JP5480752B2 - 切削機械および切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削機械および切削方法に関する。

既設コンクリート構造物に対して貫通孔を形成する場合や、既設トンネルの補修工事等のように、供用中の構造物に対して切削を行う場合には、所望の断面形状による切削が可能な切削機械を利用して、必要以上に既設構造物を破壊することがないように施工を行う必要がある。

特許文献１には、このような施工を行うはつり機として、はつり機本体と、はつり機本体を支持するアウトリガーと、はつり機本体の先端部に設けられた旋回アームと、旋回アームによりトンネルの円周方向に沿って移動するとともにトンネルの内壁面を切削するカッタードラムと、を備えたものが開示されている。

特開平７−４２４９６４号公報

前記従来のはつり機は、アウトリガーによりはつり機本体を床面（路面）に固定して、このはつり機本体の自重から反力をとって切削を行うものであるが、トンネルの壁面の切削時の振動等によりはつり機本体にブレが生じるおそれがあった。はつり機本体にブレが生じると、カッタードラムにもブレが生じるため、高精度な施工ができないおそれがある。

そのため、本発明は、高精度に既設構造物等に対して切削を行うことが可能な切削機械および切削方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の切削機械は、機体と、前記機体に設けられた複数のグリッパーと、前記機体に設けられたガイドフレームと、前記ガイドフレームに設けられた切削手段と、を備える切削機械であって、前記複数のグリッパーは、前記機体の全方向への移動が不能となるように先進導坑又は既設構造物に押し付けられ、前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有し、前記ガイドフレームに沿って移動可能に設けられていることを特徴としている。

かかる切削機械によれば、機体を先進導坑または既設構造物に固定することができるので、切削時のブレを抑制することを可能としている。
また、切削手段はガイドフレームに沿って移動可能であるので、正確な位置で切削を行うことができる。

前記切削機械のガイドフレームは、前記切削手段を移動可能に保持する第一ガイド部材と、前記第一ガイド部材を前記切削手段の移動方向と直交する方向で移動可能に保持する第二ガイド部材と、を備えるものであってもよいし、前記切削手段により切削を行う断面形状に沿った形状に形成されたものであってもよい。

前記ドラムが、円筒状に形成されていれば、簡易に切削面の平坦度を高く施工することができる。

前記ガイドフレームが前後方向の移動機構を備えていれば、機体の据付回数を削減することが可能となり、工期短縮化を図ることができる。

前記切削手段が傾倒機構を備えているため、切削断面形状が変化する場合でも簡易に高品質施工を実施することができる。

また、本発明の切削方法は、計画断面の外縁部を残置した状態で形成された先進導坑内において、切削機械の機体を、全方向への移動が不能となるように固定する工程と、前記切削機械に設けられた切削手段により前記先進導坑の壁面を切削する工程と、を備えており、前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有しており、前記機体に設けられたガイドフレームを介して前記外縁部に沿って移動することを特徴としている。

また、第二の切削方法は、既設構造物の内部において、切削機械の機体を、全方向への移動が不能となるように固定する工程と、前記切削機械に設けられた切削手段により前記既設構造物の内壁面を切削する工程と、を備えており、前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有しており、前記機体に設けられたガイドフレームを介して前記外縁部に沿って移動することを特徴としている。

前記切削方法において、前記既設構造物がコンクリート構造物である場合には、当該コンクリート構造物の使用材料に応じて、切削する厚みを決定するのが望ましい。

かかる切削方法によれば、切削機械の機体を先進導坑又は既設構造物内において強固に固定するため、切削手段による切削にブレが生じることを抑制することができる。
また、切削手段は、ガイドフレームを介して正確な位置での切削を行うため、高精度に施工を行うことができる。

本発明の切削機械および切削方法によれば、既設構造物等に対して高精度に切削を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態に係る切削機械を示す側面図である。 図１に示す切削機械の平面図である。 同切削機械の正面図である。 切削手段のドラムを示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、カッタービットによる切削状況を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、切削機械による切削状況を示す正面図である。 （ａ）および（ｂ）は、切削機械により変断面部の切削状況を示す側面図である。 切削機械の変形例を示す平面図である。 切削機械の他の変形例を示す正面図である。 切削機械のその他の変形例を示す側面図である。

本発明の実施の形態に係る切削機械１は、図１に示すように、機体１０と、機体１０に設けられた複数のアウトリガー２０，２０，…と、機体１０に設けられたガイドフレーム３０と、ガイドフレーム３０に設けられた切削手段４０と、を備えている。

