(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体内に掘進方向に対してほぼ直交する回転軸線をもって回動自在に装着された中空の回転体と、該回転体を回転させる回転体駆動手段と、前記回転体に掘進方向に沿って移動自在に支持された移動体と、扇形状をなして該移動体に平行な複数のクランク軸を介して揺動自在に支持されると共に互いに密着した位置では該移動体と共に前記回転体内に収納可能な形状となる複数のカッタヘッドと、前記掘削機本体の前方領域にわたって該複数のカッタヘッドを個別に揺動させるカッタヘッド駆動手段と、を具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を掘削してトンネルを構築するシールド掘削機やトンネルボーリングマシンなどに適用されるトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なシールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが駆動回転自在に装着される一方、後部に複数のシールドジャッキが並設されると共にエレクタ装置が装着されて構成されている。このシールド掘削機を用いてトンネルを掘削形成する場合、カッタヘッドを回転させながら、シールドジャッキを伸長して既設のセグメントへの押し付け反力によって掘削機本体を前進させることで、前方の地盤を掘削する。そして、掘削土砂を外部に排出すると共に、エレクタ装置によってセグメントをトンネル壁面に組付けて所定長さのトンネルを構築していく。
【０００３】
近年、掘削形成するトンネルは長距離化の傾向にあり、シールド掘削機による掘削作業中にカッタヘッドに装着されたカッタビットが摩耗してしまうことがある。このカッタビットが摩耗すると、岩盤の掘削効率が低下してしまうので、掘削作業を停止して磨耗したカッタビットを交換しなければならない。上述した従来のシールド掘削機にあっては、まず、カッタビットを交換するシールド掘削機の前方の地点の地盤を薬液の注入や凍結などにより固化改良し、この地盤改良地点までトンネル掘削機を掘進させる。ここで、シールド掘削機を停止してチャンバ室内の掘削土砂を全て排出し、作業者がこのチャンバ室内に入ってカッタビットの交換作業、即ち、磨耗したカッタビットを取り外して新しいカッタビットを取付けている。
【０００４】
ところが、このシールド掘削機におけるカッタビットの交換作業にあっては、地盤の改良を行うために使用する薬液などに費用がかかって不経済であると共に、作業時間が長くかかってしまい作業性が良くない。また、作業者はチャンバ室内の狭い空間で作業を行うことなり、不自由な作業となって作業者にかかる負担が大きくなってしまうという問題がある。そこで、カッタヘッドを掘削機本体内に移動して、掘削機本体内でカッタビットの交換作業を行うようにしたものが提案されている。
【０００５】
図５に従来のシールド掘削機の正面視、図６に従来のシールド掘削機の概略縦断面を示す。
【０００６】
従来のシールド掘削機において、図５及び図６に示すように、円筒形状をなす掘削機本体101内には掘進方向に対してほぼ直交する回転軸線Ｏをもって中空の回転体102が回動自在となるように、上下の一対の回動軸103が軸受104によって支持されており、回動ジャッキ105によって回動可能となっている。この回転体102内には円筒形状の移動体106が掘進方向に沿って移動自在に嵌合しており、この移動体106は回転体102内に複数配設されたスライドジャッキ107によって前後に移動することができる。そして、この移動体106の前部には放射状のカッタヘッド108が固定され、このカッタヘッド108の各外端部には油圧ジャッキ109によって外方に出没自在な伸縮カッタ110が装着されている。このカッタヘッド108及び伸縮カッタ110の前面部にはそれぞれカッタビット111，112が固定されている。また、カッタヘッド108の後部にはリングギヤ113が固定されており、このリングギヤ113には移動体106に装着された駆動モータ114の駆動ギヤ115が噛み合っている。
【０００７】
また、掘削機本体101の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ116が並設されると共に、エレクタ装置117が装備されている。シールドジャッキ116は伸長して既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体101を前進させることができる。また、エレクタ装置117は既設トンネル内に搬入されたセグメントＳをトンネル内壁面に組み付けることで、トンネルを構築することができる。なお、図６にて、118は送水管、119は排泥管である。
【０００８】
従って、上述したシールド掘削機によってトンネルを掘削するには、スライドジャッキ107を伸長して移動体106を前進させ、且つ、油圧ジャッキ109を伸長して伸縮カッタ110を外方に突出させることで、カッタヘッド108を掘削機本体101の前方に位置させる。この状態で、まず、駆動モータ114によりカッタヘッド108を回転させながら、複数のシールドジャッキ116を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体101をを前進させる。すると、カッタヘッド108及び伸縮カッタ110に固定されたカッタビット111，112によって前方の地盤を破砕してトンネルを掘削する。
【０００９】
そして、磨耗したカッタビット111，112をの摩耗状況の検査あるいは交換を行うには、駆動モータ114など電気系統の配線や油圧系統の配線の切離し、送水管118と排泥管119の配管の切離し作業を行った後に、まず、油圧ジャッキ109を収縮することで伸縮カッタ110を内方に移動してカッタヘッド108内に収納してから、スライドジャッキ107を収縮することで移動体106を後退させ、カッタヘッド108及び伸縮カッタ110を回転体102内に収納した状態とする。次に、回動ジャッキ105を駆動することで回転体102をほぼ１８０度回動し、カッタヘッド108を掘削機本体101内で後方に向け、カッタビット111，112の摩耗状況の検査あるいは交換を行う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のシールド掘削機にあっては、カッタヘッド108及び伸縮カッタ110を回転体102内に収納する必要性から、このカッタヘッド108を放射状とし、先端部に出没自在な伸縮カッタ110を装着しており、カッタヘッド108に対して伸縮カッタ110の支持剛性が不十分となってしまう。そのため、大口径のトンネルを掘削する場合、カッタヘッド108及び伸縮カッタ110も径方向に長くなって更に支持剛性が不十分となってしまうという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するものであって、カッタヘッドの支持剛性を向上することで大口径のトンネルを掘削可能としたトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体内に掘進方向に対してほぼ直交する回転軸線をもって回動自在に装着された中空の回転体と、該回転体を回転させる回転体駆動手段と、前記回転体に掘進方向に沿って移動自在に支持された移動体と、扇形状をなして該移動体に平行な複数のクランク軸を介して揺動自在に支持されると共に互いに密着した位置では該移動体と共に前記回転体内に収納可能な形状となる複数のカッタヘッドと、前記掘削機本体の前方領域にわたって該複数のカッタヘッドを個別に揺動させるカッタヘッド駆動手段と、を具えたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の正面視、図２に本実施形態のシールド掘削機の概略縦断面、図３にカッタヘッドが密着状態にあるシールド掘削機の正面視、図４にカッタヘッドが収納状態にあるシールド掘削機の概略縦断面を示す。
