JP6625490B2 - カッター交換装置及びカッター交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機のカッタースポークに装着されたカッターホルダーをカッター部材と共に交換する為のカッター交換装置及びカッター交換方法に関する。

従来から、トンネル掘削機においては、胴体の前端側にカッターヘッドが装備され、胴体及びカッターヘッドを前進駆動しながら、カッターヘッドを回転駆動して、前方の地山（切羽）を掘削してトンネルを掘削していく。トンネル掘削機では、効率良く掘削できるように、地山の地質に対応させたカッター部材がカッターヘッドに装備される。

例えば、岩盤等の固い地盤を掘削する場合、カッター部材として複数のローラーカッターがカッターヘッドに装備される。このローラーカッターは、地山に押圧した状態でカッターヘッドを回転させることによって切羽の岩石を圧砕し掘削していく。また、粘性土層等の柔らかい地盤を掘削する場合、カッター部材として粘性土層を掘削するのに適した複数のカッタービット(バイトカッター)がカッターヘッドに装備される。

ところで、トンネルの掘削途中に、上記のローラーカッターやカッタービット等のカッター部材が磨耗して掘削能力が低下した場合、その磨耗したカッター部材を新しいカッター部材に交換する必要が生じる。特に、長距離のトンネルを連続的に掘削するシールド掘進機では、カッター部材を交換する頻度が多くなる。

そこで、カッター部材を交換する場合に、カッターヘッドの後方からカッター部材を交換する技術が実用に供されている。

例えば、特許文献１には、カッタービットが装着されたカッタースポークのボス部材の後端部にゲート機能付き交換治具を取り付け、カッタービットの後端部とカッタースポークのうちのボス部材に対向する後側壁部との間にテレスコ式油圧ジャッキを取り付け、テレスコ式油圧ジャッキを伸縮動作させることで、カッタービットをボス部材から取り外すカッタービット交換装置が開示されている。

特許文献２に記載のシールド掘進機のビット交換装置においては、主スポークの前部に固定されたビット収納ケース内に保持筒が固定され、この保持筒の出退穴にカッターを取り付けたビットホルダが前後に進退自在に装着され、このビットホルダの前端部はビット収納ケースの前面板の開口部に挿入されている。

カッター交換のためビットホルダを後退させる際に、保持筒の前端を閉塞する開閉可能な湾曲状のゲート板がビット収納ケース内に設けられている。カッター交換のためビットホルダを後退させた際に、ビット収納ケースと保持筒内に切羽側から土砂が流入するのを防ぐために、充填材供給管からビットホルダ内のカッターの背部の排泥空間に充填材を供給し、ゲート板により保持筒の出退穴を閉鎖後に充填材排出管により排泥空間から充填材を排出し、出退穴の内部を大気圧状態にする。

特許第５０９１０７７号公報 特開２０１３−１５１７８４号公報

しかし、特許文献１のカッタービット交換装置では、カッタービットを交換する際に、ゲート機能付き交換治具の保持孔(内孔部)内へカッタービットを後退させてゲートにより保持孔を遮断する際に、切羽側の土砂が保持孔内へ流入し、保持孔の壁面に土砂が付着するため、ゲートで保持孔を遮断する遮断性能が悪化し、交換後のカッタービットを保持孔内に押し込む際にも円滑に押し込むことができない等の問題がある。

特許文献２のビット交換装置においては、ビットホルダを後退させつつ充填材を充填する際に、ビットホルダの前側の充填材充填空間の体積が不連続的に増大するため、充填した充填材の圧力が不連続的に低下し、切羽側の土砂の土圧に対抗する圧力を維持できないため、保持筒内への土砂の流入が避けられず、充填材充填の所期の目的を達成することが難しい。

本発明の目的は、保持孔内への土砂の流入を確実に防止して、 カッターホルダーの交換作業性を改善可能なカッター交換装置及びそのカッター交換方法を提供することである。

請求項１のカッター交換装置は、トンネル掘削機のカッターホルダーを交換するカッター交換装置において、前記トンネル掘削機のカッタースポークに取付けられ且つ前記カッターホルダーを切羽側位置に保持する保持部材と、前記カッターホルダーを移動させるために前記保持部材の後側に接続される本体ケースと、切羽側位置と反切羽側位置の間で前記カッターホルダーの位置を切換え可能な複数の油圧シリンダとを含む引出し機構とを備え、前記保持部材と前記本体ケースを前後方向に貫通する円筒状の保持孔が形成され、前記カッターホルダーが前記油圧シリンダの駆動力により前記保持孔を介して切羽側位置と反切羽側位置とに亙って位置切換え自在に構成され、前記カッターホルダーを切羽側位置から反切羽側位置へ切換える時に前記保持孔の前記カッターホルダーよりも切羽側部分に加圧流体を注入する流体注入手段と、前記カッターホルダーを反切羽側位置から切羽側位置へ切換える時に前記保持孔に滞留する前記加圧流体を回収する流体回収手段とを備え、
前記本体ケースの下部の反切羽側端部から反切羽側へ延び且つ前記カッターホルダーを載置支持可能な案内支持部材が前記本体ケースの反切羽側端部に着脱可能に設けられたことを特徴としている。

この構成によれば、カッターホルダーを反切羽側位置へ向けて引抜く際に、カッターホルダーよりも前側の保持孔部分に流体注入手段により加圧流体を注入するため、その保持孔部分に切羽側の土砂が流入することがないから、カッター交換後のカッターホルダーを保持孔内で切羽側へ押し込む際の円滑な摺動性を確保できるうえ、ゲート板を開閉する際の円滑な摺動性を確保することができる。

しかも、保持部材と本体ケースを前後方向に貫通する円筒状の保持孔内をカッターホルダーが反切羽側位置に向って移動するとき、カッターホルダーよりも前側の保持孔部分に加圧流体を注入するため、カッターホルダーよりも前側の保持孔部分の体積変化が連続的であるから、加圧流体の注入量をコントロールしながら注入することで、切羽側の土砂の土圧に対向する圧力をかけることで、保持孔内への土砂の流入を防ぐことができる。

