JP2016098558A - 自由面形成工法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特殊な機械設備を用いることなく、自由面となる連続孔を削孔することができる自由面形成工法を提供する。【解決手段】切羽に自由面を形成する自由面形成工法であって、切羽に複数の鋼管４を近接させて打設する鋼管打設工程と、打設した鋼管４を切羽から抜き取る鋼管抜き取り工程とを有し、鋼管４を抜き取った跡の空孔が連なった連続孔を自由面（心抜き自由面１６、円周状の自由面）として形成する。鋼管打設工程での鋼管４の打設と、鋼管抜き取り工程での鋼管４の抜き取りとは、長尺鋼管先受け工法に用いられる２重管構造のボーリングロッドによって行う。【選択図】図４

Description

本発明は、切羽に自由面を形成する自由面形成工法に関する。

従来、トンネル等の構築のために岩盤を掘削する際には、火薬を用いる発破工法が行われている。一般的な発破工法では、切羽の中央部に心抜き発破を行って自由面を形成し、その周囲を払い発破で破砕する。この心抜き発破で発生する振動は払い発破に比べて大きくなる。従って、近年では、心抜き発破を行わないで自由面を形成することが提案されている。

発破を使わない自由面の形成方法としては、ドリルジャンボを使用して、空孔を連続して削孔して、空孔が連なった連続孔を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。既設の空孔に隣接して削孔を行う場合には、削孔時に削孔ビットの受ける抵抗が既設の空孔側において小さくなるため、削孔の方向が既設の空孔側に曲がって重なってしまう。これにより、隣接する空孔の間隔を一定にすることができず、連続孔を形成することが困難である。そこで、特許文献１では、既設の空孔に案内ロッドを挿入することで、既設の空孔に隣接して行う削孔の曲りを防止している。

特開平８−２９１６８６号公報

しかしながら、従来技術では、自由面となる連続孔を削孔するために、ドリルジャンボのガイドセルに特殊な案内ロッドを装着しなければならない。この案内ロッドは、連続孔を形成するための特殊な機械設備であり、掘削作業のコストアップにつながってしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、特殊な機械設備を用いることなく、自由面となる連続孔を削孔することができる自由面形成工法を提供することにある。

本発明の自由面形成工法は、切羽に自由面を形成する自由面形成工法であって、切羽に複数の鋼管を近接させて打設する鋼管打設工程と、打設した前記鋼管を切羽から抜き取る鋼管抜き取り工程とを有し、前記鋼管を抜き取った跡の空孔が連なった連続孔を前記自由面として形成することを特徴とする。
さらに、本発明の自由面形成工法は、前記鋼管打設工程での前記鋼管の打設と、前記鋼管抜き取り工程での前記鋼管の抜き取りとは、長尺鋼管先受け工法に用いられる２重管構造のボーリングロッドによって行っても良い。
さらに、本発明の自由面形成工法は、前記ボーリングロッドの掘削チップは、先端が凸球面状のボタンチップであっても良い。
さらに、本発明の自由面形成工法は、前記鋼管打設工程によって所定本数の前記鋼管を打設した後、前記鋼管抜き取り工程と前記鋼管打設工程とを順次繰り返して、徐々に前記連続孔を延ばしても良い。
さらに、本発明の自由面形成工法は、前記鋼管打設工程によって所定本数の前記鋼管を打設した後は、前記鋼管打設工程おいて、前記鋼管抜き取り工程によって抜き取った前記鋼管をそのまま用いて打設しても良い。

本発明によれば、一般的な機械設備を用いて、自由面となる連続孔を簡単に削孔することができるという効果を奏する。

本発明に係る自由面形成工法の実施の形態に用いるボーリングロッドをドリルジャンボに装着した状態を示す図である。 図１に示すボーリングロッドの構成を示す側断面図である。 図２に示すボーリングロッドの構成を示す正面図及び側断面図である。 本発明に係る自由面形成工法の第１の実施の形態における鋼管打設工程及び鋼管抜き取り工程を説明する説明図である。 本発明に係る自由面形成工法の第１の実施の形態における払い発破工程を説明する説明図である。 本発明に係る自由面形成工法の第２の実施の形態における鋼管打設工程及び鋼管抜き取り工程を説明する説明図である。 本発明に係る自由面形成工法の第２の実施の形態における破砕工程及び払い発破工程を説明する説明図である。 本発明に係る自由面形成工法の第３の実施の形態における鋼管打設工程及び鋼管抜き取り工程を説明する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施の形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施の形態の自由面形成工法では、地山の安定性を図る長尺鋼管先受け工法に用いられるボーリングロッド１を用いて連続孔を形成する。ボーリングロッド１は、図１に示すように、現場で通常使用されているドリルジャンボ（削孔機）１００に装着して使用される。

