においては、カッタホイールにおけるカッタが推進装置からの推力を受けて切羽中央部に押し付けられつつ、カッタホイールが第１の回転駆動装置による回転動力を受けて掘進方向に沿う軸心と直交する軸心の回りに回転されるとともに、カッタホイール支持体が第２の回転駆動装置による回転動力を受けて掘進方向に沿う軸心の回りに回転される。これにより、切羽の中央部が掘削される。また、カッタヘッドにおけるカッタが推進装置からの推力を受けて切羽外周部に押し付けられつつ、カッタホイール支持体を介してカッタヘッドが掘進方向に沿う軸心の回りに回転される。これにより、切羽の外周部が掘削される。したがって、カッタホイールとカッタヘッドとにより、切羽の全断面が掘削される。切羽に生じた掘削ズリは、カッタホイールに装備されるバケットによってカッタホイール内に取り込まれ、カッタホイール内に取り込まれた掘削ズリは、掘削ズリ搬送装置によって搬出される。本発明によれば、縦回転しながら横回転するカッタホイールに掘削ズリを掬い込むバケットが装備されることによって切羽における掘削ズリを効率良く確実にカッタホイール内に取り込むことができ、このカッタホイール内に取り込まれた掘削ズリを掘削ズリ搬送装置によって搬出するようにされているので、掘削ズリの排土効率を向上させることができる。さらに、本発明によれば、切羽外周部の掘削はカッタヘッドで行われ、カッタホイールによる掘削は切羽中央部のみとされるので、高速掘進が行えるという利点がある。

第２発明の構成を採用すれば、排土を連続的に、かつ高効率に行うことができるので、より高速掘進に寄与することができる。

次に、本発明による立坑用トンネル掘削機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る立坑用トンネル掘削機の全体図が示されている。図２には、本実施形態に係る掘削機本体の概略構成図が、図３には、図２のＡ矢視要部断面図で、掘削時の状態を表わす図が、それぞれ示されている。図４には、図２におけるＢ部を一部破断して表わす図（ａ）および（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図（ｂ）がそれぞれ示されている。図５には、図２のＣ矢視図が、図６には、図２のＤ−Ｄ矢視図で、要部のみを表わす図が、図７には、図２のＥ−Ｅ矢視図で、要部のみを表わす図が、それぞれ示されている。

図１に示される立坑用トンネル掘削機１Ａは、主に岩盤層において立坑Ｔを掘削するトンネル掘削機であって、掘削機本体２Ａと、この掘削機本体２Ａの上方に配される後続デッキ３とを備えて構成されている。

前記掘削機本体２Ａは、図２および図３にそれぞれ示されるように、カッタホイール４Ａと、このカッタホイール４Ａを支持するカッタホイール支持体５Ａと、このカッタホイール支持体５Ａの先端部（下端部）に配されるカッタヘッド６０と、前記カッタホイール支持体５Ａを支持するフロントフレーム（本発明における「機体フレーム」に対応する。）６と、このフロントフレーム６の後方（上方）に配されるリヤフレーム７とを備えている。なお、図１および図２中符号６１にて示されるのは、切羽の外周部に向けて水を噴射するための散水ノズルである。

前記カッタホイール支持体５Ａは、フロントフレーム６に軸受装置８を介して掘進方向に沿う軸心Ｙの回りに回転可能に取着される旋回フレーム９と、この旋回フレーム９の下面から突設される一対の脚部材１０Ａと、この一対の脚部材１０Ａの間に配される軸状部材１１Ａとから構成されている。ここで、前記軸状部材１１Ａの軸心は、掘進方向に沿う軸心Ｙと直交する軸心Ｘに一致されている。また、この軸状部材１１Ａには、掘削ズリＺを受け入れるホッパ１２Ａが設けられている。

前記旋回フレーム９の下面には、前記一対の脚部材１０Ａを包み込むような円筒状部材６２が固着され、この円筒状部材６２の先端部（下端部）に前記カッタヘッド６０が固着されている。このカッタヘッド６０は、切羽の外周部に向けて配される面板６３と、この面板６３から刃先が突出されるように当該カッタヘッド６０に着脱可能に取着され、切羽の外周部を掘削する所要個数のディスクカッタ１５′とを備えて構成されている。このカッタヘッド６０の中央部には開口部６４が設けられており、この開口部６４は前記カッタホイール４Ａの下端部を当該開口部６４を通して切羽に臨ませ得る程度の大きさに設定されている。

