JP2002332795A

JP2002332795A - シールド掘進工法

Info

Publication number: JP2002332795A
Application number: JP2001138453A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Isobe; 部隆寿磯; Hiromasa Igarashi; 寛昌五十嵐; Kunihiro Nagamori; 森邦博永
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP4424528B2

Abstract

(57)【要約】【課題】軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を
堀削でき、また、カッターの摩耗による交換工期および
工費の低減をはかるシールド掘進工法の提供。【解決手段】シールド機前面の全領域を回転部材
（Ｒ）により掘削するシールド掘進工法において、回転
部材（Ｒ）の半径方向にウオータージェットノズル
（２）を列状にかつシールド機軸線に対して互いに逆方
向に傾斜して配置し、ウオータージェットノズル（２
ａ、２ｂ）から高圧水をカッター前方の地山（Ｇ）に噴
射させて掘削する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウオータージェッ
トを用いて掘削するシールド掘進工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シールド機は前面のスポークまた
は、面板を回転させ、スポークまたは面板に取り付けた
カッタービットにより地盤の掘削を行っていた。そのビ
ット形状は、掘削する地盤により異なり、軟弱地盤にお
いては櫛状（ティース）のビットを使用し、岩盤等の硬
質地盤に対してはローラービットを使用していた。

【０００３】しかし、近年のシールド掘進工法は、軟弱
地盤から岩盤までの多様な地盤に対応することが求めら
れるようになってきている。そのため地盤が硬質の場合
は、掘削抵抗トルクが大きくなり、それに対応するため
に、スポーク回転軸の軸受を強化する必要があり、ま
た、回転用モーターの出力を大きくする必要があった。

【０００４】その結果、軟弱地盤に対しては、過剰なト
ルク、強度をもつシールド機の設計が必要になってい
た。また、硬質地盤においてはビットの摩耗も大きく、
ビット交換に要する費用・時間が、全体の工期・工費を
圧迫していた。このような問題は、特に、ローラービッ
トの場合に顕著である。

【０００５】また、硬質粘土層の掘削作業では、岩盤用
のローラービットが前方に突出する形となっているた
め、掘削抵抗となり掘進を著しく妨げる要因となってい
た。

【０００６】先行技術の特公昭５８−３２２８０号公報
には、地盤の掘削にカッターヘッド、カッタービット等
を使用しないで、噴射角の異なる複数群のノズルから順
次水ジェット噴流を噴射させて地山をゆるませ、スクリ
ューで後方に押し出す装置が開示されている。しかしこ
の公知技術は、土質やジェットの強弱によって、ジェッ
トの到達距離が異なり、地盤によって地山がゆるむ距離
が異なり円滑な掘進を行うのに充分ではない。

【０００７】また、特開平１−１６９０９３号公報によ
るシールド工法では、カッター部に複数の高圧水噴射ノ
ズルを設けて水ジェット噴射を行い、地山の部分的先掘
りによってカッタービット掘削の抵抗低減をはかってカ
ッタービットの消耗を防止するようにしている。しかし
ながら、やはりこの公知例でも地盤の軟、硬に応じた余
掘りを行い、そしてカッタービットにかかる抵抗を所定
の大きさにすることはできない。したがって、依然とし
てカッタービットの消耗低減の問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明のシールド掘進
工法は、上記したような従来技術における問題点を解決
するために発明されたもので、軟弱地盤から硬質地盤ま
でのあらゆる地盤を所定の余掘りを行うことができるシ
ールド掘進工法を提供することを目的としている。ま
た、本発明は、カッターの摩耗による交換時期および工
数の低減、掘進速度の向上をはかることを他の目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、シール
ド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法
において、該回転部材に複数のウオータージェットノズ
ルをそれぞれ対にして複数組配置し、それら各対をなす
ウオータージェットノズルからの高圧水のジェット流は
平面への投影形状が３角形状となるようにジェット流を
噴射し、そのウオータージェットノズルからのジェット
流を回転部材の前方の地山に噴射させて掘削するように
なっている。

