JP2004044244A

JP2004044244A - 地中掘削機のローラカッタ、螺旋形ローラカッタおよびそれを装着したカッタヘッド

Info

Publication number: JP2004044244A
Application number: JP2002203564A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Ueda; 上田　匡邦; Tetsuyuki Kasuya; 糟谷　哲之
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】岩石、鉄筋等と同様に、木材などの繊維状の掘削物も確実に破砕し掘削でき、掘削能率を向上できる地中掘削機のローラカッタ、螺旋形ローラカッタおよびそれを装着したカッタヘッドを提供する。
【解決手段】ローラカッタにおいて、隣り合う刃と刃間または突起と突起間の回転軸心（１２）回りのピッチ角（β）、あるいは回転方向の間隔を不等にして、それぞれの刃部（１３）または突起部を配列設置する。螺旋状の刃を有する螺旋形ローラカッタにおいて、隣り合う刃と刃間の回転軸心（１２）回りのピッチ角（β）、または刃のリード角（θ）を不等にして、それぞれの刃部（１３）を配列設置する。これらのローラカッタの少なくともいずれか１つをカッタヘッドに装着する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小口径管推進機やシールド掘削機などの地中掘削機のローラカッタ、螺旋形ローラカッタおよびそれを装着したカッタヘッドに関し、特には地中の岩石、礫、コンクリート、鉄筋および木材等多種の埋設物の効率的な掘削に好適なローラカッタ、螺旋形ローラカッタおよびそれを装着したカッタヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、老朽化した既設の水道管等の埋設管を更新する際に、地表面からの掘り起こしが困難な場合には、新設管の埋設時と同様の小口径管推進機を用いる工法で、立坑から横方向に管推進掘削して既設の埋設管を破砕しながら、新たに管を埋設する工法が知られている。図７は、小口径管推進機を用いた既設管破砕工法の例を模式的に表した図である。図７において、既設埋設管３６は、円筒状のコンクリート部３８と、その軸線方向および周方向に埋設された鉄筋３７とを有している。また、埋設管３６の軸線方向（つまり埋設方向）に沿って、２本の縦木材４２，４２が布設され、さらにこの縦木材４２，４２の上に長手方向に所定間隔で横木材４１が設置され、この横木材４１の上部に前記埋設管３６が載置され、そして横木材４１の上部で、かつ該埋設管３６の側方左右にはくさび材４３，４３が固定されており、このような状態で地中に埋設されている。このように従来は、埋設管と共に枕木（いわゆる胴木）が布設されていることが多く、この場合に、小口径管推進機３０の先端部のカッタヘッド３１でこれらの埋設管３６のコンクリート部３８、鉄筋３７およびその胴木（横木材４１、縦木材４２、くさび材４３等）を共に効率良く破砕する必要がある。
【０００３】
また、一般的にトンネル掘削機械として使用されているシールド掘進機においても、地中に埋設された瓦礫、岩石、コンクリート、鉄筋および木材等多種の埋設物を効率的に破砕し掘削して、掘削能率を向上することが要求されている。
【０００４】
このような要求に応えるものとして、従来、小口径管推進機やシールド掘削機（以後、これらを総称して地中掘削機と言う）の先端部に回転自在に設けたカッタヘッドに装着するローラカッタの刃形状を改善したものが提案されており、例えば特開平１０−３７６８０号公報に記載された螺旋形ローラカッタおよびトンネル掘進機のカッタヘッドが知られている。図８は同公報に記載された実施例を示す図で、（Ａ）はカッタヘッドの正面図、（Ｂ）は螺旋形刃部軌跡の説明図であり、また図９はその螺旋形ローラカッタの詳細図であり、以下、これらの図により従来技術を説明する。
【０００５】
トンネル掘進機の先端部に回転自在に設けたカッタヘッド３１の外周部には、該カッタヘッド３１の一つの直径方向に回転軸線３２を有し、かつ外周面にその接線方向（ずなわちカッタヘッド３１の回転接線方向）との成す角（以後、リード角と言う）θが４５度の複数条の螺旋形刃部３３ａを形成した二つの螺旋形ローラカッタ３３，３３が回転自在に装着されている。螺旋形ローラカッタ３３，３３が装着された前記一つの直径方向と直交する直径方向には、その回転軸線の直交面内に該軸線方向に所定間隔で複数の円形刃部を形成した横刃形ディスクカッタ３５，３５が回転自在に装着されている。
