特許 7307439 シールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機

(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】

(24)【登録日】2023-07-04

(45)【発行日】2023-07-12

(54)【発明の名称】シールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/087 20060101AFI20230705BHJP

【ＦＩ】

E21D9/087 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020086333

(22)【出願日】2020-05-15

(65)【公開番号】P2021107674

(43)【公開日】2021-07-29

【審査請求日】2022-08-17

(31)【優先権主張番号】P 2019239488

(32)【優先日】2019-12-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591045965

【氏名又は名称】株式会社精研

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 誠也

(72)【発明者】

【氏名】内田 泰彦

(72)【発明者】

【氏名】山崎 秀之

(72)【発明者】

【氏名】吉田 聡志

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－２５４６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０６４６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１２１９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０４６８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６９２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９１３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０７７６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０８１９９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／０８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド掘進機のカッタヘッドに装着されているカッタビットを地中において交換する、シールド掘進機のカッタビット交換方法であって、
前記シールド掘進機の停止位置の周辺の地盤を凍結させて凍土を造成する、凍結工程と、
前記凍土内に前記カッタヘッドが位置するようにして前記シールド掘進機を停止させ、
前記カッタヘッドの後方の前記シールド掘進機の側面と前記凍土の界面に形成されている水道を、該シールド掘進機の内部から凍結手段によって凍結して止水する、水道止水工程と、
前記カッタヘッドの前面の少なくとも一部に不凍結加泥材を充填する、充填工程と、
前記不凍結加泥材を、前記カッタヘッドの背面に位置するチャンバ内に取り込み、後方に排土する、排土工程と、
前記カッタヘッドの前面の一部の前記凍土を掘削して作業スペースを形成し、前記カッタビットを交換する、掘削交換工程と、を有し、
少なくとも前記充填工程までの過程において、前記カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させることを特徴とする、シールド掘進機のカッタビット交換方法。

【請求項2】

前記凍土内に前記カッタヘッドが位置するようにして前記シールド掘進機を停止させた後、少なくとも前記カッタヘッドを後退させることにより、前方の前記凍土と該カッタヘッドの前記前面の間に隙間を形成する、隙間形成工程をさらに有し、
前記充填工程では、前記隙間に不凍結加泥材を充填することを特徴とする、請求項１に記載のシールド掘進機のカッタビット交換方法。

【請求項3】

前記掘削交換工程では、前記作業スペースにある前記カッタビットを交換した後、該カッタヘッドを所定角度だけ回動させ、新たに該作業スペースに位置決めされた該カッタビットを交換することを特徴とする、請求項１又は２に記載のシールド掘進機のカッタビット交換方法。

【請求項4】

前記シールド掘進機は、前記チャンバを貫通して、前記カッタヘッドの前面の開口に連通する充填管を備えており、
前記充填工程では、前記カッタヘッドの前面への前記不凍結加泥材の充填に先行して、前記充填管の内部に前記不凍結加泥材を充填しておくことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシールド掘進機のカッタビット交換方法。

【請求項5】

カッタビットを備えたカッタヘッドを有するシールド掘進機であって、
前記シールド掘進機は制御盤をさらに有し、
前記制御盤は、
前記カッタヘッドの前面に不凍結加泥材を充填する制御を実行し、もしくは、少なくとも前記カッタヘッドを後退させることにより、該カッタヘッドの前方にある凍土と該カッタヘッドの間に隙間を形成し、前記隙間に不凍結加泥材を充填する制御を実行し、
前記カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させる制御を実行し、
前記不凍結加泥材を、前記カッタヘッドの背面に位置するチャンバ内に取り込み、後方に排土する制御を実行することを特徴とする、シールド掘進機。

【請求項6】

前記カッタビットの交換に際し、前記制御盤が、前記カッタヘッドを所定角度だけ回動する制御を実行することを特徴とする、請求項５に記載のシールド掘進機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機に関する。

【背景技術】

【0002】

シールド工法では、例えばシールド掘進機による掘進長が長い場合に、地中においてカッタヘッドに装着されているカッタビットの交換が行われる場合がある。このカッタビットの交換に際しては、シールド掘進機におけるカッタヘッド背面のチャンバ内に作業員が入り、チャンバ内において機内側からカッタビットの交換を行う方法や、切羽とカッタヘッドの間に作業員が入り、カッタヘッドの前方からカッタビットの交換を行う方法が適用される。
前者の場合、機内側からカッタビットを交換可能なカッタビットの構造は、所謂ボルト取付け型のカッタビットとなる。このボルト取付け型のカッタビットは、カッタヘッドにおけるビット一つ当たりの設置スペースを広く取る必要があり、従って、カッタビットの全体数量が減少する傾向にあることから、例えば礫層地盤での長距離掘進等においては、カッタビットの数量が不足して施工できない事態が生じ得ることになり、地盤条件により施工できないといった制約を受ける。
一方、後者の場合、例えば作業員がカッタヘッドと切羽の間に進入する前に、予めシールド掘進機の周辺地盤を凍結させて凍土を造成し、カッタヘッドと切羽の間の空間への地下水等の浸入を防ぐ対策が講じられる。尚、前者の場合でも、チャンバ内に作業員が入る前に、チャンバ内の圧力を低下させる必要があるが、このチャンバ内圧力の低下によりチャンバ内に地下水等が浸入するのを防止するべく、凍結工法により凍土が造成されることがある。
例えば、凍結工法にて凍土を造成した後、凍土内にシールド掘進機を進入させ、カッタヘッドの前面の全域を掘削して作業スペースを形成した後、チャンバから作業スペースに作業員がアクセスし、作業スペースにてカッタヘッドの前面の全域におけるカッタビットの交換作業が行われる。しかしながら、このようにカッタヘッドの前面の全域の凍土を掘削することから掘削作業量が多くなり、凍土掘削に要する作業時間が長くなるといった課題を有する。さらに、凍土に包囲された広範な作業スペースに支保工や足場を設置し、交換作業を行うことから、凍土の掘削からカッタビットの交換までに要する作業時間、すなわち、凍土直下での作業時間が長くなり、このことは作業安全性の課題に繋がる。

