特許 6674859 ディスクカッタ及び掘削装置

(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】6674859

(24)【登録日】2020年3月11日

(45)【発行日】2020年4月1日

(54)【発明の名称】ディスクカッタ及び掘削装置

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/11 20060101AFI20200323BHJP

   E21D 9/06 20060101ALI20200323BHJP

【ＦＩ】

   E21D9/11 A

   E21D9/06 301Z

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-148515(P2016-148515)

(22)【出願日】2016年7月28日

(65)【公開番号】特開2018-17036(P2018-17036A)

(43)【公開日】2018年2月1日

【審査請求日】2019年4月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】390032517

【氏名又は名称】株木建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100170634

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 航介

(72)【発明者】

【氏名】株木 康吉

(72)【発明者】

【氏名】武田 光雄

【審査官】 神尾 寧

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３３１９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０２２３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５６５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００３６６３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｄ ９／１１

Ｅ２１Ｄ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤を掘削するための掘削装置に用いられるディスクカッタであって、
回転軸を中心として環状に延びる掘削面を有し、
前記ディスクカッタの掘削面に、地盤を掘削して生じた岩又は土砂を収容可能な凹部が形成されており、
前記ディスクカッタは、
円板状のカッタ本体と、
前記カッタ本体の径方向外周面から放射状に突出する複数の歯部と、
前記複数の歯部の間に設けられた一対の板部と、を有し、
前記凹部は、隣接する歯部と、当該隣接する歯部の間に設けられた一対の板部で囲まれた空間内に形成されている、
ことを特徴とする、ディスクカッタ。

【請求項2】

地盤を掘削するための掘削装置に用いられるディスクカッタであって、
回転軸を中心として環状に延びる掘削面を有し、
前記ディスクカッタの掘削面に、地盤を掘削して生じた岩又は土砂を収容可能な凹部が形成されており、
前記ディスクカッタは、
円板状のカッタ本体と、
前記カッタ本体の径方向外周面に周方向に延びるように立設された一対の側壁部を有し、
前記凹部は前記一対の側壁部の間に形成されており、
前記一対の側壁部の径方向高さは等しく、全周にわたって一定の径であり、
前記一対の側壁部及び前記凹部の底面は、窪み又は突部のない平坦面として形成されている、ことを特徴とする、ディスクカッタ。

【請求項3】

前記掘削面の全周にわたって、間隔をあけて複数の凹部が形成されている、
請求項１に記載のディスクカッタ。

【請求項4】

請求項１〜３の何れか１項に記載のディスクカッタを有する、掘削装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディスクカッタ及びこのディスクカッタを有する掘削装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本件出願人らは、これまで、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）を用いて地盤にトンネルを掘削するトンネル方法（ＴＢＭ工法）として、円筒状の掘削装置により、トンネルの外環部に当たる位置の地盤を先行して円環状に掘削する工程と、掘削装置の内側に円柱状に残留した地盤を掘削装置の内側に配置された重機により掘削する工程とを行うことによりトンネルを構築する方法を提案している。

【0003】

そして、このような方法によりトンネルを掘削するための掘削装置として、装置の先端面に複数の掘削部材が取り付けられた円環状のカッタヘッドを備え、このカッタヘッドを地盤に押し付けながら回転させることにより、地盤を円環状に掘削する装置を提案している（特許文献１〜３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４９３４２３４号

【特許文献2】特許第５１３８８２１号

【特許文献3】特開２０１４−５６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような掘削装置の先端面に取り付けられた掘削部材として、ディスクカッタが用いられることがある。ディスクカッタは、円板状を呈し、回転軸を中心として回転可能なカッタである。このようなディスクカッタは、地盤の掘削を続けると徐々に摩耗していく。そして、所定の量以上、摩耗したディスクカッタは新たなディスクカッタと交換される。しかしながら、長距離にわたり掘削すると、ディスクカッタの交換回数も多くなり、ディスクカッタの費用がかさむとともに、交換に手間がかかる。

【0006】

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、地盤掘削時の摩耗が少ないディスクカッタを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、地盤を掘削するための掘削装置に用いられるディスクカッタであって、回転軸を中心として環状に延びる掘削面を有し、ディスクカッタの掘削面に、地盤を掘削して生じた岩又は土砂を収容可能な凹部が形成されていることを特徴とする。

【0008】

上記構成の本発明によれば、地盤掘削時には、地盤を掘削して生じた岩又は土砂が掘削面の凹部に収容され、この凹部に収容された岩又は土砂が地盤と接触することになる。これにより、ディスクカッタ自体が地盤の掘削により摩耗するのを抑えることができる。

