(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘進機本体に取り付けられ、各種機器(111,116,118) が一部を外部に露出して支持されるための支持構造(120) であって、
前記支持構造(120) は、
外周面の少なくとも一部に円弧面部(121a)を有する機器支持部材(121) と、
内周面に前記円弧面部(121a)と同一曲率をもつ摺動面(122a)を有し、同摺動面(122a)にシールリング材(127) を介して前記機器支持部材(121) が回動自在となるよう前記機器支持部材(121) の回転軸部(121c)を支承するハウジング(122) とを備えてなり、
前記機器支持部材(121) の前記円弧面部(121a)には、前記回転軸部(121c)に対して直交し、前記機器(111,116,118) を摺動自在にシール状態で挿通支持する機器挿通孔(121b)が形成され、
前記ハウジング(122) の前記機器挿通孔(121b)の回動摺接面には、同機器挿通孔(121b)と同一断面形状をもつ機器進退孔(122b)が形成されており、
前記機器進退孔(122b)から外部に突出する機器(111,116,118) の先端部が前記機器支持部材(121) の機器挿通孔(121b)に引き込まれたとき、前記機器支持部材(121) が前記機器(111,116,118) と共に回動可能に構成されてなり、
前記機器支持部材(121) の回動中心(O) とその回動方向の円弧面端とを結ぶ直線(L1)と、前記機器挿通孔(121b)の中心線(L2)との交差角度θが６０°以上９０°以下である、
ことを特徴とするトンネル掘進機における各種機器の支持構造。
【請求項２】
前記機器支持部材(121) の円弧面部(121a)の回動半径(R) は、外部に突出する前記機器(111,116,118) を、その先端部を前記機器支持部材(121) の機器挿通孔(121b)に引き込んだ状態で前記機器支持部材(121) と共に回動させ、前記ハウジング(122) の摺動面(122a)により前記機器挿通孔(121b)を閉塞させた回動限位置にあるときの、前記機器支持部材(121) の円弧面部(121ａ) の回動下端位置(LP)が、前記機器支持部材(121) の回動中心位置(O) よりもトンネル掘進機後方側に位置するように設定されてなることを特徴とする請求項１記載の支持構造。
【請求項３】
前記ハウジング(122) に脱着自在に取り付けられ、その開口端部を閉塞すると共に前記機器(111,116,118) に作用する外力を受けるカバー体(125) を更に備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の支持構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル掘進機本体に取り付けられる各種機器の支持構造に関し、具体的には前記トンネル掘進機本体に取り付けられるカッタビット、土圧計、探査機等の各種機器を交換自在に取付けるための支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械化された今日の地山掘削において、掘削の対象となる地域的条件及び地質の特性等により、トンネル掘進機にあってもそれらに適応すべき諸々の手段を備えることが要求されてきている。
【０００３】
特に、都市土木の分野において、地下水の存在する地盤や、比較的軟弱な地盤中にトンネルを掘削形成する方法として、シールド掘進機を用いたトンネル工法が知られている。この種のトンネル掘進機は前面にカッタヘッドを備えており、同カッタヘッドにはディスクカッタ、ゲージカッタ、コピーカッタ、シェルビット、先行ビット、リレービットなど多様なカッタ類が取り付けられ、同カッタヘッドをトンネルの切羽面に押しつけながら旋回駆動して、前記各種カッタ及びカッタビットによって切羽面の地山を切削し、切削土砂をカッタヘッドの後方に設けた隔室内に取り込むと共に、この土砂を排土管やスクリュウコンベア等を介して後方に排除しつつトンネルを掘進する。
【０００４】
前記カッタヘッドに取り付けられる各種カッタ類は、例えばニッケルクロムモリブデン等からなる合金鋼の母材にタングステンカーバイト等からなる超硬チップをろう付け等により取り付けられており、また前記超硬チップの周囲の母材にはハードフェーシング等の処理が施され、磨耗対策を行っている。
【０００５】
しかし、近年、前記トンネル掘削は大深度化、長距離化の方向にあり、かかる長距離施工に対応すべく前記カッタヘッドに取り付けられたカッタビットは、前述のようなカッタビットの材質面における配慮にもかかわらず、磨耗のため交換は避けがたい。この交換に際して、切羽側から交換作業を行うことは切羽の崩壊などによる危険を伴うため、前記掘進機本体内にあってカッタ交換作業を行い得るように様々な提案がなされている。
【０００６】
かかるカッタビットの支持構造の一例が、例えば特許第３１６４７９３号公報に開示されている。同公報に開示されたカッタビットの支持構造は、シールド掘進機本体の前面に支承されるカッタヘッドの中心軸から放射状にスポークが延設されており、同スポークの左右側壁と前壁とが交差する各隅部にカッタビット支持用のハウジングが固設されている。同ハウジングには中実の完全球体が回転軸部を中心に回動自在に支持されている。同回転軸部は球体に配され、スポークの側壁及び前壁に平行に突出する。前記ハウジングの前壁にはビット進退孔が貫通して形成され、前記球体には、その偏心位置を通るビット挿通孔が貫通して形成されている。
【０００７】
カッタビットは前記球体のビット挿通孔に挿通され、球体を回動させて前記ビット挿通孔がハウジングの上記ビット進退孔と合致したとき、カッタビットは同ビット進退孔から所定の長さ外部に突出させられて、ビットホルダにより支持される。すなわち、このときカッタビットの先端部は前記ハウジングを介して外部に突出されると共に、カッタビットの基端部は、ビットホルダを介してスポークの側壁に取付ボルトをもって着脱自在に取り付けられる。
【０００８】
