JP5836064B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機に係り、一層詳細には非円形の掘削断面を有したトンネルを掘削するトンネル掘削機に関するものである。

従来から、複線の鉄道や道路等に使用されるトンネルを掘削する際に、断面円形状のトンネルを掘削したのでは、必要とする空間が長方形状であるため余掘量が多くなって掘削後の埋め戻し等に余分なコストがかかり、非効率かつ不経済であるという問題点があった。

そこで、近年では、小さな円形カッタを多数配置したり、円形カッタを傾斜させたり（特許文献１）して非円形（矩形や楕円形等）の掘削断面を有するトンネルを直に掘削するトンネル掘削機が提案されている。

特許第３４４９８０３号公報

しかしながら、小さな円形カッタを多数配置するトンネル掘削機にあっては部品点数の増大等で構造が繁雑になり、また、円形カッタを傾斜させるトンネル掘削機にあってはトンネル径方向への掘削反力に対応する機構が必要になる等で構造が繁雑になると共に安定した掘削に対する信頼性に欠けるという問題点があった。

加えて、上述したトンネル掘削機において、カッタビット等を交換する際には、地盤改良後に作業者がチャンバ内に入って交換作業を行っていたため、前工程に時間が掛かりカッタビット等を迅速に交換することができないという不具合もあった。

そこで、本発明は、断面が非円形のトンネルを余掘量を極力少なくして効率的にかつ未掘削部無しで安定して掘削することができると共に、カッタビット等を迅速に交換することができるトンネル掘削機を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
非円形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機であって、
非円形筒体からなる掘削機本体と、
前記掘削機本体の前方に設けられた非円形回転体からなるカッタヘッドとを備え、
前記カッタヘッドは、
掘削機本体側に連結固定された左，右両仕切壁間に上，下二段に亘って配置されたドラム状のセンタカッタと、これらのセンタカッタの両側に互いの開口部を対向させて配置された帽子状のサイドカッタとからなり、
前記センタカッタと前記サイドカッタとは各々独立して回転可能になっていると共に、
前記センタカッタと前記サイドカッタとの面盤にカッタヘッドの後方から接離し、その内部にてビット交換作業が可能なゲート付きの筒状ケーシングを掘削機本体側に設け、
前記筒状ケーシングは、
掘削機本体側に固設された外筒と、該外筒に対し伸縮可能な内筒とを有し、
前記外筒と前記内筒との間に前記内筒を伸縮させるアクチュエータが介装されると共に、前記内筒内に当該内筒を開閉するゲートが設けられ、かつ前記内筒の先端面にゴムシールが付設され、
前記センタカッタと前記サイドカッタとの面盤に、ビットが取着されたカッタスポークを取り囲むようにして、前記ゴムシールが着座する枠状のシール座板が付設される
ことを特徴とする。

また、
前記センタカッタに対応する筒状ケーシングはセンタシャフト内の背板に配設され、前記サイドカッタに対応する筒状ケーシングはバルクヘッドに配設され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、非円形回転体からなるカッタヘッドを用いるという簡単な構造で、断面が非円形のトンネルを余掘量を極力少なくして効率的にかつ未掘削部無しで安定して掘削することができると共に、筒状ケーシングを用いてカッタヘッドの後方から地盤改良無しで安全にビットの交換作業が行えるので、施工期間の短縮と施工費の低減が図れる。

本発明の一実施例を示す泥水式シールド掘削機の側断面図である。 図１のＡ矢視図である。 図１のＢ-Ｂ線断面図である。 図１のＣ-Ｃ線断面図である。 図１のＤ矢視図である。

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１は本発明の一実施例を示す泥水式シールド掘削機の側断面図、図２は図１のＡ矢視図、図３は図１のＢ-Ｂ線断面図、図４は図１のＣ-Ｃ線断面図、図５は図１のＤ矢視図である。

図１乃至図３に示すように、横長の泥水式シールド掘削機（トンネル掘削機）は断面が楕円形（非円形）の筒体からなる掘削機本体１０を有し、この掘削機本体１０の前方に、当該掘削機本体１０の断面形状と略同形状の楕円回転体（非円形回転体）からなるカッタヘッド１１が設けられる。

前記掘削機本体１０の前部にはバルクヘッド１２が設けられ、このバルクヘッド１２の上部に送泥管１３が、また、下部に排泥管１４がそれぞれの端部において貫通支持されている。従って、バルクヘッド１２とカッタヘッド１１との間のチャンバ１５内に取り込まれた掘削土砂は、送泥管１３から供給された泥水と混合されて排泥管１４より外部へ排出されることになる。

