(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の前部に装着されて地盤を掘削する複数のディスクカッタが装着されたカッタヘッドにおいて、カッタヘッド本体に固定されて前記ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルと、該サドルの第１半割り軸受部に連通する切欠部に嵌脱自在であって前記ディスクカッタの回転軸を支持する第２半割り軸受部が形成された軸受金具と、前記サドルの切欠部に連通するテーパ部に係脱自在であって該テーパ部に係合した位置で前記切欠部に嵌合した前記軸受金具の脱落を阻止する軸受固定金具と、前記サドルに固定されることで前記テーパ部に係合した前記軸受固定金具の移動を阻止する押えフランジとを具えたことを特徴とするカッタヘッド。
【請求項２】
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駆動回転自在に装着されたカッタヘッドと、該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前面部に固定された放射状をなすスポークと、回転軸が一体に形成された円盤状をなすディスクカッタと、前記スポークの所定の位置に固定されて前記ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルと、該サドルの第１半割り軸受部に連通する切欠部に嵌脱自在であって前記ディスクカッタの回転軸を支持する第２半割り軸受部が形成された軸受金具と、前記サドルの切欠部に連通するテーパ部に係脱自在であって該テーパ部に係合した位置で前記切欠部に嵌合した前記軸受金具の脱落を阻止する軸受固定金具と、前記サドルに固定されることで前記テーパ部に係合した前記軸受固定金具の移動を阻止する押えフランジ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、回転しながら前方の地盤に押しつけられることでこの地盤を破砕するカッタヘッド、並びに、このカッタヘッドを用いてトンネルを形成するトンネルボーリングマシンやシールド掘削機などのトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に一般的なトンネルボーリングマシンの断面概略、図５にこのトンネルボーリングマシンの正面視、図６に従来のカッタヘッドに装着されたディスクカッタの取付状態を表す正面視、図７にディスクカッタの取り外し工程を表す概略を示す。
【０００３】
トンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）において、図４及び図５に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴１１と後胴１２とから構成されており、この前胴１１はリング形状をなし、前部に軸受１３によってカッタヘッド１４が回転自在に装着されている。このカッタヘッド１４は前面部に交差するように複数のカッタスポーク１５が固定されており、各カッタスポーク１５には岩盤をせん断破壊するディスクカッタ１６が多数枢着されると共に、掘削面を掻き取るスクレーパ１７が取付けられ、また、スクレーパ１７に隣接して破砕した岩片や土砂などのずりを取り込む開口１８が形成されている。そして、このカッタヘッド１４の後部には内歯を有するリングギヤ１９が一体に固定される一方、前胴１１には電動式あるいは油圧式のカッタ旋回モータ２０が固定されており、このカッタ旋回モータ２０の駆動ギヤ２１がリングギヤ１９に噛み合っている。
【０００４】
また、前胴１１には掘削して発生したずりが内部に浸入しないようにバルクヘッド２２が固定されることで、チャンバ室２３が形成されている。そして、このチャンバ室２３内にはディスクカッタ１６が破砕したずりを外部に搬出するスクリューコンベヤ２４が配設されている。
【０００５】
従って、カッタ旋回モータ２０を駆動して駆動ギヤ２１を回転駆動すると、この駆動ギヤ２１が噛み合うリングギヤ１９が回転し、リングギヤ１９と一体のカッタヘッド１４を旋回し、各ディスクカッタ１６が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、スクレーパ１７が掘削面を掻き取り、発生したずりを開口１８から前胴１１の内部に取り込むことができる。そして、カッタヘッド１４の開口１８からチャンバ室２３に取り込まれたずりはスクリューコンベヤ２４によって外部に排出することができる。
【０００６】
