JP6965201B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、巨礫や岩盤等を掘削可能なディスクカッタおよび当該ディスクカッタを機内で交換可能なカッタ交換装置を備えたトンネル掘削機に関する。

トンネル掘削機は、円筒形状の掘削機本体（スキンプレート）の前方部に円盤形状のカッタヘッドを備え、このカッタヘッドをカッタ駆動モータによって回転駆動することにより、前方の地山を掘削してトンネルを形成することができる。

そして、トンネル掘削機の掘進経路（掘削対象）に礫層や岩盤層が含まれる場合には、カッタヘッドにディスクカッタ（ローラカッタ）を設けることがあり、さらに、これら礫層や岩盤層を掘進する距離が長い場合には、当該ディスクカッタを交換する構成を設けることがある。

ここで、ディスクカッタを交換する構成としては、作業者がトンネル掘削機の機内においてディスクカッタの交換作業を安全に行うことができるように、種々のカッタ交換装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１２４４９８号公報

特許文献１に記載された技術は、ディスクカッタを回転可能に保持する筒状のサドルを設け、このサドルをカッタヘッドの前壁部に対して前後方向にスライド可能とすることにより、掘削時にはサドルを前進させることによってディスクカッタを前壁部から突出させ、交換時にはサドルを後退させることによってディスクカッタを機内で交換するものである。

そして、特許文献１においては、掘削時および交換時に地山側の空間と機内空間とを隔離するために、サドルの移動通路にナイトゲートバルブを設け、掘削時にはサドルをナイトゲートバルブよりも前方に位置させて当該ナイトゲートバルブを閉じると共に、交換時にはサドルをナイトゲートバルブよりも後方に位置させて当該ナイトゲートバルブを閉じ、サドルをスライドさせるときのみナイトゲートバルブを開くようにしている。

このような構成のトンネル掘削機においては、ディスクカッタの後方に掘削土砂の排出通路がなく、掘削土砂の流通性（チャンバへの取り込み性能）が悪いという問題がある。なお、特許文献１においては、サドルの筒壁に土砂抜き孔を設けると共にカッタスポークの前壁部に土砂抜き通路を設けることにより、ディスクカッタ周りの掘削土砂を略周方向に流通させてカッタスポークと面板との隙間を介してチャンバ内に取り込むようにしているが、ディスクカッタの後方に掘削土砂の排出通路がなく、掘削土砂がディスクカッタの後方で滞留する虞がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、ディスクカッタの交換装置を備えたトンネル掘削機において、ディスクカッタの後方に掘削土砂の排出通路を確保することにより、掘削土砂の流通性をより向上させることを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るトンネル掘削機は、筒状のスキンプレートと、前記スキンプレートの前方部に回転可能に設けられるカッタヘッドと、前記カッタヘッドに設けられるディスクカッタと、前記ディスクカッタを機内で交換可能とするカッタ交換装置とを備えたトンネル掘削機において、前記カッタ交換装置は、前記カッタヘッドの前面に臨んで設けられる前方側取付台と、前記カッタヘッドの後面に臨んで設けられる後方側取付台と、筒状に形成され、一端が前記前方側取付台と液密に取り付けられると共に他端が前記後方側取付台と液密に取り付けられ、その内周側に前記ディスクカッタを回転可能に保持すると共に前記ディスクカッタを前方の地山に対して進退可能とし、前記カッタヘッドの前方側に位置する前方空間と前記カッタヘッドの後方側に位置する後方空間とを連通可能な筒状部材と、前記ディスクカッタを前方の地山に対して後退した際に、前記筒状部材の内部空間と前記前方空間との連通を遮断可能な前方側遮断機構と、前記内部空間と前記後方空間との連通を遮断可能な後方側遮断機構とを備えたものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るトンネル掘削機は、第一の発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、その全長を可変に構成されるものであり、前記筒状部材の一端は、前記前方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、前記筒状部材の他端は、前記後方側取付台に液密に固定されるものであり、前記ディスクカッタは、前記筒状部材の縮長動作により、前方の地山に対して進退されるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るトンネル掘削機は、第二の発明に係るトンネル掘削機において、前記前方側遮断機構は、前記筒状部材が縮長されて前記前方側取付台との液密な嵌合を維持しつつ前記後方側取付台と液密に固定された状態において、前記内部空間と前記前方空間との連通を遮断するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るトンネル掘削機は、第二または第三の発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、前記ディスクカッタを回転可能に保持するサドルと、前記サドルと着脱可能に連結される伸縮管とを備えたものであり、前記伸縮管が伸縮されることによって全長を可変とするものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第五の発明に係るトンネル掘削機は、第二から第四のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、蛇腹を有し、前記蛇腹の伸縮動作によって全長を可変とするものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第六の発明に係るトンネル掘削機は、第二から第五のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、多重管で構成され、前記多重管の摺動動作によって全長を可変とするものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第七の発明に係るトンネル掘削機は、第二から第六のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、一つまたは複数の前記ディスクカッタを保持するものであり、前記筒状部材の内部空間は、第一の開口部を介して前記前方空間と連通可能、かつ、前記第一の開口部と形状を異にする第二の開口部を介して前記後方空間と連通可能なものであり、前記前方側遮断機構は、前記第一の開口部を開閉するものであり、前記後方側遮断機構は、前記第二の開口部を開閉するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第八の発明に係るトンネル掘削機は、第二から第七のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記ディスクカッタは、前記カッタヘッドにおいて径方向の位置を違えて多数配置されるものであり、前記カッタ交換装置は、前記ディスクカッタの設置位置に応じて、前記前方側遮断機構または前記後方側遮断機構の少なくとも一方の構成を異にするものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第九の発明に係るトンネル掘削機は、第八の発明に係るトンネル掘削機において、前記カッタ交換装置は、前記前方側遮断機構または前記後方側遮断機構の少なくとも一方の構成として、前記筒状部材に対して一直線上に配置された二枚の板状部材を当該直線に沿って互いに近接離反する方向に移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第一の構成、前記筒状部材に対して一枚の板状部材を移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第二の構成、または、前記筒状部材に対して折れ線上に配置された二枚の板状部材を当該折れ線に沿って互いに近接離反する方向に移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第三の構成を備えることを特徴とする。