【００１５】
本実施形態のシールド掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなし、この掘削機本体１１内には掘進方向に対してほぼ直交する回転軸線Ｏをもって中空の多面形をなす回転体１２が回動自在となるように、上下の一対の回動軸１３にそれぞれ軸受１４によって回動自在に支持されており、回転体駆動手段としての回動ジャッキ１５によって回動可能となっている。この回転体１２の内周面には同じく円筒形状をなす移動体１６が掘進方向に沿って移動自在に嵌合しており、この移動体１６は回転体１２内に複数配設されたスライドジャッキ１７によって前後に移動することができる。
【００１６】
そして、この移動体１６の前部には扇形状をなす複数（本実施形態では３つ）のカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃが揺動自在に支持されている。即ち、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃの複数の菱形開口を形成するように枠状に構成され、後部にクランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃの一端部が枢着され、クランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃの他端部は移動体１６に枢着されている。そして、移動体１６の後部にはカッタヘッド駆動手段としての複数の駆動モータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃが装着され、各駆動軸がこの各クランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃの他端部に連結されている。また、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃのカッタフェースにはそれぞれクロースビット２１と外周側ビット２２とルーフビット２３が取付けられている。
【００１７】
従って、図３に示すように、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃが中央部に位置し、互いに密着した状態では、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃは移動体１６の外径とほぼ同じになり、スライドジャッキ１７を収縮して移動体２２を後退させることで、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを移動体１６と共に回転体１２内に収納することができる。また、駆動モータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃによりクランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃを介してカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを揺動すると、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃは掘削機本体１１の前方領域のほぼ全域にわたって揺動することができ、掘削機本体１１とほぼ同径のトンネルを掘削することができる。
【００１８】
なお、回転体１２の後部には作業者がこの回転体１２の内部に出入りする開閉扉２４が設けられると共に、掘削機本体１１には開閉扉２４に対向して開閉扉２５が設けられている。また、掘削機本体１１の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ２６が並設されると共に、エレクタ装置２７と真円保持装置２８が装備されている。シールドジャッキ２６は伸長駆動して掘削したトンネル内周面に組付けられた既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進させることができる。また、エレクタ装置２７は既設トンネルの周方向及び径方向に移動自在であり、既設トンネル内に搬入されたセグメントＳを把持し、所定の位置に移動して既設トンネルの内壁面にセグメントＳを組み付けることでトンネルを構築することができる。そして、真円保持装置２８はリング状に与付けられたセグメントＳの真円状に保持するものである。
【００１９】
また、掘削機本体１１の前部にはカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃと回転体１２との間にチャンバ室２９が形成されており、スクリューコンベヤ３０の前端部がこのチャンバ室２９に開口している。なお、このスクリューコンベヤ３０は連結部３０ａで前部と後部とを分離することができる。
【００２０】
ここで、上述した本実施形態のシールド掘削機によるトンネル掘削作業について説明する。
【００２１】
図１及び図２に示すように、スライドジャッキ１７を伸長して移動体１６を前進させることで、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを掘削機本体１１の前方に位置させる。この状態で、まず、駆動モータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃによりクランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃを介してカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを揺動させながら、複数のシールドジャッキ２６を伸長し、既設のセグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させる。この場合、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃは掘削機本体１１の前方の領域内を１／３づつ揺動し、ほぼ全域にわたって揺動することとなる。すると、各カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃは掘削機本体１１の前方全域を揺動し、各ビット２１，２２，２３が前方の地盤を破砕し、掘削機本体１１とほぼ同径のトンネルを掘削することができる。
