JP4765707B2

JP4765707B2 - カッタヘッド

Info

Publication number: JP4765707B2
Application number: JP2006080534A
Authority: JP
Inventors: 敬南; 章治新宅; 克美門田; 芳人中島; 千代平佐藤
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007255048A

Description

本発明は、主としてシールド掘進機に装備されて切羽を掘削するカッタヘッドに関するものである。

近時、特に都市部においては、シールド掘進機を用いた地中掘削工事がしばしば行われている。かかる地中掘削工事の計画路線をシールド掘進機にて掘進中に、鉄筋コンクリート製の杭や鋼矢板等の地中障害物に遭遇する場合がある。このような場合において、その地中障害物を円滑に排出処理できる程度の破片とすることのできるシールド掘進機の障害物切削装置が、例えば特許文献１にて提案されている。

特開平８−３１９７９８号公報

前記特許文献１に係るシールド掘進機の障害物切削装置において、シールド掘進機は、掘進機本体の前部に回転自在に支承されるカッタヘッドと、このカッタヘッドと掘進機本体との間に区画形成されるチャンバーと、このチャンバーに土砂取込口を臨ませて掘進機本体内に配備されるスクリューコンベヤ等よりなる排土装置とを備え、前記カッタヘッドにより切羽を切削し、切削された土砂等を前記チャンバーおよび排土装置を介して掘進機本体の後方側に排出するように構成されている。

この特許文献１に係る障害物切削装置においては、図８に示されるように、カッタヘッド回転中心線回りに回転駆動されるカッタヘッド１０１に半径方向に間隔を存して複数の切削ビット１０２が配置され、これら切削ビット１０２により、鉄筋コンクリート製の杭や鋼矢板等の地中障害物１０３に複数の溝（切り込み）１０３ａを刻み付けることができるようになっている。ここで、前記複数の切削ビット１０２の先端位置は同一高さとされているため、言い換えれば前記複数の切削ビット１０２の先端の回転軌跡をつなぐ包絡面は掘進方向に対し直角を成して切羽と対向する垂直面を呈するようにされているため、それら切削ビット１０２によって地中障害物１０３に刻み付けられる複数の切り込み１０３ａの深さは全て同じである。なお、カッタヘッド１０１には、前記複数の切削ビット１０２の他に、掘削ビットおよび保護ビットがそれぞれ複数配置されているが、説明の都合上、図８においてそれらビットは図示省略されている。

この特許文献１に係る障害物切削装置によれば、複数の切削ビット１０２によって地中障害物１０３に複数の切り込み１０３ａが刻み付けられるので、かかる地中障害物１０３を小さい破片に破断することが可能となり、排土装置による排出処理が円滑に行われて地中掘削工事の安定的な施工に寄与するという効果を奏する。

今、前記地中障害物１０３が軟弱地盤の基礎工事でしばしば用いられる松杭である場合において、この松杭１０３に対して、例えば図８に示されるようにカッタヘッド１０１の上側部分による切削処理が施されると、松杭１０３には先端部（下端部）から基端部側（上端部側）に向かって複数の切削ビット１０２による複数の切り込み１０３ａがそれら切削ビット１０２の配置ピッチに応じた間隔で刻み付けられることになる。なお、松杭１０３が埋設されている地盤は、薬液注入工法により、予めその強度が増大されているものとする。