また、前胴１１の後部外周辺には円周方向に複数のシールドジャッキ２５が並設されており、このシールドジャッキ２５が掘進方向後方に伸長し、既設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、その反力により前胴１１を前進することができる。一方、前胴１１にはセグメントエレクタ２６が設けられており、このセグメントエレクタ２６はシールドジャッキ２５によって前進した前胴１１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ことができる。更に、前胴１１の後方に位置する後胴１２はリング形状をなし、前胴１１とこの後胴１２との間には複数の方向制御ジャッキ２７が架設されている。この方向制御ジャッキ２７を伸縮することで、カッタヘッド１４を有する前胴１１が後胴１２に対して屈曲し、その掘進方向を変更することができる。
【０００７】
このように構成されたＴＢＭによってトンネルを掘削するには、まず、カッタ旋回モータ２０を駆動してカッタヘッド１４を回転駆動させながら、各シールドジャッキ２５を伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１４を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド１４のディスクカッタ１６が岩盤をせん断破壊し、この岩盤を掘削する。そして、このディスクカッタ１６の岩盤掘削によって生じたずりはチャンバ室２３内に取り込まれ、スクリューコンベヤ２６によって外部に排出される。
【０００８】
このように各シールドジャッキ２５を所定ストローク伸長すると、次に、このシールドジャッキ２５のいずれか一つを収縮して、既設のセグメントＳとの間の空所を形成し、セグメントエレクタ２６がこ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。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削していく。ま
【０００９】
ところで、近年、掘削形成するトンネルは長距離化の傾向にあり、ＴＢＭによる掘削作業中にカッタヘッド１４に装着されたディスクカッタ１６が摩耗し、土砂の掘削抵抗が増大して掘削効率が低下したり、掘削不能になってしまう。そのため、このディスクカッタ１６が摩耗した場合には、掘削作業を停止して摩耗したディスクカッタ１６を交換しなければならない。従来、ディスクカッタ１６を切羽側へ取り外して交換していたが、この場合、掘削機を後退させてカッタヘッド１４と切羽との間に作業空間を確保しなければならず、交換作業に長時間を要ししまう。また、作業者が機外へ出なければならず、危険が伴ってしまう。
【００１０】
そこで、ディスクカッタ１６を機内側へ取り外して交換可能としたものが提案されている。図６に従来のディスクカッタの取付構造を表す概略を示す。図６に示すように、ディスクカッタ１６は一体に形成された回転軸１６ａがサドル３１にキャップ３２によって回転自在に支持されており、このサドル３１がカッタスポーク１５の所定の取付開口部１５ａに位置するように多数の固定ボルト３３によって固定されている。
【００１１】
ところが、このような従来のディスクカッタの取付構造にあっては、切羽からディスクカッタ１６に作用する掘削反力はサドル３１を固定した固定ボルト３３の弛緩方向に作用しており、ディスクカッタ１６による地盤の破砕中に固定ボルト３３が緩んでしまい、このディスクカッタ１６によって効率よく地盤を破砕することができない虞がある。
【００１２】
そのため、この改良案としてディスクカッタ１６を機内側へ取り外して交換可能とした別のものが提案されている。図７に従来の別のディスクカッタの取付構造を表す概略を示す。図７に示すように、ディスクカッタ１６は一体に形成された回転軸１６ａがサドル３６に回転自在に支持されており、このサドル３６がカッタスポーク１５の所定の取付開口部１５ａに位置し、このカッタスポーク１５と一体のフランジ１５ｂに多数の固定ボルト３７によって固定されている。
【００１３】
従って、切羽からディスクカッタ１６に作用する掘削反力はサドル３６を介してフランジ１５ｂに作用することとなり、このサドル３６を固定した固定ボルト３７の弛緩方向に作用することはなく、このディスクカッタ１６は効率よく地盤を破砕することができる。そして、磨耗したディスクカッタ１６を交換するには、固定ボルト３７を弛緩してサドル３６の固定を解除してから、ディスクカッタ１６をサドル３６と共にほぼ９０度回動することで、サドル３６と取付開口部１５ａとが適合し、このサドル３６を取付開口部１５ａから機内側に取り外すことができる。