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

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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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