(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、円筒形状をなすと共に前面部に開口部が形成されて該カッタヘッドの前面部に放射状に設けられたカッタスポークと、該カッタスポーク内に装着されたカッタと、該カッタを前記カッタスポーク内の収納位置と前記カッタスポークの開口部から外部への突出位置とに移動可能なカッタ出没手段と、前記カッタを前後に回動して反転可能なカッタ反転手段と、前記カッタスポークの開口部を開閉可能な開閉手段と、前記カッタを前記カッタスポーク内の収納位置と前記カッタヘッドの中心部あるいは支持部の交換位置とに移動可能なカッタ移動手段とを具え、
前記開閉手段を、前記カッタスポークの開口部に適合する開口部を有して該カッタスポーク内に回動自在に支持された内筒とし、該内筒内に移動体を長手方向に移動自在に支持し、該移動体に前記カッタが装着したことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記カッタ出没手段を油圧ジャッキとし、前記カッタスポーク及び前記内筒の各開口部が適合したときに、前記カッタを前記油圧ジャッキにより出没可能としたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記内筒内に互いに連結された複数の移動体を移動自在に支持し、該各移動体に前記カッタをそれぞれ装着したことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】
請求項１記載のトンネル掘削機において、前記カッタヘッドの中心部あるいは支持部にカッタ交換室を設け、該カッタ交換室に前記カッタスポークの一端部を連通したことを特徴とするトンネル掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘削機に設けられたローラカッタやカッタビットなどを交換するトンネル掘削機のカッタの交換方法、並びにトンネルボーリングマシンやシールドマシンなどのトンネル掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、シールド掘削機は、円筒形状をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能な円盤形状をなすカッタヘッドが回転自在に装着され、このカッタヘッドにはカッタビットが多数取付けられる一方、後部には掘削機本体を前進させる多数のシールドジャッキが装着されると共に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエレクタ装置が装着されて構成されている。従って、カッタヘッドを回転させながらシールドジャッキを伸長させると、既設セグメントからの掘削反力を得て掘削機本体が前進し、各カッタビットが前方の地盤を掘削し、トンネルを形成することができる。
【０００３】
ところで、近年、トンネルは長距離化の傾向にあり、トンネル掘削の作業中にカッタヘッドに装着されたカッタビットが摩耗してしまう。このカッタビットが摩耗すると、地盤の掘削効率が低下するので掘削作業を停止して磨耗した各ビットを交換しなければならない。
【０００４】
従来、このカッタビットの交換は、前方の地盤を薬液の注入や凍結などにより固化改良し、この地盤改良地点まで掘削した後に後退してチャンバ内の掘削土砂を全て排出し、作業者がこのカッタヘッドの前方やチャンバ内に入ってカッタビットの交換作業を行っていた。
【０００５】
また、カッタビットをカッタヘッドの後方から交換可能とし、作業者がカッタヘッド内に入り込んでカッタビットの交換作業を行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、作業者が機外へ出て行うカッタビットの交換作業では、地盤の改良を行うために使用する薬液などに費用がかかって不経済であると共に、作業時間が長くかかってしまい作業性が良くない。また、作業者はカッタヘッドの前方やチャンバ内などの狭い空間で作業を行うことなり、不自由な作業となって作業者にかかる負担が大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
