JP4061732B2 - シールド掘進機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中のトンネルを掘削するためのシールド掘進機に係り、特にその切羽を構成するカッタービットの交換作業を容易に行うためのシールド掘進機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図15は従来のシールド掘進機のうち、大口径泥水式のシールド掘進機を示したものである。図示するように、このシールド掘進機は、筒状をしたシールドフレームaの先端部に隔壁bを介してカッターチャンバーc(土砂取込み室)が形成されると共に、このカッターチャンバーcの開口部に、これを覆うように円板状のカッター面板dが回転自在に備えられた構造をしている。
【0003】
そして、カッター面板dから隔壁b側に延びる複数本の中間ビームeのベアリングfをカッター駆動用電動機gによって駆動することでカッター面板dを回転駆動して地山を切削した後、カッターチャンバーcに取り込まれた土砂を送泥管hから流れ込む泥水と共に排泥管iから排出するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構造をした従来のシールド掘進機にあっては、切削により磨耗したカッター面板dのカッタービットjの交換等、カッター前面部の補修、改造を行う際には多大な時間と労力を要するといった欠点があった。
【0005】
すなわち、このカッタービットjの交換作業を行うためには、シールドフレームaの付近に地上から立坑kを掘削してカッター面板dの前方に適当な作業エリアsを形成した後、この作業エリアs内に立坑kから数人の作業員が入り込んでカッター面板dの外側からビット交換作業を行うようになっていた。
【0006】
そのため、施工深さが深い場所では立坑kの設置が困難となる上に、その立坑kの掘削作業及び作業エリアsの地盤改良作業等には、多大な費用と長い工期を要するといった欠点がある。また、海底等の立坑自体の設置が不可能な場所では凍結工法等の補助工法が必要となるため、工期、費用がさらに増大してしまうといった問題があった。さらに、シールドフレームaの外での作業であるため、作業時に地下水が溜まったり、地盤が崩落する等のおそれがあり、安全性にも問題があった。
【0007】
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その主な目的はカッタービットの交換作業を短時間、低コストで安全かつ容易に行うことができる新規なシールド掘進機を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、シールドフレームの先端部に隔壁を介してカッターチャンバーを形成すると共に、そのカッターチャンバーの開口部にこれを覆うようにカッター面板及び複数のカッタービットを取り付けたカッタースポークを回転自在に支持したシールド掘進機において、上記カッター面板の外周に掘進方向後方に延びる周面部を形成し、上記カッタースポークの径方向外側の端部に、径方向に伸縮自在に形成され径方向外方に伸長したとき上記周面部の内周面に当接して上記カッター面板にカッタースポークを固定すると共に、径方向内方に縮退したとき上記カッター面板と上記カッタースポークを離脱させるスポーク伸縮装置を設け、上記カッタースポークをカッター面板に対して回転軸方向に移動可能な構造とし、移動後にカッター面板に生じたスリットを閉じるスリット開閉装置を設けたものである。
【0009】
従って、隔壁に設けられたスポーク引込み装置によってこのカッタースポークをカッター面板と分離してカッターチャンバー内へ引き込むように移動させると同時に、スリット開閉手段によってカッター面板のスリットを閉じることでカッター面板とカッタースポークとの間に一定の作業空間が形成されるため、この作業空間を利用することで作業員によるカッタービットの交換作業を安全且つ容易に行うことができる。
【0010】
そのため、従来のようにカッター面板の周囲に作業エリア及びこの作業エリアを形成するための立て坑等を掘削形成する必要がなくなり、交換作業による労力及び作業時間の大幅な短縮化を達成することができる。
【0011】
しかも、この作業空間はカッターチャンバー内、すなわち周囲がカッターフレームで、地山側がカッター面板によってそれぞれ完全に区画されているため、従来のように地山が崩れ落ちて作業員が危険に晒される虞がなく、常に安全に作業を行うことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は本発明に係るシールド掘進機の実施の一形態を示したものである。
【0014】
図示するように、円筒状をしたシールドフレーム1内にはこれを前後に仕切るための隔壁2が設けられており、さらに、この隔壁2の前部開口部にはこれを覆うように円板状をしたカッター面板3が回転軸4を介して隔壁2の中心部に回転自在に軸支されている。
