JP4181571B2 - カッタヘッド - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設された鉄筋コンクリート管を破壊する掘進機に搭載されるカッタヘッドに関する。

地中に埋設された下水道管などの鉄筋コンクリート管を推進工法により切削・破砕して、当該鉄筋コンクリート管を新しく置き換える非開削工法が知られている。

推進工法に使用される掘進機は、掘進機本体と、掘進機本体の前面に設けられるカッタヘッドとを具備している。カッタヘッドは、掘進機本体に対して回転するヘッド本体と、ヘッド本体の前面に設けられ、当該ヘッド本体に対して回転する複数のカッタビットとで構成さている（例えば、特許文献１を参照。）。

ところで、従来の掘進機は、カッタビットに設けられた複数の刃部を鉄筋コンクリート管の端面に打撃して、鉄筋コンクリート管のコンクリート及び鉄筋を細かく切断している。しかしながら、鉄筋コンクリート管に埋め込まれた鉄筋は、カッタビットの刃部で一度打撃されただけ、もしくはコンクリートとカッタビットの刃部との間で一度挟み込まれただけでは切断されない。

また、従来の掘進機には、カッタビットの刃部を鋭利にして、鉄筋コンクリート管の鉄筋を一度で切断するものもある。しかしながら、カッタビットの刃部が鋭利であっても、短期間で鈍化してしまうため、結局、前述のように鉄筋コンクリート管に埋め込まれた鉄筋が一度で切断されなくなる。
特開平１０−３７６７６号

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、既設管に埋め込まれた鉄筋を効率良く切断できるカッタヘッドを提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のカッタヘッドは、次のように構成されている。

（１）掘進機に搭載されて、鉄筋コンクリート管の破壊に使用されるカッタヘッドにおいて、前記掘進機の軸心を中心に回転するカッタヘッド基部と、前記カッタヘッド基部の前面に対向配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する中心軸の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、当該中心軸を中心に回転する直円錐台もしくは円柱からなるギアカッタ基部と、前記ギアカッタ基部の外周面に配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する刃先の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、前記ギアカッタ基部の回転に伴って前記鉄筋コンクリート管を打壊する複数の打撃刃部とで構成されるギアカッタとを備え、前記カッタヘッド基部の中心からの距離をＲとし、前記ギアカッタ基部の周方向に対する前記複数の打撃刃部のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となるように形成され、このギアカッタは、該カッタヘッドの前方に、周方向に対して波型の断面形状を有する掘削面を形成するとともに、前記ギアカッタの打撃刃部は、前記カッタヘッド基部の回転量によらず、前記波型の掘削面の抉れ部に必ず入り込む。
（２）（１）に記載されたカッタヘッドにおいて、 前記ギアカッタを複数備え、この複数のギアカッタは、前記カッタヘッド基部の径方向の互いに異なる位置に搭載されており、
前記複数のギアカッタは、この複数のギアカッタによってそれぞれ形成される波型の断面形状が互いに独立した領域に形成されるように、互いに離れて配置されている。

（２）（１）に記載されたカッタヘッドにおいて、前記カッタヘッド基部の前面には、少なくとも２つ以上の前記ギアカッタが設けられていて、これらギアカッタのうち、前記カッタヘッド基部の中心からの距離がｎ番目であるギアカッタを第ｎのギアカッタ、前記カッタヘッド基部の中心からの距離がｎ＋１番目であるギアカッタを第ｎ＋１のギアカッタとすれば、前記カッタヘッド基部の中心を基準とした、前記第ｎのギアカッタの打撃刃部の刃先における前記カッタヘッド基部の中心から最も離間した部位までの距離をＬｎ、前記カッタヘッド基部の中心を基準とした、前記第ｎ＋１のギアカッタの打撃刃部の刃先における前記カッタヘッド基部の中心に最も接近した部位までの距離をＬｎ＋１としたときに、Ｌｎ≦Ｌｎ＋１が成立し、前記複数のギアカッタは、該カッタヘッドの前方の掘削面に、周方向に対して波型の断面形状をそれぞれ刻むものであり、前記第ｎ＋１のギアカッタは、前記第ｎのギアカッタが刻む波型形状を破壊しないように、前記第ｎのギアカッタが打撃する領域に重ならない領域を打撃するとともに、この第ｎ＋１のギアカッタは、前記第ｎのギアカッタが打撃する領域に重ならない領域に波型形状を刻む。

