JP3943274B2 - 曲線掘削方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、トンネル構築において、トンネル内壁近傍の地盤を改良する際に好適に用いられる曲線掘削方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、トンネルを構築する場合には、図４に太めの２点鎖線で示すように、トンネル構築予定領域Ａの掘削に先立って、このトンネル構築予定領域Ａの内壁近傍の地盤（以下、地盤改良領域と称す）Ｂを改良することが行われている。
これは、トンネル構築予定領域Ａを掘削する際に、地下水の湧水や周辺地盤の沈下等と防止するためにとられる処置である。
【０００３】
そして、この地盤改良領域Ｂを改良する方法として従来では、図４に示すように、前記トンネル構築予定領域Ａの上端部に、パイロット坑Ｃを掘削した後に、、図５に示すように、直線状の外管１と、この内部に挿入されるとともに、前記外管１の先端部から前方へ突出して位置させられる掘削ビット２を備えた内管３とを備えた掘削装置を用い、図６に示すように、前記パイロット坑Ｃから前記地盤改良領域Ｂへ向けて、改良剤注入用の注入口Ｄを掘削し、この注入口Ｄに適宜手段を用いて改良剤を注入するとともに、この改良剤を前記地盤改良領域Ｂの地盤中に浸透させることにより、前記地盤改良領域Ｂの地盤を改良するようにしている。
【０００４】
ところで、このような従来の地盤改良方法によると、注入口Ｄを掘削する掘削装置が直線状に形成されていることから、前記地盤改良領域Ｂに均一に改良剤を注入するには、図６に示すように、前記注入口Ｄを、一つの鉛直方向の断面内において、角度を変えて多数形成する必要がある。
しかしながら、このような方法によると、一つの鉛直面内について多数の注入口Ｄを掘削する必要があることから、作業工程が長期化するといった問題点や、改良剤が均一に注入されないといった問題点がある。
【０００５】
そこで、このような問題点を解消するための一方法として、図７に一点鎖線で示すように、前記注入口Ｄを、トンネル構築予定領域Ａの内壁面に沿うように湾曲させて形成することが提案されている。
このような注入口Ｄを形成することにより、注入口Ｄとトンネル構築予定領域Ａの内壁面とが略平行となることから、この内壁面に対して均一な厚さに地盤改良領域Ｂを形成することができる。
【０００６】
一方、このような湾曲した注入口Ｄを掘削するために従来では、図８に示すように、一定の曲率を有する外管５内に、この外管と同一曲率を有する内管６を挿入し、この内管６の先端部に回転駆動機構７を介して掘削ビット８を取り付けた掘削装置を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８に示す掘削装置を用いて湾曲した注入口Ｄを掘削する場合、外管５及び内管６が、ともに同一曲率で湾曲させられていることにより、外管５に対して内管６を相対回転させることができない。
この結果、内管６の先端に装着されている掘削ビット８を回転させるためには、前述したように、前記内管６の先端部に回転駆動機構７を設け、この回転駆動機構７によって前記掘削ビット８を回転させるようにする必要があるが、この回転駆動機構７を外管５の内部に位置させることにより、この外管５の内径が大きくなってしまう。
また、回転駆動機構７を先端部に設けることによって、作動油等の動力を前記回転駆動機構７まで供給する必要があることから、そのための動力供給手段を外管５内に挿入する必要があり、この点からも外管５の大径化が避けられない。
さらに、掘削ビット８の回転を確保するためには、外管５と内管６との相対回動、あるいは、外管５と回転駆動機構７との相対回動を拘束する必要があり、そのための回転防止機構を外管５内に設ける必要があり、一層外管５の大径化が助長される。
したがって、このような従来の技術においては、注入口Ｄの最小径が制限されしまうといった不具合がある。
【０００８】
一方、改良する地盤の地質によっては、掘削ビット８の回転のみでは掘削が困難で、この掘削ビット８に軸方向のパーカッションを与えて、地盤に衝撃力を与える必要が生じる。
このために、前記回転駆動機構７に加えて、パーカッション機構を内管６の先端部に併設しようとすると、このパーカッション機構が、ある程度の直線的なストロークを必要とし、かつ、このストロークが、前記外管５とその内径とによって規制されることから、パーカッション機構の能力が制限されてしまう。
