KR20140063520A

KR20140063520A - 굴삭 장치

Info

Publication number: KR20140063520A
Application number: KR1020137030943A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 고바야시; 가즈야 고카이; 야스하루 하나오카
Original assignee: 히다치 조센 가부시키가이샤
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-05-27
Also published as: JP5775384B2; JP2013014905A; CN103703215B; US20140084668A1; KR101980390B1; CN103703215A; WO2013005392A1; US9140124B2

Abstract

커터 헤드가 대구경이며, 굴삭 대상이 단단한 지산 등이어도, 효율적으로 굴삭할 수 있는 굴삭 장치를 제공한다. 이 굴삭 장치는, 굴삭 대상물에 밀어 붙이면서 회전되는 원형의 개구를 갖는 외주 커터 헤드(20)와, 개구 내에 설치되며, 외주 커터 헤드(20)와는 별개로 회전 가능하게 된 소직경 커터 헤드(23)를 포함한다. 외주 커터 헤드(20)와 소직경 커터 헤드(23)의 회전 중심은 어긋나 있고, 그 어긋남이 소직경 커터 헤드(23)의 회전 반경보다 작게 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

굴삭 장치{BORING EQUIPMENT}

본 발명은, 터널을 굴삭하기 위한 굴삭 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 경질의 지반이라도 효율적으로 굴삭하는 것을 가능하게 하는 굴삭 장치에 관한 것이다.

지산(地山)이나 지하 지반에 터널을 구축할 때, 이들을 굴삭하기 위해서 굴삭 장치로서 실드 머신이 사용되고 있다. 실드 머신은, 터널 선단의 굴진면(굴삭면)에 압박하여 굴삭하기 위한 커터 헤드라 불리는 회전하는 원판을 구비하고 있다. 이 커터 헤드에는, 커터 비트라 불리는 원면으로부터 돌출되는 잔 날이 방사상으로 복수 설치되고, 이 커터 비트에는, 단단한 돌이나 바위 등에 접촉해도 용이하게 파손되지 않도록, 초합금이나 소결 텅스텐 카바이드 등의 강인한 소재가 사용되고 있다.

이와 같은 실드 머신을 사용하여, 커터 헤드를 회전시켜, 굴진면에 밀어 붙임으로써, 커터 비트가 토사를 파고 들어, 토사를 절삭하여, 대략 원형의 단면을 갖는 터널을 굴삭할 수 있다. 또한, 실드 터널을 구축하는 경우에는, 실드 머신에 의한 굴삭과 동시에, 지산 등이 붕괴되지 않도록 강제 또는 철근 콘크리트제의 아치 형상으로 형성된 블록(세그먼트)을 터널 벽면에 접촉하도록 조립하여 1차 복공을 행하고, 그것에 이어서 터널 내면을 콘크리트로 타설함으로써 2차 복공을 행하여 실드 터널을 구축한다. 이 2차 복공을 행함으로써, 1차 복공 부분의 방호나 표면 저항의 경감을 도모할 수 있다.

도 1의 (a) 내지 (c)는, 종래의 실드 머신에 사용되고 있는 커터 헤드의 정면도이다. 도 1의 (a)에 도시한 커터 헤드는, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(60)라 불리는 부재와, 그 사이의 커터 슬릿(10)이라 불리는 개구로 형성되고, 커터 스포크(60)가 연장되는 방향으로 당해 커터 스포크(60)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(11)가 배열되도록 설치되어 있다. 중앙부에는, 이 중앙부의 절삭성을 향상시키기 위해서, 플레이트형의 비트(12)가 설치되고, 그 양측에는, 진퇴하는 원반 형상의 디스크 커터(13)가 배치되어 있다.

여기서, 커터 슬릿(10)은, 커터 비트(11)에 의해 깍아낸 토사를 도입하여, 커터 헤드의 다른 쪽 면, 즉 커터 비트(11) 등이 설치되어 있는 면의 이면에 형성된 격실로 보내기 위한 개구이다.

도 1의 (b)에 도시한 커터 헤드도, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(60)가 형성되고, 커터 스포크(60)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(11)가 배열되도록 설치되어 있다. 그러나, 이 예에서는, 중앙부에 원형의 개구가 형성되고, 그 개구를 폐쇄하도록 소직경의 제2 커터 헤드(14)가 설치되어 있다.

이 제2 커터 헤드(14)도, 원형의 판의 한쪽 면에, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(65)가 형성되고, 커터 스포크(65)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(16)가 배열되도록 설치되어 있다. 그리고, 그 중심에는, 그 중심 부근의 절삭성을 향상시키기 위해서, 플레이트형의 비트(17)가 교차하도록 설치되어 있다. 이 예에서는, 커터 헤드와 제2 커터 헤드(14)가, 동일한 회전 중심으로 되어 있고, 각각이 독립하여 회전 가능하게 구성되어 있다.

도 1의 (c)에 도시한 커터 헤드도, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(60)가 형성되고, 커터 스포크(60)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(11)가 배열되도록 설치되어 있다. 이 예에서는, 도 1의 (a)와 마찬가지로, 중앙부의 절삭성을 향상시키기 위해서, 플레이트형의 비트(12)가 설치되지만, 그 양측에는, 진퇴하는 원형의 독립된 회전식 절삭 장치(18)가 설치되어 있다.

