JP7325055B2

JP7325055B2 - カッタビットおよびトンネル掘削機

Info

Publication number: JP7325055B2
Application number: JP2019117203A
Authority: JP
Inventors: 泰司森田; 誠佐々木; 勤緒方
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2023-08-14
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: JP2021004456A

Description

本発明は、地山の切削を行うカッタビットおよびこのカッタビットが設けられたトンネル掘削機に関する。

シールド工法、推進工法、ＴＢＭ等によるトンネル工事は、カッタビットが設置されたトンネル掘削機により行う。カッタビットは、地山の切削に伴い磨耗する。磨耗したカッタビットは、掘削作業を中断して交換する必要があるが、掘削作業を中断すると、工期短縮化の妨げになるとともに、工事費削減の妨げになる。カッタビット全体を強度の高い材料で構成すれば、カッタビットの交換頻度を低減させることが可能であるものの、カッタビットのコストが高くなるとともに、トンネル掘削機への取り付け方法も制限されてしまう。そのため、長距離掘削に耐え得る機能を有しており、交換作業を省略あるいは交換作業の回数を低減させることを可能としたカッタビットが開発されている。
例えば、本出願人は、特許文献１に示すように、複数のチップが積層された状態で刃先部に埋め込まれたカッタビットを開示している。積層されたチップ同士は、ろう付けされている。このカッタビットによれば、表面側のチップおよび母材（シャンク）が磨耗すると、新たなチップが露出するため、長期間にわたって切削能力が維持される。
礫層等を掘進する際にカッタビットに礫が衝突すると、衝撃によりチップに亀裂が生じる場合がある。このとき、チップ同士がろう材により固定されていると、チップ同士が一体化されるために亀裂が層間にまたがって進行する場合（積層された複数のチップが礫の衝突や圧壊時の圧力により同時に破損すること）があった。複数のチップにまたがって亀裂が生じていると、表面側のチップが脱落してしても、新たなチップが亀裂を有しているために所望の切削能力が確保できないおそれがある。

特開２０１７－１６６２１６号公報

本発明は、積層された複数のチップが積層されたカッタビットについて、礫の衝突等により複数のチップに対して同時に亀裂が生じることを防止し、カッタビットによる地山の切削能力の長寿命化を図ることを可能としたカッタビットと、このカッタビットを使用したトンネル掘削機を提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のカッタビットは、母材と前記母材にろう付けされた刃材とを備えるものである。前記刃材は、二つのチップと、前記チップ同士の間に配設された緩衝材とがろう付けされてなり、前記緩衝材は、ろう材よりも融点が高く、かつ、前記チップよりも硬度が小さい材料からなる。前記母材には、その先端側に開口する凹部が形成されている。前記凹部の底部には、三つの底面を有する階段状の段差が形成されており、前記三つの底面を、前記母材の前面側から上段の底面、中段の底面、下段の底面としたとき、二つの前記チップのうちの前記母材の前面側に配設されたチップは、前記凹部の三つの底面のうちの上段の底面と中段の底面にろう付けされていて、緩衝材は、前記凹部の三つの底面のうちの中段の底面にろう付けされており、二つの前記チップのうちの前記母材の後面側に配設されたチップは、前記凹部の底面のうちの下段の底面にろう付けされている。チップ同士をろう付けするろう材として銀ろうを使用する場合には、緩衝材を構成する材料としては、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、丹銅またはこれらの内の少なくとも１つを含む銅板を使用すればよい。さらに、緩衝材の厚さは、０．５～２．０ｍｍの範囲内、より望ましくは０．８～１．５ｍｍの範囲内とすればよい。また、本発明のトンネル掘削機は、カッタヘッドに前記カッタビットが固定されたものである。
かかるカッタビットによれば、チップ同士の間に緩衝材が介設されているため、表層側のチップに礫等が接触した際の衝撃を緩衝材が吸収することで、裏層側のチップに作用する衝撃が低減される。その結果、層間にまたがって亀裂が生じることを抑制できる。そのため、カッタビットによる切削能力の長寿命化を図ることができる。
二つの前記チップのうちの前記母材の前面側に配設されたチップは、前記母材の先端部において前面および背面が露出している上段刃部と、前記凹部に埋め込まれた下段刃部とを有したものにすることができる。このとき、前記上段刃部は、前面側の露出面が背面側の露出面よりも大きくするとよく、前記下段刃部は、前記凹部内において前面、後面および底面を固定するとよい。
かかるカッタビットによれば、刃材が母材に埋め込まれているため、固定面（ろう付け面）が多くなり、刃材が脱落し難くなる。そのため、カッタビットの長寿命化を図ることができる。また、上段刃部の前面側の露出面が大きいため、母材の摩耗を最小限に抑えることができ、ひいては、早期に刃材が脱落することを防止できる。

