JP2017141545A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】カッタヘッドの回転中心部付近における地山の切削を効率良く行う。【解決手段】カッタヘッド１１の回転中心に位置して設けられる回転中心ビット２５を備えたトンネル掘削機１において、前記回転中心ビット２５が、回転中心から径方向に延びる切り欠き部２５ｃを有して成る。【選択図】図５

Description

本発明は、トンネル掘削機に関する。

トンネル掘削機は、円筒形状を成す掘削機本体（スキンプレート）の前方部に円盤形状を成すカッタヘッドがカッタ駆動装置により駆動回転可能に支持されると共に、掘削機本体の後方部に当該掘削機本体を前進させる複数のシールドジャッキ（推進手段）と既設トンネルの内壁面（地山の周壁）にセグメントを組み付けるエレクタ装置とが装着されて成る。シールドジャッキを伸長させて既設のセグメントに押し当てることにより、セグメントからの反力を得て掘削機本体を前進させると共に、カッタ駆動装置を駆動させてカッタヘッドを回転させることにより、前方の地山を掘削することができる。

カッタヘッドには、多数のビット（カッタビット、先行ビット、切削ビットなど）が装着されている。これらのビットは、回転軌跡の接線方向に延びる矩形形状から成り、回転軌跡が径方向に重なるように配置されている。ここで、カッタヘッドの回転中心部においては、矩形のビットを回転軌跡が径方向に重なるように複数設けることができないため、円柱形状から成るビットが設けられている。このように矩形のビットおよび円柱のビットを備え、これらのビットをカッタヘッドと共に回転駆動することにより、前方の地山が掘削される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−９７３３３号公報

ここで、従来のトンネル掘削機における前方部の概略構成を図９の説明図に示す。図９に示すように、トンネル掘削機２０１の前方部（図９における左方部）には、カッタヘッド２１１が設けられており、このカッタヘッド２１１は、図示しないカッタ駆動装置によって回転駆動されるようになっている。カッタヘッド２１１には、矩形形状から成るビット２４０，２４１が多数設けられており、これらのビット２４０，２４１は、回転軌跡が径方向に重なるように配置されている。よって、トンネル掘削機２０１による地山の掘削において、多数のビット２４０，２４１は、カッタヘッド２１１の回転駆動によって、それぞれ所定半径の（径方向に重ならない）回転軌跡を描いて動作し、トンネル掘削機２０１（図示しないシールドジャッキ）の掘進力によって、前方の地山を隙間なく切削するようになっている。

また、カッタヘッド２１１には、その回転中心に位置して円柱形状から成るビット２２５が設けられている。しかし、このビット２２５は、カッタヘッド２１１の回転駆動によっても常にカッタヘッド２１１の回転中心に位置しているため、トンネル掘削機２０１（図示しないシールドジャッキ）の掘進力が、当該ビット２２５を前方の地山に押し込むように作用してしまうことがある。このようにビット２２５がカッタヘッド２１１と共に回転しつつ地山に押し込まれると、地山とビット２２５との摩擦によって熱が発生し、ビット２２５が損傷する虞がある。特に、支障物等の硬いものを切削する場合には、支障物とビット２２５との摩擦によって熱が発生するだけでなく、切削した支障物等の切削片がビット２２５，２４０，２４１に絡まる、または、ビット２２５，２４０，２４１間に挟まるなどして、ビット２２５，２４０，２４１の損傷を招く虞がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、カッタヘッドの回転中心部付近における地山の切削を効率良く行うことを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るトンネル掘削機は、カッタヘッドの回転中心に位置して設けられる回転中心ビットを備えたトンネル掘削機において、前記回転中心ビットが、回転中心から径方向に延びる切り欠き部を有するものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るトンネル掘削機は、第一の発明に係るトンネル掘削機において、前記回転中心ビットの周囲に設けられる内周側ビットが、当該内周側ビットの回転軌跡に対応した扇台形状から成るものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るトンネル掘削機は、第二の発明に係るトンネル掘削機において、複数の前記内周側ビットが、前記カッタヘッドの周方向に重なるように配置されると共に、前記カッタヘッドの径方向に重ならないように配置されるものであることを特徴とする。

