(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカッタースポークを有するカッターヘッドと、前胴部材と、カッターヘッドの背面側のチャンバーと、このチャンバーを仕切る隔壁と、チャンバー内の掘削物を排出する排出装置とを備えたトンネル掘削機において、
前記カッターヘッドの背面に装備されて前記チャンバー内において前記排出装置の排出口に挟まった塊状の掘削物を破砕するように構成された第１のカッター手段と、
前記カッターヘッドの背面に装備されて前記チャンバー内の底部に滞留する塊状の掘削物を前胴部材と協働して破砕するように構成された第２のカッター手段とを備え、
前記第１のカッター手段は、カッタースポークの背面に固定された第１のローラ支持部材にカッタースポークと平行方向に向けた軸心回りに回転可能に装備された第１のローラーカッターを備え、
前記第２のカッター手段は、カッタースポークの背面に固定された第２のローラ支持部材にカッターヘッドの軸心と平行な軸心回りに回転可能に装備された第２のローラーカッターを備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
前記カッターヘッドの軸心から前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターまでの半径が、前記カッターヘッドの軸心に対する前記排出口の内周側半径よりも大きく且つ前記排出口の外周側半径よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターは、その隔壁側の後端が前記隔壁のチャンバー側の前面近傍に位置するように配設され、前記第１のカッター手段は、チャンバー内の掘削物を攪拌する攪拌機能を有することを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターを交換する際に第１のローラーカッターを前記隔壁と平行方向へ移動可能に前記カッターヘッドに取り付けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のトンネル掘削機。
【請求項５】
前記カッターヘッドの背面に、前記第１のカッター手段とは異なる１又は複数の攪拌装置を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘削機に関し、特にカッターヘッドの背面側に、チャンバーから掘削物を排出する排出装置の排出口に挟まった塊状の掘削物及びチャンバー内の底部に滞留する塊状の掘削物を破砕するカッター手段を設けたトンネル掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル掘削機は、通常、カッターヘッドと、カッターヘッドの背面側のチャンバーと、チャンバーを仕切る隔壁と、掘削機本体と、胴部材（前部胴、後部胴）と、カッターヘッドを回転駆動する回転駆動機構と、掘削物をチャンバー内から排出する排出装置と、複数のシールドジャッキと、複数の中折れジャッキと、トンネル内面をセグメンドなどの覆工部材で覆工するエレクタ等を備えている。
【０００３】
前記排出装置としては、通常、チャンバー内の掘削物をスクリューコンベアで排出する泥土式排出装置、或いはチャンバー内に送水管から送水し掘削物を泥水にして排泥管により排出する泥水式排出装置が採用されている。
【０００４】
特許文献１には、泥土式排出装置を備えた上記のようなトンネル掘削機が記載されている。このトンネル掘削機においては、カッターヘッドを隔壁に対して進退可能に構成し、チャンバー内の底部に滞留する塊状の礫を破砕する左右１対の削岩機を設け、排出装置の排出口付近に塊状の礫が滞留した場合には、カッターヘッドを後退させてカッターヘッドと隔壁とで塊状の礫を挟持固定した状態で、１対の削岩機を駆動して破砕するように構成している。
【０００５】
特許文献２には、泥土式排出装置を備えた上記のようなトンネル掘削機が記載されている。このトンネル掘削機においては、チャンバー内に硬質塊状の掘削物を所定の粒径に破砕する破砕装置が設けられている。
この破砕装置は、前胴の前端の内周部にリング状の固定刃であって後方程小径化するテーパ面に多数の固定ビットを突設した固定刃と、カッターヘッドと一体的に回転する３つの回転刃であって後方程大径化するテーパ面に多数の回転ビットを突設した３つの回転刃とを備え、固定刃と回転刃とで硬質塊状の掘削物を破砕するように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７２４６号公報
【特許文献２】特開２００４−６８３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
