【手続補正書】
【提出日】平成17年2月1日(2005.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  シールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  掘削土砂を一旦土砂取込室内に取り込んだ後に切羽の土圧水圧を保ちつつ坑内に移送する掘削機本体と、該掘削機本体の外側面に突設された裏込材注入装置とを備えたシールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置であって、上記掘進機本体内に、上記裏込材注入装置の前方に位置させて、掘進機本体の掘進停止時に掘進機本体の外側面から回転しながら突出する先行カッタを設けると共に、その先行カッタで掘削された土砂の近傍に液体を噴射して掘削土砂を上記土砂取込室内に取り込むことなく押し流す洗浄管を設けたことを特徴とするシールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
図６に示すように、シールド掘進機１は、筒状のシールドフレーム２を有する掘進機本体３と、シールドフレーム２内を前後に仕切る隔壁４と、隔壁４に取り付けられたカッタ５とを備え、カッタ５によって掘削された切羽８の掘削土砂を一旦隔壁４前方の土砂取込室６に取り込んだ後、掘進機本体３の前進に応じて土砂取込室６内の掘削土砂を坑内７に移送し、切羽８の土圧水圧の安定を保っている。掘進機本体３の前進は、シールドフレーム２内に設けた推進ジャッキ（図示せず）を、既設セグメント９の端部に押し付けて反力をとって行う。セグメント９は、シールドフレーム２内に設けたエレクタ（図示せず）によってリング状に組み立てられる。
【０００３】
かかるシールド掘進機１においては、シールドフレーム２の内側でセグメント９を組み立てるため、カッタ５によって掘削された掘孔（シールドフレーム２と略同径の孔）と既設セグメント９との間に隙間が生じる。よって、その隙間にモルタル等の裏込材１０を注入して充填し、側部地山の崩落を防止すると共に既設セグメントの位置を固定している。裏込材１０は、シールドフレーム２の外側面に突設された裏込材注入装置１１から後方に注入され、上記隙間に充填される。
【０００４】
この裏込材注入装置１１は、シールドフレーム２の外側面から突出しているものの、通常の地山であれば掘進機本体３の前進を妨げるような大きな抵抗となることはない。しかし、地中に設置された中間立坑や到達立坑用の掘削可能壁１２（モルタルに炭素繊維を分散させたもの等）を掘り抜く際には、カッタ５によって掘り抜かれた掘削可能壁１２の孔１２ａの縁部に裏込材注入装置１１が引っ掛かり、掘進機本体３の前進が妨げられる。そして、この状態で無理に前進すると、裏込材注入装置１１の破損を招く。
【０００５】
この対策として、図７に示すように、裏込材注入装置１１の前方に、シールドフレーム２の外側面から回転しながら突出する先行カッタ１３を設けたものが提案されている。先行カッタ１３は、通常、シールドフレーム２内に設けられた収納ケース１４内に収容されており、当該先行カッタ１３が掘削可能壁１２の穴１２ａに対向したとき、掘進機本体３の掘進が停止され、収納ケース１４から回転しながら突出される。
【０００６】
先行カッタ１３は、その上下面を連通する取込口１５を有し、掘削した掘削可能壁１２の掘削破片（掘削土砂）を取込口１５から下方の収納ケース１４に導く。その後、収納ケース１４内の掘削土砂は、ケース１４に接続された注泥管１６から供給された泥水によってスラリーとなった後、ケース１４に接続された連絡管１７を介して土砂取込室６に移送される。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このように先行カッタ１３で掘削した掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）を掘進機本体３の土砂取込室６内に導くと、掘進停止中における土砂取込室６内の土圧水圧が変化し、切羽８が不安定となる可能性がある。特に、土砂取込室６内に坑内７側から泥水を供給し、カッタ５で掘削された土砂と混合させ、それを坑内７側に排出する泥水式シールドにおいては、土砂取込室６内に掘削可能壁１２の破片を混ぜると、土砂取込室６内における泥水の濃度が変化して切羽８が不安定となり易い。
【０００８】
