JPH04272386A - 岩盤掘削用カッターヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、岩盤掘進機の先端に
付設して、岩盤を掘削するために用いるカッターヘッド
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カッターヘッドには色々なタイプのもの
がある。その中で比較的硬い岩盤の掘進に使用される代
表的なものに、複数個のローラーカッターを前面に付設
した構造のものがある。ローラーカッターは、カッター
ヘッドの回転により切羽面に押しつけられて自転し、刃
先を次々と切羽面に押しつけて硬岩を圧壊して行く機構
のものである。ローラーカッターは硬岩に対しては寿命
が非常に長く、硬岩に対して磨耗が早い切削ビットより
も結果的に安価であるという利点をもっている。

【０００３】ところが、ローラーカッターは、次に述べ
るような欠点を持っている。第１は、岩盤が泥岩のよう
に軟らかくて粘いものになると、ローラーカッターの刃
先が泥岩の中にめり込んで、泥岩をローラーで押しつけ
るだけとなり、泥岩を破壊できなくなる。第２は、岩盤
に節理や亀裂があれば、岩盤そのものが非常に硬くても
、節理や亀裂を第２の自由面として、ローラーカッター
の刃先が岩面を剪断破壊して行くことができるが、岩盤
に節理や亀裂が無い場合には、掘削面だけの１つの自由
面だけとなるので、刃先があたった岩盤が僅かに窪んで
粉砕されるだけで、破壊が困難になる。第３は、ローラ
ーカッターが、掘削機構を切削と異にし、大きな力を刃
先から岩面に伝達することが必要とされ、その力によっ
て岩を圧壊（割裂破壊）又は剪断破壊するのであるから
、切羽面（掘削岩面）の半分、例えば右半面が風化して
軟らかく、左半面が未風化で硬いときには、左半面を圧
壊するために斜め左向きの大きな押付力の反力を受けて
、カッターヘッドは右に流れ、規定の方向に掘進できな
くなる。従って、ローラーカッターを付設しただけのカ
ッターヘッドでは、全ての岩盤を満足に掘削することが
できなかった。

【０００４】また、従来のトンネルボーリングマシン（
ＴＢＭ）の中には、カッターヘッドの前面にジスクカッ
ターとスクレーパービットとを付設したものがあった。 この機械は、ジスクカッターが岩盤を切削し、これによ
って生じたズリをスクレーパービットが掻き落として取
込口へ送るという機構のもであった。だから、スクレー
パービットは岩盤を切削するためのものではなかった。 従って、スクレーパービットは刃先が広幅とされ、刃先
がジスクカッターの刃先よりも後方に控えて位置するこ
ととなり、スクレーパービットの根本にはズリの取込口
が設けられていた。このように、ＴＢＭは、ジスクカッ
ターが専ら岩盤切削の役目を果たすものであったから、
前述のローラーカッターと同様な欠点を持つこととなっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、泥岩のよ
うに軟らかく粘い岩盤も、全く風化していない花こう岩
や閃緑岩のように硬くて、しかも全く節理や亀裂のない
岩盤でも、能率よく容易に掘削でき、かつ切羽断面の上
下左右に岩盤が硬軟の大きい差を示しても、掘進中に軟
らかい方へ流れることのないようなカッターヘッドを提
供しようとするものである。

【０００６】

【課題解決のための手段】この発明は、カッターヘッド
の前面に複数個のローラーカッターを取り付けるととも
に、その間に同心円状に１段又は数段にわたって、切削
ビット又は摺動ビットからなるスリットカッターを付設
し、スリットカッターの先端をローラーカッターの突起
部先端よりも前方へ突出させることにより、カッターヘ
ッドの回転によって切羽面に１段又は数段の同心円状の
溝を先行して作り、これによってその溝を第２の自由面
としてローラーカッターによる圧壊を容易にしようとす
るものである。

【０００７】また、この発明は、スリットカッターによ
り、切羽面上に同心円状の溝を先行して設けることによ
って、カッターヘッドの掘進方向が意図しない方向に流
されることを防止しようとするものである。すなわち、
例えばスリットカッターを最外周に設け、しかもこれを
ローラーカッターの最外周のゲージカッターより僅かに
外側へ位置させることにより、ゲージカッターに加えら
れる半径方向の反力をなくし、これにより切羽面に岩盤
の硬軟の差があっても、掘進方向が傾かないようにしよ
うとするものであり、或いはまた中間にスリットカッタ
ーを付設して、これが作る溝を恰もパイロットボーリン
グによるガイドのように作用させることにより、掘進方
向の横流れを防止しようとするものである。