機体１０は、切削機械１の本体部分であって、形鋼材からなる柱１１や柱１１同士を連結する連結桁１２を組み合わせることにより形成された骨組と、鋼板等の板状部材からなり骨組に固定された台座部１３と、により構成されている。なお、機体１０の構成や機体１０を構成する材料は限定されるものではない。

図１および図２に示すように、台座部１３には、油圧ユニット１４、制御盤１５、操作盤１６、やバルブスタンド１７等が配設されている。

機体１０には、上下左右にそれぞれ伸張可能に構成されたアウトリガー２０，２０，…を備えている。各アウトリガー２０の先端には、それぞれグリッパー２１が配設されている。
本実施形態では、アウトリガー２０を柱１１または連結桁１２の端部に配設したが、アウトリガー２０の設置箇所は限定されるものではない。

グリッパー２１は、アウトリガー２０を伸張させることで、天井面、底面または壁面に押し付けられて、機体１０を移動不能に固定する。
本実施形態では、機体１０の上方、下方および側方に伸張するようにアウトリガー２０を配置したが、アウトリガー２０の配置は、機体１０を移動不能に固定することが可能であれば限定されるものではない。

ガイドフレーム３０は、機体１０の前面に設けられており、切削手段４０を移動可能に保持している。なお、ガイドフレーム３０の配置は機体１０の前面に限定されるものではなく、例えば機体１０の後面や周囲に配置するなど、適宜設定することが可能である。

本実施形態のガイドフレーム３０は、図３に示すように、第一ガイド部材３１と第二ガイド部材３２，３２とを組み合わせることにより構成されている。

第一ガイド部材３１は、切削手段４０を縦方向（上下方向）で移動可能に保持する縦材であって、略垂直に設置されている。なお、第一ガイド部材３１は必ずしも垂直に設置されている必要はない。

第一ガイド部材３１は、図２に示すように、レール部３１ａと、取付部３１ｂとを備えて構成されている。
レール部３１ａは、取付部３１ｂの前面に固定されている。レール部３１ａは、取付部３１ｂよりも幅の広い板状の部材により形成されており、切削手段４０の走行レールとして機能する。なお、レール部３１ａを構成する材料や断面形状等は限定されるものではない。

取付部３１ｂは、図１に示すように、レール部３１ａの背面（機体１０側面）に形成されており、上下の第二ガイド部材３２，３２を左右方向に摺動する。取付部３１ｂの構成は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

第二ガイド部材３２，３２は、図３に示すように、第一ガイド部材３１を横方向で移動可能に保持する横材である。本実施形態の第二ガイド部材３２，３２は、第一ガイド部材３１と直交するように、略水平に配設されていて、取付部３１ｂに挿通されている。

第二ガイド部材３２は、機体１０の前面に固定されており、第一ガイド部材３１の走行レールとして機能する。第二ガイド部材３２の機体１０への固定方法は限定されるものではなく、適宜行えばよい。

第二ガイド部材３２は、機体１０に一体に固定されたフレーム受部材３３を介して機体１０に固定されているが、第二ガイド部材３２の固定方法は、これに限定されるものではない。

第二ガイド部材３２は、必ずしも水平である必要はない。また、本実施形態では、上下に２本の第二ガイド部材３２を配置することにより第一ガイド部材３１を保持するものとしたが、第二ガイド部材３２の本数は限定されるものではない。
また、本実施形態では、第二ガイド部材３２として、図１に示すように、断面視円形の鋼製部材を採用するが、第二ガイド部材３２を構成する材料は限定されるものではない。

切削手段４０は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、外周面に複数のカッタービット４２，４２，…が配設された円筒状のドラム４１（ドラム式カッターヘッド）を有している。

切削手段４０は、図１に示すように、ドラム４１を回転可能に保持する基部４３と、第一ガイド部材３１を把持する把持部４４と、基部４３と把持部４４との間に介設されたカッター姿勢調整機構４５とを備えている。

基部４３には、ドラム４１に隣接して設置されたカッター電動機４６と、カッター電動機４６の動力により回転するカッター減速機４７（図４（ａ）参照）が設置されている。
ドラム４１は、図４（ａ）に示すように、カッター減速機４７を内挿した状態で、カッター減速機４７に固定されている。ドラム４１は、カッター減速機４７を介してカッター電動機６４により付与された回転力により、ドラム４１の軸心を中心に回転する。