本発明のカッタビットおよびトンネル掘削機によれば、カッタビットに作用する衝撃等（例えば、礫の衝突による衝撃や圧壊時の圧力等）を緩衝材により吸収することで、積層された複数のチップにまたがって亀裂が生じることを抑制し、ひいては、カッタビットの長寿命化を図り、かつ、切削能力の向上を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るカッタビットを示す側面図である。図１のカッタビットの分解斜視図である。（ａ）～（ｃ）は刃材の形状を決定する方法の手順を示す側面図である。ろう付けせん断試験に使用した試験体を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。ろう付けせん断試験における試験機への試験体の設置状況を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。カッタビットによる地盤の切削状況を示す模式図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。ろう付けせん断試験による荷重と変位の関係を示すグラフである。三点曲げ試験における試験状況を示す模式図である。三点曲げ試験の試験体を示す図であって、（ａ）は超硬材単体からなる試験体の側面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｂ）は２枚の超硬材をろう付けしてなる試験体の側面図、（ｄ）は（ｃ）の正面図である。ビット載荷試験における試験状況を示す模式図である。ビット載荷試験に使用したカッタビットを示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。ビット載荷試験による荷重と変位との関係の一例を示すグラフである。

本実施形態では、シールド掘削機のカッタヘッドに固定されて地山の切削を行うカッタビット１について説明する。カッタビット１は、図１に示すように、母材２と母材２にろう付けされた刃材３とを備えている。ろう付けに使用するろう材４には、銀ろうを使用する。
刃材３は、一次チップ５および二次チップ６と、一次チップ５と二次チップ６との間に配設された緩衝材７とがろう付けされてなる。すなわち、刃材３は、カッタビット１の前面側から順に一次チップ５、ろう材４の層、緩衝材７、ろう材４の層および二次チップ６を積層して形成したものである。

母材２は、いわゆるシャンク材である。本実施形態の母材２は、刃材３を構成する一次チップ５および二次チップ６よりも膨張係数が大きく、かつ、構造部材として十分な剛性、強度を有する材料により構成されている。本実施形態では、母材２を構成する材料として、ＳＳ材やＳ４５Ｃ材等を使用するが、母材２を構成する材料は限定されるものではない。
母材２には、図２に示すように、その先端側に開口する凹部２１が形成されている。本明細書において、母材２の先端とは、母材２の前面２２と背面２３との角部をいう。凹部２１は、母材２の先端に形成された欠損部分である。本実施形態の凹部２１の底部には、階段状の段差が形成されている。刃材３（一次チップ５および二次チップ６）は、母材２に直接固定（ろう付け）される。

母材２の前面２２は、カッタビット１の進行方向前側の面であり、図１に示すように、先端部（一次チップ５）側に向うに従って後面２４から離れるように傾斜している。母材２の背面２３は、地山（切削面）に対向する面であり、先端部（一次チップ５）側に向うに従って底面２５から離れるように傾斜している。背面２３の延長面と前面２２の延長面とが交わる角部は鋭角となる。本実施形態では、背面２３に折れ点が形成されているが、背面２３は平面（折れ点のない平坦な面）であってもよい。
母材２の後面２４は、カッタビット１の進行方向後側の面であり、底面２５は、図示せぬカッタヘッドに当接する面である。本実施形態の母材２の後面２４と底面２５は、直角に交わっている。なお、後面２４および底面２５の必ずしも直角である必要はない。
底面２５には、段差が形成されていて、カッタヘッドに係止可能である。なお、底面２５の段差は必要に応じて形成すればよい。また、母材２の形状は限定されない。

母材２の後部（凹部２１の底部よりも後面２４側）には、図２に示すように、カッタヘッドに固定する際に使用するボルト孔２６，２６が形成されている。ボルト孔２６は、母材２の背面２３から底面２５を貫通している。図１に示すように、ボルト孔２６の内部にはボルトの頭部を係止するための段差が形成されている。本実施形態では、前後に並設された二つのボルト孔２６，２６が形成されている。なお、ボルト孔２６の配置や数は限定されるものではない。また、ボルト孔２６は、必要に応じて形成すればよく、母材２のカッタヘッドへの固定方法によっては省略してもよい。

