(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山を掘削するカッターヘッドを有し且つ地中に埋設される管の内部に挿入されて該管と共に推進される掘進機であって、前記カッターヘッドが先端に外周ビットを取り付けた複数のスポークを半径方向に配置して構成され、且つ該スポークが掘削面側に向けて屈折可能に構成されると共にカッターヘッドを回転させたとき外周ビットの軌跡が前記管の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径となる長さを有することを特徴とする掘進機。
【請求項２】
地山を掘削するカッターヘッドと推進方向を制御するために屈折可能に接続されたシールド本体とテールシールドを有する掘進機と、前記掘進機のシールド本体の外周に配設されたフロントケーシングとテールシールドの外周に配設されたテールケーシングを有し掘進機の屈折に伴って屈折する外筒と、前記掘進機と外筒とを接続し且つ外筒に作用する推力を掘進機に伝達する推力伝達部材と、前記掘進機に接続され該掘進機に引抜力を伝達する引抜力伝達部材とを有し、前記掘進機のカッターヘッドが先端に外周ビットを取り付けた複数のスポークを半径方向に配置して構成され且つ該スポークが掘削面側に向けて屈折可能に構成されると共にカッターヘッドを回転させたとき外周ビットの軌跡が前記フロントケーシングの外径と略等しいかもしくは該外径以上の径となる長さを有することを特徴とする掘進装置。
【請求項３】
前記掘進機のシールド本体と前記外筒のフロントケーシングが所定値以上の剪断力が作用したときに剪断されるシャーピンを介して接続されると共に、前記掘進機のテールシールドと前記外筒のテールケーシングが推力伝達部材を介して接続され、且つ前記フロントケーシングとテールケーシングが止水材を介して移動可能に接続されることを特徴とする請求項２記載の掘進装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管に内挿されて該管の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径で地山を掘削しつつ管と共に推進され、且つ所定長さの管を推進した後、カッターヘッドを屈折させて管の内部を通して発進立坑側に引き戻すことが出来る掘進機と、前記掘進機を用いた掘進装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の管を連続させて推進し、これらの管からなる管路を下水道管路や電線或いは通信線の管路として用いることがある。このような管路を敷設する場合、セミシールド工法と呼ばれる推進工法が採用されることが多い。
【０００３】
上記推進工法は、予め設定された管路の敷設予定線上に発進立坑と到着立坑を構築し、発進立坑に設置した元押し装置によって掘進機及び該掘進機に後続させた管を推進することで実施される。そして先頭に配置された掘進機が到着立坑に到着したとき、発進立坑と到着立坑の間に複数の管からなる管路が敷設され、掘進機は到着立坑から地上に排除される。
【０００４】
上記工法に用いられる掘進機は、先端にカッターヘッドを設けたシールド本体と、カッターヘッドを回転駆動するモーターや推進方向を管理するための機器類を設けたテールシールドとを有して構成され、シールド本体とテールシールドを複数の油圧ジャッキ及びロッドを介して接続して構成されている。そして元押し装置によって推進された掘進機が予定敷設線からズレたとき、ズレ量に応じて油圧ジャッキを操作して予定敷設線に一致するように方向制御を行なうことで、該掘進機に後続した管を予定敷設線に一致させている。
【０００５】
また埋設される管はテールシールドに直接或いは間接的に接触し得るように後続し、該管に元押し装置の押し輪を当接させて推進することで、連続した管を介して掘進機に推力を伝達し得るように構成されている。
【０００６】
上記推進工法は発進立坑から到着立坑に向けて掘進機を推進すると共に該掘進機に後続させた複数の管を推進し、掘進機が到着立坑に到着したとき、予め設定された予定線に沿って管を埋設するものである。即ち、推進工法では予め発進立坑と到着立坑を構築することが必須となる。発進立坑には元押し装置や掘削した土砂を排除する設備等の装置類を設置し得るスペースと元押し装置に管を供給する作業を実施し得るスペースが必要となり、また到着立坑には到着した掘進機を排除し且つこの作業を実施し得るスペースが必要となる。このため、周辺の事情により到着立坑が構築出来ない場合には管を埋設することが出来ないという問題がある。
