JP2001227277A - 曲線掘削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、曲線掘削を行う際に、極力小径の
掘削を可能にすることを第１の目的とし、また、パーカ
ッションを伴う掘削を可能にすることを第２の目的とす
る。 【解決手段】 一定曲率に曲げられ、長さ方向に順次連
結される複数の曲がり外管１１と、この曲がり外管内に
挿入され、長さ方向に順次連結される直線状の内管１３
とから構成され、前記内管どうしの連結部が、これらの
内管を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、か
つ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、トンネ
ル構築において、トンネル内壁近傍の地盤を改良する際
に好適に用いられる曲線掘削装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トンネルを構築する場合には、
図９に太めの２点鎖線で示すように、トンネル構築予定
領域Ａの掘削に先立って、このトンネル構築予定領域Ａ
の内壁近傍の地盤（以下、地盤改良領域と称す）Ｂを改
良することが行われている。これは、トンネル構築予定
領域Ａを掘削する際に、地下水の湧水や周辺地盤の沈下
等と防止するためにとられる処置である。

【０００３】そして、この地盤改良領域Ｂを改良する方
法として従来では、図９に示すように、前記トンネル構
築予定領域Ａの上端部に、パイロット坑Ｃを掘削した後
に、、図１０に示すように、直線状の外管１と、この内
部に挿入されるとともに、前記外管１の先端部から前方
へ突出して位置させられる掘削ビット２を備えた内管３
とを備えた掘削装置を用い、図１１に示すように、前記
パイロット坑Ｃから前記地盤改良領域Ｂへ向けて、改良
剤注入用の注入口Ｄを掘削し、この注入口Ｄに適宜手段
を用いて改良剤を注入するとともに、この改良剤を前記
地盤改良領域Ｂの地盤中に浸透させることにより、前記
地盤改良領域Ｂの地盤を改良するようにしている。

【０００４】ところで、このような従来の地盤改良方法
によると、注入口Ｄを掘削する掘削装置が直線状に形成
されていることから、前記地盤改良領域Ｂに均一に改良
剤を注入するには、図１１に示すように、前記注入口Ｄ
を、一つの鉛直方向の断面内において、角度を変えて多
数形成する必要がある。しかしながら、このような方法
によると、一つの鉛直面内について多数の注入口Ｄを掘
削する必要があることから、作業工程が長期化するとい
った問題点や、改良剤が均一に注入されないといった問
題点がある。

【０００５】そこで、このような問題点を解消するため
の一方法として、図１２に一点鎖線で示すように、前記
注入口Ｄを、トンネル構築予定領域Ａの内壁面に沿うよ
うに湾曲させて形成することが提案されている。このよ
うな注入口Ｄを形成することにより、注入口Ｄとトンネ
ル構築予定領域Ａの内壁面とが略平行となることから、
この内壁面に対して均一な厚さに地盤改良領域Ｂを形成
することができる。

【０００６】一方、このような湾曲した注入口Ｄを掘削
するために従来では、図１３に示すように、一定の曲率
を有する外管５内に、この外管と同一曲率を有する内管
６を挿入し、この内管６の先端部に回転駆動機構７を介
して掘削ビット８を取り付けた掘削装置を用いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１３に示
す掘削装置を用いて湾曲した注入口Ｄを掘削する場合、
外管５及び内管６が、ともに同一曲率で湾曲させられて
いることにより、外管５に対して内管６を相対回転させ
ることができない。この結果、内管６の先端に装着され
ている掘削ビット８を回転させるためには、前述したよ
うに、前記内管６の先端部に回転駆動機構７を設け、こ
の回転駆動機構７によって前記掘削ビット８を回転させ
るようにする必要があるが、この回転駆動機構７を外管
５の内部に位置させることにより、この外管５の内径が
大きくなってしまう。また、回転駆動機構７を先端部に
設けることによって、作動油等の動力を前記回転駆動機
構７まで供給する必要があることから、そのための動力
供給手段を外管５内に挿入する必要があり、この点から
も外管５の大径化が避けられない。さらに、掘削ビット
８の回転を確保するためには、外管５と内管６との相対
回動、あるいは、外管５と回転駆動機構７との相対回動
を拘束する必要があり、そのための回転防止機構を外管
５内に設ける必要があり、一層外管５の大径化が助長さ
れる。したがって、このような従来の技術においては、
注入口Ｄの最小径が制限されてしまうといった不具合が
ある。

