JP2008063941A - 掘削用ビット - Google Patents

Abstract

【目的】繊維により強化されたコンクリート或いはモルタルを切削する際に切削された繊維が必要以上に長尺となることを防止するとともに、繊維が付着したコンクリート或いはモルタルが除去された際に大きな塊となることを防止し、コンクリート等の切削を円滑にすること。
【解決手段】シールド機のシールドカッター（１００）の中心から放射状に複数個配置される掘削用ビット（２０Ｎ）において、放射方向に切削部が存在しない領域（４０）を有する凹状に形成され、その領域（４０）の両側に半径方向内方の切削領域（３０ａ）と半径方向外方の切削領域（３０ｂ）とを有し、隣接するビット間の半径方向の寸法（Ｌ１）が前記領域（４０）の半径方向の寸法（Ｌ２）と等しくされ、前記切削領域（３０ａ、３０ｂ）の上面（３０ｃ）が回転方向（Ｔ）について中央部が窪まされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、シールド機のシールドカッターに配置される掘削用ビットに関する。より詳細には、繊維によって強化されたコンクリート或いはモルタル壁を切削する際に使用する掘削用ビットに関する。

シールド機は通常はティースビットで土砂を掘削するが、発進立坑からの発進時や、到達立坑への到達時には、発進立坑及び到達立坑を構成する鉄筋コンクリート或いはモルタルを切削、貫通しなければならない。
しかしながら、シールド機には、鉄筋で補強されたコンクリート或いはモルタルを切削して、貫通する能力は無い。
そのため従来のシールド工法では、予めブレーカで発進立坑や到達立坑の鉄筋入りのコンクリートやモルタルをはつって、シールド機通過用の貫通孔を穿孔し、以って、シールド機を発進立坑から発進せしめ、到達立坑内に到達せしめていた。
しかし、発進立坑や到達立坑を形成する鉄筋入りのコンクリートやモルタルを穿孔すると、当該貫通孔を介して発進立坑や到達立坑内に地下水や土砂が流入してしまう。
これに対処するために、発進立坑近傍の発進部位や、到達立坑近傍の到達部位における地盤を改良する必要があった。

この様な問題を解消するため、新素材を用いたシールド（以下、本明細書では「新素材コンクリート壁」と記載）の発進・到達工法が提案されている。
かかる新素材コンクリート壁工法においては、従来ブレーカではつっていた箇所（シールド機が発進立坑から出る箇所、或いは、シールド機が到達立坑内へ進入する箇所）を新素材、例えば炭素繊維（ＣＦＲＰ）やガラス繊維（ＧＦＲＰ）、で補強されたコンクリート或いはモルタルで構成している。

シールド機は通常のビットでは鉄筋は切れないが、新素材コンクリート壁切削用ビットと呼ばれるビットを設けることにより、炭素繊維（ＣＦＲＰ）やガラス繊維（ＧＦＲＰ）等で補強されたコンクリート或いはモルタルを掘削、切削して貫通することが出来る。
従って、従来の様なブレーカを使用する必要が無くなり、シールド機が発進立坑から出て行く際、或いは、到達立坑内に侵入する際に、地下水や砂利が立坑内に浸入してしまう事態が回避出来る。
そして、発進立坑近傍の発進部位や、到達立坑近傍の到達部位における地盤改良も不要となる。

ここで、前述のＦＲＰの補強材は構造部材であるＨ型鋼の様な形状を有しており、コンクリート或いはモルタル内に収められている。

しかし、かかる新素材コンクリート壁工法においても、次の様な問題が存在することが判明した。
すなわち、新素材コンクリート壁工法においてＣＦＲＰ等で強化されたコンクリート或いはモルタルを掘削するためのビット（新素材コンクリート壁切削用ビット）で切る際、コンクリート或いはモルタル内のＦＲＰは靭性を有しているため、カッターに絡み付いてしまい、切断されない。そして、コンクリート或いはモルタルに付着・固着した状態となる。
そのまま、新素材コンクリート壁切削用ビットを回転すると、ＦＲＰは引っ張られて、引き千切られる。その結果、長尺に引き千切られたＦＲＰが付着した状態でコンクリート或いはモルタルの大きな塊が立坑から除去される。