カッタビットを交換する際には、先ず、カッタビットの基端部を保持するビットホルダをスポークの側壁から外すと共に、前記球体に対するカッタビットの固定を解除する。次に、カッタビットの一部露呈面を前記球体内に引き込んで前記球体の自由な回動を確保したのち、カッタビットの引き抜きやすい位置まで前記球体を回動させ、カッタビットを前記球体のビット挿通孔から引き抜く。カッタビットを引き抜いたのち、前記ビット挿通孔に新たなカッタビットを挿入して、前述とは逆の手順で順次操作し、最後に前記ビットホルダを介してスポークの側壁に固定支持してカッタビットの交換作業を終える。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シールド掘進機により掘削される多種多様なトンネル坑の覆工にあたっては、その効率化が強く要求される。かかる要求に応えるため、カッタビットの母材に取り付けられるチップの大きさを可能な限り大きくして、カッタヘッドの一回転当たりの土砂の切削量を増大させるようになってきている。カッタヘッドの一回転当たりの土砂の切削量を増大させるためにカッタビットのチップを大きくしようとすると、同チップを取り付ける母材をも大型化せざるを得ず、カッタビット及びその支持構造も大型化せざるを得ず、限られたスポークの内部空間を益々狭小化する。
【００１０】
上記特許第３１６４７９３号公報に示す技術は、カッタビットがスポークの作業空間に対して比較的小さい場合には、カッタビットを挿脱自在に支持するハウジング及び球体の回動半径を必要最小限とすることにより、カッタビットの支持機構の全体構造を小型化することができる。しかしながら、カッタビットの径が大きくなると、必然的に球体の径もカッタビットの大きさ以上に大きくせざるを得なくなり、カッタビット支持機構全体の大型化につながる。その結果カッタビット及びその支持構造の大型化により狭小化されたスポークの作業空間内におけるカッタビットの交換作業そのものを不可能にしてしまう。
【００１１】
更に、上記従来の技術によれば、カッタビットの後端部をスポークの側壁に固着されたビットホルダに固定支持させるため、前記球体の大型化と相まって、更に前記スポークの前壁とビットホルダとの間の間隔も必然的に長くなる。一方、前記球体は前記スポーク内の前壁と側壁とが交差する隅部に取り付ける場合、前述のごとくカッタビットの交換のために球体に必要な回動操作を行わせる必要があり、カッタビットの露呈先端部を前記球体内に支持した状態で前記球体の自由な回動を確保しなければならない。このため、その回動操作に必要な回動半径は、少なくとも球体の径にカッタビット後端部の突出量を加えた寸法とする必要があり、カッタビットの大型化に伴うスポーク内の狭小な空間を更に削ることとなる。
【００１２】
このように、前記カッタビットや球体の大きさはスポーク内の大きさによって制約を受けざるを得ない。スポーク内の作業空間が狭くなると、必然的にカッタビットの交換作業に多大な労力、手間や時間等を必要とし、トンネル坑の掘削効率の悪化にもつながる。従って、トンネル坑の掘削効率に必要なカッタビットの大型化にも関わらず、その支持装置の一層の小型化や縮小化などが強く要求される。この要求に応えられれば、従来と同様の寸法を有するカッタビットやその他の機器の支持にあっても、その支持空間を狭小化でき、周辺空間を有効に使うことができるようになる。
【００１３】
本発明は、上述のような従来の課題を解消すべくなされたものであり、その具体的な目的は、トンネル掘進機におけるカッタヘッドに取り付けられるカッタ類や他の機器の交換が容易であり、装置全体のコンパクト化を可能にし、且つ狭い作業空間を有効に利用することを可能にしたトンネル掘進機における各種機器の支持構造を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本件請求項１に係る発明は、トンネル掘進機本体に取り付けられ、各種機器が一部を外部に露出して支持されるための支持構造であって、前記支持構造は、外周面の少なくとも一部に円弧面部を有する機器支持部材と、内周面に前記円弧面部と同一曲率をもつ摺動面を有し、同摺動面にシールリング材を介して前記機器支持部材が回動自在となるよう前記機器支持部材の回転軸部を支承するハウジングとを備えてなり、前記機器支持部材の前記円弧面部には、前記回転軸部に対して直交し、前記機器を摺動自在にシール状態で挿通支持する機器挿通孔が形成され、前記ハウジングの前記機器挿通孔の回動摺接面には、同機器挿通孔と同一断面形状をもつ機器進退孔が形成されており、前記機器進退孔から外部に突出する機器の先端部が前記機器支持部材の機器挿通孔に引き込まれたとき、前記機器支持部材が前記機器と共に回動可能に構成されてなり、前記機器支持部材の回動中心とその回動方向の円弧面端とを結ぶ直線と、前記機器挿通孔の中心線との交差角度θが６０°以上９０°以下であることを特徴とするトンネル掘進機における各種機器の支持構造にある。
【００１５】
本発明の基本的な各種機器の支持構造は、機器支持部材の外周面の一部を構成する円弧面部を、ハウジングの内周面の一部を構成する凹球面状の摺動面に回動させることによりなされる。本発明の支持構造は、各種機器を前記機器支持部材の機器挿通孔に摺動自在にシールして挿通支持し、各種機器の先端部を前記ハウジングの機器進退孔から外部へ貫通して取り付けるという簡単な構造を採用すると共に、前記機器支持部材の機器挿通孔の軸線を前記機器支持部材の回転軸部に直交させてセットし得るように構成している。
【００１６】
前記機器の取付支持は、従来のごとく機器ホルダを介してトンネル掘進機本体に支持することを不要とし、前記機器支持部材に強固に支持することができる。前記機器支持部材に対する機器の固定手段としては、ボルトによる固定が強度などの点から望ましいが、他の固着具を採用することもできる。
【００１７】
かかる構成によれば、前記機器支持部材の円弧面部の曲率は支持しようとする機器の大きさによって任意に決定でき、前記ハウジングを介して機器を支持し得るに充分な最小限の大きさや形態とすることが可能であり、構造を簡略化すると共にコンパクト化が達成でき、支持しようとする機器の大きさに比して支持装置全体を小型化することができるようになる。しかも機器の設置部位についても、その支持構造がコンパクト化されるため自由度が大きい。
【００１８】
本発明によれば、従来の完全な球体をなす機器支持部材と比較すると、前記ハウジングの機器進退孔から外部に突出する機器の先端部を一部に円弧面部をもつ前記機器支持部材の機器挿通孔に引き込んで、前記機器支持部材を機器と共に前記ハウジングの摺動面に沿って前記円弧面部を回動させるようにしているため、機器を前記機器支持部材の回動軌跡内で回動させ得る必要最小限の寸法に設定することができるようになり、機器の大きさに関わらず、その交換作業用の空間を確保できる。
【００１９】
また、前記機器支持部材の円弧面部と前記ハウジングの摺動面との間にシールリング材を介装させることにより、機器の交換作業用空間と機外とを気密的に分離でき、機器の交換時に限らず、掘進時や機器の取り外し時においても、機外から土砂や地下水等の浸入が防止される。
