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シールド掘進機
説明

シールド掘進機

【課題】土砂の撹拌不良を生じることなく、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換を簡便に行えるようにする。
【解決手段】ロータリジョイント7を介してシールドフレーム11の隔壁12に支持された回転軸16と、シールドフレーム11の進行方向先端に配置されるとともに回転中心とは異なる位置から後方に向かって取り付けられた第1のロッド5を介して回転軸16に接続され、ビット14が設けられたカッタヘッド13と、カッタヘッド13で掘削された土砂が取り込まれる土砂取込室30と、回転軸16の内側に回転不能に配置されて回転軸16の軸方向に移動して土砂取込室30に対して進退可能に設けられ、土砂取込室30内でシールドフレーム11の径方向に延びる第2のロッド9を備えたシャフト8とを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、地盤の掘削に用いられるシールド掘進機に関するものである。
【背景技術】
【0002】
地盤を掘削してトンネルや地下鉄などの掘削に使用される装置として、シールド掘進機が知られている。
【0003】
このシールド掘進機はシールドフレームの進行方向先端にカッタヘッドが回転可能に設けられており、当該カッタヘッドにはローラカッタ等のビットが円周状・放射状に複数配置されている。そして、カッタヘッドを掘削面に押し付けて回転させながら進むことにより、地盤が円形に掘削されていく。
【0004】
そして、地盤を掘削するにつれてビットが摩耗していくために、所望の掘削性能を維持するために、所定の距離だけ掘進したならば、作業者によりビットを交換する必要が生じる。その際、カッタヘッドの進行方向側つまり表面側は地盤に接しているために、作業者はシールド掘進機の内部に入り込んでカッタヘッドの裏面側から交換作業をしなければならない。
【0005】
ここで、従来のシールド掘進機の構造について、図6を用いて説明する。
【0006】
図示するように、従来のシールド掘進機では、シールドフレーム51の進行方向先端に設けられたカッタヘッド53はロータリジョイント57を介して隔壁52に回転自在に支持された回転軸56に固定されている。また、カッタヘッド53、隔壁52およびシールドフレーム51で囲まれた空間により土砂取込室60が形成されており、カッタヘッド53で掘削された土砂は土砂取込室60に取り込まれるようになっている。
【0007】
カッタヘッド53には後方に向かって複数本の第1のロッド55が延びて隔壁52まで至っている。当該第1のロッド55は隔壁52の内部に配置されてモータにより回転するリング部材54に固定されている。したがって、カッタヘッド53はモータによりリング部材54を介して回転する。また、カッタヘッド53に取り付けられた第1のロッド55はカッタヘッド53の回転により回転(公転)する。
【0008】
そして、隔壁52から土砂取込室60に向けて第2のロッド59が突出して設けられている。この第2のロッド59は隔壁52に固定されたものであり、カッタヘッド53の回転により公転する第1のロッド55と共働することにより、土砂取込室60に取り込まれた土砂が十分に撹拌されるようになっている。
【0009】
掘削時にカッタヘッド53から地盤へ吐出される添加材はロータリジョイント57の外周面に開口した添加材導入孔58から回転軸56内を通ってカッタヘッド53に至る添加材配管61を通って供給されるようになっている。また、カッタヘッド53の径方向外方に突出して余掘りを行うためのコピーカッタの突出量をコントロールするための油圧配管(図示せず)も、同様に回転軸56内を通ってカッタヘッド53に至る経路を有している。そのため、カッタヘッド53の回転中心には、油圧配管および添加材配管分岐用のブロック62(以下、単に「ブロック」という。)が設けられている。
【0010】
なお、シールド掘進機については、例えば特開昭62−206194号公報、特開2008−184764号公報、特開2010−77715号公報、特開2011−32819号公報、特公平3−45196号公報、特開2007−303064号公報、特許第4495114号明細書に記載されたものなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開昭62−206194号公報
【特許文献2】特開2008−184764号公報
【特許文献3】特開2010−77715号公報
【特許文献4】特開2011−32819号公報
【特許文献5】特公平3−45196号公報
【特許文献6】特開2007−303064号公報