모두 중앙부의 구성이나 구조를 연구하고, 그 중앙부의 절삭성을 향상시키고 있지만, 고속으로 이동하는 외주부의 커터 비트(11)에 대하여, 중앙부에 있는 비트(12)는, 천천히 이동하기 때문에, 현저하게 절삭 성능이 저하되어, 이것으로는 굴삭 대상물이 단단한 것인 경우, 절삭에 시간을 필요로 하거나, 절삭할 수 없는 상황이 발생한다. 도 1의 (b), (c)에서는, 중앙부에 독립된 제2 커터 헤드(14)나 회전식 절삭 장치(18)를 구비하고 있고, 이들을 고속으로 회전시킴으로써 단단한 것이라도 절삭 가능하게 하지만, 그래도, 비트(12, 17)에 접촉하는 단단한 부분은, 비트(12, 17)의 이동이 느리기 때문에, 그 부분을 절삭하기 위해서는 시간을 필요로 하고, 절삭할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.

따라서, 원래 단단한 지산이나 지반, 단단하게 개량된 지산이나 지반, 콘크리트 등으로 구축된 실드 터널의 벽면 등의 구조물을 직접 굴삭하는 것은, 이들 커터 비트(11, 16)를 사용한 굴삭 장치로는 어렵다. 최근, 원활한 교통 흐름을 실현하기 위해서 복수 노선화가 진행되고 있어, 대구경의 커터 헤드가 사용되는 케이스가 증가되고 있지만, 대구경의 커터 헤드의 경우, 중앙부의 비트(12)가 이동하는 속도는 더욱 느려져, 단단한 굴삭 대상물을 절삭하는 것이 한층 더 어려워진다.

설령, 그 단단한 굴삭 대상물을 커터 비트에 의해 절삭할 수 있었다고 해도, 중심부의 비트(12)의 이동 속도가 느리기 때문에, 깍아내어진 토사의 유동성, 혼련성이 나빠, 커터 슬릿(10, 15)으로 도입되지 못하여, 폐색이 발생하는 경우가 있다. 이것으로는 굴삭을 원활하게 행할 수 없다.

이와 같은 문제를 감안하여, 종래에 있어서는, 미리 실드 머신의 전방면에 작업원이 들어가, 이 경질 부분의 토사를 작업원에 의해 제거하거나, 폐색이 발생한 경우에 커터 슬릿(10, 15) 내 등의 토사를 제거한다고 하는 작업을 행하였다. 그러나, 이와 같은 상황은, 작업원의 안전성에 문제가 있고, 작업 효율을 현저하게 저하시켜, 터널 공사를 대폭 지연시키게 된다.

이와 같은 단단한 지산 등을 굴삭하는 경우는 아니지만, 땅 속에 단단한 장해물이 존재하는 경우에, 주커터 헤드의 중심부에, 부커터 헤드를 회전 가능하게 설치함과 함께, 환상의 주커터 헤드의 면판부에 복수개의 보조 커터 헤드를, 주커터 헤드의 면판부로부터 전방을 향하여 진퇴 가능하게 설치함과 함께, 지산에 장해물이 존재하는 경우, 보조 커터 헤드를 전방으로 돌출시켜 당해 장해물을 절단하거나 할 수 있도록 한 실드 굴진기가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

이 실드 굴진기를 사용함으로써, 중심부에 있는 부커터 헤드나, 중심부로부터 반경 방향을 따라서 어긋나서 배치되는 복수개의 보조 커터 헤드를 전방으로 돌출시켜, 회전시켜, 상술한 단단한 장해물을 용이하게 또한 신속하게 절단할 수 있고, 이에 의해, 작업원이 장해물을 제거하는 일이 없어지기 때문에, 작업원의 안전성을 확보함과 함께 작업 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

일본 특허 제3244603호 공보

그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 실드 굴진기도, 통상의 굴삭을 행하는 경우에는, 부커터 헤드 및 보조 커터 헤드를 퇴입시킨 상태, 즉 주커터 헤드의 면판부와 동일한 높이로 한 상태에서, 커터 헤드를 회전시키기 때문에, 당해 커터 헤드의 중심 부근의 커터 비트의 이동 속도는 작아, 굴삭 대상물이 단단한 것인 경우는, 그 중심 부근은 굴삭에 시간을 필요로 하거나, 전혀 굴삭할 수 없다. 설령, 그 중심 부근의 토사를 절삭할 수 있었다고 해도, 깍아내어진 토사의 유동성은 나빠, 폐색이 발생할 가능성이 있다.

따라서, 중심부에 있는 부커터 헤드를 회전시킴으로써 상기 중심 부근의 토사를 굴삭할 수 있지만, 이 부커터 헤드는, 도 1의 (b)에 도시한 커터 헤드와 마찬가지로, 주커터 헤드와 동일한 회전 중심이기 때문에, 그 중심 부근도 마찬가지로, 회전 속도가 작아, 그 중심 부근의 토사를 절삭하는 것은 어렵다. 그렇게 되면, 그 부분에 대해서는 작업원이 수작업으로 제거해야만 한다. 이것으로는, 작업원의 안전성을 확보할 수 없고, 작업 효율도 좋다고는 할 수 없다.