【０００８】

【発明の要旨】この発明は、岩盤掘進機の先端に位置し
、回転することにより岩盤を掘削するカッターヘッドに
おいて、その前面にスリットカッターと、ローラーカッ
ター又はジスクカッターとを併せて付設し、スリットカ
ッターの先端をローラーカッター又はジスクカッターの
突起部先端よりも前方へ突出させたことを特徴とする、
カッターヘッドを要旨とするものである。

【０００９】

【各要件の説明】この発明では、スリットカッターを用
いる。スリットカッターとは、作里鉋で板を削るように
岩面を削って、岩盤に狭い幅の溝を作るのに用いられる
カッターである。

【００１０】スリットカッターとしては、一般に切削ビ
ット又は摺動ビットと呼ばれている形式のものを小さな
幅としたものである。切削ビットとは、タングステンカ
ーバイド製のチップをシャンクの先に固定して作られた
ビットである。また、摺動ビットとは、ダイヤモンド粒
子又はこれに次ぐ超硬材をマトリックスで固めたものを
チップとし、これをシャンクの先端に固定して作られた
ものである。岩盤の切削は、ビットの先端にあるチップ
を岩盤に押しつけながらビットを摺動させ、岩盤を擦り
減らすことによって行うのである。切削ビットは、主と
してこれまで軟岩を掘削するのに用いられ、摺動ビット
は硬岩を掘削するのに用いられて来た。

【００１１】この発明で用いられるスリットカッターは
、小さな幅を持っている。その幅は理論的には１ｍｍで
もよいが、幅が余りに小さいと強度が弱くなるので、実
際には或る程度の幅を持たせている。その幅は実用上５
ないし３０ｍｍである。この幅は、従来の切削ビット又
は摺動ビットが５０ｍｍ〜３００ｍｍの幅を持っていた
のに比べると、非常に小さいものである。

【００１２】もともと、切削ビット又は摺動ビットによ
る切削は、ローラーカッター又はジスクカッターなどに
よる圧壊に比べると、桁違いに小さな押圧力で足りる。 具体的に云えば、圧壊を行うためには何屯と云うオーダ
ーの押圧力が必要とされるが、切削を行うには何百Ｋｇ
というオーダーの押圧力を加えただけで充分である。だ
から、切削ビット又は摺動ビットを使用すれば、掘削反
力は小さなものとなる。その上に、この発明では切削ビ
ット又は摺動ビットを小幅のものとして使用するから、
掘削反力は一層小さくなる。従って、カッターヘッドの
方向制御は何等支障なく行うことができる。

【００１３】この発明で用いられるローラーカッターと
ジスクカッターとは、これまで使用して来たものをその
まま用いる。ローラーカッターは、回転可能なローラー
の表面にタングステンカーバイドなどの超硬材製突起を
多数植設したものである。ローラーカッターには、コー
ンカッターと呼ばれるもので、回転可能な円錐面に多数
のタングステンカーバイドの突起を植設した構造のもの
も含んでいる。

【００１４】スリットカッターは、カッターヘッドの前
面に、取り外し可能に固定することが望ましい。その理
由は、スリットカッターは、岩盤の性状により必要とさ
れるときだけこれを使用することとし、岩盤が亀裂や節
理を多く含んでいたり、上下左右の掘削反力が等しくな
るような場合には、スリットカッターを取り外してカッ
ターヘッドを回転させることとするのが、好結果をもた
らすからである。また、スリットカッターは、ローラー
カッターやジスクカッターに比べて磨耗が激しく、屡取
り換えなければならないからである。

【００１５】スリットカッターとローラーカッター又は
ジスクカッターとの配置は、次のようにするのが望まし
い。スリットカッターはこれを最外周に設け、その内側
にこれと接近してローラーカッター又はジスクカッター
を設け、さらにその内側にスリットカッターを設けると
いうように、カッターヘッドの前面に半径方向に見てス
リットカッターとローラーカッター又はジスクカッター
とを交互に設けるのが好ましい。

【００１６】スリットカッターをローラーカッター又は
ジスクカッターと交互に配置した結果、カッターヘッド
の前面には半径方向にスリットカッターが数段にわたっ
て設けられることになる。この場合の段数は、さほど多
くする必要はない。例えば、外径が１０００〜２０００
ｍｍ位のカッターヘッドの場合でも、スリットカッター
の段数は１ー４段で充分である。なぜならば、スリット
カッターを１段設けると、これが岩盤を切削して生じる
溝によって、相当広い範囲にわたってローラーカッター
又はジスクカッターが、溝の両がわの岩盤を溝内へ崩し
倒すことができるからである。

【００１７】スリットカッターの先端をローラーカッタ
ー又はジスクカッターの突起部先端よりも前方へ突出さ
せる程度は、大きければ大きいほどよい。しかし、余り
大きく突出させると、スリットカッターが折損しやすく
なるので、実際は強度のもつ限りにおいてなるべく大き
く突出させるようにする。その突出の程度は、数ｍｍか
ら数百ｍｍとするのが好ましい。