【特許文献7】特許第4495114号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
前述した従来のシールド掘進機においてカッタヘッド53の裏側の土砂取込室60からビット53aを交換する作業においてカッタヘッド53の回転中心付近に配置されたビット53a(一般的にはローラカッタ)を交換する場合、カッタヘッド53の回転中心にはブロック62が設けられているため、当該ブロック62の解体作業が必要となる。
【0013】
そのため、ビット53aの交換作業が煩雑で時間もかかり、極めて作業性が悪かった。
【0014】
ここで、ブロック解体を回避するためのシールド掘進機の構造としては、カッタヘッド53に設けられて後方に延びる第1のロッド55を利用して油圧配管および添加材配管61をレイアウトすることが考えられる。
【0015】
しかしながら、このような構造ではカッタヘッド53の回転中心付近に隔壁52からの第2のロッド59を配置することができなくなるので、土砂取込室60に取り込まれた土砂が撹拌不良となり、土砂取込室60内の土砂を機外に排出する土砂搬送配管内で閉塞を引き起こすおそれがある。
【0016】
本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、土砂取込室に取り込まれた土砂の撹拌不良を生じることなく、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換作業を簡便に行うことのできるシールド掘進機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記課題を解決するため、請求項1に記載の本発明のシールド掘進機は、中空円筒状のシールドフレームの内周面に固定された隔壁と、ロータリジョイントを介して前記隔壁に回転自在に支持された回転軸と、前記シールドフレームの進行方向先端に配置されるとともに回転中心とは異なる位置から後方に向かって取り付けられた複数本の第1のロッドを介して前記回転軸に接続され、地盤を掘削する複数のビットが設けられたカッタヘッドと、前記カッタヘッド、前記隔壁および前記シールドフレームで囲まれた空間で形成され、前記カッタヘッドで掘削された土砂が取り込まれる土砂取込室と、前記回転軸の内側に回転不能に配置されるとともに前記回転軸の軸方向に移動して前記土砂取込室に対して進退可能に設けられ、当該土砂取込室内で前記シールドフレームの径方向に延びる第2のロッドを備えたシャフトと、を有することを特徴とする。
【0018】
請求項2に記載の発明は、上記請求項1記載の発明において、前記ロータリジョイントは、軸方向に配列された複数個のパーツに分割されている、ことを特徴とする。
【0019】
請求項3に記載の発明は、上記請求項1または2記載の発明において、前記ロータリジョイントの外周面に開口して形成され、流体が導入される流体導入孔と、前記流体導入孔に連通して設けられ、前記回転軸内から前記第1のロッドを通って前記カッタヘッドに至る流体配管と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
請求項1記載の発明によれば、掘削時には、シャフトを前進させて土砂取込室に突出させることにより、カッタヘッドに設けられて公転する第1のロッドと回転不能なシャフトに備えられた第2のロッドとが共働することにより土砂取込室に取り込まれ土砂が十分に撹拌される。一方、ビット交換時には、シャフトを後退させて当該シャフトとカッタヘッドとの間隔を空けることにより、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換を簡便に行うことが可能になる。
【0021】
請求項2記載の発明によれば、ロータリジョイントを構成するパーツを個別に取り外してメンテナンスを行うことができるので、メンテナンス作業が容易になる。
【0022】
請求項3記載の発明によれば、ロータリジョイントから回転軸および第1のロッドを通ってカッタヘッドに至るような流体の流路とすることで、土砂の撹拌不良を防止し、カッタヘッドの回転中心に配置されたビットの交換作業を簡便しつつ、カッタヘッドに送られる流体の経路を確保することが可能になる。また、ロータリジョイントを、軸方向に配列された複数個のパーツに分割しておけば、流体導入孔の形成されたパーツを追加することにより、流体導入孔の追加を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機を示す説明図である。
【図2】図1のシールド掘進機のカッタヘッドを示す説明図である。
【図3】図1のシールド掘進機の要部を示す説明図である。
