JP3217038B2 - 地盤掘下げ装置および筒状地下構造体の形成法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤を掘り下げる
ことによって筒状地下構造体を形成する方法に関し、更
に詳しくは、例えば地下のトンネルの中継接続点などと
して利用されるマンホール等の、異形断面を有する筒状
の地下構造体を、ケーソン工法を利用して形成するに適
した改良方法、並びにかかる改良方法を実施するに適し
た地盤掘下げ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下に設けるトンネル等の管路を中継接
続するために、大型のマンホールを形成して作業場など
として使用することがある。従来は、こうした大型のマ
ンホールを形成するのに、地表から土砂を掘削除去して
マンホールを築造するに充分な広さの空間を形成し、こ
の空間内に縦管状構造物を造成したのち土砂等で地盤と
の間隙を埋め戻す方法がしばしば用いられている。しか
しながらこのような方法で大量の土砂を取り除くこと
は、費用が嵩むばかりでなく工期も長くなり、環境に対
する影響も大きい。そこで構造物を造成するのに最低必
要な空間を囲むように、予め地上から地盤内にシートパ
イルなどを打ち込んで土止め壁を構築しておき、その後
に土止め壁で囲まれた地盤を掘り下げる手段を利用する
のが一般的であった。

【０００３】しかしながら地盤内にシートパイルを打ち
込む場合、シートパイルの長さが長くなると地盤に垂直
に打ち込むことは容易でないほか、シートパイルが変形
しないように必要に応じて杭を打ち込み、或いは支持梁
を設けるなどの複雑な作業を組み合わせる方法を採る必
要があり、工数が多くて工期も長くかかるという問題が
あった。

【０００４】そこで、例えば鋼製或いはコンクリート製
などの、変形し難い円筒状の壁面保護筒体を地盤に対し
て圧入し、該筒体の内部に露出した土砂を機械的掘削装
置により掘削除去して、縦孔を形成すると共に、更に筒
体を圧入して掘削孔の壁面の崩壊を防ぐことにより、マ
ンホールを形成する方法が提案されている。しかしこの
方法は、比較的に小規模のマンホールなどを形成するに
は適しているものの、例えばトンネルの中継接続の作業
場などとして使用できる、中型で異形のマンホールを形
成しようとすると、前記のような小規模の縦孔を形成す
るに適した機械的掘削装置が利用できず、前記の方法を
そのまま採用することができない。一方で、大型の掘削
装置を導入することも困難なために、従来のケーソン工
法のような、人手のかかる掘削方法を採用するほかな
く、作業能率と安全確保の点での改善が望まれていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、地下
作業場やトンネル等の中継基地等として利用できる、中
型乃至大型で異形断面の筒状地下構造体を、安全かつ経
済的に形成することができる、改良された筒状地下構造
体の形成法、並びにかかる筒状地下構造体の形成法を実
施するに適した地盤掘下げ装置を提供することを目的と
した。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するこ
とができる本発明の筒状地下構造体の形成法は、水中に
気泡を含むキャビテーションジェット流を下方向に射出
するジェットノズルを備えた地盤掘削ユニットの複数個
を組み合わせて構成された地盤掘削器を下端部に結合し
てなる壁面保護筒体を地盤上に立設し、前記地盤掘削器
に対する圧力水供給管を前記壁面保護筒体の内方空間を
経由して圧力水供給装置に接続し、前記地盤掘削器から
射出されるキャビテーションジェット流により前記壁面
保護筒体の下方の地盤を掘削して砂礫等を含む泥水を生
成させると共に該泥水を泥水排送機により前記壁面保護
筒体外に送出し、前記壁面保護筒体を地盤内に沈下させ
ることを特徴とする。

