JP2003214091A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル掘削機において、掘削地層に応じた
カッタを交換可能とすることで掘削作業コストを低減す
ると共に掘削機を回収して転用可能とする。 【解決手段】 カッタヘッド２３をカッタヘッド中心部
２６とカッタヘッド外周部２７とで構成し、カッタヘッ
ド外周部２７にディスクカッタ３９が装着されたカッタ
ボックス４０や先行ビット４６が装着されたカッタボッ
クス４５を取付ボルト４４により着脱自在に装着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、掘削途中で掘削地
盤に応じたカッタに交換可能であると共に、このトンネ
ル掘削機を推進して所定長さのトンネルを掘削後、カッ
タヘッドなどの構成部材を回収して転用可能としたトン
ネル掘削機に関し、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に用いて好
適である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、シールド掘削機は、円筒形状を
なす掘削機本体の前部に円盤形状をなすカッタヘッドが
回転自在に装着され、このカッタヘッドが駆動装置によ
り駆動回転可能に支持される一方、後部には掘削機本体
を前進させる多数のシールドジャッキが装着されると共
に、既設トンネルの内壁面にセグメントを組み付けるエ
レクタ装置が装着されて構成されている。従って、駆動
装置によりカッタヘッドを回転させながらシールドジャ
ッキを伸長させると、既設セグメントからの反力を得て
掘削機本体が前進し、カッタヘッドに取付けられた多数
のカッタビットが前方の地盤を掘削し、トンネルを形成
することができる。

【０００３】このようなシールド掘削機を用いて所定の
工事区間にトンネルを構築する場合、この工事区間に発
進立坑と到達立坑を予め掘削しておき、発進立坑内にシ
ールド掘削機を搬入し、この発進立坑内で掘削反力確保
した状態で、発進口から地山へ貫入して所定のルートに
沿って掘削を行う。そして、シールド掘削機が到達立坑
まで掘進すると、予め形成された到達口よりシールド本
体を到達立坑内に引き出す。このようにして所定の位置
にトンネルを構築する。

【０００４】ところで、到達立坑に到達したシールド掘
削機は、解体されて一部が地上に回収される一方、残り
はトンネルの構造体として地中に埋設される。即ち、シ
ールド掘削機は、まず、カッタヘッドがガス切断機によ
り小さく分断され、クレーンにより到達立坑を通して地
上に引き上げられ、次に、カッタヘッドの駆動装置が同
様にガス切断機により小さく分断され、クレーンにより
到達立坑を通して地上に引き上げられ、シールドジャッ
キやエレクタ装置、排土装置（送泥管、排泥管、アジテ
ータ、スクリューコンベヤ等）などが掘削機本体から取
り外されてクレーンにより地上に引き上げらる。そし
て、残った掘削機本体がトンネル構造体の一部として既
設セグメントに連結して埋設される。この場合、分断さ
れて地上に引き上げられたカッタヘッドやその駆動装置
などはスクラップ処理される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】地球環境の面から考え
ると、トンネル掘削機のスクラップ処理による産業廃棄
物の増加は好ましくない。また、トンネル掘削機の製造
コストの面でも、一工区の掘削工事だけでのスクラップ
処理は非効率的であり、再利用が望まれている。更に、
トンネル掘削機は掘削地層に応じたカッタ、例えば、一
般土質であればカッタビット、礫層土質であれはディス
クカッタにより掘削する必要があるため、工事区間を掘
削地層ごとに分割して工区を決定している。そのため、
短い工区のために一台のトンネル掘削機を用いなければ
ならず、一工区の掘削作業コストが上昇してしまい、非
効率的なトンネル工事となっていた。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、掘削地層に応じたカッタを交換可能とすること
で掘削作業コストを低減すると共に掘削機を回収して転
用可能としたトンネル掘削機を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１の発明のトンネル掘削機は、筒状をなす掘
削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッドが装着さ
れたトンネル掘削機において、カッタが装着されたカッ
タボックスを前記カッタヘッドに対して着脱自在とした
ことを特徴とするものである。