【００１０】本発明の実施に際して複数のウオータージ
ェットを列状に設け、ウオータージェット流を交差、あ
るいは衝突させるジェットノズルを対に構成してジェッ
ト流の交差点高さによって余掘り深さをきめるように構
成するのが好ましい。なお、ジェット流を衝突させた場
合は、衝突による拡散効果で、より高精度に余掘りを制
御できる。また、噴射水の圧力調節によって地盤強度に
応じた掘削をすることが好ましく、たとえば、軟弱地盤
であれば低圧水を噴射し、硬質地盤であれば高圧水を噴
射して地盤を掘削する。したがって、地盤の軟、硬に拘
わらずカッターに与える負荷、損耗を一定値に抑えるこ
とができる。また、所定値以下の軟弱な地盤であれば、
噴射ノズルによる掘削なしで、ビットによる掘進をさせ
てもよい。

【００１１】また、本発明によれば、前記各対をなすウ
オータージェットノズルは、前記回転部材に沿って列状
に設けられ、そして半径方向に移動可能に設けられてい
る。

【００１２】上記のように、対をなすノズルをそれぞれ
２列に分けて設ければ、半径方向への移動により余掘り
を調節できる。すなわち、ノズルを半径方向に移動し、
一対となるノズル間距離を大きくすれば、ジェット流の
交差点が遠くなり余掘り深さを深くでき、ノズル間距離
を小さくすれば、ジェット流の交差点が近くなり余掘り
深さを浅くできる。

【００１３】また、本発明によれば、シールド機前面に
回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、
該回転部材の外周部から半径方向外方に向かい、互いに
内側に傾斜しジェット流が交叉する方向に向いた対のウ
オータージェットノズルを装着し、そのウオータージェ
ットノズルから高圧水を地山に噴射させて掘削するよう
になっている。

【００１４】上記の互いに内側に傾斜した対のウオータ
ージェットノズルにより、ジェット流の交差点で深さが
きまる余掘りは外周を任意の距離で掘削するいわゆるコ
ピーカッターとして利用できる。

【００１５】前記対のウオータージェットノズルは、互
いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、かつ
シールド機の軸線に直角な軸線廻りに旋回自在に設けら
れていることが好ましい。

【００１６】上記によって、対のウオータージェットノ
ズルの向き合う傾斜角を調整してジェット流の交差点高
さできまる余掘りができる。また、ノズルを旋回させる
ことで特定位置だけを余掘りさせ、地山をより確実に粉
砕できる。

【００１７】また、本発明によれば、シールド機前面に
回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、
該シールド機前面の回転部材の外周部にカッターが設け
られ、そのカッターの推進方向後部にシールド機軸の半
径方向に向けた複数のウオータージェットノズルを設
け、それらの噴射ノズルから高圧水を前記カッター内方
の地山に向け噴射して掘削するようになっている。

【００１８】上記によって、シールド機前面の外周部を
カッターで掘削し、その内方は半径方向のジェット流で
掘削する。なお、半径方向のジェット流は、回転部材の
外周部から内方に向け、軸心部から外方に向け、あるい
はこれの組み合わせのいずれであっても良く、条件に適
したものを選択する。また、口径の大きい場合には、多
重構成としてもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明のシー
ルド掘進工法の一実施形態を説明する。図１は、本発明
のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズ
ル（以降、ノズルと略記する。）付きのシールド機の側
断面を示している。図２は、その正面図である。

【００２０】図１および図２において、シールド機本体
１０に設けられ、カッターモーター５で駆動される主軸
６によって回転される回転部材Ｒのスポーク１には、そ
れぞれ複数のノズルが設けられている。

【００２１】図２の垂直方向に位置するスポーク１にお
いて、軸線Ｘ−Ｘに対し、片方（図面の左側）は下向き
に傾斜した複数のノズル２ａが縦１列に配置され、それ
ぞれが分岐管１５ａを介して第２の圧水管１４に接続さ
れている。これに対して軸線Ｘ−Ｘに対し、図面の右側
では上向きに傾斜した複数のノズル２ｂが縦１列に配置
され、それぞれが別の分岐管Ａ１５ａを介して別の第２
の圧水管１４Ａに接続されている。