【００１８】この発明で用いるスリットカッターは、前
述のように、これまで用いられて来た切削ビット又は摺
動ビットを小幅なものとして用いてもよいが、最も好適
なのは、この発明者がさきに特願平２ー３３５９７９号
として出願した中に記載されたものである。

【００１９】この発明で用いるのに好適なスリットカッ
ターは、図５に示したように、特殊な構造のチップ３０
をシャンク４０の先端に固定したものである。ここで特
殊な構造のチップ３０とは、硬質材料製のマトリックス
３１の中に、上記材料より硬い超硬質材料製の棒状体３
２を埋め込み、棒状体３２がその軸をマトリックス３１
の表面３３に垂直に向け端をマトリックス表面３３上に
露出させるようにしたものである。また、このような棒
状体３２をマトリックスの表面３３上に多数分散して設
けた構造のものである。マトリックスとしては、ニッケ
ルクローム鋼、コバルト銅鋼のような鉄系合金のほか、
熱硬化性樹脂を用いることができる。超硬質材料として
は、タングステンカーバイド系焼結合金のほか、セラミ
ック、ＣＢＮ（窒化硼素）を用いることができる。棒状
体３２は、直径を０．１ー５ｍｍとするのが適している
。図５では、能率向上のため、このチップを２個つけた
例を示している。

【００２０】また、チップ３０は、棒状体３２がマトリ
ックスの先端にある表面３３上に露出するだけでなく、
両側面３４にも露出している構造とするのが好ましい。 この構造のものは、側面３４がスリットカッターの摺動
方向に沿って延びるように位置させて、矢印Ｘの方向に
移動させる。

【００２１】図５に示したようなスリットカッターでは
、超硬質材料製の棒状体３２が硬質材料製のマトリック
ス３１中に埋め込まれており、しかも棒状体３２の軸が
マトリックスの表面にほぼ垂直に向き、端をマトリック
ス表面上に露出させているので、これをカッターヘッド
に取り付けると、まずマトリックス３１が岩盤を摺動す
るが、マトリックス３１は硬質材料製であり、他方棒状
体３２は超硬質材料製であるため、マトリックス３１が
磨耗して棒状体３２の端が突出することとなり、従って
棒状体３２が岩盤を切削することとなる。このとき、棒
状体３２の先端が磨耗又は欠落しても、引き続いてこれ
に続く部分が露出して岩盤を切削することになるから、
永い期間にわたって一様に切削して行くことができる。 さらに、棒状体３２はマトリックス３１中に埋め込まれ
ているから、マトリックス３１に保護されて折損するお
それが少ない。従って、図５のスリットカッターは、こ
の発明で使用するのに好適である。

【００２２】

【発明の効果】こ発明によれば、カッターヘッドの前面
にスリットカッターと、ローラーカッター又はジスクカ
ッターとを併せて付設し、スリットカッターの先端をロ
ーラーカッター又はジスクカッターの突起部先端よりも
前方へ突出させたので、このカッターヘッドを回転させ
て岩盤を掘削すると、まずスリットカッターが岩盤を切
削して小さな幅の溝を作る。この溝の形成は、スリット
カッターが岩盤を溝状に削り取ることによって行われる
から、僅かな押圧力で行うことができ、しかもスリット
カッターは幅が小さいから一層僅かな力で岩盤を掘削し
て行くことができる。こうして、スリットカッターが先
行して幅の狭い溝を掘ったあとで、溝の近くにローラー
カッター又はジスクカッターが接触し、岩盤を圧壊する
ことになるが、このときには溝が第２の自由面として働
くから、圧壊を比較的容易に行うことができる。従って
、硬い岩盤でも、また軟らかい岩盤でも比較的小さな動
力で能率よく掘進して行くことができる。さらに、スリ
ットカッターが先行して溝を掘り、溝内にスリットカッ
ターが嵌まり込んでいるから、スリットカッターの溝内
への嵌入が案内となってカッターヘッドの向きを定める
こととなり、従って掘進方向が意図しない方向に向かう
ことが防止できる。さらに、無闇に大きな力を加える必
要もないから、カッターヘッドの横流れは一層少なくな
る。この発明は、このような利点をもたらすものである
。

【００２３】

【実施例】以下に実施例を挙げて、この発明に係るカッ
ターヘッドの作用が従来のものこさなる点を具体的に明
らかにする。その場合、図１は、この発明に係るカッタ
ーヘッドの正面図であり、図２は図１のＩＩーＩＩ線断
面図である。図２のターレット２は、カッターヘッド１
を支えて回転するベアリングや歯車（図では省略されて
いる）を収容する部分であり、掘進機本体３はターレッ
ト２を首振自在に冠着している。

