JP2014205982A - 埋設管改築推進機の掘削ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】金属製のカラーで塩化ビニル管のような管本体をつなぎ合わせた既設埋設管であっても、金属製のカラーを切削する替わりに、押し割るようにして軸方向に割裂することによって、効率良く既設の埋設管を撤去しながら新しい管に更新する。
【解決手段】外周部に向かって下り勾配に傾斜するテーパー状の外面を有する円錐形の面板２５には、超硬チップの切刃を有するビットカッター２２からなり、面板２５の半径方向に切刃が延びる複数のビットカッター列が設けられる。また、板状のカッター本体の先端に前記面板の半径方向に延びる切刃３６ａを有し、カッター本体の長手方向がスクリュー１４の軸方向と平行になるようにカッター本体の後端部がスクリュー先端部に固定され、スクリュー１４の前進とともに切刃３６ａが面板２５から突出し、埋設管１を軸方向に押し割ることが可能な一対のくさびカッター３６が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、埋設管改築推進機の掘削ヘッドに係り、特に、管の継手部分に金属製のカラーが用いられている既設埋設管であっても、効率良く新しい管設管に更新できるようにした埋設管改築推進機の掘削ヘッドに関する。

上・下水道管は、地震の影響や、地盤上の道路などの影響を受け、経年変化によって老朽化が進む。このため、法定耐用年数が５０年とされている既設の埋設管は、耐用年数を超過しないうちに、適宜に更新される必要がある。このような既設の埋設管を更新する場合、従来は、地表面からの開削により既設埋設管を掘り出して撤去した後、新たな管を埋設し直していたが、近年では、立坑から水平方向に掘進しつつ既設埋設管を破砕しながら、それと同時に更新管を推進して改築する工法が採用されている。

図７は、従来の一般的な埋設管改築推進工法の概要を示す図である。
図７において、参照番号１は、既設の埋設管を示している。既設埋設管の改築推進工法では、まず、地表面Ｇから発進立坑４が掘削される。この発進立坑４には、推進機５が設置される。この推進機５には新しい下水管である更新管６が一本ずつ継ぎ足される。参照番号１０は、先導管を示している。この先導管１０は、地中に推進していく更新管６の先端に接続される。

先導管１０の内部には、ケーシング１２が同軸に挿通されており、このケーシング１２には、地盤を掘削したときに出る土砂や、既設の埋設管１の破砕屑を後方に排出するためのスクリュー１４が挿通されている。このスクリュー１４には、羽根１６が螺旋状に連続している。

また、推進機５には、駆動モータ１７および減速機１８と、推進用の油圧シリンダ１９が設けられている。このうち、駆動モータ１７の回転は、減速機１８によって減速されてスクリュー１４に伝達される。これによって、スクリュー１４および先導管１０の先端に設けられている掘削ヘッド８を回転駆動することができる。また、推進用の油圧シリンダ１９は、推進機５の本体全体を図示左方向に押し出す。これによって、先導管１０とそれに続く更新管６を推進させるのに必要な推力を与え、掘削ヘッド８の前面に設けられているビットカッター８ａにより、既設埋設管１を破砕しつつその周囲の地盤を掘削しながら、先導管１０および更新管６からなる編成管を前方に推進させることができる。このとき生じた土砂や埋設管１の破砕屑は、先導管１０の内部に取り込まれ、スクリュー１４の回転とともに、ケーシング１２の内部を後方の発進立坑４まで移送される。

更新管６の一本分の距離を推進したら、一旦、推進は中断される。そして、推進機５を後退させて、新たな更新管６を継ぎ足す作業を実施する。その後、上述した更新管６の推進工程を繰り返すことになる。

この種の既設埋設管の改築推進工法では、既設の埋設管がヒューム管である場合には、管本体のコンクリートの破砕と、鉄筋の切断とを先導管の先端にある掘削ヘッドで効率よく行う必要があり、例えば、特許文献１に記載されているようなローラカッターでコンクリートと鉄筋を細かく破砕できるようにした掘削ヘッドが用いられている。

