JP2010209651A - トンネル掘削機用のカッタビット - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、双頭式のカッタビットの背面部の谷底に掘削土砂が溜まることを防止でき、寿命を延ばすことができるトンネル掘削機用のカッタビットを提供する。
【解決手段】トンネル長手方向の軸廻りに正回転又は逆回転駆動されるカッタヘッド４に装着されるシャンク８と、シャンク８に、カッタヘッド４の回転周方向に間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップ６、７と、超硬チップ６、７間のシャンク８の切羽側面に、カッタヘッド４の回転周方向Ａの中央が窪むように谷状に形成された背面部９とを有するトンネル掘削機用のカッタビット５であって、シャンク８の背面部９の谷底９ｃに、超硬チップ６、７からカッタヘッド４の回転周方向Ａに沿ってこの谷底９ｃに流れ込む掘削土砂をカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に排出するため、山状に形成された土砂流し部１０を設けたもの。
【選択図】図３

Description

本発明は、トンネル掘削機に備えられトンネル長手方向の軸廻りに正回転又は逆回転駆動されるカッタヘッドに取り付けられるカッタビットに係り、特に、正回転用の超硬チップと逆回転用の超硬チップとを共通のシャンクに設けたトンネル掘削機用のカッタビットに関する。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、トンネル掘削機（シールド掘進機）１は、一般に、筒状のシールドフレーム２と、シールドフレーム２内を前後に仕切る隔壁３と、隔壁３に回転可能に支持されたカッタヘッド４と、カッタヘッド４に取り付けられたカッタビット５と、カッタヘッド４を正回転又は逆回転する駆動装置（図示せず）と、シールドフレーム２内でセグメントをリング状に組み立てるエレクタ（図示せず）と、エレクタで組み立てられたセグメントに反力を取ってシールドフレーム２を前進させるシールドジャッキ（図示せず）とを備えており、シールドジャッキによりカッタヘッド４を切羽に押し付けた状態でカッタヘッド４を正回転又は逆回転することで、カッタビット５で切羽を切削する。なお、カッタヘッド４は、図例では、回転中心に配置されたセンター部４ａにカッタスポーク４ｂを放射状に取り付けた所謂スポークタイプであるが、面板状のタイプもある。

図２に示すように、カッタヘッド４（カッタスポーク４ｂ）に取り付けられるカッタビット５Ｊとして、カッタヘッド４が正回転されたときに切羽を切削する正回転用の超硬チップ６と、カッタヘッド４が逆回転されたときに切羽を切削する逆回転用の超硬チップ７とを、共通のシャンク８に設けた双頭式のカッタビット５Ｊが知られている（特許文献１参照）。このカッタビット５Ｊは、カッタヘッド４に装着されるシャンク８と、シャンク８にカッタヘッド４の回転周方向Ａに間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップ６、７と、超硬チップ６、７間のシャンク８の切羽側面に谷状（Ｖ字状）に形成された背面部９とを備えている。この背面部９は、一方の超硬チップ６に続く斜面９ａと、他方の超硬チップ７に続く斜面９ｂと、これら斜面９ａ、９ｂが交わる谷底９ｃとから成る。かかるカッタビット５Ｊは、カッタヘッド４が正回転されたときには正回転用の超硬チップ６で切羽を切削し、カッタヘッド４が逆回転されたときには逆回転用の超硬チップ７で切羽を切削する。

このような双頭式のカッタビット５Ｊにおいては、切羽を切削することで生じた掘削土砂が背面部９の谷底９ｃに溜まり、背面部９が摩耗し易いという問題がある。すなわち、カッタヘッド４を正回転した場合、正回転用の超硬チップ６により切削された切羽の掘削土砂は、カッタヘッド４の回転に伴ってその超硬チップ６から斜面９ａを下って谷底９ｃに至るが、そこからは登りの斜面９ｂになっているのでその谷底９ｃに溜まり易い。そして、谷底９ｃに溜まった掘削土砂は、シールドジャッキによるカッタヘッド４の切羽への押付力により圧密されて谷底９ｃに固着する場合がある。こうして、圧密されて固着された掘削土砂は、カッタヘッド４の振動や回転径方向Ｂの土砂流れ等によって谷底９ｃから離脱するとき、シールドジャッキによる押付力で谷底９ｃに押し付けられつつ離脱するので、背面部９が摩耗（流れ摩耗）し易い。背面部９が或る程度摩耗すると、超硬チップ６、７がシャンク８から欠落する可能性もある。