따라서, 단단한 굴삭 대상물을 효율적으로 굴삭할 수 있고, 작업원의 안전성도 확보할 수 있어, 신뢰성이 높은 굴삭 장치의 제공이 요망되었다. 특히, 단단한 굴삭 대상물을 효율적으로 굴삭할 수 있는 대구경의 커터 헤드를 구비하는 굴삭 장치의 제공이 요망되었다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 터널을 굴삭하기 위한 굴삭 장치이며, 굴삭 대상물에 밀어 붙이면서 회전되는 원형의 개구를 갖는 회전 원판과, 개구 내에 설치되며, 회전 원판과는 별개로 회전 가능하게 된 회전판과, 회전 원판 및 회전판의 한쪽 면으로부터 돌출되도록 복수 설치되고, 회전 원판 및 회전판의 회전에 의해 굴삭 대상물을 절삭하는 절삭 부재를 포함하고, 회전 원판과 회전판의 회전 중심이 어긋나 있고, 그 어긋남이 회전판의 회전 반경보다 작게 되어 있는 것을 특징으로 하는 굴삭 장치가 제공된다.

이와 같이, 회전 중심이 어긋난 회전 원판 및 회전판을 사용하고, 그 어긋남을 회전판의 회전 반경보다 작게 함으로써, 회전 원판의 중심 부근에 밀어 붙여진 굴삭 대상물은, 회전판의 외주부에 있는 고속으로 이동하는 절삭 부재에 의해 절삭되고, 회전판의 중심 부근에 밀어 붙여진 굴삭 대상물은, 회전 원판의 중심 부근보다 외주측에 있는 비교적 고속으로 이동하는 절삭 부재에 의해 절삭되기 때문에, 절삭되지 않는 부분을 없앨 수 있다.

또한, 회전 원판 및 회전판이 밀어 붙여진 굴삭 대상물은 어느 부분에 있어서도, 비교적 고속으로 이동하는 절삭 부재에 의해 절삭되기 때문에, 유동성이나 혼련성이 향상되어, 깍아내어진 토사를 커터 슬릿에 원활하게 도입할 수 있어, 폐색이 발생하는 것을 없앨 수 있다. 이것은, 대구경의 커터 헤드를 구비하는 굴삭 장치에도 적용할 수 있고, 이에 의해, 대구경의 터널을 원활하게 구축하는 것이 가능하게 된다.

회전판의 회전 반경은, 회전 원판의 직경의 1/6 내지 1/3인 것이 바람직하다. 이 범위의 회전 반경을 갖는 회전판이, 굴삭면 전체를 효율적으로 굴삭할 수 있기 때문이다. 회전 원판과 회전판의 회전 중심의 거리는, 회전판의 회전 반경의 1/4 내지 3/4가 바람직하다.

굴삭 장치는, 회전 원판을 그 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전 지지 수단과, 회전 원판에 동력을 전달하여, 회전 원판을 그 둘레 방향으로 회전시키는 제1 구동 수단을 구비한다. 회전판을 지지 및 회전시키기 위해서, 회전 원판의 개구 내벽에, 회전판의 외연을 그 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제2 회전 지지 수단과, 회전 원판의 절삭 부재가 설치되는 면의 이면에, 회전판에 동력을 전달하여, 회전판을 그 둘레 방향으로 회전시키는 제2 구동 수단을 구비할 수 있다. 회전판의 외연을 제2 회전 지지 수단에 의해 지지한 상태에서 제2 구동 수단에 의해 회전판을 회전시키기 때문에, 견고한 지지력을 얻을 수 있어, 큰 구동력을 얻을 수 있다.

제2 구동 수단은, 제1 구동 수단이나 제1 회전 지지 수단과 마찬가지로, 굴삭 장치 본체에 구비하고 있어도 되고, 이와 같이 본체에 구비함으로써, 회전 원판의 구조가 간소한 것으로 되어, 제2 구동 수단에의 전원의 접속 방법이나 보수가 용이해진다.

또한, 제2 회전 지지 수단은 구비하고 있지 않아도 되고, 이것에 의해 회전판의 지지 강도는 저하되지만, 회전 원판의 구조가 보다 간소한 것으로 되어, 특히 회전판으로서 소직경의 회전 원판을 사용하는 경우에 실현하기 쉽다고 하는 이점이 있다.

회전판은, 1개로 한정되는 것은 아니고, 2개 이상 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 회전판의 수에 따른 수의 제2 구동 수단이 설치되고, 당해 수의 제2 구동 수단은, 굴삭 장치 본체에 설치된다. 이와 같이 복수의 회전판을 설치함으로써, 절삭성을 향상시킬 수 있다.

종래의 굴삭 장치에서는 원형의 커터 헤드를 그 중심 둘레로 회전 구동하여 굴삭을 실시하지만, 중심부에서는 각각의 절삭 부재의 절삭 속도가 현저하게 저하되어, 절삭 속도가 느리기 때문에, 전방면 폐색이나 굴삭 곤란 등의 트러블이 발생하거나, 혼련성의 저하에 의한 챔버 내의 폐색 등의 트러블이 발생한다. 그러나, 본 발명의 굴삭 장치는 신뢰성이 높은 구조이기 때문에, 전체면에 걸쳐 절삭 속도, 혼련 속도를 확보할 수 있어, 굴삭 성능을 유지하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 굴삭 장치는, 분기하는 터널을 구축하는 경우에 있어서도, 기설(旣設)의 터널의 단단한 벽면을 직접 굴삭할 수 있으므로, 염가로, 노동력을 필요로 하지 않고, 짧은 공사 기간에 실현하는 것이 가능하다.