【0009】

本発明において、好ましくは、掘削面の全周にわたって、間隔をあけて複数の凹部が形成されている。
上記構成の本発明によれば、ディスクカッタが回転しても。凹部に収容された岩又は土砂が凹部内に確実に保持されるため、凹部を設けても掘削効率が低下することがない。

【0010】

本発明において、好ましくは、凹部は前記掘削面の全周にわたって延びている。
上記構成の本発明によれば、地盤掘削時に岩又は土砂が地盤と接触する面積を多くすることができ、よりディスクカッタ自体が地盤の掘削により摩耗するのを抑えることができる。

【0011】

本発明の掘削装置は、上記のディスクカッタを有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、地盤掘削時の摩耗が少ないディスクカッタが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態による掘削装置を示す斜視図である。

【図2】図１に示す掘削装置の長手方向鉛直断面図である。

【図3】図７におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

【図4】図１に示す掘削装置の正面図である。

【図5】図４におけるＶ−Ｖ断面図である。

【図6】図１に示す掘削装置のカッタ部の拡大斜視図である。

【図7】図２におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。

【図8】図２におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。

【図9】図２におけるＩＸ−ＩＸ断面図である。

【図10】第１実施形態の掘削装置で用いられているディスクカッタを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。

【図11】第１実施形態の掘削装置で用いられているディスクカッタの拡大斜視図である。

【図12】地盤掘削時における図４におけるＶ−Ｖ断面図である。

【図13】図１に示す掘削装置における掘削土を搬送する方法を説明するための概略図である。

【図14】本発明の第２実施形態のディスクカッタを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明のトンネル掘削装置及びトンネル掘削方法の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１乃至図９は、本発明の第１実施形態の掘削装置１０を示し、図１は斜視図、図２は長手方向鉛直断面図、図３は図７におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図、図４は正面図、図５は図４におけるＶ−Ｖ断面図、図６はカッタ部の拡大斜視図、図７は図２におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面図、図８は図２におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図、図９は図２におけるＩＸ−ＩＸ断面図である。

【0015】

図１及び図２に示すように、掘削装置１０は、円筒状の殻体１２と、殻体１２の掘削進行方向（以下、前方という）の先端に設けられた掘削機構１４と、地盤を掘削して発生した掘削土を搬出するための掘削土搬出機構１６と、掘削機構１４を推進させるための推進機構１８とを備える。

【0016】

殻体１２は、前方から順次接続された回転部殻体２０と、第１の固定部殻体２２と、第２の固定部殻体２４と、第３の固定部殻体２６とにより構成される。

【0017】

回転部殻体２０は、先端面を形成する円環状の先端面部２０Ａと、先端面部２０Ａの外周縁から後方に延びる円筒状の外筒体２０Ｂと、先端面部２０Ａの内周縁から後方に延びる円筒状の内筒体２０Ｃと、を有する。

【0018】

また、第１の固定部殻体２２と、第２の固定部殻体２４と、第３の固定部殻体２６とは、それぞれ、回転部殻体２０の外筒体２０Ｂと略同径に形成された円筒状の外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂと、外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂ内に配置され、第１の固定部殻体２２の内筒体２０Ｃと略同径に形成された円筒状の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと、内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂを結ぶように設けられた複数の支持部材（図示せず）とにより構成される。これら殻体２０、２２、２４、２６はそれぞれ鋼材からなる。なお、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端は、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間に隙間２０Ｄが形成されるように、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端よりも前方において終端している。

【0019】

回転部殻体２０、第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び第３の固定部殻体２６を構成する内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃ、及び外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂは、後に詳述する掘削機構１４の回転軸と同心同軸に配置されており、これにより、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂとの間に環状空間が形成される。支持部材は、棒状又は板状の鋼材からなり、外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂに作用する土圧を支持可能な本数、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの中心軸を中心として放射状に、周方向及び軸方向に適宜な間隔をあけて、これら内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂを結ぶように設けられている。そして、内筒体２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃと、外筒体２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂとの間の環状空間内に推進機構１８が収容されている。

【0020】

回転部殻体２０は第１の固定部殻体２２に対して回転可能に接続されている。なお、回転部殻体２０と第１の固定部殻体２２との間に、ベアリング等を介在させることにより滑りを向上することができる。

【0021】

また、第２の固定部殻体２４の内筒体２４Ｃ及び外筒体２４Ｂの前端部は、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃと外筒体２２Ｂの後端部の間の空間内に収容されている。かかる構成により、第２の固定部殻体２４は第１の固定部殻体２２に対して軸方向に摺動可能に接続されている。

