JP3773625B2 - 地中掘削機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘削機や岩盤掘削用ボーリングマシン、立坑掘削機のごとき地中掘削機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は従来の地中掘削機としてのシールド掘削機の正面図、図１５は図１４のＣ−Ｃ線縦断側面図である。
【０００３】
これらの図に示す従来のシールド掘削機１０は、シールド本体１１を備えている。このシールド本体１１の前部には隔壁１２と、フード１３と、カッタ部１４と、チャンバ２２とが設けられている。前記シールド本体１１の内部の機械室には、排土装置２３と、推進ジャッキ２４と、加泥材注入手段（図示せず）と、裏込め材注入手段（これも図示せず）等が配備されている。前記シールド本体１１の後部には、テールシール２５が取り付けられている。
【０００４】
前記カッタ部１４は、円周方向に互いに所定の間隔をおいて配置されかつ隔壁１２に回転自在に支持された複数の駆動軸１５と、各駆動軸１５の前端部に連結された回転子１６と、各駆動軸１５に対して偏心位置ｅをおいて各回転子１６の前面に設けられたカッタ支持軸１７と、これら複数のカッタ支持軸１７の前端部に共通に取り付けられたカッタスポーク１８と、このカッタスポーク１８の前面に設けられた多数のカッタビット１９とを有して構成されている。そして、このカッタ部１４は複数の駆動軸１５が同一方向に回転するに伴い、平行リンク運動を介して偏心回転する。なお、図１４において、２０はカッタビットの切削軌跡を示す。
【０００５】
前記各駆動軸１５は、隔壁１２におけるシールド本体１１の機械室側に取り付けられた駆動モータ２１に連結され、同一方向に回転駆動される。しかして、各駆動モータ２１は当該駆動軸１５、回転子１６、カッタ支持軸１７、カッタスポーク１８を通じてカッタビット１９に切削トルクを与え、各カッタビット１９は地山２６を切削する。
【０００６】
前記チャンバ２２は、シールド本体１１に設けられた隔壁１２およびフード１３と、切羽とに囲まれた空間に形成されており、このチャンバ２２には掘削土砂２７を取り込むようになっている。
【０００７】
前記排土装置２３は、チャンバ２２から掘削土砂２７を取り込み、シールド本体１１の後部に搬送し、排土する。
【０００８】
前記推進ジャッキ２４は、シールド本体１１の機械室内に、円周方向に所定間隔をおいて複数台設置されていて、シールド本体１１の後部で組み立てられたセグメント２８に反力を取ってシールド掘削機全体を推進させる。これにより、チャンバ２２内の掘削土砂２７を加圧し、所定圧力を加えて切羽の崩壊を防ぐとともに、カッタビット１９に、地山２６に食い込ませるための押し付け力を与える。
【０００９】
前記加泥材注入手段は、シールド本体１１の機械室側からチャンバ２２内に加泥材を注入し、掘削土砂２７と混練させる。
【００１０】
前記裏込め材注入手段は、シールド本体１１の機械室側から、セグメント２８の外周と地山２６間の隙間に裏込め材２９を注入し、充填する。
【００１１】
前記テールシール２５は、シールド本体１１の外側から内側への泥水等の浸入を防ぐ。
【００１２】
そして、前記シールド掘削機１０では、複数配備された駆動モータ２１により、カッタ部１４の複数の駆動軸１５を同一方向に回転させ、当該回転子１６およびカッタ支持軸１７を介してカッタ部１４を平行リンク運動させ、偏心回転させ、カッタビット１９に切削トルクを与える。
【００１３】
一方、シールド本体１１の機械室内に複数台設置された推進ジャッキ２４により、シールド本体１１の後部で組み立てられたセグメント２８に反力を取ってシールド掘削機１０全体を推進させ、チャンバ２２内の掘削土砂２７に所定圧力を加え、切羽の崩壊を防ぐと同時に、カッタビット１９に、これを地山２６に食い込ませるための押し付け力を与える。
【００１４】
前述のごとく、カッタビット１９に切削トルクと押し付け力を与え、このカッタビット１９により地山２６を掘削し、その掘削土砂２７をチャンバ２２内に取り込む。ついで、加泥材注入手段から前記チャンバ２２内の掘削土砂２７に加泥材を注入し、混練して不透水性と塑性流動性を持った土砂を形成する。そして、前記チャンバ２２内を所定圧力に保持しつつ、排土装置２３によりチャンバ２２内の掘削土砂２７を取り込み、シールド本体１１の後部に搬送し、排土する。また、前記推進ジャッキ２４によりシールド掘削機１０を推進させ、所定距離推進後、シールド本体１１の後部でセグメント２８を組み立てる。さらに、裏込め材注入手段により、セグメント２８と地山２６間の隙間に裏込め材２９を注入し、充填する。
【００１５】
