JP2018080513A - 超高圧噴射ノズル、掘進機、障害物切断システム、および、超高圧噴射ノズルの使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で目詰まりを防止する超高圧噴射ノズルを提供する。
【解決手段】超高圧噴射ノズル４０は、噴射口４２を有するノズル本体と、ノズル本体の外部において噴射口を覆うキャップ５０であって、ノズル本体との位置関係が固定されるキャップと、を備えている。かかる超高圧噴射ノズルによれば、地中において超高圧噴射ノズルが使用場所に到達するまでは、噴射口がキャップによって覆われているので、土砂が噴射口に入り込んで目詰まりを生じることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、地中で使用される超高圧噴射ノズルの目詰まり防止技術に関する。

超高圧噴射ノズルを備える掘進機が知られている。かかる掘進機は、地盤の掘進中に地中障害物に遭遇した場合、超高圧噴射ノズルから超高圧流体を噴射して地中障害物を切断することにより、掘進を継続することができる。

このような掘進機では、掘進中においてノズルの噴射口部分に土砂が入り込み、ノズルが目詰まりする事態が生じ得る。この目詰まりを防止するために、下記特許文献１は、ノズルの噴射口部分に開閉式の蓋を取り付ける技術を開示している。

特開平９−２５６７８４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、蓋を開閉させるための機構を取り付けるためのスペースが必要になる。このスペースは、掘進機の他の装置との取り合いの関係上、確保することが難しい場合がある。この点は、小型の掘進機（例えば、直径１ｍ）において特に顕著となる。したがって、簡素な構成で超高圧噴射ノズルの目詰まりを防止できる技術が求められる。

また、超高圧噴射ノズルは、掘進時に地盤や地中障害物から受ける衝撃によって、破損、変形等が生じるおそれがある。このため、超高圧噴射ノズルを衝撃から保護できることが望ましい。

上記の問題は、掘進機に限らず、地中で超高圧噴射ノズルを使用する種々の装置に共通する問題である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の第１の形態によれば、超高圧噴射ノズルが提供される。この超高圧噴射ノズルは、噴射口を有するノズル本体と、ノズル本体の外部において噴射口を覆うキャップであって、ノズル本体との位置関係が固定されるキャップと、を備えている。

かかる超高圧噴射ノズルによれば、地中において超高圧噴射ノズルが使用場所に到達するまでは、噴射口がキャップによって覆われているので、土砂が噴射口に入り込んで目詰まりを生じることがない。しかも、噴射口をキャップで固定的に覆うという極めて簡単な構成のみによって目詰まりを防止できるので、取り付けスペースの制約の影響を受けない。また、ノズル本体を、地盤や障害物から受ける衝撃からも保護することができる。ノズル本体の使用時には、ノズル本体から超高圧流体を噴射してキャップを打ち抜くことによって、超高圧流体を外部に噴射できる状態にすることができる。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、キャップは、柔軟材料から形成される保護部材であって、噴射口に接触した状態で設置される保護部材を備えている。かかる形態によれば、保護部材のクッション効果によって、衝撃を吸収することができる。したがって、ノズル本体をより効果的に保護することができる。

本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態において、キャップは、噴射口を直接的または間接的に覆うように配置されるカバーであって、ノズル本体の噴射方向に貫通する貫通孔が形成されたカバーと、カバーに対してノズル本体と反対側に配置される板状部材であって、カバーの厚みよりも小さい厚みを有し、貫通孔を塞ぐ板状部材と、を備えている。かかる形態によれば、超高圧噴射ノズルの使用時において、カバーと板状部材とのうちの相対的に厚みが小さい板状部材のみを超高圧流体の噴射によって打ち抜くことで、超高圧流体を外部に噴射できる状態になる。したがって、打ち抜き部分の厚みを相対的に薄くすることよって打ち抜きの効率性を向上させつつ、その他の部分を相対的に厚くすることによってノズル保護性能も高めることができる。また、相対的に薄い板状部材（すなわち、強度的に弱い部分）のみが打ち抜かれるので、打ち抜き後も、相対的に厚いカバー（強度的に強い部分）が残ることになる。したがって、ノズル本体の使用後も、カバーによってノズル本体を好適に保護することができる。