しかも、カッターホルダーを反切羽側位置から切羽側位置へ切換える時に流体回収手段により前記保持孔に滞留する前記加圧流体を回収するため、加圧流体が保持孔内で圧密状態になることを確実に防止することができる。
また、案内支持部材を設けたため、カッター交換前のカッターホルダーを案内支持部材上に載置支持させた状態で上方へ取り出すことができ、カッター交換後のカッターホルダーを上方から案内支持部材上に載置支持させることができる。

請求項２のカッター交換装置は、請求項１の発明において、前記本体ケースに取付けられ前記カッターホルダーを反切羽側位置に切換える時に前記保持孔を遮断可能なスライドゲート機構を備え、前記スライドゲート機構は、開状態の時に前記本体ケースの外側に収容され且つ遮断状態のときに前記保持孔を塞ぐゲート板を有することを特徴としている。

この構成によれば、前記スライドゲート機構のゲート板は開状態の時に本体ケースの外側に収容されているため、保持部材及び本体ケース内にゲート板を収容するスペースを設ける必要がない。それ故、保持孔はカッターホルダーを収容し且つ前後に移動させるだけのコンパクトなものでよく、カッターホルダーよりも前側の保持孔部分に前記加圧流体を注入する際、前記カッターホルダーよりも切羽側の保持孔部分の全体に加圧流体を充填可能で、加圧流体の注入量も少なくすることができる。

請求項３のカッター交換方法は、トンネル掘削機のカッターホルダーを交換するカッター交換方法において、カッタースポークに固定された部材に形成された保持孔を介して切羽側位置と反切羽側位置とに亙って移動可能なカッターホルダーを、前記保持孔内で地山に面する切羽側位置から反切羽側位置に向けて引抜き、前記カッターホルダーに装着されたカッターの先端が前記保持孔を遮断するゲート板よりも後方へスライドさせるゲート遮断前引抜き工程と、前記ゲート遮断前引抜き工程と並行して、前記カッターホルダーが引抜かれることで前記保持孔内に形成される空間に加圧流体を注入する流体注入工程と、
前記ゲート遮断前引抜き工程の後で、前記ゲート板により前記保持孔を遮断し、その後前記カッターホルダーと前記ゲート板との間に空気を流入させながら、前記カッターホルダーを更に反切羽側位置まで引抜くゲート遮断後引抜き工程と、前記ゲート遮断後引抜き工程の後で前記カッターホルダーを新しいカッターホルダーに交換し、その交換後のカッターホルダーを前記ゲート板近くまで押入れるゲート開放前押入れ工程と、
前記ゲート開放前押入れ工程の後で、前記ゲート板による遮断を解除し、前記交換後のカッターホルダーを切羽側位置に向けて押入れるゲート開放後押入れ工程と、前記ゲート開放後押入れ工程と並行して、前記カッターホルダーよりも切羽側の保持孔部分から加圧流体を回収する流体回収工程とを有することを特徴としている。

この構成によれば、ゲート遮断前引抜き工程において、保持孔を介して切羽側位置と反切羽側位置とに亙って移動可能なカッターホルダーを、切羽側位置から反切羽側位置へ向けて引抜く。このゲート遮断前引抜き工程と並行して行う流体注入工程において、カッターホルダーが引抜かれることで形成される空間に加圧流体を注入するため、保持孔内へ切羽側の土砂が流入しないから保持孔の壁面に土砂が付着することがない。

ゲート遮断前引抜き工程の後のゲート遮断後引抜き工程において、保持孔のカッターホルダーよりも前側をゲート板により遮断してから、前記カッターホルダーと前記ゲート板との間に空気を流入させながら、カッターホルダーを更に反切羽側位置まで引抜くため、保持孔内の加圧流体が反切羽側位置へ流入するのを防止でき、ゲート板と保持孔側に付着した加圧流体に対するカッター部材の剥離を促進することができる。

次のゲート開放前押入れ工程において、カッターホルダーを新しいカッターホルダーに交換し、その交換後のカッターホルダーをゲート板の近くまで押入れる。次のゲート開放後押入れ工程において、ゲート板による遮断を解除し、交換後のカッターホルダーを切羽側位置に向けて押入れる。このゲート開放前押入れ工程とゲート開放後押入れ工程においてカッターホルダーを押入れる際、保持孔の壁面に土砂が付着していないため、カッターホルダーを保持孔内で円滑に摺動させながら、押入れることができる。

ゲート開放後押入れ工程と並行して行う流体回収工程において、カッターホルダーよりも切羽側の保持孔部分から前記加圧流体を回収するため、加圧流体が保持孔内で圧密状態となることがなく、カッターホルダーを円滑に押入れることができる。

本願の発明によれば、前述のような効果が得られる。

本発明の実施形態に係るシールド掘進機の正面図である。 シールド掘進機の前端側所定部分の縦断面図である。 ローラーカッター、カッターホルダー、保持部材及びローラーカッター交換装置 を周回方向から視た断面図である。 ローラーカッター、カッターホルダー、保持部材及びローラーカッター交換装置を径方向から視た断面図である。 ローラーカッター交換装置の背面図である。 本体ケースとゲート機構を取り外した状態のローラーカッター交換装置の後方からの背面図である。 （ａ）は固定フランジを取り外した状態における周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 （ａ）ローラーカッター、カッターホルダー、保持部材及びローラーカッター交換装置を周回方向から視た断面図、（ｂ）ローラーカッター、カッターホルダー、保持部材及びローラーカッター交換装置を径方向から視た断面図である。 （ａ）はカッターホルダーをローラーカッターと共に所定ストローク後方へスライドさせた状態における周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 （ａ）は図１１に第２牽引部材を取り付けた状態における周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 （ａ）はカッターホルダーをローラーカッターと共に所定ストローク後方へスライドさせた状態における周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 （ａ）はカッターホルダーをローラーカッターと共に更に所定ストローク後方へスライドさせた状態の周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 （ａ）はカッターホルダーに吊下げ治具を取り付けた状態における周回方向から視た断面図、（ｂ）は径方向から視た断面図である。 交換後のカッターホルダーに出力部材と第２連結部材を装着した状態を径方向から視た断面図である。 交換後のカッターホルダーをゲート部材近くまで押し入れた状態を径方向から視た断面図である。 第２連結部材を第１連結部材に交換する交換直前状態を径方向から視た断面図である。 第２連結部材を第１連結部材に交換した交換直後状態を径方向から視た断面図である。 変更形態に係る図３相当図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るシールド掘進機１の前端側の正面図であり、図２は、本実施形態に係るシールド掘進機１の前端側の所定部分の縦断面図である。以下の説明において、トンネル掘進方向を前方とし、カッタースポーク１１の放射方向を径方向とし、カッターヘッド２の回転方向を周回方向として説明する。尚、本実施形態では、トンネル掘削機であるシールド掘進機を例として説明するが、本発明はシールド掘進機を含む種々のトンネル掘削機にも適用可能である。

