JP5596696B2 - 地盤を浚渫するためのカッタヘッド、およびこのカッタヘッドを用いた浚渫方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、カッタサクション浚渫船の梯子への取り付けに適し、かつ、横方向に掃地運動しながら梯子とともに地盤上を移動するのに適した、水中で地盤を浚渫するためのカッタヘッドに関する。

このようなカッタヘッド（カッタとも称される）は、例えばオランダ国特許出願公開第９２００３６８号明細書によって公知である。この特許文献には、地盤に貫入するための複数の刃具を外周面に沿って有し、駆動手段によって回転軸を中心として回動可能な、回転対称性を有する回動体の形態のカッタヘッドが記載されている。カッタヘッドは、軟化した地盤を排出するためのサクション管に接続される。この公知の回動体は円錐形状を有し、２つの円形の端部間で延びる複数の螺旋形リブを備えている。螺旋形リブは刃具を有する。公知のカッタヘッドの回転軸は、カッタヘッドが取り付けられる梯子の長手方向に対してほぼ平行に延びる。同様のカッタ浚渫船が日本国実用新案公開第６１１１２０６５号明細書に開示されている。

上記カッタヘッドは、カッタサクション浚渫船（カッタ浚渫船とも称される）と組み合わせて利用される。このようなカッタサクション浚渫船は、スパッドポストを利用して地盤に繋留された船舶を備えている。この繋留によって、浚渫中に発生する一般にかなり大きな反作用を吸収し地盤に伝達するための手段を形成する。梯子は、ここでは、カッタヘッドとカッタサクション浚渫船との間でかなりしっかりした接続を形成する。浚渫された地盤を除去できるようにするために、通常梯子には、カッタヘッドに接続されるサクション管が固定されている。梯子とサクション管とを備えたカッタヘッドは、浚渫時には、通常、一般に斜めの角度で水中に降ろされて地盤に到達する。そして、カッタヘッドは回転させられ、ウインチを用いて梯子を左舷から右舷に交互に曳航することによって、地盤の中を引っ張られる。このようにして、カッタヘッドは、地盤の中で横方向の掃地運動を生み出す。回転軸を中心としてカッタヘッドを回転させることによって、刃具は、その先端がカッタヘッド、梯子、およびサクション管の重量に押さえられて大きな力を受けて地盤に入り込む。地盤は最終的に、連続する刃具による反復的な叩きつけによって破砕されて大きな塊となる。これらの塊はサクション管によって吸い上げられて、排出される。地盤の表面全体の浚渫は、カッタサクション浚渫船を一度に所定の距離だけ移動させ、上述の掃地運動を繰り返すことによって可能になる。

刃具を過度の磨耗からある程度保護するために、上記公知のカッタヘッドの回転速度は、一般に２０〜４０回転／分に限定されている。このように限定すると、浚渫作業の効率が、特に一軸圧縮強さ（Ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ； ＵＣＳ）が高い（硬質の）地盤の場合に、不十分なことが多いという短所がある。本願において効率とは、単位時間および単位出力あたりに浚渫可能な地盤の体積を意味すると理解してよい。

本発明の目的は、地盤の表面を浚渫するために要求される出力が小さくてすむなどの長所があり、また、硬い地盤をより効率的な形態で浚渫することを技術的に可能にする、カッタサクション浚渫船に用いるためのカッタヘッドを提供することである。

