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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6012073
(24)【登録日】2016年9月30日
(45)【発行日】2016年10月25日
(54)【発明の名称】トンネル掘削機の掘削部材の交換方法
(51)【国際特許分類】
E21D 9/087 20060101AFI20161011BHJP
E21D 9/02 20060101ALI20161011BHJP
【ＦＩ】
E21D9/087 C
E21D9/02
【請求項の数】1
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2012-287347(P2012-287347)
(22)【出願日】2012年12月28日
(65)【公開番号】特開2014-129667(P2014-129667A)
(43)【公開日】2014年7月10日
【審査請求日】2015年10月30日
(73)【特許権者】
【識別番号】000140292
【氏名又は名称】株式会社奥村組
(74)【代理人】
【識別番号】100101971
【弁理士】
【氏名又は名称】大畑 敏朗
(72)【発明者】
【氏名】村中 浩昭
(72)【発明者】
【氏名】有川 健
【審査官】
苗村 康造
(56)【参考文献】
【文献】
特開平９−１７７４７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平９−１９５６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−３２２２０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−１４７１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２７８０３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平５−３１１９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−６１３８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−１４０４３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｅ２１Ｄ １／００〜 ９／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
掘削機本体をグリッパにより固定した状態で前記掘削機本体の前面のカッタヘッドを回転させて前記カッタヘッドの前面の複数の掘削部材を地盤に押し付け回転させることにより該地盤に上向きまたは水平のトンネルを掘削する処理を停止する工程と、
前記掘削処理を停止した後、前記掘削機本体の後方に設けられた滑落防止手段により前記掘削機本体を固定する工程と、
前記掘削処理を停止した後、前記カッタヘッドの前面側の掘削領域を前記掘削機本体に設けられた方向修正手段により広げる工程と、
前記滑落防止手段により前記掘削機本体を固定した後、前記グリッパの固定状態を解除し、前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記グリッパの支持部材の撤去後、地盤の掘削により生じた排土をトンネルの外部に輸送する排土管を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記排土管の撤去後、前記排土管の前方に接続され、地盤の掘削により生じた排土を収容する排土収容手段を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記グリッパの支持部材、前記排土管および前記排土収容手段を撤去した後、前記掘削機本体内に搬送レールを敷設する工程と、
前記搬送レール上に運搬台車を搬入する工程と、
前記運搬台車の移動を操作する操作手段を前記掘削機本体内において前記カッタヘッドの後面側に設置する工程と、
前記カッタヘッドの後面側から取り外した交換対象の前記掘削部材を荷役手段により前記運搬台車に乗せ、前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記掘削機本体の後方に搬送する工程と、
前記運搬台車に乗せられた新たな掘削部材を前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記カッタヘッドの後面側に搬送する工程と、
前記運搬台車により搬送された前記新たな掘削部材を前記荷役手段により交換部位に運び、前記カッタヘッドの後面側から交換部位に装着する工程と、
前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを撤去した後、前記排土収容手段、前記排土管および前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内に戻す工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削機の掘削部材の交換方法。
