JP5475521B2

JP5475521B2 - トンネル掘削機

Info

Publication number: JP5475521B2
Application number: JP2010076519A
Authority: JP
Inventors: 雅彦杉山; 睦夫水野; 信秋松田
Original assignee: 三菱重工メカトロシステムズ株式会社
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011208409A

Description

本発明は、組立・解体が繰返し容易なカッタヘッドを備えたトンネル掘削機に関する。

一般に、シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部に円盤形状をなすカッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッドが駆動装置により駆動回転可能に支持される一方、掘削機本体の後部には掘削機本体を前進させる多数のシールドジャッキが装着されると共に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装置が装着されて構成されている。

従って、駆動装置によりカッタヘッドを回転させながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの反力を得て掘削機本体が前進し、カッタヘッドに取り付けられた多数のカッタビットが前方の地盤（切羽）を掘削し、トンネルを形成することができる。

このようなシールド掘削機を用いて所定の工事区間にトンネルを構築する場合、この工事区間に発進立坑と到達立坑を予め掘削しておき、発進立坑内にシールド掘削機を搬入し、この発進立坑内で掘削反力確保した状態で、発進口から地山へ貫入し所定のルートに沿って掘削を行う。そして、シールド掘削機が到達立坑まで掘進すると、予め形成された到達口よりシールド掘削機を到達立坑内に引き出す。このようにして所定の位置にトンネルを構築する。

ところで、到達立坑内に引き出されたシールド掘削機は、解体されて一部が地上に回収される一方、残りはトンネルの構造体として地中に埋設される。即ち、シールド掘削機は、まず、カッタヘッドがガス切断機により小さく分断されてクレーンにより到達立坑を通して地上に引き上げられる。次に、カッタヘッドの駆動装置が同様にガス切断機により小さく分断され、クレーンにより到達立坑を通して地上に引き上げられる。最後に、シールドジャッキやエレクタ装置、排土装置（送泥管、排泥管、アジテータ、スクリューコンベヤ等）などが掘削機本体から取り外されてクレーンにより地上に引き上げられる。そして、残った掘削機本体がトンネル構造体の一部として既設セグメントに連結して埋設される。尚、分断されて地上に引き上げられたカッタヘッドやその駆動装置などはスクラップ処理される。

特開２００２−２０６３９１号公報

近年、トンネル掘削機を構成する構造物を回収して再利用を可能としたトンネル掘削機が特許文献１等で提案されている。即ち、地球環境の面から考えると、トンネル掘削機のスクラップ処理による産業廃棄物の増加は好ましくないのである。また、トンネル掘削機の製造コストの面でも、一工区の掘削工事だけでのスクラップ処理は非効率的であり、再利用が望まれている。

しかしながら、図４Ｂに示すように、従来のカッタヘッド１００は、カッタヘッド中心部１０１と周方向に等分割された４つのカッタヘッド外周部１０２ａ〜１０２ｄとで構成され、発進又は到達立坑１０３内における組立又は解体（回収のため）の際には、例えばカッタヘッド外周部１０２ｂ（及び１０２ｄ）をクレーンにより垂直移動に加えて水平移動を交えて動作させていたため（図中矢印参照）、組立又は解体に要する時間が長くなると共に発進又は到達立坑１０３の径Ｄ２が長径化するので、施工期間及び施工費の増大を招来するという問題点があった。

また、泥土圧式シールド掘削機等にあっては、カッタヘッド中心部１０１とカッタヘッド外周部１０２ａ〜１０２ｄとの分割面間におけるコピーカッタや加泥ラインの配管接続や配管分離が必要となり、これが組立又は解体に要する時間を長くする一因となっていると共に作業者の負担にもなっていた。

そこで、本発明は組立又は解体が繰返し容易なカッタヘッドを備え、施工期間及び施工費の削減が図れるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