【００２０】
そして、機器の交換にあたっては、前記機器支持部材に対する機器の固定を解除して、外部に突出する機器の先端部を前記機器支持部材内に引き込んだのち、機器の引き抜きやすい位置まで前記機器支持部材を回動させ、機器を前記機器支持部材から引き抜く。次いで、新たな機器を前述とは逆の手順で操作し、最後に前記機器支持部材に対して機器を固定する。
【００２１】
更に、本発明にあっては上記構成に加えて、前記機器支持部材の回動中心とその回動方向の円弧面端とを結ぶ直線と、前記機器支持部材の機器挿通孔の中心線との交差角度θが、６０°≦θ≦９０°の範囲内で、前記機器支持部材の円弧面部の回動半径、すなわちハウジングの機器挿通孔方向の長さ及び同方向に直交する幅寸法を任意に設定する。前記交差角度θが６０°≦θ≦９０°であれば、前記機器支持部材の円弧面部の回動半径にかかわらず、前記機器支持部材を回動させて、前記ハウジングの摺動面が前記機器支持部材の機器挿通孔を閉塞するときの前記機器支持部材の回動限位置、すなわちハウジングから突出する機器支持部材の突出量を略一定の範囲内に収めることが可能となる。
【００２２】
このように、前記機器支持部材の円弧面部の回動半径にかかわらず、その機器支持部材の回動限位置を略一定の範囲にすることができるため、前記ハウジング、前記機器支持部材及び前記機器のそれぞれの大きさを、狭小化した空間の大きさによって任意に設定することができるようになり、設計の自由度が得られる。
【００２３】
前記交差角度θが６０°よりも小さい場合には、前記機器支持部材の回動半径を大きくする必要がある。従って、前記機器支持部材の回転中心を前記ハウジングから離れた位置に設けるため、限られた交換作業用の空間を狭めることとなり、機器の交換作業が不可能となる。また、前記交差角度θが９０°を越えると、ハウジングの単一部材により構成することが困難となり、ハウジングを二分割にして形成しなければならず、製造コストなどが高騰するため、実用的には馴染まない。
【００２４】
請求項２に係る発明は、前記機器支持部材の円弧面部の回動半径は、外部に突出する前記機器を、その先端部を前記機器支持部材の機器挿通孔に引き込んだ状態で前記機器支持部材と共に回動させ、前記ハウジングの摺動面により前記機器挿通孔を閉塞させた回動限位置にあるとき、前記機器支持部材の円弧面部の回動下端位置が、前記機器支持部材の回動中心位置よりもトンネル掘進機後方側に位置するように設定されている。
【００２５】
この発明によれば、機器を交換するとき、前記機器の露呈先端部を前記機器支持部材の機器挿通孔に引き込んだのち、同機器支持部材を前記機器と一緒に、前記ハウジングの摺動面に沿って前記機器挿通孔を閉塞する回動限位置まで回動させる。前記機器支持部材が回動限位置に達すると、同機器支持部材の回動中心位置は同機器支持部材の回動下端位置よりもハウジング側となる。すなわち、機器支持部材の回動中心位置が前記機器支持部材の回動下端位置を通る水平線よりも上方に位置する。
【００２６】
かかる構成によれば、決められた狭小な空間内における支持すべき機器の大きさが異なる場合にも、前記機器支持部材の円弧面部の回動中心を同機器支持部材の回動下端位置よりもハウジング側となるように決定さえすれば、前記ハウジング、前記機器支持部材、及び前記機器のそれぞれの大きさを必要最小限の寸法に設定することができるようになる。
【００２７】
また、ハウジングの幅寸法は機器の太さによって決まる。上記構成を採用しないと、例えば機器の太さが太いと、ハウジングに形成される機器進退孔の孔径及び機器支持部材に形成される機器挿通孔の孔径も大きくなり、これを閉塞するには、機器支持部材の回動半径も必然的に大きくしなければならなくなり、それだけ機器支持部材の回動中心位置はハウジングから遠ざかる。その結果、機器の長さにもよるが、ハウジングの厚みに比較して、その幅寸法が大きくなり、機器交換の為の作業空間を益々狭くすることになる。
【００２８】
請求項３に係る発明は、前記ハウジングに脱着自在に取り付けられ、その開口端部を閉塞すると共に前記機器に作用する外力を受けるカバー体を更に備えていることを特徴としている。
この発明によれば、前記機器は前記機器支持部材の機器挿通孔に単に挿通された状態で、前記カバー体を前記ハウジングの開口端部を閉塞してハウジングに固着すると、機器の後端がカバー体により支持される。したがって、従来のごとく機器ホルダ等を介してトンネル掘進機本体に固定する必要がなくなるため、前記機器の支持構造のコンパクト化が実現できる。
【００２９】
前記機器の取付支持は、前記機器支持部材、前記ハウジング及び前記カバー体を介してトンネル掘進機本体、或いはカッタヘッドのスポークに強固に支持される。このため、前記機器の軸方向に作用する切削中の過大な衝撃等は、前記カバー体を介して前記ハウジングが受け、前記機器の軸方向と交差する方向にかかる過大な衝撃等は前記ハウジングに形成された機器進退孔の内面で直接受けることができる。
【００３０】
従って、前記機器にかかる過大な衝撃等は前記機器支持部材自体には殆ど作用することがなく、全て前記ハウジングを介してトンネル掘進機本体又はスポークが受けるため、前記機器の支持強度を確保しやすくしている。また、前記機器支持部材の回動もハウジングに固着されたカバー体により確実に阻止され、切削中の過大な衝撃等によっても機器の設置位置が変動することはない。
【００３１】
なお、前記カバー体の着脱手段としてボルトを採用することが好ましく、このボルトを複数とすることで応力の集中を避けることができ、十分な固着強度が得られるばかりでなく、設計に当たっての選択の余地が大きくなり、コストダウンにもつながる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明に係る各種機器の支持構造が適用されたトンネル掘進機であるシールド掘進機の内部構造を示している。図示例では、前記シールド掘進機にリレービット、土圧計及び地質探査棒に対する本発明の支持装置を装備させているが、必ずしもその全部でなくともよく、或いは他の機器のための支持装置に代えることもできる。
【００３３】