その後、新しいディスクカッタが装着されたサドルを前述とは逆の手順で組み付けることで、交換が終了する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなＴＢＭにおけるディスクカッタの交換作業にあっては、多数の固定ボルト３７を取り外し、ディスクカッタ１６をサドル３６と共にほぼ９０度回動してからカッタスポーク１５の取付開口部１５ａを通して磨耗したディスクカッタ１６と共にサドル３６を取り外し、新しいディスクカッタが取付けられたサドルを、再び取付開口部１５ａに嵌合して多数の固定ボルト３７によって固定していた。この場合、前述したように、ディスクカッタ１６には切羽から掘削反力が作用しているため、この掘削反力が作用したままでディスクカッタ１６を回動するには大きな力が必要となり、専用の治具を用いなければならず、作業が面倒である。また、一般的にディスクカッタ１９は９５kg程度であって、サドル３６は７５kg程度あり、大重量物である両者の取り外し作業と取り付け作業は多くの手間と労力を要し、作業時間も長くかかってしまい作業性が良くない。そして、作業者はチャンバ室２３内の狭い空間で重量物であるディスクカッタ１６及びサドル３６の交換作業を行わなければならず、不自由で危険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った。更に、ディスクカッタ１６の摩耗とは関係のないサドル３６まで交換することとなり、高コストとなってしまう。
【００１５】
このような問題を解決するものとして、例えば、特開昭６３−１３０８９６号公報に開示されたものがある。これは、ディスクカッタの支持軸をサドルに形成されたキー溝に挿入すると共に横方向に移動してテーパ面に押し付けた状態で、このキー溝にテーパキーを挿入し、多数の固定ボルトによってこのテーパキーをサドルに固定することで、ディスクカッタを支持するようにしたものである。この構造によれば、ディスクカッタの交換時に、ディスクカッタを若干横方向に移動するだけで、このディスクカッタのみを取り外すことができる。ところが、サドルと共にディスクカッタが固定されたスポークには、ディスクカッタの交換時にこのディスクカッタを横方向に移動するためのスペースを確保しなければならず、スポークが大型化して掘削土砂の流動性が悪化してしまうという問題がある。また、カッタへヘッドの回転方向によっては、ディスクカッタの横方向の移動が制限され、磨耗したディスクカッタを交換することができない場合がある。
【００１６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、ディスクカッタの交換作業を簡単且つ短時間で行うことで、交換作業能率の向上を図ると共に構造の簡素化を図ったカッタヘッド並びにトンネル掘削機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カッタヘッドは、掘削機本体の前部に装着されて地盤を掘削する複数のディスクカッタが装着されたカッタヘッドにおいて、カッタヘッド本体に固定されて前記ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルと、該サドルの第１半割り軸受部に連通する切欠部に嵌脱自在であって前記ディスクカッタの回転軸を支持する第２半割り軸受部が形成された軸受金具と、前記サドルの切欠部に連通するテーパ部に係脱自在であって該テーパ部に係合した位置で前記切欠部に嵌合した前記軸受金具の脱落を阻止する軸受固定金具と、前記サドルに固定されることで前記テーパ部に係合した前記軸受固定金具の移動を阻止する押えフランジとを具えたことを特徴とするものである。
【００１８】
従って、カッタヘッドに装着されたディスクカッタを交換するには、サドルに固定された押えフランジを取り外してから、サドルのテーパ部に係合した軸受固定金具を取り外すことで、ディスクカッタの回転軸を支持する軸受金具が脱落し、サドルに支持されたディスクカッタの回転軸を抜き取ってこのディスクカッタのみをカッタヘッドから取り外すことができ、別のディスクカッタの回転軸をサドルの第１半割り軸受部に挿入してこの回転軸に第２半割り軸受部が嵌合するように軸受金具をサドルの切欠部に嵌合し、軸受固定金具をテーパ部に係合することで軸受金具の脱落を阻止し、押えフランジをサドルに固定して軸受固定金具の移動を阻止することで、ディスクカッタの交換が完了する。
【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駆動回転自在に装着されたカッタヘッドと、該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前面部に固定された放射状をなすスポークと、回転軸が一体に形成された円盤状をなすディスクカッタと、前記スポークの所定の位置に固定されて前記ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルと、該サドルの第１半割り軸受部に連通する切欠部に嵌脱自在であって前記ディスクカッタの回転軸を支持する第２半割り軸受部が形成された軸受金具と、前記サドルの切欠部に連通するテーパ部に係脱自在であって該テーパ部に係合した位置で前記切欠部に嵌合した前記軸受金具の脱落を阻止する軸受固定金具と、前記サドルに固定されることで前記テーパ部に係合した前記軸受固定金具の移動を阻止する押えフランジとを具えたことを特徴とするものである。
