(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その前面に切羽を掘削するためのカッターヘッドを備えたハル本体（掘進機本体）を、上記カッターヘッドを回転可能に保持した第１のハル部と、この第１のハル部と軸方向に相対的に所定量摺動可能であるように結合された第２のハル部とに、２分割してなるトンネル掘進機であって、
上記第２のハル部に対して上記第１のハル部を軸方向に前進させる駆動手段と、切羽側から受ける圧力によって上記第１のハル部が上記第２のハル部に対して軸方向に後退する際の動作を制御する手段とを、設けたことを特徴とするトンネル掘進機。
【請求項２】
請求項１記載において、
上記した第１のハル部を軸方向に前進させる上記駆動手段は、油圧シリンダであり、上記した切羽側から受ける圧力によって上記第１のハル部が軸方向に後退する際の動作を制御する上記手段は、上記切羽側から受ける圧力に抗する上記油圧シリンダの油圧を徐々に低下させる可変圧力制御弁であることを特徴とするトンネル掘進機。
【請求項３】
請求項１または２記載において、
上記トンネル掘進機は中折れ式トンネル掘進機であり、上記した第１のハル部を軸方向に前進させる上記駆動手段には、上記第２のハル部に対して上記第１のハル部を中折れ動作させる中折れジャッキが兼用されることを特徴とするトンネル掘進機。
【請求項４】
請求項１または２または３記載において、
上記トンネル掘進機は泥水シールドタイプ、または泥土圧シールドタイプのトンネル掘進機であり、上記した切羽側から上記第１のハル部が受ける圧力は水圧、土圧、若しくは注入材圧であることを特徴とするトンネル掘進機。
【請求項５】
その前面に切羽を掘削するためのカッターヘッドを備えたハル本体（掘進機本体）を、上記カッターヘッドを回転可能に保持した第１のハル部と、この第１のハル部と軸方向に相対的に所定量摺動可能であるように結合された第２のハル部とに、２分割してなるトンネル掘進機の運転方法であって、
上記カッターヘッドを回転させつつ、上記第２のハル部に対して上記第１のハル部を軸方向に前進させる行程と、
切羽側から受ける圧力によって上記第１のハル部を上記第２のハル部に対して後退させ、所定位置まで上記第１のハル部を後退させる行程とを、
具備し、
上記カッターヘッドの前面と上記切羽との間に、空間を確保するようにしたことを特徴とするトンネル掘進機の運転方法。
【請求項６】
請求項５記載において、
上記トンネル掘進機は泥水シールドタイプのトンネル掘進機であり、上記した切羽側から上記第１のハル部が受ける圧力は水圧であって、
所定位置まで上記第１のハル部を後退させた後、上記第１のハル部のカッターチャンバー内および上記カッターヘッド前面側の水抜きを行って、上記カッターヘッドの前面と上記切羽との間に、上記カッターヘッドの掘削部材を交換可能な空間を確保するようにしたことを特徴とするトンネル掘進機の運転方法。
【請求項７】
請求項５記載において、
上記トンネル掘進機は泥土圧シールドタイプのトンネル掘進機であり、上記した切羽側から上記第１のハル部が受ける圧力は土圧または注入材圧であって、
所定位置まで上記第１のハル部を後退させた後、上記第１のハル部のカッターチャンバー内および上記カッターヘッド前面側の排土を行って、上記カッターヘッドの前面と上記切羽との間に、上記カッターヘッドの掘削部材を交換可能な空間を確保するようにしたことを特徴とするトンネル掘進機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機や押管掘進機などのトンネル掘進機およびその運転方法に係り、特に、岩磐層（岩地山）を掘進する場合において、カッターヘッドの掘削部材（ビット）を交換するのに好都合な、トンネル掘進機およびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
巨礫や玉石層といった岩磐層（岩地山）を掘進する、シールド掘進機などのトンネル掘進機においては、地山を切削するための掘削部材（ローラビット等のカッター部材；以下、ビットと称す）が地山掘削により摩耗してしまうため、工区途中でビットを交換することが必要となり、特に硬い岩磐層では、５０ｍ程度掘進する毎にビットの交換が必要となる場合もある。
【０００３】
そして、ビット交換にあたっては、カッターチャンバー内の掃除、ビット取付け部の掃除、摩耗したビット（ローラビット）の取外し作業、新品ビットを取付けるためのスペース確保作業、新品ビットの取付け作業が必要となる。
