JP2005213848A - 掘削工具および掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、例えば上記分岐供給管のような管体や電気配線など比較的小型の埋設物を埋設する地中孔を効率的に形成できる掘削工具を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明は、軸心廻りに回転可能な掘削刃を備え所定の掘削経路に沿い地中を推進される掘削手段と、前記掘削手段推進方向において該掘削手段の前方に該掘削手段の前方に前記軸心の延長線上に向かって伸びた先導孔を形成する先導孔形成手段を有することを特徴とする掘削工具である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中を掘削し地中孔を形成する掘削工具および掘削装置に関し、特に、ガスや水などの本支管から分岐する分岐供給管を埋設するための地中孔を非開削で掘削する非開削工法に適する掘削工具および掘削装置に関するものである。

ガスや上下水道など地中に埋設された本支管から住宅などにガスや水を供給する分岐供給管を敷設する場合、従来から本支管と分岐供給管を埋設する部分を地面から大きく開削するいわゆる開削工法が広く用いられてきた。この開削工法では、大量の土砂を取り除き、開削した部分は施工後土砂で埋め戻す必要がある。加えて、地面を大きく開削して大量の土砂を取り除くので重機などが必要となる。したがって、開削工法における作業は、作業者の負担が大きく工期が長くなり、それに伴い費用も高くなるという問題があった。

開削工法の問題を解決する工法として、分岐供給管を敷設する地中孔を地面を開削せずに形成する非開削工法が種々提案されている。非開削工法は、本支管に向けて地面から地中を掘削して地中孔を形成し、地中孔に分岐供給管を敷設する工法であり、開削工法で必要であった本支管および分岐供給管の埋設部分の土砂を全て取り除く作業を省略することができる。その結果、作業者の負担が低減して作業時間を短縮することができる。また、大掛かりな地面の開削を実施しないので、工事の際に交通整理等をする必要がないので、地域への影響も最小限に抑えることが可能である。

非開削工法において、地中孔を効率的に掘削する技術の一例が下記特許文献１〜３に開示されている。

本出願人の提案である特許文献１に開示された掘削装置は、案内手段を有し下孔を形成する下孔掘削工具と、前記案内手段に案内されつつ前記下孔を拡径する拡径ビットを有している。前記掘削装置によれば、地上から本支管に向かって下孔掘削工具を推進して下孔を掘削する。下孔掘削工具が本支管まで到達した後、案内手段に沿って拡径ビットで下孔を拡径掘削し地中孔が形成される。前記拡径ビットは、案内手段の軸心周りに回転可能な掘削刃と、土砂へ高圧水を噴射する高圧水噴射口を有している。この拡径ビットによれば、その外径付近に配設された噴射口から高圧水を土砂へ向かって掘削軸と並行に噴射して、高圧水が衝突した部分の土砂を緩和あるいは掘削しつつ掘削刃の回転接触により掘削するので、掘削刃のみで下孔を拡径するよりも、掘削刃の負荷を軽減することができる。

特許文献２に記載の推進工法拡径治具（以下、拡径治具と略称する。）は、砂質の土砂を掘削することに優れた攪拌翼と粘土質の土砂を掘削することに優れた圧密筒を有している。前記攪拌翼は掘削軸を中心に、放射上に複数個配置され、前記攪拌翼は、径方向の外側に向かって高圧水を噴射するように噴射ノズルを有する。各攪拌翼に設けられた噴射ノズルは、攪拌翼が前記掘削軸を中心に回転した際、異なった円周上を移動し、掘削面にほぼ均一に高圧水を噴射することができる。