【０００６】
上記の構成によると、図８（Ａ）に示すようにカッタヘッド３１がＳ１方向に回転すると、螺旋形ローラカッタ３３は既設埋設管３６の破砕面に押し付けられてＳ２方向に回転する。このため、図８（Ｂ）に示すように、既設埋設管３６のコンクリート部３８の破砕面から管軸線方向に突出した鉄筋３７は、カッタヘッド３１によって押し付けられ、カッタヘッド３１の回転方向Ｓ１に折り曲げられる。そして、前記破砕面上に形成される螺旋形ローラカッタ３３の螺旋形刃部３３ａの軌跡３９は、この折り曲げられた鉄筋３７に対して前記リード角θに相当する角度で斜めに移動するので、鉄筋３７の切断面積が小さくて切断抵抗が小さくなり、また螺旋形ローラカッタ３３が回転しながら鉄筋３７を横切るので、鉄筋３７を確実に切断することができる。しかも、複数条の螺旋形刃部３３ａのピッチ間隔Ｐが小さいので、鉄筋３７を細かく破砕でき、搬出時に絡んで搬出不可となるような問題が生じることはない、などの効果が得られるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０−３７６８０号公報に記載された螺旋形ローラカッタ３３およびこれを装着したカッタヘッド３１を用いて、既設埋設管およびその胴木を共に破砕する場合でも、次のような問題が生じることがある。
従来の螺旋形ローラカッタ３３で胴木等の木材を破砕しようとすると、その螺旋形刃部３３ａは木材に押し付けられて回転し、該木材を削ってその刃形に合った溝を形成するだけで、破砕に至らないことが頻繁に発生する。そして、この木材の溝は、隣り合う螺旋形刃部３３ａ間のピッチ間隔Ｐで並列に形成される。このため、カッタヘッド３１が半回転または一回転し、螺旋形ローラカッタ３３が上記の破砕されなかった木材の所に来たときに、その一つの螺旋形刃部３３ａが前回形成された溝の位置から少しだけずれていた場合には、螺旋形ローラカッタ３３が空回りして該螺旋形刃部３３ａが前記溝にはまり込むことになる。
【０００８】
ところが、従来の螺旋形ローラカッタ３３では、複数の螺旋形刃部３３ａのリード角θは一定で、しかも隣り合う螺旋形刃部３３ａ間のピッチ間隔Ｐも一定に構成されているから、上記の如く一旦一つの螺旋形刃部３３ａが一つの溝にはまると、それ以降の螺旋形刃部３３ａも順次溝にはまり込んでゆき、しかもカッタヘッド３１が回転してもこの状態が継続する。このため、溝と溝の間の木材が破砕されずに残る。その残った部分がローラカッタ３３の刃底やカッタヘッド３１の前面に当接した状態となり、これがカッタヘッド３１の推進抵抗となるため、掘削効率が低下するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたもので、岩石、鉄筋等と同様に、木材などの繊維状の掘削物も確実に破砕し掘削でき、掘削能率を向上できる地中掘削機のローラカッタ、螺旋形ローラカッタおよびそれを装着したカッタヘッドを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記目的を達成するため、第１発明は、地中掘削機の先端部のカッタヘッドに回転自在に設けるローラカッタにおいて、隣り合う刃と刃間または突起と突起間の回転軸心回りのピッチ角、あるいは回転方向の間隔を不等にして、それぞれの刃部または突起部を配列設置した構成としている。
【００１１】
また、第２発明は、地中掘削機の先端部のカッタヘッドに回転自在に設ける、螺旋状の刃を有する螺旋形ローラカッタにおいて、隣り合う刃と刃間の回転軸心回りのピッチ角、またはそれぞれの刃のリード角を不等にして、それぞれの刃部を配列設置した構成としている。
【００１２】
第１発明または第２発明によると、ローラカッタの外周面に形成した縦形刃部、螺旋形刃部または突起部等の、隣り合う刃と刃間または突起と突起間の回転軸心回りのピッチ角、あるいは回転方向の間隔、あるいは螺旋形刃部の場合の刃のリード角を不等にしているので、カッタヘッドのある回転周回目で該ローラカッタで木材等の繊維状の掘削物を掘削した時に破砕に至らずに溝が形成された場合でも、次の周回目では刃部や突起部の軌跡が少なくとも一部は前回と異なり易くなり、前記溝にはまり込み難くなる。また、万一、一箇所で軌跡が一致したとき、または一箇所で刃部や突起部が前記溝に滑り込んではまってしまったときでも、これ以降の軌跡は少なくとも一部が確実に前回と異なるので、ローラカッタが同じ溝にはまり込むことによる掘削物の掘削残りが確実に減少し、繊維状の掘削物でも確実に破砕し掘削できる。