【0022】

これと同様に、第３の固定部殻体２６の内筒体２６Ｃ及び外筒体２６Ｂの前端部は、第２の固定部殻体２４の内筒体２６Ｃと外筒体２６Ｂの後端部の間に収容されている。かかる構成により、第３の固定部殻体２６は第２の固定部殻体２４に対して軸方向に摺動可能に接続されている。なお、第１の固定部殻体２２と第２の固定部殻体２４の接続部、及び、第２の固定部殻体２４と第３の固定部殻体２６の接続部に、軸方向の摺動を案内するガイド部材を設けてもよい。

【0023】

図２に示すように、掘削機構１４は、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに形成された複数の掘削ビットを含むカッタ部（カッタヘッド）３０と、第１の固定部殻体２２内に配置された減速機３２及びモータ３４と、を備える。

【0024】

図２及び図４に示すように、回転部殻体２０の先端面部２０Ａには、周方向に間隔をあけて複数の開口３６が形成されており、外部と回転部殻体２０内の空間２０Ｅとがこの開口３６を通して連通している。

【0025】

図４に示すように、カッタ部３０は、回転部殻体２０の平面状の先端面部２０Ａに周方向に間隔をあけて設けられた複数のディスクカッタ３８と、先端面部２０Ａに形成された開口３６の縁に設けられた板状の削孔ビット４０と、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに取り付けられた突状リブ３９と、を備える。

【0026】

突状リブ３９は、例えば、例えば、ＳＳ４００（旧ＪＩＳ規格ＳＳ４１）などの鋼材の角棒からなる。図４乃至図６に示すように、突状リブ３９は、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに略径方向に内縁から外縁まで延び、さらに、回転部殻体２０の側面の前方部を軸方向に延びるように設けられている。そして、この突状リブ３９は、後に詳述するように、掘削により発生した土砂を回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面を覆った状態で保持する。

【0027】

本実施形態では、突状リブ３９は、幅３０ｍｍかつ高さ３０ｍｍの角棒からなり、周方向に隣接する突状リブ３９の間隔が２００ｍｍ程度となるように回転部殻体２０の先端面部２０Ａに取り付けられている。また、これら突状リブ３９は、回転部殻体２０の回転方向（周方向）を横切るように取り付けられている。土砂を回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面を覆った状態で保持するためには、突状リブ３９の径方向に対する角度は３０°が以下であることが好ましい。すなわち、突状リブ３９の回転方向（周方向）に対する角度は６０°〜１２０°であることが好ましい。なお、本実施形態では、一部の突状リブ３９はディスクカッタ３８の回転方向と垂直な方向に延びており、他の突状リブ３９は、削孔ビット４０と平行に延びている。

【0028】

なお、突状リブ３９の先端面部２０Ａからの高さは、ディスクカッタ３８の高さよりも低く、かつ、削孔ビット４０の高さよりも低い。これは、突状リブ３９の先端面部２０Ａからの高さが、ディスクカッタ３８及び削孔ビット４０よりも高い場合には、掘削対象の地盤に突状リブ３９が当たってしまい、これらビットにより地盤を掘削することができないからである。なお、一般的にディスクカッタ３８及び削孔ビット４０の高さは５０ｍｍ程度であるので、突状リブ３９の高さは５０ｍｍ以下である必要がある。また、回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面に、回転部殻体２０を保護するのに十分な厚さの土砂を保持するように、突状リブ３９の高さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。

【0029】

また、図２に示すように、回転部殻体２０の後端部には、リング３３を介してピンラック３５が取り付けられている。第１の固定部殻体２２内に配置されたモータ３４には減速機３２が接続されており、この減速機３２にはピニオン３７が取り付けられている。そして、減速機３２に取り付けられたピニオン３７が、回転部殻体２０に取り付けられたピンラック３５と噛み合っている。これにより、モータ３４が回転すると、この回転力が減速機３２を介してトルクが増幅されて回転部殻体２０に伝達され、回転部殻体２０が中心軸を中心として第１〜第３の固定部殻体２２、２４、２６に対して回転する。

【0030】

各ディスクカッタ３８は、半径方向に異なる位置に配置されている。これにより、回転部殻体２０が周方向に回転した際に、各ディスクカッタ３８が通過する軌跡が、半径方向に略等間隔な同心円となり、径によらず均質な掘削を行うことができる。