ところで、双頭式ではないカッタビットの背面部の摩耗を抑制するため、その背面部に溶接により硬化肉盛りを施す技術が知られている（特許文献２の図５、段落０００５参照）。しかし乍ら、この硬化肉盛りを双頭式カッタビット５Ｊの背面部９に施したとしても、掘削土砂が背面部９の谷底９ｃに溜まること自体は回避できないので、根本的な解決とはならない。

特開２００７−２８４９２３号公報 特開２００２−５４３９０号公報

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、簡単な構造で、双頭式のカッタビットの背面部の谷底に掘削土砂が溜まることを防止でき、寿命を延ばすことができるトンネル掘削機用のカッタビットを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、トンネル掘削機に備えられトンネル長手方向の軸廻りに正回転又は逆回転駆動されるカッタヘッドに装着されるシャンクと、該シャンクに、上記カッタヘッドの回転周方向に間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップと、これら超硬チップ間の上記シャンクの切羽側面に、上記カッタヘッドの回転周方向の中央が窪むように谷状に形成された背面部とを有するトンネル掘削機用のカッタビットであって、上記シャンクの背面部の谷底に、上記超硬チップから上記カッタヘッドの回転周方向に沿ってこの谷底に流れ込む掘削土砂を上記カッタヘッドの回転径方向の内外に排出するため、山状に形成された土砂流し部を設けたものである。

上記土砂流し部が、上記カッタヘッドの回転周方向に沿った稜線を有する頂部と、該頂部から上記カッタヘッドの回転径方向の内外に夫々傾斜された斜面部とを有していてもよい。

上記背面部の谷底が、上記カッタヘッドの回転径方向に沿って溝状に形成された凹部を有し、該凹部に、上記土砂流し部が設けられていてもよい。

上記土砂流し部の頂部が、上記凹部の上端と同じ位置又はその上端よりも反切羽側に位置されていてもよい。

本発明に係るトンネル掘削機用のカッタビットによれば、簡単な構造で、双頭式のカッタビットの背面部の谷底に掘削土砂が溜まることを防止でき、寿命を延ばすことができる。

トンネル掘削機としてのシールド掘進機の説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図である。 従来例を示すトンネル掘削機用のカッタビットの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機用のカッタビットの斜視図である。 図３のカッタビットの三面図であり、（ａ）はカッタヘッドの回転径方向Ｂから見た正面図、（ｂ）は回転周方向Ａから見た側面図、（ｃ）は切羽側から見た平面図である。 本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機用のカッタビットの斜視図である。 図５のカッタビットの三面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。

本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図３、図４を用いて、本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機用のカッタビット５を説明する。

図３に示すように、カッタヘッド４（カッタスポーク４ｂ）には、カッタヘッド４が正回転又は逆回転駆動された際に切羽を切削するためのカッタビット５が装着されている。なお、このカッタヘッド４は、既述の図１に示すトンネル掘削機（シールド掘進機）１のカッタヘッド４と同様の構成であり、トンネル長手方向の軸廻りに正回転又は逆回転駆動される。また、カッタヘッド４は、スポークタイプに限らず、面板タイプでもよいことは勿論である。