【００１３】
第３発明は、第２発明において、前記不等な回転方向の刃間間隔が２０〜５０ｍｍ以内であることを特徴とする地中掘削機の螺旋形ローラカッタである。
【００１４】
第３発明によると、前記不等な回転方向の刃間間隔を２０〜５０ｍｍ以内に設定しているので、木材等の繊維状の物だけでなく、岩石、礫、鉄筋など他の掘削物に対しても隣接破砕による充分に大きな破砕力を発揮することができ、多種にわたって確実に破砕し掘削することができる。従って、掘削効率を向上できる。
【００１５】
また、第４発明は、第１〜第３発明のローラカッタの少なくともいずれか１つを装着した地中掘削機のカッタヘッドである。
【００１６】
第４発明によると、上記ローラカッタで繊維状のものでも確実に破砕し、掘削できるので、該ローラカッタを装着したカッタヘッドで掘削することにより、掘削能率が低下することなく、効率良く地中掘削ができる。従って、このようなカッタヘッドを備えた小口径管推進機により、既設埋設管を胴木と一緒に効率的に破砕し掘削できる。また、このようなカッタヘッドを備えたトンネル掘削機等により、地中の岩石、礫、鉄筋などの他に、木材等の繊維状の掘削物も、効率的に掘削でき、掘削能率を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
まず図１および図２により、本発明に係るローラカッタを装着した地中掘削機の例として、小口径管推進機の概要構成を説明する。図１は、この小口径管推進機の正面図で、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１，２において、小口径管推進機１は、図示しない先導管の前部に左右および上下方向に方向転換自在に設けた略円筒状の先導装置２を備え、この先導装置２の先端部にはカッタヘッド３を軸心回りに回動自在に設けている。カッタヘッド３の前面の外周部には、カッタヘッド３の軸心を含む直径方向の面内にその回転軸線１２を有する２個の螺旋形ローラカッタ１０，１０を回転自在に設けている。それぞれの螺旋形ローラカッタ１０，１０は、図示しない回転軸に回動自在に嵌挿されており、該回転軸はその両端部に装着された１対のブラケット１１ａ，１１ｂを介してカッタヘッド３の本体に前方と後方からボルトで締着されている。この螺旋形ローラカッタ１０の回転軸線１２は、カッタヘッド３の中心側がカッタヘッド３の軸心近傍を通り、外方側がカッタヘッド３の前面に対して掘進方向後方に所定角度αだけ傾斜している。
【００１９】
また、カッタヘッド３の前面の略中央部には、前記回転軸線１２に直交する方向の回転軸線６を有する複数の螺旋形ローラカッタ５ａ，５ｂ，５ｃを回動自在に設けている。
上記構成により、カッタヘッド３が図示のＳ１方向に回転すると、埋設管や地山の破砕面、掘削面に押し付けられているこれらのカッタは転動し、前記２個の螺旋形ローラカッタ１０，１０はＳ２方向に、螺旋形ローラカッタ５ａ，５ｂはＳ３方向に、そして螺旋形ローラカッタ５ｃはＳ４方向にそれぞれ回転する。そして、これらの螺旋形ローラカッタ５ａ，５ｂ，５ｃと前記２個の螺旋形ローラカッタ１０，１０とのそれぞれの軌跡が互いに重ならないように、それぞれの設置位置が設けられている。
本実施例では、掘削断面のいかなる位置に鉄筋および木材が存在しても効率良く掘削できるように、全てのローラカッタを螺旋形ローラカッタにしている。しかし、鉄筋および木材の存在位置が明らかで、螺旋形ローラカッタを必要としない掘削断面が存在する場合は、螺旋形ローラカッタとその他形状のローラカッタを織り交ぜて配置してもよい。
【００２０】
図３および図４はそれぞれ前記螺旋形ローラカッタ１０の正面図および側面図であり、これらの図により螺旋形ローラカッタ１０を詳細に説明する。