本発明によれば、この目的を実現するために、カッタサクション浚渫船の梯子に取り付けられる、水中で地盤を浚渫するためのカッタヘッドが提供される。この梯子はウインチを用いて左舷から右舷に交互に曳航されるように構成される。これによって、カッタヘッドは地盤の中で横方向に掃地運動して移動する。また、カッタヘッドは、駆動手段によって回転軸を中心として回動可能な、回転対称性を有する回動体を備え、この回動体は地盤に貫入するための複数の刃具を外周面に沿って有する。カッタヘッドは、カッタヘッドの回転軸が梯子の長手方向に対してほぼ垂直に延びるように、梯子に取り付けられる。驚くべきことに、カッタヘッドの回転軸が梯子の長手方向に対してほぼ垂直（または、掃地運動の方向に対してほぼ接線方向に）に延びるという点において、効率の改善が達成される。公知のカッタヘッドは、一般に１つの回転方向に回転する。回転方向が（梯子から見て）右回りの場合、梯子およびカッタヘッドが右舷まで掃地すると、刃具は、切削側を回転軸より上にした状態で地盤に（斧のように）貫入する。これは、オーバーカッティング（ｏｖｅｒｃｕｔｔｉｎｇ）とも称される。一方で、梯子およびカッタヘッドが左舷まで掃地すると、刃具は、切削側を回転軸より下にした状態で地盤に（シャベルのように）貫入する。これは、アンダーカッティング（ｕｎｄｅｒｃｕｔｔｉｎｇ）とも称される。このように、公知のカッタヘッドは、掃地方向によって異なる方法で、したがって、掃地方向によって異なる効率で地盤を破砕する。本発明に係るカッタヘッドにはこの短所がなく、どちらの方向にも同じ方法で地盤を破砕し、したがって、同じ効率を達成するという選択肢を提供する。この結果、公知のカッタヘッドに比較して、一度の掃地動作あたりの平均的な効率が増加することが期待される。

なお、ベルギー国特許第１０１６０８５号明細書には、地盤に貫入するための複数の刃具を外周面に沿って有し、駆動手段によって回転軸を中心として回動可能な、回転対称性を有する回動体を備えたドラグヘッドが記載されている。ただし、ベルギー国特許第１０１６０８５号明細書のドラグヘッドは、トレーリングサクションホッパー浚渫船において使用され、回転軸は浚渫方向に対してつねに垂直である。

日本国特許出願公開第６２２２５６３１号明細書には、水底を掃地するドラムカッタを有するトレーリングサクションホッパー浚渫船が開示されている。ドラムカッタの回転軸は、ベルギー国特許第１０１６０８５号明細書と同様に、動作中には浚渫方向に対してつねに垂直である。

カッタヘッドの回転軸が掃地運動の方向に対してほぼ接線方向に延びているので、さらに、カッタヘッドが地盤をより良好に切削することができ、こうすることによって浚渫効率がさらに向上する。カッタヘッドの回転軸が梯子の長手方向に対してほぼ垂直に延びる（または、掃地運動の方向に対してほぼ接線方向に延びる）ということは、本発明に係るカッタヘッドの回転軸が、梯子の長手方向に対して、９０°との差がせいぜい２０％以下、より好ましくはせいぜい１０％以下、もっとも好ましくは、せいぜい５％以下の角度をなすことを意味していると理解してよい。それ以外の場合には、本発明に係るカッタヘッドの回転軸は、カッタヘッドが掃地動作中には地盤の表面に対してほぼ平行に延びる。

本発明に係るカッタヘッドを、カッタヘッドの回動体が中央の平面について対称性を有し、かつ、少なくとも両端部に刃具を備えていると、特徴付けることは好適である。こうすることによって、浚渫中にさらなる対称性が達成され、左舷に向かう掃地による浚渫と右舷へ向かう掃地による浚渫との間の一切の差異がほぼなくなる。カッタヘッドは、好ましくは、刃具が配置される球状部を両端部に有する円筒状の回動体を備えている。

本発明によれば、まったく異なる切削メカニズムが適用されるので、好ましくは、既存の刃具以外の刃具も具現化される。本発明に係るカッタヘッドに回転対称性を有する刃具（本願ではビットとも称される）を設けることは好適であり、いっそう好ましくは、回動体外周面に沿って配置されたホルダに、この刃具が嵌り込む。好ましいビットは、カッタヘッドのジャケット面上に短い間隔で設置することができるように、公知の刃具に比べて小さい。本発明に係る回転対称性を有する刃具は、好ましくは公知の刃具に比較して小さく、比較的小さな力および比較的浅い貫入深度で地盤を破砕する。カッタヘッドの外周面に配置可能な刃具の個数が比較的多いので、高い効率および高い一様性で破砕を実施できる。本実施形態のもう１つの効果として、破砕によって形成されるチップ状の地盤は、一般に、公知のカッタヘッドで生成される塊に比べて小さく、こうすることによってサクション管によって容易に吸い上げることができる。この構成によって、浚渫効率がさらに増加する。

