JP5061073B2

JP5061073B2 - シールド掘削機における排土装置

Info

Publication number: JP5061073B2
Application number: JP2008245543A
Authority: JP
Inventors: 和昭大深; 克治前原; 清志松本
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP2010077631A

Description

本発明は、シールド掘削機によって掘削された掘削土をスクリューコンベアによって排出する際に、土塊や礫等の大塊物によるスクリューコンベアの閉塞を防止しながら掘削土の排出を可能にしたシールド掘削機における排土装置に関するものである。

従来から、シールド掘削機によって切羽の崩壊を防止しながらトンネルを掘削する方法として、例えば、高濃度の泥水を機内を通じて切羽側に注入することにより切羽を保持しながら、カッタ板とこのカッタ板を回転自在に支持している隔壁間で形成した土砂貯留室内で泥水と攪拌混合された掘削土を、スクリューコンベアを通じて後方に排出する泥土加圧工法が採用されている。

この泥土加圧工法において、土砂貯留室内の掘削土をスクリューコンベアによって搬出する場合、掘削土中に土塊や礫等の大塊物が存在していると、スクリューコンベアによって搬出することができないばかりでなく、該大塊物がスクリューコンベアにおける円筒形状の固定ケーシングと回転するスクリュー羽根との間に食い込んでスクリューコンベアに過大な負荷がかかり、運転不能となる事態が発生する虞れがあると共に、食い込んだ土塊の取り除き作業に著しい手間を要し、また、その作業を行うには危険を伴うといった問題点がある。

このため、例えば、特許文献１に記載されているように、固定ケーシングの前端開口部を隔壁の下端部から土砂貯留室内に臨ませているスクリューコンベアにおけるスクリュー羽根の突出端に破砕ビットを取付ける一方、スクリューコンベアの突出端の下方におけるスキンプレートの内周面に上記破砕ビットと対向させて固定破砕ビットを突設し、これらの破砕ビット間に大塊物を挟み込んで破砕するように構成していると共に、固定ケーシング内における回転中心軸の前端部にも破砕ビットを突設して固定ケーシング内に取り込まれた破砕物を二次破砕するように構成した排土装置が開発されている。

特開平１１−３４３７９２号公報

しかしながら、シールド掘削機の土砂貯留室内に取り込まれた掘削土は泥水と混合した状態でカッタ板の背面に突設している攪拌板の攪拌作用等によって絶えず流動しているため、掘削土中に混在する土塊や礫等の大塊物がその自重によって土砂貯留室の下部内に滞留しても、上記固定破砕ビットによってその位置に係止状態で保持しておくことが困難であり、さらに、固定破砕ビットに支持された状態となっても、スクリュー羽根の突出端に突設している上記破砕ビットがスクリュー羽根の回転に従って固定破砕ビット上に存在する大塊物に押当した際に、該大塊物が妄動して固定破砕ビットから外れる事態が発生し、確実な破砕が行い難くなるといった問題点があった。

さらに、土砂貯留室内の大塊物が、固定ケーシングの開口端から突出しているスクリュー羽根の先端の回転に伴って固定ケーシング内に向かって掻き込まれたり、或いは、土砂貯留室内の上方側から大塊物がスクリュー羽根の先端羽根部と固定ケーシングの開口端との間に嵌まり込んだりした場合には、回転するスクリュー羽根の傾斜面によって該大塊物は固定ケーシングの開口端内に向かって強制的に送り込まれる押圧力を受け、その押圧力によって該大塊物が固定ケーシングの開口端部内に食い込む事態が発生すると共に、その際、固定ケーシングの開口端によって該開口端から外周方に突出する大塊物の一部が切断されたとしても、固定ケーシング内に送り込まれた残余の大塊物が固定ケーシング内に充満した状態となり、特に、大塊物が粘性を有する土塊からなる場合には、上記回転中心軸の前端部に破砕ビットを突設していても、この破砕ビットによる二次破砕が困難となって固定ケーシングが閉塞し、スクリュー羽根に過大な負荷がかかって運転不能になる虞れがあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、スクリューコンベア内に掘削土を取り込む際に、掘削土中に混在する大塊物がスクリューコンベアの開口端に食い込んだり、コンベア内を閉塞させたりすることなく、スクリューコンベアの固定ケーシング内で容易に搬送できる小割り状態にしてスクリュー羽根に過大な負荷を与えることなく円滑な搬出を可能にしたシールド掘削機における排土装置を提供するにある。

