JP4910109B2 - ビット切替装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機のカッタヘッドに地中に存在する支障物を切削するための支障物切削ビットを設けたビット切替装置に関する。

トンネル掘削機としてのシールド掘進機は、シールド本体の前方に設けられたカッタで地山を掘削して、その後方でセグメントを順次組立てることにより、トンネルを構築していくものである。カッタの前端には複数のビットが配置されており、カッタを回転させてビットにより地山を掘削するようになっている。

このようなシールド掘進機では、地中に残置された基礎杭等の硬質な支障物が現れた場合、従来、薬液注入等で地山を固めた後にカッタのチャンバに作業員が出て支障物を直接撤去したり、ウォータージェット（特許文献１等参照）で支障物を切削撤去する方法が一般的に採用されている。

特開平１０−２９９３８９号公報

作業員が支障物を直接撤去する場合、地山崩壊、薬液注入等を行うことによる工事費増大など、各種の問題が存在する。

また、ウォータージェットで支障物を切削撤去する場合、高圧のウォータジェットを噴射するための高圧ポンプが必要となるなど構成が複雑となるという問題が存在する。また、高圧のウォータジェットをトンネル掘削機の前方へ向けて噴射して支障物を切削するところ、支障物だけでなく周囲の地山まで切削することとなり、切羽への影響が大きいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、トンネル掘削機の前方の地中に支障物が現れた場合でも、その支障物を切削することを可能とするビット切替装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、トンネル掘削機に備えられて回転駆動されるカッタヘッドに、地山を切削するための地山切削ビットと地中に存在する支障物を切削するための支障物切削ビットとを設けると共に、上記地山切削ビット及び上記支障物切削ビットの内いずれか一方を切羽側に露出させ、他方を上記カッタヘッド内に収容するための切替機構を設けたビット切替装置において、上記切替機構は、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設され、上記カッタヘッドの回転方向に沿って延びる軸廻りに回転自在で、且つ、上記地山切削ビットと上記支障物切削ビットとが周方向に間隔を隔てて取り付けられる回転軸と、上記地山切削ビット及び上記支障物切削ビットの内いずれか一方が切羽側に露出する位置で上記回転軸の回転を拘束するための回転拘束手段と、上記回転拘束手段による上記回転軸の回転拘束を解除した状態で上記回転軸を回転させるための回転手段とを有し、上記回転拘束手段は、上記カッタヘッド内に設けられ、上記カッタヘッドの径方向に移動可能なロックロッドと、該ロックロッドに上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数設けられた凹部と、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設された上記回転軸に各々設けられ、上記ロックロッドの凹部に係合される係合部と、上記ロックロッドを、上記ロックロッドの凹部と上記回転軸の係合部とが係合される位置と上記ロックロッドの凹部と上記回転軸の係合部との係合が解除される位置とに移動させるためのロックジャッキとを有することを特徴とするビット切替装置である。

上記回転手段は、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設された上記回転軸に各々取り付けられるスプロケットと、上記カッタヘッド内に設けられたモータと、上記スプロケットと上記モータとの間に掛け渡された無端状のチェーンと、を有するチェーン駆動機構から構成されるものであっても良い。

本発明によれば、簡易な構成で、トンネル掘削機の前方の地中に支障物が現れた場合でも、その支障物を切削することを可能とするという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係るビット切替装置を適用したシールド掘進機の側断面図である。図２は、図１の実施形態に係るシールド掘進機の要部拡大正面図である。図３は、図１の実施形態に係るシールド掘進機の要部拡大側面図である。図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。図５（ａ）は図２のＶａ−Ｖａ線矢視断面図であり、図５（ｂ）は図２のＶｂ−Ｖｂ線矢視断面図である。

本実施形態は、トンネル掘削機としてのシールド掘進機に適用したものである。また、本実施形態は、泥土圧式シールド掘進機に適用したものであるが、泥水式シールド掘進機などにも適用可能である。

