JP5554823B2

JP5554823B2 - 掘削機

Info

Publication number: JP5554823B2
Application number: JP2012270089A
Authority: JP
Inventors: 清晴米森; 清祥米森
Original assignee: サン・シールド株式会社
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: JP2014114620A

Description

本発明は、地中の泥土を掘削し横坑を構築する掘削機に関する。

従来、先端に設けられたカッタヘッドを回転させ、地中の泥土を掘削する掘削機が知られている（例えば特許文献１参照）。掘削された泥土は、排泥管を通って、先端側から後方の排泥タンクへ給送される。

特開平１０−８８９７０号公報

掘削機のカッタヘッドが地下水の通っている地層等に到達すると、噴出した水や土砂が急激に排泥管を通り、排出口から排出されて掘削機内部に浸入するおそれがある。従来、排泥管の管路を開閉する弁を設け、このような場合に作業者が手動で弁を閉じることで、排泥管の管路を閉塞し、掘削機内への水や泥土の浸入を阻止するものがあった。
しかし、作業者による閉弁操作が遅れた場合等、排泥管からの水や泥土の掘削機内部への浸入を確実に阻止できない場合があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地下水の噴出等の異常発生時に、水や泥土が排泥管を通って掘削機内部に浸入することを早期に阻止する掘削機を提供することにある。

本発明は、先端に設けられたカッタヘッドを回転させて地中の泥土を掘削し、掘削された泥土が排泥管を通って後方へ給送される掘削機において、緊急遮断弁と、駆動手段と、第１切替弁及び第２切替弁とを備えることを特徴とする。
緊急遮断弁は、排泥管の管路を閉塞可能である。駆動手段は、一系統のエア圧供給源から供給されるエア圧によって作動し、緊急遮断弁を開閉駆動する。
第１切替弁及び第２切替弁は、エア圧供給源と駆動手段との間のエア経路に設けられ、通電または非通電により、協働してエア圧の供給経路を切替可能である。そして、通電時、緊急遮断弁を開弁させるように、エア圧供給源からのエア圧が第１切替弁を経由して駆動手段に供給されることが可能である。また、非通電時、緊急遮断弁を閉弁させるように、エア圧供給源からのエア圧が第２切替弁を経由して駆動手段に供給される。

地下水の噴出等の異常発生により過剰量の水や泥土が排泥管を通って制御管内に浸入すると、初期段階で電源が切断される可能性が高い。本発明の掘削機では、電源が切断され非通電となることにより自動的に第２切替弁の位置が切り替わり、緊急遮断弁が排泥管の管路を閉塞する。これにより、排泥管からの水や泥土の浸入を早期に阻止することができる。

本発明の構成として具体的には、駆動手段にエアシリンダを採用し、緊急遮断弁にシャッターを採用することができる。シャッターは、エアシリンダのロッドに接続され、エアシリンダの作動に伴って、排泥管の管路を開放する位置と閉塞する位置との間を往復移動する。
シャッターは動きが単純であり、作動の信頼性が高い。また、一旦閉弁した後、開弁状態への復帰が容易である。さらに、開弁時に、排泥管内に流路抵抗となるものを残さないため、通常作業時の排泥効率に影響しない。

また、地下水の噴出等の発生を、電源が切断するよりも早く作業者が察知する可能性が考えられる。そこで、通電時、緊急遮断弁を閉弁させる位置に第１切替弁を切り替える手動スイッチを設けることが好ましい。これにより、作業者の操作によって、排泥管からの水や泥土の浸入をより早い段階で阻止することができる。
さらに、緊急遮断弁の設置位置について、排泥管の後端の排出口に設ける場合には、緊急遮断弁が作動したことを作業者が認識しやすい。一方、排泥管の前部である「排泥管の入口から、土圧に応じて排泥管を通過する泥土の量を調整する土圧制御弁までの間」に緊急遮断弁を設けてもよい。この場合、異常発生時に排泥管内に蓄積される泥土の量をできるだけ少なくすることができ、復帰後に排泥管内の掃除が容易となる。

本発明の一実施形態による掘削機の断面図である。図１の（ａ）ＩＩａ矢視図（正面図）、（ｂ）ＩＩｂ矢視図（背面図）である。（ａ）図１の要部拡大図、（ｂ）ａのｂ−ｂ線断面図である。図３のＩＶ方向矢視図であり、シャッター開状態を示す。図４に対応するシャッター閉状態の図である。通電時のシャッター開状態を示すエア回路図である。通電時のシャッター閉状態を示すエア回路図である。非通電時のシャッター閉状態を示すエア回路図である。

