JP5305692B2 - シールド掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、シールド筒に、シールド筒の前端より前方位置で切羽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。

地中のトンネル工事においては、一般的に、シールド掘削機を発進立坑側から到達立坑側に向けて掘進させる。そして、トンネルを掘削した後は、掘削ユニットを到達立坑を通して地上に回収し、再利用している。然し、工事の都合で到達立坑の手前で掘削を終了することもあり、この場合には、掘削ユニットを回収して再利用することが困難になる。

従来、このような場合にも掘削ユニットを回収して再利用することができるようにしたシールド掘削機が特許文献１で知られている。このものでは、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、この隔壁にカッタヘッドが軸支されている。また、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になる。

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、カッタヘッドをリング体の内径以下に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と発進立坑とを通して地上に回収できる。

ここで、上記従来例のものでは、隔壁に牽引用ロープの先端を連結し、ロープを後方に引張ることで隔壁をリング体の後方に引き抜くようにしている。然し、隔壁は、重量物たるカッタヘッドによる偏荷重を受けて多少とも傾くため、リング体に対する隔壁のこじりを生じ、リング体からの隔壁の引抜き作業は非常に面倒になる。
特許第３８３６４６７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、上記従来例を改良して、隔壁をリング体から容易に離脱でき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、シールド筒の前端より前方位置で切羽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、リング体の内径以下に縮径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になるものにおいて、カッタヘッドは隔壁に前後方向に移動自在に支持され、隔壁に、カッタヘッドを前後方向に進退する進退駆動源が搭載されていることを特徴とする。

本発明によれば、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た状態で進退駆動源の作動によりカッタヘッドを隔壁に対し前進させると、切羽を反力受けにしてリング体に対し隔壁が後退する。この際、カッタヘッドは切羽に食い込んだままであるため、隔壁にカッタヘッドによる偏荷重は作用しない。従って、進退駆動源の作動により隔壁をリング体に対するこじりを生ずることなくリング体から容易に押し出すことができ、掘削ユニットの回収作業の作業性が向上する。

尚、カッタヘッドはシールド筒の外径とほぼ同径であるが、カッタヘッドが縮径機能を有するものであれば、カッタヘッドをリング体の内径以下に縮径させることで、カッタヘッドを含む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。また、縮径機構を有しないカッタヘッドであれば、カッタヘッドの径方向外端部を切り離してリング体の内径以下にし、この状態で掘削ユニットをリング体の後方に引き抜けば良い。

ところで、トンネル掘削中に、カッタヘッドと隔壁との間に作業者が入って、切羽前方地盤中の障害物除去やカッタビットの交換等の各種作業を行う必要を生ずることがある。この場合、シールド筒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前進させ、この前進に伴いシールド筒に対し掘削ユニット、即ち、カッタヘッド及び隔壁を相対的に後退させて、カッタヘッドをリング体の前端部内に収納すれば、カッタヘッドと隔壁との間の空間がシールド筒で囲われて、この空間に切羽の手前の地山から土砂が侵入しなくなる。従って、この空間に作業者が入り安全に作業を行うことができる。そして、作業後に掘削を再開するが、そのためには、掘削ユニットをシールド筒に対し前進させて隔壁をリング体の定位置に固定する必要がある。

この場合、リング体の前端部の内径を隔壁が内嵌するリング体の部分の内径より大径とし、リング体の内周に、カッタヘッドを縮径させてリング体の前端部内に収納させたときにカッタヘッドの径方向外端部の後面が当接可能な径方向の段差部が形成されているので、カッタビットと隔壁との間での作業者による作業後に、隔壁に搭載した進退駆動源によりカッタヘッドを後方に引張ることにより、段差部を反力受けにして隔壁が前進する。従って、掘削ユニット用の推進ジャッキを別途設けなくても、隔壁をリング体の定位置まで前進させて該位置に固定し、掘削を再開できる。