【０００８】一方、改良する地盤の地質によっては、掘
削ビット８の回転のみでは掘削が困難で、この掘削ビッ
ト８に軸方向のパーカッションを与えて、地盤に衝撃力
を与える必要が生じる。このために、前記回転駆動機構
７に加えて、パーカッション機構を内管６の先端部に併
設しようとすると、このパーカッション機構が、ある程
度の直線的なストロークを必要とし、かつ、このストロ
ークが、前記外管５とその内径とによって規制されるこ
とから、パーカッション機構の能力が制限されてしま
う。さらに、前記パーカッション機構を内管６の基端部
に設けることにより、寸法の制約を解除してその大型化
を図ることも考えられるが、内管６の先端部には回転駆
動機構７が設けられており、この回転駆動機構７が、パ
ーカッション機構によって与えられる衝撃力によって損
傷を受けることが想定されるため、有効な解決手段とは
なり得ていない。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、曲線掘削を行う際に、極力小径の掘
削を可能にする曲線掘削装置を提供することを第１の目
的とし、また、パーカッションを伴う掘削を可能にする
曲線掘削装置を提供することを第２の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の曲線掘削装置は、前述した目的を達成するために、一
定曲率に曲げられ、長さ方向に順次連結される複数の曲
がり外管と、この曲がり外管内に挿入され、長さ方向に
順次連結される直線状の内管と、最先端の内管の先端に
設けられた掘削ビットと、前記曲がり外管の外周面を把
持し、この曲がり外管を前方に推進させる外管用推進装
置と、前記内管の基端部を保持するとともに、この内管
を回転及び推進させる内管用回転推進装置とから構成さ
れ、前記内管どうしの連結部が、これらの内管を、その
軸線を通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの
相対回動を拘束した状態で連結するようになされている
ことを特徴とする。本発明の請求項２に記載の曲線掘削
装置は、請求項１に記載の前記内管どうしの連結部が、
一方の内管の端部内周面に形成された第１のスプライン
と、他方の内管の端部外周面に形成され、前記第１のス
プラインに噛合される第２のスプラインとによって構成
され、前記第２のスプラインの周面及び両側面が、その
長さ方向の中間部を頂点として両端部に行くにしたがい
漸次狭まるようにテーパー状に形成されていることを特
徴とする。本発明の請求項３に記載の曲線掘削装置は、
請求項１または請求項２に記載の前記一方の内管の端部
に、他方の内管の端面が摺動自在に当接させられる球面
受け座が設けられていることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図１ないし図８に基づき説明する。なお、以下の説
明中、図９および図１２と共通する部分については同一
符号を用いて説明を簡略化する。図１中、符号１０は、
本実施形態に係わる掘削装置を示し、この掘削装置１０
は、一定曲率に曲げられた曲がり外管１１と、この曲が
り外管１１に挿入され、先端部に掘削ビット１２が設け
られた直線状の内管１３と、前記曲がり外管１１の外周
面を把持し、この曲がり外管１１を前方に推進させる外
管用推進装置１４と、前記内管１３の基端部を保持する
とともに、この内管１３を回転及び推進させる内管用回
転推進装置１５とから構成され、これらの外管用推進装
置１４と内管用回転推進装置１５とが、前記外管１１と
内管１３とを、前記掘削ビット１２が前記外管１１の先
端から常時突出するような位置関係に保持するようにな
されているとともに、前記外管１１及び内管１３が長さ
方向に順次連結されるようになされ、かつ、前記内管１
３どうしの連結部が、これらの内管１３を、その軸線を
通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの相対回
動を拘束した状態で連結するようになされた基本構成と
なっている。

