(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体の前面部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドに対して該カッタヘッドの外周部に外方に出没自在に装着された余堀装置において、箱型形状をなすサドルケース内にディスクカッタが回転軸によって回転自在に装着され、該サドルケースが前記カッタヘッドの外周部に配設され、該サドルケースの一側部が前記回転軸と平行で且つ掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持される一方、他側部が前記カッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結されたことを特徴とする余掘装置。
【請求項２】
請求項１記載の余堀装置において、前記サドルケースは、前面部及び後面部が前記カッタヘッドに設けられた前後一対の案内面によって摺動自在に支持されたことを特徴とする余掘装置。
【請求項３】
筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進手段と、前記掘削機本体の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドの前面部に装着された複数の第１ディスクカッタと、前記カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記カッタヘッドの外周部に配設されて一側部が前記掘削機本体の掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持された箱型形状をなすサドルケースと、該サドルケース内に前記支持軸と平行な回転軸によって回転自在に装着された第２ディスクカッタと、前記カッタヘッドに装着されて駆動ロッドの先端部が前記サドルケースの他側部に連結されることで前記第２ディスクカッタを出没自在とする油圧ジャッキとを具えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】
掘削機本体の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転しながら該掘削機本体を前進させることで、該カッタヘッドの前面部に装着された複数の第１ディスクカッタが前方の地盤を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削方法において、箱型形状をなして内部に第２ディスクカッタが回転軸によって回転自在に装着されたサドルケースが前記カッタヘッドの外周部に配設されて一側部が掘進方向にほぼ沿った支持軸によって枢着される一方、他側部が前記カッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結されており、前記第１ディスクカッタによる地盤掘削に伴って該油圧ジャッキを駆動して前記第２ディスクカッタを出没させることで余堀りを行って所定断面のトンネルを掘削することを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異形断面形状のトンネルを掘削したり、掘進方向制御を行うためなどに適用される余堀装置、並びに、この余堀装置を具備したトンネル掘削機、トンネル掘削方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
一般的なトンネル掘削機は円筒形の掘削機本体の前部に円形のカッタヘッドが回転自在に装着されてなり、このカッタヘッドに装着された駆動モータによってカッタヘッドを旋回させながら、掘削機本体を前進させることで、地盤を掘削してトンネルを構築するものである。
【０００３】
ところで、掘削形成するトンネルは、地下鉄が走行するためのものの他に、駅の地下道や下水道などとして用いられるものがあり、そのトンネルの断面は円形のみならず、楕円形や四角形、馬蹄形などとなっている。ところが、このような円形以外の異形断面のトンネルは上述したようなトンネル掘削機で掘削形成することはできない。そのため、異形断面のトンネルを形成するには、トンネル掘削機にて円形断面のトンネルを形成し、その後、トンネル内壁部を作業者の手掘りによって掘削し、異形断面のトンネルを形成していた。
【０００４】
ところが、作業者の手堀りによるトンネルの掘削作業は重労働であると共に、作業時間が長くかかってしまい、作業性がよくないという問題があり、異形断面のトンネルを掘削するトンネル掘削機が各種提案されている。
【０００５】
【従来の技術】
図５に従来の余堀装置を具備したシールド掘削機の概略、図６に従来の余堀装置の正面視、図７に図６のVII−VII断面、図８に従来の別の余堀装置を表すシールド掘削機の正面視を示す。
【０００６】
