(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部にシールド軸心を中心に回転自在に支持され、地盤を掘削する掘削用カッターと土砂取入口が形成されたコンクリート構造物掘削用カッタヘッドにおいて、
カッタヘッドの前面に、鉄筋を切断可能な切断用カッター装置と、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置とが配置され、
前記切断用カッター装置は、シールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転自在な複数の回転カッター本体と、前記カッタヘッドの回転中に前記回転カッター本体をそれぞれ高速で回転させるカッター回転装置とを具備したこと
を特徴とするコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
【請求項２】
円盤状に形成された回転カッター本体の外周部で少なくともシールド軸心側側面に切削角が形成されたことを特徴とする請求項１記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
【請求項３】
破砕用カッター装置は、前後方向の軸心回りに回転自在に支持された複数のローラカッター本体と、ローラカッター本体をシールド軸心側から外周側に移動させるカッター移動装置とが具備され、コンクリート構造物にシールド軸心部に対応して形成された先行穴にローラカッター本体を嵌入させ、カッター移動装置によりローラカッター本体をそれぞれ外周側に移動させて先行穴を拡開するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
【請求項４】
破砕用カッター装置は、シールド軸心側に移動されたローラカッター本体の旋回外径より大きい外径の先行穴を掘削する先行穴掘削装置が具備され、この先行穴掘削装置は、カッタヘッドから前方に出退自在な単数または複数のコアドリル装置により構成されたことを特徴とする請求項３記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設された鉄筋コンクリート構造物、たとえばＰＣ杭や既設トンネルセグメント、発進用または到達用立坑の防護壁などを周辺を破砕せずに掘削するコンクリート構造物掘削用カッタヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、掘削途中に従来のシールド掘進機では掘削が不可能な鉄筋コンクリート構造物が存在する場合、▲１▼ＰＣ杭等が埋設されている時には、地上から立坑を堀り、このＰＣ杭等を撤去するか、あるいは地盤を薬液注入や凍結工法により崩壊を防止するための地盤改良を行い、シールド掘進機から作業員がカッタヘッドの前面に出て削岩、切断工具等によりこのＰＣ杭等を粉砕し、その後シールド掘進機を発進させて掘削を再開していた。また、▲２▼既設トンネルセグメントの側面を貫通してトンネルを接続する時には、既設トンネルセグメントの直前でシールド掘進機を停止させ、シールド掘進機前部の地盤を改良した後、シールド掘進機側から作業員が出て削岩、切断工具等により既設トンネルセグメントの接続面を破壊し、残骸を撤去してトンネルを接続していた。あるいは既設トンネルセグメント側から作業員により側壁に接続用貫通穴を掘削破砕していた。▲３▼シールド掘進機を発進用立坑から発進させる時、あるいは到達用立坑に到達させる時には、立坑の発進部分または到達部分に設けられた鉄筋コンクリートや矢板などを作業員により切断工具を用いて破砕切除し開口させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、補助工法を用いて人力により障害物またはトンネル壁を破砕撤去するものであるため、補助工法の為の工期、費用が別に必要となり、また作業に危険を伴うという問題があった。また、従来に鉄筋コンクリート製の旧埋設管を掘削するものとして、カッタヘッドにローラービットを設けたものがあるが、この方式によると、ローラービットを障害物に押し付けて破砕するため、大きい押付力を必要とし、反力受けとなるセグメントに悪影響を及ぼすとともに、大きい押付力のために既設セグメントが貫通部分を含む広い範囲で破砕されて、接続部の補修が大掛かりになるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決して、僅かな補助工法のみで、障害となる鉄筋コンクリート構造物を効果的に破砕することができ、接続する既設セグメントの側壁や発進用立坑、到達用立坑の鉄筋コンクリート製貫通部分のみをきれいに破砕貫通させることができ、工期、費用を大幅に低減できるコンクリート構造物掘削用カッタヘッドを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、シールド本体の前部にシールド軸心を中心に回転自在に支持され、地盤を掘削する掘削用カッターと土砂取入口が形成されたコンクリート構造物掘削用カッタヘッドにおいて、カッタヘッドの前面に、鉄筋を切断可能な切断用カッター装置と、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置とが配置され、前記切断用カッター装置は、シールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転自在な複数の回転カッター本体と、前記カッタヘッドの回転中に前記回転カッター本体をそれぞれ高速で回転させるカッター回転装置とを具備したものである。