また、作業者がカッタヘッド内に入り込んで行うカッタビットの交換作業では、カッタヘッドの後部に作業者が入り込んで交換作業を行うための部屋を設けなければならず、カッタヘッドが大型化して必要以上の駆動力が必要となると共に、掘削能率が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するものであって、カッタの交換作業を容易に且つ短時間で行い、作業者にかかる負担を軽減して安全性の向上を図ると共に、装置の小型軽量化及び簡素化を図ったカッタの交換方法及びトンネル掘削機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体の前部に駆動回転可能に装着されたカッタヘッドと、円筒形状をなすと共に前面部に開口部が形成されて該カッタヘッドの前面部に放射状に設けられたカッタスポークと、該カッタスポーク内に装着されたカッタと、該カッタを前記カッタスポーク内の収納位置と前記カッタスポークの開口部から外部への突出位置とに移動可能なカッタ出没手段と、前記カッタを前後に回動して反転可能なカッタ反転手段と、前記カッタスポークの開口部を開閉可能な開閉手段と、前記カッタを前記カッタスポーク内の収納位置と前記カッタヘッドの中心部あるいは支持部の交換位置とに移動可能なカッタ移動手段とを具え、前記開閉手段を、前記カッタスポークの開口部に適合する開口部を有して該カッタスポーク内に回動自在に支持された内筒とし、該内筒内に移動体を長手方向に移動自在に支持し、該移動体に前記カッタが装着したことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機では、前記カッタ出没手段を油圧ジャッキとし、前記カッタスポーク及び前記内筒の各開口部が適合したときに、前記カッタを前記油圧ジャッキにより出没可能としたことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３の発明のトンネル掘削機では、前記内筒内に互いに連結された複数の移動体を移動自在に支持し、該各移動体に前記カッタをそれぞれ装着したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４の発明のトンネル掘削機では、前記カッタヘッドの中心部あるいは支持部にカッタ交換室を設け、該カッタ交換室に前記カッタスポークの一端部を連通したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の一実施形態に係るシールド掘削機の概略断面、図２にシールド掘削機の正面視、図３にカッタスポークの先端部の断面、図４に図３のIV−IV断面、図５にカッタビット反転作業を表すカッタスポークの基端部の断面、図６に図５のVI−VI断面、図７にカッタビット引き込み作業を表すカッタスポークの基端部の断面、図８にカッタビット交換作業を表すカッタヘッドの要部断面を示す。
【００１７】
本実施形態のシールド掘削機において、図１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状をなす前胴１１ａと後胴１１ｂとが球面軸受１２によって屈曲自在に連結され、複数の中折れジャッキ１３によって屈曲可能となっている。この掘削機本体１１の前胴１１ａの前部には軸受１４によってカッタヘッド１５が回転自在に装着されている。このカッタヘッド１５の後部にはリングギア１６が固定される一方、前胴１１ａには旋回モータ１７が取付けられ、この旋回モータ１７の駆動ギア１８がこのリングギア１６に噛み合っている。従って、旋回モータ１７を駆動して駆動ギア１８を回転駆動すると、リングギア１６を介してカッタヘッド１５を回転することができる。
【００１８】
また、前胴１１ａにはカッタヘッド１５の後方に位置してバルクヘッド１９が取付けられており、カッタヘッド１５とこのバルクヘッド１９との間にチャンバ２０が形成されている。そして、掘削機本体１１内にはスクリューコンベヤ２１が配設されており、前端部がこのチャンバ２０に連通し、後端部が掘削機本体１１の外部に延設されている。
【００１９】
一方、掘削機本体１１の後胴１１ｂの前部内周辺にはシールドジャッキ２２が周方向に沿って複数並設されており、このシールドジャッキ２２が掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル内周面に構築された既設セグメントＳに押し付けることで、その反力により掘削機本体１１を前進することができる。また、この後胴１１ｂには支持部材２３によって旋回リング２４が旋回自在で、駆動モータ２５により旋回可能となっており、この旋回リング２４にセグメントＳを組立てるエレクタ装置２５が装着されている。
【００２０】