前記掘削処理を停止した後、前記掘削機本体の後方に設けられた滑落防止手段により前記掘削機本体を固定する工程と、
前記掘削処理を停止した後、前記カッタヘッドの前面側の掘削領域を前記掘削機本体に設けられた方向修正手段により広げる工程と、
前記滑落防止手段により前記掘削機本体を固定した後、前記グリッパの固定状態を解除し、前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記グリッパの支持部材の撤去後、地盤の掘削により生じた排土をトンネルの外部に輸送する排土管を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記排土管の撤去後、前記排土管の前方に接続され、地盤の掘削により生じた排土を収容する排土収容手段を前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記グリッパの支持部材、前記排土管および前記排土収容手段を撤去した後、前記掘削機本体内に搬送レールを敷設する工程と、
前記搬送レール上に運搬台車を搬入する工程と、
前記運搬台車の移動を操作する操作手段を前記掘削機本体内において前記カッタヘッドの後面側に設置する工程と、
前記カッタヘッドの後面側から取り外した交換対象の前記掘削部材を荷役手段により前記運搬台車に乗せ、前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記掘削機本体の後方に搬送する工程と、
前記運搬台車に乗せられた新たな掘削部材を前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記カッタヘッドの後面側に搬送する工程と、
前記運搬台車により搬送された前記新たな掘削部材を前記荷役手段により交換部位に運び、前記カッタヘッドの後面側から交換部位に装着する工程と、
前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを前記掘削機本体内から撤去する工程と、
前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを撤去した後、前記排土収容手段、前記排土管および前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内に戻す工程と、
を有することを特徴とするトンネル掘削機の掘削部材の交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トンネル掘削機の掘削部材の交換方法に関し、例えば、地盤に上向きまたは水平のトンネルを掘削するトンネル掘削機の掘削部材の交換技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
トンネル掘削機は、鋼製の筒体または枠体を地中に押し込みながら地盤にトンネルを構築する機器であり、その主なものに、シールドマシンやトンネルボーリングマシン（Ｔｕｎｎｅｌ Ｂｏｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｓ：以下、ＴＢＭと略す）等がある。
【0003】
シールドマシンは、主に都市部の地下鉄や下水道の形成に使用される等、比較的軟弱な地質に対する掘削に使用されている。一方、ＴＢＭは、主に山岳部の鉄道や発電用導水路の形成に使用される等、比較的硬い地質に対する掘削に使用されており、他の工法に比べて掘削速度が速いという利点を有していることから、トンネルを造るのに速度が求められる場合に使用されている。
【0004】
いずれの場合もトンネル掘削機を構成する筒体または枠体の進行方向の先端に、その筒体または枠体の周方向に沿って回転するカッタヘッドが設置されている。このカッタヘッドの前面内には、ローラカッタやローラビット等のような複数の掘削部材が規則的に並んで配置されている。トンネルの掘削時には、カッタヘッドの前面の掘削部材を切羽（掘削面）に押し付けながらカッタヘッドを回転させることにより岩盤等を掘削するようになっている。
【0005】
トンネルの掘削時に掘削部材に摩耗や欠損等が生じた場合は、機内の排土輸送機構を掘削機本体の後方から撤去した後、作業者がカッタヘッドの後面まで進入して掘削部材を交換している。このような掘削部材の交換作業を容易にするため、例えば特許文献１，２には、撤去を容易にすることが可能な排土輸送機構が開示されている。また、例えば特許文献３には、小径のトンネルを掘削するトンネル掘削機であっても設置可能な排土輸送機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００２−１４７１７７号公報
【特許文献2】特開平１１−３２４５７７号公報
【特許文献3】特開２００４−４３１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、ＴＢＭ施工においては、掘削部材の交換において技術的に未成熟な部分が存在している。特に、上向きに傾斜するトンネルの施工や小径のトンネルの施工においては、上向きに傾斜し足場が不安定な機内で、また、作業領域が狭い機内で、如何にして安全かつ効率的に掘削部材を交換するかが重要な課題となっている。
【0008】