本発明の第４の形態によれば、第１ないし第３のいずれかの形態の超高圧噴射ノズルを備えた掘進機が提供される。本発明の第５の形態によれば、第４の形態において、掘進機は、ノズル本体の内部を介して噴射口に連通する粘性流体供給路と、粘性流体供給路を介して噴射口まで粘性流体を供給する粘性流体供給装置と、を備えている。かかる形態によれば、ノズル本体の使用後（すなわち、キャップが打ち抜かれた状態になった後）、粘性流体がノズル本体の内部に充填されるので、噴射口から土砂が入り込みにくい。したがって、ノズル本体の使用後に掘進機をさらに前進させても、目詰まりが生じにくい。

本発明の第６の形態によれば、第５の形態において、掘進機は、粘性流体供給路内の圧力を検出する圧力センサを備えている。粘性流体供給装置は、粘性液体を間欠的に補給し、当該補給時の圧力が第１の値以上である場合に、圧力が第１の値よりも小さい第２の値まで低下するまで粘性流体を補給し続けるように構成される。かかる形態によれば、ノズル本体内への土砂の進入を抑制することができる。具体的には、土砂が噴射口からノズル本体内に進入することによって詰まりが生じている場合には、正常状態の圧力よりも大きな圧力が検出されることになる。この大きな圧力を、第１の圧力を基準として検出することができる。第１の圧力以上の圧力が検出されると、粘性流体供給路に粘性液体を補給し続けることによって、粘性流体供給路内の圧力がさらに高まる。そして、この圧力の高まりが土砂を押し返す力として作用し、ノズル本体の内部に詰まりを生じさせていた土砂をノズル本体の外部に押し返して排出することができる。

本発明の第７の形態によれば、第１ないし第３のいずれかの形態の超高圧噴射ノズルを備えた障害物切断システムが提供される。

本発明の第８の形態によれば、超高圧噴射ノズルの使用方法が提供される。この超高圧噴射ノズルの使用方法は、噴射口を有するノズル本体の外部において、ノズル本体との位置関係が固定された状態で噴射口を覆うようにキャップを配置する工程と、ノズル本体の使用時において、ノズル本体から超高圧流体を噴射してキャップを打ち抜くことによって、超高圧流体を外部に噴射する工程と、を備えている。かかる方法によれば、第１の形態と同様の効果を奏する。

本発明の第１実施例としての掘進機の概略構成を示す部分断面図である。 図１に示す超高圧噴射ノズルの拡大図である。 超高圧噴射ノズルの正面図である。 本発明の第２実施例としての障害物切断システムの概略構成を示す部分断面図である。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての掘進機１０の概略構成を示す部分縦断面図である。掘進機１０は、管路またはトンネルを構築するために地盤を掘削する機械であり、例えば、シールド工法や推進工法に適用可能である。本実施例では、掘進機１０は、地中に埋設または残置された障害物（例えば、Ｈ鋼、鋼矢板、鉄筋コンクリート壁等）に遭遇した場合に、当該障害物を地中で切断し、その切断片を掘進機１０の内部に取り込んだ後、排出することができる。具体的には、掘進機１０は、超高圧の流体を障害物に向けて噴射することによって、障害物の切断を行う。

図１に示すように、掘進機１０は、本体部２０とカッターヘッド部３０とを備えている。本体部２０は、回転軸２１とカッターモータ２２とスイベルジョイント２３と排泥管２４を備えている。カッターヘッド部３０は、本体部２０の掘進方向先端部に回転可能に設けられている。本願においては、掘進機１０のうちの、回転不能な部位を本体部２０と呼び、回転可能な部位をカッターヘッド部３０と呼んでいる。このカッターヘッド部３０は、カッタービット３１と超高圧噴射ノズル４０とを備えている。