また、バルクヘッド１２と図示しないリングガータとの間には中折れジャッキ１６が周方向へ複数本介装され、掘削機本体１０の前部が後部に対して中折れ（旋回）可能になっている。また、前記リングガータにはシールドジャッキ（推進ジャッキ）１７が周方向へ複数本支持され、これらのシールドジャッキ１７のスプレッダが図示しない既設セグメントに押し当てられることで、掘削機本体１０は既設セグメントに掘進反力をとって掘進（前進）可能になっている。

そして、前記バルクヘッド１２にはセンタシャフト１８が貫通支持され、このセンタシャフト１８の先端に側面視で円形の二重壁からなる左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂが連結固定され、これらの左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂに前述したカッタヘッド１１が支持されている。図中１９ｃは左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂ間に架設された背板である。

前記カッタヘッド１１は、前記左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂ間に上，下二段に亘って配置されたドラム状のセンタカッタ２０Ａ，２０Ｂとこれらのセンタカッタ２０Ａ，２０Ｂの両側に互いの開口部を対向させて配置された半球体状（帽子状）のサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂとが各々独立して回転可能に設けられてなり、図示例では、ラグビーボール形状の立体的なカッタヘッド１１を転がすような回転でトンネルを掘削し得るようになっている。

前記各センタカッタ２０Ａ，２０Ｂの回転軸２２ａ，２２ｂは、左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂ間の上部と下部にベアリング２３ａ，２３ｂを介してそれぞれ回転自在に架設される。そして、上段のセンタカッタ２０Ａにおいては、回転軸２２ａの右端に固設されたギア２４ｂが右仕切壁１９ｂ側に固設された一以上のセンタカッタ駆動モータ２５ｂの出力ギア２６ｂに噛み合い、下段のセンタカッタ２０Ｂにおいては、回転軸２２ｂの左端に固設されたギア２４ａが左仕切壁１９ａ側に固設された一以上のセンタカッタ駆動モータ２５ａの出力ギア２６ａに噛み合っている。

また、上段のセンタカッタ２０Ａと下段のセンタカッタ２０Ｂとは前後方向へ若干斜にずれて配置され、各々の外周面（面盤）に複数本のカッタスポーク４３ａを介して取着されたカッタビット４１ａ及び先行ビット４２ａの回転軌跡が、側面視では上下方向に交叉しない一方、正面視では上下方向に一部が重なり合うようになっている。即ち、上，下二段からなるドラム状のセンタカッタ２０Ａ，２０Ｂ間では未掘削部が生じないようになっているのである。

一方、各サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂの回転軸２９ａ，２９ｂは、左仕切壁１９ａと右仕切壁１９ｂの中心部に、ベアリング３０ａ，３０ｂを介してそれぞれ回転自在に、各々の基端部において片持ち支持される。そして、各回転軸２９ａ，２９ｂに嵌着された旋回板３１ａ，３１ｂの外周部と左，右両仕切壁１９ａ，１９ｂに外付けされたギアボックス３２ａ，３２ｂの軸受ハウジング部３３ａ，３３ｂとの間にギア付き三軸コロ軸受３４ａ，３４ｂが介装され、これらのギア付き三軸コロ軸受３４ａ，３４ｂのギア部に前記ギアボックス３２ａ，３２ｂに固設された一以上のサイドカッタ駆動モータ３５ａ，３５ｂの出力ギア３６ａ，３６ｂが噛み合っている。

また、各サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂはテーパ筒状の内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１と椀状の外側カッタ部２１ａ２，２１ｂ２とに分割され、前記回転軸２９ａ，２９ｂの先端部が固設される各椀状の外側カッタ部２１ａ２，２１ｂ２の基板３８ａ，３８ｂ部において溶接等で一体化されている。

また、各サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂの外周面（面盤）には複数本のカッタスポーク４３ｂを介してカッタビット４１ｂ及び先行ビット４２ｂが取着されている。尚、図中４０ａ，４０ｂは作業用の開口である。

このように構成されるため、例えば通常の地山等のトンネル施工下にあっては、センタカッタ駆動モータ２５ａ，２５ｂによりセンタカッタ２０Ａ，２０Ｂを所定方向へ回転させると共にサイドカッタ駆動モータ３５ａ，３５ｂによりサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂを所定方向へ回転させた状態で掘削機本体１０がシールドジャッキ（推進ジャッキ）１７により既設セグメントに掘進反力をとって掘進（前進）する。

