泥土圧シールド掘進機の回転カッター
【課題】巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能で、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる泥土圧シールド掘進機の回転カッターを提供する。
【解決手段】ハブ部１２と、ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部１６と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リング１８とを有する泥土圧シールド掘進機の回転カッター２において、スポーク部の間からカッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング１７及び中間リングに制限用突起１９を設けると共に、切羽に散在している礫を割って破砕するためにスポーク部に切羽に面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を設けかつ外周リングに外周ビット３１を設けた。
【解決手段】ハブ部１２と、ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部１６と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リング１８とを有する泥土圧シールド掘進機の回転カッター２において、スポーク部の間からカッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング１７及び中間リングに制限用突起１９を設けると共に、切羽に散在している礫を割って破砕するためにスポーク部に切羽に面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を設けかつ外周リングに外周ビット３１を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能で、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる泥土圧シールド掘進機の回転カッターに関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
掘削土砂に添加材を添加して塑性流動性と不透水性を持つ泥土を作成することにより、スクリューコンベアによる円滑な排土が確保されると共に、スクリューコンベア内にプラグゾーン（止水領域）が形成されて地下水の噴発が防止される。
【０００７】
泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機の回転カッターは例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の「シールド掘進機」では、カッタースポークと中間ビームを接合する接合部分の形状が単純になり、製作及び溶接がしやすいシールド掘進機の提供を課題として、シールドフレームの前端部に丸断面のカッタースポークを有するカッターフレームを配置し、前記シールドフレーム内の隔壁に回転リングを有する回転駆動部を設け、前記回転リングと前記カッタースポークを丸断面又は角断面の中間ビームを介して連結したシールド掘進機において、前記カッタースポークと前記中間ビームを接合部材を介して溶接接合するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−５３５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、特にこのような巨礫は、回転カッターで切羽から掘り出されてそのままカッターチャンバー内へ取り込まれてしまうと、スクリューコンベアによる排出はきわめて困難であることは勿論のこと、当該カッターチャンバー内で閉塞を発生させるおそれがあった。そして、多数の巨礫が次々に掘り出される場合には、閉塞が頻繁に発生し、工期が長期化すると共に、閉塞の解消に要する労力も多大であって、施工コストが嵩むという課題があった。また、このような巨礫を破砕する場合、回転カッターに設けている切削ビットの損耗も激しく、回転カッターのメンテナンスに多大な時間と労力を要し、この面からも施工コストがアップしてしまうという課題もあった。
【００１０】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能で、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる泥土圧シールド掘進機の回転カッター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】
【００１１】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターは、ハブ部と、該ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リングとを有し、回転駆動されることにより、切羽から掘削し破砕してカッターチャンバー内に充満させた掘削土砂の泥土圧で切羽土圧に対抗させる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにおいて、上記スポーク部の間から上記カッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング及び該中間リングに制限用突起を設けると共に、切羽に散在している礫を割って破砕するために上記スポーク部に切羽に面して、ローラーカッターやフェースビットを設けかつ上記外周リングに外周ビットを設けたことを特徴とする。
【００１２】
前記スポーク部に、切羽に散在している礫を叩き出すために切羽に面して、半球状のヒッティングビットを設けたことを特徴とする。
【００１３】
前記フェースビット及び前記外周ビットの少なくともいずれかに、摩耗検知手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにあっては、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができ、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターの好適な一実施形態を示すための、泥土圧シールド掘進機の概略側断面図である。
【図２】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターを示す正面図である。
【図３】図２の回転カッターに適用されるフェースビットの正面図である。