カッタビット５は、カッタヘッド４に装着されるシャンク（母材）８と、シャンク８に、カッタヘッド４の回転周方向Ａに間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップ６、７と、これら超硬チップ６、７間のシャンク８の切羽側面に、カッタヘッド４の回転周方向Ａの中央が窪むように谷状に形成された背面部９とを有する。一対の超硬チップ６、７は、一方がカッタヘッド４が正回転されたときに切羽を切削する正回転用の超硬チップ６であり、他方がカッタヘッド４が逆回転されたときに切羽を切削する逆回転用の超硬チップ７である。背面部９は、一方の超硬チップ６に続く斜面９ａと、他方の超硬チップ７に続く斜面９ｂと、これら斜面９ａ、９ｂ同士の底部分に配置された谷底９ｃとから成る。

本実施形態の特徴は、シャンク８の背面部９の谷底９ｃに、超硬チップ６、７からカッタヘッド４の回転周方向Ａに沿ってこの谷底９ｃに流れ込む掘削土砂をカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に排出するため、山状に形成された土砂流し部１０を設けた点にある。土砂流し部１０は、カッタヘッド４の回転周方向Ａに沿った稜線を有する頂部１０ａと、頂部１０ａからカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に夫々傾斜された斜面部１０ｂ、１０ｃとを有する。なお、頂部１０ａの稜線は、シャープなエッジ状となっているものに限られず、滑らかにカーブ（逆放物線状等）になっていてもよく、斜面部１０ｂ、１０ｃは、平面状に限られず、凸状又は凹状に湾曲されていてもよい。

シャンク８の背面部９とそこに設けられた土砂流し部１０とについて詳述すると、シャンク８の背面部９の谷底９ｃは、カッタヘッド４の回転径方向Ｂに沿って溝状に形成された凹部１１を有する。凹部１１は、各斜面９ａ、９ｂから夫々反切羽方向に沿って延出された垂直面部１１ａ、１１ｂと、これら垂直面部１１ａ、１１ｂの延出端同士を接続して切羽と略平行に形成された底面部１１ｃとを有し、底部コ字断面の溝状に構成されている。そして、凹部１１の底面部１１ｃに、土砂流し部１０が設けられ、土砂流し部１０の頂部１０ａが、凹部１１の上端１２（垂直面部１１ａと斜面９ａとの接続端、垂直面部１１ｂと斜面９ｂとの接続端）と同じ位置になっている。なお、土砂流し部１０の頂部１０ａは、凹部１１の上端１２よりも反切羽側に位置されていてもよい。

本実施形態の作用を述べる。

カッタビット５が切羽に押し付けられた状態でカッタヘッド４が正回転（又は逆回転）されると、正回転用の超硬チップ６（又は逆回転用の超硬チップ７）により切削された切羽の掘削土砂は、カッタヘッド４の回転に伴ってその超硬チップ６（７）から背面部９の斜面９ａ（９ｂ）を下って谷底９ｃに至り、土砂流し部１０によってカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に排出される。即ち、超硬チップ６（７）で切削された掘削土砂は、カッタヘッド４の回転に伴ってその回転周方向Ａに沿って背面部９の斜面９ａ（９ｂ）を下って谷底９ｃに至り、谷底９ｃの凹部１１に設けられた土砂流し部１０の頂部１０ａによってカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に分流され、土砂流し部１０の斜面部１０ｂ、１０ｃによって回転径方向Ｂの内方と外方とに排出される。

特に、本実施形態では、土砂流し部１０の頂部１０ａが凹部１１の上端１２と同じ位置になっているので、超硬チップ６（７）からカッタヘッド４の回転周方向Ａに沿って凹部１１の上端１２に至った掘削土砂は、土砂流し部１０の頂部１０ａによってスムーズ且つ的確に回転径方向Ｂの内外に分流され、凹部１１に溜まることを略完全に回避できる。また、土砂流し部１０の頂部１０ａが凹部１１の上端１２よりも反切羽側に位置されていても、同様の作用効果が得られる。

