JP3575875B2 - コンクリート構造物掘削用カッタヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設された鉄筋コンクリート構造物、たとえばPC杭や既設トンネルセグメント、発進用または到達用立坑の防護壁などを周辺を破砕せずに掘削するコンクリート構造物掘削用カッタヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、掘削途中に従来のシールド掘進機では掘削が不可能な鉄筋コンクリート構造物が存在する場合、▲1▼PC杭等が埋設されている時には、地上から立坑を堀り、このPC杭等を撤去するか、あるいは地盤を薬液注入や凍結工法により崩壊を防止するための地盤改良を行い、シールド掘進機から作業員がカッタヘッドの前面に出て削岩、切断工具等によりこのPC杭等を粉砕し、その後シールド掘進機を発進させて掘削を再開していた。また、▲2▼既設トンネルセグメントの側面を貫通してトンネルを接続する時には、既設トンネルセグメントの直前でシールド掘進機を停止させ、シールド掘進機前部の地盤を改良した後、シールド掘進機側から作業員が出て削岩、切断工具等により既設トンネルセグメントの接続面を破壊し、残骸を撤去してトンネルを接続していた。あるいは既設トンネルセグメント側から作業員により側壁に接続用貫通穴を掘削破砕していた。▲3▼シールド掘進機を発進用立坑から発進させる時、あるいは到達用立坑に到達させる時には、立坑の発進部分または到達部分に設けられた鉄筋コンクリートや矢板などを作業員により切断工具を用いて破砕切除し開口させていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、補助工法を用いて人力により障害物またはトンネル壁を破砕撤去するものであるため、補助工法の為の工期、費用が別に必要となり、また作業に危険を伴うという問題があった。また、従来に鉄筋コンクリート製の旧埋設管を掘削するものとして、カッタヘッドにローラービットを設けたものがあるが、この方式によると、ローラービットを障害物に押し付けて破砕するため、大きい押付力を必要とし、反力受けとなるセグメントに悪影響を及ぼすとともに、大きい押付力のために既設セグメントが貫通部分を含む広い範囲で破砕されて、接続部の補修が大掛かりになるという問題があった。
【0004】
本発明は、上記問題点を解決して、僅かな補助工法のみで、障害となる鉄筋コンクリート構造物を効果的に破砕することができ、接続する既設セグメントの側壁や発進用立坑、到達用立坑の鉄筋コンクリート製貫通部分のみをきれいに破砕貫通させることができ、工期、費用を大幅に低減できるコンクリート構造物掘削用カッタヘッドを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、シールド本体の前部にシールド軸心を中心に回転自在に支持され、地盤を掘削する掘削用カッターと土砂取入口が形成されたコンクリート構造物掘削用カッタヘッドにおいて、カッタヘッドの前面に、鉄筋を切断可能な切断用カッター装置と、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置とが配置され、前記切断用カッター装置は、シールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転自在な複数の回転カッター本体と、前記カッタヘッドの回転中に前記回転カッター本体をそれぞれ高速で回転させるカッター回転装置とを具備したものである。
【0007】
さらに、上記構成の円盤状に形成された回転カッター本体の外周部で少なくともシールド軸心側側面に切削角が形成されたものである。
さらに上記構成の破砕用カッター装置は、前後方向の軸心回りに回転自在に支持された複数のローラカッター本体と、これらカッター本体をシールド軸心側から外周側に移動させるカッター移動装置とが具備され、コンクリート構造物にシールド軸心部に対応して形成された先行穴にローラカッター本体を嵌入させ、カッター移動装置によりローラカッター本体をそれぞれ外周側に移動させて先行穴を拡開するように構成したものである。
【0008】
また、上記構成の破砕用カッター装置は、シールド軸心側に移動されたローラカッター本体の旋回外径より大きい外径の先行穴を掘削する先行穴掘削装置が具備され、この先行穴掘削装置は、カッタヘッドから前方に出退自在な単数または複数のコアドリル装置により構成されたものである。
【0009】