斯かる目標を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
筒状をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドを備えたトンネル掘削機において、
前記カッタヘッドは、前記掘削機本体の中心に位置する回転中心筒部を有して、当該回転中心筒部を回転中心として回転し、
前記カッタヘッドを層状に複数ブロックに分割形成し、
前記複数ブロック中の２つの中央ブロックに少なくともコピーカッタ及び加泥ラインを集約し、
上段の前記中央ブロックは、前記回転中心筒部をそのまま残して分割され、
下段の前記中央ブロックは、前記回転中心筒部の下半部を受ける受け部を有する
ことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機によれば、最小限の径Ｄ１を有する発進又は到達立坑内でカッタヘッドを繰返し容易に組立又は解体することができ、施工期間及び施工費の削減が図れる。また、複数ブロック中の中央ブロックに少なくともコピーカッタ及び加泥ラインを集約することで、泥土圧式シールド掘削機等におけるコピーカッタ及び加泥ラインの現地での配管接続や配管分離が容易に行える。

本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の正面図である。分割ラインの変形例を示すカッタヘッドの概略正面図である。泥土圧式シールド掘削機の側断面図である。図１のＡ部詳細図である。カッタヘッドの組立・解体方法の模式図である。従来のカッタヘッドの組立・解体方法の模式図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１Ａは本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の正面図、図１Ｂは分割ラインの変形例を示すカッタヘッドの概略正面図、図２は泥土圧式シールド掘削機の側断面図、図３は図１のＡ部詳細図、図４Ａはカッタヘッドの組立・解体方法の模式図である。

本実施例で説明するトンネル掘削機は、掘削土砂をチャンバに充満させ、チャンバ内を所定の圧力に維持しながら排土することで、切羽の安定化を図りながらトンネルを構築する泥土圧式シールド掘削機である。

図１Ａ及び図２に示すように、筒状をなす掘削機本体１０の前部に設けられた隔壁（バルクヘッド）１１には軸受を介して回転リング１２が回転可能に支持され、この回転リング１２の前部から延出された複数本（図示例では６本）の中間ビーム１３の先端部にカッタヘッド１４が着脱可能に装着される。

カッタヘッド１４は、前記中間ビーム１３の取付け部１５を備えた中心リング部１６と、この中心リング部１６の外周側に位置する外周リング部１７とで構成されると共に、これらには回転中心筒部１８から放射状に延出された６本の主カッタスポーク１９ａ〜１９ｆが固定される。また、各主カッタスポーク１９ａ〜１９ｆ間に位置して中心リング部１６と外周リング部１７との間には６本の副カッタスポーク２０ａ〜２０ｆが架設される。

前記主，副カッタスポーク１９ａ〜１９ｆ，２０ａ〜２０ｆには図示しない多数のカッタビット２１（図２参照）が装着されると共に、前記回転中心筒部１８にはフィッシュテールカッタ２２が装着される。また、３本の主カッタスポーク１９ｃ，１９ｅ，１９ｆには径方向へ油圧ジャッキ２３により伸縮（出没）可能にコピーカッタ２４が装着される。さらに、１本の主カッタスポーク１９ｂにはレスキュービット２５が装着される。

また、２本の主カッタスポーク１９ｂ，１９ｃと１本の副カッタスポーク２０ｅには加泥ラインにおける加泥剤注入口２６が開口形成される。尚、図１Ａ中２７は攪拌棒で、２８は攪拌翼であり、２９は作業用扉である。

一方、前記隔壁１１には、カッタヘッド駆動手段としてのカッタ旋回モータ３０が複数個取り付けられ、これらのカッタ旋回モータ３０の駆動ギア３１が前記回転リング１２のリングギア３２に噛み合っている。従って、カッタ旋回モータ３０を稼働して駆動ギア３１を回転駆動すると、その出力がリングギア３２及び回転リング１２から中間ビーム１３へと伝達されてカッタヘッド１４が回転される。また、隔壁１１の中央部には、ロータリジョイント３３が組み付けられ、このロータリジョイント３３を介して回転中心筒部１８より前記コピーカッタ２４の油圧ジャッキ２３等に対し図示しない油圧源からの圧油の給，排が行われると共に、加泥ラインにおける加泥剤注入口２６に対し図示しない加泥剤供給源から加泥剤が供給されるようになっている。