【0003】

ここで、特許文献１には、高強度モルタルなどの固化材を用いることなく、地山の水と土圧に対抗させることができるシールド掘進機及びシールド掘進機における作業領域形成方法が提案されている。より具体的には、シールド掘進機における掘削方向前方部位に薬液注入を行って地盤改良領域を形成し、次いで、シールド掘進機の周囲において、地盤改良領域にラップする形で凍結領域を形成し、この地盤改良領域により主に地山の土圧に対抗し、凍結領域及び地盤改良領域により作業領域に地下水が浸入することを防止する、作業領域形成方法である。ここで、作業領域として、カッタディスクに取り付けられたカッタビットを交換する作業を行うための領域が挙げられている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－７７６８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の作業領域形成方法によれば、高強度モルタルなどの固化材を用いることなく、地山の水と土圧に対抗させることができる一方で、上記する課題、すなわち、凍土とカッタヘッドの間に作業員が進入してカッタビットを交換するに当たり、カッタヘッドの前面の全域における凍土を掘削してカッタヘッドの全域のカッタビットを交換する際に作業時間が長時間に及ぶといった課題と、作業安全性の課題を解消する解決手段とはならない。

【0006】

本発明は、凍土とカッタヘッドの間に作業員が進入してカッタビットを交換するに当たり、凍土の掘削量を低減して交換作業時間を短縮でき、このことによって作業安全性を高めることのできる、シールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成すべく、本発明によるシールド掘進機のカッタビット交換方法の一態様は、
シールド掘進機のカッタヘッドに装着されているカッタビットを地中において交換する、シールド掘進機のカッタビット交換方法であって、
前記シールド掘進機の停止位置の周辺の地盤を凍結させて凍土を造成する、凍結工程と、
前記凍土内に前記カッタヘッドが位置するようにして前記シールド掘進機を停止させ、
前記カッタヘッドの後方の前記シールド掘進機の側面と前記凍土の界面に形成されている水道を、該シールド掘進機の内部から凍結手段によって凍結して止水する、水道止水工程と、
前記カッタヘッドの前面の少なくとも一部に不凍結加泥材を充填する、充填工程と、
前記カッタヘッドの前面の一部の前記凍土を掘削して作業スペースを形成し、前記カッタビットを交換する、掘削交換工程と、を有し、
少なくとも前記充填工程までの過程において、前記カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させることを特徴とする。

【0008】

本態様によれば、凍土に進入したシールド掘進機の内部から凍結手段にてシールド掘進機の側面の水道を凍結して止水した後、カッタヘッドの前面の少なくとも一部の凍土等に不凍結加泥材を充填することにより、凍土にてカッタヘッドが凍結して回転不能になることを防止できる。そして、カッタヘッドの前面の全域の凍土ではなく、前面の一部の凍土を掘削して作業スペースを形成し、この可及的に狭い作業スペースを利用してカッタビットを交換することにより、カッタヘッドの前面の全域の凍土を掘削する際に要する作業時間を短縮することができる。
そして、カッタヘッドの前面の少なくとも一部の凍土等に不凍結加泥材が充填されていることと、少なくとも充填工程までの過程においてカッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させることにより、カッタヘッドは回転可能な状態が維持されていることから、カッタヘッドの前面の一部の作業スペースに露出したカッタビットを交換した後、カッタヘッドを回動させ、新たなカッタビットの交換をこの一部の作業スペースにて行うことができる。

【0009】

ここで、シールド掘進機としては、一般のシールド掘進機の他、前胴と後胴が中折れ機構を介して接続されている中折れ式のシールド掘進機等が挙げられる。
また、「カッタヘッドの前面の少なくとも一部」とは、例えば正面視円形のカッタヘッドにおいて、カッタヘッドの全域の他、カッタヘッドの上方の半円形範囲、右上１／４の範囲（１２時から３時の範囲）、右上１／８の範囲（１２時から１．５時の範囲）など、様々な範囲が含まれる。例えば、カッタヘッドの前面が当接する凍土に対して、カッタヘッドの前面の全域もしくは一部の領域に不凍結加泥材を充填する。
また、「シールド掘進機の内部からの凍結手段」としては、貼り付け凍結管等をシールド掘進機の内部の壁面に設置すること等が挙げられる。
また、「不凍結加泥材」とは、凍土の影響によっても凍らない加泥材のことであり、「凍らない加泥材」や「不凍性加泥材」と称することができる。不凍結加泥材としては、例えば、不凍結材を含む加泥材や、さらにベントナイトと水と増粘剤等を含む加泥材が挙げられる。ここで、「不凍結材」には、水溶液とした際の液体の凝固点を降下させる塩（例えば、塩化ナトリウムや塩化カリウム）等が挙げられる。
さらに、「少なくとも充填工程までの過程において、カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させる」とは、作業員が作業スペースに入ってカッタビットを交換する掘削交換工程以前の全工程において、凍土や凍結手段によりカッタヘッドが回転不能にならないように、連続的にカッタヘッドを回転させることの他、カッタヘッドを一定時間置きに回転させること、ランダムな時間間隔で回転させること等を含んでいる。尚、掘削交換工程では、上記するように、カッタヘッドを回動させることにより作業スペースに要交換のカッタビットを露出させることから、掘削交換工程においては、交換作業の目的としてカッタヘッドの所定角度の回動制御が実行される。