ところで、本実施形態では、前述したカッタヘッド１５に多数のカッタビットが装着されているが、このカッタビットが磨耗したら、磨耗したカッタビットを収納して反転した後にカッタヘッド１５の支持部である中心部に移動して新しいカッタビットと交換可能となっている。
【００２１】
即ち、カッタヘッド１５は中心部の回転筒３１から複数（本実施形態では、６つ）のカッタスポーク３２が放射状に装着され、先端部が外周リング３３によって連結されて構成されている。そして、回転筒３１の前面部に先行カッタビット３４が固定され、後面部に形成された開口がゲート３５により閉塞されている。カッタスポーク３２は円筒形状をなし、両側に固定型カッタビット３６が径方向に沿って固定されている。また、このカッタスポーク３２の中央部には１つおきに固定型カッタビット３７と交換型カッタビット３８が径方向に沿って設けられている。そして、３つのカッタスポーク３２にはコピーカッタ３９が開口部４０から出没自在に設けられている。
【００２２】
この交換型カッタビット３８において、図１乃至図３に示すように、カッタスポーク３２内には開閉手段としての内筒４１が回動自在に嵌合しており、カッタスポーク３２の開口部４０と適合する開口部４２が形成されている。この内筒４２内には移動体としてのハウジング４３が長手方向（カッタヘッド１５の径方向）に沿って移動自在に支持されている。このハウジング４３は複数のケース４４が形成され、各ケース４４内にはカッタ出没手段としての油圧ジャッキ４５が装着され、移動ジャッキ４６の先端部には交換型カッタビット３８が着脱可能に装着されている。また、内筒４１の基端部には六角部４７ａを有する回転係止体４７が着脱自在に設けられており、通常時、この回転係止体４７は図示しない締結部材によりカッタヘッド１５に取付けられて、内筒４１が回転できないようになっている。
【００２３】
従って、カッタスポーク３２の開口部４０に内筒４１の開口部４２が適合した状態で、油圧ジャッキ４５により移動ロッド４６を伸長すると、交換型カッタビット３８がカッタスポーク３２よりカッタヘッド１５の前方に突出し、カッタヘッド１５の回転により前方の地盤を掘削可能となる。一方、油圧ジャッキ４５により移動ロッド４６を収縮すると、交換型カッタビット３８をカッタスポーク３２内に収容することができる。
【００２４】
そして、交換型カッタビット３８がカッタスポーク３２内の収納位置にあるときに、図５及び図６に示すように、締結部材を取り外して回転係止体４７のカッタヘッド１５への固定を解除し、この回転係止体４７の六角部４７ａに回転補助板４８の六角孔４８ａを嵌合可能となっている。従って、カッタ反転手段としての反転ジャッキ４９をカッタヘッド１５に装着し、駆動ロッド５０を伸縮して突起部４８ｂを介して回転補助板４８を回動し、回転係止体４７を介して内筒４１を回動することで、カッタスポーク３２内に収容された交換型カッタビット３８を反転して後方に向けることができると共に、内筒４１によりカッタスポーク３２の開口部４０を閉止することができる。
【００２５】
更に、交換型カッタビット３８がカッタスポーク３２内の収納位置で後方に向いているとき、図７に示すように、カッタ移動手段としての一対の移動ジャッキ５１をカッタヘッド１５に装着し、各駆動ロッド５２を内筒４１内に延出させ、先端部をハウジング４３に連結した状態で、この移動ジャッキ５１により駆動ロッド５２を収縮すると、ハウジング４３をカッタヘッド１５の中心部側に移動し、駆動ロッド５２とハウジング４３との連結部を変えて移動ジャッキ５１を繰り返し伸縮させることで、交換型カッタビット３８をカッタ交換室としての回転筒３１内に引き込んで交換することができる。
【００２６】
ここで、このように構成された本実施形態のトンネル掘削機によるトンネル掘削作業、並びにカッタビットの交換作業について説明する。
【００２７】
トンネルを掘削形成するには、図１及び図２に示すように、旋回モータ１７によってカッタヘッド１５を回転させなから、複数のシールドジャッキ２２を伸長して既設セグメントＳへの押し付け反力によって掘削機本体１１を前進させることで、多数のカッタビット３４，３６，３７，３８によって前方の地盤を掘削する。そして、掘削された土砂はチャンバ２０内に取り込まれ、スクリューコンベヤ２１によって外部に排出される。次に、シールドジャッキ２２の何れか一つを縮み方向に作動して既設セグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置２５によってこの空所に新しいセグメントＳを装着する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。
【００２８】