前述したように複数の切削ビット１０２の先端位置は同一とされているために、松杭１０３に刻み付けられる複数の切り込み１０３ａの切込み深さは全て同一となる。また、松杭１０３は鉄筋コンクリート製の杭や鋼矢板と比べて靭性が乏しく折れ易い。さらに、カッタヘッド１０１による切削動作が進むにつれて松杭１０３を支持する地盤が削ぎ落とされるため、かかる地盤による松杭１０３への支持力が切削動作の進行に伴い弱くなる。これらのことから、複数の切削ビット１０２によって松杭１０３に刻み付けられる複数の切り込み１０３ａの切込み深さがある深さ位置（例えば、松杭１０３の直径が約２００ｍｍである場合、切込み深さが１５０ｍｍ）まで進行した際に、松杭１０３に刻み付けられた複数の切り込み１０３ａのうち応力が最も集中する最上位（図８中記号Ａ矢印部分）あるいはその近傍に位置する切り込み部分で松杭１０３が折れてしまい、大きな破片の状態で地盤から剥がれ落ちてしまうことになる。大きな破片の状態では排土装置内に取り込むことができないため、排出処理を円滑に行うことができない。したがって、前記特許文献１に係るシールド掘進機の障害物切削装置では、地中障害物が松杭である場合に、地中掘削工事を安定的に施工することができないという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、地中障害物が松杭である場合においてもその松杭を小破片に確実に切断することのできるカッタヘッドを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるカッタヘッドは、
掘進機本体の前部に揺動自在または回転自在に支承されるカッタヘッド本体と、このカッタヘッド本体の揺動運動または回転運動に伴う揺動軌跡または回転軌跡の半径が異なるようにそのカッタヘッド本体に配置されて切羽を切削する複数のビットとを備えるカッタヘッドにおいて、
前記複数のビットの先端の揺動軌跡または回転軌跡をつなぐビット包絡面の形状は、前記掘進機本体側に傾斜させて切羽に臨ませた傾斜面を有する複数の凸部が前記カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に配置されたような形状であり、かつそれら凸部の先端をつなぐ凸部包絡面の形状が、前記カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に進むに従って前記掘進機本体側に傾斜するような形状であることを特徴とするものである。

本発明によれば、カッタヘッド本体に配置される複数のビットの先端の揺動軌跡または回転軌跡をつなぐビット包絡面における複数の凸部の先端をつなぐ凸部包絡面の形状が、カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に進むに従って掘進機本体側に傾斜するような形状とされるので、地中障害物としての松杭に対しそれらビットによる切削動作が行われると、当該松杭は先端側（下端側）の部位から切削されることになる。この際、かかる松杭における切削対象部分の地盤に保持される領域を先端側（下端側）の部位に比して基端側（上端側）の部位を常に広く保った状態で切削動作が行われるので、松杭を折損させることなく切削対象部分を地盤に安定的に保持させた状態で切削動作が実施される。したがって、地中障害物としての松杭を小破片に確実に切断することができ、地中掘削工事を安定的に施工することができる。

さらに、本発明によれば、ビット包絡面における複数の凸部の先端に対応する複数のビットによってそれら凸部の先端の間隔に応じた間隔で松杭に切り込みがその他のビットによる切り込みに先行して刻み付けられるので、万一松杭が切削途中で折損されてその折損部分が地盤から剥がれ落ちてしまった場合でも、切羽とカッタヘッドとの間で揉まれているうちに、かかる折損部分が小分割されるという効果を奏する。

また、本発明によれば、ビット包絡面に起伏を設けながらその全体を掘進機本体側に傾斜させるようにされているので、言い換えればビット包絡面を側方視略鋸歯状としてその全体を掘進機本体側に傾斜させるようにされているので、カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に同じ個数のビットを同ピッチで一定の段差を設けて配列した場合と比べて、カッタヘッド本体中央部寄りのビット最大高さ寸法（カッタヘッド本体からのビット最大突出長さ寸法）を短く抑えることができる。したがって、本発明は比較的径の大きなカッタヘッドに適用されて好適であると言える。

なお、本発明においては、凸部包絡面が掘進機本体側に傾斜されるとともに、ビット包絡面における各凸部の切羽に臨ませた面がやはり掘進機本体側に傾斜されているため、複数のビットにより構築されるカッタヘッド刃先を全体的にも部分的にも松杭に対し斜めにあてがって切削が行われるので、切り込み時の切削抵抗をより抑えることができて、切削動作がより円滑に行われるという効果がある。

次に、本発明によるカッタヘッドの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、シールド掘進機に装備されて切羽を掘削するカッタヘッドに本発明が適用された例である。