【０００８】請求項２の発明のトンネル掘削機では、前
記カッタヘッドは中心部から放射状に配設された複数の
カッタスポークを有し、該カッタスポークの外周部側に
前記カッタボックスが着脱自在に装着されたことを特徴
としている。

【０００９】請求項３の発明のトンネル掘削機では、前
記カッタボックスは前記カッタヘッドの後方に抜き取り
可能であることを特徴としている。

【００１０】請求項４の発明のトンネル掘削機では、前
記カッタボックスに装着された前記カッタは、ディスク
カッタあるいは先行ビットであることを特徴としてい
る。

【００１１】請求項５の発明のトンネル掘削機では、前
記カッタヘッドを中心部と該中心部の外周側に位置する
外周部とで構成し、該中心部及び該外周部を前記掘削機
本体に対して着脱自在としたことを特徴としている。

【００１２】請求項６の発明のトンネル掘削機では、前
記中心部及び前記外周部は前記掘削機本体に搭載された
カッタ駆動装置の出力伝達部に着脱自在に連結されたこ
とを特徴としている。

【００１３】請求項７の発明のトンネル掘削機では、前
記隣接する前記カッタスポークの間に面板が着脱自在に
装着されたことを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１に本発明の一実施形態に係るトンネル
掘削機の正面視、図２に本実施形態のトンネル掘削機の
概略断面、図３にカッタボックスの正面視、図４に図３
のIV−IV断面、図５に先行ビットを装着したトンネル掘
削機の正面視、図６にカッタボックスの正面視を示す。

【００１６】本実施形態のトンネル掘削機において、図
１及び図２に示すように、掘削機本体１１は円筒形状を
なし、ほぼ同径の前胴１２及び後胴１３が球面軸受１４
を介して屈曲自在に連結されて構成されている。この前
胴１２には前後一対のバルクヘッド１５，１６が形成さ
れ、このバルクヘッド１５，１６のフランジ部には駆動
部本体１７が複数のボルト１８により固定されており、
この駆動部本体１７に軸受１９により回転リング２０が
回転自在に支持されている。そして、この回転リング２
０の後部にはリングギヤ２１が固結される一方、前方に
出力伝達部としての複数の中間ビーム２２が延出されて
おり、この各中間ビーム２２の先端部にカッタヘッド２
３が装着されている。また、駆動部本体１７には複数の
駆動モータ２４が装着され、各駆動モータ２４の駆動ギ
ア２５がリングギア２１に噛み合っており、駆動部本体
１７、回転リング２０、リングギヤ２１、駆動モータ２
４等でカッタ駆動装置が構成されている。従って、駆動
モータ２４を駆動して駆動ギア２５を回転駆動すると、
リングギア２１及び回転リング２０を介してカッタヘッ
ド２３を回転することができる。

【００１７】このカッタヘッド２３は、カッタヘッド中
心部２６と、このカッタヘッド中心部２６の外周側に位
置するカッタヘッド外周部２７とで構成されており、カ
ッタヘッド中心部２６及びカッタヘッド外周部２７は中
間ビーム２２に対して着脱自在となっている。即ち、カ
ッタヘッド中心部２６は中心部２８から複数のスポーク
２９が放射状に連結され、各スポーク２９の先端部が連
結リング３０に連結されてなり、中心部２８にフィッシ
ュテールビット３１が固定され、各スポーク２９の幅方
向中心に多数の先行ビット３２が固定されると共に、各
スポーク２９の両側にカッタビット３３が固定されてい
る。そして、連結リング３０が中間ビーム２２に複数の
ボルト３４により着脱自在となっている。