本発明によれば、既設管に埋め込まれた鉄筋の同一部位が打撃刃部によって繰り返し打撃されやすく、既設管の鉄筋を効率良く切断することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る地中埋設管の改築推進工法を示す概念図である。
図１に示すように、地中埋設管の改築推進工法で使用される掘進機１０は、円筒状の掘進機本体１１を備えていて、その前面には地中に埋設された既設管ＯＰおよびその周囲の地山を打壊・掘削するためのカッタヘッド１２が設けられている。

この掘進機１０は、発進立坑Ｈの底面に設置された元押装置１３に押圧されて、到達立坑（図示しない）に向かって推進する。掘進機１０の後方には、新設管ＮＰが順次補給される。

なお、本実施形態における既設管ＯＰは、いわゆる鉄筋コンクリート管であって、その内部には、既設管ＯＰの周方向に沿って配設された鉄筋Ｗ１と、既設管ＯＰの軸心方向に沿って配設された鉄筋Ｗ２とで構成されている（図６を参照）。

図２は同実施形態に係るカッタヘッド１２の正面図、図３は同実施形態に係るカッタヘッド１２の側面図である。

図２と図３に示すように、このカッタヘッド１２は、三つ葉型のカッタヘッド基部２１を備えている。カッタヘッド基部２１は、掘進機本体１１の前面に配設されていて、掘進機本体１１内に配設された駆動装置によって、掘進機の軸心を中心に回転される。

カッタヘッド基部２１の前面には、既設管ＯＰを打壊する第１〜第３のギアカッタ２２〜２４が配設されている。第１〜第３のギアカッタ２２〜２４は、それぞれ直円錐台型の第１〜第３のギアカッタ基部２２ａ〜２４ａを備えている。

第１〜第３のギアカッタ基部２２ａ〜２４ａは、それぞれカッタヘッド基部２１の前面に対する中心軸の投影および母線の投影が、カッタヘッド基部２１の径方向に沿うように配置されていて、それぞれの外周面には既設管ＯＰを破砕する複数の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂが形成されている。

これらの打撃刃部２２ｂ〜２４ｂは、それぞれカッタヘッド基部２１の前面に対する投影がカッタヘッド基部２１の径方向に沿うように配置されていて、それぞれの先端部には比較的鈍い刃先部が形成されている。

前述した第１〜第３のギアカッタ２２〜２４は、掘進機本体１１内に配設された駆動装置によって、それぞれの中心軸を中心に回転される。これにより、カッタヘッド１２の前方には、図５と図６に示すように、周方向に対して波型の断面形状を持った掘削面Ｓが形成される。

（第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の位置関係）
図４は同実施形態に係る第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の位置関係を示す説明図であって、第２のギアカッタ２３が実際の位置から１８０度ずれた位置、即ち第１、第３のギアカッタ２２、２４に挟まれる位置に図示されている。
図４に示すように、カッタヘッド基部２１の径方向に対する第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の配置は、
カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第１のギアカッタ２２の打撃刃部２２ｂにおけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏから最も離間した縁部までの距離をＬ１、
カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏに最も接近した縁部までの距離をＬ２、
カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏから最も離間した縁部までの距離をＬ３、
カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第３のギアカッタ２４の打撃刃部２４ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏに最も接近した縁部までの距離をＬ４としたとき、
Ｌ１≦Ｌ２ …［数式１］
Ｌ３≦Ｌ４ …［数式２］
という関係が成り立つように決定される。