上記課題を解決する第十の発明に係るトンネル掘削機は、第一の発明に係るトンネル掘削機において、前記筒状部材は、前記カッタヘッドに対して摺動可能に構成されるものであり、前記筒状部材の一端は、前記前方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、前記筒状部材の他端は、前記後方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、前記ディスクカッタは、前記筒状部材の摺動動作により、前方の地山に対して進退されるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第十一の発明に係るトンネル掘削機は、第十の発明に係るトンネル掘削機において、前記後方側遮断機構は、前記筒状部材に設けられ、前記筒状部材の摺動動作によって当該筒状部材の摺動方向に移動可能なものであることを特徴とする。

第一の発明に係るトンネル掘削機によれば、カッタ交換装置によってディスクカッタを当該トンネル掘削機の機内において安全に交換することができると共に、前方空間と後方空間とを連通する筒状部材によってディスクカッタ周りの掘削土砂の流通性をより向上させることができる。

第二の発明に係るトンネル掘削機によれば、簡易な構成でディスクカッタを進退させることができる。

第三の発明に係るトンネル掘削機によれば、ディスクカッタの交換作業時において前方空間および後方空間から機内への掘削土砂の流入を確実に防ぐことができる。

第四の発明に係るトンネル掘削機によれば、筒状部材を簡易な構成とすることができる。例えば、伸縮管からサドルを着脱することによってディスクカッタの交換を行うことにより、当該交換作業の作業性を向上させることができる。

第五の発明に係るトンネル掘削機によれば、簡易な構成で筒状部材の全長を可変とすることができる。また、蛇腹の伸縮動作を利用することにより、筒状部材における高い伸縮率を容易に確保することができる。

第六の発明に係るトンネル掘削機によれば、簡易な構成で筒状部材の全長を可変とすることができる。また、多重管の摺動動作を利用することにより、筒状部材における高剛性および高耐圧性を容易に確保することができる。

第七の発明に係るトンネル掘削機によれば、カッタ交換装置の設置の自由度を向上させることができる。例えば、トンネル掘削機の中央部にカッタ交換装置を設置する場合であっても、ロータリージョイント等の他部材を回避しつつ、ディスクカッタの後方に掘削土砂の流路を確保することができる。

第八の発明に係るトンネル掘削機によれば、カッタヘッドにおけるディスクカッタおよびカッタ交換装置の配置の自由度を向上させることができる。

第九の発明に係るトンネル掘削機によれば、前方側遮断機構または後方側遮断機構の少なくとも一方を簡易な構成とすることができる。例えば、ディスクカッタおよびカッタ交換装置の周辺のスペースに応じて、第一の構成、第二の構成、または第三の構成を採用することにより、ディスクカッタおよびカッタ交換装置の配置の自由度を向上させることができる。

第十の発明に係るトンネル掘削機によれば、簡易な構成でディスクカッタを進退させることができる。

第十一の発明に係るトンネル掘削機によれば、ディスクカッタの交換作業時において後方空間から機内への掘削土砂の流入を確実に防ぐことができると共に、当該構成を簡易なものとすることができる。

実施例１に係るトンネル掘削機の構造を示す説明図（部分縦断面図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第一の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第一の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第二の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第二の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第三の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機における第三の遮断機構の構造および動作を示す説明図である。 実施例１に係るトンネル掘削機の構造を示す説明図（正面図であって、図１におけるVI矢視図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の筒状部材（伸縮管）の構成を変更した例（構造および動作）を示す説明図（図２Ａに相当）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の筒状部材（伸縮管）の構成を変更した例（構造および動作）を示す説明図（図２Ｃに相当）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の筒状部材（伸縮管）の構成を変更した例（構造および動作）を示す説明図（図２Ａに相当）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタ交換装置の筒状部材（伸縮管）の構成を変更した例（構造および動作）を示す説明図（図２Ｃに相当）である。

以下に、本発明に係るトンネル掘削機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の構造について、図１から図６を参照して説明する。

図１に示すように、トンネル掘削機１には、円筒形状を成すスキンプレート（掘削機本体）１１が設けられており、このスキンプレート１１の前方部（図１においては、左方側）には、円盤形状のカッタヘッド１２が回転自在に支持されると共に、このカッタヘッド１２の後方に位置してバルクヘッド１３が取り付けられている。

ここで、カッタヘッド１２は、中間ビーム２１およびリングギヤ２２を介して、カッタ駆動モータ２３と連結されており、このカッタ駆動モータ２３の駆動によって、リングギヤ２２および中間ビーム２１と共に回転駆動されるようになっている。なお、これらカッタヘッド１２、中間ビーム２１、リングギヤ２２およびカッタ駆動モータ２３は、バルクヘッド１３を介して、スキンプレート１１に支持されている。