一次チップ５は、超硬チップからなり、図１に示すように、刃材３を構成する複数（本実施形態では二枚）のチップの内、最も母材２の前面２２側に配設されている。本実施形態の一次チップ５は、母材２の先端部において前面５１ａおよび背面５１ｂが露出している上段刃部５１と、凹部２１に埋め込まれた下段刃部５２とを有している。なお、図１中の一点鎖線は、上段刃部５１と下段刃部５２との境界を示す仮想線である。

上段刃部５１は、断面視四角形状を呈しており、上段刃部５１の先端（前面５１ａと背面５１ｂとの交差部）は鋭角となっている。一方、上段刃部５１の後端（底面５１ｃと後面５１ｄとの交差部）は直角になっている。さらに、前面５１ａ下側の端部（前面５１ａと底面５１ｃとの交差部）は鋭角、後面５１ｄ上側の端部（背面５１ｂと後面５１ｄとの交差部）は鈍角になっている。また、上段刃部５１は、前面５１ａの露出面が背面５１ｂの露出面よりも大きい。
上段刃部５１の前面５１ａは、母材２の前面２２と面一になるように形成されている。すなわち、上段刃部５１の前面５１ａは、母材２の前面２２の欠損部分に配置されている。上段刃部５１の背面５１ｂは、母材２の背面２３と面一になるように形成されている。すなわち、上段刃部５１の背面５１ｂは、母材２の背面２３の欠損部分の一部に配置されている。上段刃部５１の底面５１ｃの一部は、母材２にろう付けされていて、当該底面５１ｃの他の部分には下段刃部５２が一体に形成されている。

下段刃部５２は、断面視矩形状を呈していて、上段刃部５１の底面５１ｃの後側部分に突設されている。下段刃部５２の後面５２ｄは、上段刃部５１の後面５１ｄの延長線上にある。また、下段刃部５２の前面５２ａは、後面５２ｄと平行であり、下段刃部５２の底面５２ｃは上段刃部５１の底面５１ｃと平行である。さらに、下段刃部５２の底面５２ｃは、上段刃部５１の底面５１ｃよりも小さい幅を有している。すなわち、一次チップ５は、先端が鋭角で、かつ、上段刃部５１が下段刃部５２よりも前側に突出した鏃状を呈している。
下段刃部５２の前面５２ａ、後面５２ｄおよび底面５２ｃは、凹部２１内において母材２または二次チップ６にろう付け固定されている。下段刃部５２の前面５２ａおよび底面５２ｃは、凹部２１の内面に直接固定されていて、下段刃部５２の後面５２ｄは二次チップ６に固定されている。

一次チップ５の形状の設定方法は限定されるものではないが、本実施形態では以下の手順により行う。
まず、図３（ａ）に示す一般的な貼り付けタイプのカッタビット１０に対して、図３（ｂ）に示すように、刃材５０の背面後端（点Ａ）を中心として、刃材５０を回転させる。このときの回転角度θ_２は、例えば、カッタビット１の先端の角度θ_１の１／２とする。なお、回転角度θ_２の大きさは限定されるものではない。
次に、図３（ｃ）に示すように、回転させた刃材５０の前面と底面との角（点Ｂ）からカッタビット１の底面と平行な線（水平線）を延ばし前面との交点（点Ｃ）を設定する。点Ｃを上段刃部５１の前面の端点とし、点Ｃから刃材５０の前面に垂線をおろし、この垂線を上段刃部５１の底面とすることで、一次チップ５の形状を決定する。

二次チップ６は、超硬チップからなり、図１に示すように、緩衝材７を介して一次チップ５の後面に積層されている。二次チップ６は、断面視四角形状の板状チップであり、前面６ａと背面６ｂの角は鋭角、前面６ａと底面６ｃの角および底面６ｃと後面６ｄの角は直角、後面６ｄと背面６ｂの角は鈍角である。二次チップ６の背面６ｂは、母材２の背面２３と面一になるように形成されていて、母材２の先端部において露出している。
二次チップ６の底面６ｃおよび後面６ｄは、母材２の凹部２１の内面に直接固定されている。また、二次チップ６の前面６ａは、一次チップ５の後面５１ｄ、５２ｄに緩衝材７を介して固定されているとともに、母材２の凹部２１の内面に固定されている。