トンネル掘削機によりトンネルを掘削中に、排出装置で排出できないような大きな玉石や岩の破片等の塊状の掘削物がチャンバー内に導入されると、それらがチャンバー内の底部に滞留したり、排出装着の排出口に挟まったりして排出装置の機能が低下又は停止したり、カッターヘッドの背面に装備された攪拌装置と衝突して攪拌装置が破損したり、カッターヘッドが回転不能になって掘削不能になったりする場合がある。
【０００８】
特許文献１のトンネル掘削機では、上記の課題と、それを解決する１つの解決手段を開示しているものの、カッターヘッドを進退可能に構成しなければならないので、トンネル掘削機の構造が複雑化し、製作費が高価になる。また、削岩機を隔壁の背面側に設置するため隔壁の背面側の機内のスペースが狭くなる。
【０００９】
特許文献２のトンネル掘削機では、上記の課題と、それを解決する１つの解決手段を開示しているものの、前胴の前端の内周部にリング状の固定刃を設け、３つの大きな回転刃を設けるため、トンネル掘削機の構造が複雑化し、製作費が高価になる。
【００１０】
本発明の目的は、チャンバー内において排出装置の排出口に挟まった塊状の掘削物及びチャンバー内に滞留する塊状の掘削物を破砕する簡単な構造のカッター手段をカッターヘッドの背面側に設けたトンネル掘削機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１のトンネル掘削機は、複数のカッタースポークを有するカッターヘッドと、前胴部材と、カッターヘッドの背面側のチャンバーと、このチャンバーを仕切る隔壁と、チャンバー内の掘削物を排出する排出装置とを備えたトンネル掘削機において、前記カッターヘッドの背面に装備されて前記チャンバー内において前記排出装置の排出口に挟まった塊状の掘削物を破砕するように構成された第１のカッター手段と、前記カッターヘッドの背面に装備されて前記チャンバー内の底部に滞留する塊状の掘削物を前胴部材と協働して破砕するように構成された第２のカッター手段とを備え、前記第１のカッター手段は、カッタースポークの背面に固定された第１のローラ支持部材にカッタースポークと平行方向に向けた軸心回りに回転可能に装備された第１のローラーカッターを備え、前記第２のカッター手段は、カッタースポークの背面に固定された第２のローラ支持部材にカッターヘッドの軸心と平行な軸心回りに回転可能に装備された第２のローラーカッターを備えたことを特徴としている。 
【００１２】
【００１３】
請求項２のトンネル掘削機は、請求項１の発明において、前記カッターヘッドの軸心から前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターまでの半径が、前記カッターヘッドの軸心に対する前記排出口の内周側半径よりも大きく且つ前記排出口の外周側半径よりも小さく設定されたことを特徴としている。
【００１４】
請求項３のトンネル掘削機は、請求項２の発明において、前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターは、その隔壁側の後端が前記隔壁のチャンバー側の前面近傍に位置するように配設され、前記第１のカッター手段は、チャンバー内の掘削物を攪拌する攪拌機能を有することを特徴としている。
【００１５】
請求項４のトンネル掘削機は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターを交換する際に第１のローラーカッターを前記隔壁と平行方向へ移動可能に前記カッターヘッドに取り付けたことを特徴としている。
【００１６】
請求項５のトンネル掘削機は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、前記カッターヘッドの背面に、前記第１のカッター手段とは異なる１又は複数の攪拌装置を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、カッターヘッドの切羽と反対側の背面側においてカッターヘッドに固定された第１，第２のカッター手段が設けられている。
【００１８】
前記第１のカッター手段が、カッタースポークと平行に向けた軸心回りに回転可能な第１のローラーカッターを有し、架橋前記チャンバー内において排出装置の排出口に挟まった塊状の掘削物を破砕するように構成されているため、排出口に挟まった塊状の掘削物を確実に破砕して排出装置により排出可能になる。
また、第２のカッター手段が、カッターヘッドの軸心と平行な軸心回りに回転可能な第２のローラーカッターを有し、チャンバー内の底部に滞留する塊状の掘削物を前胴部材と協働して破砕するように構成されているため、チャンバー内の底部に塊状の掘削物が滞留することがなくなる。しかも、第１，第２のカッター手段は、一般的なトンネル掘削機や、既存のトンネル掘削機にも採用可能である。
【００１９】