よって、トンネル掘削機１は、カッタヘッド１２を回転駆動することによって前方の地山を掘削し、その掘削土砂をカッタヘッド１２に設けられた図示しない土砂取り込み口から当該カッタヘッド１２とバルクヘッド１３との間に画成される空間（チャンバ）Ｓ₁₃内へ取り込むようになっている。

また、トンネル掘削機１には、掘削土砂を搬送可能なスクリューコンベア１４が設けられている。スクリューコンベア１４は、前端部がバルクヘッド１３を貫通してチャンバＳ₁₃内に臨むと共に、後端部が図示しないベルトコンベア上に位置するように配設されている。よって、チャンバＳ₁₃内に取り込まれた掘削土砂は、スクリューコンベア１４および図示しないベルトコンベア等を介して外部へ排出されるようになっている。

上述したように概略構成されるトンネル掘削機１においては、巨礫や岩盤等を掘削するためのディスクカッタ３１と、このディスクカッタ３１をトンネル掘削機１の機内空間（カッタヘッド１１の内部空間）Ｓ₁₂で交換するためのカッタ交換装置３２とが設けられている。

図２Ａに示すように、カッタ交換装置３２には、カッタヘッド１２の前方空間（地山側の空間であって、図２Ａにおいては左方側の空間）Ｓ₁₀₀と後方空間（チャンバであって、図２Ａにおいては右方側の空間）Ｓ₁₃とを連通すると共に、ディスクカッタ３１をその内周側に保持する筒状部材４１が設けられている。つまり、筒状部材４１の内部空間Ｓ₃₂は、掘削土砂が流通される土砂取り込む流路（土砂取り込み流路）として機能し、前方空間Ｓ₁₀₀における掘削土砂は、内部空間Ｓ₃₂を介してディスクカッタ３１の後方に流れ、チャンバＳ₁₃内に取り込まれるようになっている。

筒状部材４１は、内周側にディスクカッタ３１を回転可能に保持する筒状のサドル５１と、軸方向（前後方向であって、図２Ａにおいては左右方向）に伸縮可能な蛇腹部を有する筒状の伸縮管５２とが連結されて成る。

サドル５１は、カッタヘッド１２を構成する前壁部１２ａに（カッタヘッド１２の前面に臨んで）設けられた筒状の前方側取付台４２の内周側において前後方向に摺動可能かつ液密に嵌合されており、伸縮管５２は、その一端部（前端部であって、図２Ａにおいては左方側端部）がサドル５１と着脱可能かつ液密に接続されており、その他端部（後端部であって、図２Ａにおいては右方側端部）がカッタヘッド１２を構成する後壁部１２ｂに（カッタヘッド１２の後面に臨んで）設けられた筒状の後方側取付台４３に液密に固定されている。

よって、伸縮管５２（蛇腹部）が伸縮されると、当該伸縮管５２と接続されたサドル５１が前方側取付台４２に対して前後方向に摺動（移動）される。つまり、筒状部材４１は、当該筒状部材４１（伸縮管５２）の伸縮動作によって、その全長（軸方向長さであって、図２Ａにおいては左右方向における長さ）を可変とするものである。なお、筒状部材４１（伸縮管５２）の伸縮動作において、サドル５１が前方側取付台４２の内周側に収められている（前方側取付台４２から抜け出ない）限り、サドル５１と前方側取付台４２との液密な嵌合は維持されるものとし、サドル５１が伸縮管５２と接続されている（伸縮管５２から取り外されない）限り、サドル５１と伸縮管５２との液密な接続は維持されるものとする。

ここで、カッタ交換装置３２は、図示しないジャッキやモータ等の駆動源を動力として、または、図示しない機構を介して作業者の手動により、伸縮管５２（蛇腹部）を伸縮させることができる（筒状部材４１の全長を可変とする）ものであり、その構成について特に限定されない。

また、カッタ交換装置３２には、伸縮管５２の伸縮動作（伸縮方向）を案内するガイド棒４４が設けられている。ガイド棒４４は、カッタヘッド１２の構造部（例えば、前壁部１２ａおよび後壁部１２ｂ）に固定されると共に、伸縮管５２の一端部と摺動可能に係合されている。よって、伸縮管５２は、ガイド棒４４に沿って前後方向に伸縮され、サドル５１は、ガイド棒４４に沿う伸縮管５２の伸縮動作によって前後方向に移動される。

ここで、伸縮管５２（蛇腹部）の伸縮動作によって筒状部材４１が長尺状態または短尺状態に変態されると、サドル５１に保持されるディスクカッタ３１が前方の地山に対して進退されて掘削位置または交換位置に位置される。具体的には、筒状部材４１が伸縮管５２の伸長された長尺状態（図２Ａに示す状態）となると、ディスクカッタ３１は、トンネル掘削機１（カッタヘッド１２の回転駆動）によって前方の地山を掘削するための掘削位置（図２Ａに示す位置）に位置される。一方、筒状部材４１が伸縮管５２の縮長された短尺状態（図２Ｃに示す状態）となると、ディスクカッタ３１は、トンネル掘削機１による掘削（カッタヘッド１２の回転駆動）を停止してディスクカッタ３１の交換作業を行うための交換位置（図２Ｃに示す位置）に位置される。

なお、カッタ交換装置３２は、図示しないロック機構を備え、このロック機構によってサドル５１を掘削位置に位置決め（固定）することができるものとする。また、カッタ交換装置３２は、図示しない状態維持機構を備え、この状態維持機構によってディスクカッタ３１の交換時に伸縮管５２を短尺状態に維持することができるものとする（図２Ｄ参照）。

