(57)【要約】【課題】簡易な構造により、切り屑を短くあるいは細かく断片化できるのに十分な振動を与え、切り屑の排出性を高められるようにした既設管改築推進装置のカッターヘッドを提供する。【解決手段】カッターヘッド２０の本体を、カッタービット２６、２７、２８が前面に取り付けられる面板２４を含み、先導管２１の先端に固定される刃口リング２３に、ベアリングを介して回転自在に取り付け、カッターヘッド本体の回転を振動に転換してカッタヘッド本体に推進前後方向の微小振動を与える微小振動発生機構を設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設管を推進するための推進機に用いられ先導管に挿通されるスクリューの先端に取り付けられるカッターヘッドにおいて、
カッタービットが前面に取り付けられる面板を含み、前記先導管先端に固定される刃口リングに、ベアリングを介して回転自在に取り付けられたカッターヘッド本体を備え、
前記カッターヘッド本体の回転を振動に転換して前記カッタヘッド本体に推進前後方向の微小振動を与える微小振動発生機構を有することを特徴とする既設管改築推進装置のカッターヘッド。
【請求項２】
前記微小振動発生機構は、前記カッターヘッド本体の外周面を周回するように形成され、周方向に連続する凹凸部を有し前記微小振動の変位を規定するカム溝と、前記刃口リングに固定され前記カム溝を摺動するピンと、からなることを特徴とする請求項１に記載の既設管改築推進装置のカッターヘッド。
【請求項３】
前記微小振動発生機構は、前記面板の背面で円周方向に連続する第１の山型の歯と、前記刃口リングの端面に円周方向に連続し前記第１の歯と噛み合い可能な第２の山型の歯と、を組み合わせた噛み合いクラッチからなることを特徴とする請求項１に記載の既設管改築推進装置のカッターヘッド。
【請求項４】
前記カッターヘッド本体と、ベアリング押えとの間には弾性部材を配置したことを特徴とする請求項２または３に記載の既設管改築推進装置のカッターヘッド。
【請求項５】
地中に埋設された既設管をカッターヘッドで破砕しながら、同時に、先行させる先導管とともに新しい更新管を推進する既設管の改築推進装置において、
カッタービットが前面に取り付けられる面板を含み、前記先導管先端に固定される刃口リングに、ベアリングを介して回転自在に取り付けられたカッターヘッド本体と、前記先導管の先端に固定された刃口リングとの間に、前記カッターヘッド本体の回転を振動に転換して前記カッタヘッド本体に推進前後方向の微小振動を与える微小振動発生機構を設けたことを特徴とする既設管改築推進装置。
【請求項６】
前記先導管の先端部には、前記カッターヘッドを傾動させて推進方向を修正する油圧シリンダを備えた推進方向修正機構が組み込まれたことを特徴とする請求項５に記載の既設管改築推進装置。
【請求項７】
前記推進装置は、前記カッターヘッドに正転・逆転を微小サイクルで交互に繰り返す運動を与えることが可能な駆動部を有することを特徴とする請求項５に記載の既設管改築推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開削せずに老朽化した埋設管を更新する改築推進装置に用いられるカッターヘッドに係り、特に、既設管が塩ビ管等のプラスチック低耐荷重管である場合に既設管をカッタで破砕したときに生じる切屑を細かくして排出性を高め、円滑な推進を可能にする既設管改築推進装置およびカッターヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
上下水道、ガス等のライフラインとして地中に埋設されている管は、経年により老朽化が進むので、耐用年数を越えた管を適時に新たな管に更新する必要がある。  
このような既設管を更新するために、古くは、埋設箇所を地表から開削することで既設管を掘り出し、新たな管を埋設し直していた。近時は、開削することなく、既設管を破砕しながら、同時に更新管を推進する改築推進工法が開発されている。  
従来の既設管改築推進工法には種々のものがあるが、代表的な工法は、既設管をカッターで切削しながら更新管を推進する工法である。
【０００３】
改築推進工法が適用される既設管には、敷設された年代が古いのになると陶管であったり、ヒューム管であったり、あるいは、年代が下ると塩化ビニル製等のプラスチック管であったりというように様々な種類の管がある。このうち、陶管やヒューム管は、細かく破砕し易いためカッターによる破砕に適しているのに対して、塩化ビニル等のプラスチック製の既設管は、カッターで切削すると、ひも状に連続する切り屑が発生する。しかも、この切り屑は、既設管の内部に鳥の巣状に溜ってしまい、排土用のスクリューでも排出させることができない。とりわけ、粘土質の土質中に敷設された塩化ビニル等のプラスチック管からなる既設管を改築する場合には、切り屑の間に粘土が詰まって塊になって、カッターの刃口を詰まらせ、推進を継続することを不能にするおそれがあった。