【００２２】そして、これらの下向きに傾斜したノズル
２ａと上向きに傾斜したノズル２ｂとを対にして、各一
対のノズル２ａ、２ｂからのジェット流Ｊ、Ｊの投影形
状が３角形状になるように配置されている。なお、本明
細書において符号２はノズルを一般に示す場合に用いて
いる。

【００２３】図７は、一対のノズル２ａと２ｂとの関係
を示したものである。一対のノズル２ａと２ｂ間の距離
が移動Ｓ１、Ｓ２によって離れれば、ノズル２ａ、２ｂ
から噴射されるジェット流Ｊａ、Ｊｂの交差点Ｐがノズ
ル２の先端から離れるようになる。なお、ノズル２のス
ポーク１への装着は、図２においては９０度間隔で直径
にわたっているが、たとえば外周から軸心への半径分の
みでもよい。

【００２４】同様に、ノズル２ａと２ｂ間の距離が近づ
けば、ノズル２ａ、２ｂから噴射されるジェット流Ｊ
ａ、Ｊｂの交差点Ｐがノズル２の先端に近づくようにな
っている。

【００２５】図７においては、カッター３からＹｄまた
はＹｓの距離でジェット流Ｊａ、Ｊｂの交差点Ｐとな
り、この交差点Ｐでジェット流Ｊａ、Ｊｂが衝突してエ
ネルギーを失うことでジェット流の地山掘削距離を決定
するようになっている。

【００２６】なお、図１、２の例では、ノズル２ａと２
ｂのジェット流Ｊ、Ｊは投影形状が３角形状であって交
差点Ｐは形成しないが、回転部材が回転することおよび
スポーク１内の狭い範囲内にノズル２が配置されている
ので、実質的には交差点が形成されている。

【００２７】また、ノズル２ａ、２ｂは図１の例では、
それぞれスポーク１に沿って移動できるように設けるの
が好ましい。このようにすると実質的な交差点Ｐの位置
を変更できる。また例えば図示しないローラービットを
一対のノズルの間に設けてもよい。

【００２８】次に、上記構成によるシールド掘進機を使
用したシールド掘進工法について図１および図２によっ
て説明する。

【００２９】カッターモーター５によって主軸６が回転
駆動され、主軸６の前部に設けられたスポーク１と共に
明示しないカッターが回転されて前面の地山Ｇが掘削さ
れる。そのとき、圧水ポンプ１１からの高圧水が、第１
の圧水管１２、送水孔１３、第２の圧水管１４、１４Ａ
および分岐管１５ａ、１５ｂを通ってノズル２ａ、２ｂ
からジェット流となって噴出し、地山Ｇを掘削する。

【００３０】ジェット流Ｊによる掘削深さは、地山の
軟、硬条件によって回転部材Ｒより前方の所定の深さに
決められる。その掘削深さは、図７における余掘り深さ
Ｙｄ（余掘り大）、またはＹｓ（余掘り小）の任意の深
さを、ノズル２ａ、２ｂ間距離で調整してもよく、圧力
ポンプ１１からの高圧水の圧力を調整してもよい。しか
しながら、あらかじめ余掘り深さを一定にする場合には
移動は不要となる。

【００３１】上記のように、ノズル流Ｊによって回転部
材Ｒの前部を余掘りして、回転部材Ｒにかかる掘削抵抗
を低減させる。

【００３２】以上説明の図１、２は、土圧式シールド機
であるが、本発明は泥水式シールド機にもノズル２を面
板に設けることで実施できる。

【００３３】図３および図４は本発明のシールド掘進工
法の第２実施形態を示している。図３は、本発明のシー
ルド掘進工法に使用するコピーカッターと称せられる半
径方向外方の掘削を行うためのウオータージェットノズ
ル付きシールド機の側断面を示している。図４は、その
正面図である。