もちろん、本発明に係るトンネル掘削機は、上述した構成のカッタ交換装置３２を備えたものに限定されない。例えば、サドル５１の移動動作（移動方向）を案内するサドルガイド（不図示）を追設、または、このサドルガイドをガイド棒４４に替えて設けるようにしても良い。また、サドル５１を掘削位置に位置決め（固定）するロック機構（不図示）に替えて、伸縮管５２を長尺状態に維持することができる状態維持機構（不図示）を備えても良い。

図２Ａに示すように、カッタ交換装置３２には、筒状部材４１（内部空間Ｓ₃₂）を介した前方空間Ｓ₁₀₀と後方空間Ｓ₁₃との連通を遮断可能な遮断機構４５が設けられている。遮断機構４５は、平板状の弁体６１を開閉ジャッキ６２（図３Ａ参照）によって内部空間Ｓ₃₂に突出させて当該内部空間Ｓ₃₂を閉塞することにより、当該内部空間Ｓ₃₂における掘削土砂の流通を遮断するものである（図２Ｂ参照）。

遮断機構４５は、例えば、前方側取付台４２と後方側取付台４３とにそれぞれ設けられている。この構成によれば、前方側取付台４２に設けられた前方側の遮断機構（前方側遮断機構）４５Ｆの遮断動作により、内部空間Ｓ₃₂と前方空間Ｓ₁₀₀との連通が遮断され、後方側取付台４３に設けられた後方側の遮断機構（後方側遮断機構）４５Ｂの遮断動作により、内部空間Ｓ₃₂と後方空間Ｓ₁₃との連通が遮断される。

ここで、図６に示すように、カッタヘッド１１においては、多数のディスクカッタ３１を径方向の位置を違えて配置しており、これらのディスクカッタ３１およびカッタ交換装置３２の配置の自由度を向上させるために、構成を異にする複数の遮断機構４５（４５−１，４５−２，４５−３）を採用している。

まず、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第一の遮断機構４５−１（４５）は、二つの弁体６１−１（６１）を互いに対向するように一直線上（内部空間Ｓ₃₂を中心として点対称）に配置し、これら二つの弁体６１−１を一対の開閉ジャッキ６２−１（６２）によって開閉する（当該直線に沿って互いに近接離反する方向に移動する）ことにより、内部空間Ｓ₃₂を閉塞可能とするものである（第一の構成）。

第一の遮断機構４５−１は、遮断機構４５として基本的な構成のものであり、カッタヘッド１１において、周辺に十分な設置スペースを確保することができるディスクカッタ３１およびカッタ交換装置３２に対して設けられる（図６参照）。

次に、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第二の遮断機構４５−２（４５）は、一つの弁体６１−２（６１）を一対の開閉ジャッキ６２−２（６２）によって開閉（移動）することにより、内部空間Ｓ₃₂を閉塞可能とするものである（第二の構成）。

第二の遮断機構４５−２は、第一の遮断機構４５−１と構成を異にする変形例であり、カッタヘッド１１において、ディスクカッタ３１の両側に十分なスペースを確保することができず、ディスクカッタ３１の片側のみに十分なスペースを確保することができる場合に、このディスクカッタ３１およびカッタ交換装置３２に対して設けられる（図６参照）。

次に、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第三の遮断機構４５−３（４５）は、二つの弁体６１−３（６１）を折れ線上（内部空間Ｓ₃₂の中心を通る直線Ｃ_Lに対して線対称）に配置し、これら二つの弁体６１−３（６１）をそれぞれ一対（計二対）の開閉ジャッキ６２−３によって開閉する（当該折れ線に沿って互いに近接離反する方向に移動する）ことにより、内部空間Ｓ₃₂を閉塞可能とするものである（第三の構成）。

第三の遮断機構４５−３は、第一の遮断機構４５−１および第二の遮断機構４５−２と構成を異にする変形例であり、カッタヘッド１１において、一直線上の配置では十分な設置スペースを確保することができない（例えば、径方向外側に位置して周辺に十分な設置スペースを確保することができない）場合に、このディスクカッタ３１およびカッタ交換装置３２に対して設けられる（図６参照）。

このように弁体６１（６１−１，６１−２，６１−３）および開閉ジャッキ６２（６２−１，６２−２，６２−３）の構成を異にする複数の遮断機構４５（４５−１，４５−２，４５−３）を備えることにより、カッタヘッド１２におけるディスクカッタ３１およびカッタ交換装置３２の配置の自由度を向上させることができる。

なお、図１に示すように、トンネル掘削機１の径方向中央に配置されるカッタ交換装置３２においては、図示しないロータリージョイント等を考慮して、筒状部材４１の内部空間（第一の土砂取り込み流路）Ｓ₃₂の後方に径方向外側へ向けて傾斜した第二の土砂取り込み流路（内部空間Ｓ₃₂とチャンバＳ₁₃とを連通する空間）Ｓ_32aを設けると共に、この空間に後方側の遮断機構４５Ｂ（例えば、第一の遮断機構４５−１）を設けている。

