(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド掘進機の前部で旋回するカッターディスク前面の最外周部に硬質壁用最外周カッターを具備したシールド掘進機であって、
前記カッターディスク前面の最外周部に複数個のカッター本体を設け、該複数個のカッター本体の先端に、カッターディスクの切削外周部に所定高さの刃部を形成し、カッターディスクの旋回方向に、該刃部からカッターディスク本体側に垂直すくい角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向後方に水平すくい角を形成し、該カッターディスクの切削前面からカッターディスク本体側に向けて垂直逃げ角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向後方に水平逃げ角を形成した切削チップを設け、該切削チップの切削前面に所定幅の刃部を形成するとともに、該切削チップを、前記カッター本体のカッターディスクの両旋回方向対称位置に設け、該切削チップの先端がカッターディスクの最前部に突出する高さにして該切削チップで最初にカッターディスク本体の外径部を含む所定寸法の溝を切削するように前記カッター本体を構成した硬質壁用最外周カッターをカッターディスクの最外周部に複数個配設し、
該硬質壁用最外周カッターのカッターディスク回転中心側におけるカッターディスク前面に、該カッターディスクの回転中心からの距離を半径方向に異ならせて、カッターディスクの切削面からシールド本体側に垂直すくい角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向に水平すくい角を形成した硬質壁用カッターを複数個配設し、
該複数個の硬質壁用カッター間の距離を、切削された硬質壁の切断片の寸法がカッターディスクの土砂取込み口の開口寸法よりも小さくなる所定距離として、前記硬質壁用最外周カッターで切削した溝のカッターディスク回転中心側における硬質壁を硬質壁用カッターで切削するように構成したシールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、発進立坑や到達立坑における硬質壁を効率良く掘削できる硬質壁用最外周カッターと、その硬質壁用最外周カッターを具備したシールド掘進機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、地中にトンネルを形成する場合、シールド掘進機の発進位置と到達位置に立坑を設け、発進立坑の土留め壁の背面地盤を薬液注入工法や凍結工法等によって自立させてから土留め壁を取ってシールド掘進機を発進させている。しかし、地盤改良に多くの時間を要するとともに、地盤によっては所要の強度を得られない場合がある。
【０００３】
そのため、近年、このような立坑に、カッターディスクで切削可能なコンクリート素材を用いたＮＯＭＳＴ（Novel Material Shield-cuttable Tunnel-wall System）工法が多く採用されている。このＮＯＭＳＴ工法は、例えば、石灰石粗骨材を使用した高強度コンクリートと炭素繊維強化プラスチックから成る新素材コンクリート（以下「硬質壁」という）を使用して土留め壁を形成したものであり、この土留め壁はシールド掘進機の発進、および到達立坑としての強度や止水性等の機能を有している。この硬質壁としては、例えば石灰石を骨材とする圧縮強度８００kgf/cm2 程度の高強度コンクリートの内にやはり高強度の炭素繊維を補強材として含むもので、周囲の土圧・水圧を支え得る強度を有するとともに、シールド掘進機によって掘削され得るという特性を有している。
【０００４】
しかし、このような硬質壁を切削する場合、通常のカッターでは切削が困難なため、効率良く切削することを目的としたカッターも種々提案されている。例えば、この種の従来技術として、特許第２９３８４０１号公報記載の発明がある。この発明は、カッターディスクの前面において硬質壁を切削するためのカッターに関するものであり、カッターディスクの前面の硬質壁を切削できるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した硬質壁切削用カッターの場合、カッターディスクの最外周に用いると、掘削状態によってはカッターの外周面が新素材コンクリートに接した状態でカッターディスクを旋回させることとなるため、カッターの外周面が切削面と接する摩擦によってカッターディスクやシールド本体に振動や騒音を発生させる場合がある。
【０００６】