所望であれば、複数の刃具を、カッタヘッドの外周方向に配置してもかまわない。ここでは、刃具を、回動体上に外周方向に規則的に分散配置することは好適である。こうすることによって、発生するピーク負荷が低減され、これによって、カッタヘッドが滑らかに動作するようになる。滑らかな動作は、カッタヘッドに細長い回動体を設け、刃具を回動体上にカッタヘッドの長手方向に規則的に分散して配置することによって、さらに滑らかになる。刃具用のホルダを取り外し可能にして刃具の設置について高いレベルの柔軟性を達成し、カッタヘッドの実施形態を地盤の特性の要件に合わせて単純な様態で調整できるようにすることも好適である。

本発明に係るカッタヘッドは、好ましくは、公知の刃具に比較して寸法が小さな刃具を備えている。刃具の適切な全長は、好ましくは２０ｍｍ〜４００ｍｍである。適切な横方向の寸法は、好ましくは１０ｍｍ〜１００ｍｍである。好適な一実施形態において、刃具は、ホルダの外側に突き出ている長さ（実効長さ）が１０ｍｍ〜５００ｍｍである。刃具の実効長さは、より好ましくは２０ｍｍ〜２５０ｍｍ、もっとも好ましくは５０ｍｍ〜１５０ｍｍである。公知のカッタヘッドは、動作中には、一般に地盤の表面を１つの刃具で瞬間的に叩くだけである。この結果、刃具の迅速な磨耗が発生する。なぜならば、発生するトルクによって生じる衝撃を、すべて、わずか１つの刃具によって受けなければならないからである。本発明に係るカッタヘッドは、回動体の回動面上に分散配置された複数の刃具が、その比較的小さな寸法のおかげで同時に地盤に接触可能であって、こうすることによって刃具が磨耗しにくくなるという、さらに別の長所を有する。また、同時に地盤に接触する刃具の個数をほぼ一定に保ち、こうして、浚渫中に刃具１つあたりが地盤に及ぼす力をほぼ一定に保つことができる。

さまざまな要因の中で、刃具間の距離は、刃具自身の寸法と、カッタヘッド、梯子、およびその他の部材全体の水中における重量とによって決定される。発生する曳航力も重要である。さらに、例えば地盤の持つ圧縮強さと引っ張り強さとの比などの、浚渫する地盤の性質は重要である。さらに、カッタヘッドによって効率が改善され、この場合、２つの連続する刃具間の回転方向の間隔が、最大で岩に対する刃具の貫入深度の１０倍、より好ましくは最大で刃具の貫入深度の５倍であることがわかっている。

刃具は、原則的に、カッタヘッドの長手方向（梯子の方向に対して垂直な方向）にどのように配置してもかまわない。浚渫効率をさらに増加させるためには、隣り合う刃具を、長手方向にさらに配置されている刃具に対してオフセットするように配置することが好適である。こうすることによって、より大きな作業幅がカバーできる。

本発明に係るカッタヘッドのもう１つの好適な実施形態は、カッタヘッドが、液体（好ましくは水）を高圧下で注入するための噴流パイプを備えていることを特徴とする。高圧とは、好ましくは１５００ｂａｒまで、より好ましくは２０００ｂａｒまで、もっとも好ましくは２５００ｂａｒまでの圧力を意味していると理解してよい。刃具の効率はこうすることによってさらに向上する。本発明によれば、噴流パイプは、原則的に刃具の前、刃具の後、または刃具と同じ位置に設置することができる。刃具自身に噴流パイプを設けてもかまわない。そして、このような噴流パイプは、例えば中央のボアとして具現化される。噴流パイプは、破砕された地盤部分のサクション管を介した排出、および／またはこれらの地盤部分のサイズのさらなる低減、および／またはこれらの地盤の流動化をすでに補助していてもよい。噴流パイプが、破砕されていない地盤からの軟らかい地盤層の除去を補助して、刃具が貫入しやすいより良好に規定された地盤の表面を形成することも可能である。刃具の中に設けられる噴流パイプには、高圧下にある液体がすでに部分的に形成されたクラックに貫入でき、したがって、地盤の破砕を加速できるという効果がある。こうすることによっても、刃具の磨耗が低下する可能性がある。