図１には、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の縦断面図が示されている。また、図２には、同シールド掘進機の正面図（ａ）および（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図（ｂ）がそれぞれ示されている。

図１に示されるシールド掘進機１においては、掘進機本体２としての胴部が前胴３と後胴４とに分割形成され、前胴３の前部にカッタヘッド５が回転駆動機構６により回転可能に取り付けられている。前記前胴３と後胴４との嵌合部は複数個のアーティキュレートジャッキ７にて連結され、このアーティキュレートジャッキ７を選択的に伸縮させることで、後胴４に対して前胴３が屈曲できるようにされている。前記後胴４の外周部には複数個のシールドジャッキ８が設けられ、これらシールドジャッキ８を伸長させてその先端部をセグメント９の前端面に当接させることで掘進機本体２が前進されるようになっている。また、前記前胴３にはバルクヘッド１０により仕切られた土砂取り込み空間としてのチャンバー１１が設けられ、カッタヘッド５の回転により掘削された土砂等がそのチャンバー１１内に取り込まれるようにされ、このチャンバー１１内に取り込まれた土砂等はそのチャンバー１１に土砂取込口を臨ませて掘進機本体２内に配備されるスクリューコンベヤ１２にて後方へ搬出されるようになっている。なお、ここで、スクリューコンベヤ１２としては、例えば、スクリュー径×スクリューピッチがφ７２０ｍｍ×ｐ７５０ｍｍの仕様のものが用いられる。

前記カッタヘッド５は、前胴３の前部に支承されるカッタヘッド本体５ａを備え、このカッタヘッド本体５ａは、図２に示されるように、互いに隣接するスポーク同士の成す角度が直角になるように配置される４本のスポーク１５，１６，１７，１８が外周輪１９にて接続されてなり、各スポーク１５，１６，１７，１８の前面は掘進方向に対し略直角を成して切羽と対向する垂直面を呈するようにされている。ここで、各スポーク１５，１６，１７，１８の前面には先行ビット２０およびティースビット（「ツールビット」とも称される。）２１がそれぞれ所要個数だけ設けられ、また外周輪１９には外周ビット２２が所要個数だけ設けられ、更にカッタヘッド本体５ａの中央部にはセンタビット２３が設けられ、これら各ビット２０，２１，２２，２３により切羽が掘削されるようになっている。

次に、カッタヘッド５に装備される先行ビット２０およびティースビット２１の詳細配置について説明する。

前記各スポーク１５，１６，１７，１８においては、図３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、その中央部に所要個数（本例では６個）の先行ビット２０が長手方向（カッタヘッド５の半径方向、図３において上下方向）に所定間隔を存して配置されるとともに、その両側部に所要個数（本例では２×６個で計１２個）のティースビット２１がやはり長手方向に所定間隔を存して配置されている。

本実施形態のカッタヘッド５では、カッタヘッド本体５ａにおける４本のスポーク１５，１６，１７，１８に配置される全ての先行ビット２０およびティースビット２１を側方視で重ね合わせた状態を表わす図３（ｅ）において、先行ビット２０は、図４に示されるように、所定ピッチＰ２（例えば、１００ｍｍ）で配置されている。また、図３（ｅ）において、例えば、先行ビット２０およびティースビット２１が配置される領域を等間隔（例えば、４００ｍｍピッチ）で図に示されるように、第１区間２７、第２区間２８、第３区間２９、第４区間３０、第５区間３１および第６区間３２の計６区間に分けた場合、代表として第１区間２７においては、図４に示されるように、カッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに進むに従って先行ビット２０の先端位置が掘進機本体２側に後退するように配されて、隣り合う先行ビット２０の間に所定の段差Ｄ３（例えば、２０ｍｍ）が設けられ、先行ビット２０のカッタヘッド５ａからの最高突出長さ寸法と最低突出長さ寸法との差Ｄ４が所定値（本例では６０ｍｍ）になるようにされている（第２区間２８〜第６区間３２の各区間についても同様）。また、第１区間２７〜第６区間３２において、隣接する区間（例えば、第１区間２７と第２区間２８）のうち、カッタヘッド本体中央部側の区間（第２区間２８）における先行ビット２０の最先端位置に対して、カッタヘッド本体外方側の区間（第１区間２７）における先行ビット２０の最先端位置が、図４に示されるように、掘進機本体２側に後退するように配されて、前者の最先端位置と後者の最先端位置との間に所定の段差Ｄ５（例えば、２０ｍｍ）が設けられている（その他の隣接する区間同士の関係についても同様）。さらに、図３（ｅ）において、隣り合う先行ビット２０の間を塞ぐようにティースビット２１が配置されており、その隣り合う先行ビット２０のうちカッタヘッド本体中央部側の先行ビット２０の先端位置に対して、当該ティースビット２１の先端位置が、図４に示されように、掘進機本体２側に後退するように配されて、前者の先端位置と後者の先端位置との間に所定の段差Ｄ６（例えば、５０ｍｍ）が設けられている。