図５に示すように、従来の余堀装置を具備したシールド掘削機において、掘削機本体は前胴101と後胴102とからなり、この前胴101と後胴102とは球面軸受103によって屈曲自在に連結されると共に、両者の間には連結ジャッキ104が架設されている。この前胴101の前部にはカッタヘッド105が回転自在に装着されており、このカッタヘッド105の前面には多数のディスクカッタ106が装着されている。そして、カッタヘッド105にはリングギア107が固定される一方、前胴101には旋回モータ108が取付けられ、この旋回モータ108の駆動ギア109がこのリングギア107に噛み合っている。従って、旋回モータ108を駆動して駆動ギア109を回転駆動すると、リングギア107を介してカッタヘッド105を回転することができる。
【０００７】
また、前胴101にはカッタヘッド105の後方に位置してバルクヘッド110が取付けられており、カッタヘッド105とこのバルクヘッド110との間にはチャンバ室111が形成されている。そして、このチャンバ室111には一端がシールド掘削機の外部に延設された送泥管112及び排泥管113の他端が開口している。なお、バルクヘッド110には機内からチャンバ室111側に出るためのマンロック114が設けられている。
【０００８】
後胴102の内周面には円周方向に複数のシールドジャッキ115が並設されており、このシールドジャッキ115のスプレッダ116がシールド掘削機の掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により前胴101及び後胴102を前進することができる。また、後胴102にはリング状の固定板117が固定され、この固定板117には旋回リング118が旋回自在に支持され、モータ119によって駆動回転可能となっている。そして、この旋回リング118にセグメントエレクタ120が装着されている。このセグメントエレクタ120は、シールドジャッキ115によって前進した前胴101及び後胴102と既設のセグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着してトンネルを構築するものである。
【０００９】
このように構成されたシールド掘削機において、カッタヘッド105の外周部にはトンネルの壁面を余掘りするための余堀装置201が装着されている。即ち、図５乃至図７に示すように、カッタヘッド105を構成するカッタヘッドフレーム202には支持筒203が固定され、この支持筒203内にはサドルケース204が移動自在に支持されており、このサドルケース204内には回転軸205によってカッタディスク206が回転自在に支持されている。また、カッタヘッドフレーム202には取付ブラケット207によって油圧ジャッキ208が装着されており、この油圧ジャッキ208の駆動ロッド209の先端部は連結部210によってサドルケース204に連結されている。従って、油圧ジャッキ208を駆動して駆動ロッド209を伸縮駆動することで、サドルケース204を介してカッタディスク206をカッタヘッド105から出没させることができる。
【００１０】
従って、トンネルを掘削形成するには、まず、旋回モータ108によってカッタヘッド105を回転させながら、複数のシールドジャッキ115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前胴101及び後胴102を前進させることで、カッタヘッド105の多数のディスクカッタ106が前方の地盤を掘削する。そして、ディスクカッタ106によって掘削された土砂はチャンバ室111内に取り込まれ、送泥管112から給水された水と共に排泥管113により外部に排出される。次に、シールドジャッキ115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、セグメントエレクタ120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。
【００１１】
そして、カッタヘッド105に装着された多数のディスクカッタ106が掘削したトンネルに対して余掘りが必要である場合には、カッタヘッド105を回転しながら、余堀装置201の油圧ジャッキ208を駆動し、駆動ロッド209を必要に応じて伸縮駆動する。すると、サドルケース204と共にカッタディスク206がカッタヘッド105から出没することとなり、このカッタディスク206によってトンネルの壁面を余掘りしてカッタヘッド105よりも外方の地盤を掘削し、楕円断面や矩形断面形状などのトンネル掘削することができる。
【００１２】
また、従来の余堀装置としては、余堀装置201の他に図８に示すものがある。即ち、図８に示すように、従来の余堀装置301において、カッタヘッド302の前面に設けられたカッタスポーク303をヒンジピン304によって回動自在とすると共に、油圧ジャッキ305によって回動可能とし、このカッタスポーク303に前方地盤掘削用のカッタディスク306と余掘り用のカッタディスク307を装着している。
【００１３】