カッタービット４２の配置は限定されるものではないが、本実施形態では螺旋状に配置されていて、図４（ｂ）に示すように、ドラム４１を正面視した際には１５°ピッチで全周囲に配置されているとともに、図１に示すように、ドラム４１を側面視した際にはカッタービット４２の列がドラム４１の軸方向に対して傾斜するように配置する。

本実施形態では、カッタービット４２として、図５（ａ）に示すように、平ピックを採用する。平ピックは、岩盤に対し線接触するように構成されている。なお、カッタービット４２の形式は限定されるものではない。

把持部４４は、図２に示すように、断面視凹字状に形成された一対の凹状部材により、レール部３１ａの側部（取付部３１ｂから突出している部分）を把持している。
把持部４４は、図１に示すように、一対の凹状部材を上下２段備えており、レール部３１ａに遊びがない状態で係止されている。なお、レール部３１ａへの切削手段４０の取付構造は限定されるものではない。

カッター姿勢調整機構４５は、基部４３を、回転可能かつ傾倒可能に保持するものである。基部４３を回転させると、ドラム４１が旋回するので（図６（ｂ）参照）、コーナー部を切削することが可能となり、基部４３を傾倒させると、ドラム４１が傾斜するので、図７に示すように、傾斜面を切削することが可能となる。つまり、カッター姿勢調整機構４５は、ドラム４１を縦断方向で回転させるとともに断面方向で回転させる。
カッター姿勢調整機構４５は、カッター姿勢調整機構４５に隣接して配設されたカッター旋回モータ４５ａの動力により、基部４３を回転させる。

次に、切削機械１を利用した切削方法について説明する。
本実施形態では、既設のコンクリート構造物に孔を形成する場合に、本発明の切削方法を採用する場合について説明する。

まず、既設のコンクリート構造物に対して、先進導坑Ｔ_ｓを形成する。先進導坑Ｔ_ｓは、計画断面の外縁部Ｔ_ｅを残置した状態で形成する（図６（ａ）参照）。
なお、外縁部Ｔ_ｅの厚みは、コンクリート構造物を構築する際に使用したコンクリートの性状（使用材料）に応じて設定する。本実施形態では、コンクリートの粗骨材の最大粒径が１５ｃｍであったため、外縁部Ｔ_ｅの厚みを１５ｃｍに設定する。なお、外縁部Ｔ_ｅの厚みの設定方法はこれに限定されるものではない。

次に、切削機械１により外縁部Ｔ_ｅ（先進導坑の壁面）を切削する。
本実施形態の切削方法は、固定工程と、切削工程とを備えている。

固定工程は、先進導坑Ｔ_ｓ内において、機体１０を全方向への移動が不能となるように固定する工程である。

機体１０の固定は、アウトリガー２０，２０，…を伸張させて、各グリッパー２１を先進導坑Ｔ_ｓの天井面、底面および左右の壁面の押し付けることにより行う。
このとき、機体１０の位置決めは、レーザー視準等により絶対座標管理にて行う。なお、機体１０の位置決め（測量）方法は限定されるものではない。

切削工程は、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、機体１０が固定された状態で、切削手段４０により先進導坑Ｔ_ｓの外縁部Ｔ_ｅを切削する工程である。

切削手段４０は、ドラム４１を高速回転（自転）させながらガイドフレーム３０を利用して先進導坑Ｔ_ｓに沿って移動する。

より詳細に説明すると、まず、図６（ａ）に示すように、切削手段４０のドラム４１の周面を先進導坑Ｔ_ｓの壁面に当接させた状態で、ドラム４１を回転させながら（カッタービット４２により切削しながら）上方（外方向）移動させて、外縁部Ｔ_ｅに入り込ませる。

ドラム４１により、所定の厚み（外縁部）の切削が完了したら、ドラム４１を回転させながら（カッタービット４２により切削しながら）、第一ガイド部材３１を側方（図６（ａ）では左方向）に移動させる。

ドラム４１が先進導坑の角部に到達したら、第一ガイド部材３１の移動を停止させる。
さらに、図６（ｂ）に示すように、基部４３を９０°回転させることで、ドラム４１を計画断面の隅角部の形状に応じて旋回移動させつつ、外縁部Ｔ_ｅの隅角部の切削を行う。

基部４３を９０°回転させて、隅角部の切削が完了したら、基部４３の回転（ドラム４１の旋回）を停止し、切削手段４０を第一ガイド部材３１に沿って下方に移動させて、外縁部Ｔ_ｅの側方部分の切削を行う。