【0010】

また、本発明によるシールド掘進機のカッタビット交換方法の他の態様は、前記凍土内に前記カッタヘッドが位置するようにして前記シールド掘進機を停止させた後、少なくとも前記カッタヘッドを後退させることにより、前方の前記凍土と該カッタヘッドの前記前面の間に隙間を形成する、隙間形成工程をさらに有し、
前記充填工程では、前記隙間に不凍結加泥材を充填することを特徴とする。

【0011】

本態様によれば、凍土に進入したシールド掘進機の少なくともカッタヘッドを後退させて隙間を形成し、カッタヘッドの前面の隙間に不凍結加泥材を充填することにより、凍土にてカッタヘッドが凍結して回転不能になることを防止できる。そして、カッタヘッドの前面の全域の凍土ではなく、前面の一部の凍土を掘削して作業スペースを形成し、この可及的に狭い作業スペースを利用してカッタビットを交換することにより、カッタヘッドの前面の全域の凍土を掘削する際に要する作業時間を短縮することができる。

【0012】

本態様において適用されるシールド掘進機としては、一般のシールド掘進機の他、前胴と後胴が中折れ機構を介して接続されている中折れ式のシールド掘進機等が挙げられる。本態様のカッタビット交換方法では、カッタビットの交換に際して少なくともカッタヘッドを後退させることから、適用されるシールド掘進機が一般的なシールド掘進機の場合は、シールド掘進機の全体を、後方のセグメントリングに反力を取りながらジャッキ等により後退させる方法が適用される。また、中折れ式のシールド掘進機が適用される場合は、中折れ機構を作動することにより、前胴のみを後退させる方法が適用される。さらに、本体に対してカッタヘッドのみが進退自在に取り付けられている形態のシールド掘進機が適用される場合は、カッタヘッドのみを後退させる方法が適用される。このように、「少なくともカッタヘッドを後退させ」るとは、適用されるシールド掘進機の形態に応じて、カッタヘッドのみを後退させること、カッタヘッドを含む前胴を後退させること、カッタヘッドを含むシールド掘進機の全体を後退させること等を含んでいる。
また、「隙間に不凍結加泥材を充填する」とは、隙間の一部に不凍結加泥材を充填することを意味しているが、隙間が不凍結加泥材により完全に満たされるまで充填することを排除するものではない。

【0013】

また、本発明によるシールド掘進機のカッタビット交換方法の他の態様は、前記掘削交換工程では、前記作業スペースにある前記カッタビットを交換した後、該カッタヘッドを所定角度だけ回動させ、新たに該作業スペースに位置決めされた該カッタビットを交換することを特徴とする。

【0014】

本態様によれば、カッタヘッドの前面の一部の凍土を掘削して形成された作業スペースに対して、カッタヘッドの任意の領域のカッタビットを露出させてカッタビットの交換を行った後、カッタヘッドを所定角度回動させて、その側方にあるあらたなカッタヘッドの領域を作業スペースに露出させ、同様にカッタビットの交換を行い、このようなカッタヘッドの回動及び停止とカッタビットの交換を所定回数実行することにより、僅かな作業スペースを利用してカッタヘッドの全領域のカッタビットの交換を行うことができる。そのため、凍土の掘削量を低減して掘削作業に要する作業時間を短縮できる。
また、カッタヘッドの前面の一部の領域の作業スペースに対して、交換を要するカッタビットを備えたカッタヘッド領域を順次露出させてカッタビットの交換を行うことから、スムーズなカッタビットの交換作業を実現することができる。尚、作業スペースにおいては、例えばカッタヘッドの隙間を介して機内から単管パイプや角型鋼管等を持ち出して支保工や足場を組み付け、支保工にて作業スペースを周囲の凍土から防護する措置を講じるのが好ましいが、この場合でも、作業スペースが可及的に狭い範囲に限定されていることから、仮設する支保工の規模も可及的に小さくなる。

【0015】

また、本発明によるシールド掘進機のカッタビット交換方法の他の態様において、前記シールド掘進機は前記カッタヘッドの背面の内部にチャンバを備え、該チャンバを貫通して、前記カッタヘッドの前面の開口に連通する充填管を備えており、
前記充填工程では、前記カッタヘッドの前面への前記不凍結加泥材の充填に先行して、前記充填管の内部に前記不凍結加泥材を充填しておくことを特徴とする。