長尺で引き千切られたＦＲＰや、コンクリート或いはモルタルの大きな塊が除去されると、除去された土壌排出用の排出管路（例えば、泥水シールドであれば排出管）を通過する際に、大きな塊を伴った長尺のＦＲＰが絡まりあって当該通路を閉塞する。

また、靭性を有するＦＲＰに新素材コンクリート壁切削用ビットが食い込む結果、ビットが摩耗して切れなくなる。
さらに、到達立坑に新素材コンクリート壁工法を使用した場合、到達立坑内にシールド機が侵入出来なくなる恐れがある。
また特許文献１に開示されているカッタビットでは切削作業をさらに円滑に行うことが要望された。
特開平１１−８１８７６号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、繊維により強化されたコンクリート或いはモルタル壁を切削する際に切削された繊維が必要以上に長尺となってしまうことを防止出来、繊維が付着したコンクリート或いはモルタルが除去された際に大きな塊となってしまうことを防止出来る様な掘削用ビットの提供を目的としている。

本発明によれば、シールド機のシールドカッター（１００）の中心から放射状に複数個配置される掘削用ビット（２０Ｎ）において、放射方向に切削部が存在しない領域（４０）を有する凹状に形成され、その領域（４０）の両側に半径方向内方の切削領域（３０ａ）と半径方向外方の切削領域（３０ｂ）とを有し、隣接するビット間の半径方向の寸法（Ｌ１）が前記領域（４０）の半径方向の寸法（Ｌ２）と等しくされ、前記切削領域（３０ａ、３０ｂ）の上面（３０ｃ）が回転方向（Ｔ）について中央部が窪まされている。（請求項１）
すなわち、本発明の掘削用ビット（２０Ｎ）は、シールド機のシールドカッター（１００）に配置され、切削部位（刃先３０）が存在しない領域（４０）により先端の切削部位（刃先３０）がシールドカッター（１００）の半径方向（Ｒ矢印方向）について複数領域（例えば、半径方向内方の領域（３０ａ）と半径方向外方の領域３０ｂの２領域）に分離されており、隣接したビット（２０Ｎ、２０Ｎ）間の半径方向寸法（面間距離Ｌ１）が比較的小さくなる様に（例えば、隣接したビット間（２０Ｎ、２０Ｎ）の半径方向寸法Ｌ１が、前記切削部位が存在しない領域４０の半径方向寸法Ｌ２と等しくなる様に）配置されている。

本発明の実施に際して、例えば、新素材コンクリート壁工法のようにＣＦＲＰやＧＦＲＰ（以下、「繊維」或いは「ＦＲＰ」で総称する）で補強されたコンクリート、モルタルを切削するために設けられた特殊ビット（新素材コンクリート壁切削用ビット）に対し、上述の構成を適用することが好ましい。
換言すれば、前記掘削用ビット（２０Ｎ）は、ＣＦＲＰやＧＦＲＰ（以下、「繊維」或いは「ＦＲＰ」で総称する）で補強されたコンクリート、モルタルを切削するために設けられた特殊ビット（新素材コンクリート壁切削用ビット）であるのが好ましい。
勿論、カッタービット（ティースビット：地盤掘削用のビット２０）も、上述した新規構成を適用することが可能である。

かかる構成を具備する本発明の掘削用ビット（２０Ｎ）によれば、隣接したビット間（２０Ｎ、２０Ｎ）の半径方向寸法（面間距離Ｌ１）が比較的小さくなる様に構成されているので、例えば新素材コンクリート壁工法のようにＣＦＲＰ（５０）やＧＦＲＰ（以下、「繊維」或いは「ＦＲＰ」で総称する）で補強されたコンクリート或いはモルタル（５５）を切削する場合に、掘削用ビット（２０Ｎ）の面間距離（Ｌ１）、換言すれば切削部位が存在しない領域（４０）の半径方向寸法（Ｌ２）が小さく構成されている。
そのため、切削されるＦＲＰ（５０）の長さが短くなる。

切削されるＦＲＰ（５０）が短くなれば、当該ＦＲＰ（５０）が絡み付いてシールド機の排出通路（排泥通路）を閉塞してしまうことは無い。
また、切削されるＦＲＰ（５０）が短くなれば、ＦＲＰ（５０）が固着しているコンクリート（５５）やモルタルの塊も小さくなるので、当該塊によりシールド機の排出通路が閉塞される可能性も激減する。