【0015】
この隔壁2とカッター面板3との間には一定の空間からなるカッターチャンバー5が区画形成されており、送泥管6aから流れ込む泥水の特性と泥水圧を利用してカッター面板3に作用する土圧と水圧に対抗させて切羽地盤の安定を図ると共に、掘削した土砂を泥水と混合して排泥管6bから外部へ排出するようになっている。
【0016】
また、このカッター面板3の内側には、地山側に複数のカッタービット7,7…を備えた放射状のカッタースポーク8が着脱自在に設けられており、カッター面板3と共に回転自在となっている。
【0017】
このカッタースポーク8は、図1及び図2に示すようにカッター面板3の中心部の取付けドラム9に着脱自在に嵌め込まれるベースリング10と、このベースリング10から四方に放射状に延びる4本のスポーク11,11,11,11と、これら各スポーク11,11間を周方向に連結する中間ビーム用リング12とから形成されており、この取付けドラム9とベースリング10とを連結する油圧駆動の連結ピン等の連結手段(図示せず)によってカッター面板3の内側に着脱自在となっている。
【0018】
また、この中間ビーム用リング12には4つの貫通孔13,13,13,13が形成されており、隔壁2側から延びる4本の中間ビーム14,14,14,14の先端を貫通するようになっている。さらに、図1に示すように、これら中間ビーム14,14,14,14の後端部は隔壁2側に回転自在に設けられたベアリング15に固定されており、このベアリング15と共にカッターチャンバー5内で回転自在となっている。また、このベアリング15は隔壁2の上下に取り付けられた二つのカッター駆動用電動機16,16のピニオン17に係合されており、これらカッター駆動用電動機16,16によって回転駆動されるようになっている。
【0019】
従って、このカッター駆動用電動機16,16による回転トルクをベアリング15及び中間ビーム14,14,14,14を介してカッタースポーク8側に伝えることで、カッタースポーク8は勿論、カッター面板3も同時に回転駆動するようになっている。
【0020】
また、図2に示すように、このカッター面板3には掘削土砂を取り込むべく径方向外方に延びる4つのスリット18,18,18,18が形成されており、カッタースポーク8がカッター面板3と合体した際に、カッタースポーク8に取り付けられたカッタービット7,7…を通過させてカッター面板3の前方の地山側に突出させるようになっている。
【0021】
さらに、図2及び図3に示すようにこれら各スリット18,18,18,18の両側にはそれぞれ一対のシャッター19,19及びこれらシャッター19,19をスライド移動させるスリット開閉装置20,20がそれぞれ対になって設けられており、このスリット開閉装置20によってシャッター19を各スリット18,18,18,18側にスライド移動させ、それら各スリット18の開度を0〜100%の間で調節することで、切削停止時の切羽崩落防止と共に、土質に応じた土砂の取込み量を任意に調節できるようになっている。
【0022】
すなわち、このスリット開閉装置20は、図3に示すようにカッター面板3側に取り付けられた油圧シリンダ20aと、シャッター19側に取り付けられるシリンダロッド20bとからなっており、このシリンダロッド20bを油圧で伸縮させることによって図示矢印に示すように、シャッター19をスリット18方向にスライド移動するようになっている。尚、これらシャッター19は、図示しないガイドやリンク機構等によって常に一定の軌跡を往復動するようになっていると共に、図示しないシール部材によって閉じたときに地下水などの浸入を効果的に防止できるようになっている。
【0023】
また、図2に示すようにこのカッタースポーク8を構成する4本のスポーク11,11,11,11の各先端部には、その長さを自在に調節できる伸縮装置21が取り付けられている。
【0024】
この伸縮装置21は、図3に示すように、スポーク11内に収容された油圧シリンダ22と、この油圧シリンダ22のシリンダロッド23先端に固定された伸縮スポーク24とから構成されており、油圧シリンダ22を伸縮することによって伸縮スポーク24をスポーク11の延長線上で自在に伸縮できるようになっている。尚、この油圧シリンダ22及び上述したスリット開閉装置20の油圧シリンダ20aを駆動する油圧は、図1に示すように隔壁2側に設けられた油圧供給手段25から回転軸4を通過してカッタースポーク8側に延びる耐圧ホース(図示せず)等を介して供給されるようになっている。さらに、図示するようにこの伸縮スポーク24にもスポーク11と同様、複数のカッタービット7,7…が着脱自在に取り付けられるようになっている。
【0025】
