JP4964843B2 - 両巻スクリューカッタ機構 - Google Patents

Description

本発明は、地盤を掘削に採用される両巻スクリューカッタ機構に関する。

従来、都市域に設けられる比較的小規模のトンネルの断面形状は円形断面とするよりも矩形断面とすることが合理的である場合が多いことから、矩形断面のトンネル掘削機が採用されている。このようなトンネル掘削機の切削機構としては、掘削方向に直交し略水平方向に配置させるとともに、螺旋状の羽根の外周部に土砂を切削するための切削ビットを配置させたスクリュー形状のカッタ（以下、スクリューカッタという）を、掘削機本体の先端に上下方向に平行に複数配列させたものがある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
このようなスクリューカッタによる機構は、油圧モータ等の回転駆動により、螺旋羽根を回転させて土砂を切削しながら、左右方向に切削した土砂を移送し、スクリュー端部付近でスクリューカッタの回転軸方向と直角方向に設置したスクリューコンベヤによりシールド機の後方に掘削土砂を排出するものである。
特許第３６６７７１７号公報 特開平１１−２２９７７４号公報 特公平７−５９８７８号公報

ところが、特許文献１、２、３で開示されているスクリューカッタ機構は、水平なスクリューカッタにより地盤を幅方向に掘削するとともに左右方向（横方向）へ土砂を移送するものであって、その左右方向への移送能力が一定であるため、スクリューカッタの回転軸方向で排土側ほどスクリュー内部の運搬土量が多くなり、スクリュー内圧も高くなる。つまり、切削する地盤の土圧に対応するスクリューカッタの圧力が軸方向（トンネル幅方向）の範囲で一定にならず、圧力差が生じることから、地盤の土圧が部分的に低下し、地表面沈下を発生させてしまうおそれがあった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、主に切削する地盤の土圧に対応する圧力の片寄りを少なくし、地表面沈下の発生を抑えるようにした両巻スクリューカッタ機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る両巻スクリューカッタ機構では、外周部に切削ビットが取り付けられるとともに軸部の周囲を所定角度周回する螺旋羽根が、軸部に沿って複数配置され、隣り合う螺旋羽根どうしは、互いに接触することなく、且つ螺旋巻き方向が逆向きに配置され、螺旋羽根の隣り合う端部どうしの軸部に対する位相が所定角度だけずれていることを特徴としている。

本発明では、各螺旋羽根が軸部周りに所定角度周回する範囲に配置されているので、この周回角度を回転する間に地盤の全面に各螺旋羽根の外周部の切削ビットが接触して切削され、この切削土砂は隣り合う逆巻き方向の螺旋羽根により互いに逆方向に移送されようとし、したがって結局はいずれの方向にも移送されずに単に螺旋羽根によって攪拌されることになる。
そして、隣り合う螺旋羽根の端部どうしの位相を所定角度だけずらした状態で配置されているので、切削土砂が螺旋羽根どうしの間で詰まることなくスムーズに通過して、地盤と反対側（裏側）へ排出されることになる。つまり、本両巻スクリューカッタ機構では、切削土砂を回転軸方向に沿って横移動させない構造であるので、スクリュー内部の運搬土量が軸方向全体にわたって一定に保持される。そのため、切削する地盤の土圧に対応する両巻スクリューカッタ機構の圧力も軸方向全体にわたる範囲でほぼ一定となって圧力差が生じなくなり、その結果、地盤を安定させた状態で掘削することができる。

また、本発明に係る両巻スクリューカッタ機構では、各螺旋羽根がそれぞれ同じ周回角度とされ、それら螺旋羽根の隣り合う端部どうしの位相のずれが全て同一であることが好ましい。

本発明では、軸部に配置されているすべての隣り合う螺旋羽根の端部どうしの軸部周方向の隙間が一定となるので、切削土砂が螺旋羽根どうしの間で詰まることなくスムーズに通過して、地盤と反対側（裏側）へ排出されることになる。