特許文献３に記載の非開削敷設用拡孔リーマ（以下、拡孔リーマと略称する。）は、複数の切削刃を備えた支持アームを有し、前記支持アームは軸心周りに複数個配置されており、前記支持アームには掘削面に対し垂直に高圧水を噴射する噴射口を有している。前記支持アームは、軸心周りに回転し、掘削刃の接触および高圧水の噴射により、下孔を拡孔することができる。本拡孔リーマは各支持アームに設けた高圧水の噴射口の位置を、軸心からの距離が異なった位置にそれぞれ配置することによって、掘削時に各噴射口は、それぞれ異なった円周上を移動し、掘削面にほぼ均一に高圧水を噴射することができる。
特願２００２−２３９６５０号（図１〜２） 特開２０００−１７９８９号公報（第２〜６頁 図１〜図５） 特開２０００−２４８８９０号公報（第２〜１１頁 図１〜２）

しかしながら、特許文献１に記載された拡径ビットは、高圧水を掘進方向と並行に噴射するので、高圧水の噴射により形成される先導孔は略円環状に形成され、高圧水が地中に吸収されやすい形状となる。そのため回収する泥水の粘度が高くなり、土砂を思うように回収できないことがあった。その場合、掘削した地中孔内部に残留した土砂が大きな抵抗となり掘進に要する推進力が増大する。また、拡径ビットは外周部近傍に高圧水の噴射口を有するので、高圧水により土砂を緩和する効果を有する部分が、掘削する地中孔の外周部に限定される。そのため地中孔の外周部以外の掘削は、掘削刃の回転接触によりのみで行わなければならない。以上の原因により、掘進抵抗が増大して所定の掘進深度まで到達するために要する時間が長くなる場合があった。さらに、所定の掘進深度まで到達できない場合もあった。

特許文献２に記載の拡径治具および特許文献３に記載の拡孔リーマは、掘削する地中孔の径方向の外側に向かって高圧水を噴射するので、必要以上に地中孔の径を拡径したり、必要以上に地中孔周りの土砂を緩和させ、地中孔が崩落する恐れがある。また、特許文献２に記載の拡径治具および特許文献３に記載の拡孔リーマは、掘削刃を有する攪拌翼、あるいは掘削刃を固定する支持アーム自身に噴射口が配置されるので、掘削した土砂によって噴射口が閉塞したり、噴射口が損傷を受け高圧水を噴射できなくなる恐れがある。

本発明の目的は、例えば上記分岐供給管のような管体や電気配線など比較的小型の埋設物を埋設する地中孔を効率的に形成できる掘削工具を提供することである。

本発明の掘削工具は、軸心廻りに回転可能な掘削刃を備え所定の掘削経路に沿い地中を推進される掘削手段と、前記掘削手段推進方向において該掘削手段の前方に該掘削手段の前方に前記軸心の延長線上に向かって伸びた先導孔を形成する先導孔形成手段を有することを特徴としている。なお、前記先導孔形成手段は、前記軸心の延長線上に向かって流体を噴射する噴射口と、前記噴射口に前記流体を供給する流路とを有する構成とすれば好ましい。
本発明の掘削装置は、前記掘削工具と、前記掘削工具を回転可能に支持するとともに前記掘削経路に沿い配設される案内手段とを有し、前記掘削工具は、前記案内手段に案内されつつ掘進することを特徴としている。なお、前記案内手段は、屈曲自在に構成されていることが望ましい。

本発明の掘削工具によれば、該掘削工具は、その軸心廻りに回転可能な掘削刃を備え所定の掘削経路に沿い地中を推進される掘削手段を有しており、したがって、該掘削手段は地中を推進するとともにその掘削刃により土砂を掘削し地中孔が形成される。その際に、掘削工具は、地中に前記掘削手段の掘進方向において該掘削手段の前方に前記軸心の延長線上に向かって伸びた先導孔を形成する先導孔形成手段を有しているので、掘削刃にかかる負荷が軽減され、掘削に要する掘進推進力を低減することができる。また、本発明の好ましい掘削工具によれば、軸心の延長線上に向かって高圧水を噴射することにより掘削工具の掘進方向におけるその前方のほぼ全面の土砂は確実に泥水化される。粘度の低い泥水は効率よく吸引回収され、さらに掘進推進力が低減される。もって、本発明により、掘削に要する時間が短縮され、効率的に地中孔を形成することが可能となる。