【図4】図1のシールド掘進機における掘削時の態様を示す概念図である。
【図5】図1のシールド掘進機におけるビット交換時の態様を示す概念図である。
【図6】従来のシールド掘進機を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0025】
図1において、シールド掘進機Mの中空円筒状のシールドフレーム11の進行方向前方内には、外周端面がシールドフレーム11の内周面に固定された隔壁12が設けられている。隔壁12にはロータリジョイント7が取り付けられており、当該ロータリジョイント7を介して回転軸16が隔壁12に回転自在に支持されている。また、後述する第1のロッド5およびリング部材6を介して、シールドフレーム11の外径と略同径の形状をしたカッタヘッド13が回転軸16に接続されている。したがって、図示するようにシールドフレーム11の進行方向先端に配置されたカッタヘッド13は、ロータリジョイント7に回転可能に支持された回転軸16を中心にして回転する。
【0026】
図1および図2に示すように、カッタヘッド13は、回転中心に位置するセンタプレート13aから相互に等しい回転角でシールドフレーム11の径方向へ放射状に延びるスポーク13b(本実施の形態では、4本のスポーク13b)、およびスポーク13bの先端に固定された環状のリング13cを備えており、センタプレート13a、スポーク13bおよびリング13cには、地盤を掘削するための強靭な素材(例えば、超硬合金や焼結タングステンカーバイドなど)からなるビット14が複数取り付けられている。
【0027】
さらに、センタプレート13aには、掘削土砂の塑性流動性を高め、掘削土砂と撹拌混練して止水性を高めるための添加材(流体)を土砂に注入するための添加材注入口15が前方に開口して形成されている。なお、スポーク13bにも添加材注入口が形成されているが、ここでは図示は省略されている。
【0028】
ビット14は、砂礫層掘削用のローラカッタ14aと粘土層掘削用のスクレーパツース14bとからなり、これらがスポーク13bおよびリング13cに沿って円周状、放射状に配置されている。また、添加材注入口15の設けられたセンタプレート13aには、ローラカッタ14aが配置されている。
【0029】
そして、ビット14の取り付けられたカッタヘッド13を掘削面に押し付けて回転させながら進むことにより、地盤が円形に掘削される。
【0030】
なお、カッタヘッド13の後方には、当該カッタヘッド13と隔壁12とシールドフレーム11とで囲まれた空間である土砂取込室30が形成されており、カッタヘッド13で掘削された土砂が取り込まれるようになっている。
【0031】
カッタヘッド13を構成する1本のスポーク13b内には、地盤を径方向に余掘りしてシールド掘進機Mの進行方向を変化させるためのコピーカッタ17が、カッタヘッド13の径方向外方に出没可能に設けられている。
【0032】
コピーカッタ17の後端には、油圧シリンダ19を貫通してカッタヘッド13の回転中心に向けて伸びるロッド18が取り付けられている。油圧シリンダ19は2ポート型となっており、各ポートへ供給されるオイル量をコントロールすることによりシリンダ室(図示せず)のピストン(図示せず)が直線的に往復動し、当該ピストンが取り付けられたロッド18を介してコピーカッタ17がカッタヘッド13から突出し、あるいはカッタヘッド13内へと没入する。
【0033】
前述した回転軸16には軸方向に貫通孔16aが形成されており、当該貫通孔16aつまり回転軸16の内側には、回転軸16の軸方向に沿って移動して土砂取込室30に対して進退可能となったシャフト8が配置されている。回転軸16が回転可能となっているのに対してシャフト8は回転不能になっており、また、当該シャフト8には、土砂取込室30内でシールドフレーム11の径方向に延びる第2のロッド9を備えている。第2のロッド9はシャフト8の先端に取り付けられており、シャフト8からシールドフレーム11の径方向に相互に等しい角度で広がる4本の棒状体(つまり、回転軸16の軸方向から見ると十字形をなす4本の棒状体)である。但し、第2のロッド9は少なくとも1本あれば足り、また取付位置はシャフト8の先端ではなくてもよい。
【0034】
なお、ロータリジョイント7、回転軸16およびシャフト8の詳細については後述する。
【0035】
さて、カッタヘッド13の回転中心とは異なる位置(つまりカッタヘッド13の回転中心から径方向外側寄り)から後方に向かって前述した複数本(例えば6本)の第1のロッド5が取り付けられている。この第1のロッド5は隔壁12に回転自在に取り付けられたリング部材6に固定されており、さらにリング部材6は複数本(例えば6本)の連結材10に固定されている。そして、連結材10は回転軸16に固定されている。したがって、カッタヘッド13は第1のロッド5を介して回転軸16に接続されている。
