JP4842466B2

JP4842466B2 - トンネル掘削機

Info

Publication number: JP4842466B2
Application number: JP2001255495A
Authority: JP
Inventors: 淳一田中; 尚輝上田; 隆司北岡; 真紀中筋
Original assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems Ltd
Current assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003064990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するシールド掘削機やトンネルボーリングマシンなどに適用されるトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なシールド掘削機において、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが駆動モータにより駆動回転自在に装着される一方、後部に複数のシールドジャッキが円周方向に並設されており、このシールドジャッキを伸長して既設セグメントへの押し付け反力により掘削機本体を前進することができる。また、掘削機本体の後部にはエレクタ装置が装着されており、このエレクタ装置はシールドジャッキによって前進した掘削機本体と既設セグメントとの間の空所に新しいセグメントを装着することで、セグメントをリング状に組み付けてトンネルを構築することができる。
【０００３】
ところで、近年、掘削形成するトンネルは長距離化の傾向にあり、掘削作業中にカッタビットが摩耗して岩盤の掘削効率が低下するので、掘削作業を停止して磨耗したカッタビットを交換しなければならない。この場合、シールド掘削機の前方の地点の地盤を薬液の注入や凍結などにより固化改良し、チャンバ内の掘削土砂を全て排出してから、作業者がこのチャンバ内に入ってカッタビットの交換作業を行っていた。ところが、このようなカッタビットの交換作業では、地盤改良を行うための薬液などに費用がかかって不経済であると共に、作業時間が長くかかって作業性が良くなく、また、作業者にかかる負担が大きくなってしまうという問題がある。そこで、カッタヘッドを掘削機本体内に移動し、この掘削機本体内でカッタビットの交換作業を行うようにしたものが提案されている。
【０００４】
例えば、特公平７−１１６９１５号公報に開示されたシールド掘削機のカッター板の構造は、カッター面板に設けた土砂取込み用スリットにカッター刃装着アーム部材を前後方向に沿って出没自在に配設すると共に、カッター面板の裏面にカッター刃装着アーム部材が後方に没入したときに土砂取込み用スリットを閉止するシャッター板を配設したものである。
【０００５】
従って、カッター刃の磨耗が進行すると、カッター刃装着アーム部材を土砂取込み用スリットからカッター面板の裏面に没入させ、シャッター板により土砂取込み用スリットを閉止して切羽地盤をカッター板全面で抑え、この状態でアーム部材に装着している磨耗したカッター刃の交換作業を行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のシールド掘削機にあっては、大型で大重量のカッター刃装着アーム部材をカッター面板の裏面に没入させる必要から、その支持機構並びに移動機構が大がかりなものとなり、装置の大型化及び大重量化を招くばかりでなく、製造コストも増加してしまうという問題がある。そして、装置が大型化することから、小径のトンネルを掘削するためのトンネル掘削機として用いることができず、使用範囲が限定されてしまう。また、カッター刃装着アーム部材をカッター面板の裏面に没入させ、シャッター板により土砂取込み用スリットを閉止した状態で、作業者はスキンプレート内からカッター刃装着アーム部材の前面側に移動してカッター刃を交換しなければならず、作業が狭い空間で面倒なものとなり、作業性が良くないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであって、装置の小型軽量化を図ると共に製造コストの低減を図る一方で、容易にカッタビットの交換を可能としたトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されて