JP5409206B2 - シールド機及びそのシールド機の掘進工法 - Google Patents

Description

本発明は、地山内に存在するドレーン材等の障害物を切断するための切断装置を備えたシールド機及びそのシールド機の掘進工法に関する。

地盤改良工法の一つとして、ドレーン材を地山に挿入して地下水を排水する工法が用いられている。このような工法で地盤改良された地山内をシールド機で掘進する際は、切羽面に露出して掘進の障害となるドレーン材を切断しなければならない。

そのドレーン材を切断する方法として、例えば、特許文献１には、地山掘削用のカッターヘッドの外周に、このカッターヘッドよりもやや進行方向に突出するようにリング状のドレーン材用カッターを設け、カッターヘッドとドレーン材用カッターとを一体に回転させて、カッターヘッドによる地山の掘削よりも先行してドレーン材を切断することが開示されている。

特開平８−９３３８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシールド機では、カッターヘッドとドレーン材用カッターとを一体に回転させるため、地山を掘削するカッターヘッドの回転速度ではドレーン材を切断するには遅すぎて、ドレーン材を効率的に切断できないという問題点があった。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、ドレーン材等の障害物が存在する地山を掘削する際に、カッターヘッドよりも速く回転することが可能な障害物の切断装置を備えたシールド機及びそのシールド機を用いた掘進工法を提供することを目的とするものである。

本発明は、障害物が存在する地山内をカッターヘッドで掘削しつつ、掘進可能なシールド機であって、
前記カッターヘッドの周囲に設けられ、回転しながら前記障害物を切断するためのリング状の切断装置と、
前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態と、前記切断装置が前記カッターヘッドから切り離されて、前記カッターヘッドとは独立に回転する状態とを切り替える切替機構と、を備え、
前記切断装置は、
回転軸が前記カッターヘッドの回転軸と一致する外周リングと、
前記外周リングの進行方向前側の端面に取り付けられ、前記障害物を切断するための切削ビットと、
前記外周リングを回転させるための駆動装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、シールド機に切断装置が設けられているので、障害物を切断することができる。また、切断装置は、カッターヘッドの周囲に設けられているので、掘削予定箇所に存在する障害物の上端及び下端を切断することができる。したがって、地山掘削時に、掘削予定箇所の上方及び下方に存在する障害物を引き込むことなく、掘削予定箇所に存在する障害物のみを撤去することができるので、掘削予定箇所の上方や下方に存在する障害物を引き込んで地盤沈下を起こすことがない。

また、切替機構を備えているので、障害物が存在する地山を掘削する際は、カッターヘッドを回転させて地山を掘削しつつ、切断装置をカッターヘッドの回転速度よりも速く回転させて障害物を切断することができる。

本発明において、前記切断装置の内周面には凹部が設けられ、
前記切替機構は、前記カッターヘッドの外周縁から径方向に出没可能で、径方向に突出した状態で前記凹部に係合する凸部を備えた係合装置からなり、
前記係合装置は、突出時に前記凸部が前記切断装置の前記凹部に係合し、没入時に前記切断装置から離間するように前記カッターヘッド内に設置されてなることとしてもよい。

本発明によれば、係合装置により、切断装置がカッターヘッドと一体に回転する状態と、切断装置がカッターヘッドから切り離されて、カッターヘッドとは独立に回転する状態とを切り替えることができる。

本発明において、前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態で、前記カッターヘッドに取り付けられて前記地山を掘削するための最外部のカッタービットが外周側へ移動して、前記切断ビットと同一の円周上に位置しうるように構成されていることとしてもよい。

本発明によれば、地山を掘削する際には、カッタービットと切削ビットとは、同一の円周上に位置することとなる。これにより、カッタービットが切削ビットの摩耗や損傷を防止することができる。したがって、切削ビットを長期間使用することができる。

本発明において、前記係合装置は、前記カッターヘッドの回転中心から放射状に延設するように前記カッターヘッド内に設けられたスポークと、前記スポークを径方向に移動させるための伸縮装置と、備えることとしてもよい。

本発明は、カッターヘッドの周囲に設けられ、回転しながら地山内に存在する障害物を切断するためのリング状の切断装置と、前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態と、前記切断装置が前記カッターヘッドから切り離されて、前記カッターヘッドとは独立に回転する状態とを切り替える切替機構と、を備え、前記切断装置は、回転軸が前記カッターヘッドの回転軸と一致する外周リングと、前記外周リングの進行方向前側の端面に取り付けられ、前記障害物を切断するための切削ビットと、前記外周リングを回転させるための駆動装置と、を備えたシールド機を用いて前記障害物の存在する地山内を掘削する掘進工法であって、
前記障害物が存在する地山内を掘削する際は、前記カッターヘッドを回転させて地山を掘削しつつ、前記切断装置を前記カッターヘッドの回転速度よりも速く回転させて前記障害物を切断することを特徴とする。