【0016】

本態様によれば、充填工程において、カッタヘッドの前面の凍土もしくは隙間への不凍結加泥材の充填に先行して、カッタヘッドの前面の開口に連通する充填管に不凍結加泥材を充填しておくことにより、充填管や充填管に連通する各種加泥ポートが凍土により凍結して閉塞することを防止できる。ここで、充填管の前面の開口は、カッタヘッドの中央のセンターカッタ（フィッシュテール）に対応する位置や、カッタヘッドの中央から径方向に延設する複数のスポークの途中位置や端部位置等に設けられる。

【0017】

また、本発明によるシールド掘進機の一態様は、
カッタビットを備えたカッタヘッドを有するシールド掘進機であって、
前記シールド掘進機は制御盤をさらに有し、
前記制御盤は、
前記カッタヘッドの前面に不凍結加泥材を充填する制御を実行し、もしくは、少なくとも前記カッタヘッドを後退させることにより、該カッタヘッドの前方にある凍土と該カッタヘッドの間に隙間を形成し、前記隙間に不凍結加泥材を充填する制御を実行し、
前記カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させる制御を実行することを特徴とする。

【0018】

本態様によれば、カッタヘッドの前面の凍土内に不凍結加泥材を充填する、もしくは、少なくともカッタヘッドを後退させてカッタヘッドと凍土の間に隙間を形成し、この隙間に不凍結加泥材を充填するとともに、カッタヘッドを連続的もしくは間欠的に回転させる制御を実行することにより、凍土の中にあってもカッタヘッドが回転不能になることを防止することができる。従って、係る制御を実行する本態様のシールド掘進機を適用することにより、上記する本発明のカッタビット交換方法を実行することが可能となり、凍土の掘削量を低減して、凍土掘削からカッタビット交換までの全作業時間を短縮しながら、高い作業安全性の下でカッタビットの交換を行うことができる。

【0019】

ここで、上記するように、シールド掘進機には、前胴と後胴が中折れ機構を介して接続されている中折れ式のシールド掘進機や、本体に対してカッタヘッドのみが進退するシールド掘進機等が含まれる。また、隙間を形成して不凍結加泥材を充填する場合は、制御盤により少なくともカッタヘッドが後退制御される。一方、上記する本態様のカッタビット交換方法にて適用されるシールド掘進機は、これら中折れ式のシールド掘進機等の他に、一般のシールド掘進機が含まれてよい。
また、「制御盤」は、シールド掘進機の後続台車内に装備されてもよいし、地上の遠隔操作室に装備されてもよいし、シールド掘進機の機内に装備されてもよく、シールド掘進機の運転操作装置の一部である。

【0020】

また、本発明によるシールド掘進機の他の態様は、
前記カッタビットの交換に際し、前記制御盤が、前記カッタヘッドを所定角度だけ回動する制御を実行することを特徴とする。

【0021】

本態様によれば、カッタヘッドを所定角度回動する制御が実行されることにより、カッタヘッドの前面の一部の凍土を掘削して形成された作業スペースに対して、カッタヘッドの任意の領域のカッタビットを露出させてカッタビットの交換を行った後、カッタヘッドを所定角度回動させて、その側方にある新たなカッタヘッドの領域を作業スペースに露出させ、作業スペースにおいて同様にカッタビットの交換を行うことが可能になる。

【発明の効果】

【0022】

本発明のシールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機によれば、凍土とカッタヘッドの間に作業員が進入してカッタビットを交換するに当たり、凍土の掘削量を低減して交換作業時間を短縮でき、作業安全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図であって、かつ実施形態に係るシールド掘進機の一例を示す図である。

【図2】図１のII方向矢視図である。

【図3】シールド掘進機を構成する制御盤のハードウェア構成の一例を示す図である。

【図4】制御盤の機能構成の一例を示す図である。

【図5】図１に続いて、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【図6】図５に続いて、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【図7】図６に続いて、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【図8】図７に続いて、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【図9】図８のIＸ方向矢視図であり、さらに、図８に続いて、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【図10】第２実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、各実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法とシールド掘進機について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

【0025】

［第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法、及び実施形態に係るシールド掘進機］
はじめに、図１乃至図９を参照して、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例と、実施形態に係るシールド掘進機の一例について説明する。ここで、図１、図５乃至図９は順に、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。また、図１、図５等は、さらに実施形態に係るシールド掘進機の一例を示している。

【0026】

まず、図１乃至図４を参照して、実施形態に係るシールド掘進機の一例について説明する。図示するシールド掘進機６０は中折れ式のシールド掘進機であり、前面にカッタヘッド２０を備えた前胴１０と、後胴３０と、前胴１０と後胴３０を繋ぐ中折れジャッキ１５（中折れ機構の一例）とを有する、泥土圧式シールド掘進機である。尚、シールド掘進機６０は、泥土圧式シールド掘進機の他にも、泥水式シールド掘進機や土圧式シールド掘進機であってもよい。また、シールド掘進機としては、中折れ式のシールド掘進機の他、本体に対してカッタヘッドのみが進退するシールド掘進機が適用されてもよく、制御盤により、少なくともカッタヘッドを後退させる制御が実行されるシールド掘進機であればよい。尤も、カッタビット交換方法のみに着目すれば、一般のシールド掘進機が適用されてもよく、一般のシールド掘進機が適用される場合は、カッタビットの交換に際して、シールド掘進機の全体を、後方のセグメントリングに反力を取りながらジャッキ等により後退させる方法が適用される。