【０００７】
ところで、特開平８−１４４６９７号公報には、崩れ易い地山を掘進するシールド掘進機において、ビットの交換をカッターヘッドを後退させることによって行うようにした、技術が開示されている。すなわち、この先願公報においては、掘進機本体（シールド本体）に対してカッターヘッドを縮径／拡径可能で、かつ、縮径状態においてカッターヘッドを掘進機本体に対して軸方向に摺動可能なように構成して、ビット交換時には、カッターヘッドを縮径して切羽面から掘進機本体に後退させると共に、これにより生じたカッターヘッド前面の切羽空間に泥水を注入し、さらに切羽空間に硬質発泡樹脂液を注入して泥水と置換させて、樹脂液を発泡硬化させることにより、切羽崩壊土圧を保持させた後、ビット（カッタービット）の交換を行うようにしている。そして、ビットの交換後に、カッターヘッドを旋回させて発泡樹脂を切削除去しつつ、カッターヘッドを前進させて元の位置まで復帰させ、然る後、カッターヘッドを拡径させて地山の掘削を再開させるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平８−１４４６９７号公報に開示された従来技術は、崩壊し易い地山の掘削を行うシールド掘進機において、ビット交換を安全に行うために有効な手法ではあるが、カッターヘッドを縮径／拡径可能で、かつ、縮径状態においてカッターヘッドが掘進機本体に対して前後動可能なように構成しているので、メカニズムが複雑になるという問題がある。さらに、カッターヘッドを適宜の駆動源によって後退させる際に、カッターヘッドが切羽に固く食い込んでいると、カッターヘッドを保持する側の掘進機本体側が反対に前進する虞がないとは言い切れないという問題がある。
【０００９】
また、特開平８−１４４６９７号公報に開示された従来技術を、くずれにくい岩磐層（岩地山）を掘進するシールド掘進機などのトンネル掘進機におけるビット交換へ適用することを考えると、切羽空間へ硬質発泡樹脂液を注入し、これを発泡硬化させる作業と、ビット交換後の発泡樹脂の切削除去作業とは、不必要なものとなって、かえって、施工のコストアップ要因と時間短縮の阻害要因になるという問題がある。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、岩磐層（岩地山）を掘進するシールド掘進機などのトンネル掘進機において、ビット交換の際に必要な新品ビットを取付けるためのスペース確保行程を、簡単、容易に行えるようにすることある。また、本発明の目的とするところは、カッターヘッドの前面全体と切羽面との間に空間を確保することにより、掘削再開時に新品ビットに過負荷がかかることを防止し、かつ、ビット取付け部の掃除が容易に行えるようにすることにある。また、本発明の目的とするところは、新品ビットを取付けるためのスペース確保に必要なメカニズムが、簡素な構成で実現できるようにし、かつ、上記のスペース確保のための所定部材の後退が、安全、確実に実現できるようにすることにある。総じて、本発明の目的とするところは、岩磐層（岩地山）を掘進するシールド掘進機などのトンネル掘進機において、ビット交換を、作業者に負担をかけることなく、簡単、容易に行えるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、その前面に切羽を掘削するためのカッターヘッドを備えたハル本体（掘進機本体）を、カッターヘッドを回転可能に保持した第１のハル部と、この第１のハル部と軸方向に相対的に所定量摺動可能であるように結合された第２のハル部とに、２分割すると共に、第２のハル部に対して第１のハル部を軸方向に前進させる駆動手段と、切羽側から受ける圧力によって第１のハル部が第２のハル部に対して軸方向に後退する際の動作を制御する手段とを設けて、ビットの交換に際しては、
まず、カッターヘッドを回転させつつ、第２のハル部に対して第１のハル部を軸方向に前進させ、次に、切羽側から受ける圧力によって第１のハル部を第２のハル部に対して徐々に後退させ、所定位置まで第１のハル部を後退させることによって、カッターヘッドの前面全体と切羽面との間に、新品ビットを取付け可能とするスペースを確保するようにされる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るトンネル掘進機の構成を示す断側面図であり、本実施形態は、泥水シールドタイプの中折れ式のシールド掘進機への適用例である。
【００１３】
