JP2016098484A - 補強管の接続装置および接続方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 補強管の設置作業の安全性および施工性を改善し、作業効率を向上させることができる装置や方法を提供する。
【解決手段】 この装置は、地盤を補強するために用いられる補強管31を、該地盤に挿入された他の補強管と接続するための装置である。この装置は、補強管31の外周面に当接して、補強管31を該補強管31の周方向に回転させることが可能な1以上の第1の回転手段と、補強管31の外周面に当接して、補強管31を該補強管31の長手方向に移動させることが可能な1以上の第2の回転手段とを含み、1以上の第1の回転手段により周方向に回転させ、1以上の第2の回転手段により長手方向に移動させることにより、補強管31を他の補強管に螺合させて接続する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、地盤を補強するために用いられる補強管を、該地盤に挿入された他の補強管と接続するための接続装置およびその接続方法に関する。
山岳トンネル工事に適用される工法として、注入式長尺先受工法が多く用いられている。この注入式長尺先受工法は、トンネルの概ね上方にアーチ状の補強体を構築し、地山等の崩壊を抑止するための工法である。
注入式長尺先受工法は、図1に示すように、固化材の吐出口を備えた一定長の鋼管(補強管)10を地山等の地盤に挿入し、その補強管10内に固化材を注入し、固化材が補強管10を充填しつつ、その補強管10の吐出口から地山に浸透させることにより、上記のアーチ状の補強体11を構築する。
例えば、長さ10m程度の補強管を複数本用い、図1(a)に示すように、矢線Aに示すトンネル軸方向へ複数回シフトさせて施工を行い、図1(b)に示すアーチ状の補強体11をオーバーラップさせて構築する方法が提案されている(特許文献1参照)。
また、外管と内管の二重管構造として剛性を高めた補強管を用い、20m以上の地山の補強を可能にする方法も提案されている(特許文献2参照)。これらの方法は、いずれも、通常の山岳トンネルの施工で使用されるドリルジャンボを使用して実施され、補強管として1本約3mの鋼管をネジ式の継ぎ手で接続し、順次地山に削孔挿入する。
特開2003−321992号公報 特願2013−122401号
補強管として使用される鋼管1本当たりの重量は、例えば、径139.8mm、厚さ6.6mm、長さ3.05mのもので約67.5kgと非常に重く、地山に挿入された鋼管との接続する際、従来においては、ドリルジャンボの狭隘なバスケット上で人力により鋼管をスライドさせ、回転させて接続している。なお、この作業は、トンネル天端部にアーチ状に施工するものであるため、高所での作業となる。このことから、作業の安全性や施工性に問題があった。
トンネル坑内のアーチ中央付近の補強では、バスケットの上下方向位置が制限されることから、この部分の作業は、さらに安全性や施工性が悪化するという問題があった。それに加えて、上記特許文献2のような剛性を高めた補強管を使用する場合、外管と内管という2つの管を接続しなければならないため、作業効率が低下するという問題もあった。
そこで、長尺先受工法等で使用する補強管の設置作業の安全性および施工性を改善し、作業効率を向上させることができる装置や方法の提供が望まれていた。
本発明は、上記課題に鑑み、地盤を補強するために用いられる補強管を、該地盤に挿入された他の補強管と接続するための接続装置であって、補強管の外周面に当接して、補強管を該補強管の周方向に回転させることが可能な1以上の第1の回転手段と、補強管の外周面に当接して、補強管を該補強管の長手方向に移動させることが可能な1以上の第2の回転手段とを含み、1以上の第1の回転手段により周方向に回転させ、1以上の第2の回転手段により長手方向に移動させることにより、補強管を他の補強管に螺合させて接続する、接続装置が提供される。
本発明によれば、地盤を補強するために用いられる補強管を、該地盤に挿入された他の補強管と接続する方法であって、接続装置が備える1以上の第1の回転手段を、補強管の外周面に当接させ、補強管を該補強管の周方向に回転させるステップと、接続装置が備える1以上の第2の回転手段を、補強管の外周面に当接させ、補強管を該補強管の長手方向に移動させることにより、補強管を他の補強管に螺合させて接続するステップとを含む、接続方法も提供される。