本発明によれば、障害物が存在する地山を掘削する際に、カッターヘッドよりも速く回転させることが可能な障害物の切断装置を備えたシールド機及びシールド機を用いた掘進工法を提供できる。

本発明の実施形態に係るシールド機の側断面図である。 本発明の実施形態に係るシールド機の正面図である。 （Ａ）は、シールド機上部付近を拡大した正面図である。（Ｂ）は、シールド機上部付近を拡大した側断面図である。 外周リングの先端部付近を拡大した側断面図である。 （Ａ）は、シールド機上部付近を拡大した正面図である。（Ｂ）は、シールド機上部付近を拡大した側断面図である。 外周リング先端部付近を拡大した側断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態においては、地山内をシールド機で掘進する際に、切羽面に露出して掘進の障害物となる地盤改良用のドレーン材を切断する場合について説明するが、これに限定されるものではなく、地山内に存在する材木、松杭、鋼管杭、セメント杭、岩石、岩盤等の障害物を切断する場合にも適用可能である。

図１及び図２は、それぞれ本発明の実施形態に係るシールド機１の側断面図及び正面図である。
図１及び図２に示すように、シールド機１は、円形のシールド機１本体の前面側に回転可能に設けられたカッターヘッド２と、地山を掘削するためのカッタービット３と、カッターヘッド２を駆動するための駆動源４と、隔壁６とカッターヘッド２との間に形成されるチャンバー８と、掘削土砂をチャンバー８から排出するための排土機構９と、カッターヘッド２の周囲に設けられ、回転しながらドレーン材を切断するための切断装置７と、切断装置７がカッターヘッド２と一体に回転する状態と切断装置７がカッターヘッド２から切り離されて、カッターヘッド２とは独立に回転する状態とを切り替える切替機構と、を備える。

カッターヘッド２は、回転の中心となる回転軸５と、等角度おきに回転軸５から放射状に延設された６本のアーム状カッター部２ａと、から構成される。そして、駆動源４によってカッターヘッド２を回転させることにより、断面が円形状のトンネルを掘削することができる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれシールド機１上部付近を拡大した正面図及び側断面図である。また、図４は、外周リング１２の先端部付近を拡大した側断面図である。
図３（Ａ）、（Ｂ）及び図４に示すように、切断装置７は、カッターヘッド２の周囲に設けられた外周リング１２と、ドレーン材を切断するために、外周リング１２の前面１２ｄに取り付けられた切削ビット１１と、外周リング１２を回転させるための駆動装置１３と、を備えている。

外周リング１２は、その回転軸がカッターヘッド２の回転軸５と一致するように設置されている。また、この外周リング１２は、径の異なる３つの円筒部から構成されている。具体的には、前方から後方へ向かって階段状に径が小さくなっており、前方から後方へ順に大径部１２ａ、中径部１２ｂ、小径部１２ｃという。

大径部１２ａは、外殻２５の前方におけるアーム状カッター部２ａの外周位置に配置され、大径部１２ａの外径は、外殻２５の外径と一致する（すなわち、大径部１２ａの外周面が外殻２５の外周面と面一になる）ように形成されている。そして、外周リング１２の大径部１２ａの内周面には、係合装置１０の凸部２２（後述する）と係合するための凹部２３が形成されている。

また、中径部１２ｂは、外殻２５の内側に、隔壁６を貫通するように配置され、中径部１２ｂの外径は、外殻２５の内周面との間に隙間１４ができるように、外殻２５の内径よりも小さく形成されている。そして、中径部１２ｂの内径は、隔壁６の外周面との間に隙間１４ができるように、隔壁６の外径よりも大きく形成されている。

また、小径部１２ｃは、シールド機１本体内に配置され、小径部１２ｃの内周面には複数の歯が形成されていて、駆動装置１３の第２ギア１８（後述する）と噛合する。

上記隙間１４には、外周リング１２を支持するとともに、土砂の流入を防止するための環状のシール材１５が設置されている。本実施形態においては、摩擦抵抗の小さいテフロン（商標登録：イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー社）を用いた。

また、外周リング１２は、その前面１２ｄがアーム状カッター部２ａの前面２ｂと面一になるように設置されている。

駆動装置１３は、シールド機１本体内に設置された油圧モーター１６と、油圧モーター１６の回転軸に取り付けられた第１ギア１７と、第１ギア１７及び外周リング１２に係合し、ギアの回転を外周リング１２に伝達する第２ギア１８と、から構成される。