これにより、センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂとでラグビーボール形状の楕円回転体からなるカッタヘッド１１により、断面が楕円形のトンネルが掘削される。掘削されてチャンバ１５内に取り込まれた掘削土砂は、送泥管１３から供給された泥水と混合されて排泥管１４より外部へ排出される。

この結果、ラグビーボール形状の楕円回転体からなるカッタヘッド１１を用いるという簡単な構造で、断面が楕円形のトンネルを余掘量を極力少なくして効率的にかつ未掘削部無しで安定して掘削することができるので、施工期間の短縮と施工費の低減が図れる。

また、本実施例では、センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂとが各々独立して回転可能に設けられているため、センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂとを同方向に回転させたり、又は異方向に回転させたり任意に設定することができ、汎用性が高まる。

そして、本実施例では、前記センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタカッタ２１Ａ，２１Ｂの外周面（面盤）にカッタヘッド１１の後方から接離し、その内部にてビット交換作業が可能なゲート５１付きの筒状ケーシング４５，４６が掘削機本体１０側に設けられる。

図示例では、前記各センタカッタ２０Ａ，２０Ｂに対応する筒状ケーシング４５はセンタシャフト１８内の背板１９ｃに、当該背板１９ｃに形成された挿入孔５０ａ，５０ｂの周縁に位置してそれぞれ支持され、前記各サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂに対応する筒状ケーシング４６は、各々の内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１に対応した位置にてバルクヘッド１２にそれぞれ貫通支持される。

前記筒状ケーシング４５，４６は、図４及び図５に示すように、掘削機本体１０側に固設される外筒４７と、該外筒４７に伸縮可能に支持されて前記センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ（厳密には内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１）の外周面（面盤）に接離可能な内筒４８とを有する。そして、外筒４７と内筒４８との間には当該内筒４８を伸縮させる内筒スライドジャッキ（アクチュエータ）４９が介装されると共に、内筒４８内には当該内筒４８を開閉する前述したゲート５１が設けられる。さらに、内筒４８の先端面には図示しないゴムシールが付設される。

前記内筒スライドジャッキ４９は、ヘッド部が外筒４７の上面と下面にそれぞれ左右に対をなして支持されて計４本設けられ、各々のピストンロッド先端がブラケット５２を介して内筒４８の上面と下面にそれぞれ連結されている。図中５３が外筒４７の上面と下面にそれぞれ形成された前記ブラケット５２のスライド溝である。

前記ゲート５１は、図示しないチェーンブロック等を用いて、作業者の操作でヒンジ点を中心に回動して（図１の鎖線状態参照）内筒４８のハッチ５５（図５参照）を開閉するもので、図示例では二つのハッチ５５に対応して二つ設けられている。

また、前記センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ（厳密には内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１）の外周面（面盤）には、カッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂが取着されたカッタスポーク４３ａ，４３ｂを取り囲むようにして前記ゴムシールが着座する枠状のシール座板５４が付設される。

尚、サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂにおける外側カッタ部２１ａ２，２１ｂ２のカッタビット４１ｂ及び先行ビット４２ｂは摩耗が少ないので特に交換しなくても良いが、中でも摩耗が多い先行ビット４２ｂは、図３に示すように、先行ビット交換装置５６を用いて交換しても良い。

先行ビット交換装置５６は、作業用の開口４０ａ，４０ｂからサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ内に進入した作業者が、先行ビット４２ｂが取着された支持柱５８をゲート５７を開いて図示しないジャッキやボルト等で交換室５９内に取り込むことで先行ビット４２ｂを支持柱５８毎交換する公知のものである。

従って、前記センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ（厳密には内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１）におけるカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂを交換する際には、先ず掘削機本体１０の掘進停止下において、センタカッタ２０Ａ，２０Ｂとサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ（厳密には内側カッタ部２１ａ１，２１ｂ１）における所定のカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂ、即ち、これらが取着されたカッタスポーク４３ａ，４３ｂ及びシール座板５４が筒状ケーシング４５，４６に対向した位置でセンタカッタ２０Ａ，２０Ｂ及びサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂの回転を停止する。

この状態下で、内筒スライドジャッキ４９により内筒４８を伸長させてその先端のゴムシールをシール座板５４に圧着させる。これにより、内筒４８内に所定のカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂを収容した状態で内筒４８内が密閉される。

この後、ゲート５１を回動させてハッチ５５を開く。これにより、作業者が筒状ケーシング４５，４６内でカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂの交換作業が行える。