最初に、シールド掘進機１の全体構造について簡単に説明する。
図１、図２に示すように、シールド掘進機１は、前端のカッターヘッド２と、前胴４と後胴を含む胴部材３、カッターヘッド２の後側に形成されたカッターチャンバー６と、カッターチャンバー６の後端を仕切る隔壁を含む隔壁構造７と、複数のカッター駆動モータ８ａを含むカッター駆動機構８と、複数のシールドジャッキ９と、セグメントを取り付けるエレクタ（図示略）と、掘削土砂・礫・岩塊片類を排出する排土手段又は排泥手段（図示略）等を備えている。

図１，図２に示すように、カッターヘッド２は、放射方向に延びる複数（例えば８本）のカッタースポーク１１と、これらカッタースポーク１１の外周側端部が固定される外周フレーム１２と、カッターヘッド２の中心部分及び複数のカッタースポーク１１に夫々装備された前方向きの複数のローラーカッター１３や複数のカッタースポーク１１の外周端部分に前方且つ外向きの傾斜状に夫々装備された複数のローラーカッター１３と、複数（例えば８枚）の縦長の五角形状の面板１４等を備えている。

カッターヘッド２の後側にカッターチャンバー６が形成されている。カッタースポーク１１と面板１４との間には、カッターチャンバー６に連なる土砂導入用の隙間１５が形成されている。複数のカッタースポーク１１の後端部は連結部材１６を介してカッタードラム１７に固定されている。カッタースポーク１１の後端部には、複数の撹拌棒１８が設けられている。

カッターチャンバー６の後端は隔壁構造７で仕切られている。隔壁構造７は、中心側部分の円板部材７ａと、外周側部分の環状板部材７ｂと、円板部材７ａ及び環状板部材７ｂの後面側の機器取付用フレーム７ｃ等を有している。機器取付用フレーム７ｃは、前胴４と円板部材７ａと環状板部材７ｂとに固着されている。カッタードラム１７が円板部材７ａと環状板部材７ｂとの間にシール部材やベアリング等を介して回転自在に装着されている。

カッター駆動機構８に関して、カッタードラム１７に内歯リングギヤ１７ａが固定され、複数のカッター駆動モータ８ａの出力軸に固定されたピニオンギヤ８ｂが内歯リングギヤ１７ａに噛合され、内歯リングギヤ１７ａは旋回ベアリングを介して機器取付用フレーム７ｃに支持されている。こうして、複数のカッター駆動モータ８ａにより内歯リングギヤ１７ａを介してカッタードラム１７とカッターヘッド２が回転駆動される。

円板部材７ａの中心部分には、ロータリージョイント１９が装備されている。ローラーカッター１３を交換する際は、このロータリージョイント１９を取り外し、ロータリージョイント１９の前側の筒体１９ａの内部空間を介して、カッタースポーク１１の閉断面内と機内（胴部材３内の隔壁構造７よりも後方の空間）との間を、作業者が出入りしたり、ローラーカッター１３等の機材を搬出入することができる。

次に、カッターホルダー２１の取り付け構造について説明する。
図３，図４に示すように、カッタースポーク１１には、複数のローラーカッター１３を夫々後方から着脱可能に取り付ける為の複数のカッターホルダー２１が装着されている。複数のカッターホルダー２１は、複数のローラーカッター１３を回転可能に支持するものであり、基本的に同じ構造を有する。尚、複数のローラーカッター１３がローラ軸を径方向に向けて取り付けられている。

カッタースポーク１１は、断面矩形状の閉断面部材からなり、カッタースポーク１１のうち各カッターホルダー２１を装着する前端部分には、円筒状の保持部材２２が一体的に固定され、この保持部材２２の円筒状の保持孔２２ａに、ローラーカッター１３が装着されたカッターホルダー２１が着脱可能に装着されている。

この保持部材２２は、前後方向向きの軸心を有する保持孔２２ａと、後部の周方向に間隔をあけて形成され且つ第１抜止めボルト５８が装着される複数の第１ボルト孔２２ｂと、後端面に周方向等間隔に形成され且つ閉塞板２３を固定する固定ボルト用の複数のボルト孔２２ｃと、後端部から外側に突出し且つ周方向に間欠的に形成された複数のフランジ部２２ｄと、後端部の内周側に形成された環状凹部２２ｅ等を備えている。

図６に示すように、複数のフランジ部２２ｄは、円弧形状の上下１対のフランジ部２２ｆと、円弧形状の左右２組のフランジ部２２ｇとからなる。

カッターホルダー２１は、ローラーカッター１３のカッター本体１３ａが装着される前方開放状の装着凹部２１ａと、この装着凹部２１ａの両側に形成され且つローラーカッター１３の１対の角軸１３ｂと１対の固定部材１３ｃとが嵌合される１対の嵌合凹部２１ｂと、後端面の外周近傍部に形成され且つ閉塞板２３を固定する固定ボルト２３ｃ用の複数のボルト孔２１ｃと、後端面の中心部分に形成され且つ第１，第２連結部材３４，３５の１つが締結される引出し用ボルト孔２１ｄと、後部の周方向に形成され且つ第１，第２抜止め用ボルト５８，５９の先端部が係合される環状溝２１ｅ等を備えている。カッターホルダー２１の外周部の前部と後部にはリング状の複数のシール部材が装着されている。