請求項２の発明によれば、カッターヘッドの軸心から第１のカッター手段の第１のローラーカッターまでの半径が、カッターヘッドの軸心に対する排出口の内周側半径よりも大きく且つ排出口の外周側半径よりも小さく設定されているため、排出口に挟まった塊状の掘削物を確実に破砕することができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、第１のカッター手段の第１のローラーカッターの隔壁側の後端が隔壁のチャンバー側の前面近傍に位置しているため、隔壁と協働して塊状の掘削物を破砕できるだけでなく、隔壁の前面に付着した付着物を剥離する機能も発揮する。第１のカッター手段は、チャンバー内の掘削物を攪拌する攪拌機能を有するため、チャンバー内の掘削物を攪拌する機攪拌性能が向上する。
【００２１】
請求項４の発明によれば、前記第１のカッター手段の第１のローラーカッターを交換する際に第１のローラーカッターを前記隔壁と平行方向へ移動ため、第１のローラーカッターが破損した場合や摩耗した場合に、隔壁と干渉することなく、新たな第１のローラーカッターと交換することができる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、前記カッターヘッドの背面に、前記第１のカッター手段とは異なる１又は複数の攪拌装置を設けたため、チャンバー内の掘削物を確実に攪拌することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例のトンネル掘削機の前端側部分の要部縦断面図である。
【図２】カッターヘッドの正面図である。
【図３】カッターヘッドの背面の概略図である。
【図４】カッター手段の背面図である。
【図５】カッター手段の側面図である。
【図６】カッター手段のローラーカッターの交換を説明する説明図である。
【図７】トンネル掘削機の前端側部分の要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。但し、実施例は一例を示すものに過ぎず、この実施例に限定されるのではない。
【実施例】
【００２５】
本実施例は、カッターヘッドにローラーカッターを有し、泥水式排出装置を装備したトンネル掘削機に本発明を適用した場合の一例である。
図１〜図３には、トンネル掘削機１の前端側部分のみを図示してある。
このトンネル掘削機１は、基本的に、カッターヘッド２、前胴部材３（前端部のみ図示）、カッターヘッド２の切羽側と反対側の背面側のチャンバー４、チャンバー４の切羽側と反対側の後端を仕切る隔壁５、後胴部材（図示略）、掘削機本体６（前端部のみ図示）、カッターヘッド２を回転駆動する為の回転駆動機構（図示略）、複数のシールドジャッキ（図示略）、複数の中折れジャッキ（図示略）、掘削物を排出する泥水式の排出装置７（排水管８と送水管９の一部のみ図示）、セグメント等の覆工部材を覆工するエレクタ装置（図示略）などを有する一般的な構造のものである。
【００２６】
カッターヘッド２は、回転駆動機構で回転駆動されるリング状フレーム１０に複数の連結部材１１を介して夫々連結支持されて半径方向へ延びる複数のカッタースポーク１２、これらカッタースポーク１２の外周端に連結された外周リング１３、複数のカッタースポーク１２に夫々装備された複数のローラーカッター１４、カッタースポーク１２同士間の外周近傍部に装備された複数のローラーカッター１５などを有する。
【００２７】
更に、カッターヘッド２の背面（後面）には、２つのロッド状の攪拌装置１６、３つの角筒状の攪拌装置１７、チャンバー４内の外周側の掘削物を隔壁５側へ移送させる機能を有する４つの攪拌装置１８、第１，第２のカッター手段２０，４０であって前記攪拌装置１６〜１８と異なる第１，第２のカッター手段２０，４０などが設けられている。本実施例では、１組の第１のカッター手段２０を装備した場合を例として説明するが、複数組の第１のカッター手段２０を装備してもよい。
【００２８】
前記第１のカッター手段２０は、チャンバー４内において排出装置７の排出口８ａに挟まった塊状の掘削物を破砕することを主なる目的とするものであるが、偏平な塊状の掘削物については隔壁５と協働して破砕することもできる。
図１、図３〜図６に示すように、第１のカッター手段２０は、カッタースポーク１２の背面に固定されて後方へ突出する第１のローラ支持部材２１と、この第１のローラ支持部材２１の後端部分に取り外し可能に取り付けられた第１のローラーカッター２２（カッター部材）とを備えている。
図３に示すように、第１のローラーカッター２２のローラ軸はカッターヘッド２の軸心Ｘに対する放射方向（半径方向）に向けられている。尚、図５に図示の矢印Ａはカッターヘッド２の回転方向（つまり、第１のカッター手段２０の周回方向）を示し、矢印Ｂは後方を示す。
【００２９】
第１のローラ支持部材２１は、矩形の角筒状に形成されてその前端部がカッタースポーク１２に溶接にて固着され、第１のローラ支持部材２１の後端部が開放されている。第１のローラ支持部材２１は、１対の側板２３と、１対の側板２３の一端部に固着された連結板２６と、１対の側板２３の他端部の前部に固着された前後長の短い小連結板２７とで構成されている。第１のローラ支持部材２１の後端側部分の表面（但し、こば面を含む）には、メッシュ状の溶接肉盛りからなるハードフェーシングが施されている。