【０００７】
さらに、上記構成の円盤状に形成された回転カッター本体の外周部で少なくともシールド軸心側側面に切削角が形成されたものである。
さらに上記構成の破砕用カッター装置は、前後方向の軸心回りに回転自在に支持された複数のローラカッター本体と、これらカッター本体をシールド軸心側から外周側に移動させるカッター移動装置とが具備され、コンクリート構造物にシールド軸心部に対応して形成された先行穴にローラカッター本体を嵌入させ、カッター移動装置によりローラカッター本体をそれぞれ外周側に移動させて先行穴を拡開するように構成したものである。
【０００８】
また、上記構成の破砕用カッター装置は、シールド軸心側に移動されたローラカッター本体の旋回外径より大きい外径の先行穴を掘削する先行穴掘削装置が具備され、この先行穴掘削装置は、カッタヘッドから前方に出退自在な単数または複数のコアドリル装置により構成されたものである。
【０００９】
上記構成において、掘削用カッターにより地盤を掘削し、コンクリート構造物に対しては、カッタヘッドの回転中に、切断用カッター装置の各回転カッター本体を、カッター回転装置によりシールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転駆動させることにより、コンクリートに埋設された鉄筋を切断するとともに、破砕用カッター装置でコンクリートを破砕して破壊するので、鉄筋コンクリート構造物を必要な範囲のみ効率よく確実に破壊して貫通することができ、従来必要であった大掛かりな補助工法を行う必要がなくなり、したがって、工期、費用を大幅に低減することができる。
【００１０】
また切断用カッター装置の切断用本体を高速回転させるので、コンクリートに埋設された鉄筋を確実に切断することができる。
さらに、カッタヘッドの旋回に伴って旋回移動する切断用本体の外周部に切削角を形成することにより、鉄筋などを効果的に切断することができる。
【００１１】
さらにまた、シールド軸心側に位置決めされた破砕用カッター装置を、コンクリート構造物に形成された先行穴に嵌入し、カッタヘッドを旋回させつつ破砕用カッター装置を外周側に移動させることにより、先行穴を漸次拡大してカッタヘッドに相当する径の先行穴を形成することができる。したがって、破壊するコンクリート構造物に小径の先行穴を形成するだけの小規模の補助工法ですみ、またシールド掘進機によりカッタヘッドのコンクリート構造物への押圧力を必要最低限でよい。これにより、工期、費用を大幅に低減でき、また反力受けとなるセグメントや破砕するコンクリート構造物に悪影響を与えることがなく、破砕断面が必要以上に広がることもない。
【００１２】
また、先行穴掘削装置により、接続する既設トンネルセグメントや到達立坑側からの先行穴またはシールド掘進機側からの先行穴を形成する補助工法が全く不要となり、安全かつ能率的にコンクリート構造物の破砕作業を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンクリート構造物掘削用カッタヘッドを備えたシールド掘進機の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図２に示すように、このシールド掘進機は泥水加圧式で、シールド本体１は中折れジャッキ２を介して所定範囲で折り曲げ自在に連結された前胴１ａと後胴１ｂとで構成されている。そして、前胴１ａの前部に設けられた圧力隔壁３の中心部に、旋回軸受４を介して回転隔壁５が回転自在に支持され、この回転隔壁５には複数の支持脚６を介してカッタヘッド７が回転自在に支持されている。８は回転隔壁５のシールド軸心Ｏに貫設されてカッタヘッド７に接続された連絡脚で、スリップリングやロータリージョイントなどを介してカッタヘッド７に動力や操作信号などを送受するものである。また、圧力隔壁５には、上部に圧力室９内に泥水を供給する送泥管１０が貫設され、下部に泥水とともに土砂を排出する排泥管１１と、攪拌用アジテータ１２が設けられている。
【００１５】
カッタヘッド７を回転駆動する旋回装置１３は、旋回軸受４の外周部に設けられたリングギヤ１４と、このリングギヤ１４に噛合するカッター駆動ピニオン１５と、このカッター駆動ピニオン１５を回転駆動するカッター駆動モータ１６とで構成されている。１７は後胴１ｂに設けられて覆工用セグメント１８を組み立てるエレクター装置、１９は組み立てられたセグメント１８を反力受けとしてシールド本体１を推進する推進ジャッキである。