土砂取込開口部が形成されたカッタヘッドと、該カッタヘッドの前記土砂取込開口部に径方向に沿って配設されたカッタスポークと、該カッタスポークに前記土砂取込開口部から前方への突出位置と後方への収納位置とに移動可能に取り付けられた複数のカッタビットと、該カッタビットが前記収納位置へ移動したときに前記土砂取込開口部を閉塞可能なカバーとを具えたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明のトンネル掘削機では、前記カッタヘッドと前記掘削機本体との間に前記土砂取込開口部から取り込んだ土砂を堆積するチャンバが設けられると共に、前記掘削機本体に該チャンバに堆積した土砂を外部に排出する土砂排出手段が配設され、前記カバーにより前記土砂取込開口部が閉塞され、該土砂排出手段によりチャンバ内の土砂が排出されたとき、該チャンバを作業者による前記カッタビットの交換室として利用可能としたことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明のトンネル掘削機では、前記カッタビットは前記カッタスポークの後面に形成された交換開口部から前記チャンバに移動可能としたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明のトンネル掘削機では、前記カッタヘッドはその回転軸が前記掘削機本体に駆動回転可能に支持され、前記カバーはその回転軸が前記カッタヘッドの回転軸内に回転可能に支持されて後方に延出され、前記掘削機本体に配設された駆動手段により所定角度回動可能であることを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明のトンネル掘削機では、前記掘削機本体の前部に止水リングが油圧ジャッキにより前後移動可能に支持され、前記カッタヘッドの後部に該止水リングが嵌合する受け部が設けられたことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての泥水式シールド掘削機の概略断面、図２にシールド掘削機の正面視、図３に図１のIII−III断面、図４乃図６に本実施形態のシールド掘削機におけるカッタビット交換作業を表す概略を示す。
【００１５】
本実施形態の泥水式シールド掘削機において、図１乃至図３に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなし、前胴１２と後胴１３とが図示しない球面軸受及びシール部材を介して連結されており、この前胴１２と後胴１３との間には複数の中折ジャッキ１４が介装されて屈曲可能となっている。この前胴１２の前部にはバルクヘッド１５が形成され、このバルクヘッド１５には掘削機本体１１の中心に位置する回転軸１６が軸受１７により図示しないシール部材を介して回転自在に支持されている。そして、この回転軸１６の前端部にはカッタヘッド１８が連結される一方、後部には外歯を有するリングギヤ１９が固定され、前胴１２に取付けられた複数の駆動モータ２０の駆動ギヤ２１がこのリングギヤ１９に噛み合っている。従って、駆動モータ２０を駆動することで、駆動ギヤ２１と噛み合うリングギヤ１９を介してカッタヘッド１８を回転することができる。
【００１６】
このカッタヘッド１８は円盤形状をなし、周方向に等間隔で３つの土砂取込開口部２２が形成されると共にこの各土砂取込開口部２２の中央部にカッタヘッド１８の径方向に沿ったカッタスポーク２３が取付けられている。そして、カッタヘッド１８の面板２４には多数の先行ビット２５が固定されると共に、各カッタスポーク２３に複数のカッタビット２６が長手方向に沿って並設され、交換可能となっている。即ち、カッタスポーク２３は中空形状をなし、内部に取り外し可能に固定された円筒シリンダ２７にピストン２８が移動自在に嵌合し、このピストン２８の先端部にカッタビット２６が取付けられており、この円筒シリンダ２７とピストン２８との間に油圧を給排することで、カッタビット２６を土砂取込開口部２２から前方への突出位置と後方への収納位置とに移動することができる。
【００１７】