まず、以下で説明する掘削工具を用いて地中を掘削して地中孔を形成し、該地中孔に分岐供給管を敷設する非開削工法について図５を参照し説明する。図５（ａ）は、非開削工法において掘削工具が地中を推進するためのガイドとなる案内手段４を地中に配設する下孔掘削工程を示す。図５（ｂ）は、案内手段４に沿って掘削工具１を掘進して地中孔９を形成する拡径掘削工程を示す。

図５（ａ）に示すように、下孔掘削工程で、例えばガスや水などの本支管０に向かい、案内手段４を後方に伴った下孔掘削体３を予定の掘削経路に沿いながら推進して下孔８を形成するとともに所定の掘削経路に沿い案内手段４を配設する。下孔掘削体３は、地上に設置した掘削装置５の推進力および回転力が案内手段４を介して伝えられ地中を推進する。ここで、案内手段４を屈曲可能な構造としておけば、湾曲した状態の掘削経路で案内手段４が配設される。

本支管０の近傍まで下孔掘削体３が到達したら、図５（ｂ）に示すように、拡径掘削工程で、掘削工具１を、案内手段４の地上に露出した一方の端部から他方の端部まで案内手段４に沿って回転させながら推進させて下孔８を拡径する。また、掘削工具１は後方に可撓性を有する樹脂製の鞘管７を接続可能で、地中孔９を掘削すると同時に掘削した地中孔９に鞘管７を引き込み、地上から本支管０に通じる鞘管７を内挿した地中孔９を形成することができる。その後、鞘管７のみを地中に残留させて、下孔掘削体３と、案内手段４と、掘削工具１を取り除く。

その後、分岐供給管接続工程で、地中に残留した鞘管７の内部に地上から本支管０まで樹脂製の分岐供給管を挿入し、例えば回転融着工法によって、本支管０と分岐供給管を接続する。

穿孔工程で、樹脂製の分岐供給管から挿入したカッターにより本支管０に穿孔することにより供給管と連通させ、穿孔後検査工程でガス漏れが無いことを確認し、最後に埋戻し工程本支管０と供給管の周囲の埋戻しを行なう。

次に、本発明の第１態様の掘削工具について、図１および図２により説明する。図１は掘削工具の断面図、図２は図１おいて矢印Ｃ方向から見た正面図である。図１は、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。なお、以下で説明する第１および第２態様の掘削工具は、上記図５に示す非開削工法において、案内手段４に沿って推進され案内手段４から回転力を伝達されて回転するものであるが、本発明の掘削工具はそれに限定されることなく、その他の推進機構および回転機構を採用することができ、例えば掘削工具自身に回転機構および推進機構を備えていてもよい。

掘削工具１は、掘削手段１１と先導孔形成手段１５を有している。
掘削手段１１について説明する。掘削手段１１は、掘進方向に複数の掘削刃１２１を有し、軸心廻りに回転する回転部１２と、回転部１２を軸支する小径部１３１を有する非回転部１３と、回転部１２と非回転部１３に装着されるほぼ円筒形のカバー１４からなる構成である。

回転部１２は、回転部本体１２２と、掘進方向において回転部本体１２２の前面に配設された掘削刃１２１を有している。回転部本体１２２は、外周部がほぼ円柱形状で中心に貫通する中空部を有する中空部材である。回転部本体１２２の中空部には案内手段４が通過することが可能で、回転部本体１２２の中空部形状は案内手段４の断面形状と同様にコーナー部がアール形状の略正方形を有している。したがって、回転部本体１２２は案内手段４に対し周方向に係止され、案内手段４の回転とともに回転される。