上記目的を達成するために本発明のシールド掘削機における排土装置は請求項１に記載したように、スキンプレートの開口端に配設したカッタ板とこのカッタ板を回転自在に支持している隔壁とで仕切られた土砂貯留室に隔壁の下端部を貫通してスクリューコンベアの前端開口部を臨ませ、このスクリューコンベアによって土砂貯留室内の掘削土を後方に排出するように構成したシールド掘削機における排土装置において、スクリューコンベアは、その前端開口部を上記隔壁の下端部に設けている円形孔からなる通孔を通じて土砂貯留室内に臨ませ且つ前端から後端に向かって斜め上方に傾斜させている円筒状の固定ケーシングと、この固定ケーシング内の中心部に該固定ケーシングの全長に亘って配設されている回転中心軸と、この回転中心軸の外周面に一体に固着しているスクリュー羽根とを有していると共に、固定ケーシングの前端開口部から前方に突出するこのスクリュー羽根の前端部を回転中心軸の前端部と共に上記隔壁の下端部に設けている通孔を通じて土砂貯留室内に突出させてあり、さらに、土砂貯留室内に突出した該スクリューコンベアの回転中心軸の前端部外周面と、この回転中心軸の前端部外周面に螺旋状に固着しているスクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部とに、大径の土塊等の大塊物を支持する複数個の支持突起を周方向に所定間隔毎に突設してなる構造としている。

上記のように構成したシールド掘削機における排土装置において、請求項２に係る発明は、スクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部に支持突起を前後に対向するように突設してあり、この前後支持突起を一対として数対の支持突起を周方向に一定間隔毎に配置していると共に、上記前後に隣接する羽根部分間における回転中心軸部分の長さ方向の中間部外周面に、上記周方向に隣接する支持突起間の中間部に位置するように支持突起を突設していることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、スクリューコンベアにおける固定ケーシングの前端開口部から土砂貯留室に向かって前方に突出する該スクリューコンベアの回転中心軸の前端部外周面と、この回転中心軸の前端部外周面に螺旋状に固着しているスクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部とに、大径の土塊等の大塊物を支持する複数個の支持突起を周方向に所定間隔毎に突設しているので、土砂貯留室に向かって突出したスクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面間に土塊や礫等の大塊物が取り込まれた際に、この大塊物を上記前後羽根部の対向面に突設している支持突起間に架設状態で支持させてこれらの支持突起に係止させることができると共に、回転中心軸に突設している支持突起とによって回転中心軸から持ち上げられた状態で支持させることができる。

従って、スクリュー羽根の回転によって強制的に取り込まれる掘削土の取り込み力にもかかわらず、上記支持突起との係止力によって該大塊物が支持突起の回転軌跡上である回転中心軸の軸心に直交する円周上を上記掘削土の取り込み方向と逆方向（スクリュー羽根の回転方向）に支持突起と一体的に移行して、固定ケーシングの前端開口部に食い込む虞れを確実になくすることができる。

その上、シールド掘削機における排土装置であるスクリューコンベアは、隔離の下端部に臨ませている前端側から後端に向かって斜め上方に傾斜した状態で配設されていると共に、該スクリューコンベアにおける固定ケーシングの前端開口部から突出しているスクリュー羽根の前端部を隔壁の下端部に設けている通孔を通じて土砂貯留室内に突出させているので、回転中心軸の前端部の上周面上において前後に隣接する羽根部分の対向面に突設している支持突起間上に係止状態で支持された大塊物は、回転中心軸と一体的に回転するスクリュー羽根の回転によって下方に移行する際に、前側の羽根部に後方に向かって突設している支持突起と隔壁の通孔間の間隔が徐々に狭まって、前後羽根部間から突設している大塊物の突出部分が上記通孔の周縁に楔状に食い込みながら該通孔の周縁部と、この周縁部に対向する前側の羽根部に突設した上記支持突起や回転中心軸の前端部上に突設している支持突起とによって挟圧され、その挟圧力によって大塊物を小割り状態に確実に破砕することができる。