【００１８】一方、カッタヘッド外周部２７はカッタヘ
ッド中心部２６の各スポーク２９に対応した複数のスポ
ーク３５が連結リング３６に連結されてなり、各スポー
ク３５の中心に多数の先行ビット３７が固定されると共
に、両側にカッタビット３８が固定されている。また、
各スポーク２９にはディスクカッタ３９が装着されたカ
ッタボックス４０が着脱自在となっている。図３及び図
４に示すように、カッタボックス４０は前方が開口した
箱型形状をなし、ディスクカッタ３９が取付フレーム４
１により支持軸４２を介して回動自在に装着されてい
る。一方、スポーク３５には前後に開口した取付開口４
３が形成されている。そして、このスポーク３５の取付
開口４３にはカッタボックス４０が嵌合し、複数の取付
ボルト４４により固定されている。なお、掘削時にはデ
ィスクカッタ３９に掘削反力が作用するため、スポーク
３５にカッタボックス４０の後部を支持する反力支持部
材を設けると良い。

【００１９】このディスクカッタ３９が装着されたカッ
タボックス４０は、礫層土質に対して適用するものであ
るが、砂質や粘度質などの一般土質のものと交換可能と
なっている。即ち、図５に示すように、カッタボックス
４５はカッタボックス４０の外形形状と同様の箱型形状
をなし、前面部に先行ビット４６が固定されている。従
って、このカッタボックス４５はカッタヘッド外周部２
７のスポーク３５の取付開口４３に嵌合し、複数の取付
ボルト４４にて固定可能となっている。

【００２０】更に、カッタヘッド外周部２７にて、特定
のスポーク３５にはコピーカッタ４７が外方に出没自在
に装着されている。そして、連結リング３６が中間ビー
ム２２に複数のボルト４８により着脱自在となってい
る。

【００２１】また、図１及び図２に示すように、前胴１
２と後胴１３との間には中折ジャッキ４９が架設されて
おり、この中折ジャッキ４９の伸縮動作により掘削機本
体１１の掘進方向を変更することができる。そして、後
胴１３には周方向に沿って複数のシールドジャッキ５０
が周方向に沿って複数並設されており、このシールドジ
ャッキ５０を掘進方向後方に伸長して掘削したトンネル
内周面に構築された既設セグメントＳに押し付けること
で、その反力により掘削機本体１１を前進することがで
きる。更に、後胴１３の後端部には支持ブラケット５１
を介して旋回リング５２が駆動モータ５３により旋回可
能に支持されており、この旋回リング５２にセグメント
を組立てるエレクタ装置５４が装着されている。

【００２２】更に、この後胴１３の後端部には既設セグ
メントＳの外周面に密着する複数のテールパッキン５５
が取付けられており、掘削機本体１１内への泥土や泥水
等の浸入を阻止している。また、掘削機本体１１（前胴
１２、後胴１３）内を貫通するようにスクリューコンベ
ヤ５６が配設され、支持ロッド５７により傾斜状態で保
持されており、先端部がバルクヘッド１５，１６の開口
を介してチャンバ５８に連通しており、カッタヘッド２
３が掘削した土砂を外部に排出できるようになってい
る。なお、５９は駆動部本体１７を貫通したロータリジ
ョイントであって、内部に電気配線や油圧ホース等が収
容されている。

【００２３】ここで、上述した実施形態のトンネル掘削
機によるトンネル掘削作業並びに回収作業について説明
する。

【００２４】トンネルを掘削形成するには、図１及び図
２に示すように、まず、掘削開始位置に所定深さの発進
立坑を掘削し、この発進立坑内にトンネル掘削機を搬入
し、駆動モータ２４によってカッタヘッド２３を回転さ
せながら、シールドジャッキ４３を伸長して発進立坑内
から掘削反力を得て掘削機本体１１を前進させ、発進立
坑の立壁を掘削してトンネル掘削作業を開始する。そし
て、カッタヘッド２３による地盤掘削に伴って、掘削土
砂をチャンバ５８からスクリューコンベヤ５６により外
部に排出すると共に、エレクタ装置５４によりセグメン
トＳをリング状に組み付けていき、トンネルを構築して
いく。