さらに、前記パーカッション機構を内管６の基端部に設けることにより、寸法の制約を解除してその大型化を図ることも考えられるが、内管６の先端部には回転駆動機構７が設けられており、この回転駆動機構７が、パーカッション機構によって与えられる衝撃力によって損傷を受けることが想定されるため、有効な解決手段とはなり得ていない。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、曲線掘削を行う際に、極力小径の掘削を可能にする曲線掘削方法及びその装置を提供することを第１の目的とし、また、パーカッションを伴う掘削を可能にする曲線掘削方法及びその装置を提供することを第２の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の曲線掘削方法は、前述した目的を達成するために、一定曲率に曲げられた曲がり外管と、この曲がり外管に挿入され、先端部に掘削ビットが設けられた複数本の直線状の内管とを用い、前記内管の掘削ビットを前記外管の先端から突出させるとともに、前記内管を連結する連結手段により前記内管の軸線を前記外管の軸線と一致させ、前記内管を弾性変形させた状態で、前記内管の基端部に回転力および推進力を与えて、前記掘削ビットを回転及び推進させるとともに、前記外管を回転させずに、前記内管をその軸線周りに回転させて推進させることにより、曲線状に地盤を掘削することを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の曲線掘削方法は、請求項１において、前記内管に、その基端部において軸方法のパーカッションを与えつつ掘削を行うことを特徴とする。
また、本発明の請求項３に記載の曲線掘削装置は、一定曲率に曲げられた曲がり外管と、この曲がり外管に挿入され、先端部に掘削ビットが設けられた複数本の直線状の内管と、前記曲がり外管の外周面を把持し、この曲がり外管を前方に推進させる外管用推進装置と、前記内管の基端部を保持するとともに、この内管を回転及び推進させる内管用回転推進装置とから構成され、前記内管を連結する連結手段により前記内管の軸線が前記外管の軸線と一致した状態に保持すると共に、前記外管用推進装置と内管用回転推進装置が、前記外管と内管とを、前記掘削ビットが前記外管の先端から常時突出し、前記内管が弾性変形した状態に保持し、前記内管をその軸線周りに回転させることを特徴とする。
さらに、本発明の請求項４に記載の曲線掘削装置は、請求項３において、前記内管用回転推進装置が、前記掘削ビットに軸方向のパーカッションを与えるパーカッション機構を備えていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の曲線掘削方法によれば、掘削ビットを回転させつつ内管及び外管を推進すると、外管の曲率に沿った坑が掘削される。
そして、掘削ビットの回転は、内管をその基端部において回転させることによって行われるのであるが、この内管が直線状に形成されていることにより、前述した回転力が与えられると、その軸線を外管の軸線と一致させた状態で弾性変形させられることにより、内管がその軸線周りに回転させられて、この回転が掘削ビットへ伝達される。
そして、外管内に駆動機構を設ける必要がないことから、外管内に挿入される部材の外径が小さく抑えられ、これによって、外管の小径化を図ることができる。
また、請求項２に記載の発明のように、前記内管の基端部にパーカッション機構を設けることによって、この内管を介して前記掘削ビットへパーカッションが与えられる。
ここで、内管には駆動機構が設けられていないので、内管にパーカッション機構を設けても、掘削装置に支障を与えることなく掘削作業が行われ、掘削する地質の変化へも迅速に対応できる。
また、本発明の請求項３に記載の曲線掘削装置によれば、前述した構成とすることにより、請求項１に記載の曲線掘削方法を有効に実施することができる。
さらに、本発明の請求項４に記載の発明によれば、前述した構成とすることにより、請求項２に記載の曲線掘削方法を有効に実施することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図１ないし図３に基づき説明する。
なお、以下の説明中、図４および図７と共通する部分については同一符号を用いて説明を簡略化する。
図１中、符号１０は、本実施形態に係わる掘削装置を示し、この掘削装置１０は、一定曲率に曲げられた曲がり外管１１と、この曲がり外管１１に挿入され、先端部に掘削ビット１２が設けられた直線状の内管１３と、前記曲がり外管１１の外周面を把持し、この曲がり外管１１を前方に推進させる外管用推進装置１４と、前記内管１３の基端部を保持するとともに、この内管１３を回転及び推進させる内管用回転推進装置１５とから構成され、これらの外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５とが、前記外管１１と内管１３とを、前記掘削ビット１２が前記外管１１の先端から常時突出するような位置関係に保持された基本構成となっている。
【００１３】
ついで、これらの詳細について説明すれば、前記外管用推進装置１４は、前記曲がり外管１１の基端部（後端部）を回転不可能に把持するように構成されており、また、内管用回転推進装置１５は、本実施形態においては、前記内管１３の基端部を相対回転を拘束した状態で把持してこの内管１３を回転させる回転駆動機構と、この内管１３に軸方向のパーカッションを与えるパーカッション機構（何れも図示略）とを備えている。