前記螺旋形ローラカッタ１０は複数条の螺旋形刃部１３を有し、それぞれの刃部１３の長手方向中央部間の距離、すなわち同螺旋形ローラカッタ１０の回転軸心１２回りのピッチ角βは、複数の（本例では２つの）不等ピッチ角β１，β２で、不規則に設定されている。図３および図４に示した実施例では、β１＝２８度、β２＝３２度であり、このときの螺旋形ローラカッタ１０の最大外径Ｄ１は約２５０ｍｍ、刃高ｈは約２５ｍｍである。なお、これらの設計寸法を設定するに当たり、螺旋形ローラカッタ１０を地山や埋設管のコンクリート部に押し付けたときの押し付け力の大きさで螺旋形刃部１３の厚さや刃高ｈが決定され、この厚さおよび刃高ｈの螺旋形刃部１３でもって隣接破砕時の所定値以上の引っ張り力を発生させるに要し、かつ刃間の破砕された物が円滑に外部に排出されるような適切な刃間ピッチ角β、すなわち回転方向の刃間間隔を設定する。この場合の回転方向の刃間間隔は、本発明者らの実施データによると２０〜５０ｍｍ以内が適切である
【００２１】
次に、上記構成による作用、効果を図５および図６により説明する。
図５はカッタヘッド３の１回転毎の、螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３の軌跡を模式的に表しており、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ１周目、２週目、３週目を表し、図５（ｂ）、（ｃ）において破線は前周目の軌跡を、実線は今回の軌跡を表している。カッタヘッド３の最大外径Ｄ０（図１参照）と螺旋形ローラカッタ１０の最大外径Ｄ１との比を整数倍からずれるように設定することにより、カッタヘッド３の１周目の軌跡のスタート位置における螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３と、２周目の軌跡のスタート位置における螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３とは異なったものとなる。しかも、螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３の刃間ピッチ角βは不等であるから、上記のようにスタート位置での螺旋形刃部１３が異なると、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、以降の螺旋形刃部１３の軌跡は前周目の軌跡と確実に異なったものとなる。
【００２２】
また、図６は、１周目の軌跡に対して２周目のスタートの軌跡が一致した場合の、それ以降の軌跡のずれを表しており、図６（ａ）は１周目の軌跡、（ｂ）は２周目の軌跡をそれぞれ表し、破線は前周目の軌跡を、実線は今回の軌跡を表している。同図で分かるように、カッタヘッド３の回転のスタート位置で、万一螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３が前周目の螺旋形刃部１３によって形成された木材溝にはまり込んで、今回のスタート位置の軌跡が一致したとしても、螺旋形ローラカッタ１０の螺旋形刃部１３の刃間ピッチ角βが不等であるため、これ以降の軌跡は少なくとも一部が前周目と異なることになる。さらに、螺旋形刃部１３が不等ピッチ角βで不規則に配置されているから、以降の軌跡が前周目と異なる可能性がさらに高くなり、軌跡の異なる部分が多くなる。従って、今回の軌跡の異なる位置では、螺旋形刃部１３による隣接破砕の破砕力が確実に木材等の掘削物に伝わって、破砕し掘削し易くなり、またこれにより破砕された被破砕物はその位置がずれて次周目には螺旋形刃部１３の軌跡が異なるから、確実に破砕することができる。この結果、全体として、木材等の繊維状の物であっても確実に、細かく破砕し、掘削することができるので、破砕効率を格段に向上することができる。また、破砕されたものが排出管などに絡むことが無く、排出が容易にできる。
【００２３】
さらにまた、本発明に係る螺旋形ローラカッタは、螺旋形刃部１３が複数条に形成され、隣り合う螺旋形刃部１３間の間隔を適切な間隔に保ちつつ、その刃数を増やすことができるので、掘削効率が良い。しかも、螺旋形刃部１３のリード角θを略４５度近傍（３０度〜６０度の範囲）の角度に設定しているため、岩石、礫、コンクリート、鉄筋、または木材等の繊維状の物など、多種類にわたる掘削物を確実に破砕し、掘削できるので、破砕、掘削能率を向上できる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、回転軸心１２回りの螺旋形刃部１３間のピッチ角βを２つの不等なピッチ角で設定した例で説明したが、本発明はこれに限定されず、２つ以上の不等なピッチ角で設定すればよい。また、不等ピッチ角の異なる種類が多い程、またそれらの配列の不規則性がある程、次周以降に軌跡が異なる可能性が高くなり、掘削できる可能性を高くすることができる。