本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、トンネル掘削機の掘削部材を安全かつ効率的に交換することが可能な技術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】
【0009】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のトンネル掘削機の掘削部材の交換方法は、掘削機本体をグリッパにより固定した状態で前記掘削機本体の前面のカッタヘッドを回転させて前記カッタヘッドの前面の複数の掘削部材を地盤に押し付け回転させることにより該地盤に上向きまたは水平のトンネルを掘削する処理を停止する工程と、前記掘削処理を停止した後、前記掘削機本体の後方に設けられた滑落防止手段により前記掘削機本体を固定する工程と、前記掘削処理を停止した後、前記カッタヘッドの前面側の掘削領域を前記掘削機本体に設けられた方向修正手段により広げる工程と、前記滑落防止手段により前記掘削機本体を固定した後、前記グリッパの固定状態を解除し、前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内から撤去する工程と、前記グリッパの支持部材の撤去後、地盤の掘削により生じた排土をトンネルの外部に輸送する排土管を前記掘削機本体内から撤去する工程と、前記排土管の撤去後、前記排土管の前方に接続され、地盤の掘削により生じた排土を収容する排土収容手段を前記掘削機本体内から撤去する工程と、前記グリッパの支持部材、前記排土管および前記排土収容手段を撤去した後、前記掘削機本体内に搬送レールを敷設する工程と、前記搬送レール上に運搬台車を搬入する工程と、前記運搬台車の移動を操作する操作手段を前記掘削機本体内において前記カッタヘッドの後面側に設置する工程と、前記カッタヘッドの後面側から取り外した交換対象の前記掘削部材を荷役手段により前記運搬台車に乗せ、前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記掘削機本体の後方に搬送する工程と、前記運搬台車に乗せられた新たな掘削部材を前記操作手段による前記運搬台車の移動により前記カッタヘッドの後面側に搬送する工程と、前記運搬台車により搬送された前記新たな掘削部材を前記荷役手段により交換部位に運び、前記カッタヘッドの後面側から交換部位に装着する工程と、前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを前記掘削機本体内から撤去する工程と、前記操作手段、前記運搬台車および前記搬送レールを撤去した後、前記排土収容手段、前記排土管および前記グリッパの支持部材を前記掘削機本体内に戻す工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
請求項１記載の発明によれば、トンネルが上向きに傾斜しているため掘削機本体内の足場が不安定であっても、トンネルが小径なため掘削機本体内の作業領域が狭くても、トンネル掘削機の掘削部材を安全かつ効率的に交換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一実施の形態であるトンネル掘削機を構成する掘削機本体の全体構成の説明図である。
【図8】カッタヘッドの回転によるローラビットの回転軌跡を示したカッタヘッドの正面図である。
【図13】カッタヘッドの複数のローラビットの配列の説明図である。
【図15】トンネル掘進処理動作中の掘削機本体の説明図である。
【図23】ローラビットの交換工程中の掘削機本体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
図１は本実施の形態のトンネル掘削機を構成する掘削機本体の全体構成の説明図、図２は図１の掘削機本体を持つトンネル掘削機の全体構成の説明図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図、図４は図１のＩＶ−ＩＶ線の断面図、図５は図１のＶ−Ｖ線の断面図、図６は図１のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。なお、図１は掘削機本体を側面側から見た図であり、説明上、掘削機本体の内部を透かして示している。
【0014】
本実施の形態のトンネル掘削機は、例えば複胴式シールド型ＴＢＭであり、図１および図２に示すように、トンネル掘削機を構成するＴＢＭ本体（掘削機本体）１を地盤Ｇ（土や岩盤等）に押し込みながら発電所の水圧管斜坑や各種地下空洞のアクセストンネル等のようなトンネルＨを地盤Ｇに構築する機器である。
【0015】
ＴＢＭ本体１は、例えば円筒状の鋼製筒体により形成されており、その長手方向に沿って前胴部１Ｆと中胴部１Ｍと後胴部１Ｂとを一体的に備えている。ＴＢＭ本体１の掘削外径は、例えば１５００ｍｍであり比較的小径である。また、ＴＢＭ本体１の全長は、例えば６３６０ｍｍ程度である。掘削速度は、例えば１．５ｃｍ／ｍｉｎである。
【0016】
ＴＢＭ本体１の前胴部１Ｆの前面（ＴＢＭ本体１の掘進行方向の前面）には、カッタヘッド２が前胴部１Ｆ内に設置されたカッタ駆動電動機３によりＴＢＭ本体１の中心軸を中心にしてＴＢＭ本体１の周方向に沿って回転可能な状態で設置されている。
【0017】