【００２２】
そして、各ビット２１，２２，２３によって掘削された土砂はチャンバ２９に取り込まれ、スクリューコンベヤ３０によって外部に排出される。次に、シールドジャッキ２６の何れか一つを縮み方向に作動して既設のセグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置２７によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００２３】
このようなシールド掘削機による掘削作業を長期間継続すると、各ビット２１，２２，２３が磨耗するため、その摩耗状況を検査して磨耗が激しい場合には交換する必要がある。この場合、まず、駆動モータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃによるカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃの揺動を停止し、このカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを、図３に示すように、中央部に円盤状に密着して位置させる。そして、シールドジャッキ２６の駆動を停止し、作業者が開閉扉２４，２５を開けて回転体１２内の作業室に入り、ここで、駆動モータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃなど電気系統の配線や油圧系統の配線の切離し、スクリューコンベヤ３０の前部を連結部３０ａで分離する。
【００２４】
そして、図４に示すように、スライドジャッキ１７を収縮することで移動体１６を後退させ、中央部に密着して位置したカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを回転体１２内に収納する。次に、回動ジャッキ１５を駆動することで、回転体１２をほぼ１８０度回動し、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを掘削機本体１１内で掘進方向後方に向ける。従って、作業者は切羽に出ることなく、掘削機本体１１内で各ビット２１，２２，２３の摩耗状況の検査を行い、必要に応じて新しいビットと交換することができる。
【００２５】
その後、各ビット２１，２２，２３の検査作業や交換作業が完了すると、再び、回動ジャッキ１５を用いて回転体１２を１８０度回動し、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを掘削機本体１１内で掘進方向前方を向いた元の位置に戻す。そして、スライドジャッキ１７を伸長することで移動体１６を前進させ、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを回転体１２から前方に突出させ、図１及び図２に示すように、掘進可能な状態とする。そして、前述と同様に、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを揺動して前方の地盤を掘削し、トンネルを形成していく。
【００２６】
このように本実施形態のシールド掘削機にあっては、掘削機本体１１内に回転体１２を回動自在に支持し、回転体１２内に移動体１６を移動自在に支持し、移動体１６にカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを装着してこの移動体１６と共に回転体１２内に収納可能としたことで、回転体１２内にこのカッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを収納した状態で１８０度回動するだけで、作業者が切羽に出ることなく、掘削機本体１１内で各ビット２１，２２，２３の摩耗状況の検査や交換作業を行うことができる。そして、この場合、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを複数の菱形開口を形成するように扇形状をなす枠状に構成し、クランク軸１９ａ，１９ｂ，１９ｃによって揺動可能としたことで、回転体１２内に収納可能であると共に支持剛性を向上することができ、大口径のトンネルであっても、カッタヘッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃによって掘削機本体１１の前方領域を全て掘削して好適なトンネルを掘削することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明のトンネル掘削機によれば、筒状の掘削機本体内に掘進方向に対してほぼ直交する回転軸線をもって回動自在な中空の回転体を装着すると共に、この回転体に掘進方向に沿って移動自在な移動体を支持し、扇形状をなしてこの移動体に揺動自在に支持されると共に互いに密着した位置では移動体と共に回転体内に収納可能な形状となる複数のカッタヘッドを設け、カッタヘッド駆動手段によりこの複数のカッタヘッドを掘削機本体の前方領域にわたって揺動させるようにしたので、回転体内にカッタヘッドを収納した状態で所定角度回動するだけで、作業者は切羽に出ることなく掘削機本体内でカッタビットの摩耗状況の検査や交換作業を行うことができ、作業性の向上を図ることができると共に、カッタヘッドの支持剛性を向上して大口径のトンネルであっても掘削機本体の前方領域を全て掘削して好適なトンネルを掘削することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機としてのシールド掘削機の正面図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の概略縦断面図である。
【図３】カッタヘッドが密着状態にあるシールド掘削機の正面図である。
【図４】カッタヘッドが収納状態にあるシールド掘削機の概略縦断面図である。
【図５】従来のシールド掘削機の正面図である。
【図６】従来のシールド掘削機の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１１  掘削機本体
１２  回転体
１３  回動軸
１５  回動ジャッキ（回転体駆動手段）
１６  移動体
１７  スライドジャッキ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  カッタヘッド
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ  クランク軸
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  駆動モータ（カッタヘッド駆動手段）
２１  クロースビット
２２  外周側ビット
２３  ルーフビット
２６  シールドジャッキ（推進ジャッキ）
Ｏ  回転軸線
【図１】
0003716099.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003716099.tif 000004
【図４】
0003716099.tif 000005
【図５】
0003716099.tif 000006
【図６】
0003716099.tif 000007