シールド掘進機１００は、筒状のスキンプレート１０１の前端に中心軸１０３ａを中心にカッタヘッド駆動用油圧モータ１０２により駆動回転するカッタヘッド１０３を備えている。前記カッタヘッド１０３の後方には隔壁１０４をもって土砂取入れ室１０４ａが形成されており、前記隔壁１０４の後部にはスキンプレート１０１の前部シールド１０１ａ及び後部シールド１０１ｂから、更に後方に延びるスクリュコンベア１０５の土砂導入部が固設されている。なお、同図中の符号１０６はシールドジャッキ、１０７は前後のシールド１０１ａ及び１０１ｂ間を連結して取り付けられるアーティキュレートジャッキ、１０８はセグメントエレクタを示している。スキンプレート１０１の内部にはこのほかにも、例えば土圧計１１６や土質探査棒１１８等の様々な設備や機器が設置されている。
【００３４】
以上の構成はシールド掘進機の一般的な構成であり、これらの設備を備えたシールド掘進機１００をもってトンネルの掘削を行うときは、一般にカッタヘッド駆動用油圧モータ１０２を駆動してカッタヘッド１０３を回転させながら、地山を掘削すると共に、後部シールド１０１ｂの内部でセグメントを組み立てつつ、このセグメントに反力をとってシールドジャッキ１０６を伸長させながら、掘進していく。
【００３５】
本発明は、このようなトンネル掘進機の本体、例えば図２に示すように前記カッタヘッド１０３に取り付けられる各種のカッタ類、或いは図１に示すように上記隔壁１０４に取り付けられる土圧計１１６や隔壁１０４からカッタヘッド１０３を貫通して延びる地質探査棒１１８等の各種機器の交換を効率的になし得るための支持装置を対象としている。
【００３６】
図２は前記カッタヘッド１０３に装着されるカッタ類の配置例を示している。同図によれば、カッタヘッド１０３は中心軸１０３ａからスポーク１０９及び面板１１０が交互に配され、それぞれが放射状に延設されており、各スポーク１０９の表面の中心線に沿って複数のリレービット１１１が固設されている。各スポーク１０９の長さ方向に沿った左右稜線部には、それぞれ所定のピッチをもって複数の先行ビット１１２が取り付けられている。また、前記面板１１０には先行ビット１１２の他にシェルビット１１３やディスクカッタ１１４が取り付けられており、カッタヘッド１０３の周面にはコピーカッタ１１５が外部に対して進退可能に取り付けられている。
【００３７】
図３〜図５は本発明の実施形態であるリレービット１１１の支持構造１２０を示している。これらの図において、この支持構造１２０は、本発明の基本的な支持構造である機器支持部材１２１とハウジング１２２とを備えており、前記機器支持部材１２１の外周面の一部を構成する円弧面部１２１ａを、前記ハウジング１２２の内周面の一部を構成する凹球面状の摺動面１２２ａに回動させるように構成されている。前記機器支持部材１２１及びハウジング１２２には機械構造用炭素鋼、同合金、或いは強靱鋼などが使われる。
【００３８】
前記リレービット１１１は、所定の間隔をおいてスポーク１０９の中心線に沿って固設された前記ハウジング１２２の上面から刃先を突出させて取り付けられている。前記リレービット１１１は、図３からも理解できるように、円筒状をなす本体１１１ａの一端に切削面をもつ刃先１１１ｂが多段に形成されている。この刃先１１１ｂにはタングステンカーバイト等からなる超硬合金が使われる。
【００３９】
前記リレービット１１１の後端部には、円板体の一部外周が互いに平行に切り欠かれた形状をなす取付フランジ部１１１ｃが設けられている。同取付フランジ部１１１ｃには、前記ビット支持部材１２１に連結ボルト１２３をもって着脱自在に取り付けるためのボルト挿入孔が形成されている。更には、このリレービット１１１の内部には、磨耗量検査用空洞部が前記取付フランジ部１１１ｃ側に向けて貫通して形成されており、同リレービット１１１の先端部と検査用空洞部の底部との間の肉厚を超音波を使って測定することができる。なお、リレービット１１１の形状は図示例に限定されるものではないことは勿論である。
【００４０】
前記スポーク１０９は、図９に示すように前壁１０９ａと、同前壁１０９ａの両端部に直交して平行に延びる左右側壁１０９ｂ，１０９ｂと、各側壁１０９ｂの後端部から内方へ向けて互いに傾斜する略コ字状の後壁１０９ｃとを有する枠体からなり、その内部には作業員が入って点検作業などの僅かな作業が行える狭小な空間が形成されている。なお、このスポーク１０９の形状は図示例に限定されるものではない。
【００４１】
前記機器支持部材１２１は本発明の特徴部の一部を構成する。本実施形態における機器支持部材（以下、ビット支持部材という。）１２１は、その外周面の一部にハウジング１２２側に向けて膨出した円弧面部１２１ａを有するブロック体からなる。このビット支持部材１２１の中心部には、前記リレービット１１１を長さ方向に沿って摺動自在にシール状態で挿通支持できるビット挿通孔１２１ｂが貫通して形成されている。
【００４２】
このビット支持部材１２１の後端周縁部には、図４に示すように、前記ビット挿通孔１２１ｂに沿って延びる左右一対の回転軸部１２１ｃ，１２１ｃが設けられている。同回転軸部１２１ｃの中央部には回転軸孔が形成されており、同回転軸孔には前記ビット挿通孔１２１ｂの軸線に対して直交して回転軸１２４が挿嵌固定されている。このビット支持部材１２１は、前記スポーク１０９の前壁１０９ａの中心線に沿って固設されたハウジング１２２に前記回転軸部１２１ｃを中心に回動可能に支承される。
【００４３】
更に、前記ビット支持部材１２１には、前記ビット挿通孔１２１ｂを中心として前記リレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃの肉厚と略同一の深さ及び同取付フランジ部１１１ｃと略同一の直径を有する円環状の凹部１２１ｄが形成されており、同凹部１２１ｄの周面部には、複数の円弧状をなす空洞部が前記ビット挿通孔１２１ｂを中心として周方向に沿って形成されている。前記ビット支持部材１２１の凹部１２１ｄには、前記リレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃに形成されたボルト挿入孔と対応する部位にネジ孔が形成されている。
【００４４】
上記構成を備えたビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａの曲率はリレービット１１１の大きさによって任意に決定し、前記ハウジング１２２を介してリレービット１１１を支持し得るに充分な最小限の大きさや形態とすることができるため、リレービット１１１を支持するのに十分な強度を確保される範囲内で最小にすることができる。その結果、従来のごとき完全な球体をなすビット支持部材と比較すると、前記支持構造１２０を簡略化すると共にコンパクト化が達成できるようになり、支持しようとするリレービット１１１の大きさに比べて支持装置全体が小型化できる。このような支持構造１２０はコンパクト化されるため、リレービット１１１の設置部位の自由度が得られる。