【００１２】ついで、これらの詳細について説明すれ
ば、前記外管用推進装置１４は、前記曲がり外管１１の
基端部（後端部）を回転不可能に把持するように構成さ
れており、また、内管用回転推進装置１５は、本実施形
態においては、前記内管１３の基端部を相対回転を拘束
した状態で把持してこの内管１３を回転させる回転駆動
機構と、この内管１３に軸方向のパーカッションを与え
るパーカッション機構（何れも図示略）とを備えてい
る。そして、これらの外管用推進装置１４と内管用回転
推進装置１５は、パイロット抗Ｃに設置された基台１６
上に走行可能に設置されており、また、外管用推進装置
１４と内管用回転推進装置１５とは、これらにそれぞれ
固定される曲がり外管１１と内管１３とが、この内管１
３の先端部に取り付けられている掘削ビット１２を前記
曲がり外管１１の先端部から所定長さ突出した状態に保
持するように、その相対的な位置関係が保持されるよう
になっている。

【００１３】また、前記基台１６には、前記外管用推進
装置１４及び内管用回転推進装置１５を、前述した位置
関係に保持しつつ前記曲がり外管１１の軸方向に推進さ
せるための推進機構１７が設けられている。

【００１４】一方、前方に位置させられる内管１３の後
端部には、図２に示すように、連結筒１８が螺着される
とともに、溶接等によって一体に固定されており、この
連結筒１８の後部内周面には、図３及び図４に詳述する
ように、直線状の歯によって形成された第１のスプライ
ン１９が形成されている。

【００１５】また、後方に位置させられる内管１３の先
端部には、前記連結筒１８内に挿入される連結ロッド２
０が螺着されており、この連結ロッド２０の長さ方向の
略中間部には、前記第１のスプライン１９に噛合される
第２のスプライン２１が形成されている。そして、この
第２のスプライン２１の各歯２１ａが、周面及び両側面
が、その長さ方向の中間部を頂点として両端部に行くに
したがい漸次狭まるようにテーパー状に形成されてい
る。

【００１６】したがって、これらの第１のスプライン１
９と第２のスプライン２１とにより、前記連結筒１８と
連結ロッド２０とが、その軸線周りの相対回動が拘束さ
れるとともに、前記軸線を通る面内において所定角度
（第２のスプライン２１のテーパの角度）の範囲内で屈
曲可能に連結されるようになされている。

【００１７】また、前記連結ロッド２０の先端部には、
摺動部材２２が取り付けられており、この摺動部材２２
の先端面が球殻状に突出させられた第１の摺動面２２ａ
となされ、かつ、後端面が、球殻状に窪まされた第２の
摺動面２２ｂとなされている。

【００１８】さらに、前記連結筒１８の内部には、前記
第１のスプライン１９の先端に当接させられて、前記連
結筒１８の後方への移動が拘束され、かつ、前記摺動部
材２２の第２の摺動面２２ｂが摺動自在に当接させられ
る第１の球面受け座２３が設けられているとともに、前
記連結筒１８が取り付けられる内管１３の後端部に当接
させられることにより、連結筒１８の前方への移動が拘
束され、かつ、前記摺動部材２２の第１の摺動面２２ａ
が摺動自在に当接させられる第２の球面受け座２４が設
けられており、これらの第１の球面受け座２３と第２の
球面受け座２４とによって、前記摺動部材２２が挟み込
まれることにより、この摺動部材２２が、両球面受け座
２３・２４の面方向への相対移動が許容された状態で前
記連結筒１８の長さ方向への移動が拘束されている。

【００１９】そして、前記連結筒１８内に、その先端側
から、前記第１の球面受け座２３、前記摺動部材２２が
取り付けられた連結ロッド２０、さらに、前記摺動部材
２２の先端に第２の球面受け座２４を当接させるように
順次挿入した後に、この連結筒１８の先端部に内管１３
の後端部を螺着して固定することにより、この内管１３
の連結部が取り付けられる。さらに、継ぎ足される後方
の内管１３は、前記連結筒１８の後端部から突出させら
れている連結ロッド２０の後端部に螺着されることによ
り、相互に連結されるようになっている。

【００２０】また、相互に連結される内管１３の端面間
には弾性材料からなるシール材２５が介装され、掘削時
に内管１３内を流れる水の漏れを防止するようになって
いる。