本発明の装置および方法によれば、補強管の設置作業の安全性および施工性を改善し、作業効率を向上させることができる。
従来の注入式長尺先受工法を用いてトンネルの地山補強を実施しているところを例示した図。 トンネルの地山補強に使用される機械の一例を示した図。 補強管の接続装置の構成例を示した図。 補強管の接続装置が備える2つの回転手段を拡大して示した図。 補強管の接続装置により補強管を設置する際、接続する際の把持機構について説明する図。 補強管の接続装置により補強管を送り出す際の送出機構について説明する図。 補強管の接続装置を用いた補強管の自動接続の流れを示したフローチャート。
本発明の補強管の接続装置は、長尺先受工法や上記特許文献2に記載の長さ20mを超える超長尺先受工法で利用され、その補強管を、先に地盤に挿入した他の補強管とネジ式の継手で接続する際に有用な装置である。なお、長尺先受工法と超長尺先受工法とは、使用する補強管の長さが異なるのみで、両者は基本的に同様の工法である。
長尺先受工法の概要については、上記に簡単に説明したが、その詳細な内容について説明しておく。長尺先受工法では、脆弱な地山が崩れないように先受け部材である鋼管(補強管)をその地山に挿入する。その補強管を挿入するための機械として、汎用機械であるドリルジャンボ等が使用される。
地山は、トンネルボーリングマシンやシールドマシン等を使用して掘削され、トンネルが構築される。その掘削に先行し、掘削箇所の上部地山を支える先受けとして、補強管が挿入され、セメント系の材料やシリカレジン等の固化材により地山と一体化される。
ドリルジャンボを使用して補強管を挿入する場合、図2に示すように、トンネル形状に合わせて構築されたアーチ状の鋼材20に、2つの略平行に配置される棒状部21a、21bと底上げ金具21cと棒状の逸脱防止ストッパ21dとを備える管支持装置21を取り付ける。アーチ状の鋼材20は、トンネル軸方向へ一定間隔で設置され、各鋼材20に、管支持装置21がトンネル軸方向へ向けて配列するようにクランプ22等を用いて取り付けられる。この配列する複数の管支持装置21により1本の補強管23を支持する。
各管支持装置21では、2つの棒状部21a、21bにより補強管23を挟み込み、下部を底上げ金具21cにより支持し、補強管23が上部へ跳ね上がり、逸脱しないように逸脱防止ストッパ21dで抑えつつ、ドリルジャンボによりその補強管23の長手方向の地山24に向けて挿入する。地山24への挿入は、トンネル軸方向に対して所定の角度で傾斜させるように実施される。
補強管23の先端には、ビットと呼ばれる削孔部材が取り付けられ、補強管23内の削孔ロッドがトンネル掘削装置としてのドリルジャンボに連結される。ドリルジャンボには、削岩機が搭載されていて、スリーブと呼ばれる連結部材を用い、削岩機内のシャンクロッドと呼ばれる一定方向に回転する回転部材と削孔ロッドとが連結される。
ドリルジャンボに搭載された削岩機が、削孔ロッドに回転力と推進力および打撃力を加えることにより、先端のビットにより地山24を所定の傾斜角度で削孔し、それに伴ってビット後端部に連結された補強管23を地山24の所望の位置に挿入して設置する。ちなみに、削孔終了後に削孔ロッドは回収され、補強管23のみが地山24中に残置される。
ドリルジャンボは、削岩機が搭載されるブームを複数持ち、同時に複数の補強管23を挿入し設置することができる。このようにして、図1(b)に示すような、複数の補強管23がトンネル周方向に一定間隔で挿入し設置されたアーチ状の補強体が構築される。このアーチ状の補強体は、一部がオーバーラップするようにトンネル軸方向に複数回シフトさせ、複数構築される。このようにして構築された複数のアーチ状の補強体は、その形状が傘に似ていることから、アンブレラアーチと呼ばれる。
長尺先受工法では、このように複数回シフトさせてアンブレラアーチを構築する必要があるが、超長尺先受工法では、1本の補強管の長さが長いので、トンネルの長さによってはシフトさせなくてもよい。このため、作業が簡素化でき、オーバーラップさせるために傾斜角度を大きくしていたものを小さくして、崩落防止効果を向上させることができる。
