JP5184989B2 - シールド掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、シールド筒に、シールド筒の前方地盤を掘削するカッタヘッドを有する掘削ユニットを組付けたシールド掘削機に関する。

従来、この種のシールド掘削機として、シールド筒の前部内周に、内径がシールド筒の他部の内径より小径のリング体が固定され、掘削ユニットは、リング体に内嵌する隔壁を有し、隔壁は、リング体に対する固定を解除することでリング体に対し後退自在であり、この隔壁に径方向に拡縮自在なカッタヘッドを軸支すると共に、隔壁の背面にカッタヘッド用の駆動ユニットを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。尚、駆動ユニットは、カッタヘッドの軸部を軸支する隔壁に固定のギヤケースと、ギヤケースに周方向の間隔を存して取付けられ、ギヤケース内のギヤを介してカッタヘッドの軸部を回転駆動する複数の駆動モータとで構成されており、これら複数の駆動モータによりカッタヘッドを高トルクで回転駆動できるようにしている。

このシールド掘削機によれば、トンネルの掘削完了後に、隔壁のリング体に対する固定を解除し、カッタヘッドを縮径させた状態で隔壁を後方に引張ることにより、掘削ユニット全体をリング体の後方に引き抜くことができる。そして、掘削ユニットをトンネルを通して回収できる。

ところで、トンネルの掘削中に、切羽にカッタヘッドでは掘削困難な岩石等の障害物が現われて、それ以上掘進できなくなることがある。この場合、従来は、一般的に、地上から障害物の埋設箇所まで立坑を掘り、障害物を除去しているが、これでは大掛かりな工事が必要になって、工費が嵩むと共に工期が長びく。

ここで、上記従来例のシールド掘削機を用いる場合は、切羽に障害物が現われたときに、リング体に対する隔壁の固定を解除すると共にカッタヘッドを縮径させた状態でシールド筒を切羽まで前進させて、カッタヘッドをリング体内に収納し、次に、切羽に隔壁の背面側から注入パイプを用いて地盤改良剤等の薬剤を注入し、切羽から泥水が染み出ないように止水した後、カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入り、削岩機等を用いて障害物を破砕除去することが考えられる。

然し、上記従来例のシールド掘削機では、隔壁に設けられたカッタヘッド用の駆動ユニットが複数の駆動モータを有する大型のものであるため、駆動ユニットが薬剤注入作業等の隔壁の背面側で行う作業の邪魔になり、作業性が悪くなる。
特許第３８３６４６７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、隔壁の背面側で作業性良く作業を行い得られるようにしたシールド掘削機を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、シールド筒に、シールド筒の前方地盤を掘削するカッタヘッドを有する掘削ユニットを組付けたシールド掘削機であって、シールド筒の前部内周に、内径がシールド筒の他部の内径より小径のリング体が固定され、掘削ユニットは、リング体に内嵌する隔壁を有し、この隔壁に径方向に拡縮自在なカッタヘッドが軸支され、隔壁は、リング体に対する固定を解除することでリング体に対し後退可能であるものにおいて、隔壁の背面にカッタヘッド用の駆動ユニットが設けられ、駆動ユニットは、隔壁に着脱自在に取付けられるギヤケースと、ギヤケース内に軸支される駆動軸と、ギヤケースに周方向の間隔を存して取付けられ、ギヤケース内のギヤを介して駆動軸を回転駆動する複数の駆動モータとから成り、駆動軸は、隔壁に軸支されるカッタヘッドの軸部に軸方向に抜差し自在にスプライン嵌合することを特徴とする。

本発明によれば、ギヤケースを隔壁から取外すと、ギヤケース内に軸支される駆動軸がカッタヘッドの軸部から離脱し、軸部に拘束されることなく駆動ユニット全体を隔壁から取外すことができる。そのため、切羽に障害物が現われたとき等に、リング体に対する隔壁の固定を解除すると共にカッタヘッドを縮径させた状態でシールド筒を切羽まで前進させて、カッタヘッドをリング体内に収納した後、駆動ユニットを隔壁から取外して、駆動ユニットに邪魔されることなく隔壁の背面側で作業性良く薬液注入作業等の作業を行うことができる。

更に、本発明においては、駆動ユニットが隔壁から取外し自在であるため、隔壁の駆動ユニットを設置する部分に、薬剤を注入する注入パイプを挿通可能な貫通孔を形成している。これによれば、切羽の周辺部分だけでなく中央部分にも薬剤を注入して、切羽全体を止水でき、カッタヘッドと隔壁との間の空間に作業者が入っての作業の安全性が確実に確保される。