また、図７のタイプのように、先行カッタ１３で掘削した掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）を土砂取込室６内に移送するには、先行カッタ１３にその掘削土砂を収納ケース１４に導くための取込口１５を形成しなければならない上、収納ケース１４内の掘削土砂を土砂取込室６に導くための連絡管１７が必要となるため、装置全体が複雑大型化する。このため、機内における占有スペースが大きくなり、主構造の変更や他の機内装備品の設置位置の変更等が必要となる。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、掘削中に切羽を安定に保つことができると共に装置の小型化を図ったシールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、掘削土砂を一旦土砂取込室内に取り込んだ後に切羽の土圧水圧を保ちつつ坑内に移送する掘削機本体と、該掘削機本体の外側面に突設された裏込材注入装置とを備えたシールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置であって、上記掘進機本体内に、上記裏込材注入装置の前方に位置させて、掘進機本体の掘進停止時に掘進機本体の外側面から回転しながら突出する先行カッタを設けると共に、その先行カッタで掘削された土砂の近傍に液体を噴射して掘削土砂を上記土砂取込室内に取り込むことなく押し流す洗浄管を設けたものである。
【００１１】
本発明によれば、側部地山（掘削可能壁等）を掘削するときには、掘進機本体の掘進を停止させた状態で、先行カッタを回転させながら突出させ、同時に洗浄管から液体を噴射する。すると、先行カッタによって裏込材注入装置の前方の側部地山（掘削可能壁等）が掘削され、その掘削土砂が洗浄管から噴射された液体によって土砂取込室内に取り込まれることなく押し流される。よって、土砂取込室内の土圧水圧が変化することはなく、切羽を安定に保つことができる。また、先行カッタの掘削土砂を土砂取込室に導くための連絡管等が不要となるため、装置の小型化を図ることができる。
【発明の実施の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１３】
図１に示す本実施形態にかかる先行カッタ装置２０が装着された掘進機本体３は、既述の図６に示す掘進機本体３と同様の構成となっている。すなわち、掘進機本体３は、筒状に形成されたシールドフレーム２と、シールドフレーム２内を前後に仕切る隔壁４と、隔壁４に取り付けたカッタ５とを有し、カッタ５によって掘削した切羽８の土砂を一旦隔壁４前方の土砂取込室６に取り込み、掘進機本体３の前進に応じて土砂取込室６内から坑内７に移送し、切羽８の土圧水圧の安定を保つ。
【００１４】
掘進機本体３の前進は、シールドフレーム２内に設けた推進ジャッキ（図示せず）を、既設セグメント９の端部に押し付けて反力をとって行う。セグメント９は、シールドフレーム２内に設けたエレクタ（図示せず）によってリング状に組み立てられる。シールドフレーム２の外側面には、裏込材注入装置１１が突設されている。裏込材注入装置１１は、カッタ５による掘孔と既設セグメント９との間隙にモルタル等の裏込材１０を充填し、側部地山の崩落を防止し、既設セグメント９の設置位置を安定させる。
【００１５】
このようなシールド掘進機１には、図１に示すように、裏込材注入装置１１の前方に位置させて、側部地山を掘削するための先行カッタ２１が備えられている。詳しくは、シールドフレーム２には、裏込材注入装置１１の前方に位置させて、先行カッタ２１が出没する穴２２が開口されており、その穴２２には、先行カッタ２１を収容する有底筒体状の収容ケース２３が、シールドフレーム２の内面に取り付けられている。収容ケース２３内の先行カッタ２１は、支持軸２４を介してモータ２５に接続されており、回転駆動される。
【００１６】
モータ２５の支持フレーム２６は、収容ケース２３との間に介設されたアクチュエータ２７（シリンダ、ネジ送り機構等）及びガイドロッド２８によって、収容ケース２３に対して近接離間する。これにより、図２に示すように、先行カッタ２１が開口から突出する。突出高さは少なくとも裏込材注入装置１１の高さ以上に設定されている。突出の際にモータ２５を駆動すれば、先行カッタ２１は回転しながら突出することになる。
【００１７】
収容ケース２３には、図１に示すように、収容状態の先行カッタ２１の上方に位置させて、ケース２３を開閉するシャッタ２９が設けられている。シャッタ２９は、図示しないシリンダ等のアクチュエータによって開閉され、通常時には閉じられ、側部地山（掘削可能壁１２等）を掘削するときに開かれる。通常掘進時に土砂が収容ケース２３内に入り込んで圧密され、先行カッタ２１が突出不能となったり回転不能となることを防止するためである。