掘進機１０は、カッターモータ２２を駆動源として使用して、回転軸２１を中心にカッターヘッド部３０を回転させる。それによって回転するカッタービット３１によって、地盤が掘削される。そして、掘進機１０が障害物に遭遇した場合には、掘進機１０は、障害物を切断・除去する。

具体的には、掘進機１０は、カッターヘッド部３０を回転させながら、超高圧噴射ノズル４０から、超高圧流体（例えば、超高圧ジェット水と研磨材とが混合されたアブレッシブジェット水）を噴射することにより、障害物を切断する。超高圧噴射ノズル４０は、径方向に移動可能に構成されていてもよい。また、障害物の切断を行う前に、超高圧ジェット水と地盤改良材とが混合された地盤改良ジェット水を地盤改良材噴射ノズルから噴射して、障害物の周囲に地盤改良層が形成されてもよい。こうして切断された切断片は、カッターヘッド部３０の開口部（図示省略）から掘進機１０の内部に取り込まれ、排泥管２４を介して掘進機１０の外部に排出される。そして、障害物を切断・除去した後、掘進機１０は、さらに前進して、地盤の掘削を継続することができる。

図２は、図１に示す超高圧噴射ノズル４０の拡大図である。図３は、超高圧噴射ノズル４０の正面図である（図３では、後述するボス５５および面盤３３は図示を省略している）。図２に示すように、超高圧噴射ノズル４０は、ノズル本体４１とキャップ５０とを備えている。ノズル本体４１は、その先端に噴射口４２を有している。ノズル本体４１の内部には、混合流路４３とジェット流路４４とアブレシブ流路４５とが形成されている。ジェット流路４４とアブレシブ流路４５とは、ノズル本体４１の内部で合流して、混合流路４３に接続されている。この混合流路４３は、噴射口４２に連通している。ジェット流路４４は、ノズル本体４１の外部に配置されたジェットライン６１に接続されており、アブレシブ流路４５は、ノズル本体４１の外部に配置されたアブレシブライン６２に接続されている。ジェットライン６１には、超高圧ジェット水が供給される。アブレシブライン６２には、研磨材（または、セメントミルク）が供給される。

図１に示すように、アブレシブライン６２は、回転軸２１の内部を通ってスイベルジョイント２３まで形成されている。スイベルジョイント２３には、アブレシブライン６２に連通する複数の接続ポート２５が形成されている。種々の供給源（例えば、研磨材源）を接続ポート２５に選択的に接続することによって、アブレシブライン６２に供給する流体を切り替えることができる。

図１に示すように、本実施例では、掘進機１０は、さらに、粘性流体供給システム７０を備えている。粘性流体供給システム７０は、粘性流体供給装置７１と、粘性流体供給路７２と、圧力センサ７３とを備えている。本実施例では、粘性流体として、掘進機１０の駆動部を潤滑するためのグリスが使用される。粘性流体供給路７２は、接続ポート２５に接続されることによって、アブレシブライン６２、アブレシブ流路４５および混合流路４３を介して噴射口４２に連通する。粘性流体供給装置７１は、粘性流体源と、粘性流体供給ポンプと、粘性流体の供給を制御する制御部と、を備えている。この粘性流体供給装置７１は、粘性流体供給路７２を介して噴射口４２までグリスを供給する。圧力センサ７３は、粘性流体供給路７２におけるグリスの圧力を検出する。

図２に示すように、キャップ５０は、カバー５１と、板状部材５３と、保護部材５４と、を備えている。キャップ５０は、ノズル本体４１の外部において、ノズル本体４１との位置関係が固定された状態で、噴射口４２を覆っている。