図１に示すように、本実施形態のシールド掘進機１は、掘進方向前方にカッタ２を有するシールド本体３を備えている。シールド本体３の後部には、カッタ２により掘削した孔内にセグメントを組立ててトンネルを構築するためのエレクタ（図示せず）と、シールド本体３の内周に所定間隔を隔てて複数設けられ、セグメントに反力を取ってシールド本体３を推進させるためのシールドジャッキ（図示せず）とが設けられる。

カッタ２は、その回転中心から径方向外側に延出し、切羽に対して回転されるカッタヘッド４を有している。カッタヘッド４の前面には、その径方向中央にセンタビット５が配置され、そのセンタビット５よりも外周側に複数のカッタビット６ａ、６ｂ、７が配置されている。

カッタヘッド４と、シールド本体３の前端部近傍に設けられたバルクヘッド（隔壁）８との間には、カッタ２により掘削した土砂（掘削土砂）を取込むチャンバ９が形成される。バルクヘッド８の下部には、これを貫通してチャンバ９に開口するスクリュコンベア１０が設けられる。カッタヘッド４の後面には、掘進方向後方に延出してチャンバ９内の掘削土砂を撹拌するための撹拌翼１１が設けられている。

本実施形態のカッタヘッド４は、中心部材１２と、中心部材１２に放射状に取り付けられた複数のカッタスポーク１３とを有している。つまり、本実施形態では、カッタヘッド４はスポーク状に形成されている。なお、カッタヘッド４が、面板状に形成されていても良い。

カッタスポーク１３の前端には、地山を切削するための地山切削ビット（固定ビット）７が取り付けられている。

バルクヘッド８には、ギヤ１６を有するリング状部材１７が回転自在に支持されている。リング状部材１７は、カッタヘッド４（中心部材１２）から後方に延出する筒体１８によって、カッタヘッド４と連結されている。シールド本体３内には、リング状部材１７を回転させるための複数の駆動モータ１９（本実施形態では、油圧モータ）が設けられている。駆動モータ１９にはピニオン２０が取り付けられており、そのピニオン２０がリング状部材１７に設けられたギヤ１６と歯合するようになっている。

バルクヘッド８には、リング状部材１７を回転自在に支持する支持機構２１が設けられている。支持機構２１は、ケーシング２２と、ケーシング２２内に収容され、リング状部材１７を支持するための軸受２３、２４と、シールド本体３内に土砂が侵入するのを防止するためのシール機構２５とを有している。

図２から図５に示すように、本実施形態のビット切替装置３０においては、カッタヘッド４に、地山を切削するための地山切削ビット６ａと地中に存在する基礎杭等の硬質な支障物を切削するための支障物切削ビット６ｂとが設けられている。また、カッタヘッド４には、地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの内いずれか一方を切羽側に露出させ、他方をカッタヘッド４内に収容するための切替機構が設けられている。

上記切替機構は、カッタヘッド４に設けられ、カッタヘッド４の径方向に延びるように配置されたヘッド部材としてのカッタスポーク１３と、カッタスポーク１３に設けられ、カッタヘッド４の回転方向に沿って延びる軸廻りに回転自在で、且つ、両端部がカッタスポーク１３の幅方向（図２中の左右方向）の側部（側面部）からカッタスポーク１３外へと突出する回転軸３１であって、回転軸３１の両端部に、地山切削ビット６ａと支障物切削ビット６ｂとが回転軸３１の周方向（回転方向）に所定間隔を隔てて取り付けられる回転軸３１と、この回転軸３１に取り付けられた地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの内いずれか一方が切羽側に露出する位置で回転軸３１の回転を拘束するための回転拘束手段と、切羽側に露出するビット６ａ、６ｂを切り替えるために、回転拘束手段による回転軸３１の回転拘束を解除した状態で回転軸３１を回転させるための回転手段とを有している。

本実施形態では、回転軸３１は、その両端部よりも長手方向（図２中の左右方向）内側の部分にて、カッタスポーク１３の両側部に設けられた台座３２に軸受３３を介して支持されている。