また、前記したような材料で成る硬質壁を掘削する場合、縦方向の掘削位置によっては、掘削した硬質壁中の長い炭素繊維強化プラスチックがチャンバー内に取り込まれるおそれがあるため、このような長い炭素繊維強化プラスチックが生じないように硬質壁を掘削する必要が生じる場合もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明は、シールド掘進機の前部で旋回するカッターディスク前面の最外周部に硬質壁用最外周カッターを具備したシールド掘進機であって、前記カッターディスク前面の最外周部に複数個のカッター本体を設け、該複数個のカッター本体の先端に、カッターディスクの切削外周部に所定高さの刃部を形成し、カッターディスクの旋回方向に、該刃部からカッターディスク本体側に垂直すくい角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向後方に水平すくい角を形成し、該カッターディスクの切削前面からカッターディスク本体側に向けて垂直逃げ角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向後方に水平逃げ角を形成した切削チップを設け、該切削チップの切削前面に所定幅の刃部を形成するとともに、該切削チップを、前記カッター本体のカッターディスクの両旋回方向対称位置に設け、該切削チップの先端がカッターディスクの最前部に突出する高さにして該切削チップで最初にカッターディスク本体の外径部を含む所定寸法の溝を切削するように前記カッター本体を構成した硬質壁用最外周カッターをカッターディスクの最外周部に複数個配設し、該硬質壁用最外周カッターのカッターディスク回転中心側におけるカッターディスク前面に、該カッターディスクの回転中心からの距離を半径方向に異ならせて、カッターディスクの切削面からシールド本体側に垂直すくい角を形成するとともに、該カッターディスクの旋回方向に水平すくい角を形成した硬質壁用カッターを複数個配設し、該複数個の硬質壁用カッター間の距離を、切削された硬質壁の切断片の寸法がカッターディスクの土砂取込み口の開口寸法よりも小さくなる所定距離として、前記硬質壁用最外周カッターで切削した溝のカッターディスク回転中心側における硬質壁を硬質壁用カッターで切削するように構成している。このように、切削チップの切削外周面に垂直すくい角と水平すくい角を形成し、切削前面に垂直逃げ角と水平逃げ角を形成した硬質壁用最外周カッターをカッターディスク前面の最外周部に複数個配設しているので、この硬質壁用最外周カッターの切削チップで切削する硬質壁とシールド掘進機との接触を減らし、硬質壁の掘削最外周を効率良く掘削することができるとともにこの複数の硬質壁用最外周カッターで硬質壁を同時に切削できるので、短時間で硬質壁を切削することができる。
また、カッターディスクの回転中心からの距離を、カッターディスクが回転することにより切削する軌跡が所定距離分離れた溝状となるように半径方向に異ならせて配設した複数の硬質壁用カッターにより、硬質壁用最外周カッターで溝状に切削した内側の硬質壁を、切断片の寸法が土砂取込み口の開口寸法よりも小さくなる所定距離となるように切削することができるので、硬質壁用最外周カッターで溝状に切削した内間に残る硬質壁も他のカッターで容易に切削することができ、カッターディスク全面において硬質壁を効率良く切削するようにできる。このことは、硬質壁を形成している新素材コンクリート中の炭素繊維強化プラスチックを取り込みやすい大きさで切削することができるので、切削後の排出を容易に行うことができる。
【０００８】
しかも、切削チップの切削前面に形成した所定幅の刃部により、最前面で切削する位置の寿命を延ばしつつ硬質壁を安定して切削することができる。
【０００９】
また、既存のカッターディスクにカッター本体を設けて硬質壁を掘削できるカッターディスクを形成することもできる。
【００１０】
さらに、カッターディスクの両旋回方向において硬質壁を切削できる最外周カッターを構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示すカッターディスクの図面であり、(a) は正面図、(b) は(a) のＡ−Ａ断面図である。図２は本願発明の一実施形態を示す硬質壁用最外周カッターの図面であり、(a) は正面図、(b) は平面図、(c) は側面図、(d) は(b) のＢ矢視図である。図３は本願発明の一実施形態を示す硬質壁用カッターの図面であり、(a) は正面図、(b) は平面図、(c) は側面図、(d) は(b) のＣ矢視図である。
【００１５】