【0027】

前胴１０の前方位置には隔壁１１が設けられ、前胴１０の前端にカッタヘッド２０がＸ１方向に回転可能に装備されており、カッタヘッド２０と隔壁１１の間に、掘削された土砂（凍土を含む）を取り込むチャンバ１６が形成されている。隔壁１１の後方には、カッタヘッド２０の回転源となる電動モータ１２が配設されている。

【0028】

前胴１０には中折れジャッキ１５が取り付けられており、中折れジャッキ１５の一端が後胴３０の前方にある垂れ壁３２に固定されている。尚、図１等には、一基の中折れジャッキ１５のみを示しているが、複数の中折れジャッキ１５が前胴１０の内部においてその周方向に間隔を置いて配設され、それらの一端が後胴３０の垂れ壁３２に固定されている。各中折れジャッキ１５のストローク量がそれぞれ異なるストローク量にて調整されてＸ４方向に伸縮することにより、前胴１０の掘進方向を所望に変更することができる。また、各中折れジャッキ１５のストローク量を同量に調整して伸縮することにより、後胴３０に対して前胴１０を相対的に後退（バックリング）させたり、相対的に前進させることができる。

【0029】

後胴３０の内周面には、複数のシールドジャッキ１４が取り付けられており（図１等では一基のシールドジャッキのみを図示）、複数のセグメントＳがエレクタ（図示せず）にてリング状に組み付けられたセグメントリングに対してシールドジャッキ１４のシリンダジャッキをＸ３方向に押し込むことにより、シールド掘進機６０がＸ２方向に掘進される。

【0030】

後胴３０の後方内側には、複数箇所において、周方向に亘るテールシール３１が設けられており、設置されたセグメントリングに対してテールシール３１が常時摺接することにより、後胴３０の止水性が確保されている。

【0031】

隔壁１１の下端には開口１１ａが開設され、後胴３０まで傾斜した姿勢で延設するスクリュコンベア１３の一端が開口１１ａに臨んでいる。カッタヘッド２０から取り込まれた土砂（凍土を含む）は、チャンバ１６内にて撹拌された後、スクリュコンベア１３にてシールド掘進機６０の後方に搬送される。

【0032】

カッタヘッド２０は、中央のフィッシュテール２１から放射状に延設する複数のカッタスポーク２２を備え、フィッシュテール２１と各カッタスポーク２２には、多数のカッタビット２３が取り付けられている。また、カッタスポーク２２の先端からは、コピーカッタ２４が出没自在に装備されている。さらに、各カッタスポーク２２における所定の部位とフィッシュテール２１には、機内側からカッタヘッド２０の前方へ不凍結加泥材を充填するための充填管２５（図２に一点鎖線で図示）が設けられている。

【0033】

カッタヘッド２０の背面（機内側面）には、複数の練り混ぜ翼２６が取り付けられており、カッタヘッド２０が回転して地盤を掘削し、各カッタスポーク２２の間の隙間を介してチャンバ１６に取り込まれた掘削土砂が、回転する練り混ぜ翼２６により撹拌されるようになっている。

【0034】

カッタヘッド２０においては、カッタスポーク２２の先端からコピーカッタ２４が突出していること等により、カッタヘッド２０と略同径の前胴１０の側面には、水道ＷＰが形成される。

【0035】

尚、シールド掘進機６０の内部には、図示する構成部材の他にも、セグメントの形状を保持する形状保持装置、送泥管や排泥管、送泥管と排泥管が連通する混合タンク、不凍結加泥材を収容するタンク、不凍結加泥材を充填管２５やカッタヘッド２０の前方へ送り出す送出ポンプ（いずれも図示せず）等、様々な機器が存在する。

【0036】

図示例のシールド掘進機６０は泥土圧式シールド掘進機であることから、カッタヘッド２０は図示例のようにスポーク型の形態が一般に適用されるが、泥水式シールド掘進機が適用される場合は、カッタビットが装備された面板型のカッタヘッドが一般に適用される。

【0037】

シールド掘進機６０には、各種機器の動作を制御する制御盤４０が設けられている。制御盤４０は、シールド掘進機６０の後続台車（図示せず）内に装備されてもよいし、地上の遠隔操作室（図示せず）に装備されてもよいし、シールド掘進機６０の機内に装備されてもよく、シールド掘進機６０の運転操作装置の一部である。尚、図１等においては、シールド掘進機６０の機内に制御盤４０が装備されている例を示している。ここで、図３及び図４を参照して、制御盤４０について説明する。図３は、シールド掘進機を構成する制御盤のハードウェア構成の一例を示す図であり、図４は、制御盤の機能構成の一例を示す図である。

【0038】

制御盤４０はコンピュータにより構成されている。図３に示すように、制御盤４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４３、無線通信装置４４、表示装置４５、及び入力装置４６を有し、それらがシステムバス４７にてデータ通信可能に接続されている。