【００１６】
前記カッタヘッド７は、図１に示すように、中心位置に配置された第１スポーク２１と、この第１スポーク２１のシールド軸心Ｏ位置で９０°交差する第２スポーク２２と、第１スポーク２１と第２スポーク２２の両側に土砂取入口２３を介して配置された４枚の９０°扇形のカッター面板２４とが具備されている。そして、カッター面板２４には土砂取入口２３に臨んで地盤を掘削する複数の掘削用カッター２５が設けられ、第１スポーク２１のシールド軸心Ｏ部には、センタービット２６が取り付けられている。さらに、第２スポーク２２には、所定間隔毎に鉄筋などの鋼材を切断可能な切断用カッター装置２７が設けられ、また第１スポーク２１には、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置２８が設けられている。
【００１７】
前記切断用カッター装置２７は、図３，図４に示すように、外周部に超硬チップやダイヤモンドなどの切断用硬質材が埋め込まれた円盤状の第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇと、これをそれぞれ高速で回転駆動する第１〜第３カッター回転モータ（カッター回転装置）３２Ａ〜３２Ｃとが具備されている。すなわち第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇは、図１に示すように、カッタヘッド７の旋回による旋回軌跡Ｃ１〜Ｃ７のピッチｐがほぼ均一な短い値（切断する鉄筋の長さ）になるように、シールド軸心Ｏに近いものから交互に両側に振り分けて配置される。
【００１８】
詳細には、第２、第４、第６回転カッター本体３１Ｂ，３１Ｄ，３１Ｆが一側方の第２スポーク２２の前面に形成された突出穴２２ａから前部が前方に突出するように配置される。そしてこれら第２、第４、第６回転カッター本体３１Ｂ，３１Ｄ，３１Ｆは半径方向の連動軸３３を中心に回転自在に支持されて互いに連動連結され、第２スポーク２２に内蔵された第１カッター回転モータ３２Ａにより、高速で回転駆動される。また第１、第３、第５、第７回転カッター本体３１Ａ，３１Ｃ，３１Ｅ，３１Ｇが他側方の第２スポーク２２の突出穴２２ａから前部がそれぞれ前方に突出するように配置されている。そして、第１、第３、第５回転カッター本体３１Ａ，３１Ｃ，３１Ｅは半径方向の連動軸３４を中心に回転自在に支持されて互いに連動連結され、第１スポーク２１に内蔵された第２カッター回転モータ３２Ｂによりベベルギヤ３５を介して高速で回転駆動される。また最も外周位置に配置された回転カッター本体３１Ｇは、回転軸がカッタヘッド７の前方でシールド軸心Ｏに交差するように傾斜して配置されて前端がカッタヘッド７の外周に位置され、第３カッター回転モータ３２Ｃによりベベルギヤ３６を介して高速で回転駆動される。
【００１９】
また、これら第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇは、外周部の両側面に切削角αが形成されて、旋回移動により切削角αをもって鉄筋などに当接して効果的に切削するように構成されている。すなわち、図５に示すように、直径のある第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇは、シールド軸心Ｏを中心に旋回移動されるため、たとえばシールド軸心Ｏ側が回転軸に垂直な平面であると、接線Ｔに対して直角な切削面Ｆに９０°よりも大きい角度をもって当接するため、切削力が低い。それを解決するために、第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇの外周縁から中心側に向かって薄肉となる方向に切削角αが形成され、切削面Ｆに９０°よりも小さい角度で当接し、効果的に鉄筋を切断できるように構成されている。
【００２０】
前記破砕用カッター装置２８は、図６〜図９に示すように、それぞれ半径方向に移動自在な一対のローラカッター４１Ａ，４１Ｂと、これらをそれぞれ半径方向に移動させるカッター移動装置４３と、コンクリート構造物Ｃに先行穴Ｈを形成する先行穴掘削装置５１とで構成されている。前記ローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂは、円錐台状でシールド軸心Ｏと平行な軸心回りに回転自在に支持され、第１スポーク２１の前面に半径方向に形成されたガイド孔４２Ａ，４２Ｂに沿ってそれぞれ移動自在に配置されている。また先行穴掘削装置５１は、シールド軸心Ｏの近傍で最接近されたローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂを嵌入する先行穴Ｈをコンクリート構造物に形成するもので、シールド軸心Ｏに最接近部の土砂取入口２３からカッタヘッド７の前方に突出される１本のコアドリル装置５２により構成されている。もちろん同一円周上に２本または４本のコアドリル装置を設けることもできる。