このように羽根部分から突設している突出部分を破砕、除去されて小さくなった塊状物は、該塊状物を係止状態で支持している支持突起がスクリュー羽根の回転によって下向きになると、支持突起との係止力が解かれて土砂貯留室内に落下したのち、再び、上記塊状物と共にスクリュー羽根によって取り込まれる。この際、塊状物は土砂貯留室内において攪拌等によりさらに小径になったのち、スクリュー羽根によって取り込まれるが、小径になることなくそのままスクリュー羽根に取り込まれても、大塊物は上記支持突起によって回転中心軸から持ち上げられた状態で小割りされているので、その持ち上げられた分だけ固定ケーシングと回転中心軸との間に隙間が生じることになり、そのため、固定ケーシングを閉塞させることなく、且つ、スクリュー羽根に過大な負荷がかかることなく、該スクリュー羽根の回転によって円滑に排出することができる。

さらに、請求項２に係る発明によれば、上記スクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部に支持突起を前後に対向するように突設してあり、この前後方向に対向した支持突起を一対として数対の支持突起を周方向に一定間隔毎に配置していると共に、上記前後に隣接する羽根部分間における回転中心軸部分の長さ方向の中間部外周面に、上記周方向に隣接する支持突起間の中間部に位置するように支持突起を突設しているので、これらの支持突起は三角形の角部にそれぞれ位置した状態となって大塊物をこれらの支持突起によって三点支持され、且つ、支持突起間で囲まれた空間内に大塊物の底部が嵌まり込んで確実に且つ安定した捕捉状態に支持させることができると共に、大塊物に対する支持突起の係止力も充分に発揮させてスクリュー羽根の掻き込み力にもかかわらず、固定ケーシングの開口端側に送り込まれることなく、上述したように隔壁に設けている通孔の周縁部と支持突起とによる挟着力で該大塊物を確実に小割りすることができる。なお、大塊物が支持突起間上に嵌入、支持された状態から小割りされるまでの時間は瞬時に行われて、スクリューコンベアによる掘削土の排出作用を中断させることはない。

次に、本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１は排土装置を備えたシールド掘削機の簡略縦断側面図、図２は排土装置の要部の縦断側面図であって、シールド掘削機は、そのスキンプレート１の前端開口部にカッタ板２を回転自在に配設してあり、このカッタ板２を回転自在に支持している隔壁３と該カッタ板２との間の空間部をカッタ板２によって掘削された掘削土を取り込む土砂貯留室４に形成している。さらに、隔壁３の後方側の機内には、上記土砂貯留室４内の掘削土を後方に排出するための排土装置としてのスクリューコンベア６が設置されている。

このスクリューコンベア６は、その前端開口部を上記隔壁３の下端部に設けている円形孔からなる通孔５を通じて土砂貯留室４内に臨ませ且つ前端から後端に向かって斜め上方に傾斜させている円筒状の固定ケーシング７と、この固定ケーシング７内の中心部に該固定ケーシング７の全長に亘って配設されている回転中心軸８と、この回転中心軸８の外周面に一体に固着しているスクリュー羽根９と、固定ケーシング７の後端に装着している回転中心軸８の駆動モータ10とからなり、さらに、固定ケーシング７の後端下周部に開閉板11によって開閉させられる排土口12が設けられている。13は開閉板11の開閉用ジャッキである。なお、スクリュー羽根９はその外周縁部に全長に亘って耐磨耗性を有する一定厚みの強化層9cを設けている。

スクリューコンベア６における上記固定ケーシング７の外径は、上記隔壁３に設けている通孔５よりも僅かに小径に形成されてあり、その前端開口部をこの通孔５に臨ませた状態で隔壁３の後面に固定状態で支持されている。さらに、回転中心軸８の前端部とこの前端部の外周面に固着しているスクリュー羽根９の前端部とは固定ケーシング７の前端開口部から上記通孔５を通じて土砂貯留室４内に突出させている。

