JP7465831B2

JP7465831B2 - 掘削機

Info

Publication number: JP7465831B2
Application number: JP2021033354A
Authority: JP
Inventors: 俊次仁井; 洋介佐藤; 清志松本; 英介川嶋
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: JP2022134305A

Description

本発明は、掘削機、特に、地中に矩形パイプを推進させながら、矩形パイプの前方に位置する地盤を掘削する掘削機に関する。

従来から、既存の鉄道、道路などの下方の地盤に、これらを横断するトンネルを構築するアンダーパストンネル工事が行われている。この際、上層の地盤を支持して既存の鉄道や道路の沈下を防止するために、トンネル本体の構築に先がけて、地中の水平方向に矩形パイプを複数個に並べて配置し、ルーフ状の支持体であるパイプルーフを形成することが行われている。このパイプルーフの形成に際しては、各矩形パイプの前端に設けた掘削機のカッターヘッドにより、矩形パイプの前方に位置する地盤を回転掘削しながら矩形パイプを推進させる、いわゆる機械掘削による推進埋設方法が用いられる場合がある。

このような機械掘削による推進埋設方法によれば、人力に拠らないため、苦渋作業をなくし、高効率で掘削を行うことができる。しかし、掘削機を回収して次の矩形パイプの掘削に用いるための矩形パイプ到達側の空間が未整備である場合や、掘削地盤中に礫などの障害物があった場合、掘削機を矩形パイプ内から後方の発進側に回収することができないことから、広く普及するには至っていない。

一方、円形トンネルを構築する際には、掘削機を円形トンネル内から後方の発進側に回収することが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許第３８９２４１２号公報特許第４６９３７９９号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示されている技術においては、矩形断面のトンネルを掘削する場合、カッターヘッドが回転掘削した中央部以外に未掘削部分が残り、この残部の地盤を、作業員が手持ちの掘削機などを用いて人力により掘削する必要があり、上記した苦渋作業の解消や掘削の高効率化といった機械掘削のメリットを発揮させることができないという課題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、矩形パイプの地中への推進埋設にあたり、人力による苦渋作業の解消と掘削の高効率化を図ることが可能な掘削機を提供することを目的とする。

本発明の掘削機は、地中に矩形パイプを推進する際に、前記矩形パイプの前方に位置する地盤を掘削する掘削機であって、前記矩形パイプの前部の内側に前記矩形パイプの内周面との間に隙間を有して設けられた円筒状の内円筒体と、前記内円筒体の隔壁に支持され、前記矩形パイプの中央部の前方に位置する前記地盤を回転するカッターヘッドにより掘削する主カッター体と、前記内円筒体の前部の外周面に固定されるとともに、前記矩形パイプの前端部の内周面に着脱自在に固定され、前記主カッター体の周囲を取り囲む取り囲み部材を有する矩形枠状体と、前記矩形枠状体の取り囲み部材に支持され、前記矩形パイプの四隅の隅角部の前方に位置する前記地盤を回転するカッターヘッドにより掘削する４個の副カッター体とを備え、前記副カッター体のカッターヘッドの前面視の形状は当該カッターヘッドの回転中心に対して偏心しており、前面視における前記副カッター体のカッターヘッドの最大通過領域は前記矩形パイプの外縁を超えた領域を部分的に含むとともに、前面視における各前記副カッター体のカッターヘッドの形状全体が前記矩形パイプの外縁内に位置し得ることを特徴とする。

本発明の掘削機によれば、主カッター体のカッターヘッドにより矩形パイプの中央部の前方に位置する地盤を回転掘削するほかに、４個の副カッター体のカッターヘッドにより矩形パイプの四隅の隅角部の前方に位置する地盤を回転掘削する。これにより、作業員が手持ちの掘削機などを用いて掘削すべき地盤の部分が削減されるので、矩形パイプの地中への推進埋設にあたり、人力による苦渋作業の解消と掘削の高効率化を図ることが可能となる。また、矩形枠状体は矩形パイプに対して着脱自在であるので、矩形枠状体及びこれと一体化した内円筒体、主カッター体、副カッター体を矩形パイプと切り離して後方に回収することが可能となる。