【００４５】
一方、前記ビット支持部材１２１の回転軸部１２１ｃを中心に回動自在に支持するハウジング１２２は本発明の他の特徴部を構成する。本実施形態であるハウジング１２２はブロック体からなり、その内周面は少なくとも一部に前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａと同等の曲率をもつ凹球面状をなす摺動面１２２ａを有している。前記ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂの回動摺接面の一部となるハウジング１２２の中心部には、前記ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂと同一径を有するビット進退孔１２２ｂが貫通して形成されている。
【００４６】
前記ハウジング１２２の開口端部には、図４に示すように、前記ビット支持部材１２１の回転軸部１２１ｃと対応する部位に延びる左右一対の軸受部１２２ｃ，１２２ｃが設けられている。同軸受部１２２ｃの軸受孔には、密嵌的に圧入固定された円筒状のブッシュを介して前記回転軸部１２１ｃの回転軸１２４が回動自在に支承されている。同回転軸１２４は左右一対から構成され、その中心軸に直交して前記ビット支持部材１２１の回転軸部１２１ｃがそれぞれ取り付けられる。
【００４７】
更に図５に示すように、前記ハウジング１２２の開口端部を閉塞するカバー体１２５が設けられている。このカバー体１２５は本発明の更に他の特徴部を構成しており、前記ハウジング１２２の軸受部１２２ｃ及び前記ビット支持部材１２１の回転軸部１２１ｃと対応する部位を両側端部よりも小さい幅寸法に設定した中間部を有する略Ｉ字形をなしている。
【００４８】
このカバー体１２５の中央部には、その裏面側にリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃに当接する当接部が形成されると共に、上述のごとき一般的な検出手段を使ってリレービット１１１の先端部までの肉厚を検知するための小径の検査用孔が、前記取付フランジ部１１１ｃの検査用空洞部に向けて貫通して形成されている。このカバー体１２５は、ビット支持部材１２１の空洞部を覆った状態で前記リレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃ及び前記ハウジング１２２の開口端部の双方に取付ボルト１２６によるボルト締めにより締付固定される。従って、従来のごとく機器ホルダ等を介してトンネル掘進機本体に固定する必要がなくなるため、前記リレービット１１１の支持構造のコンパクト化が実現できる。
【００４９】
上記構成を備えたリレービット１１１の支持構造１２０にあって、図３に示すようにハウジング１２２を介してスポーク１０９の前壁１０９ａに固定支持するには、先ず、リレービット１１１の刃先１１１ｂを外方に向けて、ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂに挿通させる。次いで、リレービット１１１と共にビット支持部材１２１を回転軸１２４を中心に回動させて、ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂがハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂに合致したときの回動位置で、リレービット１１１の先端部をハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂからスポーク１０９の外部へ突出させる。例えば、ビット支持部材１２１の回動位置を規制する規制部材を設けると、規制部材に当接させることで、その位置で回動を停止させることができる。
【００５０】
前記ビット支持部材１２１の凹部１２１ｄ内にリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃを嵌め込んだ状態で、連結ボルト１２３を前記取付フランジ部１１１ｃのボルト挿入孔を介して前記凹部１２１ｄに形成されたネジ孔に螺着してリレービット１１１を前記ビット支持部材１２１に締付固定する。次いで、リレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃの表面にカバー体１２５の当接部を当接させ、リレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃ及びハウジング１２２の開口端部とカバー体１２５とを取付ボルト１２６をもって連結固着して固定支持が終わり、図３に示す形態をとる。
【００５１】
このように、リレービット１１１のスポーク１０９に対する直接の取付支持は、前記ビット支持部材１２１、前記ハウジング１２２及び前記カバー体１２５との連結固定によるものである。かかる構成によれば、リレービット１１１の軸方向にかかる過大な負荷や衝撃は、カバー体１２５を介してハウジング１２２が受け、リレービット１１１の軸方向と交差する方向にかかる過大な負荷や衝撃は、ハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂの内面で受けることになる。
【００５２】
従って、リレービット１１１にかかる過大な負荷や衝撃はビット支持部材自体には作用せず、全てハウジング１２２を介してスポーク１０９が受けるため、リレービット支持強度が確保しやすく、更にはビット支持部材１２１はリレービット１１１に連結固定しない限り、自由に回動可能な状態にあるが、ビット支持部材１２１とリレービット１１１とが連結固定され、前記カバー体１２５により確実に阻止されることにより、前記リレービット１１１及びカバー体１２５が間接的に前記ビット支持部材１２１の回動を不能にするロック機能を発揮することになり、同ビット支持部材１２１に格別のロック機構を設ける必要がない。
【００５３】