カッタヘッド２の外形は、ＴＢＭ本体１とほぼ等しい円盤状に形成されている。また、カッタヘッド２において切羽に対向する面は略円錐台形状に形成されている。すなわち、カッタヘッド２の前面には、その最外周から中央に向けてテーパ面が形成され、中央部に円形状の平坦面が形成されている。
【0018】
このカッタヘッド２の前面には、複数のローラビット（掘削部材）４が地盤Ｇを掘削するように回転可能な状態で規則的に並んで配置されている。ローラビット４は、ＴＢＭ本体１に与えられる推進力に因って地盤Ｇに押し付けられた状態でカッタヘッド２の回転に伴って切羽を掘削する部材である。各ローラビット４の重さは、例えば４０ｋｇ程度である。このローラビット４の配置については、後ほど詳細に説明する。
【0019】
また、カッタヘッド２には、前面と後面との間を貫通する開口部（図１〜図６に図示せず）が形成されている。掘削処理により生じた掘削土（排土）は、カッタヘッド２の開口部を通じてＴＢＭ本体１の内部に設置されたホッパ（排土収容手段）５内に一時的に収容されるようになっている。
【0020】
ホッパ５は、カッタヘッド２の後面のすぐ近くの下方に着脱自在の状態で設置されている。ホッパ５の底面は、図３に示すように、その幅方向両側から中央に向かって次第に深くなるように湾曲した形状に形成されている。ホッパ５は、スクリューコンベア等のような排土輸送機構に比べて小型で軽量なので、取り扱い易く、ＴＢＭ本体１内からの撤去や取り付けが容易な構成になっている。
【0021】
このホッパ５の側面下部の幅方向中央の湾曲底部近傍には、排土管６が接続されている。この排土管６は、例えば軟質塩化ビニールの外周に硬銅線を螺旋状に巻いた耐圧ビニールホースにより形成されている。排土管６は、その内面がフラットで、つぶれに強く折れ難いので、流体の詰まり不安を解消できる。また、排土管６は、スクリューコンベア等のような排土輸送機構に比べて軽量な上、可撓性に優れているので、取り扱い易く、ＴＢＭ本体１内からの撤去や取り付けが容易な構成になっている。また、排土管６の材料を透明材料にすることで排土管６内の残留物を外部から容易に確認することができる。この排土管６は、ＴＢＭ本体１の長手方向に沿って延び、図２に示すように、トンネルＨの外部の排土タンク（排土貯溜手段）７に接続され、さらに負圧吸引装置（負圧吸引手段）８に接続されている。
【0022】
また、ホッパ５の近傍における排土管６の経路途中には、排土管６内の排土の輸送を加勢するように排土管６内に圧縮空気を供給する空気供給管（空気供給手段）９が接続されている。空気供給管９は、予め決められた間隔毎に複数配置しても良い。
【0023】
これにより、ホッパ５内に収容された掘削土は、負圧吸引装置８により吸引されるとともに、空気供給管９から供給された圧縮空気により加勢されて排土管６を通じて排土タンク７内に収容されるようになっている。このため、掘削処理で生じた排土を効率的にトンネルＨの外部に輸送することができる。
【0024】
また、ホッパ５の開口部の上方には、添加材供給管１０が設置されている。添加材供給管１０は、例えば水、泥水またはベントナイト溶液のような液状の添加材をホッパ５内に供給するための配管である。添加材供給管１０を通じて掘削土に添加材を混ぜることにより、掘削土の塑性流動化を図ることができるので、ホッパ５内の掘削土を効率的に負圧吸引することができる。このため、掘削処理で生じた排土を効率的にトンネルＨの外部に輸送することができる。また、掘削土に添加材を混ぜることにより、掘削土に因る粉塵の発生を抑制または防止することができる。なお、掘削時には、掘削土の負圧吸引の状況に応じて添加材の供給量や供給の有無を調整しても良い。
【0025】
また、カッタヘッド２の後面には掻き上げ板（掻き上げ手段）１１が接合されている。掻き上げ板１１は、カッタヘッド２の回転に追従して回転し、ＴＢＭ本体１内の底部に溜まった掘削土を掻き上げてホッパ５内に収容する部材である。掻き揚げ板１１をカッタヘッド２に接合し、カッタヘッド２の回転動作に追従して動作させるようにしたことにより、掻き揚げ板１１を動作させるための専用の駆動体を設ける必要がないので、排土輸送機構部を小型軽量化することができ、かつ、その構成を簡単化することができる。
【0026】
また、掻き上げ板１１に因る掘削土の掻き上げ箇所に上記添加材供給管１０等を通じて液状の添加材を供給しても良い。掘削土と添加材とが程良く混ざっていないと液体（添加材）だけが吸引され掘削土が残されてしまう場合がある。これに対して、掻き上げ箇所に添加材を供給することにより、掘削土を掻き上げ板１１で掻き上げる際に掘削土と添加材とが攪拌され程良く混ざり合う。このため、掘削土の塑性流動化をさらに向上させることができるので、掘削土をさらに効率的に負圧吸引することができる。このため、掘削処理で生じた排土を効率的にトンネルＨの外部に輸送することができる。
【0027】
以上のように本実施の形態においてＴＢＭ本体１内に設置される排土輸送機構部は、主にホッパ５と排土管６とにより構成されており、比較的小型軽量で簡単な構成にすることができる。このため、排土輸送機構部を比較的小径のＴＢＭ本体１内にも容易に設置することができる。
【0028】
また、ＴＢＭ本体１内の排土輸送機構部を小型軽量で簡単な構成にすることができるので、上向きに傾斜するトンネルＨを形成する場合でも高速にかつ安全に掘削処理を行うことができる。このため、他の工法よりも高速で掘削処理ができるというＴＢＭ工法の利点を損なうことなく、トンネルＨを掘削することができる。