緩衝材７は、一次チップ５と二次チップ６との間に、ろう材４を介して介設されている。緩衝材７は、ろう材４よりも融点が高く、一次チップ５および二次チップ６よりも硬度が小さく、かつ、変形しやすく（例えばヤング率が２００ＧＰａ以下）、なおかつ、ろう材４によるろう付けが可能な材料である材料からなる。このような材料としては、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、丹銅またはこれらの内の少なくとも１つを含む銅板がある。緩衝材７として、ろう材よりも融点が高い材料を使用することで、ろう付け時に銅板が変形することがないようにする。また、緩衝材７として一次チップ５および二次チップ６よりも硬度が小さい材料を使用することで、一次チップ５から伝達された衝撃等の応力を吸収し、二次チップ６への伝達を抑制することができる。緩衝材７の厚さは、１ｍｍとする。なお、緩衝材７の厚さは限定されるものではないが、衝撃等の吸収性を確保する観点から、０．５～２．０ｍｍの範囲内とするのが望ましく、０．８～１．５ｍｍの範囲内とするのがより望ましい。

以上、本実施形態のカッタビット１によれば、チップ同士の間（一次チップ５と二次チップ６の間）に緩衝材７が介設されているため、一次チップ５に礫等が接触した際の衝撃を緩衝材７が吸収することで、二次チップ６に作用する衝撃が低減される。その結果、層間にまたがって亀裂が生じること（積層された複数のチップが礫の衝突や圧壊時の圧力により同時に破損すること）を抑制できる。そのため、カッタビット１による切削能力の長寿命化を図ることができる。
また、刃材３が母材２に埋め込まれているため、固定面（ろう付け面）が多く、刃材３が脱落し難い。一次チップ５を凹部２１に根入れすることで、従来の貼り付けタイプのカッタビット（図３（ａ）参照）に比べて、ろう付け面積を大きくできる。そのため、カッタビット１の長寿命化を図ることができる。また、上段刃部５１の前面側の露出面が大きいため、母材２の摩耗を最小限に抑えることができ、ひいては、早期に刃材３が脱落することを防止することができる。また、一次チップ５は、凹部２１内において、三面でろう付けされているため、抜け出し難い。そのため、一次チップ５が衝撃などにより脱落することが防止され、カッタビット１の限界摩耗量が伸び、ひいては、カッタビット１の長寿命化が可能となる。
一次チップ５の背面には、二次チップ６が積層されているため、一次チップ５が摩耗等によって脱落しても、二次チップ６が現れる。したがって、カッタビット１を交換せずとも連続して切削することができる。
凹部２１には、段差が形成されているため、二次チップ６についても凹部２１内において三面でろう付けすることができる。そのため、二次チップ６が早期に脱落（抜け出す）することが防止されている。

次に、本実施形態のカッタビットについて実施した、ろう付けせん断試験、三点曲げ試験、ビット載荷試験の実験結果について説明する。まず、試験で使用した材料について説明する。
各実験において使用する超硬チップには、シールドマシン用ビットの超硬チップとして、耐摩耗性・耐衝撃性に優れた、ＷＣ粒度が粗粒のものを使用するものとし、ＪＩＳ規格における使用分類Ｅ３およびＥ５のものを採用した。本実験では、Ｅ３およびＥ５に相当する超硬チップとして、サンアロイ工業株式会社製のＲＶ４６およびＲＶ５６を使用した。表１に超硬チップの仕様を示す。

また、超硬チップ間に介設する緩衝材には、表２に示すように無酸素銅（Ｃ１０２０）からなる銅板を使用した。
また、母材に使用する一般構造用圧延鋼材として、表２に示すように、ＳＳ４００を使用した。

（１）ろう付けせん断試験
ろう付けせん断試験は、１０００ｋＮ万能試験機を使用して、図４および図５に示すように、板状の母材１０２の表面に超硬チップ１０３をろう付けした試験体１０１を試験機（治具１００）に固定して、変位－荷重関係、最大荷重および最終破壊状態の確認を行った。母材１０２は、高さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍで、超硬チップ１０３は、高さ３０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのものを使用した。超硬チップ１０３は、母材１０２の上端から１０ｍｍの位置にろう付けした。ろう付けに使用するろう材１０４は銀ろうとした。また、試験体１０１には、表３に示すように、超硬チップ１０３と母材１０２との間に、緩衝材を有していないもの（ケース１）と、厚さ０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ緩衝材を介設するもの（ケース２～６）とを使用した。試験では、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、超硬チップ１０３を試験機の治具１０５の上端に載置させた状態で、母材１０２のみを治具１０５により挟み、母材１０２の上端から荷重を作用させて、最大荷重を測定した。各ケースに対して５回試験を行い、超硬チップ１０３を直接母材１０２にろう付けしたケース１と、超硬チップ１０３と母材１０２との間に緩衝材を介設したケース２～６とを対比した。