また、本発明においては、シールド筒に対し隔壁を前後方向に進退する進退駆動源を備えることが望ましい。これによれば、カッタヘッドと隔壁との間の空間での作業完了後に、進退駆動源により隔壁をリング体に対する所定の固定位置に前進でき、通常の掘削状態への復帰作業を容易に行うことができる。

ところで、シールド掘削機は、一般的に、カッタヘッドと隔壁との間の空間の掘削土を排出するスクリューコンベア等の排土手段を備えている。排土手段は隔壁の下部から後上りに傾斜して後方に延在しており、駆動ユニットを隔壁から取外す際に排土手段が邪魔になる。そのため、駆動ユニットの取外しに先行して排土手段を隔壁から取外すことが必要になる。この場合、ギヤケースに排土手段が組み付けられていれば、駆動ユニットを排土手段ごと隔壁から取外すことができ、取外し作業が容易になる。

図１は、地中にトンネルを掘削する本発明の実施形態のシールド掘削機を示している。このシールド掘削機は、シールド筒１と、シールド筒１に組付けた掘削ユニット２とを備えている。シールド筒１は、前筒１１と後筒１２とで構成されている。後筒１２の前端には、前筒１１の後端部に内嵌する球面ジョイント部１３が設けられており、前筒１１は後筒１２に対し任意の方向に屈曲自在になる。そして、前筒１１と後筒１２とを連結する中折れジャッキ１４を周方向の間隔を存して複数設け、これら中折れジャッキ１４により前筒１１の方向、即ち、シールド掘削機の掘進方向を調節できるようにしている。

後筒１２には、掘削済みのトンネル内壁面にセグメントＳをリング状に組付けるエレクタ３が内装されると共に、設置済みのセグメントＳを反力受けにしてシールド筒１を前進させる推進ジャッキ１５が周方向の間隔を存して複数取り付けられている。また、後筒１２の後端には、セグメントＳとの間の隙間をシールするテールシール１２ａが取り付けられている。更に、前筒１１の前部内周には、内径がシールド筒１の他部の内径より小さなリング体１６が一体的に固定されている。

掘削ユニット２は、リング体１６に内嵌する隔壁２１と、シールド筒１の前端より前方の地盤を掘削する、隔壁２１に支持されるカッタヘッド２２とを有している。隔壁２１の外周には、リング体１６に内嵌する筒状のフランジ部２１ａが設けられている。隔壁２１は、フランジ部２１ａにおいてリング体１６の定位置にボルト止めされている。

カッタヘッド２２は、後方にのびる軸部２２ａにおいて隔壁２１の前面に設けた支持筒２１ｂに軸支される。隔壁２１の背面にはカッタヘッド２２用の駆動ユニット２３が設けられている。駆動ユニット２３は、隔壁２１に図外のボルトによって着脱自在に取付けられるギヤケース２３ａと、ギヤケース２３ａ内に軸支される駆動軸２３ｂと、ギヤケース２３ａに図２に示す如く周方向の間隔を存して取付けられる複数の駆動モータ２３ｃとで構成されている。ギヤケース２３ａ内には駆動軸２３ｂに外嵌固定されるギヤ２３ｄが設けられており、各駆動モータ２３ｃの出力軸上のギヤ２３ｅがギヤ２３ｄに噛合している。これにより、複数の駆動モータ２３ｃによりカッタヘッド２２を高トルクで回転駆動することができる。

また、カッタヘッド２２の軸部２２ａの後端部２２ｂをギヤケース２３ａ内に挿入し、この後端部２２ｂに駆動軸２３ｂを軸方向に分離自在にスプライン嵌合させている。かくして、ギヤケース２３ａを隔壁２１から取外すと、駆動軸２３ｂがカッタヘッド２２の軸部２２ａから離脱し、軸部２２ａに拘束されることなく駆動ユニット２３全体を隔壁２１から取外すことができる。

隔壁２１の左右の各側部には、進退用駆動源たるジャッキ２４の前端がブラケット２４ａ（図５（ｂ）（ｃ）参照）を介して連結されている。ジャッキ２４の後端は、後筒１２の前部にブラケット２４ｂを介して連結されている。そして、隔壁２１のリング体１６に対するボルト止めを解除した状態で、ジャッキ２４により隔壁２１をリング体１６に対し前後方向に進退できるようにしている。