【０００７】
然し、到着立坑を構築することなく掘進機及び管を推進し、管が予定長に達したとき掘進機のみを発進立坑に引き戻すようにした推進工法も開発されている。例えば、本件出願人が開発して既に特許出願した排水用管路の敷設工法（特願平４−108392号）は、掘進機の外周に多孔管を配設し、掘進機にさや管を後続させると共に多孔管にはさや管と等しい長さの多孔管を後続させ、掘進機と多孔管或いはさや管と多孔管を同時に推進し、多孔管を所定長推進した後、さや管及び掘進機を発進立坑に引き戻すものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、周囲の事情から予めマンホール程度の到着立坑を構築して或いは到着立坑を構築することなく管を推進して下水道管や電線管等の管路を敷設することが要求されている。この要求を満足するには、掘進機推進方向を極めて正確に制御すると共に掘進機が到着立坑或いは予定到着立坑に到着した後、この掘進機を発進立坑側に引き戻すことが必須となる。
【０００９】
また多数の鋼管を隣接させて地中に埋設し、この鋼管からなる壁を立壁及び天井壁とする所謂パイプルーフ構造によってトンネルを構築することが行われるが、この場合にも鋼管の内部に掘進機を配置して推進し、その後、掘進機のみを引き戻すことを要求されることがある。
【００１０】
本件出願人は、上記工法を実施するための掘進装置を開発して既に特許出願している（特願平7- 85299）。しかし、この発明であっても全く問題が無いわけではなく、目的の管路を敷設した後、掘進機を引き戻す際にカッターヘッドが外筒に干渉することがないように該ヘッドの外径を外筒の内径よりも小さく構成している。このため、カッターヘッドによって掘削したトンネルの径が外筒の径よりも小さくなり、推力の上昇，方向修正がしずらい，刃口部分の磨耗，掘進機外周の磨耗等の問題を解決するための余掘りが出来ないという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、管を推進する際には外筒の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径を持って地山を掘削することが出来、且つカッターヘッドを折り曲げて外筒内に収容して掘進機を引き戻すことが出来る掘進装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る掘進機は、地山を掘削するカッターヘッドを有し且つ地中に埋設される管の内部に挿入されて該管と共に推進される掘進機であって、前記カッターヘッドが先端に外周ビットを取り付けた複数のスポークを半径方向に配置して構成され、且つ該スポークが掘削面側に向けて屈折可能に構成されると共にカッターヘッドを回転させたとき外周ビットの軌跡が前記管の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径となる長さを有するものである。
【００１３】
上記掘進機では、カッターヘッドを回転することによって管の外径と略等しい径かもしくは該外径以上の径で地山を掘削することが出来る。このため、地中に埋設される管はカッターヘッドによって掘削されたトンネル内を推進されることとなり、小さい推力を付与して円滑に推進することが出来る。また管の推進が終了して掘進機を引き戻す際にスポークの先端部分が管の端部に接触したとき、この接触に伴ってスポークが掘削面側に屈折する。このため、外周ビットの軌跡が管の外径と略等しいかもしくは該外径以上であるにも関わらず掘進機を円滑に引き戻すことが出来る。
【００１４】
また本発明に係る掘進装置は、地山を掘削するカッターヘッドと推進方向を制御するために屈折可能に接続されたシールド本体とテールシールドを有する掘進機と、前記掘進機のシールド本体の外周に配設されたフロントケーシングとテールシールドの外周に配設されたテールケーシングを有し掘進機の屈折に伴って屈折する外筒と、前記掘進機と外筒とを接続し且つ外筒に作用する推力を掘進機に伝達する推力伝達部材と、前記掘進機に接続され該掘進機に引抜力を伝達する引抜力伝達部材とを有し、前記掘進機のカッターヘッドが先端に外周ビットを取り付けた複数のスポークを半径方向に配置して構成され、且つ該スポークが掘削面側に向けて屈折可能に構成されると共にカッターヘッドを回転させたとき外周ビットの軌跡が前記フロントケーシングの外径と略等しい径かもしくは該外径以上の径となる長さを有して構成されるものである。