（ａ）最大せん断強度
試験結果を表４に示す。
表４に示すように、平均値で比較すると、ケース２～６は、緩衝材を介設することで、ケース１の最大荷重２５７．８ｋＮに比べて最大荷重が低下する結果となった。一方、ケース１では、最小値１６６．４ｋＮ、最大値３３６．３ｋＮと標準偏差にバラつきがあった。これに対し、ケース４では、平均値が１８６．９ｋＮとなり、ケース１の７２％程度であったものの標準偏差は６．１で、バラつきが少なかった。なお、ケース２～６における最小値は、ケース３の１４５．９ｋＮ、最大値はケース２の２７３，９ｋＮであった。

ここで、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、幅５０ｍｍのカッタビット２０１によって地盤Ｇを切削する際の切込み深さを１０ｍｍと仮定すると、地盤Ｇ切削時の超硬チップの受圧面積Ａは、式１に示すように、５００ｍｍ^２となる。このとき、せん断試験結果の最小値Ｐｍｉｎである１４５ｋＮの荷重をろう付け部（ろう層）に作用させる際の地盤Ｇの一軸圧縮強度は、式２に示すように、２９０Ｎ／ｍｍ^２となる。一方、カッタビットの設計思想では、ビット幅１ｃｍにつき１ｔ（約１０ｋＮ）の耐力を有するという考えから、幅５０ｍｍのせん断試験体１００は５０ｋＮの耐力を有していればよい。緩衝材を有するろう付け部のせん断耐力の最小値（２９０ｋＮ）は、設計思想に基づくせん断耐力（５０ｋＮ）よりも大きいため、緩衝材を介設した状態で超硬チップをろう付けすることに問題ないといえる。
受圧面積Ａ＝５０ｍｍ×１０ｍｍ＝５００ｍｍ^２・・・式１
地盤の一軸圧縮強度σ＝１４５×１０^３／５００＝２９０Ｎ／ｍｍ^２・・・式２

（ｂ）荷重－変位関係
次に、各ケースの荷重と変位の関係について検証を行った。図７に、ケース毎の荷重と変位の関係を示す。図７に示すように、ケース１～３では、荷重の最大値に差はあるものの、変位量－荷重の関係（勾配）は２００ｋＮ／１ｍｍ程度であった。一方、ケース４～６における変位量－荷重の関係は、１７５ｋＮ／１ｍｍ程度であった。この結果から、緩衝材の厚みが増すと、変形しやすい傾向であることが分かった。
また、ケース４，５，６では、塑性域の始まりがそれぞれ１７５、１２２、９６ｋＮ付近であった。一方、ケース１～３では、勾配が同等で、塑性変形域はほとんど生じていない結果となった。また、ケース２（緩衝材厚０．１ｍｍ）の破壊形態はケース１（緩衝材なし）と同等であった。
ケース４，５（緩衝材厚０．５ｍｍ、１．０ｍｍ）は、他のケースよりも勾配が緩やかになっている。ケース４，５は、変形しやすい傾向であり、塑性変形域も顕著にあらわれていることが確認できた。この結果から、緩衝材の板厚が増すと、塑性変形を始める荷重が低下し、緩衝材の塑性変形後、終局荷重に至ると考えられる。また、試験後の破壊状況を確認すると、脆性的な破壊にはならず、ろう層部の一部が破壊した結果となっているため、緩衝材を含むろう層部の特性が表れていると考えられる。したがって、緩衝材として０．５ｍｍ以上のものを使用するのが望ましいことが確認できた。

（２）三点曲げ試験
三点曲げ試験では、オートグラフを使用して、図８に示すように、支間距離６０ｍｍで下側から支持された試験体３００の中央に上から荷重を加えた場合の最大荷重および最終破壊状況の確認を行った。試験体３００には、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、長さ８０ｍｍ、高さ６ｍｍ、幅８ｍｍの超硬材を使用した場合と、図９（ｃ）および（ｄ）に示すように、２枚の長さ８０ｍｍ、高さ３ｍｍ、幅８ｍｍの超硬材３０１をろう付けしたものを使用した。このとき、超硬材３０１として、Ｅ３を使用した場合、Ｅ５を使用した場合、Ｅ３とＥ５を組み合わせて使用した場合とについて、それぞれ試験を行った。また、２枚の超硬材３０１をろう付けしたケースでは、緩衝材がないものと、緩衝材を介設したものについてもそれぞれ実験を行った。ろう付けのろう材３０２には、銀ろうを使用した。表５に試験体の構成（緩衝材の有無、緩衝材厚さ等）を示す。試験は、各ケースに対して５回ずつ行った。