効果的に作業を行うためには、公知のカッタヘッドは、必ず梯子によって地盤に対して大きな力で押し付けられなければならない。この力が小さすぎると、刃具は地盤がしっかりとつかめないので、カッタヘッドは地盤の表面を動かすだけで、十分に破砕できない。高い圧力が必要とされるので、カッタヘッドとカッタサクション浚渫船との間はしっかりと接続される必要がある。したがって、公知のカッタヘッドを悪天候で使用することは不可能である。梯子は増水に起因する過度の圧力に曝される。本発明に係るカッタヘッドは動作原理が異なるので、必要な圧力はこれに比べて低い。これによって、好ましくは、バネによる接続によって梯子に接続される回動体を備えた、本発明に係るカッタヘッドを提供するという選択肢が提供される。カッタヘッドを梯子および／またはカッタサクション浚渫船に相対的にバネ式設置することによって、増水によって引き起こされ得る鉛直および／または水平方向のカッタサクション浚渫船の位置ずれを、このバネ式接続によって容易に補償することができるようになる。こうすることによって、悪天候においても作業の継続が可能になり、その結果、大きな経済的効果が得られる。

本発明は、本発明に係るカッタヘッドを備えたカッタサクション浚渫船を用いて水中で地盤を浚渫する方法にも関する。この方法では、カッタヘッドがカッタサクション浚渫船の梯子に取り付けられ、かつ、ウインチによって地盤の中で梯子とともに横方向に掃地運動して移動させられる。さらに、該カッタヘッドが回転し、梯子およびカッタヘッドの重量ならびにウインチが及ぼす張力の下で、刃具が地盤に接触して少なくとも部分的に地盤に貫入し、こうすることによって地盤が破砕される。その後、破砕された地盤部分がサクション管によって吸い上げられる。当該方法は、水が高圧下で地盤に注入されることを特徴とすれば好適である。この方法の効果は、カッタヘッドの記載に関連してすでに説明済みであり、ここでは再度繰り返さない。

次に、本発明について、以下の図面および好適な実施形態の記載に基づいてさらに説明するが、本発明は特に断りがない限りこれらに限定されるわけではない。図面は必ずしも正しい縮尺で描かれているわけでいない。

図１は、梯子が取り付けられ、本発明に係るカッタヘッドを備えたカッタサクション浚渫船の一部の概略的な側面図である。

図２は、本発明に係るカッタヘッドの概略的な側面図である。

図３は、図２のカッタヘッドの概略的な斜視図である。

図４は、本発明に係る刃具の細部を示す側面図である。

図１は、梯子２が水平シャフト３を中心として回転できるように取り付けられたカッタサクション浚渫船１を示している。梯子２は、軟化した地盤部分を水面１００より高いレベルにまで吸い上げることができるサクションパイプ４を有する。その後、吸い上げられた地盤部分は排出される。梯子２は、カッタサクション浚渫船１のデッキに配置され、複数のウインチケーブル８を有するウインチ５によって、地盤の表面９上を曳航されて浚渫または破砕を行う。梯子２は、外側の端部に本発明に係るカッタヘッド１０を備えている。カッタヘッド１０は、ウインチケーブル８によって水中に降ろし、使用時には地盤の表面９上をカッタサクション浚渫船１の左舷から右舷へ、またその逆の向きに掃地しながら往復運動して移動させることができる。この状況で地盤の表面で生成される力を吸収できるように、カッタサクション浚渫船１は、スパッドポスト１０１によって地盤に繋留される。図１は、左側のスパッドポストが非繋留位置にあり、右側のスパッドポストが繋留位置にある様子を示している。