以上の作業を繰り返して行い、トンネルを掘進して行く。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に近年のシールド工事では、大深度、長距離施工および急速施工が増え、なおかつ土質条件としてシルト層から軟岩および発進，到達のコンクリート壁体までの広範囲となり、カッタビットについても、充分な切削性能や耐摩耗性能を上げる必要が生じてきた。
【００１７】
しかして、地山を長距離切削すると、カッタビットが摩耗し、新しいカッタビットと交換する必要がある。
【００１８】
また、シールド掘削機でコンクリート壁体などの硬い地盤を掘進すると、カッタビットが地山を掘削するために必要な切削トルクは地盤が固くなるに連れて大きくなる。このために、カッタ部の駆動力となる油圧ユニットや駆動モータも、より大容量のものが必要となる。
【００１９】
前述のようにシールド掘削機の駆動力が大きくなると、駆動装置や軸受などの設備の寸法も大きくなり、シールド本体内の作業スペースが狭くなり、作業環境が悪くなる。
【００２０】
ところで、地中掘削機の従来技術では、カッタ部１４の多数のカッタビット１９に全部同じ長さのものを用いている。その結果、カッタビット１９に全体として大きな切削トルクと、地山２６に対する大きな押し付け力とを付与しなければならないという問題があり、多数のカッタビット１９が一緒に摩耗してしまい、しかもその摩耗が激しいという問題があり、結局長距離施工および急速施工には適さないという問題があった。
【００２１】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、カッタ部のカッタビットに付与する切削トルクおよび地山に食い込ませるための押し付け力を全体として小さくでき、カッタビットの摩耗量を全体として減少させ、カッタビットの交換回数を少なくなし得る地中掘削機を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、地中を掘削する多数のカッタービットを設けたカッタ部が、複数の駆動軸前端に固設された回転子に偏心して軸支持され、互いに隣り合うカッタービットは掘進方向に対して段差をつけて設けられ、前記駆動軸の回転に伴い前記カッタービットにより掘削される小径の略円形ないしは略円環状の掘削穴は一部が重なり合い、かつ互いに凹凸状に形成されるようにしている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１〜図１０は本発明の第１実施例を示すもので、図１はシールド掘削機の正面図、図２は図１のＡ−Ａ線縦断側面図、図３はカッタ部における長さの異なる４種類の、つまり第１〜第４カッタビットの説明図、図４はカッタ部の半部について、カッタビットの切削軌跡を示す図、図５は同カッタ部の四分の一について、カッタビットの切削軌跡を拡大して示した図、図６〜図９は第１〜第４カッタビットの切削軌跡を個々に取り出して示した切削軌跡の説明図、図１０は第１〜第４カッタビットの切削模式図である。
【００２５】
これら図１〜図１０に示す第１実施例のシールド掘削機は、図１および図２に示すように、シールド本体およびカッタ部は円形断面のトンネルを掘進するように形成されている。このシールド掘削機を示す図１および図２において、前記図１４および図１５に示す従来技術におけるシールド掘削機１０と同じ部材には同じ符号を付けて示し、これ以上の説明を省略する。
【００２６】
ところで、これらの図に示す本発明の第１実施例では、カッタ部３０を長さが１番長い第１カッタビット３１と、２番目に長い第２カッタビット３２と、３番目に長い第３カッタビット３３と１番短い第４カッタビット３４との、長さの異なる４種類のカッタビットを用いている。
【００２７】
そして、前記第１〜第４カッタビット３１〜３４を、例えば図１に示すように配置することによって、図２および図３から分かるように、隣り合うカッタビットに段差を設け、かつ図４，図５および図１０から分かるように、各カッタビット３１〜３４を介しての掘削穴は略円形ないしは略円環状の形状をなし、かつ隣り合うカッタビットの切削軌跡が一部重なり合うように配置している。掘削穴の形状はカッタビット３１〜３４の形状などによって所望の形状とすることができる。なお、図１において第１〜第４カッタビット３１〜３４の切削軌跡を代表して符号３９で示し、図４〜図９において、第１，第２，第３および第４カッタビット３１，３２，３３および３４の切削軌跡をそれぞれ符号３５，３６，３７および３８で示す。
【００２８】