以下、同様に、外縁部Ｔ_ｅの下部分、側方部分、上部分の切削を順に行い、先進導坑Ｔ_ｓの全周にわたって外縁部Ｔ_ｅの切削を行う。
周方向での外縁部Ｔ_ｅの切削が完了したら、切削機械１を前方に移動させ、固定工程と切削工程とを繰り返し実施する。

なお、外縁部Ｔ_ｅ切削時の切削手段４０の移動方向（旋回方向）や、切削開始点は限定されるものではない。

以上、本実施形態の切削機械１および切削方法によれば、グリッパー２１，２１，…により、機体１０を移動不能に固定しているため、切削手段４０による切削にともない、機体１０の位置がぶれることがない。
また、切削手段４０は、ガイドフレーム３０により遊びなく保持されているため、切削手段４０自体が切削時にぶれることもない。
そのため、外縁部Ｔ_ｅの切削を高精度に実施することが可能となるため、既設構造物を削孔する場合であっても、計画通りの断面形状に形成することができる。

切削手段４０は、ガイドフレーム３０に沿って計画された形状を正確に移動するため、機体１０の位置決めを正確に行うことで、高品質に施工を行うことができる。そのため、切削時に詳細に測量を行う必要がなく、施工性に優れている。

外縁部Ｔ_ｅを残した状態で先進導坑Ｔ_ｓを形成し、切削機械１により外縁部Ｔ_ｅを切削するため、削孔の壁面に凹凸が形成されることがなく、高品質に施工を行うことができる。
また、外縁部Ｔ_ｅの厚みは、既設構造物のコンクリートの粗骨材の形状に応じて設定されているため、粗骨材が抜け落ちること等により壁面の凹凸が形成されることを防止できる。

切削手段４０として、円筒状のドラム４１を備えたドラム式カッターヘッドを採用し、ドラム４１の軸心と先進導坑のＴ_ｓの軸とを一致させた状態で切削することで、切削面の平坦性を維持することができる。そのため、削孔の壁面に凹凸が形成されることを抑制し、高精度に施工することができる。

カッタービット４２として、平ピックを採用しているため、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、切削時にチップがコンクリートに食い込むため、コンクリートを破壊するのではなく、削り取ることが可能となる。そのため、切削面に与える損傷が小さく、高品質に施工を行うことができる。

また、カッタービット４２は、切削抵抗が小さいため、切削機械１の揺動が小さく、切削精度がより向上するとともに、比較的小出力による切削が可能である。また、低振動での施工が可能となり、供用中の構造物に対する施工であっても、振動による弊害が少ない。

ガイドフレーム３０は、第一ガイド部材３１と第二ガイド部材３２とにより、切削手段４０を自由な位置に配置することができるため、切削可能な断面形状が限定されることない。
また、ガイドフレーム３０の変更や鋼材の追加により、断面変更に対応することが可能である。

切削手段４０のカッター姿勢調整機構４５が、傾倒機構４５ｂを備えているため、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、孔の断面形状が変更する場合であっても対応可能である。つまり、傾倒機構４５ｂを利用して、ドラム４１を傾斜させることで、傾斜面に沿ってドラム４１の側面を配置させて切削することができる。

機体１０に制御盤１５や油圧ユニット１４等が配置されているため、電源供給のみで切削手段４０等を作動させることが可能である。別途、油圧ユニット１４等の配置スペースを確保する必要がなく、先進導坑Ｔ_ｓ内の空間を有効に利用することができる。

機体１０の下部の空間を利用することで、切削したコンクリート片（ズリ等）の搬出や重機や車両等の通過が可能である。
切削機械１の構成が比較的簡易なため、製造コストが安価である。

カッター姿勢調整機構４５による回転角度を調節することで、隅角部の半径の変更にも対応することができる。
一種類の切削手段４０により、直線部とアール部の切削が可能なため、カッターヘッドの交換に要する手間や費用を削減することができる。

切削手段４０による切削をメカニカルに制御することができるため、制御手段に要する費用を削減することができる。
切削機械１は、操作性に優れているため、特殊な技能を要することなく、簡易に管理することができる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、既設のコンクリート構造物を削孔する場合について説明したが、本発明の施工の対象はこれに限定されるものではない。例えば、既設トンネルやボックスカルバート等の補修時における覆工コンクリート（壁面）の切削や、トンネルや既設構造物等の拡径、拡幅等に採用してもよい。
また、新設構造物（トンネル等）の壁面の仕上げ掘削に、本発明の切削機械を採用してもよい。