このように、本実施形態に係る双頭式のカッタビット５においては、背面部９の谷底９ｃに掘削土砂が溜まらなくなるので、背面部９の摩耗（流れ摩耗）を回避できる。

すなわち、カッタビット５の背面部９の谷底９ｃに掘削土砂が溜まると、その掘削土砂は、シールドジャッキによるカッタヘッド４の切羽への押付力によって切羽と谷底９ｃとの間で圧密されて谷底９ｃに固着する場合があり、その場合、圧密されて固着された掘削土砂は、カッタヘッド４の振動や回転径方向Ｂの土砂流れ等によって谷底９ｃから離脱するとき、シールドジャッキによる押付力により谷底９ｃに押し付けられつつ離脱するので、背面部９が摩耗（流れ摩耗）し易いのであるが、本実施形態では、掘削土砂がカッタビット５の背面部９の谷底９ｃ（凹部１１）に溜まらないので、背面部９の摩耗（流れ摩耗）を回避できる。

よって、カッタビット５の寿命を延ばすことができ、長距離掘進に対応できる。

また、この効果は、カッタビット５の背面部９の谷底９ｃに山状の土砂流し部１０を設けるという極めて簡単な構成で達成しているので、カッタビット５の製造コストを殆ど上昇させることなく寿命の延長が可能となる。

次に、図５、図６を用いて、本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機用のカッタビット５Ｘを説明する。

このカッタビット５Ｘは、土中の杭等の障害物を切削したり、発進立坑の出口部や到達立坑の入口部に設けられた掘削可能壁を掘り抜く際に、その障害物や掘削可能壁を切削するための支障物等切削用のビット５Ｘであり、カッタヘッド４（カッタスポーク４ｂ）の回転径方向Ｂに間隔を隔てて配置される第１ビット２１及び第２ビット２２と、それら第１、第２ビット２１、２２の間に介設されたスペーサ２３とから構成されている。

第１ビット２１と第２ビット２２とは同じ構成であるので、以下、第１ビット２１とスペーサ２３とを説明する。なお、図中、第１ビット２１の部材の符号の一部は、記入スペースの都合上、第２ビット２２の対応する部材に付している。

第１ビット２１は、第１実施形態と同様のカッタヘッド４（カッタスポーク４ｂ）に装着されるシャンク２４と、シャンク２４に、カッタヘッド４の回転周方向Ａに間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップ２５、２６と、これら超硬チップ２５、２６間のシャンク２４の切羽側面に、カッタヘッド４の回転周方向Ａの中央が窪むように谷状に形成された背面部２７とを有する。

背面部２７は、一方の超硬チップ２５から中央に向けて傾斜された傾斜山部２８と、他方の超硬チップ２６から中央に向けて傾斜された傾斜山部２９と、これら斜面山部２８、２９同士の底部分に配置された谷底３０とから成る。各傾斜山部２８、２９は、回転周方向Ａに延びる稜線３１と、その稜線３１から回転径方向Ｂの内外に傾斜された斜面３２、３３と、中央に向けて傾斜された三角状の斜面３４とを有する。

また、シャンク２４の側面部３５は、中央にて切羽・反切羽方向に延びる稜線３６と、その稜線３６から左右に傾斜された斜面３７、３８とを有し、山状に形成されている。かかるシャンク２４に取り付けされる超硬チップ２５、２６は、背面部２７の部分、側面部３５の部分が夫々山状に形成されていて、切羽側の先端に頂点３９を有する。

シャンク２４の背面部２７の谷底３０には、超硬チップ２５、２６からカッタヘッド４の回転周方向Ａに沿ってこの谷底３０に流れ込む掘削土砂をカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に排出するため、山状に形成された土砂流し部４０が設けられている。詳しくは、背面部２７の谷底３０は、カッタヘッド４の回転径方向Ｂに沿って溝状に形成された凹部４１を有し、凹部４１は、各斜面３４の下端から反切羽方向に夫々延出された垂直面部と、これら垂直面部の端部同士を接続する底面部とから構成され、この底面部に、土砂流し部４０が設けられている。

