JP5927107B2

JP5927107B2 - カッタヘッド

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Publication number: JP5927107B2
Application number: JP2012269670A
Authority: JP
Inventors: 日出輝萩野
Original assignee: Airec Engineering Corp
Current assignee: Airec Engineering Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014114606A

Description

本発明は、掘進機に搭載されるカッタヘッドに関する。

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。非開削工法に用いられる掘進機に搭載されるカッタヘッドの一例は、掘進機の軸心を中心に回転されるカッタヘッド基部と、該カッタヘッド基部の前面に設けられたギアカッタとを有する（特許文献１参照）。

特開２００７−１２０２５５号公報

これまでの改築推進は、既設の鉄筋コンクリート管の経路に沿って、既設管を破壊しながら新設管を設置する工法が主流であった。このため、鉄筋コンクリート管の破壊に適した特許文献１に記載のギアカッタでも、非常に効率の良い改築推進の実現が可能であった。

しかしながら、今後は、様々な改築推進の要望が増える可能性がある。例えば、既設の鉄筋コンクリート管の経路とは異なる経路から礫・玉石層を掘削し、途中から既設の鉄筋コンクリート管の経路に入ることで、既設管とは異なる新しい経路で新設管を設置することや、中だるみした既設の鉄筋コンクリート管を改築推進によって真っ直ぐな新設管に置き換えるような、新しい要望が増える可能性がある。

これらの場合、カッタヘッドは、既設管から外れた位置で礫・玉石層を掘削することになる。このためカッタヘッドは、既設の鉄筋コンクリート管の破壊と、礫・玉石層の掘削との両方の性能が求められることになる。特許文献１に記載にギアカッタは、鉄筋コンクリート管の破壊には適しているが、礫・玉石層の掘削にはあまり適しておらず、施工の効率化が困難である。

また、既設の鉄筋コンクリート管には、管と管とを繋ぐ金属製の接続カラーが設けられている。この接続カラーは、例えばステンレス製、鋼製、またはアルミ製であり、比較的硬い。このため、鉄筋コンクリート管の破壊に適した特許文献１に記載のギアカッタでは、この接続カラー部分の破壊を効率的に行えない場合もある。

本発明の目的は、礫・玉石層の掘削と、鉄筋コンクリート管の破壊との両方に適したカッタヘッドを提供することである。

一つの実施形態によれば、カッタヘッドは、掘進機の軸心を中心に回転されるカッタヘッド基部と、該カッタヘッド基部の前面に設けられたカッタビットとを備える。このカッタビットは、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うとともに、該中心軸を中心に回転される本体部と、該本体部の表面から突出し、該本体部の回転に伴って掘削面を打撃する複数の掘削チップとを有する。前記複数の掘削チップは、前記本体部の中心軸に対して前記本体部の径方向に放射状に延びた複数の列に分かれて配置され、且つ、各列に配置された複数の掘削チップは、該各列において前記本体部の径方向に互いに間隔を空けて並べられている。前記カッタヘッド基部の中心から前記列の所定位置までの距離をＲとし、該所定位置における前記本体部の周方向に対する前記複数の列の間のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となる。
また、第１カッタビットは、第１本体部に固定される基部と、基部の先端に第１本体部の周方向と略直交する方向に延びる第１稜部と、この第１稜部を介して長手方向の両側から基部へ傾斜する２つの傾斜面と、を有する第１掘削チップと、第１掘削チップの第１稜部よりも長手方向の長さが短い第２稜部を有する第２掘削チップを、放射状に配置される第１掘削チップのさらに中心軸側に備える。

本発明によれば、礫・玉石層の掘削と、鉄筋コンクリート管の破壊との両方に適したカッタヘッドを提供することができる。

本発明の一つの実施形態に係る掘進機を示す側面図。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ビットの斜視図。同実施形態に係るカッタビットの正面図。同実施形態に係るカッタヘッドの打撃痕を示す正面図。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。同実施形態に係る掘進機を用いた改築推進の一例を示す図。

本明細書では、いくつかの要素に複数の表現の例を付している。なおこれら表現の例はあくまで例示であり、上記要素が他の表現で表現されることを否定するものではない。また、複数の表現が付されていない要素についても、別の表現で表現されてもよい。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る掘進機１は、地中埋設管の改築推進工法で使用される。掘進機１は、円筒状の掘進機本体２と、カッタヘッド３とを有する。カッタヘッド３は、掘進機本体２の前面に搭載され、地中に埋設された既設管ＯＰ及びその周囲の地山を打壊・掘削する。