【００２４】カッターヘッド１には、中央にセンター掘
削用のセンターカッター４が３個と、外周を掘削するゲ
ージカッター５が３個と、合計６個のチップインサート
タイプのローラーカッターが配置されている。面板６は
大割れした岩塊の侵入を防ぐためのものである。ローラ
ーカッター４及び５は、フレーム７に溶接又はボルト止
めによって固定されている。これまでは従来のカッター
ヘッドが備えていた構造である。

【００２５】この発明のカッターヘッドは、従来のカッ
ターヘッドに、外周のところでスリットカッター８を固
定し、内がわの中間にスリットカッター９を固定し、何
れも交換可能としたものである。

【００２６】ローラーカッターは、通常これを取り換え
ないで２００ｍー３００ｍの距離を掘進することができ
るので、１スパンの工事中には現場で取り換えることは
滅多にない。ところが、スリットカッターは、現在の技
術では数ｍー数１０ｍの距離を掘進しただけで取り換え
を必要とする。そこで、図２に示すバルクヘッド１０に
設けられた点検ドアー１１を開いて、チヤンバー１２か
らスリットカッターを交換できるようにする。なお、送
排泥管１３は、掘削ズリを水力輸送により排出するため
の管である。

【００２７】スリットカッター８及び９の刃先は、図２
に示したように、ローラーカッターの掘削面１４より前
方へ突出して、掘削面１４より常に先行して、同心円状
の溝を切羽の岩盤１５に掘って行く。ローラーカッター
のインサートチップ１６は、ローラーの自転により次々
と切羽岩面を突いて行くが、岩盤に節理や亀裂がないと
きは、岩面には１自由面しかないために、図３に示すよ
うにインサートチップの先の岩が少しずつ粉になるだけ
で、掘進能率は極めて悪くなる。図３は、その様子を示
すために図２のＥ部から溝を除いて示した。

【００２８】ゲージカッター５についているインサート
チップ１６及び１７は、岩盤１５を大きな力で圧壊しよ
うと押圧するが、岩盤１５に全く天然の節理や亀裂もな
く、またスリットカッターで人工的に作った溝もないと
きには、インサートチップで押された局部１８が粉とな
るだけで、大きく割れなくなる。また、最外周のインサ
ートチップは岩盤の前面１８も掘らなければならないが
、同時に側面１９も掘らなければならないので、ゲージ
カッターにはその反力としてＦという大きな力が加わる
。そのＦの半径方向の分力をＦ１とし、掘進方向の分力
をＦ２とすると、掘進機の機体又は反対がわのゲージカ
ッターにその力に見合うだけの反力が取れなかった場合
は、掘進機は方向を変えてしまう。つまり、方向制御能
力を失ってしまう。

【００２９】ところが、第２図や第４図に示したように
、スリットカッター８及び９によって外周スリット２０
及び中間スリット２１を先行して作っておくと、インサ
ートチップ１６によって押圧された岩盤１５には、図４
の２点鎖線２２のように、溝によって作られた面を第２
の自由面として剪断破壊して行く。このため、掘削能率
は数倍に向上する。この能率の向上が大きいので、スリ
ットカッターの消耗や交換の工費を補償して充分に利益
となる。

【００３０】また、外周スリットカッター８で作られた
溝２０は、ゲージカッター５の最外周のインサートチッ
プ１７より、僅かに外へ出ているので、インサートチッ
プ１７は外周側面を掘削する必要はない。従って、図３
の反力Ｆ１に相当するような反力を生じないから、方向
制御は極めて確実なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る岩盤掘削用カッターヘッドの正
面図である。

【図２】図１中のＩＩーＩＩ線断面図である。

【図３】従来の岩盤掘削用カッターヘッドの掘削を説明
した一部拡大図である。

【図４】この発明に係る岩盤掘削用カッターヘッドの掘
削を説明した一部拡大図である。

【図５】この発明で用いるに適したスリットカッターの
斜視図である。

【符号の説明】

１　　カッターヘッド ４及び５は　　ローラーカッター ８及び９は　　スリットカッター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　岩盤掘進機の先端に位置し、回転する
   ことにより岩盤を掘削するカッターヘッドにおいて、そ
   の前面にスリットカッターと、ローラーカッター又はジ
   スクカッターとを併せて付設し、スリットカッターの先
   端をローラーカッター又はジスクカッターの突起部先端
   よりも前方へ突出させたことを特徴とする、カッターヘ
   ッド。
2. 【請求項２】　　スリットカッターの先端にあるチップ
   が、硬質材料製のマトリックスと超硬質材料製の棒状体
   とで構成され、棒状体はマトリックス中に埋め込まれて
   おり、棒状体が軸をマトリックス表面に垂直に向けると
   ともに、端をマトリックス表面上に露出させた構造を取
   っていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記
   載するカッターヘッド。