【００２０】
従って、このトンネル掘削機によって地盤を掘削する場合、カッタヘッド駆動手段によってカッタヘッドを駆動回転させながら、まず、推進手段によって掘削機本体を前進させることで、カッタヘッドが前方の地盤を掘削してトンネルを掘削する。そして、カッタヘッドに装着されたディスクカッタが磨耗してを交換が必要な場合には、サドルに固定された押えフランジを取り外してから、サドルのテーパ部に係合した軸受固定金具を取り外すことで、ディスクカッタの回転軸を支持する軸受金具が脱落し、サドルに支持されたディスクカッタの回転軸を抜き取ってこのディスクカッタのみをカッタヘッドから取り外すことができ、別の新しいディスクカッタの回転軸をサドルの第１半割り軸受部に挿入してこの回転軸に第２半割り軸受部が嵌合するように軸受金具をサドルの切欠部に嵌合し、軸受固定金具をテーパ部に係合することで軸受金具の脱落を阻止し、押えフランジをサドルに固定して軸受固定金具の移動を阻止することで、ディスクカッタの交換が完了する。
【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トンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンに装着されたディスクカッタの取付構造を表す概略、図２に本実施形態のディスクカッタの取付状態を表す断面、図３に本実施形態のディスクカッタの取付方法を表す概略を示す。
【００２３】
本実施形態のトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）のカッタヘッドにおいて、図１及び図２に示すように、ディスクカッタ４１は、円盤形状をなして回転軸４２が一体に形成されている。一方、カッタヘッド４０に固定された左右一対のカッタスポーク４３の間にサドル４４が図示しないボルト等によって固定されている。このサドル４４は門型形状をなし、ディスクカッタ４１の回転軸４２を支持する第１半割り軸受部４４ａと、この第１半割り軸受部４４ａに連通する切欠部４４ｂと、左右一対のテーパ部４４ｃと、取付開口４４ｄとが形成されている。軸受金具４５は上面部にディスクカッタ４１の回転軸４２を支持する第２半割り軸受部４５ａが形成されて、サドル４４の切欠部４４ｂに嵌脱自在となっている。
【００２４】
また、左右一対の軸受固定金具４６はサドル４４のテーパ部４４ｃに係脱自在であって、この各軸受固定金具４６がテーパ部４４ｃに係合したときには、サドル４４の切欠部４４ｂに嵌合した軸受金具４５の脱落を阻止することができ、左右の軸受固定金具４６の間に空間部が形成されるようになっている。そして、押えフランジ４７は各軸受固定金具４６がサドル４４のテーパ部４４ｃに係合したときに両者の間に形成される空間部に嵌脱自在な凸部４７ａが形成され、この凸部４７ａが各軸受固定金具４６の間の空間部に嵌入した状態で固定ボルト４８によってサドル４４に固定することで、テーパ部４４ｃに係合した各軸受固定金具４６の移動を阻止している。
【００２５】
ここで、カッタヘッド４０にディスクカッタ４１を取付ける手順について説明する。
【００２６】
まず、図３(ａ)に示すように、カッタヘッド４０のスポーク４３に固定されたサドル４４に対してディスクカッタ４１を装着するとき、回転軸４２をサドル４４の第１半割り軸受部４４ａに挿入し、この状態で、図３(ｂ)に示すように、サドル４４の切欠部４４ｂに軸受金具４５を嵌合することで、ディスクカッタ４１の回転軸４２に第２半割り軸受部４５ａを密着させる。このようにしてディスクカッタ４１の回転軸４２はサドル４４の第１半割り軸受部４４ａと軸受金具４５の第２半割り軸受部４５ａによって支持される。次に、図３(ｃ)に示すように、サドル４４のテーパ部４４ｃに左右一対の軸受固定金具４６を係合することでサドル４４の切欠部４４ｂに嵌合した軸受金具４５の脱落を阻止する。そして、図３(ｄ)に示すように、各軸受固定金具４６がサドル４４のテーパ部４４ｃに係合したときに両者の間に形成される空間部に押えフランジ４７の凸部４７ａを嵌入し、この状態で、図３(ｅ)に示すように、固定ボルト４８によってこの押えフランジ４７をサドル４４に固定することで、図３(ｆ)に示すように、押えフランジ４７によってテーパ部４４ｃに係合した各軸受固定金具４６の移動が阻止される。
【００２７】
