JP4424528B2 - シールド掘進工法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウオータージェットを用いて掘削するシールド掘進工法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シールド機は前面のスポークまたは、面板を回転させ、スポークまたは面板に取り付けたカッタービットにより地盤の掘削を行っていた。そのビット形状は、掘削する地盤により異なり、軟弱地盤においては櫛状(ティース)のビットを使用し、岩盤等の硬質地盤に対してはローラービットを使用していた。
【0003】
しかし、近年のシールド掘進工法は、軟弱地盤から岩盤までの多様な地盤に対応することが求められるようになってきている。そのため地盤が硬質の場合は、掘削抵抗トルクが大きくなり、それに対応するために、スポーク回転軸の軸受を強化する必要があり、また、回転用モーターの出力を大きくする必要があった。
【0004】
その結果、軟弱地盤に対しては、過剰なトルク、強度をもつシールド機の設計が必要になっていた。
また、硬質地盤においてはビットの摩耗も大きく、ビット交換に要する費用・時間が、全体の工期・工費を圧迫していた。このような問題は、特に、ローラービットの場合に顕著である。
【0005】
また、硬質粘土層の掘削作業では、岩盤用のローラービットが前方に突出する形となっているため、掘削抵抗となり掘進を著しく妨げる要因となっていた。
【0006】
先行技術の特公昭58−32280号公報には、地盤の掘削にカッターヘッド、カッタービット等を使用しないで、噴射角の異なる複数群のノズルから順次水ジェット噴流を噴射させて地山をゆるませ、スクリューで後方に押し出す装置が開示されている。しかしこの公知技術は、土質やジェットの強弱によって、ジェットの到達距離が異なり、地盤によって地山がゆるむ距離が異なり円滑な掘進を行うのに充分ではない。
【0007】
また、特開平1−169093号公報によるシールド工法では、カッター部に複数の高圧水噴射ノズルを設けて水ジェット噴射を行い、地山の部分的先掘りによってカッタービット掘削の抵抗低減をはかってカッタービットの消耗を防止するようにしている。しかしながら、やはりこの公知例でも地盤の軟、硬に応じた余掘りを行い、そしてカッタービットにかかる抵抗を所定の大きさにすることはできない。したがって、依然としてカッタービットの消耗低減の問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のシールド掘進工法は、上記したような従来技術における問題点を解決するために発明されたもので、軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を所定の余掘りを行うことができるシールド掘進工法を提供することを目的としている。
また、本発明は、カッターの摩耗による交換時期および工数の低減、掘進速度の向上をはかることを他の目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材に複数のウオータージェットノズルをそれぞれ対にして複数組配置し、それら各対をなすウオータージェットノズルは前記回転部材に沿って列状に設けられ、かつ半径方向に移動可能に設けられており、そしてそれら各対をなすウオータージェットノズルからの高圧水のジェット流は平面への投影形状が3角形状となるようにジェット流を噴射し、そのウオータージェットノズルからのジェット流を回転部材の前方の地山に噴射させて掘削する。
【0010】
本発明の実施に際して複数のウオータージェットを列状に設け、ウオータージェット流を交差、あるいは衝突させるジェットノズルを対に構成してジェット流の交差点高さによって余掘り深さをきめるように構成するのが好ましい。
なお、ジェット流を衝突させた場合は、衝突による拡散効果で、より高精度に余掘りを制御できる。
また、噴射水の圧力調節によって地盤強度に応じた掘削をすることが好ましく、たとえば、軟弱地盤であれば低圧水を噴射し、硬質地盤であれば高圧水を噴射して地盤を掘削する。したがって、地盤の軟、硬に拘わらずカッターに与える負荷、損耗を一定値に抑えることができる。また、所定値以下の軟弱な地盤であれば、噴射ノズルによる掘削なしで、ビットによる掘進をさせてもよい。
【0012】
上記のように、対をなすノズルをそれぞれ2列に分けて設ければ、半径方向への移動により余掘りを調節できる。
すなわち、ノズルを半径方向に移動し、一対となるノズル間距離を大きくすれば、ジェット流の交差点が遠くなり余掘り深さを深くでき、ノズル間距離を小さくすれば、ジェット流の交差点が近くなり余掘り深さを浅くできる。
【0013】
また、本発明によれば、シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材の外周部から半径方向外方に向かい、互いに内側に傾斜しジェット流が交叉する方向に向いた対のウオータージェットノズルを装着し、それら対のウオータージェットノズルは互いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、かつシールド機の軸線に直角方向の軸線回りに旋回自在に設けられそのウオータージェットノズルから高圧水を地山に噴射させて掘削する。
【0014】
上記の互いに内側に傾斜した対のウオータージェットノズルにより、ジェット流の交差点で深さがきまる余掘りは外周を任意の距離で掘削するいわゆるコピーカッターとして利用できる。
