JP7440453B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機に関する。

一般に、トンネル掘削機は、カッタヘッドを回転させ、カッタヘッドの前面に装着された複数のカッタが前方の地盤に切羽を形成することにより、トンネルを掘削する。カッタヘッドは筒状の掘削機本体の前端部に取り付けられており、カッタヘッドを回転させながら、掘削機本体を前方に推進させることにより、トンネルが掘削される。

カッタヘッドは、トンネル掘削機の駆動部により回転駆動される。駆動部には、動力源であるカッタ旋回用モータ、および、カッタヘッドに動力を伝達するための部材（軸受、ギヤ、回転リング等）が含まれる。トンネル掘削機では、駆動部の損傷防止等の目的で、トンネルの掘削中において駆動部に作用する負荷（具体的には、カッタヘッドの回転軸方向に作用する力）を把握することは重要である。そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、駆動部に作用する負荷を把握するための技術が提案されている。特許文献１では、駆動部の変位を計測することによって、駆動部に作用する負荷が見積もられる。

特開２００８－１２７８２５号公報

しかしながら、従来の技術では、トンネル掘削機の駆動部に作用する負荷を適切に把握することが困難な場合がある。ここで、駆動部の構造体は、損傷が起きないように、剛性を高くし、当該構造体の変位を小さく抑えるように設計されている部分である。ゆえに、例えば、特許文献１に開示されている技術では、荷重を受けた際の駆動部の構造体の変位は小さく、変位の計測によって駆動部に作用する負荷を適切に見積もることは困難となる。よって、従来の技術とは異なる仕組みによって、トンネル掘削機の駆動部に作用する負荷を計測することが望まれている。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、駆動部に作用する負荷を計測することが可能なトンネル掘削機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、掘削機本体の前部に回転可能に設けられたカッタヘッドを含む回転部と、掘削機本体に対して掘削機本体の軸方向後方側から当接し、軸方向後方側から回転部を支持する支持部と、掘削機本体に対して支持部を軸方向に締結する複数のボルトと、複数のボルトのうちの少なくとも一部のボルトに設けられ、ボルトの軸力を検出する軸力センサと、を備え、支持部は、回転部を支持する支持フレーム、および、支持フレームに固定される支持フランジを含み、支持フランジは、掘削機本体の内周面から径方向内側に張り出す張出部に対して軸方向後方側から当接し、ボルトによって軸方向に張出部と締結され、支持フレームの外周部が、張出部の内周部に篏合されている。

複数のボルトは、掘削機本体の周方向に間隔を空けて配置され、軸力センサは、複数のボルトのうち２つ以上のボルトに設けられ、複数の軸力センサが、互いに異なる周方向の位置でボルトの軸力を検出してもよい。

カッタヘッドよりも軸方向後方に、カッタヘッドと軸方向に間隔を空けて配置される隔壁をさらに備え、軸力センサは、隔壁よりも軸方向後方に配置されてもよい。

支持部は、第１軸受の内輪および外輪のうちの一方と連結されており、回転部は、第１軸受の内輪および外輪のうちの他方と連結されていてもよい。

掘削機本体に対する支持部の周方向への相対的な移動を制限する第１制限機構をさらに備えてもよい。

掘削機本体に対する支持部の軸方向後方への相対的な移動を制限する第２制限機構をさらに備えてもよい。

支持フレームの外周部は、張出部の内周部と対向しており、支持フレームの外周部と張出部の内周部との間には、掘削機本体の径方向の荷重を受ける第２軸受が設けられていてもよい。

支持フレームの外周部は、張出部の内周部と対向しており、支持フレームの外周部と張出部の内周部とは、環状のシール部材を介して接続されていてもよい。

本発明によれば、トンネル掘削機の駆動部に作用する負荷を計測することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るトンネル掘削機の全体構成を示す断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るトンネル掘削機の支持部の周辺を示す部分拡大図である。 本発明の第１の実施形態に係るトンネル掘削機の支持部を軸方向後方側から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係るトンネル掘削機の支持部を軸方向後方側から見た図である。 本発明の第３の実施形態に係るトンネル掘削機の支持部の周辺を示す部分拡大図である。 本発明の第４の実施形態に係るトンネル掘削機の支持部の周辺を示す部分拡大図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<第１の実施形態>
図１～図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係るトンネル掘削機１について説明する。

図１は、トンネル掘削機１の全体構成を示す断面模式図である。なお、図１中の矢印Ｆはトンネル掘削機１の前方向（つまり、進行方向）を示し、矢印Ｂはトンネル掘削機１の後方向を示す。つまり、図１中の矢印Ｆは切羽側を向き、矢印Ｂは坑口側を向く。

トンネル掘削機１は、地盤を掘削可能な土圧式（泥土圧式を含む。）のシールド掘削機である。図１に示すように、トンネル掘削機１は、掘削機本体１０を備える。掘削機本体１０は、筒状（例えば、円筒状または矩形筒状等）である。掘削機本体１０の軸方向は、トンネル掘削機１の前後方向と一致する。以下では、掘削機本体１０の軸方向を単に軸方向とも呼び、掘削機本体１０の径方向を単に径方向とも呼び、掘削機本体１０の周方向を単に周方向とも呼ぶ。