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の前端より前方位置で切羽を掘削する、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。また、前筒１１には、フランジ部２１ａの後端に当接するストッパ部材２３が着脱自在に取付けられている。従って、隔壁２１は、ストッパ部材２３によりリング体１６に対し後退不能に固定される。

カッタヘッド２２は、後方にのびる軸部２２ａにおいて隔壁２１に回転自在に且つ前後方向に移動自在に支持される。隔壁２１の後面には電動モータから成るカッタヘッド２２用の回転駆動源２４が搭載されており、回転駆動源２４の出力軸上の駆動ギヤ２４ａを軸部２２ａに形成したスプライン部２２ｂに係合する従動ギヤ２４ｂに噛合させている。また、隔壁２１には、スプライン部２２ｂの前後で軸部２２ａを前後方向に摺動自在に軸支する前後一対のケース部２１ｂ，２１ｃが設けられている。そして、後側のケース部２１ｃの後端に、油圧ジャッキから成るカッタヘッド２２用の進退駆動源２５を取付けている。進退駆動源２５は、常時は、カッタヘッド２２をシールド筒１の前端より前方位置に保持する。かくして、推進ジャッキ１５によりシールド筒１を前進させる際、推進ジャッキ１５の推進力がストッパ部材２３と隔壁２１とを介してカッタヘッド２２に伝達され、カッタヘッド２２がシールド筒１の前端より前方の切羽を掘削しつつシールド筒１と一体に前進する。

カッタヘッド２２は、図２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２６に掘削土を取り込むための開口２２ｇが形成されている。尚、開口２２ｇは図示省略したシャッタにより開閉自在である。

隔壁２１の下部には、土砂室２６に連通する排土口２１ｄが設けられている。排土口２１ｄには、土砂室２６内の塑性流動状態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。

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。

ところで、トンネル掘削中に、土砂室２６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２６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３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、カッタヘッド２２の面板２２ｆの開口２２ｇをシャッタにより閉鎖した後、土砂室２６内の掘削土をスクリューコンベア４により全て排出し、次に、ストッパ部材２３を取外してリング体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た状態で、推進ジャッキ１５によりシールド筒１を前進させる。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がシールド筒１に対し相対的に後退する。これにより、図３（ａ）に示す如く、カッタヘッド２２がリング体１６の前端部内に収納される。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、隔壁２１に設けたハッチ（図示せず）を開いて、図３（ｂ）に示す如く土砂室２６に作業者Ｐが入り、カッタヘッド２２の面板２２ｆの開口２２ｇを開いた状態で、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２６に切羽の手前の地山から土砂が侵入することはシールド筒１により防止されるため、作業の安全性が確保される。

尚、図３（ｂ）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がシールド筒１内に退避すると、進退駆動源２５によりカッタヘッド２２を後方に引張る。この際、オーバーカッタ２２ｅの後面がリング体１６の段差部１６ａに当接して、カッタヘッド２２のリング体１６に対する後退が阻止されるため、引張り反力で隔壁２１が図３（ｃ）に示す如くリング体１６に対し前進する。その後、ストッパ部材２３を再度取付けてリング体１６に隔壁２１を固定する。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進退駆動源２５の作動により前進させる。これにより、図３（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。従って、障害物除去後の通常掘削状態への復帰作業も容易に行うことができる。

また、トンネル掘削中に、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、上記と同様に隔壁２１をシールド筒１に対し相対的に後退させることにより、土砂室２６内で作業者が支障なく作業を行うことができる。

トンネルの掘削完了後は、掘削ユニット２を再利用するために回収する。以下、到達立坑に到達する前に、トンネルの掘削を完了して、掘削ユニット２を回収する際の作業手順について説明する。先ず、カッタヘッド２２の面板２２ｆの開口２２ｇをシャッタにより閉鎖した後、土砂室２６内の掘削土をスクリューコンベア４により全て排出する。次に、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すると共に、進退駆動源２５をフリーにしてカッタヘッド２２の隔壁２１に対する後退を許容する状態にし、この状態で推進ジャッキ１５によりシールド筒１を前進させる。この際、カッタヘッド２２は、切羽により前進が阻止されているため、シールド筒１に対し相対的に後退する。これにより、図４（ａ）に示す如く、カッタヘッド２２がリング体１６の前端部内に収納される。