固定ケーシング７の前端開口部から前方に向かって突出している上記スクリュー羽根９の前端部の前後の長さは、スクリュー羽根９の先端から２巻きの羽根部9a、9bを含む長さ部分であり、隔壁３の通孔５から土砂貯留室４内には、前端の羽根部9a全体と、この羽根部9aに後続する次の羽根部9bの少なくとも一部とを突出させている。さらに、これらの前後に隣接する羽根部9a、9bの対向面外周部、即ち、後方に向けている最前端の羽根部9aのの後面外周部と、この羽根部9aに連なる後続する羽根部9bの前面外周部とに、大径の土塊等の大塊物Ａを架設状態に支持する複数個（図においては３個）の支持突起14、15をそれぞれ周方向に所定間隔毎に突設していると共に、これらの前後羽根部9a、9b間に存する回転中心軸８の前端部外周面にもその長さ方向の中間部に周方向に所定間隔毎に複数個の支持突起16を突設している。

前後に隣接した上記羽根部9a、9bの対向面に突設している支持突起14、15は、前側の羽根部9aに突設している支持突起14に対して後側の羽根部9bに突設している支持突起15を該羽根部の傾斜面に直交する線上で前後に対向するように配設されてあり、これらの前後に対向した支持突起14、15を一対として数対（図においては３対）を所定の角度間隔（図においては120 度）毎に配設していると共に、上記回転中心軸８の前端部外周面に突設している各支持突起16は、スクリューコンベア６を正面から視た状態において、上記周方向に隣接する支持突起14、14間（15、15間）の中間部に位置するように設けられている。なお、前後一対の支持突起14、15は、回転中心軸８の軸心に平行する線上で対向するように突設しておいてもよい。

支持突起14〜16の形状は特に限定されないが、図においては、高さがスクリュー羽根９のピッチ間隔の１／８程度の短柱形状であって、耐磨耗性を有する金属被覆層を有していると共に円形状の突出端面の周縁を、大塊物Ａを係止状態に受止する稜角部に形成している。

さらに、最前端側の羽根部9aの前面側に、この羽根部9aの後方に連なる上記羽根部9bの前面外周部に突設した支持突起15に対して螺旋方向にこれらの支持突起15、15と同一間隔を存して同一形状を有する攪拌用突起17を突設していると共に、最前端側の羽根部9aから前方に突出している回転中心軸８の突出端の外周面にも同一形状を有する攪拌用突起18を突設している。

このように構成したので、シールド掘削機によって切羽地盤を掘削するには、機内の後方側から泥水供給管（図示せず）を通じて高濃度の泥水を供給して切羽側に注入することにより切羽の崩壊を防止しながら、カッタ板２を回転駆動することにより掘削し、この掘削量に応じてシールド掘削機を推進させることによってトンネルを掘進する。カッタ板２によって掘削された掘削土は土砂貯留室４内に取り込まれて、この土砂貯留室４内においてカッタ板２の後面と隔壁３の前面とに突設している数本の棒状或いは板状攪拌部材19により、カッタ板２の回転に従って泥水と攪拌、混合され、塑性流動化されながら隔壁３の下端部から土砂貯留室４内に臨ませているスクリューコンベア６によって後方に搬出される。

このスクリューコンベア６による掘削土の取り込みは、土砂貯留室４内を一定の圧力に保持しながら行われ、その状態でスクリューコンベア６の後端部に設けている排土口12を開放して泥水に掘削土が混合してなる泥土を排出する。

上記カッタ板２によって掘削される掘削土には、硬質の土塊や礫等の大塊物Ａが含まれており、この大塊物Ａが上記攪拌部材19によって破砕、分割されることなくスクリューコンベア６の開口端側に達して隔壁３の通孔５から土砂貯留室４内に突出しているスクリューコンベア６のスクリュー羽根９の突出端によって掻き込むように取り込まれたり、或いは、上方側から土砂貯留室４内に突出した前後羽根部9a、9b間に嵌まり込んだ場合、図２、図３に示すように、大塊物Ａは前後一対の支持突起14、15とこれらの支持突起14、15に隣接する回転中心軸８の前端部外周面に突設した支持突起16とによって捕捉状態に支持される。