掘削機本体１０の前部には、カッタヘッド１１を含む回転部１１０が回転可能に設けられる。カッタヘッド１１は、掘削機本体１０の前端に設けられる。カッタヘッド１１は、略円盤状の回転体である。カッタヘッド１１の中心部には、カッタ中心軸１２の前端が嵌入されており、カッタ中心軸１２は掘削機本体１０と同軸上に配置されている。カッタヘッド１１は、掘削機本体１０の中心軸を中心に（つまり、カッタ中心軸１２を中心に）回転可能に設けられている。

カッタヘッド１１は、外周リング１１ａと、内周リング１１ｂと、カッタスポーク１１ｃと、フィッシュテールカッタ１１ｄと、カッタビット１１ｅなどを有する。このうち、外周リング１１ａは、カッタヘッド１１の外周部を形成しており、内周リング１１ｂは、外周リング１１ａよりも径方向内側に配置されている。また、複数のカッタスポーク１１ｃは、カッタヘッド１１の前面において、掘削機本体１０の中心軸を中心として（つまり、カッタ中心軸１２を中心として）放射状に配置されている。カッタヘッド１１の前面の中心部には、フィッシュテールカッタ１１ｄが装着されている。さらに、カッタスポーク１１ｃの前面には、多数のカッタビット１１ｅが装着されている。なお、フィッシュテールカッタ１１ｄおよびカッタビット１１ｅは、着脱可能であってもよく、着脱可能でなくてもよい。

そして、カッタヘッド１１には、上記外周リング１１ａ、内周リング１１ｂおよびカッタスポーク１１ｃの相互の間に、複数の開口部が形成されている。当該開口部は、カッタヘッド１１によって地盤（切羽）を掘削した際に発生する掘削土砂を、掘削機本体１０内（後述するチャンバ２２内）に取り込むための掘削土砂取込口として機能する。

カッタヘッド１１よりも軸方向後方には、隔壁１３が配置されている。隔壁１３は、軸方向（トンネル延伸方向）に対して垂直に配置される板状（例えば、円板状）の壁体である。隔壁１３は、カッタヘッド１１と軸方向（トンネル延伸方向）に間隔を空けて配置される。隔壁１３の後方側には、トンネル掘削機１の各種設備が配置されており、隔壁１３は、切羽で生じる掘削土砂から当該設備を隔離する。

図１の例では、掘削機本体１０は、カッタヘッド１１よりも軸方向後方側において、径方向内側に張り出す張出部１０ａを有する。張出部１０ａは、例えば、中空の環状に形成される。張出部１０ａの周方向に直交する断面形状は、例えば、略矩形状である。張出部１０ａよりも径方向内側には、第１支持フレーム１４が設けられる。第１支持フレーム１４は、例えば、周方向に延在する中空の環状部材である。第１支持フレーム１４の周方向に直交する断面形状は、例えば、略矩形状である。第１支持フレーム１４には、支持フランジ１５が固定されており、支持フランジ１５と張出部１０ａとが複数のボルト１６によって締結されている。第１支持フレーム１４と支持フランジ１５とは、一体として形成されてもよく、別体として形成されてもよい。なお、第１支持フレーム１４と、支持フランジ１５と、ボルト１６と、張出部１０ａとの接続関係の詳細については後述する。

第１支持フレーム１４よりも径方向内側には、第２支持フレーム１７が設けられる。第２支持フレーム１７は、後述するカッタ旋回用モータ２１を支持する。第２支持フレーム１７は、第１支持フレーム１４と接続されている。本実施形態に係る隔壁１３は、例えば図１に示すように、張出部１０ａの前端面１０ｂと、第１支持フレーム１４の前端面１４ａと、第２支持フレーム１７の前端面１７ａとによって構成されているが、この例に限定されず、隔壁１３は他の部材で構成されてもよい。なお、第１支持フレーム１４および第２支持フレーム１７は、一体として形成されてもよい。第１支持フレーム１４および第２支持フレーム１７は、まとめて支持フレームと呼ばれ得る。

なお、張出部１０ａは、掘削機本体１０と一体として形成されてもよく、別体として形成されてもよい。また、第１支持フレーム１４は、１つの部材により形成されてもよく、複数の部材により形成されてもよい。また、第２支持フレーム１７は、１つの部材により形成されてもよく、複数の部材により形成されてもよい。

隔壁１３の中心部には、カッタ中心軸１２が設けられている。さらに、隔壁１３には、環状の回転リング１８が、掘削機本体１０の中心軸を中心に（つまり、カッタ中心軸１２を中心に）回転可能に設けられている。回転リング１８は、径方向において、第１支持フレーム１４と第２支持フレーム１７との間に配置されている。回転リング１８の前部には、複数の連結ビーム１９が周方向に所定の間隔で設けられている。

複数の連結ビーム１９は、カッタヘッド１１と回転リング１８を連結する。連結ビーム１９の前端は、例えば、カッタヘッド１１のカッタスポーク１１ｃに連結されている。回転リング１８および連結ビーム１９は、カッタヘッド１１およびカッタ中心軸１２と一体的に回転する。つまり、回転部１１０は、カッタヘッド１１と、カッタ中心軸１２と、回転リング１８と、連結ビーム１９とを含む。トンネル掘削機１は、軸方向後方側から回転部１１０を回転可能に支持する支持部１２０を備える。図１の例では、支持部１２０は、第１支持フレーム１４と、支持フランジ１５とを含む。回転リング１８が、軸受２０を介して第１支持フレーム１４によって軸方向後方側から支持されている。軸受２０は、本発明に係る第１軸受に相当する。