本実施形態では、地山切削ビット６ａは、回転軸３１の外周に取り付けられたシャンク材（母材）３４と、シャンク材３４の前端部に固着された刃部６１とから構成される（図７参照）。例えば、刃部６１は、超硬合金製（例えばタングステンカーバイト）のブロック状の超硬チップ６２からなる。

本実施形態では、支障物切削ビット６ｂは、回転軸３１の外周に取り付けられたシャンク材３４と、シャンク材３４の前端部に固着された刃部６３とから構成される（図７及び図８参照）。例えば、刃部６３は、超硬合金製（例えばタングステンカーバイト）の複数の円柱状の超硬チップ６４と、超硬チップ６４間に介在される鑞材６５（例えば銅鑞）とからなる。支障物切削ビット６ｂに用いられる超硬チップ６４は、地山切削ビット６ａに用いられる超硬チップ６２よりも硬いものである。

上記の回転軸３１、地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂ等は、カッタスポーク１３の長手方向（図２中の上下方向）（カッタヘッド４の径方向）に複数配置される。ここで本実施形態では、カッタスポーク１３の長手方向に隣接する回転軸３１は、一方の回転軸３１に設けられた地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの回転軌跡３５が他方の回転軸３１に設けられた地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの回転軌跡３５上を通るように、近接させて配置される（図３参照）。

本実施形態の回転拘束手段は、カッタスポーク１３内に設けられ、カッタスポーク１３の長手方向（カッタヘッド４の径方向）に移動自在なロックロッド３６と、ロックロッド３６に設けられた凹部３７と、回転軸３１に設けられ、ロックロッド３６の凹部３７に係合される係合部３８と、ロックロッド３６を、ロックロッド３６の凹部３７と回転軸３１の係合部３８とが係合される位置と、その係合が解除される位置とに移動させるためのロックジャッキ１４（本実施形態では、油圧ジャッキ）とを有している。

本実施形態では、ロックロッド３６はスライダ３９に沿ってカッタスポーク１３の長手方向に移動されるようになっている。

本実施形態では、回転軸３１の係合部３８は、回転軸３１の長手方向中間部に設けられている。この係合部３８は、回転軸３１の長手方向中間部の断面を非円形（本実施形態では、六角形）とすることで形成される。

回転軸３１の回転を拘束する際には、ロックジャッキ１４を伸長させて、ロックロッド３６の凹部３７が回転軸３１の係合部３８に係合される位置までロックロッド３６を移動させ（押し出し）（図６（ｄ）参照）、ロックロッド３６がその長手方向に移動しないように、ロックジャッキ１４のストロークを固定したり、ボルトやピン等のストッパ（図示せず）を用いてロックロッド３６をカッタスポーク１３に対して固定する。

一方、回転軸３１の回転拘束を解除する際には、ロックジャッキ１４を縮退させて、ロックロッド３６の凹部３７と回転軸３１の係合部３８との係合が解除される位置までロックロッド３６を移動させる（引き込む）（図６（ａ）参照）。

図２に示すように、ヘッド部材としてのカッタスポーク１３には、回転手段としてのチェーン駆動機構４１が設けられる。回転手段としてチェーン駆動機構４１を用いる場合、回転軸３１にスプロケット４２を取り付けると共に、中心部材１２内或いはカッタスポーク１３内にモータなど（図示せず）を設け、これらスプロケット４２とモータとの間に無端状のチェーン４３を架け渡し、モータなどによりチェーン４３を駆動させることで、回転軸３１を回転させる。

本実施形態では、モータにより複数の回転軸３１を同時に回転させるために、スプロケット４２を、カッタスポーク１３の長手方向に所定間隔を隔てて設けられた複数の回転軸３１にそれぞれ取り付け、それらスプロケット４２にチェーン４３を架け渡すようにしている。