도 1은 종래의 굴삭 장치에 사용되고 있는 커터 헤드를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 굴삭 장치의 하나의 실시 형태를 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 굴삭 장치의 다른 실시 형태를 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 굴삭 장치의 또 다른 실시 형태를 예시한 도면.

도 2는 본 발명의 굴삭 장치의 하나의 실시 형태를 도시한 도면이다. 도 2의 (a)는 커터 헤드의 정면도이고, 도 2의 (b)는 굴삭 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다. 이 굴삭 장치는, 종래의 실드 머신과 마찬가지로, 터널 선단의 굴진면에 밀어 붙여 회전함으로써, 지산이나 지반 등과 같은 굴삭 대상물을 굴삭하는 회전 원판으로서의 외주 커터 헤드(20)를 구비하고 있다. 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 이 외주 커터 헤드(20)는, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(61)가 형성되고, 커터 스포크(61)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(절삭 부재)(22)가 배열되도록 설치되어 있다.

커터 비트(22)는, 외주 커터 헤드(20)의 한쪽 면으로부터 돌출되는 잔 날이며, 단단한 돌이나 바위 등에 접촉해도 용이하게 파손되지 않도록, 초합금이나 소결 텅스텐 카바이드 등의 강인한 소재에 의해 제조된다. 외주 커터 헤드(20)는, 크롬 몰리브덴강, 니켈 크롬 몰리브덴강 등의 내마모성을 갖는 강재를 사용하여 제조할 수 있다. 커터 슬릿(21)은, 상술한 바와 같이 외주 커터 헤드(20)의 이면, 즉 커터 비트(22) 등이 설치되어 있는 면을 표면으로 한 경우의 그 이면에 형성된 격실(30)로 보내기 위한 개구이며, 커터 비트(22)에 의해 깍아낸 토사를 도입한다. 또한, 커터 슬릿(21)은, 후방의 격실(30)에 연속하고 있어, 도입된 토사는, 이 커터 슬릿(21)을 통하여 격실(30)로 보내어진다.

이 외주 커터 헤드(20)는, 중앙 부분에 개구가 형성되고, 그 개구 내에, 소직경의 회전판인 소직경 커터 헤드(23)가 그 개구를 폐쇄하도록 설치되어 있다. 여기에서는, 회전판이 원형으로 되어 있지만, 원형에 한정되는 것은 아니고, 직사각형, 타원형, 십자형 등이어도 된다. 이 소직경 커터 헤드(23)도, 그 외주를 포위하는 외주 커터 헤드(20)와 마찬가지로, 직경 방향으로 방사상으로 연장되는 커터 스포크(62)가 형성되고, 커터 스포크(62)를 따라서 일정 간격으로 복수의 커터 비트(절삭 부재)(25)가 배열되도록 설치되어 있다.

커터 슬릿(24)은, 커터 비트(25) 등이 설치되어 있는 면을 표면으로 한 경우의 그 이면에 형성된 격실(30)로 보내기 위한 개구이며, 커터 비트(25)에 의해 깍아낸 토사를 도입한다.

소직경 커터 헤드(23)는, 외주 커터 헤드(20)와는 독립하여 회전 가능하게 되고, 외주 커터 헤드(20)와 동일한 회전 중심을 갖는 것은 아니며, 회전 중심이 거리 A 정도 어긋나 있고, 그 어긋남인 거리 A가, 소직경 커터 헤드(23)의 회전 반경보다 작게 되어 있다. 또한, 소직경 커터 헤드(23)의 중앙부에는, 상술한 종래의 실드 머신과 마찬가지로, 절삭성을 향상시키기 위해서, 플레이트형의 비트(26)가 설치되어 있다.

소직경 커터 헤드(23)의 회전 반경은, 외주 커터 헤드(20)의 직경의 1/6 내지 1/3인 것이 바람직하다. 지나치게 커도, 지나치게 작아도, 굴삭면 전체를 효율적으로 굴삭할 수 없기 때문이다. 1/6보다 작으면, 소직경 커터 헤드(23)의 외측이며, 또한 외주 커터 헤드(20)의 중앙에 가까운 부분에 밀어 붙여지는 대상물을, 그 외주 커터 헤드(20)의 중앙에 가까운, 이동 속도가 느린 커터 비트(22)에 의해 절삭하게 되고, 한편, 1/3보다 크면, 개구가 커져, 외주 커터 헤드(20)의 강도가 저하되고, 소직경 커터 헤드(23)를 회전시키는 구동 수단이 커진다는 문제가 발생하기 때문이다.

또한, 외주 커터 헤드(20)와 소직경 커터 헤드(23)의 회전 중심의 거리 A는, 소직경 커터 헤드(23)의 회전 반경의 1/4 내지 3/4이 바람직하다. 이 범위의 거리로 함으로써, 효율적으로 굴삭할 수 있기 때문이다.