図３，図５に示すように、閉塞板２３は、保持部材２２の後端面とカッターホルダー２１の後端面を塞ぐものであり、保持部材２２の複数のボルト孔２２ｃに対応する複数の貫通孔２３ａ及びカッターホルダー２１の複数のボルト孔２１ｃに対応する複数の貫通孔２３ｂが形成され、これら複数の貫通孔２３ａ，２３ｂを介して複数のボルト２３ｃが閉塞板２３の後方から締結されている。

次に、本発明のローラーカッター交換装置２５について説明する。
図３〜図６に示すように、ローラーカッター交換装置２５は、カッターホルダー２１を切羽側位置に保持する保持部材２２を含み、カッターホルダー２１の交換時に、カッターホルダー２１をローラーカッター１３と共に交換する為の装置である。このローラーカッター交換装置２５は、カッターホルダー２１を保持部材２２の保持孔２２ａから引き出す引出し機構２６と、この引出し機構２６に着脱可能に装備されるスライドゲート機構２７及び案内支持部材２８と、この案内支持部材２８に着脱可能に装着されたストッパー２９、カッターホルダー２１の装着凹部２１ａを介してカッターホルダー２１の前側空間に加圧流体を注入する注入ノズル６０（流体注入手段）と、装着凹部２１ａを介してカッターホルダー２１の前側空間から加圧流体を回収する回収ノズル６１（流体回収手段）等を備えている。

次に、引出し機構２６について説明する。
引出し機構２６は、前記保持部材２２と、カッターホルダー２１を移動させる為に保持部材２２の後端部に同心状に着脱可能に固定される本体ケース３１と、カッターホルダー２１を掘削可能な切羽側位置とカッター交換可能な反切羽側位置とに亙って移動させる為の複数（例えば４本）の油圧シリンダ３２からなる移動駆動機構３２Ａと、これらの複数の油圧シリンダ３２とカッターホルダー２１との間に装着される出力部材３３、第１連結部材３４及び第１連結部材３４よりも短い第２連結部材３５等を備えている。

次に、本体ケース３１について説明する。
本体ケース３１は、保持部材２２の後端面に後方から当接する環状の第１本体部材３６と、中央部分を構成する矩形枠状の第２本体部材３７と、後部に配置される環状の第３本体部材３８とを有する。尚、第１〜第３本体部材３６〜３８は溶接により固着されている。

第１本体部材３６の前端部の外周部には、保持部材２２に本体ケース３１を固定する為のフランジ部３６ａが形成され、第３本体部材３８の後端部の外周部には、案内支持部材２８を固定する為のフランジ部３８ａが形成されている。固定ボルト３９は、保持部材２２のフランジ部２２ｄを貫通して、第１本体部材３６のフランジ部３６ａに締結される。第１本体部材３６の前端部の内周側には、本体ケース３１を保持部材２２に固定する際に、保持部材２２の環状凹部２２ｅに嵌合可能な環状凸部３６ｂが形成されている。

本体ケース３１は、第１〜第３本体部材３６〜３８の内側に形成され且つ保持孔２２ａと同形（同径且つ同心状）の第２保持孔４１と、この第２保持孔４１の途中部であって第２本体部材３７の内側に形成されたＵ形の溝部４２等を備えている。第２保持孔４１は、カッターホルダー２１の前後方向の長さと略同じ長さを有する。第３本体部材３８には、第２抜止めボルト５９が装着される複数の第２ボルト孔３８ｂが周方向に間隔をあけて形成されている。

次に、複数の油圧シリンダ３２について説明する。
複数の油圧シリンダ３２は、保持部材２２と本体ケース３１の外側において保持部材２２の複数のフランジ部２２ｄと干渉しないように断面正方形の直方体の稜線に対応する部分に前後方向向きに配置されている。各油圧シリンダ３２は、複動型の油圧シリンダにより構成され、シリンダ本体４４と、このシリンダ本体４４に装備されたピストン部材４５等を有している。各ピストン部材４５は、シリンダ本体４４に軸心方向に進退可能に装備されたピストン部及びピストンロッド４５ａと、このピストンロッド４５ａの先端部に設けられた連結部４５ｂを有している。

各シリンダ本体４４の内部は、ピストンロッド４５ａを進退駆動する為の進出用油室及び退入用油室とに区画され、各シリンダ本体４４の外周部には、進出用油圧ポート４６ａ及び退入用油圧ポート４６ｂが設けられている。各油圧ポート４６ａ，４６ｂには、図示略の油圧供給源側から延びる油圧ホースが夫々接続されている。

カッタースポーク１１の前端部分の内側の複数の油圧シリンダ３２に対応する部分には、複数（例えば４つ）の連結片４７が設けられ、油圧シリンダ３２のシリンダ本体４４の前端の連結部４４ａが、連結片４７にピン部材を介して回動可能に連結され、油圧シリンダ３２のピストン部材４５の後端の連結部４５ｂが、出力部材３３に連結されている。

次に、出力部材３３について説明する。
出力部材３３は、本体ケース３１の後端側において第２保持孔４１の軸心と直交状に配設されて複数の油圧シリンダ３２の後端部に架着されている。出力部材３３は、周回方向に夫々延び且つ周回方向に隣接する油圧シリンダ３２の連結部４５ｂに夫々連結される１対の連結棒５１と、この１対の連結棒５１の中央部同士を接続する径方向に延びる接続棒５２とから背面視にてＨ字形状に構成されている。出力部材３３の接続棒５２の中心部分には、第１連結部材３４又は第２連結部材３５の後端部が連結される。

次に、第１，第２連結部材３４，３５について説明する。
第１連結部材３４は、カッターホルダー２１の後端部と出力部材３３の中心部分とを着脱可能に連結する棒状部材であり、ピストンロッド４５ａの最大ストロークと略同じ長さ（例えば５５０ｍｍ）に設定されている。カッターホルダー２１の交換途中に第１連結部材３４と取り換えられる第１連結部材３４より短い第２連結部材３５は、カッターホルダー２１の後端部と出力部材３３の中心部分とを最短の距離で着脱可能に連結する部材であり、第１連結部材３４の１／２４〜１／２０程度の長さ（例えば２５ｍｍ）に設定されている（図９参照）。