【0029】
上記ＴＢＭ本体１の前胴部１Ｆの外周には前胴グリッパ１２が設置されている。前胴グリッパ１２は、地盤Ｇの掘削後にＴＢＭ本体１を固定するための部材であり、図３に示すように、例えば前胴部１Ｆの外周に沿って４箇所に設置されている。
【0030】
各前胴グリッパ１２には、ＴＢＭ本体１の径方向に沿って伸縮可能な固定部材１２ａが設けられており、その固定部材１２ａが伸びてトンネルの壁面に押し付けられることでＴＢＭ本体１が固定されるようになっている。
【0031】
また、ＴＢＭ本体１の前胴部１Ｆと中胴部１Ｍとの境界領域の内部には方向修正ジャッキ１３が設置されている。方向修正ジャッキ１３は、前胴部１Ｆと中胴部１Ｍとを連結するとともに、ＴＢＭ本体１の掘進方向を修正する部材である。この方向修正ジャッキ１３に圧油を供給し前胴部１Ｆと中胴部１Ｍとを予め決められた方向および角度に屈折させた状態でＴＢＭ本体１を推進することによりＴＢＭ本体１の推進方向を制御することが可能になっている。
【0032】
また、ＴＢＭ本体１の中胴部１Ｍの内部には推進ジャッキ１４がＴＢＭ本体１の長手方向に沿って伸縮可能な状態で設置されている。推進ジャッキ１４は、ＴＢＭ本体１を推進させるための部材であり、図４に示すように、例えば中胴部１Ｍの外周に沿って４箇所に設置されている。
【0033】
また、ＴＢＭ本体１の後胴部１Ｂの外周には後胴グリッパ１５および滑落防止ジャッキ１６が設置されている。
【0034】
後胴グリッパ１５は、掘削時にＴＢＭ本体１を固定して掘進反力を得るための部材である。後胴グリッパ１５は、図５に示すように、例えばＴＢＭ本体１の外周両側面側の２箇所に設置されている。各後胴グリッパ１５には、ＴＢＭ本体１の径方向に沿って伸縮可能な固定部材１５ａが設けられており、その固定部材１５ａが伸びてトンネルの壁面に押し付けられることでＴＢＭ本体１が固定されるようになっている。ＴＢＭ本体１内の後胴グリッパ１５の支持部材は、着脱自在の状態で設置されている。
【0035】
上記滑落防止ジャッキ１６は、滑落防止のための反力を得るための部材であり、長手方向に沿って伸縮可能な状態で設置されている。滑落防止ジャッキ１６は、図５および図６に示すように、例えばＴＢＭ本体１の外周底部の２箇所に配置されている。地質不良部で後胴グリッパ１５による反力確保が困難な場合に、ＴＢＭ本体１内で組み立てたセグメントに滑落防止ジャッキ１６を押し付けることで反力が得られるようになっている。このように地質の状態等に応じて掘進反力の取り方を変えることができるので、トンネルを造る速度を速めることができる。また、安全にトンネルを形成することができる。
【0036】
なお、本実施の形態で形成されるトンネルＨは、断面が小さく長距離であるため、人力で資機材を運搬することは困難である。このため、小径のトンネルＨに収まるモノレール等のような運搬手段（図示せず）がトンネルＨの入口からＴＢＭ本体１の後方まで設けられており、作業員や資機材の運搬に利用される。モノレールには、エンジン式と電動式（バッテリー駆動式を含む）とがあるが、内燃機関によるトンネルＨ内の酸欠を考慮し、電動式が採用されている。
【0037】
次に、図７は図１のカッタヘッド２の正面図、図８はカッタヘッド２の回転によるローラビット４の回転軌跡を示したカッタヘッドの正面図である。なお、図７および図８においてハッチングは、カッタヘッド２の前後面間を貫通する上記開口部を示している。
【0038】
カッタヘッド２は、例えば、枠体部２Ｆと、その枠体部２Ｆ内に互いに直交するように設置された２つのスポーク部２Ｓａ，２Ｓｂと、スポーク部２Ｓａに接合されたスクレーバツース２Ｓｔと、２つのスポーク部２Ｓａ，２Ｓｂの間に張り出すように設置された４つの張出部２ｈとを備えている。
【0039】
カッタヘッド２の正面中央の回転軌跡Ｒ１上においてスポーク部２Ｓａ，２Ｓｂの交点部には、例えば、２個のコーンヘッド型のローラビット４Ａ，４Ａ（４）が回転可能な状態で設置されている。
【0040】
また、中央の回転軌跡Ｒ１の１つ外側の回転軌跡Ｒ２上のスポーク部２Ｓａには、例えば、ドラム型の２個のローラビット４Ｂ，４Ｂ（４）が回転可能な状態で設置されている。
【0041】
また、回転軌跡Ｒ２の１つ外側の回転軌跡Ｒ３上のスポーク部２Ｓｂには、例えば、ドラム型の２個のローラビット４Ｃ，４Ｃ（４）が回転可能な状態で設置されている。
【0042】
また、回転軌跡Ｒ３の１つ外側の回転軌跡Ｒ４上のスポーク部２Ｓａには、例えば、ドラム型の２個のローラビット４Ｄ，４Ｄ（４）が回転可能な状態で設置されている。
【0043】
さらに、カッタヘッド２の正面の最外周の回転軌跡Ｒ５上の各張出部２ｈには、例えば、ドラム型のローラビット４Ｅ，４Ｅ（４）が回転可能な状態で設置されている。カッタヘッド２の中心軸線に対するローラビット４Ｅの配置角度θ１は、例えば４０°である。
【0044】
これらのローラビット４Ａ〜４Ｅの各々の側面（掘削部位）には、複数の突出刃４ｓがローラビット４Ａ〜４Ｅの各々の側面から突出した状態で敷き詰められている。突出刃４ｓは、例えばタングステンカーバイドのような超硬合金により形成されている。なお、突出刃４ｓはローラビット４Ａ〜４Ｅの各々の側面に敷き詰められているが、図７および図８では図面を見易くするために突出刃４ｓを間引いて示している。