非回転部１３は、小径部１３１と小径部１３２からなる円筒形で、中空部は案内手段４が触れることなく挿通することができる。また非回転部１３の大径部１３２の外周部には、泥水を回収する複数の回収口１３３を有している。非回転部１３の小径部１３１は回転部材１２３を介し回転部１２と回転自在に接続されている。本実施の形態では、回転部材１２３にボールベアリングを用いているが、非回転部１３と回転部１２が回転自在に接続されていればよく、例えば、回転部１２自身に自己潤滑機能を有する材料を用いてもよい。

カバー１４は略円筒形状の中空部材で、その内径形状は段つき形状の係止部１４１を有している。カバー１４の内径側には、係止部１４１によって非回転部１３の大径部１３２が軸方向に掘進方向に係止されるように非回転部１３および回転部１２が装着されている。カバー１４の外周部には、掘進方向と反対の方向に可撓性を有する樹脂製の鞘管７を装着することができる。

先導孔形成手段１５について説明する。先導孔形成手段１５は、非回転部１３の大径部１３２に設けられ掘進方向かつ軸心の延長線上に向かって高圧水を噴射する第１の噴射口１５４と、非回転部１３の小径部１３１に設けられ掘進方向に高圧水を噴射する第２の噴射口１５５と、第１の噴射口１５４および第２の噴射口１５５に高圧水を供給する流路とを備えている。

第１の噴射口１５４は、非回転部１３の大径部１３２の外周部付近に等角ピッチで複数個配設されている。その第１の噴射口１５４は、非回転部１３の内部に形成された第１の流路１５１に通じており、第１の流路１５１は環状空間１５７に通じている。環状空間１５７には、外部から高圧水が供給される高圧水供給口（図示せず）が符号Ａの位置に接続されている。したがって、高圧水は、高圧水供給口〜環状空間１５７〜第１の流路１５１を通じて第１の噴射口１５４へ供給され、噴射される。ここで、第１の噴射口１５４は、回転する掘削刃１２１に対し固定的に配設されているので、噴射された高圧水は回転する掘削刃１２１により遮られ間歇的に土砂に衝突する。

第２の噴射口１５５は、非回転部１３の小径部１３１の前面に等角ピッチで複数個配設されている。その第２の噴射口１５５は、非回転部１３の内部に形成された第２の流路１５２に通じており、第２の流路１５２は環状空間１５７に通じている。したがって、高圧水は、高圧水供給口〜環状空間１５７〜第２の流路１５２を介して第２の噴射口１５５へ供給され、噴射する。ここで高圧水は回転部１２のスライド部１２４および回転部の第３の流路１５３に供給される。高圧水をスライド部に供給することによって、掘削工具１が案内手段４に沿って推進する際にスライド部１２４に進入する土砂を除去することができる。

さらに、回転部１２には、前記第２の噴射口１５５に対応し第３の流路１５３が形成されている。したがって、第２の噴射口１５５から噴射された高圧水は第３の流路１５３を通じて土砂に向けて噴射される。ここで、回転部１２の回転により高圧水は遮られるので回転部１２の前面から間歇的に噴射される。

なお、先導孔形成手段１５は、回転部１２および非回転部１３の両方から高圧水を噴射するが、掘削する土砂の性質によってはいずれか一方より高圧水を噴射してもよい。また、噴射する流体は水に限らず、圧縮空気や研磨材を混ぜ合わせた水などを用いてもよい。さらに、先導孔形成手段１５は、その噴射口や流路を掘削手段１１に内蔵せず、別に設ける構成としてもよい。

次に、本発明の第２態様の掘削工具について図３および図４を参照し説明する。図３は、第２態様の掘削工具の断面図、図４は図３において矢印Ｅ方向から見た正面図である。図３は、図４のＤ−Ｄ線に沿う断面を示している。なお、図３、４において、図１、２で説明した第１態様の掘削工具と同様な構成については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