図２に示すように、本発明に係るカッタヘッド１０は、駆動手段（図示せず）によって回転軸１２を中心として回転可能な、回転対称性を有する回動体１１を備えている。図示された実施形態では、回動体１１は図示された左回りＲに回転させられる。回動体１１は、動作時には地盤９に貫入可能な複数の刃具２０を外周面に沿って備えている。本発明によれば、カッタヘッド１０の回転軸１２は梯子２の長手方向２００に対してほぼ垂直に延びる。図示された実施形態では、カッタヘッド１０は、回動接続部６によって、圧力プレート３０を介して梯子２に回動可能に接続されている。このようにして、地盤９に対するカッタヘッド２の相対的な位置を、梯子２の地盤９に対する角度とはほぼ独立して設定することができる。カッタヘッド１０を、水圧シリンダー７によって回動接続部６を中心として回転させてもよい。

好適な一実施形態において、カッタヘッド１０の回動体１１は面対称性を有し、図３に示すように両端部に刃具２０を備えている。本実施形態では、回動体１１は、カッタヘッド１０を梯子２に取り付ける中央の静止部１４の各側面に位置する２つの部分１１ａおよび１１ｂによって形成される。本願において面対称性とは、カッタヘッド２が、回転軸１２に対して垂直に拡がる対称面１３について対称であることを意味していると理解してよい。各両端部に設置された回動体（１１ａ、１１ｂ）は、それぞれ、刃具２０を受けるホルダ２１を有するジャケット面を備えている。刃具２０は、原則的にジャケット面に対してどんな角度をなしてもよい。選択される角度は、例えば回動体のデザイン、地盤の特徴、受容できる最大の反作用などの要因に依存する。この好ましい変形例の面対称性によって、カッタヘッド１０は、梯子２の掃地方向にかかわらず同じように地盤を破砕する。左舷から右舷へ掃地しても、またはその逆の向きに掃地しても、ほぼ同じ結果が得られる。これによって、一度の掃地動作あたりの平均的な効率が改善される。

図４には、回転対称性を有する刃具２０が示されている。このような刃具２０が好適であるが、刃具２０は原則的に水中で地盤を破砕するために適した任意の形態をとってかまわない。本実施形態に係る、全長２７の刃具２０は、直径が２５のほぼ円筒状の円筒状部２２と、もう１つのビット状部２３とを備えている。刃具２０は、例えばスナップ接続部２２０を利用して、円筒状部２２を回動体１１のホルダ２１内に有するように構成されてもよい。恒久接続でも、または別の取り外し可能な接続形態でもよい。ホルダ２１内に配置される刃具２０の位置では、ビット状部２３が実効長さ２６だけホルダの外へ突き出ている。刃具２０のビット状部２３は、地盤に接触する外側端部に硬質の先端２８を有する。

本発明に係るカッタヘッドは、公知のカッタヘッドに比べて改善された切削原理を適用する。好適な本変形例に係る刃具２０は、好ましくは、公知の刃具より小さい。典型的な全長２７は２０ｍｍ〜４００ｍｍであるが、これは限定を加えるものであると解釈されるべきではない。このような刃具は、比較的小さな力および比較的浅い貫入深度で地盤９を破砕する。カッタヘッド１０の回動体１１に配置される刃具２０の個数は、公知のカッタヘッドと比較すると多いので、破砕の効率が低下することはなく、また、破砕は一様に行われる。ホルダ２１の外へ突き出る刃具２０の長さ２６（実効長さ）は、好適な変形例では２０ｍｍ〜２５０ｍｍ、より好ましくは５０ｍｍ〜１５０ｍｍである。刃具２０は、回動体１１（または回動体１１の一部１１ａおよび１１ｂ）上に回転方向Ｒに規則的に分散して配置されている。２つの連続する刃具２０同士の間の回転方向Ｒの間隔は、好ましくは、最大で刃具２０の貫入深度の１０倍、より好ましくは最大で貫入深度の５倍である。カッタヘッド１０は、好ましくは、水を高圧下で注入するための噴流パイプ（図示せず）をさらに備えている。噴流パイプは、好適に刃具２０に、中央を走るボアとして配置される。