次に、エレクタ３、スクリューコンベア４、中折れジャッキ１４、推進ジャッキ１５及びストッパ部材２３を取外し、その後で、進退駆動源２５の作動によりカッタヘッド２２を隔壁２１に対し前進させる。すると、図４（ｂ）に示す如く、切羽を反力受けにしてリング体１６に対し隔壁２１が後退する。この際、カッタヘッド２２は切羽に食い込んだままであるため、カッタヘッド２２の重量は切羽で支えられ、隔壁２１にカッタヘッド２２による偏荷重は作用しない。従って、進退駆動源２５の作動により隔壁２１をリング体１６に対するこじりを生ずることなくリング体１６から容易に押し出すことができる。尚、オーバーカッタ２２ｅを拡径方向に押してリング体１６の前端部内周面に圧接させ、カッタヘッド２２の重量をリング体１６で支えることも可能である。

次に、図４（ｃ）に示す如く、シールド筒１の内面の下部と上部に、リング体１６とセグメントＳとの間に位置させて、セグメントＳの内面と面一になるようにレール５を取付けると共に、隔壁２１のフランジ２１ａの後端部にレール５に乗るローラ６を取付ける。尚、レール５とローラ６の取付けは、リング体１６に対し隔壁２１を後退させる前に行っても良い。その後、カッタヘッド２２をリング体１６の隔壁２１が内嵌する部分の内径よりも小径に縮径させ、図４（ｄ）に示す如く、掘削ユニット２全体をリング体１６の後方に引き抜く。この際、隔壁２１がリング体１６から完全に引き抜かれたところで、隔壁２１の前面にレール５に乗るローラ６´を取り付けると共に、カッタヘッド２２を隔壁２１に対し後退させる。これにより、掘削ユニット２がトンネル内を安定して移動可能になる。そして、掘削ユニット２をトンネルと発進立坑とを通して地上に回収し、再利用することができる。

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、リング体１６の内周に段差部１６ａを形成したが、トンネル掘削中に作業者Ｐが土砂室２６に入って作業を行う必要がなければ、段差部１６ａは無くても良い。また、上記実施形態では、カッタヘッド２２を縮径機能を有するものとしたが、縮径機能を有しないカッタヘッド２２を用いることも可能である。この場合は、トンネルの掘削完了後の掘削ユニット２の回収に際し、リング体１６に対する隔壁２１の固定を解除してから、進退駆動源２５の作動により切羽を反力受けにして隔壁２１をリング体１６の後方に押し出し、次に、土砂室２６に作業者が入り、カッタヘッド２２がリング体１６の隔壁２１の内嵌部分の内径以下になるように、カッタヘッドの径方向外端部を切り離し、その後、掘削ユニット２全体をリング体１６の後方に引き抜けば良い。

本発明の実施形態のシールド掘削機の縦断面図。 図１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よるトンネル掘削中の障害物の除去作業手順を示す説明図。 実施形態のシールド掘削機の掘削ユニットの回収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、１６ａ…段差部、２…掘削ユニット、２１…隔壁、２２…カッタヘッド、２５…進退駆動源。

Claims (1)

1. シールド筒に、シールド筒の前端より前方位置で切羽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になるものにおいて、
   カッタヘッドは隔壁に前後方向に移動自在に支持され、隔壁に、カッタヘッドを前後方向に進退する進退駆動源が搭載され、
   前記リング体の前端部の内径を前記隔壁が内嵌するリング体の部分の内径より大径とし、リング体の内周に、前記カッタヘッドを縮径させてリング体の前端部内に収納させたときにカッタヘッドの径方向外端部の後面が当接可能な径方向の段差部が形成されていることを特徴とするシールド掘削機。

Images