拡径工具２の先導孔形成手段２５は、非回転部１３の大径部１３２に設けられ掘進方向かつ軸心の延長線上に向かって高圧水を噴射する第１の噴射口２５５と、非回転部１３の小径部１３１に設けられ掘進方向に高圧水を噴射する第２の噴射口２５６と、回転部１２に設けられ掘進方向かつ軸心の延長線上に向かって高圧水を噴射する第３の噴射口２５７と、第１の噴射口２５５、第２の噴射口２５６および第３の噴射口２５７に高圧水を供給する流路とを備えている。

第１の噴射口２５５は、非回転部１３の大径部１３２の外周部に等角ピッチで複数個配設されている。その第１の噴射口２５５には、非回転部１３の内部に形成された第１の流路２５１が接続され、該第１の流路２５１は環状空間２５８が接続され、環状空間２５８には図中Ａの位置に図示しない高圧水供給口が接続されている。したがって、高圧水は、高圧水供給口〜環状空間２５８〜第１の流路２５１を通じて第１の噴射口２５５へ供給され、噴射される。ここで、第１の噴射口２５５は、回転する掘削刃１２１に対し固定的に配設されているので、噴射された高圧水は回転する掘削刃１２１により遮られ間歇的に土砂に衝突する。

第２の噴射口２５６は、非回転部１３の小径部１３１の外周部に等角ピッチで複数個配設されている。その第２の噴射口２５６には、非回転部１３の内部に形成された第２の流路１５２が接続され、第２の流路２５２は環状空間２５８が接続されている。したがって、高圧水は、高圧水供給口〜環状空間２５８〜第２の流路２５２を通じて第２の噴射口２５６へ供給され、噴射する。ここで高圧水は回転部１２のスライド部１２４に供給される。高圧水をスライド部１２４に供給することによって、掘削工具が推進する際にスライド部に進入する土砂を除去することができる。

第３の噴射口２５７は、回転部１２の掘進方向の面に等角ピッチで複数個配設されている。その第３の噴射口２５７は、回転部１２の第４の流路２５４に通じている。第４の流路２５４は、環状の密閉空間２５９を介して第２の流路２５２から非回転部１３の小径部１３１の外周面に貫通する第３の流路２５３と常に通じている。ここで環状の密閉空間２５９は、非回転部１３の小径部１３１と回転部１２の内周部の間に一対の回転シール部材２５０により形成されている。したがって、高圧水は、高圧水供給口〜環状空間２５８〜第２の流路２５２〜第３の流路２５３〜密閉空間２５９〜第４の流路２５４を通じて第３の噴射口２５７へ供給され、連続的に噴射される。本実施の形態によれば、非回転部１３の第３の流路２５３と回転部１２の第４の流路２５４が常に連通するので、回転部１２が回転している時も連続して流体を噴射することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る掘削工具による、地中の掘削方法の詳細を、図６および図７を用いて説明する。ここで、掘削工具には、図３および図４で示した第２態様の掘削工具２を用いて説明する。図６は拡径工程の先導孔形成過程を示す地中断面図である。図７は拡径工程の詳細を示す地中断面図である。

一方の端部から、掘削工具２のスライド部１５５に案内部材４が通過するように装着する。地上に設置した掘削装置５（図５（ｂ））と案内部材４は連結され、掘削装置５により案内部材４は回転する。案内部材４の回転は案内部材４と共に回転するように連結された掘削工具２の回転部１２に伝達され、回転部１２は回転する。また、掘削工具２は、推進力伝達部材６を介して掘削装置５の推進部５１（図５（ｂ））と連結されており、掘削装置５１による推進力を受けて案内部材４に沿って推進する。

回転部１２は掘進方向の面に掘削刃１２１を有しており、掘削する土砂に掘削刃１２１を回転接触させ、土砂を掘削する。また、掘削工具２の非回転部１３および回転部１２に有する複数の噴射孔から高圧水を噴射して、流体を土砂に衝突させることによって土砂を緩和あるいは掘削する。