図１において、１は前部ハル、２は、前部ハル１の前面に備えられた、切羽を掘削するための回転（旋回）可能なカッターヘッド、３は、前部ハル１を所定量だけ屈曲可能（傾動可能、すなわち中折れ可能）であると共に、前部ハル１を所定量だけ軸方向に摺動可能であるように結合した後部ハル、４は、前部ハル１の後端と後部ハル３の前端とを重ね合わせてなる中折れ部で、後部ハル３に対して前部ハル１が前後進するための相対摺動部ともなっている。また、５は、前部ハル１に設けた隔壁６によって形成されたカッターチャンバー、７は、カッターチャンバー５内へ水を供給する送水管、８は、カッターチャンバー５内の泥水を排出するための排泥管、９は、後記セグメント１１によって反力をとりつつ、本シールド掘進機全体を前進させるための、等間隔に配設された複数の（ここでは８個の）シールドジャッキ（油圧シリンダ）、１０は、中折れ部４を関節部として、後部ハル３に対して前部ハル１を屈曲させると共に、中折れ部４を相対摺動部として、後部ハル３に対して前部ハル１を軸方向に前進駆動するための、等間隔に配設された複数の（ここでは４個の）中折れジャッキ（油圧シリンダ）、１１は、本シールド掘進機で掘削したトンネルの周壁を覆工するセグメント、１２は、後部ハル３の後端側に設けられたテールシール、１３は、前部ハル１および後部ハル３の下面に設け固定ソリである。
【００１４】
上記シールドジャッキ９のシリンダ本体９ａは後部ハル３側に固定されており、シールドジャッキ９のピストンロッド９ｂの先端に結合したスプレッダ１４が、セグメント１１に当接可能となっている。また、上記中折れジャッキ１０のシリンダ本体１０ａが前部ハル１側に固定されており、中折れジャッキ１０のピストンロッド１０ｂが後部ハル３側に固定されている。
【００１５】
また、上記カッターヘッド２には複数のローラビット１５がそれぞれ回転可能に取付けられており、カッターヘッド２を岩地山の切羽に押し付けた状態で、カッターヘッド２を回転させる（公転させる）ことにより、各ローラビット１５が回転する（自転する）ようになっている。
【００１６】
そして、本実施形態では、カッターヘッド２を回転させつつ、各シールドジャッキ９を伸長動作させて、スプレッダ１４をセグメント１１に押し付け、この状態からさらにシールドジャッキ９を伸長動作させることによって、後部ハル３に対する前進力を得、この前進力を中折れジャッキ１０を介して前部ハル１にも伝えることによって、シールド掘進機全体を前進させるようになっている。
【００１７】
また、中折れ動作時には、複数の中折れジャッキ１０を選択的に伸長動作あるいは縮め動作させることによって、後部ハル３に対して前部ハル１を所望方向に所望角度だけ傾動させる（中折れさせる）ようになっている。このとき、シールドジャッキ９のスプレッダ１４はセグメント１１に押し付けられた状態となっており、中折れジャッキ１０の反力は、停止位置を保持されたシールドジャッキ９を介して、セグメント１１からとるようになっている。
【００１８】
さらに、ローラビット１５の交換時には、各中折れジャッキ１０を伸長動作させて、後部ハル３に対して前部ハル１を軸方向に所定量だけ前進摺動させるようになっている。このときにも、シールドジャッキ９のスプレッダ１４はセグメント１１に押し付けられた状態となっており、中折れジャッキ１０の反力は、停止位置を保持されたシールドジャッキ９を介して、セグメント１１からとるようになっている。
【００１９】
なお、本実施形態においては、相対摺動部でもある中折れ部４は、ビット交換のためのストロークとして８５ｍｍが、中折れ動作のためのストロークとして６５ｍｍがそれぞれ設定されており、全体として１５０ｍｍのストロークをもつものとしてあるが、これらの値は任意であることは言うまでもない。
【００２０】
次に、本実施形態におけるビット交換の動作を説明する。
ビット交換に際しては、シールドジャッキ９のスプレッダ１４をセグメント１１に押し付けた状態として、シールドジャッキ９には停止位置を保持させておく（なお、シールドジャッキ９はビット交換が完了するまで、この状態を維持される）。そしてこの状態で、カッターヘッド２を回転させつつ、各中折れジャッキ１０を伸長動作させることにより、停止状態にある後部ハル３に対して前部ハル１を軸方向に所定量だけ前進させる。この際の動作は、前進の駆動源がシールドジャッキ９ではなく中折れジャッキ１０であることと、前進するのがシールド掘進機全体ではなく前部ハル１であることを除いて、通常の掘進動作と同様であって、岩磐層（岩地山）の切羽は前部ハル１の前進量に見合うだけ掘削され、掘削されて破砕形成された土砂は、カッターチャンバー５内から排泥管８を通して外部へと排出される。