【００１５】
上記掘進装置では、掘進機のカッターヘッドを回転することによって地山を外筒を構成するフロントケーシングの外径と略等しい径かもしくは該外径以上の径で掘削することが出来る。そして掘進機のシールド本体の外周に配設したフロントケーシングとテールシールドの外周に配設したテールケーシングからなる外筒、或いは外筒に後続させた管に推力を作用させると、この推力は推力伝達部材を介して掘進機に伝達され、外筒及び掘進機を推進することが出来る。
【００１６】
掘進機及び外筒の推進に伴って推進方向のズレが生じたとき、発生したズレに応じてシールド本体とテールシールドを屈折させると、この屈折に伴って外筒を構成するフロントケーシングとテールケーシングも屈折する。従って、掘進機の方向制御を行なうことが出来る。そして推力伝達部材による外筒と掘進機の接続を解除して引抜力伝達部材を介して引抜力を掘進機に伝達することで、掘進機を引き戻すことが出来る。
【００１７】
上記掘進装置に於いて、掘進機のシールド本体と前記外筒のフロントケーシングが所定値以上の剪断力が作用したときに剪断されるシャーピンを介して接続されると共に、前記掘進機のテールシールドと前記外筒のテールケーシングが推力伝達部材を介して接続され、且つ前記フロントケーシングとテールケーシングが止水材を介して移動可能に接続されるように構成することが好ましい。
【００１８】
上記の如く構成することによって、方向制御に伴う掘進機の屈折に対し外筒が円滑に追従することが出来、且つ掘進機を推進する際にフロントケーシングがシールド本体から離脱することがない。また掘進機を引き戻したとき、フロントケーシングがテールケーシングに当接してシャーピンに剪断力が作用し、この剪断力が所定値以上になったとき該ピンが剪断されるため、掘進機を引き戻すことが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、上記掘進機及び掘進装置の好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は掘進機のカッターヘッドの構成を説明する図、図２はスポークが屈折状態を説明する図、図３は掘進装置の断面図、図４は掘進装置の推進状態を示す図、図５は掘進機を引き戻す手順を説明する図、図６は掘進機を引き戻す手順を説明する図である。
【００２０】
先ず、図１〜図３により掘進機Ａ及び掘進装置の構成について説明する。掘進装置は、推進方向を制御し得るように構成された掘進機Ａと、掘進機Ａの外周に配設された外筒Ｂと、掘進機Ａと外筒Ｂを接続すると共に外筒Ｂに付与された推力を掘進機Ａに伝達する推力伝達部材Ｃと、掘進機Ａに接続され該掘進機Ａに引抜力を伝達する引抜力伝達部材Ｄとを有して構成されている。
【００２１】
掘進機Ａは、シールド本体１とテールシールド２を複数の方向制御ジャッキ３及び図示しないロッドによって接続して構成され、複数の方向制御ジャッキ３を独立して或いは同時に駆動して押し，引きすることで、シールド本体１とテールシールド２を相対的に屈折させ、この状態で推進することで推進方向を制御し得るように構成されている。またシールド本体１の後端側はテールシールド２の先端側に移動可能に嵌合している。
【００２２】
シールド本体１の後端側所定位置には隔壁５が設けられており、この隔壁５の前方側（図１の左側）にカッターヘッド６が配置され、また隔壁５の後方側（図１の右側）であってテールシールド２の内部にカッターヘッド６を駆動するモーター10，掘進機Ａの予定敷設線からのズレを監視する光学系11及び他の計器類が配置されている。
【００２３】
カッターヘッド６は、偏心回転可能に構成された圧密ヘッド６ａと、圧密ヘッド６ａの先端部から半径方向に配置された複数のスポーク６ｂ（本実施形態では３本）を有している。前記各スポーク６ｂは圧密ヘッド６ａに固着された基部６b1と先端部６b2を有し、これらの基部６b1と先端部６b2をピン７を介して接続することで、回動可能に構成されている。基部６b1及び先端部６b2の圧密ヘッド６ａ側には顎部６ｃ（図２参照）が設けられており、この顎部６ｃの当接によってスポーク６ｂの圧密ヘッド６ａ側への回動を規制している。またスポーク６ｂの前方側の面であって所定位置には夫々カッタービット８ａが取り付けられており、先端には外周ビット８ｂが取り付けられている。