上記構成において、掘削用カッターにより地盤を掘削し、コンクリート構造物に対しては、カッタヘッドの回転中に、切断用カッター装置の各回転カッター本体を、カッター回転装置によりシールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転駆動させることにより、コンクリートに埋設された鉄筋を切断するとともに、破砕用カッター装置でコンクリートを破砕して破壊するので、鉄筋コンクリート構造物を必要な範囲のみ効率よく確実に破壊して貫通することができ、従来必要であった大掛かりな補助工法を行う必要がなくなり、したがって、工期、費用を大幅に低減することができる。
【0010】
また切断用カッター装置の切断用本体を高速回転させるので、コンクリートに埋設された鉄筋を確実に切断することができる。
さらに、カッタヘッドの旋回に伴って旋回移動する切断用本体の外周部に切削角を形成することにより、鉄筋などを効果的に切断することができる。
【0011】
さらにまた、シールド軸心側に位置決めされた破砕用カッター装置を、コンクリート構造物に形成された先行穴に嵌入し、カッタヘッドを旋回させつつ破砕用カッター装置を外周側に移動させることにより、先行穴を漸次拡大してカッタヘッドに相当する径の先行穴を形成することができる。したがって、破壊するコンクリート構造物に小径の先行穴を形成するだけの小規模の補助工法ですみ、またシールド掘進機によりカッタヘッドのコンクリート構造物への押圧力を必要最低限でよい。これにより、工期、費用を大幅に低減でき、また反力受けとなるセグメントや破砕するコンクリート構造物に悪影響を与えることがなく、破砕断面が必要以上に広がることもない。
【0012】
また、先行穴掘削装置により、接続する既設トンネルセグメントや到達立坑側からの先行穴またはシールド掘進機側からの先行穴を形成する補助工法が全く不要となり、安全かつ能率的にコンクリート構造物の破砕作業を行うことができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンクリート構造物掘削用カッタヘッドを備えたシールド掘進機の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0014】
図2に示すように、このシールド掘進機は泥水加圧式で、シールド本体1は中折れジャッキ2を介して所定範囲で折り曲げ自在に連結された前胴1aと後胴1bとで構成されている。そして、前胴1aの前部に設けられた圧力隔壁3の中心部に、旋回軸受4を介して回転隔壁5が回転自在に支持され、この回転隔壁5には複数の支持脚6を介してカッタヘッド7が回転自在に支持されている。8は回転隔壁5のシールド軸心Oに貫設されてカッタヘッド7に接続された連絡脚で、スリップリングやロータリージョイントなどを介してカッタヘッド7に動力や操作信号などを送受するものである。また、圧力隔壁5には、上部に圧力室9内に泥水を供給する送泥管10が貫設され、下部に泥水とともに土砂を排出する排泥管11と、攪拌用アジテータ12が設けられている。
【0015】
カッタヘッド7を回転駆動する旋回装置13は、旋回軸受4の外周部に設けられたリングギヤ14と、このリングギヤ14に噛合するカッター駆動ピニオン15と、このカッター駆動ピニオン15を回転駆動するカッター駆動モータ16とで構成されている。17は後胴1bに設けられて覆工用セグメント18を組み立てるエレクター装置、19は組み立てられたセグメント18を反力受けとしてシールド本体1を推進する推進ジャッキである。
【0016】
前記カッタヘッド7は、図1に示すように、中心位置に配置された第1スポーク21と、この第1スポーク21のシールド軸心O位置で90°交差する第2スポーク22と、第1スポーク21と第2スポーク22の両側に土砂取入口23を介して配置された4枚の90°扇形のカッター面板24とが具備されている。そして、カッター面板24には土砂取入口23に臨んで地盤を掘削する複数の掘削用カッター25が設けられ、第1スポーク21のシールド軸心O部には、センタービット26が取り付けられている。さらに、第2スポーク22には、所定間隔毎に鉄筋などの鋼材を切断可能な切断用カッター装置27が設けられ、また第1スポーク21には、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置28が設けられている。
【0017】
