(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状のシールドフレームの内周面に固定された隔壁と、
ロータリジョイントを介して前記隔壁に回転自在に支持された回転軸と、
前記シールドフレームの進行方向先端に配置されるとともに回転中心とは異なる位置から後方に向かって取り付けられた複数本の第１のロッドを介して前記回転軸に接続され、地盤を掘削する複数のビットが設けられたカッタヘッドと、
前記カッタヘッド、前記隔壁および前記シールドフレームで囲まれた空間で形成され、前記カッタヘッドで掘削された土砂が取り込まれる土砂取込室と、
前記回転軸の内側に回転不能に配置されるとともに前記回転軸の軸方向に移動して前記土砂取込室に対して進退可能に設けられ、当該土砂取込室内で前記シールドフレームの径方向に延びる第２のロッドを備えたシャフトと、
を有することを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
前記ロータリジョイントは、軸方向に配列された複数個のパーツに分割されている、
ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
【請求項３】
前記ロータリジョイントの外周面に開口して形成され、流体が導入される流体導入孔と、
前記流体導入孔に連通して設けられ、前記回転軸内から前記第１のロッドを通って前記カッタヘッドに至る流体配管と、
を有することを特徴とする請求項１または２記載のシールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の掘削に用いられるシールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤を掘削してトンネルや地下鉄などの掘削に使用される装置として、シールド掘進機が知られている。
【０００３】
このシールド掘進機はシールドフレームの進行方向先端にカッタヘッドが回転可能に設けられており、当該カッタヘッドにはローラカッタ等のビットが円周状・放射状に複数配置されている。そして、カッタヘッドを掘削面に押し付けて回転させながら進むことにより、地盤が円形に掘削されていく。
【０００４】
そして、地盤を掘削するにつれてビットが摩耗していくために、所望の掘削性能を維持するために、所定の距離だけ掘進したならば、作業者によりビットを交換する必要が生じる。その際、カッタヘッドの進行方向側つまり表面側は地盤に接しているために、作業者はシールド掘進機の内部に入り込んでカッタヘッドの裏面側から交換作業をしなければならない。
【０００５】
ここで、従来のシールド掘進機の構造について、図６を用いて説明する。
【０００６】
図示するように、従来のシールド掘進機では、シールドフレーム５１の進行方向先端に設けられたカッタヘッド５３はロータリジョイント５７を介して隔壁５２に回転自在に支持された回転軸５６に固定されている。また、カッタヘッド５３、隔壁５２およびシールドフレーム５１で囲まれた空間により土砂取込室６０が形成されており、カッタヘッド５３で掘削された土砂は土砂取込室６０に取り込まれるようになっている。
【０００７】
カッタヘッド５３には後方に向かって複数本の第１のロッド５５が延びて隔壁５２まで至っている。当該第１のロッド５５は隔壁５２の内部に配置されてモータにより回転するリング部材５４に固定されている。したがって、カッタヘッド５３はモータによりリング部材５４を介して回転する。また、カッタヘッド５３に取り付けられた第１のロッド５５はカッタヘッド５３の回転により回転（公転）する。
【０００８】
そして、隔壁５２から土砂取込室６０に向けて第２のロッド５９が突出して設けられている。この第２のロッド５９は隔壁５２に固定されたものであり、カッタヘッド５３の回転により公転する第１のロッド５５と共働することにより、土砂取込室６０に取り込まれた土砂が十分に撹拌されるようになっている。
【０００９】
掘削時にカッタヘッド５３から地盤へ吐出される添加材はロータリジョイント５７の外周面に開口した添加材導入孔５８から回転軸５６内を通ってカッタヘッド５３に至る添加材配管６１を通って供給されるようになっている。また、カッタヘッド５３の径方向外方に突出して余掘りを行うためのコピーカッタの突出量をコントロールするための油圧配管（図示せず）も、同様に回転軸５６内を通ってカッタヘッド５３に至る経路を有している。そのため、カッタヘッド５３の回転中心には、油圧配管および添加材配管分岐用のブロック６２（以下、単に「ブロック」という。）が設けられている。