【００３０】
第１のローラーカッター２２のローラーカッター本体は、硬質の耐摩耗性の鋼材で構成され、その外周部の軸方向中央部には鋭角的に尖らせた環状刃２２ａが形成されている。ローラーカッター本体は、ローラ軸部材に遊転自在に支持され、第１のローラーカッター２２の前部が第１のローラ支持部材２１内に挿入され、ローラ軸部材の両端の断面正方形状の角軸部２８が第１のローラ支持部材２１の１対の側板２３に回転不能に支持されており、第１のローラーカッター２２の後端側部分が第１のローラ支持部材２１よりも後方へ突出している。
【００３１】
第１のカッター手段２０の第１のローラーカッター２２は、その後端が隔壁５の前面近傍に、例えば、隔壁５との間に約２，３ｃｍの隙間を空けるように配設されている。第１のカッター手段２０は、カッターヘッド２の背面からチャンバー４内へ突出しているため、カッターヘッド２が回転駆動されるとき、チャンバー４内の掘削物を攪拌する攪拌機能を有する。
【００３２】
第１のカッター手段２０は、主として、排出装置７の排出口８ａに挟まった塊状の掘削物を破砕するものであるため、図３に示すように、カッターヘッド２の軸心Ｘから第１のローラーカッター２２までの半径Ｒが、前記軸心Ｘに対する排出口８ａの内周側半径Ｒ１よりも大きく且つ排出口８ａの外周側半径Ｒ２よりも小さく設定される。それ故、カッターヘッド２が回転するとき、第１のローラーカッター２２が排出口８ａの中心近傍部の前方を通過し、排出口８ａに挟まった塊状の掘削物を破砕するように構成されている。
【００３３】
第１のカッター手段２０の第１のローラーカッター２２は、第１のローラ支持部材２１に交換可能に取り付けられている。図５、図６に示すように、第１のローラー支持部材２１の各側板２３は、側板本体２４とキャップ板２５とを有し、キャップ板２５は１対のボルト２９，３０でもって側板本体２４に固定されている。
【００３４】
側板本体２４の後端部の中央部には前記角軸部２８の前半部を受容する軸受容部２４ａが形成され、この軸受容部２４ａに対してカッターヘッド２の回転方向に隣接する部位にはキャップ板２５の係合脚部２５ａを係合させる係合凹部２４ｂが形成され、この係合凹部２４ｂに対してカッターヘッド２の回転方向に隣接する部位の後端面２４ｃは、図６に示すように軸受容部２４ａの前端と同一平面になっている。
【００３５】
キャップ板２５の後端部の中央部には角軸部２８の後半部を受容する軸受容部２５ｂが形成され、この軸受容部２５ｂに対してカッターヘッド２の回転方向に隣接する部位には、前記の係合脚部２５ａが形成されている。
【００３６】
図６に示すように、第１のローラーカッター２２を交換する場合には、両側の側板２３において、キャップ板２５を固定している１対のボルト２９，３０を緩めて、側板本体２４のボルト穴の後端から離脱した状態にし、キャップ板２５を後方移動させて係合脚部２５ａを係合凹部２４ｂから離脱させ、次にキャップ板２５を矢印Ａの方向（隔壁５と平行方向）へ移動させることで、キャップ板２５を取り外し、その後第１のローラーカッター２２を矢印Ａの方向へ移動させることで、第１のローラーカッター２２を取り外す。その後、別の新規の第１のローラーカッターを上記とは逆の手順にて組付けるものとする。尚、１対の側板２３間に小連結板２７を設けたため、第１のローラーカッター２２を矢印Ａの方向へ取り外すときに第１のローラーカッター２２の前部を通過させる通過経路が形成されている。
【００３７】
次に、以上説明したトンネル掘削機１と第１のカッター手段２０の作用、効果について説明する。カッターヘッド２を回転させながらカッターヘッド２により切羽を掘削して行く際、排出装置７の送水管９から送水しつつ、排水管８から土砂や泥水を排出しながら掘削していく。この掘削中に、排出口８ａから排出不能な塊状の掘削物（大きめの玉石や岩石の破片）が、カッタースポーク１２の間の隙間からチャンバー４内に導入されると、それらが順次チャンバー４の底部に滞留し始め、排出口８ａに部分的に挟まって停止状態になったり、複数の塊状の掘削物が滞留して停止状態になったりしたとき、カッターヘッド２と共に回転する第１のローラーカッター２２がその掘削物に衝突し、その衝突の反力が排出口８ａの近傍部の隔壁５で受け止められるため、その掘削物が確実に破砕され、塊状の掘削物が小さな破片状に破砕される。そのため、排出装置７による掘削物の排出が円滑に行われる。
【００３８】
そして、カッターヘッド２と共に第１のローラーカッター２２が回転するとき、隔壁５の前面のうち第１のローラーカッター２２の回転軌跡に対応する部位に付着している土砂などの掘削物が、第１のローラーカッター２２により剥離除去される。第１のカッター手段２０は、カッターヘッド２のカッタースポーク１２の背面からチャンバー４内へ突出しているため、第１のカッター手段２０が回転すると、チャンバー４内の掘削物は攪拌される。