切削機械１は、図８に示すように、ガイドフレーム３０を前後方向に移動させる移動機構３４（例えば、ジャッキ等）を備えていてもよい。移動機構３４によりガイドフレーム３０を前方に移動させることで、機体１０の移動回数を削減し、施工時の手間の省略および工期短縮を図ることができる。

また、前記実施形態のガイドフレーム３０は、第一ガイド部材３１と第二ガイド部材３２とを組み合わせることにより、切削手段４０の位置を自由に配置する構成としたが、ガイドフレーム３０の構成は限定されるものではない。例えば、図９に示すように、ガイドフレーム３０が、切削手段４０により切削を行う断面形状に沿った形状に形成されていてもよい。これにより、切削手段４０をガイドフレーム３０に沿って移動させるのみで、所望の形状による切削を行うことが可能となる。また、第一ガイド部材３１や第二ガイド部材３２の駆動機構や制御機構を省略することで、切削機械１をより簡易な構成にすることができる。

また、ガイドフレーム３０は、例えば、円形であってもよいし、その形状は適宜設定することが可能である。また、例えば、第一ガイド部材３１が水平部材で、第二ガイド部材３２、３２が垂直部材であってもよい。

図９に示すように、ガイドフレーム３０（機体１０）の内側空間に落石防護シェルＳ等を配置すれば、供用中のトンネルを使用しつつ、覆工の切削（補修）作業を行うことができる。

また、機体１０は、図１０に示すように、車輪１８，１８，…等の移動手段を備えていてもよい。機体１０が車輪１８を備えていれば、レールＲ上等を走行させることで、切削機械の移動を簡易に行うことができる。

ドラム４１は、円筒状に限定されるものではなく、適宜形成すればよい。
また、切削機械１は、コンクリートの切削に限定されるものではなく、例えば、地山の切削に採用してもよい。

１ 切削機械
１０ 機体
２０ アウトリガー
２１ グリッパー
３０ ガイドフレーム
３１ 第一ガイド部材
３２ 第二ガイド部材
３４ 移動機構
４０ 切削手段
４１ ドラム
４２ カッタービット
４５ カッター姿勢調整機構
４５ｂ 傾倒機構
Ｔ_ｓ 先進導坑（既設構造物）
Ｔ_ｅ 外縁部

Claims (8)

1. 機体と、
   前記機体に設けられた複数のグリッパーと、
   前記機体に設けられたガイドフレームと、
   前記ガイドフレームに設けられた切削手段と、を備える切削機械であって、
   前記複数のグリッパーは、前記機体の全方向への移動が不能となるように先進導坑又は既設構造物に押し付けられ、
   前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有し、前記ガイドフレームに沿って移動可能に設けられていることを特徴とする、切削機械。
2. 前記ガイドフレームが、前記切削手段を移動可能に保持する第一ガイド部材と、
   前記第一ガイド部材を前記切削手段の移動方向と直交する方向で移動可能に保持する第二ガイド部材と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載の切削機械。
3. 前記ガイドフレームが、前記切削手段により切削を行う断面形状に沿って形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の切削機械。
4. 前記ドラムが、円筒状であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の切削機械。
5. 前記ガイドフレームを前後方向に移動させる移動機構を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の切削機械。
6. 計画断面の外縁部を残置した状態で形成された先進導坑内において、切削機械の機体を、全方向への移動が不能となるように固定する工程と、
   前記切削機械に設けられた切削手段により前記先進導坑の壁面を切削する工程と、を備える切削方法であって、
   前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有しており、前記機体に設けられたガイドフレームを介して前記外縁部に沿って移動することを特徴とする、切削方法。
7. 既設構造物の内部において、切削機械の機体を、全方向への移動が不能となるように固定する工程と、
   前記切削機械に設けられた切削手段により前記既設構造物の内壁面を切削する工程と、を備える切削方法であって、
   前記切削手段は、外周面に複数のカッタービットが配設されたドラムと、ドラムを回転可能に保持する基部と、前記基部を回転可能かつ傾倒可能に保持するカッター姿勢調整機構と、を有しており、前記機体に設けられたガイドフレームを介して前記壁面に沿って移動することを特徴とする、切削方法。
8. 前記既設構造物がコンクリート構造物である場合には、当該コンクリート構造物の使用材料に応じて、切削する厚みを決定することを特徴とする、請求項７に記載の切削方法。

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