(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドフレームの内周面に夫々軸方向に移動自在に設けられた前胴および後胴と、
該前胴内を前後に仕切る隔壁に設けられ切羽を掘削するカッタと、
上記後胴内に設けられ上記シールドフレーム内にて組み立てられた既設セグメントに反力をとる推進ジャッキと、
上記前胴と後胴との間に介設されこれらを近接離間させる引込ジャッキと、
上記前胴または後胴の少なくとも一方を上記シールドフレームに係脱させる係脱手段と  を備えたことを特徴とするシールド掘進機のカッタ引込機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機のカッタ引込機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機は、シールドフレーム内を仕切る隔壁に設けられたカッタを回転させてカッタビットによって切羽を掘削しつつ、シールドフレーム内にて組み立てたセグメントに反力をとる推進ジャッキによってシールドフレームを前進させるものである。かかるシールド掘進機によって長距離施工を行う場合、カッタビットが摩耗限界に至るため、摩耗したカッタビットを交換する必要がある。
【０００３】
従来、カッタビットの交換は、掘進経路の途中に地上から中間立坑を設け、そこにシールド掘進機を導いて中間立坑内にて交換する工法や、カッタ前方の地山を地上からの薬剤注入や凍結等によって地盤改良して地山の自立と止水を確保した後、作業員が隔壁から外に出て固められた地山を手掘りして交換作業を行う工法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの工法の場合には、掘進経路の途中にて地上からの中間立坑の構築や薬剤注入等の地上作業が必要となるため、地上の交通状況等によっては不可能な場合がある。また、掘進経路が大深度の場合や海底を掘進する場合には、上記地上作業は実際上不可能である。また、中間立坑の構築や薬剤注入等による地盤改良は、相当の工事期間およびコストが必要となり、また繰り返し行うことが困難である。
【０００５】
以上の事情を考慮して創作された本発明の目的は、カッタビットの交換を地中作業のみで何度でも繰り返しできるシールド掘進機のカッタ引込機構を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係るシールド掘進機のカッタ引込機構は、シールドフレームの内周面に夫々軸方向に移動自在に設けられた前胴および後胴と、該前胴内を前後に仕切る隔壁に設けられ切羽を掘削するカッタと、上記後胴内に設けられ上記シールドフレーム内にて組み立てられた既設セグメントに反力をとる推進ジャッキと、上記前胴と後胴との間に介設されこれらを近接離間させる引込ジャッキと、上記前胴または後胴の少なくとも一方を上記シールドフレームに係脱させる係脱手段とを備えたものである。
【０００９】
この発明によれば、通常掘進時には、前胴または後胴の少なくとも一方を係脱手段によってシールドフレームに係合させて一体化し、カッタが切羽から受ける掘進反力を隔壁→前胴→引込ジャッキ→後胴→推進ジャッキを介して既設セグメントに支持させ、シールドフレームを掘進させる。カッタビット交換時には、上記係脱手段によって前胴および後胴をシールドフレームから切り離してスライドフリーとし、推進ジャッキを収縮させて後胴を既設セグメント側に後退させると共に引込ジャッキを収縮させて前胴を後胴側に後退させ、かかる二段後退によりカッタをシールドフレーム内にて後退させる。このように、カッタを取り付けた前胴と推進ジャッキを取り付けた後胴とをシールドフレーム内で近接離間させることにより、カッタの後退量を機長（シールドフレームの長さ）に対して稼ぐことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。図１乃至図３は、所定のカッタ引込機構を備えたシールド掘進機のカッタビット交換方法の手順を示す説明図である。
【００１２】
図１(a) に示すように、このシールド掘進機１は、円筒状のシールドフレーム２を備えている。シールドフレーム２の内周面には、前胴３および後胴４が夫々軸方向に移動自在に設けられている。前胴３の外周面には、シールドフレーム２の内周面との間をシールするシール部材５および滑り部材６が設けられ、後胴４の外周面には、シールドフレーム２の内周面との間の滑りを良好する滑り部材６が設けられている。
【００１３】
前胴３には、その内部を前後に仕切る隔壁７が設けられている。隔壁７には、切羽８を掘削するカッタ９が回転自在に設けられている。カッタ９は、シールドフレーム２の内径より小さく形成された内周カッタ１０と、内周カッタ１０の端面から径方向に出没自在に設けられた外周カッタ１１およびコピーカッタ１２とを有し、図示しない駆動モータによって回転駆動される。