ここで、トンネル掘削機１の径方向中央に配置されるカッタ交換装置３２における筒状部材４１（サドル５１）は、複数のディスクカッタ３１を同時に（一括で）保持するように長丸の筒状に形成されており（一つのディスクカッタ３１を保持するものであっても良い）、この筒状部材４１の内部空間Ｓ₃₂は、長丸形状の前方側開口部（第一の開口部）３２ａを介して前方空間Ｓ₁₀₀と連通され、前方側開口部３２ａと形状を異にする円形状の後方側開口部（第二の開口部）３２ｂを介して後方空間Ｓ₁₃と連通されるようになっている。つまり、トンネル掘削機１の径方向中央に配置されるカッタ交換装置３２においては、掘削土砂の取り込み流路の形状を異にする内部空間（第一の土砂取り込み流路）Ｓ₃₂と第二の土砂取り込み流路Ｓ_32aとが前後方向に連設されている。

そして、このカッタ交換装置３２における前方側遮断機構４５Ｆおよび後方側遮断機構４５Ｂは、上述した掘削土砂の取り込み流路の形状を異にする内部空間（第一の土砂取り込み流路）Ｓ₃₂と第二の土砂取り込み流路Ｓ_32aとにそれぞれ対応して設けられている。つまり、前方側遮断機構４５Ｆは、前方側開口部３２ａを開閉するものであり、後方側遮断機構４５Ｂは、後方側開口部３２ｂを開閉するものであり、両者は、遮断断面の形状を異にするものである。

もちろん、トンネル掘削機１の径方向中央以外に配置されるカッタ交換装置３２の筒状部材４１であって、一つまたは複数のディスクカッタを保持する筒状部材４１において、その内部空間Ｓ₃₂と前方空間Ｓ₁₀₀とを連通可能とする第一の開口部の形状と、その内部空間Ｓ₃₂と後方空間Ｓ₁₃とを連通可能とする第二の開口部の形状とを異にするようにしても良い。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の動作について、図１から図２Ｄを参照して説明する。

トンネル掘削機１は、カッタ駆動モータ２３を駆動し、リングギヤ２２および中間ビーム２１を介してカッタヘッド１２を回転駆動することにより、前方の地山を掘削する（図１参照）。そして、カッタヘッド１２によって掘削した掘削土砂を、内部空間Ｓ₃₂（および第二の土砂取り込み流路Ｓ_32a）ならびに図示しない土砂取り込み口を介してチャンバＳ₁₃内に取り込むと共に、スクリューコンベア１４によって後方に搬送した後、図示しないベルトコンベア等によって外部へ排出する。

ここで、掘進時（掘削時）において、筒状部材４１は伸縮管５２が伸長された長尺状態である（図１および図２Ａ参照）。よって、ディスクカッタ３１による巨礫や岩盤の掘削がなされると共に、ディスクカッタ３１によって掘削した掘削土砂が当該ディスクカッタ３１の後方に形成された内部空間（第一の土砂取り込み流路）Ｓ₃₂（および第二の土砂取り込み流路Ｓ_32a）を介して直接的にチャンバＳ₁₃へ取り込まれる。

つまり、ディスクカッタ３１の後方に掘削土砂が滞留することはなく、当該ディスクカッタ３１周りの掘削土砂の流通性が向上される。よって、ディスクカッタ３１の目詰まり等による影響を受けず、掘削時の抵抗を低減することができるので、トンネル掘削機１による掘進作業（掘削作業）を良好に行うことができる。

なお、ディスクカッタ３１すなわちサドル５１は、図示しないロック機構によって掘削位置に位置決め（固定）されているため、掘進時（掘削時）において、サドル５１が前方側取付台４２から抜け出ることはない。

そして、トンネル掘削機１による掘削作業（掘進作業）が続けられ、ディスクカッタ３１が摩耗した際には、カッタ駆動モータ１４の駆動（カッタヘッド１２の回転駆動）を停止し、以下の手順でディスクカッタ３１の交換を行う。

まず、サドル５１の図示しないロック機構を解除し、伸縮管５２（蛇腹部）の縮長動作によってサドル５１を前方側取付台４２に対して後方に摺動（移動）させ（ディスクカッタ３１を後退させ）、所定のタイミングで前後両側の弁体６１を閉扉させる（図２Ｂ参照）。

ここで、所定のタイミングは、ディスクカッタ３１の先端部が前方側の遮断機構４５Ｆの遮断位置（弁体６１が開閉する位置）よりも後方に位置し、かつ、サドル５１の先端部が前方側取付台４２の後端部よりも前方に位置する（サドル５１が前方側取付台４２から抜け出ない）ときである。もちろん、この所定のタイミングにおいて、サドル５１は、その前端部が前方側取付台４２と前後方向に摺動可能かつ液密に嵌合された状態であり、サドル５１（筒状部材４１）と前方側取付台４２との液密な嵌合は維持されている。

これにより、内部空間Ｓ₃₂と前方空間Ｓ₁₀₀との連通および内部空間Ｓ₃₂と後方空間Ｓ₁₃との連通が確実に遮断され、内部空間Ｓ₃₂および機内空間Ｓ₁₂が前方空間Ｓ₁₀₀およびチャンバＳ₁₃と確実に隔離される。

そして、伸縮管５２（蛇腹部）のさらなる縮長動作によってサドル５１をさらに後方に移動させ（ディスクカッタ３１をさらに後退させ）、ディスクカッタ３１を交換位置に位置させる（図２Ｃ参照）。このとき、図示しない状態維持機構によって伸縮管５２を縮長状態に維持することにより、後述するサドル５１の伸縮管５２に対する着脱作業を容易に行うことができる。

