JP5513162B2 - 掘削工具 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシングパイプ内に挿入された、先端にインナービットが取り付けられた削孔ロッドと、ケーシングパイプの先端において、インナービットともに回転するリングビットとを備えた掘削工具に関する。

比較的軟弱な地盤を対象とした地山補強先受け工、鏡補強工などのトンネル工事においては、地山の内部に地山補強用パイプであるケーシングパイプを打設し、このケーシングパイプを通して注入材を注入し、地山に浸透、定着させることで、地山補強・安定化をはかる工法が採用されている。こうして補強された地山を掘削するトンネル掘削工法においては、地山にケーシングパイプを打設するための種々の方法が提案されている。

特許文献１に開示された掘削工具では、先端に刃が取り付けられたビット本体に、削孔ロッドの先端に取り付けられた伝達部材を挿入し、係合している。伝達部材及び削孔ロッドは、ケーシングパイプに挿通されており、伝達部材がパイプを牽引するように構成されている。削孔時には、削岩機から出力された打撃、推進、回転力が、削孔ロッド、伝達部材を介してビット本体に伝達され、これによってビット本体が地山を削孔する。同時に、ビット本体及び伝達部材の前進とともに、ケーシングパイプも前進し、ケーシングパイプが地山に打設される。

特許第３７２６１７９号公報 特開２００３−３０１６８１号公報 特許第３７０９４７６号公報

また、特許文献２には、ケーシングパイプの前端部にリングビットを設け、削孔ロッドの前端部に設けられたロックビットにより地山が掘削されるとともに、リングビットにも、ロックビットに加えられる打撃力および推力が伝達され、リングビットによっても掘削が行なわれるように構成された掘削工具が提案されている。この掘削工具において、ケーシングパイプに固定されたリングビットは、削岩機の推力のみで掘削を行なうため、掘削方向に対する抵抗が非常に大きいという問題点があった。

特許文献３には、ケーシングパイプの前端部に設けられたリングビットが、インナービットの正回転に伴って回転するように構成されている。さらに、リングビットの前端には、超硬合金にて作られた、先端が尖ったビュレット形状の複数のチップが、所定の角度間隔で取り付けられている。インナービットの前端にも、同様の形状の超硬合金製チップが取り付けられている。したがって、インナービットの正回転に伴って、リングビットも正回転し、インナービットおよびリングビットに取り付けられたチップが、岩石を破砕する。

しかしながら、ケーシングパイプおよび前端部に取り付けられたリングビットは、地山中に残されてしまうため、リングビットに超硬合金などの高価なチップが取り付けられていると、掘削コストが著しく増大するという問題点があった。

本発明は、削孔効率を向上させるとともに、かつ製造コストを抑えた掘削工具を提供することを目的とする。

本発明の目的は、円筒状のケーシングパイプの前端に配置された、中空のリングビットと、前記ケーシングパイプの前端において前記ケーシングパイプと前記リングビットとの間に介在し、前記ケーシングパイプと固定され、かつ、前記リングビットを、前記ケーシングパイプの軸を中心に回転自在に支持する中空のケーシングシューと、を備えた掘削工具であって、前記ケーシングパイプ、ケーシングシューおよびリングビットの内部を、前端に地山掘削用のチップが取り付けられたインナービットが通って、前記チップが取り付けられた前端が、前記リングビットの前端から突出するように構成され、
前記リングビットの前半部の内側には円錐部が形成され、かつ、中央部および後端部の内側には、前記軸の半径方向内側突出し、前記インナービットの所定の位置に、前記軸の半径方向に形成されたキー受け溝と整合する位置に、キーが形成され、前記インナービットが軸中心に所定の第１の方向に回転したときに、前記キーが前記キー受け溝に係合し、前記インナービットの前記第１の方向の回転に伴って、前記リングビットが前記第１の方向に回転するとともに、前記インナービットが、後方に引き抜くことができない状態となるように構成され、
前記リングビットの前端部には、所定の角度間隔で、それぞれが前方に突出する突出部と、前記突出部の頂点から前記前端部の周に沿って、前記第１の方向に形成される傾斜部と、を有する複数の破砕部材が形成されたことを特徴とする掘削工具により達成される。