【００１４】
内周カッタ１０および外周カッタ１１には、実質的に切羽８を掘削するカッタビット１３が取り付けられている。外周カッタ１１およびコピーカッタ１２は、図１(a) に示すように通常掘進時にはシールドフレーム２の外径に合わせて突出されており、図１(b) に示すようにカッタビット交換時には内周カッタ１０内に引き込まれる。なお、コピーカッタ１２は、カーブ掘進時にカーブの内側を余掘りすべく適宜伸縮される。
【００１５】
カッタ９で掘削された土砂は、隔壁７の前方に坑内１４から仕切られて形成された土砂取込室１５に一旦取り込まれる。土砂取込室１５内の土砂は、隔壁７に設けられたスクリューコンベヤ１６によって坑内１４側に搬送され、スクリューコンベヤ１６の排土口１７に設けたゲートを適宜開閉することにより、土砂取込室１５内の土圧を保ちつつ坑内１４に排土され、コンベヤや台車等によって後方へ搬送される。
【００１６】
前胴３と後胴４との間には、これらを近接離間させる引込ジャッキ１８が介設されている。引込ジャッキ１８は、その一端が前胴３に隔壁７を介して接続され、他端が後胴４に固設したブロック１９に第１スペーサ２０および第２スペーサ２１を介して接続されている。引込ジャッキ１８は、シールドフレーム２の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられており、１本当たりの負担荷重が小さくなっている。
【００１７】
後胴４の内周面には、既設セグメント２２に反力をとって当該後胴４を前進させる推進ジャッキ２３が設けられている。推進ジャッキ２３は、後胴４の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられている。セグメント２２は、図示しないエレクタによって、シールドフレーム２内にて組み立てられる。シールドフレーム２の後部内周面には、既設セグメント２２との間をシールするテールシール２４が設けられている。
【００１８】
後胴４に固設されたブロック１９には、当該後胴４をシールドフレーム２に係脱させる係脱手段として、係脱金具２５が設けられている。係脱金具２５は、Ｌ字状の板材からなり、一端がブロック１９に固定され、他端がシールドフレーム２の内周面に仮止め溶接される。係脱金具２５は、その仮止め溶接時には後胴４とシールドフレーム２とを一体化し、溶接部切離時には後胴４をシールドフレーム２に対してスライドフリーとする。
【００１９】
かかるシールド掘進機１は、通常掘進時には、図１(a) に示すように、外周カッタ１１およびコピーカッタ１２をシールドフレーム２の外径に合わせて突出させると共に、係脱金具２５によって後胴４とシールドフレーム２とを固定した状態として、カッタ９を回転させつつ推進ジャッキ２３を伸長させ、掘進を達成する。このとき、切羽８から坑内１４への漏水は、前胴３の外周面に設けたシール部材５により止水される。
【００２０】
掘進時にカッタ９が切羽８から受ける掘進反力は、隔壁７→前胴３→引込ジャッキ１８→後胴４→推進ジャッキ２３と伝わって既設セグメント２２に支持される。また、シールドフレーム２は、係脱金具２５によって後胴４に固定されているので、掘進時に取り残されることなく、カッタ９等と一体的に前進する。なお、係脱金具２５は、前胴５とシールドフレーム２との間に設けてもよい。
【００２１】
また、かかる掘進時、引込ジャッキ１８は、切羽８から受ける掘進反力によって常に圧縮荷重を受けるが、第１および第２スペーサ２０、２１を介設することで前胴３と後胴４とを所定距離離間させつつ収縮状態となっているため、大きな荷重でも安定して保持できる。なお、第１および第２スペーサ２０、２１を取り外して引込ジャッキ１８を伸長させて前胴３と後胴４とを所定距離離間させてもよいが、その場合、前胴３と後胴４との間に別のスペーサ２６を介設する。
【００２２】
さて、シールド掘進機１のカッタビット１３を交換するときには、先ず、図１(b) に示すように、推進ジャッキ２３を伸長させて既設セグメント２２に当接させて切羽８の荷重を推進ジャッキ２３に支持させる。そして、隔壁７に取り付けたノズル２７から土砂取込室１５へ固化剤２８（セメント等：ドットで表す）を注入し、カッタ９を回転させてカッタ９の裏面に所定の間隔を隔てて設けた混練翼３３によって注入した固化剤２８と土砂取込室１５内の土砂とを練り混ぜる。
【００２３】
なお、混練翼３３は、図１(b) 以外の図面では省略する。かかる混練時（カッタ９の回転時）、外周カッタ１１およびコピーカッタ１２は、内周１０から突出させたままでもいいが、内周１０カッタ内に引き込んでもよい。また、上記ノズル２７は、図例では１本であるが複数本隔壁７に取り付けてもよく、さらにそれぞれ自在継手を介して隔壁７に取り付け、噴射方向を可変にできるようにすることが好ましい。