【０００４】
このような塩化ビニル管等を改築する場合の問題に対しては、カッターヘッドに振動を与えながら衝撃力で粉砕掘進することが考えられる。  
この種の衝撃を与えながら管を推進する方式の先行技術としては、衝撃を与える対象が岩盤や、玉石、礫などを含む硬い地盤ではあるが、特許文献１や特許文献２に開示されている推進装置が知られている。
【０００５】
このうち、特許文献１は、エアハンマーの衝撃力をビットを介して地盤に与えるもので、特許文献２では、衝撃力を与える機構に油圧サーボシリンダが用いられている。
【特許文献１】特開平１０−２５９６９２号公報
【特許文献２】特開平０７−１０９８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の衝撃式の推進機は、岩盤や硬い地盤を対象にしており、塩化ビニール管のような柔らかい材料からなる管に適用すると、粉砕するどころか、その前に、大きく割れてしまい、破砕片を全く排出することができなくなる。
【０００７】
また、埋設管を推進する工程では、埋設管の推進方向を修正することも必要となることが多い。従来、推進方向の修正には、油圧シリンダを利用した修正機構が用いられており、この修正機構はカッターヘッド近くに組み込まれる。このため、エアハンマーや、油圧サーボシリンダのような衝撃力を発生させる機構と、推進方向の修正機構を共に組み込むと、機構的に大型化し、小口径には不向きな装置構成になってしまうという問題がある。
【０００８】
実際、改築の対象となる塩化ビニール管の口径は、小口径である場合が多い。従来の衝撃式推進機では、推進方向を確実に修正可能な機構を組み込むと、小口径には対応できず、小口径に対応しようとすると、修正するための手段には、せいぜい傾斜板の斜面反力を利用するなどの簡易であるが確実性に欠ける機構を採用せざるをえなくなる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、簡易な構造により、切り屑を短くあるいは細かく断片化できるのに十分な振動を与え、切り屑の排出性を高められるようにした既設管改築推進装置のカッターヘッドを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、油圧シリンダを利用した推進方向の修正機構とともに、切り屑を断片化する振動発生機構を組み込むことができるようにした既設管改築推進装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、地中に埋設管を推進するための推進機に用いられ先導管に挿通されるスクリューの先端に取り付けられるカッターヘッドにおいて、カッタービットが前面に取り付けられる面板を含み、前記先導管先端に固定される刃口リングに、ベアリングを介して回転自在に取り付けられたカッターヘッド本体を備え、前記カッターヘッド本体の回転を振動に転換して前記カッタヘッド本体に推進前後方向の微小振動を与える微小振動発生機構を有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、地中に埋設された既設管をカッターヘッドで破砕しながら、同時に、先行させる先導管とともに新しい更新管を推進する既設管の改築推進装置において、カッタービットが前面に取り付けられる面板を含み、前記先導管先端に固定される刃口リングに、ベアリングを介して回転自在に取り付けられたカッターヘッド本体と、前記先導管の先端に固定された刃口リングとの間に、前記カッターヘッド本体の回転を振動に転換して前記カッタヘッド本体に推進前後方向の微小振動を与える微小振動発生機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明では、前記微小振動発生機構は、前記カッターヘッド本体の外周面を周回するように形成され、周方向に連続する凹凸部を有し前記微小振動の変位を規定するカム溝と、前記刃口リングに固定され前記カム溝を摺動するピンと、から構成される。
【００１４】
また、本発明では、前記微小振動発生機構は、前記面板の背面で円周方向に連続する第１の山型の歯と、前記刃口リングの端面に円周方向に連続し前記第１の歯と噛み合い可能な第２の山型の歯と、を組み合わせた噛み合いクラッチから構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易な構造により、切り屑を短く断片化できるのに十分な振動を与え、切り屑の排出性を高めることができ、また、先導管の先端に支障なく油圧シリンダを利用した推進方向の修正機構を組み込んだ上で、切り屑を断片化する振動発生機構を組み込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明による既設管改築推進装置およびカッターヘッドの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。  