【００３４】図３および図４において、シールド機本体
１０Ａで支持され、カッターモーター５Ａで駆動される
主軸６Ａに固着された回転部材Ｒのスポーク１Ａに、ノ
ズル２２ａおよび２２ｂが対で設けられている。

【００３５】図３および図４に示すように、各スポーク
１Ａの外周部に半径方向外方に向かって前後方向に一対
となるノズル２２ａ、２２ｂが装着されている。そし
て、ノズル２２ａ、２２ｂは、それぞれが分岐管１５Ａ
ａ、１５Ａｂを介して第２の圧水管１４Ａに接続されて
いる。

【００３６】図８および図９は、前記図３および図４に
示した第２実施形態のジェット流交差点の調整方法を示
している。一対をなすノズル２２ａと２２ｂ間の角度が
回動Ｒ１、Ｒ２することによって角ｄが小になれば、ノ
ズル２２ａ、２２ｂから噴射されるジェット流の交差点
ＰＡがノズル２２Ａの先端から離れるようになってい
る。なお、軸線Ｘ−Ｘ（図３参照）に直角な軸線Ｙ−Ｙ
に対して旋回自在に構成してもよい。また、図９におけ
る符号１６は回転管を示し、符号１７はスイベルを示し
ている。

【００３７】同様に、ノズル２２ａと２２ｂ間の互いに
内側に傾斜した角度ｄが大になれば、ノズル２２ａ、２
２ｂから噴射されるジェット流の交差点ＰＡがノズル２
の先端に近づくようになっている。

【００３８】図８においては、カッター３Ａから距離Ｙ
ｄまたはＹｓでジェット流の交差点ＰＡとなり、この交
差点ＰＡでジェット流が衝突して噴射エネルギーを失う
ことでジェット流の地山掘削距離を決定するようになっ
ている。

【００３９】第２の圧水管１４、１４Ａは、主軸６Ａ内
に設けられた圧水孔１３Ａ及び第１の圧水管１２Ａを介
して圧水ポンプ１１Ａに連通されている。なお、符号７
Ａはスクリューを示し、符号４Ａはシールドジャッキを
示している。

【００４０】以下、上記構成によるシールド掘進機を使
用したシールド掘進工法について図３、図４によって説
明する。

【００４１】カッターモーター５Ａによって主軸６Ａが
回転駆動され、主軸６Ａの前部に設けられたスポーク１
Ａと共に明示しないカッターが回転され、前面の地山Ｇ
を掘削する。そのとき、圧水ポンプ１１Ａからの高圧水
が、第１の圧水管１２Ａ、送水孔１３Ａ、第２の圧水管
１４Ａおよび分岐管１５Ａａ、１５Ａｂを通ってノズル
２２ａ、２２ｂからジェット流Ｊとなって噴出し、外周
の地山Ｇを掘削する。

【００４２】ジェット流Ｊによる掘削深さは、地山の
軟、硬の条件によって所定の深さに決められる。その掘
削深さは、図８における余掘り深さＹｄ（余掘り大）、
またはＹｓ（余掘り小）の任意の深さを、ノズル２２
ａ、２２ｂ間の傾斜角を調整して行う。

【００４３】上記のように、ジェット流Ｊによって外周
地山Ｇの掘削を、過剰掘削のない所定の余掘りをする。
このように半径方向外方と全掘りすることによって掘進
機の前進が容易となる。またこの実施形態は図１、図２
の実施形態に付加してもよく、或いは回転部材Ｒに公知
のビットを設けて掘進させてもよい。

【００４４】なお、ジェット流に使用する水に高分子ポ
リマーを添加すれば、ジェット流の収束性がよくなり、
掘削能力を向上させるので好ましい。

【００４５】また、ジェット流の周囲から界面活性剤と
空気とを噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分
散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。