また、図1に示すように隔壁2には、回転軸4を挟んで上下に一対のスポーク引込み装置26,26が設けられており、カッター面板3に取り付けられたカッタースポーク8をカッター面板3と分離して隔壁2側に引き込み移動するようになっている。すなわち、このスポーク引込み装置26は、隔壁2側に固定された油圧シリンダ27と、そのシリンダロッド先端部に設けられた把持部材28とから構成されており、この把持部材28によってカッタースポーク8に設けられた一対の着脱ピース29,29をそれぞれ把持した後、そのシリンダロッドを伸縮することでカッタースポーク8をカッターチャンバー5内で隔壁2側に引き込んだり、元の位置に押し戻すようになっている。そして、このスポーク引込み装置26を駆動する油圧も上記伸縮装置21と同様、隔壁2側に設けられた油圧供給手段25、又はこれと別個に設けられた図示しない他の油圧供給手段から供給されるようになっている。
【0026】
また、図4に示すように、シールドフレーム1の先端部と、カッター面板3の周面部3aとの接続部は、上下に重ね合わされるように嵌合されていると共に、その隙間に摩擦抵抗の少ないシール部材39が設けられており、その隙間を効果的にシールして地下水等の浸入を防止するようになっている。
【0027】
尚、図1中30はカッター面板3の中心部に固定されたセンタービット、31は攪拌羽根、32は作業員が隔壁2からカッターチャンバー内にアクセスするためのマンロックであり、さらにこのシールド掘進機の先端付近にはその他、従来のシールド掘進機と同様に、図示しないコピーカッター、アジテータ、可動ソリ、貫入式地山探査装置、超音波式地山空洞探査装置、土圧計、回転センサ、添加剤注入口、油圧供給管、電気信号線、テールシール充填材用注入管等が設けられている。
【0028】
次に、このような構成をした本発明のシールド掘進機の作用を説明する。
【0029】
先ず、図1に示すように、カッター面板3とカッタースポーク8が一体となった状態でカッター駆動用電動機16,16を駆動させてベアリング15を回転させると、この回転トルクが中間ビーム14,14,14,14を介してカッタースポーク8に伝わり、これがカッター面板3と共に回転することによって地山を掘削することになる。そして、掘削された土砂はカッター面板3に形成されたスリット18,18,18,18からカッターチャンバー5内に取り入れられた後、送泥管6aから送られてくる泥水と混じり合うと共に中間ビーム14,14,14,14及び攪拌羽根31によってカッターチャンバー5内で攪拌されて流動化されながら泥水管6bから連続的に排出されることになる。
【0030】
次に、このような掘削を行うことによってカッターフレーム8に取り付けられたカッタービット7,7…が磨耗してきた場合には、先ず、カッター駆動用電動機16,16を停止してカッターフレーム8の回転を止めて掘削作業を一時的に停止した後、カッタースポーク8の先端部の各スポーク伸縮装置21を駆動してカッタースポーク8を縮めて伸縮スポーク24とカッター面板3との係合を解除する。
【0031】
次に、このようにしてカッタースポーク8とカッター面板3との係合が解除されたなら、一対のスポーク引込み装置26,26の把持部材28,28によってカッタースポーク8の着脱ピース29,29を把持した後、このスポーク引込み装置26,26を縮ませてカッタースポーク8を引っ張る。すると、図5に示すようにこのカッタースポーク8がカッター面板3から分離してカッタースポーク8のみが隔壁2側にスライドするように引き込まれてカッター面板3とカッタースポーク8との間に一定の間隙が形成される。
【0032】
そして、このような状態になったなら、図3に示すようにカッター面板3に形成されたスリット18,18,18,18をそれぞれシャッター19,19で閉じてこれらスリット18,18,18,18から土砂や地下水の流入を阻止した後、このカッターチャンバー5内の泥水及び土砂を排泥管6bから全て抜き取る。その後、作業員がマンロック32からカッターチャンバー5内に入り込み、カッタースポーク8を乗り越えてカッター面板3とカッタースポーク8との空間にアクセスして図6に示すようにこの空間を作業スペースとして利用することで、カッタースポーク8に取り付けられているカッタービット7,7…の交換作業を行うことになる。
【0033】
このようにして形成された作業スペースは、周囲が頑強なシールドフレーム1で覆われていると共に、地山側がカッター面板3で塞がれている状態となっていることから、作業スペース内に地山の崩落による土砂や地下水が浸入するおそれがなく、その交換作業を安全、且つ確実に行うことができる。
【0034】
そして、カッタービット7,7…の交換作業が終了したならば、これとは逆の作業、すなわち作業員が隔壁2の外へ出た後、スポーク引込み装置26,26を延ばしてカッタースポーク8をカッター面板3側へ押し出して合体させ、その後、再び、作業員がカッターチャンバー5内に入り込んでカッタースポーク8を連結すると共にスポーク引込み装置26,26を解除して引き戻し、さらにその後、各スポーク伸縮装置21をよってカッタースポーク8の先端を伸ばしてカッター面板3の周縁部に係合させることで、直ちに新たな掘削作業を開始することができる。