以下、本発明の一実施形態による掘削機を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による掘削機は、推進管により地中に横坑を構築するセミシールド工法に用いられる。セミシールド工法では、発進立坑から到達立坑まで、掘削機に後続する推進管により横坑を構築する。

最初に、掘削機１の全体構成について図１、図２を参照して説明する。
掘削機１は、図１の右方向から左方向に向かって泥土を掘削しながら進行する。以下、図１の左方向を「前方」、右方向を「後方」として説明する。また、本実施形態の掘削機１は、制御管内に作業者が立入可能な、例えば直径が１．８ｍ程度の機械である。

掘削機１の前部に設けられる掘削駆動部は、非回転の固定部と回転部とを含む。固定部は、フード３、隔壁３０、インナーコーン１５等からなる。回転部は、カッタヘッド２、アウターコーン１２等からなり、カッタモータ３５によって回転駆動される。

固定部について、円筒状のフード３は、アウターコーン１２の外周を覆う。
隔壁３０は、前方のシールド空間Ｓｓと、後方の作業空間Ｓｗとを前後に区画する。隔壁３０の中心前方にはインナーコーン１５が固定されている。隔壁３０の後方には、径方向の一方寄り（図２（ｂ）の右側）に前部排泥管５１が接続されている。また、隔壁３０には土圧計３２が設けられている。さらに、隔壁３０には、前部排泥管５１と干渉しない位置にカッタモータ３５が固定されている。

カッタモータ３５の出力は、出力軸に固定されたピニオン３８、及び、図示しないギアを経由して減速され、アウターコーン１２に伝達される。
インナーコーン１５は、筒状部１５ａ、テーパ部１５ｂ等を有している。筒状部１５ａは、カッタヘッド２の中心部を回転可能に軸支する。テーパ部１５ｂは、筒状部１５ａから後方に向かって拡径している。

次に、回転部であるカッタヘッド２は、アウターコーン１２の前端に固定されており、アウターコーン１２と共に回転する。
図２（ａ）に示すように、カッタヘッド２は、十字状のスポーク２１の前面に複数種類のカッタビット２２、２３、２４が取り付けられている。これらのカッタビットにより、泥土の掘削や礫の破砕が行われる。被掘削物は、スポーク２１の間から、アウターコーン１２の内壁と、インナーコーン１５の外壁と、隔壁３０とにより区画されたシールド空間Ｓｓ内に流入する。

アウターコーン１２は、フード３の内側に配置され、内壁に、前端側から後端側に向かって徐々に厚肉となるすり鉢部１２ａが形成されている。すり鉢部１２ａの回転中心は、インナーコーン１５のテーパ部１５ｂの軸に対して偏心するように設けられている。
すり鉢部１２ａには複数の掻き上げ板１２ｂが形成されている。掻き上げ板１２ｂは、泥土を掻き上げ、礫をアウターコーン１２とインナーコーン１５との間に誘導する。

シールド空間Ｓｓに送られた被掘削物は、土圧により破砕される。さらに、土圧により破砕されない硬質な礫等は、アウターコーン１２の回転力により、アウターコーン１２のすり鉢部１２ａとインナーコーン１５のテーパ部１５ｂとの間に挟まれ圧縮されることにより破砕される。そして、土圧により、隔壁３０に接続された前部排泥管５１に導入される。

本実施形態では、前部排泥管５１の後方に、第１土圧制御弁５２、中間排泥管５３、第２土圧制御弁５４、後部排泥管５５が順に接続されている。土圧制御弁５２、５４は、土圧に応じて排泥される泥土の量を調整する。後部排泥管５５は、Ｌ字状に曲がり、泥土を排泥タンク５９に導く下向きの排出口５６が形成されている。
以下、前部排泥管５１、中間排泥管５３、後部排泥管５５、及び土圧制御弁５２、５４を含めた全体を、「排泥経路を形成する管」という意味で「排泥管５０」という。排泥管５０は、特許請求の範囲に記載の「排泥管」に相当する。

シールド空間Ｓｓから排泥管５０に流入した被掘削物は、掘削機１の後方へ給送され、排出口５６から排泥タンク５９に排出される。ここで、本実施形態では、緊急時に排出口５６を遮断するための緊急遮断装置６０が設けられていることを特徴とする。緊急遮断装置６０が作動すると、排泥管５０に流入した被掘削物は、排出口５６から排出されず、排泥管５０に滞留する。緊急遮断装置６０の詳細な構成については後述する。