即ち、前後に対向する羽根部9a、9bの対向面に突設している前後一対の支持突起14、15と、これらの支持突起14、15に隣接して羽根部9a、9b間の回転中心軸８の前端部外周面に突設している支持突起16とが、三角形の角部にそれぞれ配置された状態となっているので、前後に対向する羽根部9a、9b間に大塊物Ａが捕捉されると、その底部がこれらの支持突起14〜16によって三点支持され、且つ、支持突起14〜16によって囲まれた空間内に該大塊物Ａの底部が嵌まり込んで回転中心軸８の前端部外周面からその底部が持ち上げられた状態でこれらの支持突起14、16に係止し、安定した捕捉状態に支持させることができる。

このように、大塊物Ａはその底部が支持突起14〜16によって囲まれた空間部内に嵌まり込み、且つ、支持突起14〜16によって該底部が係止状態に支持されながら、スクリュー羽根９の回転に従って、その回転方向に移行する。この際、スクリュー羽根９の回転方向はスクリュー羽根９の後側螺旋状傾斜面による掘削土の取り込み方向とは逆方向であるが、大塊物Ａは上記のように支持突起14〜16に係止状態で支持されているので、スクリュー羽根９の上記傾斜面による後方への取り込み作用力を受けることなく、従って、隔壁３に設けている通孔５を通じて固定ケーシング７の前端開口部に食い込む虞れはなく、回転中心軸８の軸心に直交する半径を有する仮想円周上をこれらの支持突起14〜16と一体的に運行する。

この際、回転中心軸８は前端から後方に向かって斜め上方に傾斜した状態でその前端部を隔壁３に設けている通孔５から土砂貯留室４内に突設している一方、隔壁３の前面は垂直な面に形成されているので、この隔壁３の前面と前側羽根部9aの後面との間には、楔状の空間部が設けられ、且つ、上記前側羽根部9aの後面に突設している支持突起14が上方側から下方に向かって移動するに従って隔壁３の前面に向かって接近することになる。

そのため、支持突起14〜16上にその底部を係止状態で支持されている大塊物Ａが回転中心軸８の回転に従って上方から下方に移行していくと、前後羽根部9a、9bから突出している該大塊物Ａの突出部分における後部が隔壁３に設けている通孔５におけるエッジ状に形成された口縁に楔状に食い込むようにして押し付けられ、支持突起14を突設している前側羽根部9aと通孔５の周縁部における隔壁３の前面との間の楔状空間部が徐々に狭められるに従って、これらの前側羽根部9aと通孔５の口縁部とによる大塊物Ａの挟圧力が増大してその挟圧力により大塊物Ａを通孔５の口縁の剪断作用によって破砕して小径の塊状物に小割りすることができる。

この破砕時において、大塊物Ａに通孔５の口縁に対する押付力の反力が作用して大塊物Ａが、回転中心軸８の回転方向とは逆方向に逃げようとするが、大塊物Ａの底部が前後羽根部9a、9bに突設している支持突起14、15やこれらの支持突起14、15間における回転中心軸８の前端部上に突設している支持突起16に係止した状態に強固に支持されているため、逃げることなく強制的に通孔５のエッジ形状の口縁に押し付けながら小割り状に破砕することができる。

こうして、小割りされた前後羽根部9a、9b間からの大塊物Ａの突出部は、スクリュー羽根９の前端から土砂貯留室４内に落下すると共に、この突出部の破砕、除去によって小さくなった前後羽根部9a、9b間に存在する塊状物は、スクリュー羽根９の回転に従って下方に移動すると、支持突起14〜16との係止力が解かれて土砂貯留室内４に落下したのち、再び、スクリュー羽根９によって上記塊状物と共に取り込まれる。