【0035】
従って、本発明によれば、従来のようにカッター面板3の周囲に立坑や作業エリアの構築、及び地盤改良作業等が全く不要となり、カッタービット7,7…の交換作業に要する労力や時間、コストを大幅に低減することができる。尚、この交換作業に際してカッタースポーク8は中間ビーム14,14,14,14に沿って前後にスライド移動するようになっていることから、カッター面板3と再結合する際にそれらの軸芯部同士を芯合わせする必要がなく、その脱着作業はスムーズに行われることになる。
【0036】
次に、図7〜図14は本発明の他の実施の形態を示したものである。
【0037】
先ず、図7は、カッター面板3の回転軸4にカッタースポーク8を支持するスポーク仮受台33を設けたものである。
【0038】
この仮受け台33は、図8に示すように、回転軸4の外周に位置する筒状の基体34の周囲に、カッター面板3側の角部が面取りされた4枚の支持板35,35,35,35を回転軸4の軸方向に沿って放射状に設けると共に、これら各支持板35,35間を扇状の梁板36でそれぞれ連結し、さらに筒体34の隔壁2側に支持板35,35,35,35より外径の大きい円板状の停止板37を設けたものである。
【0039】
従って、図7に示すように、カッタースポーク8を隔壁2側に引き抜いた際に、そのカッタースポーク8の荷重の一部を仮受け台33で負担することができるため、中間ビーム14,14,14,14やベアリング15等への負担を軽減することができる。すなわち、上記実施の形態ではカッタースポーク8を引き込んだ際にその全荷重が中間ビーム14,14,14,14に加わることになるため、場合によっては、その荷重により中間ビーム14,14,14,14が下方に撓んで軸ずれが生じることが考えられるが、本実施の形態のようにカッター面板3の回転軸4にスポーク仮受台33を備えれば、その荷重の一部がスポーク仮受台33を介してカッター面板3側に伝えられるため、中間ビーム14,14,14等への負担が軽減されて軸ずれなどの不都合を未然に防止することができる。
【0040】
次に、図9は回転トルクを伝える中間ビーム14を伸縮自在なテレスコピック状に形成すると共に、その中間ビーム14の内部に、上述したスポーク引込み装置26を伸縮自在に収容したものである。
【0041】
すなわち、本実施の形態は上記実施の形態においてそれぞれ別個に独立した状態となっていたスポーク引込み装置26と中間ビーム14とを一体的に構成したものである。従って、本実施の形態のように構成すれば、カッターチャンバー5内が広くなり、作業員のアクセスなどが容易にできる上に、スポーク引込み装置26が中間ビーム14で保護されることから、汚泥等による悪影響を有効に防止することができる。
【0042】
また、図10は本実施の形態の変形例としてセンターシャフト方式を用いたものである。すなわち、本実施の形態は、このスポーク引込み装置26をカッター面板3の回転軸4近傍に設けると共に、これらスポーク引込み装置26の周囲を回転軸4と共にテレスコピック状の保護筒41で覆うように構成したものであり、このような構成にしても図9と同様な効果を得ることができる。
【0043】
一方、図11に示すように、各中間ビーム14,14,14,14の端部をそのまま延ばしてカッター面板3側に直接連結させるように構成すれば、図7に示すような荷重分散効果ばかりでなく、回転トルクをカッタースポーク8のみならずカッター面板3側にも直接伝えることもできるため、カッタースポーク8とカッター面板3の連結部へ集中する回転トルクの負担も軽減することができる。
【0044】
さらに、図12に示すように、カッター面板3のカッタースポーク8が干渉しない位置に、足場板42等を取り付けておけば、シールドフレーム1の径が大きい場合であっても、その作業スペース内に架台等を搬入、構築する必要がなくなり、より作業効率を向上させることができる。
【0045】
また、カッタースポーク8側に延びる油圧ケーブルやホース等を隔壁2側から引き回す方法としては、図13に示すように、回転軸4内にケーブル40等を余長を持たせて通過させるようにしたいわゆるケーブルベア方式や、図14に示すように、回転軸4内及びその周囲の収容室43にリール44を備えたケーブルリール方式等を用いれば、カッタースポーク8の動きを規制することなく良好にケーブル40を引き回すことができる。
【0046】
尚、これら様々な実施の形態はそれぞれ単独で採用しても良いことは勿論であるが、必要に応じて最適に組み合わせても良いことはいうまでもない。また、上記実施の形態では、カッター面板3の中心部に設けられるセンタービット30の交換作業を行うことはできないが、カッター面板3の中心部は摺動距離が小さく磨耗が殆ど進行しないことから、このセンタービット30は殆ど交換する必要性はない。また、地山側に薬液注入工法などの地盤改良を施し、地山の崩壊や地下水の湧出をある程度防止することができる場合には、シャッター19のシール材及びシール等を省略することも可能である。