掘進機１は、発進立坑Ｈの底面に設置された元押装置５に押圧されて、到達立坑（図示しない）に向かって推進される。掘進機１の後方には、新設管ＮＰが順次補給される。

なお、本実施形態に係る既設管ＯＰは、いわゆる鉄筋コンクリート管である。既設管ＯＰの内部は、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とを有する（図６を参照）。

図２に示すように、カッタヘッド３は、カッタヘッド基部１０を有する。カッタヘッド基部１０は、掘進機本体２の前面に搭載され、掘進機本体２内に配設された駆動装置によって、掘進機１の軸心Ａを中心に回転される。

カッタヘッド基部１０の前面には、該カッタヘッド基部１０の前面の周端部に設けられた３つの第１カッタビット１１と、該カッタヘッド基部１０の前面の中心部に設けられた３つの第２カッタビット１２とを有する。第１カッタビット１１は、例えば既設管ＯＰの円筒部分（鉄筋Ｗ１，Ｗ２が埋め込まれた部分）に対応する。第２カッタビット１２は、例えば既設管ＯＰの円筒部分の内側領域に対応する。

なお、この構成はあくまで例示であり、カッタヘッド３は、例えば第２カッタビット１２のさらに外周側に、複数（例えば３つ）の第３カッタビットを有してもよい。すなわち、カッタヘッド３の具体的な構成は、ヘッド口径などに基づいて任意に設定することができる。

次に、第１カッタビット１１について詳しく説明する。３つの第１カッタビット１１は、例えば互いに同じ形状を有する。第１カッタビット１１は、本体部１５（基部、カッタビット基部）と、該本体部１５に設けられた複数の掘削チップ１６（チップ部）とを有する。

本体部１５は、カッタヘッド基部１０の前面に設けられている。カッタヘッド基部１０の前面に対する本体部１５の中心軸Ｃの投影は、カッタヘッド基部１０の径方向に沿う。本体部１５は、中心軸Ｃを中心に回転される。

図３及び図４に示すように、本体部１５は、直円錐状又は直円錐台型状の回転体である。詳しく述べると、本体部１５は、先端側に位置した第１斜面１５ａと、該第１斜面１５ａに隣接した第２斜面１５ｂと、第２斜面１５ｂに隣接した周面１５ｃとを有する。中心軸Ｃに対する第２斜面１５ｂの傾斜は、中心軸Ｃに対する第１斜面１５ａの傾斜よりも緩やかである。周面１５ｃは、中心軸Ｃと略平行である。

掘削チップ１６は、例えば超硬チップである。掘削チップ１６の基端部は、本体部１５に設けられた取付穴に挿入されて、本体部１５に固定されている。掘削チップ１６の先端部は、本体部１５の表面から突出している。これにより、掘削チップ１６は、本体部１５の表面から突出した突起状の刃部を形成する。掘削チップ１６は、本体部１５の回転に伴って、掘削面（すなわち既設管ＯＰ又は礫・玉石層）を打撃する。

図３及び図４に示すように、複数の掘削チップ１６は、本体部１５の中心軸Ｃに対して本体部１５の径方向に放射状に延びた複数の列Ｌに分かれて配置されている。図４に示すように、本実施形態では、本体部１５は、例えば１６つの列Ｌが設けられている。掘削チップ１６は、これら１６つの列Ｌに分かれて配置されている。これにより、本体部１５は、１６つの刃部（刃列部）を有する。また本実施形態では、掘削チップ１６は、これら列Ｌ以外の部分には設けられていない。

図３及び図４に示すように、各列Ｌに配置された複数の掘削チップ１６は、各列Ｌにおいて本体部１５の径方向に互いに間隔を空けて並べられている。換言すれば、各列Ｌにおいて、複数の掘削チップ１６の間には、隙間Ｓが設けられている。本実施形態では、各列Ｌに、例えば４つの掘削チップ１６が配置されている。

図３及び図４に示すように、上記１６つの列Ｌは、互いに交互に設けられた第１列Ｌ１と、第２列Ｌ２とを含む。すなわち、上記１６つの列Ｌは、８つの第１列Ｌ１と、８つの第２列Ｌ２とを含む。８つの第１列Ｌ１において、掘削チップ１６の配置位置は互いに同じである。同様に、８つの第２列Ｌ２において、掘削チップ１６の配置位置は、互いに同じである。