また、カッタヘッド１８には面板２４の後側に位置して３枚のカバー２９が周方向均等間隔で配設され、カッタヘッド１８の回転軸１６内には回転軸３０が相対回転自在に支持されており、この回転軸３０の前端部に各カバー２９の基端部が固結されている。この各カバー２９は扇形をなし、面板２４の後側に位置して各土砂取込開口部２２を開放状態とする収納位置と、ほぼ６０度回動して各土砂取込開口部２２を閉塞する閉塞位置とに回動可能となっている。一方、回転軸３０の後端部は前胴１２の後部まで延出してクランク板３１が固結されており、前胴１２に装着された駆動手段としての２つの油圧シリンダ３２の駆動ロッド３３がクランク板３１の各先端部に連結されている。なお、各カバー２９と各土砂取込開口部２２の端縁との間には図示しないシール部材が設けられており、カバー２９による土砂取込開口部２２の閉塞時に、内部への土砂や泥水などの侵入を防止している。
【００１８】
従って、各油圧ジャッキ３２を伸縮すると、クランク板３１及び回転軸３０を介して各カバー２９を一体に６０度回動することができ、各カッタビット２６がカッタスポーク２３内の収納位置へ移動したとき、この油圧ジャッキ３２の伸張動作により各カバー２９を閉塞位置に回動し、このカバー２９によって土砂取込開口部２２を閉塞することができる。
【００１９】
更に、カッタヘッド１８と前胴１２のバルクヘッド１５との間には土砂取込開口部２２に連通して土砂を堆積するチャンバ３３が設けられている。そして、このチャンバ３３には一端が掘削機本体１１の後方に延設された送泥管３４及び排泥管３５の他端が開口しており、排泥管３５の開口部分の近傍にはチャンバ３３内で掘削土砂と泥水とを攪拌、混合するアジテータ３６が装着されている。また、この前胴１２の先端部には止水リング３７がシール部材を介して前後方向に沿って移動自在に支持されており、前胴１２に設けられた複数の油圧ジャッキ３８により前後移動可能となっている。一方、カッタヘッド１８の後端部にはこの止水リング３７が嵌合して止水可能なシール部材を有するリング状の受け部３９が設けられている。
【００２０】
従って、カッタヘッド１８の停止時に、各カバー２９を閉塞位置に回動して土砂取込開口部２２を閉塞し、油圧ジャッキ３８を伸張して止水リング３７を受け部３９に嵌合することで、チャンバ３３内は外部から隔離された空間部となり、排泥管３５を用いてチャンバ３３内の土砂を排出すると、このチャンバ３３に作業者が侵入してカッタビット２６の交換作業を行う交換室として利用することができる。この場合、カッタスポーク２３の後面には各カッタビット２６に対応して交換開口部４０が形成されており、チャンバ３３内の作業者は、この交換開口部４０からカッタビット２６をピストン２８及び円筒シリンダ２７と共にチャンバ３３に移動して取り外すことができる。
【００２１】
なお、後胴１３の後部には周方向に沿って複数のシールドジャッキ４１が並設されると共に、エレクタ装置４２が装備されている。従って、シールドジャッキ４１を伸長してトンネル内周面に組付けられた既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進させることができる。また、エレクタ装置４２は既設トンネルの周方向及び径方向に沿って移動自在であり、既設トンネル内に搬入されたセグメントＳを把持し、所定の位置に移動して既設トンネルの内壁面にセグメントＳを組み付けることができる。
【００２２】
ここで、上述した本実施形態のシールド掘削機によるトンネル掘削作業並びにカッタビット交換作業について説明する。
【００２３】
図１乃至図３に示すように、トンネル掘削作業を行う場合には、各カバー２９を開放位置に回動して土砂取込開口部２２を開放し、止水リング３７を前胴１２側に後退し、カッタビット２６を前方への突出位置に移動しておく。この状態で、まず、駆動モータ２０によって回転軸１６を介してカッタヘッド１８を回転させながら、複数のシールドジャッキ４１を伸長して既設のセグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させる。すると、各カッタビット２６等が前方の地盤を破砕し、掘削機本体１１とほぼ同径のトンネルを掘削することができる。
【００２４】
そして、各カッタビット２６によって掘削された土砂は、カッタヘッド１８の回転に伴って各土砂取込開口部２２からチャンバ３３内の取り込まれ、排泥管３５により外部に排出される。次に、シールドジャッキ４１の何れか一つを縮み方向に作動して既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置４２によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００２５】