前記切断用カッター装置27は、図3,図4に示すように、外周部に超硬チップやダイヤモンドなどの切断用硬質材が埋め込まれた円盤状の第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gと、これをそれぞれ高速で回転駆動する第1〜第3カッター回転モータ(カッター回転装置)32A〜32Cとが具備されている。すなわち第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gは、図1に示すように、カッタヘッド7の旋回による旋回軌跡C1〜C7のピッチpがほぼ均一な短い値(切断する鉄筋の長さ)になるように、シールド軸心Oに近いものから交互に両側に振り分けて配置される。
【0018】
詳細には、第2、第4、第6回転カッター本体31B,31D,31Fが一側方の第2スポーク22の前面に形成された突出穴22aから前部が前方に突出するように配置される。そしてこれら第2、第4、第6回転カッター本体31B,31D,31Fは半径方向の連動軸33を中心に回転自在に支持されて互いに連動連結され、第2スポーク22に内蔵された第1カッター回転モータ32Aにより、高速で回転駆動される。また第1、第3、第5、第7回転カッター本体31A,31C,31E,31Gが他側方の第2スポーク22の突出穴22aから前部がそれぞれ前方に突出するように配置されている。そして、第1、第3、第5回転カッター本体31A,31C,31Eは半径方向の連動軸34を中心に回転自在に支持されて互いに連動連結され、第1スポーク21に内蔵された第2カッター回転モータ32Bによりベベルギヤ35を介して高速で回転駆動される。また最も外周位置に配置された回転カッター本体31Gは、回転軸がカッタヘッド7の前方でシールド軸心Oに交差するように傾斜して配置されて前端がカッタヘッド7の外周に位置され、第3カッター回転モータ32Cによりベベルギヤ36を介して高速で回転駆動される。
【0019】
また、これら第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gは、外周部の両側面に切削角αが形成されて、旋回移動により切削角αをもって鉄筋などに当接して効果的に切削するように構成されている。すなわち、図5に示すように、直径のある第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gは、シールド軸心Oを中心に旋回移動されるため、たとえばシールド軸心O側が回転軸に垂直な平面であると、接線Tに対して直角な切削面Fに90°よりも大きい角度をもって当接するため、切削力が低い。それを解決するために、第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gの外周縁から中心側に向かって薄肉となる方向に切削角αが形成され、切削面Fに90°よりも小さい角度で当接し、効果的に鉄筋を切断できるように構成されている。
【0020】
前記破砕用カッター装置28は、図6〜図9に示すように、それぞれ半径方向に移動自在な一対のローラカッター41A,41Bと、これらをそれぞれ半径方向に移動させるカッター移動装置43と、コンクリート構造物Cに先行穴Hを形成する先行穴掘削装置51とで構成されている。前記ローラカッター本体41A,41Bは、円錐台状でシールド軸心Oと平行な軸心回りに回転自在に支持され、第1スポーク21の前面に半径方向に形成されたガイド孔42A,42Bに沿ってそれぞれ移動自在に配置されている。また先行穴掘削装置51は、シールド軸心Oの近傍で最接近されたローラカッター本体41A,41Bを嵌入する先行穴Hをコンクリート構造物に形成するもので、シールド軸心Oに最接近部の土砂取入口23からカッタヘッド7の前方に突出される1本のコアドリル装置52により構成されている。もちろん同一円周上に2本または4本のコアドリル装置を設けることもできる。
【0021】
すなわち、ローラカッター41A,41Bは、第2スポーク22のガイド孔42A,42Bの内面に沿って一対のガイドレール44が配設されており、これらガイドレール44に案内されて移動自在な可動体45がそれぞれ設けられている。そしてこの可動体45にガイド孔42A,42Bから前方に突出する支持軸46がそれぞれ突設され、この支持軸46にローラカッター本体41A,41Bがそれぞれ回転自在に支持されている。またカッター移動装置43は、第2スポーク22に内蔵された一対のカッター移動用シリンダ47A,47Bからなり、それぞれのピストンロッドが前記移動体45にそれぞれ連結されて移動される。
【0022】
