(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のシールド本体の前端に、外周にカッタビットの付いたスポークを放射状に配した構造のカッタが装備され、該カッタを回転駆動させつつ、シールド本体に前向き推力を与えることにより、土中を掘進するシールド掘削機において、
前記スポークの少なくとも１本を、自身の中心軸線回りに自転可能且つ適宜位置で固定可能に設け、
該スポークの外周に周方向に沿って間隔的に複数のカッタビットを設け、
前記シールド本体の前端にスポークの背後にて進退可能な押付腕を設け、
該押付腕の前端に、該押付腕が前進位置にあるとき前記カッタビットと噛み合って、カッタの微小回転に応じてスポークに自転力を与える係合歯を設けたことを特徴とするシールド掘削機。
【請求項２】
前記係合歯と噛み合うカッタビットのうち、複数個が本ビットからなり、残りがダミービットからなることを特徴とする請求項１記載のシールド掘削機。
【請求項３】
前記スポークとして第１のスポークと第２のスポークが装備され、双方のスポークの本ビットが互いに相手スポークの本ビット間スペースを補完するべく、第１のスポークの長手方向に配列された本ビットの位置と第２のスポークの長手方向に配列された本ビットの位置とが、それらスポークの長手方向に１ビット分位置をずらして配設されており、かつ、前記係合歯は、第１のスポークの本ビットおよび第２のスポークの本ビットの双方に係合可能なように、それら双方の本ビットの位置に対して半ビット分位置をずらして配設されていることを特徴とする請求項２記載のシールド掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カッタビットを自動的に交換することにより、掘進距離を延ばせるようにしたシールド掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のシールドトンネルは、大深度化あるいは海底下に設ける等の理由で、長距離化の傾向にある。従って、掘削用カッタビットの耐久性が重要になってきている。
【０００３】
通常、シールド掘削機のカッタビットは固定式のため、摩耗により掘削能力が低下した場合には、シールド掘削機のチャンバ内に人が入って、新品のビットと交換している。従って、シールド掘削機内に人が入れるよう、点検立坑を設けたり、薬注により地盤改良を行ったりしている。
【０００４】
一方、最近では、ビット交換の面倒を解消する目的で、カッタビットを取り付けるスポークを自身の中心軸線回りに回転（自転）できるようにし、スポークの裏側に予備ビットを取り付けて、通常ビットが摩耗したときにスポークを回転させて予備ビットを前面に出すことで、摩耗したビットを新規のものに交換する技術が開発されている。この場合は、スポークを自転させるための手段として、個別に回転駆動機構が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前者のシールド掘削機内に人が入ってビット交換を行う方法は、点検立坑を設けたり、薬注を行ったりする必要があるため、非常にコスト高である上、路線によっては実行不可能な場合があった。また、後者のスポークの裏側に予備ビットを取り付けて、必要に応じて回転駆動機構によりスポークを自転させることにより、裏側のカッタビットを前面に出すものでは、回転駆動機構を新たに設けなくてはならないから、構造が複雑でコストアップになるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、カッタビットの交換を簡単な構造で行えるようにしたシールド掘削機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、円筒状のシールド本体の前端に、外周にカッタビットの付いたスポークを放射状に配した構造のカッタが装備され、該カッタを回転駆動させつつ、シールド本体に前向き推力を与えることにより、土中を掘進するシールド掘削機において、前記スポークの少なくとも１本を、自身の中心軸線回りに自転可能且つ適宜位置で固定可能に設け、該スポークの外周に周方向に沿って間隔的に複数のカッタビットを設け、前記シールド本体の前端にスポークの背後にて進退可能な押付腕を設け、該押付腕の前端に、該押付腕が前進位置にあるとき前記カッタビットと噛み合って、カッタの微小回転に応じてスポークに自転力を与える係合歯を設けたことを特徴とする。