ここで、掘削用ビット先端（３０）に切削部位が存在しない非切削領域（４０）を設けると、シールドカッター（１００）が回転した際に、新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）先端の切削部位（３０ａ、３０ｂ）が通過する軌跡が、全掘削面をカバーできない。そして、通常のカッタービットであれば、切羽の全領域を複数のカッタービットでカバーしなければ、土壌を掘削できないので、シールド機で掘削することが出来ない。
これに対して本発明の掘削用ビットを、例えば新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）として適用すれば、当該ビット（２０Ｎ）により切羽全面をカバーしなくても、本発明の掘削用ビット（２０Ｎ）で（ＦＲＰ５０で補強されたコンクリート５５或いはモルタルが）切削された領域に隣接する（ビットで切削されない）領域（４０）は、割れて、崩れるので、シールド機の掘削、進行、貫通に何等問題は無い。

ここで、本発明を適用した新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）の方が、ティースビット（２０）よりも進行方向に突出しているのが好ましい。
この様に構成すれば、発進立坑を貫通する際には、新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）が先に当たってロッド状のＣＦＲＰ（５０）が埋め込まれた新素材コンクリート（５５）を切削する。この際、新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）は損傷を受けるが、地盤掘削に用いられるティースビット（２０）は（立坑発進時にＦＲＰで５０補強されたコンクリート５５やモルタルを掘削しないので、）損傷を受けていない状態で、地盤を掘削することが出来る。

このように、本発明によれば、新素材コンクリートの利点を享受しつつ、新素材コンクリート壁工法の問題点を解決することが出来るのである。

本発明の作用効果は次のとおりである。
（１） 隣接したビット間の半径方向寸法（面間距離）が比較的小さくなる様に構成されているので、例えば新素材コンクリート壁切削工法のようにＣＦＲＰやＧＦＲＰで補強されたコンクリート或いはモルタルを切削する場合に、切削されるＦＲＰの長さが短くなる。
切削されるＦＲＰが短くなれば、当該ＦＲＰが絡み付いてシールド機の排出通路（排泥通路）を閉塞してしまうことはく、また、切削されるＦＲＰが短くなれば、ＦＲＰが固着しているコンクリートやモルタルの塊も小さくなるので、当該塊によりシールド機の排出通路が閉塞される可能性も激減する。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

先ず、図１を参照してシールドカッターの参考例を説明する。
図１のシールドカッター１００の前面（右半分は省略している）には、シールドカッター１００の中心から放射状に配置された新素材コンクリート壁切削用ビット（カッター）２０Ｎの列Ａ〜Ｄ、Ｆ〜Ｊと、交換装置付のビット１８の列（図示の水平列）Ｅと、それらの列Ａ〜Ｊの両側に配置され最も多くの数を有し、地盤を掘削するティースカッター２０の列Ｔと、シールドカッター１００の外周で隣り合う新素材コンクリート壁切削用ビットの列の中央に配置された特殊外周カッター２０Ｄと、外周近傍で隣り合う新素材コンクリート壁切削用ビットの列を跨いで図示の左半分側には４箇所に配置された新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎとが取付けられている。
なお、図示の参考例では、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎが新規形状であり、カッタービット（ティースビット：地盤掘削用のビット）２０は通常の形状である。

次に、図２および図３を参照して、前記図１のシールドカッター１００に適用される本発明の１実施形態の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎの刃先形状の特徴を説明する。なお、図３における符号Ｕは、シールドカッターへの取り付け側を示す。

比較対象の従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊの半径方向の断面形状を、図６に示す。
従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊは、例えば半径方向寸法Ｌ３が６０ｍｍの単一の切削部位（刃先）３０を有しており、隣接するビットとビット間の半径方向（図６では左右方向）における面間距離、すなわち半径方向におけるビット間の隣接する距離（換言すれば、ビットが存在しない領域の半径方向長さ）Ｌ１は、例えば、９０ｍｍである。

それに対して、図２の実施形態に係る新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎは、ビット先端の掘削部位（刃先）３０は、切削部位が存在しない非切削領域４０により、半径方向内側（図２では右側）の領域３０ａと、半径方向外側（図２では左側）の領域３０ｂとに分けられている。
そして、領域３０ａ、３０ｂの半径方向長さＬ３、Ｌ４は共に３５ｍｍ、非切削領域４０の半径方向長さＬ２は４０ｍｍである。さらに、隣接するビット間の距離（面間距離）Ｌ１は４０ｍｍである。