図１において、参照番号１０は、本発明が適用される既設埋の改築推進機装置を示す。
【００１７】
図１において、参照番号１０は、推進機の全体を示す。この推進機１０には、非開削で埋設管を地中に推進する工法で広く用いられる公知の推進機が利用される。参照番号５０は老朽化した既設管である。この実施形態では、既設管５０は、小口径低耐荷力管の代表的な管である塩化ビニル管が想定されている。参照番号６０は、更新管を示している。この更新管６０は、例えば、ヒューム管である。
【００１８】
更新管６０の始端位置には立坑１４（以下、発進坑という）が掘削され、推進機１０は発進坑１４に運び込まれる。  
推進機１０においては、ベースとなるガイドフレーム１５の上に推進機本体が移動可能に設置されている。この推進機本体の左右両側には、更新管６０を押し出す推力を発生する油圧シリンダ１６が配設されている。この油圧シリンダ１６のピストンロッドの先端部は、反力受け１７に固定されている。
【００１９】
推進機１０の本体では、次のようなアタッチメントが接続されている。すなわち、アタッチメントは、螺旋状のブレードが軸方向に延びているスクリュー１８と、このスクリュー１８の先端に取り付けられるカッターヘッド２０と、１本ずつ継ぎ足される更新管６０と、先導管２２とから構成されている。
【００２０】
スクリュー１８は、更新管６０の内側のケーシング２１に同軸に収容されており、推進機１０の備える油圧モータの駆動トルクは図示しない中空式減速機を介してスクリュー１８に伝えられる。これと同時に、更新管６０には、推進機１０から油圧シリンダ１６で発生する推力が加えられる。なお、更新管６０、ケーシング２１およびスクリュー１８は、推進が延びるにしたがって、１本づつ継ぎ足しながら推進作業が行われる。
【００２１】
先頭の更新管６０の先端には、先導管２２が接続されている。そして、先導管２２の先端には、刃口リング２３が固定されており、カッターヘッド２０は刃口リング２３に回転自在に支持されている。このカッターヘッド２０は、スクリュー１８と連結され一体で回転する。
【００２２】
次に、カッターヘッド２０の構成について説明する。  
図２は、本発明の一実施形態によるカッターヘッド２０の縦断面を示し、図３は、カッターヘッド２０の正面を示す。
【００２３】
カッターヘッド２０の本体は、円板状の面板２４と、この面板２４と一体の連結部２５を含む。面板２４の前面には、図３に示すように、数種類のカッター２６、２７、２８が所定の位置に取り付けられている。また、面板２４には、切り屑や土砂を取り込む開口部２９が２箇所対称な位置に開口している。この面板２４と一体の連結部２５には、複数の連結ボルト３０を介してベアリング押え３１が連結されている。
【００２４】
刃口リング２３とベアリング押え３１の間には、ラジアルベアリング３２とスラストベアリング３３が配置されている。ベアリング押え３１は、ラジアルベアリング３２とスラストベアリング３３とで回転自在に支持されている。カッターヘッド２０が回転しながら掘削するときにかかる半径方向の荷重はラジアルベアリング３２によって支持され、軸方向の荷重はスラストベアリング３３によって支持されている。
【００２５】
次に、カッターヘッド２０の本体の回転を利用して、推進前後方向の微小振動を発生する微小振動発生機構について説明する。  
図４は、微小振動発生機構の一例を示す。  
この微小振動発生機構は、面板２４と一体の連結部２５の外周面を周回するように形成されて微小振動の変位を規定するカム溝３４と、このカム溝３４にそって摺動するピン３５との組み合わせによって構成されている。
【００２６】
面板２４と連結部２５からなるカッターヘッド２０の本体は、推進方向に僅かな距離だけ前後動が許容されるようになっている。図２に示されるように、ベアリング押え３１の前端部と連結部２５の間には、ゴムやスプリングなどからなるリング状の弾性体３６を介在させている。連結ボルト３０は、弾性体３６を貫通してベアリング押え３１に締め込まれている。連結部２５は、連結ボルト３０の軸に対しては摺動して前後に移動するようになっている。この移動を許容するために、連結ボルト３０の頭と、この頭を収容する孔３７の底の間には遊びが設定されている。
【００２７】
カム溝３４では、溝を画する両側には、それぞれ波形に起伏する凹凸部３４a、３４ｂが周方向に連続するようになっている。図４に示されるように、カム溝３４の幅は、ピン３５の直径よりも若干広くなるように設定されている。カム溝３４には、両側に凹凸部３４ａ、３４ｂが形成されているので、凹凸部３４ａ、３４ｂの一方には、ピン３５が必ず接触するようになっている。なお、図４では、カッターヘッド２０は後方側に押されて弾性体３６を弾性力に抗して圧縮した状態で描かれており、このとき、ピン３５は凹凸部３４ａに当たるようになっている。そして弾性体３６の反発力でカッターヘッド２０が押し戻されると、ピン３５は凹凸部３４ｂに当たるようになる。
【００２８】