図６に示すように、掘削工具２は非回転部１３の第１の噴射孔２５５から、掘進方向かつ軸心の延長線上に向かって伸びた先導孔１０１を形成するように高圧水を噴射しつつ掘進する。先導孔１０１は、掘削工具２と共に案内部材４に沿って移動するので、高圧水の軸方向投影面を底面とする空間１０２を掘削工具の掘進方向前方に形成する。さらに、掘削工具２は、回転部１２の第３の噴射孔２５７から、回転しながら連続的に掘進方向に向かって高圧水を噴射して、掘進方向前方の土砂のほぼ全面を緩和あるいは掘削する。それにより、空間１０２は、掘削工具２の断面積とほぼ同等の底面を有する広い空間となる。その結果、掘削刃１２１により掘削される土砂が減少して掘削刃の掘削負荷が減少して、掘進に要する推進力が低減される。また、空間１０２が広く形成されると、掘削した土砂は空間１０２の内部で高圧水と効率よく混ざり合い、低粘度の泥水となる。低粘度の泥水は、容易に吸引口１３３から回収されるので、掘進の抵抗となる坑道９に残留する土砂を減少させることができる。本実施の形態では第３の噴射孔２５７から軸心と平行に高圧水を噴射するが、掘削する土砂のより広い範囲に高圧水を噴射するためには、第１の噴射孔２５５と同様に、軸心の延長線上に向かって噴射することがより望ましい。

本発明に係る第１態様の掘削工具の断面図である。 図１の掘削工具の正面図である。 本発明に係る第２態様の掘削工具の断面図である。 図５の掘削工具の正面図である。 非開削工法の工程を説明する図である。 図５の部分拡大図である。 図５の部分拡大図である。

符号の説明

０ 本支管
１ 掘削工具
１１ 掘削手段
１２ 回転部、１２１ 掘削刃、１２２ 回転部本体、１２３ 回転部材
１２４ スライド部
１３ 非回転部、１３１ 小径部、１３２ 大径部、１３３ 吸引口
１４ カバー、１４１ 係止部
１５ 先導孔形成手段、１５１ 第１の流路、１５２ 第２の流路
１５３ 第３の流路、１５４ 第１の噴射口
１５５ 第２の噴射口、１５６ 第３の噴射口
１５７ 環状空間
２ 掘削工具
２１ 掘削手段
２５ 先導孔形成手段、２５１ 第１の流路、２５２ 第２の流路
２５３ 第３の流路、２５４ 第４の流路
２５５ 第１の噴射口、２５６ 第２の噴射口
２５７ 第３の噴射口、２５８ 環状空間
２５９ 密閉空間、２５０ 回転シール部材
３ 下孔掘削体
４ 案内手段
５ 掘削装置、５１ 推進部
６ 推進力伝達部材
７ 鞘管
８ 下孔
９ 地中孔
１０ 地面、１０１ 先導孔

Claims (4)

1. 軸心廻りに回転可能な掘削刃を備え所定の掘削経路に沿い地中を推進される掘削手段と、
   前記掘削手段の推進方向において該掘削手段の前方に前記軸心の延長線上に向かって伸びた先導孔を形成する先導孔形成手段とを有することを特徴とする掘削工具。
2. 前記先導孔形成手段は、前記軸心の延長線上に向かって流体を噴射する噴射口と、前記噴射口に前記流体を供給する流路とを有することを特徴とする請求項1に記載の掘削工具。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の掘削工具と、
   前記掘削工具を回転可能に支持するとともに所定の掘削経路に沿い配設された案内手段とを有し、
   前記掘削工具は、前記案内手段に案内されつつ推進されることを特徴とする掘削装置。
4. 請求項３に記載の掘削装置において
   前記案内手段は、屈曲自在であることを特徴とする掘削装置。

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