また、本発明に係る両巻スクリューカッタ機構では、位相のずれは、１８０°であることが好ましい。

本発明では、軸部に配置されているすべての隣り合う螺旋羽根の端部どうしの軸部周方向の隙間が最大、且つ一定となるので、隣り合う逆向きの螺旋羽根によって切削される土砂を最も効率よくスクリュー内を通過させることができ、しかも両巻スクリューカッタ機構の圧力もより確実に一定にすることができる。

また、本発明に係る両巻スクリューカッタ機構では、軸部の周囲を周回する螺旋羽根の所定角度は、略一周であることが好ましい。

本発明では、各螺旋羽根が軸部周りに略１周する範囲に配置されているので、１回転する間に地盤の全面に各螺旋羽根の外周部の切削ビットが接触して切削され、この切削土砂は隣り合う逆巻き方向の螺旋羽根により互いに逆方向に移送されようとし、したがって結局はいずれの方向にも移送されずに単に螺旋羽根によって攪拌されることになる。

本発明の両巻スクリューカッタ機構によれば、隣り合う螺旋羽根どうしが互いに螺旋巻き方向が逆方向となっているので、切削土砂が螺旋羽根の回転軸方向に沿って横移動しないことから、これにより地盤の土圧に対応する両巻スクリューカッタ機構の圧力も軸方向全体にわたってほぼ一定となり、地盤の土圧の片寄りを低減することができ、トンネルの場合において、土圧の部分的な低下の影響による地表面沈下の発生を抑制することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態による両巻スクリューカッタ機構について、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図、図２は図１に示すトンネル掘削機の前方部を上から見た図、図３は図１に示すトンネル掘削機の正面図、図４はトンネル掘削機に備えられる両巻スクリューカッタの概略構成を示す斜視図、図５は両巻スクリューカッタの正面図、図６は図５に示すＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態による両巻スクリューカッタ２０（両巻スクリューカッタ機構）は、トンネル掘削機１の先端部に備えられ、掘削機１の推進とともに回転させて掘削土砂を取り込むためのものである。

図１に示すように、先ず、本発明の第１の実施の形態が装備されているトンネル掘削機１の概略構成について説明する。
図１乃至図３に示すトンネル掘削機１は、ボックスカルバート等の矩形断面のトンネルを掘削するためのものであって、基本的には通常のシールド機と同様に、地盤を掘削しつつその後方において、コンクリート造のボックス２を組み立て、その組み立て済みのボックス２から反力をとって掘進していくように構成されたものである。

トンネル掘削機１の基本構成は、通常のシールド機とほぼ同様に築造すべきトンネルの断面形状に合わせて掘削機本体３の内部にトンネル掘削に必要な各種の機器類のほぼ全てを収容し、その掘削機本体３の前部には地盤掘削のためのカッタを配置したものである。
さらに具体的には、掘削機本体３は掘削すべきトンネルの断面形状に合致する矩形筒状のスキンプレート４を外殻とし、その後部には施工済みのボックス２を押圧してそこから反力をとって推進するための推進ジャッキ５が多数設けられている。また、掘削機本体３の内部にはボックス２の組み立てに使用するためのエレクタ装置６が備えられている他、トンネル掘削に必要な装置類が備えられている。

本トンネル掘削機１では、掘削機本体３の前部に配置されているカッタとして、切羽を矩形断面に掘削するための複数段（図では５段）のメインカッタ、すなわち最上段に位置する両巻スクリューカッタ２０およびそれより下段に位置する他の４段の片巻スクリューカッタ３０、３０、…と、それらスクリューカッタ２０、３０の前部に配置された先端カッタ７とが併用されている。なお、両巻スクリューカッタ２０と片巻スクリューカッタ３０とは、詳しくは後述するが構成が異なっており、移送機構も異なっている。