そして、これらの外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５は、パイロット抗Ｃに設置された基台１６上に走行可能に設置されており、また、外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５とは、これらにそれぞれ固定される曲がり外管１１と内管１３とが、この内管１３の先端部に取り付けられている掘削ビット１２を前記曲がり外管１１の先端部から所定長さ突出した状態に保持するように、その相対的な位置関係が保持されるようになっている。
【００１４】
また、前記基台１６には、前記外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を、前述した位置関係に保持しつつ前記曲がり外管１１の軸方向に推進させるための推進機構１７が設けられている。
【００１５】
一方、前記曲がり外管１１は、図２及び図３（ａ）に詳述するように、一定の曲率が与えられており（図３においては、曲がりを強調するために曲率を大きくしてある）、最先端に位置する曲がり外管１１の先端部には、前記内管１３が掘削ビット１２とともに挿通されるガイド部材１８が設けられ、また、基端部には、継ぎ足される他の曲がり外管１１との接続をなすカプラ１９が一体に設けられている。
【００１６】
前記内管１３は、最先端に位置させられる内管１３（図３（ｂ）参照）と、この内管１３に順次継ぎ足される他の内管１３とによって構成され、これらの内管１３の継ぎ足し部分には、図３（ｂ）に示すようにねじ部１３ａが形成され、これらのねじ部１３ａ同士を、図３（ｃ）に示すような連結ナット２０を介して接続することによって、前記内管１３が継ぎ足されるようになっている。
そして前記連結ナット２０は、その外径が、前記カプラ１９の内径とほぼ同一か若干小さめに形成されており、内管１３を曲がり外管１１の所定位置に挿入した状態において、前記カプラ１９の内側に対向位置させられることにより、前記内管１３を曲がり外管１１に対して同軸上に位置決めするようになっている。
また、前記連結ナット２０は、その外面に、軸線方向に沿う長溝２０ａが、周方向に間隔をおいて複数形成されており、曲がり外管１１の内部にその先端部から取り込まれるスライムを基端部へ向けて通過させるようになされている。
【００１７】
ついで、本発明の曲線掘削方法を、このように構成された本実施形態に係わる掘削装置１０の作用をとともに説明する。
まず、パイロット坑Ｃ内に基台１６を設置した後に、この基台１６上に外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を設置する。
【００１８】
ついで、前端部から掘削ビット１２が所定長さ突出させられた状態で内管１３が挿入された曲がり外管１１の基端部を外管用推進装置１４に固定し、さらに、この曲がり外管１１の基端部から後方に突出させられている前記内管１３の基端部を内管用回転推進装置１５に固定する。
【００１９】
これより、内管用回転推進装置１５によって内管１３を回転させつつ推進機構１７を起動することにより、外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を地盤Ｂへ向けて移動させて、前記掘削ビット１２を回転させつつ地盤Ｂに押しつけるとともに、前記内管１３の内部にその基端部から掘削水を供給して、この掘削水を内管１３の先端から地盤Ｂへ向けて噴射する。
これによって、前記掘削ビット１２によって地盤Ｂが掘削されるとともに、掘削土が掘削水と混ぜ合わされてスライム化させられるとともに、このスライムが曲がり外管１１を経て基端部へ向けて搬送されて、この基端部から外部へ排出される。
そして、地盤Ｂの地質に対応し、必要に応じてパーカッション機構を起動して、前記内管１３を介して掘削ビット１２にパーカッションを与えつつ掘削を行う。
このような掘削により、地盤Ｂ中に、前記曲がり外管１１の曲率に沿った注入口Ｄが、図７に示すように形成される。
【００２０】
そして、前述したような掘削作業に際して、直線状の内管１３が曲がり外管１１内に挿入されていることにより、内管１３に回転力が加えられると、この内管１３が、その軸線位置を保持した状態で弾性変形させられ、この結果、内管１３の回転が円滑に行われるとともに、掘削が円滑に行われる。
ここで、内管１３に対して、その基端部において回転を与えるものであるから、回転のための機構を曲がり外管１１内に設置する必要がなく、この結果、曲がり外管１１内に設置される部材の外径を小さくして、曲がり外管１１の外径を小さくすることができる。
したがって、掘削する注入口Ｄの内径を小さくすることができる。
しかも、内管１３の先端部分に駆動機構が存在していないことにより、内管１３に外部からパーカッションを与えることが可能となり、これによって、曲がり外管１１の大径化を伴うことなく固い地層の掘削を可能にする。
【００２１】