【0039】

ＲＯＭ４３には、各種のプログラムやプログラムによって利用されるデータ等が記憶されている。ＲＡＭ４２は、ＲＯＭ４３に記憶されているプログラムをロードするための記憶領域や、ロードされたプログラムのワーク領域として用いられる。ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２にロードされたプログラムを処理することにより、各種の機能を実現する。例えば、以下で説明するように、中折れジャッキ１５を所定量短縮させることにより、後胴３０に対して前胴１０を所定量後退させ、凍土Ｆ内の切羽Ｋとカッタヘッド２０の間に隙間を形成する制御を実行する。また、凍土や凍結手段によりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、カッタビットの交換までの各工程において、カッタヘッド２０を連続的もしくは間欠的に回転させるべく、電動モータ１２の回転制御を実行する。さらに、カッタヘッド２０の前方において、カッタヘッド２０の前面の一部の領域にのみ造成された作業スペースに対して、カッタヘッド２０を所定角度回動させて停止させる制御を実行する。尚、制御盤４０はその他、インストールされたプログラム等を記憶する補助記憶装置（図示せず）を有していてもよい。

【0040】

表示装置４５は、液晶ディスプレイ等からなり、たとえばタッチパネルの表示機能を担う。入力装置４６は、表示装置４５に対する接触体の接触を検出するセンサを有する電子部品である。接触体の接触の検出方式としては、静電方式や抵抗膜方式、光学方式などがある。この接触体として、オペレータ等の指や専用ペン等が挙げられる。無線通信装置４４は、無線ＬＡＮ又は移動体通信網等において通信を行う際に必要となる、アンテナ等の電子部品である。

【0041】

制御盤４０は、ＣＰＵ４１による制御により、図４に示す入力部４１０、送受信部４２０、表示部４３０、及び格納部４４０として機能する。

【0042】

入力部４１０には、凍土Ｆ内の切羽Ｋとカッタヘッド２０の間に隙間を形成するに当たり、後胴３０に対して前胴１０を後退させる後退量が施工管理者により入力され、入力された後退量は格納部４４０に格納される。この設定された後退量が、中折れジャッキ１５のストローク量となる。

【0043】

また、入力部４１０には、凍土によりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、カッタビットの交換までの各工程において、カッタヘッド２０を連続的もしくは間欠的に回転させるべく、電動モータ１２の回転駆動や回転駆動停止のタイミング、回転継続時間等が入力され、入力されたデータは格納部４４０に格納される。

【0044】

さらに、入力部４１０には、カッタヘッド２０の前面の一部の領域にのみ造成された作業スペースに対して、カッタヘッド２０を所定角度回動させて停止させる際の回動角度が入力され、入力されたデータは格納部４４０に格納される。

【0045】

送受信部４２０は、格納部４４０にて格納されている、中折れジャッキ１５のストローク量データを中折れジャッキ１５に送信する。また、送受信部４２０は、格納部４４０にて格納されている、電動モータ１２の回転駆動や回転駆動停止の制御信号を電動モータ１２に送信する。また、送受信部４２０は、カッタビット２３の交換作業において、カッタヘッド２０を所定角度回動させて停止させる制御信号を電動モータ１２に送信する。さらに、送受信部４２０は、シールド掘進機６０が備えるＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）による位置データを受信する。

【0046】

表示部４３０は、シールド掘進機６０の三次元位置や掘進線形、凍土Ｆ内におけるシールド掘進機６０のカッタヘッド２０の三次元位置等を表示する。また、各カッタビットの交換の要否は、作業員が各カッタビットの摩耗量を計測することにより決定されるが、カッタビットの摩耗量をセンサにより検知する場合には、各カッタビットの摩耗量の検知結果が制御盤４０に送信され、表示部４３０において、カッタヘッド２０における交換要のカッタビットが表示されてもよいし、さらには、交換が完了したカッタビットが表示されてもよい。また、カッタヘッド２０のうち、作業スペースに露出している領域がカッタヘッドの前方から撮像され、撮像データが制御盤４０に送信されて表示部４３０に表示されてもよいし、この領域において、未だ交換されていないカッタビットと交換が完了しているカッタビットが表示部４３０においてさらに表示されてもよい。

【0047】

次に、図１、図２、図５乃至図９を参照して、第１実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例について説明する。

【0048】

まず、図１に示すように、原地盤Ｇにおけるシールド掘進機６０の停止位置（カッタビット交換位置）の周辺の地盤を凍結することにより、凍土Ｆを造成する。例えば、地上から凍結領域に対して複数の凍結管（図示せず）を打設し、これら凍結管に－３５℃乃至－３０℃程度の冷媒を循環させることにより、凍結領域の地盤を凍結させて凍土Ｆを造成する。ここで、造成された凍土Ｆの平均的な温度は－１０℃程度である。図１に示すように、凍土Ｆは、進入するシールド掘進機６０の少なくとも前胴１０を完全に収容できる寸法を有する態様で造成される（以上、凍結工程）。

【0049】

次に、同図１に示すように、カッタヘッド２０をＸ１方向に回転させつつＸ２方向に掘進するシールド掘進機６０を凍土Ｆに進入させ、図１に示すように、例えば前胴１０が完全に凍土Ｆに進入した段階でシールド掘進機６０の掘進を停止させる。

【0050】

凍土Ｆ内にカッタヘッド２０が位置する状態でシールド掘進機６０を停止させた後、図５に示すように、制御盤４０による制御により、中折れジャッキ１５をＸ４'方向に短縮させることにより、前胴１０をＸ５方向に後退させ、前方の凍土Ｆの切羽Ｋとカッタヘッド２０の間に隙間ＧＰを形成する。ここで、前胴１０の後退量は、例えば数十ｃｍ程度である（以上、隙間形成工程）。この隙間形成工程においては、凍土Ｆによりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、制御盤４０により、カッタヘッド２０が連続的もしくは間欠的に回転制御される。