従って、油圧ジャッキ306を伸縮駆動することで、カッタスポーク303を介してカッタディスク306，307がカッタヘッド302から出没することとなり、このカッタディスク307によってトンネルの壁面を余掘りしてカッタヘッド302よりも外方の地盤を掘削し、楕円断面や矩形断面形状などのトンネル掘削することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の余堀装置を具備したシールド掘削機にあっては、種々の問題があった。シールド掘削機は、前述したように、カッタヘッド105の多数のディスクカッタ106が前方の地盤を掘削すると、掘削土砂がカッタヘッド105に形成された図示しない開口部からチャンバ室111内に取り込まれる。そのため、このカッタヘッド105の開口部から掘削土砂、例えば、礫や岩石などを取り込みやすいように、カッタヘッド105の後方、即ち、ディスクカッタ106の後部には何も配設せずに空間部であることが望ましい。ところが、従来の余堀装置201にあっては、サドルケース204の後方にカッタディスク206を外方に出没させるための油圧ジャッキ208が位置しており、この油圧ジャッキ208が掘削土砂をチャンバ室111に取り込む際の邪魔となってしまう。また、カッタディスク206は油圧ジャッキ208の駆動によってカッタヘッド105の径方向外方に突出するが、この場合、カッタディスク206の突出方向と掘削機自体の掘削方向とが異なる。そのため、このカッタディスク206には大きな掘削反力が作用することとなり、油圧ジャッキ208を大型化せざるを得ない。
【００１５】
また、この従来の余堀装置301にあっては、油圧ジャッキ306を駆動して余掘り用のカッタディスク307をカッタヘッド302から突出させるときに、前方地盤掘削用のカッタディスク306をも移動させることとなり、前述した余堀装置201以上に油圧ジャッキ305を大型化しなければならない。更に、この余堀装置301では、異なる目的のカッタディスク306，307をカッタスポーク303に装着しているため、このカッタスポーク303に作用する２つの荷重に耐え得るように強度を確保する必要から、このカッタスポーク303も大型化しなければならない。
【００１６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、掘削土砂の排出作業の邪魔にならずに作業性の向上を図ると共に、支持強度を十分に確保する一方で小型化を図った余掘装置、トンネル掘削機、トンネル掘削方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【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余堀装置は、本体の前面部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドに対して該カッタヘッドの外周部に外方に出没自在に装着された余堀装置において、箱型形状をなすサドルケース内にディスクカッタが回転軸によって回転自在に装着され、該サドルケースが前記カッタヘッドの外周部に配設され、該サドルケースの一側部が前記回転軸と平行で且つ掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持される一方、他側部が前記カッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結されたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の余堀装置において、前記サドルケースは、前面部及び後面部が前記カッタヘッドに設けられた前後一対の案内面によって摺動自在に支持されたことを特徴とするものである。
【００１９】
また、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手段と、前記掘削機本体の前部に回転自在に装着されたカッタヘッドと、該カッタヘッドの前面部に装着された複数の第１ディスクカッタと、前記カッタヘッドを駆動回転するカッタヘッド駆動手段と、前記カッタヘッドの外周部に配設されて一側部が前記掘削機本体の掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持された箱型形状をなすサドルケースと、該サドルケース内に前記支持軸と平行な回転軸によって回転自在に装着された第２ディスクカッタと、前記カッタヘッドに装着されて駆動ロッドの先端部が前記サドルケースの他側部に連結されることで前記第２ディスクカッタを出没自在とする油圧ジャッキとを具えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削機本体の前部に装着されたカッタヘッドを駆動回転しながら該掘削機本体を前進させることで、該カッタヘッドの前面部に装着された複数の第１ディスクカッタが前方の地盤を掘削してトンネルを形成するトンネル掘削方法において、箱型形状をなして内部に第２ディスクカッタが回転軸によって回転自在に装着されたサドルケースが前記カッタヘッドの外周部に配設されて一側部が掘進方向にほぼ沿った支持軸によって枢着される一方、他側部が前記カッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結されており、前記第１ディスクカッタによる地盤掘削に伴って該油圧ジャッキを駆動して前記第２ディスクカッタを出没させることで余堀りを行って所定断面のトンネルを掘削することを特徴とするものである。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１に本発明の一実施形態に係る余堀装置を具備したシールド掘削機の概略、図２にこのシールド掘削機の正面視、図３に本実施形態の余堀装置の側面視、図４にこの余堀装置の正面視を示す。