図１(a) に示すように、カッターディスク１は、放射状に設けられた複数のカッターフレーム２と、カッターディスク１の外周に位置し、これらのカッターフレーム２の外周部を連結するカッターリング３とからカッターディスク本体４が形成され、カッターフレーム２の両側部には土砂取込み口５が設けられている。土砂取込み口５の前部に位置するカッターフレーム２の側部には、多数の土砂掘削用カッター６が設けられている。この土砂掘削用カッター６は、従来からシールド掘進機に設けられているカッターであり、比較的軟質の土砂を掘削できるような切れ刃が前面に設けられ、カッターディスク１の前面から所定量が突出するように配設されている。
【００１６】
カッターフレーム２の両側部に設けられた土砂掘削用カッター６の間には多数の硬質壁用カッター７が設けられている。この硬質壁用カッター７は、カッターディスク１の回転中心から半径方向に放射状に設けられており、各硬質壁用カッター７の間は所定距離分異ならせて配設されている。この所定距離としては、切削した硬質壁Ｆが土砂取込み口５の開口寸法よりも小さくなる距離が好ましく、チャンバー内に取込みやすい大きさとなるように設定されている。
【００１７】
そして、カッターフレーム２の最外周部に硬質壁用最外周カッター８が設けられている。この例では、４個の硬質壁用最外周カッター８が９０°間隔で設けられている。すなわち、カッターディスク１に設けられた全てのカッターフレーム２上には、土砂掘削用カッター６と硬質壁用カッター７とが設けられ、さらに４本のカッターフレーム２の最外周部には硬質壁用最外周カッター８が設けられている。なお、放射状に設けられたカッターフレーム２の対向する２本の外周部には、掘削するトンネルの径を部分的に拡大するためのコピーカッター９が設けられている。
【００１８】
図１(b) に示すように、前記硬質壁用最外周カッター８は、カッター本体１０がカッターディスク１の前面から所定量突出するように設けられ、このカッター本体１０の先端に切削チップ１１が設けられている。このカッター本体１０がタングステンカーバイド（ＷＣ）で製作され、その先端に超硬合金製の切削チップ１１が固定されている。この例では、カッター本体１０が溶接によってカッターフレーム２に固定されている。
【００１９】
図２(c) に示すように、カッター本体１０の先端に設けられた切削チップ１１は、カッターディスク１の切削外周面に所定高さｈの刃部１２が形成されており、この刃部１２でカッターディスク１の切削径Ｄが決定されている。この刃部１２の幅としては５ｍｍ程度で形成される。また、刃部１２の最外周部は、カッター本体１０から１０ｍｍ程度外周側へ突出するように設けられている。また、図２(a) に示すように、切削チップ１１の幅方向は、カッター本体１０から１５ｍｍ程度突出するように設けられている。
【００２０】
そして、図２(d) に示すように、この刃部１２からカッターディスク本体４側に垂直すくい角ｏが形成されるとともに、カッターディスク１の旋回方向後方に水平すくい角ｐ（図２(b) ）が形成されている。また、カッターディスク１の切削前面からカッターディスク本体４側に垂直逃げ角ｑ（図２(b) ）が形成されるとともに、このカッターディスク１の旋回方向後方に水平逃げ角ｒが形成されている。例えば、この垂直すくい角ｏとしては１５〜２５°程度で、水平すくい角ｐとしては１０〜１５°程度、垂直逃げ角ｑとしては７〜１２°程度で、水平逃げ角ｒとしては１０〜１５°程度で設定される。これにより、切削チップ１１の切削側にすくい面１５が、前面側と外周側に逃げ面１６が形成されている。
【００２１】
図示する陰影部が切削チップ１１であり、前記各角ｏ，ｐ，ｑ，ｒを形成した切削チップ１１の各面１５，１６に連なる形態にカッター本体１０の上部も形成されており、切削チップ１１を設けた状態で一体的な硬質壁用最外周カッター８となるように構成されている。また、切削チップ１１の切削前面には所定寸法ｗの刃部１３が形成されており、切削チップ先端の寿命を保つようにしている。この刃部１３としては、例えば幅ｉが５ｍｍ程度で形成される。
【００２２】
この硬質壁用最外周カッター８は、カッターディスク前面の硬質壁Ｆに切削チップ１１の所定寸法ｗで切削溝を形成するような構成であり、刃部１２，１３によって切削した硬質壁Ｆは、矩形断面の溝が形成された状態となる。
【００２３】
このようにして硬質壁用最外周カッター８で硬質壁Ｆを切削すると、カッターディスク本体４の外径部を含むようにして所定寸法ｗの溝が切削されるので、その溝の所定寸法ｗ内に位置するカッターディスク本体４の外径部が硬質壁Ｆと接触することを防止できる。
【００２４】