掘削チップ１６は、本体部１５の周方向において該掘削チップ１６が位置した列Ｌの隣の列Ｌに位置した複数の掘削チップ１６の間の隙間Ｓに対応するように（隙間Ｓをカバーするように）、該隣の列Ｌの複数の掘削チップ１６とは本体部１５の径方向にずれた位置に配置されている。隙間Ｓの大きさは、例えば掘削チップ１６の大きさと略同じである。

本実施形態では、第１列Ｌ１に位置した複数の掘削チップ１６は、其々、第２列Ｌ２に位置した複数の掘削チップ１６の間の隙間Ｓに対応するように、第２列Ｌ２の複数の掘削チップ１６とは本体部１５の径方向にずれた位置に配置されている。同様に、第２列Ｌ２に位置した複数の掘削チップ１６は、其々、第１列Ｌ１に位置した複数の掘削チップ１６の間の隙間Ｓに対応するように、第１列Ｌ１の複数の掘削チップ１６とは本体部１５の径方向にずれた位置に配置されている。

ここで、図２に示すように、カッタヘッド基部１０の中心（軸心Ａ）から列Ｌの所定位置までの距離をＲとし、該所定位置における本体部１５の周方向に対する複数の列Ｌの間のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となるように、各列Ｌの位置が設定されている。なお、カッタヘッド基部１０の中心から列Ｌの所定位置までの距離Ｒは、掘削面Ｅと略平行な方向での距離である。

上記「所定位置」は、種々の位置が適宜該当するが、一例として、本体部１５の第１斜面１５ａと第２斜面１５ｂとの境界が該当する。すなわち、例えば、カッタヘッド基部１０の中心から本体部１５の第１斜面１５ａと第２斜面１５ｂとの境界まで距離をＲとし、本体部１５の第１斜面１５ａと第２斜面１５ｂとの境界における複数の列Ｌの間のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となる。

また、上記「所定位置」の別の一例としては、本体部１５の第２斜面１５ｂと周面１５ｃとの境界が該当する。すなわち、例えば、カッタヘッド基部１０の中心から本体部１５の第２斜面１５ｂと周面１５ｃとの境界まで距離をＲとし、本体部１５の第２斜面１５ｂと周面１５ｃの境界における複数の列Ｌの間のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となる。

以上説明した第１カッタビット１１は、掘進機本体２内に配設された駆動装置によって、其々の中心軸Ｃを中心に回転される。これにより、カッタヘッド３の前方には、図５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Ｅが形成される。

詳しく述べると、上記のように配置された掘削チップ１６は、カッタヘッド基部１０がいくら回転しても、図６に示すように、掘削面Ｅの抉れ部Ｄに入り込むことになる。これにより、既設管ＯＰの同一部位が掘削チップ１６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，Ｗ２が効率良く切断される。

次に、第２カッタビット１２について説明する。図２に示すように、３つの第２カッタビット１２は、例えば互いに異なる形状を有する。第２カッタビット１２は、本体部１７（基部、カッタビット基部）と、該本体部１７に設けられた複数の掘削チップ１８（チップ部）とを有する。

第２カッタビット１２は、例えば礫・玉石層の掘削に適したコーンビットである。複数の掘削チップ１８は、例えば、本体部１７の周方向に延びた複数の列に分かれて配置されている。各列に配置された複数の掘削チップ１８は、各列において本体部１７の周方向に互いに等しい間隔を空けて並べられている。

図２に示すように、第２カッタビット１２は、第１カッタビット１１と重ならない領域に設けられている。これにより、第１カッタビット１１によって掘削面Ｅに形成される抉れ部Ｄは、第２カッタビット１２によって破壊されない。

次に、推進工法の作業工程について説明する。
図７は、本実施形態に係る掘進機１が用いられる改築推進の一例を示す。この改築推進の一例では、既設管ＯＰとは異なる経路で新設管ＮＰが設置される。すなわち、掘進機１は、既設の鉄筋コンクリート管の経路とは異なる経路で例えば礫・玉石層を掘削し、途中から既設の鉄筋コンクリート管の経路に入る。

詳しく述べると、掘進機１は、既設管ＯＰとは異なる位置から掘削を開始する。このとき、掘進機１は、掘削開始位置から既設管ＯＰと出会うまでの間、例えば礫・玉石層を掘削するとともに、新設管ＮＰを設置する。