次に、スライドゲート機構２７について説明する。
スライドゲート機構２７は、本体ケース３１の第２保持孔４１を開く開位置と閉じる閉位置とに亙って手動で切換え可能なものであり、案内ケース５３と、この案内ケース５３に装備されて本体ケース３１の第２保持孔４１を開閉可能なゲート部材５４（ゲート板）と、このゲート部材５４を開位置と閉位置とに亙って開閉駆動可能な開閉駆動手段５５とを備えている。

案内ケース５３は、本体ケース３１の第２本体部材３７の一端部（径方向の端部）に固定されている。案内ケース５３は、第１案内部材５３ａと、この第１案内部材５３ａと協働してゲート部材５４及び開閉駆動手段５５とを収容する空間を形成する第２案内部材５３ｂと、この第２案内部材５３ｂに設けられゲート部材５４の移動を目視可能な確認用窓部５３ｃ等を備えている。

開閉駆動手段５５は、カッタースポーク１１の径方向に延び、第２本体部材３７に一端部が回転可能に支持され且つ他端部が第２案内部材５３ｂに支持されると共に外周表面にねじ山を有するボールねじ部材５５ａと、このボールねじ部材５５ａのねじ山に螺合すると共にボールねじ部材５５ａの回転によりボールねじ部材５５ａ上を移動可能な移動体５５ｂと、ボールねじ部材５５ａの他端部に形成されると共に案内ケース５３から外部に突出する工具係合部５５ｃ等を備えている。移動体５５ｂは、ゲート部材５４の本体ケース３１とは反対側端部に一体的に設けられた係合部に連結され、ゲート部材５４を開閉させるとき、回転工具等で工具係合部５５ｃを回転させることで移動体５５ｂを移動させ、ゲート部材５４を開位置と閉位置とに亙って移動駆動する。

ゲート部材５４が第２保持孔４１を開閉する際には、本体ケース３１に形成された溝部４２に沿って移動する。この溝部４２の近傍部位には、ゲート部材５４の前後両側において第２保持孔４１に泥水が侵入しないようにシールする１対の第２ゲートシール部材が装着されている。上記のように、ゲート部材５４は、開状態のとき本体ケース３１の外側に収容され、遮断状態のとき第２保持孔４１を塞ぐようになっている。

次に、案内支持部材２８及びストッパー２９について説明する。
案内支持部材２８は、本体ケース３１の下部の後端部から後方へ延び、本体ケース３１から引出されたカッターホルダー２１を支持するものであり、１／４円程度の断面円弧形状に構成され、本体ケース３１の後端部に着脱可能に設けられている。

案内支持部材２８は、ローラーカッター１３を装着した状態のカッターホルダー２１の前後幅と略同じ長さに設定されている。案内支持部材２８の前端部には、フランジ部２８ａが設けられている。固定ボルト５７は、案内支持部材２８のフランジ部２８ａを貫通して、第３本体部材３８のフランジ部３８ａに締結固定される。

ストッパー２９は、ローラーカッター１３及びカッターホルダー２１をゲート部材５４よりも後側へ引出した状態でカッターホルダー２１の後端を係止して後方への移動を規制するものであり、案内支持部材２８の上面に沿うように湾曲状に構成され、案内支持部材２８の上端部にボルトにより固定されている。

前記注入ノズル６０は、カッターホルダー２１の後部壁に形成された注入ポート６０ａに螺合にて固定されている。この注入ノズル６０は、耐圧ホースにより機内の高粘性加圧流体を供給可能な流体供給部（図示略）に接続されている。高粘性加圧流体は、好ましくは切羽側の土砂よりも高密度で高粘性の加圧流体である。この高粘性加圧流体としては、水ガラスに所定の粘性調整剤を添加して粘性を調整したもの、泥しょう剤、粘性調整した泥土等を採用することができる。

前記回収ノズル６１は、カッターホルダー２１の後部壁に形成された回収ポート６１ａに螺合にて固定されている。この回収ノズル６１は、耐圧ホースにより高粘性加圧流体を回収可能な機内の流体回収部（図示略）に接続されている。尚、注入ノズル６０と回収ノズル６１は、閉塞板２３に形成された矩形開口６２を挿通して後方へ突出している（図６参照）。

次に、ローラーカッター１３を交換する方法について説明する。
先ず、図７（ａ）の上半部に示すように、カッターホルダー２１が切羽側位置にあるとき、カッタースポーク１１に固着された保持部材２２にカッターホルダー２１が装着され、カッターホルダー２１の後方への移動を禁止する為に、保持部材２２とカッターホルダー２１の後端部に閉塞板２３が複数のボルト２３ａ，２３ｂにより固定されている。

カッターホルダー２１を交換する場合は、以下の複数の工程を介して交換する。
最初に、本体ケース連結工程において、図７（ａ）の下半部と図７（ｂ）に示すように、複数の第１抜止めボルト５８を第１ボルト孔２２ｂに貫通させ、その先端部をカッターホルダー２１の環状溝２１ｅに係合させてカッターホルダー２１の後方移動を禁止した状態で、複数のボルト２３ａ，２３ｂを取り外すことで閉塞板２３を取り外す。

その後、図８に示すように、閉塞板２３を取り外した状態でカッタースポーク１１と保持部材２２にローラーカッター交換装置２５を装着する。このとき、固定ボルト３９を、保持部材２２のフランジ部２２ｄを貫通して、第１本体部材３６のフランジ部３６ａに締結固定することで、保持部材２２の後端部に本体ケース３１を直列状に固定し、保持孔２２ａの後端と第２保持孔４１とを連通させる。

次に、シリンダ連結工程において、複数の油圧シリンダ３２のシリンダ本体４４の連結部４４ａを連結片４７に夫々連結し、ピストン部材４５の連結部４５ｂを出力部材３３に夫々連結し、カッターホルダー２１の後端部と出力部材３３とを第１連結部材３４を介して連結することで、カッタースポーク１１と保持部材２２に対して本体ケース３１に加えて複数の油圧シリンダ３２と出力部材３３と第１連結部材３４とを装着する。