また、このようにして硬質壁用最外周カッター６で切削された硬質壁Ｆは、底部の角にエッジが形成されたシャープなコーナー部を有する溝が切削されるので、内周側のコーナー部（切削チップ１１の角部１４で切削される部分）を起点として他のカッターによる切削部との間にクラックが発生して、両者の間に残る残存部分も折れやすくなり、カッターディスク１の前面の硬質壁Ｆを容易に切削することができるようになる。
【００２５】
さらに、前記切削チップ１１の先端がカッターディスク１の最前部に突出するようにカッター本体１０の高さを設定することにより、硬質壁用最外周カッター８が発進時に最初に硬質壁Ｆを切削するようにしている。この硬質壁用最外周カッター８を土砂掘削用カッター６よりも前方に突出させる量としては、例えば、約２５ｍｍ程度を先方に突出させる。
【００２６】
また、この実施形態における硬質壁用最外周カッター８には、切削チップ１１がカッターディスク１の両旋回方向ｖの対称位置に設けられており、カッターディスク１の回転方向を切換えながら切削する場合でも、両方の回転時に硬質壁Ｆを切削することができる。
【００２７】
一方、図３(a) 〜(d) に示すように、硬質壁用カッター７は、カッター本体１７の先端に切削チップ１８を設けたものであり、この硬質壁用カッター７も、カッター本体１７がタングステンカーバイドで製作され、その先端に超硬合金製の切削チップ１８が固定されている。この硬質壁用カッター７も、カッターディスク１の両旋回方向ｖに切削チップ１８が設けられている。
【００２８】
この硬質壁用カッター７の切削チップ１８は、図３(b),(d) に示すように、カッターディスク１の旋回方向ｖの前方となる側には１０〜１５°の垂直すくい角ｓと約２０°の水平すくい角ｔが形成されており、硬質壁Ｆに面する切削前面には５〜１０°の垂直逃げ角ｕが形成されている。これにより、切削チップ１８の側面と前面にすくい面１９と逃げ面２０とが形成されている。
【００２９】
この硬質壁用カッター７の場合、カッターディスク前面の硬質壁Ｆに切削チップ１８の幅ｘで切削溝を形成するような構成であり、前記硬質壁用最外周カッター８に比べて、切削チップ１８を直線状に形成するとともに、その両端部に切り立ったエッジを形成した構成となっている。そのため、この硬質壁用カッター７によって切削した硬質壁Ｆは、矩形断面で幅ｘの溝が形成された状態となる。
【００３０】
このようにして多数の硬質壁用カッター７で硬質壁Ｆを切削すると、底部の左右両側にエッジで切削されたシャープなコーナー部を有する溝が切削されるので、それらのコーナー部を起点として他の硬質壁用カッター７で切削した溝との間にクラックが発生して、両者の間に残る残存部分も折れやすく、カッターディスク１の前面の硬質壁Ｆを容易に切削することができるようになる。
【００３１】
しかも、上述した硬質壁用最外周カッター８とこの硬質壁用カッター７の高さを異ならせることにより、硬質壁Ｆを切削する時の抵抗を抑えつつ、これらの硬質壁用カッター８，７で切削した溝間でクラックを生じさせて硬質壁Ｆを効率良く切削できるように構成することができる。
【００３２】
図４はＮＯＭＳＴ工法において本願発明のシールド掘進機を発進させる状態を示す側面図であり、図５は同シールド掘進機の発進立坑の土留め壁を示す正面図である。以上のように構成された硬質壁用最外周カッター８を設けたカッターディスク１を具備するシールド掘進機による掘削を以下に説明する。
【００３３】
図４に示すように、トンネル掘削を開始するための発進立坑２１は、その周囲に鋼製連壁によって土留め壁２２が形成され、その立坑２１のトンネル形成位置にシールド掘進機２３の発進架台２４が設けられている。この発進架台２４には、掘削側にエントランス２５が設けられ、反掘削側にシールド掘進機２３の反力受け２６が設けられている。このエントランス２５には、掘削時にシールド掘進機２３の周囲をシールするシール材２７が設けられている。
【００３４】
そして、図５に示すように、掘削側の土留め壁２２の一部に、ＮＯＭＳＴ工法における新素材コンクリートからなる硬質壁Ｆが採用されている。この硬質壁Ｆは、内側の実線で示すシールド切削径Ｄに対して建て込み誤差を考慮した径２８の部分に採用されており、横向きの実線２９と縦向きの実線３０で示す範囲が硬質壁Ｆで形成されている。これらの実線２９，３０で囲まれた範囲がシールド掘進機２３で切削可能な部分である。
【００３５】
一方、シールド掘進機２３は円筒形状をしており、後部に備えるシールドジャッキ（図示せず）にて前向きの推進力を得ながら前部に設けられたカッターディスク１によって地山を掘って円形断面のトンネルを形成するものである。
【００３６】