【００２４】
従って、スポーク６ｂはカッタービット８ａの取付面、即ち、掘削面側に屈折可能に構成されており、掘削時には、基部６b1及び先端部６b2の顎６ｃが当接して互いの姿勢が規制され、図１に示すように、先端部６b2に作用する力を基部６b1に伝達することが可能である。そしてスポーク６ｂの先端部６b2に圧密ヘッド６ａ側から掘削面側に向かう力が作用したとき、この力に応じて先端部６b2はピン７を中心として回動し、スポーク６ｂが掘削面側に屈折する。
【００２５】
スポーク６ｂの長さは、カッターヘッド６がシールド本体１に対し予め設定された偏心量を持って偏心回転したとき、３本のスポーク６ｂに取り付けられた外周ビット８ｂの軌跡が後述するフロントケーシング21の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径となるように設定されている。従って、カッターヘッド６を回転させて地山を掘削することで、掘進機Ａの外周に配置された外筒Ｂ或いは図示しない管の外径と等しいかもしくは該外径以上の径を持ったトンネルを掘削することが可能である。
【００２６】
上記の如く、カッターヘッド６を回転させて地山を掘削してフロントケーシング21の外径と略等しい径もしくは該外径以上の径を持ったトンネルを掘削することで、掘進機Ａ及び外筒Ｂを推進したとき、該外筒Ｂは既に掘削されたトンネル内を推進される。このため、外筒Ｂに作用する地山の抵抗が極端に小さくなって付与すべき推力を軽減することが可能となる。
【００２７】
テールシールド２の後端にはブラケット12が設けられており、このブラケット12に推力伝達部材Ｃ，引抜力伝達部材Ｄが配置されている。また本実施形態に用いた掘進機Ａは泥水工法を実施するものであり、機内室６には送泥管及び排泥管が配置され、夫々削土室６に連通している。
【００２８】
外筒Ｂは、掘進機Ａのシールド本体１の外周に配設されたフロントケーシング21と、テールシールド２の外周に配設されたテールケーシング22とによって構成されている。
【００２９】
各ケーシング21，22の内周には長手方向に沿って表面が平坦な複数のレール21ａ，22ａが固着されている。またシールド本体１及びテールシールド２の外周には長手方向に沿って表面が平坦な複数の摺動部材１ａ，２ａが固着されている。そして各摺動部材１ａ，２ａにレール21ａ，22ａを接触させて外筒Ｂを掘進機Ａの外周に配設することで、掘進機Ａと外筒Ｂの間には間隙が形成されている。
【００３０】
フロントケーシング21の後端側にはシールリング21ｂが固着されている。このシールリング21ｂは後述するテールケーシング22に固着した止水部材24に嵌合して外筒Ｂに対する地下水の浸入を防止する機能を有している。
【００３１】
シールド本体１はシャーピン23によってフロントケーシング21と接続されている。従って、推力が付与されたとき、この推力はシールド本体１の先端に形成された段部を介してフロントケーシング21に伝達され、シャーピン23に剪断力が作用することはない。またシールド本体１に引抜力が作用したとき、この引抜力はシャーピン23を介してフロントケーシング21に伝達される。尚、シャーピン23の数及び太さ等の仕様は予め設計段階で設定される。
【００３２】
テールケーシング22はテールシールド２よりも長い筒状の本体部22ｂを有しており、本体部22ｂの先端には所定の肉厚を有し且つ外周に複数のシール材25を取り付けた止水部材24が固着され、後端側には複数の推力伝達部材Ｃが配置されている。
【００３３】
推力伝達部材Ｃは図示しない元押し装置によって外筒Ｂに付与された推力を掘進機Ａに伝達する機能を有するものであり、この機能を有するものであれば特に構成を限定するものではない。
【００３４】
本実施形態に於いて、推力伝達部材Ｃは、テールケーシング22の内周面に固着したブラケット26と、このブラケット26に取り付けられ先端がテールシールド２の後端に設けたブラケット12に接続されたロッド27とによって構成されている。然し、この構成以外であっても良く、例えばテールシールド２の外周に複数の油圧ジャッキを配置しておき、この油圧ジャッキを駆動してテールケーシング22に押圧力を作用させて該ケーシング22とテールシールド２を接続するように構成することも可能である。