前記ハウジング１２２の摺動面１２２ａには、そのビット進退孔１２２ｂの周方向に沿って形成された環状凹溝部にシールリング材１２７が嵌着固定されると共に、前記ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂの回動摺接面を除く摺動面１２２ａであって、前記ビット挿通孔１２１ｂの回動方向に形成された環状凹溝部にシールリング材１２７が嵌着固定されている。各シールリング材１２７は前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａに圧密に接触されており、同ビット支持部材１２１の回動時にも外部からの土砂や地下水などの浸入を阻止している。なお、ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａに形成された環状凹溝部にシールリング材１２７を嵌着固定させる構造であってもよい。
【００５４】
一方、前記リレービット１１１の本体１１１ａには、その周方向に沿って形成された前後一対の環状凹溝部にそれぞれシールリング材１２８，１２８が同心上に嵌着固定されている。前方のシールリング材１２８は前記ハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂに圧密に接触されると共に、後方のシールリング材１２８は前記ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂに圧密に接触されている。
【００５５】
前記ビット支持部材１２１の一部にはグリース等の潤滑油などを注入する油注入孔１２１ｅが形成されており、同油注入孔１２１ｅはプラグにより封止されている。前記油注入孔１２１ｅを介して前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａと前記ハウジング１２２の摺動面１２２ａとの間の微小空間に供給される潤滑剤が各シールリング材１２７，１２８により液密に密閉される。前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａと前記ハウジング１２２の摺動面１２２ａとの間の空間に土砂等の侵入を防止することにより回動時の回転抵抗の増大等を防止している。
【００５６】
図６及び図７は、本発明に適用されるカッタヘッド１０３に装着されるリレービット１１１とその支持構造１２０との寸法関係をそれぞれ示している。図６はビット支持部材１２１の回動中心をＯとしている。同図において、リレービット１１１がビット支持部材１２１とハウジング１２２に装着された状態にあるときの、ビット支持部材１２１に形成されるビット挿通孔１２１ｂの中心線Ｌ２とハウジング１２２内におけるビット支持部材１２１の円弧面端とを結ぶ直線Ｌ１との交差角度をθとしている。図６は、この交差角度θを６０°としたときのリレービット１１１、ビット支持部材１２１、及びハウジング１２２の各寸法関係を例示しており、図７は前記交差角度θを９０°としたときのリレービット１１１、ビット支持部材１２１、及びハウジング１２２の各寸法関係を示している。
【００５７】
スポーク空間内の狭小な作業空間を有効に活用するには、かかるビット支持部材１２１とハウジング１２２とによる合理的なビット支持構造１２０を設定する必要がある。そのためには、前記ハウジング１２２の幅Ｗ（ビット支持部材１２１の幅とほぼ等しい。）、同ハウジング１２２の高さＴ、前記ビット支持部材１２１の回動半径Ｒ、及び同ビット支持部材１２１を、回動自在に支持するために最小限必要な奥行きＸ（以下、回動支持部奥行きと称する。）を所要の寸法関係をもって設定すれば、限られたスポーク作業空間内にビット支持構造１２０を収容するための必要最大限の合理的な容積が効果的に得られる。
【００５８】
図６及び図７に示すように、上述のごとく交差角度θはリレービット１１１がビット支持部材１２１とハウジング１２２に装着された状態にあるときの回動中心Ｏに対する上記交差角度をθとしている。一方、前記ビット支持部材１２１の回動中心Ｏを通り、ビット挿通孔１２１ｂの円弧面部側の開口周縁における、その回動方向の端縁とを結ぶ直線Ｌ３と前記ビット挿通孔１２１ｂの中心線Ｌ２との交差角度（以下、単に基準交差角という。）をαとすると、ハウジング１２２の上記摺動面１２２ａによってビット挿通孔１２１ｂを閉塞するに必要な最小の回動角度は２αであり、摺動面１２２ａのシールの装着代を無視すれば、上記交差角度θは３αとなる。
【００５９】
また、前記摺動面１２２ａにより前記ビット挿通孔１２１ｂを閉塞させる回動限位置まで回動させたとき、ハウジング１２２から外部に突出するビット支持部材１２１の円弧面端位置は、前記ビット支持部材１２１の回動方向の円弧面端と前記回動中心Ｏとを結ぶ直線をＬ４とすると、この直線Ｌ４と前記中心線Ｌ２との基準交差角は５αとなる。但し、前記交差角度θ及び基準交差角αは、前記ビット支持部材１２１がハウジング１２２内を回動するに必要な最小の角度としており、ビット支持部材１２１の回動に対するハウジング１２２の摺動面１２２ａに必要な遊び部分を無視している。
【００６０】
前記ハウジング１２２の幅Ｗ、同ハウジング１２２の高さＴ、前記ビット支持部材１２１の回動半径Ｒ、及び前記回動支持部奥行きＸを設定するに当たり、前記リレービット１１１の径Ｄ、前記ハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂから外部へ突出するリレービット１１１の先端突出長さＨとし、前記ハウジング１２２の上面と、前記ビット挿通孔１２１ｂの上端開口内を回動するリレービット１１１の回動軌跡の頂点との間の距離をａとする。ここで、前記ビット支持部材１２１の先端突出長さＨ及び距離ａは一定である。
【００６１】
前述したとおり、ハウジング１２２の摺動面１２２ａによってビット挿通孔１２１ｂを閉鎖するために必要な最小の交差角度は３αであるから、ハウジング１２２の幅Ｗ、ビット支持部材１２１の回動半径Ｒ、及び回動支持部奥行きＸの間には次の式が成り立つ。
【００６２】
Ｗ／２＝Ｒ・ｓｉｎ３α
Ｔ＝ａ＋Ｒ・（１−ｃｏｓ３α）
Ｘ＝ａ＋Ｒ
Ｄ／２＝Ｒ・ｓｉｎα
となり、これらの式より、
Ｗ＝Ｄ・（ｓｉｎ３α）／（ｓｉｎα）
Ｔ＝ａ＋Ｄ・（１−ｃｏｓ３α）／（２ｓｉｎα）
Ｘ＝ａ＋Ｄ／（２ｓｉｎα）
となる。
【００６３】
ここで、前述したとおり、上記基準交差角αはビット支持部材１２１に対する前記ハウジング１２２の摺動面１２２ａの遊び部分を除いて導出されるため、θ＝３αとなる。上記幅Ｗは、前記ハウジング１２２の両端とその摺動面端との間の間隔を無視して導出しているため、前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａの弦の長さに等しい。
【００６４】