【図４】図３に示したフェースビットの平面図である。
【図５】図２の回転カッターに備えられる摩耗検知手段を示す概略構成図である。
【図６】図２の回転カッターに適用される外周ビットの側面図である。
【図７】図６に示した外周ビットの平面図である。
【図８】図２の回転カッターに適用されるヒッティングビットの正面図である。
【図９】図８に示したヒッティングビットの平面図である。
【図１０】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターを適用して好適な地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターの好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機１の一例を示す概略側断面図が示されていると共に、図２には本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００１７】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削され破砕された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、取り込まれた掘削土砂が充満するカッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００１８】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００１９】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられたハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の外周縁に向かって放射状に延ばされた６本のスポーク部１６と、これらスポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とを備えると共に、さらに、外周リング１８の内側でスポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、中間リング１７に設けた制限用突起１９を備えて構成される。
【００２０】
中間リング１７は、円環状に形成され、各スポーク部１６のカッターチャンバー５側背面に接合して取り付けられる。あるいは、中間リング１７は、弧状に形成された分割ピースの両端が各スポーク部１６の背面に接合して取り付けられ、全体として回転カッター２の周方向に沿う円環状に形成される。
【００２１】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。制限用突起１９は、ブロック状で、中間リング１７からハブ部１２側及び外周リング１８側へ迫り出すように設けられる。
【００２２】
これら制限用突起１９及び中間リング１７を備えることにより、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、想定以上の大きさを有する巨礫Ｘが回転カッター２からカッターチャンバー５内へそのまま取り込まれることを規制する巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００２３】
図２に示すように、回転カッター２の６本のスポーク部１６にはすべて、それらの先端部側に位置させて、切羽Ｚに迫り出すなどして散在している礫を割って破砕するローラーカッター１５が設けられる。ローラーカッター１５は、６本のスポーク部１６のうち、１本おきに３本のスポーク部１６では、正面から切羽Ｚに面して取り付けられ、他の３本のスポーク部１６では、回転カッター２の外周縁側へ向く斜め配置で、切羽Ｚに面して取り付けられる。
【００２４】
ローラーカッター１５はよく知られていて、略述すると、箱抜き部１５ａに回転支軸１５ｂで回転自在に取り付けた円盤状の切り刃１５ｃを有し、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。
【００２５】
ローラーカッター１５として、切羽Ｚに対して正面を向いているものと、外向き斜めに向いているものを備えていて、回転速度の速い回転カッター２の外周縁付近で、効率よく切羽Ｚを掘削し、かつ礫を破砕するようになっている。
【００２６】
回転カッター２の６本のスポーク部１６のうち、１本おきに３本のスポーク部１６には、切羽Ｚに面して、フェースビット１４が配設される。フェースビット１４は、ハブ部１２から外周リング１８へ向けて、スポーク部１６の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられる。各フェースビット１４は、スポーク部１６の長さ方向に幅狭で、かつ、スポーク部１６の幅方向に長く形成され、これにより、回転カッター２の回転方向に向かって切り込む鋭利な刃先が形成される。
【００２７】
各フェースビット１４は図３及び図４に示すように、スポーク部１６に接合固定するためのシートピース１４ａと、底板１４ｂに縦壁１４ｃを複数並設して構成され、シートピース１４ａに接合されるビット本体１４ｄと、ビット本体１４ｄに、縦壁１４ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ１４ｅとから構成される。
【００２８】
これらフェースビット１４はローラーカッター１５と同様に、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、散在している礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。フェースビット１４は、スポーク部１６に接合固定される固定タイプであって、比較的回転速度の遅い回転カッター２の径方向中間位置で、剛強に礫に割りを入れて破砕するようになっている。
【００２９】
複数のフェースビット１４のうち、幾つかには、図４のＤ−Ｄ線矢視断面に対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられる。摩耗検知手段３０は、ビット本体１４ｄの縦壁１４ｃに穿設されたキリ孔３０ａと、このキリ孔３０ａにオイルを満たすポンプなどのオイル供給手段３０ｂとから構成される。超硬チップ１４ｅ及び縦壁１４ｃが摩耗・損耗すると、キリ孔３０ａからオイルが漏れ出すので、このオイルの漏れ出しによってフェースビット１４の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３０】