すなわち、半径方向の面間距離Ｌ１が、従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊの９０ｍｍから図示実施形態に係る新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎの４０ｍｍまで減少している。
換言すれば、実施形態に係る新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎ（図２）は、従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊ（図６）に比較して、隣接するビット間の距離（面間距離）Ｌ１、或いは新素材コンクリート壁切削用ビット先端の切削部位（刃先）が存在しない領域４０の半径方向寸法が小さい。

隣接するビット間の距離（面間距離）Ｌ１、或いは新素材コンクリート壁切削用ビット先端の切削部位（刃先）が存在しない領域４０の半径方向寸法が小さいことによる効果を、図４を参照して説明する。
図４は、発進立坑で、ＦＲＰの補強部を有する場所と、シールドカッターの中心を通る水平位置を含む左側の一部を描いた部分正面図である。

図４の太線で囲まれた領域Ｘは、従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊ（図６）を装着したシールド機により、新素材コンクリート壁工法におけるＦＲＰ５０で強化されたコンクリート（或いはモルタル）５５を切削した場合の、ＦＲＰ５０の切断片を示している。
なお、ＦＲＰ５５の補強部は図示のような梯子状の縦桟部５５ａと、横桟部５５ｂとを有している。

この切断片（領域Ｘ）は、新素材コンクリート壁切削用ビットの面間距離部分（非切削部分）の通過する軌跡（網掛けの領域Ｙ）と、ＦＲＰ５０が配置されている領域（水平方向のハッチングを施した領域Ｚ）とが重なり合う領域で決定する。そして、ＦＲＰ５０破断片の長さ（切断片の矢印Ｖ方向の長さ）は、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊの面間距離部分（非切削部分）の通過する軌跡（網掛けの領域Ｙ）の幅「ε」が短くなれば、短くなる。

上述した図６の従来の新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｊ（面間距離９０ｍｍ）を用いた場合における破断片の長さは、シールドカッター１００の直径が１３ｍの場合には最大で２ｍにも到達した。しかし、図２で示す様に、図示実施形態に係るビット（面間距離４０ｍｍ）を採用した場合にはシールドカッター１００の直径が１３ｍの場合に、最大１ｍまで減少する。

このように、面間距離を減少することにより、ＦＲＰ破断片の長さを短くすることが出来る。そして、ＦＲＰ破断片の長さを短くすることにより、ＦＲＰ破断片が絡まって土砂排出通路を閉塞する問題を解消することが出来る。
また、ＦＲＰ破断片が短くなれば、それに付着して除去されるコンクリート或いはモルタルの塊の大きさも小さくなり、当該塊による排出通路閉塞の問題も解消される。

ここで、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎ先端３０に切削部位が存在しない非切削領域４０を設けると、シールドカッター１００が回転した際に、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎ先端３０の切削部位が通過する軌跡が、全掘削面をカバーできない。
すなわち、ＦＲＰ５０等で補強されたコンクリート５５或いはモルタルのシールド通過領域にビット２０Ｎで切削されない領域が存在してしまうことになる。
通常のカッタービット２０であれば、切羽の全領域を複数のカッタービット２０でカバーしなければ、土壌を掘削できないので、シールド機で掘削することが出来ない。

これに対して、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎであれば、切羽全面をカバーせず、上述した様な（新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎで切削されない）領域４０が存在しても、当該領域４０は、他の領域が新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎで切削される際に割れてしまい、崩れてしまうので、シールド機による掘削、進行、貫通に問題は発生しない。

また、前記切削領域３０ａ、３０ｂの上面３０ｃが回転方向Ｔについて中央部が窪まされている。従って、切削領域３０ａ、３０ｂのシールド機掘削方向に見て前面となる前記上面３０ｃが中央部が窪んでいて、切削抵抗を低減することができる。

図示されてはいないが、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎの方が、ティースビット（通常のカッタービット）２０よりも進行方向に突出している。
発進立坑を貫通する際には、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎが先に当たってロッド状のＦＲＰ５０が埋め込まれた新素材コンクリート５５を掘削する。

コンクリート掘削で新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎは傷むが、ティースビット２０は立坑発進時にコンクリートを切削しないのでダメージが小さく、損傷を受けていない状態で地盤を掘削することが出来る。