本発明に係るカッタヘッド１０は、カッタサクション浚渫船１を用いて水中で地盤を浚渫する方法における使用に特に適している。カッタヘッド１０は、この目的を実現するために、ウインチ５によって横方向に掃地運動をして地盤９の中で移動し、この状態において、カッタヘッド１０も回転軸１２を中心として回転させられる。刃具２１はこのようにして地盤９を繰り返し叩いて貫入し、少なくともビット状部２３の先端２８が、梯子２およびカッタヘッド１０の重量ならびにウインチ５が及ぼす張力の下で、地盤に潜り込む。地盤９はこうすることによって良好な効率で破砕される。破砕された地盤部分はサクション管４によって吸い上げられる。

梯子が取り付けられ、本発明に係るカッタヘッドを備えたカッタサクション浚渫船の一部の概略的な側面図である。 本発明に係るカッタヘッドの概略的な側面図である。 図２のカッタヘッドの概略的な斜視図である。 本発明に係る刃具の細部を示す側面図である。

Claims (13)

1. カッタサクション浚渫船（１）の梯子（２）に取り付けられる、水中で地盤を浚渫するためのカッタヘッド（１０）であって、上記梯子がウインチを用いて左舷から右舷に交互に曳航されるように構成され、これによって上記カッタヘッドが地盤（９）の中で横方向に掃地運動して移動させられ、上記カッタヘッド（１０）が、駆動手段によって回転軸（１２）を中心として回動可能な、回転対称性を有する回動体（１１）を備え、この回動体（１１）が、地盤（９）に貫入するための複数の刃具（２０）を外周面に沿って有し、上記カッタヘッド（１０）の回転軸（１２）が上記梯子（２）の長手方向（２００）に対してほぼ垂直に延びるように上記梯子（２）に取り付けられると共に、
   上記刃具（２０）を有する回動体（１１）は、上記回転軸（１２）の少なくとも両端部に面対称性を有してそれぞれ設けられていることを特徴とするカッタヘッド（１０）。
2. 上記刃具（２０）を有する回動体（１１ａ・１１ｂ）は、それぞれ球状にてなり、
   かつ上記回動体（１１ａ・１１ｂ）の間には、円筒状の回動体（１４）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のカッタヘッド。
3. 上記刃具がカッタヘッドのジャケット面に対してほぼ接線方向に延びることを特徴とする請求項１または２に記載のカッタヘッド。
4. 上記刃具が上記回動体の外周面に沿って配置されるホルダに嵌り込むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のカッタヘッド。
5. 上記刃具が回転対称性を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のカッタヘッド。
6. ホルダの外側に突き出ている上記刃具の長さ（実効長さ）が２０ｍｍ〜２５０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のカッタヘッド。
7. 上記ホルダの外側に突き出ている上記刃具の長さ（実効長さ）が５０ｍｍ〜１５０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のカッタヘッド。
8. 上記刃具が、上記回動体上に回転方向に規則的に分散して配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のカッタヘッド。
9. ２つの連続する上記刃具間の回転方向の間隔が、最大で上記地盤に対する上記刃具の貫入深度の１０倍であることを特徴とする請求項８に記載のカッタヘッド。
10. ２つの連続する上記刃具間の回転方向の間隔が、最大で上記地盤に対する上記刃具の貫入深度の５倍であることを特徴とする請求項９に記載のカッタヘッド。
11. 上記カッタヘッドが、水を高圧下で注入するための噴流パイプを備えていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のカッタヘッド。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のカッタヘッド（１０）を備えたカッタサクション浚渫船（１）を用いて水中で地盤を浚渫する方法であって、カッタヘッド（１０）がカッタサクション浚渫船（１）の梯子（２）に取り付けられ、かつ、ウインチ（５）によって地盤の中で梯子（２）とともに横方向に掃地運動して移動させられ、該カッタヘッドが回転し、梯子（２）およびカッタヘッド（１０）の重量ならびにウインチが及ぼす張力の下で、刃具（２０）が地盤（９）に接触して少なくとも部分的に地盤（９）に貫入し、こうすることによって地盤（９）が破砕され、地盤の破砕された部分がサクション管（４）によって吸い上げられることを特徴とする方法。
13. 水が高圧下で上記地盤に注入されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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