土砂流し部４０は、カッタヘッド４の回転周方向Ａに沿った稜線を有する頂部４２と、頂部４２からカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に夫々傾斜された斜面部４３と、斜面部４３とシャンク２４の正面４４とを接続するようにして傾斜された一対の三角状の斜面部４５とを有する。なお、頂部４２の稜線は、シャープなエッジ状となっているものに限られず、滑らかにカーブ（逆放物線状等）になっていてもよく、斜面部４３、４５は、平面状に限られず、凸状又は凹状に湾曲されていてもよい。また、土砂流し部４０の頂部４２は、凹部４１の上端５０（斜面３４の下端）と同じ位置となっているが、凹部４１の上端５０よりも反切羽側に位置されていてもよい。

スペーサ２３は、第１ビット２１と第２ビット２２との間に配設され、図６（ａ）に示すように、正面から見て将棋の駒のような五角形状に形成されており、切羽側の部分に、山状に形成されたスペーサ用土砂流し部４６を有する。スペーサ用土砂流し部４６は、カッタヘッド４の回転径方向Ｂに沿った稜線を有する頂部４７と、頂部４７からカッタヘッド４の回転周方向Ａの一方と他方とに夫々傾斜された斜面部４８とを有し、山状に形成されている。なお、頂部４７の稜線は、シャープなエッジ状となっているものに限られず、滑らかにカーブ（逆放物線状等）になっていてもよく、斜面部４８は、平面状に限られず、凸状又は凹状に湾曲されていてもよい。

これら第１ビット２１、第２ビット２２及びスペーサ２３は、各ビットのシャンク２４とスペーサ２３とが一体成形されていてもよいが、これらが別々に成形されて溶接等により重ねて固定されていてもよく、また、別々に成形されて別々にカッタヘッド４に固定（溶接）されてもよい。

本実施形態の作用を述べる。

土中の杭等の障害物を切削したり、発進立坑の出口部や到達立坑の入口部に設けられた掘削可能壁を掘り抜く際、カッタビット５Ｘがそれら被切削物に押し付けられた状態でカッタヘッド４を正回転（又は逆回転）する。こうしてカッタビット５Ｘを構成する第１及び第２ビット２１、２２で杭等の障害物や掘削可能壁を切削するが、このとき第１及び第２ビット２１、２２は切削反力を分散し、個々のビット２１、２２に加わる切削反力が過剰になることを回避する。

第１及び第２ビット２１、２２の正回転用の超硬チップ２５（又は逆回転用の超硬チップ２６）により切削された掘削土砂は、カッタヘッド４の回転に伴ってその超硬チップ２５（２６）から背面部２７の斜面３４を下って谷底３０に至り、土砂流し部４０によってカッタヘッド４の回転径方向Ｂの内外に排出される。よって、このカッタビット５Ｘにおいても、第１の実施形態と同様に、背面部２７の谷底３０に掘削土砂が溜まらなくなり、背面部２７の摩耗（流れ摩耗）を回避でき、寿命を延ばすことができる。

ここで、上述した杭等の障害物や掘削可能壁を切削して得られた掘削土砂は、通常の土砂よりも流動性が悪く、第１、第２ビット２１、２２の背面部２７の谷底３０に溜まりやすいのであるが、本実施形態によれば、流動性が悪い掘削土砂であっても、土砂流し部４０によって谷底３０における土砂の流れが確保され、背面部２７の谷底３０に溜まらなくなるので、寿命を的確に延ばすことができる。

また、第１及び第２ビット２１、２２の各土砂流し部４０から、第１ビット２１と第２ビット２２との間に導かれた掘削土砂は、カッタヘッド４の回転に伴い、スペーサ用土砂流し部４６によってカッタヘッド４の回転周方向Ａの一方と他方とに排出される。よって、第１ビット２１と第２ビット２２との間に掘削土砂が溜まらなくなり、第１ビット２１と第２ビット２２との根元部分（カッタヘッド４への溶接部分）の摩耗（流れ摩耗）を回避でき、寿命を延ばすことができる。