前記掘削機本体１の内部にはスクリューコンベヤ５０が配設され、カッタヘッド１４で掘削された土砂をトンネルの後方へ排出可能になっている。即ち、スクリューコンベヤ５０の前端部（取出口）が隔壁１１の下部を貫通して前記カッタヘッド１４と隔壁１１とで画成されたチャンバ室５１に開口すると共に、後下部に設けた排出口（ジャッキ５２駆動のゲート５３で開閉される）がトンネル内の長手方向に配設された図示しないベルトコンベア上に対向するのである。このスクリューコンベヤ５０は、後上がりに傾斜して配置された円筒管５０ａの内部に、駆動モータ５０ｂによって回転可能にスクリュー翼５０ｃが装着されてなる。

前記掘削機本体１０の内周部には、覆工部材としてトンネルの内周面に構築された（組み立てられた）既設のセグメントＳに対し伸縮し得る推進ジャッキ３４が円周方向へ所定間隔離間して複数本配設される。また、掘削機本体１０の後端部は、テールシール３５を介して前記既設セグメントＳの外周に嵌合している。また、掘削機本体１０の後部には前記セグメントＳを組み立てるエレクタ３６と後方張出台３７が組み付けられ、この後方張出台３７上に組み立てたセグメントＳの真円保持を行うセグメントアジャスタ３８が装備される。

そして、本実施例では、前記カッタヘッド１４が、図１Ａの分割ラインＬ１〜Ｌ３に沿って、層状に４つのブロックＢ１〜Ｂ４に分割形成される。尚、図１Ａ中上から２段目のブロックＢ２においては、回転中心筒部１８をそのまま残して分割されている。従って、図１Ａ中上から３段目のブロックＢ３には前記回転中心筒部１８の下半部を受ける円弧状の受け部４４が形成される。

また、前記４つのブロックＢ１〜Ｂ４中の中央ブロックである２段目と３段目のブロックＢ２，Ｂ３にコピーカッタ２４、レスキュービット２５及び加泥ラインが集約される。詳細には、２段目のブロックＢ２における主カッタスポーク１９ｂにレスキュービット２５が装備されると共に加泥ラインの加泥剤注入口２６が開口形成され、また、主カッタスポーク１９ｆにコピーカッタ２４が装備される。一方、３段目のブロックＢ３における主カッタスポーク１９ｃにコピーカッタ２４が装備されると共に加泥ラインの加泥剤注入口２６が開口形成され、また、主カッタスポーク１９ｅにコピーカッタ２４が装備され、さらには、副カッタスポーク２０ｅに加泥ラインの加泥剤注入口２６が開口形成される。

尚、各分割ラインＬ１〜Ｌ３における各部材の接合面間においては、例えば図３に示すように、分断された一方の主カッタスポーク部分１９ｄ−１と他方の主カッタスポーク部分１９ｄ−２にそれぞれ連結用治具４１ａ，４１ｂが固設され、カッタヘッド１４の組立の際には、分断された一方の主カッタスポーク部分１９ｄ−１と他方の主カッタスポーク部分１９ｄ−２との溶接に先立って連結用治具４１ａ，４１ｂ同士をボルト４２ａ及びナット４２ｂで結合し、この状態下で分断された一方の主カッタスポーク部分１９ｄ−１と他方の主カッタスポーク部分１９ｄ−２との溶接が行われる。即ち、連結用治具４１ａ，４１ｂ同士の連結状態下で各分割ラインＬ１〜Ｌ３における各部材の接合面間の溶接が行なわれるのである。カッタヘッド１４の組立終了後は連結用治具４１ａ，４１ｂはガス切断機等で切断除去される。図３中４０ａ，４０ｂは座屈防止用の補強板である。

このように構成されるため、泥土圧式シールド掘削機による掘削にあたっては、先ず、全ての推進ジャッキ３４が縮んだ初期位置（図２の状態）で、カッタ旋回モータ３０を稼働させてカッタヘッド１４を回転させる。

次に、前記状態から全て又は任意の推進ジャッキ３４を伸ばして掘削機本体１０を１ストローク推進（前進）させる。この際、推進反力は既設セグメントＳで受ける。そして、この推進により、カッタヘッド１４に装着された多数のカッタビット２１等が前方の地盤を掘削する。掘削された土砂はチャンバ室５１からスクリューコンベヤ５０等によって外部に排出される。