【0045】
次に、図９および図１０は図７のカッタヘッド２の正面中央のローラビット４Ａを側面側から見た説明図、図１１は図７のローラビット４Ｂ〜４Ｄの説明図、図１２は図７のカッタヘッド２の最外周のローラビット４Ｅの説明図、図１３はカッタヘッド２のローラビット４Ａ〜４Ｅの配列の説明図である。なお、図１３においてはローラビット４Ａ〜４Ｅを重ねて示している。
【0046】
図９および図１０に示す中央のローラビット４Ａ，４Ａは、例えば円錐形状に形成されており、図１３に示すように、ローラビット４Ａ，４Ａの各々の側面（掘削部位）が掘削方向正面を向くように、ローラビット４Ａ，４Ａの各々の頂点をカッタヘッド２の正面中心に向けて回転軸を傾けた状態で設置されている。
【0047】
これらのローラビット４Ａ，４Ａは、図９に示すように、ボルト２０ａによってカッタヘッド２に取り付けられており、図１０に示すように、カッタヘッド２の後面側から着脱することが可能な構成になっている。
【0048】
次に、図１１に示すローラビット４Ｂ〜４Ｄは、例えば円柱状に形成されており、回転軸部４ｘの外側に軸受け部４ｒを介して回転可能な状態で設けられた外周部４ｐを備えている。これらのローラビット４Ｂ〜４Ｄも、ボルト２０ｂによってカッタヘッド２に取り付けられており、カッタヘッド２の後面側から着脱することが可能な構成になっている。
【0049】
また、図１３に示すように、ローラビット４Ｂ〜４Ｄのうち、ローラビット４Ｂ，４Ｃは、その側面（掘削部位）が掘削方向正面を向くように設置されている。一方、それらの外側のローラビット４Ｄは、その側面（掘削部位）がカッタヘッド２の径方向外側を向くように傾斜した状態で設置されている。
【0050】
次に、図１２に示す最外周のローラビット４Ｅは、例えば円錐台形状に形成されており、上記したローラビット４Ｂ等と同様に、回転軸部４ｘの外側に軸受け部４ｒを介して回転可能な状態で設けられた外周部４ｐを備えている。このローラビット４Ｅも、ボルト２０ｃによってカッタヘッド２に取り付けられており、カッタヘッド２の後面側から着脱することが可能な構成になっている。
【0051】
また、図１３に示すように、最外周のローラビット４Ｅは、その側面（掘削部位）がカッタヘッド２の径方向外側を向くように傾斜した状態で設置されている。ただし、最外周のローラビット４Ｅの側面の傾斜角度は、それよりも１つ内側の上記ローラビット４Ｄの側面の傾斜角度よりも大きくなっている。
【0052】
すなわち、本実施の形態においては、最外周の回転軌跡Ｒ５上のローラビット４Ｅと、中央側の回転軌跡Ｒ３上のローラビット４Ｃとの間の回転軌跡Ｒ４上に、側面の傾斜角度が最外周のローラビット４Ｅの側面の傾斜角度よりも小さく設定されたローラビット４Ｄが設置されている。
【0053】
このようにローラビット４Ｃ，４Ｅの間に、ローラビット４Ｄを配置したことにより、カッタヘッド２の外周部においてローラビット４Ｃからローラビット４Ｅにわたって各々のローラビット４Ｃ〜４Ｅの側面で形成される掘削ラインがカッタヘッド２の外周に向かって緩やかに傾斜するようになっている。その結果、掘削処理時に最外周のローラビット４Ｅの内側一部に加わるストレスを緩和することができるので、最外周のローラビット４Ｅの寿命を向上させることができる。
【0054】
また、最外周のローラビット４Ｅを円柱状にした場合、ローラビット４Ｅの外側の回転軸部４ｘがトンネルの内壁面に接触しないようにするためには、最外周のローラビット４Ｅの側面の傾斜角度が大きくならざるを得ない。したがって、ローラビット４Ｄの側面の傾斜角度に対するローラビット４Ｅの側面の傾斜角度が急峻になるため、掘削処理時に最外周のローラビット４Ｅの内側部分またはローラビット４Ｄの外側部分にストレスが集中する場合がある。
【0055】
これに対して、本実施の形態においては、最外周のローラビット４Ｅを円錐台形状にすることにより、ローラビット４Ｅの外側の回転軸部４ｘがトンネルの内壁面に接触しないようにローラビット４Ｅを配置した上で、最外周のローラビット４Ｅの側面の傾斜角度を、その内側のローラビット４Ｄの側面の傾斜角度に対して緩やかにすることができる。このため、掘削処理時に最外周のローラビット４Ｅの内側部分またはローラビット４Ｄの外側部分に加わるストレスを緩和することができるので、最外周のローラビット４Ｅ，４Ｄの寿命を向上させることができる。
【0056】
このような本実施の形態の構造を採用しない場合、最外周のローラビット４Ｅの一部が摩耗しただけでも、そのローラビット４Ｅを交換しなければならなくなるが、最外周のローラビット４Ｅはその配置位置の観点から着脱が困難な上、１つのローラビット４Ｅを交換するのにもＴＢＭ本体１の内部機器の搬出搬入等の大がかりな作業が必要になる。このため、トンネル掘削工事の工期が大幅に遅れてしまうという問題がある。また、ＴＢＭ本体１のカッタの稼働率が低下するので、掘削速度が速いというＴＢＭ工法の利点を損なうという問題もある。
【0057】
また、最外周のローラビット４Ｅの一部が摩耗しただけでも、そのローラビット４Ｅ全体を交換しなければならないので、材料費が高くなるという問題もある。特に、ＴＢＭは高価なので工事費を如何にして下げるかが重要な課題になっている。