【００１８】
収容ケース２３には、ドレン管３０が接続されている。ドレン管３０は、シャッタ２９を閉じたとき止水が万全であるか否かをチェックするものであり、その先端が坑内７に導かれている。即ち、ドレン管３０は、例えば、先行カッタ２１を交換するときにシャッタ２９を閉じるが、このとき止水が完全であるかチェックするために用いられる。ドレン管３０には、開閉弁３１が介設されており、この開閉弁３１は、通常時には閉じられ、シャッタ２９の止水をチェックするときに開かれる。
【００１９】
先行カッタ２１は、図３に示すように、下面に上記支持軸２４が取り付けられる円板３２と、円板３２の上面に放射状に取り付けられた排出リブ３３と、排出リブ３３の上面に取り付けられたビット３４とを有する。各ビット３４は、径方向に適宜ずらして配置され、円板３２の回転に伴って、地中に設置された中間立坑や到達立坑用の掘削可能壁１２（モルタルに炭素繊維を分散させたもの等）を掘削する。掘削された掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）は、円板３２の回転に伴って、排出リブ３３によって径方向外方へ排出される。
【００２０】
先行カッタ２１で掘削された土砂の近傍には、図２に示すように、シールドフレーム２内に設けられた洗浄管３５から、液体が噴射されるようになっている。洗浄管３５は、先行カッタ２１の近傍のシールドフレーム２に穿孔された穴３６に斜めに装着されており、ポンプ３７で加圧された液体を先行カッタ２１へ向けて噴射する。噴射方向は、図３にも示すように、先行カッタ２１の回転方向に沿った方向である。掘削土砂を先行カッタ２１の回転遠心力と相俟って効果的に押し流すためである。
【００２１】
なお、洗浄管３５の液体噴射方向は、先行カッタ２１に付着した土砂を洗い流すという観点からは、先行カッタ２１の回転方向と対向する方向（図例と逆方向）としてもよい。また、噴射される液体は、泥水式シールドに用いられる泥水や、通常の水等が用いられるが、掘削可能壁１２の掘削を補助するための研磨粒が混合された水（泥水）を用いてもよい。
【００２２】
本実施形態の作用を述べる。
【００２３】
掘進機本体３の通常掘進時には、図１に示すように、シャッタ２９を閉じておく。土砂が収容ケース２３内に入り込んで圧密され、先行カッタ２１が突出不能となったり回転不能となることを防止するためである。そして、ドレン管３０の開閉弁３１、洗浄管３５の開閉弁３６は、共に閉じられている。
【００２４】
掘進機本体３が、図４(a)に示すように、地中に設置された中間立坑や到達立坑用の掘削可能壁１２（モルタルに炭素繊維を分散させたもの等）を掘削するときには、先行カッタ２１が掘削可能壁１２の穴１２ａに対向するまではシャッタ２９を閉じ、半分程度対向したならば開く。そして、ドレン管３０の開閉弁３１は閉じたまま、洗浄管３５の開閉弁３６を開き、掘進機本体３の掘進を停止する。
【００２５】
その後、図４(b)に示すように、掘進機本体３の掘進を停止させた状態で、先行カッタ２１を回転させながら突出させ、裏込材注入装置１１の前方の側部地山（掘削可能壁１２）を掘削し、同時に、洗浄管３５から液体を噴射する。すると、先行カッタ２１で掘削された掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）は、洗浄管３５から噴射された液体によって押し流され、掘進機本体３の土砂取込室６内に取り込まれることはない。よって、土砂取込室６内の土圧水圧が変化することはなく、切羽８を安定に保つことができる。
【００２６】
すなわち、掘進機本体３の掘進停止時には、掘進機本体３のカッタ５が停止しており土砂取込室６には新たな掘削土砂が入ってくることはなく切羽８の土圧水圧が変化しない安定状態となっているが、ここに図７のタイプのように先行カッタ１３の掘削土砂（掘削可能壁１２の破片）が連絡管１７を介して導かれると、掘進停止中における土砂取込室６内の土圧水圧が変化し、切羽８が不安定となる可能性がある。特に、土砂取込室６内に坑内７側から泥水を供給し、カッタ５で掘削された土砂と混合させ、それを坑内７側に排出する泥水式シールドにおいては、土砂取込室６内の泥水に掘削可能壁１２の破片を混ぜると、土砂取込室６内の泥水の濃度が変化して切羽８が不安定となり易い。
【００２７】