이와 같이, 외주 커터 헤드(20)와 소직경 커터 헤드(23)의 회전 중심을 어긋나게 하고, 또한, 그 어긋남을 소직경 커터 헤드(23)의 회전 반경보다 작게 함으로써, 외주 커터 헤드(20)의 중심 부근에 밀어 붙여진 지산이나 지반 등과 같은 굴삭 대상물은, 소직경 커터 헤드(23)의 외주부에 설치된 고속으로 이동하는 커터 비트(25)에 의해 절삭되고, 소직경 커터 헤드(23)의 중심 부근에 밀어 붙여진 굴삭 대상물은, 외주 커터 헤드(20)의 중심 부근보다 외주측에 설치된 비교적 고속으로 이동하는 커터 비트(22)에 의해 절삭되기 때문에, 절삭에 시간을 필요로 하는 일은 없어지고, 또한, 절삭되지 않는다고 하는 것을 없앨 수 있다.

또한, 외주 커터 헤드(20) 및 소직경 커터 헤드(23)가 밀어 붙여진 굴삭 대상물은 어느 부분에 있어서도, 고속으로 그 둘레 방향으로 이동하는 커터 비트(25) 및 비교적 고속으로 그 둘레 방향으로 이동하는 커터 비트(22)에 의해 절삭되기 때문에, 깍아내어진 토사의 유동성이나 혼련성이 양호하여, 커터 슬릿(21, 24)을 통하여 원활하게 후방의 격실(30)로 반송할 수 있다. 어느 위치의 커터 비트(22, 25)도, 그 이동 속도가 거의 0으로 되는 일은 없고, 일정 이상의 속도를 가지므로, 절삭할 수 없다고 하는 상황은 발생하지 않고, 굴삭 토사에 의해 폐색이 발생하는 일이 없어진다.

도 2의 (b)를 참조하여, 외주 커터 헤드(20) 및 소직경 커터 헤드(23)는, 굴삭 장치의 굴진 방향을 전방으로 한 경우, 굴삭 장치의 전방면에 설치된다. 외주 커터 헤드(20)는, 지지체(31)를 통하여 장치 내부의 격벽(32)에 배치된, 당해 외주 커터 헤드(20)를 회전 가능하게 지지하는 제1 회전 지지 수단으로서의 지지 베어링(33)에 접속된다. 지지 베어링(33)은, 예를 들면 내륜과 외륜과 그 사이에 개재하는 복수의 구체로 구성되는 볼 베어링과, 내륜의 굴진 방향의 후방을 향한 면에 연결되며, 그 외주가 기어 가공된 링 형상 부재로 구성되고, 이 기어에 맞물리는 소직경의 기어인 피니언을 통하여 제1 구동 수단으로서의 구동 모터(34)에 접속할 수 있다.

볼 베어링은, 외주 커터 헤드(20)를, 지지체(31)를 통하여 격벽(32)에 회전 가능하게 지지한다. 구동 모터(34)는, 유압 모터나 전동 모터로 이루어지고, 회전시켜, 그 회전에 의해 상기 기어를 통하여 외주 커터 헤드(20)를 일정 방향으로 회전시킨다. 상세하게는, 피니언과 기어가 맞물려 있어, 피니언의 회전에 수반하여 기어 가공된 링 형상 부재가, 외주 커터 헤드(20)의 회전 중심을 중심으로 하여 회전하기 때문에, 이 링 형상 부재에 연결되는 내륜 및 그 내륜에 연속하는 지지체(31)를 통하여 외주 커터 헤드(20)가 회전한다.

도 2의 (b)에 도시한 실시 형태에서는, 소직경 커터 헤드(23)를 지지 및 회전시키기 위해서, 예를 들면 소직경 커터 헤드(23)의 외주와, 외주 커터 헤드(20)의 개구의 내벽 사이에 제2 회전 지지 수단으로서의 선회 베어링(35)을 설치함으로써, 외주 커터 헤드(20)에 회전 가능하게 견고하게 지지할 수 있다. 이 선회 베어링(35)의 전방, 즉 커터 비트(22)가 설치되는 면측에는, 그 이면에 설치되는 소형 커터 비트(절삭 부재)(23)를 회전시키는 제2 구동 수단으로서의 구동 모터(36)를 포함하는 구동부를 밀폐하기 위한 시일 장치가 배치된다.

선회 베어링(35)은, 예를 들면 복수의 구체를 내륜과 외륜 사이에 개재시킨 구성의 볼 베어링과, 그 내륜에 연결된 상기와 마찬가지의 기어 가공된 링 형상 부재로 구성할 수 있다. 외주 커터 헤드(20)는, 스포크부(61)에 구동 모터(36)를 수납하기 위한 수납 상자를 구비하고, 그 수납 상자 내에 구동 모터(36)가 설치된다.

링 형상 부재의 외주에는, 기어 가공이 실시되어, 볼 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 있기 때문에, 수납 상자에 수납되는 구동 모터(36)에 연결되는 피니언과 그 기어가 맞물림으로써, 구동 모터(36)에 의해 회전하는 피니언의 회전 운동을 기어에 전달하여, 소직경 커터 헤드(23)를 일정 방향으로 회전시킬 수 있다. 또한, 이 구동 모터(36)도, 유압 모터로 할 수 있다. 이 유압 모터에의 유압의 제공은, 배관을 통하여 행하지만, 소직경 커터 헤드(23)가 일정 방향으로 회전하기 때문에, 유압 모터와 유압 펌프는, 회전 조인트를 사용하여 연결된다.