このようにしてカッタヘッド４０のサドル４４に取付けられたディスクカッタ４１において、図２に示すように、切羽からカッタヘッド４０に作用するラジアル方向の荷重は、回転軸４２を支持している軸受金具４５を介して各軸受固定金具４６とサドル４４のテーパ部４４ｃとの間で受け止めることとなり、また、切羽からカッタヘッド４０に作用するスラスト方向の荷重は、回転軸４２を支持している軸受金具４５とサドル４４の切欠部４４ｂの側面との間で受け止めることとなる。従って、これらのラジアル荷重及びスラスト荷重は直接固定ボルト４８に引張力として作用することはなく、この固定ボルト４８が弛緩することはない。更に、ディスクカッタ４１を支持しているサドル４４はカッタヘッド４０に固定された左右一対のカッタスポーク４３の間に位置しており、サドル４４に掘削反力が作用しても、このサドル４４の変形が防止される。
【００２８】
なお、カッタヘッド４０のサドル４４に取付けられたディスクカッタ４１を取り外すには、前述と逆の手順によって行えばよいものである。即ち、図３(ｆ)に示す状態から、図３(ｅ)に示すように、固定ボルト４８を弛緩し、図３(ｄ)に示すように、各軸受固定金具４６の間の空間部から押えフランジ４７の凸部４７ａを抜き取ることで、サドル４４のテーパ部４４ｃに係合した軸受固定金具４６の拘束を解除する。そして、図３(ｃ)に示すように、サドル４４のテーパ部４４ｃすら各軸受固定金具４６と取り出し、更に、図３(ｂ)に示すように、サドル４４の切欠部４４ｂに嵌合した軸受金具４５を外すことで、第２半割り軸受部４５ａによるディスクカッタ４１の回転軸４２の支持を解除し、図３(ａ)に示すように、ディスクカッタ４１（回転軸４２）をカッタヘッド４０のスポーク４３に固定されたサドル４４（第１半割り軸受部４４ａ）から取り外すことができる。
【００２９】
【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カッタヘッドによれば、ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルをカッタヘッド本体に固定し、第２半割り軸受部が形成された軸受金具をこのサドルの切欠部に嵌合することで、各半割り軸受部によってディスクカッタの回転軸を支持し、軸受固定金具をサドルのテーパ部に係合することで切欠部に嵌合した軸受金具の脱落を阻止し、押えフランジをサドルに固定することでテーパ部に係合した軸受固定金具の移動を阻止したので、ディスクカッタのみを容易に着脱自在とすることでディスクカッタの交換作業を簡単、且つ、短時間で行って交換作業能率の向上を図ることができると共に、ディスクカッタの取付構造の簡素化を図ることができる。
【００３０】
また、本発明のトンネル掘削機によれば、推進手段によって前進可能な掘削機本体の前部にカッタヘッド駆動手段によって駆動回転自在なカッタヘッドを装着し、ディスクカッタの回転軸を支持する第１半割り軸受部が形成されたサドルをこのカッタヘッドの前面部に固定されたスポークに固定し、第２半割り軸受部が形成された軸受金具をこのサドルの切欠部に嵌合することで、各半割り軸受部によってディスクカッタの回転軸を支持し、軸受固定金具をサドルのテーパ部に係合することで切欠部に嵌合した軸受金具の脱落を阻止し、押えフランジをサドルに固定することでテーパ部に係合した軸受固定金具の移動を阻止したので、ディスクカッタのみを容易に着脱自在とすることでディスクカッタの交換作業を簡単、且つ、短時間で行って交換作業能率の向上を図ることができると共に、ディスクカッタの取付構造の簡素化を図ることができ、その結果、掘削作業効率の低下を防止して作業能率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トンネル掘削機としてのトンネルボーリングマシンに装着されたディスクカッタの取付構造を表す概略図である。
【図２】本実施形態のディスクカッタの取付状態を表す断面図である。
【図３】本実施形態のディスクカッタの取付方法を表す概略図である。
【図４】一般的なトンネルボーリングマシンの断面概略図である。
【図５】トンネルボーリングマシンの正面図である。
【図６】従来のカッタヘッドに装着されたディスクカッタの取付状態を表す正面図である。
【図７】ディスクカッタの取り外し工程を表す概略図である。
【符号の説明】
４０  カッタヘッド
４１  ディスクカッタ
４２  回転軸
４３  スポーク
４４  サドル
４４ａ  第１半割り軸受部
４４ｂ  切欠部
４４ｃ  テーパ部
４５  軸受金具
４５ａ  第２半割り軸受部
４６  軸受固定金具
４７  押えフランジ
４８  固定ボルト
【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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