このようなシールド掘削機による掘削作業を長期間継続すると、各カッタビット２６が磨耗するため、その摩耗状況を検査して磨耗が激しい場合には新しいものと交換する。この場合、まず、駆動モータ２０によるカッタヘッド１８の回転を停止し、図４に示すように、各円筒シリンダ２７とピストン２８との間に油圧を給排することで、各カッタビット２６を土砂取込開口部２２から後方への収納位置に移動する。次に、図５に示すように、油圧ジャッキ３８を伸張して止水リング３７を前進させ、先端部を受け部３９に当接し、続いて、油圧ジャッキ３２を伸張してクランク板３１及び回転軸３０を介してカバー２９を６０度回動し、このカバー２９によって土砂取込開口部２２を閉塞する。すると、チャンバ３３はカッタヘッド１８の面板２４とカバー２９によって切羽側から隔絶され、排泥管３５を用いてチャンバ３３内の土砂を排出することで、このチャンバ３３をカッタビット２６の交換室とすることができる。
【００２６】
従って、作業者は、図６に示すように、掘削機本体１１側から図示しないマンホールを通ってチャンバ（交換室）３３に入り、この作業空間で各カッタビット２６における摩耗状況の検査を行い、必要に応じて新しいビットと交換することができる。
【００２７】
その後、各カッタビット２６の検査作業や交換作業が完了すると、作業者は掘削機本体１１内に戻り、作業空間内への土砂の流入や地山の崩壊を防ぐためにチャンバ３３に充填材を注入する。そして、カバー２９を前述とは逆に回動して土砂取込開口部２２を開放し、止水リング３７を後退させ、続いて、各カッタビット２６を土砂取込開口部２２から前方に突出した状態とする。そして、前述と同様に、カッタヘッド１８を回転して前方の地盤を掘削する。
【００２８】
このように本実施形態のシールド掘削機にあっては、掘削機本体１１の前部にカッタヘッド１８を駆動回転自在に支持し、このカッタヘッド１８に土砂取込開口部２２を設けると共に、土砂取込開口部２２内のカッタスポーク２３にカッタビット２６を前後移動可能に装着し、このカッタビット２６が後退した収納位置にてカバー２９を回動して土砂取込開口部２２を閉塞可能としている。従って、カッタビット２６が後退した収納位置では、カバー２９によって土砂取込開口部２２を閉塞することで、チャンバ３３を切羽側から隔絶して交換室を確保でき、この交換室内でカッタビット２６の交換作業等を容易に且つ安全に行うことができる。
【００２９】
また、チャンバ３３を交換室としてカッタビット２６の交換作業を行うことで、作業者がカッタヘッド１８の前側に移動して交換作業を行う必要はなく、チャンバ３３という広い空間での作業となり、作業性を向上できる。更に、別途、カッタビット専用の交換室を設ける必要がなく、装置が大型化することもない。
【００３０】
また、カッタヘッド１８は回転中心位置にある回転軸１６により掘削機本体１１に回転自在に支持し、この回転軸１６内にカバー２９の回転軸３０を支持したことで、カッタヘッド１８及びカバー２９の支持構造を簡素化できると共に、その駆動回転構造も簡素化できる。そして、掘削機本体１１の前端部に止水リング３７を設け、この止水リング３７をカッタヘッド１８に当接してチャンバ３３を止水するため、止水性を向上できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、筒状の掘削機本体を推進ジャッキによって前進可能とすると共に、掘削機本体の前部に土砂取込開口部が形成されたカッタヘッドを駆動回転可能に装着し、この土砂取込開口部に径方向に沿ってカッタスポークを配設し、前方への突出位置と後方への収納位置とに移動可能な複数のカッタビットを設けると共に、カッタビットが収納位置へ移動したときに土砂取込開口部を閉塞可能なカバーを設けたので、カッタビットの後退位置でカバーにより土砂取込開口部を閉塞することで、掘削機本体側を切羽側から隔絶してカッタビットの交換作業を行うことができ、装置の小型軽量化を図ることができると共に製造コストの低減を図ることができる一方で、容易にカッタビットの交換作業を行うことができ、トンネル掘削作業の作業効率の向上を図ることができる。
【００３２】
請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、カッタヘッドと掘削機本体との間に土砂取込開口部から取り込んだ土砂を堆積するチャンバを設けると共に、このチャンバに堆積した土砂を排出する土砂排出手段を配設し、カバーにより土砂取込開口部を閉塞して土砂排出手段によりチャンバ内の土砂を排出したとき、チャンバを作業者によるカッタビットの交換室として利用可能としたので、別途、カッタビット専用の交換室を設ける必要がなく、装置の大型化を防止することができる。