またコアドリル装置52は、図8に示すように、カッタヘッド7の後板と回転隔壁5との間に圧力室を貫通してガイド筒53が設けられ、このガイド筒53内にドリル本体54が回転自在で前後方向にスライド自在に内装されている。またドリル本体54の後端側には、シールド軸心O方向に形成されたガイド溝55aが形成された基台部55が回転隔壁5に設けられており、ドリル本体54の基端はガイド溝55aにスライド自在に配置されたスライド台56に軸受56aを介して支持されている。そして、ドリル本体54の後端側には受動ギヤ57が取り付けられ、スライド台56に配設されたドリル回転モータ58に回転される駆動ギヤ59が受動ギヤ57に噛合されている。また基台部55の後部に設けられたドリル出退ジャッキ60の出力軸がスライド台56に連結されている。したがって、ドリル回転モータ58によりギヤ59,57を介してドリル本体54を回転させ、さらにドリル出退ジャッキ60を駆動してスライド台56を前方に移動させることにより、ドリル本体54をガイド筒53から突出させ、コンクリート構造物に小径穴hを形成することができる。ついで、ドリル本体54を後退後、カッタヘッド7を所定角度回転させて再度小径穴hを既設小径穴h連続して形成し、これを繰り返すことにより、破砕孔Hを形成することができる。
【0023】
したがって、破砕孔Hを形成後、ローラカッター本体41A,41Bをシールド軸心Oに接近させ、シールド掘進機を前進させてローラカッター本体41A,41Bを先行穴Hに挿入し、カッタヘッド7を旋回させつつカッター移動用シリンダ47A,47Bをそれぞれ進展させることにより、ローラカッター本体41A,41Bにより先行穴Hの周囲のコンクリート構造物を破砕して徐々に拡大させ、カッタヘッド7よりやや大きい直径の大径穴を形成することができる。1度で貫通しない場合には、上記の作業を複数回繰り返せばよい。このように、ローラカッター本体41A,41Bを半径方向外方に移動させて先行穴Hを拡大するので、シールド掘進機によりカッタヘッド7をコンクリート構造物に押し付ける押圧力を必要最小限に止めることができ、シールド掘進機の反力受けとなるセグメント18への悪影響や、コンクリート構造物の先行穴周辺を広範囲に破壊することもない。
【0024】
上記構成において、たとえばトンネルセグメントを既設セグメントに接続する場合には、シールド掘進機が既設セグメントに接近されて停止されると、まずコアドリル装置52により多数の小径穴hを円形状に形成して先行穴Hが形成され、ついでシールド掘進機を前進させて前記先行穴H内にローラカッター本体41A,41Bを嵌入するとともに、第1から第3カッター回転モータ32A〜32Cを起動して第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gをそれぞれ高速回転させる。そしてカッタヘッド7を回転させてカッター移動シリンダ47A,47Bをそれぞれ進展させ、ローラカッター本体41A,41Bを外径側に移動させる。これにより、第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gでコンクリート構造物に埋設された鉄筋を所定の長さに切断し、さらにローラカッター本体41A,41Bでコンクリートを粉砕して先行穴Hを漸次拡大させ、シールド掘進機が通過可能な大径穴を形成する。さらに、これを繰り返して既設セグメントに貫通穴を形成する。貫通穴の形成後、カッタヘッド7や内部の機器を解体して運び出した後、シールド本体1内にセグメントを組み立て、既設セグメントに新たなセグメントを接続する。
【0025】
また発進用立坑からシールド掘進機を発進させる場合や到達用立坑にシールド掘進機をドッキングさせる場合には、立坑の発進部分または到達部分に設けられた鉄筋コンクリート部分を上記と同様に掘削すればよい。
【0026】
さらに、PC杭等が埋設されている場合には、掘削を続けて第1〜第7回転カッター本体31A〜31Gをそれぞれ高速回転させ、先行穴掘削装置51は使用せずに、これら切断用カッター装置27と破砕用カッター装置28とによりPC杭等を破砕して前進すればよい。
【0027】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明によれば、掘削用カッターにより地盤を掘削し、コンクリート構造物に対しては、切断用カッター装置によりコンクリートに埋設された鉄筋を切断するとともに、破砕用カッター装置でコンクリートを破砕して破壊するので、鉄筋コンクリート構造物を必要な範囲のみ確実に破壊して貫通することができ、従来必要であった大掛かりな補助工法を行う必要がない。したがって、工期、費用を大幅に低減することができる。
【0028】