長尺先受工法や超長尺先受工法では、最終的な補強管の長さを10m程度や20m以上の長さにするために、3m程度の補強管を、継手を使用して複数本接続する。この接続を人力で行う場合、高所での作業であり、補強管が重量物であることから、安全性や施工性が悪く、作業効率が低い。そこで、本発明では、その接続を自動で行う接続装置を使用する。この接続装置の使用により、安全性や施工性を改善し、作業効率を向上させることができる。
図3は、本発明の補強管の接続装置の1つの構成例を示した図である。接続装置30は、図3(a)に破線で示す補強管31を回転させ、その長手方向に送り出す回転送り装置32と、補強管31を回転送り装置32とともに支持する鋼管受け(サブサポート)33とを備える。接続装置30は、山岳トンネル工事で一般的に使用される上記ドリルジャンボの削岩機34が搭載されるブーム35上に設置することができる。
接続装置30は、補強管31の一端側を、回転送り装置32により、他端側を、サブサポート33により支持し、回転送り装置32により補強管31を一定方向に回転させ、補強管31の長手方向に所定の速度で送り出す。このため、サブサポート33は、補強管31を、回転および滑動可能に支持する。サブサポート33は、例えば、図3(b)に示すように一辺に円弧状の切り込みを設けた板状物や、補強管31の外径より大きい円形の穴が設けられた板状物等とすることができる。サブサポート33は、ブーム35の先端方向への削岩機34の移動とともにブーム35上をその先端方向へ向けて移動され、常に補強管31の他端側を支持する。サブサポート33は、もともと削岩機34に備わるロッドを移動可能に支持するための機構を利用し、そのロッドを支持する部分を上記の板状物等に交換したものとすることができる。
回転送り装置32は、1以上の第1の回転手段と、1以上の第2の回転手段とを含んで構成される。第1の回転手段は、補強管31の外周面に当接して、補強管31を、その補強管31の周方向に回転させることを可能にする。図4に示す例では、第1の回転手段は、鋼管回転ローラ40と、鋼管回転ローラ40を回転させるための動力を与える油圧モータまたは電動モータ41とを含んで構成される。第2の回転手段は、補強管31の外周面に当接して、補強管31を把持し、その補強管31の長手方向に移動させることを可能にする。図4に示す例では、第2の回転手段は、鋼管把持・前進ローラ42と、アーム43と、シリンダーとを含んで構成される。
回転送り装置32は、一辺にU字状に切り込みを設けた2つの板状物44、45の間に、2つの鋼管回転ローラ40と、2つの鋼管把持・前進ローラ42とを回転可能に配置し、2つの鋼管回転ローラ40の各々を回転させるための動力を与える2つの電動モータ41を備えている。2つの鋼管把持・前進ローラ42と2つの鋼管回転ローラ40は、U字状の切り込み内に収容される補強管31の外周面に当接させるため、その切り込み内に突出し、また、補強管31を適切に把持することができる位置に配置される。
図4では、切り込みが上側に設けられ、一定間隔で配置された2つの板状物44、45の間に、その切り込み内に下側から突出するように2つの鋼管回転ローラ40が設けられている。2つの鋼管回転ローラ40は、2つの板状物44、45に設けられた穴に鋼管回転ローラ40中央の回転軸を通すことにより、2つの板状物44、45の間に回転可能に配置され、2つの板状物44、45から突出する回転軸の一方に取り付けられた電動モータ41により回転する構成とされている。2つの鋼管回転ローラ40は、補強管31をその周方向に回転させる回転機構と機能するが、その上に補強管31が乗せられるため、補強管31を支持するための支持機構としても機能する。
2つの鋼管把持・前進ローラ42は、2つの板状物44、45の間にシリンダーに連結される2つのアーム43の各々の先端に取り付けられ、2つのアーム43が切り込みの内側の方向、外側の方向へ開閉することにより、補強管31の外周面に当接して把持し、補強管31の外周面から離間してその把持から解放する。2つの鋼管把持・前進ローラ42は、補強管31の外周面に当接して補強管31を把持するため、2つのアーム43の補強管31に向いた側に突出するように取り付けられる。その位置は、補強管31の下側を支持する2つの鋼管回転ローラ40とは反対に、補強管31の上側で、かつ補強管31の長手方向に対して垂直な水平方向に移動しないように適切に把持できる位置とされる。