【００３５】
上記構成に於いて、元押し装置からテールケーシング22に直接或いは後続する管28を介して付与された推力は、ブラケット26，ロッド27，ブラケット12を介してテールシールド２に伝達され、該シールド２に配置された方向制御ジャッキ３，ロッドを介してシールド本体１に伝達される。即ち、テールケーシング22或いは管28に推力を付与することによって、掘進機Ａ及び外筒Ｂを推進することが可能である。尚、推力伝達部材Ｃの数及び配置位置は予め設計段階で設定される。
【００３６】
フロントケーシング21とテールケーシング22は、フロントケーシング21のシールリング21ｂにテールケーシング22の止水部材24が嵌合することで、互いに屈折可能に接続されている。またフロントケーシング21とテールケーシング22を接続したとき、フロントケーシング21の後端と止水部材24の前端とは直接当接することのないように所定の間隙が形成されている。
【００３７】
そしてフロントケーシング21がシールド本体１とシャーピン23によって接続され且つ摺動部材１ａとレール21ａが互いに接触し、またテールケーシング22がテールシールド22と推力伝達部材Ｃによって接続され且つ摺動部材２ａとレール22ａが互いに接触することで、掘進機Ａの方向制御に応じたシールド本体１とテールシールド２の相対的な屈折に伴ってフロントケーシング21とテールケーシング22は容易に屈折することが可能である。
【００３８】
引抜力伝達部材Ｄは、平行に配置された複数本の棒鋼（ＰＣ棒）29によって構成されており、該ＰＣ棒29の一端はテールシールド２に設けたブラケット12に接続され、他端は元押し装置の押し輪に接続されている。このＰＣ棒29はテールケーシング22に後続する管28と略等しい長さを有しており、既に推進された管28に新たな管28を接続する毎に延長される。
【００３９】
次に、上記の如く構成された掘進装置を用いて地中に管28を埋設する工程について説明する。図示しない発進立坑には、掘進装置及び管28を推進する元押し装置が設置されている。この元押し装置に掘進装置を載置し、テールケーシング22の後端に押し輪を当接させて推力を付与して掘進機Ａのカッターヘッド６を推進すべき地盤に接触させ、圧密ヘッド６ａの周辺に泥水を供給しつつカッターヘッド６を回転させると、カッタービット８ａ及び外周ビット８ｂによって地山が掘削され、フロントケーシング21（管28）の外径と略等しい径かもしくは該外径以上の径を持ったトンネルが形成され、同時に掘進機Ａ及び外筒Ｂが地中に推進される。
【００４０】
掘進装置の推進が終了した後、押し輪を引き戻し、テールケーシング22の後端に管28を接続すると共にテールシールド２のブラケット12にＰＣ棒29を接続して管28の後端の押し輪を当接させて推力を付与することで管28を推進する。管28を推進した後、同様の操作を繰り返して順次新たな管28を推進する。
【００４１】
管28の推進長が予め設定された長さに一致したとき、掘進機Ａを発進立坑に引き戻す操作を実施する。この操作は、図５，図６に示す手順で行なうことが可能である。
【００４２】
即ち、図５に示すように、テールケーシング22に後続させた管28が予め設定された推進長に到達したとき、テールケーシング22とテールシールド２を接続する推力伝達部材Ｃの接続を解除する。この解除は推力伝達部材Ｃを構成するブラケット26を切断することで行なわれる。
【００４３】
ブラケット26を切断してテールケーシング22とテールシールド２の接続を解除した後、元押し装置の押し輪を引き戻すことによってＰＣ棒29を介してテールシールド２に引抜力を伝達すると、この引抜力はテールシールド２からシールド本体１に伝達され、更に、シャーピン23を介してフロントケーシング21に伝達される。
【００４４】
従って、テールシールド２，シールド本体１及びフロントケーシング21が後方に引き戻される。引き戻しに伴いフロントケーシング21の後端がテールケーシング22の先端に固着した止水部材24に当接して引き戻しが阻止される。フロントケーシング21の引き戻しの阻止に関わらずシールド本体１には引き続き引抜力が付与され、これに伴ってシャーピン23に作用する剪断力が増大する。そしてシャーピン23に作用する剪断力が所定値に達したとき、該ピン23は剪断されてフロントケーシング21のシールド本体１に対する接続が解除される。