また切断用カッター装置の切断用本体を高速回転させるので、コンクリートに埋設された鉄筋を確実に切断することができる。
さらに、カッタヘッドの旋回に伴って旋回移動する切断用本体の外周部に切削角を形成することにより、鉄筋などを効果的に切断することができる。
【0029】
さらにまた、シールド軸心側に位置決めされた破砕用カッター装置を、コンクリート構造物に形成された先行穴に嵌入し、カッタヘッドを旋回させつつ破砕用カッター装置を外周側に移動させることにより、先行穴を漸次拡大してカッタヘッドに相当する径の先行穴を形成することができる。したがって、破壊するコンクリート構造物に小径の先行穴を形成するだけの小規模の補助工法ですみ、またシールド掘進機によりカッタヘッドのコンクリート構造物への押圧力を必要最低限でよい。これにより、工期、費用を大幅に低減でき、また反力受けとなるセグメントや破砕するコンクリート構造物に悪影響を与えることがなく、破砕断面が必要以上に広がることもない。
【0030】
また、先行穴掘削装置により、接続する既設トンネルセグメントや到達立坑側からの先行穴またはシールド掘進機側からの先行穴を形成する補助工法が全く不要となり、安全かつ能率的にコンクリート構造物の破砕作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るコンクリート構造物掘削用カッタヘッドの一実施例を示す正面図である。
【図2】同カッタヘッドを示す正面図である。
【図3】図1に示すA−A断面図である。
【図4】同カッタヘッドの回転カッター本体を示す拡大図である。
【図5】同カッタヘッドの回転カッター本体の切削角を示す説明図である。
【図6】図1に示すB−B断面図である。
【図7】同カッタヘッドの第2スポークを示す横断面図である。
【図8】同カッタヘッドの先行穴掘削装置を示す側面断面図である。
【図9】同カッタヘッドの先行穴掘削装置による掘削穴の掘削状態を示す説明図である。
【符号の説明】
1 シールド本体
7 カッタヘッド
13 旋回装置
21 第1スポーク
22 第2スポーク
23 土砂取入口
24 カッター面板
25 掘削用カッター
26 センタービット
27 切断用カッター装置
28 破砕用カッター装置
31A〜31G 第1〜第7回転カッター本体
32A〜32C 第1〜第3カッター回転モータ
41A,41B ローラカッター本体
43 カッター移動装置
47A,47B カッター移動用シリンダ
51 先行穴掘削装置
52 コアドリル装置
O シールド軸心
H 先行穴
h 小径穴
α 切削角
Claims (4)
- シールド本体の前部にシールド軸心を中心に回転自在に支持され、地盤を掘削する掘削用カッターと土砂取入口が形成されたコンクリート構造物掘削用カッタヘッドにおいて、
カッタヘッドの前面に、鉄筋を切断可能な切断用カッター装置と、コンクリートを破砕可能な破砕用カッター装置とが配置され、
前記切断用カッター装置は、シールド軸心に交差する方向の軸心回りに回転自在な複数の回転カッター本体と、前記カッタヘッドの回転中に前記回転カッター本体をそれぞれ高速で回転させるカッター回転装置とを具備したこと
を特徴とするコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。 - 円盤状に形成された回転カッター本体の外周部で少なくともシールド軸心側側面に切削角が形成されたことを特徴とする請求項1記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
- 破砕用カッター装置は、前後方向の軸心回りに回転自在に支持された複数のローラカッター本体と、ローラカッター本体をシールド軸心側から外周側に移動させるカッター移動装置とが具備され、コンクリート構造物にシールド軸心部に対応して形成された先行穴にローラカッター本体を嵌入させ、カッター移動装置によりローラカッター本体をそれぞれ外周側に移動させて先行穴を拡開するように構成したことを特徴とする請求項1または請求項2記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
- 破砕用カッター装置は、シールド軸心側に移動されたローラカッター本体の旋回外径より大きい外径の先行穴を掘削する先行穴掘削装置が具備され、この先行穴掘削装置は、カッタヘッドから前方に出退自在な単数または複数のコアドリル装置により構成されたことを特徴とする請求項3記載のコンクリート構造物掘削用カッタヘッド。
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