【００１０】
なお、シールド掘進機については、例えば特開昭６２−２０６１９４号公報、特開２００８−１８４７６４号公報、特開２０１０−７７７１５号公報、特開２０１１−３２８１９号公報、特公平３−４５１９６号公報、特開２００７−３０３０６４号公報、特許第４４９５１１４号明細書に記載されたものなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６２−２０６１９４号公報
【特許文献２】特開２００８−１８４７６４号公報
【特許文献３】特開２０１０−７７７１５号公報
【特許文献４】特開２０１１−３２８１９号公報
【特許文献５】特公平３−４５１９６号公報
【特許文献６】特開２００７−３０３０６４号公報
【特許文献７】特許第４４９５１１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述した従来のシールド掘進機においてカッタヘッド５３の裏側の土砂取込室６０からビット５３ａを交換する作業においてカッタヘッド５３の回転中心付近に配置されたビット５３ａ（一般的にはローラカッタ）を交換する場合、カッタヘッド５３の回転中心にはブロック６２が設けられているため、当該ブロック６２の解体作業が必要となる。
【００１３】
そのため、ビット５３ａの交換作業が煩雑で時間もかかり、極めて作業性が悪かった。
【００１４】
ここで、ブロック解体を回避するためのシールド掘進機の構造としては、カッタヘッド５３に設けられて後方に延びる第１のロッド５５を利用して油圧配管および添加材配管６１をレイアウトすることが考えられる。
【００１５】
しかしながら、このような構造ではカッタヘッド５３の回転中心付近に隔壁５２からの第２のロッド５９を配置することができなくなるので、土砂取込室６０に取り込まれた土砂が撹拌不良となり、土砂取込室６０内の土砂を機外に排出する土砂搬送配管内で閉塞を引き起こすおそれがある。
【００１６】
本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、土砂取込室に取り込まれた土砂の撹拌不良を生じることなく、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換作業を簡便に行うことのできるシールド掘進機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のシールド掘進機は、中空円筒状のシールドフレームの内周面に固定された隔壁と、ロータリジョイントを介して前記隔壁に回転自在に支持された回転軸と、前記シールドフレームの進行方向先端に配置されるとともに回転中心とは異なる位置から後方に向かって取り付けられた複数本の第１のロッドを介して前記回転軸に接続され、地盤を掘削する複数のビットが設けられたカッタヘッドと、前記カッタヘッド、前記隔壁および前記シールドフレームで囲まれた空間で形成され、前記カッタヘッドで掘削された土砂が取り込まれる土砂取込室と、前記回転軸の内側に回転不能に配置されるとともに前記回転軸の軸方向に移動して前記土砂取込室に対して進退可能に設けられ、当該土砂取込室内で前記シールドフレームの径方向に延びる第２のロッドを備えたシャフトと、を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記ロータリジョイントは、軸方向に配列された複数個のパーツに分割されている、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記ロータリジョイントの外周面に開口して形成され、流体が導入される流体導入孔と、前記流体導入孔に連通して設けられ、前記回転軸内から前記第１のロッドを通って前記カッタヘッドに至る流体配管と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の発明によれば、掘削時には、シャフトを前進させて土砂取込室に突出させることにより、カッタヘッドに設けられて公転する第１のロッドと回転不能なシャフトに備えられた第２のロッドとが共働することにより土砂取込室に取り込まれ土砂が十分に撹拌される。一方、ビット交換時には、シャフトを後退させて当該シャフトとカッタヘッドとの間隔を空けることにより、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換を簡便に行うことが可能になる。
【００２１】
請求項２記載の発明によれば、ロータリジョイントを構成するパーツを個別に取り外してメンテナンスを行うことができるので、メンテナンス作業が容易になる。
