JP5769567B2 - シールド掘進機の掘削ビット交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、掘削途中で、磨耗したローラビットをカッタヘッド内の作業空間から交換するシールド掘進機の掘削ビット交換装置に関する。

掘削途中に磨耗したローラビットを交換する掘削ビット交換装置には、数多くの構造が提案されているが、たとえば特許文献１および２に、開口部を有する前面板の背面に、ローラビットがスライド自在に嵌合される支持穴を形成した回転体を配置したものが開示されている。

特許第４１６３９６５号 特許第３１３９７４９号

しかしながら、回転体の支持面が球面に形成されているため、ローラビットに係る大きい掘削反力を支持することが困難であり、また構造および交換動作が複雑になりやすいという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、構造および交換動作が簡単で、大きい掘削反力を支持することができるシールド掘進機の掘削ビット交換装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
カッタヘッド前面に配置された掘削ビットを、掘削途中でカッタヘッド内に形成した作業空間から交換するシールド掘進機の掘削ビット交換装置であって、
カッタヘッドの前面に取り付けられて掘削ビットが露出される掘削開口部が形成されたハウジングと、
当該ハウジングに形成されて前記掘削開口部が連通されたバルブ収容室に、カッタヘッドの前面に垂直な軸に対して所定角度傾斜する回動軸心周りに回動可能に配置されたバルブ体と、
当該バルブ体に前記掘削開口部に連通可能に形成されて掘削ビットを挿脱可能に収容するビット収容穴と、
前記バルブ収容室の前面で、回動軸心を中心とする前記掘削開口部の回動位置で当該掘削開口部から離間して設けられた交換シール部と、を具備し、
バルブ体を円柱形に形成するとともに、バルブ体に、前縁外周部に沿って形成されて前記掘削開口部を閉鎖可能なシール体部と、当該シール体部の一部に形成された前記ビット収容穴の開口部と、当該開口部の周囲に前記シール体部を削除して形成され掘削ビットの掘削端を収容する掘削凹部と、を設け、
前記交換シール部の周囲でハウジングとバルブ体の隙間をシールする交換用シール材と、を設け、
掘削ビットの交換時に、バルブ体を軸心周りに回動させて前記掘削凹部の掘削ビットを前記交換シール部に移動させ、前記ビット収容穴から掘削ビットを抜き出して交換するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、
交換用シール材を、その中空部に供給された流体圧力を変化させて摺接圧を調整可能なチューブ状シール材としたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、
掘削ビットを、ビット支持体にディスクカッタを回転自在に支持したローラビットとし、
前記ビット支持体に、ディスクカッタの周囲からビット収容穴の出退方向に沿う排泥通路を貫通形成し、
前記ビット支持体の前記排泥通路から作業空間を介してカッタヘッドの外面に連通する直線状の排泥配管を接続し、
当該排泥配管に接続分離可能な短管を設けるとともに、当該短管の入り口側および出口側の配管に遮断バルブをそれぞれ設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、ハウジングのバルブ収容室に、円柱形の前縁部に沿うシール体部の一部に、掘削凹部を介してビット収容穴を形成したバルブ体を、カッタヘッドの前面に垂直な軸に対して傾斜する回動軸心周りに回動自在に配置したので、ビット交換時に、回動軸心周りにバルブ体を回動するだけで、掘削凹部に掘削端が突出された掘削ビットを、交換用シール材に囲まれた交換シール部まで変位させると同時に、シール体部により掘削開口部を閉鎖することができる。したがって、交換用シール材に囲まれた交換シール部から、磨耗掘削ビットをビット収容穴に沿って抜き出して、新しい掘削ビットをビット収容穴に装填し、バルブ体を回動して、新しい掘削ビットを掘削開口部に対応させるだけで、容易かつ短時間で掘削ビットを交換することができる。またハウジングに回動軸心を傾斜してバルブ体を配置した簡単な構造で、信頼性が高い。またバルブ体を円柱形に形成することにより、球面に比較して十分に大きい掘削反力を確実に支持することができる。
請求項２記載の発明によれば、交換用シール材を、摺接圧を調圧可能なチューブシールとしたので、ビット交換時に交換用シール材を減圧することにより、掘削ビットや掘削凹部が通過する時に同伴される土砂や砕石による交換用シール材の破損を防止することができ、シール性能を向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、ビット支持体に形成された排泥通路から、直線状に伸びる排泥配管を接続することにより、ローラビットで掘削された削石混じりの泥水を、閉塞することなくスムーズに排出することができ、効果的に掘削することができる。また短管の前後に遮断弁を設けたので、ビットの交換に際して、泥水が作業空間に流入することなく排泥配管を取り外すことができ、磨耗ローラビットの交換を容易に行うことができる。