そして、前記曲がり外管１１の長さ分の掘進を行った後に、曲がり外管１１及び内管１３の把持を解放した後に、外管用推進装置１４および内管用回転推進装置１５を後退させるとともに、曲がり外管１１及び内管１３の基端部に、他の曲がり外管１１及び内管１３を継ぎ足し、これらの曲がり外管１１及び内管１３を再度把持して前述した作業を繰り返すことにより、図７に示すように、所定長さの注入口Ｄをトンネル構築予定領域Ａの内壁面に沿って形成することができる。
【００２２】
なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に記載の曲線掘削方法によれば、直線状の内管を曲がり外管内に挿入したことにより、内管に回転力が加えられた際に、この内管を、その軸線位置を保持した状態で弾性変形させることにより、内管の円滑な回転を確保することができ、この結果、曲線掘削を円滑にかつ確実に行うことができる。
そして、内管に対して、その基端部において回転を与えるものであるから、掘削ビットを回転させるための機構を曲がり外管内に設置する必要がなく、これによって曲がり外管内に設置される部材の外径を小さくして、曲がり外管の外径を小さくすることができ、掘削坑の内径を小さくすることができる。
また、内管の先端部分に駆動機構が存在していないことにより、請求項２に記載の発明のように、内管に外部からパーカッションを与えることが可能となり、これによって、曲がり外管の大径化を伴うことなく固い地層の掘削を可能にする。
さらに、直線状の内管を用いることにより、内管の曲げ加工を不要にして、部品コストを軽減することができるといった効果も期待できる。
【００２４】
そして、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の曲線掘削方法を有効に実施することができる曲線掘削装置を得ることができ、また、本発明の請求項４に記載の発明によれば、請求項２に記載の曲線掘削方法を有効に実施することができる曲線掘削装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の基本構成を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す要部の拡大正面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）は曲がり外管の断面図、（ｂ）は内管の正面図、（ｃ）は連結ナットの断面図である。
【図４】一般的なトンネルの構築方法を説明するための概略図である。
【図５】図４に示すトンネル構築方法において注入口掘削に用いられる従来掘削装置を示す要部の断面図である。
【図６】図４に示すトンネル構築方法にける従来の注入口の掘削方法を示す断面図である。
【図７】図４に示すトンネル構築方法にける注入口の掘削方法の他の例を示す断面図である。
【図８】図７に示す注入口の掘削に用いられる従来の掘削装置を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１０ 掘削装置
１１ 曲がり外管
１２ 掘削ビット
１３ 内管
１４ 外管用推進装置
１５ 内管用回転推進装置
１７ 推進機構
１９ カプラ
２０ 連結ナット
Ａ トンネル構築予定領域
Ｂ 地盤改良領域
Ｃ パイロット坑
Ｄ 注入口

Claims (4)

1. 一定曲率に曲げられた曲がり外管と、この曲がり外管に挿入され、先端部に掘削ビットが設けられた複数本の直線状の内管とを用い、前記内管の掘削ビットを前記外管の先端から突出させるとともに、前記内管を連結する連結手段により前記内管の軸線を前記外管の軸線と一致させ、前記内管を弾性変形させた状態で、前記内管の基端部に回転力および推進力を与えて、前記掘削ビットを回転及び推進させるとともに、前記外管を回転させずに、前記内管をその軸線周りに回転させて推進させることにより、曲線状に地盤を掘削することを特徴とする曲線掘削方法。
2. 前記内管に、その基端部において軸方法のパーカッションを与えつつ掘削を行うことを特徴とする請求項１に記載の曲線掘削方法。
3. 一定曲率に曲げられた曲がり外管と、この曲がり外管に挿入され、先端部に掘削ビットが設けられた複数本の直線状の内管と、前記曲がり外管の外周面を把持し、この曲がり外管を前方に推進させる外管用推進装置と、前記内管の基端部を保持するとともに、この内管を回転及び推進させる内管用回転推進装置とから構成され、前記内管を連結する連結手段により前記内管の軸線が前記外管の軸線と一致した状態に保持すると共に、前記外管用推進装置と内管用回転推進装置が、前記外管と内管とを、前記掘削ビットが前記外管の先端から常時突出し、前記内管が弾性変形した状態に保持し、前記内管をその軸線周りに回転させることを特徴とする曲線掘削装置。
4. 前記内管用回転推進装置が、前記掘削ビットに軸方向のパーカッションを与えるパーカッション機構を備えていることを特徴とする請求項３に記載の曲線掘削装置。

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