両巻スクリューカッタ２０および片巻スクリューカッタ３０の前方には、それらスクリューカッタ２０、３０では有効に掘削し得ない範囲を掘削するために先端カッタ７が配置され、その先端カッタ７として本実施の形態では一般的な回転カッタが採用されている。先端カッタ７は、各スクリューカッタ２０、３０の端部を支持しているサイドフレーム８およびセンターフレーム９内に配置されていて掘削方向と平行をなす回転軸１０の先端部に設けられていて、サイドフレーム８およびセンターフレーム９の前方の地盤を掘削するものである。

なお、センターフレーム９内に組み込まれている回転軸１０は先端カッタ専用のものであって、それはセンターフレーム９の後部に設けられている第１駆動モータ１１によって回転駆動されるものであるが、サイドフレーム８内に組み込まれている回転軸１０はスクリューコンベヤ１２を兼用している。つまり、先端カッタ７の回転軸１０に土砂移送用の螺旋羽根を形成した構成となっており、そのスクリューコンベヤ１２および先端カッタ７はサイドフレーム８の後部に設けられている第２駆動モータ１３により回転駆動されるものである。このようにサイドフレーム８は、スクリューコンベヤ１２のケーシングの機能を兼ねたものとなっている。

さらに、上記した両巻スクリューカッタ２０、片巻スクリューカッタ３０、３０、…および先端カッタ７は、図１に示すように上段側のものほどやや前方に位置するように鉛直面に対して傾斜状態で並べられて配置されることが基本とされ、その状態で固定的に設置することでも良いが、図示例のようにスクリューカッタ２０、３０および先端カッタ７をそれぞれが独立に前後方向に進退可能とすることが好ましい。

すなわち、図示例においては、各スクリューカッタ２０、３０の両端部を支持しているサイドフレーム８とセンターフレーム９とは支持フレーム１４によって支持されていた構成となっている。

そして、各段の支持フレーム１４と掘削機本体３内のメインフレーム１５との間には進退ジャッキ１６が介装されていて、各段の進退ジャッキ１６の操作により各段の支持フレーム１４を介して各段のスクリューカッタ２０、３０および先端カッタ７を前後方向に進退させることによって、地盤状況や掘削作業工程に応じてそれぞれを最適位置に配置することができるようになっており、これにより上段側のものほどやや前方に位置するように配置するばかりでなく、逆に下段側のものほどやや前方に位置するように配置したり、全ての位置を揃えることが可能となっている。
なお、上述のように各段の支持フレーム１４には主移送装置としてのスクリューコンベヤ１２が組み込まれていることから、各段の支持フレーム１４を進退させた際には同時に各段のスクリューコンベヤ１２も一体に進退することになる。

次に、本トンネル掘削機１のメインカッタをなす両巻スクリューカッタ２０および片巻スクリューカッタ３０の構成について説明する。
図２に示すように、各段の両巻スクリューカッタ２０および片巻スクリューカッタ３０はいずれも回転軸方向が掘削方向と直交する略水平に配置されており、左右一対の２台がセンターフレーム９を挟んで左右両側に対称配置されていて、それらの両端部がサイドフレーム８とセンターフレーム９に対して回転自在に支持され、それらの端部内側に組み込まれた第３駆動モータ１７によって回転されるようになっている。これにより、それぞれが切羽を幅方向に掘削して、それら両巻スクリューカッタ２０および片巻スクリューカッタ３０、３０、…全体で矩形断面のトンネルを掘削するようになっている。

図３に示すように、片巻スクリューカッタ３０は、通常のスクリュー型のカッタが使用され、その軸部３１の周囲に一連の螺旋羽根３２が設けられているとともに、螺旋羽根３２の外周部に切削ビット３３が取り付けられた構成となっている。この片巻スクリューカッタ３０は、自身の回転により切削ビット３３によって地盤を掘削すると同時に掘削土砂を螺旋羽根３２により軸方向に移送可能とされている。