前記ビット支持部材１２１の回動中心Ｏを前記中心線Ｌ２上に沿って変位させると、上記基準交差角α及び上記回動半径Ｒの値がそれぞれ変わる。前記リレービット１１１の径Ｄと、前記ハウジング１２２の上面と前記中心線Ｌ２を通るビット支持部材１２１の回動面の頂点との間の距離ａは一定であるから、これらの基準交差角α又は上記回動半径Ｒを変えれば、図６及び図７に示すように、上記幅Ｗ又は上記肉厚Ｔの一方が増すにつれて上記肉厚Ｔ又は上記幅Ｗの他方が減少する。
【００６５】
図８は、交差角度θを変化させた時のハウジング１２２の幅Ｗと回動支持部奥行きＸ、及びハウジング１２２の肉厚Ｔの変化をプロットしたグラフである。  同図において、グラフ上のプロット◆は基準交差角αを１０°から３０°まで変化させた時のハウジングの幅Ｗの変化を示しており、プロット■は同じく基準交差角αを１０°から３０°まで変化させた時の回動支持部奥行きＸの変化を示し、さらにプロット▲は基準交差角αを１０°から３０°まで変化させた時のハウジングの肉厚Ｔの変化を示している。なお、同図において、縦軸はハウジング１２２の幅Ｗ、回動支持部奥行きＸ、及びハウジングの肉厚Ｔの大きさをリレービットの直径Ｄに対する比率で表しており、横軸の上段には基準交差角αを表すとともに、横軸の下段には前述の３α＝θに基づき交差角度θをそれぞれ表している。
なお、本図は、簡略化のためにａ＝０として計算した結果を示している。
【００６６】
同図から明らかなように、交差角度を大きくするにつれて、ハウジング幅は漸減し、回動支持部奥行きＸは急激に減少し、ハウジング肉厚Ｔは漸増する。すなわち、装置全体をバランスよくコンパクトにまとめるためには、回動支持部奥行きＸの値が急激に増加する範囲である交差角度θが６０°未満の範囲を避けて、交差角度θが６０°から９０°の間となるようにすればよいことがわかる。さらに好ましは、交差角度θを７０°≦θ≦９０°とするのが特に望ましい。
【００６７】
交差角度θが６０°≦θ≦９０°であれば、ハウジング１２２の肉厚Ｔをそれ程増大することなく回動支持部奥行きＸを小さな値に収めることができる。ビット支持部材１２１の回転軸は、ハウジング１２２に設けられた軸受部によって支持されているため、このことは結果的に装置全体を小型化できることを意味し、これにより狭小化したスプーク空間における設計の自由度が大きくできる。
前記交差角度θが９０°より大きい場合には、ハウジング１２２は、内部にビット支持部材１２１を収納する構造上、二分割構造とする必要があり、製造コストなどが高騰する。
【００６８】
前述のごとくビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂに挿通支持されたリレービット１１１が磨耗して交換を余儀なくされたときは、リレービット１１１が取り外され、新たなリレービット１１１と交換される。図９〜図１２は前記リレービット１１１を取り外すときの手順を示している。先ず、前記各取付ボルト１２６を緩めて、図９に示すようにカバー体１２５をハウジング１２２から取り外したのち、リレービット引抜き用の油圧ジャッキ１２９をリレービット１１１と対向する側のスポーク１０９の後壁１０９ｃに据え付けると共に、前記ジャッキ１２９の伸長したロッド端をリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃに固定する。
【００６９】
次に、前記ジャッキ１２９にてリレービット１１１を支持した状態で、前記各連結ボルト１２３を緩めてビット支持部材１２１とリレービット１１１との固定状態を解除し、先の連結ボルト１２３に代えてリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃに形成されたボルト挿入孔に図示せぬリレービット抜止め防止用のロングボルトを摺動自在に挿入し、同ロングボルトの先端ネジ部をビット支持部材１２１のネジ孔に螺着してリレービット１１１を仮固定する。このとき、リレービット１１１は前記ジャッキ１２９にて支持されるため、ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂから抜け出ることはない。
【００７０】
リレービット１１１を仮固定したのち、前記ジャッキ１２９のロッドを収縮させることによりリレービット１１１を引っ張って、同リレービット１１１の刃先１１１ｂが、図１０に示すようにビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂの内部に入るまで手前に引き出す。なお、前記ロングボルトの頭部とリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃとの間に図示せぬ調整用ナットを螺着しておけば、前記ロングボルトに沿って引き抜かれたリレービット１１１の取付フランジ部１１１ｃは前記ナットに当接するため、同ナットと前記ロングボルトの頭部との間の間隔を調整することによりリレービット１１１の引抜量を調整することができる。
【００７１】
リレービット１１１の外部露呈面をビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂ内に摺動させながら引き込むに当たり、上述のように超音波を使って測ったリレービット１１１の磨耗量から引出し量及び突出量を決めることができる。ビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂからのリレービット１１１を引き抜き量が大きいと、掘進機外部から前記ビット挿通孔１２１ｂ内に地下水や土砂等が侵入してしまい、ビット支持部材１２１の回動後にリレービット１１１を引き抜くと、前記ビット挿通孔１２１ｂ内に侵入していた地下水や土砂等が掘進機本体内部に侵入することになる。そのため、引抜量が決められることは、リレービット１１１の先端部が前記ビット挿通孔１２１ｂ内に確実に引き込まれていることを確認することができると共に、作業員の感覚による誤操作の発生を防止することができる。
【００７２】
リレービット１１１をビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂから所定量引き出したのち、前記ロングボルトにてリレービット１１１を支持したままの状態で、前記ジャッキ１２９を取り外す。次に、前記ジャッキ１２９をスポーク１０９の後壁１０９ｃに取り付ける。そのジャッキ１２９の伸長したロッド端をビット支持部材１２１の後端部に固定する。次いで、前記ジャッキ１２９のロッドを収縮させてビット支持部材１２１を回動させて、図１１に示すように前記リレービット１１１をスポーク１０９の前壁１０９ａに対して所望の角度におく。
【００７３】