【０００８】
このシールド掘削機では、カッタビットを交換する場合、まず、交換すべきカッタビットを有したスポークを、押付腕の存在する位置に位置決めし、押付腕を前進させて（前に伸ばして）、係合歯をスポークの外周のカッタビットに直接噛み合わせる。次いでスポークを自転できる状態にし、カッタを微小旋回（公転）させる。そうすると、スポークの移動に応じてカッタビットが係合歯上を転動することにより、スポークが公転方向と反対方向に自転し、例えば裏側にあったカッタビットが前面に回る。このようにスポークが回ってカッタビットの位置が交替したら、スポークを再び固定状態にし、押付腕を後退させて、通常の掘削作業に移る。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１においては、前記係合歯と噛み合うカッタビットのうち、複数個が本ビットからなり、残りがダミービットからなることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２において、前記スポークとして第１のスポークと第２のスポークが装備され、双方のスポークの本ビットが互いに相手スポークの本ビット間スペースを補完するべく、第１のスポークの長手方向に配列された本ビットの位置と第２のスポークの長手方向に配列された本ビットの位置とが、それらスポークの長手方向に１ビット分位置をずらして配設されており、かつ、前記係合歯は、第１のスポークの本ビットおよび第２のスポークの本ビットの双方に係合可能なように、それら双方の本ビットの位置に対して半ビット分位置をずらして配設されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態はセンターシャフト型シールド掘削機に適用した場合の例であるが、センターシャフト型のものに限らず中間支持形式のシールド掘削機にも同様に適用できる。
【００１２】
図１は本発明の実施形態のシールド掘削機の側断面図、図２は同正面半図である。このシールド掘削機は、円筒状のシールド本体１の前端に前端壁２を有し、その前方に適当な隙間をおいてカッタ３を有する。カッタ３は、複数本（この場合は偶数の４本）のスポーク１０を等間隔で放射状に設け、各スポーク１０の外周に多数のカッタビット５、６を取り付けた構造のものであり、全スポーク１０の中心集合部でセンタシャフト４の先端に連結され、センタシャフト４によって回転駆動される。シールド掘削機は、このカッタ３を、図１、図２中矢印（イ）のように回転駆動させつつ、シールド本体１に前向き推力を与えることにより、土中を掘進する。
【００１３】
図１に示すように、前記スポーク１０は、センタシャフト４に固定された内筒１１と、その外周に矢印（ロ）のように回転可能に設けられた外筒１２との二重構造に構成され、外筒１２の外周に多数個のカッタビット５、６が一定の配列規則に従って取り付けられている。図３（ａ）に示すように、カッタビット５、６は、外筒１２の全周に６０度の間隔で配されており、各角度位置のカッタビット５、６は、図２に示すように、スポーク１０の長手方向にそれぞれ１ビット分の間隔をあけながら一列に並んでいる。
【００１４】
この場合、カッタビットとして、実際のカッタとして使用する本ビット５と、実際にはカッタとしての役目は果たさないが、土砂の流れ等を制御する機能を果たすダミービット６とが設けられている。それらのうち、本ビット５は、１８０度の間隔をもって２個ずつ配されている。ここで前面の本ビット５を最初に使用するものとした場合、背面のビット５が予備のものとなる。これらの本ビット５は、外筒１２を矢印（ロ）の方向に１８０度回転させることにより、位置が交換する。また、ダミービット６は、残る４つの角度位置にそれぞれ配されている。
【００１５】
また、スポーク１０は、第１のスポーク１０Ａと第２のスポーク１０Ｂの２種類ある。これらはカッタ３の円周方向に交互に並んでいる。両者の違いは、カッタビット５、６の配置が１ビット分だけスポーク長手方向にずれていることだけであり、ビット配列が補完関係をなしている。即ち、第１のスポーク１０Ａの長手方向に配列された本ビット５の位置と、第２のスポーク１０Ｂの長手方向に配列された本ビット５の位置とが、互いに相手スポークの本ビット５間のスペースを補完する関係に設定されている。
【００１６】