2つの鋼管把持・前進ローラ42は、補強管31の長手方向である送り出し方向に対する角度を変え、補強管31を把持した状態で鋼管回転ローラ40により補強管31に回転を与えることで、その送り出し方向へ補強管31を送り出すことができる。このため、先に地山に挿入された他の補強管にネジ式の継手が取り付けられている場合、補強管31をその継手に自動的に螺合させて接続することができる。
ここでは、鋼管回転ローラ40を補強管31の下側に配置し、鋼管把持・前進ローラ42を上側に配置した例を示したが、これに限られるものではなく、その反対であってもよいし、鋼管回転ローラ40の1つが下側で、もう1つが上側に、鋼管把持・前進ローラ42の1つが上側で、もう1つが下側に配置されていてもよい。また、各ローラは2つに限定されるものではなく、3つ以上であってもよい。各ローラを1つずつとし、各ローラによって従動する従動ローラを設けた構成であってもよい。継手は、先に挿入された他の補強管に取り付けられていてもよいし、接続しようとする補強管31の先端に取り付けられていてもよい。また、継手を用いず、他の補強管に補強管31が直接螺合できる構成であってもよい。例えば、先端の外周面がネジ切りされ、末端の内周面がネジ切りされた補強管31を用いることで、補強管31を直接螺合することができる。
なお、補強管31を把持することで、鋼管回転ローラ40と補強管31との間に回転に必要な摩擦力を発生させることができる。また、このような把持機構を備えることで、径が異なる補強管に対しても対応可能となる。鋼管回転ローラ40は、ゴム製のローラであってもよいが、補強管31に設けられた注入材を吐出させるための注入孔が引っ掛かる等してゴムが切断されるため、耐久性に問題が生じる。このため、鋼管回転ローラ40は、金属製とすることができる。しかしながら、金属製にすると、回転に必要な摩擦力が低減する。そこで、表面に複数の凹凸を設けたギア式とすることが好ましい。これにより、耐久性を向上させることができ、摩擦力を増大させることもできる。
図5を参照して、回転送り装置32の補強管31の把持機構について説明する。補強管31は、地山へ挿入する際、削岩機34により回転および前進させるため、その把持を解放する必要がある。2つのアーム43は、図5(a)に示すように、各支点46を中心に矢線Bに示す方向へ回転する構造とされ、一端に鋼管把持・前進ローラ42が設けられ、他端がシリンダー47に接続される。シリンダー47は、油圧や空気等により内部のピストンを往復動させる装置で、ピストンに取り付けられる棒状部材にいずれか一方のアーム43が連結される。そして、シリンダー47本体に他方のアーム43が連結される。
したがって、2つのアーム43は、補強管31の把持を解放する際、シリンダー47により棒状部材が矢線Cに示す方向へ引き込まれると、2つの鋼管把持・前進ローラ42が補強管31の外周面から矢線Dに示す方向へ離れる。
これに対し、補強管31を把持する場合、シリンダー47は、図5(b)の矢線Eに示すように棒状部材を押し出し、2つのアーム43を外側へと押し出す。その結果、2つの鋼管把持・前進ローラ42は、矢線Fに示す方向へ移動し、補強管31の外周面に押し当てられ、補強管31を把持する。
図6を参照して、回転送り装置32の補強管31の送出機構について説明する。鋼管把持・前進ローラ42は、図6(b)に示すような、補強管31の外周面へ向けて突出するように設けられるコの字形のローラ収納部50に収納される。送出機構は、図6(a)、(b)に示すように、鋼管把持・前進ローラ42が収納されるローラ収納部50と、アーム43の先端部に形成された円形の穴と円弧状の穴51に挿通され、ローラ収納部50を円形の穴を中心として回転可能に連結する連結部材52、53とを含んで構成される。
鋼管把持・前進ローラ42は、ローラ収納部50に橋渡した回転軸を中心に回転するようになっていて、その一部が補強管31の外周面に押し付けられ、補強管31を把持する。連結部材52、53は、2つともローラ収納部50に連結され、連結部材52は自身が回転するのみで、連結部材53は円弧状の穴51に沿って矢線Gに示す方向に移動することが可能となっている。