【0031】

図１０は、第１実施形態の掘削装置で用いられているディスクカッタを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。また、図１１は、第１実施形態の掘削装置で用いられているディスクカッタの拡大斜視図である。
図１０に示すように、ディスクカッタ３８は、鋼材からなり、円板状のカッタ本体９０と、カッタ本体９０の両側から突出する円柱状の側部９１と、側部９１の中心から側方に延びる軸部９２と、を備える。また、カッタ本体９０の外周面から放射状に突出するように複数の歯部９３が等角度間隔で設けられている。各歯部９３は矩形状の周方向断面を有する。カッタ本体９０と、側部９１と、軸部９２と、歯部９３とは一体に構成されている。歯部９３は、軸方向幅が２０ｍｍ程度であり、周方向長さが２０ｍｍ程度であり、径方向高さが３０ｍｍ程度である。

【0032】

図１１に示すように、隣接する歯部９３との間には、隣接する歯部９３の側縁の間を結ぶように鋼板９４が取り付けられている。これら鋼板９４は歯部９３と等しい径方向高さを有し、また、歯部９３の側面と鋼板９４の側面とは同一平面となっている。後述するように、ディスクカッタ３８はその周面が地盤に接触して地盤を掘削する掘削面９６として機能する。そして、隣接する歯部９３と、これら歯部９３の間に設けられた一対の鋼板９４により、掘削面９６に開口する複数の断面矩形状の凹部９５が等間隔で形成されている。各凹部９５は、径方向深さが３０ｍｍ程度であり、軸方向幅が１０〜１５ｍｍ程度であり、周方向長さが２０〜３０ｍｍ程度である。

【0033】

また、削孔ビット４０は、先端が鋭利なビットからなり、回転部殻体２０が回転することにより、ディスクカッタ３８により切削された切削面を平坦に整えるように掘削する。

【0034】

図９に示すように、掘削土搬出機構１６は、回転部殻体２０内の空間２０Ｅを周方向に複数の室２０Ｆに分割するように回転部殻体２０の内部の空間２０Ｅに設けられた複数の板材４２と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端部に固定され、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端に向かって延出するように取り付けられた閉鎖プレート４４と、地盤に向かって水を噴射するように、その噴出口が回転部殻体２０の先端面部２０Ａの表面に設けられたジェットノズル（図示せず）と、を備えている。

【0035】

各板材４２は、先端がそれぞれ、回転部殻体２０の先端面部２０Ａの削孔ビット４０が取り付けられた箇所の裏面に接続されており、先端面部２０Ａに対して垂直に設けられている。なお、なお、本実施形態では、板材４２は先端面部２０Ａに対して垂直に設けられているが、これに限らず、後方に向かって回転部殻体２０の周方向に傾斜するように設けてもよい。このように、回転部殻体２０内に板材４２を設けることにより、回転部殻体２０の剛性を向上することができる。

【0036】

閉鎖プレート４４は、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを、周方向に最下部から所定の高さまでの部分（本実施形態では、最下部から周方向両側にそれぞれ約１２０°の部分）を閉鎖するように設けられている。

【0037】

図２、図３、図７、図８に示すように、推進機構１８は、前方の軸方向ジャッキ５２と、後方の軸方向ジャッキ５０と、前方の径方向ジャッキ５４と、後方の径方向ジャッキ５６と、補助用の推進ジャッキ５７とにより構成される。

【0038】

前方の軸方向ジャッキ５２は、第１の固定部殻体２２から第２の固定部殻体２４にわたって、内筒体２２Ｃ、２４Ｃと外筒体２２Ｂ、２４Ｂとの間に収容されており、先端が第１の固定部殻体２２の支持部材に固定され、後端が第２の固定部殻体２４の支持部材に固定されている。

【0039】

後方の軸方向ジャッキ５２は、第２の固定部殻体２４から第３の固定部殻体２６にわたって、内筒体２４Ｃ、２６Ｃと外筒体２４Ｂ、２６Ｂとの間に収容されており、先端が第２の固定部殻体２４の支持部材に固定され、後端が第３の固定部殻体２６の支持部材に固定されている。

【0040】

これら、前方の軸方向ジャッキ５２、及び、後方の軸方向ジャッキ５０は、他の部材と干渉しないように、周方向に適宜な間隔をあけて複数設置されている。

【0041】

前方の径方向ジャッキ５４は、第１の固定部殻体２２内に収容されている。第１の固定部殻体２２の外筒体２２Ｂは、前方の径方向ジャッキ５４に対応した位置に開口が形成されており、前方の径方向ジャッキ５４はこの開口から掘削装置１０の径方向外方に向かって突出するように伸縮可能である。