超硬材Ｅ３を使用したケース１－１～１－６の最大荷重を表６に示す。表６に示すように、緩衝材なしのケース１－２と厚さ１ｍｍの緩衝材を介設したケース１－５は、最大荷重の平均値がそれぞれ８４１４Ｎと８４４９Ｎとなり、超硬材単体からなるケース１－１の強度（８４９４Ｎ）と同等になる結果となった。一方、緩衝材の厚さが０．１ｍｍのケース１－３と緩衝材の厚さが０．５ｍｍのケース１－４では、それぞれ８１１７Ｎと７９２２Ｎとなり、ケース１－１の強度（８４９４Ｎ）よりも若干低下したが、大きな影響はないものと推測される。さらに、緩衝材の厚さが２．０ｍｍのケース１－６の最大荷重の平均値は、９２７３Ｎとなり、ケース１－１に比べて強度が向上する結果となった。したがって、超硬材Ｅ３を使用した場合には、緩衝材を介設することにより、三点曲げ試験における最大荷重に大きな影響が生じないことが確認できた。
また、ケース１－１～１－４では、最終破壊状態が二分割に折損したのに対し、ケース１－５および１－６では、下側の超硬材に発生したクラックが緩衝材を貫通することがなく、二分割されることはなかった。これにより、引張側の超硬材に発生したクラックを緩衝材により止めるという観点から、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設するのが望ましい。

超硬材Ｅ５を使用したケース２－１～２－６の最大荷重を表７に示す。表７に示すように、厚さ１ｍｍの緩衝材を介設したケース２－５は、最大荷重の平均値が８１９５Ｎとなり、超硬材単体からなるケース２－１の強度（８０６７Ｎ）と同等になる結果となった。一方、緩衝材の厚さが０．１ｍｍのケース２－３と緩衝材の厚さが０．５ｍｍのケース２－４では、それぞれ７９３４Ｎと７７５７Ｎとなり、ケース２－１の強度（８０６７Ｎ）よりも若干低下したが、大きな影響はないものと推測される。さらに、緩衝材がないケース２－２と厚さ２ｍｍの緩衝材を介設したケース２－６では、最大荷重の平均値がそれぞれ８６３１Ｎと９５２０Ｎとなり、ケース２－１の強度（８０６７Ｎ）に比べて強度が向上する結果となった。したがって、超硬材Ｅ５を使用した場合には、緩衝材を介設することにより、三点曲げ試験における最大荷重に大きな影響が生じないことが確認できた。
また、ケース２－１～２－４では、最終破壊状態が二分割に折損したのに対し、ケース２－５および２－６では、下側の超硬材に発生したクラックが緩衝材を貫通することがなく、二分割されることはなかった。これにより、引張側の超硬材に発生したクラックを緩衝材により止めるという観点から、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設するのが望ましい。

表８に、Ｅ３同士の複合材料であるケース１－２，１－４，１－５と、引張側（下段）がＥ３，圧縮側（上段）がＥ５であるケース３－２，３－４，３－５の最大荷重を示す。Ｅ３同士の複合材料であるケース１－２，１－４，１－５と、Ｅ３とＥ５との複合体であるケース３－２，３－４，３－５とを比較すると、両者に大差がない結果となった。
なお、緩衝材なしのケース３－２では、最終破壊状態が二分割に折損し、緩衝材の板厚が０．５ｍｍのケース３－４でもほとんどの試験体の最終破壊状態が二分割に折損した。一方、緩衝材の板厚が１．０ｍｍのケース３－５では、試験体が二分割されることを防止できた。これにより、引張側の超硬材に発生したクラックを緩衝材により止めるという観点から、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設するのが望ましい。