掘進機１は、掘進が進んで既設管ＯＰに出会うと、既設管ＯＰを破壊するとともに、既設管ＯＰを新設管ＮＰに置き換える。既設管ＯＰの内部には、予めコンクリートが充填されている。掘進機１は、既設管ＯＰ及びその内部に充填されたコンクリートを破砕する。ここで、既設管ＯＰは、主に、第１カッタビット１１によって破砕される。また、既設管ＯＰの内部に充填されたコンクリートは、主に、第２カッタビット１２によって破砕される。

図５及び図６に示すように、第１カッタビット１１によって形成される掘削面Ｅは、周方向に対して断面形状が波型となる。第１カッタビット１１の掘削チップ１６は、カッタヘッド基部１０の回転量によらず、前記波型の掘削面Ｅの抉れ部Ｄに必ず入り込む。第１カッタビット１１の掘削チップ１６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。

なお図６に示すように、既設管ＯＰの軸心方向に沿って配設された鉄筋Ｗ２は、推進工程の途中で既設管ＯＰの端面から突出しても、第１カッタビット１１の回転によって即座に既設管ＯＰの周方向に寝かされる。このため、鉄筋Ｗ２は、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１が撤去されて、推進工程が終了となる。

このような構成によれば、礫・玉石層の掘削と、鉄筋コンクリート管の破壊との両方に適したカッタヘッド３を提供することができる。すなわち、例えば従来の掘進機は、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する。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。すなわち、掘削面をランダム的に叩くカッタビットの場合、鉄筋の全体を分散して叩くことになるので、鉄筋が効率的に切断されない。

一方で、本実施形態に係るカッタヘッド３のカッタビット１１は、カッタヘッド基部１０の前面に設けられて回転する本体部１５と、該本体部１５の表面から突出した複数の掘削チップ１６とを有する。複数の掘削チップ１６は、カッタビット１１の本体部１５の径方向に放射状に延びた複数の列Ｌに分かれて配置されている。そして、カッタヘッド基部１０の中心から列Ｌの所定位置までの距離をＲとし、該所定位置における本体部１５の周方向に対する複数の列Ｌの間のピッチをＰとすると、２πＲ／Ｐが自然数となる。

この構成によれば、第１カッタビット１１の掘削チップ１６は、カッタヘッド基部１０の回転量によらず、必ず掘削面Ｅの抉れ部Ｄに入り込む。これにより、既設管ＯＰの同一部位が掘削チップ１６によって繰り返し打撃されることになる。このため、そこに存在する鉄筋Ｗ１、Ｗ２は効率良く切断される。すなわち、本実施形態に係るカッタヘッド３は、鉄筋コンクリート管の破壊効率が高い。

さらに本実施形態では、第１カッタビット１１の各列Ｌに配置された複数の掘削チップ１６は、各列Ｌにおいて本体部１５の径方向に互いに間隔を空けて並べられている。このような構成によれば、礫・玉石層に対して掘削チップ１６が食い込みやすく、礫・玉石層を効率的に掘削することができる。このため本実施形態によれば、礫・玉石層の掘削と、鉄筋コンクリート管の破壊との両方に適したカッタヘッド３を提供することができる。また、この構成によれば、管と管とを繋ぐ鋼製（例えばステンレス製、鋼製、またはアルミ製）の接続カラーの破壊も効率的に行うことができる。

さらに本実施形態では、掘削チップ１６は、本体部１５の周方向において該掘削チップ１６が位置した列Ｌの隣の列Ｌに位置した複数の掘削チップ１６の間の隙間Ｓに対応するように、該隣の列Ｌの複数の掘削チップ１６とは本体部１５の径方向にずれた位置に配置されている。このような構成によれば、掘削チップ１６の間の隙間Ｓに対応に対応した箇所が、隣の列Ｌの掘削チップ１６によって掘削される。これは、カッタヘッド３による掘削効率をさらに向上させる。

さらにこの構成によれば、鉄筋コンクリート管の破壊時に、例えば、カッタヘッド１１の外周面に放射状に配置された第１列Ｌ１の２つの掘削チップ１６の間に挟まれた「鉄筋」を、その隣に位置した第２列Ｌ２の掘削チップ１６によって切断することができる。このため、カッタヘッド３による掘削効率がさらに向上する。なお、このようなチップ配列によれば、鉄筋の切断片の長さが短くなるとともに、掘進速度が大きく向上することが本発明者の試験によって確認されている。

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。

なお、本実施形態に係るカッタヘッド３は、既設管ＯＰとは異なる経路で新設管ＮＰを設置する用途に限定されず、例えば、中だるみした既設管ＯＰを真っ直ぐな新設管ＮＰに置き換える場合や、既設管ＯＰとは異なる勾配で新設管ＮＰを設置する場合などにも用いることができる。なお本実施形態に係るカッタヘッド３の用途は、これらに限定されない。