好ましい実施態様においては、前記リングビットの円錐部において、所定の角度間隔で、前記円錐部の後端に向けて突条が形成される。

また、好ましい実施態様においては、前記円錐部の後端に向けてらせん状に突条が形成される。

より好ましい実施態様においては、前記破砕部材の突出部から延びる突条が、他の突条よりも長く、前記円錐部の後端まで延びる。

別の好ましい実施態様においては、前記円錐部の後端に向けて、前記軸の半径方向に突条が形成される。

また、好ましい実施態様においては、前記インナービットの内部には、供給された削孔水の供給経路が形成され、かつ、供給経路の前方端に、前記インナービットの前端部の吐出口まで貫通する貫通穴が形成されるとともに、
前記インナービットの長手方向側面には、連続的に、その外径が他の部分より小さくなっている溝部が形成され、
前記溝部と、前記リングビットの中央部および後端部の内壁、並びに、ケーシングシューの内壁との間で、排泥水の排水口および排水経路が形成される。

本発明によれば、削孔効率を向上させ、かつ製造コストを抑えた掘削工具を提供することが可能となる。結果として工事における掘削コストを削減することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる掘削工具の略側断面図である。 図２は、本実施の形態にかかる掘削工具の側面図である。 図３は、本実施の形態にかかるリングビットの斜視図である。 図４は、本実施の形態にかかるリングビットの正面図である。 図５は、インナービットの側断面図である。 図６は、インナービットの側面図である。 図７（ａ）は図６のＡ−Ａ線断面図、図７（ｂ）は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図８は、本実施の形態において使用される複数のケーシングパイプの例を示す略側面図である。 図９は、本発明にかかる掘削工具の略断面図である。 図１０（ａ）は、第２の実施の形態にかかるリングビットの正面図、図１０（ｂ）は、リングビットの側面図である。 図１１（ａ）は、第１の実施のかかる突条の略断面図、図１１（ｂ）は、第２の実施の形態にかかる突条の略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態につき説明を加える。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる掘削工具の略側断面図、図２は、本実施の形態にかかる掘削工具の側面図である。なお、本明細書において、後述するチップが配置されたインナービットが地山に挿入される側を前方ないし前側と称し、その反対側、つまり、削岩機（図示せず）が配置される側を、後方或いは後側と称する。図１および図２に示すように、掘削工具１０は、リングビット１１およびケーシングシュー１２を備える。

ケーシングシュー１２の後側半部の外周には雄ネジ２１が形成され、最前部に位置するケーシングパイプ１３の前端の内周に形成された雌ネジと螺合するようになっている。ケーシングシュー１２のほぼ中央部にはフランジ２２が形成され、かつ、フランジ２２から前方にスリーブ２３が形成されている。スリーブ２３には、前半部でその内径がわずかに縮小する縮径部２４が設けられる。縮径部２４により、リングビット１１は、ケーシングシュー１２から脱落することが防止される。

リングビット１１は、その後端部３１の端面３２が、ケーシングシュー１２のスリーブ２３の前端面２５と接触可能となっている。また、リングビット１１の後端部３１の外径は、スリーブ２３の後半部２６の内径と略一致し、リングビット１１の中央部３３の外径は、スリーブ２３の縮径部２４の内径と略一致する。実際には、リングビット１１のこう端部３１および中央部３３の外径は、それぞれ、スリーブ２３の後半部２６および縮径部２４の内径よりわずかに小さい。したがって、後述するように、リングビット１１とインナービット１４とが係合した状態で、インナービット１４が所定の正回転方向に回転すると、リングビット１１もインナービット１４の回転に伴って回転することができる。