トンネル掘削機１は、カッタヘッド１１を回転駆動する駆動部１３０を備える。駆動部は、動力源であるカッタ旋回用モータ２１と、カッタヘッド１１に回転駆動力を伝達するための部材（回転リング１８、連結ビーム１９、軸受２０等）とを含む。カッタ旋回用モータ２１は、隔壁１３の後方の支持フレーム（具体的には、第２支持フレーム１７）の後部に設けられている。カッタ旋回用モータ２１は、軸受２０を介して回転リング１８と接続されている。カッタ旋回用モータ２１から出力される回転駆動力は、軸受２０を介して回転リング１８および連結ビーム１９に伝達される。ゆえに、カッタ旋回用モータ２１を駆動させることにより、カッタヘッド１１を、カッタ中心軸１２を中心として回転させることができる。この結果、回転するカッタヘッド１１の前面を後述するシールドジャッキ２４により地盤（切羽）に押し付けて、地盤を掘削することができる。

トンネル掘削機１によるトンネルの掘削中において、カッタヘッド１１が軸方向に受ける荷重は、回転部１１０に作用する荷重となり、この荷重は、駆動部１３０に伝達されるので、駆動部１３０に作用する負荷となる。本実施形態では、後述するように、回転部１１０から駆動部１３０を介して支持部１２０に作用する力を検出することによって、駆動部１３０に作用する負荷を適切に計測することが可能となる。ただし、厳密には、検出される支持部１２０に作用する荷重には、第１支持フレーム１４と第２支持フレーム１７の隔壁１３を構成している部分（それぞれの前端面１４ａ、１７ａ）に作用する土圧による成分も含まれる。ここにおいては、この部分に作用している土圧を土圧計により計測し、前端面１４ａ、１７ａの面積を乗じることにより、この土圧による成分を正確に把握できる。そして、検出値からこの土圧による成分を差し引くことにより、駆動部１３０に作用する負荷をより正確に把握できる。なお、支持部１２０の周辺の詳細な構成、および、駆動部１３０に作用する負荷を計測する仕組みについては後述する。

カッタヘッド１１と隔壁１３との間には、チャンバ２２が画成されている。チャンバ２２は、カッタヘッド１１の後面と、隔壁１３の前面と、掘削機本体１０の内周面とにより区画された空間（例えば、略円柱状の空間）である。カッタヘッド１１による地盤の掘削に伴って発生する掘削土砂は、カッタヘッド１１に貫通形成された上記開口部（掘削土砂取込口）を通じて、チャンバ２２内に取り込まれる。チャンバ２２は、掘削土砂を一時的に蓄えるための空間（室）として機能する。チャンバ２２内に取り込まれた掘削土砂は、隔壁１３の下部に形成されている開口である排出口（図示省略）を通じて、チャンバ２２からスクリューコンベヤ２３内に排出される。チャンバ２２内に蓄えられた掘削土砂は、スクリューコンベヤ２３によって、掘削機本体１０の後方に向けて運搬され、排出される。

また、掘削機本体１０の隔壁１３よりも後方側には、エレクタ装置（図示省略）が設けられる。エレクタ装置は、掘削機本体１０の軸方向、径方向および周方向（すなわち、トンネル延伸方向、トンネル径方向およびトンネル周方向）に移動可能に設けられる。エレクタ装置は、覆工部材であるセグメントＳを把持可能であり、把持したセグメントＳをトンネルの内壁面（坑壁）に沿って組み立てる。セグメントＳは、掘削されたトンネルの内壁面に沿った湾曲形状を有する環片である。上記エレクタ装置を駆動させることにより、複数のセグメントＳを周方向に沿ってリング状に組み立てることができる。これにより、トンネルの内壁面が複数のセグメントＳにより覆工され、内壁面の崩落を防止できる。

掘削機本体１０内には、複数のシールドジャッキ２４が、周方向に相互に間隔を空けて設けられている。各シールドジャッキ２４は、掘削機本体１０の内周面に沿って、トンネル延伸方向に延在するように（つまり、トンネル延伸方向に伸長するように）設けられる。シールドジャッキ２４は、例えば、油圧ジャッキであるが、トンネル掘削機１の推力を発生可能であれば、他の種類のジャッキ、アクチュエータ等であってもよい。シールドジャッキ２４の後端には、伸縮可能な駆動ロッド２４ａが設けられている。駆動ロッド２４ａの先端は、既設のセグメントＳの前端面と対向している。シールドジャッキ２４の駆動ロッド２４ａを、後方に向けて伸長し、セグメントＳを押圧することにより、掘削機本体１０に推進反力（つまり、推力）を付与することができる。すなわち、シールドジャッキ２４がセグメントＳを押圧したときに発生する推力によって、掘削機本体１０は前進可能である。

掘削機本体１０の後端部内周とセグメントＳの外周との間には、テールブラシ２５が設けられる。テールブラシ２５は、掘削機本体１０の後端部内周に取り付けられており、セグメントＳの外周と摺接する。テールブラシ２５は、掘削機本体１０内への水、土砂または裏込材等の侵入を防止するために設けられている。