表９に、Ｅ５同士の複合材料であるケース２－２，２－４，２－５と、引張側（下段）がＥ５，圧縮側（上段）がＥ３であるケース４－２，４－４，４－５の最大荷重を示す。Ｅ５同士の複合材料であるケース２－２，２－４，２－５と、Ｅ５とＥ３との複合体であるケース４－２，４－４，４－５とを比較すると、ケース４－２，４－４，４－５の最大荷重の平均値がそれぞれ８４９８Ｎ、７５９８Ｎ、８１５２Ｎとなり、ケース２－２，２－４，２－５の８６３１Ｎ，７７５７Ｎ，８１９５Ｎに比べて若干大きくなるものの、両者に大差はなかった。そのため、引張側（下段側）の超硬材の種類によって最大荷重に差が生じるものの、圧縮側の超硬材の種類の違いには大きな差がないことがわかる。
緩衝材なしのケース４－２および緩衝材の板厚が０．５ｍｍの４－４では、最終破壊状態が二分割に折損した。一方、緩衝材の板厚が１．０ｍｍのケース４－５では、ほとんどの試験体が二分割されることを防止できた。これにより、引張側の超硬材に発生したクラックを緩衝材により止めるという観点から、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設するのが望ましい。

（３）ビット載荷試験
載荷試験は、１０００ｋＮ万能試験機を使用した。載荷方法は、図１０に示すように、半径５０ｍｍの載荷治具４００をカッタビット４０１（一次チップ４１１）の中心に終局状態まで載荷することにより行った（図１０参照）。
載荷試験に使用したカッタビット４０１の形状を図１１（ａ）および（ｂ）に示す。カッタビット４０１は、一次チップ４１１と二次チップ４１２が積層された状態で、母材４２０にろう付けされている。また、一次チップ４１１と二次チップ４１２は、ろう付けされている。本実験は、表１０に示すように、一次チップ４１１と二次チップ４１２との間に緩衝材を介設しないケース１～４と、緩衝材を介設したケース５～８について実施した。ケース１では、一次チップ４１１としてＥ５，二次チップ４１２としてＥ３を使用し、ケース２では一次チップ４１１と二次チップ４１２の両方にＥ５を使用した。また、ケース３は、一次チップ４１１と二次チップ４１２の両方にＥ３を使用し、ケース４では一次チップ４１１としてＥ３，二次チップ４１２としてＥ５を使用した。ケース５は、Ｅ３からなる一次チップ４１１と二次チップ４１２との間に厚さ０．５ｍｍの緩衝材を介設した。ケース６では、Ｅ３からなる一次チップ４１１と二次チップ４１２との間に厚さ１．０ｍｍの緩衝材を介設した。ケース７は、一次チップ４１１をＥ３，二次チップ４１２をＥ５とし、緩衝材の厚さを１．０ｍｍとした。さらに、ケース８では、Ｅ３からなる一次チップ４１１と二次チップ４１２との間に厚さ２．０ｍｍの緩衝材を介設した。

一次チップ４１１および二次チップ４１２にＥ３を使用した場合（ケース３，５，６，８）の初期破損荷重Ｗ_ｍｉｎと最大荷重Ｗ_ｍａｘを表１１に示す。初期破損荷重Ｗ_ｍｉｎは、緩衝材なしのケース３が４１．０ｋＮであるのに対し、緩衝材を使用したケース５，６，８では、１２０～１５０％程度荷重が増加した。また、最大荷重Ｗ_ｍａｘについても、緩衝材なしのケース３が１５０ｋＮであるのに対し、緩衝材の板厚が０．５ｍｍケース５と１．０ｍｍのケース６は１５２．３ｋＮと１４４．６ｋＮと同程度であった。一方、緩衝材の板厚が２．０ｍｍのケース８では、最大荷重Ｗ_ｍａｘが１３３．２３ｋＮとなり、ケース３の９０％程度の荷重となった。これらの結果から、初期破損荷重Ｗ_ｍｉｎ及び最大荷重Ｗ_ｍａｘについては、緩衝材の板厚が０．５ｍｍと１．０ｍｍであれば、緩衝材なしと差がないと考えられる。ここで、「初期破損荷重」とは、図１２に示すように、カッタビットに最初の亀裂（破損）が生じることで、荷重が一時的に低下する直前の荷重である。

一次チップ４１１および二次チップ４１２にＥ３を使用したケース６と、一次チップ４１１にＥ３，二次チップ４１２にＥ５を使用したケース７の初期破損荷重と最大荷重を表１２に示す。両ケースにおける緩衝材の板厚は１．０ｍｍである。
表１２に示すように、初期破損荷重は、いずれも５０ｋＮ程度であり、最大荷重はいずれも１４５ｋＮ程度であった。したがって、二次チップ４１２の材種の違いによる影響はほとんど現れなかった。