【００４６】次に、本発明のシールド掘進工法の第３実
施形態を説明する。図５は、本発明のシールド掘進工法
に使用するノズル付きのシールド機の側断面を示してい
る。図６は、その正面図である。

【００４７】図５および図６において、シールド機本体
１０Ｂで支持され、カッターモーター５Ｂで駆動される
主軸６Ｂにより回転される回転部材であるスポーク１Ｂ
には、ノズル３２ａ、３２ｂが設けられている。

【００４８】図６の垂直および水平方向に位置するスポ
ーク１Ｂ外周部のカッター４０の推進方向後部に、シー
ルド機軸心Ｃを中心としてほぼ対称位置にノズル３２
ａ、３２ｂが軸心方向に向けて設けられている。

【００４９】ノズル３２ａ、３２ｂから噴射されるそれ
ぞれのジェット流Ｊｂは、この例では、図５および図６
に示されているように、互いに衝突しないように配設さ
れているが、衝突するような構成でもよい。ノズル３２
ａ、３２ｂは、第２の圧水管１４Ｂ、送水孔１３Ｂ、第
１の圧水管１２Ｂを介して圧水ポンプ１１Ｂに接続され
ている。

【００５０】上記構成によるシールド掘進機を使用した
シールド掘進工法について図５、６によって説明する。

【００５１】カッターモーター５Ｂによって主軸６Ｂが
回転駆動され、主軸６Ｂの前部に設けられたスポーク１
Ｂと共にカッター４０が回転され前面の地山Ｇ外周を掘
削する。同時に、圧水ポンプ１１Ｂからの高圧水が、第
１の圧水管１２Ｂ、送水孔６Ｂ、第２の圧水管１４Ｂを
通ってノズル３２ａ、３２ｂからジェット流Ｊｂとなっ
て噴出し、カッター４０の内側の地山Ｇを掘削する。

【００５２】なお、上記図５および図６に示す実施形態
では、外周部にノズル３２ａ、３２ｂを設け、軸心Ｃ方
向に向けてジェット流Ｊｂを噴出しているが、かかる構
成に限定せず図１０〜図１２に示すような構成でもよ
い。

【００５３】図１０に示す例は、軸心部に設けたノズル
３２ｃから半径方向外方に向けてジェット流Ｊｃを噴出
しており、この構成では、ジェット流Ｊｃが外周部の面
板に衝突して余掘りを防止することができる。また、図
１１の例は、外周部のノズル３２ａから内方に向け、そ
して軸心部のノズル３２ｃから外方に向けてそれぞれジ
ェット流Ｊａ、Ｊｃを噴射している。そして、図１２に
示す例は、大口径の場合であり、多重にジェットを設け
たものである。なお、これらのジェット流は、いずれも
半径方向に向けて噴射され、シールド機前面全体の掘削
を行うもので、必要に応じて前方へ向けて若干の角度を
付してもよい。

【００５４】また、ジェット流に使用する水に高分子ポ
リマーを添加させれば、ジェット流の収束性がよくな
り、掘削能力を向上させるので好ましい。

【００５５】そして、ジェット流の周囲から界面活性剤
と空気を噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分
散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。