隔壁３０より後方の排泥管５０及びカッタモータ３５等は、フード３の後方に順に接続される制御管４１、４２、４３の管内に収容されている。言い換えれば、制御管４１、４２、４３は、掘削機１の中間部から後部の外郭を形成している。
第１制御管４１と第２制御管４２との連結部、及び、第２制御管４２と第３制御管４３との連結部には、それぞれ、周方向に４箇所の方向修正ジャッキ４６、４８が設けられている（図２（ｂ）参照）。これら各方向修正ジャッキ４６、４８を適宜駆動させることにより掘削機１の推進方向が制御される。

第３制御管４３の後方には、図示しない推進管（ヒューム管）が連結される。推進用ジャッキによって推進管を前方へ押し込みつつ、別の推進管を順次後方に継続することで、掘削機１は、発進立坑から横坑を構築しながら進行する。
また、図１に示すように、制御管４１、４２、４３内で機械の操作や整備等の作業をするため、作業者Ｍが立入可能となっている。したがって、隔壁３０の後方の空間は、作業空間Ｓｗとして利用可能である。

ところで、掘削機１のカッタヘッド２が地下水の通っている地層等に到達すると、噴出した水や土砂が急激に排泥管５０を通り、排出口５６から排出される可能性がある。噴出量が異常に多い場合、排出された水や土砂は、排泥タンク５９からあふれ、作業空間Ｓｗ内に浸水することが予想される。以下、「浸水」とは、水のみに限らず、泥土や礫を含んだ水が作業空間Ｓｗ内に浸入することをいう。
そこで、本実施形態の掘削機１は、このような場合に排出口５６を閉塞し、作業空間Ｓｗへの浸水を阻止するための緊急遮断装置６０を設けている。

次に、緊急遮断装置６０の構成について、図１、図３、図４を参照して説明する。
緊急遮断装置６０は、「緊急遮断弁」としてのシャッター７４、「駆動手段」としてのエアシリンダ７０、第１切替弁６１、第２切替弁６２、その他エア配管等から構成される。
シャッター７４は、排出口５６を閉塞可能な板状に形成され、エアシリンダ７０のロッド７３に接続されている。シャッター７４は、エアシリンダ７０の作動に伴って、ガイド７５に沿って前後方向に往復移動することで、排出口５６を開閉する。

エアシリンダ７０は、第２土圧制御弁５４の底壁に取り付けられている。エアシリンダ７０は、エアタンク６３から供給されるエア圧によって作動し、ロッド７３に接続されたシャッター７４を往復移動させる。詳しくは、エアシリンダ７０のロッド７３と反対側の第１ポート７１ｐにエアが導入されると、ロッド７３は、エアシリンダ７０の本体から伸出する。エアシリンダ７０のロッド７３側の第２ポート７２ｐにエアが導入されると、ロッド７３はエアシリンダ７０の本体内に収容される。

エアタンク６３は、制御管４３の後方の図示しない推進管の内部に設置される。エアタンク６３は、例えば発進立坑の外に置かれたコンプレッサ６４から供給された一次エアを蓄え、掘削機１の各エア圧機器に使用されるエアを二次的に供給する。エアタンク６３及びコンプレッサ６４は、「エア圧供給源」に相当する。
第１切替弁６１及び第２切替弁６２は、エアタンク６３とエアシリンダ７０との間のエア経路に設けられ、通電または非通電により、エア圧の供給経路を切替可能である。また、第１切替弁６１については、作業者による手動スイッチ６５の操作によってもエア圧の供給経路を切替可能である。詳しくは次に説明する。

次に、本実施形態の緊急遮断装置６０の作動について図６〜図８を参照して説明する。図６〜図８において、ロッド７３及びシャッター７４の移動方向を示す「前進」、「後退」は、エアシリンダ７０本体に対するロッド７３の動きを基準とし、本実施形態では掘削機１全体の前後方向と逆になる。エアシリンダ７０の第１室７１及び第２室７２は、それぞれ、図４、図５に示す第１ポート７１ｐ及び第２ポート７２ｐから連通している。

本実施形態の例によれば、第１切替弁６１は、正方向連通位置６１ａ、遮断（中立）位置６１ｘ、逆方向連通位置６１ｂを切替可能な４ポート３位置電磁弁であり、第２切替弁６２は、連通位置６２ａ、遮断位置６２ｘを切替可能な４ポート２位置電磁弁である。