前述のごとく、長さの長い順に第１，第２，第３および第４カッタビット３１，３２，３３および３４を設けたカッタ部３０により地山２６を切削すると、掘削部分も対応して掘削方向に対して段差が生じ、凹凸状となり、図１０に示すように、第１カッタビット３１の切削軌跡３５と第２カッタビット３２の切削軌跡３６との間では、先行カッタビットである第１カッタビット３１により既に切削された先行切削部４０がある。これは、第１カッタビット３１が先に地山２６を切削した後に第２カッタビット３２が前記先行切削部４０を単に通過するだけで、この先行切削部４０の地山部分を切削しないことを意味する。したがって、この先行切削部４０における第２カッタビット３２の切削トルクと押し付け力が不要となる。
【００２９】
また、第２カッタビット３２の切削軌跡３６と第３カッタビット３３の切削軌跡３７との間では、同図１０に示すように、先行カッタビットである第２カッタビット３２により既に切削された先行切削部４１がある。これは、第２カッタビット３２が先に地山２６を切削した後に第３カッタビット３３が先行切削部４１を単に通過するだけで、この先行切削部４１の地山部分を切削しないことを意味する。したがって、この先行切削部４１における第３カッタビット３３の切削トルクと押し付け力が不要となる。
【００３０】
同様に、第３カッタビット３３の切削軌跡３７と第４カッタビット３４の切削軌跡３８との間では、同図１０に示すように、先行カッタビットである第３カッタビット３３により既に切削された先行切削部４２がある。これは、第３カッタビット３３が先に地山２６を切削した後に第４カッタビット３４が前記先行切削部４２を単に通過するのみで、この先行切削部４２の地山部分を切削しないことを意味する。したがって、この先行切削部４２における第４カッタビット３４の切削トルクと押し付け力が不要となる。
【００３１】
以上のように、長さの異なる第１，第２，第３および第４カッタビット３１，３２，３３および３４を用い、隣り合うカッタビットに段差を設け、かつ隣り合うカッタビットの切削軌跡が一部重なり合うように配置したカッタ部３０により地山２６を切削することによって、先行切削部４０，４１，４２が形成される。
【００３２】
前記先行切削部４０，４１，４２は、相対的に長さの長い先行カッタビットが既に切削した部分であるから、相対的に長さの短い後行カッタビットにより切削する必要がない。つまり、後行カッタビットは地山２６をただ通過するだけである。このため、先行切削部４０，４１，４２を単に通過する後行カッタビットには切削トルクと押し付け力が不要である。また、異なる長さのカッタビットの種類を多くし、隣り合うカッタビット間の段差の数を多く設けることにより、先行カッタビットの掘削影響を受ける場合が多くなり、全体として切削トルクを軽減できるので、シールド掘削機側からカッタビットに与える切削トルクと押し付け力を小さくすることができる。
【００３３】
これにより、カッタ部３０に対して駆動力を与える油圧ユニットや駆動モータを小型化できるし、駆動装置や軸受などの設備も小型化でき、シールド掘削機１０内の作業スペースを大きく取れる。
【００３４】
一般に、カッタビットの摩耗量は摺動距離に比例しているため、摺動距離が少なくなればそれに連れてカッタビットの摩耗量が減少する。
【００３５】
そこで、本発明の第１実施例では、前述のごとく相対的に長さの長い先行カッタビットで切削した先行切削部４０，４１，４２を、後行カッタビットが単に通過し、地山２６を切削しないようにしているため、後行カッタビットの摺動距離がその先行切削部４０，４１，４２の部分だけ短くなるので、その分カッタビットの摩耗量が減少する。これにより、長距離施工に対するカッタビットの交換回数を少なくできるので、掘進効率を上げることができる。
【００３６】
以上により、この第１実施例によれば長距離施工および急速施工が可能となる。
【００３７】
なお、隣り合うカッタビットの段差および間隔は、土質性状により適宜決定するものであるが、硬い地山には段差を比較的大きく設けることが好ましい。
【００３８】
次に、図１１〜図１３は本発明の第２実施例を示すもので、図１１はシールド掘削機の正面図、図１２は図１１のＢ−Ｂ線縦断側面図、図１３はカッタビットの切削模式図である。
【００３９】
これらの図に示す第２実施例では、シールド本体４３およびカッタ部４４が矩形断面のトンネル掘進用に製作されていること、カッタ部４４が長さの異なる第１，第２および第３カッタビット４５，４６および４７の３種類のカッタビットを有して構成されていること、したがって図１３に示すように、第１，第２カッタビット４５，４６の切削軌跡４８，４９間には先行切削部５１が形成され、第２，第３カッタビット４６，４７の切削軌跡４９，５０間には先行切削部５２が形成されることのほかは、構成および作用とも前記第１実施例と同様である。
【００４０】
なお、上記各実施例では、カッタースポークに取付けるカッタービットの方向を掘進方向に向かうよう一定としたが、全て掘進方向とせず、任意の方向としても良い。また、隣り合うカッタービットに段差をつける手段として本実施例では、カッタースポークの前部は、図３に示したように、ほぼ面一とし、それぞれのカッタービットの長さを変えた例を示したが、カッタースポークのカッタービット取付部に段差を設けても良いことは勿論である。