【００２５】この工事区間における掘削初期の掘削地盤
が礫層土質であることが予め確認されており、カッタヘ
ッド２３にはディスクカッタ３９が装着されたカッタボ
ックス４０を固定してあり、このディスクカッタ３９を
用いて礫層を破砕してトンネルを掘削する。そして、所
定長さのトンネルが掘削され、工事区間の掘削地盤が一
般土質になると、カッタヘッド２３及びシールドジャッ
キ４３の駆動を停止してトンネル掘削作業を一時停止す
る。ここで、周辺の地盤に対して薬液注入を行って地盤
の安定を確保した状態で作業者がチャンバ５８に入り、
各取付ボルト４４を弛緩してカッタボックス４０を後方
に引き抜いて外した後、取付開口４３に先行ビット４６
が装着されたカッタボックス４５を嵌合し、各取付ボル
ト４４を締結して固定する。このように礫層土質用のカ
ッタボックス４０に代えて、一般土質用のカッタボック
ス４５を装着する。なお、掘削地盤が多量の水分を含ん
でいる場合には、隣接するスポーク３５の間に面板６０
を装着してもよい。そして、再び、カッタヘッド２３を
回転させながらシールドジャッキ４３を伸長して掘削機
本体１１を前進させ、トンネル掘削作業を開始する。

【００２６】一方、工事区間の掘削終了位置には所定深
さの到達立坑を掘削しておき、トンネル掘削機によって
発進立坑から構築したトンネルをこの到達立坑に到達さ
せる。この場合、分離回収するカッタヘッド２３等の大
きさに合わせて到達立坑を掘削する必要がある。そし
て、所定の工事区間のトンネル工事が完了し、トンネル
掘削機のカッタヘッド２３が到達立坑に貫通したら、駆
動モータ２４によるカッタヘッド２３の回転を停止し、
このトンネル掘削機を解体して到達立坑から構成部材を
回収する。

【００２７】即ち、掘削機本体１１の前端部が到達立坑
に貫通したら、カッタヘッド２３の回転を停止する。こ
の状態で、各ボルト４８を弛緩して掘削機本体１１の中
間ビーム２２からカッタヘッド外周部２７を取り外し、
到達立坑内に敷設された図示しないレールに沿って専用
ジャッキによりこのカッタヘッド外周部２７を前方へ移
動する。そして、このカッタヘッド外周部２７に図示し
ない吊下げ治具を取付け、地上に設置されたクレーンか
ら到達立坑内に降ろされたロープを連結し、このクレー
ンＣよってカッタヘッド外周部２７を地上に引き上げて
回収する。

【００２８】次に、各ボルト３４を弛緩して中間ビーム
２２からカッタヘッド中心部２６を取り外し、レールに
沿ってこのカッタヘッド中心部２６を前方へ移動する。
そして、このカッタヘッド中心部２６に図示しない吊下
げ治具を取付け、地上に設置されたクレーンから到達立
坑内に降ろされたロープを連結し、このクレーンＣよっ
てカッタヘッド中心部２６を地上に引き上げて回収す
る。

【００２９】次に、各ボルト１８を弛緩して掘削機本体
１１の前胴１２からカッタ駆動装置（駆動装置本体１
７）を取り外し、レールに沿ってこのカッタ駆動装置を
前方へ移動する。そして、このカッタ駆動装置に吊下げ
治具を取付け、クレーンから到達立坑内に降ろされたロ
ープを連結し、このクレーンによってカッタヘッドを地
上に引き上げて回収する。

【００３０】その後、掘削機本体１１からカッタヘッド
２３及びカッタ駆動装置を取り外して回収したら、続い
て、シールドジャッキ５０、エレクタ装置５４、スクリ
ューコンベヤ５６、各種センサ等を取り外して回収す
る。そして、地中に残った掘削機本体１１は溶接やコン
クリート打設により既設セグメントＳに接合してトンネ
ル構造体として使用される。

