JP5397867B2 - 掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、摩耗したビットを機内側から交換できる掘進機に関する。

都市トンネルに活用にされている推進工法やシールド工法では、掘進機の掘削に伴うカッタービットの摩耗による推進不能のリスクは常に付きまとう。その場合の対策としては、以下の通りである。
ａ）ビットに装備されるチップ硬度を上げる（Ｅ５→Ｅ３程度）。
ｂ）保護ビット（補助ビット）を主ビットの側方に追加して装備し、主ビットが摩耗して効果が低減した場合に補助的に効果を発揮させる。
ｃ）最初に効果を発揮するビットと、そのビットより１０〜２０ｍｍ程度低い高さのビットを２種類製作し、カッター面に適切に分散させて配置する。
ｄ）各ビットが作業を行う絶対仕事量を低減させるため、単純にビット数を増加させてビットの延命を図る（チップの通過箇所を複数ビットで対応する事としてビット１個当りの仕事量を低減させる）。
ｅ）摩耗したビットを機内で交換可能としたカッターフェイスの形状と配置・取付方法を検討する。
以上のような対策が考えられるが、推進不能のリスク回避には、基本的には上記ｅ）が理想と考えられる。

上記に沿って、その課題や問題点を挙げる。
Ａ）チップ硬度の向上
一般的には、硬度Ｅ５が標準とされる。掘進を行う岩盤の一軸圧縮強度が５０ＭＰａ以上（旧単位：５００ｋｇ／ｃｍ^２）になった場合はＥ４を使用する場合も多い。掘削途中で前方と後方の直線的な軸力（押付力）がチップに作用している場合は問題は少ないが、チップに側方向から力が作用した場合は欠損が発生しやすい。
Ｂ）保護ビット（補助ビット）
主ビットの摩耗速度を遅らせるために主ビットを保護する意味と、主ビットの摩耗が進行した場合に側方に同列で配置したビットに負荷が掛かるように設置して主ビットの掘削効果を助ける対策の２種類の考え方がある。この対策は、基本的には主ビットに効果を期待しているために補助的な効果のみに終始し、保護ビットを主として掘進を行うことは通常の掘進効果が図りにくい。
Ｃ）高さが異なる２種類のビットの配置
掘進機のカッターフェイスに装備されたビットは、掘削地山面を均等に切削が行われるように配置する。よって、チップが通過する同心円は各ビットの回転半径が少しずつ変化させて設置することが一般的である。そのことから、高さが違う２種類のビットを面的に均等に配置した場合、先行掘削を行うビットの負担は大きくなり、結局、ビット摩耗延長は増加しない場合も想定される。
Ｄ）ビット数の増加での対応
ビット数を単純に増加させて各ビット単体の仕事量を削減し、ビットの延命を図る対策は、机上では理解が可能な対策である。しかし、掘進機の掘削断面から配置数は制限を受け、特に、中口径以下の断面でのカッターフェイスはビットの配置スペースが少なく、機械的に増加が難しい場合も多い。また、仮に配置数を増加させるとビットの仕事量は軽減されるが、スリッピング現象で効果が発揮しにくい場合もある。その他、コストが大幅に増加する欠点もあり、また、ビット数の増加と仕事量の増加は均等に効果を発揮することは期待しにくい。
Ｅ）機内交換型掘進機の構造
特に、掘進延長の増大に対応した最近の技術としては、掘進機内でビットを交換できる掘進機構造の開発である。この技術は、切羽の地下水浸入や地山の崩落を補助工法で防止した後に、機内の装備を一時的に撤去して、掘進機隔壁（バルクヘッド）の点検窓等を開放し、摩耗したビットを個別に撤去し、新しいビットを再設置して掘進を再開する施工法である。