【0042】

後方の径方向ジャッキ５６は、第３の固定部殻体２６内に収容されている。第３の固定部殻体２６の外筒体２６Ｂは、後方の径方向ジャッキ５６に対応した位置に開口が形成されており、後方の径方向ジャッキ５６はこの開口から掘削装置１０の径方向外方に向かって突出するように伸縮可能である。

【0043】

推進ジャッキ５７は、掘削装置１０の後端部下方に配置されており、掘削装置１０の後方に向かって伸縮可能である。
なお、これら前方の軸方向ジャッキ５２、後方の軸方向ジャッキ５０、前方の径方向ジャッキ５４、後方の径方向ジャッキ５６、及び、推進ジャッキ５７は、制御装置（図示せず）に接続されており、制御装置により油圧が供給される。
掘削装置１０の内側空間の後部には、架台７０が水平に保持されている。

【0044】

また、図２に示すように、掘削システム１は、掘削土搬出機構１６として、掘削土受板１００と、ふるい機構１０２と、ホッパ１０４と、岩破砕機１０６と、コンベア８１と、を備える。

【0045】

掘削土受板１００は、回転部殻体２０の内側から後方に向かって水平に延びる板材である。掘削土受板１００は、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの内面の下端と等しい高さに設けられており、回転部殻体２０及び第１の固定部殻体２２の内筒体２０Ｃ、２２Ｃとの間に隙間が生じないような幅を有している。

【0046】

ふるい機構１０２は、掘削土受板１００の後端から連続して後方に向かって水平に延びている。ふるい機構１０２は、所定の間隔で格子状あるいは平行に鋼板が配置されてなり、所定の大きさ（例えば、２５ｃｍ程度以下）の岩石及び土砂は下方に落下し、それ以上の大きさの岩石は落下させないような部材である。ふるい機構１０２の前端は掘削土受板１００の後端に連続して水平方向に延びている。なお、掘削土受板１００及びふるい機構１０２は、架台７０よりも低い高さ位置に設けられている。

【0047】

コンベア８１は、その先端がふるい機構１０２の下方に位置し、後方に向かって延びている。なお、第１の固定部殻体２２、第２の固定部殻体２４、及び第３の固定部殻体２６の内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの下方は所定の幅にわたって切りかかれており、この切りかかれた部分にコンベア８１は配置されている。コンベア８１は後方に向かって延び、掘削装置１０の後部では斜め上方に向かって傾斜しており、後端が後方のコンベア８１の上方に位置している。なお、本発明における掘削装置の内側空間とは、内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃの内側のみならず。このように、内筒体２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃが切りかかれて装置中心に向かって開口している空間も含む。

【0048】

ホッパ１０４は、ふるい機構１０２の直下、かつ、コンベア８１の上方に位置しており、下方に向かって断面積が狭まるような形状を有する。ふるい機構１０２を通過して落下した掘削土は、ホッパ１０４によりコンベア８１上に落下するように案内される。

【0049】

破砕機１０６は、スクリュー形状の破砕ビットを有する２軸形式の破砕機である。このような破砕機としては、例えば、ＭＭＤ社製のサイザー等を用いることができる。破砕機１０６は前部上端がふるい機構１０２の後端に接続され、後端が架台７０の下方に位置するように、コンベア８１の直上に配置されている。また、破砕機１０６は前方に比べて後方が高い位置に位置するように、例えば、１０度程度、傾斜して設けられている。

【0050】

以下、本実施形態のトンネル掘削システムによりトンネルを構築する方法を説明する。
本実施形態では、先行して、掘削装置１０により円環断面状に地盤を掘削し、後から、残された中心部の地盤をブレーカ６２によって掘削することにより円形断面のトンネルを構築する。

【0051】

以下、掘削装置１０により円環断面状に地盤を掘削する方法を説明する。
地盤を掘削する際には、推進機構１８により掘削装置１０を推進させながら、回転部殻体２０を固定部殻体２２、２４、２６に対して回転させ、さらに、掘削土搬出機構１６により掘削土を排出させながら行う。

【0052】

掘削装置１０を推進させるためには、まず、後方の径方向ジャッキ５６を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、後方の径方向ジャッキ５６により周囲の地盤に反力をとった状態で、後方の軸方向ジャッキ５０を伸長させる。これにより、第３の固定部殻体２６に対して、回転部殻体２０、第１の固定部殻体２２、及び第２の固定部殻体２４が前方に押し出される。この際、回転部殻体２０を回転することにより、ディスクカッタ３８及び削孔ビット４０により地盤が円環状に掘削することができる。