回転カッター２の外周リング１８には、周方向に適宜間隔を隔てて外周ビット３１が配設される。図示例にあっては外周ビット３１は、スポーク部１６とスポーク部１６の間に、２つずつ設けられている。各外周ビット３１も、外周リング１８の幅方向に幅狭で、かつ、外周リング１８の周方向に長く形成され、これにより、回転カッター２の回転方向に向かって切り込む鋭利な刃先が形成される。
【００３１】
各外周ビット３１は図６及び図７に示すように、フェースビット１４と同様に、シートピース３１ａと、底板３１ｂに縦壁３１ｃを複数並設して構成され、シートピース３１ａに接合されるビット本体３１ｄと、ビット本体３１ｄに、縦壁１４ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ３１ｅとから構成される。外周ビット３１については、外周リング１８の前端面１８ａから内周面１８ｂに沿うＬ字状のベースブロック３２にシートピース３１ａを接合固定することで、外周リング１８に取り付け固定されるようになっている。
【００３２】
これら外周ビット３１も、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。外周ビット３１は、外周リング１８に接合固定される固定タイプであって、回転速度の速い回転カッター２の外周縁で、効率よく切羽Ｚを掘削し、かつ散在している礫を破砕するようになっている。
【００３３】
複数の外周ビット３１のうち、幾つかには、図７のＥ−Ｅ線矢視断面にも対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられ、外周ビット３１の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３４】
さらに、フェースビット１４を設けた３本のスポーク部１６以外の他の３本のスポーク部１６には、切羽Ｚに面して、ヒッティングビット１３が配設される。ヒッティングビット１３も、フェースビット１４と同様に、ハブ部１２から外周リング１８へ向けて、スポーク部１６の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられる。各ヒッティングビット１３は、スポーク部１６から切羽Ｚ側へ向かって隆起する半球状に形成される。
【００３５】
各ヒッティングビット１３は図８及び図９に示すように、スポーク部１６に埋め込まれるシャフトボディ３３に接合固定されるシートピース１３ａと、底板１３ｂに縦壁１３ｃを複数並設して構成され、シートピース１３ａに接合されるビット本体１３ｄと、ビット本体１３ｄに、縦壁１３ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ１３ｅとから構成される。
【００３６】
ヒッティングビット１３は特に、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに叩き付けられ、その際に、切羽Ｚに迫り出している礫や巨礫Ｘを叩き、さらには叩き出すようになっている。ヒッティングビット１３も、スポーク部１６に接合固定される固定タイプであって、比較的回転速度の遅い回転カッター２の径方向中間位置で、剛強に礫を叩き出すようになっている。
【００３７】
ヒッティングビット１３についても、幾つかには、図９のＦ−Ｆ線矢視断面にも対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられ、ヒッティングビット１３の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３８】
泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内及びスクリューコンベア８内に充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００３９】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）によって測定されるカッターチャンバー５内の泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００４０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００４１】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００４２】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００４３】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００４４】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００４５】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００４６】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内からスクリューコンベア８内に亘る間での土砂の閉塞を監視するために閉塞監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００４７】
閉塞監視手段は、スクリューコンベア８内部に設けられ、スクリューコンベア８で搬送される礫分を含む土砂の温度（排土温度）を計測する温度センサ２３と、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された排土温度が入力されると共に、当該排土温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４とから構成される。
【００４８】
温度センサ２３で計測された排土温度は、閉塞推定用の設定温度と比較され、閉塞を未然に防ぐためのフィードフォワード制御用のデータとして制御盤２４に入力される。排土温度が設定温度に向かう温度上昇傾向が判別されたとき、運転者による手動制御もしくは制御盤２４による自動制御により、注入手段２０〜２２から注入する薬材を増量するようになっている。
【００４９】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、噴出防止手段が設けられる。噴出防止手段は、スクリューコンベア８として、大径な礫などを搬送することが可能なリボン式スクリューコンベアを採用し、このリボン式スクリューコンベアの排出端部８ｂに、泥土圧が発生して止水領域となるプラグゾーンを形成し得る長さ寸法の排土管２５を連結して構成される。
【００５０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１では、巨礫Ｘを破砕した大型の礫等が排土に含まれていて、軸付きスクリューコンベアでは当該礫等で閉塞を起こしやすいことから、リボン式スクリューコンベア８が用いられる。