そして、これらの片巻スクリューカッタ３０は、上述したようにトンネル掘削機１の幅方向中心を挟んで対称配置されているので、掘削された掘削土砂はそれぞれトンネル掘削機１の中央側（センターフレーム９側）から両側（サイドフレーム８側）に向かって移送されるようになっている。さらに、片巻スクリューカッタ３０によって掘削の両側方に移送された掘削土砂は、各段のサイドフレーム８内のスクリューコンベヤ１２に受け渡され、そのコンベヤ１２によって後方に移送され、排土口１８（図１、図２参照）より排出されるようになっている。

次に、図４乃至図６に示すように、最上段に配置される両巻スクリューカッタ２０は、軸部２１の周囲に複数（図では５枚）の螺旋羽根２２（２２Ａ、２２Ｂ）がスクリュー軸方向に配置された構成をなし、各螺旋羽根２２は軸部周りを略１周（３６０°）する長さ寸法となっている。隣り合う螺旋羽根２２、２２どうしは、互いに接触することなく、螺旋巻き方向が逆向きに配置されている。ここで、図４および図５では、一方の螺旋方向をなす螺旋羽根を符号２２Ａとし、その反対巻きの螺旋方向をなす螺旋羽根を符号２２Ｂで示している。

さらに具体的には、隣り合う一方の螺旋羽根２２Ａ（図５で最も左側）の終点位置（端部２２ｂ）と、他方の螺旋羽根２２Ｂの始点位置（端部２２ａ）とが、１８０°の位相のずれをもった位置となっている。つまり、螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂの隣り合う端部どうしの位相が１８０°ずれた状態となっている。
そして、各螺旋羽根２２は、一定の高さ寸法（軸部２１の半径方向に突出する寸法）が螺旋巻き方向に沿って一定であり、両端部２２ａ、２２ｂには刃面２４が形成されている。

螺旋羽根２２には、外周部に切削ビット２３が取り付けられていて、この最上段の両巻スクリューカッタ２０の自身の回転により地盤を掘削可能であり、その掘削土砂は隣り合う逆巻きの螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂにより互いに逆方向に移送されようとし、したがって結局はいずれの方向にも移送されずに単に螺旋羽根２２によって攪拌されるにとどまる構成となっている。

また、この両巻スクリューカッタ２０の後方には、掘削土砂をさらに攪拌しつつ両側に振り分けて側方に移送するための横移送装置として１組２台のパドルスクリュー１９が左右に対称配置されており、それらパドルスクリュー１９によって両側に移送された掘削土砂は、下段側の片側スクリューカッタ３０に付設されているものと同様にサイドフレーム８内に組み込まれている主移送装置としてのスクリューコンベヤ１２により後方に移送されて排出されるようになっている。つまり、最上段の両巻スクリューカッタ２０はそれ自身では掘削土砂を攪拌するのみでその移送を有効に行い得ないものであることから、その後方に横移送装置としてのパドルスクリュー１９が配置されて掘削土砂の側方への移送が支障なく行われるようになっている。

次に、上述したトンネル掘削機１による掘削方法および両巻スクリューカッタ２０の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本トンネル掘削機１では、各段のスクリューカッタ２０、３０および先端カッタ７を順次（例えば上方から順に）、前方に推進させて地盤を掘削する。このときの推進順は、最上段の両巻スクリューカッタ２０から順に掘削することが地盤の緩みを抑える点で好ましいが、この順に限定されることはなく、また複数のスクリューカッタ２０、３０を同時に推進させるようにしてもかまわない。

両巻スクリューカッタ２０および片巻スクリューカッタ３０による掘削は、図１に示す推進ジャッキ１６を伸長させつつ、スクリューカッタ２０、３０を適宜な回転速度で回転させ、螺旋羽根２２、３２の外周部に配置されている切削ビット２３、３３によって切羽の地盤を切削する。片巻スクリューカッタ３０で切削した土砂は、螺旋羽根３２の回転とともに側方（図３に示す矢印方向）へ移送され、サイドフレーム８内に備えられているスクリューコンベヤ１２に受け渡され、掘削機本体３の後方へ搬出される。