【0053】

すなわち、推進機構１８により回転部殻体２０のカッタ部３０を地盤に押し付けた状態で、掘削機構１４のモータ３４を回転させる。モータ３４の回転力は減速機３２に伝達されてトルクが増幅され、ピニオン３７及びピンラック３５を介して回転部殻体２０を回転させる。回転部殻体２０が回転すると、まず、地盤がカッタ部３０のディスクカッタ３８により断面鋸形状に掘削され、さらに、削孔ビット４０により表面の凹凸が削りとられる。これにより円環状に地盤を掘削することができる。

【0054】

ここで、図１０及び図１１を参照して説明したように、ディスクカッタ３８の掘削面９６には、複数の凹部９５が等角度間隔で形成されている。このため、地盤を掘削して生じた岩や掘削土がこの凹部９５に収容される。そして、回転部殻体２０が回転すると、ディスクカッタ３８が地盤を掘削するが、この際、ディスクカッタ３８の歯部９３のみならず、凹部９５に収容された岩や掘削土が地盤と接触する。そして、凹部９５に収容された岩や掘削土が地盤を掘削することとなる。このため、ディスクカッタ３８の摩耗が低減される。

【0055】

上述の通り、本実施形態では、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに、突状リブ３９が周方向に延びるように設けられている。そして、回転部殻体２０が前方に押圧されているため、回転部殻体２０が回転することにより地盤が掘削されて発生した掘削土８２は、図１２に示すように突状リブ３９の間に入り込む。そして、このように突状リブ３９の間に入り込んだ掘削土８２は、回転部殻体２０が回転しても、先端面部２０Ａを覆った状態で突状リブ３９により保持され、回転部殻体２０とともに回転する。

【0056】

ここで、カッタ部３０は地盤に向けて加圧されているため、特に強固な岩盤を掘削する場合に、岩盤が回転部殻体２０の先端面部２０Ａに接触するおそれがある。また、回転部殻体２０が回転することにより発生した掘削土には、ディスクカッタ３８や削孔ビット４０により破砕されなかった岩石が含まれていることがある。このような岩石が回転部殻体２０の先端面部２０Ａに衝突すると、先端面部２０Ａを破損するおそれがある。

【0057】

しかしながら、本実施形態では、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに突状リブ３９が取り付けられているため、岩盤や掘削により生じた岩石は突状リブ３９に保持された土砂８２に接触することとなる。これにより、岩盤や岩石が先端面部２０Ａに直接衝突し、カッタ部３０が破損することを防止できる。

【0058】

なお、回転部殻体２０が回転させて地盤を掘削する際、前方の軸方向ジャッキ５２のそれぞれを異なる長さ伸長させることにより、掘削装置１０の掘削進行方向を調整することができる。すなわち、例えば、装置上方に位置する前方の軸方向ジャッキ５２の伸長長さに比べて、装置下方に位置する前方の軸方向ジャッキ５２の伸長長さを長くすることにより、回転部殻体２０及び第１の固定部殻体２２を、第２の固定部殻体２４に対して斜め上方に向けることができる。

【0059】

次に、前方の径方向ジャッキ５４を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、前方の径方向ジャッキ５４により周囲の地盤に反力をとった状態で、後方の軸方向ジャッキ５０を収縮させる。これにより、第１の固定部殻体２２に対して、第３の固定部殻体２６が引き寄せられる。上記の工程を繰り返すことにより、掘削装置１０を前進させることができる。

【0060】

なお、上記の方法に限らず、推進ジャッキ５７を用いて掘削装置１０を前進させることも可能である。すなわち、まず、前方及び後方の径方向ジャッキ５４、５６を退行させる。この状態で、推進ジャッキ５７をすでに掘削が完了したトンネル内に取り付けられている内型枠等に反力を取って、伸長させる。これにより、掘削装置１０が前進する。そして、前方及び後方の径方向ジャッキ５４、５６の少なくとも一方を径方向外方に向けて伸長させて周囲の地盤を押圧する。そして、推進ジャッキ５７を退行させ、推進ジャッキ５７の後方位置において新たな内型枠の取付を行う。
上記の工程を繰り返すことによっても、掘削装置１０を推進させることができる。