【００５１】
排土管２５は、リボン式スクリューコンベア８の排出端部８ｂから、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設され、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５は、その内部を排土が移動する際の圧力損失によって、止水性を得るプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂の噴出を防止するようになっている。
【００５２】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、回転カッター２の作用について説明する。本発明にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２は具体的には、図１０に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５３】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５４】
回転カッター２は、スポーク部１６に切羽Ｚに面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を有すると共に、外周リング１８に外周ビット３１を有していて、これらの相互作用により、切羽Ｚを掘削すると共に、その際に、効率的に礫を割って破砕することができる。また、スポーク部１６には、半球状のヒッティングビット１３が設けられていて、これにより、切羽Ｚから礫を叩き出すことができる。
【００５５】
例えば、回転カッター１の一回転で、３本のスポーク部１６のヒッティングビット１３が、切羽Ｚから迫り出しているような巨礫Ｘを複数回にわたり叩き、そして叩き出すと、叩き出された巨礫Ｘは、回転カッター２の外周縁付近であれば、ローラーカッター１５や外周ビット３１を主体として、また、回転カッター２の前面ではフェースビット１４を主体として、またヒッティングビット１３も協働して、割られ、そしてさらに破砕される。
【００５６】
このように、各種ビット１３，１４，１５，３１等によって巨礫Ｘを効率的に割って破砕することができる。破砕した巨礫Ｘについては通常は、掘削土砂と共に、回転カッター２後方のカッターチャンバー５へと取り込まれる。
【００５７】
他方、巨礫取り込み制限区画Ｒを形成する回転カッター２の中間リング１７と制限用突起１９は、依然として外形の大きな巨礫Ｘがそのままカッターチャンバー５内へ取り込まれることを阻止する。
【００５８】
取り込みが阻止された巨礫Ｘは、回転カッター２の前面に滞留し、回転する回転カッター２の各種ビット１３，１４，３１やローラーカッター１５でさらに破砕される。破砕により、巨礫取り込み制限区画Ｒよりも小さくなることで初めて、その礫はカッターチャンバー５内へと取り込まれるので、閉塞が発生するような大きさの礫が当該カッターチャンバー５内へ取り込まれることを阻止することができる。
【００５９】
巨礫Ｘの破砕の程度は、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさ程度であるので、必要以上に細かく破砕する必要はなく、巨礫Ｘを経済的に破砕しつつ掘進作業を進めることができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２にあっては、スポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７及び中間リング１７に制限用突起１９を設けると共に、切羽Ｚに散在している礫を割って破砕するためにスポーク部１６に切羽Ｚに面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を設けかつ外周リング１８に外周ビット３１を設けたので、そしてまた、スポーク部１６に、切羽Ｚに散在している礫を叩き出すために切羽Ｚに面して、半球状のヒッティングビット１３を設けたので、巨礫Ｘが多く散在する地山であっても、中間リング１７と制限用突起１９によって、カッターチャンバー５内で閉塞を発生させるおそれのある巨礫Ｘの取り込みを的確に阻止できると共に、ローラーカッター１５やフェースビット１４、外周ビット３１の組み合わせ、さらにはヒッティングビット１３の適用により、効率よく地山を掘削しつつ巨礫Ｘも適切に破砕することができ、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができると共に、閉塞防止及び必要最小限の巨礫Ｘの破砕プロセスにより、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる。
【００６１】
また、フェースビット１４や外周ビット３１、ヒッティングビット１３に、摩耗検知手段３０を備えたので、これらビット１３，１４，３１の摩耗、交換時期を的確に検知でき、スムーズに掘進作業を進めることができる。
【００６２】
回転カッター２で掘削した土砂は、以下のように処理される。泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたっては、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００６３】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００６４】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００６５】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
５ カッターチャンバー
１２ ハブ部
１３ ヒッティングビット
１４ フェースビット
１５ ローラーカッター
１６ スポーク部
１７ 中間リング
１８ 外周リング
１９ 制限用突起
３０ 摩耗検知手段
３１ 外周ビット
Ｘ 巨礫
Ｚ 切羽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能で、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる泥土圧シールド掘進機の回転カッターに関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
掘削土砂に添加材を添加して塑性流動性と不透水性を持つ泥土を作成することにより、スクリューコンベアによる円滑な排土が確保されると共に、スクリューコンベア内にプラグゾーン（止水領域）が形成されて地下水の噴発が防止される。