また、スポーク１０の内筒１１の内部には、外筒１２と連結された軸１３が通されており、この軸１３の基部に、外筒１２の回転を適宜の位置で止めるストッパ１４が設けられている。このストッパ１４は、いずれかのカッタビット５がシールド掘削機の前面の所定位置に来たときに、確実に外筒１２を回転止めできる機能を果たす。
【００１７】
また、図１に示すように、シールド本体１の前端壁２には、外周側の所定位置のカッタビット５、６の通過軌跡の位置に対応させて、スポーク１０の背後にて前進後退可能な押付腕２０が設けられている。図３（ａ）は押付腕２０とスポーク１０の外周のカッタビット５、６との関係を、カッタ３の外周側から見た状態を示している。押付腕２０は、油圧シリンダ等の簡単な駆動機構２１によって適宜前進後退させられる。押付腕２０の前端には、カッタ３の回転方向に沿った円弧状の係合歯２２が設けられており、図３（ａ）中の二点鎖線で示すように、押付腕２０を前進させることで、係合歯２２をスポーク１０の外周のカッタビット５、６に噛み合わせることができるようになっている。
【００１８】
この場合の係合歯２２は、噛み合わせ相手がカッタビット５、６であるから、図３（ｂ）にも示すように、歯ピッチが大きく、歯間スペースに余裕を持たせた形状に形成されている。また、図１、図２に示すように、係合歯２２は双方のスポーク１０Ａ，１０Ｂのビット５、６に対して係合可能なように、係合歯２２の位置はそれらスポークの長手方向に半ビット分ずれて配設されている。即ち、係合歯２２の幅方向の中心２２ａが、双方のスポークにおけるビット５，６の中心から同じ寸法だけずれている。
【００１９】
次に作用を図４を併せて参照しながら説明する。
通常の掘進時には、図３（ａ）の実線で示すように押付腕２０を後退させ、スポーク１０の外筒１２をストッパ１４で回り止めした状態で、センタシャフト４でカッタ３を回して掘進を行う。
【００２０】
次に、前面のカッタビット５を背面のカッタビット５と交換する場合は、交換しようとするカッタビット５を有したスポーク１０を、カッタ３を回すことにより、押付腕２０のある位置まで移動する。そして、図３（ａ）に二点鎖線で示すように、押付腕２０を前進させて（前に伸ばして）、係合歯２２を、スポーク１０の外筒１２のカッタビット５、６に噛み合わせる。
【００２１】
その状態で、ストッパ１４を解除して外筒１２を自転できる状態にし、センタシャフト４を微小回転させて、カッタ３を旋回（公転）させる。そうすると、図４（ａ）〜（ｆ）の順番でカッタビット５、６が回転し、裏側にあった本ビット５が前面に出る。即ち、図４中矢印（イ）で示すようなスポーク１０の移動に応じて、カッタビット５、６が係合歯２２上を転動することになり、それによってスポーク１０の外筒１２が、カッタ３の回転方向と反対方向〔矢印（ロ）の方向〕に自転し、裏側にあった本ビット５が前面に回る。
【００２２】
このようにスポーク１０の外筒１２が回って本ビット５の位置が交替したら、ストッパ１４を作動して外筒１２を再び固定状態にし、押付腕２０を図３（ａ）の実線の位置に後退させて、通常の掘削作業に移る。
【００２３】
他のスポーク１０のカッタビット５を交換する場合も上記の作業を繰り返す。そうすることにより、カッタ３の回転方向の１箇所に設けた押付腕２０によって全部のスポーク１０のカッタビット５の交換を行うことができる。
【００２４】
このような動きは、スポーク１０の外周にピニオンを設け、係合歯としてラックを用いることによっても同様に実現することができるが、本発明のシールド掘削機の場合は、カッタビット５に直接押付腕２０前端の係合歯２２を噛み合わせるようにしているので、ピニオンを設ける場合と違って、余計な付加要素を全くスポーク１０の外周に設けなくて済むという利点が得られる。また、ピニオンを設ける場合は、一般的に歯を密に設ける関係上、その部分で掘削土砂の流れを阻害するおそれがある他、ピニオンの摩耗の問題もあるが、本発明のシールド掘削機では、カッタビット５、６そのものを歯として利用するので、そのようなことがない。つまり、本発明のシールド掘削機では、余計なピニオンがないので、摩耗の心配がない上、ビットと係合歯の噛み合わせに余裕がとれるので、掘削土砂の流れをスムーズにすることができる。また、噛み合わせに余裕が取れることから、噛み合わせ位置の位置合わせも容易にできる。
【００２５】