【００４１】
また、本発明は前記シールド掘削機に限らず、岩盤掘削用ボーリングマシンや立坑掘削機などの地中掘削機にも適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ではカッタスポークに多数のカッタビットを取り付けた地中掘削機において、長さの異なるカッタビットを用い、隣り合うカッタビットに段差を設け、かつ隣り合うカッタビットの切削軌跡が一部重なり合うように配置しており、これらのカッタビットを設けたカッタ部で地山２６を切削すると、隣り合うカッタビットのうちの相対的に長さの長いカッタビットにより切削された切削軌跡と相対的に長さの短いカッタビットにより切削された切削軌跡との間に、先行切削部ができ、凹凸状となり、この先行切削部は相対的に長さの長い先行カッタビットが既に切削した部分であり、相対的に長さの短い後行カッタビットにより切削する必要がなく、後行カッタビットは地山をただ単に通過するだけであるから、後行カッタビットには切削トルクと押し付け力が不要となる。その結果、カッタ部全体に与える切削トルクと押し付け力を軽減できるので、カッタ部に駆動力を与える油圧ユニットや駆動モータの小型化を図り得る効果があり、駆動装置や軸受などの設備も小型化できる効果があり、ひいては地中掘削機内の作業スペースを広くなし得る効果がある。
【００４３】
また、本発明によれば相対的に長さの長いカッタビットである先行カッタビットが既に切削した先行切削部を、相対的に長さの短いカッタビットである後行カッタビットがただ通過するだけで、地山を切削しないため、後行カッタビットの摺動距離は先行切削部の分だけ短くなる結果、後行カッタビットの摩耗量が減少するので、長距離施工に対してもカッタビットの交換回数を少なくでき、したがって長距離施工および急速施工に適応し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すもので、地中掘削機としてのシールド掘削機の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線縦断側面図である。
【図３】この第１実施例におけるカッタ部の長さの異なる４種類のカッタビットの説明図である。
【図４】同カッタ部の半部について、カッタビットの切削軌跡を示す図である。
【図５】同カッタ部の四分の一について、カッタビットの切削軌跡を拡大して示した図である。
【図６】４種類のうちの１番長い第１カッタビットの切削軌跡を示す図である。
【図７】同じく２番目に長い第２カッタビットの切削軌跡を示す図である。
【図８】同じく３番目に長い第３カッタビットの切削軌跡を示す図である。
【図９】同じく１番短い第４カッタビットの切削軌跡を示す図である。
【図１０】同第１実施例におけるカッタ部の４種類のカッタビットの切削模式図である。
【図１１】本発明の第２実施例を示すもので、地中掘削機としてのシールド掘削機の正面図である。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ線縦断側面図である。
【図１３】同第２実施例におけるカッタ部の３種類のカッタビットの切削模式図である。
【図１４】従来技術におけるシールド掘削機の正面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ線縦断側面図である。
【符号の説明】
１０ 地中掘削機としてのシールド掘削機
１１ シールド本体
１２ 隔壁
１３ フード
１５ カッタ部の駆動軸
１６ 同じく回転子
１７ カッタ支持軸
１８ カッタスポーク
２１ カッタ部の駆動モータ
２２ チャンバ
２３ 排土装置
２４ 推進ジャッキ
２６ 地山
３０ 第１実施例のカッタ部
３１〜３４ 第１〜第４カッタビット
３５〜３８ 第１〜第４カッタビットの切削軌跡
４０〜４２ 先行切削部
４３ 第２実施例のシールド掘削機のシールド本体
４４ 同じくカッタ部
４５〜４７ 第１〜第３カッタビット
４８〜５０ 切削軌跡
５１，５２ 先行切削部

Claims (1)

1. 地中を掘削する多数のカッタービットを設けたカッタ部が、複数の回転可能な駆動軸前端に固設された回転子に偏心して軸支持され、互いに隣り合うカッタービットは掘進方向に対して段差をつけて設けられ、前記駆動軸の回転に伴い前記カッタービットにより掘削される小径の略円形ないしは略円環状の掘削穴は一部が重なり合い、かつ互いに凹凸状に形成されることを特徴とした地中掘削機。

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