이 도 2의 (b)에 도시한 실시 형태에서는, 소직경 커터 헤드(23)를 회전 가능하게 지지하는 회전 지지 수단으로서의 선회 베어링(35)도, 구동 모터(36)도, 외주 커터 헤드(20)에 설치되어 있다. 소직경 커터 헤드(23)는, 그 외연이 선회 베어링(35)에 의해 회전 가능하게 지지되기 때문에, 견고하게 지지할 수 있어, 큰 구동력을 얻을 수 있다. 따라서, 보다 단단한 굴삭 대상물이어도, 굴진면에 적절하게 압박하여 효율적으로 절삭할 수 있다.

여기에서는, 볼 베어링과 링 형상 부재로 구성되는 지지 베어링(33) 및 선회 베어링(35)을 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 지금까지 알려진 어떠한 수단을 사용하여 회전 가능하게 지지하고, 각 커터 헤드를 별개로 회전시킬 수도 있다.

이 굴삭 장치는, 그 밖에, 외주 커터 헤드(20) 및 소직경 커터 헤드(23)와, 둘레 방향을 덮는 스킨 플레이트(40)와, 격벽(32)에 의해 폐쇄된 격실(30)에, 커터 슬릿(21)에 도입된 굴삭 토사가 수납되고, 그 수납된 굴삭 토사를 후방으로 배출하기 위한 케이싱(41)을 구비하고 있다. 이 케이싱(41)은, 격벽(32)의 하부에 경사시켜 접속되고, 그 내부에는, 격실(30) 내의 굴삭 토사를 반송하기 위한 반송 수단으로서 스크루 컨베이어(42)가 설치되어 있다. 스크루 컨베이어(42)는, 중심축의 둘레에 나선 형상으로 형성된 블레이드를 갖는 구조로 되어, 도시하지 않은 모터 등에 의해 중심축을 중심으로 하여 회전함으로써 연속하는 블레이드를 따라서 굴삭 토사를 후방으로 반송한다.

또한, 이 굴삭 장치는, 1차 복공을 위한 세그먼트를 자동으로 조립하는 세그먼트 조립 장치(43)도 구비한다. 세그먼트 조립 장치(43)는, 신축하고, 전후 이동하고, 선회하는 아암 및 그립을 구비하고 있고, 원호 형상의 세그먼트를 둘레 방향으로 연속 설치함으로써 터널 내면을 덮는 세그먼트 링을 구축한다. 또한, 굴삭 장치는, 실드 잭(44)을 구비하고, 이 실드 잭(44)이, 이미 고정된 세그먼트의 단부를 눌러 굴삭 장치를 전방으로 이동시킨다. 이에 의해, 그 고정된 세그먼트와의 앞에 공간이 형성되고, 그 공간에 있어서, 다시 세그먼트 조립 장치(43)가 전체 둘레에 걸쳐 세그먼트 링을 구축한다. 이것을 반복함으로써, 터널축 방향으로 연장되는 실드 터널을 구축할 수 있다.

또한, 굴삭 장치는, 아티큐레이트 잭(45)을 더 구비하여, 굴진 방향을 변경할 수 있도록 되어 있다. 이들 잭은, 모두 유압식 잭으로 할 수 있고, 작동유에 압력을 가하여 유압 회로로 송출하는 유압 펌프와, 유압 펌프로부터 얻은 유압력을 회전 운동으로 변환하는 유압 모터와, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 유압 실린더를 포함하여 구성할 수 있다. 굴진 방향은, 그 방향에 대하여 좌우로 설치되는 아티큐레이트 잭(45)의 한쪽의 유압 실린더를 신장하고, 다른 쪽의 유압 실린더를 수축시킴으로써 변경할 수 있다.

굴삭 장치에는 포함되지 않지만, 이 굴삭 장치의 후방에는, 케이싱(41)에 연속하여 진흙 배출 펌프가 접속되거나, 케이싱(41)의 단부에 게이트를 설치하고, 게이트로부터 벨트 컨베이어에 토사를 옮기거나 하여, 굴삭 토사를 터널 밖으로 배출할 수 있다.

이 굴삭 장치의 후방에는, 대차에 적재된 전원 트랜스포머, 대차에 적재된 케이블 릴 등이 배치된다. 케이블 릴은, 배터리로부터의 전원을 전원 트랜스포머에 공급하기 위한 케이블을 수납하고 있고, 굴진에 의해 전원 트랜스포머가 이동할 때마다 인출된다.

도 3은 굴삭 장치의 제2 실시 형태를 도시한 단면도이다. 굴삭 장치를 구성하는 요소는, 도 2의 (b)에 도시한 제1 실시 형태와 마찬가지이므로 설명을 생략하고, 그 제1 실시 형태와는 상이한, 소직경 커터 헤드(23)를 회전시키는 구동 모터(36)의 설치 위치에 대해서만 설명한다. 또한, 소직경 커터 헤드(23)는, 외주 커터 헤드(20)에 형성된 개구를 폐쇄하도록 선회 베어링(35)에 의해 당해 외주 커터 헤드(20)에 회전 가능하게 지지된다. 이 때문에, 이 선회 베어링(35)은, 상기의 예에서 말하는 볼 베어링만으로 구성되고, 이 볼 베어링이 소직경 커터 헤드(23)의 외연과 외주 커터 헤드(20)의 개구 내벽 사이에 설치된다.