ところで、既設埋設管には、ヒューム管ばかりではなく、塩化ビニル管を鉄やステンレスの金属製のカラーでつなぎ合わせた管である場合もある。この種の既設埋設管を一般的なカッターであるビットカッターで破砕する場合は、塩化ビニル管の破砕は容易ではあっても、鉄やステンレスのカラーを切削して破砕するのはきわめて困難になる。

従来から特殊なカッターヘッドとして、トリコーンビットや、星型カッター、ウェーブカッターなどを使ったものが開発されているが、このような特殊カッターヘッドを用いても、鉄やステンレスのカラーを切削することは難しく、実用化が難航しているのが現状である。

そこで、カラーを切削する替わりに、非特許文献１に記載されているように、既設埋設管の外径より一段大きい管を推進し、既設埋設管をそのままにあるいは破砕して内側に取り込んで回収してから、推進した管の中に新管を入れる引抜推進工法や、非特許文献２に記載されているように、既設埋設管を内側から押し割って広げ、その中に新管を入れていく静的破砕推進工法の適用が検討されている。

特開平９−２９６６８７号公報

No-Dig Today ２０１２年１０月号、４６頁、日本非開削技術協会 No-Dig Today ２０１２年１０月号、１４頁、日本非開削技術協会

しかしながら、上記引抜推進工法では、推進と回収の２工程が必要となり、効率的な改築が行えないという欠点があり、上記静的破砕推進工法では、曲がりの大きい既設埋設管での施工が困難になったり、曲がりの修正に非常な手間がかかるという重大な欠点がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、金属製のカラーで塩化ビニル管のような管本体をつなぎ合わせた既設埋設管であっても、金属製のカラーを切削する替わりに、押し割るようにして軸方向に割裂することによって、効率良く既設の埋設管を撤去しながら新しい管に更新する埋設管改築推進機の掘削ヘッドを提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、先導管および更新管内にスクリューを挿通したケーシングを設け、前記スクリューの先端に連結された掘削ヘッドであって、既設の埋設管を破砕しながら地中に前記更新管を推進する、埋設管改築推進機の掘削ヘッドにおいて、外周部に向かって下り勾配に傾斜するテーパー状の外面を有する円錐形の面板と、超硬チップの切刃を有するビットカッターからなり、前記面板の半径方向に前記切刃が延びる複数のビットカッター列と、板状のカッター本体の先端に前記面板の半径方向に延びる切刃を有し、前記カッター本体の長手方向が前記スクリューの軸方向と平行になるように前記カッター本体の後端部が前記スクリュー先端部に固定され、前記スクリューの前進とともに前記切刃が面板から突出し、前記埋設管を軸方向に押し割ることが可能な一対のくさびカッターと、を具備したことを特徴とするものである。

本発明の実施形態による埋設管改築推進機の掘削ヘッドを示す断面図で、くさびカッターが引っ込んだ状態を示す図である。 本発明の実施形態による埋設管改築推進機の掘削ヘッドを示す断面図で、くさびカッターが押し出された状態を示す図である。 本発明の実施形態による埋設管改築推進機の掘削ヘッドの正面図である。 図１におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。 くさびカッターを作動させるために利用される埋設管改築推進機の調整用シリンダを示す側面図である。 くさびカッターが金属製カラーを押し割る状況を示す図である。 一般的な埋設管改築推進機の概要を示す縦断面図である。

以下、本発明による埋設管改築推進機の掘削ヘッドの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による掘削ヘッドが適用された先導管１０の先端部の断面を示す図である。なお、先導管１０は、図７に示したように、更新管６の先頭に取り付けられ、推進５を用いて推進される。