続いて、サドル５１を伸縮管５２から取り外し、当該サドル５１に保持されたディスクカッタ３１を交換する（図２Ｄ参照）。

このとき、サドル５１と伸縮管５２とを着脱可能に接続することによって筒状部材４１を構成しているので、ディスクカッタ３１を保持しているサドル５１のみを取り外すことにより、ディスクカッタ３１の交換を行うことができる。つまり、ディスクカッタ３１の交換時に、筒状部材４１の全部を取り扱うことなく、その一部であるサドル５１（筒状部材４１全体と比較して小さい部分）のみを取り扱うこととなるので、ディスクカッタ３１の作業性を向上させることができる。

次に、新たなディスクカッタ３１が保持されたサドル５１を、伸縮管５２と連結する（図２Ｃ参照）。

そして、伸縮管５２（蛇腹部）の伸長動作によってサドル５１を前方に移動させ（ディスクカッタ３１を前進させ）、当該サドル５１を前方側取付台４２の内周に嵌合させる（図２Ｂ参照）。

続いて、弁体６１を開扉させ（図２Ｂ参照）、伸縮管５２（蛇腹部）のさらなる伸長動作によってサドル５１（ディスクカッタ３１）を掘削位置に位置させると共に図示しないロック機構によって位置決め（固定）する（図２Ａ参照）。

以上の手順により、ディスクカッタ３１の交換作業が完了し、トンネル掘削機１による掘削作業（掘進作業）を再開する。

本実施例に係るトンネル掘削機によれば、カッタ交換装置３２によってディスクカッタ３１を機内空間Ｓ₁₂において安全に交換することができると共に、前方空間Ｓ₁₀₀とチャンバＳ₁₃とを連通する内部空間Ｓ₃₂によってディスクカッタ３１の後方における掘削土砂の流通性（チャンバＳ₁₃への取り込み性能）をより向上させることができる。

そして、筒状部材４１を、蛇腹部を有する伸縮管５２で構成することにより、高い伸縮率を確保する（短尺状態と長尺状態との比率を大きくする）ことができるので、部品点数の増加を抑制すると共に、簡易な構成とすることができる。

本発明に係るトンネル掘削機における筒状部材は、本実施例のように、ディスクカッタ３１を回転可能に保持するサドル５１と蛇腹部を有する伸縮管５２とを連結して成る筒状部材４１に限定されない。例えば、サドルと伸縮管とを一体的に形成したもの（単一部材）であっても良く、また、伸縮管（または筒状部材）を摺動可能な多重管で構成したものであっても良く、さらに、筒状部材の一部（後端部）がカッタヘッドの後壁部から後方側（チャンバ側）へ突出可能なように筒状部材全体をカッタヘッド１２に対して摺動可能に構成したものであっても良い。

ここで、筒状部材（伸縮管）を摺動可能な多重管で構成した例を図７Ａおよび図７Ｂに示す。図７Ａおよび図７Ｂに示した構成例は、蛇腹を有する伸縮管５２を備えた筒状部材４１に替えて、摺動可能な多重管で構成された伸縮管１５２を備えた筒状部材１４１を採用したものであり、筒状部材１４１における伸縮管１５２の構成を除いて上述した実施例と同様の構成を有する。よって、図７Ａおよび図７Ｂにおいては、上述した実施例と同様の構成には、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７Ａおよび図７Ｂに示すように、筒状部材１４１は、サドル５１と伸縮管１５２とが連結されて成り、この伸縮管１５２は、一端がサドル５１と着脱可能かつ液密に接続された外筒１５２ａと、この外筒１５２ａの内周側において摺動可能に嵌合される内筒１５２ｂと、これら外筒１５２ａと内筒１５２ｂとの摺動を液密に保持するシール部材１５２ｃとによって構成されている。

そして、伸縮管１５２における外筒１５２ａと内筒１５２ｂとの摺動動作により、筒状部材１４１が伸縮管１５２の伸長された長尺状態となると、ディスクカッタ３１は、カッタヘッド１２の回転駆動によって前方の地山を掘削するための掘削位置に位置され（図７Ａ参照）、一方、筒状部材１４１が伸縮管１５２の縮長された短尺状態となると、ディスクカッタ３１は、カッタヘッド１２の回転駆動を停止してディスクカッタ３１の交換作業を行うための交換位置に位置される（図７Ｂ参照）。

このように、伸縮管１５２を外筒１５２ａおよび内筒１５２ｂから成る多重管で構成した筒状部材１４１を採用することにより、上述した実施例における蛇腹を有する伸縮管５２を備えた筒状部材４１（図２Ａから図２Ｄ参照）と比較して、筒状部材１４１（伸縮管１５２）の剛性を高め、前方空間Ｓ₁₀₀と後方空間Ｓ₁₃との連通状態時における耐圧性能を向上させることができる。

また、筒状部材（伸縮管）を、蛇腹を有する多重管で構成することにより（不図示）、多重管で構成された伸縮管１５２を備える筒状部材１４１（図７Ａおよび図７Ｂ参照）のように高剛性および高耐圧性能を確保しつつ、蛇腹を有する伸縮管５２を備える筒状部材４１（図２Ａから図２Ｄ参照）のように高い伸縮率を確保して部品点数の増加を抑制することができ、合理的な構造で信頼性の高い機能を実現することができる。