【００２３】
本実施形態の余堀装置を具備したシールド掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体は前胴１１と後胴１２とからなり、この前胴１１と後胴１２とは球面軸受１３によって屈曲自在に連結されると共に、両者の間には連結ジャッキ１４が架設されている。この前胴１１の前部にはカッタヘッド１５が回転自在に装着されている。このカッタヘッド１５の前面に固定されたカッタヘッドフレーム１６には、互いに交差するように３つのカッタスポーク１７が固定されることで、掘削土砂を内部に取り込む開口部１８が形成されている。そして、このカッタスポーク１７には前方地盤掘削用の多数の第１ディスクカッタ１９が回転自在に取付けられると共に、スクレーパ２０が固定されている。また、カッタヘッド１５にリングギア２１が固定される一方、前胴１１には旋回モータ２２が取付けられ、この旋回モータ２２の駆動ギア２３がこのリングギア２１に噛み合っている。従って、旋回モータ２２を駆動して駆動ギア２３を回転駆動すると、リングギア２１を介してカッタヘッド１５を回転することができる。
【００２４】
また、前胴１１にはカッタヘッド１５の後方に位置してバルクヘッド２４が取付けられており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド２４との間にはチャンバ室２５が形成されている。そして、このチャンバ室２５には一端がシールド掘削機の外部に延設された送泥管２６及び排泥管２７の他端が開口している。なお、バルクヘッド２４には機内からチャンバ室２５側に出るためのマンロック２８が設けられている。
【００２５】
更に、後胴１２の内周面には円周方向に複数のシールドジャッキ２９が並設されており、このシールドジャッキ２９のスプレッダ３０がシールド掘削機の掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳに押し付けることで、その反力により前胴１１及び後胴１２を前進することができる。また、後胴１２にはリング状の固定板３１が固定され、この固定板３１には旋回リング３２が旋回自在に支持され、モータ３３によって駆動回転可能となっている。そして、この旋回リング３２にセグメントエレクタ３４が装着されている。このセグメントエレクタ３４は、シールドジャッキ２９によって前進した前胴１１及び後胴１２と既設のセグメントＳとの間の空所に新しいセグメントＳを装着してトンネルを構築するものである。
【００２６】
このように構成されたシールド掘削機において、本実施形態では、カッタヘッド１５の外周部にはトンネルの壁面を余掘りするために３つの余堀装置４１が装着されている。即ち、図３及び図４に詳細に示すように、カッタヘッド１５のカッタヘッドフレーム１６には前後一対の案内板４２，４３が固定されており、この前後一対の案内板４２，４３の間にはサドルケース４４が配設されている。このサドルケース４４は箱型形状をなし、左右一対の取付部４５ａ，４５ｂと４６ａ，４６ｂが一体に形成されている。そして、このサドルケース４４の一方の取付部４５ａ，４５ｂが支持軸４７ａ，４７ｂによって案内板４２，４３に回動自在に連結されている。また、サドルケース４４の他方の取付部４５ａ，４５ｂに対応してカッタヘッドフレーム１６には油圧ジャッキ４８が揺動軸４９によって揺動自在に装着されており、この油圧ジャッキ４８の駆動ロッド５０の先端部がこの取付部４５ａ，４５ｂに連結軸５１によって連結されている。そして、このサドルケース４４内には支持軸４７ａ，４７ｂ及び連結軸５１と平行をなす回転軸５２によって余掘り用の第２カッタディスク５３が回転自在に支持されている。
【００２７】
ここで、上述した本実施形態の余掘装置及びシールド掘削機の作用について説明する。
【００２８】
シールド掘削機を用いてトンネルを掘削形成するには、まず、旋回モータ２２によってカッタヘッド１５を回転させながら、複数のシールドジャッキ２９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前胴１１及び後胴１２を前進させることで、カッタヘッド１５に取付けられた多数の第１ディスクカッタ１９が前方の地盤を掘削すると共にスクレーパ２０が掘削壁面をかき取る。そして、掘削土砂はカッタヘッド１５の開口部１８からチャンバ室２５内に取り込まれ、送泥管２６から給水された水と共に排泥管２７により外部に排出される。次に、シールドジャッキ２９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、セグメントエレクタ３４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。
【００２９】
そして、カッタヘッド１５に装着された第１ディスクカッタ１９が掘削したトンネルに対して余掘りが必要である場合には、３つの余堀装置４１によって余掘りを行う。即ち、カッタヘッド１５を回転しながら、各油圧ジャッキ４８を駆動し、駆動ロッド５０を必要に応じて伸縮させる。すると、サドルケース４４が支持軸４７ａ，４７ｂを支点として回動し、このサドルケース４４に取付けられた第２カッタディスク５３がカッタヘッド１５から側方に出没することとなる。従って、この第２カッタディスク５３によってトンネルの壁面を余掘りしてカッタヘッド１５よりも外方の地盤を掘削し、楕円断面や矩形断面形状などのトンネル掘削することができる。