このようなＮＯＭＳＴ工法によるシールド掘進機２３の発進において、図１に示すような硬質壁用最外周カッター８を設けたカッターディスク１を採用すれば、発進時に、切削チップ１１の先端に形成された刃部１２，１３でカッターディスク１の最外周となる硬質壁Ｆの部分を切削しながら、他の硬質壁用カッター７でカッターディスク１の前面の硬質壁Ｆを切削することができるので、これらのカッター８，７で切削した後の硬質壁Ｆを他の硬質壁用カッター７や土砂掘削用カッター６で切削（掘削）することによって、硬質壁Ｆを効率よく切削することができる。このようにして硬質壁用最外周カッター８と硬質壁用カッター７とで硬質壁Ｆを掘削した後の地山Ｇは、主に土砂掘削用カッター６によって掘削される。
【００３７】
また、図５に示すように、硬質壁Ｆが縦向きに長い材料で形成されている場合、図の左右位置を切削する時に縦向きに長い範囲を連続して掘削することとなるが、上述したように、硬質壁用最外周カッター８と硬質壁用カッター７とをカッターディスク１の前面の半径方向に所定距離分異ならせて配設することにより、各カッター８，７で切削する間隔を決定することができるので、硬質壁Ｆ中の炭素繊維強化プラスチックを大きな塊として切削することがないようにできる。
【００３８】
つまり、切削される硬質壁Ｆは、放射状に設けられた多数の硬質壁用カッター７によって所定間隔の溝状に切削されてから掘削されるので、カッターチャンバー内に取り込まれる硬質壁Ｆの大きさを制限することができる。
【００３９】
以上のように、常に、シールド掘進機２３の外径よりも僅かに大径で硬質壁Ｆを切削することができるので、カッターディスク１やシールド本体が、掘削した硬質壁Ｆと接して振動を発したり、騒音を発生させることを防止することができ、常に、安定した硬質壁Ｆの切削を行うことができる。
【００４０】
なお、前記実施の形態では、カッターディスク１の硬質壁用最外周カッター８を４箇所に設ける例を示しているが、硬質壁用最外周カッター８の個数は上述した実施形態に限定されるものではなく、硬質壁Ｆの厚さや材質等に応じて適宜決定すればよい。
【００４１】
また、上述した実施形態では、発進立坑２１を例に説明したが、到達立坑の場合でも同様にして硬質壁を切削することは可能である。
【００４２】
さらに、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４３】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００４４】
切削チップの切削外周面に形成した垂直すくい角と水平すくい角と、切削前面に形成した垂直逃げ角と水平逃げ角とにより、切削した硬質壁とシールド掘進機との接触を減らすとともに、硬質壁の最外周を効率良く切削することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態を示すカッターディスクの図面であり、(a) は正面図、(b) は(a) のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本願発明の一実施形態を示す硬質壁用最外周カッターの図面であり、(a) は正面図、(b) は平面図、(c) は側面図、(d) は(b) のＢ矢視図である。
【図３】本願発明の一実施形態を示す硬質壁用カッターの図面であり、(a) は正面図、(b) は平面図、(c) は側面図、(d) は(b) のＣ矢視図である。
【図４】ＮＯＭＳＴ工法において本願発明のシールド掘進機を発進させる状態を示す側面図である。
【図５】図４に示すシールド掘進機の発進立坑の土留め壁を示す正面図である。
【符号の説明】
１…カッターディスク
２…カッターフレーム
３…カッターリング
４…カッターディスク本体
５…土砂取込み口
６…土砂掘削用カッター
７…硬質壁用カッター
８…硬質壁用最外周カッター
９…コピーカッター
１０…カッター本体
１１…切削チップ
１２，１３…刃部
１４…角部
１５…すくい面
１６…逃げ面
１７…カッター本体
１８…切削チップ
１９…すくい面
２０…逃げ面
２１…発進立坑
２２…土留め壁
２３…シールド掘進機
２４…発進架台
２５…エントランス
Ｆ…硬質壁
ｏ…垂直すくい角
ｐ…水平すくい角
ｑ…垂直逃げ角
ｒ…水平逃げ角
ｓ…垂直すくい角
ｔ…水平すくい角
ｕ…垂直逃げ角
【図１】
0003701260.tif 000002
【図２】
0003701260.tif 000003
【図３】
0003701260.tif 000004
【図４】
0003701260.tif 000005
【図５】
0003701260.tif 000006