先導管１０の先導管本管２３の先端には、先導管本管２３とともに先導管１０を構成する刃口管２４が連結されている。刃口管２４の先端には、次のような掘削ヘッド２０が構成されている。

掘削ヘッド２０は、複数のビットカッター２２が取り付けられている面板２５と、この面板２５をスクリュー１４に連結する連結軸２６と、を含む。

刃口管２４の後端には、掘削ヘッド２０の面板２５を回転自在に支持するベアリング２８が設けられている。この実施形態では、ベアリング２８の外輪は、刃口管２４の内周面に固定されている。ベアリング２８の内輪は、ベアリング押さえ２９を介して４本のヘッド支持部材３０に連結されている。ヘッド支持部材３０は、刃口管２４の先端まで軸方向に延びて、面板２５にボルトを介して締結されている。

面板２５は、円錐形状になった面板として構成されており、その外面は、外周に向かって下り勾配に傾斜するようになっている。図３に示されるように、この実施形態では、面板２５の外面には、２個で１組のビットカッター２２からなるカッター列が４列配列されている。各カッター列は、面板２５の中心に関して９０度ずつずれるように対称に配置されており、各カッター列では、ビットカッター２２の切刃２２ａは超硬チップにより形成され、直線状に連続するようになっている。各カッター列の切刃２２ａ側には、それぞれ土砂を取り込む開口部３２が開口している。これらの開口部３２は、幅、長さとも制限された開口面積の比較的小さな開口となっている。なお、図３において、参照番号３４は、上述の土砂を取り込む開口部３２とは異なって、以下に説明するくさびカッター３６を出し入れするための出し入れ口である。

次に、図１、図２を参照しながら、くさびカッター３６の構成について説明する。この実施形態では、２枚のくさびカッター３６が面板２５の中心に関して１８０度対称に配置されている。

くさびカッター３６は、長方形板状のカッターである。このくさびカッター３６では、カッター本体の先端には短手方向に切刃３６ａが形成されており、この切刃３６ａは、面板２５の傾斜角度に対応するように傾斜しており、半径方向外側に向かって下り勾配に傾斜している。くさびカッター３６は、その長手方向とスクリュー１４の軸方向とが平行となる姿勢で、カッター後端部がスクリュー１４の軸に嵌着しているブラケット３８に固定されている。
図１並びに図１におけるＶＩ−ＶＩ断面を表す図４に示されるように、スクリュー１４の先端には、中空軸となっているスクリュー軸１４ａが接続されている。このスクリュー１４ａの軸穴４０は、例えば六角形のような多角形の横断面を有する軸穴である。そして、面板２５と一体の連結軸２６は、軸穴４０の横断面形状に対応して同じ多角形の横断面を有する軸であり、この軸穴４０に摺動自在でかつ回転を伝達可能に嵌合している。このような連結構造を採用することにより、スクリュー１４の回転は、面板２３と一体の連結軸２４に伝達される。さらに、スクリュー１４の軸方向の動きが許容されて、スクリュー１４の前進により、くさびカッター３６の刃先を面板２５から押し出すことが可能になっている（図２参照）。

図５は、推進機５に設けられている調整用シリンダ４４を示す。この調整用シリンダ４４は、本来、スクリュー１４の接続に際して、減速機１８の位置を前後動させて、その位置を調整するためのシリンダであるが、本実施の形態では、この調整用シリンダ４４を用いて、スクリュー１４を前進または後退させて、くさびカッター３６を操作するための駆動源として利用している。

本実施形態による埋設管改築推進機の掘削ヘッドは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

本実施形態では、既設の埋設管１の管本体は塩化ビニル製の管であり、鉄やステンレスなどを材質とする金属製のカラー２が塩化ビニル管１ａの継手として用いられている。図７に示したように、埋設管１を破砕しつつ、先導管１０および更新管１４からなる編成管を前方に推進する際には、掘削ヘッド２０は、以下のようにして、塩化ビニル管１ａの切削あるいは破砕と金属製のカラー２の切断を行うことができる。