【００２２】
請求項３記載の発明によれば、ロータリジョイントから回転軸および第１のロッドを通ってカッタヘッドに至るような流体の流路とすることで、土砂の撹拌不良を防止し、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換作業を簡便しつつ、カッタヘッドに送られる流体の経路を確保することが可能になる。また、ロータリジョイントを、軸方向に配列された複数個のパーツに分割しておけば、流体導入孔の形成されたパーツを追加することにより、流体導入孔の追加を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機を示す説明図である。
【図２】図１のシールド掘進機のカッタヘッドを示す説明図である。
【図３】図１のシールド掘進機の要部を示す説明図である。
【図４】図１のシールド掘進機における掘削時の態様を示す概念図である。
【図５】図１のシールド掘進機におけるビット交換時の態様を示す概念図である。
【図６】従来のシールド掘進機を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
図１において、シールド掘進機Ｍの中空円筒状のシールドフレーム１１の進行方向前方内には、外周端面がシールドフレーム１１の内周面に固定された隔壁１２が設けられている。隔壁１２にはロータリジョイント７が取り付けられており、当該ロータリジョイント７を介して回転軸１６が隔壁１２に回転自在に支持されている。また、後述する第１のロッド５およびリング部材６を介して、シールドフレーム１１の外径と略同径の形状をしたカッタヘッド１３が回転軸１６に接続されている。したがって、図示するようにシールドフレーム１１の進行方向先端に配置されたカッタヘッド１３は、ロータリジョイント７に回転可能に支持された回転軸１６を中心にして回転する。
【００２６】
図１および図２に示すように、カッタヘッド１３は、回転中心に位置するセンタプレート１３ａから相互に等しい回転角でシールドフレーム１１の径方向へ放射状に延びるスポーク１３ｂ（本実施の形態では、４本のスポーク１３ｂ）、およびスポーク１３ｂの先端に固定された環状のリング１３ｃを備えており、センタプレート１３ａ、スポーク１３ｂおよびリング１３ｃには、地盤を掘削するための強靭な素材（例えば、超硬合金や焼結タングステンカーバイドなど）からなるビット１４が複数取り付けられている。
【００２７】
さらに、センタプレート１３ａには、掘削土砂の塑性流動性を高め、掘削土砂と撹拌混練して止水性を高めるための添加材（流体）を土砂に注入するための添加材注入口１５が前方に開口して形成されている。なお、スポーク１３ｂにも添加材注入口が形成されているが、ここでは図示は省略されている。
【００２８】
ビット１４は、砂礫層掘削用のローラカッタ１４ａと粘土層掘削用のスクレーパツース１４ｂとからなり、これらがスポーク１３ｂおよびリング１３ｃに沿って円周状、放射状に配置されている。また、添加材注入口１５の設けられたセンタプレート１３ａには、ローラカッタ１４ａが配置されている。
【００２９】
そして、ビット１４の取り付けられたカッタヘッド１３を掘削面に押し付けて回転させながら進むことにより、地盤が円形に掘削される。
【００３０】
なお、カッタヘッド１３の後方には、当該カッタヘッド１３と隔壁１２とシールドフレーム１１とで囲まれた空間である土砂取込室３０が形成されており、カッタヘッド１３で掘削された土砂が取り込まれるようになっている。
【００３１】
カッタヘッド１３を構成する１本のスポーク１３ｂ内には、地盤を径方向に余掘りしてシールド掘進機Ｍの進行方向を変化させるためのコピーカッタ１７が、カッタヘッド１３の径方向外方に出没可能に設けられている。
【００３２】
コピーカッタ１７の後端には、油圧シリンダ１９を貫通してカッタヘッド１３の回転中心に向けて伸びるロッド１８が取り付けられている。油圧シリンダ１９は２ポート型となっており、各ポートへ供給されるオイル量をコントロールすることによりシリンダ室（図示せず）のピストン（図示せず）が直線的に往復動し、当該ピストンが取り付けられたロッド１８を介してコピーカッタ１７がカッタヘッド１３から突出し、あるいはカッタヘッド１３内へと没入する。
【００３３】