第一の発明に係るトンネル掘削機によれば、回転中心ビットに切り欠き部を設けたことよって、回転中心ビットが前方の地山に押し込まれないので、地山とビットとの摩擦によって熱が発生してビットが損傷する虞が低減されると共に、カッタヘッドの回転中心部付近における地山の切削が効率良くなされる。また、回転中心ビットによって切削された土砂は、切り欠き部から良好に径方向外周側へ流動されるので、掘削土砂をチャンバ内へ良好に取り込むことができる。また、カッタヘッドの回転中心部付近における土砂および切削片の流動性が向上されることにより、切削した支障物等の切削片がビットに絡まる、または、ビット間に挟まるなどの事象が発生し難くなるので、ビットが損傷する虞が低減される。

第二の発明に係るトンネル掘削機によれば、内周側ビットと地山との接触が最小限に抑えられるので、内周側ビットの切削抵抗が低減され、安定して地山を切削することができる。

第三の発明に係るトンネル掘削機によれば、内周側ビットによって地山を隙間なく切削することができると共に、回転中心ビットおよび当該回転中心ビットの周囲に配置される内周側ビットによって切削された土砂が径方向外周側へ良好に流動される。

実施例１に係るトンネル掘削機の構造を示す説明図（縦断面図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるカッタヘッドの構造を示す正面図（図１におけるII矢視図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す正面図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す側面図（図３におけるIV矢視図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す部分拡大図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す部分拡大図（図５におけるVI−VI矢視断面図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す部分拡大図（図５におけるVII−VII矢視断面図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるフィッシュテールの構造を示す部分拡大図（図５におけるVIII−VIII矢視断面図）である。 従来のトンネル掘削機における前方部の概略構成を示す説明図である。

以下に、本発明に係るトンネル掘削機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の構造について、図１から図８を参照して説明する。

図１に示すように、トンネル掘削機１には、円筒形状を成すスキンプレート（掘削機本体）１０が設けられている。スキンプレート１０の前方部（図１においては、左方側）には、円盤形状のカッタヘッド１１が回転自在に支持されると共に、このカッタヘッド１１の後方に位置してバルクヘッド１２が取り付けられている。カッタヘッド１１とバルクヘッド１２との間にはチャンバ１３が形成されており、前方の地山を掘削することによって生じた土砂（掘削土砂）は、このチャンバ１３内に一時的に蓄えられるようになっている。

バルクヘッド１２には、カッタヘッド１１を回転駆動するためのカッタ駆動モータ１４が支持されており、このカッタ駆動モータ１４には、図示しないギヤ機構を介して、リングギヤ１５が連結されている。リングギヤ１５には、トンネル前方へ延設される複数本の中間ビーム１６が設けられており、この中間ビーム１６の先端部（図１においては、左方側端部）には、カッタヘッド１１が着脱可能に装着されている。よって、カッタ駆動モータ１４が駆動されると、図示しないギヤ機構を介して、リングギヤ１５および中間ビーム１６が回転駆動されると共にカッタヘッド１１が回転駆動される。

図１および図２に示すように、カッタヘッド１１には、その回転中心に位置する回転軸部１７と、回転軸部１７の外周側に位置して中間ビーム１６と連結される内周リング１８と、内周リング１８の外周側に位置してスキンプレート１０と略同じ外径を有する外周リング１９とが設けられている。

また、カッタヘッド１１には、回転軸部１７の前方部（前端）に位置してフィッシュテール２０が設けられると共に、回転軸部１７の外周から放射状（等角度間隔であって、本実施例においては４５°間隔）に延びる複数（本実施例においては、八本）の主カッタスポーク２１と、各主カッタスポーク２１の間に配設される複数（本実施例においては、八本）の副カッタスポーク２２とが設けられている。

ここで、主カッタスポーク２１は、回転軸部１７の外周から放射状に延びて内周リング１８に連結されると共に、その先端部（外周側端部）が外周リング１９に連結されており、副カッタスポーク２２は、内周リング１８と外周リング１９との間に架設されている。