도 2에 도시한 제1 실시 형태에서는, 구동 모터(36)가, 외주 커터 헤드(20)에 설치된 수납 상자 내에 설치되어 있었지만, 도 3에 도시한 제2 실시 형태에서는, 격벽(32)에 설치되어 있다. 격벽(32)에는, 외주 커터 헤드(20)의 회전 중심으로부터 거리 A만큼 어긋난 위치를 소직경 커터 헤드(23)의 회전 중심으로 하여 중공 원통(37)이 설치되고, 그 내부에 소직경 커터 헤드(23)의 회전 중심에 선단부가 연결된 도시하지 않은 지지축이 통과되어, 소직경 커터 헤드(23)를 회전 가능하게 지지하고 있다. 이 지지축의 말단부에는, 외주가 기어 가공된 원반 형상 부재가 설치된다. 구동 모터(36)는, 회전 운동을, 이 구동 모터(36)에 연결된 피니언에 전달하고, 피니언을 그 기어와 맞물리게 하여 원반 형상 부재를 회전시킨다. 이에 의해, 원반 형상 부재의 회전에 수반하여 지지축이 회전하고, 이 지지축의 회전에 수반하여 소직경 커터 헤드(23)가 일정 방향으로 회전한다.

이와 같이 장치 본체의 격벽(32)에 구동 모터(36)를 구비함으로써, 소직경 커터 헤드(23)에 수납 상자를 설치하여 구동 모터(36)를 설치할 필요가 없어지고, 또한, 선회 베어링(35)의 구조도 간소한 것으로 되고, 그 결과, 외주 커터 헤드(20)의 구조가 간소해져, 경량으로 되므로, 소비 전력을 저감할 수 있고, 또한, 구동 모터(36)에의 전원의 접속 방법이나 보수가 용이해진다.

지금까지의 실시 형태에서는, 소직경 커터 헤드(23)의 외주 커터 헤드(20)에의 설치를, 선회 베어링(35)을 사용하여 행하고, 이에 의해, 견고한 지지력을 얻을 수 있었지만, 그다지 견고한 지지력을 필요로 하지 않는 경우, 이 선회 베어링(35)을 사용하지 않는 구조로 하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 3에 도시한 굴삭 장치에 있어서, 선회 베어링(35)이 없고, 간단히 중공 원통(37) 내에 지지축을 통과시킨 구성만으로 하고, 이들에 의해 소직경 커터 헤드(23)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.

그 결과, 외주 커터 헤드(20)의 구조가 더욱 간소해져, 경량으로 되므로, 소비 전력을 저감할 수 있고, 또한, 구동 모터(36)에의 전원의 접속 방법이나 보수가 용이해진다. 그러나, 견고한 지지력을 얻을 수 없기 때문에, 단단한 굴삭 대상물의 경우, 그 대상물에 소직경 커터 헤드(23)를 밀어 붙이면서 회전시킬 수 없는 경우가 있다. 이것으로는 적절하게 굴삭할 수 없다. 따라서, 소직경 커터 헤드(23)를 복수 구비하는 구성으로 하고, 그다지 강하게 압박하지 않아도 적절하게 굴삭할 수 있도록 할 수 있다.

그 구성을 도 4의 (a), (b)에 예시한다. 도 4의 (a), (b)에서는, 외주 커터 헤드(20)의 중앙부에, 당해 외주 커터 헤드(20)의 회전 중심을 중심으로 한 대략 원형의 개구(50)가 형성되고, 그 개구(50) 내에, 십자형의 회전판이 소직경 커터 헤드(23a, 23b)로서 2개 설치되어 있다. 이 회전판은, 4장의 직사각형의 판이 원형의 판에 90°마다 용접되거나 한 것이어도 된다.

이들 소직경 커터 헤드(23a, 23b)는, 일점쇄선으로 나타내어지는 궤적이 랩 하도록 배치되어 있어, 서로의 회전은 동조하고, 간섭을 방지하도록 제어된다. 따라서, 소직경 커터 헤드(23a, 23b)를 구성하는 블레이드끼리가 충돌하지 않도록 동일한 회전 속도로 제어된다. 소직경 커터 헤드(23a, 23b)의 각 직사각형 판의 표면에는, 복수의 커터 비트(25)가 배열되도록 설치되고, 개구(50)를 통하여 격실(30)로 보낼 수 있도록 되어 있다.

소직경 커터 헤드(23a, 23b)의 이면의 회전 중심에는, 지지축의 선단부가 연결되고, 외주 커터 헤드(20)의 회전 중심으로부터 거리 A만큼 어긋난 위치에, 이들의 회전 중심이 위치하도록 중공 원통(37a, 37b)이 설치되고, 그들 중공 원통(37a, 37b) 내를 각 지지축이 통과하도록 설치된다. 이에 의해, 소직경 커터 헤드(23a, 23b)를 회전 가능하게 지지할 수 있고, 또한, 거리 A를 소직경 커터 헤드(23a, 23b)의 회전 반경보다 작게 할 수 있다.

지지축의 말단부에는, 외주에 기어 가공된 링 형상 부재가 설치된다. 구동 모터(36a, 36b)는, 회전 운동을, 이 구동 모터(36a, 36b)에 연결된 피니언에 전달하고, 피니언과 그 기어를 맞물리게 하여, 지지축을 통하여 소직경 커터 헤드(23a, 23b)에 전달하여, 당해 소직경 커터 헤드(23a, 23b)를 일정 방향으로 회전시킨다.