【0051】

次に、シールド掘進機６０のうち、例えば前胴１０の内壁面に複数の貼り付け凍結管５０（凍結手段の一例）を設置し、貼り付け凍結管５０に冷媒を循環させることにより、カッタヘッド２０の後方のシールド掘進機６０の側面（例えば、前胴１０の側面）と凍土Ｆの界面に形成されている水道ＷＰを凍結させて凍結止水層ＳＬを造成し、水道ＷＰを止水する（以上、水道止水工程）。この水道止水工程においては、凍土Ｆに加えて貼り付け凍結管５０によりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、制御盤４０により、カッタヘッド２０が連続的もしくは間欠的に回転制御される。

【0052】

次に、図７に示すように、機内から充填管２５（図２参照）を介して、隙間ＧＰに不凍結加泥材Ｄを充填する。ここで、隙間ＧＰに不凍結加泥材Ｄを充填するのに先行して、充填管２５の内部に不凍結加泥材を充填しておくことにより、充填管２５の内部が凍土Ｆにて凍り付き、閉塞するのを防止することができる。

【0053】

ここで、不凍結加泥材Ｄは、ベントナイトと、水と、増粘剤と、不凍結材を含む加泥材が適用できる。不凍結材には、水溶液とした際の液体の凝固点を降下させる塩（例えば、塩化ナトリウムや塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム）が好ましいが、その他、ＣＭＡ（カルシウム・マグネシウム・アセテート、酢酸カルシウム・マグネシウム）、ギ酸ナトリウム、ケイ酸ソーダ、グリセリン、エチレングリコール等が適用できる（以上、充填工程）。

【0054】

尚、図示例では、不凍結加泥材Ｄが、カッタヘッド２０の前方の隙間ＧＰの他に、カッタヘッド２０の側端まで充填されており、カッタヘッド２０の回転を可能にしている。この充填工程においても、凍土Ｆに加えて貼り付け凍結管５０によりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、制御盤４０により、カッタヘッド２０が連続的もしくは間欠的に回転制御される。

【0055】

次に、図８及び図９に示すように、カッタヘッド２０を回転させつつ不凍結加泥材Ｄをチャンバ１６に取り込み、チャンバ１６内に残存する掘削凍土（図示せず）と不凍結加泥材Ｄを、回転する練り混ぜ翼２６にて撹拌し、スクリュコンベア１３を介して後方に排土する。この排土により、チャンバ１６と、カッタヘッド２０の前方の隙間ＧＰが空洞となり、作業員がチャンバ１６を介して隙間ＧＰにアクセスできるようになる。

【0056】

作業員は、チャンバ１６を介して隙間ＧＰにアクセスし、カッタヘッド２０の前面の一部の凍土Ｆを掘削することにより、交換要のカッタビットを交換するための作業スペースＷＳを造成する。

【0057】

ここで、図示例においては、図９に示すように、カッタヘッド２０の前面の全域のうち、右上の領域（全域の略１／４の領域）のみ凍土Ｆの掘削が行われて、作業スペースＷＳが造成されている。尚、作業スペースＷＳの奥行きは、例えば１ｍ乃至２ｍ程度である。このように、作業スペースＷＳがカッタヘッド２０の前面の全域でなく、一部領域のみに限定されていることにより、凍土Ｆの掘削量が低減され、作業スペースＷＳの造成に要する作業時間を大幅に短縮することができる。尚、作業スペースは、図示例以外にも、左上領域、右上領域におけるさらに狭い領域等、様々な領域に造成することができる。

【0058】

作業員は、チャンバ１６を介し、カッタスポーク２２の間の空間を介して、単管パイプや角型鋼管等を作業スペースＷＳに持ち出し、支保工や足場を組み付け（いずれも図示せず）、支保工にて作業スペースＷＳを周囲の凍土Ｆから防護する。

【0059】

そして、図９に示すように、カッタヘッド２０のうち、作業スペースＷＳに露出している領域において交換要のカッタビット２３を交換する。

【0060】

図９に示す領域におけるカッタビット２３の交換が完了した後、制御盤４０による回動制御により、カッタヘッド２０を例えば時計周りであるＸ１'方向に４５度程度回動させることにより、新たなカッタヘッド領域を作業スペースＷＳに露出させ、新たなカッタヘッド領域において交換要のカッタビット２３を交換する。

【0061】

このカッタヘッド２０の所定角度の回動と、作業スペースＷＳに露出したカッタヘッド領域における交換要のカッタビット２３の交換を繰り返すことにより、カッタヘッド２０の全域における交換要のカッタビット２３の交換が行われる（以上、掘削交換工程）。