図４および図５に示すように、両巻スクリューカッタ２０は、各螺旋羽根２２が軸部周りに略１周する範囲に配置されているので、１回転する間に地盤の全面に各螺旋羽根２２の外周部の切削ビット２３が接触して切削され、この切削土砂は隣り合う逆巻き方向の螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂにより互いに逆方向に移送されようとし、したがって結局はいずれの方向にも移送されずに単に螺旋羽根２２によって攪拌されることになる。

そして、螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂの隣り合う端部２２ａ、２２ｂどうしの位相を所定角度（本実施の形態では１８０°）だけずらした状態で配置されているので、切削土砂が螺旋羽根２２、２２どうしの間で詰まることなくスムーズに通過して、地盤と反対側（裏側）へ排出されることになる。つまり、本両巻スクリューカッタ２０では、切削土砂を回転軸方向に沿って横移動させない構造であるので、スクリュー内部の運搬土量が軸方向全体にわたって一定に保持される。そのため、切削する地盤の土圧に対応する両巻スクリューカッタ２０の圧力も軸方向全体にわたる範囲でほぼ一定となって圧力差が生じなくなり、その結果、地盤を安定させた状態で掘削することができる。

そして、上述した螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂの隣り合う端部２２ａ,２２ｂどうしの位相のずれが１８０°であることから、軸部２１に配置されているすべての螺旋羽根２２の隣り合う端部２２ａ、２２ｂどうしの軸部周方向の隙間が最大、且つ一定となるので、隣り合う逆向きの螺旋羽根２２によって切削される土砂を最も効率よくスクリュー内を通過させることができ、しかも両巻スクリューカッタ２０の圧力もより確実に一定にすることができる。

上述した本発明の第１の実施の形態による両巻スクリューカッタ機構では、隣り合う螺旋羽根２２Ａ、２２Ｂどうしが互いに螺旋巻き方向が逆方向となっているので、切削土砂が螺旋羽根２２の回転軸方向に沿って横移動しないことから、スクリュー内部の運搬土量を軸方向全体にわたって一定に保持することができる。これにより地盤の土圧に対応する両巻スクリューカッタ２０の圧力も軸方向全体にわたってほぼ一定となり、切羽の地盤の土圧の低下をなくすことができ、その影響による地表面沈下の発生を抑制することができる。

次に、本発明の他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
図７は本発明の第２の実施の形態による両巻スクリューカッタの概略構成を示す正面図である。
図７に示すように、第２の実施の形態による両巻スクリューカッタ４０は、軸部４１の周囲に外周部に切削ビット４３を設けた複数（図７では５枚）の螺旋羽根４２（４２Ａ、４２Ｂ）がスクリュー軸方向に沿って配置され、各螺旋羽根４２は軸部周りを１周（３６０°）する長さ寸法となっている。さらに、隣り合う螺旋羽根４２Ａ、４２Ｂどうしは、互いに接触することなく、螺旋方向が逆向きに配置され、それぞれの隣り合う端部４２ａ、４２ｂどうしが軸部４１に対して１８０°の位相のずれを有している点で上述した第１の実施の形態の両巻スクリューカッタ２０（図５など参照）と同様の構成となっている。第２の実施の形態では、各螺旋羽根４２の形状が第１の実施の形態の螺旋羽根２２の形状とは異なっている。具体的には、各螺旋羽根４２の外周部（切削ビット４３の位置）は、両端部４２ａ、４２ｂ、および一方の端部２２ａ（２２ｂ）から螺旋巻き方向で１８０°の位置（中間部４２ｃ）で軸部４１の周面に近づき、両端部４２ａ、４２ｂから螺旋巻き方向で９０°の位置（符号４２ｄ）で軸部４１の周面から最も離れた位置となるように滑らかに形成されている。