前述した回転軸１６には軸方向に貫通孔１６ａが形成されており、当該貫通孔１６ａつまり回転軸１６の内側には、回転軸１６の軸方向に沿って移動して土砂取込室３０に対して進退可能となったシャフト８が配置されている。回転軸１６が回転可能となっているのに対してシャフト８は回転不能になっており、また、当該シャフト８には、土砂取込室３０内でシールドフレーム１１の径方向に延びる第２のロッド９を備えている。第２のロッド９はシャフト８の先端に取り付けられており、シャフト８からシールドフレーム１１の径方向に相互に等しい角度で広がる４本の棒状体（つまり、回転軸１６の軸方向から見ると十字形をなす４本の棒状体）である。但し、第２のロッド９は少なくとも１本あれば足り、また取付位置はシャフト８の先端ではなくてもよい。
【００３４】
なお、ロータリジョイント７、回転軸１６およびシャフト８の詳細については後述する。
【００３５】
さて、カッタヘッド１３の回転中心とは異なる位置（つまりカッタヘッド１３の回転中心から径方向外側寄り）から後方に向かって前述した複数本（例えば６本）の第１のロッド５が取り付けられている。この第１のロッド５は隔壁１２に回転自在に取り付けられたリング部材６に固定されており、さらにリング部材６は複数本（例えば６本）の連結材１０に固定されている。そして、連結材１０は回転軸１６に固定されている。したがって、カッタヘッド１３は第１のロッド５を介して回転軸１６に接続されている。
【００３６】
リング部材６の背面には内歯車４が取り付けられており、この内歯車４は隔壁１２の後方に装着された駆動モータ３の回転軸に取り付けられた歯車３ａにギア結合されている。したがって、駆動モータ３が回転すると、その回転力が歯車３ａを介して内歯車４に伝達される。そして、内歯車４の取り付けられているリング部材６を介して、カッタヘッド１３が回転軸１６を回転中心にして回転する。
【００３７】
また、このカッタヘッド１３の回転により、カッタヘッド１３に取り付けられた第１のロッド５が回転（公転）する。そして、公転する第１のロッド５が回転不能なシャフト８に備えられた第２のロッド９と共働することにより、土砂取込室３０に取り込まれた土砂が十分に撹拌されることになる。
【００３８】
シールド掘進機Ｍの機内には掘削された土砂を回収するためのスクリューコンベア２９が設けられており、その前端開口部２９ａは、隔壁１２の下端部を貫通して土砂取込室３０に開口している。
【００３９】
また、シールド掘進機Ｍのシールドフレーム１１は中折れジャッキ３３を介して互いに連結された前胴部１１ａおよび後胴部１１ｂからなり、後胴部１１ｂの前端部内周面に取り付けられた周枠３４にセグメントＳの組立用エレクタ装置３５が設けられており、さらにこの周枠３４に複数本の推進ジャッキ３６が挿通した状態で支持されている。
【００４０】
ここで、図３に示すように、シャフト８の後端には、当該シャフト８を回転軸１６の軸方向に移動させるための駆動ロッド２０が取り付けられている。そして、図示しないモータに駆動された駆動ロッド２０によりシャフト８が軸方向に移動すると、当該シャフト８は前進位置で土砂取込室３０内に突出し、後退位置で土砂取込室３０から退避する。
【００４１】
また、ロータリジョイント７は軸方向に配列された複数個のパーツに分割されており、カッタヘッド１３側から見て、油圧シリンダ１９に供給されるオイル（流体）が導入される４つのオイル導入孔２１（流体導入孔）と添加材注入口１５から土砂に注入される添加材（流体）が導入される１つの添加材導入孔２２（流体導入孔）が外周面に形成された第１のパーツ７−１、それぞれ１つずつの添加材導入孔２２（流体導入孔）が外周面に形成された第２〜第６のパーツ７−２〜７−６、および後端に位置するエンドパーツ７−７で構成されている。なお、第１のパーツ７−１の４つのオイル導入孔２１は２つで一組となって径方向に相互に反対となる位置に、また、第１〜第６のパーツ７−１〜７−６の合計６つの添加材導入孔２２は径方向に交互に反対となる位置に、それぞれ形成されている。
【００４２】
ロータリジョイント７に形成されたオイル導入孔２１および添加材導入孔２２は回転軸１６に形成されて軸方向に延びるオイル流路２５および添加材流路２４と連通している。そして、これらオイル流路２５および添加材流路２４を介して、前述した連結材１０から第１のロッド５を通ってカッタヘッド１３に至る配管２３（流体配管）に連通している。
【００４３】
なお、ロータリジョイント７と回転軸１６との間には環状のシール材２６が嵌め込まれており、オイルや添加材の漏出が防止されている。また、ロータリジョイント７とシャフト８とは後端部が回り止め２７で相互に固定されており、回転軸１６の回転によりシャフト８が連れ周りすることが防止されている。
【００４４】
次に、以上のような構成を有するシールド掘進機Ｍにおける動作について図４および図５を用いて説明する。