なお、（Ｌ２−Ｌ１）や（Ｌ４−Ｌ３）が小さいほど好ましいため、本実施形態における第１〜第３のギアカッタ２２〜２４は、殆んどＬ１−Ｌ２＝０、Ｌ３−Ｌ４＝０となるように配置されている。

これにより、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４によって掘削面Ｓに形成される第１〜第３の領域Ｓ１〜Ｓ３は、互いに重なる部分のない独立した環状の領域となる。即ち、第ｎのギアカッタによって掘削面Ｓに刻まれた波型形状が、第ｍのギアカッタによって破壊されることがない（ｎ∈自然数、ｍ∈自然数、ｎ≠ｍ）。

なお、本実施形態では、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂが［数式１］と［数式２］の関係を満足するように、打撃刃部２２ｂ〜２４ｂの刃先部の端部をそれぞれ斜めに切り欠いている。換言すれば、打撃刃部２２ｂ〜２４ｂの刃先部の端部を切り欠くだけで、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４が［数式１］と［数式２］を満足することになる。そのため、掘進機１０の外径に応じて第１〜第３のギアカッタ２２〜２４のサイズが変化した場合でも、簡単に対応することができる。

また、カッタヘッド基部２１の径方向に対する第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の配置が前記［数式１］と［数式２］の関係を満たしていれば、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４それぞれの個数や、カッタヘッド基部２１の周方向に対する第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の配置は、全く限定されるものではない。

（打撃刃部２２ｂ〜２４ｂのピッチ）
第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂのピッチＰは、
カッタヘッド基部２１の中心Ｏからの距離をＲとしたとき、
２πＲ／Ｐ＝自然数 …［数式３］
という関係が成立するように決定されている。

そのため、カッタヘッド基部２１がいくら回転しても、打撃刃部２２ｂ〜２４ｂは、図６に示すように、掘削面Ｓの抉れ部Ｄ（後述する）に入り込むことになる。これにより、既設管ＯＰの同一部位が打撃刃部２２ｂ〜２４ｂによって繰り返し打撃されることになり、そこに存在する鉄筋Ｗ１が効率良く切断される。

（推進工法の作業工程）
先ず、既設管ＯＰ内にコンクリートＣが充填される。そして、既設管ＯＰ内に充填されたコンクリートＣが硬化したら、掘進機の推進が開始され、既設管ＯＰ及びその内部に充填されたコンクリートＣが破砕される。

図５は同実施形態に係るカッタヘッド１２により形成された掘削面Ｓの平面図、図６は同実施形態に係るカッタヘッド１２により打壊される既設管ＯＰの断面図である。

図５と図６を見ると、掘進機により形成される掘削面Ｓは、周方向に対して断面形状が波型となっていて、第１〜第３の領域Ｓ１〜Ｓ３で構成されていることがわかる。これら第１の領域Ｓ１〜第３の領域Ｓ３は、それぞれ第１のギアカッタ２２〜第３のギアカッタ２４によって形成された領域である。

ところで、本実施形態では、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４が前記［数式１］と［数式２］の関係を満たしている。そのため、第１〜第３の領域Ｓ１〜Ｓ３は、互いに重なり合う部分の無い独立した領域となっている。

これにより、既設管ＯＰが存在する第２の領域Ｓ２は、第１のギアカッタ２２や第３のギアカッタ２４によって破壊されることがない。したがって、既設管ＯＰに埋め込まれた鉄筋Ｗ１が第１、第３のギアカッタ２２、２４からの影響を受けて移動・変形することがない。その結果、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂは、既設管ＯＰの鉄筋Ｗ１の同一部分を繰り返し打撃して、当該鉄筋Ｗ１を効率良く切断することが可能となる。

なお、既設管ＯＰの軸心方向に沿って配設されている鉄筋Ｗ２は、推進工程の途中で既設管ＯＰの端面から突出しても、ギアカッタの回転によって即座に既設管ＯＰの周方向に寝かされるから、結局、既設管ＯＰの周方向に配設された鉄筋Ｗ１と同様に効率良く切断される。