補強管31を送り出し方向へ前進させる場合、図6(a)に示すように、まず、2つの鋼管把持・前進ローラ42を平行かつその送り出し方向に対して傾斜した方向に固定する。固定は、ボルト等の連結部材52、53により行う。次に、シリンダー47により2つのアーム43を外側へ押し出し、鋼管把持・前進ローラ42を補強管31の外周面に押し当て、補強管31を把持する。この状態で、鋼管回転ローラ40にて補強管31を回転することで補強管31を送り出し方向へ前進させることができる。
上記のようにして鋼管把持・前進ローラ42の傾斜角度を変え、また、鋼管回転ローラ40の回転数を変えることにより、接続する補強管31のネジピッチに合うように回転数と送り出し速度を調整することができる。また、鋼管把持・前進ローラ42の回転方向を逆回転にすること、または鋼管回転ローラ40の回転方向を逆回転にすることで、螺合して接続した補強管31を取り外すことができる。
図7を参照して、接続装置30を使用した補強管31の接続および打設について説明する。ステップ700から開始し、ステップ705で、地山の打設箇所に補強管が挿入され、打設されているかを判断する。打設されていない場合、ステップ710へ進み、接続装置30上に補強管を乗せ、図5(a)に示すように、回転送り装置32の把持機構による補強管の把持を行わず、削岩機34により補強管を地山に挿入して打設する。そして、ステップ715へ進む。一方、打設されている場合、直接ステップ715へ進み、所定本数の補強管が接続されているかを判断する。
所定本数の補強管が接続されていない場合、まだ接続すべき補強管があることから、ステップ720へ進み、打設された補強管(他の補強管)に対して接続する補強管を準備する。すなわち、接続装置30上に補強管を乗せ、図5(b)に示すように、接続装置30の回転送り装置32により補強管を把持する。なお、継手を用いて接続する場合は、準備する補強管の先端に取り付けておくこともできるし、この準備中に上記他の補強管に取り付けておくこともできる。
ステップ725では、鋼管回転ローラ40を回転させ、鋼管回転ローラ40上の補強管をその周方向へ回転させ、ステップ730で、鋼管把持・前進ローラ42の送出機構により送り出し方向へ移動させ、ステップ735で、上記他の補強管にこの補強管を接続する。ステップ740では、鋼管把持・前進ローラ42の把持機構による補強管の把持を解放する。ステップ745では、削岩機34により上記他の補強管と接続された補強管を地山に挿入して打設する。そして、ステップ705へ戻る。
ステップ715で所定本数の補強管が接続されたと判断した場合、ステップ750へ進み、その打設箇所における補強管の接続および打設を終了する。一方、まだ接続されていないと判断した場合は、ステップ720〜ステップ745の作業を実施する。
なお、補強管は、ドリルジャンボにより地山等の地盤を削孔し、削孔した穴に挿入して設置される。地盤の削孔は、上記のビットや削孔ロッドを用いて実施される。補強管は、設置された後、その内部に、固化材を吐出するポンプと接続された注入管ユニットが挿入され、設置される。
そして、ポンプを起動し、注入管ユニットが備える各吐出ノズルの吐出口から固化材を吐出させることにより、補強管内に固化材が充填される。補強管の側壁には、複数の孔が形成されており、複数の孔を通して固化材が流出し、補強管と地山との間に充填される。トンネルの周方向に打設された複数本を接続してなる補強管のそれぞれへ固化材を充填し、各補強管から固化材を流出させることにより、図1に示すようなアーチ状の補強体11を構築し、アンブレラアーチを構築することができる。
これまで、鋼管回転ローラ40と、鋼管把持・前進ローラ42とを用いる例について説明してきたが、鋼管把持・前進ローラ42を、単に補強管31を把持する機能のみを備える鋼管把持ローラとし、鋼管回転ローラ40を、その表面形状を螺旋形状とし、補強管31を回転させつつ送り出し方向に前進させる回転機能と送出機能の両方を備える鋼管回転・前進ローラとすることもできる。