以下、図２および図３を参照して、支持部１２０の周辺の詳細な構成、および、駆動部１３０に作用する負荷を計測する仕組みについて説明する。図２は、トンネル掘削機１の支持部１２０の周辺を示す部分拡大図である。図３は、トンネル掘削機１の支持部１２０を軸方向後方側から見た図である。

上述したように、支持部１２０は、第１支持フレーム１４と、支持フランジ１５とを含み、第１支持フレーム１４は、軸受２０を介して回転リング１８を軸方向後方側から支持している。図２に示すように、軸受２０は、内輪２０ａと、外輪２０ｂと、転動体２０ｃとを含む。軸受２０は、例えば、３列ローラ軸受であり、軸方向（つまり、スラスト方向）および径方向（つまり、ラジアル方向）およびモーメントの荷重を受ける。後述するように、軸受２０は、回転部１１０を支持部１２０に対して相対的に回転可能に支持する。転動体２０ｃの形状は、特に限定されず、例えば、円柱形状または円錐台形状等であってもよい。軸受２０は、回転リング１８の後方に配置される。

軸受２０の内輪２０ａの前端部は、回転リング１８の後端部と連結されている。軸受２０の内輪２０ａと回転リング１８とは、例えば、ボルト締結等によって連結される。一方、外輪２０ｂの後端部は、第１支持フレーム１４の突出部１４ｂの前部と連結されている。突出部１４ｂは、第１支持フレーム１４の内周部１４ｃ（径方向内側の部分）から径方向内側に突出する。突出部１４ｂは、環状に形成される。軸受２０の外輪２０ｂと第１支持フレーム１４の突出部１４ｂとは、例えば、ボルト締結等によって連結される。

軸受２０の内輪２０ａの内周部には、ギヤ２０ｄが設けられている。内輪２０ａのギヤ２０ｄは、カッタ旋回用モータ２１の駆動ギヤ２１ａと噛み合っている。ゆえに、カッタ旋回用モータ２１を駆動させると、カッタ旋回用モータ２１から出力される回転駆動力が、駆動ギヤ２１ａおよびギヤ２０ｄを介して内輪２０ａに伝達される。そして、内輪２０ａと連結される回転リング１８に回転駆動力が伝達され、カッタヘッド１１を含む回転部１１０が回転する。それにより、地盤が掘削される。

上述したように、第１支持フレーム１４の後端には、支持フランジ１５が固定されている。支持フランジ１５は、周方向に延在する円環状の部材である。ただし、支持フランジ１５は、周方向に並ぶ複数の部材に分割されていてもよく、その場合、各部材は、例えば、周方向に間隔を空けて配置されてもよい。支持フランジ１５は、第１支持フレーム１４の後端における径方向外側の部分に固定されている。第１支持フレーム１４と支持フランジ１５とは、例えば、ボルト締結等によって連結される。ただし、支持フランジ１５は、第１支持フレーム１４と一体として形成されてもよい。支持フランジ１５は、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄ（径方向外側の部分）よりも径方向外側まで径方向に延在している。なお、図２の例では、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄは張出部１０ａの内周部１０ｃ（径方向内側の部分）と接しているが、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄは張出部１０ａの内周部１０ｃと離隔していてもよい。

支持フランジ１５は、掘削機本体１０の張出部１０ａの後端における径方向内側の部分と対向している。支持フランジ１５は、複数のボルト１６によって、掘削機本体１０の張出部１０ａに対して軸方向に締結されている。つまり、複数のボルト１６は、掘削機本体１０の内周面に径方向内側に向けて突設される部材（例えば、張出部１０ａ）に対して支持部１２０を軸方向に締結する。このように、支持部１２０は、掘削機本体１０に対して軸方向後方側から当接する。図３に示すように、複数のボルト１６は、周方向に間隔を空けて配置される。複数のボルト１６は、例えば、等間隔に配置される。なお、ボルト１６の設置数および配置は、図３に示す例に限定されない。例えば、複数のボルト１６は、等間隔に配置されなくてもよい。上記のように、複数のボルト１６は、掘削機本体１０に対して支持部１２０を軸方向に締結する。

なお、図２の例では、ボルト１６は、張出部１０ａに対して支持フランジ１５を軸方向後方側から締結している。ただし、ボルト１６は、張出部１０ａに対して支持フランジ１５を軸方向前方側から締結していてもよい。また、ボルト１６による支持フランジ１５と張出部１０ａとの締結は、図示しないナットがボルト１６に螺合されることによって実現されてもよく、ナットを用いずにボルト１６が他の部材（例えば、掘削機本体１０の張出部１０ａ）に螺合されることによって実現されてもよい。

図２に示すように、複数のボルト１６のうちの少なくとも一部のボルト１６には、軸力センサ２６が設けられる。軸力センサ２６は、ボルト１６の軸力を検出する。詳細には、軸力センサ２６は、回転部１１０から支持部１２０に対して軸方向の荷重が作用したときに、支持部１２０の支持フランジ１５からボルト１６に対して作用する軸方向の荷重（ボルト１６の軸力）を検出する。軸力センサ２６の種類は特に限定されないが、軸力センサ２６としては、例えば、荷重を電気信号に変換する各種ロードセルが利用され得る。また、軸力センサ２６としては、例えば、ボルト１６の伸び量を電気信号に変換する歪ゲージまたは超音波センサ等が利用されてもよい。図２の例では、軸力センサ２６は、円環形状のロードセルであり、ボルト１６のボルト頭と支持フランジ１５とによって軸方向に挟持される。