なお、主カッタスポーク２１および副カッタスポーク２２には、図示しない多数の土砂切削ビットと支障物切削ビットが装着されており、更に、主カッタスポーク２１および副カッタスポーク２２は、回転中心に向かってトンネル前方へ傾斜する、すなわち、円錐形状に傾斜する傾斜型を成している。よって、トンネル掘削機１によるトンネル１００の掘削において図示しないＨ型鋼や鋼矢板等の支障物に遭遇した際には、容易に支障物を切削することができるようになっている。

また、主カッタスポーク２１と副カッタスポーク２２との間には、土砂取り込み口２３が形成されており、前方の地山を掘削することによって生じた土砂（掘削土砂）は、この土砂取り込み口２３からチャンバ１３内に取り込まれるようになっている。

図３および図４に示すように、フィッシュテール２０には、山形に形成されたカッタフレーム２４が設けられており、このカッタフレーム２４には、トンネル前方（図３においては紙面手前側であって、図４においては上方側）に向けて突出する複数のフィッシュテールビット（例えば、支障物切削ビット）２５，２６，２７が装着されている。

図５から図７に示すように、フィッシュテール２０の回転中心に位置して装着されるフィッシュテールビット（以下、本明細書においては回転中心ビットと呼ぶ）２５は、カッタフレーム２４に取り付けられる半円柱形状の（半円形状から成る）ビット本体２５ａと、当該ビット本体２５ａに埋設される複数（本実施例においては、八つ）の超硬チップ２５ｂとから成る。つまり、回転中心ビット２５は、半円形状から成る切り欠き部２５ｃが設けられたビットである。

回転中心ビット２５における超硬チップ２５ｂは、前方（図５においては紙面手前側であって、図６，７においては上方側）に突出した山形を成しており、内周側において周方向に所定間隔で三つ並んで配設され、外周側において周方向において所定間隔で五つ並んで配設されている。よって、カッタヘッド１１が回転されると、回転中心ビット２５は、その内周側において三つの超硬チップ２５ｂが地山を切削すると共に、その外周側において五つの超硬チップ２５ｂが地山を切削する。このように、回転中心ビット２５に複数の山形から成る超硬チップ２５ｂを設けることにより、前方の地山を効率良く切削することができる。

また、回転中心ビット２５の全体形状が、切り欠き部２５ｃを有する半円柱形状であるので、この回転中心ビット２５によって切削される土砂は、切り欠き部２５ｃから径方向外周側へ向かって流動し易い（図５において二点鎖線で示す矢印参照）。つまり、回転中心ビット２５にその回転中心から径方向に延びるように切り欠かれた半円形状から成る切り欠き部２５ｃを設けたことにより、当該回転中心ビット２５が前方の地山を押し込むことなく、効率良く切削することができると共に、カッタヘッド１１の回転中心近傍にビットが密集せず、掘削土砂を良好に径方向外周側へ流動させることができる。

もちろん、本発明における回転中心ビットは、本実施例のように半円柱形状の（１８０°の扇形状から成る）回転中心ビット２４に限定されず、例えば、回転中心部が鈍角のもの（１８０°よりも大きい扇形状から成るもの）、または、回転中心部が鋭角のもの（１８０°よりも小さい扇形状から成るもの）であっても良い。つまり、回転中心ビットが前方の地山を押し込むことなく、効率良く切削することができると共に、回転中心ビットによって切削された土砂が径方向外周側へ流動し易いように、当該回転中心ビットに略回転中心部から径方向に延びる切り欠き部が形成されていれば良い。

図５から図８に示すように、フィッシュテール２０の回転中心近傍であって回転中心ビット２５の周囲に位置して装着されるフィッシュテールビット（以下、本明細書においては内周側ビットと呼ぶ）２６は、カッタフレーム２４に取り付けられる扇台形状の（回転軌跡に対応した扇台形状から成る）ビット本体２６ａと、当該ビット本体２６ａに埋設される複数（本実施例においては、四つ）の超硬チップ２６ｂとから成る。つまり、内周側ビット２６は、回転軌跡（図５においては、一点鎖線で示す）に対応した曲率で湾曲されたビットである。