駆動装置１３の油圧モーター１６を駆動して第１ギア１７を回転させることにより、第２ギア１８を介して外周リング１２及び切削ビット１１を回転させる。外周リング１２は、カッターヘッド２とは独立して回転可能である。

駆動装置１３は、シールド機１本体内の外周端部に等角度おきに、アーム状カッター部２ａと同じ数だけ設置される。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれシールド機１上部付近を拡大した正面図及び側断面図である。また、図６は、外周リング１２先端部付近を拡大した側断面図である。
図５（Ａ）、（Ｂ）及び図６に示すように、切替機構は、カッターヘッド２の外周縁から径方向に出没可能で、外周リング１２の内周面に設けられた凹部２３に係合する係合装置１０からなる。

係合装置１０は、アーム状カッター部２ａ内に設けられたスポーク２０と、スポーク２０を径方向に移動させるためのスポーク用ジャッキ２１と、地山を掘削するためのカッタービット３と、を備えている。

スポーク２０の径方向外側の端面２０ａには、外周リング１２の凹部２３に係合可能な凸部２２が設けられている。

スポーク２０は、スポーク用ジャッキ２１の伸縮によりアーム状カッター部２ａの内周面に沿って移動することにより、アーム状カッター部２ａの外周縁から出没可能である。

スポーク用ジャッキ２１を収縮すると、スポーク２０は、アーム状カッター部２ａ内に挿入され、外周リング１２から離間する。スポーク用ジャッキ２１を最も収縮させた場合には、スポーク２０の端部が、アーム状カッター部２ａの外周縁から外方に突出した状態となるが、このとき、スポーク２０の凸部２２は外周リング１２の内周面から十分に離間しているので、外周リング１２が回転しても、凸部２２は外周リング１２に接触しない（図３（Ｂ）参照）。

スポーク用ジャッキ２１を伸張させると、アーム状カッター部２ａ内をスポーク２０が外周方向に移動し、凸部２２が外周リング１２の凹部２３に係合する。係合した状態の凸部２２と凹部２３とは、がたつきなく密着した状態となる。
スポーク２０の凸部２２を外周リング１２の凹部２３に係合すると、アーム状カッター部２ａと外周リング１２とが一体化し、カッターヘッド２を回転させることにより外周リング１２も回転させることができる。

スポーク２０の進行方向側の側面２０ｂの上端には、プレート２４が径方向に突出するように取り付けられている。また、そのプレート２４の進行方向側の側面には、カッタービット３が取り付けられている。
スポーク２０の凸部２２を外周リング１２の凹部２３に係合させたとき、プレート２４は外周リング１２の前面１２ｄよりも進行方向側に位置し、プレート２４に取り付けられたカッタービット３と切削ビット１１とは同一の円周上に配置された状態となる。カッタービット３は切削ビット１１よりも背が高く、かつ、厚さも大きいため、カッタービット３と切削ビット１１とが同一の円周上に配置された状態で地山を掘削すると、切削ビット１１はカッタービット３の陰になって直接、地山に接触することが無い。したがって、地山の掘削により、切削ビット１１は摩耗したり、損傷したりすることが無い。

以上の構成の切断装置７を備えたシールド機１を用いてドレーン材の存在する地山を掘削する際は、まず、スポーク用ジャッキ２１を収縮して、スポーク２０の凸部２２を外周リング１２の内周面から十分に離間させる。その後、カッターヘッド２を回転させることにより地山を掘削するとともに、外周リング１２をカッターヘッド２とは独立に、カッターヘッド２よりも速く、高速で回転させて、掘進しながら外周リング１２にてドレーン材を切断する。

ドレーン材を切削ビット１１で切断したら直ちにカッターヘッド２でドレーン材を細かく切断し、掘削土砂とともに排出する。

一方、ドレーン材の存在しない地山を掘削する際は、まず、スポーク用ジャッキ２１を伸張して、スポーク２０の凸部２２を外周リング１２の凹部２３に係合し、カッターヘッド２と外周リング１２とを一体化する。その後、カッターヘッド２の駆動源４のみを駆動させて、カッターヘッド２と外周リング１２とを一体に回転させる。このとき、シールド機１の外周端部、すなわち、外周リング１２の設置されている位置には、プレート２４に取り付けられたカッタービット３が存在しているので、シールド機１の外周端部も地山を掘削することができる。このとき、切削ビット１１は地山に直接、接触すること無く、カッタービット３が地山を掘削するため、切削ビット１１は摩耗したり、損傷したりしない。