なお、第１区間２７〜第６区間３２において、隣接する区間の先行ビット最先端位置の間隔Ｐ３（図４参照）は４００ｍｍとされ、前記スクリューコンベヤ１２の特にスクリューピッチ（本例では７５０ｍｍ）よりも十分に小さく設定されている。こうすると、各区間２７，２８，２９，３０，３１，３２において刃先が最前線に位置する先行ビット２０（例えば、図６中Ａ，Ｂ，Ｃの各記号が付された各矢印にて示される先行ビット２０を参照）によって地中障害物としての松杭２６に４００ｍｍピッチでより深い切り込みが刻み付けられるので、万一松杭２６が切削途中で折損されてその折損部分が地盤から剥がれ落ちてしまった場合でも、切羽とカッタヘッド５との間で揉まれているうちに、かかる折損部分が、スクリューコンベヤ１２により機内に取込可能な大きさに小分割されて円滑に排出処理されることになる。

以上に述べたようなビット配置とされるカッタヘッド５においては、カッタヘッド本体５ａが回転駆動された際に、４本のスポーク１５，１６，１７，１８に配置される全ての先行ビット２０およびティースビット２１の回転軌跡の半径は異なるものとなる。そして、４本のスポーク１５，１６，１７，１８に配置される全ての先行ビット２０の先端の回転軌跡をつなぐビット包絡面３３の形状は、図５（ａ）に示されるように、掘進機本体２側に傾斜させて切羽に臨ませた傾斜面を有する複数の凸部３３ａ〜３３ｆがカッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに配置されたような形状であり、かつそれら凸部３３ａ〜３３ｆの先端をつなぐ凸部包絡面３４の形状が、カッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに進むに従って掘進機本体２側に傾斜するような形状となる。一方、４本のスポーク１５，１６，１７，１８に配置される全てのティースビット２１の先端の回転軌跡をつなぐビット包絡面３５の形状も、図５（ｂ）に示されるように、掘進機本体２側に傾斜させて切羽に臨ませた傾斜面を有する複数の凸部３５ａ〜３５ｆがカッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに配置されたような形状であり、かつそれら凸部３５ａ〜３５ｆの先端をつなぐ凸部包絡面３６の形状が、カッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに進むに従って掘進機本体２側に傾斜するような形状となる。

なお、本実施形態のカッタヘッド５Ａでは、ビット包絡面３３に起伏を設けながらその全体を掘進機本体２側に傾斜させるようにされているので、言い換えればビット包絡面３３を側方視略鋸歯状としてその全体を掘進機本体２側に傾斜させるようにされているので、カッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに本例と同じ個数（２４個）の先行ビット２０を本例と同ピッチ（１００ｍｍ）で一定の段差（２０ｍｍ）を設けて配列した場合、つまり前記第１の実施形態におけるビット包絡面２４と同様の包絡面を成すようにそれら先行ビット２０を配設した場合と比べて、カッタヘッド本体中央部寄りのビット最大高さ寸法（カッタヘッド本体５ａからのビット最大突出長さ寸法）を短く抑えることができる（ティースビット２１についても同様）。したがって、本実施形態に係るビット配置は比較的径の大きなカッタヘッドに適用されて好適である。