また、リングビット１１の中央部３３ないし後端部３１の内径は、ケーシングシュー１２のフランジ２２における内径と一致している。

リングビット１１の前端部３４には、外周に沿って鋸刃形状の破砕部材３５が形成される。破砕部材３５は、リングビット１１の軸に垂直な方向、つまり、半径方向に延びる直立部３６、および、外径に沿って、リングビットの外周の接線方向に対して所定の角度で傾斜する傾斜部３７を有する。傾斜部３７は、正回転方向の反対方向、つまり、逆回転方向に沿って延びている。傾斜部３７の端部は隣接する破砕部材３５の直立部３６に連なる。後述するように、インナービット１４の正回転に伴ってリングビット１１も回転し、その際に、直立部３６の面が地山と接触して、岩石を破砕および切削することになる。本実施の形態においては、直立部３６は、６０度の角度間隔で形成され、６つの破砕部材３５が、リングビット１１の前端部３４に形成される。

図３は、本実施の形態にかかるリングビットの斜視図、図４は、本実施の形態にかかるリングビットの正面図である。図３および図４に示すように、リングビット１１の前半部３８の内側にはすり鉢状の円錐部３９が形成されている。円錐部３９においては、後方に向かってその内径が小さくなり、円錐部３９の後端４２において、その内径は、中央部３３の内径と一致する。

また、円錐部３９においては、直立部３８のそれぞれを始点として、円錐部３９の後端側の頂点に向けてらせん状に、突条４０、４１が設けられている。図３および図４に示すように、本実施の形態においては、６０度の角度間隔で６つの突条が設けられる。６つの突条のうち、１８０度の角度間隔で配置されている２つの突条（符号４１参照）は、他の突条（符号４０参照）よりも長く、円錐部３９の後端４２まで延びる。図１１（ａ）は、突条４０、４１の略断面図である。図１１（ａ）において、突条４０、４１は、正回転方向の先頭に半径方向に直立する直立部７１を有するとともに、直立部７１から逆回転方向（図１１の矢印の逆方向）に沿って、一定の角度で傾斜する傾斜部７２を有する。

さらに、リングビット１１の中央部３３および後端部３１において、内周面には、１８０度の角度間隔で、半径方向内側に突出した２つのキー４３が設けられる。図４から理解できるように、キー４３は、半径方向の断面形状が矩形状である。後述するように、キー４３は、インナービット１４のキー受け溝５８と協働して、リングビット１１の係止部材を構成し、インナービット１４の正回転にともなってリングビット１１を正回転させる。

本実施の形態において、リングビットは、鋳造により一体に整形することができる。すなわち、リングビットの破砕部材３５も、他の部分と同一の材料（たとえば、鋳鉄）で作ることができる。

図５は、インナービットの側断面図、図６は、インナービットの側面図、図７（ａ）は図６のＡ−Ａ線断面図、図７（ｂ）は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。インナービット１４は、中央に掘削中に供給する削孔水の供給経路５２を有する本体５１、本体５１の最前端に取り付けられた超硬合金製のチップ５３を有する。本体５１の中空の後半部５４には、削孔ロッド（図示せず）の前端に設けられた雄ネジと螺合する雌ネジが形成されている。図５および図６から理解できるように、前半部５７の外径より後半部５４の外径が大きくなっている。

供給経路５２の前方端には、インナービット１４の外部に貫通する貫通孔５５が形成され、図６に示す吐出口５６から、削孔水がインナービット１４の外部へ吐出される。

図６、図７（ｂ）に示すように、本体５１の前半部５７の所定の位置に、１８０度の角度間隔で、長手方向に所定の長さのキー受け溝５８が形成されている。キー受け溝５８は、リングビット１１のキー４３と整合するサイズを有し、後述するように、インナービット１４が正回転するときに、その端面５９と、キー４３の一方の端面（図４の符号６０参照）とが当接し、インナービット１４の正回転に伴って、リングビット１１が正回転する。また、キー受け溝５８の端面５９と、リングビット１１のキー４３の端面６０とが当接した状態では、インナービット１４の前後方向の動きが規制され、後方に引き抜くことが不可能となる。