前記カッタホイール４Ａは、切羽の中央部を掘削し得る直径に設定されている。このカッタホイール４Ａは、前記ホッパ１２Ａを収容可能な空間を内部に有し、前記軸状部材１１Ａに軸受装置１３′，１３（図４（ａ）参照）を介して支持されるドラム１４Ａと、このドラム１４Ａの外周面上に着脱可能に取り付けられ、切羽の中央部を掘削するディスクカッタ１５″と、前記ドラム１４Ａの外周面上に設けられ、切羽における掘削ズリＺを掬い込むバケット１６とを備えて構成されている。このカッタホイール４Ａにおいては、バケット１６がドラム１４Ａの周方向に等間隔で４つ設けられるとともに、前記ディスクカッタ１５″がドラム１４Ａの周方向に隣り合うバケット１６の間に掘削径に応じて所要個数設けられている。ここで、前記所要個数のディスクカッタ１５″のうち、対向する一対のディスクカッタ１５″は、ドラム１４Ａの幅方向の刃先間寸法がドラム１４Ａの幅寸法と略同一となるように、ドラム１４Ａの幅方向に互いにオフセットされて配置されている。また、前記所要個数のディスクカッタ１５″のうち、対向する他の一対のディスクカッタ１５″は、ドラム１４Ａの幅方向のそれぞれの刃先位置がドラム１４Ａの幅方向中間位置に配されるように、ドラム１４Ａの幅方向に互いにオフセットされて配置されている。前記ドラム１４Ａの外周面には、バケット１６の内部に取り込まれた掘削ズリＺをドラム１４Ａの内部へと導く開口部１９が設けられている。なお、ここで、符号２０にて示されるのは当該カッタホイール４Ａの面板であり、符号２１にて示されるのは前記面板２０を支える板材であり、符号２２にて示されるのは、前記面板２０を支える支持メンバ兼バケット１６の背面壁を形成する板材である。

前記軸状部材１１Ａには、図２および図４にそれぞれ示されるように、動力伝達機構２３を内蔵するケーシング２４が連設されている。このケーシング２４にはカッタホイール駆動用油圧モータ２５が取り付けられ、このカッタホイール駆動用油圧モータ２５からの回転動力はケーシング２４内の動力伝達機構２３を介して前記ドラム１４Ａに伝達されるようになっている。こうして、カッタホイール駆動用油圧モータ２５、ケーシング２４、およびケーシング２４内の動力伝達機構２３を含んでなる回転駆動装置２６（以下、この回転駆動装置２６を「第１の回転駆動装置２６」という。）により、カッタホイール４Ａが、掘進方向に沿う軸心Ｙと直交する軸心Ｘの回りに図３中記号Ｒで示される矢印方向に回転される。なお、カッタホイール駆動用油圧モータ２５は、後述するロータリジョイント３６を介して後述する油圧機器５１，５２と図示省略される油圧配管により接続されている。

前記フロントフレーム６には、図３に示されるように、カッタホイール支持体駆動用油圧モータ２７と、このカッタホイール支持体駆動用油圧モータ２７の回転動力を前記旋回フレーム９に伝達する動力伝達機構２８とが取り付けられている。こうして、カッタホイール支持体駆動用油圧モータ２７および動力伝達機構２８を含んでなる回転駆動装置２９（以下、この回転駆動装置２９を「第２の回転駆動装置２９」という。）により、カッタホイール支持体５Ａが、言い換えればカッタホイール４Ａおよびカッタヘッド６０が共に掘進方向に沿う軸心Ｙの回りに図５中記号Ｑにて示される矢印方向に回転される。なお、カッタホイール支持体駆動用油圧モータ２７は、図示省略される油圧配管により後述する油圧機器５１，５２と接続されている。

前記フロントフレーム６には、図２および図６にそれぞれ示されるように、フロントサポート３０が装備されている。このフロントサポート３０は、フロントフレーム６に周方向に等間隔で配置される４つのジャッキ３１を伸長させることにより、坑壁に反力をとって掘削機本体２Ａを支持するように構成されている。一方、前記リヤフレーム７には、図２および図７にそれぞれ示されるように、グリッパ３２が装備されている。このグリッパ３２は、リヤフレーム７に周方向に等間隔で配置される４つのジャッキ３３を伸長させることにより、掘削機本体２Ａを推進させる際の反力を坑壁にとるように構成されている。前記フロントフレーム６と前記リヤフレーム７とは、掘進方向の推力を発生させる８本のスラストジャッキ３４によって接続されている。これらスラストジャッキ３４はラチス配置とされており、これらスラストジャッキ３４によって、掘削機本体２Ａの方向制御を行うことができるとともに、掘削時のトルク反力を受けることができるようになっている。本実施形態では、グリッパ３２により坑壁に反力をとりつつスラストジャッキ３４を伸長させることによってフロントフレーム６を掘進方向に推進させる方式の推進装置３５が採用され、この推進装置３５からの推力を受けてカッタホイール４Ａにおけるディスクカッタ１５″が切羽に押し付けられるようにされている。