従来、人力で行っていた補強管の接続を、接続装置30を用いて実施することで、作業の安全性および施工性を大幅に改善することができ、作業効率を向上させることができる。
これまで本発明の補強管の接続装置およびその接続方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
10…補強管、11…補強体、20…鋼材、21…管支持装置、21a、21b…棒状部、21c…底上げ金具、21d…逸脱防止ストッパ、22…クランプ、23…補強管、24…地山、30…接続装置、31…補強管、32…回転送り装置、33…サブサポート、34…削岩機、35…ブーム、40…鋼管回転ローラ、41…電動モータ、42…鋼管把持・前進ローラ、43…アーム、44、45…板状物、46…支点、47…シリンダー、50…ローラ収納部、51…円弧状の穴、52、53…連結部材

Claims (9)

  1. 地盤を補強するために用いられる補強管を、該地盤に挿入された他の補強管と接続するための接続装置であって、
    前記補強管の外周面に当接して、前記補強管を該補強管の周方向に回転させることが可能な1以上の第1の回転手段と、
    前記補強管の外周面に当接して、前記補強管を該補強管の長手方向に移動させることが可能な1以上の第2の回転手段とを含み、
    前記1以上の第1の回転手段により前記周方向に回転させ、前記1以上の第2の回転手段により前記長手方向に移動させることにより、前記補強管を前記他の補強管に螺合させて接続する、接続装置。
  2. 前記接続装置は、前記補強管を前記他の補強管に取り付けられた継手に、または継手を取り付けた前記補強管を前記他の補強管に螺合させて接続する、請求項1に記載の接続装置。
  3. 前記第1の回転手段は、前記周方向に回転可能な第1の回転ローラと、該第1の回転ローラを回転させるための動力を与える動力手段とを含み、
    前記第2の回転手段は、前記長手方向に対する角度を変えて回転可能な第2の回転ローラと、該第2の回転ローラを前記補強管の外周面に当接または離間するように移動させる移動手段とを含む、請求項1または2に記載の接続装置。
  4. 前記接続装置は、螺合する前記他の補強管に応じて、前記第1の回転ローラの回転数と、前記第2の回転ローラの前記角度とを調整する、請求項3に記載の接続装置。
  5. 前記第1の回転ローラは、表面に複数の凹凸を有する、請求項3または4に記載の接続装置。
  6. 地盤を補強するために用いられる補強管を、該地盤に挿入された他の補強管と接続する方法であって、
    接続装置が備える1以上の第1の回転手段を前記補強管の外周面に当接させ、前記補強管を該補強管の周方向に回転させるステップと、
    前記接続装置が備える1以上の第2の回転手段を前記補強管の外周面に当接させ、前記補強管を該補強管の長手方向に移動させることにより、前記補強管を前記他の補強管に螺合させて接続するステップとを含む、接続方法。
  7. 前記接続するステップでは、前記補強管を前記他の補強管に取り付けられた継手に、または継手を取り付けた前記補強管を前記他の補強管に螺合させて接続する、請求項6に記載の接続方法。
  8. 前記第1の回転手段は、前記周方向に回転可能な第1の回転ローラと、該第1の回転ローラを回転させるための動力を与える動力手段とを含み、
    前記第2の回転手段は、前記長手方向に対する角度を変えて回転可能な第2の回転ローラと、該第2の回転ローラを前記補強管の外周面に当接または離間するように移動させる移動手段とを含み、
    前記回転させるステップでは、1以上の前記第1の回転ローラを前記補強管の外周面に当接させ、前記接続するステップでは、1以上の前記第2の回転ローラを前記補強管の外周面に当接させる、請求項6または7に記載の接続方法。
  9. 螺合する前記他の補強管に応じて、前記第1の回転ローラの回転数と、前記第2の回転ローラの前記角度とを調整するステップをさらに含む、請求項8に記載の接続方法。
JP2014233731A 2014-11-18 2014-11-18 補強管の接続装置および接続方法 Active JP6399903B2 (ja)

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