（通電、開弁状態）
図６に示すように、通常作業時にて通電されているときは、第２切替弁６２は遮断位置６２ｘが選択される。また、第１切替弁６１は、手動スイッチ６５により逆方向連通位置６１ｂが選択される。したがって、エア圧はエアシリンダ７０の第２室７２に導入され、ロッド７３及びシャッター７４が後退し、排出口５６が開く。一方、エアシリンダ７０の第１室７１から流出したエアは、第１切替弁６１を経由して大気開放される。
これにより、排泥管５０内の水や泥土は、排出口５６から排泥タンク５９に排出可能となる。

（通電、閉弁状態）
通電状態において、作業者の意思によりシャッター７４を閉めようとする場合は、図７に示すように、手動スイッチ６５を操作して第１切替弁６１を正方向連通位置６１ａに切り替える。すると、エア圧はエアシリンダ７０の第１室７１に導入され、ロッド７３及びシャッター７４が前進し、排出口５６を閉める。一方、エアシリンダ７０の第２室７２から流出したエアは、第１切替弁６１を経由して大気開放される。
これにより、排泥管５０内の水や泥土は、排出口５６からの排出が阻止される。

例えば、地下水の噴出等の発生を作業者が察知したとき、作業者は、即座に手動スイッチ６５を操作してシャッター７４を閉めることで、作業空間Ｓｗへの浸水を初期段階で食い止めることができる。
その後、仮に異常が無いか軽微であることを確認し、シャッター７４を開いても問題ないと判断した場合は、再び手動スイッチ６５を操作し、第１切替弁６１を逆方向連通位置６１ｂに切り替えてエアシリンダ７０のロッド７３を後退させればよい。

（非通電、閉弁状態）
地下水の噴出等の異常発生により作業空間Ｓｗに浸水した結果、電源が切断され非通電状態となると、図８に示すように、第１切替弁６１は遮断位置６１ｘとなり、第２切替弁６２は連通位置６２ａとなる。したがって、エア圧はエアシリンダ７０の第１室７１に導入され、ロッド７３及びシャッター７４が前進し、排出口５６を閉める。
これにより、例えば地下水が急激に作業空間Ｓｗに浸水した場合や、無人時に浸水した場合等、非通電状態となることにより、手動スイッチ６５を操作しなくても自動的にシャッター７４を閉めることができる。

また、異常発生時に電源が切断された場合、コンプレッサ６４からの一次エアの供給が停止する可能性がある。そのため、一次エアを直接第２切替弁６２に供給する構成では、非通電となり、第２切替弁６２が連通位置６２ａに切り替わったとき、エア圧が不足し、シャッター７４を閉弁させられないおそれがある。そこで、一次エアを蓄えるエアタンク６３を設け、エアタンク６３から第２切替弁６２の二次エアを供給することで、異常発生時の閉弁作動を確実に行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の掘削機１は、地下水の噴出等の異常発生により過剰量の水や泥土が排泥管５０を通って制御管内に浸水し、電源が切断されたとき、自動的に切替弁６１、６２の位置が切り替わり、シャッター７４が排泥管５０の排出口５６を閉塞する。これにより、排泥管５０からの水や泥土の排出を早期に阻止することができる。

また、本実施形態の掘削機１は、「駆動手段」としてエアシリンダ７０を採用し、「緊急遮断弁」としてシャッター７４を採用している。シャッター７４は動きが単純であり、作動の信頼性が高い。また、一旦閉弁した後、開弁状態への復帰が容易である。さらに、開弁時に、排泥管５０内に流路抵抗となるものを残さないため、通常作業時の排泥効率に影響しない。

また、本実施形態の掘削機１は、通電時に、シャッター７４を閉弁させる位置に第１切替弁６１を切り替える手動スイッチ６５を設けている。これにより、地下水の噴出等の発生を、電源が切断するよりも早く作業者が察知したとき、作業者の操作によって、排泥管５０からの水や泥土の排出をより早い段階で阻止することができる。
さらに、シャッター７４は、排泥管５０の後端の排出口５６に設けられている。通常、作業者は、排泥タンク５９付近にいることが多いため、シャッター７４の設置位置をこのようにすることで、シャッター７４が作動したことを作業者が認識しやすくなる。