具体的には、噴射口４２は、保護部材５４によって直接的に（すなわち、保護部材５４が噴射口４２と接触した状態で）覆われている。保護部材５４は、柔軟材料（例えば、ゴム）から形成されている。カバー５１は、略円板形状を有している。カバー５１は、ノズル本体４１とカバー５１との間に保護部材５４を挟むように配置されている。このカバー５１は、カッターヘッド部３０の面盤３３の孔部に溶接されたボス５５に、ボルト５６によって固定されている。かかる構成によれば、キャップ５０の交換が容易になる。

カバー５１の中心には、噴射口４２の開口方向（すなわち、超高圧噴射ノズル４０の噴射方向）にカバー５１を貫通する貫通孔５２が形成されている。貫通孔５２の径は、噴射口４２の径と略同一である。貫通孔５２は、貫通孔５２が噴射口４２と一直線に並ぶ位置に形成されている。カバー５１の外側（ノズル本体４１と反対の側）には、貫通孔５２を塞ぐように板状部材５３が取り付けられている。板状部材５３は、例えば、溶接によってカバー５１に取り付けられる。カバー５１および板状部材５３は、保護部材５４よりも剛性が大きい材料（例えば、鉄などの金属）によって形成される。板状部材５３は、カバー５１よりも小さい厚みを有している。

かかるキャップ５０の周囲（本実施例では、図３に示すように上下）には、ノズル保護ビット３２が設けられている。ノズル保護ビット３２は、面盤３３から掘進機１０の前方に向けて突出するように設けられている。

上述した掘進機１０によれば、土中に含まれる礫などとの衝突に対して、ノズル保護ビット３２によってノズル本体４１を保護することができる。さらに、板状部材５３およびカバー５１によって、ノズル本体４１を保護することができる。さらに、カバー５１とノズル本体４１との間に保護部材５４が介在しているので、板状部材５３およびカバー５１が外部から衝撃を受けても、保護部材５４がクッションとして作用し、その衝撃を吸収することができる。このため、ノズル本体４１を好適に保護することができる。

しかも、ノズル本体４１が使用されるまで（すなわち、超高圧流体を噴射するまで）は、噴射口４２は、保護部材５４によって覆われているので（間接的には、板状部材５３によっても覆われている）、土砂が噴射口４２に入り込んで目詰まりを生じることがない。

ノズル本体４１の使用時（すなわち、超高圧流体を噴射して障害物を切断する際）には、ノズル本体４１から超高圧流体を噴射して板状部材５３を打ち抜くことによって、超高圧流体を外部に噴射できる（つまり、障害物を切断できる）状態にすることができる。しかも、板状部材５３およびカバー５１のうちの厚みが相対的に小さい板状部材５３のみを打ち抜く構成によって、打ち抜きの効率性を向上させることができる。さらに、板状部材５３のみが打ち抜かれるので、打ち抜き後も、相対的に厚い（強度が大きい）カバー５１が残ることになる。したがって、ノズル本体４１の使用後も、カバー５１によってノズル本体４１を好適に保護することができる。

また、ノズル本体４１の使用後（すなわち、板状部材５３が打ち抜かれた状態になった後）、粘性流体供給装置７１は、粘性流体供給路７２およびアブレシブライン６２を介して噴射口４２までグリスを供給してもよい。かかる構成によれば、ノズル本体４１の内部の流路にグリスが充填されるので、噴射口４２から土砂が入り込みにくい。したがって、ノズル本体４１の使用後に掘進機１０をさらに前進させても、ノズル本体４１の目詰まりが生じにくい。また、グリスは、粘性を有しているので、その大部分は、噴射口４２から漏出することなく、ノズル本体４１の内部に留まるので、グリスを常時補給し続ける必要がない（ただし、グリスは、常時、少量ずつ補給されてもよい）。しかも、アブレシブライン６２を利用して噴射口４２にグリスが供給されるので、グリス供給用の構造を別途設ける必要がない。