【００２１】
中折れジャッキ１０によって、後部ハル３に対して前部ハル１が所定量だけ軸方向に前進駆動されると、カッターヘッド２の回転は停止される。そして、中折れジャッキ１０による前部ハル１を前進駆動させる方向の圧力（油圧）を、徐々に減じるように制御して、これによって、切羽側から受ける圧力によって前部ハル１を徐々に後退させ、所定位置まで前部ハル１を後退させる。すなわち、公知のように泥水シールド工法では、切羽に、地山水圧より少し高めの水圧をかけておくようになっており、この切羽側からの水圧によって、前部ハル１を所定位置まで後退させて、これによって、カッターヘッド２の前面全体と切羽面との間に、新品ビットを取付けるためのスペースを確保する。なお、切羽水圧は、送水管７からの水の供給により制御できる。
【００２２】
このように、切羽側からの水圧によって前部ハル１を後退させるように制御する所以は、前部ハル１を中折れジャッキ１０によって強制後退させるように制御した場合には、カッターヘッドが切羽に固く食み、かつ、前部ハル１が周辺地山により押え込まれていると、前部ハル１が後退するのではなく後部ハル３が反対に前進する虞があるが、切羽側からの水圧によって前部ハル１を後退させる場合には、後部ハル３が前進する虞が全くないためである。なおまた、上記のように、切羽側から受ける水圧に抗する中折れジャッキ１０の油圧を徐々に低下させるように制御する所以は、前部ハル１が急速後退することを防止して安全性を高めるためである。
【００２３】
上記した前部ハル１の後退が完了すると、カッターヘッドの前面と切羽面との間のスペース、およびカッターチャンバー５内の水抜きを行い、カッターヘッド２の前面全体と切羽面との間に、新品ビットを取付けるための、水や土砂のない空間を確保する。然る後、隔壁６の防水扉を開けて、カッターチャンバー５内へ作業者へ入り込んで、ビット取付け部の清掃、摩耗したビット（ローラビット）の取外し、新品ビットの取付けを行う。この際、カッターヘッド２の前面全体と切羽面との間には、新品ビットを取付けるために必要十分な空間が確保されているので、新品ビットの取付けが簡単、容易に行うことができる。また、ビット取付け部の清掃も、カッターヘッド２の前面全体と切羽面との間に空間があるため、水洗等により至って簡単に行えることとなる。
【００２４】
新品ビットの取付けが完了すると、作業者はカッターチャンバー５から退出して、隔壁６の防水扉を閉じ、この後、作業者の安全を確認して、カッターチャンバー５内へ送水管７によって注水を行って、切羽に地山水圧より少し高めの水圧をかけ、掘進作業を再開させる。
【００２５】
ここで、掘進作業を再開させたときには、カッターヘッド２の前面と切羽面との間には所定のスペースがあるため、掘進再開時に従来のように新品ビットが一気に旧ビットの摩耗分を掘削するということは全くなく、したがって、新品ビットに過度の負荷がかかる虞は一切ない。
【００２６】
図２は、中折れジャッキ１０を制御するための油圧回路の１例を示す図であり、同図において、１０は中折れジャッキ、２１は油圧ポンプ、２２は切替制御弁、２３、２４、２５は逆止弁、２６、２７はリリーフ弁、２８は可変リリーフ弁、２９、３０はストップ弁である。
【００２７】
図２に示す構成において、ストップ弁２９は常時開状態におかれており、ストップ弁３０は、切羽側からの水圧によって前部ハル１を後退させるときを除いて、常時閉状態におかれている。そして、中折れジャッキ１０を伸長動作させる際には、油圧ポンプ２１からの圧油を切替制御弁２２を介して中折れジャッキ１０の油室１０ｃに送り込み、また、中折れジャッキ１０を縮め動作させる際には、油圧ポンプ２１からの圧油を切替制御弁２２を介して中折れジャッキ１０の油室１０ｄに送り込むようになっている。
【００２８】
また、前記したビット交換を行うために前部ハル１を前進動作させる際には、油圧ポンプ２１からの圧油を切替制御弁２２を介して中折れジャッキ１０の油室１０ｃに送り込む。そして、切羽側からの水圧によって前部ハル１を後退させるときには、切替制御弁２２を図２のように中立状態にしておき、ストップ弁３０を半開状態に切替えると共に、可変リリーフ弁２８の設定圧を、リリーフ弁２７の設定圧と同程度から徐々に低下させる（例えば、３５０ｋｇｆ／ｃｍ2 から１０ｋｇｆ／ｃｍ2 まで徐々に低下させる）。そうすることで、中折れジャッキ１０の油室１０ｃ側の油圧が低下する。すると、中折れジャッキ１０は、切羽の水圧による抗力に負けて縮み、前部ハル１が後退を始める。この後退により切羽水圧が低下するようであれば、送水管７より水を供給して切羽水圧を一定に保つようにする。そして、前部ハル１が所定位置まで後退した所でストップ弁３０を全閉する。