【０００７】そして、かかる本発明の筒状地下構造体の
形成法は、水中に気泡を含むキャビテーションジェット
流を下方向に射出するジェットノズルを備えた地盤掘削
ユニットの複数個を組み合わせて構成された地盤掘削器
を壁面保護筒体の下端部に結合し、前記地盤掘削器に対
する圧力水供給管を前記壁面保護筒体の内方空間に設け
ると共に、前記壁面保護筒体内側の土砂を除去する土砂
排除機を備えたことを特徴とする地盤掘下げ装置を使用
して、好適に実施することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の筒状地下構造体の形成法
を実施するに使用される壁面保護筒体は、例えば鋼製
の、或いは鉄筋やステンレスファイバー等で補強された
コンクリート製の、例えば断面が長方形や長円形、或い
は円形又は多角形などの筒状体であってもよく、地盤よ
りの圧縮力に耐える強度を備え、且つ地盤に対して縦方
向に沈下させるのに支障がない形状のものであれば、こ
れに限られることなく任意の形状の筒状体を用いること
ができる。かかる壁面保護筒体は一体に形成されたもの
に限らず、複数個の部材を用いて一体に組み立ててなる
ものであっても構わない。

【０００９】図２に示した壁面保護筒体１の例は、補強
されたコンクリートで一体に形成されたものであり、そ
の下端部の外面に合わせて地盤掘削器２の結合位置を規
制するための、ガイド１１が設けられている。また、こ
のガイド１１は、例えば図３に示すように、鋼製のＬ型
材などを壁面保護筒体１の下端面に取り付けて用いるこ
とができるが、その材質や形状、また取付方法などは、
特に限定されるものではない。

【００１０】また、壁面保護筒体の下端部に結合される
地盤掘削器２は、下方向に向かう水ジェットを射出でき
るジェットノズル群を備えたものであるが、この水ジェ
ットは水中に気泡を含むキャビテーションジェット流で
あることが必要である。ここでキャビテーションジェッ
ト流とは、高圧水ジェット流の中に微細な気泡を分散し
て含むものであって、気泡を含まない単純な高圧水ジェ
ットよりも、一段と強力な剪断力や破壊力を示すことが
知られているものである。そして、キャビテーションジ
ェット流を発生させることができるジェットノズル２１
としては、例えば図４に示すような構造を有するものが
知られている。ここで、２１ａはノズル口、２１ｂは円
柱状抵抗体であり、ノズル口２１から射出される高圧水
は、射出される前に円柱状抵抗体２１ｂの周りで高速流
を形成し、円柱状抵抗体２１ｂの末端で剥離渦によりキ
ャビテーションを生成して、キャビテーションジェット
流となる。

【００１１】壁面保護筒体１の下端部に結合される地盤
掘削器２は、壁面保護筒体１の下端部の形状と同じく、
例えば、円周を１６等分した円弧状に形成された地盤掘
削ユニット２Ａと、直線的に延長された形状の地盤掘削
ユニット２Ｂとを、組み合わせて構成してある。この地
盤掘削ユニット２Ａの例の形状を図５及び図６に示した
が、その上面２ａは、壁面保護筒体１の下端面に当接で
きるように平坦面となっており、外側面２ｂはガイド１
１の内側面に当接できるようになっている。

【００１２】かかる地盤掘削器ブロック２Ａの底部は、
平坦な環状面を構成する中央底面２ｄを挟んで、外側に
向かう円錐面を構成する外方底面２ｃと、内側に向かう
円錐面を構成する内方底面とで、断面が台形状に形成さ
れており、底面２ｃ、２ｄ、２ｅのそれぞれに、複数の
ジェットノズル２１が半ば内蔵された状態で設けられて
いる。また２２は高圧水供給用接続口であり、２群に分
けたジェットノズル２１に対して、別々に高圧水を供給
することができるように構成されている。なお、２３は
壁面保護筒体１の下端部に対する止め板である。また、
地盤掘削ユニット２Ｂも、形状が直線的である以外は、
地盤掘削ユニット２Ａとほぼ同様な構成を有している。

【００１３】上記のような、地盤掘削ユニット２Ａと２
Ｂとを組み合わせてなる地盤掘削器２は、壁面保護筒体
１の下端部に設けられたガイド１１と止め板２３とによ
り、壁面保護筒体１の下端部に対して、上下移動可能で
はあるが容易に脱離しないように結合される。そして高
圧水供給用接続口２２のそれぞれには、別途に設けた高
圧水供給装置から延長された高圧水ホースを接続し、地
盤掘削ユニット２Ａと２Ｂとに設けたジェットノズル群
の中から、所望のジェットノズル群を選んで、キャビテ
ーションジェットをそれぞれ射出できるように構成して
ある。