上述した本実施形態によれば、シールド機１に切断装置７が設けられているので、ドレーン材を切断することができる。また、切断装置７は、カッターヘッド２の周囲に設けられているので、掘削予定箇所に存在するドレーン材の上端及び下端を切断することができる。したがって、地山掘削時に、掘削予定箇所の上方及び下方に存在するドレーン材を引き込むことなく、掘削予定箇所に存在するドレーン材のみを撤去することができるので、掘削予定箇所の上方や下方に存在するドレーン材を引き込んで地盤沈下を起こすことがない。

また、カッターヘッド２と切断装置７とは、互いに独立して回転可能なので、ドレーン材が存在する地山を掘削する際は、カッターヘッド２を回転させて地山を掘削しつつ、切断装置７をカッターヘッド２よりも速く、高速で回転させてドレーン材を効率的に切断することができる。一方、ドレーン材が存在しない地山を掘削する際は、係合装置１０でカッターヘッド２と切断装置７とを係合することにより、一体に回転させることができる。

さらに、上述した各実施形態においては、切断が容易なドレーン材を切断する場合について説明したが、鋼管杭、セメント杭、岩石、岩盤等の硬いものを切断する場合には、切削ビット１１を硬いものに交換したり、切断装置７の回転速度を高速にすることにより、切断が可能である。

１ シールド機
２ カッターヘッド
２ａ アーム状カッター部
２ｂ アーム状カッター部の前面
３ カッタービット
４ 駆動源
５ 回転軸
６ 隔壁
７ 切断装置
８ チャンバー
９ 排土機構
１０ 係合装置
１１ 切削ビット
１２ 外周リング
１２ａ 大径部
１２ｂ 中径部
１２ｃ 小径部
１２ｄ 前面
１３ 駆動装置
１４ 隙間
１５ シール材
１６ 油圧モーター
１７ 第１ギア
１８ 第２ギア
２０ スポーク
２０ａ 径方向外側の端面
２０ｂ 進行方向側の側面
２１ スポーク用ジャッキ
２２ 凸部
２３ 凹部
２４ プレート
２５ 外殻

Claims (5)

1. 障害物が存在する地山内をカッターヘッドで掘削しつつ、掘進可能なシールド機であって、
   前記カッターヘッドの周囲に設けられ、回転しながら前記障害物を切断するためのリング状の切断装置と、
   前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態と、前記切断装置が前記カッターヘッドから切り離されて、前記カッターヘッドとは独立に回転する状態とを切り替える切替機構と、を備え、
   前記切断装置は、
   回転軸が前記カッターヘッドの回転軸と一致する外周リングと、
   前記外周リングの進行方向前側の端面に取り付けられ、前記障害物を切断するための切削ビットと、
   前記外周リングを回転させるための駆動装置と、を備えることを特徴とするシールド機。
2. 前記切断装置の内周面には凹部が設けられ、
   前記切替機構は、前記カッターヘッドの外周縁から径方向に出没可能で、径方向に突出した状態で前記凹部に係合する凸部を備えた係合装置からなり、
   前記係合装置は、突出時に前記凸部が前記切断装置の前記凹部に係合し、没入時に前記切断装置から離間するように前記カッターヘッド内に設置されてなることを特徴とする請求項１に記載のシールド機。
3. 前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態で、前記カッターヘッドに取り付けられて前記地山を掘削するための最外部のカッタービットが外周側へ移動して、前記切断ビットと同一の円周上に位置しうるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシールド機。
4. 前記係合装置は、
   前記カッターヘッドの回転中心から放射状に延設するように前記カッターヘッド内に設けられたスポークと、
   前記スポークを径方向に移動させるための伸縮装置と、備えることを特徴とする請求項２に記載のシールド機。
5. カッターヘッドの周囲に設けられ、回転しながら地山内に存在する障害物を切断するためのリング状の切断装置と、前記切断装置が前記カッターヘッドと一体に回転する状態と、前記切断装置が前記カッターヘッドから切り離されて、前記カッターヘッドとは独立に回転する状態とを切り替える切替機構と、を備え、前記切断装置は、回転軸が前記カッターヘッドの回転軸と一致する外周リングと、前記外周リングの進行方向前側の端面に取り付けられ、前記障害物を切断するための切削ビットと、前記外周リングを回転させるための駆動装置と、を備えたシールド機を用いて前記障害物の存在する地山内を掘削する掘進工法において、
   前記障害物が存在する地山内を掘削する際は、前記カッターヘッドを回転させて地山を掘削しつつ、前記切断装置を前記カッターヘッドの回転速度よりも速く回転させて前記障害物を切断することを特徴とするシールド機の掘進工法。

Images