【0036】
リング部材6の背面には内歯車4が取り付けられており、この内歯車4は隔壁12の後方に装着された駆動モータ3の回転軸に取り付けられた歯車3aにギア結合されている。したがって、駆動モータ3が回転すると、その回転力が歯車3aを介して内歯車4に伝達される。そして、内歯車4の取り付けられているリング部材6を介して、カッタヘッド13が回転軸16を回転中心にして回転する。
【0037】
また、このカッタヘッド13の回転により、カッタヘッド13に取り付けられた第1のロッド5が回転(公転)する。そして、公転する第1のロッド5が回転不能なシャフト8に備えられた第2のロッド9と共働することにより、土砂取込室30に取り込まれた土砂が十分に撹拌されることになる。
【0038】
シールド掘進機Mの機内には掘削された土砂を回収するためのスクリューコンベア29が設けられており、その前端開口部29aは、隔壁12の下端部を貫通して土砂取込室30に開口している。
【0039】
また、シールド掘進機Mのシールドフレーム11は中折れジャッキ33を介して互いに連結された前胴部11aおよび後胴部11bからなり、後胴部11bの前端部内周面に取り付けられた周枠34にセグメントSの組立用エレクタ装置35が設けられており、さらにこの周枠34に複数本の推進ジャッキ36が挿通した状態で支持されている。
【0040】
ここで、図3に示すように、シャフト8の後端には、当該シャフト8を回転軸16の軸方向に移動させるための駆動ロッド20が取り付けられている。そして、図示しないモータに駆動された駆動ロッド20によりシャフト8が軸方向に移動すると、当該シャフト8は前進位置で土砂取込室30内に突出し、後退位置で土砂取込室30から退避する。
【0041】
また、ロータリジョイント7は軸方向に配列された複数個のパーツに分割されており、カッタヘッド13側から見て、油圧シリンダ19に供給されるオイル(流体)が導入される4つのオイル導入孔21(流体導入孔)と添加材注入口15から土砂に注入される添加材(流体)が導入される1つの添加材導入孔22(流体導入孔)が外周面に形成された第1のパーツ7−1、それぞれ1つずつの添加材導入孔22(流体導入孔)が外周面に形成された第2〜第6のパーツ7−2〜7−6、および後端に位置するエンドパーツ7−7で構成されている。なお、第1のパーツ7−1の4つのオイル導入孔21は2つで一組となって径方向に相互に反対となる位置に、また、第1〜第6のパーツ7−1〜7−6の合計6つの添加材導入孔22は径方向に交互に反対となる位置に、それぞれ形成されている。
【0042】
ロータリジョイント7に形成されたオイル導入孔21および添加材導入孔22は回転軸16に形成されて軸方向に延びるオイル流路25および添加材流路24と連通している。そして、これらオイル流路25および添加材流路24を介して、前述した連結材10から第1のロッド5を通ってカッタヘッド13に至る配管23(流体配管)に連通している。
【0043】
なお、ロータリジョイント7と回転軸16との間には環状のシール材26が嵌め込まれており、オイルや添加材の漏出が防止されている。また、ロータリジョイント7とシャフト8とは後端部が回り止め27で相互に固定されており、回転軸16の回転によりシャフト8が連れ周りすることが防止されている。
【0044】
次に、以上のような構成を有するシールド掘進機Mにおける動作について図4および図5を用いて説明する。
【0045】
地盤を掘削するときには、図4に示すように、シャフト8を前進させて土砂取込室30内に突出させておく。これにより、シャフト8に設けられた第2のロッド9は土砂取込室30内でシールドフレーム11の径方向に延びた状態になる。このようにシャフト8を前進させておいてカッタヘッド13を回転させることにより、カッタヘッド13に掘削されて土砂取込室30に取り込まれた土砂は、カッタヘッド13に取り付けられた第1のロッド5が回転(公転)する。そして、公転する第1のロッド5が回転不能なシャフト8に備えられた第2のロッド9と共働することにより、土砂取込室30に取り込まれた土砂が十分に撹拌されることになる。なお、撹拌された土砂はスクリューコンベア29に取り込まれ、機外に回収される。
【0046】
そして、ビット14を交換するときには、図5に示すように、シャフト8を後退させてシャフト8とカッタヘッド13との間隔を空ける。これにより、ビット交換のために作業者が土砂取込室30内からカッタヘッド13の回転中心へアクセスをする際、作業を阻害する部材は存在しなくなる。したがって、カッタヘッド13の回転中心に配置されたローラカッタ14aなどのビット14の交換を簡便に行うことが可能になる。