（その他の実施形態）
（ア）切替弁やエア回路の構成は、上記実施形態と同様の機能を実現するものであればどのような構成としてもよい。例えば、図６〜図８では、第１切替弁６１、第２切替弁６２をスプリングリターン式で例示しているが、これに限らず、他の方式を用いてもよい。

（イ）エアシリンダ７０の取付位置やシャッター７４の作動方向等は、上記実施形態の構成に限らず適宜設定してよい。シャッターは、往復移動に限らず、旋回等の移動をしてもよい。さらに、シャッターの設置位置は、排泥管５０の後端の排出口５６に限らず、排泥管５０の前部または中間部に設置してもよい。例えば、排泥管５０の前部である「隔壁３０と第１土圧制御弁５２との間」に設けることが考えられる。この場合、異常発生時に排泥管５０内に蓄積される泥土の量をできるだけ少なくすることができる。したがって、復帰後に排泥管５０内の掃除が容易となる。

（ウ）シャッター以外の緊急遮断弁の構成として、例えばボール弁を採用してもよい。このボール弁は、排泥管の管路内に設けられる。このボール弁は、初期状態ではしぼんでおり、ボール内にエアが流入すると径が膨らんで排泥管の内壁に当接し、管路を閉塞するものである。この場合、ボールの外皮部分が「緊急遮断弁」に相当し、エア圧が供給されて外皮を放射状に拡張させる内部空間が「駆動手段」に相当する。すなわち、このボール弁は、「緊急遮断弁」しての機能と「駆動手段」としての機能を兼ね備えた形態である。なお、復帰時には、ボール内のエア圧を抜くことで外皮の径を収縮させ、排泥管の内壁とボールの外皮との間に排泥経路を形成する。

（エ）上述した特徴的な構成以外の掘削機の構成は、上記実施形態における構成に限らない。例えば、制御管内に作業者が立入できない程度の大きさの掘削機に緊急遮断装置を適用してもよい。この場合、例えば、地上にいる作業者が何らかの検出手段で異常発生を検出し、遠隔操作で手動スイッチを操作してもよい。また、電源オフにより自動的に閉弁させることで、無人状態での浸水による掘削機への影響を最小限に抑えることができる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１・・・掘削機、
２・・・カッタヘッド、
３５・・・カッタモータ、
４５・・・本体、
５０・・・排泥管、
５６・・・排出口、
５９・・・排泥タンク、
６１・・・第１切替弁、
６２・・・第２切替弁、
６３・・・エアタンク（エア圧供給源）
６４・・・コンプレッサ（エア圧供給源）、
６５・・・手動スイッチ、
７０・・・エアシリンダ（駆動手段）、
７３・・・ロッド、
７４・・・シャッター（緊急遮断弁）。

Claims

地中の泥土を掘削し横坑を構築する掘削機（１）であって、
当該掘削機の先端に設けられ泥土を掘削するカッタヘッド（２）と、
前記カッタヘッドを回転駆動するカッタモータ（３５）と、
掘削された泥土が当該掘削機の先端側から後方へ給送される排泥管（５０）と、
前記排泥管の管路を閉塞可能な緊急遮断弁（７４）と、
一系統のエア圧供給源（６３、６４）から供給されるエア圧によって作動し、前記緊急遮断弁を開閉駆動する駆動手段（７０）と、
前記エア圧供給源と前記駆動手段との間のエア経路に設けられ、通電または非通電により、協働してエア圧の供給経路を切替可能な第１切替弁（６１）及び第２切替弁（６２）と、
を備え、
通電時、前記緊急遮断弁を開弁させるように、前記エア圧供給源からのエア圧が前記第１切替弁を経由して前記駆動手段に供給されることが可能であり、
非通電時、前記緊急遮断弁を閉弁させるように、前記エア圧供給源からのエア圧が前記第２切替弁を経由して前記駆動手段に供給されることを特徴とする掘削機。
前記駆動手段はエアシリンダ（７０）であり、
前記緊急遮断弁は、前記エアシリンダのロッド（７３）に接続され、前記エアシリンダの作動に伴って往復移動するシャッター（７４）であることを特徴とする請求項１に記載の掘削機。
通電時、前記緊急遮断弁を閉弁させる位置に前記第１切替弁を切り替える手動スイッチ（６５）を設けていることを特徴とする請求項１または２に記載の掘削機。
前記緊急遮断弁は、前記排泥管の後端の排出口（５６）に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削機。
前記緊急遮断弁は、前記排泥管の入口から、土圧に応じて前記排泥管を通過する泥土の量を調整する土圧制御弁（５２）までの間に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削機。