本発明に係るシールド掘進機のビット交換ユニットの実施例１を示し、ビット交換ユニットの縦断面図である。 カッタヘッドの掘削開口部を示す正面図である。 ビット交換ユニットの要部拡大バルブ体の縦断面図である。 バルブ体の正面図である。 ローラビットおよびビット支持体を示す斜視図である。 ビット交換ユニットにおける交換動作を説明する縦断面図である。 図６の部分拡大図である。 図６の正面図である。 ビット交換ユニットにおける交換動作を説明する縦断面図である。 ビット交換ユニットを具備したシールド掘進機の縦断面図である。 ビット交換ユニットを具備したシールド掘進機のカッタヘッドを示す正面図である。

［実施例１］
以下、本発明に係る掘削ビット交換装置を具備したシールド掘進機の実施例を図面に基づいて説明する。

（シールド掘進機）
図１０に示すように、円筒形のシールド本体１１の前部に圧力隔壁１２が設けられ、この圧力隔壁１２の前部に切羽崩壊土圧を保持する圧力室２８Ａが形成されている。前記圧力隔壁１２には、旋回軸受１３を介して旋回リング体１４がシールド軸心Ｏ周りに回転自在に支持されており、この旋回リング体１４から前方に突出された複数の支持脚１５に、円形のカッタヘッド１６が支持されている。圧力隔壁１２後方の大気室２８Ｂには、このカッタヘッド１６を回転駆動するカッタ駆動装置１７が設けられており、このカッタ駆動装置１７は、旋回リング体１４の背面に設けられたリングギヤ１７ａと、このリングギヤ１７ａに噛み合う複数の駆動ピニオン１７ｂと、前記駆動ピニオン１７ｂをそれぞれ回転駆動する回転駆動装置（油圧式または電動式モータ）１７ｃとで構成されている。さらに圧力隔壁１２には、カッタヘッド１６により掘削された土砂を、圧力室２８Ａから切羽崩壊土圧を保持しつつ大気室２８Ｂに排出する排土用スクリュコンベヤ１８が貫設されている。

（カッタヘッド）
カッタヘッド１６は、図１１に示すように、シールド軸心Ｏ上に配置された中心部材２０から半径方向に延びる複数の主スポーク２１と、主スポーク２１の間で半径方向に延びる複数の副スポーク２２と、シールド軸心Ｏを中心とする円弧方向に配設されて主スポーク２１および副スポーク２２を連結する中間リング２３および外周リング２４とを具備し、これら部材２１〜２４間に土砂取り入れ口２５が形成されている。

そして主スポーク２１の前部に、本発明に係る複数のビット交換ユニット（掘削ビット交換装置）３０が配列され、各ビット交換ユニット３０に交換用の掘削ビットであるローラビット３１がそれぞれ設けられている。また中心部材２０や副スポーク２２の前面および側面、主スポーク２１の側面に複数の固定ビット２６がそれぞれ設けられている。

図１０に示すように、前記中心部材２０の背面側に、作業員が出入り可能なマンホール２７が設けられており、このマンホール２７は圧力隔壁１２を貫通して大気室２８Ｂ側から出入り可能に連通されている。また各主スポーク２１の背面側に、作業員が入ってビット交換作業が可能な作業空間２９が形成され、マンホール２７からこの作業空間２９に作業員が行き来できて連通され、掘削途中で磨耗したローラビット３１を作業空間２９から交換することができる。

（ビット交換ユニット）
主スポーク２１の前面に半径方向に沿ってビット交換ユニット３０が所定ピッチで配設され、これらビット交換ユニット３０にローラビット３１が配置されている。これらビット交換ユニット３０は、それぞれ同一構造である。

