JPH07103762B2 - 岩盤掘削用カッターヘッド - Google Patents

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ディスク
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、ディ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のであった。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、刃先がディ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、
ディ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】

【課題を解決するための手段】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
ッター又はディ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ディスクカッ
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基盤中に植えつけて基盤で一
体とし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ディスクカッターなど
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
ディスクカッターとは、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
カッターやディ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
ディ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ディスクカッ
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ディスクカ
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
ディ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１０００〜２００
０ｍｍ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１−４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
ー又はディスクカッターが、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
ー又はディ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２−３３５９７９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、硬質材料製の基盤３１の中
に、上記材料より硬い超硬質材料製の棒状体３２を埋め
込み、棒状体３２がその軸を基盤３１の表面３３に対し
垂直に向け一端を基盤表面３３上に露出するようにした
ものである。また、このような棒状体３２を基盤の表面
３３上に多数分散して設けた構造のものである。基盤と
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０．１−５ｍｍ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が基盤の
先端にある表面３３上に露出するだけでなく、両側面３
４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が硬質材料製の基盤３１
中に埋め込まれており、しかも棒状体３２の軸が基盤の
表面に対してほぼ垂直であり、一端を基盤表面上に露出
させているので、これをカッターヘッドに取り付ける
と、まず基盤３１が岩盤上を摺動するが、基盤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、基盤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は基盤３１中に
埋め込まれているから、基盤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ディスク
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ディ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
ラーカッター又はディ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−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−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−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２
０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−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 ローラーカッター ５ ローラーカッター ８ スリットカッター ９ 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ディ
   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ディ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、硬質材料製の基盤と超硬質材料製の棒状体とで構成
   され、棒状体は基盤表面に対し垂直に基盤中に埋め込ま
   れるとともに、一端を基盤表面上に露出させていること
   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。