内周側ビット２６における超硬チップ２６ｂは、周方向に所定間隔で四つ並んで配設されている。よって、カッタヘッド１１が回転されると、内周側ビット２６は、周方向に並べられた四つの超硬チップ２６ｂが地山を切削する。このように、内周側ビット２６が回転軌跡に対応した曲率で湾曲されて成ることにより、複数の超硬チップ２６ｂが略同一の回転軌跡を描くと共に、ビット本体２６ａと地山との接触が回避される（内周側ビット２６と地山との接触が最小限に抑えられる）ので、内周側ビット２６の切削抵抗が低減され、内周側ビット２６による安定した地山の切削が可能となる。

また、複数（本実施例においては、六つ）の内周側ビット２６は、周方向に重なるように配置されており、前方の地山が隙間なく切削されるようになっている。更に、複数の内周側ビット２６は、径方向に重ならないように配置されており、当該内周側ビット２６によって切削された土砂が良好に径方向外周側へ向かって流動されるようになっている。

図３に示すように、内周側ビット２６の径方向外周側に位置して装着されるフィッシュテールビット（以下、本明細書においては外周側ビットと呼ぶ）２７は、回転軌跡の接線方向に延びる矩形形状から成るビットである。外周側ビット２７の構成は、カッタフレーム２４に取り付けられる図示しない矩形形状のビット本体と、当該ビット本体に埋設される図示しない複数の超硬チップとから成る。そして、内周側ビット２６と同様に、周方向に重なるように配置されており、前方の地山が隙間なく切削されるようになっている。なお、外周側ビット２７は、内周側ビット２６の径方向外周側に位置し、その回転軌跡の曲率が大きいため、図示しない超硬チップが略同一の回転軌跡を描くと共に、図示しないビット本体が地山と接触することがないものとする。

カッタヘッド１１の径方向内周側に位置するフィッシュテール２０が上述したように構成されることにより、前方の地山は、当該フィッシュテール２０に押し込まれることなく効率良く切削されると共に、その切削によって生じる土砂は、良好に径方向外周側へ向かって流動され、土砂取り込み口２３を介してチャンバ１３内へ取り込まれるようになっている。ここで、フィッシュテール２０によって支障物等の硬いものを切削した場合においても、切削された切削片がビット２５，２６，２７に絡まる、または、ビット２５，２６，２７間に挟まることはない。つまり、支障物等の切削片の流れが悪く、ビット２５，２６，２７が損傷することはない。

また、図１および図２に示すように、カッタヘッド１１における一部（本実施例においては、四本）の主カッタスポーク２１には、図示しない油圧ジャッキによってトンネル径方向へ伸縮（出没）可能なコピーカッタ２８が装着されており、このコピーカッタ２８によってトンネル１００の余掘りがなされるようになっている。

なお、図１に示すように、回転軸部１７には、バルクヘッド１２に支持されるロータリジョイント２９が連結されており、このロータリジョイント２９によって、コピーカッタ２８を動作するための図示しない油圧ジャッキへの圧油の給排等がなされるようになっている。

図１に示すように、スキンプレート１０の内側には、バルクヘッド１２を貫通してチャンバ１３に開口するスクリューコンベア３０が配設され、カッタヘッド１１の回転駆動によって掘削されてチャンバ１３内に取り込まれた土砂（掘削土砂）をトンネル後方（図１においては、右方側）へ搬送することができるようになっている。なお、スクリューコンベア３０によってトンネル後方へ搬送された掘削土砂は、図示しないベルトコンベア等によって排出されるようになっている。

また、スキンプレート１０の後方部には、カッタヘッド１１によって掘削されたトンネル１００の内壁面に沿ってセグメントＳを構築する（組み立てる）ためのエレクタ装置３１と、トンネル後方に向けて伸長可能な複数のシールドジャッキ（推進手段）３２が設けられている。よって、エレクタ装置３１によって構築したセグメントＳに対してシールドジャッキ３２を伸長することにより、スキンプレート１０すなわちトンネル掘削機１を掘進させるための反力を得ることができる。このように、セグメントＳからの反力を得てトンネル掘削機１を掘進させることにより、前方の地山を掘削してトンネル１００を形成することができる。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の動作について、図１から図８を参照して説明する。