【０００７】
泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機の回転カッターは例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の「シールド掘進機」では、カッタースポークと中間ビームを接合する接合部分の形状が単純になり、製作及び溶接がしやすいシールド掘進機の提供を課題として、シールドフレームの前端部に丸断面のカッタースポークを有するカッターフレームを配置し、前記シールドフレーム内の隔壁に回転リングを有する回転駆動部を設け、前記回転リングと前記カッタースポークを丸断面又は角断面の中間ビームを介して連結したシールド掘進機において、前記カッタースポークと前記中間ビームを接合部材を介して溶接接合するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−５３５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、特にこのような巨礫は、回転カッターで切羽から掘り出されてそのままカッターチャンバー内へ取り込まれてしまうと、スクリューコンベアによる排出はきわめて困難であることは勿論のこと、当該カッターチャンバー内で閉塞を発生させるおそれがあった。そして、多数の巨礫が次々に掘り出される場合には、閉塞が頻繁に発生し、工期が長期化すると共に、閉塞の解消に要する労力も多大であって、施工コストが嵩むという課題があった。また、このような巨礫を破砕する場合、回転カッターに設けている切削ビットの損耗も激しく、回転カッターのメンテナンスに多大な時間と労力を要し、この面からも施工コストがアップしてしまうという課題もあった。
【００１０】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することが可能で、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる泥土圧シールド掘進機の回転カッター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】
【００１１】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターは、ハブ部と、該ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リングとを有し、回転駆動されることにより、切羽から掘削し破砕してカッターチャンバー内に充満させた掘削土砂の泥土圧で切羽土圧に対抗させる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにおいて、上記スポーク部の間から上記カッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング及び該中間リングに制限用突起を設けると共に、切羽に散在している礫を割って破砕するために上記スポーク部に切羽に面して、ローラーカッターやフェースビットを設けかつ上記外周リングに外周ビットを設けたことを特徴とする。
【００１２】
前記スポーク部に、切羽に散在している礫を叩き出すために切羽に面して、半球状のヒッティングビットを設けたことを特徴とする。
【００１３】
前記フェースビット及び前記外周ビットの少なくともいずれかに、摩耗検知手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにあっては、巨礫が多く散在する地山であっても、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができ、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターの好適な一実施形態を示すための、泥土圧シールド掘進機の概略側断面図である。
【図２】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターを示す正面図である。
【図３】図２の回転カッターに適用されるフェースビットの正面図である。
【図４】図３に示したフェースビットの平面図である。
【図５】図２の回転カッターに備えられる摩耗検知手段を示す概略構成図である。
【図６】図２の回転カッターに適用される外周ビットの側面図である。
【図７】図６に示した外周ビットの平面図である。
【図８】図２の回転カッターに適用されるヒッティングビットの正面図である。
【図９】図８に示したヒッティングビットの平面図である。
【図１０】本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターを適用して好適な地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる泥土圧シールド掘進機の回転カッターの好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘進機１の一例を示す概略側断面図が示されていると共に、図２には本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００１７】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削され破砕された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、取り込まれた掘削土砂が充満するカッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００１８】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００１９】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられたハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の外周縁に向かって放射状に延ばされた６本のスポーク部１６と、これらスポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とを備えると共に、さらに、外周リング１８の内側でスポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、中間リング１７に設けた制限用突起１９を備えて構成される。
【００２０】
中間リング１７は、円環状に形成され、各スポーク部１６のカッターチャンバー５側背面に接合して取り付けられる。あるいは、中間リング１７は、弧状に形成された分割ピースの両端が各スポーク部１６の背面に接合して取り付けられ、全体として回転カッター２の周方向に沿う円環状に形成される。