【００３３】
請求項３の発明のトンネル掘削機によれば、カッタビットをカッタスポークの後面に形成された交換開口部からチャンバに移動可能としたので、作業者はカッタヘッドの前側に移動して交換作業を行う必要はなく、カッタビットの後側から広い空間で交換作業を行うこととなり、作業性を向上することができる。
【００３４】
請求項４の発明のトンネル掘削機によれば、カッタヘッドの回転軸を掘削機本体に駆動回転可能に支持し、カバーの回転軸をカッタヘッドの回転軸内に回転可能に支持して後方に延出し、掘削機本体に配設された駆動手段により所定角度回動可能としたので、カッタヘッド及びカバーの支持構造並びにその駆動回転構造を簡素化することができる。
【００３５】
請求項５の発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部に止水リングを油圧ジャッキにより前後移動可能に支持し、カッタヘッドの後部に止水リングが嵌合する受け部を設けたので、止水リングをカッタヘッドの受け部に当接してチャンバを止水することとなり、止水性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としての泥水式シールド掘削機の概略断面図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図３】図３に図１のIII−III断面図である。
【図４】本実施形態のシールド掘削機におけるカッタビット交換作業を表す概略図である。
【図５】本実施形態のシールド掘削機におけるカッタビット交換作業を表す概略図である。
【図６】本実施形態のシールド掘削機におけるカッタビット交換作業を表す概略図である。
【符号の説明】
１１掘削機本体
１２前胴
１３後胴
１４中折ジャッキ
１６回転軸
１８カッタヘッド
２０駆動モータ
２２土砂取込開口部
２３カッタスポーク
２６カッタビット
２９カバー
３０回転軸
３１クランク板
３２油圧ジャッキ（駆動手段）
３３チャンバ
３５排泥管（土砂排出手段）
３７止水リング
３８油圧ジャッキ
３９受け部
４１シールドジャッキ（推進ジャッキ）
４２エレクタ装置

Claims

筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されて土砂取込開口部が形成されたカッタヘッドと、該カッタヘッドの前記土砂取込開口部に径方向に沿って配設されたカッタスポークと、該カッタスポークに前記土砂取込開口部から前方への突出位置と後方への収納位置とに移動可能に取り付けられた複数のカッタビットと、該カッタビットが前記収納位置へ移動したときに前記土砂取込開口部を閉塞可能なカバーとを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記カッタヘッドと前記掘削機本体との間に前記土砂取込開口部から取り込んだ土砂を堆積するチャンバが設けられると共に、前記掘削機本体に該チャンバに堆積した土砂を外部に排出する土砂排出手段が配設され、前記カバーにより前記土砂取込開口部が閉塞され、該土砂排出手段によりチャンバ内の土砂が排出されたとき、該チャンバを作業者による前記カッタビットの交換室として利用可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
請求項２記載のトンネル掘削機において、前記カッタビットは前記カッタスポークの後面に形成された交換開口部から前記チャンバに移動可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記カッタヘッドはその回転軸が前記掘削機本体に駆動回転可能に支持され、前記カバーはその回転軸が前記カッタヘッドの回転軸内に回転可能に支持されて後方に延出され、前記掘削機本体に配設された駆動手段により所定角度回動可能であることを特徴とするトンネル掘削機。
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記掘削機本体の前部に止水リングが油圧ジャッキにより前後移動可能に支持され、前記カッタヘッドの後部に該止水リングが嵌合する受け部が設けられたことを特徴とするトンネル掘削機。