【0016】
上記によって、対のウオータージェットノズルの向き合う傾斜角を調整してジェット流の交差点高さできまる余掘りができる。また、ノズルを旋回させることで特定位置だけを余掘りさせ、地山をより確実に粉砕できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明のシールド掘進工法の一実施形態を説明する。
図1は、本発明のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズル(以降、ノズルと略記する。)付きのシールド機の側断面を示している。図2は、その正面図である。
【0020】
図1および図2において、シールド機本体10に設けられ、カッターモーター5で駆動される主軸6によって回転される回転部材Rのスポーク1には、それぞれ複数のノズルが設けられている。
【0021】
図2の垂直方向に位置するスポーク1において、軸線X−Xに対し、片方(図面の左側)は下向きに傾斜した複数のノズル2aが縦1列に配置され、それぞれが分岐管15aを介して第2の圧水管14に接続されている。
これに対して軸線X−Xに対し、図面の右側では上向きに傾斜した複数のノズル2bが縦1列に配置され、それぞれが別の分岐管A15aを介して別の第2の圧水管14Aに接続されている。
【0022】
そして、これらの下向きに傾斜したノズル2aと上向きに傾斜したノズル2bとを対にして、各一対のノズル2a、2bからのジェット流J、Jの投影形状が3角形状になるように配置されている。
なお、本明細書において符号2はノズルを一般に示す場合に用いている。
【0023】
図7は、一対のノズル2aと2bとの関係を示したものである。一対のノズル2aと2b間の距離が移動S1、S2によって離れれば、ノズル2a、2bから噴射されるジェット流Ja、Jbの交差点Pがノズル2の先端から離れるようになる。なお、ノズル2のスポーク1への装着は、図2においては90度間隔で直径にわたっているが、たとえば外周から軸心への半径分のみでもよい。
【0024】
同様に、ノズル2aと2b間の距離が近づけば、ノズル2a、2bから噴射されるジェット流Ja、Jbの交差点Pがノズル2の先端に近づくようになっている。
【0025】
図7においては、カッター3からYdまたはYsの距離でジェット流Ja、Jbの交差点Pとなり、この交差点Pでジェット流Ja、Jbが衝突してエネルギーを失うことでジェット流の地山掘削距離を決定するようになっている。
【0026】
なお、図1、2の例では、ノズル2aと2bのジェット流J、Jは投影形状が3角形状であって交差点Pは形成しないが、回転部材が回転することおよびスポーク1内の狭い範囲内にノズル2が配置されているので、実質的には交差点が形成されている。
【0027】
また、ノズル2a、2bは図1の例では、それぞれスポーク1に沿って移動できるように設けるのが好ましい。このようにすると実質的な交差点Pの位置を変更できる。また例えば図示しないローラービットを一対のノズルの間に設けてもよい。
【0028】
次に、上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図1および図2によって説明する。
【0029】
カッターモーター5によって主軸6が回転駆動され、主軸6の前部に設けられたスポーク1と共に明示しないカッターが回転されて前面の地山Gが掘削される。そのとき、圧水ポンプ11からの高圧水が、第1の圧水管12、送水孔13、第2の圧水管14、14Aおよび分岐管15a、15bを通ってノズル2a、2bからジェット流となって噴出し、地山Gを掘削する。
【0030】
ジェット流Jによる掘削深さは、地山の軟、硬条件によって回転部材Rより前方の所定の深さに決められる。その掘削深さは、図7における余掘り深さYd (余掘り大)、またはYs(余掘り小)の任意の深さを、ノズル2a、2b間距離で調整してもよく、圧力ポンプ11からの高圧水の圧力を調整してもよい。しかしながら、あらかじめ余掘り深さを一定にする場合には移動は不要となる。
【0031】
上記のように、ノズル流Jによって回転部材Rの前部を余掘りして、回転部材Rにかかる掘削抵抗を低減させる。
【0032】
以上説明の図1、2は、土圧式シールド機であるが、本発明は泥水式シールド機にもノズル2を面板に設けることで実施できる。
【0033】
図3および図4は本発明のシールド掘進工法の第2実施形態を示している。
図3は、本発明のシールド掘進工法に使用するコピーカッターと称せられる半径方向外方の掘削を行うためのウオータージェットノズル付きシールド機の側断面を示している。図4は、その正面図である。
【0034】
図3および図4において、シールド機本体10Aで支持され、カッターモーター5Aで駆動される主軸6Aに固着された回転部材Rのスポーク1Aに、ノズル22aおよび22bが対で設けられている。
【0035】
図3および図4に示すように、各スポーク1Aの外周部に半径方向外方に向かって前後方向に一対となるノズル22a、22bが装着されている。
そして、ノズル22a、22bは、それぞれが分岐管15Aa、15Abを介して第2の圧水管14Aに接続されている。
【0036】
図8および図9は、前記図3および図4に示した第2実施形態のジェット流交差点の調整方法を示している。一対をなすノズル22aと22b間の角度が回動R1、R2することによって角dが小になれば、ノズル22a、22bから噴射されるジェット流の交差点PAがノズル22Aの先端から離れるようになっている。なお、軸線X−X(図3参照)に直角な軸線Y−Yに対して旋回自在に構成してもよい。