カッタヘッド２２は、図３に示す如く、カッタビット２２ｃを取付けた放射状の複数のカッタスポーク２２ｄと、各カッタスポーク２２ｄに内蔵した伸縮ジャッキ（図示せず）により各カッタスポーク２２ｄの外端部から径方向外方に出没するオーバーカッタ２２ｅとを備えている。そして、カッタヘッド２２を、オーバーカッタ２２ｅの出没により、シールド筒１の外径と略等径の拡径状態と、リング体１６の内径以下の縮径状態とに切換自在としている。また、カッタヘッド２２は、各カッタスポーク２２ｄ間に位置する面板２２ｆを備えている。面板２２ｆには、カッタヘッド２２と隔壁２１との間の土砂室２５に掘削土を取り込むための開口部２２ｇが形成されている。

隔壁２１の下部には、土砂室２５に連通する排土口２１ｃが設けられている。排土口２１ｃには、土砂室２５内の掘削土を排出する排土手段たるスクリューコンベア４が連結されている。スクリューコンベア４は後上りの傾斜姿勢で配置されている。そして、掘削済みのトンネル内に設置したベルトコンベア（図示せず）にスクリューコンベア４の後端の排出口４ａから掘削土を落下させ、ベルトコンベアを介して掘削土を坑外に搬出するようにしている。

ここで、スクリューコンベア４が駆動ユニット２３と別個に設けられていると、駆動ユニット２３を隔壁２１から取外す際にスクリューコンベア４が邪魔になる。そのため、駆動ユニット２３の取外しに先行してスクリューコンベア４を隔壁２１から取外すことが必要になる。そこで、本実施形態では、ギヤケース２３ａにスクリューコンベア４を組み付けている。これによれば、駆動ユニット２３をスクリューコンベア４ごと隔壁２１から取外すことができ、取外し作業が容易になる。

また、リング体１６の前端部の内径は、隔壁２１が内嵌するリング体１６の部分の内径より大径になっている。そして、リング体１６の内周に、カッタヘッド２２をリング体１６の前端部の内径と同程度に縮径させてリング体１６の前端部内に収納させたときに、カッタヘッド２２の径方向外端部の後面、即ち、オーバーカッタ２２ｅの後面が当接可能な径方向の段差部１６ａが形成されている。

また、隔壁２１には、駆動ユニット２３を設置する部分に亘って、複数の貫通孔２１ｄが形成されている。貫通孔２１ｄは、図４に示す如く、隔壁２１の前面に取付けた弾性板２１ｅにより常時は閉塞されており、貫通孔２１ｄに後述する注入パイプ５を挿通したときに、弾性板２１ｅが押し開かれるようにしている。また、貫通孔２１ｄには、注入パイプ５との間の隙間をシールするシール部材２１ｆが内装されている。更に、隔壁２１の上部には、作業者が土砂室２５に入るためのハッチ２１ｇが設けられている。

ところで、トンネル掘削中に、土砂室２５に作業者が入って作業を行うことが必要になる場合がある。例えば、図１に示す如く、切羽にカッタヘッド２２では掘削困難な岩石等の障害物Ａが現われ、土砂室２５に作業者Ｐが入って、障害物Ａの除去作業を行うことが必要になる場合がある。以下、図５を参照して、障害物Ａの除去作業手順について説明する。

障害物Ａにカッタヘッド２２が到達したときには、先ず、リング体１６に対する隔壁２１の固定を解除する。その後、カッタヘッド２２をリング体１６の前端部の内径と同程度に縮径させると共に、ジャッキ２４をフリーにした状態で、推進ジャッキ１５によりシールド筒１を切羽まで前進させる。この際、隔壁２１はリング体１６に対し後退可能であるため、シールド筒１を前進させると、切羽により前進が阻止されているカッタヘッド２２と共に隔壁２１がリング体１６に対し相対的に後退する。これにより、図５（ａ）に示す如く、カッタヘッド２２がリング体１６の前端部内周に収納される。また、オーバーカッタ２２ｅの後面がリング体１６の段差部１６ａに当接する。

次に、ギヤケース２３ａの隔壁２１に対する固定を解除して、駆動ユニット２３をスクリューコンベア４ごと隔壁２１から取外す。この際、排土口２１ｃに蓋板２１ｈを装着し、排土口２１ｃから泥土が侵入することを防止する。その後、図５（ｂ）に示す如く、前筒１１に形成しておいた貫通孔を通して切羽の周辺部に注入パイプ５を差込むと共に、隔壁２１に形成した貫通孔２１ｄを通して切羽に注入パイプ５を差し込む。尚、カッタヘッド２２は、開口部２２ｇが貫通孔２１ｄの前方に位置する位相で停止されており、貫通孔２１ｄに挿通した注入パイプ５は開口部２２ｇを通して切羽に差し込まれる。