これに対し、本実施形態によれば、図２に示すように、先行カッタ２１で掘削した掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）を、土砂取込室６内に取り込むことなく、洗浄管３５から噴射された液体によってシールドフレーム２の外に押し流しているので、先行カッタ２１による掘削可能壁１２の切削中に土砂取込室６内の土圧水圧が変化することはなく、切羽８を安定に保つことができるのである。また、洗浄管３５から噴射された液体によって先行カッタ２１のビット３４が洗浄されるため、各ビット３４間に土砂が詰まって掘削能力が低下することも回避できる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、図７のタイプのように、先行カッタ１３（２１）の掘削土砂を掘進機本体３の土砂取込室６に導かないので、導くための連絡管１７が不要となると共に、先行カッタ１３にその上下を連通する取込口１５を形成する必要もなくなる。よって、装置２０全体の小型化を図ることができる。従って、相対的に機内における装置２０の占有スペースが小さくなり、主構造の変更や他の機内装備品の設置位置の変更等が不要となって、既存のシールド掘進機に後付することが可能となる。また、本実施形態の先行カッタ２１は、取込口１５を形成しないので強度が図７のタイプよりも向上し、土砂よりも硬い掘削可能壁１２を掘削するために有利となる。
【００２９】
その後、図４(b)のように、先行カッタ２１が所定ストローク突出してその部分の掘削可能壁１２を掘削したならば、図４(c)に示すように、先行カッタ２１を没入させる。そして、図４(d)に示すように、掘進機本体３を、先行カッタ２１が再び半分程度掘削可能壁１２の穴１２ａに対向するまで、掘進させて停止する。以降、図４(e)、図４(ｆ)と先行カッタ２１によって掘削可能壁１２を掘削し、同様の手順によって裏込材注入装置１１の前方の掘削可能壁１２を掘削する。
【００３０】
変形実施形態を図５に示す。
【００３１】
図示するように、この実施形態は、基本的構成が前実施形態と同様であるため同一の部品には同一の符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。相違点は、先行カッタ２１と裏込材注入装置１１との間に、先行カッタ２１で掘削された掘削可能壁１２の破片（掘削土砂）をシールドフレーム２内に取り込むための取込管４０を、設けた点である。取込管４０は、シールドフレーム１の内外を貫通する穴４１に取り付けられている。穴４１は、図３に示すように、洗浄管３５からの液体の送水方向と逆方向に設定されており、掘削土砂を効率よく取り込むようになっている。
【００３２】
すなわち、洗浄管３５から先行カッタ２１の回転方向に沿って噴射された液体は、先行カッタ２１の前方の掘削可能壁１２の未掘削の部分で偏向されてＵターンし、送水方向と逆方向に排出されるため、その排出方向に穴４１を設けることで、液体によって押し流された掘削土砂が穴４１の近傍に案内され、側部土圧に押されて穴４１内に取り込まれるのである。穴４１から取込管４０に取り込まれた掘削土砂は、土砂取込室６内に導かれることなく坑内７に排出される。取込管４０には、通常閉じられ先行カッタ２１を作動させるときに開かれる開閉弁４２が介設されている。
【００３３】
本実施形態においても前実施形態と同様に作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように本発明に係るシールド掘進機の裏込材注入装置用の先行カッタ装置によれば、掘削中に切羽を安定に保つことができると共に、装置全体の小型化を推進できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】
本発明の一実施形態に係る先行カッタ装置の説明図（収納状態）であり、(a)は平面図、(b)は側断面図である。
【図２】
上記先行カッタ装置を作動させたときの説明図であり、(a)は平面図、(b)は側断面図である。
【図３】
上記先行カッタの拡大図である。
【図４】
上記先行カッタによって掘削可能壁を掘削するときの工程図である。
【図５】
別の実施形態を示す先行カッタの説明図（収納状態）であり、(a)は平面図、(b)は側断面図である。
【図６】
シールド掘進機の説明図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【図７】
本発明と対比するための先行カッタ装置の説明図であり、(a)は平面図、(b)は側断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
３  掘削機本体
６  土砂取込室
７  坑内
８  切羽
１１  裏込材注入装置
２０  先行カッタ装置
２１  先行カッタ
３５  洗浄管