そして、図８（ｂ）に示すように、固定ボルト５７を、案内支持部材２８のフランジ部２８ａを貫通して、第３本体部材３８のフランジ部３８ａに締結固定することで、本体ケース３１の後端部に案内支持部材２８を装着する。

次に、ゲート遮断前引抜き工程において、図９示すように、第１抜止めボルト５８によるカッターホルダー２１の後方移動禁止状態を解除し、複数の油圧シリンダ３２の進出側油室に油圧を供給し、カッターホルダー２１を切羽側位置から反切羽側位置に向けて、ピストンロッド４５ａを最大限進出した状態になるまで進出駆動し、カッターホルダー２１を後方へ第１の所定ストローク（例えば５２５ｍｍ）移動駆動して第２保持孔４１内に停止させる。

そして、図９に示すように、上記の第１の所定ストローク移動後に、複数の第２抜止めボルト５９を第２ボルト孔３８ｂを貫通させ、これら第２抜止めボルト５９の先端部を環状溝２１ｅに係合させることで、カッターホルダー２１を本体ケース３１に固定してカッターホルダー２１の後方移動を禁止した状態にし、第１連結部材３４を取り外す。

その後、図１０に示すように、複数の油圧シリンダ３２のピストンロッド４５ａを退入駆動してから、第１連結部材３４に代えて第１連結部材３４よりも短い第２連結部材３５を装着し、この第２連結部材３５でもってカッターホルダー２１の後端部を出力部材３３に連結する。

その後、図１１に示すように、第２抜止めボルト５９によるカッターホルダー２１の後方移動禁止状態を解除し、第２連結部材３５を介して、複数の油圧シリンダ３２でカッターホルダー２１を後方へ第２の所定ストローク（例えば２７０ｍｍ）移動させてカッターホルダー２１に装着されたローラーカッター１３の先端がゲート部材５４よりも後方になるまで移動させ、カッターホルダー２１の後端をストッパー２９に係止して後方への移動を規制した状態にする。

次に、上記のゲート遮断前引抜き工程と並行して行う流体注入工程において、図９〜図１１に示すように、前記カッターホルダー２１が後方へ引抜かれることで保持孔２２ａ，４１内に形成される空間に注入ノズル６０から高密度で高粘性の加圧流体６３を注入する。このように、加圧流体６３を注入することにより、切羽側に連通している保持孔２２ａ，４１内を加圧流体６３で満たし、保持孔２２ａ，４１内への切羽側の土砂の流入を防ぐことができる。

次に、ゲート遮断前引抜き工程の後のゲート遮断後引抜き工程において、図１１に示すように、スライドゲート機構２７の開閉駆動手段５５を操作して、ゲート部材５４を閉位置に切換えることで、カッターホルダー２１に装着されたローラーカッター１３よりも前側でゲート部材５４により保持孔２２ａ，４１を遮断した状態にする。

ゲート部材５４を閉位置（遮断位置）に切換えた状態で、案内支持部材２８からストッパー２９を取り外し、図１２に示すように、カッターホルダー２１を複数の油圧シリンダ３２で案内支持部材２８上を後方へ、カッターホルダー２１の後端が案内支持部材２８の後端に一致するまで第３の所定ストローク（例えば２５５ｍｍ）移動させる。こうして、カッターホルダー２１をカッターホルダー２１の交換を行う反切羽側位置に移動させることができる。

このゲート遮断後引抜き工程において、カッターホルダー２１を引抜く作業と並行してカッターホルダー２１とゲート部材５４との間に注入ノズル６０から加圧空気６４を注入する。このように加圧空気６４を注入することにより、ゲート部材５４よりも後側でゲート部材５４と保持孔２２ａ，４１の壁面に付着した加圧流体６３に対するローラーカッター１３の剥離を促進することができる。但し、加圧空気６４を注入する代わりに、注入ノズル６０から大気圧の空気を導入するようにしてもよい。

次に、ゲート開放前押入れ工程において、図１３に示すように、複数の油圧シリンダ３２とカッターホルダー２１の後端部とを連結する第２連結部材３５と出力部材３３を取り外し、チェーンブロックと吊下げ治具により使用済のローラーカッター１３付きのカッターホルダー２１を上方へ取り除き、次に、未使用のローラーカッター１３Ａを装着したカッターホルダー２１Ａをチェーンブロックと吊下げ治具によって案内支持部材２８上に搬入する。こうして、使用済のカッターホルダー２１と未使用のカッターホルダー２１Ａとを交換する。

その後、図１４に示すように、交換後のカッターホルダー２１Ａと出力部材３３とを第２連結部材３５を介して連結し、複数の油圧シリンダ３２を作動させて、図１５に示すゲート部材５４の近くの位置までカッターホルダー２１Ａを前方へ押入れる。

次に、ゲート開放前押入れ工程の後のゲート開放後押入れ工程において、ゲート部材５４による遮断を解除し、図１６の状態になるまでカッターホルダー２１Ａを切羽側位置へ向けて押入れてから、図１７に示すように、第２連結部材３５に換えて第１連結部材３４を装着し、引き続きカッターホルダー２１Ａを押入れて図８に示す切羽側位置まで移動させる。尚、第１，第２連結部材３４，３５を交換する際には、第２抜け止めボルト５９を環状溝２１ｅに係合させてカッターホルダー２１を本体ケース３１に固定した状態で交換する。

前記ゲート開放後押入れ工程と並行して行う流体回収工程において、カッターホルダー２１Ａよりも切羽側の保持孔部分から回収ノズル６１により加圧流体６３を回収する。
上記のように、前記ゲート開放後押入れ工程において、カッターホルダー２１Ａを前方へ切羽側位置まで移動させて保持孔２２ａ内に装着する。その後、カッターホルダー交換装置２５を取り外して閉塞板２３を固定すると、カッターホルダー２１，２１Ａの交換作業が終了する。

尚、上記のように、前記ゲート遮断前引抜き工程と、ゲート遮断後引抜き工程により、カッターホルダー２１を切羽側位置から反切羽側位置へ引抜くことができるが、これらゲート遮断前引抜き工程とゲート遮断後引抜き工程の区分時期を変更して、次のような第１，第２引抜き工程に区分することも可能である。