【００２１】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。制限用突起１９は、ブロック状で、中間リング１７からハブ部１２側及び外周リング１８側へ迫り出すように設けられる。
【００２２】
これら制限用突起１９及び中間リング１７を備えることにより、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、想定以上の大きさを有する巨礫Ｘが回転カッター２からカッターチャンバー５内へそのまま取り込まれることを規制する巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００２３】
図２に示すように、回転カッター２の６本のスポーク部１６にはすべて、それらの先端部側に位置させて、切羽Ｚに迫り出すなどして散在している礫を割って破砕するローラーカッター１５が設けられる。ローラーカッター１５は、６本のスポーク部１６のうち、１本おきに３本のスポーク部１６では、正面から切羽Ｚに面して取り付けられ、他の３本のスポーク部１６では、回転カッター２の外周縁側へ向く斜め配置で、切羽Ｚに面して取り付けられる。
【００２４】
ローラーカッター１５はよく知られていて、略述すると、箱抜き部１５ａに回転支軸１５ｂで回転自在に取り付けた円盤状の切り刃１５ｃを有し、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。
【００２５】
ローラーカッター１５として、切羽Ｚに対して正面を向いているものと、外向き斜めに向いているものを備えていて、回転速度の速い回転カッター２の外周縁付近で、効率よく切羽Ｚを掘削し、かつ礫を破砕するようになっている。
【００２６】
回転カッター２の６本のスポーク部１６のうち、１本おきに３本のスポーク部１６には、切羽Ｚに面して、フェースビット１４が配設される。フェースビット１４は、ハブ部１２から外周リング１８へ向けて、スポーク部１６の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられる。各フェースビット１４は、スポーク部１６の長さ方向に幅狭で、かつ、スポーク部１６の幅方向に長く形成され、これにより、回転カッター２の回転方向に向かって切り込む鋭利な刃先が形成される。
【００２７】
各フェースビット１４は図３及び図４に示すように、スポーク部１６に接合固定するためのシートピース１４ａと、底板１４ｂに縦壁１４ｃを複数並設して構成され、シートピース１４ａに接合されるビット本体１４ｄと、ビット本体１４ｄに、縦壁１４ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ１４ｅとから構成される。
【００２８】
これらフェースビット１４はローラーカッター１５と同様に、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、散在している礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。フェースビット１４は、スポーク部１６に接合固定される固定タイプであって、比較的回転速度の遅い回転カッター２の径方向中間位置で、剛強に礫に割りを入れて破砕するようになっている。
【００２９】
複数のフェースビット１４のうち、幾つかには、図４のＤ−Ｄ線矢視断面に対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられる。摩耗検知手段３０は、ビット本体１４ｄの縦壁１４ｃに穿設されたキリ孔３０ａと、このキリ孔３０ａにオイルを満たすポンプなどのオイル供給手段３０ｂとから構成される。超硬チップ１４ｅ及び縦壁１４ｃが摩耗・損耗すると、キリ孔３０ａからオイルが漏れ出すので、このオイルの漏れ出しによってフェースビット１４の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３０】
回転カッター２の外周リング１８には、周方向に適宜間隔を隔てて外周ビット３１が配設される。図示例にあっては外周ビット３１は、スポーク部１６とスポーク部１６の間に、２つずつ設けられている。各外周ビット３１も、外周リング１８の幅方向に幅狭で、かつ、外周リング１８の周方向に長く形成され、これにより、回転カッター２の回転方向に向かって切り込む鋭利な刃先が形成される。
【００３１】
各外周ビット３１は図６及び図７に示すように、フェースビット１４と同様に、シートピース３１ａと、底板３１ｂに縦壁３１ｃを複数並設して構成され、シートピース３１ａに接合されるビット本体３１ｄと、ビット本体３１ｄに、縦壁１４ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ３１ｅとから構成される。外周ビット３１については、外周リング１８の前端面１８ａから内周面１８ｂに沿うＬ字状のベースブロック３２にシートピース３１ａを接合固定することで、外周リング１８に取り付け固定されるようになっている。
【００３２】
これら外周ビット３１も、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに切り込んで掘削を行うと共に、切り込む際に、礫や巨礫Ｘに割りを入れ、さらにはこれらを破砕するようになっている。外周ビット３１は、外周リング１８に接合固定される固定タイプであって、回転速度の速い回転カッター２の外周縁で、効率よく切羽Ｚを掘削し、かつ散在している礫を破砕するようになっている。
【００３３】
複数の外周ビット３１のうち、幾つかには、図７のＥ−Ｅ線矢視断面にも対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられ、外周ビット３１の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３４】
さらに、フェースビット１４を設けた３本のスポーク部１６以外の他の３本のスポーク部１６には、切羽Ｚに面して、ヒッティングビット１３が配設される。ヒッティングビット１３も、フェースビット１４と同様に、ハブ部１２から外周リング１８へ向けて、スポーク部１６の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられる。各ヒッティングビット１３は、スポーク部１６から切羽Ｚ側へ向かって隆起する半球状に形成される。
【００３５】
各ヒッティングビット１３は図８及び図９に示すように、スポーク部１６に埋め込まれるシャフトボディ３３に接合固定されるシートピース１３ａと、底板１３ｂに縦壁１３ｃを複数並設して構成され、シートピース１３ａに接合されるビット本体１３ｄと、ビット本体１３ｄに、縦壁１３ｃを挟むようにして複数取付固定された超硬チップ１３ｅとから構成される。