この前記Ｅ）の課題に対応する技術が特許文献１で提案されている。これはシールド掘進機に関する技術であって、カッタースポークに排土口と連通する溝を形成し、その溝に後部がウォームギヤと嵌合したビットをスライド自在に装着したことを特徴としている。この技術によれば、ウォームギヤの回転でビットが溝に沿ってスライドして排土口を通じて回収されることで、機内側からビットの交換ができて作業が安全に行える、というものである。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、作業者が排土装置内に入って作業するものであるから、排土装置内に人が入れない比較的小型の掘進機では不可能であった。

特開２００６−２９９６９９号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来のこれらの問題点を解消し、排土装置内に人が入れない比較的小型の掘進機でも、摩耗したビットを機内側から交換できるようにすることにある。

かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 外殻の隔壁の前方に複数のビットを回転盤に備えた排土口付きのカッターを回転自在に設け、そのカッターを駆動する駆動装置を設け、排土口及び隔壁の開口部を通じて機内に取り込まれた土砂を後方へ搬送する排土装置を設けた掘進機において、前記ビットは、排土口を中心に放射方向へスライド可能且つ定位置で回転盤に脱着可能に取り付けたスライドビットと、排土口を跨ぐように回転盤に脱着可能に取り付けたセンタービットとで構成し、前記排土装置は隔壁に対して脱着可能に取り付け、隔壁の開口部を開放するために取り外した排土装置を一時的に所定距離後退させる排土装置移動手段を設けたことを特徴とする、掘進機
２） 排土装置移動手段が、外殻の天井にレールを前後方向に設け、チェーンを備えた走行体をレールに沿って移動自在に配置し、そのチェーンで排土装置を吊り下げたものである、前記１）記載の掘進機
３） 排土口及び隔壁の開口部を排土装置の排土路の内径より拡径し、その排土装置の前端にアダプターを設けて隔壁に対して脱着可能に取り付けた、前記１）又は２）記載の掘進機
４） スライドビットを台座に取り付け、その台座の左右端を支持する複数組のスライドガイドを回転盤の排口土周囲に放射状に取り付け、そのスライドガイドに台座を内周側から挿入し、スライドガイドの終端にはエンドプレートを突設して外周側に設けられるスライドビットの外方へのスライドを規制し、内周側に設けられるスライドビットはその台座を固定ボルトで回転盤に固定し、非駆動時のカッターを空転可能にした、前記１）〜３）いずれか記載の掘進機
にある。

本発明の前記１）記載の構成によれば、ビットの交換時に排土装置を隔壁から取り外して排土装置移動手段で後退させると、隔壁の直後に広い作業スペースが形成され、排土装置内に人が入れない目視が不可能な比較的小型の掘進機でも、摩耗したビットを機内側から容易に交換できるようになる。

本発明の前記２）記載の構成によれば、排土装置を隔壁から取り外すとチェーンで宙吊りとなり、その排土装置を後方へ押すと走行体とともに後退し、作業スペースを楽に且つ迅速に確保できる。ビットの交換後は、排土装置を前方へ押すと走行体とともに前進し、隔壁に排土装置を楽に且つ迅速に取り付けできる。

本発明の前記３）記載の構成によれば、排土装置を隔壁から取り外すと大径の開口部が現れ、ビットの脱着及び搬入出の作業性が向上する。

本発明の前記４）記載の構成によれば、カッターを空転させて交換しようとするビットを下方に位置させると、作業中にビットを不注意で落下させても作業者側に転ぶことがなくて安全性が確保でき、取り付け時はスライドガイドに沿って自重で落とし込むから楽に作業できる。上方のビットは固定ボルトで締結されているために落下の危険性がなく、側方のビットも同様に固定ボルトによる締結と自重による摩擦でスライドに大きな力を要する。

実施例の掘進機の正面図である。 実施例の掘進機の断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 実施例のスライドビットの説明図である。 実施例のビットの交換を示す説明図である。 実施例のビットの交換を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を実施例と図面に基づいて具体的に説明する。

図１は実施例の掘進機の正面図、図２は実施例の掘進機の断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は実施例のスライドビットの説明図、図５，６は実施例のビットの交換を示す説明図である。