即ち、第１引抜き工程は、第１連結部材３４を用いて、カッターホルダー２１を切羽側位置から、図９に示すように油圧シリンダ３２が最大限伸長した途中位置まで引抜く工程である。第２引抜き工程は、第２連結部材３５を用いて、カッターホルダー２１を上記の途中位置から図１２に示す反切羽側位置まで引抜く工程である。
上記と同様に、前記ゲート開放前押入れ工程と、ゲート開放後押入れ工程によりカッターホルダー２１Ａを反切羽側位置から切羽側位置へ押入れることができるが、これらゲート開放前押入れ工程とゲート開放後押入れ工程の区分時期を変更して、次のような第１，第２押入れ工程に区分することも可能である。

即ち、第１押入れ工程は、第２連結部材３５を用いて、カッターホルダー２１を反切羽側位置（図１４）から、図１６に示すように油圧シリンダ３２が最大限収縮した途中位置まで押入れる工程である。第２押入れ工程は、第１連結部材３５を用いて、カッターホルダー２１を上記の途中位置から図８に示す切羽側位置まで押入れる工程である。
尚、本実施形態では、第１引抜き工程、第１押入れ工程において、油圧シリンダ３２を最大限まで伸長、収縮させているが、伸長、収縮ストロークはこれに限定されるものではない。

次に、上記のローラーカッター交換装置２５の効果について説明する。
保持部材２２の外側でカッタースポーク１１の前端部に油圧シリンダ３２の前端部を連結するため、保持部材２２と本体ケース３１の外側空間を有効利用して複数の油圧シリンダ３２を配置できる。そのため、保持部材２２に対向するカッタースポーク１１の後側壁部との間に油圧シリンダ３２を配置する空間を取る必要がなく、ローラーカッター交換装置２５について省スペース化を図ることができ、カッタースポーク１１の大型化を抑制しつつ、カッターホルダー２１，２１Ａの交換作業性を向上できる。

保持部材２２とその後端に接続された本体ケース３１に前後方向にストレート状の保持孔２２ａ，４１を形成し、複数の油圧シリンダ３２の駆動力でカッターホルダー２１を切羽側位置と反切羽側位置とに亙って移動させる構成とし、スライドゲート機構２７のゲート部材５４で第２保持孔４１を横断的に開閉可能とし、ゲート部材５４は開状態のとき本体ケース３１の外側に収容される構成としたので、保持部材２２及び本体ケース３１内にゲート部材５４を収容するスペースを設ける必要がない。

そのため、保持孔２２ａ，４１はカッターホルダー２１を収容し且つ前後に移動させるだけのコンパクトなものでよいから、カッターホルダー２１よりも前側の保持孔部分に注入ノズル６０から加圧流体６３を注入する際、保持孔部分の全体に加圧流体６３を充填可能で、加圧流体６３の注入量も少なくすることができる。

カッターホルダー２１を切羽側位置から反切羽側位置へ切換える際に、保持孔２２ａ，４１のカッターホルダー２１よりも前側部分に高密度で高粘性の加圧流体６３を注入するため、保持孔２２ａ，４１内へ切羽側の土砂が流入するのを防止して、ゲート部材５４の円滑な摺動性を確保すると共に交換後のカッターホルダー２１を切羽側位置へ押入れる際の円滑な摺動性を確保することができる。

しかも、保持部材２２と本体ケース３１を前後方向に貫通する円筒状の保持孔２２ａ，４１内をカッターホルダー２１が反切羽側位置に向って移動するとき、カッターホルダー２１よりも前側の保持孔部分に加圧流体を注入するため、カッターホルダー２１よりも前側の保持孔部分の体積変化が連続的であるから、加圧流体の注入量をコントロールしながら注入することで、切羽側の土砂の土圧に対向する圧力をかけることで、保持孔２２ａ，４１内への土砂の流入を防ぐことができる。

しかも、交換後のカッターホルダー２１Ａを切羽側位置へ押入れる際には、カッターホルダー２１Ａよりも切羽側の保持孔部分から回収ノズル６１により加圧流体６３を回収するため、高密度で高粘性の加圧流体６３が保持孔２２ａ，４１内で圧密状態となってカッターホルダー２１Ａの押入れの妨げになることもない。

次に、ローラーカッター交換方法の効果について説明する。
ゲート遮断前引抜き工程により、複数の油圧シリンダ３２を作動させて、第１，第２連結部材３４，３５を介して使用済のローラーカッター１３が装着されたカッターホルダー２１を第２保持孔４１内のゲート部材５４よりも後側位置まで引抜くことができる。

ゲート遮断前引抜き工程と並行して行う流体注入工程により、カッターホルダー２１が引き抜かれることで前記保持孔２２ａ，４１内に形成される空間に高密度で高粘度の加圧流体６３を注入するため、保持孔２２ａ，４１内へ切羽側の土砂が流入するのを防止して、ゲート部材５４の円滑な摺動性を確保すると共に交換後のカッターホルダー２１を切羽側位置へ押入れる際の円滑な摺動性を確保することができる。

ゲート遮断後引抜き工程により、保持孔２２ａ，４１のカッターホルダー２１よりも前側をゲート部材５４で遮断してから、カッターホルダー２１を反切羽側位置まで引抜くことができる。このゲート遮断後引抜き工程において、カッターホルダー２１を引抜く作業と並行して、カッターホルダー２１とゲート部材５４の間に加圧空気６４を注入する。そのため、ゲート部材５４の後側でゲート部材５４と保持孔４１の壁面に付着した加圧流体６３に対するローラーカッター１３の剥離を促進することができる。

次のゲート開放前押入れ工程により、使用済のカッターホルダー２１と未使用のカッターホルダー２１Ａを交換することができ、複数の油圧シリンダ３２を作動させて交換後のカッターホルダー２１Ａをゲート部材５４の近くまで押入れることができる。

次のゲート開放後押入れ工程により、ゲート部材５４の遮断を解除し、交換後のカッターホルダー２１Ａを切羽側位置まで押入れることができる。
このゲート開放後押入れ工程と並行して行う流体回収工程により、カッターホルダー２１Ａよりも切羽側の保持孔部分から加圧流体６３を回収するため、高密度で高粘性の加圧流体６３が保持孔２２ａ，４１内で圧密状態となってカッターホルダー２１Ａの押入れの妨げになることもない。