【００２１】さらに、本実施形態においては、前記連結
筒１８は、前記曲がり外管１１を連結するカプラ２６と
重畳する位置に位置させられるようになっている。

【００２２】ついで、このように構成された掘削装置１
０による掘削操作について説明する。まず、パイロット
坑Ｃ内に基台１６を設置した後に、この基台１６上に外
管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を設置す
る。

【００２３】ついで、前端部から掘削ビット１２が所定
長さ突出させられた状態で内管１３が挿入された曲がり
外管１１の基端部を外管用推進装置１４に固定し、さら
に、この曲がり外管１１の基端部から後方に突出させら
れている前記内管１３の基端部を内管用回転推進装置１
５に固定する。

【００２４】これより、内管用回転推進装置１５によっ
て内管１３を回転させつつ推進機構１７を起動すること
により、外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１
５を地盤Ｂへ向けて移動させて、前記掘削ビット１２を
回転させつつ地盤Ｂに押しつけるとともに、前記内管１
３の内部にその基端部から掘削水を供給して、この掘削
水を内管１３の先端から地盤Ｂへ向けて噴射する。これ
によって、前記掘削ビット１２によって地盤Ｂが掘削さ
れるとともに、掘削土が掘削水と混ぜ合わされてスライ
ム化させられるとともに、このスライムが曲がり外管１
１を経て基端部へ向けて搬送されて、この基端部から外
部へ排出される。そして、地盤Ｂの地質に対応し、必要
に応じてパーカッション機構を起動して、前記内管１３
を介して掘削ビット１２にパーカッションを与えつつ掘
削を行う。このような掘削により、地盤Ｂ中に、前記曲
がり外管１１の曲率に沿った注入口Ｄが、図１２に示す
ように形成される。

【００２５】そして、前述したような掘削作業に際し
て、直線状の内管１３が、その連結部において、第１の
スプライン１９と第２のスプライン２１とが噛合させら
れていることにより、前記内管１３に回転が確実に与え
られる。また、第２のスプライン２１が、その周面及び
両側面がテーパー状に形成されていることにより、内管
１３どうしが、図８にαで示すように、その連結部にお
いて折れ曲がることから、これらの内管１３が曲がり外
管１１の内面にほぼ沿うように位置させられた状態で回
転させられる。したがって、内管１３と曲がり外管１１
との抵抗が小さく抑えられ円滑な掘削が行われる。さら
に、内管１３にパーカッションを与える際にも、連結ロ
ッド２０が摺動部材２２及び第２の球面受け座２４によ
って前方の内管１３に当接させられていることから、そ
の衝撃力が前方へ確実に伝達される。

【００２６】ここで、内管１３に対して、その基端部に
おいて回転を与えるものであるから、回転のための機構
を曲がり外管１１内に設置する必要がなく、この結果、
曲がり外管１１内に設置される部材の外径を小さくし
て、曲がり外管１１の外径を小さくすることができる。
したがって、掘削する注入口Ｄの内径を小さくすること
ができる。しかも、内管１３の先端部分に駆動機構が存
在していないことにより、内管１３に外部からパーカッ
ションを与えることが可能となり、これによって、曲が
り外管１１の大径化を伴うことなく固い地層の掘削を可
能にする。

【００２７】そして、前記曲がり外管１１の長さ分の掘
進を行った後に、曲がり外管１１及び内管１３の把持を
解放した後に、外管用推進装置１４および内管用回転推
進装置１５を後退させるとともに、曲がり外管１１及び
内管１３の基端部に、他の曲がり外管１１及び内管１３
を継ぎ足し、これらの曲がり外管１１及び内管１３を再
度把持して前述した作業を繰り返すことにより、図１２
に示すように、所定長さの注入口Ｄをトンネル構築予定
領域Ａの内壁面に沿って形成することができる。