次に、筒状部材の一部（後端部）がカッタヘッドの後壁部から後方側（チャンバ側）へ突出可能なように筒状部材全体をカッタヘッドに対して摺動可能に構成した例を図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ａおよび図８Ｂに示した構成例は、蛇腹を有する伸縮管５２を備えた筒状部材４１に替えて、カッタヘッド１２の後壁部１２ｂに対して摺動可能な摺動筒２５２を備えた筒状部材２４１を採用したものであり、筒状部材２４１における摺動筒２５２の構成を除いて上述した実施例と同様の構成を有する。よって、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、上述した実施例と同様の構成には、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図８Ａおよび図８Ｂに示すように、筒状部材２４１は、サドル５１と摺動筒２５２とが連結されて成り、この摺動筒２５２は、一端がサドル５１と着脱可能かつ液密に接続され、他端が後方側取付台４３に摺動可能かつ液密に嵌合されて成る。

そして、筒状部材２４１全体（サドル５１および摺動筒２５２）をカッタヘッド１２（前方側取付台４２および後方側取付台４３）に対して摺動させることにより、ディスクカッタ３１は、筒状部材２４１の摺動方向（例えば、トンネル前後方向）に移動され、カッタヘッド１２の回転駆動によって前方の地山を掘削するための掘削位置（図８Ａ参照）およびカッタヘッド１２の回転駆動を停止してディスクカッタ３１の交換作業を行うための交換位置（図８Ｂ参照）に位置される。

ここで、摺動筒２５２は、カッタヘッド１２に対する摺動動作において、後方側取付台４３との液密な嵌合を維持している。具体的には、摺動筒２５２は、ディスクカッタ３１が掘削位置に位置している場合には、その後端部が後方側取付台４３に液密に嵌合された状態であり、ディスクカッタ３１が交換位置に位置している場合には、その後端部が後方側取付台４３に液密に嵌合されると共に、当該後方側取付台４３（カッタヘッド１２の後壁部１２ｂ）を貫通してトンネル後方側（チャンバ側）に突出した状態である。なお、摺動筒２５２は、ディスクカッタ３１が掘削位置に位置している場合にも、その後端部が後方側取付台４３（カッタヘッド１２の後壁部１２ｂ）を貫通してトンネル後方側（チャンバ側）に突出した状態であっても良い。

また、摺動筒２５２には、後方側の遮断機構（後方側遮断機構）４５Ｂが取り付けられており、この後方側遮断機構４５Ｂは、筒状部材２４１と共に、当該筒状部材２４１の摺動方向に移動する。このとき、後方側遮断機構４５Ｂは、筒状部材２４１の摺動動作に伴う移動によってカッタヘッド１２の後壁部１２ｂ等と干渉することがないように、摺動筒２５２の後方側部分ではなく前方側部分に配置されることが好ましい。つまり、後方側遮断機構４５Ｂの取付位置を摺動筒２５２の前方側部分とし、後方側遮断機構４５Ｂの移動範囲を機内空間Ｓ₁₂内とする。

このように、筒状部材２４１の一部（摺動筒２５２の後端部）がカッタヘッド１２の後壁部１２ｂからトンネル後方側（チャンバＳ₁₃側）へ突出可能なように筒状部材２４１全体（サドル５１および摺動筒２５２）をカッタヘッド１２（前方側取付台４２および後方側取付台４３）に対して摺動可能に構成した筒状部材２４１を採用することにより、上述した実施例における蛇腹を有する伸縮管５２を備えた筒状部材４１（図２Ａから図２Ｄ参照）と比較して、その構成を簡易なものとすると共に、筒状部材２４１（摺動筒２５２）の剛性を高め、前方空間Ｓ₁₀₀と後方空間Ｓ₁₃との連通状態時における耐圧性能を向上させることができる。

なお、上述した実施例（図２Ａから図２Ｄ参照）および変更例（図７Ａおよび図７Ｂ、ならびに、図８Ａおよび図８Ｂ参照）における前方取付台４２は、カッタヘッド１２と別途の構成として設けられるものに限定されず、ディスクカッタ３１をカッタヘッド１２内に取り込むことができるように、筒状部材４１，１４１，１４２の前端部（サドル５１）が液密かつ摺動可能に保持されるものであれば良く、例えば、カッタヘッド１２の前壁部１２ａに一体的に形成されるもの、または、カッタヘッド１２の前壁部１２ａに形成される貫通孔などであっても良い。

また、上述した実施例（図２Ａから図２Ｄ参照）および変更例（図７Ａおよび図７Ｂ、ならびに、図８Ａおよび図８Ｂ参照）における後方取付台４３は、カッタヘッド１２と別途の構成として設けられるものに限定されず、筒状部材４１，１４１の後端部（伸縮管５２および伸縮管１５２）が後方空間に臨んで液密に固定されるもの、または、筒状部材２４１の後端部（摺動筒２５２）がトンネル後方に突出して摺動可能かつ液密に嵌合されるものであれば良く、例えば、カッタヘッド１２の後壁部１２ｂに一体的に形成されるもの、または、カッタヘッド１２の後壁部１２ｂに形成される貫通孔などであっても良い。

本発明に係るトンネル掘削機は、巨礫や岩盤等を掘削可能なディスクカッタおよび当該ディスクカッタを機内で交換可能なカッタ交換装置を備え、ディスクカッタ周りの掘削土砂の流通性をより向上させることができるものであり、トンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）、土圧式シールド掘削機および泥土圧式シールド掘削機など、種々のトンネル掘削機に適用することができる。