また、前面視における副カッター体のカッターヘッドの最大通過領域は矩形パイプの外縁を超えた領域を部分的に含むので、前面視における副カッター体のカッターヘッドの最大通過領域が矩形パイプの外縁を超えない場合と比較して、掘り残しが少なく、矩形パイプを円滑に推進させることができ、当該推進に要する推力を低減させることが可能となる。

さらに、前面視における各記副カッター体のカッターヘッドの形状全体が矩形パイプの外縁内に位置し得るので、このような位置に各副カッター体のカッターヘッドを位置させた状態とすることにより、副カッター体を矩形枠状体と共に、矩形パイプ内を通過させて後方に移動させることが可能となり得る。

本発明の掘削機において、前記内円筒体と前記矩形パイプとが、連結機構を介して着脱自在に連結されていることが好ましい。

この場合、主カッター体、副カッター体、内円筒体及び矩形枠状体を、矩形パイプ内を通過させて後方に移動させることが可能となる。さらに、連結機構は、主カッター体及び副カッター体のカッターヘッドにより地盤を回転掘削に作用する反力を矩形パイプに伝達する反力伝達機構としても機能する。

また、本発明の掘削機において、前記連結機構は、前記内円筒体の後部に着脱自在に設けられた円筒状の伝達リングと、前記伝達リングの後面と当接した状態で前記矩形パイプの内周面に対して着脱自在に設けられた反力受止部材とから構成されていることが好ましい。

この場合、主カッター体、副カッター体、内円筒体及び矩形枠状体を後方に引き出す際に損傷が生じ易い部材が伝達リングとなるので、内円筒体が損傷することの抑制を図ることが可能になる。

また、本発明の掘削機において、前記矩形パイプは、矩形パイプ本体と、前記矩形パイプ本体の前端に設けられて外周縁の形状が前記矩形パイプ本体の外周縁の形状と略同一である外矩形筒体とからなり、前記外矩形筒体が前記矩形パイプの前端部を形成していることが好ましい。

この場合、矩形パイプ本体として、後方から順次継ぎ足される従来から使用されている矩形パイプを用いることが可能となる。

本発明の実施形態に係る掘削機の模式前面視図。図１におけるI I－I I線断面模式矢視図。図２におけるＣ部模式拡大図。図２におけるＤ模式拡大図。図４に示す部分のＶ－Ｖ線断面模式矢視図。

本発明の実施形態に係る掘削機１００について図１及び図２を参照して説明する。掘削機１００は、例えば、既存の鉄道、道路などの下方の地盤にこれらを横断するトンネルを構築するアンダーパス工事において、水平方向に複数個に並べて配置される矩形パイプ４０を推進させる推進工法を行う際に、各矩形パイプ４０の前方に位置する地盤Ｂを掘削するものである。

なお、掘削機１００は、水平方向に複数個に並べて配置される各矩形パイプ４０に対応して、複数台が並置されて使用される場合があるが、ここでは、１台の掘削機１００を例に挙げて説明する。

また、以下の説明では、掘削方向（矩形パイプ４０の推進方向）を前方向（図１における左方向、図２における紙面手前向き方向）、掘削方向と直交するトンネル断面の水平方向を横方向（図１中における紙面に直交する方向、図２における左右方向）とする。なお、全ての図面は本実施形態を模式的に説明するための図であり、各構成部材は模式化され、寸法もデフォルメされている。

掘削機１００は、矩形パイプ４０の前方に位置する地盤Ｂを掘削する。矩形パイプ４０の本体である矩形パイプ本体４０ａはエレメントとも称され、例えば、縦横８００ｍｍ程度の略正方形の断面形状を有する鉄鋼製の中空パイプ部材である。矩形パイプ本体４０ａは、図示しないが、後方から順次継ぎ足されることによって、推進方向に向かって推進される。

掘削機１００は、内円筒体１０、主カッター体２０、矩形枠状体３０、矩形パイプ４０、４個の副カッター体５０などを備えている。

内円筒体１０は、矩形パイプ本体４０ａの前端部の内側に設けられており、鉄鋼などからなっている。内円筒体１０は、円筒状からなり、前側に位置する前側円筒体１１、円筒状からなり、後側に位置する後側円筒体１２、前側円筒体１１と後側円筒体１２とを屈折自在に接続する接続体１３とを有している。接続体１３は、詳細は図示しないが、シール材を備え、前側円筒体１１と後側円筒体１２とがその間のシール材と摺接するように構成されている。