そこでまず、図１を参照しながら、既設の埋設管１の管本体である塩化ビニル管１ａを掘削ヘッド２０で切削乃至破砕する場合について説明する。
図１に示されるように、くさびカッター３６は、刃口管２４の内部に引き込まれ、後退した位置に保持された状態になる。このとき、くさびカッター３６の切刃３６ａは、ビットカッター２２の切刃２２ａよりも後方に下がった位置にある。このため、塩化ビニル管１ａには、くさびカッター３６の切刃３６ａは当たらずに、専らビットカッター２２の切刃２２ａが当たることになる。

そこで、スクリュー１４が回転すると、スクリュー１４の先端が嵌合している連結軸２６を介して、スクリュー１４の回転が面板２５に伝達される。回転する面板２５のビットカッター２２によって、塩化ビニル管１ａを切削しながら地盤を掘削することができる。塩化ビニル管１ａそのものは軟らかいため、ビットカッター２２によって効率良く切削することができる。

このとき、土砂や塩化ビニル管１ａの切削屑は、面板２５の開口部３２（図３参照）から刃口管２４の内部に取り込まれ、スクリュー１４の羽根１９によって後方に移送される。

次に、図２を参照しながら、塩化ビニル管１ａの継ぎ目にある金属製のカラー２を掘削ヘッド２０で切断する場合について説明する。
金属製のカラー２、特に、ステンレス製のカラーは粘りが強く、ビットカッター２２では切削することができない。このため、塩化ビニル管１ａをビットカッター２２で上述したように切削していると、やがてビットカッター２２は金属製のカラー２に当たってしまい、それ以上の推進を進めることができなくなってしまう。

そこで、本実施形態の掘削ヘッド２０では、金属製のカラー２をビットカッター２２で切削する替わりに、くさびカッター３６を次のように押し出することによって、金属製のカラー２の端面を削っていくのではなく、端面から真っ二つに軸方向に割裂させる。

まず、一旦、先導管１０の推進は中断することになる。他方、スクリュー１４の回転は停止したまま、スクリュー１４を前進させる。このスクリュー１４の前進とともに、くさびカッター３６は、面板２５に開口している出し入れ口３４から押し出される。くさびカッター３６の切刃３６ａがカラー２の端面に接触する点に力を集中させると、また、この方向からは力を加えてもカラー２は潰れることはないので、カラー２を押し切るように軸方向に割ることができる。そして、くさびカッター３６は、スクリュー１４の軸線に関して１８０°対称に配置されているため、カラー２を半円筒状に２分割に押し割るように作用する。くさびカッター３６がさらに押し出されてカラー２を押し割っていくと、図６に示すように、最終的に、カラー２は半円筒状に２分割される。なお、カラー２をくさびカッター３６で押し割ると、当然、塩化ビニル管１ａも軸方向に切り裂かれることになる。

こうして、くさびカッター３６によって、金属製のカラー２を２つに押し割った後、スクリュー１４を後退させて、くさびカッター３６を刃口管２４の内部に引き込ませる。

次いで、スクリュー１８の回転を再開して、先導管１０の推進とともに、スクリュー１４の回転を面板２５に伝達する。面板２５とともにビットカッター２２が旋回し、ビットカッター２２の切刃２２ａは、地盤の掘削とともに塩化ビニル管１ａを細かく切削していく。これらの破片屑は、土砂とともに面板２５の開口部３２から刃口管２４の内部に取り込まれ、スクリュー１４の羽根１６によって後方に移送される。なお、面板２５の開口部３２は、押し割ったカラー２が入り込まないようにその開口面積が制限されているので、分割されたカラーが取り込まれて、スクリュー１４による土砂の排出が阻害されることはない。