次に、以上に述べたようなカッタヘッド５により、地中障害物として松杭２６に遭遇した場合において、この松杭２６に対し例えば図６に示されるようにカッタヘッド５の上側部分による切削処理が施される際の切削動作について以下に説明する。なお、松杭２６が埋設されている地盤は、薬液注入工法により、予めその強度が増大されているものとする。また、松杭２６の直径は約２００ｍｍである。

地中障害物としての松杭２６に対して、カッタヘッド本体５ａに配置される複数の先行ビット２０およびティースビット２１による切削動作が行われると、凸部包絡面３４，３６の形状がカッタヘッド本体５ａの中央部から外側に向かう方向Ｚに進むに従って掘進機本体２側に傾斜するような形状とされているので（図５（ａ）（ｂ）参照）、当該松杭２６は先端側（下端側）の部位から切削されることになる。また、隣り合う先行ビット２０の回転軌跡間をティースビット２１が通過するようにされているので、隣り合う先行ビット２０によって松杭２６に刻み付けられた切り込みの間の凸状部分２６ａがティースビット２１によって剥ぎ取られることなる。

この際、かかる松杭２６における切削対象部分の地盤に保持される領域を先端側（下端側）の部位に比して基端側（上端側）の部位を常に広く保った状態で切削動作が行われるので、松杭２６を折損させることなく切削対象部分を地盤に安定的に保持させた状態で切削動作が実施される。また、凸部包絡面３４，３６が掘進機本体２側に傾斜されるとともに、ビット包絡面３３，３５における各凸部３３ａ〜３３ｆ；３５ａ〜３５ｆの切羽に臨ませた面がやはり掘進機本体２側に傾斜されているため、複数の先行ビット２０およびティースビット２１により構築されるカッタヘッド刃先を全体的にも部分的にも松杭２６に対し斜めにあてがって切削が行われるので、切り込み時の切削抵抗をより抑えることができて、切削動作がより円滑に行われることになる。

したがって、地中障害物としての松杭２６を円滑に排出処理し得る程度の小破片に確実に切断することができ、地中掘削工事を安定的に施工することができる。なお、ビット包絡面３３における複数の凸部３３ａ〜３３ｆの先端に対応する複数の先行ビット２０（例えば、図６中Ａ，Ｂ，Ｃの各記号が付された各矢印にて示される先行ビット２０を参照）によってそれら凸部３３ａ〜３３ｆの先端の間隔に応じた間隔（本例では４００ｍｍピッチ）で松杭２６に切り込みがその他の先行ビット２０による切り込みに先行して刻み付けられるので、万一松杭２６が切削途中で折損されてその折損部分が地盤から剥がれ落ちてしまった場合でも、切羽とカッタヘッド５との間で揉まれているうちに、かかる折損部分が４００ｍｍ長さ程度に小分割され、スクリュー径×スクリューピッチがφ７２０ｍｍ×ｐ７５０ｍｍの仕様のスクリューコンベヤ１２にて円滑に排出処理される。

前記実施形態においては、スポーク数が４本のカッタヘッド本体５ａを備えてなるカッタヘッド５に本発明が適用された例を示したが、これに限定されるものではなく、それよりもスポーク数が多いカッタヘッド本体あるいはスポーク数が３本のカッタヘッド本体を備えてなるカッタヘッドに本発明を適用し得るのは言うまでもない。また、前記実施形態においては、スポーク形式のカッタヘッドに本発明が適用された例を示したが、面板形式のカッタヘッドに本発明を適用することもできる。

前記実施形態においては、回転駆動式のカッタヘッド５に本発明が適用された例を示したが、揺動駆動式のカッタヘッドに本発明を適用することもできる。この場合、前記実施形態と同様の作用効果を得るためには、４本のスポーク１５，１６，１７，１８に配置される全ての先行ビット２０／ティースビット２１の先端の揺動軌跡をつなぐ包絡面の形状が、ビット包絡面３３（図５（ａ）参照）／ビット包絡面３５（図５（ｂ）参照）と同様の形状となるようにされる。