【００２５】
また、回転軸心１２回りの螺旋形刃部１３間のピッチ角βを不等に設定する代わりに、複数条の螺旋形刃部１３の回転接線方向に対するリード角θ（図４参照）を不等にすることにより、上記同様の作用および効果が得られる。さらに、回転軸心１２回りの螺旋形刃部１３間のピッチ角β、および螺旋形刃部１３のリード角θを共に不等にしても良く、さらに大きな効果が得られる。
【００２６】
さらにまた、本発明の技術思想を適用するローラカッタの例として、螺旋形ローラカッタを挙げて説明したが、これに限定されず、例えば、縦刃形刃部を有する縦刃形ローラカッタ、または突起状刃部を有するチップインサート形ローラカッタ等であっても適用可能である。すなわち、隣り合う縦刃形刃部間のローラカッタ回転方向の間隔、または回転軸心回りのピッチ角を不等にする、あるいは、隣り合う突起状刃部間のローラカッタ回転方向の間隔、または回転軸心回りのピッチ角を不等にすることにより、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
以上説明したように、本発明によると以下のような効果が得られる。
ローラカッタの隣り合う刃部と刃部間（螺旋形ローラカッタや縦刃形ローラカッタの場合）、または突起部と突起部間（チップインサート形ローラカッタの場合）のローラカッタ回転方向の間隔、または回転軸心回りのピッチ角を不等にした、あるいは、螺旋形刃部（螺旋形ローラカッタの場合）のリード角を不等にしたので、カッタヘッドの回転周回毎のこれらローラカッタの軌跡を異ならせることができ、これらローラカッタの刃部または突起部が前回周回と異なる位置で掘削物を破砕し掘削する。また、万一、１箇所で軌跡が一致したときでも、これ以降の軌跡は少なくとも所定部分で異なるので、確実に破砕し掘削できる。このため、掘削物が岩石、礫、鉄筋等の他、木材等の繊維物であっても、確実に掘削できるので、掘削効率を向上できる。これにより、小口径管推進機による既設埋設管および胴木の同時破砕と掘削が、容易に、確実に可能となる。また、トンネル掘進機による岩石、礫、鉄筋、木材等の繊維物など、多種の掘削物が混在した地中の掘削においても、確実に、効率的に掘削が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される小口径管推進機の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明に係る螺旋形ローラカッタの正面図である。
【図４】本発明に係る螺旋形ローラカッタの側面図である。
【図５】本発明の作用の説明図であり、カッタヘッドの１回転毎の螺旋形刃部軌跡を表す。
【図６】本発明の作用の説明図であり、カッタヘッドのスタートでの軌跡が一致した場合の螺旋形刃部軌跡を表す。
【図７】小口径管推進機を用いた既設管破砕工法の例を表した図である。
【図８】従来技術に係るトンネル掘削機のカッタヘッドの説明図である。
【図９】従来技術に係る螺旋形ローラカッタの詳細図である。
【符号の説明】
１…小口径管推進機、２…先導装置、３…カッタヘッド、５ａ，５ｂ，５ｃ…螺旋形ローラカッタ、６…回転軸線、１０…螺旋形ローラカッタ、１１ａ，１１ｂ…ブラケット、１２…回転軸線、１３…螺旋形刃部、３０…小口径管推進機、３１…カッタヘッド、３２…回転軸線、３３…螺旋形ローラカッタ、３３ａ…螺旋形刃部、３５…横刃形ディスクカッタ、３６…既設埋設管、３７…鉄筋、３８…コンクリート部、３９…螺旋形刃部軌跡、４１…横木材、４２…縦木材、４３…くさび材。

Claims

地中掘削機の先端部のカッタヘッド（３）に回転自在に設けるローラカッタにおいて、
隣り合う刃と刃間または突起と突起間の回転軸心（１２）回りのピッチ角（β）、あるいは回転方向の間隔を不等にして、それぞれの刃部（１３）または突起部を配列設置した
ことを特徴とする地中掘削機のローラカッタ。
地中掘削機の先端部のカッタヘッド（３）に回転自在に設ける、螺旋状の刃を有する螺旋形ローラカッタにおいて、
隣り合う刃と刃間の回転軸心（１２）回りのピッチ角（β）、または刃のリード角（θ）を不等にして、それぞれの刃部（１３）を配列設置した
ことを特徴とする地中掘削機の螺旋形ローラカッタ。
前記不等な回転方向の刃間間隔が２０〜５０ｍｍ以内である
ことを特徴とする請求項２記載の地中掘削機の螺旋形ローラカッタ。
前記請求項１〜３記載のローラカッタの少なくともいずれか１つを装着した地中掘削機のカッタヘッド。