【0058】
これに対して本実施の形態においては、ローラビット４Ｅの寿命を向上させることができ、その交換頻度を低下させることができるので、トンネル掘削工事の工期を短縮させることができる。特に、ＴＢＭ本体１のカッタの稼働率を向上させることができるので、掘削速度が速いというＴＢＭ工法の利点を活かした掘削工事を行うことができる。
【0059】
また、最外周のローラビット４Ｅの寿命を向上させることができるので、材料費を低減することができ、トンネル掘削工事の費用を低減することができる。このため高価なＴＢＭの使用を推進することができる。
【0061】
図１５〜図２２はトンネル掘進処理工程中のＴＢＭ本体１の説明図である。ここでは、例えば上向きに傾斜するトンネルＨ（図２参照）の掘進処理について説明する。なお、上向きに傾斜するトンネルＨの傾斜角度θ２は、例えば２０°程度である。また、符号ＳＧは滑落防止部材として機能するセグメントを示している。
【0062】
まず、図１５に示すように、後胴グリッパ１５の固定部材１５ａを伸ばしトンネルＨの内壁面に押し当ててＴＢＭ本体１を固定した後（図１４の工程１００）、図１６に示すように、推進ジャッキ１４をＴＢＭ本体１の長手方向前方に伸ばして掘進動作を行う（図１４の工程１０１）。これにより、カッタヘッド２の前面の複数のローラビット（掘削部材）４を地盤に押し付けた状態でカッタヘッド２を回転させて地盤を掘削する。
【0063】
この際、掘削により生じた掘削土は、カッタヘッド２の開口部を通じてホッパ５内に収容される。ホッパ５に入らずＴＢＭ本体１の内部底に落ちた掘削土は、カッタヘッド２の回転に追従して回転する掻き上げ板１１により掻き上げられてホッパ５内に収容される。
【0064】
ホッパ５内に収容された掘削土は、添加材供給管１０からホッパ５内に供給された液状の添加材と混ぜられる。これにより、掘削土の塑性流動性を向上させることができるので、掘削土を効率的に負圧吸引することができる。また、掘削土に因る塵埃の発生を抑制または防止することができる。
【0065】
ホッパ５内において添加材が混ぜられた掘削土は、負圧吸引装置８により負圧吸引されるとともに、空気供給管９から排土管６内に供給された圧縮空気により加勢されて排土管６内を移動し、排土タンク７内に収容される。このため、掘削土を効率的にトンネルＨの外部に輸送することできる。また、掘削工事により生じた掘削土は排土タンク７に収容されるので、トンネルＨの外部の環境が掘削土に因り汚染されることもない。
【0066】
続いて、推進ジャッキ１４が伸びきったところでカッタヘッド２の回転を停止し、図１７に示すように、後胴グリッパ１５で反力を得たまま、前胴グリッパ１２の固定部材１２ａを伸ばしトンネルＨの内壁面に押し当てＴＢＭ本体１を固定する（図１４の工程１０２）。
【0067】
その後、図１８に示すように、後胴グリッパ１５の固定部材１５ａを縮めて後胴グリッパ１５による固定状態を解除した後（図１４の工程１０３）、図１９に示すように、推進ジャッキ１４を縮めて中胴部１Ｍおよび後胴部１Ｂを前方に引き寄せるとともに、ＴＢＭ本体１の滑落を防止するため滑落防止ジャッキ１６をＴＢＭ本体１の長手方向後方に伸ばしてセグメントＳＧに押し当てる（図１４の工程１０４）。
【0068】
次いで、図２０に示すように、前胴グリッパ１２でＴＢＭ本体１を固定した状態で、後胴グリッパ１５の固定部材１５ａを伸ばしトンネルＨの内壁面に押し当てＴＢＭ本体１を固定する（図１４の工程１０５）。
【0069】
続いて、図２１に示すように、前胴グリッパ１２および後胴グリッパ１５でＴＢＭ本体１を固定した状態で滑落防止ジャッキ１６を縮めて前方に引き寄せた後、滑落防止ジャッキ１６の後方の空き領域に新たなセグメントＳＧを挿入した後（図１４の工程１０６）、図２２に示すように、前胴グリッパ１２の固定部材１２ａを縮めて前胴グリッパ１２によるＴＢＭ本体１の固定状態を解除する（図１４の工程１０７）。
【0071】
このように本実施の形態においては、上向きに傾斜するトンネルＨであってもＴＢＭ本体１により安全かつ高速に掘進作業を行うことができる。
【0072】
また、掘削時に生じた掘削土を、小型軽量で簡単な構造の排土輸送機構部を通じてトンネルＨの外部に効率的に輸送することができる。
【0074】
まず、ＴＢＭ本体１による掘削処理を停止した後、図２３に示すように、滑落防止ジャッキ１６をセグメントＳＧに押し当ててＴＢＭ本体１を固定する。
【0075】
続いて、図２４に示すように、後胴グリッパ１５の固定状態を解除した後、図２５および図２６に示すように、方向修正ジャッキ１３により切羽の下方および前方にローラビット４を交換するための余堀（外堀余堀ＭＡおよび前面余堀ＭＢ）を取り、カッタヘッド２の前面側の掘削領域を広げる。なお、この作業は、後胴グリッパ１５のみでＴＢＭ本体１を固定した状態で行っても良いし、後胴グリッパ１５と滑落防止ジャッキ１６との両方でＴＢＭ本体１を固定した状態で行っても良い。
【0076】
続いて、図２７に示すように、ＴＢＭ本体１内の後胴グリッパ１５の支持部材、排土管６およびホッパ５を順に撤去する。この際、ホッパ５および排土管６により構成される排土輸送機構は、スクリューコンベア等のような機構部を持つ排土輸送機構に比べて小型で構成が簡単である。このため、ＴＢＭ本体１内が小径で傾斜していても、ホッパ５および排土管６を較的容易に、かつ、短時間で撤去することができる。