さらに、前側円筒体１１と後側円筒体１２には、それぞれ中折れジャッキ６１のピストンの端部とシリンダの端部がそれぞれ固定されている。この中折れジャッキ６１のピストンの伸縮により、前側円筒体１１と後側円筒体１２との間の折れ角度、ひいては掘削機１００の掘進方向を変更することができる。

さらに、前側円筒体１１の前側部分の内周面には、外形が円板状の前側隔壁１４の外周面が溶接などによって固定されている。また、前側円筒体１１の中央部分の内周面には、外形が円板状の後側隔壁１５の外周面が溶接などによって固定されている。そして、これら隔壁１４，１５の中央には開口が形成されており、これら開口を挿通して状態で、主カッター体２０を回転駆動するためのモータ２１が内円筒体１０に支持されている。主カッター体２０は、そのカッターヘッド２２をモータ２１によって回転させることにより、矩形パイプ４０の前方に位置する地盤Ｂの中央部分を掘削する。

また、前側隔壁１４及び後側隔壁１５は下部にも開口が形成されており、これら開口を挿通して状態で、主カッター体２０及び副カッター体５０などで掘削した土砂などを後方に排出するための排土機構６２が内円筒体１０に支持されている。

一方、前側円筒体１１の前端部の外周面には、４個の副カッター体５０を支持する矩形枠状体３０が溶接などによって固定されている。この矩形枠状体３０は、それぞれが鋼板などからなる前側に位置する前側板体３１と、後側に位置する後側板体３２と、これら前側板体３１と後側板体３２を連結する連結板体３３とが、溶接などによって固定されることによって構成されている。

前側板体３１には、中央部に主カッター体２０が挿通する大きな円形状の開口が形成され、その周囲の四隅角部にそれぞれ副カッター体５０が挿通する円形状の小さな開口が形成されている。このように、前側板体３１は主カッター体２０の周囲を取り囲むものであり、本願発明の取り囲み部材に相当する。後側板体３２は、４個の副カッター体５０に対応して、四隅角部に設けられており、それぞれに副カッター体５０が挿通す円形状の小さな開口が形成されている。

矩形パイプ４０は、矩形パイプ本体４０ａと外矩形筒体（刃口）４０ｂとからなっている。外矩形筒体４０ｂは、例えば鉄鋼などからなり、矩形パイプ本体４０ａの前端に設けられ、矩形パイプ本体４０ａと前面視における外周縁の形状が略同一となっている。この外矩形筒体４０ｂは、後述する構成により、矩形枠状体３０に固定されている。これにより、外矩形筒体４０ｂは、矩形枠状体３０を介して、内円筒体１０の前端部の外周面に固定されている。なお、外矩形筒体４０ｂは、図示しないが、隣接する掘削機１００の外矩形筒体４０ｂと固定、係合するためなどの部材を有していてもよい。

外矩形筒体４０ｂと矩形枠状体３０とはその間に隙間が生じないようにして、着脱可能に係合されている。具体的には、図３に示すように、矩形枠状体３０の連結板体３３の四隅角部に位置する箇所の外面にそれぞれ、後方に向かって突出するように傾斜する傾斜部３４が形成されている。一方、外矩形筒体４０ｂの中央部の内周面に、傾斜部３４と対応する位置に、それぞれ、前方に向かって突出するように傾斜する傾斜部４１が形成されている。

これら傾斜部３４，４１が係合することにより、外矩形筒体４０ｂと矩形枠状体３０とが係合し、これらの間に隙間が生じることが防止されている。さらに、これら係合する傾斜部３４，４１の前方には、外矩形筒体４０ｂと矩形枠状体３０との間には隙間が存在するが、この隙間には止水板６３が設けられている。

さらに、外矩形筒体４０ｂの前部の内周面に、係止部材４２、ここでは側面視で直角三角形の断面を有するストッパが溶接などによって固定されている。この係止部材４２に矩形枠状体３０の前側板体３１の周縁部が当接することにより、矩形枠状体３０の前方への移動が規制されている。そして、この係止部材４２による係止に加えて、傾斜部３４，４１の係合によって、矩形枠状体３０の外矩形筒体４０ｂに対する位置決めがなされたうえで固定されている。