【００２１】
すなわち、ローラカッター４１Ａ，４１Ｂは、第２スポーク２２のガイド孔４２Ａ，４２Ｂの内面に沿って一対のガイドレール４４が配設されており、これらガイドレール４４に案内されて移動自在な可動体４５がそれぞれ設けられている。そしてこの可動体４５にガイド孔４２Ａ，４２Ｂから前方に突出する支持軸４６がそれぞれ突設され、この支持軸４６にローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂがそれぞれ回転自在に支持されている。またカッター移動装置４３は、第２スポーク２２に内蔵された一対のカッター移動用シリンダ４７Ａ，４７Ｂからなり、それぞれのピストンロッドが前記移動体４５にそれぞれ連結されて移動される。
【００２２】
またコアドリル装置５２は、図８に示すように、カッタヘッド７の後板と回転隔壁５との間に圧力室を貫通してガイド筒５３が設けられ、このガイド筒５３内にドリル本体５４が回転自在で前後方向にスライド自在に内装されている。またドリル本体５４の後端側には、シールド軸心Ｏ方向に形成されたガイド溝５５ａが形成された基台部５５が回転隔壁５に設けられており、ドリル本体５４の基端はガイド溝５５ａにスライド自在に配置されたスライド台５６に軸受５６ａを介して支持されている。そして、ドリル本体５４の後端側には受動ギヤ５７が取り付けられ、スライド台５６に配設されたドリル回転モータ５８に回転される駆動ギヤ５９が受動ギヤ５７に噛合されている。また基台部５５の後部に設けられたドリル出退ジャッキ６０の出力軸がスライド台５６に連結されている。したがって、ドリル回転モータ５８によりギヤ５９，５７を介してドリル本体５４を回転させ、さらにドリル出退ジャッキ６０を駆動してスライド台５６を前方に移動させることにより、ドリル本体５４をガイド筒５３から突出させ、コンクリート構造物に小径穴ｈを形成することができる。ついで、ドリル本体５４を後退後、カッタヘッド７を所定角度回転させて再度小径穴ｈを既設小径穴ｈ連続して形成し、これを繰り返すことにより、破砕孔Ｈを形成することができる。
【００２３】
したがって、破砕孔Ｈを形成後、ローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂをシールド軸心Ｏに接近させ、シールド掘進機を前進させてローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂを先行穴Ｈに挿入し、カッタヘッド７を旋回させつつカッター移動用シリンダ４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ進展させることにより、ローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂにより先行穴Ｈの周囲のコンクリート構造物を破砕して徐々に拡大させ、カッタヘッド７よりやや大きい直径の大径穴を形成することができる。１度で貫通しない場合には、上記の作業を複数回繰り返せばよい。このように、ローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂを半径方向外方に移動させて先行穴Ｈを拡大するので、シールド掘進機によりカッタヘッド７をコンクリート構造物に押し付ける押圧力を必要最小限に止めることができ、シールド掘進機の反力受けとなるセグメント１８への悪影響や、コンクリート構造物の先行穴周辺を広範囲に破壊することもない。
【００２４】
上記構成において、たとえばトンネルセグメントを既設セグメントに接続する場合には、シールド掘進機が既設セグメントに接近されて停止されると、まずコアドリル装置５２により多数の小径穴ｈを円形状に形成して先行穴Ｈが形成され、ついでシールド掘進機を前進させて前記先行穴Ｈ内にローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂを嵌入するとともに、第１から第３カッター回転モータ３２Ａ〜３２Ｃを起動して第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇをそれぞれ高速回転させる。そしてカッタヘッド７を回転させてカッター移動シリンダ４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ進展させ、ローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂを外径側に移動させる。これにより、第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇでコンクリート構造物に埋設された鉄筋を所定の長さに切断し、さらにローラカッター本体４１Ａ，４１Ｂでコンクリートを粉砕して先行穴Ｈを漸次拡大させ、シールド掘進機が通過可能な大径穴を形成する。さらに、これを繰り返して既設セグメントに貫通穴を形成する。貫通穴の形成後、カッタヘッド７や内部の機器を解体して運び出した後、シールド本体１内にセグメントを組み立て、既設セグメントに新たなセグメントを接続する。