【００３０】
このように本実施形態の余堀装置４１にあっては、油圧ジャッキ４８を伸縮駆動し、サドルケース４４に取付けられた第２カッタディスク５３を支持軸４７ａ，４７ｂを支点として回動させることで、カッタヘッド１５から出没させるようにし、且つ、このとき、サドルケース４４は一対の案内板４２，４３によって摺動支持されることとなり、第２カッタディスク５３の作動力は小さく、且つ、掘削壁面から第２カッタディスク５３に作用する掘削反力も小さくなって、油圧ジャッキ４８の小型化が図れる。また、この油圧ジャッキ４８が小型化され、且つ、配設位置も第２カッタディスク５３の後側方となり、掘削土砂がカッタヘッド１５の開口部１８からチャンバ室２５内に取り込まれる際の障害となることはない。
【００３１】
【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余掘装置によれば、箱型形状をなすサドルケース内にディスクカッタを回転軸によって回転自在に装着し、このサドルケースをカッタヘッドの外周部に配設して一側部を回転軸と平行で且つ掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持する一方、他側部をカッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結したので、油圧ジャッキを伸縮駆動してサドルケースに支持されたカッタディスクを支持軸を支点として回動させることで、カッタヘッドから出没させることができ、カッタディスクの作動力を小さく、且つ、掘削壁面からカッタディスクに作用する掘削反力も小さくなって、油圧ジャッキの小型化を図ることができると共に、カッタディスクの後方の空間部を確保することで掘削土砂の排出作業の邪魔にならずに作業性の向上を図ることができる。
【００３２】
また、本発明の余掘装置によれば、サドルケースの前面部及び後面部をカッタヘッドに設けられた前後一対の案内面によって摺動自在に支持したので、サドルケースに支持されたカッタディスクを支持軸を支点として回動させるとき、このサドルケースは案内面によって摺動支持されることとなり、サドルケースの支持剛性を向上させることができる。
【００３３】
更に、本発明のトンネル掘削機によれば、掘削機本体の前部に多数の第１ディスクカッタを有するカッタヘッドを駆動回転自在に装着し、箱型形状をなすサドルケース内に第２ディスクカッタを回転軸によって回転自在に装着し、このサドルケースをカッタヘッドの外周部に配設して一側部を回転軸と平行で且つ掘進方向にほぼ沿った支持軸によって回動自在に支持する一方、他側部をカッタヘッドに装着された油圧ジャッキの駆動ロッドに連結したので、所要時に、油圧ジャッキを伸縮駆動してサドルケースに支持されたカッタディスクを支持軸を支点として回動させることで、カッタヘッドから出没させることができ、容易に異形断面形状のトンネル掘削することができ、このとき、カッタディスクの作動力及び掘削反力が小さくなって油圧ジャッキの小型化を図ることができると共に、カッタディスクの後方の空間部を確保することで掘削土砂の排出作業の邪魔にならずに掘削作業の作業性の向上を図ることができる。
【００３４】
また、本発明のトンネル掘削方法によれば、第１ディスクカッタによる地盤掘削に伴って油圧ジャッキを駆動して第２ディスクカッタを出没させることで余堀りを行って所定断面のトンネルを掘削するようにしたので、容易に異形断面形状のトンネル掘削することができ、トンネル掘削断面における部分的な掘削効率の低下を防止することができると共に、掘削作業の作業性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る余堀装置を具備したシールド掘削機の概略図である。
【図２】本実施形態のシールド掘削機の正面図である。
【図３】本実施形態の余堀装置の側面図である。
【図４】本実施形態の余堀装置の正面図である。
【図５】従来の余堀装置を具備したシールド掘削機の概略図である。
【図６】従来の余堀装置の正面図である。
【図７】図６のVII−VII断面図である。
【図８】従来の別の余堀装置を表すシールド掘削機の正面図である。
【符号の説明】
１１  前胴
１２  後胴
１４  連結ジャッキ
１５  カッタヘッド
１６  カッタヘッドフレーム
１７  カッタスポーク
１９  第１ディスクカッタ
２２  旋回モータ（カッタヘッド駆動手段）
２９  シールドジャッキ（推進手段）
３４  セグメントエレクタ
４１  余掘装置
４２，４３  案内板
４４  サドルケース
４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ  取付部
４７ａ，４７ｂ  支持軸
４８  油圧ジャッキ
５１  連結軸
５２  回転軸
５３  第２ディスクカッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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