次に、前記実施形態を部分的に変更する例について説明する。
［１］前記実施形態において、本体ケース３１は第１〜第３本体部材３６〜３８の３部材で構成したが、１つの一体部材で構成してもよい。

［２］油圧シリンダ３２の設置数、第１，第２牽引部材３４，３５の長さ、カッターホルダー２１を引き出すストローク等は、一例に過ぎず、適宜変更可能である。油圧シリンダ ３２はピストンロッド４５ａの先端部をカッタースポーク１１の前端部に連結するように前記実施形態の油圧シリンダ３２とは前後を逆にして設置してもよい。尚、油圧シリンダ３２の代わりに、油圧シリンダ以外の流体圧シリンダを採用してもよい。

［３］図１８に示すように、前記注入ノズル６０と回収ノズル６１を保持部材２２の側部に装着し、保持部材２２とカッターホルダー２１に形成したポート６０ａから装着凹部２１ａに加圧流体を注入するように構成し、保持部材２２とカッターホルダー２１に形成したポート６１ａから装着凹部２１ａ側の加圧流体を回収するように構成してもよい。
尚、ポート６０ａ，６１ａの位置は、本実施形態のものに限定されるものはなく、装着凹部２１ａに加圧流体を注入可能であり、装着凹部２１ａから加圧流体を回収可能な部位であればよい。

［４］前記実施形態のローラーカッター交換装置では、比較的小型のカッタースポーク１１に装備されたカッターホルダー２１を交換する関係上、第１，第２連結部材３４，３５を切換えながらカッターホルダー２１を交換した。しかし、比較的大きなサイズのカッタースポークに装備したカッターホルダーを交換する場合には、特許第５０９１０７７号公報に記載のように、１つのテレスコ型油圧ジャッキ（油圧シリンダ）により、カッターホルダーを引抜いたり、押入れたりすることができる。

［５］前記実施形態では、ローラーカッター１３を取り付けたカッターホルダー２１を交換するカッター交換技術を例にして説明したが、特許第５０９１０７７号公報に記載のような、ローラーカッターの代わりにカッタービット（バイトカッター）を取り付けたカッターホルダーを交換するカッター交換装置及びカッター交換方法にも本発明を同様に適用することができる。

［６］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ シールド掘進機
１１ カッタースポーク
１３ ローラーカッター
２１，２１Ａ カッターホルダー
２２ 保持部材
２２ａ 保持孔
２５ ローラーカッター交換装置
２７ スライドゲート機構
３１ 本体ケース
３２ 油圧シリンダ
３３ 出力部材
３４ 第１連結部材
３５ 第２連結部材
４１ 第２保持孔
５４ ゲート部材
６０ 注入ノズル
６１ 回収ノズル

Claims (3)

1. トンネル掘削機のカッターホルダーを交換するカッター交換装置において、
   前記トンネル掘削機のカッタースポークに取付けられ且つ前記カッターホルダーを切羽側位置に保持する保持部材と、前記カッターホルダーを移動させるために前記保持部材の後側に接続される本体ケースと、切羽側位置と反切羽側位置の間で前記カッターホルダーの位置を切換え可能な複数の油圧シリンダとを含む引出し機構とを備え、
   前記保持部材と前記本体ケースを前後方向に貫通する円筒状の保持孔が形成され、前記カッターホルダーが前記油圧シリンダの駆動力により前記保持孔を介して切羽側位置と反切羽側位置とに亙って位置切換え自在に構成され、
   前記カッターホルダーを切羽側位置から反切羽側位置へ切換える時に前記保持孔の前記カッターホルダーよりも切羽側部分に加圧流体を注入する流体注入手段と、前記カッターホルダーを反切羽側位置から切羽側位置へ切換える時に前記保持孔に滞留する前記加圧流体を回収する流体回収手段とを備え、
   前記本体ケースの下部の反切羽側端部から反切羽側へ延び且つ前記カッターホルダーを載置支持可能な案内支持部材が前記本体ケースの反切羽側端部に着脱可能に設けられたことを特徴とするカッター交換装置。
2. 前記本体ケースに取付けられ前記カッターホルダーを反切羽側位置に切換える時に前記保持孔を遮断可能なスライドゲート機構を備え、前記スライドゲート機構は、開状態の時に前記本体ケースの外側に収容され且つ遮断状態のときに前記保持孔を塞ぐゲート板を有することを特徴とする請求項１に記載のカッター交換装置。
3. トンネル掘削機のカッターホルダーを交換するカッター交換方法において、
   カッタースポークに固定された部材に形成された保持孔を介して切羽側位置と反切羽側位置とに亙って移動可能なカッターホルダーを、前記保持孔内で地山に面する切羽側位置から反切羽側位置に向けて引抜き、前記カッターホルダーに装着されたカッターの先端が前記保持孔を遮断するゲート板よりも後方へスライドさせるゲート遮断前引抜き工程と、
   前記ゲート遮断前引抜き工程と並行して、前記カッターホルダーが引抜かれることで前記保持孔内に形成される空間に加圧流体を注入する流体注入工程と、
   前記ゲート遮断前引抜き工程の後で、前記ゲート板により前記保持孔を遮断し、その後前記カッターホルダーと前記ゲート板との間に空気を流入させながら、前記カッターホルダーを更に反切羽側位置まで引抜くゲート遮断後引抜き工程と、
   前記ゲート遮断後引抜き工程の後で前記カッターホルダーを新しいカッターホルダーに交換し、その交換後のカッターホルダーを前記ゲート板近くまで押入れるゲート開放前押入れ工程と、
   前記ゲート開放前押入れ工程の後で、前記ゲート板による遮断を解除し、前記交換後のカッターホルダーを切羽側位置に向けて押入れるゲート開放後押入れ工程と、
   前記ゲート開放後押入れ工程と並行して、前記カッターホルダーよりも切羽側の保持孔部分から加圧流体を回収する流体回収工程とを有することを特徴とするカッター交換方法。