【００１４】このような地盤掘削器２を下端部に結合し
た壁面保護筒体１を、地盤上に設置したのち、地盤掘削
器２に高圧水を供給すると、複数のジェットノズル２１
からキャビテーションジェットが射出され、壁面保護筒
体１の直下の地盤が掘削され、また転石なども破砕され
る。そうすると、掘削された土砂や砕石は砂礫混じりの
泥となり、壁面保護筒体１が沈下するに伴って壁面保護
筒体１の外側又は内側に排除されることになる。こうし
て壁面保護筒体１の内側に溜まった泥は、必要に応じて
水を供給して泥水とし、吸引ポンプなどを備えた泥水排
送機で、壁面保護筒体１より外側に設けた土砂分離設備
へ向けて送り出す。

【００１５】そうすると壁面保護筒体１は、必要に応じ
て荷重をかけるなどにより次第に地盤内に沈下するが、
壁面保護筒体１より内方の、キャビテーションジェット
による掘削作用が及ばない場所には、元のままの状態で
土砂が残っている。そこでこの土砂は、従来から公知の
方法、例えばオーガー等の回転式掘削機、或いはスクリ
ュー式やショベル式等の土砂掘削機などを用いて掘削
し、バケットコンベアやスクリューコンベア、ベルトコ
ンベアなどを用いて排送する、等の方法で除去してもよ
いが、水や泥水のジェットを用いて掘り崩して泥水とし
た後、前述と同様な泥水排送機を用いて土砂分離設備へ
送り出すようにしてもよい。このような泥水ジェットに
よる土砂掘削には、前記の土砂分離設備で土砂を分離し
て得た泥水を回収して、再利用することができることは
言うまでもない。

【００１６】上記のような本発明の地盤堀下げ装置を使
用する、本発明の筒状地下構造体の形成法の手順を、図
１に従って説明する。本発明の方法に使用する壁面保護
筒体１としては、地下構造体を内部に築造するに十分な
形状を有する筒体、築造しようとする地下構造体の外壁
を構成する筒体、或いはマンホール等の地下構造体その
ものを構成する筒体などを、地上で予め作成しておき、
これを設置予定地まで運搬して使用することができる。
こうして用意された壁面保護筒体１は、地盤掘削器２の
稼働を阻害せず、また土圧にも耐える強度を備えていれ
ば、複雑な断面形状を有しているものであっても、何等
差し支えない。

【００１７】また地盤掘削器２は、上記の壁面保護筒体
１の下端部の形状に対応する形状を備えた、それぞれの
地盤掘削ユニットを必要な個数用意しておき、地下構造
体を設置する予定地の整地された地面Ｇ上に、配置し組
み立てる。そして組み立てた地盤掘削器２の上に、壁面
保護筒体１を載置して相互に嵌合させるが、必要に応じ
てボルトなどを用いて結合してもよい。その後、必要に
応じて壁面保護筒体１の垂直性を保持するための支持枠
体３を、壁面保護筒体１を囲むように設置し、ジャッキ
３ａなどによって壁面保護筒体１を支持する。また、更
に壁面保護筒体１の内部空間を通して、図示しない高圧
水供給装置からの高圧水ホース４を地盤掘削器２へ接続
する。

【００１８】その一方、壁面保護筒体１の内方の地盤を
掘削し、更に土砂を排送する手段として、地盤掘削用の
水ジェットノズル５ａを備えた圧力水射出機５と泥水吸
引排送機６とを準備するほか、別途に泥水貯留槽と土砂
分離器とを設けて砂礫を含む泥土と泥水とに分離し、泥
水を圧力水射出機５に送ると共に、脱水した泥土を廃棄
するための設備も準備しておく。しかし、泥水の回収処
理が困難な場合、或いは更に適切な土砂の処理方法があ
る場合には、適宜の泥土又は土砂処分方法と組み合わせ
て本発明を実施することは、何等の差し支えもない。