また、仮にラック・ピニオン方式にした場合、ピニオンを設ける位置は、必然的に、スポークの長手方向に配列されたビット間のスペースになる。従って、ビット位置の異なるスポークでは、センタシャフトから同じ位置にピニオンを配置することができず、上記の場合に適用しようとすると、第１、第２のスポーク１０Ａ、１０Ｂでピニオンの位置を変更しなくてはならない。そのため、センタシャフトからの距離の違うピニオンに係合させる必要から、押付腕２０の位置もセンタシャフトからの位置の異なる複数箇所に設定しなくてならず、押付腕２０及びその駆動機構も複数装備せざるを得なくなる。
【００２６】
これに対して本発明のシールド掘削機の場合は、スポーク毎にビット配列の違いがあっても、ピニオンを組み込む必要がないから、上記の配慮は全く不要であり、押付腕２０の位置は１箇所で済むようになる。なお、押付腕２０は最低１箇所に設ければよいのであるが、必要に応じてカッタ３の回転方向に複数設けてもよいし、カッタ３の回転半径方向に複数設けてもよい。
【００２７】
また、本ビット５は最低２個設ける必要があるが、それ以上の個数をダミービット６の代わりに置き換えてもよい。従って、全数を本ビットとしてもよい。また、本ビット５は摩耗時の交換用として予備を設けるのではなく、土質に応じて交換できるように予備として設けてもよい。さらに、外筒１２は任意の角度回すことも可能であるから、周方向に３種以上のカッタビットを設けて、適宜交換するようにしてもよい。その場合は、周方向３箇所以上で外筒１２を固定できるストッパ１４を設ける必要がある。
【００２８】
また、上記実施形態では、全部のスポーク１０について、カッタビットを交換できるようにしたが、必ずしも全部でなくてよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、スポークを回すことでカッタビットの交換ができるので、シールド掘削機のチャンバ内に人が入らずに、カッタビットの交換作業を行うことができる。従って、点検立坑を設けたり、薬注を行ったりする必要がなく、コストをかけずに掘進距離を延ばすことができる。また、本発明では、スポークの外周のカッタビットと、押付腕側の係合歯を用いることにより、カッタの回転動力を利用してスポークを回すようにしたので、スポークを回転駆動するアクチュエータ機構を別に設けなくても、カッタビットの交換が自動的にでき、構造が単純で、コストの低減が図れる。特に、カッタを回すことで各スポークを押付腕に対応させるようにしたので、押付腕の個数を最低１個設けるだけでよく、無駄な設備がいらない。
【００３０】
また、カッタビットそのものに直接押付腕側の係合歯を噛み合わせるようにしたので、例えばピニオンとラックの組み合わせのような特別な要素を付加する必要がなく、構成が簡略化できる。また、ピニオンとラックで行う場合に比べて、噛み合わせに十分な余裕を確保することができるため、掘削土砂の流れを阻害するおそれもないし、噛み合わせ位置の位置合わせも容易にでき、ビット交換時の操作性もよくなる。
【００３１】
請求項２の発明によれば、カッタビットとして必要数の本ビットを設けると共に、残りの部分にはダミービットを設けたので、ビットの配置により土砂の流れを制御しながら、本ビットとダミービットにより、前記ピニオンと同じ役目、つまり押付腕の前端の係合歯と噛み合う役目を果たすことができる。
【００３２】
請求項３の発明によれば、係合歯の位置をスポークの長手方向に半ビット分ずらして配設したので、その係合歯を第１、第２のスポークの双方のビットに対して係合させることができ、したがってそれぞれのスポークに対して係合歯を別個に設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシールド掘削機の前部の側断面図である。
【図２】同シールド掘削機の正面半図である。
【図３】（ａ）は図１のＩＩＩａ−ＩＩＩａ矢視図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ矢視図である。
【図４】同実施形態におけるスポークと係合歯の動作を（ａ）〜（ｆ）の順に示す説明図である。
【符号の説明】
１  シールド本体
３  カッタ
４  センタシャフト
５  本ビット（カッタビット）
６  ダミービット（カッタビット）
１０，１０Ａ，１０Ｂ  スポーク
２０  押付腕
２２  係合歯
【図１】
0003583263.tif 000002
【図２】
0003583263.tif 000003
【図３】
0003583263.tif 000004
【図４】
0003583263.tif 000005