【0047】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すような優れた効果を発揮することができる。
【0048】
(1)カッタービットの交換等のカッター前面部の補修・改造作業に際して、カッター面板の外部に立坑や作業エリアを形成する必要がないため、作業に要する労力と費用及び時間を大幅に低減、短縮することができる。
【0049】
(2)従って、掘削作業全体の工期の短縮及び費用の低減に大きく貢献することができる。
【0050】
(3)また、作業スペースがシールドフレームとカッター面板とで区画形成されて安全に確保されているため、土砂の崩落などのおそれがなくなり、交換作業を安全確実に行うことができる。
【0051】
(4)カッタービットの交換等のカッター前面部の補修・改造作業の場所や交換回数、時期に制限がなくなるため、信頼性の高いシールド工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るシールド掘進機の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図2】図1中、X−X断面図である。
【図3】図2中、カッタースポークの先端部付近を示す部分拡大図である。
【図4】図1中、A部を示す部分拡大図である。
【図5】図1の状態からカッタースポークのみを隔壁側に移動させた状態を示す縦断面図である。
【図6】作業員がビット交換作業を行っている状態を示す概念図である。
【図7】本発明に係るシールド掘進機の他の実施の形態を示す縦断面図である。
【図8】図7中、X−X矢視図である。
【図9】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図10】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図11】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図12】本発明の他の実施の形態を示す部分拡大縦断面図である。
【図13】ケーブル等の引き回し処理方法の一例を示す説明図である。
【図14】ケーブル等の引き回し処理方法の一例を示す説明図である。
【図15】従来のビット交換作業状態を示す概念図である。
【符号の説明】
1 シールドフレーム
2 隔壁
3 カッター面板
4 回転軸
5 カッターチャンバー
7 カッタービット
8 カッタースポーク
14 中間ビーム
16 カッター駆動用電動機
18 スリット
19 シャッター
20 スリット開閉装置
21 スポーク伸縮装置
24 伸縮スポーク
26 スポーク引込み装置
33 スポーク仮受台
41 保護筒
42 足場板
Claims (5)
- シールドフレームの先端部に隔壁を介してカッターチャンバーを形成すると共に、そのカッターチャンバーの開口部にこれを覆うようにカッター面板及び複数のカッタービットを取り付けたカッタースポークを回転自在に支持したシールド掘進機において、上記カッター面板の外周に掘進方向後方に延びる周面部を形成し、上記カッタースポークの径方向外側の端部に、径方向に伸縮自在に形成され径方向外方に伸長したとき上記周面部の内周面に当接して上記カッター面板にカッタースポークを固定すると共に、径方向内方に縮退したとき上記カッター面板と上記カッタースポークを離脱させるスポーク伸縮装置を設け、上記カッタースポークをカッター面板に対して回転軸方向に移動可能な構造とし、移動後にカッター面板に生じたスリットを閉じるスリット開閉装置を設けたことを特徴とするシールド掘進機。
- 上記カッター面板の回転軸に、上記カッタースポークを引き込んだ際にこれを上記カッター面板と同軸上に支持するスポーク仮受台を備えたことを特徴とする請求項1記載のシールド掘進機。
- 上記カッタースポークを上記隔壁側から延びる複数の中間ビームを介して回転自在に支持し、これら中間ビームを伸縮自在に形成すると共にこれら中間ビーム内に上記スポーク引込み装置を収容したことを特徴とする請求項1又は2に記載のシールド掘進機。
- 上記カッタースポークを上記カッター面板の回転軸を囲繞するように上記隔壁側から延びるセンターシャフトを介して回転自在に支持し、このセンターシャフトを伸縮自在に形成すると共にこのセンターシャフト内に上記スポーク引込み装置を収容したことを特徴とする請求項1又は2に記載のシールド掘進機。
- 上記カッター面板に、仮足場を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のシールド掘進機。
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