このようなトンネル掘削作業を長期にわたって行っていくと、カッタビット３４，３６，３７，３８が磨耗して掘削能力が低下するために交換が必要となる。即ち、まず、図３の実線及び図４(ａ)に示すように、カッタヘッド１５の回転を停止した状態で、各油圧ジャッキ４５により移動ロッド４６を収縮し、図３の二点鎖線及び図４(ｂ)に示すように、交換型カッタビット３８をカッタスポーク３２内に収容する。
【００２９】
次に、図４(ｃ)、図５、図６に示すように、ゲート３５を取り外して作業者が回転筒３１内に入り、締結部材を取り外して回転係止体４７のカッタヘッド１５への固定を解除し、この回転係止体４７の六角部４７ａに回転補助板４８の六角孔４８ａを嵌合すると共に、カッタヘッド１５に反転ジャッキ４９を装着する。この状態で、この反転ジャッキ４９の駆動ロッド５０を伸縮して突起部４８ｂを介して回転補助板４８を所定角度ずつ回動し、回転係止体４７を介して内筒４１を１８０°回動する。すると、交換型カッタビット３８はカッタスポーク３２内で反転して後方に向くと共に、内筒４１によりカッタスポーク３２の開口部４０が閉止される。
【００３０】
そして、図４(ｃ)及び図７に示すように、カッタスポーク３２から回転係止体４７及び回転補助板４８を取り外すと共に、カッタヘッド１５から反転ジャッキ４９を取り外す。一方、カッタヘッド１５に一対の移動ジャッキ５１を装着すると共に、各駆動ロッド５２を内筒４１内に延出して先端部をハウジング４３に連結する。この状態で、この移動ジャッキ５１により駆動ロッド５２を収縮し、図８に示すように、ハウジング４３をカッタヘッド１５の中心部側に移動し、全ての交換型カッタビット３８を回転筒３１内に引き込む。ここで、作業者は油圧ジャッキ４５の移動ロッド４６に取付けられた磨耗した交換型カッタビット３８を外し、新しい交換型カッタビットを取付ける。
【００３１】
このようにして磨耗した交換型カッタビット３８を新しい交換型カッタビットに交換すると、前述とは逆の作動により新しい交換型カッタビットを所定の位置に戻す。即ち、移動ジャッキ５１の伸長によりハウジング４３をカッタヘッド１５の外周部側に移動して移動ジャッキ５１を取り外す。そして、カッタスポーク３２に回転係止体４７及び回転補助板４８を取付ける共に、カッタヘッド１５に反転ジャッキ４９を装着し、この反転ジャッキ４９の伸縮により回転補助板４８及び回転係止体４７を介して内筒４１を１８０°回動し、交換型カッタビット３８をカッタスポーク３２内で回動して前方に向けると共に、内筒４１の開口部４２をカッタスポーク３２の開口部４０に適合し、回転補助板４８及び反転ジャッキ４９を取り外して回転係止体４７をカッタヘッド１５に固定する。そして、油圧ジャッキ４５を伸長して交換型カッタビット３８をカッタスポーク３２よりカッタヘッド１５の前方に突出する。
【００３２】
このように本実施形態のトンネル掘削機にあっては、カッタヘッド１５のカッタスポーク３２内に内筒４１を回動自在に支持すると共に、この内筒４１内に交換型カッタビット３８を前方に突出するように装着し、このカッタビット３８が磨耗したら、カッタビット３８を内筒４１内に収容し、後方に向くように反転した後、カッタヘッド１５の中心部（支持部）に移動し、新しいカッタビットと交換するようにしてある。
【００３３】
従って、磨耗したカッタビットの交換作業にて、作業者が機外へ出る必要はなく、地盤を凍結するための薬液注入が不要となって作業コストが低減すると共に、作業時間も短縮されて作業性が向上する。また、カッタヘッドの後部に作業者が入り込んで交換作業を行うための空間部は不要となり、カッタヘッドの大型化による掘削能率の低下を防止できる。
【００３４】
なお、上述の実施形態において、カッタスポーク３２内に内筒４１を回動自在に支持してこの内筒４１内に交換型カッタビット３８を移動可能し、内筒４１の回動動作により交換型カッタビット３８の反転動作と開口部４０の閉止動作を行ったが、内筒４１の代わりに短冊形状をなす開閉板の移動により開口部４０を閉止してハウジング４３を回動して交換型カッタビット３８を反転するようにしてもよい。
【００３５】
また、ハウジング４３に複数の交換型カッタビット３８を装着して一体に移動するようにしたが、ケース４４を別体として交換型カッタビット３８を独立して移動可能としてもよい。また、この場合、ケース４４を内筒４１が取り外して交換型カッタビット３８を交換してもよい。更に、磨耗したカッタビット３８を収納して反転した後にカッタヘッド１５の中心部に設けた回転筒３１内に移動して新しいカッタビットと交換可能としたが、カッタヘッド１５の中心から径方向にずれた支持部としての中間ビームに移動して交換してもよい。