前記フロントフレーム６の中心部には、図２、図３および図６にそれぞれ示されるように、ロータリジョイント３６が装着されている。このロータリジョイント３６の下端部と、前記軸状部材１１Ａにおけるホッパ１２Ａの底部とは、第１の吸込み管３７により接続されている。また、このロータリジョイント３６の上端部と、後述するバキューム装置４８とは、伸縮自在な構造の第２の吸込み管３８により接続されている。そして、ホッパ１２Ａ、第１の吸込み管３７、ロータリジョイント３６、第２の吸込み管３８およびバキューム装置４８を含んでなる第１の掘削ズリ搬送装置（本発明の「掘削ズリ搬送装置」に対応する。）３９により、ホッパ１２Ａ内に投入された掘削ズリＺは、第１の吸込み管３７、ロータリジョイント３６および第２の吸込み管３８を介して掘削機本体２Ａの上方に配される後述の第１デッキ４３へと搬出される。

前記リヤフレーム７と前記後続デッキ３とは、図１に示されるように、当該後続デッキ３のレベルを調整するための所要本数のレベル調整ジャッキ４０を介して接続されている。ここで、このレベル調整ジャッキ４０は、個別に伸縮制御できるようにされていて、掘削機本体２の方向制御時においても後続デッキ３を水平に保つことができるようにされている。

前記後続デッキ３は、デッキ板４１とそのデッキ板４１上に立設される複数本の支柱４２とよりなる第１デッキ４３、第２デッキ４４、第３デッキ４５、第４デッキ４６、第５デッキ４７等が階層構造に積み重ねられて構成され、各デッキに、立坑用トンネル掘削機１Ａを駆動するための電気機器や油圧機器、更には排土、支保、覆工のための関連設備等が搭載されてなるものである。図示の例では、第１デッキ４３には真空ポンプ等を主体に構成されるバキューム装置４８が搭載され、第２デッキ４４は資機材置場とされ、第２デッキ４４には後述する後続デッキ保持用グリッパ５５のための水タンク４９および水ポンプ５０がそれぞれ搭載され、第３デッキ４５および第４デッキ４６には油圧機器等５１，５２が搭載され、第５デッキ４７には電気機器５３，５４等が搭載されている。

前記第１デッキ４３のデッキ板４１上には、後続デッキ保持用グリッパ５５が装着されている。この後続デッキ保持用グリッパ５５は、弾性体（例えばゴム）よりなるリング状のチューブ５６内に水等の液体を注入し、この液体の圧力によってチューブ５６を膨張させて坑壁に押し付け、それによって後続デッキ３の自重を保持するように構成されたものである。このような液圧膨張式のグリッパ５５を用いると、省スペースの構成で、坑壁全体に均等に押し付け力を伝達することができるとともに、坑壁を乱さない低面圧で保持できるという利点がある。

前記バキューム装置４８には、第２の掘削ズリ搬送装置５７が付設されている。この第２の掘削ズリ搬送装置５７は、公知の空気輸送手段、流体輸送手段、機械的輸送手段等の中から適宜に選択または組み合わされて構成されている。こうして、バキューム装置４８により第１デッキ４３に搬入された掘削ズリＺは、この第２の掘削ズリ搬送装置５７によって地上Ｇへと搬出される。

以上に述べたように構成される本実施形態の立坑用トンネル掘削機１Ａの掘削動作について、主に図１、図３および図８を用いて以下に説明する。

掘削時においては、図３に示されるように、フロントサポート３０による坑壁への反力を解除する一方でグリッパ３２により坑壁に反力をとりつつ、カッタホイール４Ａを第１の回転駆動装置２６（図２参照）により回転駆動するとともに、カッタホイール支持体５Ａを第２の回転駆動装置２９により回転駆動しながら、スラストジャッキ３４を伸長させることによってフロントフレーム６を掘進方向に推進させる。こうして、縦回転しながら横回転するカッタホイール４Ａを切羽の中央部に押し付けることにより切羽の中央部を掘削するとともに、横回転するカッタヘッド６０を切羽の外周部に押し付けることにより切羽の外周部を掘削して、切羽の全断面を掘削する。

この掘削動作において、切羽に生じた掘削ズリＺは、カッタホイール４Ａにおけるバケット１６によって掬い込まれる。バケット１６に掬い込まれた掘削ズリＺは、図８に示されるように、カッタホイール４Ａの上部位置を通過する際に、開口部１９を通ってホッパ１２Ａに投入される。ホッパ１２Ａに投入された掘削ズリＺは、図１に示されるバキューム装置４８により、第１の吸込み管３７、ロータリジョイント３６および第２の吸込み管３８を介して第１デッキ４３まで吸い上げられる。第１デッキ４３まで吸い上げられた掘削ズリＺは、第２の掘削ズリ搬送装置５７によって地上Ｇへと搬出される。