ローラビット３１は、図５に示すように、前後方向に排泥通路４１が形成された長円筒形断面のビット支持体４２の前部に、短径方向の支軸４３を介して２枚刃のディスクカッタ４４が回転自在に支持されている。

図１〜図４に示すように、ビット交換ユニット３０は、主スポーク２１の前面板３２の切除部に、ローラビット３１が露出される掘削開口部３４を有するハウジング３３が取り付けられており、このハウジング３３に、掘削開口部３４に連通されるとともに、ローラビット３１を保持するバルブ体３５を傾斜姿勢で、かつ回動自在に収容するバルブ収容室３６が形成されている。

バルブ体３５は円柱形で、その前縁外周部に、掘削開口部３４を閉鎖可能なシール体部３７が周方向に沿って形成されており、このシール体部３７は、たとえばエッジ部分が、円柱形の軸心である回動軸心Ｏｂに対して所定角度（たとえば後述するα°）傾斜した傾斜面で面取りされた台形断面に形成されている。このシール体部３７には、シール体部３７の一部を切除して掘削凹部３８が形成され、この掘削凹部３８に、ローラビット３１を抜き出し可能に収容するビット収容穴３９が開口されている。図４に示すように、この掘削凹部３８の底面は、ビット収容穴３９の開口部の周囲が回動軸心Ｏｂに対して所定角度（後述するα°）傾斜する削除平面３８ａに形成され、この削除平面３８ａとシール体部３７の頂部の回動軌跡との間に、ディスクカッタ４４の掘削端が突出される掘削空間３８ｂを形成している。

またバルブ収容室３６は、バルブ体３５を回動自在に収容可能な円柱形に形成され、掘削開口部３４で前記削除平面３８ａがハウジング３３の前面と略面一状となるように、その軸心（バルブ体３５の回動軸心Ｏｂ）が角度α°で傾斜して形成されている。さらに、ハウジング３３の背面が回動軸心Ｏｂに垂直な傾斜平面で削除され、この傾斜面に、作業空間２９に臨んでバルブ収容室３６が開口されている。

バルブ収容室３６の前面部は、シール体部３７を案内する円錐台形に形成され、下部にビット支持体４２と相似形で回動軸心Ｏｂの接線方向に沿う長円形に形成された掘削開口部３４に連通されている。さらに、掘削開口部３４の回動軸心Ｏｂの１８０°対称位置に、ビット交換時に掘削凹部３８が対応する交換シール部４０が形成されている。この交換シール部４０には、後述する第２シール材６２が設けられている。なお、この交換シール部４０は、１８０°対称位置に限るものではなく、回動軸心Ｏｂを中心として掘削開口部３４と同一軸心上で、かつ掘削開口部３４と重ならない位置であればよい。

（バルブ回動装置）
バルブ収容室３６の後部には、バルブ体３５を回動軸心Ｏｂ周りに回転駆動するバルブ回動装置５１が設けられている。このバルブ回動装置５１は、バルブ体３５の後端部外周に設けられたリングギヤ５２と、ハウジング３３の後部で回動軸心Ｏｂと平行な軸心周りに回転自在に支持された駆動軸５３と、この駆動軸５３に固定されてリングギヤ５２に噛合される駆動ピニオン５４と、駆動軸５３を回転駆動する手動ハンドル５５とで構成されている。

（排泥配管）
ローラビット３１の排泥通路４１には、主スポーク２１の背面で圧力室２８Ａに連通する排泥配管４５が接続されている。この排泥配管４５は、ビット支持体４２にテーパ管を介して接続された第１ゲートバルブ（遮断弁）４６Ａと、この第１ゲートバルブ４６Ａに短管４７を介して接続された第２ゲートバルブ（遮断弁）４６Ｂと、背面板に貫設された排出管４８を具備し、排泥通路４１から軸心Ｏａに沿う直線状に作業空間２９を貫通して排出管４８が圧力室２８Ａに開口されている。したがって、削石交じりの泥水を、閉塞させることなくスムーズに排出することができる。