ボーリングロッド１は、図２に示すように、先端からリングビット２、ケーシングシュー３、鋼管４の順に連なる外管部１１と、先端からインナービット５、中継ロッド６の順に連なる内管部１２とで構成された２重管構造である。

内管ロッド８の後端には、アダプタ１３を介してドリフター１４が連結される。ドリフター１４は、内管部１２に対して回転力及び打撃力を出力する回転・打撃装置であり、ドリルジャンボ１００に設けられたフィード装置１５によって前後方向に移動可能に取り付けられている。ドリフター１４が出力する衝撃力及び回転力は、中継ロッド６を介してインナービット５に伝達される。中継ロッド６とインナービット５とは、正逆いずれの回転でも連結が緩まないように連結されている。これらの連結は、例えば端部同士を相互に螺着することによって行うことができ、連結部を貫通するピンを設けることで正逆いずれの回転方向に対しても固定させると良い。

インナービット５は、図３を参照すると、先端に岩盤を掘削する複数の掘削チップ７を有する。そして、インナービット５の後方には、拡径した部分を設けてケーシングシュー３を前方に押し付ける押付力伝達部５１としている。掘削チップ７は、凸球面状の先端部を有するボタンチップである。また、先端の掘削チップ７と押付力伝達部５１との間には、打撃力、押付力及び後方に引き抜く引抜力をリングビット２に伝達する打撃力伝達部５２と、リングビット２に回転力を伝達する回転力伝達部５３とが設けられている。

ケーシングシュー３の内周には、縮径し、インナービット５の押付力伝達部５１と係合し、押付力伝達部５１から押付力及び打撃力が伝達される押付力被伝達部３１が形成されている。ケーシングシュー３の後端には、鋼管４が螺合や溶接によって取り付けられ、ケーシングシュー３の先端には、リングビット２が回転自在に取り付けられる。

鋼管４としては、長尺鋼管先受け工法に用いられるＡＧＦ鋼管を使用することができる。なお、長尺鋼管先受け工法では、定着材を注入するための孔がＡＧＦ鋼管に形成されているが、本実施の形態の自由面形成工法では、孔が形成されていないＡＧＦ鋼管を使用する。

リングビット２は、先端に岩盤を掘削する複数の掘削チップ７を有する。リングビット２の内周には、インナービット５の打撃力伝達部５２と係合し、打撃力伝達部５２から打撃力及び押付力が伝達される打撃・押付力被伝達部２１と、インナービット５の打撃力伝達部５２と係合し、打撃力伝達部５２から引抜力が伝達される引抜力被伝達部２２と、インナービット５の回転力伝達部５３と係合し、回転力伝達部５３から回転力が伝達される回転力被伝達部２３とが形成されている。インナービット５の打撃力伝達部５２と、リングビット２の打撃・押付力被伝達部２１及び引抜力被伝達部２２とは、インナービット５の正方向の回転によって係合され、インナービット５の逆方向の回転によって係合が解消される。

（第１の実施の形態）
次に、ボーリングロッド１を用いて自由面を形成する自由面形成工法の第１の実施の形態について図４及び図５を参照して詳細に説明する。なお、図４及び図５では、鋼管４の長さ方向の縮尺が幅方向の縮尺に比べて大きくなっている。
まず、図４（ａ）に示すように、鋼管打設工程としてボーリングロッド１を用いて切羽に複数本の鋼管４を打設する。複数本の鋼管４は、形成したい自由面の形状内に満遍なく近接させて打設する。図４（ａ）に示す例では、円形の自由面を形成するため、鋼管４として７本のＡＧＦ鋼管（鋼管径φ＝１１４．３ｍｍ、肉厚ｔ＝６．０ｍｍ、長さＬ＝３ｍ）を相互に接するように自由面の形状内に満遍なく打設した例が示されている。なお、自由面の形状は任意である。また、鋼管４を打設する順番は任意である。最初の鋼管４を打設した後、新たな鋼管４を既設の鋼管４に近接させて順次打設しても良い。また、間隔をおいて鋼管４を打設した後、既設の鋼管４の間に新たな鋼管４を近接させて打設しても良い。