また、図５から理解できるように、インナービット１４の前半部５７と後半部５４とは外径が異なり、後半部５４の外径の方が、前半部５７の外径よりも大きい。後半部５４の径を大きくすることで、インナービットの後半部の内側にある雌ネジとの干渉を避けているとともに、ケーシングシュー１２およびリングビット１１への推力伝達部６７を形成している。前半部５７には、長手方向に、その外径が他の部分より小さくなっている第１の溝部６１が形成される。また、後半部５４にも、その外径が他の部分より小さくなっている第２の溝部６２が形成される。第１の溝部６１と第２の溝部６２とは、長手方向の位置は一致しており、段部６３を経て連なっている。図１から理解できるように、第１の溝部６１、段部６３および第２の溝部６２と、リングビット１１の中央部３３および後端部３１並びにケーシングシュー１２のフランジ２２および後半部６４の内壁との間で、排水口６６および排水経路６５が形成される。排水口６６および排水経路６５により、繰り粉（リングビット１１およびインナービット１４によって破砕された岩など）および排泥水が、後方に送られる。

以下、上記構成の掘削工具の動作について説明する。掘削の際には、図８に示す複数のケーシングパイプ８０１、８０２、８０３、８０４を、各パイプ打設する毎に後端に連結させる。直列に連結されたケーシングパイプ８０１、８０２、８０３、８０４の内部には削孔ロッド（図示せず）が通り、削孔ロッドの前端にインナービット１４が取り付けられる。また、削孔ロッドの後端には、削岩機（図示せず）が取り付けられる。削岩機による打撃、回転は、削孔ロッドを介してインナービット１４にも伝達される。

図８に示すように、最前端のケーシングパイプ８０１の前端に本実施の形態にかかる切削工具１０が取り付けられる。使用の際には、前端にインナービット１４を取り付けた削孔ロッドをケーシングパイプ内に通して、インナービット１４を、ケーシングパイプ８０１の前端まで到達させる。インナービット１４が、ケーシングパイプ８０１の前端に到達した状態で、インナービット１４を正回転させると、図９に示すように、インナービット１４のキー受け溝５８の端面５９と、キー４３の一方の端面６０とが当接する。この状態で、インナービット１４の前後方向の動きが規制され、後方に引き抜くことが不可能となる。したがって、削岩機による正回転によりインナービット１４が正回転すると、それに伴って、リングビット１１も正回転する。なお、図９は、インナービット１４を、リングビット１１に取り付けたときの、図７（ｂ）と同様の位置における略断面図である。

インナービット１４が正回転することにより、インナービット１４の先端に取り付けられた超硬合金製のチップ５３により地山が掘削される。また、リングビット１１も正回転することにより、リングビット１１の破砕部材３５、特に直立部３６が、リングビット１１の正回転にともなって、地山に接触して正回転方向に地山を崩していく。また、掘削の際に、ケーシングパイプ内部に配置された削孔ロッド（図示せず）を介して、削孔水が注入され、インナービット１４の供給経路５２および貫通孔５５を経て、インナービット１４の吐出口から削孔水が吐出される。

インナービット１４のチップ５３や、リングビット１１の破砕部材３５により破砕された地山は繰り粉となり、削孔水と岩石とが混合された排泥水とともに、排水口６６から排水経路６５に送り出される。本実施の形態においては、リングビット１１の内面の円錐部３９において、直立部３８のそれぞれを始点として、円錐部３９の後端側の頂点に向けてらせん状に、突条４０、４１が設けられている。したがって、繰り粉は、上記らせん状に形成された突条４０、４１にガイドされて、排水口６６に効率よく送り込まれる。繰り粉および排泥水は、排水口６６および排水経路６５を経て、さらに、ケーシングパイプ内を通って後方に送り出される。