（シール材）
ハウジング３３の掘削開口部３４の内周面には、バルブ体３５との隙間から泥水や土砂などの浸入を防止する第１シール材６１が設けられており、掘削時には掘削凹部３８の周囲をシールする。また交換シール部４０には、バルブ収容室３６の内面に、交換シール部４０まで旋回移動した掘削凹部３８の周囲をシールする第２シール材（交換用シール材）６２が設けられている。この第２シール材６２は、ハウジング３３に形成された調圧孔６３が接続された中空状のチューブ状シール材により構成され、調圧孔６３から中空部に給排出される加圧流体である油圧または加圧エアにより拡縮されてバルブ体３５に対する摺接圧を調整することができる。これにより、ビット交換時にバルブ体３５が回動される時に、第２シール材６２を減圧して収縮させておくことで、掘削凹部３８のエッジやディスクカッタ４４の掘削端部が通過するときの損傷を未然に防止することができる。もちろん、第１シール材６１を、加圧、減圧可能なチューブ状シール材としてもよい。

バルブ体３５の外周部に、バルブ収容室３６の内周面に摺接する第３シール材６４が設けられている。さらにビット支持体４２の外周面に、ビット収容穴３９の内周面に摺接する第４シール材６５が設けられている。

（ローラビット交換方法）
上記ビット交換ユニット３０における掘削ビット交換方法を、図１、図６〜図９を参照して説明する。

トンネルを所定距離掘削してローラビット３１のディスクカッタ４４が磨耗すると、交換するビット交換ユニット３０を有する主スポーク２１が略水平となる姿勢でカッタヘッド１６を停止させ、マンホール２７から作業空間２９に作業員が入ってビットの交換作業を行う。

Ａ）図１に示す掘削状態から、まず、第１ゲートバルブ４６Ａおよび第２ゲートバルブ４６Ｂを閉じ、排泥配管４５の短管４７を取り外す。
Ｂ）図６〜図８に示すように、第２シール材６２を減圧した後、バルブ回動装置５１の手動ハンドルを回転させてバルブ体３５を回動軸心Ｏｂ周りに１８０°回転させ、掘削開口部３４の磨耗ローラビット３１を交換シール部４０まで変位させるとともに、掘削開口部３４をシール体部３７により閉鎖する。

Ｃ）図９に示すように、第２シール材６２を加圧して削除平面３８ａの周囲に圧接させた後、さらに図示しない引き抜き治具を使用して、磨耗ディスクカッタ４４を有するローラビット３１をビット収容穴３９から引き抜く。

Ｄ）引き抜き治具を使用して、新しいローラビット３１をビット収容穴３９に装填する。
Ｅ）第２シール材６２を減圧した後、バルブ回動装置５１を操作してバルブ体３５を回動軸心Ｏｂ周りに１８０°回転させ、交換シール部４０にある新規ローラビット３１を回動して掘削開口部３４に対応させる。さらに第１ゲートバルブ４６Ａと第２ゲートバルブ４６Ｂの間に短管４７を接続し、第１，第２ゲートバルブ４６Ａ，４６Ｂを開けて排泥配管４５を連通させる。

上記実施例によれば、円柱形の前縁部周囲に形成されたシール体部３７の一部に、掘削凹部３８を介してビット収容穴３９が開口されたバルブ体３５を設け、このバルブ体３５を、カッタヘッドの前面に設けたハウジング３３のバルブ収容室３６に、カッタヘッド１６の前面に垂直な軸らＯａに対して傾斜する回動軸心Ｏｂ周りに回動自在に収容したので、ビット交換時に、バルブ体３５を回動軸心Ｏｂ周りに回動させるだけで、磨耗ローラビット３１を収容した掘削凹部３８を、第２シール材６２に囲まれた交換シール部４０まで変位させると同時に、シール体部３７により掘削開口部３４を閉鎖することができ、交換シール部４０の磨耗ローラビット３１をビット収容穴３９から抜き出して、新しいローラビット３１を装填し、その後バルブ体３５を回動して新しいローラビット３１を掘削開口部３４に対応させるだけで、容易かつ短時間で磨耗ローラビット３１を新しいローラビット３１に交換することができる。

またハウジング３３内にバルブ体３５を収容した簡単な構造で、信頼性が高い。またバルブ体３５を円柱形に形成することにより、球体に比較して十分に大きい掘削反力を、バルブ体３５およびハウジング３３を介して確実に支持することができる。
さらに、第２シール材６２を、摺接圧を調圧可能なチューブシールとしたので、交換時に交換シール部４０に出入りするローラビット３１や掘削凹部３８が通過する時に、第２シール材６２を減圧することにより、同伴される土砂や砕石による第２シール材６２の破損を防止することができ、シール性能を向上させることができる。