上述したように、トンネル掘削機１によるトンネルの掘削中において、カッタヘッド１１が軸方向に受ける掘削反力は、回転部１１０から支持部１２０に伝達される。そして、支持部１２０に伝達された力は、ボルト１６に伝達され、ボルト１６の軸力（具体的には、引っ張り荷重）が生じる。本実施形態では、このように生じるボルト１６の軸力が軸力センサ２６によって検出される。ここで、回転部１１０から支持部１２０を介してボルト１６に伝達される軸方向の力は、駆動部１３０に作用する負荷に相当する。ゆえに、ボルト１６の軸力を検出することによって、駆動部１３０に作用する負荷を適切に計測することができる。なお、上述したように、厳密には、軸力センサ２６の検出値から支持フレームの隔壁１３を構成している部分（第１支持フレーム１４の前端面１４ａ、および、第２支持フレーム１７の前端面１７ａ）に作用する土圧による成分を差し引くことにより、駆動部１３０に作用する負荷をより正確に把握できる。特に、本実施形態によれば、トンネル掘削機１が大型である場合においても、大掛かりな装置を導入することなく、駆動部１３０に作用する負荷を計測することができる。さらに、駆動部１３０に作用する負荷を計測することによって、例えば、トンネル掘削機１の運転条件（例えば、シールドジャッキ２４の押圧力等）を調整し、過負荷による駆動部１３０の損傷を防止することができる。

軸力センサ２６は、複数のボルト１６のうち２つ以上のボルト１６に設けられることが好ましい。さらに、軸力センサ２６は、全てのボルト１６のうちの一部の複数のボルト１６に設けられ、かつ、複数の軸力センサ２６は、円環状の支持フランジ１５の周方向に沿って所定間隔を空けて分散して配置されることが好ましい。これにより、軸力センサ２６の設置数を低減しつつ、必要な位置に軸力センサ２６を配置して、複数の位置でボルト１６の軸力を効率的に検出することができる。ただし、軸力センサ２６は、全てのボルト１６に設けられてもよい。上述したように、複数のボルト１６は、円環状の支持フランジ１５に沿って周方向に間隔を空けて配置される。この結果、複数の軸力センサ２６も、支持フランジ１５に沿って互いに異なる周方向の位置に設けられる。ゆえに、複数の軸力センサ２６は、互いに異なる周方向の位置で支持フランジ１５からボルト１６に作用する軸力を検出する。それにより、駆動部１３０に作用する負荷の分布（具体的には、周方向における分布）を把握することができる。

さらに、駆動部１３０に作用する負荷の分布を把握することによって、トンネル施工の状況（例えば、地盤の状態等）を詳細に分析することができる。また、カッタヘッド１１が受ける掘削反力の分布を把握できるので、トンネル掘削機１の推力の分布を適正化することができる。なお、駆動部１３０に作用する負荷の分布を把握する観点では、軸力センサ２６の設置数が複数であることが好ましいが、軸力センサ２６の設置数は１つであってもよい。

図２に示すように、軸力センサ２６は、掘削機本体１０の内部空間において隔壁１３よりも軸方向後方に配置される。ゆえに、軸力センサ２６は、切羽で生じる掘削物（例えば、土砂や泥水等）から隔壁１３により離隔される。よって、軸力センサ２６を掘削物から保護する対策（例えば、軸力センサ２６に防水機能を持たせる対策等）が不要となる。また、切羽で生じる掘削物から隔壁１３により離隔された空間に軸力センサ２６が配置されるので、軸力センサ２６を容易に交換およびメンテナンスすることができる。

なお、駆動部１３０に作用する負荷を計測するために、本実施形態と異なり、軸受２０の前後に荷重検出用のセンサを配置することが考えられる。ただし、この場合、軸受２０の前後へのセンサの配置となると、支持フレーム内部での装着の可能性が高いこと、また、露出部に装着したとしても周辺の構造物が多いことで、荷重検出用のセンサの交換およびメンテナンスを行うことが困難となることが予想される。これに対し、本実施形態では、上記のように、軸力センサ２６を容易に交換およびメンテナンスすることができる。

上記では、回転部１１０と支持部１２０との間（上記の例では、回転リング１８と第１支持フレーム１４との間）に軸受２０が介在している例を説明したが、回転部１１０と支持部１２０との間に軸受２０が介在せず、回転部１１０が支持部１２０に直接回転可能に支持されていてもよい。しかしながら、部材間の摩擦力を低減する観点では、上記の例にように、支持部１２０が軸受２０の内輪２０ａおよび外輪２０ｂのうちの一方（上記の例では、外輪２０ｂ）と連結されており、回転部１１０が軸受２０の内輪２０ａおよび外輪２０ｂのうちの他方（上記の例では、内輪２０ａ）と連結されて、回転可能に支持されていることが好ましい。このように回転部１１０と支持部１２０との間に軸受２０が介在することによって、回転部１１０の回転時に生じる摩擦力を低減し、回転部１１０を円滑に回転させることができる。