【００３６】
また、上述の実施形態では、本発明のトンネル掘削機を、カッタヘッド１５にカッタビット３４，３６，３７，３８を装着したシールド掘削機として説明したが、ディスクカッタを設けたトンネルボーリングマシンに適用することもできる。更に、本発明のトンネル掘削機を泥土圧式シールド掘削機として説明したが、泥水式シールド掘削機としてもよく、この場合、スクリューコンベヤに代えて送水管と排水管とアジテータを用いればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、筒状の掘削機本体を推進ジャッキにより前進可能とし、この掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドを装着し、このカッタヘッドを構成する円筒形状をなすカッタスポーク内にカッタを装着し、このカッタをカッタスポーク内の収納位置とカッタスポークの開口部から外部への突出位置とに移動可能なカッタ出没手段と、カッタを前後に回動して反転可能なカッタ反転手段と、カッタスポークの開口部を開閉可能な開閉手段と、カッタをカッタスポーク内の収納位置とカッタヘッドの中心部あるいは支持部の交換位置とに移動可能なカッタ移動手段とを設けたので、カッタをカッタスポーク内に収容して掘進方向後方に向けると共にカッタ突出開口を閉止し、カッタをカッタヘッドの中心部に移動して別のカッタと交換することとなり、カッタの交換作業を容易に且つ短時間で行い、作業者にかかる負担を軽減して安全性を向上することができると共に、カッタスポークに作業者の作業空間を確保する必要がなくなって装置の小型軽量化及び簡素化を図ることができる。
【００３９】
そして、開閉手段をカッタスポークの開口部に適合する開口部を有してカッタスポーク内に回動自在に支持された内筒とし、この内筒内に移動体を長手方向に移動自在に支持してカッタを装着したので、内筒の回動動作によりカッタスポーク内に収容したカッタの反転動作とカッタ突出開口の閉止動作を同時に行うことで、作業性を向上することができる。
【００４０】
また、請求項２の発明のトンネル掘削機によれば、カッタ出没手段を油圧ジャッキとし、カッタスポーク及び内筒の各開口部が適合したときに、カッタを油圧ジャッキにより出没可能としたので、カッタスポーク及び内筒の各開口部の止水を確実に行うことができる。
【００４１】
また、請求項３の発明のトンネル掘削機によれば、内筒内に互いに連結された複数の移動体を移動自在に支持し、各移動体にカッタをそれぞれ装着したので、同時に複数のカッタの交換作業を行うことで、作業性を向上することができる。
【００４２】
また、請求項４の発明のトンネル掘削機によれば、カッタヘッドの中心部あるいは支持部にカッタ交換室を設け、このカッタ交換室にカッタスポークの一端部を連通したので、カッタ交換室にてカッタの交換作業を行うことで、カッタの交換作業を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るシールド掘削機の概略断面図である。
【図２】シールド掘削機の正面図である。
【図３】カッタスポークの先端部の断面図である。
【図４】図３のIV−IV断面図である。
【図５】カッタビット反転作業を表すカッタスポークの基端部の断面図である。
【図６】図５のVI−VI断面図である。
【図７】カッタビット引き込み作業を表すカッタスポークの基端部の断面図である。
【図８】カッタビット交換作業を表すカッタヘッドの要部断面図である。
【符号の説明】
１１  掘削機本体
１５  カッタヘッド
１７  旋回モータ
２３  シールドジャッキ（推進ジャッキ）
２５  エレクタ装置
３１  回転筒（カッタ交換室）
３２  カッタスポーク
３５  ゲート
３６  固定型カッタビット
３８  交換型カッタビット
４０  開口部
４１  内筒（開閉手段）
４２  開口部
４３  ハウジング
４４  ケース
４５  移動ジャッキ（カッタ出没手段）
４７  回転係止体
４８  回転補助板
４９  反転ジャッキ（カッタ反転手段）
５１  移動ジャッキ（カッタ移動手段）
【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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【図８】
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