このように、本発明の第２の実施の形態による両巻スクリューカッタ４０では、螺旋羽根４２の端部４２ａ、４２ｂ、及び中間部４２ｃが配置される付近では、隣り合う螺旋羽根４２Ａ、４２Ｂどうしによる仕切りが小さくなるので、切削土砂がスクリュー軸方向全体にわたって一様に広がって攪拌性能を高めることができ、両巻スクリューカッタ４０の圧力の均一化を図ることができる。

以上、本発明による両巻スクリューカッタ機構の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、両巻スクリューカッタの各螺旋羽根は、軸部周りに略１周していてこれが好ましいのであるが、１周よりも多くして２周としてもよいし、１周よりも少なくしてもよい。ただし、多くても２周程度、少なくても半周程度までが良いと考えられる。また、各螺旋羽根において、隣り合う端部どうしの軸部に対する位相を１８０°ずれるようにしていてこれが好ましいのであるが、位相のずれは１８０°でなくてもよい。ただし、９０°〜１８０°の範囲が良いと考えられる。要は、各螺旋羽根の周回角度を同じとし、隣り合う端部どうしの位相のずれを全て同じとすることが肝要であり、また、複数の螺旋羽根の枚数にしても、本発明の実施の形態では５枚としているが、偶数枚のほうがより好ましいといえる。

また、両巻スクリューカッタ２０、４０の外径寸法、軸方向の長さ寸法、螺旋羽根の厚さ寸法などの構成は、本実施の形態に限定されることはなく、切削する地盤の硬さや地質、切削能力などの条件に応じて適宜設定することができる。
また、本実施の形態では両巻スクリューカッタ２０、４０を矩形断面を掘削するトンネル掘削機１に採用しているが、このような形態に限定されることはなく、またトンネル掘削機１に配置されるスクリューカッタ２０、４０の台数、配置形態は任意に設定することができる。

さらに、例えば螺旋羽根２２に適宜な大きさ、形状の開口部を設けることで、トンネルの切羽付近に注入する添加材と切削土砂の攪拌能力が向上することになり、切削部付近に添加材を加えて強制攪拌し、均質な泥土状にして流動性、止水性をもたせ、切羽の安定とスクリューコンベヤ１２からの地下水の噴出を防ぐことの確実性を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態によるトンネル掘削機の概略構成を示す側面図である。 図１に示すトンネル掘削機の前方部を上から見た図である。 図１に示すトンネル掘削機の正面図である。 トンネル掘削機に備えられる両巻スクリューカッタの概略構成を示す斜視図である。 両巻スクリューカッタの正面図である。 図５に示すＡ−Ａ線断面図である。 第２の実施の形態による両巻スクリューカッタの概略構成を示す正面図である。

符号の説明

１ トンネル掘削機
３ 掘削機本体
８ サイドフレーム
９ センターフレーム
１９ パドルスクリュー
２０、４０ 両巻スクリューカッタ（両巻スクリューカッタ機構）
２１、４１ 軸部
２２、２２Ａ、２２Ｂ、４２、４２Ａ、４２Ｂ 螺旋羽根
２３、４３ 切削ビット
３０ 片巻スクリューカッタ

Claims (4)

1. 外周部に切削ビットが取り付けられるとともに軸部の周囲を所定角度周回する螺旋羽根が、前記軸部に沿って複数配置され、
   隣り合う前記螺旋羽根どうしは、互いに接触することなく、且つ螺旋巻き方向が逆向きに配置され、
   前記螺旋羽根の隣り合う端部どうしの前記軸部に対する位相が所定角度だけずれていることを特徴とする両巻スクリューカッタ機構。
2. 各螺旋羽根がそれぞれ同じ周回角度とされ、それら螺旋羽根の隣り合う端部どうしの位相のずれが全て同一であることを特徴とする請求項１に記載の両巻スクリューカッタ機構。
3. 前記位相のずれは、１８０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の両巻スクリューカッタ機構。
4. 前記軸部の周囲を周回する前記螺旋羽根の所定角度は、略一周であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の両巻スクリューカッタ機構。

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