【００２４】
次に、既設セグメント２２とシールドフレーム２とを固定金具２９によって固定し、シールドフレーム２の後退を防止する。そして、係脱金具２５の仮止め溶接部を外してシールドフレーム２から切り離し、後胴４をスライドフリーとする。このとき、切羽８の土圧は、カッタ９→隔壁７→前胴３→引込ジャッキ１８→後胴４→推進ジャッキ２３と伝わって既設セグメント２２に支持されることになる。すなわち、切羽８の土圧は、推進ジャッキ２３が踏ん張って支持している。なお、前胴３と後胴４との間に別のスペーサ２６（図１(a) 参照）を介設した場合には、そのスペーサ２６を除去しておく。
【００２５】
次に、第１スペーサ２０を取り外し、引込ジャッキ１８を伸長させて第２スペーサ２１に盛り換える。かかる盛り換えは、第１スペーサ２０および引込ジャッキ１８を複数並設しておき、一部の引込ジャッキ１８の盛り換え中は、他の引込ジャッキ１８によって切羽８の土圧を保持するようにして行う。
【００２６】
次に、図２(c) に示すように、カッタ９の内部に設けた固化剤２８の通路３０に注入管３１を接続し、カッタ９の前面から切羽８へ固化剤２８を注入すると共に、上記ノズル２７から土砂取込室１５へ固化剤２８を注入する。このときカッタ９は、回転させても止めてもよい。このように、切羽８と隔壁７との間に固化剤２８を充填することにより、その固化剤２８の充填圧によって切羽８の土圧を保持しつつ、隔壁７をシールドフレーム２内にて後退させ、隔壁７に取り付けたカッタ９をシールドフレーム２内に引き込みつつ、カッタ９の前方のシールドフレーム２内に固化剤２８の固化による止水壁３２を形成する。
【００２７】
詳しくは、上記固化剤２８の充填に先立って、推進ジャッキ２３および引込ジャッキ１８の油圧配管にそれぞれ所定圧のリリーブ弁（図示せず）を介設しておき、噴射された固化剤２８の充填圧によってそれらリリーフ弁からオイルをリリーフさせることにより踏ん張っている推進ジャッキ２３および引込ジャッキ１８をそれぞれ収縮させ、図２(d) にも示すように、隔壁７とカッタ９と前胴３と後胴４とをシールドフレーム２内にて後退させる。かかるカッタ９の後退中、切羽８は、その土圧がリリーフ弁のリリーフ圧に保持されるので、崩落が回避される。
【００２８】
なお、図例では、図２(c) において推進ジャッキ２３のリリーフ弁のみを作動させて推進ジャッキ２３を収縮させ、その後図２(d) において引込ジャッキ１８のリリーフ弁のみを作動させて引込ジャッキ１８を収縮させたものを開示したが、この順序を逆にしてもよく、また、推進ジャッキ２３のリリーフ弁と引込ジャッキ１８のリリーフ弁とを同時に作動させ、推進ジャッキ２３と引込ジャッキ１８とを同時に収縮させるようにしてもよい。
【００２９】
カッタ９と隔壁７と前胴３と後胴４とがシールドフレーム２内にて後退する際、シールドフレーム２は、固定金具２９によって既設セグメント２２に固定されているので、前胴２や後胴４に引き摺られて後退することはない。また、前胴３の後退時に、切羽８側から坑内１４への漏水は、前胴３の外周面に設けたシール部材５により止水される。かかる隔壁７およびカッタ９の後退に伴って、カッタ９の前方のシールドフレーム２内に充填された固化剤２８が時間経過と共に固化し、止水壁３２が形成される。
【００３０】
ここで、カッタ９の前方と切羽８との間には、カッタ９から噴射された固化剤２８のみが充填されるためその固化剤２８が固化することにより強度の高い止水壁３２が形成され、カッタ９の後方の土砂取込室１５には、掘削土砂が残っているため、その掘削土砂と隔壁７のノズル２７から噴射された固化剤２８とがカッタ９の混練翼３３によって混練され、それらが比較的強度の弱い固まりとなる。また、かかる固化剤２８の充填をカッタ９の回転を止めて行った場合には、カッタ９の前方の固化剤２８が固まり始めたときにカッタ９を回転させ、カッタビット１３と固化剤２８（止水壁３２）との縁を切っておく。
【００３１】
こうしてカッタ９の前方のシールドフレーム２内に高強度の止水壁３２が形成されたならば、図３(e) に示すように、第２スペーサ２１を取り外し、引込ジャッキ１８を伸長させて後胴４に固設されたブロック１９に盛り換える。かかる盛り換えは、複数並設された引込ジャッキ１８を順次盛り換えてもよいが、このとき切羽８の土圧は止水壁３２によって支持されてカッタ９（すなわち引込ジャッキ１８）には加わらないため、全ての引込ジャッキ１８を同時にブロック１９に盛り換えてもよい。
【００３２】
次に、ノズル２７から土砂取込室１５内に作泥剤（水やベントナイト液等）を注入しつつカッタ９を回転させて、土砂取込室内の土砂（比較的強度の弱い固まり）を混練翼３３（図１(b) 参照）によってほぐす。これと同時に、引込ジャッキ１８を積極的に収縮させてカッタ９を第２スペーサ２１の分だけ後退させて止水壁３２から離間させ、カッタ９の前方にカッタビット１３を交換するための空間３４を形成する。この空間３４は、止水壁３２とシールドフレーム２と隔壁７とで区画され、止水壁３２によって切羽８の土圧や地下水から隔離されることになる。