ピン３５は、この実施形態では、４箇所に９０°づつ対称な位置に配置されている。ピン３５は、刃口リング２３に植設されて固定された状態にある。カッターヘッド２０の本体が回転すると、カム溝３４の両側の凹凸部３４ａ、３４ｂのどちらかにピン３５が摺動する。前側の凹凸部３４ａとの関係では、ピン３５が凹凸の山に当たっているときには、カッタヘッド２０は前方に若干変位し、谷に当たっているときには後方に変位する。後側の凹凸部３４ｂでは、ピン３５が山に当たっているときにはカッタヘッド２０は後方に変位し、谷に当たっているときには前方に変位する。そして、カッターヘッド２０には、掘削時の反力が作用するので、弾性体３６は圧縮されたり、逆にその反動で膨張を繰り返す。このため、凹凸部３４ａ、３４ｂのどちらかには必ずピン３５が当たって、凹凸のピッチに相当する短い周期で変位が繰り返されるので、カッターヘッド２０に微小振動を絶え間なく発生させることができる。
【００２９】
本実施形態による既設管改築推進装置のカッターヘッド２０は、以上のように構成されるものであり、次に、既設管を改築更新する工程との関連において、カッターヘッド２０の作用について説明する。
【００３０】
まず、図１に示すように、既設管５０の始端位置に発進坑１４を掘削しておく。推進機１０は発進坑１４に設置する。
【００３１】
推進機１０でカッターヘッド２０を回転させ、カッター２６、２７、２８で既設管５０を破砕しつつ推進機１０の油圧シリンダ１６のピストンロッドを伸長させて先導管２２を押し込むことになる。先導管２２の推進を延ばしつつ、更新管６０、スクリュー１８、ケーシング２１を順次継ぎ足しなから推進していく。  
このようにしてカッターヘッド２０を回転させて既設管５０を破砕していくと、従来のカッターヘッド２０では、塩化ビニルなどの樹脂製の柔らかい材料からなる既設管５０の切り屑は短く切断されずにひも状に連続する長い切り屑になることが多い。
【００３２】
そして、この切り屑の塊は、土砂、とりわけ粘土質の場合には、粘土が切り屑の間の隙間に詰まると大きな塊となって、面板２４の開口部２９を閉塞させてしまう。こうなってしまうと、スクリュー１８による排土に支障が生じ、場合によっては、推進不能になるおそれがあった。
【００３３】
これに対して、本実施形態の改築推進装置では、カッターヘッド２０が回転している間は、常に、カッターヘッド２０には推進前後方向に振幅する微小振動が発生している。すなわち、カッターヘッド２０の本体が回転すると、カム溝３４の両側の凹凸部３４ａ、３４ｂにピン３５が摺動するので、凹凸のピッチに相当する短い周期で推進前後方向への微小変位が繰り返されるので、カッターヘッド２０に微小振動を発生させることができる。なお、切削対象物に応じて微小振動の周期、振幅変位は、凹凸部３４ａ、３４ｂの凹凸の形状で設定することができる。
【００３４】
この微小振動はカッター２６、２７、２８にも不断に与えられる。特に、カッター２８の切刃は、既設管５０に対する接触と離間を極めて短い周期で繰り返すことなり、切刃が接触する間だけ断続的な切削が行われる。これにより、切り屑を連続したひも状のものではなく、細く粉砕された粉状の切粉にすることができる。このような切粉であれば、詰まることなく土砂とともにスクリュー１８で支障なく後方に排出させることができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態による微小振動を発生される機構は、カッターヘッド２０の回転を利用してカム溝３４にピン３５を摺動させるという簡易な構造を採用しているので、先導管先端部の構造を複雑化することなく、簡易な構造ゆえに信頼性の高い微小振動発生手段の組み込みを実現することができる。
【００３６】
なお、本実施形態のカッターヘッド２０では、カッターヘッド２０の本体とベアリング押え３１の間に弾性体３６を介在させている。この弾性体３６は、緩衝部材としても働くので、ラジアルベアリング３２やスラストベアリング３３に直接伝わる振動を軽減できるので、振動によるベアリングの損傷を防ぐことができる。
【００３７】
以上は、カッターヘッド２０の回転を推進前後方向への振動に転換する機構であるが、推進装置１０の駆動部を利用して回転方向に微小振動を与えることも可能である。この場合、カッターヘッド２０に正転・逆転を微小サイクルで交互に繰り返す運動を与えることが可能な油圧モータなどを利用すればよい。
【００３８】
次に、図５および図６を参照しながら、カッターヘッドの他の実施形態について説明する。なお、図２、図３と共通する構成要素には同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。  
この実施形態では、微小振動を発生機構を次のような噛み合いクラッチにより構成している。
【００３９】