上記では、駆動部１３０が内歯式（回転部１１０または回転部１１０と連結される部材に形成されて、駆動ギヤ２１ａと噛み合うギヤ２０ｄが、径方向内側を向くタイプ）である例を説明した。ただし、駆動部１３０は、外歯式（回転部１１０または回転部１１０と連結される部材に形成されて、駆動ギヤ２１ａと噛み合うギヤが、径方向外側を向くタイプ）でもよい。この場合、例えば、支持部１２０が内輪２０ａと連結され、回転リング１８が外輪２０ｂと連結される。そして、外輪２０ｂの外周部にギヤが設けられ、当該ギヤにカッタ旋回用モータ２１の駆動ギヤ２１ａが噛み合う。

<第２の実施形態>
図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係るトンネル掘削機２について説明する。

図４は、トンネル掘削機２の支持部１２０を軸方向後方側から見た図である。トンネル掘削機２では、上述したトンネル掘削機１と比較して、掘削機本体１０に対する支持部１２０の周方向への相対的な移動を制限する第１制限機構１４０をさらに備える点が異なる。

図４に示すように、第１制限機構１４０は、一対のストッパ２７、２７と、係止突起２８とを有する。なお、図４の例では、２つの第１制限機構１４０が周方向に略１８０°間隔を空けて設けられているが、第１制限機構１４０の設置数および設置位置は、図４の例に限定されない。例えば、第１制限機構１４０の設置数は、１つでも３つ以上でもよい。また、例えば、複数の第１制限機構１４０が、周方向に不等間隔に設けられてもよい。

ストッパ２７は、掘削機本体１０の張出部１０ａに固定されている。ストッパ２７は、掘削機本体１０の張出部１０ａの後端面から後方に突出している。一対のストッパ２７、２７は、周方向に間隔を空けて配置される。係止突起２８は、支持フランジ１５に固定されている。係止突起２８は、支持フランジ１５の外周面から径方向外側に突出している。係止突起２８は、一対のストッパ２７、２７の間に挟まれている。つまり、係止突起２８の周方向の各端面は、ストッパ２７と対向し、近接または当接している。なお、ストッパ２７が支持フランジ１５に固定されており、係止突起２８が掘削機本体１０の張出部１０ａに固定されていてもよい。

上述したように、トンネル掘削機２によるトンネルの掘削中において、ボルト１６には引っ張り荷重が作用する。それにより、ボルト１６と掘削機本体１０の張出部１０ａとの間での垂直抗力が低下するので、ボルト１６と掘削機本体１０の張出部１０ａとの間に生じ得る摩擦力の最大値（つまり、最大静止摩擦力）が低下する。また、カッタヘッド１１の回転トルクの反力によって、ボルト１６には、せん断方向（つまり、周方向）の荷重が生じる。

ここで、本実施形態では、周方向に間隔を空けて配置される一対のストッパ２７、２７の間に係止突起２８が挟まれている。ゆえに、ボルト１６に生じるせん断方向の荷重がボルト１６と掘削機本体１０の張出部１０ａとの間の最大静止摩擦力を上回った場合に、ストッパ２７が係止突起２８を介してせん断方向の荷重を受けることができる。よって、支持部１２０が掘削機本体１０に対して周方向にずれること（つまり、組み付けた状態から動くこと）が抑制される。このように、第１制限機構１４０によれば、掘削機本体１０に対する支持部１２０の周方向への相対的な移動を制限できるので、支持部１２０が掘削機本体１０に対して周方向にずれることを抑制できる。

また、係止突起２８に対し、ストッパ２７、２７を適切に当接させる配置とすることで、ボルト１６に作用するせん断方向の荷重を、早い段階からストッパ２７、２７で受けることが可能となる。これにより、ボルト１６に作用するせん断方向の荷重が軽減できれば、ボルト１６の緩みや破断などのトラブル発生の防止につながるため、ストッパ２７、２７を当接させて配置することも有効である。なお、ストッパ２７、２７の分担する荷重は、ボルト１６のせん断方向の荷重につき、軸力センサ２６の計測対象としている軸力（軸方向荷重）ではないので、このストッパ２７、２７が、軸力（軸方向荷重）の測定に影響を与えることはない。

上記では、第１制限機構１４０が一対のストッパ２７、２７と、係止突起２８とを有する例を説明した。ただし、第１制限機構１４０は、掘削機本体１０に対する支持部１２０の周方向への相対的な移動を制限する機能を有していればよく、上記の例に限定されない。例えば、第１制限機構１４０は、掘削機本体１０の張出部１０ａの後面に形成される窪みと、支持フランジ１５から前方に突出し、当該窪みに嵌合される突起とを有してもよい。この場合、支持フランジ１５の突起が張出部１０ａの窪みに係合されることによって、掘削機本体１０に対する支持部１２０の周方向への相対的な移動が制限される。

<第３の実施形態>
図５を参照して、本発明の第３の実施形態に係るトンネル掘削機３について説明する。

図５は、トンネル掘削機３の支持部１２０の周辺を示す部分拡大図である。トンネル掘削機３では、上述したトンネル掘削機１と比較して、掘削機本体１０に対する支持部１２０の後方への相対的な移動を制限する第２制限機構１５０をさらに備える点が異なる。

図５に示すように、第２制限機構１５０は、抜け止め部材２９を有する。抜け止め部材２９は、例えば、周方向に延在する略円環状の部材であり、Ｌ字型の断面形状を有する。ただし、抜け止め部材２９は、周方向に並ぶ複数の部材に分割されていてもよく、その場合、各部材は、例えば、周方向に間隔を空けて配置される。