【００３３】
そして、隔壁７に設けたマンホール（図示せず）の蓋を開けてそこから作業員が土砂取込室１５に入り、作泥剤および混練翼３３によってほぐされた土砂取込室１５の土砂を坑内１４に取り出す。この取り出しにはスクリューコンベヤ１６を用いてもよい。土砂取り出し後、作業員が上記空間３４を利用して、摩耗したカッタビット１３を新品のカッタビット１３に交換する。このように、カッタビット１３の交換は、固化剤２８の固化により形成された止水壁と３２シールドフレーム２とによって切羽８の土圧・地下水から隔離・止水された空間３４内にて行うので、地中作業のみで安全に交換できる。
【００３４】
この際、上記空間３４における切羽８の土圧・地下水に対するシールド性（土圧隔離性・止水性）を高めるためには、止水壁３２の厚さを厚くすればよい。そこで、カッタ９のシールドフレーム２内における後退量をなるべく大きくする必要がある。本実施形態にあっては、推進ジャッキ２３を収縮させて後胴４を既設セグメント２２側に後退させると共に、引込ジャッキ１８を収縮させて前胴３を後胴４側に後退させ、かかる二段後退によりカッタ９をシールドフレーム２内にて後退させているので、カッタ９の後退量を機長（シールドフレーム２の長さ）に対して稼ぐことができる。
【００３５】
すなわち、本実施形態は、カッタ９を取り付けた前胴３と推進ジャッキ２３を取り付けた後胴４とをシールドフレーム２内で近接離間させるようにしているので、例えばそれら前胴３と後胴４とを一体化した内筒（図示せず）にカッタ９と推進ジャッキ２３とを取り付けたものと比べると、前胴３と後胴４との近接離間ストロークの分だけカッタ９の後退量を機長に対して稼ぐことができる。よって、本実施形態は、機長の割にはカッタ９のシールドフレーム２内における後退量を大きくでき、止水壁３２の厚さを厚くでき、切羽８の土圧・地下水に対する上記空間３４の安全性を高められる。
【００３６】
こうして、地中作業のみでカッタビット１３の交換を行った後は、図３(f) に示すように、カッタ９を回転させつつ推進ジャッキ２３および引込ジャッキ１８を伸長させ、カッタ９で止水壁３２を掘削しつつカッタ９と隔壁７と前胴３と後胴４とを前進させることにより、カッタ９および隔壁７を図１(a) に示す元の位置に復帰させる。このとき、カッタ９によって掘削された止水壁３２の破片は、スクリューコンベヤ１６によって坑内１４に搬送される。なお、図３(e) から図３(f) の工程の途中で、第１および第２スペーサ２０、２１を、取り外しと逆の手順で取り付ける。
【００３７】
その後、図１(a) に示すように、カッタ９を回転させつつ外周カッタ１１とコピーカッタ１２とをシールドフレーム２の外径に合わせて突出させ、係脱金具２５をシールドフレーム２の内周面に仮止め溶接などによって取り付け、シールドフレーム２と既設セグメント２２とを接続していた固定金具２９を取り外し、新品のカッタビット１３によって通常の掘進を再開する。なお、前述したように前胴３と後胴４との間にスペーサ２６を介設してもよい。
【００３８】
また、その後の掘進により交換したカッタビット１３が摩耗したならば、再び図１乃至図３に示す作業を行うことにより、カッタビット１３の交換を何度でも繰り返しできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、カッタビットの交換を地中作業のみで何度でも繰り返しでき、また、機長に対してカッタの後退量を稼ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a) は本発明の一実施形態を示すカッタ引込機構を備えたシールド掘進機の側断面図であり、図１(b) は本発明の一実施形態を示すシールド掘進機のカッタビット交換方法の工程図である。
【図２】図２(c) および図２(d) は上記シールド掘進機のカッタビット交換方法の工程図である。
【図３】図３(e) および図３(f) は上記シールド掘進機のカッタビット交換方法の工程図である。
【符号の説明】
１  シールド掘進機
２  シールドフレーム
３  前胴
４  後胴
７  隔壁
８  切羽
９  カッタ
１３  カッタビット
１８  引込ジャッキ
２２  既設セグメント
２３  推進ジャッキ
２５  係脱手段としての係脱金具
２８  固化剤
３２  止水壁
【図１】
0004222677.tif 000002
【図２】
0004222677.tif 000003
【図３】
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