本実施形態によれば、縦回転しながら横回転するカッタホイール４Ａに掘削ズリＺを掬い込むバケット１６が装備されるので、切羽における掘削ズリＺを効率良く確実にカッタホイール４Ａ内に取り込むことができる。また、カッタホイール４Ａ内に取り込まれた掘削ズリＺを一旦ホッパ１２Ａに投入してそのホッパ１２Ａ内の掘削ズリＺをバキューム装置４８により吸い上げるようにされているので、バキューム装置４８の吸引力を掘削ズリＺに対して有効に作用させることができ、カッタホイール４Ａ内に取り込まれた掘削ズリＺを効率良く第１デッキ４３へと搬出することができる。したがって、掘削ズリＺの排土効率を向上させることができるという効果を奏する。

また、本実施形態によれば、切羽外周部の掘削はカッタヘッド６０で行われ、カッタホイール４Ａによる掘削は切羽中央部のみとされるので、高速掘進が可能であるという利点がある。したがって、大深度（長距離）の立坑掘削を行う場合に特に有効なトンネル掘削機を得ることができる。

なお、本実施形態においては、バケット１６によってカッタホイール４Ａ内に掬い込まれた掘削ズリＺを搬出する掘削ズリ搬送装置として、バケット１６からホッパ１２Ａに投入された掘削ズリＺをバキューム装置４８により吸引して搬出するものを例示したが、これに限られず、例えば図９に示されるような、バケット１６からホッパ１２Ｂに投入された掘削ズリＺをバケットコンベヤ６５により搬出するものを採用することも可能である。

本発明の一実施形態に係る立坑用トンネル掘削機の全体図 本実施形態に係る掘削機本体の概略構成図 図２のＡ矢視要部断面図で、掘削時の状態を表わす図 図２におけるＢ部を一部破断して表わす図（ａ）および（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図（ｂ） 図２のＣ矢視図 図２のＤ−Ｄ矢視図で、要部のみを表わす図 図２のＥ−Ｅ矢視図で、要部のみを表わす図 本実施形態に係る掘削機本体のホッパ内に掘削ズリが取り込まれる様子を表わす図 掘削ズリ搬送装置の他の態様例を表わす図

１Ａ 立坑用トンネル掘削機
２Ａ 掘削機本体
３ 後続デッキ
４Ａ カッタホイール
５Ａ カッタホイール支持体
６ フロントフレーム
１５ ディスクカッタ（切羽全断面掘削用）
１５′ ディスクカッタ（切羽外周部掘削用）
１５″ ディスクカッタ（切羽中央部掘削用）
１６ バケット
２６ 第１の回転駆動装置
２９ 第２の回転駆動装置
３５ 推進装置
３９ 第１の掘削ズリ搬送装置
６０ カッタヘッド

Claims (2)

1. 立坑を掘削する立坑用トンネル掘削機であって、
   （ａ）機体フレーム、
   （ｂ）前記機体フレームに軸受装置を介して掘進方向に沿う軸心の回りに回転可能に取着されるカッタホイール支持体、
   （ｃ）前記カッタホイール支持体に固設され、中央部に開口部が形成されるとともに、この開口部を取り囲む切羽の外周部を掘削するカッタを備えるカッタヘッド、
   （ｄ）切羽の中央部を掘削するカッタと切羽における掘削ズリを掬い込むバケットとを備え、前記カッタホイール支持体に軸受装置を介して掘進方向に沿う軸心と直交する軸心の回りに回転可能に取着されるとともに、前記カッタヘッドの開口部を通して下端部が切羽に臨むように配されるカッタホイール、
   （ｅ）前記カッタホイールを回転駆動する第１の回転駆動装置、
   （ｆ）前記カッタホイール支持体を回転駆動する第２の回転駆動装置、
   （ｇ）前記機体フレームを掘進方向に推進させる推進装置および
   （ｈ）前記バケットによって前記カッタホイール内に掬い込まれた掘削ズリを地上へ搬出する掘削ズリ搬送装置
   を備えることを特徴とする立坑用トンネル掘削機。
2. 前記掘削ズリ搬送装置は、前記カッタホイール内に配されるホッパに一端部が接続される第１の吸込み管と、この第１の吸込み管の他端部に一端部が接続される伸縮自在な第２の吸込み管と、この第２の吸込み管の他端部に接続され、それら第１の吸込み管および第２の吸込み管を介して掘削ズリを吸い上げるバキューム装置とを備えて構成される
   請求項１に記載の立坑用トンネル掘削機。

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