前記実施形態においては、排土装置として土圧式のスクリューコンベヤ１２が用いられる態様例を示したが、これに限定されず、かかる排土装置として泥水式の送排泥配管によるものが用いられる態様もあり得る。

また、図７に示される異形断面シールド掘進機に装備される各カッタヘッドに本発明を適用することもできる（前記実施形態と同一または同様のものについては図に同一符号が付されている。）。この図７に示される異形断面シールド掘進機においては、略矩形断面形状のスキンプレート４０が設けられ、このスキンプレート４０の前方には、図示されない揺動機構により揺動可能な２個のカッタヘッド５Ｂ，５Ｂ′が配されている。前記カッタヘッド５Ｂ，５Ｂ′には４本（これに限定されない）のスポーク１５Ｂ，１６Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ；１５Ｂ′，１６Ｂ′，１７Ｂ′，１８Ｂ′が、互いに隣接するスポーク同士の成す角度が直角になるように配置されるとともに、内側のスポーク（隣接カッタヘッド側のスポーク）１８Ｂ，１８Ｂ′の長さが他の３本のスポーク１５Ｂ〜１７Ｂ；１５Ｂ′〜１７Ｂ′の長さより短くされ、かつそれら長さの短いスポーク１８Ｂ，１８Ｂ′の先端部同士が互いに干渉しないように配置されている。また、内側のスポーク１８Ｂ，１８Ｂ′を除く他の３本のスポーク１５Ｂ〜１７Ｂ；１５Ｂ′〜１７Ｂ′にはオーバカッタ装置が内蔵され、このオーバカッタ装置の先端部に設けられるオーバカッタ４１がそれらスポーク１５Ｂ〜１７Ｂ；１５Ｂ′〜１７Ｂ′の先端部から外方へ突出することで、外周部の地山が掘削できるようにされている。そして、前記実施形態と同様の作用効果を得るためには、カッタヘッド５Ｂ，５Ｂ′における４本のスポーク１５Ｂ，１６Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ；１５Ｂ′，１６Ｂ′，１７Ｂ′，１８Ｂ′に配置される全ての先行ビット２０／ティースビット２１の先端の揺動軌跡をつなぐ包絡面の形状が、ビット包絡面３３（図５（ａ）参照）／ビット包絡面３５（図５（ｂ）参照）と同様の形状となるようにされる。

本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の縦断面図本実施形態に係るシールド掘進機の正面図（ａ）および（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図（ｂ）本実施形態のカッタヘッドのビット配置説明図図３におけるＡ部拡大図先行ビットの包絡面形状説明図（ａ）およびティースビットの包絡面形状説明図（ｂ）松杭の切削動作説明図本発明の他の適用例に係る異形断面シールド掘進機の正面図先行技術の説明図

１シールド掘進機
２掘進機本体
５，５Ｂ，５Ｂ′ カッタヘッド
５ａカッタヘッド本体
２０先行ビット
２１ティースビット
２６松杭
３３，３５ビット包絡面
３４，３６凸部包絡面

Claims

掘進機本体の前部に揺動自在または回転自在に支承されるカッタヘッド本体と、このカッタヘッド本体の揺動運動または回転運動に伴う揺動軌跡または回転軌跡の半径が異なるようにそのカッタヘッド本体に配置されて切羽を切削する複数のビットとを備えるカッタヘッドにおいて、
前記複数のビットの先端の揺動軌跡または回転軌跡をつなぐビット包絡面の形状は、前記掘進機本体側に傾斜させて切羽に臨ませた傾斜面を有する複数の凸部が前記カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に配置されたような形状であり、かつそれら凸部の先端をつなぐ凸部包絡面の形状が、前記カッタヘッド本体の中央部から外側に向かう方向に進むに従って前記掘進機本体側に傾斜するような形状であることを特徴とするカッタヘッド。