【００２５】
また発進用立坑からシールド掘進機を発進させる場合や到達用立坑にシールド掘進機をドッキングさせる場合には、立坑の発進部分または到達部分に設けられた鉄筋コンクリート部分を上記と同様に掘削すればよい。
【００２６】
さらに、ＰＣ杭等が埋設されている場合には、掘削を続けて第１〜第７回転カッター本体３１Ａ〜３１Ｇをそれぞれ高速回転させ、先行穴掘削装置５１は使用せずに、これら切断用カッター装置２７と破砕用カッター装置２８とによりＰＣ杭等を破砕して前進すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明によれば、掘削用カッターにより地盤を掘削し、コンクリート構造物に対しては、切断用カッター装置によりコンクリートに埋設された鉄筋を切断するとともに、破砕用カッター装置でコンクリートを破砕して破壊するので、鉄筋コンクリート構造物を必要な範囲のみ確実に破壊して貫通することができ、従来必要であった大掛かりな補助工法を行う必要がない。したがって、工期、費用を大幅に低減することができる。
【００２８】
また切断用カッター装置の切断用本体を高速回転させるので、コンクリートに埋設された鉄筋を確実に切断することができる。
さらに、カッタヘッドの旋回に伴って旋回移動する切断用本体の外周部に切削角を形成することにより、鉄筋などを効果的に切断することができる。
【００２９】
さらにまた、シールド軸心側に位置決めされた破砕用カッター装置を、コンクリート構造物に形成された先行穴に嵌入し、カッタヘッドを旋回させつつ破砕用カッター装置を外周側に移動させることにより、先行穴を漸次拡大してカッタヘッドに相当する径の先行穴を形成することができる。したがって、破壊するコンクリート構造物に小径の先行穴を形成するだけの小規模の補助工法ですみ、またシールド掘進機によりカッタヘッドのコンクリート構造物への押圧力を必要最低限でよい。これにより、工期、費用を大幅に低減でき、また反力受けとなるセグメントや破砕するコンクリート構造物に悪影響を与えることがなく、破砕断面が必要以上に広がることもない。
【００３０】
また、先行穴掘削装置により、接続する既設トンネルセグメントや到達立坑側からの先行穴またはシールド掘進機側からの先行穴を形成する補助工法が全く不要となり、安全かつ能率的にコンクリート構造物の破砕作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンクリート構造物掘削用カッタヘッドの一実施例を示す正面図である。
【図２】同カッタヘッドを示す正面図である。
【図３】図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【図４】同カッタヘッドの回転カッター本体を示す拡大図である。
【図５】同カッタヘッドの回転カッター本体の切削角を示す説明図である。
【図６】図１に示すＢ−Ｂ断面図である。
【図７】同カッタヘッドの第２スポークを示す横断面図である。
【図８】同カッタヘッドの先行穴掘削装置を示す側面断面図である。
【図９】同カッタヘッドの先行穴掘削装置による掘削穴の掘削状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１    シールド本体
７    カッタヘッド
１３    旋回装置
２１    第１スポーク
２２    第２スポーク
２３    土砂取入口
２４    カッター面板
２５    掘削用カッター
２６    センタービット
２７    切断用カッター装置
２８    破砕用カッター装置
３１Ａ〜３１Ｇ  第１〜第７回転カッター本体
３２Ａ〜３２Ｃ  第１〜第３カッター回転モータ
４１Ａ，４１Ｂ  ローラカッター本体
４３    カッター移動装置
４７Ａ，４７Ｂ  カッター移動用シリンダ
５１    先行穴掘削装置
５２    コアドリル装置
Ｏ    シールド軸心
Ｈ    先行穴
ｈ    小径穴
α    切削角
【図１】
0003575875.tif 000002
【図２】
0003575875.tif 000003
【図３】
0003575875.tif 000004
【図４】
0003575875.tif 000005
【図５】
0003575875.tif 000006
【図６】
0003575875.tif 000007
【図７】
0003575875.tif 000008
【図８】
0003575875.tif 000009
【図９】
0003575875.tif 000010