【００４５】
地盤を掘削するときには、図４に示すように、シャフト８を前進させて土砂取込室３０内に突出させておく。これにより、シャフト８に設けられた第２のロッド９は土砂取込室３０内でシールドフレーム１１の径方向に延びた状態になる。このようにシャフト８を前進させておいてカッタヘッド１３を回転させることにより、カッタヘッド１３に掘削されて土砂取込室３０に取り込まれた土砂は、カッタヘッド１３に取り付けられた第１のロッド５が回転（公転）する。そして、公転する第１のロッド５が回転不能なシャフト８に備えられた第２のロッド９と共働することにより、土砂取込室３０に取り込まれた土砂が十分に撹拌されることになる。なお、撹拌された土砂はスクリューコンベア２９に取り込まれ、機外に回収される。
【００４６】
そして、ビット１４を交換するときには、図５に示すように、シャフト８を後退させてシャフト８とカッタヘッド１３との間隔を空ける。これにより、ビット交換のために作業者が土砂取込室３０内からカッタヘッド１３の回転中心へアクセスをする際、作業を阻害する部材は存在しなくなる。したがって、カッタヘッド１３の回転中心に配置されたローラカッタ１４ａなどのビット１４の交換を簡便に行うことが可能になる。
【００４７】
また、本実施の形態のシールド掘進機Ｍでは、ロータリジョイント７は軸方向に配列された複数個のパーツ７−１〜７−７に分割されている。よって、これらのパーツ７−１〜７−７を個別に取り外してメンテナンスを行うことができるので、メンテナンス作業を容易に行うことができる。但し、ロータリジョイント７は、このように複数個のパーツ７−１〜７−７に分割されていなくてもよい。
【００４８】
さらに、本実施の形態のシールド掘進機Ｍでは、ロータリジョイント７の外周面に開口して、添加材とオイルがそれぞれ導入されるオイル導入孔２１と添加材導入孔２２とが形成されており、これらオイル導入孔２１と添加材導入孔２２に連通して設けられて回転軸１６内から第１のロッド５を通ってカッタヘッド１３に至る配管２３を備えている。
【００４９】
このように、ロータリジョイント７から回転軸１６および第１のロッド５を通ってカッタヘッド１３に至るような流路とすることで、土砂の撹拌不良を防止し、カッタヘッド１３の回転中心に配置されたビット１４の交換作業を簡便しつつ、カッタヘッド１３に送られる添加材やオイルの経路を確保することが可能になる。
【００５０】
このとき、ロータリジョイント７を軸方向に配列された複数個のパーツに分割しておけば、パーツを追加することにより、オイル導入孔２１や添加材導入孔２２の追加を簡単に行うことができる。
【００５１】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。
【００５２】
たとえば、本実施の形態では、カッタヘッド１３は、第１のロッド５と連結材１０とを介して回転軸１６と接続されているが、第１のロッド５を直接回転軸１６と接続するようにして連結材１０を省略することもできる。つまり、カッタヘッド１３は第１のロッド５を介して回転軸１６に接続されている限り、第１のロッド５と回転軸１６との間には連結材１０のような部材があってもなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上の説明では、本発明のシールド掘進機は、地下鉄や下水道、トンネルなど、様々な地盤の掘削に用いることができる。
【符号の説明】
【００５４】
５  第１のロッド
６  リング部材
７  ロータリジョイント
７−１〜７−７  パーツ
８  シャフト
９  第２のロッド
１０  連結材
１１  シールドフレーム
１２  隔壁
１３  カッタヘッド
１３ａ  センタプレート
１３ｂ  スポーク
１３ｃ  リング
１４  ビット
１４ａ  ローラカッタ
１４ｂ  スクレーパツース
１５  添加材注入口
１６  回転軸
１６ａ  貫通孔
１７  コピーカッタ
１８  ロッド
１９  油圧シリンダ
２０  駆動ロッド
２１  オイル導入孔
２２  添加材導入孔
２３  配管
２４  添加材流路
２５  オイル流路
２６  シール材
３０  土砂取込室
Ｍ  シールド掘進機
【図１】
0005729646.tif 000002
【図２】
0005729646.tif 000003
【図３】
0005729646.tif 000004
【図４】
0005729646.tif 000005
【図５】
0005729646.tif 000006
【図６】
0005729646.tif 000007