【００１９】このような準備が整ったのち、高圧水ホー
ス４を介して地盤掘削器２へ高圧水を供給すると、地盤
掘削器２の底面に分布して設けた複数のジェットノズル
２１から、それぞれキャビテーションジェットが射出さ
れる。こうして壁面保護筒体１の直下の地盤が掘削され
るが、壁面保護筒体１は荷重をかけるか、或いは自重に
よって沈下し、掘削された土砂が泥となって外側、又は
内側に排除される。そこで、水ジェットノズル５ａから
射出される水ジェット又は泥水ジェットにより、壁面保
護筒体１の内方の地盤を掘り崩し、砂礫を含む泥水とす
る。この際、泥水ジェットなどによって掘り崩せない地
盤、或いは岩石などがあった場合には、別途に用意した
高圧水ジェットやキャビテーションジェット装置を用い
て、泥水と共に吸引除去できるように地盤や岩石を破砕
するのがよい。

【００２０】こうして、壁面保護筒体１の直下及び内側
の地盤が掘削されて生成した泥水を、泥水吸引排送機６
により吸い上げて壁面保護筒体１より外側に排出するこ
とにより地盤の掘り下げを進める。その際、ジャッキ３
ａを操作して押圧力を適宜に緩め、或いは壁面保護筒体
１にかかる荷重を制限するなどして、壁面保護筒体１を
徐々に沈下させる。壁面保護筒体１の直下の地盤を掘削
する際に射出されるキャビテーションジェットは、有効
到達距離が比較的に短いため、地盤掘削器２の下方の近
接した地盤部分のみが掘削されることとなって、地盤の
掘削量は自ずから均等化し、従って壁面保護筒体１を平
均して沈下させることは容易である。

【００２１】また、壁面保護筒体１の沈下と共に、地盤
掘削に伴って発生する泥水等は、壁面保護筒体１の内側
に滞留するようになり、壁面保護筒体１の外側には流出
しなくなる。従って、壁面保護筒体１の内側の地盤を掘
削して土砂の排出を行うのみで、効果的に地盤の掘り下
げと壁面保護筒体１の沈下とを、同時に進めることがで
き、地上で構築した壁面保護筒体１を容易に地下に移動
させ、且つ設置することができる。

【００２２】こうして、必要に応じて、新しい壁面保護
筒体１を更に継ぎ足すなどして、壁面保護筒体１全体を
所定の位置まで沈下させたのち、地盤掘削器２の稼働を
停止し、更に壁面保護筒体１の内側の地盤を所定位置ま
で掘り下げる。次いで、掘削用ジェットノズル５ａを含
む圧力水射出機５と高圧水ホース４を取り外し、必要に
応じて、地盤掘削器２も壁面保護筒体１の下端部から離
脱させて回収する。そして、最後に泥水吸引排送機６な
どを取り外し、更に、壁面保護筒体１を一旦引き抜い
て、代わりに別途に用意した恒久的な筒状地下構造体を
沈下させるか、又は壁面保護筒体１を残置したままにし
て、その内部に上記の恒久的な筒状地下構造体を据えつ
けるか、或いは壁面保護筒体１の内側の地盤掘削面にコ
ンクリートなどを打設し、掘削時に使用した壁面保護筒
体１をそのまま利用するなどの方法で、筒状地下構造体
を形成する。

【００２３】

【発明の効果】本発明の筒状地下構造体の形成法によれ
ば、水中に気泡を含むキャビテーションジェット流を下
方向に射出するジェットノズル群を備えた地盤掘削器を
下端部に結合してなる壁面保護筒体を地盤上に立設し、
地盤掘削器から射出されるキャビテーションジェット流
により壁面保護筒体の下方の地盤を掘削し、砂礫等を含
む泥水を壁面保護筒体外に送出すると共に、壁面保護筒
体を地盤内に沈下させ、併せて壁面保護筒体の内方の地
盤を掘削することにより、地下構造体を形成するもの
で、物理的な掘削手段を適用することにより、任意の断
面形状の壁面保護筒体を地盤内に平均に沈下させること
ができ、しかも土質に係わりなく高い能率で掘削作業を
進めることができるうえ、工数が少なく、安全であり、
しかも労働力を節減でき、更に施工に当たって騒音や振
動などを発生せず、工事現場付近の環境汚染の恐れも少
ない、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の筒状地下構造体の形成法を説明するた
めの概念図である。