交換後、ゲート５１を回動させてハッチ５５を閉じる。この後、内筒スライドジャッキ４９により内筒４８を収縮させてから、センタカッタ２０Ａ，２０Ｂ及びサイドカッタ２１Ａ，２１Ｂを回転させて次段のカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂ、即ち、これらが取着されたカッタスポーク４３ａ，４３ｂ及びシール座板５４が筒状ケーシング４５，４６に対向したら回転を停止する。この後は、上述したと同じ手順で交換作業が行える。

このようにして本実施例によれば、筒状ケーシング４５，４６を用いてカッタヘッド１１の後方から地盤改良無しで安全にかつ迅速にカッタビット４１ａ，４１ｂ及び先行ビット４２ａ，４２ｂの交換作業が行えるので、施工期間の短縮と施工費の低減が図れる。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、各サイドカッタ２１Ａ，２１Ｂ等の形状変更で断面形状が楕円に限らずメガネ状や矩形状の非円形トンネルを掘削することができる。

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や土圧式シールド掘削機等にも有効に適用することができる。

１０ 掘削機本体
１１ カッタヘッド
１２ バルクヘッド
１３ 送泥管
１４ 排泥管
１５ チャンバ１５
１６ 中折れジャッキ
１７ シールドジャッキ（推進ジャッキ）
１８ センタシャフト
１９ａ 左仕切壁
１９ｂ 右仕切壁
１９ｃ 背板
２０Ａ，２０Ｂ センタカッタ
２１Ａ，２１Ｂ サイドカッタ
２１ａ１，２１ｂ１ テーパ筒状の内側カッタ部
２１ａ２，２１ｂ２ 椀状の外側カッタ部
２２ａ，２２ｂ 回転軸
２３ａ，２３ｂ ベアリング
２４ａ，２４ｂ ギア
２５ａ，２５ｂ センタカッタ駆動モータ
２６ａ，２６ｂ 出力ギア
２７ａ，２７ｂ ブラケット
２８ａ，２８ｂ ディスクカッタ
２９ａ，２９ｂ 回転軸
３０ａ，３０ｂ ベアリング
３１ａ，３１ｂ 旋回板
３２ａ，３２ｂ ギアボックス
３３ａ，３３ｂ 軸受ハウジング部
３４ａ，３４ｂ ギア付き三軸コロ軸受
３５ａ，３５ｂ サイドカッタ駆動モータ
３６ａ，３６ｂ 出力ギア
３7ａ，３７ｂ 方形筒状の嵌合部
３８ａ，３８ｂ 基板
３９ａ，３９ｂ フランジ部
４０ａ，４０ｂ 作業用の開口である。
４１ａ，４１ｂ カッタビット
４２ａ，４２ｂ 先行ビット
４３ａ，４３ｂ カッタスポーク
４５，４６ 筒状ケーシング
４７ 外筒
４８ 内筒
４９ 内筒スライドジャッキ
５０ａ，５０ｂ 挿入孔
５１ ゲート
５２ ブラケット
５３ スライド溝
５４ シール座板
５５ ハッチ
５６ 先行ビット交換装置
５７ ゲート
５８ 支持柱
５９ 交換室

Claims (2)

1. 非円形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機であって、
   非円形筒体からなる掘削機本体と、
   前記掘削機本体の前方に設けられた非円形回転体からなるカッタヘッドとを備え、
   前記カッタヘッドは、
   掘削機本体側に連結固定された左，右両仕切壁間に上，下二段に亘って配置されたドラム状のセンタカッタと、これらのセンタカッタの両側に互いの開口部を対向させて配置された帽子状のサイドカッタとからなり、
   前記センタカッタと前記サイドカッタとは各々独立して回転可能になっていると共に、
   前記センタカッタと前記サイドカッタとの面盤にカッタヘッドの後方から接離し、その内部にてビット交換作業が可能なゲート付きの筒状ケーシングを掘削機本体側に設け、
   前記筒状ケーシングは、
   掘削機本体側に固設された外筒と、該外筒に対し伸縮可能な内筒とを有し、
   前記外筒と前記内筒との間に前記内筒を伸縮させるアクチュエータが介装されると共に、前記内筒内に当該内筒を開閉するゲートが設けられ、かつ前記内筒の先端面にゴムシールが付設され、
   前記センタカッタと前記サイドカッタとの面盤に、ビットが取着されたカッタスポークを取り囲むようにして、前記ゴムシールが着座する枠状のシール座板が付設される
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記センタカッタに対応する筒状ケーシングは、センタシャフト内の背板に配設され、
   前記サイドカッタに対応する筒状ケーシングは、バルクヘッドに配設される
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。

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