抜け止め部材２９は、軸方向延在部２９ａと、径方向延在部２９ｂとを含む。軸方向延在部２９ａは、掘削機本体１０の張出部１０ａの後端に固定され、軸方向に延在する。軸方向延在部２９ａは、支持フランジ１５よりも径方向外側に設けられ、支持フランジ１５の後面よりも軸方向後方側まで延びる。径方向延在部２９ｂは、軸方向延在部２９ａの後部から径方向内側に延在する。径方向延在部２９ｂの前面は、支持フランジ１５の後面と対向し、隙間を介して近接している。

上述したように、トンネル掘削機３によるトンネルの掘削中において、ボルト１６には引っ張り荷重が作用する。ボルト１６に作用する引っ張り荷重が過度に大きい場合、ボルト１６が正常の範囲を超える伸びを生じ、支持フランジ１５および支持フレームが設計の想定以上に後方に動いてしまうおそれがある。

ここで、本実施形態では、掘削機本体１０の張出部１０ａに固定されている抜け止め部材２９の径方向延在部２９ｂの前面が、支持フランジ１５の後面と対向し、隙間を介して近接している。ゆえに、ボルト１６に作用する引っ張り荷重が過度に大きく、ボルト１６が正常の範囲を超える伸びを生じた場合に、抜け止め部材２９が支持フランジ１５と当接し、支持フランジ１５に作用する軸方向の荷重を抜け止め部材２９によって受けることができる。よって、支持フランジ１５が張出部１０ａに対してボルト１６の正常の範囲を超える伸びにより設計の想定以上に後方に動く（移動する）ことが抑制される。このように、第２制限機構１５０によれば、掘削機本体１０に対する支持部１２０の後方への相対的な移動を制限できるので、支持フランジ１５が張出部１０ａに対して設計の想定以上に後方に動いてしまうことを抑制できる。

ボルト１６に作用する引っ張り荷重が過度に大きくなっていない通常時には、上述したように、軸力センサ２６の検出値から駆動部１３０に作用する負荷を計測することができるので、計測結果を用いて装置の異常の把握およびその対処ができる。一方で、ボルト１６に作用する引っ張り荷重が過度に大きくなっている異常時には、掘削停止などマシン操作などで異常解消の対処は行うものの、このような対処が間に合わない場合などに、第２制限機構１５０が支持部１２０の設計の想定以上の後方への相対的な移動を制限することで、安全装置として機能する。また、ボルト１６または軸力センサ２６のメンテナンス時に、ボルト１６が部分的に取り外される場合がある。このような場合にも、第２制限機構１５０が支持部１２０の設計の想定以上の後方への相対的な移動を制限することで、安全装置として機能する。

上記では、第２制限機構１５０が抜け止め部材２９を有する例を説明した。ただし、第２制限機構１５０は、掘削機本体１０に対する支持部１２０の後方への相対的な移動を制限する機能を有していればよく、上記の例に限定されない。例えば、第２制限機構１５０は、第１支持フレーム１４または支持フランジ１５を前方に付勢する付勢部材（例えば、バネ等）を有してもよい。この場合、付勢部材により支持部１２０が前方に付勢されることによって、掘削機本体１０に対する支持部１２０の後方への相対的な移動が制限される。なお、この場合、駆動部１３０に作用する負荷をより正確に把握するためには、付勢部材が支持部１２０を付勢する力を加味する必要がある。

<第４の実施形態>
図６を参照して、本発明の第４の実施形態に係るトンネル掘削機４について説明する。

図６は、トンネル掘削機４の支持部１２０の周辺を示す部分拡大図である。トンネル掘削機４では、上述したトンネル掘削機１と比較して、軸受１６０、１６０と、シール部材１７０、１７０とをさらに備える点が異なる。軸受１６０、１６０は、本発明に係る第２軸受に相当する。

上述したように、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄは、張出部１０ａの内周部１０ｃと対向している。第１支持フレーム１４の外周部１４ｄが、支持部１２０における本発明に係る外周部に相当する。張出部１０ａの内周部１０ｃが、掘削機本体１０における本発明に係る内周部に相当する。

軸受１６０、１６０は、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの間に設けられる。２つの軸受１６０、１６０は、軸方向に間隔を空けて配置される。ただし、軸受１６０の設置数および配置は、特に限定されない。軸受１６０は、径方向（つまり、ラジアル方向）の荷重を受ける。軸受１６０が設けられることによって、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの間の軸方向（つまり、スラスト方向）の抵抗は、基本的には増加しない。

第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの間に、軸受１６０、１６０が設けられることによって、掘削機本体１０に対する第１支持フレーム１４の上下左右方向の位置決め（つまり、中心位置の芯出し）が適切に実現される。さらに、上述したように、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの間の軸方向の抵抗に対して、軸受１６０は基本的に寄与しない。ゆえに、軸受１６０は、支持部１２０からボルト１６への力の伝達の妨げにならず、駆動部１３０に作用する負荷を正確に計測することができる。

シール部材１７０、１７０は、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの間に介在する。つまり、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとは、シール部材１７０、１７０を介して接続されている。シール部材１７０は、環状であり、周方向の全域に亘って、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの隙間を塞いでいる。２つのシール部材１７０、１７０は、軸方向に間隔を空けて配置される。前側のシール部材１７０は、前側の軸受１６０よりも前方に配置され、後側のシール部材１７０は、後側の軸受１６０よりも後方に配置される。