さらに、粘性流体供給装置７１は、グリスを間欠的に（例えば、定期的に）補給し、当該補給時の圧力が第１の値以上である場合に、圧力が第１の値よりも小さい第２の値まで低下するまでグリスを補給し続けてもよい。土砂が噴射口４２からノズル本体４１内に進入することによって詰まりが生じている場合には、正常状態の圧力よりも大きな圧力が検出されることになる。この大きな圧力は、予め設定された第１の圧力を基準として検出され得る。第１の圧力以上の圧力が検出されると、粘性流体供給路７２にグリスを補給し続けることによって、粘性流体供給路内の圧力がさらに高まる。そして、この圧力の高まりが土砂を押し返す力として作用し、ノズル本体４１の内部に詰まりを生じさせていた土砂をノズル本体４１の外部に押し返して排出することができる。このようにして詰まりが解消されると、圧力が低下するので、予め定められた第２の圧力まで圧力が低下した時点でグリスの補給を停止することにより、グリスを無駄に消費することを抑制できる。

代替形態として、粘性流体供給装置７１は、圧力センサ７３によって所定レベル以上の圧力上昇が検知された場合に、粘性流体供給路７２にグリスを補給してもよい。この場合、所定レベル以上の圧力上昇は、圧力センサ７３の検出値が所定値以上となったか否かによって判断されてもよい。あるいは、所定レベル以上の圧力上昇は、検出値の大きさにかかわらず、圧力センサ７３の検出値が所定期間内に所定値以上上昇したか否かで判断されてもよい。土砂が噴射口４２からノズル本体４１内に進入した場合、噴射口４２に連通する粘性流体供給路７２内の圧力が上昇することになる。このような圧力上昇が圧力センサ７３によって検知された場合に、粘性流体供給路７２にグリスを補給することによって、粘性流体供給路７２内の圧力が高まる。つまり、噴射口４２内に進入する土砂を押し返す液圧力が高まる。したがって、噴射口４２から土砂が進入することを抑制し、ノズル本体４１の目詰まりを抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての障害物切断システム１１０の概略構成を示す部分断面図である。図４において、第１実施例と同様の構成については、図１〜３と同一の符号を付している。以下では、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と共通する点については説明を省略する。障害物切断システム１１０は、地上での作業によって、地中障害物を切断するためのシステムであり、その工法は、バーチカルジェット工法としても知られている。切断物は、地上から引き上げられてもよいし、掘進機１０によって地中で回収されてもよい。

障害物切断システム１１０は、ケーシング１２０と超高圧噴射ノズル１４０とを備えている。ケーシング１２０は、切断対象となる障害物に隣接して地中に貫入される。超高圧噴射ノズル１４０は、第１のノズル本体１４１ａと第２のノズル本体１４１ｂとを備えている。第１のノズル本体１４１ａおよび第２のノズル本体１４１ｂは、ケーシング１２０の内部に配置されている。第１のノズル本体１４１ａは、ケーシング１２０の側面から水平方向に超高圧流体を噴射できるように配置されている。一方、第２のノズル本体１４１ｂは、ケーシング１２０の底面から鉛直方向下方に超高圧流体を噴射できるように配置されている。第１実施例と同様に、第１のノズル本体１４１ａには、ジェットライン１６１ａおよびアブレシブライン１６２ａが接続され、第２のノズル本体１４１ｂには、ジェットライン１６１ｂおよびアブレシブライン１６２ｂが接続されている。

第１のノズル本体１４１ａには、第１実施例と同様にして、キャップ５０が装着されている。第１のノズル本体１４１ａに代えて、または、加えて、第２のノズル本体１４１ｂにキャップ５０が装着されていてもよい。上述した障害物切断システム１１０によれば、第１実施例と同様に、第１のノズル本体１４１ａを好適に保護するとともに、第１のノズル本体１４１ａの目詰まりを防止することができる。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明してきたが、上記した発明の実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の組み合わせ、または、省略が可能である。