【００４５】
その後、図６に示すように、掘進機Ａのみが引き戻され、この過程でスポーク６ｂの先端に取り付けた外周ビット８ｂがフロントケーシング21の端部と接触し、引き続く掘進機Ａの引き戻しに伴ってスポーク６ｂの先端部６b2はピン７を中心として掘削面側に屈折し、フロントケーシング21との干渉を回避して該ケーシング21の内部を通って引き戻される。
【００４６】
上記の如くして外筒Ｂは推進位置に残置されて管28の一部を構成する。そして掘進機Ａが発進立坑に引き戻され、該立坑から外部に搬出されることで、地中には管28による管路が敷設される。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係る掘進機では、カッターヘッドを半径方向に配置された複数のスポークによって構成すると共に該スポークを掘削面側に屈折可能に構成し、更に、スポークの先端に取り付けた外周ビットの軌跡を掘進機の外周に配置された管の外径と略等しいかもしくは該外径以上の径になるように構成することで、推力の上昇，方向修正がしずらい，刃口部分の磨耗，掘進機外周の磨耗等の問題を解決するための余掘りを行うことが出来る。また掘進機を引き戻す際にはスポークが掘削面側に屈折して管の内部に挿入されるため、掘削径が管の外径と略等しいかもしくは該外径以上であるにも関わらず引き戻しを容易に行うことが出来る。
【００４８】
また本発明に係る掘進装置では、掘進機を構成するシールド本体とテールシールドの外周に夫々外筒を構成するフロントケーシングとテールケーシングを配設したので、掘進機の方向制御に伴ってフロントケーシングとテールケーシングが相対的に屈折し、掘進機の推進方向を正確に制御することが出来る。
【００４９】
また掘進機を発進立坑側に引き戻す際に、フロントケーシングとシールド本体を接続したシャーピンが剪断されるため、外筒を地中に残置して管の一部を構成することが出来る等の特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘進機のカッターヘッドの構成を説明する図である。
【図２】スポークが屈折状態を説明する図である。
【図３】掘進装置の断面図である。
【図４】掘進装置の推進状態を示す図である。
【図５】掘進機を引き戻す手順を説明する図である。
【図６】掘進機を引き戻す手順を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ              掘進機
Ｂ              外筒
Ｃ              推力伝達部材
Ｄ              引抜力伝達部材
１              シールド本体
１ａ，２ａ      摺動部材
２              テールシールド
３              方向制御ジャッキ
４              ロッド
５              隔壁
６              カッターヘッド
６ａ            圧密ヘッド
６ｂ            スポーク
６ｃ            顎部
７              ピン
８ａ            カッタービット
８ｂ            外周ビット
10              モーター
11              光学系
12，26          ブラケット
21              フロントケーシング
21ａ，22ａ      レール
22              テールケーシング
23              シャーピン
24              止水部材
25              シール材
27              ロッド
28              管
29              ＰＣ棒
【図１】
0003540875.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003540875.tif 000004
【図４】
0003540875.tif 000005
【図５】
0003540875.tif 000006
【図６】
0003540875.tif 000007