図中、１は外殻、１ａは隔壁、１ｂは開口部、２は方向修正ジャッキ、３はモーター（駆動装置）、３ａはピニオンギヤ、４はカッター、４ａは回転盤、４ｂは排土口、４ｃはラック、４ｄはスライドビット、４ｅは台座、４ｆはスライドガイド、４ｇはエンドプレート、４ｈは固定ボルト、４ｉはセンタービット、４ｊは台座、４ｋは固定ボルト、５は排土装置、５ａは掛止輪、６は走行体（排土装置移動手段）、６ａはチェーン、６ｂはレール、７はアダプター、７ａは固定ボルト、８は推進管である。

図１〜４に示すように、外殻１は断面円形で、分割した前後同士を方向修正ジャッキ２で屈曲可能に連結し、前側の外殻１の前端に口径６５０ｍｍの開口部１ｂを備えた隔壁１ａを取り付けている。その隔壁１ａの後面には６基のモーター３を取り付け、そのモーター３の出力軸に備えたピニオンギヤ３ａを隔壁１ａの前方に突出させている。カッター４の回転盤４ａは、中央に口径６５０ｍｍの排土口４ｂと後面に環状のラック４ｃをそれぞれ備え、そのラック４ｃを各モーター３のピニオンギヤ３ａに噛み合わせている。

スライドビット４ｄは台座４ｅと一体で、回転盤４ａの前面の周囲に６組のスライドガイド４ｆを放射状に取り付け、そのスライドガイド４ｆに台座４ｅを内周側から挿入している。スライドガイド４ｆの終端にはエンドプレート４ｇを突設して外周側に設けられるスライドビット４ｄの外方へのスライドを規制し、内周側に設けられるスライドビット４ｄは固定ボルト４ｈで台座４ｅを回転盤４ａに固定している。センタービット４ｉは長尺の台座４ｊと一体で、その台座４ｊを固定ボルト４ｋで排土口４ｂを跨ぐように機内側から回転盤４ａに脱着可能に取り付けている。

排土装置５は排土路の内径が４００ｍｍで、上端に掛止輪５ａを備えている。アダプター７は前側が口径６５０ｍｍ、後側が口径４００ｍｍで、その後側を排土装置５の前端に一体的に取り付け、前側を隔壁１ａに固定ボルト７ａで脱着可能に取り付けている。外殻１の天井にはレール６ｂを前後方向に取り付け、そのレール６ｂにフック付きのチェーン６ａを備えた走行体６を移動自在に配置し、そのチェーン６ａのフックを掛止輪５ａに掛止して吊り下げている。排土装置５の後方には貯泥槽と排土管を設置している（図示せず）。図３では排土装置５の図示を省略している。なお、排土装置移動手段は走行体６に代えて、排土装置５を搭載して外殻１の内底面を移動できる台車を用いてもよい。

本実施例では、外殻１の後端に推進管８を複数接続してモーター３を始動し、推進管８の最後尾を元押してカッター４で地山を掘削する。掘削された土砂は排土口４ｂと開口部１ｂから取り込まれて排土装置５で後方へ搬送され、推進管８の追加と元押しを繰り返しながら地中を掘進して管路が構築される。

ここで、スライドビット４ｄとセンタービット４ｉが摩耗して交換する場合、モーター３を停止し、図５（ａ）に示すように固定ボルト７ａを緩めてアダプター７を隔壁１ａから取り外し、排土装置５を走行体６で宙吊りにする。貯泥槽（図示せず）は必要に応じて後方へ移動させておく。宙吊りの排土装置５を後方へ押して走行体６を１〜２ｍ程後退させると、隔壁１ａの直後に広い作業スペースが確保され、大径の開口部１ｂが現れる。