本実施の形態においては、リングビットの前半部３８の内側には円錐部３９が形成され、かつ、中央部３３および後端部３１の内側には、インナービット１４の軸の半径方向内側突出し、インナービット１４の所定の位置に、軸の半径方向に形成されたキー受け溝５８と整合する位置に、キー４３が形成され、インナービット１４が軸中心に所定の第１の方向（正回転方向）に回転したときに、キー４３がキー受け溝５８に係合し、インナービット１４の第１の方向の回転に伴って、リングビット１１が第１の方向に回転するとともに、インナービット１４が、後方に引き抜くことができない状態となるように構成される。また、リングビット１１の前端部３４には、所定の角度間隔で、それぞれが前方に突出する突出部（直立部）３６と、突出部（直立部）３６の頂点から前端部３４の周に沿って、第１の方向と逆方向に沿って形成される傾斜部３７と、を有する複数の破砕部材３５が形成される。

リングビット１１が第１の方向（正回転方向）に回転することにより、破砕部材３５の直立部３６が、地山に接触して、地山を破砕することができる。また、リングビット１１は、破砕部材３５も含めて、鋳鉄などの材料で作ることができる。したがって、リングビット１１のコストを著しく小さくすることができ、掘削工事の後にリングビット１１を地山に残しておいても、工事コストの増大を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、リングビット１１の円錐部３９において、所定の角度間隔で、円錐部３６の後端に向けて突条４０、４１が形成される。突条４０、４１により、掘削による繰り粉や、削孔水が、適切にガイドされ、後方に移動される。同時に、突条４０、４１は円錐部３９に取り込まれた繰り粉をさらに細かく破砕する役目も併せ持ち、排水口６６への排泥水の取り込みが容易となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態にかかるリングビット１１においては、円錐部３９にらせん状の突状４０、４１が形成されていた。第２の実施の形態においては、突条が半径方向に放射状に形成される。図１０（ａ）は、第２の実施の形態にかかるリングビットの正面図、図１０（ｂ）は、リングビットの側面図である。図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、リングビット１１１の前端部１３４には、外周に沿って鋸刃形状の破砕部材１３５が形成される。破砕部材１３５は、リングビット１１１の径に垂直な方向に延びる直立部１３６、および、外径に沿って、前記リングビットの周方向に対して所定の角度で傾斜する傾斜部１３７を有する。傾斜部１３７の端部は隣接する破砕部材１３５の直立部１３６に連なる。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、直立部１３６は、６０度の角度間隔で配置され、６つの破砕部材１３５が形成されている。

また、リングビット１１１の前半部１３８の内側にはすり鉢状の円錐部１３９が形成されている。円錐部１３９には、２０度の角度間隔で、半径方向に突条１４０が形成される。突条１４０は、それぞれ、円錐部１３９の後端まで延びる。図１１（ｂ）は、第２の実施の形態にかかる突条１４０の略断面図である。図１１（ｂ）に示すように、本実施の形態においては、突条１４０は、断面において両側に傾斜部１７１、１７２を有し、双方の傾斜部における傾斜は略等しくなっている。また、第１の実施の形態と同様に、第２の実施の形態においても、リングビット１１１の中央部および後端部において、内周面には、１８０度の角度間隔で、半径方向内側に突出した２つのキー１４３が設けられる。

第２の実施の形態においても、インナービット１４が挿入されて、インナービット１４が正回転されると、リングビット１１１のキー１４３の端面と、インナービット１４のキー受け溝５８の端面とが当接しインナービット１４の正回転に伴って、リングビット１１１が正回転する。また、キー受け溝５８の端面と、リングビット１１１のキー１４３の端面とが当接した状態では、インナービット１４の前後方向の動きが規制され、後方に引き抜くことが不可能となる。

インナービット１４が正回転すると、リングビット１１１も正回転し、インナービット１４のチップ５３およびリングビット１１１の破砕部材１３５により、地山が破砕される。インナービット１４のチップ５３や、リングビット１１１の破砕部材１３５により破砕された地山は繰り粉となり、削孔水と岩石とが混合された排泥水とともに、排水口６６から排水経路６５に送り出される。本実施の形態においては、リングビット１１１の内面の円錐部１３９において、前端部１３８から円錐部１３９の後端部に向けて半径方向に突条１４０が設けられている。したがって、繰り粉は、突条１４０にガイドされて、排水口６６に効率よく送り込まれる。同時に、突条１４０により繰り粉はさらに細かく破砕される。繰り粉および排泥水は、排水口６６および排水経路６５を経て、さらに、ケーシングパイプに設けられた排水経路（図示せず）を通って後方に送り出される。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