また、掘削チップ１６，１８は、超硬チップに限定されない。掘削チップ１６，１８は、比較的硬質な材料によるものであれば、別の材料で形成されてもよい。また、第２カッタビット１２の掘削チップ１８は、第１カッタビット１１の掘削チップ１６と同様に並べられてもよい。すなわち、第２カッタビット１２として、礫・玉石層の掘削と、鉄筋コンクリート管の破壊との両方に適したカッタビットを採用してもよい。

なお、上記実施形態では、カッタヘッド基部１０の中心から列Ｌの所定位置までの距離をＲとし、該所定位置における本体部１５の周方向に対する複数の列Ｌの間のピッチをＰとすると、２πＲ／Ｐが自然数となるカッタヘッド３について説明した。ここで、「２πＲ／Ｐが自然数」とは、厳密に割り切れる場合に加えて、それに近い状態が実現される場合も含む。すなわち、ここで重要なことは、掘削面がランダム的に叩かれるような掘削ではなく、既設管の同一部位が掘削チップ１６によって繰り返し打撃される掘削が実現されることであり、このような掘削が実現される限り、本発明に含まれる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］掘進機の軸心を中心に回転されるカッタヘッド基部と、
前記カッタヘッド基部の前面に設けられ、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うとともに、該中心軸を中心に回転される本体部と、該本体部の表面から突出し、該本体部の回転に伴って掘削面を打撃する複数の掘削チップと、を有したカッタビットと、
を備え、
前記複数の掘削チップは、前記本体部の中心軸に対して前記本体部の径方向に放射状に延びた複数の列に分かれて配置され、且つ、各列に配置された複数の掘削チップは、該各列において前記本体部の径方向に互いに間隔を空けて並べられ、
前記カッタヘッド基部の中心から前記列の所定位置までの距離をＲとし、該所定位置における前記本体部の周方向に対する前記複数の列の間のピッチをＰとしたときに、
２πＲ／Ｐが自然数となる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、
前記掘削チップは、前記本体部の周方向において該掘削チップが位置した列の隣の列に位置した複数の掘削チップの間の隙間に対応するように、該隣の列の複数の掘削チップとは前記本体部の径方向にずれた位置に配置されたことを特徴とするカッタヘッド。

１…掘進機、２…掘進機本体、３…カッタヘッド、１０…カッタヘッド基部、１１…第１カッタビット、１２…第２カッタビット、１５…本体部、１６…掘削チップ、Ｃ…中心軸、Ｌ…列。

Claims

掘進機の軸心を中心に回転されるカッタヘッド基部と、
前記カッタヘッド基部の前面に設けられ、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うとともに、該中心軸を中心に回転される第１本体部と、前記第１本体部の表面から突出し、前記第１本体部の回転に伴って掘削面を打撃する複数の第１掘削チップと、を有した第１カッタビットと、
を備え、
前記複数の第１掘削チップは、前記第１本体部の前記中心軸に対して前記第１本体部の径方向に放射状に延びた複数の列に分かれて配置され、且つ、各列に配置された前記複数の第１掘削チップは、前記各列において前記第１本体部の径方向に互いに間隔を空けて並べられ、
前記カッタヘッド基部の中心から前記列の所定位置までの距離をＲとし、前記所定位置における前記第１本体部の周方向に対する前記複数の列の間のピッチをＰとしたときに、２πＲ／Ｐが自然数となり、
前記第１カッタビットは、前記第１本体部に固定される基部と、前記基部の先端に前記第１本体部の周方向と略直交する方向に延びる第１稜部と、前記第１稜部を介して長手方向の両側から前記基部へ傾斜する２つの傾斜面と、を有する第１掘削チップと、前記第１掘削チップの前記第１稜部よりも前記長手方向の長さが短い第２稜部を有する第２掘削チップを、前記放射状に配置される前記第１掘削チップのさらに中心軸側に備えることを特徴とするカッタヘッド。
前記カッタヘッド基部の前記第１カッタビットよりも前記掘進機の前記軸心側に、さらに複数の略円錐形状の第２本体部と、前記第２本体部の周壁の周方向に間隔を空けて設けられる複数の突起状の第２掘削チップと、を有する第２カッタビットを備えることを特徴とする請求項１に記載のカッタヘッド。