１ トンネル掘削機
１１ スキンプレート（掘削機本体）
１２ カッタヘッド
１２ａ カッタヘッドの前壁部
１２ｂ カッタヘッドの後壁部
１３ バルクヘッド
１４ スクリューコンベア
２１ 中間ビーム
２２ リングギヤ
２３ カッタ駆動モータ
３１ ディスクカッタ
３２ カッタ交換装置
３２ａ 前方側開口部（第一の開口部）
３２ｂ 後方側開口部（第二の開口部）
４１ 筒状部材
４２ 前方側取付台
４３ 後方側取付台
４４ ガイド棒
４５ 遮断機構（前方側遮断機構、後方側遮断機構）
４５Ｆ 前方側の遮断機構（前方側遮断機構）
４５Ｂ 後方側の遮断機構（後方側遮断機構）
５１ サドル
５２ 伸縮管
６１ 弁体
６２ 開閉ジャッキ
Ｓ₁₂ カッタヘッドの内部空間（トンネル掘削機の機内空間）
Ｓ₁₃ 後方空間（チャンバ）
Ｓ₃₂ 筒状部材の内部空間（第一の土砂取り込み流路）
Ｓ_32a 第二の土砂取り込み流路
Ｓ₁₀₀ 前方空間（地山側の空間）
１４１ 筒状部材
１５２ 伸縮管
１５２ａ 外筒
１５２ｂ 内筒
１５２ｃ シール部材
２４１ 筒状部材
２５２ 摺動筒

Claims (11)

1. 筒状のスキンプレートと、前記スキンプレートの前方部に回転可能に設けられるカッタヘッドと、前記カッタヘッドに設けられるディスクカッタと、前記ディスクカッタを機内で交換可能とするカッタ交換装置とを備えたトンネル掘削機において、
   前記カッタ交換装置は、
   前記カッタヘッドの前面に臨んで設けられる前方側取付台と、
   前記カッタヘッドの後面に臨んで設けられる後方側取付台と、
   筒状に形成され、一端が前記前方側取付台と液密に取り付けられると共に他端が前記後方側取付台と液密に取り付けられ、その内周側に前記ディスクカッタを回転可能に保持すると共に前記ディスクカッタを前方の地山に対して進退可能とし、前記カッタヘッドの前方側に位置する前方空間と前記カッタヘッドの後方側に位置する後方空間とを連通可能な筒状部材と、
   前記ディスクカッタを前方の地山に対して後退した際に、前記筒状部材の内部空間と前記前方空間との連通を遮断可能な前方側遮断機構と、
   前記内部空間と前記後方空間との連通を遮断可能な後方側遮断機構と
   を備えたものである
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記筒状部材は、その全長を可変に構成されるものであり、
   前記筒状部材の一端は、前記前方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、
   前記筒状部材の他端は、前記後方側取付台に液密に固定されるものであり、
   前記ディスクカッタは、前記筒状部材の縮長動作により、前方の地山に対して進退されるものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記前方側遮断機構は、前記筒状部材が縮長されて前記前方側取付台との液密な嵌合を維持しつつ前記後方側取付台と液密に固定された状態において、前記内部空間と前記前方空間との連通を遮断するものである
   ことを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記筒状部材は、前記ディスクカッタを回転可能に保持するサドルと、前記サドルと着脱可能に連結される伸縮管とを備えたものであり、前記伸縮管が伸縮されることによって全長を可変とするものである
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記筒状部材は、蛇腹を有し、前記蛇腹の伸縮動作によって全長を可変とするものである
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
6. 前記筒状部材は、多重管で構成され、前記多重管の摺動動作によって全長を可変とするものである
   ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
7. 前記筒状部材は、一つまたは複数の前記ディスクカッタを保持するものであり、
   前記筒状部材の内部空間は、第一の開口部を介して前記前方空間と連通可能、かつ、前記第一の開口部と形状を異にする第二の開口部を介して前記後方空間と連通可能なものであり、
   前記前方側遮断機構は、前記第一の開口部を開閉するものであり、
   前記後方側遮断機構は、前記第二の開口部を開閉するものである
   ことを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
8. 前記ディスクカッタは、前記カッタヘッドにおいて径方向の位置を違えて多数配置されるものであり、
   前記カッタ交換装置は、前記ディスクカッタの設置位置に応じて、前記前方側遮断機構または前記後方側遮断機構の少なくとも一方の構成を異にするものである
   ことを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
9. 前記カッタ交換装置は、
   前記前方側遮断機構または前記後方側遮断機構の少なくとも一方の構成として、
   前記筒状部材に対して一直線上に配置された二枚の板状部材を当該直線に沿って互いに近接離反する方向に移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第一の構成、前記筒状部材に対して一枚の板状部材を移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第二の構成、または、前記筒状部材に対して折れ線上に配置された二枚の板状部材を当該折れ線に沿って互いに近接離反する方向に移動することによって前記内部空間と前記前方空間または前記後方空間とを遮断可能とする第三の構成を備える
   ことを特徴とする請求項８に記載のトンネル掘削機。
10. 前記筒状部材は、前記カッタヘッドに対して摺動可能に構成されるものであり、
    前記筒状部材の一端は、前記前方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、
    前記筒状部材の他端は、前記後方側取付台と摺動可能かつ液密に嵌合されるものであり、
    前記ディスクカッタは、前記筒状部材の摺動動作により、前方の地山に対して進退されるものである
    ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
11. 前記後方側遮断機構は、前記筒状部材に設けられ、前記筒状部材の摺動動作によって当該筒状部材の摺動方向に移動可能なものである
    ことを特徴とする請求項１０に記載のトンネル掘削機。

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