図５（ａ）において、面板２４の背面には、第１の歯４０が形成されている。この第１の歯４０は、山形の歯が円周方向に連続する歯である。同様に、刃口リング２３の先端には、第１歯と噛み合うように第２の歯４１が形成され、この第２の歯４１は第１の歯４０と同一のピッチで円周方向に連続している。
【００４０】
図５（ｂ）において、カッターヘッド２０の本体とベアリング押え３１の間には、弾性体３６を介在させている。カッターヘッド２０に何も力が加わっていない状態では、図６（ａ）に示すように、カッターヘッド２０は弾性体３６の弾性力によって前方側に付勢されているので、第１の歯４０と第２の歯４１は噛み合っていない。掘削中のように、掘削時の反力がカッタヘッド２０に加わる場合は、この反力は弾性体３６の弾性力に抗してカッターヘッド２０を押し込み第１の歯４０と第２を歯４１を噛み合わせ（図５（ａ））、あるいは反動で噛み合いから離脱させることになる（図６（ａ））。そして、カッターヘッド２０が回転しているときには、カッターヘッド２０の回転とともに、第１の歯４０と第２の歯４２との噛み合い、離脱が連続的に起こり、カッターヘッド２０は一定の周期で歯の高さに相当する振幅で振動するので、推進前後方向の微小振動を与えることができる。
【００４１】
この実施形態では、カッターヘッド２０を傾動させて推進方向を修正する機構が組み込まれている。この修正機構の場合、刃口リング２３は、継手４２、４３を介して先導管２２とケーシング２１の先端部に傾動可能に連結されている。先導管２２の先端部には、カッターヘッド２０の向きを強制的に修正するための油圧シリンダ４４が取り付けられている。この油圧シリンダ４４は、９０°ごとに対称に４つ配置されており、それぞれ刃口リング２３に連結されている。なお、油圧シリンダ４４の配置は、１２０°ごとに対称に３つ配置するというように、複数の油圧シリンダをさまざまに配置することが可能である。
【００４２】
以上のような実施形態によれば、既設管５０を破砕するため、カッターヘッド２０の本体が回転すると、前述したように、第１の歯４０と第２の歯４１の噛み合い、離脱の動作が短い周期で連続することで微小振動が発生するので、カッターの切刃が接触する間だけ断続的な切削が行われる。これにより、切り屑を連続したひも状のものではなく、細く粉砕された粉状の切粉にすることができる。このような切粉であれば、詰まらせることなく土砂とともにスクリュー１８で支障なく後方に排出させることができる。
【００４３】
また、このような微小振動を発生させる機構は、噛み合いクラッチを応用した簡易な構造であり、先導管２７の先端部において推進方向修正機構の油圧シリンダ４４を組み込むにあたって障害になることはなく、また先導管先端部の構造を複雑にすることもないので、とりわけ小口径用の改築推進装置において確実な推進方向修正機能とともに、微小振動発生機能の両立を達成することができる。
【００４４】
以上、本発明による既設管改築推進装置のカッターヘッドについて、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、塩化ビニール製の既設管だけでなく、さまざま材質の既設管の粉砕に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明が適用される既設管改築推進装置の全体構成を示す一部破断側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による既設管改築推進装置のカッターヘッドの縦断面図である。
【図３】図２のカッターヘッドの正面図である。
【図４】同カッターヘッドの一部破断側面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による既設管改築推進装置のカッターヘッドを示し、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は縦断面図。
【図６】本発明の第２実施形態による既設管改築推進装置のカッターヘッドにおいて、クラッチの噛み合いが外れた状態を示し、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は縦断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１０  推進機
１４  発進抗
１６  油圧シリンダ
１８  スクリュー
２０  カッターヘッド
２２  先導管
２３  刃口リング
２４  面板
３１  ベアリング押え
３２  ラジアルベアリング
３３  スラストベアリング
３４  カム溝
３５  ピン
３６  弾性体
４０  第１の歯
４１  第２の歯
５０  既設管
６０  更新管
【図１】
2010133145.tif 000003
【図２】
2010133145.tif 000004
【図３】
2010133145.tif 000005
【図４】
2010133145.tif 000006
【図５】
2010133145.tif 000007
【図６】
2010133145.tif 000008