【００３６】
ヒッティングビット１３は特に、回転駆動される回転カッター２の回転作用で切羽Ｚに叩き付けられ、その際に、切羽Ｚに迫り出している礫や巨礫Ｘを叩き、さらには叩き出すようになっている。ヒッティングビット１３も、スポーク部１６に接合固定される固定タイプであって、比較的回転速度の遅い回転カッター２の径方向中間位置で、剛強に礫を叩き出すようになっている。
【００３７】
ヒッティングビット１３についても、幾つかには、図９のＦ−Ｆ線矢視断面にも対応する図５に示すように、摩耗検知手段３０が設けられ、ヒッティングビット１３の摩耗、すなわちその交換時期が検知される。
【００３８】
泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内及びスクリューコンベア８内に充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００３９】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）によって測定されるカッターチャンバー５内の泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００４０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００４１】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００４２】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００４３】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００４４】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００４５】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００４６】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内からスクリューコンベア８内に亘る間での土砂の閉塞を監視するために閉塞監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００４７】
閉塞監視手段は、スクリューコンベア８内部に設けられ、スクリューコンベア８で搬送される礫分を含む土砂の温度（排土温度）を計測する温度センサ２３と、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された排土温度が入力されると共に、当該排土温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４とから構成される。
【００４８】
温度センサ２３で計測された排土温度は、閉塞推定用の設定温度と比較され、閉塞を未然に防ぐためのフィードフォワード制御用のデータとして制御盤２４に入力される。排土温度が設定温度に向かう温度上昇傾向が判別されたとき、運転者による手動制御もしくは制御盤２４による自動制御により、注入手段２０〜２２から注入する薬材を増量するようになっている。
【００４９】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、噴出防止手段が設けられる。噴出防止手段は、スクリューコンベア８として、大径な礫などを搬送することが可能なリボン式スクリューコンベアを採用し、このリボン式スクリューコンベアの排出端部８ｂに、泥土圧が発生して止水領域となるプラグゾーンを形成し得る長さ寸法の排土管２５を連結して構成される。
【００５０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１では、巨礫Ｘを破砕した大型の礫等が排土に含まれていて、軸付きスクリューコンベアでは当該礫等で閉塞を起こしやすいことから、リボン式スクリューコンベア８が用いられる。
【００５１】
排土管２５は、リボン式スクリューコンベア８の排出端部８ｂから、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設され、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５は、その内部を排土が移動する際の圧力損失によって、止水性を得るプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂の噴出を防止するようになっている。
【００５２】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、回転カッター２の作用について説明する。本発明にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２は具体的には、図１０に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５３】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５４】
回転カッター２は、スポーク部１６に切羽Ｚに面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を有すると共に、外周リング１８に外周ビット３１を有していて、これらの相互作用により、切羽Ｚを掘削すると共に、その際に、効率的に礫を割って破砕することができる。また、スポーク部１６には、半球状のヒッティングビット１３が設けられていて、これにより、切羽Ｚから礫を叩き出すことができる。
【００５５】
例えば、回転カッター１の一回転で、３本のスポーク部１６のヒッティングビット１３が、切羽Ｚから迫り出しているような巨礫Ｘを複数回にわたり叩き、そして叩き出すと、叩き出された巨礫Ｘは、回転カッター２の外周縁付近であれば、ローラーカッター１５や外周ビット３１を主体として、また、回転カッター２の前面ではフェースビット１４を主体として、またヒッティングビット１３も協働して、割られ、そしてさらに破砕される。
【００５６】
このように、各種ビット１３，１４，１５，３１等によって巨礫Ｘを効率的に割って破砕することができる。破砕した巨礫Ｘについては通常は、掘削土砂と共に、回転カッター２後方のカッターチャンバー５へと取り込まれる。
【００５７】
他方、巨礫取り込み制限区画Ｒを形成する回転カッター２の中間リング１７と制限用突起１９は、依然として外形の大きな巨礫Ｘがそのままカッターチャンバー５内へ取り込まれることを阻止する。