次に、カッタヘッド１４の旋回を止めた状態で、推進ジャッキ３４を部分的に順次縮めてエレクタ３６及びセグメントアジャスタ３８によりセグメントＳを組み立てると共にその真円保持を行う。

以降、前述した工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していく。

そして、本実施例では、前記カッタヘッド１４が層状に４つのブロックＢ１〜Ｂ４に分割形成されている。

従って、図４Ａに示すように、発進又は到達立坑４３内でカッタヘッド１４を組立又は解体する際には、層状に４つに分割されたブロックＢ１〜Ｂ４を水平な状態で下から順次積み上げて組み立てる一方、水平な状態で上から順次引き上げて解体することにより、最小限の径Ｄ１（Ｄ１＜Ｄ２）を有する発進又は到達立坑４３内でカッタヘッド１４を繰返し容易に組立又は解体することができ、施工期間及び施工費の削減が図れる。

また、前記４つのブロックＢ１〜Ｂ４中の中央ブロックである２段目と３段目のブロックＢ２，Ｂ３にコピーカッタ２４、レスキュービット２５及び加泥ラインが集約されるので、泥土圧式シールド掘削機等におけるコピーカッタ２４、レスキュービット２５及び加泥ラインの現地での配管接続や配管分離が容易に行える。即ち、図示例では２段目のブロックＢ２においては、主カッタスポーク１９ａ，１９ｂの加泥剤注入口２６と主カッタスポーク１９ｆのコピーカッタ２４に対する現地での配管接続や配管分離を行う必要はなく、３段目のブロックＢ３における主カッタスポーク１９ｃ及び副カッタスポーク２０ｅの加泥剤注入口２６と主カッタスポーク１９ｃ，１９ｅのコピーカッタ２４に対する現地での配管接続や配管分離を行えば良いのである。

また、ブロックＢ１〜Ｂ４は層状に分割されるので、陸上輸送に適した大きさに分割でき、従来のように円状及び円弧状に分割される場合（図４Ｂ参照）に比べて輸送が容易である。

尚、図１Ｂは、層状に４つのブロックＢ１〜Ｂ４に分割形成する分割ラインＬ１〜Ｌ３の内、１段目のブロックＢ１と２段目のブロックＢ２との分割ラインＬ１と３段目のブロックＢ３と４段目のブロックＢ４との分割ラインＬ３の変形例を示したものである。即ち、副カッタスポーク２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｆを、主カッタスポーク１９ａ，１９ｄと同様に、スポーク軸線と直交する方向に分割するようにしたのである。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、カッタヘッドの分割されるブロックの数や形状の変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係るトンネル掘削機は泥土圧式シールド掘削機に限らず、泥水式シールド掘削機、機械式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）等にも適用することができる。

１０掘削機本体
１１隔壁
１２回転リング
１３中間ビーム
１４カッタヘッド
１６中心リング部
１７外周リング部
１８回転中心筒部
１９ａ〜１９ｆ主カッタスポーク
２０ａ〜２０ｆ副カッタスポーク
２１カッタビット
２２フィッシュテールカッタ
２３油圧ジャッキ
２４コピーカッタ
２５レスキュービット
２６加泥剤注入口
２９作業用扉
３０カッタ旋回モータ
３３ロータリジョイント
３４推進ジャッキ
３６エレクタ
３８セグメントアジャスタ
４１ａ，４１ｂ連結用治具
４２ａボルト
４２ｂナット
４４受け部
５０スクリューコンベヤ
５１チャンバ室
Ｓセグメント
Ｂ１〜Ｂ４ブロック
Ｌ１〜Ｌ３分割ライン

Claims

筒状をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドを備えたトンネル掘削機において、
前記カッタヘッドは、前記掘削機本体の中心に位置する回転中心筒部を有して、当該回転中心筒部を回転中心として回転し、
前記カッタヘッドを層状に複数ブロックに分割形成し、
前記複数ブロック中の２つの中央ブロックに少なくともコピーカッタ及び加泥ラインを集約し、
上段の前記中央ブロックは、前記回転中心筒部をそのまま残して分割され、
下段の前記中央ブロックは、前記回転中心筒部の下半部を受ける受け部を有する
ことを特徴とするトンネル掘削機。