ここで、上述したように、杭等の障害物や掘削可能壁を切削して得られた掘削土砂は、通常の土砂よりも流動性が悪く、上記根元部分に溜まりやすいのであるが、本実施形態によれば、流動性が悪い掘削土砂であっても、スペーサ用土砂流し部４６によって土砂の流れが確保されて溜まらなくなるので、寿命を的確に延ばすことができる。

すなわち、掘削土砂が第１ビット２１と第２ビット２２との間に溜まると、その掘削土砂が、シールドジャッキによるカッタヘッド４の切羽への押付力によって圧密されてシャンク２４の根元部分に固着することがあり、その場合、固められた掘削土砂は、カッタヘッド４の振動等によって離脱するとき、シールドジャッキによる押付力により上記根元部分に押し付けられつつ離脱するので、根元部分が摩耗（流れ摩耗）し易い。こうして或る程度摩耗が進行すると、シャンク２４がカッタヘッド４から外れる事態も考えられる。本実施形態では、掘削土砂が第１ビット２１と第２ビット２２との間に溜まらないので、上述したシャンク２４の根元部分の摩耗（流れ摩耗）を回避でき、カッタビット５Ｘの寿命を延ばすことができる。

また、このような第１及び第２ビット２１、２２の背面部２７の摩耗（流れ摩耗）、第１及び第２ビット２１、２２のシャンク２４の根元の摩耗（流れ摩耗）を防止するという効果は、第１及び第２ビット２１、２２の背面部２７の谷底３０に山状の土砂流し部４０を設け、第１ビット２１と第２ビット２２との間にスペーサ用土砂流し部４６を有するスペーサ２３を介設するという極めて簡単な構成で達成しているので、カッタビット５Ｘの製造コストを殆ど上昇させることなく寿命の延長が可能となる。

１ トンネル掘削機としてのシールド掘進機
４ カッタヘッド
５ カッタビット
６ 超硬チップ
７ 超硬チップ
８ シャンク
９ 背面部
９ｃ 谷底
１０ 土砂流し部
１０ａ 頂部
１０ｂ 斜面部
１０ｃ 斜面部
１１ 凹部
１２ 上端
Ａ 回転周方向
Ｂ 回転径方向
５Ｘ カッタビット
２４ シャンク
２５ 超硬チップ
２６ 超硬チップ
２７ 背面部
３０ 谷底
４０ 土砂流し部
４１ 凹部
４２ 頂部
４３ 斜面部
５０ 上端

Claims (4)

1. トンネル掘削機に備えられトンネル長手方向の軸廻りに正回転又は逆回転駆動されるカッタヘッドに装着されるシャンクと、
   該シャンクに、上記カッタヘッドの回転周方向に間隔を隔てて設けられた一対の超硬チップと、
   これら超硬チップ間の上記シャンクの切羽側面に、上記カッタヘッドの回転周方向の中央が窪むように谷状に形成された背面部と
   を有するトンネル掘削機用のカッタビットであって、
   上記シャンクの背面部の谷底に、上記超硬チップから上記カッタヘッドの回転周方向に沿ってこの谷底に流れ込む掘削土砂を上記カッタヘッドの回転径方向の内外に排出するため、山状に形成された土砂流し部を設けた
   ことを特徴とするトンネル掘削機用のカッタビット。
2. 上記土砂流し部が、上記カッタヘッドの回転周方向に沿った稜線を有する頂部と、該頂部から上記カッタヘッドの回転径方向の内外に夫々傾斜された斜面部とを有する請求項１に記載のトンネル掘削機用のカッタビット。
3. 上記背面部の谷底が、上記カッタヘッドの回転径方向に沿って溝状に形成された凹部を有し、該凹部に、上記土砂流し部が設けられた請求項１又は２に記載のトンネル掘削機用のカッタビット。
4. 上記土砂流し部の頂部が、上記凹部の上端と同じ位置又はその上端よりも反切羽側に位置された請求項３に記載のトンネル掘削機用のカッタビット。

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