【００３９】
第１のローラーカッター２２に作用する荷重は第１のローラ支持部材２１とカッタースポーク１２により確実に支持されると共に、キャップ板２５に作用する荷重は、係合脚部２５ａと係合凹部２４ｂを介して確実に支持される。しかも、第１のローラーカッター２２の交換の際、図６に図示のように、キャップ板２５を取り外し、第１のローラーカッター２２を矢印Ａの方向へ移動させることで、第１のローラーカッター２２を取り外すことができるため、隔壁５と干渉することなく、簡単に円滑に取り外すことができる。
【００４０】
第１のカッター手段２０は、カッターヘッド２の背面に付設する小型のものであるため、構造が簡単で安価に製作可能であるうえ、一般的なトンネル掘削機や既存のトンネル掘削機に適用することもできる。第１のカッター手段２０の設置のために隔壁５の後方のスペースを必要としないので、スペース的にも有利である。
【００４１】
このトンネル掘削機では、前記第１のカッター手段２０の他に、第２のカッター手段４０が設けられている。図３、図７に示すように、第２のカッター手段４０は、前記第１のカッター手段２０が設けられたカッタースポーク１２と異なるカッタースポーク１２に設けられている。この第２のカッター手段４０は、軸心をカッターヘッド２の軸心と平行方向に向けて、チャンバー４内の前胴部材３の内周面の近くに配設された第２のローラーカッター４２と、この第２のローラーカッター４２を支持する第２のローラ支持部材２１Ａとで構成されている。
【００４２】
前記第２のローラーカッター４２と前胴部材３の内周面との間には約６０〜１００ｍｍ程度の隙間が形成されており、カッターヘッド２の回転と協働して、チャンバー４内の底部に滞留する塊状の掘削物（大きめの玉石や岩石の破片）を破砕するように構成されている。第２のローラ支持部材２１Ａは、カッタースポーク１２から後方へ延びる張出し板２１Ｂと、この張出し板２１Ｂに固定された１対の側板２３Ａ及び１対の連結板２６Ａ，２７Ａ（但し、２７Ａは図示略）とで構成されている。
【００４３】
前記１対の側板２３Ａ及び１対の連結板２６Ａ，２７Ａは、前記の１対の側板２３及び１対の連結板２６，２７と同様のものであり、第２のローラーカッター４２を取り外して交換可能に構成してある。この第２のカッター手段４０を設けるため、チャンバー４内の底部に滞留する塊状の掘削物を前胴部材３と協働して確実に破砕することができる。
【００４４】
但し、この実施例では、１組の第２のカッター手段４０を設けた場合を例にして説明したが、２組の第２のカッター手段４０を同一の又は異なるカッタースポーク１２に設け、それら２つの第２のローラーカッター４２と前胴部材３の内周面との間の隙間を異なる大きさに設定してもよい。
【００４５】
前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）第１のローラーカッター２２の交換を一層容易にするため、第１のローラーカッター２２の回転軌跡に対応するように、隔壁５の中段部分に適当なサイズの凹部であって後方へ凹入した凹部を形成しておき、第１のローラーカッター２２を凹部に対向する位置に位置させた状態で第１のローラーカッター２２の交換を行うように構成してもよい。
２）１組の第１のカッター手段２０に複数の第１のローラーカッター２２を装備してもよい。
【００４６】
３）カッターヘッド２に複数のローラーカッター１４ではなく、複数のカッタービットを装備してもよく、また、第１のカッター手段２０は、第１のローラーカッター２２に代えてカッタービットにより塊状の掘削物を破砕するように構成してもよい。
４）前記トンネル掘削機１は泥水式排出装置７を装備しているが、泥土式排出装置を装備したトンネル掘削機にも本発明を同様に適用することができる。
５）その他、当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を付加した形態で本発明を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、カッターヘッドを備えた種々のトンネル掘削機に適用し、排出装置による掘削物の排出を円滑にすることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１      トンネル掘削機
２      カッターヘッド
４      チャンバー
７      排出装置
８ａ    排出口
１６，１７，１８      攪拌装置
２０，４０    第１，第２のカッター手段
２２，４２    第１，第２のローラーカッター
【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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