トンネル掘削機１は、カッタ駆動モータ１４を駆動することによってカッタヘッド１１を回転駆動すると共に、複数のシールドジャッキ３２を伸長して既設セグメントＳから押し付け反力を得ることによって掘削機本体１０を前進させ、前方の地山を掘削する（図１参照）。

カッタヘッド１１の回転駆動によって掘削された土砂は、土砂取り込み口２３からチャンバ１３内に取り込まれ、当該チャンバ１３内に開口して設けられるスクリューコンベア３０によって後方へ搬送されると共に、スクリューコンベア３０の後端部から図示しないベルトコンベア等によって排出される。

そして、一部のシールドジャッキ３２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３１によってこの空所に新しいセグメントＳを構築する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネル１００を掘削形成していく。

カッタヘッド１１の回転駆動による地山の掘削においては、フィッシュテール２０における回転中心ビット２５が切り欠き部２５ｃを有する半円柱形状であるので、回転中心ビット２５が前方の地山を押し込むことなく、前方の地山が効率良く切削される。

更に、フィッシュテール２０における内周側ビット２６が回転軌跡に対応した曲率で湾曲した扇台形状であり、ビット本体２６ａと地山との接触が回避される（内周側ビット２６と地山との接触が最小限に抑えられる）ので、内周側ビット２６の切削抵抗が低減され、内周側ビット２６による安定した地山の切削がなされる。

また、カッタヘッド１１の回転駆動による地山の掘削においては、フィッシュテール２０における回転中心ビット２５が切り欠き部２５ｃを有する半円柱形状であるので、この回転中心ビット２５によって切削された土砂は、切り欠き部２５ｃから良好に径方向外周側へ流動される（図５において二点鎖線で示す矢印参照）。

更に、フィッシュテール２０における内周側ビット２６が径方向に重ならないように配置されているので、この内周側ビット２６および回転中心ビット２５によって切削された土砂は、より良好に径方向外周側へ流動される。

このように、フィッシュテール２０の径方向外周側へ良好に流動された掘削土砂は、フィッシュテール２０（回転軸部１８）の径方向外周側に設けられた土砂取り込み口２３を介して、チャンバ１３内に良好に取り込まれる。

以上のように、本実施例に係るトンネル掘削機１によれば、カッタヘッド１１の径方向内周側（フィッシュテール２０）においても、効率良く安定した地山の掘削がなされると共に、掘削土砂が良好にチャンバ１３内へ取り込まれるので、トンネル掘削機１における掘削性能は向上される。

本発明に係るトンネル掘削機は、土圧式シールド掘削機、泥土圧式シールド掘削機、泥水式シールド掘削機、トンネルボーリングマシン等の種々のトンネル掘削機に有効に適用することができる。

１ トンネル掘削機
１０ スキンプレート（掘削機本体）
１１ カッタヘッド
１２ バルクヘッド
１３ チャンバ
１４ カッタ駆動モータ
１５ リングギヤ
１６ 中間ビーム
１７ 回転軸部
１８ 内周リング
１９ 外周リング
２０ フィッシュテール
２１ 主カッタスポーク
２２ 副カッタスポーク
２３ 土砂取り込み口
２４ カッタフレーム
２５ 回転中心ビット
２５ａ 回転中心ビットのビット本体
２５ｂ 回転中心ビットの超硬チップ
２５ｃ 回転中心ビットの切り欠き部
２６ 内周側ビット
２６ａ 内周側心ビットのビット本体
２６ｂ 内周側心ビットの超硬チップ
２７ 外周側ビット
２８ コピーカッタ
２９ ロータリジョイント
３０ スクリューコンベア
３１ エレクタ装置
３２ シールドジャッキ（推進手段）
１００ トンネル
Ｓ セグメント

Claims (3)

1. カッタヘッドの回転中心に位置して設けられる回転中心ビットを備えたトンネル掘削機において、
   前記回転中心ビットが、回転中心から径方向に延びる切り欠き部を有するものである
   ことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記回転中心ビットの周囲に設けられる内周側ビットが、当該内周側ビットの回転軌跡に対応した扇台形状から成るものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 複数の前記内周側ビットが、前記カッタヘッドの周方向に重なるように配置されると共に、前記カッタヘッドの径方向に重ならないように配置されるものである
   ことを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。

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