【0047】
また、本実施の形態のシールド掘進機Mでは、ロータリジョイント7は軸方向に配列された複数個のパーツ7−1〜7−7に分割されている。よって、これらのパーツ7−1〜7−7を個別に取り外してメンテナンスを行うことができるので、メンテナンス作業を容易に行うことができる。但し、ロータリジョイント7は、このように複数個のパーツ7−1〜7−7に分割されていなくてもよい。
【0048】
さらに、本実施の形態のシールド掘進機Mでは、ロータリジョイント7の外周面に開口して、添加材とオイルがそれぞれ導入されるオイル導入孔21と添加材導入孔22とが形成されており、これらオイル導入孔21と添加材導入孔22に連通して設けられて回転軸16内から第1のロッド5を通ってカッタヘッド13に至る配管23を備えている。
【0049】
このように、ロータリジョイント7から回転軸16および第1のロッド5を通ってカッタヘッド13に至るような流路とすることで、土砂の撹拌不良を防止し、カッタヘッド13の回転中心に配置されたビット14の交換作業を簡便しつつ、カッタヘッド13に送られる添加材やオイルの経路を確保することが可能になる。
【0050】
このとき、ロータリジョイント7を軸方向に配列された複数個のパーツに分割しておけば、パーツを追加することにより、オイル導入孔21や添加材導入孔22の追加を簡単に行うことができる。
【0051】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。
【0052】
たとえば、本実施の形態では、カッタヘッド13は、第1のロッド5と連結材10とを介して回転軸16と接続されているが、第1のロッド5を直接回転軸16と接続するようにして連結材10を省略することもできる。つまり、カッタヘッド13は第1のロッド5を介して回転軸16に接続されている限り、第1のロッド5と回転軸16との間には連結材10のような部材があってもなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0053】
以上の説明では、本発明のシールド掘進機は、地下鉄や下水道、トンネルなど、様々な地盤の掘削に用いることができる。
【符号の説明】
【0054】
5 第1のロッド
6 リング部材
7 ロータリジョイント
7−1〜7−7 パーツ
8 シャフト
9 第2のロッド
10 連結材
11 シールドフレーム
12 隔壁
13 カッタヘッド
13a センタプレート
13b スポーク
13c リング
14 ビット
14a ローラカッタ
14b スクレーパツース
15 添加材注入口
16 回転軸
16a 貫通孔
17 コピーカッタ
18 ロッド
19 油圧シリンダ
20 駆動ロッド
21 オイル導入孔
22 添加材導入孔
23 配管
24 添加材流路
25 オイル流路
26 シール材
30 土砂取込室
M シールド掘進機

【特許請求の範囲】
【請求項1】
中空円筒状のシールドフレームの内周面に固定された隔壁と、
ロータリジョイントを介して前記隔壁に回転自在に支持された回転軸と、
前記シールドフレームの進行方向先端に配置されるとともに回転中心とは異なる位置から後方に向かって取り付けられた複数本の第1のロッドを介して前記回転軸に接続され、地盤を掘削する複数のビットが設けられたカッタヘッドと、
前記カッタヘッド、前記隔壁および前記シールドフレームで囲まれた空間で形成され、前記カッタヘッドで掘削された土砂が取り込まれる土砂取込室と、
前記回転軸の内側に回転不能に配置されるとともに前記回転軸の軸方向に移動して前記土砂取込室に対して進退可能に設けられ、当該土砂取込室内で前記シールドフレームの径方向に延びる第2のロッドを備えたシャフトと、
を有することを特徴とするシールド掘進機。
【請求項2】
前記ロータリジョイントは、軸方向に配列された複数個のパーツに分割されている、
ことを特徴とする請求項1記載のシールド掘進機。
【請求項3】
前記ロータリジョイントの外周面に開口して形成され、流体が導入される流体導入孔と、
前記流体導入孔に連通して設けられ、前記回転軸内から前記第1のロッドを通って前記カッタヘッドに至る流体配管と、
を有することを特徴とする請求項1または2記載のシールド掘進機。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−40463(P2013−40463A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−176688(P2011−176688)
【出願日】平成23年8月12日(2011.8.12)
【出願人】(000140292)株式会社奥村組 (469)
【Fターム(参考)】