次に、図示せぬクレーンに連結したのち、前記ロングボルトを緩めてビット支持部材１２１とリレービット１１１との仮固定状態を解除する。次いで、リレービット１１１をビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂから引き抜いたのちクレーンにて吊り上げる。こうして、図９に示す状態にあるリレービット１１１の全体を、図１２に示すようにビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂから抜き出し、新たなリレービット１１１を前記ビット挿通孔１２１ｂに挿通させ、以降の操作は上述した連結固定の手順に従って操作し、リレービット１１１をハウジング１２２に連結固定する。
【００７４】
このように、ハウジング１２２のビット進退孔１２２ｂから外部に突出するリレービット１１１の露呈先端部をビット支持部材１２１のビット挿通孔１２１ｂに引き込んで、そのビット支持部材１２１をリレービット１１１と共に、ハウジング１２２の摺動面１２２ａに沿って前記ビット支持部材１２１の円弧面部１２１ａを回動させるようにしているため、リレービット１１１を前記ビット支持部材１２１の回動軌跡内で回動させ得る必要最小限の寸法に設定することができるようになり、その結果、支持装置全体を小型化し得るばかりでなく、リレービット１１１の大きさに関わらず、スポーク１０９の交換作業用空間を充分に確保できる。
【００７５】
なお、本内容はカッタヘッドスポークの前壁１０９ａについて記載したが、設置場所はこれに限ることなく、例えば隔壁１０４やスキンプレート１０１等であってもよいことは勿論である。また、図１に示す土圧計１１６及び地山探査棒１１８の支持構造にあっても、本出願人による先の出願に係る特許第３１６４７９３号公報に開示されているように、本発明が対象とするリレービット１１１の支持構造と実質的に一致して形成でき、その交換操作も前記実施形態におけるリレービット１１１の交換手順に従ってなされる。このように、本発明の支持構造は、トンネル掘進機にあって掘進機本体に取り付けられ、同本体内で交換が必要な様々な機器に適用できるものであり、その機構も本発明の精神を逸脱しない範囲において種々変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る各種機器の支持構造の設置例を示すシールド掘進機の断面図である。
【図２】  同シールド掘進機の前面に配されるカッタヘッドの正面図である。
【図３】  カッタヘッドに装着されるリレービットの支持構造を示す拡大断面図である。
【図４】  図３のII−II線の部分拡大断面図である。
【図５】  同リレービットの支持構造を示す一部切欠背面図である。
【図６】  同リレービットとその支持構造との寸法関係を示す説明図である。
【図７】  同リレービットとその支持構造との他の寸法関係を示す説明図である。
【図８】  ビット支持部材に形成されるビット挿通孔の中心線と、ハウジング内におけるビット支持部材の円弧面端とを結ぶ直線との交差角度を変化させた時のハウジングの幅、回動支持部奥行き、及びハウジングの肉厚の変化をプロットしたグラフである。
【図９】  同リレービットの取り外し作業の手順を示す説明図である。
【図１０】  図９の次の取り外し作業の手順を示す説明図である。
【図１１】  図１０の次の取り外し作業の手順を示す説明図である。
【図１２】  図１１の次の取り外し作業の手順を示す説明図である。
【符号の説明】
１００              シールド掘進機
１０１              スキンプレート
１０１ａ            前部シールド
１０１ｂ            後部シールド
１０２              油圧モータ
１０３              カッタヘッド
１０３ａ            中心軸
１０４              隔壁
１０４ａ            土砂取入れ室
１０５              スクリュコンベア
１０６              シールドジャッキ
１０７              アーティキュレートジャッキ
１０８              セグメントエレクタ
１０９              スポーク
１０９ａ            前壁
１０９ｂ            側壁
１０９ｃ            後壁
１１０              面板
１１１              リレービット
１１１ａ            本体
１１１ｂ            刃先
１１１ｃ            取付フランジ部
１１２              先行ビット
１１３              シェルビット
１１４              ディスクカッタ
１１５              コピーカッタ
１１６              土圧計
１１８              土質探査棒
１２０              支持構造
１２１              ビット支持部材
１２１ａ            円弧面部
１２１ｂ            ビット挿通孔
１２１ｃ            回転軸部
１２１ｄ            凹部
１２１ｅ            油注入孔
１２２              ハウジング
１２２ａ            摺動面
１２２ｂ            ビット進退孔
１２２ｃ            軸受部
１２３              連結ボルト
１２４              回転軸
１２５              カバー体
１２６              取付ボルト
１２７，１２８      シールリング材
１２９              油圧ジャッキ
【図１】
0003920057.tif 000002
【図２】
0003920057.tif 000003
【図３】
0003920057.tif 000004
【図４】
0003920057.tif 000005
【図５】
0003920057.tif 000006
【図６】
0003920057.tif 000007
【図７】
0003920057.tif 000008
【図８】
0003920057.tif 000009
【図９】
0003920057.tif 000010
【図１０】
0003920057.tif 000011
【図１１】
0003920057.tif 000012
【図１２】
0003920057.tif 000013