【００５８】
取り込みが阻止された巨礫Ｘは、回転カッター２の前面に滞留し、回転する回転カッター２の各種ビット１３，１４，３１やローラーカッター１５でさらに破砕される。破砕により、巨礫取り込み制限区画Ｒよりも小さくなることで初めて、その礫はカッターチャンバー５内へと取り込まれるので、閉塞が発生するような大きさの礫が当該カッターチャンバー５内へ取り込まれることを阻止することができる。
【００５９】
巨礫Ｘの破砕の程度は、巨礫取り込み制限区画Ｒの大きさ程度であるので、必要以上に細かく破砕する必要はなく、巨礫Ｘを経済的に破砕しつつ掘進作業を進めることができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２にあっては、スポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７及び中間リング１７に制限用突起１９を設けると共に、切羽Ｚに散在している礫を割って破砕するためにスポーク部１６に切羽Ｚに面して、ローラーカッター１５やフェースビット１４を設けかつ外周リング１８に外周ビット３１を設けたので、そしてまた、スポーク部１６に、切羽Ｚに散在している礫を叩き出すために切羽Ｚに面して、半球状のヒッティングビット１３を設けたので、巨礫Ｘが多く散在する地山であっても、中間リング１７と制限用突起１９によって、カッターチャンバー５内で閉塞を発生させるおそれのある巨礫Ｘの取り込みを的確に阻止できると共に、ローラーカッター１５やフェースビット１４、外周ビット３１の組み合わせ、さらにはヒッティングビット１３の適用により、効率よく地山を掘削しつつ巨礫Ｘも適切に破砕することができ、通常一般の砂礫層等を掘削するのと遜色なく掘進作業を遂行することができると共に、閉塞防止及び必要最小限の巨礫Ｘの破砕プロセスにより、短工期・省力化と相俟って、施工の低コスト化を実現することができる。
【００６１】
また、フェースビット１４や外周ビット３１、ヒッティングビット１３に、摩耗検知手段３０を備えたので、これらビット１３，１４，３１の摩耗、交換時期を的確に検知でき、スムーズに掘進作業を進めることができる。
【００６２】
回転カッター２で掘削した土砂は、以下のように処理される。泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたっては、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００６３】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００６４】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００６５】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
５ カッターチャンバー
１２ ハブ部
１３ ヒッティングビット
１４ フェースビット
１５ ローラーカッター
１６ スポーク部
１７ 中間リング
１８ 外周リング
１９ 制限用突起
３０ 摩耗検知手段
３１ 外周ビット
Ｘ 巨礫
Ｚ 切羽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ部と、該ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リングとを有し、回転駆動されることにより、切羽から掘削し破砕してカッターチャンバー内に充満させた掘削土砂の泥土圧で切羽土圧に対抗させる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにおいて、
上記スポーク部の間から上記カッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング及び該中間リングに制限用突起を設けると共に、
切羽に散在している礫を割って破砕するために上記スポーク部に切羽に面して、ローラーカッターやフェースビットを設けかつ上記外周リングに外周ビットを設けたことを特徴とする泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【請求項２】
前記スポーク部に、切羽に散在している礫を叩き出すために切羽に面して、半球状のヒッティングビットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【請求項３】
前記フェースビット及び前記外周ビットの少なくともいずれかに、摩耗検知手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【請求項１】
ハブ部と、該ハブ部から放射状に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部の先端部同士を連結する外周リングとを有し、回転駆動されることにより、切羽から掘削し破砕してカッターチャンバー内に充満させた掘削土砂の泥土圧で切羽土圧に対抗させる泥土圧シールド掘進機の回転カッターにおいて、
上記スポーク部の間から上記カッターチャンバー内へ取り込まれる礫の大きさを規制するために、当該スポーク部の中途部同士を連結する中間リング及び該中間リングに制限用突起を設けると共に、
切羽に散在している礫を割って破砕するために上記スポーク部に切羽に面して、ローラーカッターやフェースビットを設けかつ上記外周リングに外周ビットを設けたことを特徴とする泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【請求項２】
前記スポーク部に、切羽に散在している礫を叩き出すために切羽に面して、半球状のヒッティングビットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【請求項３】
前記フェースビット及び前記外周ビットの少なくともいずれかに、摩耗検知手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の泥土圧シールド掘進機の回転カッター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１２２２６０（Ｐ２０１２−１２２２６０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４１２０（Ｐ２０１０−２７４１２０）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
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