副カッター体５０は、それぞれ、前端にカッターヘッド５１を備え、このカッターヘッド５１を回転駆動する図示しないモータを内蔵している。前面視において、各カッターヘッド５１の形状はその回転中心に対して偏心している。具体的には、カッターヘッド５１は、前面視で略卵形状であり、回転中心に対して非回転対称となっている。そして、副カッター体５０のカッターヘッド５１は、主カッター体２０のカッターヘッド２２より前方に位置している。

４個の副カッター体５０は、そのカッターヘッド５１を回転駆動させることにより、矩形パイプ４０の前方に位置する地盤Ｂの主カッター体２０のカッターヘッド２２が掘削した中央部分の周囲に位置し、矩形パイプ４０の四隅角部の前方に位置する部分の地盤Ｂを掘削する。

なお、副カッター体５０のカッターヘッド５１が回転したときの最大領域は、前面視において、矩形枠状体４０ｂ、ひいては矩形パイプ４０の外縁よりも外方に部分的に突出している。この最大領域の外縁は、矩形パイプ４０の隅部の外縁上又はこれよりも外方に位置することが好ましい。副カッター体５０のカッターヘッド５１は主カッター体２０のカッターヘッド２２よりも前方に位置するので、これらカッターヘッド２２，５１が干渉することはない。一方、外矩形筒体４０ｂの前端部のカッターヘッド５１の最大領域に含まれる部分は、干渉を避けるために切り欠きが形成されている。

さらに、副カッター体５０は、図示しないが近接センサを中央側の外面に備えている。これにより、カッターヘッド５１の回転中心から先端までの距離が最も長い長尺部分が中央側に位置した状態にあるか否かを検出することが可能である。そして、この検出結果を用いて、カッターヘッド５１の長尺部分を中央側に位置した状態を維持すれば、副カッター体５０が矩形パイプ本体４０ａと干渉せずに、内円筒体１０及びこれと一体化した矩形枠状体３０、主カッター体２０、副カッター体５０を後方に引き出すことが可能となる。

さらに、図３を参照して、前側円筒体１１及び後側円筒体１２のそれぞれの外周面の下部に、ローラ、コロなどを備えた搬出機構６４が取り付けられている。このような搬出機構６４として、例えば、エンドレスコロを備えたチルタンクが好ましい。これにより、内円筒体１０及びこれと一体化した構成を後方への引き出す際の移動が容易となる。

さらに、図４及び図５を参照して、後側円筒体１２、ひいては内円筒体１０と矩形パイプ本体４０ａとは、連結機構７０を介して、着脱自在に設けられている。連結機構７０は、ここでは、後側円筒体１２の後端部に、図示しないボルトなどを用いて固定された略短円筒状の伝達リング７１と、矩形パイプ本体４０ａの内周面に溶接などによって固定された固定部材７２との間に、これらに着脱自在に設けられた反力受止部材７３などから構成されている。

反力受止部材７３は、固定部材７２の前端の隅部に対応する切り欠き７３ａを有しており、この切欠き７３ａが固定部材７２の前端の隅部に係合した状態で、伝達リング７１と固定される。反力受止部材７３は、さらに、伝達リング７１に形成されたコの字状の切欠き７１ａに対応する突出部７３ｂを有しており、この突出部が伝達リング７１の切欠きに係合した状態で、３方向から押し付ける３本の押しボルト７４によって固定されている。

なお、連結機構７０は、主カッター体２０及び副カッター体５０のカッターヘッド２２，５１により地盤Ｂを回転掘削に作用する反力を矩形パイプ４０に伝達する反力伝達機構としても機能する。

また、後側円筒体１２の後端部には、略短円筒状の伝達リング７１が、内円筒体１０及びこれと一体化した構成の後方への引き出しが容易となるように、伝達リング７１の左右後部には、シャックルなどの係止具６５がそれぞれ固定されている。この係止具６５に図示しないが、フックなどの引っ掛け具を引っ掛けて、引っ掛け具を一端部に有するロープなどを作業者が後方に向けて引っ張ることにより、内円筒体１０及びこれと一体化した構成を後方に引き出すことがさらに容易となる。

なお、ここでは、後側円筒体１２と伝達リング７１とを別部材として、これらを着脱自在に構成している。これにより、掘削機１００を後方に引き出す際に損傷が生じ易い部材が伝達リング７１となり、後側円筒体１２が損傷することの抑制を図ることが可能となる。ただし、後側円筒体１２と伝達リング７１とを一体化してもよい。