この間、既に２分割されている金属製のカラー２は、円錐状の面板２５の傾斜面に推進方向に対して傾いた状態で配列しているビットカッター２２に押され、先導管１０の推進にしたがって面板２５の半径方向外側に向かって押し退けられていくので、金属製のカラー２が掘削推進の障害になることは回避することができる。

また、金属製のカラー２を割る分割方向は、縦割りの方向にのみ限定されているので、埋設管１の近隣に別の埋設物があるような場合には、それらの埋設物を破損してしまうようなおそれも少なく、安全な工事を進めることができる。

本実施形態の掘削ヘッド２０によれば、面板２５に取り付けているビットカッター２２では、金属製のカラー２を切削することは行わずに 専ら埋設管１の本管である塩化ビニル管１ａを切削するのに利用している。そして、難削材である金属製のカラー２は、削るのではなく、くさびカッター３６を面板から押し出して、軸方向に押し割って２分割するようにしている。

このように、ビットカッター２２では金属製のカラー２を切削しないので、ビットカッター２２の摩耗や破損も少なく、長持ちさせることができる。それに加えて、金属製のカラー２を切削する替わりに、くさびカッター３６で縦割りに分割してから掘削ヘッド２０の外周外側に押し退けるようにしているので、従来、難削材であるがゆえに切削に非常な困難をきたしていた金属製のカラー２がある埋設管であっても、非常に効率良く改築推進工事を進めることが可能になる。

１…既設の埋設管、１ａ…塩化ビニル管、２…カラー、４…発進立坑、５…推進機、６…更新管、１０…先導管、１２…ケーシング、１４…スクリュー、１６…羽根、１７…駆動モータ、１８…減速機、１９…推進用油圧シリンダ、２０…掘削ヘッド、２２…ビットカッター、２４…刃口管、２５…面板、２８…ベアリング、３０…ヘッド支持部材、３２…開口部、３４…出し入れ口、３６…くさびカッター、４０…軸穴、４２…連結軸、Ｇ…地表面

Claims (5)

1. 先導管および更新管内にスクリューを挿通したケーシングを設け、前記スクリューの先端に連結された掘削ヘッドであって、既設の埋設管を破砕しながら地中に前記更新管を推進する、埋設管改築推進機の掘削ヘッドにおいて、
   外周部に向かって下り勾配に傾斜するテーパー状の外面を有する円錐形の面板と、
   超硬チップの切刃を有するビットカッターからなり、前記面板の半径方向に前記切刃が延びる複数のビットカッター列と、
   板状のカッター本体の先端に前記面板の半径方向に延びる切刃を有し、前記カッター本体の長手方向が前記スクリューの軸方向と平行になるように前記カッター本体の後端部が前記スクリュー先端部に固定され、前記スクリューの前進とともに前記切刃が面板から突出し、前記埋設管を軸方向に押し割ることが可能な一対のくさびカッターと、を具備したことを特徴とする埋設管改築推進機の掘削ヘッド。
2. 前記既設埋設管は、塩化ビニル製の管が金属製のカラーを介して接続された埋設管であり、前記くさびカッターは、前記金属製のカラーを軸方向に押し割ることを特徴とする請求項１に記載の埋設管改築推進機の掘削ヘッド。
3. 前記面板には、前記スクリューの回転を前記掘削ヘッドの面板に伝達する伝達軸が一体に形成され、前記伝達軸は前記スクリューの先端部に軸方向に摺動可能にかつ回転を伝達可能に嵌合することにより、前記スクリューとともにくさびカッターの進退動作が許容されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の埋設管改築推進機の掘削ヘッド。
4. 前記くさびカッターを駆動する駆動源として、前記推進機に設けられている位置調整用のシリンダを利用したことを特徴とする請求項３に記載の埋設管改築推進機の掘削ヘッド。
5. 前記面板には、掘削した土砂と、塩化ビニル製の管本体の破砕物のみを取り込み、破壊された前記金属製カラーの取り込みを制限する開口部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の埋設管改築推進機の掘削ヘッド。