鋼管４の打設は、以下に示す工程によって行われる。
まず、内管部１２をドリルジャンボ１００に装着し、この内管部１２を外管部１１の内部後端から挿入させ、図２及び図３に示すボーリングロッド１を構成させる。そして、ドリフター１４の駆動によって打撃力と正方向の回転力とを発生させると共に、フィード装置１５によってドリフター１４を前方に移動させて押付力を発生させ、ボーリングロッド１によってトンネル内の切羽を削孔する。ドリフター１４からの打撃力及び正方向の回転力と、フィード装置１５からの押付力とは、中継ロッド６を介してインナービット５に伝達され、インナービット５によって削孔が行われる。また、打撃力、正方向の回転力及び押付力は、インナービット５からリングビット２に伝達され、リングビット２によっても削孔が行われる。また、打撃力及び押付力は、インナービット５からケーシングシュー３へも伝達され、掘削に伴ってケーシングシュー３と、ケーシングシュー３の後方に取り付けた鋼管４とが引き込まれる。このようにして、所定の到達距離まで削孔した後、ドリフター１４を逆方向に回転させることで、インナービット５の打撃力伝達部５２と、リングビット２の打撃・押付力被伝達部２１及び引抜力被伝達部２２との係合を解消させ、内管部１２を後方に引き抜く。これにより、先端にリングビット２及びケーシングシュー３を残した状態で鋼管４が打設される。なお、削孔の際には、中継ロッド６及びインナービット５の内部に形成された供給通路を通して削孔水がインナービット５及びリングビット２に送られる。この削孔水によってインナービット５及びリングビット２が冷却されると共に、掘削したスライムが外管部１１内部を通って後方からスムーズに排出される。

新たな鋼管４を既設の鋼管４に近接させて打設する場合、既設の鋼管４がガイドとして機能し、新たな鋼管４を既設の鋼管４と略平行に打設することができる。すなわち、ボーリングロッド１による削孔に、鋼管４が埋設されているため、ボーリングロッド１の先端が既設の鋼管４の方向に曲がろうとしても、ボーリングロッド１の先端が既設の鋼管４に当接して軌道が修正される。なお、リングビット２の掘削チップ７として先端が凸球面状のボタンチップを用いているため、ボーリングロッド１の先端、すなわち掘削チップ７が既設の鋼管４に当接しても、掘削チップ７が鋼管４の表面で滑り、鋼管４が大きなダメージを受けることがない。

図４（ａ）では、削孔の所定の到達距離を３ｍとした。この場合、鋼管４の後端部は、インナービット５及びケーシングシュー３の長さ分、切羽から突出した状態となる。このように、打設した鋼管４の後端部を切羽から突出させることで、突出させた既設の鋼管４を基準にして新たな鋼管４の位置あわせを容易に行うことができる。

次に、鋼管抜き取り工程として打設した鋼管４を全て引き抜く。鋼管４を引き抜くことで連続した空孔（連続孔）が形成され、図４（ｂ）に示すように、鋼管４を引き抜いた跡が心抜き自由面１６となる。図４（ａ）に示すように７本の鋼管４を相互に接するように円形に打設した場合には、鋼管４の鋼管径φの約３倍の直径を有し、鋼管４の長さとほぼ同じ深さを有する心抜き自由面１６が形成される。

鋼管４の引き抜きは、以下に示す工程によって行われる。
まず、ドリルジャンボ１００に装着した内管部１２を打設されている鋼管４の内部後端から挿入させ、ドリフター１４の駆動によって正方向の回転力を発生させると共に、フィード装置１５によってドリフター１４を前方に移動させる。これにより、先端にインナービット５が連結された内管部１２が前方に移動され、インナービット５がリングビット２の位置まで到達すると、インナービット５の打撃力伝達部５２と、リングビット２の打撃・押付力被伝達部２１及び引抜力被伝達部２２とが係合する。インナービット５の打撃力伝達部５２と、リングビット２の打撃・押付力被伝達部２１及び引抜力被伝達部２２とが係合したか否かは、鋼管４の挙動を観察することで判断することができる。すなわち、インナービット５が鋼管４及びケーシングシュー３の内部に位置している際には、回転力がインナービット５から鋼管４及びケーシングシュー３に伝達され、鋼管４の動き（回転や振動）が大きい。これに対して、インナービット５がリングビット２の位置まで到達すると、回転力はインナービット５からリングビット２に伝達されるため、鋼管４の動き（回転や振動）が小さくなる。