まず、図５（ｂ）に示すように、固定ボルト４ｋを緩めて台座４ｊを取り外し、開口部１ｂを通じてセンタービット４ｉを機内に回収する。次に、図６（ａ）に示すように、下方に位置しているスライドビット４ｄの固定ボルト４ｈを緩め、上方へ引き上げてスライドガイド４ｆから抜き取り、開口部１ｂを通じて機内に回収する。隣接するスライドビット４ｄを回収する際は、図６（ｂ）に示すように、回転盤４ａを空転させてスライドビット４ｄを下方に位置させ、同様にして機内に回収する。これを繰り返して全てのスライドビット４ｄを回収する。

新しいスライドビット４ｄとセンタービット４ｉの取り付けは前記と逆の手順で行う。新しいスライドビット４ｄを開口部１ｂを通じて搬入し、下方に位置しているスライドガイド４ｆに台座４ｅを落とし込む。続いて、内周側となるスライドビット４ｄの台座４ｅを落とし込み、その内周側の台座４ｅを固定ボルト４ｈで固定する。隣接するスライドガイド４ｆに取り付ける際は、回転盤４ａを空転させて下方に位置させ、同様に繰り返して全てのスライドガイド４ｆに新しいスライドビット４ｄを取り付ける。そして、新しいセンタービット４ｉを備えた台座４ｊを回転盤４ａの内側に固定ボルト４ｋで固定する。

最後に、宙吊りの排土装置５を前方へ押して走行体６を前進させ、アダプター７を隔壁１ａに固定ボルト７ａで取り付けるとともに、貯泥槽を元の位置に戻し、掘進を再開する。

本発明の技術は、推進工法やシールド工法による長距離施工に有用である。

１ 外殻
１ａ 隔壁
１ｂ 開口部
２ 方向修正ジャッキ
３ モーター（駆動装置）
３ａ ピニオンギヤ
４ カッター
４ａ 回転盤
４ｂ 排土口
４ｃ ラック
４ｄ スライドビット
４ｅ 台座
４ｆ スライドガイド
４ｇ エンドプレート
４ｈ 固定ボルト
４ｉ センタービット
４ｊ 台座
４ｋ 固定ボルト
５ 排土装置
５ａ 掛止輪
６ 走行体（排土装置移動手段）
６ａ チェーン
６ｂ レール
７ アダプター
７ａ 固定ボルト
８ 推進管

Claims (4)

1. 外殻の隔壁の前方に複数のビットを回転盤に備えた排土口付きのカッターを回転自在に設け、そのカッターを駆動する駆動装置を設け、排土口及び隔壁の開口部を通じて機内に取り込まれた土砂を後方へ搬送する排土装置を設けた掘進機において、前記ビットは、排土口を中心に放射方向へスライド可能且つ定位置で回転盤に脱着可能に取り付けたスライドビットと、排土口を跨ぐように回転盤に脱着可能に取り付けたセンタービットとで構成し、前記排土装置は隔壁に対して脱着可能に取り付け、隔壁の開口部を開放するために取り外した排土装置を一時的に所定距離後退させる排土装置移動手段を設けたことを特徴とする、掘進機。
2. 排土装置移動手段が、外殻の天井にレールを前後方向に設け、チェーンを備えた走行体をレールに沿って移動自在に配置し、そのチェーンで排土装置を吊り下げたものである、請求項１記載の掘進機。
3. 排土口及び隔壁の開口部を排土装置の排土路の内径より拡径し、その排土装置の前端にアダプターを設けて隔壁に対して脱着可能に取り付けた、請求項１又は２記載の掘進機。
4. スライドビットを台座に取り付け、その台座の左右端を支持する複数組のスライドガイドを回転盤の排口土周囲に放射状に取り付け、そのスライドガイドに台座を内周側から挿入し、スライドガイドの終端にはエンドプレートを突設して外周側に設けられるスライドビットの外方へのスライドを規制し、内周側に設けられるスライドビットはその台座を固定ボルトで回転盤に固定し、非駆動時のカッターを空転可能にした、請求項１〜３いずれか記載の掘進機。

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