ここで、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの隙間に土砂等の異物が侵入して固着すると、この固着が抵抗となり、支持部１２０からボルト１６への力の伝達の精度が低下し、駆動部１３０に作用する負荷の計測精度が低下するおそれがある。そこで、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとがシール部材１７０、１７０を介して接続されることによって、第１支持フレーム１４の外周部１４ｄと張出部１０ａの内周部１０ｃとの隙間に土砂等の異物が侵入して固着することが抑制される。それにより、支持部１２０からボルト１６への力の伝達の精度の低下が抑制され、駆動部１３０に作用する負荷の計測精度の低下が抑制される。

上記（図６）では、シール部材１７０を２箇所に配置したが、異物の侵入を防ぐには、１箇所の設置があればよく、本実施形態においては、切羽側のシール部材１７０が機能すればよい。ここにおいて、本実施形態（図６）における坑口側のシール部材１７０は、切羽側のシール部材１７０に損傷が発生した場合のバックアップ（予備）としての機能を目的とするとともに軸受１６０、１６０の切羽側と坑口側にシール部材１７０を配置し、切羽側と坑口側のシール部材１７０の間に潤滑剤を封入することで、軸受１６０、１６０の潤滑を行うことも目的としている。よって、シール部材１７０の設置数および配置は、上記の例に限定されるものではない。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、土圧式（泥土圧式を含む。）のトンネル掘削機１、２、３を説明したが、本発明に係るトンネル掘削機は、泥水式であってもよく、岩盤掘削機（トンネルボーリングマシン）のように、マシン中央部に隔壁を有さず、かつ、スクリューコンベアや送排泥管などの排土装置の代わりにベルトコンベアを有するものでもよい。

また、例えば、上記では、図面を参照して、トンネル掘削機１、２、３の各構成要素を説明したが、図面における各構成要素の寸法および位置関係はあくまでも例示に過ぎないので、トンネル掘削機１、２、３の各構成要素の寸法および位置関係は図面に示す例に限定されない。また、図面に例示されたトンネル掘削機１に対して構成要素が適宜追加、削除または変更されてもよい。

１、２、３ トンネル掘削機
１０ 掘削機本体
１１ カッタヘッド
１２ カッタ中心軸
１３ 隔壁
１４ 第１支持フレーム
１５ 支持フランジ
１６ ボルト
１７ 第２支持フレーム
１８ 回転リング
１９ 連結ビーム
２０ 軸受（第１軸受）
２０ａ 内輪
２０ｂ 外輪
２１ カッタ旋回用モータ
２２ チャンバ
２３ スクリューコンベヤ
２４ シールドジャッキ
２５ テールブラシ
２６ 軸力センサ
２７ ストッパ
２８ 係止突起
２９ 抜け止め部材
１１０ 回転部
１２０ 支持部
１３０ 駆動部
１４０ 第１制限機構
１５０ 第２制限機構
１６０ 軸受（第２軸受）
１７０ シール部材

Claims (8)

1. 筒状の掘削機本体と、
   前記掘削機本体の前部に回転可能に設けられたカッタヘッドを含む回転部と、
   前記掘削機本体に対して前記掘削機本体の軸方向後方側から当接し、前記軸方向後方側から前記回転部を支持する支持部と、
   前記掘削機本体に対して前記支持部を前記軸方向に締結する複数のボルトと、
   前記複数のボルトのうちの少なくとも一部の前記ボルトに設けられ、前記ボルトの軸力を検出する軸力センサと、
   を備え、
   前記支持部は、前記回転部を支持する支持フレーム、および、前記支持フレームに固定される支持フランジを含み、
   前記支持フランジは、前記掘削機本体の内周面から径方向内側に張り出す張出部に対して前記軸方向後方側から当接し、前記ボルトによって前記軸方向に前記張出部と締結され、
   前記支持フレームの外周部が、前記張出部の内周部に篏合されている、
   トンネル掘削機。
2. 前記複数のボルトは、前記掘削機本体の周方向に間隔を空けて配置され、
   前記軸力センサは、前記複数のボルトのうち２つ以上の前記ボルトに設けられ、
   複数の前記軸力センサが、互いに異なる前記周方向の位置で前記ボルトの軸力を検出する、
   請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記カッタヘッドよりも前記軸方向後方に、前記カッタヘッドと前記軸方向に間隔を空けて配置される隔壁をさらに備え、
   前記軸力センサは、前記隔壁よりも前記軸方向後方に配置される、
   請求項１または２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記支持部は、第１軸受の内輪および外輪のうちの一方と連結されており、
   前記回転部は、前記第１軸受の内輪および外輪のうちの他方と連結されている、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
5. 前記掘削機本体に対する前記支持部の周方向への相対的な移動を制限する第１制限機構をさらに備える、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
6. 前記掘削機本体に対する前記支持部の前記軸方向後方への相対的な移動を制限する第２制限機構をさらに備える、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
7. 前記支持フレームの外周部は、前記張出部の内周部と対向しており、
   前記支持フレームの前記外周部と前記張出部の前記内周部との間には、前記掘削機本体の径方向の荷重を受ける第２軸受が設けられている、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
8. 前記支持フレームの外周部は、前記張出部の内周部と対向しており、
   前記支持フレームの前記外周部と前記張出部の前記内周部とは、環状のシール部材を介して接続されている、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。

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