次に、ドリフター１４の駆動によって正方向の回転力を発生させると共に、フィード装置１５によってドリフター１４を後方に移動させる。これにより、引抜力がインナービット５の打撃力伝達部５２からリングビット２の引抜力被伝達部２２に伝達され、リングビット２及びケーシングシュー３と共に鋼管４が引き抜かれる。

次に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、払い発破によって所定長（例えば、１０００ｍｍ）ずつ掘削を行う。心抜き自由面１６を形成することで、払い発破に爆薬に比べて振動を低減できる非火薬破砕剤（蒸気圧破砕薬、静的破砕剤等）を使用して振動を低減させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、ボーリングロッド１を用いて自由面を形成する自由面形成工法の第２の実施の形態について図６及び図７を参照して詳細に説明する。なお、図６及び図７では、鋼管４の長さ方向の縮尺が幅方向の縮尺に比べて大きくなっている。
第２の実施の形態では、図６（ａ）に示すように、鋼管打設工程として複数本の鋼管４を形成したい自由面の周囲に近接させて打設する。図６（ａ）に示す例では、円形の自由面を形成するため、鋼管４として２４本のＡＧＦ鋼管（鋼管径φ＝１１４．３ｍｍ、肉厚ｔ＝６．０ｍｍ、長さＬ＝３ｍ）を相互に近接するように円周状に打設した例が示されている。

次に、鋼管抜き取り工程として打設した鋼管４を全て引き抜く。鋼管４を引き抜くことで連続した空孔（連続孔）が形成され、図６（ｂ）に示すように、鋼管４を引き抜いた跡が円周状の自由面１７となる。鋼管４は、互いが接するように打設することなく、少し離れていても、鋼管４の引き抜きの際に、間の岩盤が崩れるため、連続した空孔（連続孔）が形成される。

次に、図７（ａ）に示すように、円周状の自由面１７に囲まれた円形部分を最小限の発破、又はブレーカによって破砕し、円周状の自由面１７を面状の自由面１８に拡大する。その後、図７（ｂ）に示すように、払い発破によって掘削を行う。この円形部分の破砕と、払い発破による掘削とを所定長（例えば、１０００ｍｍ）ずつ行う。

（第３の実施の形態）
次に、ボーリングロッド１を用いて自由面を形成する自由面形成工法の第３の実施の形態について図８を参照して詳細に説明する。
第２の実施の形態では、２４本の鋼管４（外管部１１）を用いて円周状の自由面１７を形成したが、第３の実施の形態では、５本の鋼管４ａ〜４ｅを用いて円周状の自由面１７をする。

まず、鋼管打設工程として５本の鋼管４ａ〜４ｅを、図８（ａ）に示すように、形成したい自由面の周囲に近接させて打設する。５本の鋼管４ａ〜４ｅでは、形成したい自由面の周囲全部をカバーすることができず、自由面の周囲の一部に線状に打設される。次に、鋼管抜き取り工程として真ん中に位置する鋼管４ｃを抜き取り、図８（ｂ）に示すように、鋼管打設工程として抜き取った鋼管４ｃを端部に位置する鋼管４ｅに近接させて打設する。次に、鋼管抜き取り工程として鋼管４ｃを抜き取った後の空穴に隣接して打設されている鋼管４ｄを抜き取り、図８（ｃ）に示すように、鋼管打設工程として抜き取った鋼管４ｄを端部に位置する鋼管４ｃに近接させて打設する。このように鋼管４ｃ〜４ｅの抜き取る鋼管抜き取り工程と、鋼管４ｃ〜４ｅを打設する鋼管打設工程とを順次行うことで、連続孔が徐々に延びて円周状の自由面１７が徐々に形成されていく。そして、図８（ｄ）に示すように、鋼管４ｃ〜４ｅと、反対側の抜き取らずに残した鋼管４ａ、４ｂとが繋がると、５本の鋼管４ａ〜４ｅを抜き取る。これにより、図６（ｂ）に示すような円周状の自由面１７が形成される。なお、第３の実施の形態では、５本の鋼管４ａ〜４ｅを使用する例について説明したが、使用する鋼管４の本数は、２本以上であれば任意である。円周状の自由面１７のように、両端が閉じた自由面を形成する場合には、鋼管４が３本以上必要になるが、両端が開いた線状の自由面を形成する場合には、鋼管４が２本以上であれば良い。