また、カッタスポーク１３の長手方向に隣接する回転軸３１のうち一方の回転軸３１を回転させている間は他方の回転軸３１を回転させないように、スプロケット４２を、カッタスポーク１３の長手方向に所定間隔を隔てて設けられた複数の回転軸３１に対して１つ置きで配置して（図２参照）、カッタスポーク１３の長手方向に隣接する回転軸３１を互いに異なるモータなどで回転させるようにしている。つまり、本実施形態では、カッタスポーク１３の長手方向に隣接する回転軸３１を同時に回転させないようにしている。このようにすることで、カッタスポーク１３の長手方向に隣接する複数のビット６ａ、６ｂ間の距離を近くすることができる。なお、スプロケット４２は、複数の回転軸３１に対して１つ置きで配置されていなくても良い。

次に、本実施形態の作用を説明する。

地山を切削する通常切削時には、回転軸３１に設けられた地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの内の地山切削ビット６ａが切羽側に露出し、且つ、支障物切削ビット６ｂがカッタヘッド４内に収容される位置で、回転拘束手段により回転軸３１の回転を拘束する。そして、その状態でカッタヘッド４を回転させることで、切羽側に露出させた地山切削ビット６ａにより切削を行う。

一方、シールド掘進機１の前方の地中に支障物が現れた際には、回転軸３１に設けられた地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの内の支障物切削ビット６ｂが切羽側に露出し、且つ、地山切削ビット６ａがカッタヘッド４内に収容される位置で、回転拘束手段により回転軸３１の回転を拘束する。そして、その状態でカッタヘッド４を回転させることで、切羽側に露出させた支障物切削ビット６ｂにより切削を行う。

切羽側に露出するビット６ａ、６ｂを切替える（図示例では地山切削ビット６ａから支障物切削ビット６ｂへの切替を示す）際には、カッタヘッド４の回転を停止させた後、図６（ａ）に示すように、回転拘束手段による回転軸３１の回転拘束を解除する。そしてその状態で、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、回転手段により回転軸３１を順次所定角度だけ回転させて、切羽側に露出するビット６ａ、６ｂを切り替える。図６（ｄ）に示すように、切羽側に露出するビット６ａ、６ｂの切替が完了した後、回転拘束手段により回転軸３１の回転を再度拘束する。

このように、本実施形態によれば、シールド掘進機１のカッタヘッド４に、地山を切削するための地山切削ビット６ａと地中に存在する支障物を切削するための支障物切削ビット６ｂとを設けると共に、地山切削ビット６ａ及び支障物切削ビット６ｂの内いずれか一方を切羽側に露出させ、他方をカッタヘッド４内に収容するための切替機構を設けたので、シールド掘進機１の前方の地中に支障物が現れた場合に、支障物切削ビット６ｂを切羽側に露出させて、その支障物切削ビット６ｂにより支障物を切削することが可能となる。また、地山切削ビット６ａがカッタヘッド４内に収容されるので、地山切削ビット６ａが支障物により損傷することを回避することができる。

ここで、本実施形態では、ヘッド部材としてのカッタスポーク１３に、カッタヘッド４の回転方向に沿って延びる軸廻りに回転自在に、且つ、両端部がカッタスポーク１３の側面部からカッタスポーク１３外へと突出するように回転軸３１を設け、その回転軸３１の両端部にそれぞれ、回転軸３１の周方向（回転方向）に互いに所定間隔を隔てて地山切削ビット６ａと支障物切削ビット６ｂとを設けるようにすることで、土砂がつまるような箇所を形成しないようにしている。そのため、土砂によりビット６ａ、６ｂや回転軸３１等が固着することなく、容易に切羽側に露出するビット６ａ、６ｂの切替を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、回転軸３１を、カッタヘッド４の回転方向に沿って延びる軸廻りに回転自在に設けたため、カッタヘッド４の回転に伴って回転軸３１をその回転方向に回そうとする力は回転軸３１にほとんど作用せず、回転軸３１及びロックロッド３６等に多大な負荷がかかることはなく、回転軸３１及びロックロッド３６等への負荷を低減することができる。特に、本実施形態では、硬質な支障物を切削するので、負荷を低減する効果は大きい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、回転拘束手段の係合部が、断面台形に形成されていても良く、回転拘束手段が、ロックロッドに設けられたクサビ部と、回転軸に設けられ、ロックロッドのクサビ部に係合される係合部とを有していても良い。