【0061】

上記の推進作業及び掘削作業とともに、掘削装置１０による掘削作業により生じた掘削土を装置後方へと送る。

【0062】

カッタ部３０により地盤を掘削することで生じた掘削土は、ジェットノズルから噴射される水と攪拌されて、流動性が向上される。そして、掘削土は、回転部殻体２０の先端面部２０Ａに形成された開口３６から回転部殻体２０内の室２０Ｆに収容される。そして、室２０Ｆ内に収容された掘削土は、隙間２０Ｄから掘削装置１０の内側空間（すなわち、内筒体２２Ｃの内側）へ排出される。

【0063】

この際、閉鎖プレート４４により、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを、周方向に最下部から所定の高さまでの部分が閉鎖されているため、所定の高さまで回転した室２０Ｆ内の掘削土が内筒体の内側空間へ排出される。これにより、装置内側に運ばれた掘削土が、下方にたまってしまい、回転部殻体２０の内筒体２０Ｃの後端と、第１の固定部殻体２２の内筒体２２Ｃの前端との間の隙間２０Ｄを閉塞することを防止できる。

【0064】

また、上記の掘削装置１０により地盤を円環状に掘削する作業と並行して、掘削装置１０により円環状に掘削された部分の内側の地盤をブレーカ６２により掘削する。

【0065】

次に、このように地盤を掘削することにより生じた掘削土を装置工法へ搬送する方法を説明する。図１３は、掘削土を搬送する方法を説明するための概略図である。

【0066】

上述の通り、カッタ部３０により円環状に地盤が掘削されると、掘削により生じた岩石等を含む掘削土１１０は、回転部殻体２０内に収容され、隙間２０Ｄの閉鎖プレートにより閉鎖されていない部分から落下して、掘削装置１０の内側空間へ排出される。

【0067】

上述の通り、ディスクカッタ３８が通過する軌跡が、半径方向に略等間隔（例えば、８ｃｍ程度）な同心円であるため、このように回転部殻体２０から排出された掘削土１１０の大きさは８ｃｍ程度である。そして、回転部殻体２０から排出された掘削土１１０は掘削土受板１００上に堆積し、掘削が進行するとふるい機構１０２へと送られる。

【0068】

ふるい機構１０２へと送られた掘削土１１０の大部分は小径であるため、掘削土１１０の大部分はふるい機構１０２を通って落下し、さらにホッパ１０４により案内されてコンベア８１上に落下する。

【0069】

このように、回転部殻体２０から排出された掘削土１１０の大部分はふるい機構１０２を通り、コンベア８１上に落下し、コンベア８１により装置後方に運ばれる。

【0070】

また、カッタ部３０により円環状に地盤が掘削されて残った円柱状の地盤１２０は、ブレーカ６２により破砕される。なお、このようにブレーカ６２により地盤１２０を破砕することにより生じた掘削土は１ｍ程度の径の岩石等を含む。そして、ブレーカ６２により地盤１２０を破砕することにより生じた掘削土は、破砕機１０６へと送られ、２５ｃｍ以下の径まで細かく破砕される。このようにして破砕機１０６により破砕された掘削土は、コンベア８１上に落下し、ふるい機構１０２を通りコンベア８１に落下した掘削土とともに後方へと送られる。なお、この際、ブレーカ６２により地盤１２０を破砕することにより生じた掘削土がふるい機構１０２を通してコンベア８１上に落下してもよい。

【0071】

さらに、掘削が進行して掘削装置１０が前進すると、円柱状に残った地盤１２０の端部（後端）が破砕機１０６まで到達する。上述の通り、破砕機１０６は前端が回転部殻体２０の内筒体２０Ｃと同程度の高さであり、前方に比べて後方が高い位置に位置するように傾斜して設けられているため、円柱状の地盤１２０の端部（後端）が破砕機１０６まで到達すると、破砕機１０６により円柱状の地盤１２０の下端部が破砕され、破砕された掘削土はコンベア８１に落下する。

【0072】

なお、回転部殻体２０から排出された掘削土１１０に大きな岩石等が含まれていた場合には、円柱状の地盤１２０を破砕して生じた掘削土とともに破砕機１０６へと送り込めばよい。

【0073】

このようにしてコンベア８１上に落下した掘削土は、コンベア８１により装置後方に運ばれ、ダンプカー等によりトンネル外へ排出される。

【0074】

以上説明したように、本実施形態によれば、ディスクカッタ３８の掘削面９６に凹部９５が形成されているため、地盤掘削時には、地盤を掘削して生じた岩又は土砂が掘削面９６の凹部９５に収容され、この凹部９５に収容された岩又は土砂が地盤と接触することになる。これにより、凹部９５に収容された岩又は土砂が地盤を掘削するため、ディスクカッタ３８自体が地盤の掘削により摩耗するのを抑えることができる。