この際、塊状物は土砂貯留室４内において攪拌部材19の攪拌作用等によりさらに小径にされたのち、スクリュー羽根９の掘削土掻き込み力によって掘削土と共に固定ケーシング７内に取り込まれるが、小径になることなくそのままスクリュー羽根９に取り込まれても支持突起14〜16に対する係止力にスクリュー羽根９の掘削土掻き込み力が打ち勝った場合には掘削土と共に固定ケーシング７内に取り込まれ、支持突起14〜16との係止力が掻き込み力よりも大きい場合には、再び、土砂貯留室４内に戻されて攪拌等により小径となったのち、図６に示すようにスクリュー羽根９に取り込まれる。

また、大塊物は上記支持突起14〜16によって回転中心軸８から持ち上げられた状態で小割りされているので、その持ち上げられた分だけ塊状物と固定ケーシング７及び回転中心軸８との間に隙間が生じることになり、そのため、固定ケーシング７を閉塞させることなく、且つ、スクリュー羽根９に過大な負荷がかかることなく、該スクリュー羽根９の回転によって円滑に固定ケーシング７内を後方に搬送することができ、開閉板11を開放することによって排土口12から下方に待機している土砂搬送台車（図示せず）等に排出することができる。

なお、土砂貯留室４内に突出しているスクリュー羽根９の前端部に取り込まれる大塊物Ａの底部は、必ずしも、回転中心軸８の前端部に外径方向に向かって突設している支持突起16上に支持させることなく、前後に隣接する羽根部9a、9bの対向面に突設した上記支持突起14、15間上に架設状態で支持させ、これらの支持突起14、15に大塊物Ａの底部を係止させた状態にして回転中心軸８の回転方向に支持突起と共に強制的に運行させてもよく、或いは、羽根部9a、9bの対向面に突設した上記支持突起14、15のいずれか一方と、回転中心軸８の前端部に突設した上記支持突起16間で大塊物Ａを架設状態で支持させるように構成しておいてもよい。

シールド掘削機の簡略縦断側面図。排土装置の前端部分の拡大縦断側面図。そのＸ−Ｘ線における縦断正面図。排土装置の前端部分の簡略斜視図。その正面図。破砕した塊状物を搬出している状態の縦断側面図。

１スキンプレート
２カッタ板
３隔壁
４土砂貯留室
５通孔
６スクリューコンベア
８回転中心軸
９スクリュー羽根
9a、9b 羽根部
14〜16 支持突起

Claims

スキンプレートの開口端に配設したカッタ板とこのカッタ板を回転自在に支持している隔壁とで仕切られた土砂貯留室に隔壁の下端部を貫通してスクリューコンベアの前端開口部を臨ませ、このスクリューコンベアによって土砂貯留室内の掘削土を後方に排出するように構成したシールド掘削機における排土装置において、スクリューコンベアは、その前端開口部を上記隔壁の下端部に設けている円形孔からなる通孔を通じて土砂貯留室内に臨ませ且つ前端から後端に向かって斜め上方に傾斜させている円筒状の固定ケーシングと、この固定ケーシング内の中心部に該固定ケーシングの全長に亘って配設されている回転中心軸と、この回転中心軸の外周面に一体に固着しているスクリュー羽根とを有していると共に、固定ケーシングの前端開口部から前方に突出するこのスクリュー羽根の前端部を回転中心軸の前端部と共に上記隔壁の下端部に設けている通孔を通じて土砂貯留室内に突出させてあり、さらに、土砂貯留室内に突出した該スクリューコンベアの回転中心軸の前端部外周面と、この回転中心軸の前端部外周面に螺旋状に固着しているスクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部とに、大径の土塊等の大塊物を支持する複数個の支持突起を周方向に所定間隔毎に突設していることを特徴とするシールド掘削機における排土装置。
スクリュー羽根の前端部における前後に隣接する羽根部分の対向面外周部に支持突起を前後に対向するように突設してあり、この前後支持突起を一対として数対の支持突起を周方向に一定間隔毎に配置していると共に、上記前後に隣接する羽根部分間における回転中心軸部分の長さ方向の中間部外周面に、上記周方向に隣接する支持突起間の中間部に位置するように支持突起を突設していることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘削機における排土装置。