以上説明した掘削機１００によれば、主カッター体２０のカッターヘッド２２が回転掘削する矩形パイプ４０の前方に位置する地盤Ｂの中央部分だけでなく、４個の副カッター体５０のカッターヘッド５１が回転掘削する矩形パイプ４０の四隅の隅角部の前方に位置する地盤Ｂの部分も掘削することができる。よって、作業者が掘削する地盤Ｂの部分が削減されるので、矩形パイプ４０の地中への推進埋設にあたり、人力による苦渋作業の解消と掘削の高効率化を図ることが可能となる。

また、３本の押しボルト７４による伝達リング７１と反力受止部材７３との連結を解除することにより、内円筒体１０は矩形パイプ４０から切り離される。この状態において、内円筒体１０及びこれと一体化した矩形枠状体３０、主カッター体２０、副カッター体５０を矩形パイプ４０内を通過して後方に移動させることが可能となる。これにより、掘削機１００の前方に玉石などの障害物がある場合や到達立坑が存在しない場合などの場合に、内円筒体１０及びこれと一体化した構成を後方に引き出すことが可能となる。そして、この際、副カッター体５０のカッターヘッド５１が矩形パイプ４０と干渉しない位置にしておくことにより、引き出しに支障が生じない。

なお、本発明は、上述した掘削機１００に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。例えば、掘削機１００において、各部１０～５０の具体的な構成は説明したもの、あるいは図示したものに限定されない。

１０…内円筒体、１１…前側円筒体、１２…後側円筒体、１３…接続体、１４…前側隔壁（隔壁）、１５…後側隔壁（隔壁）、２０…主カッター体、２１…モータ、２２…カッターヘッド、３０…矩形枠状体、３１…前側板体（取り囲み部材）、３２…後側板体、３３…連結板体、３４…傾斜部、４０…矩形パイプ、４０ａ…矩形パイプ本体、４０ｂ…外矩形筒体、４１…傾斜部、４２…係止部材、５１…カッターヘッド、５０…副カッター体、６１…中折れジャッキ、６２…排土機構、６３…止水板、６４…搬出機構、６５…係止具、７０…連結機構、７１…伝達リング、７１ａ…切欠き、７２…固定部材、７３…反力受止部材、７３ａ…切り欠き、７３ｂ…突出部、７４…押しボルト、１００…掘削機、Ｂ…地盤。

Claims

地中に矩形パイプを推進する際に、前記矩形パイプの前方に位置する地盤を掘削する掘削機であって、
前記矩形パイプの前部の内側に前記矩形パイプの内周面との間に隙間を有して設けられた円筒状の内円筒体と、
前記内円筒体の隔壁に支持され、前記矩形パイプの中央部の前方に位置する前記地盤を回転するカッターヘッドにより掘削する主カッター体と、
前記内円筒体の前部の外周面に固定されるとともに、前記矩形パイプの前端部の内周面に着脱自在に固定され、前記主カッター体の周囲を取り囲む取り囲み部材を有する矩形枠状体と、
前記矩形枠状体の取り囲み部材に支持され、前記矩形パイプの四隅の隅角部の前方に位置する前記地盤を回転するカッターヘッドにより掘削する４個の副カッター体とを備え、
前記副カッター体のカッターヘッドの前面視の形状は当該カッターヘッドの回転中心に対して偏心しており、前面視における前記副カッター体のカッターヘッドの最大通過領域は前記矩形パイプの外縁を超えた領域を部分的に含むとともに、前面視における各前記副カッター体のカッターヘッドの形状全体が前記矩形パイプの外縁内に位置し得ることを特徴とする掘削機。
前記内円筒体と前記矩形パイプとが、連結機構を介して着脱自在に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の掘削機。
前記連結機構は、
前記内円筒体の後部に着脱自在に設けられた円筒状の伝達リングと、
前記伝達リングの後面と当接した状態で前記矩形パイプの内周面に対して着脱自在に設けられた反力受止部材とから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の掘削機。
前記矩形パイプは、矩形パイプ本体と、前記矩形パイプ本体の前端に設けられて外周縁の形状が前記矩形パイプ本体の外周縁の形状と略同一である外矩形筒体とからなり、前記外矩形筒体が前記矩形パイプの前端部を形成していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の掘削機。