このように、第３の実施の形態によると、使用する鋼管４の本数を削減することができ、コストダウンを実現することができる。また、最初の鋼管打設工程によって所定本数の鋼管４ａ〜４ｅを打設した後は、鋼管抜き取り工程によって抜き取った鋼管４ｃ〜４ｅをそのまま用いて打設するため、抜き取った鋼管４ｃ〜４ｅを内管部１２から取り外す作業と、打設する鋼管４ｃ〜４ｅを内管部１２に装着する作業と軽減することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、切羽に自由面を形成する自由面形成工法であって、切羽に複数の鋼管４を近接させて打設する鋼管打設工程と、打設した鋼管４を切羽から抜き取る鋼管抜き取り工程とを有し、鋼管４を抜き取った跡の空孔が連なった連続孔を自由面（心抜き自由面１６、円周状の自由面１７）として形成する。
この構成により、鋼管４やドリルジャンボ１００等の一般的な機械設備を用いて、自由面となる連続孔を簡単に削孔することができる。

さらに、本実施の形態では、鋼管打設工程での鋼管４の打設と、鋼管抜き取り工程での鋼管４の抜き取りとは、長尺鋼管先受け工法に用いられる２重管構造のボーリングロッド１によって行う。
この構成により、長尺鋼管先受け工法用の一般的な機械設備を用いて、自由面となる連続孔を簡単に削孔することができる。

さらに、本実施の形態において、ボーリングロッド１の掘削チップ７は、先端が凸球面状のボタンチップである。
この構成により、掘削チップ７が既設の鋼管４に当接しても、掘削チップ７が鋼管４の表面で滑り、鋼管４が大きなダメージを受けることがない。

さらに、本実施の形態では、鋼管打設工程によって所定本数の鋼管４ａ〜４ｅを打設した後、鋼管抜き取り工程と鋼管打設工程とを順次繰り返して、徐々に連続孔を延ばすようにしても良い。
この構成により、使用する鋼管４の本数を削減することができ、コストダウンを実現することができる。

さらに、本実施の形態では、鋼管打設工程によって所定本数の鋼管４ａ〜４ｅを打設した後、一部の鋼管４ａ〜４ｂを残した状態で他の鋼管４ｃ〜４ｅを用いて鋼管抜き取り工程と鋼管打設工程とを順次繰り返す際に、鋼管抜き取り工程によって抜き取った鋼管４ｃ〜４ｅをそのまま用いて、次の鋼管打設工程で打設するようにしても良い。
この構成により、抜き取った鋼管４ｃ〜４ｅを内管部１２から取り外す作業と、打設する鋼管４ｃ〜４ｅを内管部１２に装着する作業と軽減することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ ボーリングロッド
１００ ドリルジャンボ
２ リングビット
３ ケーシングシュー
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 鋼管
５ インナービット
６ 中継ロッド
７ 掘削チップ
１１ 外管部
１２ 内管部
１３ アダプタ
１４ ドリフター
１５ フィード装置
１６ 心抜き自由面
１７ 円周状の自由面
１８ 面状の自由面
２１ 打撃・押付力被伝達部
２２ 引抜力被伝達部
２３ 回転力被伝達部
５１ 押付力伝達部
５２ 打撃力伝達部
５３ 回転力伝達部

Claims (5)

1. 切羽に自由面を形成する自由面形成工法であって、
   切羽に複数の鋼管を近接させて打設する鋼管打設工程と、
   打設した前記鋼管を切羽から抜き取る鋼管抜き取り工程とを有し、
   前記鋼管を抜き取った跡の空孔が連なった連続孔を前記自由面として形成することを特徴とする自由面形成工法。
2. 前記鋼管打設工程での前記鋼管の打設と、前記鋼管抜き取り工程での前記鋼管の抜き取りとは、長尺鋼管先受け工法に用いられる２重管構造のボーリングロッドによって行うことを特徴とする請求項１記載の自由面形成工法。
3. 前記ボーリングロッドの掘削チップは、先端が凸球面状のボタンチップであることを特徴とする請求項２記載の自由面形成工法。
4. 前記鋼管打設工程によって所定本数の前記鋼管を打設した後、
   前記鋼管抜き取り工程と前記鋼管打設工程とを順次繰り返して、徐々に前記連続孔を延ばすことを特徴とする請求項１又乃至３のいずれかに記載の自由面形成工法。
5. 前記鋼管打設工程によって所定本数の前記鋼管を打設した後は、
   前記鋼管打設工程おいて、前記鋼管抜き取り工程によって抜き取った前記鋼管をそのまま用いて打設することを特徴とする請求項４記載の自由面形成工法。

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