【００２８】なお、前記実施形態において示した各構成
部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基
づき種々変更可能である。たとえば、内管１３の連結部
を曲がり外管の１１のカプラ２６と重畳させて位置させ
た例について説明したが、これらをずらして位置させる
ことも可能である。このような構成とすることにより、
前記連結部を、曲がり外管１１の大径部に位置させるこ
とができ、これによって、連結部の径方向の寸法を大き
くすることができ、この連結部の強度を高めて掘削能力
を高めることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の掘削装置
によれば、直線状の内管を曲がり外管内に挿入し、前記
内管の連結部を、その軸線を通る面内において屈曲可能
に、かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結し
たことにより、連結された内管を、曲がり外管の内面に
ほぼ沿わせることができ、この結果、内管を円滑に回転
させることができるとともに、曲線掘削を円滑にかつ確
実に行うことができる。そして、内管に対して、その基
端部において回転を与えるものであるから、掘削ビット
を回転させるための機構を曲がり外管内に設置する必要
がなく、これによって曲がり外管内に設置される部材の
外径を小さくして、曲がり外管の外径を小さくすること
ができ、掘削坑の内径を小さくすることができる。ま
た、内管の先端部分に駆動機構が存在していないことに
より、内管に外部からパーカッションを与えることが可
能となり、これによって、曲がり外管の大径化を伴うこ
となく固い地層の掘削を可能にする。さらに、直線状の
内管を用いることにより、内管の曲げ加工を不要にし
て、部品コストを軽減することができるといった効果も
期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の基本構成を示す正面図で
ある。

【図２】本発明の一実施形態を示すもので、内管の一部
を破断した正面図である。

【図３】本発明の一実施形態を示すもので、連結筒の断
面図である。

【図４】本発明の一実施形態を示すもので、連結筒の縦
断面図である。

【図５】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッド
の側面図である。

【図６】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッド
の縦断面図である。

【図７】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッド
に形成された第１２のスプライン歯部分の拡大図であ
る。

【図８】本発明の一実施形態の動作を説明するための側
面図である。

【図９】一般的なトンネルの構築方法を説明するための
概略図である。

【図１０】図９に示すトンネル構築方法において注入口
掘削に用いられる従来掘削装置を示す要部の断面図であ
る。

【図１１】図９に示すトンネル構築方法にける従来の注
入口の掘削方法を示す断面図である。

【図１２】図４に示すトンネル構築方法にける注入口の
掘削方法の他の例を示す断面図である。

【図１３】図７に示す注入口の掘削に用いられる従来の
掘削装置を示す要部の断面図である。

【符号の説明】

１ 外管 ２ 掘削ビット ３ 内管 ５ 外管 ６ 内管 ７ 回転駆動機構 ８ 掘削ビット １０ 掘削装置 １１ 曲がり外管 １２ 掘削ビット １３ 内管 １４ 外管用推進装置 １５ 内管用回転推進装置 １６ 基台 １７ 推進機構 １８ 連結筒 １９ 第１のスプライン ２０ 連結ロッド ２１ 第２のスプライン ２１ａ 歯 ２２ 摺動部材 ２２ａ 第１の摺動面 ２２ｂ 第２の摺動面 ２３ 第１の球面受け座 ２４ 第２の球面受け座 ２５ シール材 ２６ カプラ Ａ トンネル構築予定領域 Ｂ 地盤改良領域 Ｃ パイロット坑 Ｄ 注入口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定曲率に曲げられ、長さ方向に順次連
   結される複数の曲がり外管と、この曲がり外管内に挿入
   され、長さ方向に順次連結される直線状の内管と、最先
   端の内管の先端に設けられた掘削ビットと、前記曲がり
   外管の外周面を把持し、この曲がり外管を前方に推進さ
   せる外管用推進装置と、前記内管の基端部を保持すると
   ともに、この内管を回転及び推進させる内管用回転推進
   装置とから構成され、前記内管どうしの連結部が、これ
   らの内管を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、
   かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結するよ
   うになされていることを特徴とする曲線掘削装置。
2. 【請求項２】 前記内管どうしの連結部が、一方の内管
   の端部内周面に形成された第１のスプラインと、他方の
   内管の端部外周面に形成され、前記第１のスプラインに
   噛合される第２のスプラインとによって構成され、前記
   第２のスプラインの周面及び両側面が、その長さ方向の
   中間部を頂点として両端部に行くにしたがい漸次狭まる
   ようにテーパー状に形成されていることを特徴とする請
   求項１に記載の曲線掘削装置。
3. 【請求項３】 前記一方の内管の端部に、他方の内管の
   端面が摺動自在に当接させられる球面受け座が設けられ
   ていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の曲線掘削装置。