【００３１】このように本実施形態のトンネル掘削機に
あっては、カッタヘッド２３をカッタヘッド中心部２６
とカッタヘッド外周部２７とで構成し、カッタヘッド外
周部２７にディスクカッタ３９が装着されたカッタボッ
クス４０や先行ビット４６が装着されたカッタボックス
４５を取付ボルト４４により着脱自在に装着している。

【００３２】従って、掘削途中でディスクカッタ３９や
先行ビット４６が磨耗したら、カッタボックス４０，４
５単位で新しいものと交換することで、鋭利なディスク
カッタ３９や先行ビット４６と交換することができる。
また、掘削地盤が礫層土質と一般土質との間で変化した
なら、この場合でも、カッタボックス４０，４５単位で
別のものと交換することで、掘削地層に適応したディス
クカッタ３９または先行ビット４６に交換することがで
きる。そのため、一台のトンネル掘削機による掘削距離
が増加し、掘削作業コストを低減することでトンネル工
事の作業効率を向上することができる。

【００３３】また、カッタヘッド２３をカッタヘッド中
心部２６とカッタヘッド外周部２７とで構成し、回転リ
ング２０、リングギヤ２１、駆動モータ２４等が装着さ
れた駆動部本体１７を掘削機本体１１に対して着脱自在
とし、この回転リング２０から前方に延設された中間ビ
ーム２２に対してカッタヘッド中心部２６及びカッタヘ
ッド外周部２７を着脱自在としている。従って、トンネ
ル掘削作業の終了後、掘削機本体１１からカッタヘッド
外周部２７、カッタヘッド中心部２６、駆動部本体１７
（カッタ駆動装置）を順に分離し、これらをクレーンに
より到達立坑から地上に回収して再利用することが可能
となり、カッタヘッド２３や駆動モータ２４等を再利用
することで、掘削機の製造コストを低減することができ
ると共に、スクラップ処理による産業廃棄物の増加を抑
制することができる。更に、必要時には前胴１２や後胴
１３も到達立坑から回収して再利用できる。

【００３４】そして、カッタヘッド２３を回収した場
合、磨耗したディスクカッタ３９や先行ビット４６につ
いては、各カッタボックス４０，４５ごと新しいものに
交換すればよく、転用が容易となって製造コストを低減
することができる。また、磨耗したフィッシュテールビ
ット３１、先行ビット３２，３７、カッタビット３３，
３８、コピーカッタ４７を交換すればよい。更に、駆動
モータ２４を含むカッタ駆動装置は若干のメンテナンス
を行えばよい。そして、カッタ駆動装置を再利用する場
合、掘削トンネル径や掘削地盤の種類により異なる要求
出力に応じて装着する駆動モータ２４の数を変更すれば
良い。

【００３５】なお、上述した実施形態において、カッタ
ヘッド外周部２７をリング形状としたが、２分割あるい
は３つ以上に分割して構成してもよく、この場合、一つ
の部材が軽量化することで回収作業が容易になると共
に、到達立坑を小径とすることができる。また、掘削機
本体１１を埋設してトンネル構造体としたが、エレクタ
装置３０によってセグメントを到達立坑まで組み付けて
接合することで、前胴１２と後胴１３に分離して到達立
坑から地上に回収してもよい。

【００３６】また、上述の実施形態では、泥土圧式シー
ルド掘削機のカッタヘッド６１に面板７０を装着して泥
水式シールド掘削機に変更したが、泥水式シールド掘削
機のカッタヘッド６１から面板６０を外して泥土圧式シ
ールド掘削機に変更してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように請求項１の発明のトンネル掘削機によれば、筒状
をなす掘削機本体の前部に駆動回転可能なカッタヘッド
が装着し、カッタが装着されたカッタボックスをこのカ
ッタヘッドに対して着脱自在としたので、掘削地層に応
じたカッタを交換可能とすることで、掘削作業コストを
低減することができると共に、掘削機を回収して容易に
転用することができる。