【００２９】
ここで、上述した実施形態は泥水シールドタイプのシールド掘進機への適用例であったが、本発明は、泥土圧シールドタイプのシールド掘進機にも適用可能である。図３は、本発明の他の実施形態に係るトンネル掘進機の構成を示す断側面図、図４は、図３のＡ−Ａ線矢視図である。本実施形態は、泥土圧シールドタイプの中折れ式のシールド掘進機への適用例であり、図３、４において先の実施形態と均等にものには同一符号を付してある。
【００３０】
泥土圧シールドタイプのシールド掘進機に適用する場合は、図３に示すように、前記した送水管７、排泥管８の代りにスクリュウコンベア１６が排土手段として存在するので、スクリュウコンベア１６を逆転することで、スクリュウコンベア１６内の土砂をカッターチャンバー５内に逆流させ、それにより発生する切羽土圧によって前部ハル１を後退させることができる。また、泥土圧シールドタイプのシールド掘進機では、カッターチャンバー５内で切削土砂に流動性を与えるための注入材の注入口１７（図３、４参照）が設けられているので、その注入口１７から注入材（水またはベントナイト溶液等）を注入して切羽水圧を上げることによっても、前部ハル１を後退させることができる。前部ハル１の後退後は、スクリュウコンベア１６によりカッターチャンバー５内およびカッターヘッド前面側の土砂を排土し、掃除を行った後、ビットの交換作業に入ることになる。
【００３１】
以上、本発明を図示した実施形態によって説明したが、本発明は、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形、適用が可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施形態においては中折れ式のシールド掘進機を例にとったが、本発明は中折れ式以外のシールド掘進機にも適用可能で、この場合には、ハル本体（掘進機本体）を、カッターヘッドを回転可能に保持した第１のハル部と、この第１のハル部と軸方向に相対的に所定量摺動可能であるように結合された第２のハル部とに、２分割してなるシールド掘進機や、押管掘進機などのトンネル掘進機とし、第２のハル部に対して第１のハル部を軸方向に前進させる駆動手段を設けばよいことは、当業者には自明である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、岩磐層（岩地山）を掘進するシールド掘進機などのトンネル掘進機において、ビット交換の際に必要な新品ビットを取付けるためのスペース確保行程を、簡単、容易に自動的に行うことができる。また、カッターヘッドの前面全体と切羽面との間に空間を確保するようにしているので、掘削再開時に新品ビットに過負荷がかかることがなく、かつ、ビット取付け部の掃除も簡単、容易に行うことができる。また、新品ビットを取付けるためのスペース確保に必要なメカニズムが、簡素な構成で実現でき、かつ、上記のスペース確保のための所定部材の後退が、安全、確実に実現できる。総じて、岩磐層（岩地山）を掘進するシールド掘進機などのトンネル掘進機において、ビット交換を、作業者に負担をかけることなく、簡単、容易に行うことが可能となり、この種のトンネル掘進機にあってその価値は多大である。
【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進機の構成を示す断側面図である。
【図２】本発明の一実施形態における、中折れジャッキ制御系の油圧回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るトンネル掘進機の構成を示す断側面図である。
【図４】図４のＡ−Ａ線矢視図である。
【符号の説明】
１  前部ハル
２  カッターヘッド
３  後部ハル
４  中折れ部
５  カッターチャンバー
６  隔壁
７  送水管
８  排泥管
９  シールドジャッキ
１０  中折れジャッキ
１１  セグメント
１２  テールシール
１３  固定ソリ
１４  スプレッダ
１５  ローラビット
１６  スクリュウコンベア
１７  注入材の注入口
【図１】
0003615427.tif 000002
【図２】
0003615427.tif 000003
【図３】
0003615427.tif 000004
【図４】
0003615427.tif 000005