외주 커터 헤드(20)는, 소직경 커터 헤드(23a, 23b)를 배치하는 부분에 그들을 수용할 수 있는 크기의 개구(50)가 뚫어져 있으면 되므로, 간소한 구조로 실현할 수 있고, 또한, 장치 본체에 구동 모터(36a, 36b)가 설치되므로, 구동원의 접속 방법이나 보수를 용이하게 할 수 있다.

이 굴삭 장치는, 단단한 지산 외에, 개량된 지산이나 구조물 등의 굴삭에 있어서도, 우수한 절삭성을 갖기 때문에, 예를 들면 기설의 단단한 터널벽을 직접 절삭하여, 하나로 합류하는 터널이나 2개로 분기하는 터널을 구축하는 것이 가능해진다. 기설의 터널벽에 대하여, 수직으로 절삭해 가는 경우 외에, 터널벽을 따르도록 조금씩 파고들어가도록 절삭하는 경우에도 대응 가능하다.

지금까지 본 발명의 굴삭 장치에 대하여 도면에 도시한 실시 형태를 참조하면서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 다른 실시 형태나, 추가, 변경, 삭제 등, 당업자가 상도할 수 있는 범위 내에서 변경할 수 있고, 어느 형태에 있어서도 본 발명의 작용ㆍ효과를 발휘하는 한, 본 발명의 범위에 포함되는 것이다. 따라서, 상술한 바와 같이, 회전판의 형상은, 원형 이외의 직사각형, 타원형, 십자형 등, 어떠한 형상이어도 되고, 볼 베어링 이외의 회전 지지 수단을 사용하는 것이 가능하다.

10 : 커터 슬릿
11 : 커터 비트
12 : 비트
13 : 디스크 커터
14 : 제2 커터 헤드
15 : 커터 슬릿
16 : 커터 비트
17 : 비트
18 : 회전식 절삭 장치
20 : 외주 커터 헤드
21 : 커터 슬릿
22 : 커터 비트
23, 23a, 23b : 소직경 커터 헤드
24 : 커터 슬릿
25 : 커터 비트
26 : 비트
30 : 격실
31 : 지지체
32 : 격벽
33 : 지지 베어링
34 : 구동 모터
35 : 선회 베어링
36, 36a, 36b : 구동 모터
37 : 중공 원통
40 : 스킨 플레이트
41 : 케이싱
42 : 스크루 컨베이어
43 : 세그먼트 조립 장치
44 : 실드 잭
45 : 아티큐레이트 잭
50 : 개구
60, 61, 62, 65 : 커터 스포크

Claims

터널을 굴삭하기 위한 굴삭 장치이며,
굴삭 대상물에 밀어 붙이면서 회전되는 원형의 개구를 갖는 회전 원판과,
상기 개구 내에 설치되며, 상기 회전 원판과는 별개로 회전 가능하게 된 회전판과,
상기 회전 원판 및 상기 회전판의 한쪽 면으로부터 돌출되도록 복수 설치되고, 상기 회전 원판 및 상기 회전판의 회전에 의해 상기 굴삭 대상물을 절삭하는 절삭 부재를 포함하고,
상기 회전 원판과 상기 회전판의 회전 중심이 어긋나 있고, 어긋남이 상기 회전판의 회전 반경보다 작게 되어 있는 것을 특징으로 하는, 굴삭 장치.
제1항에 있어서,
상기 굴삭 장치는, 상기 회전 원판을, 당해 회전 원판의 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전 지지 수단과, 상기 회전 원판에 동력을 전달하여, 상기 회전 원판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제1 구동 수단과, 상기 회전 원판의 상기 개구 내벽에, 상기 회전판의 외연을 상기 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제2 회전 지지 수단과, 상기 회전 원판의 상기 절삭 부재가 설치되는 면의 이면에, 상기 회전판에 동력을 전달하여, 상기 회전판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제2 구동 수단을 구비하는, 굴삭 장치.
제1항에 있어서,
상기 굴삭 장치는, 상기 회전 원판을, 당해 회전 원판의 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전 지지 수단과, 상기 회전 원판에 동력을 전달하여, 상기 회전 원판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제1 구동 수단과, 상기 회전판에 동력을 전달하여, 상기 회전판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제2 구동 수단과, 상기 회전 원판의 상기 개구 내벽에, 상기 회전판의 외연을 상기 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제2 회전 지지 수단을 구비하는, 굴삭 장치.
제1항에 있어서,
상기 굴삭 장치는, 상기 회전 원판을, 당해 회전 원판의 둘레 방향으로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전 지지 수단과, 상기 회전 원판에 동력을 전달하고, 상기 회전 원판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제1 구동 수단과, 상기 회전판에 동력을 전달하여, 상기 회전판을 상기 둘레 방향으로 회전시키는 제2 구동 수단을 구비하는, 굴삭 장치.
제4항에 있어서,
상기 굴삭 장치는, 복수의 상기 회전판과, 상기 회전판의 수와 동일한 수의 상기 제2 구동 수단을 구비하는, 굴삭 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전판의 회전 반경은, 상기 회전 원판의 직경의 1/6 내지 1/3로 되는, 굴삭 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전 원판과 상기 회전판의 회전 중심의 거리는, 상기 회전판의 회전 반경의 1/4 내지 3/4로 되는, 굴삭 장치.