【００３８】請求項２の発明のトンネル掘削機によれ
ば、カッタヘッドに中心部から放射状に配設された複数
のカッタスポークを設け、このカッタスポークの外周部
側にカッタボックスを着脱自在に装着したので、カッタ
ボックスの支持構成を簡素化することができる。

【００３９】請求項３の発明のトンネル掘削機によれ
ば、カッタボックスをカッタヘッドの後方に抜き取り可
能としたので、トンネル掘削作業の途中でカッタボック
スを容易に交換することができ、カッタ交換作業の作業
性を向上することができる。

【００４０】請求項４の発明のトンネル掘削機によれ
ば、カッタボックスに装着されたカッタをディスクカッ
タあるいは先行ビットとしたので、掘削地盤に応じたカ
ッタを容易に交換することができる。

【００４１】請求項５の発明のトンネル掘削機によれ
ば、カッタヘッドを中心部とこの中心部の外周側に位置
する外周部とで構成し、中心部及び外周部を掘削機本体
に対して着脱自在としたので、トンネル掘削作業の終了
後、掘削機本体から外周部及び中心部を分離し、到達立
坑から地上に容易に回収することで再利用が可能とな
り、この回収した部材を再利用した掘削機の製造コスト
を低減することができると共に、スクラップ処理による
産業廃棄物の増加を抑制することができる。

【００４２】請求項６の発明のトンネル掘削機によれ
ば、中心部及び外周部を掘削機本体に搭載されたカッタ
駆動装置の出力伝達部に着脱自在に連結したので、中心
部及び外周部を容易に着脱すことができ、カッタヘッド
回収作業の作業性を向上することができる。

【００４３】請求項７の発明のトンネル掘削機によれ
ば、隣接するカッタスポークの間に面板を着脱自在とし
たので、面板を容易に着脱すことで、カッタヘッド回収
作業の作業性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の正
面図である。

【図２】本実施形態のトンネル掘削機の概略断面図であ
る。

【図３】カッタボックスの正面図である。

【図４】図３のIV−IV断面図である。

【図５】先行ビットを装着したトンネル掘削機の正面図
である。

【図６】カッタボックスの正面図である。

【符号の説明】

１１ 掘削機本体 １７ 駆動部本体 １８，３４，４１ ボルト ２０ 回転リング ２２ 中間ビーム（出力伝達部） ２３ カッタヘッド ２４ 駆動モータ ２６ カッタヘッド中心部 ２７ カッタヘッド外周部 ３９ ディスクカッタ ４０，４５ カッタボックス ４６ 先行ビット ５０ シールドジャッキ ５４ エレクタ装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状をなす掘削機本体の前部に駆動回転
   可能なカッタヘッドが装着されたトンネル掘削機におい
   て、カッタが装着されたカッタボックスを前記カッタヘ
   ッドに対して着脱自在としたことを特徴とするトンネル
   掘削機。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記カッタヘッドは
   中心部から放射状に配設された複数のカッタスポークを
   有し、該カッタスポークの外周部側に前記カッタボック
   スが着脱自在に装着されたことを特徴とするトンネル掘
   削機。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記カッタ
   ボックスは前記カッタヘッドの後方に抜き取り可能であ
   ることを特徴とするトンネル掘削機。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記カッタボックス
   に装着された前記カッタは、ディスクカッタあるいは先
   行ビットであることを特徴とするトンネル掘削機。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記カッタヘッドを
   中心部と該中心部の外周側に位置する外周部とで構成
   し、該中心部及び該外周部を前記掘削機本体に対して着
   脱自在としたことを特徴とするトンネル掘削機。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記中心部及び前記
   外周部は前記掘削機本体に搭載されたカッタ駆動装置の
   出力伝達部に着脱自在に連結されたことを特徴とするト
   ンネル掘削機。
7. 【請求項７】 請求項２において、前記隣接する前記カ
   ッタスポークの間に面板が着脱自在に装着されたことを
   特徴とするトンネル掘削機。