【0075】

また、本実施形態では、掘削面９６の全周にわたって、間隔をあけて複数の凹部９５が形成されている。このため、凹部９５に収容された岩又は土砂が、凹部９５内に確実に保持されるため、凹部９５を設けても掘削効率が低下することがない。

【0076】

なお、第１実施形態では、円環状のカッタヘッドを備えた円筒状の掘削装置について説明したが、これに限らず、円形のカッタヘッドを備えた円柱状の掘削装置にも本発明を適用できる。

【0077】

また、第１実施形態では、掘削面であるディスクカッタの周面に凹部を設けているが、掘削面の断面形状は限定されない。すなわち、例えば、湾曲面等の断面形状を有するディスクカッタであっても、本発明を適用できる。

【0078】

また、第１実施形態では、複数の凹部を間隔をあけて掘削面に形成したが、凹部の形状はこれに限られない。図１４は、本発明の第２実施形態のディスクカッタを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。同図に示すように、第２実施形態のディスクカッタ１３８は、鋼材からなり、円板状のカッタ本体１９０と、カッタ本体１９０の両側から突出する円柱状の側部１９１と、側部１９１の中心から側方に延びる軸部１９２と、を備える。また、カッタ本体１９０の外周面には、周方向に延びるように円環状の一対の側壁部１９３が間隔をあけて立設されている。第１実施形態と同様に、ディスクカッタ１３８も、その周面が地盤に接触して地盤を掘削する掘削面１９６として機能する。そして、一対の側壁部１９３の間にディスクカッタ１３８の周面の全周にわたって断面矩形状の凹部１９５が延びている。凹部１９５は、径方向深さが２０〜３０ｍｍ程度である。なお、本実施形態では、ディスクカッタの凹部の形状が第１実施形態と異なるが、掘削装置等のその他の構成は同一である。

【0079】

本実施形態の掘削装置により地盤を掘削する際には、ディスクカッタ１３８の掘削面１９６に全周にわたって凹部１９５が形成されているため、地盤を掘削して生じた岩や掘削土がこの凹部１９５に収容される。そして、回転部殻体２０が回転すると、ディスクカッタ１３８が地盤を掘削するが、この際、ディスクカッタ１３８の側壁部１９３のみならず、凹部１９５に収容された岩や掘削土が地盤と接触する。そして、凹部１９５に収容された岩や掘削土が地盤を掘削することとなる。このため、ディスクカッタ１３８の摩耗が低減される。

【0080】

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、凹部９５に収容された岩又は土砂が地盤を掘削するため、ディスクカッタ３８自体が地盤の掘削により摩耗するのを抑えることができる。

【0081】

さらに、本実施形態によれば、凹部９５が掘削面の全周にわたって設けられているため、地盤掘削時に岩又は土砂が地盤と接触する面積を多くすることができ、よりディスクカッタ１３８自体が地盤の掘削により摩耗するのを抑えることができる。

【符号の説明】

【0082】

１０ 掘削装置
１２ 殻体
１４ 掘削機構
１６ 掘削土搬出機構
１８ 推進機構
２０ 回転部殻体
２０Ａ 先端面部
２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂ、２６Ｂ 外筒体
２０Ｃ、２２Ｃ、２４Ｃ、２６Ｃ 内筒体
２０Ｄ 隙間
２０Ｅ 空間
２０Ｆ 室
２２ 第１の固定部殻体
２４ 第２の固定部殻体
２６ 第３の固定部殻体
３０ カッタ部
３２ 減速機
３３ リング
３４ モータ
３５ ピンラック
３６ 開口
３８ ディスクカッタ
３９ 突状リブ
４０ 削孔ビット
４２ 板材
４４ 閉鎖プレート
５０ 後方の軸方向ジャッキ
５２ 前方の軸方向ジャッキ
５４ 前方の径方向ジャッキ
５６ 後方の径方向ジャッキ
５７ 推進ジャッキ
６２ ブレーカ
７０ 架台
８１ コンベア
８２ 掘削土（土砂）
９０ カッタ本体
９１ 側部
９２ 軸部
９３ 歯部
９４ 鋼板
９５ 凹部
９６ 掘削面
１００ 掘削土受板
１０２ ふるい機構
１０４ ホッパ
１０６ 破砕機
１１０ 掘削土
１２０ 地盤
１３８ ディスクカッタ
１９０ カッタ本体
１９１ 側部
１９２ 軸部
１９３ 側壁部
１９５ 凹部
１９６ 掘削面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】