そして、計画していた既設管ＯＰの破壊が完了したら、掘進機１０が撤去されて、推進工程が終了となる。

（本実施形態による作用）
本実施形態において、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂのピッチＰは、カッタヘッド基部２１の中心からの距離をＲとしたとき、２πＲ／Ｐ＝自然数という関係が成立するように決定されている。

そのため、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂは、カッタヘッド基部２１の回転量によらず、必ず掘削面Ｓの抉れ部Ｄに入り込む。これにより、既設管ＯＰの同一部位が打撃刃部２２ｂによって繰り返し打撃されることになるから、そこに存在する鉄筋Ｗ１、Ｗ２は効率良く切断される。

また、本実施形態において、カッタヘッド基部２１の径方向に対する第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の配置は、以下のように決定されている。即ち、カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第１のギアカッタ２２の打撃刃部２２ｂにおけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏから最も離間した縁部までの距離をＬ１、カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏに最も接近した縁部までの距離をＬ２、カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏから最も離間した縁部までの距離をＬ３、カッタヘッド基部２１の中心Ｏを基準とした、第３のギアカッタ２４の打撃刃部２４ｂの刃先部におけるカッタヘッド基部２１の中心Ｏに最も接近した縁部までの距離をＬ４としたとき、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の配置は、Ｌ１≦Ｌ２、Ｌ３≦Ｌ４という関係が成り立つように決定される。

これにより、第２のギアカッタ２３によって形成された第２の領域Ｓ２の波型形状は、第１、第３のギアカッタ２２、２４によって破壊されることがない。したがって、既設管ＯＰに埋め込まれている鉄筋Ｗ１、Ｗ２は、第１、第３のギアカッタ２２、２４の影響を受けて移動・変形することがない。その結果、第２のギアカッタ２３の打撃刃部２３ｂは、鉄筋Ｗ１、Ｗ２の同一部分を繰り返し打撃して、当該鉄筋Ｗ１、Ｗ２を効率良く切断することが可能となる。

また、本実施形態において、打撃刃部２２ｂ〜２４ｂの刃先部の端部は、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４が［数式１］と［数式２］の関係を満足するように、それぞれ斜めに切り欠かれている。換言すれば、刃先部の端部を切り欠くだけで、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４が［数式１］と［数式２］を満足することになる。そのため、掘進機１０の外径に応じて第１〜第３のギアカッタ２２〜２４のサイズが変化した場合でも、簡単に対応することができる。

また、本実施形態において、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂは、比較的鈍く形成されている。そのため、打撃刃部２２ｂ〜２４ｂの刃こぼれが低減され、結果として、ギアカッタ２２〜２４の長期使用が可能となり、施工コストが低減する。さらに、掘進機１０の推進に伴って打撃刃部２２ｂ〜２４ｂが磨耗しても、磨耗前と同等な効果が得られる。

なお、従来から存在する掘進機のカッタヘッドの中には、ギアカッタの打撃刃部のピッチＰが前記［数式３］の関係を満たしていなくても、ギアカッタの打撃刃部を既設管の同一部分に当てることが可能なものがある。しかしながら、これは既設管やその内部に充填されたコンクリートが非常に硬いために、ギアカッタの動きが強制的に掘削面の波型形状に追従してしまった結果である。

このようにギアカッタの動きが強制的に掘削面の波型形状に追従してしまうと、駆動装置に対して極めて大きな負荷がかかり、駆動装置の故障の原因となる。しかしながら、本実施形態によれば、ギアカッタの打撃刃部のピッチＰが前記［数式３］の関係を満たしているため、第１〜第３のギアカッタ２２〜２４の打撃刃部２２ｂ〜２４ｂが自然に掘削面Ｓの波型形状に倣うことになり、駆動装置に対する負荷が低減される。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の一実施形態に係る掘進機の概略図。 同実施形態に係るカッタヘッドの正面図。 同実施形態に係るカッタヘッドの側面図。 同実施形態に係る第１〜第３のギアカッタの位置関係を示す説明図。 同実施形態に係るカッタヘッドにより形成された掘削面の平面図。 同実施形態に係るカッタヘッドにより打壊される鉄筋コンクリート管の断面図。