【図２】本発明の筒状地下構造体の形成法に用いる地盤
掘下げ装置の、壁面保護筒体と地盤掘削器との結合体の
構造を示す一部破断した状態の斜視図である。

【図３】本発明の地盤掘下げ装置における壁面保護筒体
の下端部の断面図である。

【図４】本発明の地盤掘下げ装置における地盤掘削器に
設けられるキャビテーションジェット流発生用ジェット
ノズルの例の断面図である。

【図５】本発明の地盤掘下げ装置における地盤掘削器を
構成する地盤掘削ユニットの例の底面図である。

【図６】本発明の地盤掘下げ装置における地盤掘削器を
構成する地盤掘削ユニットの例の正面図である。

【符号の説明】

１ 壁面保護筒体 １１ ガイド ２ 地盤掘削器 ２Ａ 地盤掘削ユニット ２Ｂ 地盤掘削ユニット ２ａ 上面 ２ｂ 外側面 ２ｃ 外方底面 ２ｄ 中央底面 ２ｅ 内方底面 ２１ ジェットノズル ２１ａ ノズル口 ２１ｂ 円柱状抵抗体 ２２ 高圧水供給用接続口 ２３ 止め板 ３ 支持枠体 ３ａ ジャッキ ４ 高圧水ホース ５ 圧力水射出機 ５ａ 水ジェットノズル ６ 泥水吸引排送機 Ｇ 地面

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−34506（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−133910（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−20870（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−13887（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−238770（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−23137（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02D 29/045 E21D 13/00 E02D 17/08 E02D 23/08 E02D 23/14 E02D 29/12

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中に気泡を含むキャビテーションジェ
   ット流を下方向に射出するジェットノズルを備えた地盤
   掘削ユニットの複数個を組み合わせて構成された地盤掘
   削器を壁面保護筒体の下端部に結合し、前記地盤掘削器
   に対する圧力水供給管を前記壁面保護筒体の内方空間に
   設けると共に、前記壁面保護筒体内側の土砂を除去する
   土砂排除機を備えたことを特徴とする地盤掘下げ装置。
2. 【請求項２】 前記地盤掘削器は、前記ジェットノズル
   の射出方向が、下外方と下鉛直方と下内方から選ばれた
   １種以上を組み合わせて構成されたものである、請求項
   １に記載の地盤掘下げ装置。
3. 【請求項３】 前記土砂排除機が泥水排送機又は土砂掘
   削機である、請求項１又は２に記載の地盤掘下げ装置。
4. 【請求項４】 水中に気泡を含むキャビテーションジェ
   ット流を下方向に射出するジェットノズルを備えた地盤
   掘削ユニットの複数個を組み合わせて構成された地盤掘
   削器を下端部に結合してなる壁面保護筒体を地盤上に立
   設し、前記地盤掘削器に対する圧力水供給管を前記壁面
   保護筒体の内方空間を経由して圧力水供給装置に接続
   し、前記地盤掘削器から射出されるキャビテーションジ
   ェット流により前記壁面保護筒体の下方の地盤を掘削し
   て砂礫等を含む泥水を生成させると共に該泥水を泥水排
   送機により前記壁面保護筒体外に送出し、前記壁面保護
   筒体を地盤内に沈下させることを特徴とする筒状地下構
   造体の形成法。
5. 【請求項５】 前記壁面保護筒体が地盤内に沈下した
   後、前記壁面保護筒体内方の土砂を泥水排送機又は土砂
   掘削機により除去する、請求項４に記載の筒状地下構造
   体の形成法。