前記実施の形態においては、インナービット１４の後半部５４の外径の方が、前半部５７の内径よりも大きく、前半部５７には、長手方向に、その外径が他の部分より小さくなっている第１の溝部６１が形成され、後半部５４には、その外径が他の部分より小さくなっている第２の溝部６２が形成され、第１の溝部と第２の溝部とは、長手方向の位置が一致し、段部６３を経て連なる構造となっている。しかしながら、インナービットは上述したように前半部と後半部とで外径が一致するような構成としても良いことは言うまでもない。

１０ 掘削工具
１１ リングビット
１２ ケーシングシュー
１３ ケーシングパイプ
１４ インナービット
２２ フランジ
２３ スリーブ
２４ 縮径部
２５ スリーブの前端面
３１ 後端部
３３ 中央部
３４ 前端部
３５ 破砕部材
３６ 直立部
３７ 傾斜部
３８ 前半部
３９ 円錐部
４０、４１ 突条
４２ 円錐部の後端
４３ キー
６０ キーの端面
５１ 本体
５２ 削孔水の供給経路
５３ チップ
５４ 後半部
５５ 貫通孔
５６ 吐出口
５７ 前半部
５８ キー受け溝
５９ キー受け溝の端面
６１ 第１の溝部
６２ 第２の溝部
６３ 段部
６５ 排水経路
６６ 排水口

Claims (5)

1. 円筒状のケーシングパイプの前端に配置された、中空のリングビットと、前記ケーシングパイプの前端において前記ケーシングパイプと前記リングビットとの間に介在し、前記ケーシングパイプと固定され、かつ、前記リングビットを、前記ケーシングパイプの軸を中心に回転自在に支持する中空のケーシングシューと、を備えた掘削工具であって、前記ケーシングパイプ、ケーシングシューおよびリングビットの内部を、前端に地山掘削用のチップが取り付けられたインナービットが通って、前記チップが取り付けられた前端が、前記リングビットの前端から突出するように構成され、
   前記リングビットの前半部の内側には円錐部が形成され、かつ、中央部および後端部の内側には、前記軸の半径方向内側に突出し、前記インナービットの所定の位置に、前記軸の半径方向に形成されたキー受け溝と整合する位置に、キーが形成され、前記インナービットが軸中心に所定の第１の方向に回転したときに、前記キーが前記キー受け溝に係合し、前記インナービットの前記第１の方向の回転に伴って、前記リングビットが前記第１の方向に回転するとともに、前記インナービットが、後方に引き抜くことができない状態となるように構成され、
   前記リングビットの前端部には、所定の角度間隔で、それぞれが前方に突出する突出部と、前記突出部の頂点から前記前端部の周に沿って、前記第１の方向と逆方向に沿って形成される傾斜部と、を有する複数の破砕部材が形成され、
   前記リングビットの円錐部において、所定の角度間隔で、前記円錐部の後端に向けて突条が形成されることを特徴とする掘削工具。
2. 前記円錐部の後端に向けてらせん条に突条が形成されることを特徴とする請求項１に記載の掘削工具。
3. 前記破砕部材の突出部から延びる突条が、他の突条よりも長く、前記円錐部の後端まで延びることを特徴とする請求項２に記載の掘削工具。
4. 前記円錐部の後端に向けて、前記軸の半径方向に突条が形成されることを特徴とする請求項１に記載の掘削工具。
5. 前記インナービットの内部には、供給された削孔水の供給経路が形成され、かつ、供給経路の前方端に、前記インナービットの前端部の吐出口まで貫通する貫通穴が形成されるとともに、
   前記インナービットの長手方向側面には、連続的にその外径が他の部分より小さくなっている溝部が形成され、
   前記溝部と、前記リングビットの中央部および後端部の内壁、並びに、ケーシングシューの内壁との間で、排泥水の排水口および排水経路が形成されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の掘削工具。

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