各実験ケースのチップの破損状況は、緩衝材のないケース３では一次チップ４１１と二次チップ４１２が一体となって破損が生じた。一方、緩衝材の板厚が１．０ｍｍのケース６，７と緩衝材の板厚が２．０ｍｍのケース８では、二次チップ４１２が一次チップ４１１と一体に破損することはなかった。また、緩衝材の板厚が０．５ｍｍのケース５では、一次チップ４１１の破損とともに、二次チップ４１２に縦クラックが生じる場合があった。したがって、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設することで、二次チップへのクラックの進展を防ぐ効果が得られることが確認できた。

以上、ろう付けせん断試験では、超硬チップ同士の間に介設する緩衝材として、０．５ｍｍ以上の厚さのものを使用するのが望ましいことが確認できた。また、三点曲げ試験では、超硬チップ同士の間に緩衝材を介設した場合であっても、緩衝材の厚さにかかわらず緩衝材を介設しない場合は超硬ビット単体と比較して、最大荷重に大きな影響が生じないことが確認できた。また、三点曲げ試験において引張側の超硬材に発生したクラックを緩衝材により止めるという観点からは、緩衝材を０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さにするのが望ましい結果となった。さらに、ビット載荷試験では、初期破損荷重および最大荷重について検討すると、超硬チップ同士の間に厚さ０．５ｍｍ～１．０ｍｍの緩衝材を介設するのが望ましい結果となった。一方、ビット載荷試験における超硬チップの破損状況を確認すると、０．５ｍｍを超える厚さ、好ましくは１．０ｍｍ程度以上の厚さの緩衝材を介設するのが望ましい結果となった。
上記の結果を踏まえ、超硬チップ同士の間に介設する緩衝材の厚さは、０．５ｍｍ～２．０ｍｍの範囲内が望ましいが、０．８ｍｍ～１．５ｍｍの範囲内がより望ましく、さらに１．０ｍｍ程度にするのがより望ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、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。
刃材３を構成するチップ（一次チップ５および二次チップ６）の積層数は限定されるものではなく、地山状況や掘削延長等に応じて増加させてもよい。刃材３を構成するチップの積層数が３層以上である場合でも、チップ同士は、緩衝材７を介してろう付けする。
一次チップ５および二次チップ６を構成する材料は、限定されるものではなく、予想される地質等に応じて適宜決定すればよい。また、一次チップ５および二次チップ６には、異なる材質のカッタチップを使用してもよいし、同じ材質のカッタチップを使用してもよい。
また、一次チップ５の形状は段差を有した形状（上段刃部５１および下段刃部５２を有するもの）に限定されるものではなく、例えば、板状であってもよい。

１カッタビット
２母材
２１凹部
２２前面
２３背面
２４後面
２５底面
３刃材
４ろう材
５一次チップ（チップ）
５１上段刃部
６２下段刃部
６二次チップ（チップ）
７緩衝材

Claims

母材と前記母材にろう付けされた刃材とを備えるカッタビットであって、
前記刃材は、二つのチップと、前記チップ同士の間に配設された緩衝材と、がろう付けされてなり、
前記緩衝材は、ろう材よりも融点が高く、かつ、前記チップよりも硬度が小さい材料からなり、
前記母材には、その先端側に開口する凹部が形成されていて、
前記凹部の底部には、三つの底面を有する階段状の段差が形成されており、前記三つの底面を、前記母材の前面側から上段の底面、中段の底面、下段の底面としたとき、
二つの前記チップのうちの前記母材の前面側に配設されたチップは、前記凹部の三つの底面のうちの上段の底面と中段の底面にろう付けされていて、
緩衝材は、前記凹部の三つの底面のうちの中段の底面にろう付けされており、
二つの前記チップのうちの前記母材の後面側に配設されたチップは、前記凹部の底面のうちの下段の底面にろう付けされていることを特徴とする、カッタビット。
前記ろう材は、銀ろうであり、
前記緩衝材は、銅板であることを特徴とする、請求項１に記載のカッタビット。
前記緩衝材の厚さが０．５～２．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のカッタビット。
二つの前記チップのうちの前記母材の前面側に配設されたチップは、前記母材の先端部において前面および背面が露出している上段刃部と、前記凹部に埋め込まれた下段刃部とを有し、
前記上段刃部は、前面側の露出面が背面側の露出面よりも大きく、
前記下段刃部は、前記凹部内において前面、後面および底面が固定されてい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項に記載のカッタビット。
地山の切削を行うカッタヘッドと、
前記カッタヘッドの後方に配設された本体部と、を備えるトンネル掘削機であって、
前記カッタヘッドには、請求項1乃至請求項４のいずれか１項に記載の複数のカッタビットが固定されていることを特徴とする、トンネル掘削機。