例えば、保護部材５４が省略され、カバー５１が噴射口４２を間接的に覆ってもよい。さらに、カバー５１が省略され、板状部材５３が噴射口４２を直接的に（すなわち、板状部材５３と噴射口４２とが接触するように）覆ってもよい。あるいは、カバー５１および板状部材５３が省略され、保護部材５４のみによってノズル本体４１が保護されてもよい。また、上述の地盤改良材噴射ノズルがキャップ５０を備えていてもよいし、地盤改良材噴射ノズルに粘性流体供給システム７０が適用されてもよい。

また、粘性流体供給システム７０は、キャップ５０とは独立して採用することもできる。つまり、超高圧噴射ノズル４０がキャップ５０を備えていない場合において、ノズル本体４１の目詰まりを防止するために粘性流体供給システム７０が使用されてもよい。

１０…掘進機
２０…本体部
２１…回転軸
２２…カッターモータ
２３…スイベルジョイント
２４…排泥管
２５…接続ポート
３０…カッターヘッド部
３１…カッタービット
３２…ノズル保護ビット
３３…面盤
４０，１４０…超高圧噴射ノズル
４１，１４１ａ，１４１ｂ…ノズル本体
４２…噴射口
４３…混合流路
４４…ジェット流路
４５…アブレシブ流路
５０…キャップ
５１…カバー
５２…貫通孔
５３…板状部材
５４…保護部材
５５…ボス
５６…ボルト
６１，１６１ａ，１６１ｂ…ジェットライン
６２，１６２ａ，１６２ｂ…アブレシブライン
７０…粘性流体供給システム
７１…粘性流体供給装置
７２…粘性流体供給路
７３…圧力センサ
１１０…障害物切断システム
１２０…ケーシング

Claims (8)

1. 超高圧噴射ノズルであって、
   噴射口を有するノズル本体と、
   前記ノズル本体の外部において前記噴射口を覆うキャップであって、前記ノズル本体との位置関係が固定されるキャップと
   を備える超高圧噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の超高圧噴射ノズルであって、
   前記キャップは、柔軟材料から形成される保護部材であって、前記噴射口に接触した状態で設置される保護部材を備える
   超高圧噴射ノズル。
3. 請求項１または請求項２に記載の超高圧噴射ノズルであって、
   前記キャップは、
   前記噴射口を直接的または間接的に覆うように配置されるカバーであって、前記ノズル本体の噴射方向に貫通する貫通孔が形成されたカバーと、
   前記カバーに対して前記ノズル本体と反対側に配置される板状部材であって、前記カバーの厚みよりも小さい厚みを有し、前記貫通孔を塞ぐ板状部材と
   を備える
   超高圧噴射ノズル。
4. 掘進機であって、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超高圧噴射ノズルを備えた
   掘進機。
5. 請求項４に記載の掘進機であって、
   前記ノズル本体の内部を介して前記噴射口に連通する粘性流体供給路と、
   前記粘性流体供給路を介して前記噴射口まで粘性流体を供給する粘性流体供給装置と
   を備える掘進機。
6. 請求項５に記載の掘進機であって、
   前記粘性流体供給路内の圧力を検出する圧力センサを備え、
   前記粘性流体供給装置は、前記粘性液体を間欠的に補給し、該補給時の前記圧力が第１の値以上である場合に、該圧力が前記第１の値よりも小さい第２の値まで低下するまで前記粘性流体を補給し続けるように構成された
   掘進機。
7. 障害物切断システムであって、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超高圧噴射ノズルを備えた
   障害物切断システム。
8. 超高圧噴射ノズルの使用方法であって、
   噴射口を有するノズル本体の外部において、前記ノズル本体との位置関係が固定された状態で前記噴射口を覆うようにキャップを配置する工程と、
   前記ノズル本体の使用時において、前記ノズル本体から超高圧流体を噴射して前記キャップを打ち抜くことによって、前記超高圧流体を外部に噴射する工程と、
   を備える超高圧噴射ノズルの使用方法。