そして、これら注入パイプ５を介して切羽の前方地盤に地盤改良剤等の薬剤を注入し、切羽の止水を行う。ここで、本実施形態では、駆動ユニット２３を隔壁２１から取外した状態で薬液注入作業を行うことができるため、駆動ユニット２３が作業の邪魔にならず、薬液注入作業を作業性良く行うことができる。更に、隔壁２１の駆動ユニット２３を設置する部分に形成した貫通孔２１ｄに注入パイプ５を挿通して、切羽の中央部分にも薬液を注入でき、切羽全体が確実に止水される。

次に、土砂室２５に残留する泥土を排土口２１ｃ等から掻き出した後、ハッチ２１ｇを開いて、図５（ｃ）に示す如く土砂室２５に作業者Ｐが入り、削岩機等を用いて障害物Ａの除去作業を行う。ここで、土砂室２５に切羽の手前の地山から泥水が侵入することはシールド筒１により防止され、且つ、切羽から泥水が土砂室２５に浸入することは切羽への薬液の注入で防止されるため、作業の安全性が確保される。

尚、図５（ｃ）では、障害物Ａがその周囲の切羽の部分と共に完全に取り除かれたように図示されているが、障害物Ａが破砕されて掘削の邪魔にならなくなれば、破砕片が切羽に埋設されたまま残っていても構わない。即ち、障害物Ａの除去作業では、障害物Ａを掘削の邪魔にならないように処理すれば足りる。

除去作業が完了して、作業者Ｐが隔壁２１の背面側に退避すると、駆動ユニット２３及びスクリューコンベア４を隔壁２１に取付ける。次に、カッタヘッド２２を回転させると共に拡径させながら、隔壁２１をジャッキ２４の作動でリング体１６に対し定位置まで前進させ、隔壁２１をリング体１６に固定する。これにより、図５（ｄ）に示す如く、切羽を掘削しつつカッタヘッド２２がシールド筒１の前端より前方位置に復帰し、通常の掘削状態に戻る。

また、トンネル掘削中に、土砂室２５内で障害物除去以外の作業（例えば、カッタビット２２ｃの交換作業）が必要になったときも、上記と同様の手順で作業を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、進退駆動源たるジャッキ２４を常時設置しているが、必要時にのみジャッキ２４を設置しても良い。また、上記実施形態では、カッタヘッド２２を面板２２ｆ付きのものとしているが、カッタヘッド２２は面板２２ｆの無いものであっても良い。

図２のＩ−Ｉ線で切断した本発明の実施形態のシールド掘削機の縦断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した横断面図。 実施形態のシールド掘削機の正面図。 実施形態のシールド掘削機に備える隔壁の貫通孔の形成部分の断面図。 実施形態のシールド掘削機による障害物除去の作業手順を示す説明図。

符号の説明

１…シールド筒、１６…リング体、２…掘削ユニット、２１…隔壁、２１ｄ…貫通孔、２２…カッタヘッド、２２ａ…軸部、２３…駆動ユニット、２３ａ…ギヤケース、２３ｂ…駆動軸、２３ｃ…駆動モータ、２３ｄ…ギヤ、２４…ジャッキ（進退用駆動源）、４…スクリューコンベア（排土手段）、５…注入パイプ。

Claims (3)

1. シールド筒に、シールド筒の前方地盤を掘削するカッタヘッドを有する掘削ユニットを組付けたシールド掘削機であって、
   シールド筒の前部内周に、内径がシールド筒の他部の内径より小径のリング体が固定され、掘削ユニットは、リング体に内嵌する隔壁を有し、この隔壁に径方向に拡縮自在なカッタヘッドが軸支され、隔壁は、リング体に対する固定を解除することでリング体に対し後退可能であるものにおいて、
   隔壁の背面にカッタヘッド用の駆動ユニットが設けられ、駆動ユニットは、隔壁に着脱自在に取付けられるギヤケースと、ギヤケース内に軸支される駆動軸と、ギヤケースに周方向の間隔を存して取付けられ、ギヤケース内のギヤを介して駆動軸を回転駆動する複数の駆動モータとから成り、駆動軸は、隔壁に軸支されるカッタヘッドの軸部に軸方向に分離自在にスプライン嵌合し、
   隔壁の前記駆動ユニットを設置する部分に、薬剤を注入する注入パイプを挿通可能な貫通孔が形成されていることを特徴とするシールド掘削機。
2. 前記リング体に対し前記隔壁を前後方向に進退する進退駆動源を備えることを特徴とする請求項１記載のシールド掘削機。
3. 前記ギヤケースに、前記カッタヘッドと前記隔壁との間の空間の掘削土を排出する排土手段が組み付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のシールド掘削機。