符号の説明

１１…推進機本体、２１…カッタヘッド基部、２２〜２４…第１〜第３のギアカッタ、２２ａ〜２４ａ…第１〜第３のギアカッタ基部、２２ｂ〜２４ｂ…打撃刃部、ＯＰ…既設管、ＮＰ…新設管、Ｗ１…鉄筋、Ｗ２…鉄筋。

Claims (3)

1. 掘進機に搭載されて、鉄筋コンクリート管の破壊に使用されるカッタヘッドにおいて、
   前記掘進機の軸心を中心に回転するカッタヘッド基部と、
   前記カッタヘッド基部の前面に対向配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する中心軸の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、当該中心軸を中心に回転する直円錐台もしくは円柱からなるギアカッタ基部と、前記ギアカッタ基部の外周面に配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する刃先の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、前記ギアカッタ基部の回転に伴って前記鉄筋コンクリート管を打壊する複数の打撃刃部とで構成されるギアカッタとを備え、
   前記ギアカッタは、前記カッタヘッド基部の中心からの距離をＲとし、前記ギアカッタ基部の周方向に対する前記複数の打撃刃部のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となるように形成され、このギアカッタは、該カッタヘッドの前方に、周方向に対して波型の断面形状を有する掘削面を形成するとともに、前記ギアカッタの打撃刃部は、前記カッタヘッド基部の回転量によらず、前記波型の掘削面の抉れ部に必ず入り込むことを特徴とするカッタヘッド。
2. 請求項１の記載において、
   前記ギアカッタを複数備え、この複数のギアカッタは、前記カッタヘッド基部の径方向の互いに異なる位置に搭載されており、
   前記複数のギアカッタは、この複数のギアカッタによってそれぞれ形成される波型の断面形状が互いに独立した領域に形成されるように、互いに離れて配置されていることを特徴とするカッタヘッド。
3. 掘進機に搭載されて、鉄筋コンクリート管の破壊に使用されるカッタヘッドにおいて、
   前記掘進機の軸心を中心に回転するカッタヘッド基部と、
   前記カッタヘッド基部の前面に対向配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する中心軸の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、当該中心軸を中心に回転する直円錐台もしくは円柱からなるギアカッタ基部と、前記ギアカッタ基部の外周面に配置され、前記カッタヘッド基部の前面に対する刃先の投影が前記カッタヘッド基部の径方向に沿っていて、前記ギアカッタ基部の回転に伴って前記鉄筋コンクリート管を打壊する複数の打撃刃部とで構成される複数のギアカッタとを備え、
   これらギアカッタのうち、前記カッタヘッド基部の中心からの距離がｎ番目であるギアカッタを第ｎのギアカッタ、前記カッタヘッド基部の中心からの距離がｎ＋１番目であるギアカッタを第ｎ＋１のギアカッタとすれば、
   前記カッタヘッド基部の中心を基準とした、前記第ｎのギアカッタの打撃刃部の刃先における前記カッタヘッド基部の中心から最も離間した部位までの距離をＬｎ、
   前記カッタヘッド基部の中心を基準とした、前記第ｎ＋１のギアカッタの打撃刃部の刃先における前記カッタヘッド基部の中心に最も接近した部位までの距離をＬｎ＋１としたときに、Ｌｎ≦Ｌｎ＋１が成立し、
   前記複数のギアカッタは、該カッタヘッドの前方の掘削面に、周方向に対して波型の断面形状をそれぞれ刻むものであり、
   前記第ｎ＋１のギアカッタは、前記第ｎのギアカッタが刻む波型形状を破壊しないように、前記第ｎのギアカッタが打撃する領域に重ならない領域を打撃するとともに、この第ｎ＋１のギアカッタは、前記第ｎのギアカッタが打撃する領域に重ならない領域に波型形状を刻むことを特徴とするカッタヘッド。

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