さらにまた、ビット支持体４２の排泥通路４１から直線状に伸びる排泥配管４５を接続することにより、ローラビット３１により掘削された削石混じりの泥水を、閉塞することなくスムーズに圧力室２８Ａに排出することができ、効果的に掘削することができる。また排泥配管４５で、ビット交換時に取り外しされる短管４７の前後に第１，第２ゲートバルブ４６Ａ，４６Ｂを設けたので、ビット交換時に、第１，第２ゲートバルブ４６Ａ，４６Ｂを閉じて短管４７を取り外すことにより、泥水が作業空間２９に流入することなく排泥配管４５を取り外すことができ、磨耗ローラビット３１の交換を短時間で容易に行うことができる。

Ｏ シールド軸心
Ｏａ 垂直軸心
Ｏｂ 回動軸心
１１ シールド本体
１６ カッタヘッド
２１ 主スポーク
２７ マンホール
２９ 作業空間
３０ ビット交換ユニット（掘削ビット交換装置）
３１ ローラビット（掘削ビット）
３２ 前面板
３３ ハウジング
３４ 掘削開口部
３５ バルブ体
３６ バルブ収容室
３７ シール体部
３８ 掘削凹部
３９ ビット収容穴
４０ 交換シール部
４１ 排泥通路
４４ ディスクカッタ
４５ 排泥配管
４６Ａ 第１ゲートバルブ
４６Ｂ 第２ゲートバルブ
４７ 短管
５１ バルブ回動装置
６１ 第１シール材
６２ 第２シール材（交換用シール材）

Claims (3)

1. カッタヘッド前面に配置された掘削ビットを、掘削途中でカッタヘッド内に形成した作業空間から交換するシールド掘進機の掘削ビット交換装置であって、
   カッタヘッドの前面に取り付けられて掘削ビットが露出される掘削開口部が形成されたハウジングと、
   当該ハウジングに形成されて前記掘削開口部が連通されたバルブ収容室に、カッタヘッドの前面に垂直な軸に対して所定角度傾斜する回動軸心周りに回動可能に配置されたバルブ体と、
   当該バルブ体に前記掘削開口部に連通可能に形成されて掘削ビットを挿脱可能に収容するビット収容穴と、
   前記バルブ収容室の前面で、回動軸心を中心とする前記掘削開口部の回動位置で当該掘削開口部から離間して設けられた交換シール部と、を具備し、
   バルブ体を円柱形に形成するとともに、バルブ体に、前縁外周部に沿って形成されて前記掘削開口部を閉鎖可能なシール体部と、当該シール体部の一部に形成された前記ビット収容穴の開口部と、当該開口部の周囲に前記シール体部を削除して形成され掘削ビットの掘削端を収容する掘削凹部と、を設け、
   前記交換シール部の周囲でハウジングとバルブ体の隙間をシールする交換用シール材と、を設け、
   掘削ビットの交換時に、バルブ体を軸心周りに回動させて前記掘削凹部の掘削ビットを前記交換シール部に移動させ、前記ビット収容穴から掘削ビットを抜き出して交換する
   ことを特徴とするシールド掘進機の掘削ビット交換装置。
2. 交換用シール材を、その中空部に供給された流体圧力を変化させて摺接圧を調整可能なチューブ状シール材とした
   ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機の掘削ビット交換装置。
3. 掘削ビットを、ビット支持体にディスクカッタを回転自在に支持したローラビットとし、
   前記ビット支持体に、ディスクカッタの周囲からビット収容穴の出退方向に沿う排泥通路を貫通形成し、
   前記ビット支持体の前記排泥通路から作業空間を介してカッタヘッドの外面に連通する直線状の排泥配管を接続し、
   当該排泥配管に接続分離可能な短管を設けるとともに、当該短管の入り口側および出口側の配管に遮断バルブをそれぞれ設けた
   ことを特徴とする請求項１または２記載のシールド掘進機の掘削ビット交換装置。

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