また、回転手段及び／又は回転拘束手段として、ラックアンドピニオン機構を用いても良い。

また、回転軸３１の一端部に、地山切削ビット６ａを複数設けても良く、支障物切削ビット６ｂを複数設けても良い。例えば、掘削距離が長い場合には、地山切削ビット６ａを途中で切り替えるべく、地山切削ビット６ａを複数設けることが考えられる。また、工事施工前に地中に切削すべき支障物が多く存在すると予想される場合には、支障物切削ビット６ｂを途中で切り替えるべく、支障物切削ビット６ｂを複数設けることが考えられる。

さらに、カッタスポーク１３をカッタヘッド４の径方向軸回りに回転自在とし、そのカッタスポーク１３に、地山切削ビット６ａと支障物切削ビット６ｂとをカッタスポーク１３の周方向（回転方向）に所定間隔を隔てて取り付けるようにしても良い。この場合、回転自在なカッタスポーク１３が、特許請求の範囲の回転軸をなす。

本発明の一実施形態に係るビット切替装置を適用したシールド掘進機の側断面図である。 図１の実施形態に係るシールド掘進機の要部拡大正面図である。 図１の実施形態に係るシールド掘進機の要部拡大側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 （ａ）は図２のＶａ−Ｖａ線矢視断面図であり、（ｂ）は図２のＶｂ−Ｖｂ線矢視断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はビット切替の第一〜第四工程をそれぞれ示す概略図である。 地山切削ビット及び支障物切削ビットの側面図である。 支障物切削ビットの刃部の概略斜視図である。

符号の説明

１ シールド掘進機（トンネル掘削機）
４ カッタヘッド
６ａ 地山切削ビット
６ｂ 支障物切削ビット
１４ ロックジャッキ（回転拘束手段）
３０ ビット切替装置
３１ 回転軸
３６ ロックロッド（回転拘束手段）
３７ 凹部（回転拘束手段）
３８ 係合部（回転拘束手段）
４１ チェーン駆動機構（回転手段）
４２ スプロケット（回転手段）
４３ チェーン（回転手段）

Claims (2)

1. トンネル掘削機に備えられて回転駆動されるカッタヘッドに、地山を切削するための地山切削ビットと地中に存在する支障物を切削するための支障物切削ビットとを設けると共に、
   上記地山切削ビット及び上記支障物切削ビットの内いずれか一方を切羽側に露出させ、他方を上記カッタヘッド内に収容するための切替機構を設けたビット切替装置において、 上記切替機構は、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設され、上記カッタヘッドの回転方向に沿って延びる軸廻りに回転自在で、且つ、上記地山切削ビットと上記支障物切削ビットとが周方向に間隔を隔てて取り付けられる回転軸と、上記地山切削ビット及び上記支障物切削ビットの内いずれか一方が切羽側に露出する位置で上記回転軸の回転を拘束するための回転拘束手段と、上記回転拘束手段による上記回転軸の回転拘束を解除した状態で上記回転軸を回転させるための回転手段とを有し、
   上記回転拘束手段は、上記カッタヘッド内に設けられ、上記カッタヘッドの径方向に移動可能なロックロッドと、該ロックロッドに上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数設けられた凹部と、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設された上記回転軸に各々設けられ、上記ロックロッドの凹部に係合される係合部と、上記ロックロッドを、上記ロックロッドの凹部と上記回転軸の係合部とが係合される位置と上記ロックロッドの凹部と上記回転軸の係合部との係合が解除される位置とに移動させるためのロックジャッキとを有する
   ことを特徴とするビット切替装置。
2. 上記回転手段は、上記カッタヘッドの径方向に間隔を隔てて複数配設された上記回転軸に各々取り付けられるスプロケットと、上記カッタヘッド内に設けられたモータと、上記スプロケットと上記モータとの間に掛け渡された無端状のチェーンと、を有するチェーン駆動機構から構成される請求項１に記載のビット切替装置。

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