【0077】
その後、図２８に示すように、ＴＢＭ本体１内に搬送レール２０を敷設した後、搬送レール２０上に運搬台車２１を搬入し、運搬台車２１の移動を操作する手動ウィンチ（操作手段）２２をＴＢＭ本体１内のカッタヘッド２後面側の隔壁に取り付け、交換準備工を完了する。運搬台車２１や手動ウィンチ２２は比較的小型なので、小径で傾斜するＴＢＭ本体１内であっても容易に導入することができ、これらを導入するからといって交換準備工にかかる時間が大幅に増えることもない。
【0078】
次いで、図２９に示すように、ローラビット４の取り出し治具２３を取り付け、その取り出し治具２３を用いて、摩耗等により交換が必要となったローラビット４をカッタヘッド２の後面側から取り外す。
【0079】
続いて、取り外したローラビット４に荷役手段であるレバーブロック（登録商標）２４のフックを引っかけて、そのローラビット４を上方に持ち上げ、図３０に示すように、運搬台車２１まで運ぶ。レバーブロック２４を用いることにより、作業スペースをとらない上、トンネルＨが傾斜してＴＢＭ本体１内の足場が不安定であり、かつ、トンネルＨが小径で作業空間が狭いＴＢＭ本体１内においても、ローラビット４を安全かつ容易に運ぶことができる。
【0080】
その後、交換対象のローラビット４を運搬台車２１上に載せてしっかりと固定した後、図３１に示すように、手動ウィンチ２２により運搬台車２１を搬送レール２０に沿って下ろし、ＴＢＭ本体１の後方の上記モノレールまで運ぶ。
【0081】
ＴＢＭ本体１内でのローラビット４の搬送手段としてローラビット４を空中に浮かせて運ぶ空中搬送方式もあるが、ＴＢＭ本体１内は傾斜している上、ローラビット４は４０ｋｇ程度あり重いので、空中搬送方式でのローラビット４の搬送は不安定である。これに対して、本実施の形態においては、安定した状態で設置された搬送レール２０によりローラビット４を搬送するので、ＴＢＭ本体１内が傾斜していても、ローラビット４を安定した状態で安全かつ効率的に搬送することができる。
【0082】
また、搬送レール２０は占有面積を取らないので、トンネルＨが小径でありＴＢＭ本体１内の作業空間が狭くても設置することができる。
【0083】
続いて、運搬台車２１の交換対象のローラビット４を降ろし、代わりに運搬台車２１上に新しいローラビット４を載せてしっかりと固定した後、図３２に示すように、その運搬台車２１を手動ウィンチ２２によりカッタヘッド２の後面側まで引き寄せる。
【0084】
続いて、図３３に示すように、運搬台車２１上の新しいローラビット４をレバーブロック２４によりカッタヘッド２の後面側の交換部位まで運び、入れ込む。そして、図３４に示すように、ローラビット４の取り出し治具２３を取り付け、新しいローラビット４を挿入ジャッキ２５によりカッタヘッド２の後面側から装着する。
【0085】
その後、手動ウィンチ２２、運搬台車２１および搬送レール２０を順に撤去した後、図３５に示すように、ホッパ５、排土管６および後胴グリッパ１５の支持部材を順にＴＢＭ本体１内に戻し、予め決められた部位に取り付ける。この際、上記のようにホッパ５および排土管６により構成される排土輸送機構は、スクリューコンベア等のような機構部を持つ排土輸送機構に比べて小型で構成が簡単なため、ＴＢＭ本体１内が小径で傾斜していても、ホッパ５および排土管６を較的容易に、かつ、短時間でＴＢＭ本体１内に戻すことができる。
【0086】
このように本実施の形態のＴＢＭ本体１のローラビット４の交換方法においては、トンネルＨが上向きに傾斜しているためＴＢＭ本体１内の足場が不安定であっても、トンネルＨが小径なためＴＢＭ本体１内の作業領域が狭くても、ローラビット４を安全かつ効率的に交換することができる。
【0087】
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。
【0088】
例えば、前記実施の形態のローラビット４Ｄの形状を円錐楕円形にしても良い。これにより、ローラビット４Ｄの側面の外向きの傾斜角度を調整することができる。
【0089】
また、カッタヘッド２の正面の中央側のローラビット４Ｃと最外周のローラビット４Ｅの間に複数のローラビット４Ｄを配置しても良い。この場合も複数のローラビット４Ｄの各側面（切削部位）の傾斜角度が外周に向かって次第に大きくなるようにする。
【産業上の利用可能性】
【0090】
以上の説明では、本発明を上向きに傾斜するトンネルの掘削処理に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく水平トンネルの掘削処理に適用することもできる。
【符号の説明】
【0091】
１ ＴＢＭ本体（掘削機本体）２ カッタヘッド
３ カッタ駆動電動機
４，４Ａ〜４Ｅ ローラビット（掘削部材）
４ｐ 外周部
４ｒ 軸受け部
４ｓ 突出刃
４ｘ 回転軸
５ ホッパ（排土収容手段）
６ 排土管
７ 排土タンク
８ 負圧吸引装置
９ 空気供給管
１０ 添加材供給管
１１ 掻き上げ板
１２ 前胴グリッパ
１３ 方向修正ジャッキ（方向修正手段）
１４ 推進ジャッキ
１５ 後胴グリッパ（グリッパ）
１６ 滑落防止ジャッキ（滑落防止手段）
２０ 搬送レール
２１ 運搬台車
２２ 手動ウィンチ（操作手段）
２３ 取り出し治具
２４ レバーブロック（荷役手段）