次に、図５を参照して、ビット交換装置の参考例を説明する。
図５の参考例は、新素材コンクリート壁切削用ビット（図１の符号１８で、図１のシールドカッター１００の左半分だけで１９個を有している）を交換可能に構成した参考例である。詳細には、本出願人による特開２００１−２０６６７号公報の技術であり、摩耗した新素材コンクリート壁切削用ビットを新品に交換する技術である。

図５において、全体を符号１で示すビット交換機は、相対する２面が開放された４角形状のケース３と、ケース３の一方の開放面に着脱可能に取付けられているケースカバー４とを有している。
前記ケース３内部には角環状の支持部材１６、１６で回動自在に両側部を支持されるボール弁７と、該ボール弁７に設けられた内孔７ａに摺動可能に装着されるビット固定軸１２と、該ビット固定軸１２の先端に止水ピストン１９を介して装着されたカッタービット１８とを含んでいる。
そして、前記ビット固定軸１２を前記ボール弁７から取り外した際に前記止水ピストン１９を装着したカットビット１８が前記ボール弁７の内孔に収納可能に構成されている。

上述のように、掘削用ビットを交換可能に構成すれば、摩耗した新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）を新品に交換することが出来る。
例えば、新素材コンクリート壁切削用ビット（２０Ｎ）であれば、発進立坑から出る際にＦＲＰ（５０）で補強されたコンクリート（５５）或いはモルタルを切削して損傷したビット（２０Ｎ）を交換することにより、到達立坑を構成するＦＲＰ（５０）で補強されたコンクリート（５５）或いはモルタルを切削して、シールド機が確実に到達立坑内に進入することを保証することが出来る。

上述のビット交換装置１を用いることにより、地山の状態により、特殊ビット（交換可能な新素材コンクリート壁切削用ビット１８）と通常のカッタービット（ティースカッター２０）とを適宜交換することも可能である。

ここで、シールドカッター（１００）の１部のビット、例えば所定の領域に存在する新素材コンクリート壁切削用ビット（１８）のみを交換可能に構成することも出来る。
勿論、シールドカッター（１００）の全ビットを交換可能に構成することも可能である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎ、１８のみが新規な形状で構成されているが、新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎ、１８の様な特殊ビットのみならず、通常のティースビット２０であっても、今回の新規形状が適用可能である。

また、上述の記載は、長尺の繊維（ＦＲＰ５０）により強化されたコンクリート５５又はモルタルを掘削することが前提となっているが、短繊維を用いた繊維強化コンクリートについても、本発明の様な構成を具備したビットで掘削することが可能である。
さらに、図示の実施形態では、１部の新素材コンクリート壁切削用ビット１８のみが交換可能に構成されているが、全ての新素材コンクリート壁切削用ビット２０Ｎを交換可能に構成することも出来るし、ティースビット２０も交換可能に構成しても良い。

本発明の１実施形態のカッターディスクの正面図。 本発明の１実施形態におけるカッタービットの断面図。 本発明の１実施形態におけるカッタービットの斜視図。 本発明の１実施形態における発進立坑、又は到達立坑での切削状態を示す部分正面図。 本発明の参考例のカッタービット交換装置の構成図。 従来技術におけるカッタービットの断面図。

符号の説明

１・・・カッタービット交換装置
３・・・ケース
４・・・ケースカバー
１８・・・交換可能なカッタービット
２０・・・ティースビット
２０Ｎ・・・新素材コンクリート壁切削用ビット
３０・・・刃先
４０・・・切削部位が存在しない領域
５０・・・ＦＲＰ
５５・・・コンクリート
１００・・・シールドカッター
Ｌ１・・・ビット間の面間距離
Ｌ２・・・切削部位が存在しない領域の半径方向距離

Claims (1)

1. シールド機のシールドカッター（１００）の中心から放射状に複数個配置される掘削用ビット（２０Ｎ）において、放射方向に切削部が存在しない領域（４０）を有する凹状に形成され、その領域（４０）の両側に半径方向内方の切削領域（３０ａ）と半径方向外方の切削領域（３０ｂ）とを有し、隣接するビット間の半径方向の寸法（Ｌ１）が前記領域（４０）の半径方向の寸法（Ｌ２）と等しくされ、前記切削領域（３０ａ、３０ｂ）の上面（３０ｃ）が回転方向（Ｔ）について中央部が窪まされていることを特徴とする掘削用ビット。

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