【００５６】なお、前記第１、第２および第３の実施形
態を必要に応じ、適宜組合せて使用しても良い。

【００５７】

【発明の効果】本発明の作用効果を、以下に列挙する。（１）図１、図２に示す（第１実施形態）掘進工法に
よれば、ウオータージェットによってシールド機前面の
地盤を掘削して回転部材にかかる掘削抵抗を低減させる
ので、回転部材にかけるトルクを地盤強度に拘わりなく
地盤の攪拌に必要程度の所定値に抑えることができる。
従って、軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を掘
削できる。特に硬質粘土質の地盤では、地盤によるロー
ラービットの抵抗を軽減させる効果が大きい。（２）また、回転部材にかけるトルクが所定値以下に
なるので、スポーク回転用モーターの出力を小さくで
き、スポーク回転軸の軸受強度も岩盤や硬質粘性土を配
慮した過大なものにする必要がない。そして投影形状を
３角形状にしたので、少ないジェット流で掘削でき、ノ
ズルを小型化できる。（３）回転部材にかかるトルクが低いので、摩耗が少
なく、ビットを設けても、そのビット交換の工期、費用
が低減できる。（４）図３、図４の（第２実施形態）掘進工法によれ
ば、ウオータージェットによって半径方向外方の掘削が
任意所定の深さで掘削できる。（５）図５、図６の（第３実施形態）掘進工法によれ
ば、地盤の掘削はスポーク外周のカッターのみとし、内
部はすべてウオータージェット掘削にするので、カッタ
ー磨耗がなく、交換等が省けて、工期短縮ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態のシールド掘進工法に使
用するウオータージェットノズル付きのシールド機の構
成を示す側断面図。

【図２】図１の正面図。

【図３】本発明の第２実施形態のシールド掘進工法に使
用するウオータージェットノズルを用いたシールド機の
構成を示す側断面図。

【図４】図３の正面図。

【図５】本発明の第３実施形態の掘進工法に使用するス
ポーク外周にジェットノズルを軸心向きに取り付けたシ
ールド機の構成を示す側面図。

【図６】図５の正面図。

【図７】一対のウオータージェットノズル間の距離を変
えて余掘りの深さを変える方法を示す図。

【図８】一対のウオータージェットノズルの内側に向き
合う傾斜角を変えて余掘りの深さを変える方法を示す
図。

【図９】図８のノズル構成図。

【図１０】ジェットノズルを半径方向外方に向け軸心部
に配設した実施形態を示す側面図。

【図１１】ジェットノズルを半径方向内方向きおよび外
方向きに配設した実施形態を示す側面図。

【図１２】ジェットノズルを多重に配設した実施形態を
示す側面図。

【符号の説明】

Ｇ・・・地山Ｊ・・・ジェット流１・・・スポーク２、２ａ、２ｂ・・・ウオータージェットノズル４・・・シールドジャッキ５・・・カッターモーター６・・・主軸７・・・スクリュー管１０・・・シールド機本体１１・・・圧水ポンプ１２・・・第１の送水管１３・・・送水孔１４・・・第２の送水管１５ａ、１５ｂ・・分岐管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永森邦博東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内Ｆターム(参考） 2D054 AC02 BA28 DA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シールド機前面に回転部材を設けて掘削
するシールド掘進工法において、該回転部材に複数のウ
オータージェットノズルをそれぞれ対にして複数組配置
し、それら各対をなすウオータージェットノズルからの
高圧水のジェット流は平面への投影形状が３角形状とな
るようにジェット流を噴射し、そのウオータージェット
ノズルからのジェット流を回転部材の前方の地山に噴射
させて掘削することを特徴とするシールド掘進工法。
【請求項２】前記各対をなすウオータージェットノズ
ルは、前記回転部材に沿って列状に設けられ、そして半
径方向に移動可能に設けられている請求項１に記載のシ
ールド掘進工法。
【請求項３】シールド機前面に回転部材を設けて掘削
するシールド掘進工法において、該回転部材の外周部か
ら半径方向外方に向かい、互いに内側に傾斜しジェット
流が交叉する方向に向いた対のウオータージェットノズ
ルを装着し、そのウオータージェットノズルから高圧水
を地山に噴射させて掘削することを特徴とするシールド
掘進工法。
【請求項４】前記対のウオータージェットノズルは、
互いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、か
つシールド機の軸線に直角方向の軸線廻りに旋回自在に
設けられている請求項３に記載のシールド掘進工法。
【請求項５】シールド機前面に回転部材を設けて掘削
するシールド掘進工法において、該シールド機前面の回
転部材の外周部にカッターが設けられ、そのカッターの
推進方向後部にシールド機軸の半径方向に向けた複数の
ウオータージェットノズルを設け、それらの噴射ノズル
から高圧水を前記カッター内方の地山に向け噴射して掘
削することを特徴とするシールド掘進工法。