【0062】

図示するシールド掘進機のカッタビット交換方法によれば、凍土Ｆに進入した中折れ式のシールド掘進機６０の前胴１０を後退させて隙間ＧＰを形成し、シールド掘進機６０の内部から凍結手段５０にてシールド掘進機６０の側面の水道を凍結して止水した後、カッタヘッド２０の前面の隙間ＧＰに不凍結加泥材Ｄを充填することにより、凍土Ｆや凍結手段５０にてカッタヘッド２０が凍結して回転不能になることを防止できる。そして、カッタヘッド２０の前面の全域の凍土Ｆではなく、前面の一部の凍土Ｆを掘削して作業スペースＷＳを形成し、この可及的に狭い作業スペースＷＳを利用してカッタビット２３を交換することにより、カッタヘッド２０の前面の全域の凍土Ｆを掘削する際に要する作業時間を短縮することができ、凍土Ｆの掘削からカッタビット２３の交換完了までに要する作業時間を大幅に短縮することができる。そして、凍土Ｆの直下の作業スペースＷＳにおける作業時間が短縮されることにより、作業安全性を高めることができる。

【0063】

［第２実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法］
次に、図１０を参照して、第２実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例について説明する。ここで、図１０は、第２実施形態に係るシールド掘進機のカッタビット交換方法の一例の工程図である。

【0064】

既に説明した第１実施形態に係るカッタビット交換方法が隙間形成工程を有する方法であるのに対して、第２実施形態に係るカッタビット交換方法は、隙間形成工程を有していない点において双方の方法は相違する。

【0065】

すなわち、図１０に示すように、凍結工程を経て、シールド掘進機６０の前胴１０を凍土Ｆに進入させて停止させた後、水道止水工程にて水道ＷＰを止水する。

【0066】

次に、前胴１０を停止位置に停止させた状態（後退させない）で、カッタヘッド２０の前面の少なくとも一部の凍土Ｆに対して不凍結加泥材Ｄを充填する、充填工程を行う。ここで、図示例は、カッタヘッド２０の前面の全域の凍土Ｆに対して不凍結加泥材Ｄを充填している状態を示すが、カッタヘッド２０の前面の一部の領域（上半領域、下半領域、前面の１／４領域等）の凍土Ｆに対して不凍結加泥材Ｄを充填してもよい。図１０においても、不凍結加泥材Ｄは、カッタヘッド２０の前面の他に、カッタヘッド２０の側端まで充填されており、カッタヘッド２０の回転を可能にしている。この充填工程においても、凍土Ｆに加えて貼り付け凍結管５０によりカッタヘッド２０が凍り付いて回転不能にならないように、制御盤４０により、カッタヘッド２０が連続的もしくは間欠的に回転制御される。

【0067】

次に、図８及び図９に示す方法と実質的に同様の方法により、掘削交換工程にて、カッタヘッド２０を回転させつつ不凍結加泥材Ｄをチャンバ１６に取り込み、チャンバ１６内に残存する掘削凍土（図示せず）と不凍結加泥材Ｄを、回転する練り混ぜ翼２６にて撹拌し、スクリュコンベア１３を介して後方に排土する。このことにより、カッタヘッド２０の前面の一部の領域に空洞が形成され、形成された空洞に対してチャンバ１６を介して作業員がアクセスすることができる。作業員は、チャンバ１６を介して空洞にアクセスし、カッタヘッド２０の前面の一部の凍土Ｆを掘削することにより、交換要のカッタビットを交換するための作業スペースＷＳを造成する。そして、造成された作業スペースＷＳに露出している領域において、交換要のカッタビット２３を交換する。

【0068】

第２実施形態に係るカッタビット交換方法によっても、シールド掘進機６０の内部から凍結手段５０にてシールド掘進機６０の側面の水道を凍結して止水した後、カッタヘッド２０の前面の少なくとも一部の凍土Ｆに対して、不凍結加泥材Ｄを充填することにより、凍土Ｆや凍結手段５０にてカッタヘッド２０が凍結して回転不能になることを防止できる。そして、カッタヘッド２０の前面の全域の凍土Ｆではなく、前面の一部の凍土Ｆを掘削して作業スペースＷＳを形成し、この可及的に狭い作業スペースＷＳを利用してカッタビット２３を交換することにより、カッタヘッド２０の前面の全域の凍土Ｆを掘削する際に要する作業時間を短縮することができ、凍土Ｆの掘削からカッタビット２３の交換完了までに要する作業時間を大幅に短縮することができる。そして、凍土Ｆの直下の作業スペースＷＳにおける作業時間が短縮されることにより、作業安全性を高めることができる。

【0069】

尚、上記するように、中折れ式のシールド掘進機でなく、一般のシールド掘進機が適用される場合は、隙間形成工程において、シールド掘進機の全体を、後方のセグメントリングに反力を取りながらジャッキ等により後退させる方法が適用される。

【0070】

上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、また、本発明はここで示した構成に何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

【符号の説明】

【0071】

１０：前胴
１１：隔壁
１２：電動モータ
１３：スクリュコンベア
１４：シールドジャッキ
１５：中折れジャッキ（中折れ機構）
１６：チャンバ
２０：カッタヘッド
２１：フィッシュテール
２２：カッタスポーク
２３：カッタビット
２４：コピーカッタ
２５：充填管（の開口）
２６：練り混ぜ翼
３０：後胴
３１：テールシール
４０：制御盤
５０：貼り付け凍結管（凍結手段）
６０：中折れ式のシールド掘進機（シールド掘進機）
Ｇ：原地盤
Ｆ：凍土
ＷＰ：水道
Ｓ：セグメント
ｚ：切羽
ＧＰ：隙間
Ｄ：不凍結加泥材
ＷＳ：作業スペース
ＳＬ：凍結止水層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】