また、図9における符号16は回転管を示し、符号17はスイベルを示している。
【0037】
同様に、ノズル22aと22b間の互いに内側に傾斜した角度dが大になれば、ノズル22a、22bから噴射されるジェット流の交差点PAがノズル2の先端に近づくようになっている。
【0038】
図8においては、カッター3Aから距離YdまたはYsでジェット流の交差点PAとなり、この交差点PAでジェット流が衝突して噴射エネルギーを失うことでジェット流の地山掘削距離を決定するようになっている。
【0039】
第2の圧水管14、14Aは、主軸6A内に設けられた圧水孔13A及び第1の圧水管12Aを介して圧水ポンプ11Aに連通されている。
なお、符号7Aはスクリューを示し、符号4Aはシールドジャッキを示している。
【0040】
以下、上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図3、図4によって説明する。
【0041】
カッターモーター5Aによって主軸6Aが回転駆動され、主軸6Aの前部に設けられたスポーク1Aと共に明示しないカッターが回転され、前面の地山Gを掘削する。そのとき、圧水ポンプ11Aからの高圧水が、第1の圧水管12A、送水孔13A、第2の圧水管14Aおよび分岐管15Aa、15Abを通ってノズル22a、22bからジェット流Jとなって噴出し、外周の地山Gを掘削する。
【0042】
ジェット流Jによる掘削深さは、地山の軟、硬の条件によって所定の深さに決められる。その掘削深さは、図8における余掘り深さYd(余掘り大)、またはYs(余掘り小)の任意の深さを、ノズル22a、22b間の傾斜角を調整して行う。
【0043】
上記のように、ジェット流Jによって外周地山Gの掘削を、過剰掘削のない所定の余掘りをする。このように半径方向外方と全掘りすることによって掘進機の前進が容易となる。またこの実施形態は図1、図2の実施形態に付加してもよく、或いは回転部材Rに公知のビットを設けて掘進させてもよい。
【0044】
なお、ジェット流に使用する水に高分子ポリマーを添加すれば、ジェット流の収束性がよくなり、掘削能力を向上させるので好ましい。
【0045】
また、ジェット流の周囲から界面活性剤と空気とを噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。
【0046】
次に、本発明のシールド掘進工法の第3実施形態を説明する。
図5は、本発明のシールド掘進工法に使用するノズル付きのシールド機の側断面を示している。図6は、その正面図である。
【0047】
図5および図6において、シールド機本体10Bで支持され、カッターモーター5Bで駆動される主軸6Bにより回転される回転部材であるスポーク1Bには、ノズル32a、32bが設けられている。
【0048】
図6の垂直および水平方向に位置するスポーク1B外周部のカッター40の推進方向後部に、シールド機軸心Cを中心としてほぼ対称位置にノズル32a、32bが軸心方向に向けて設けられている。
【0049】
ノズル32a、32bから噴射されるそれぞれのジェット流Jbは、この例では、図5および図6に示されているように、互いに衝突しないように配設されているが、衝突するような構成でもよい。
ノズル32a、32bは、第2の圧水管14B、送水孔13B、第1の圧水管12Bを介して圧水ポンプ11Bに接続されている。
【0050】
上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図5、6によって説明する。
【0051】
カッターモーター5Bによって主軸6Bが回転駆動され、主軸6Bの前部に設けられたスポーク1Bと共にカッター40が回転され前面の地山G外周を掘削する。
同時に、圧水ポンプ11Bからの高圧水が、第1の圧水管12B、送水孔6B、第2の圧水管14Bを通ってノズル32a、32bからジェット流Jbとなって噴出し、カッター40の内側の地山Gを掘削する。
【0052】
なお、上記図5および図6に示す実施形態では、外周部にノズル32a、32bを設け、軸心C方向に向けてジェット流Jbを噴出しているが、かかる構成に限定せず図10〜図12に示すような構成でもよい。
【0053】
図10に示す例は、軸心部に設けたノズル32cから半径方向外方に向けてジェット流Jcを噴出しており、この構成では、ジェット流Jcが外周部の面板に衝突して余掘りを防止することができる。
また、図11の例は、外周部のノズル32aから内方に向け、そして軸心部のノズル32cから外方に向けてそれぞれジェット流Ja、Jcを噴射している。
そして、図12に示す例は、大口径の場合であり、多重にジェットを設けたものである。
なお、これらのジェット流は、いずれも半径方向に向けて噴射され、シールド機前面全体の掘削を行うもので、必要に応じて前方へ向けて若干の角度を付してもよい。
【0054】
また、ジェット流に使用する水に高分子ポリマーを添加させれば、ジェット流の収束性がよくなり、掘削能力を向上させるので好ましい。
【0055】
そして、ジェット流の周囲から界面活性剤と空気を噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。
【0056】
なお、前記第1、第2および第3の実施形態を必要に応じ、適宜組合せて使用しても良い。
【0057】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
(1) 図1、図2に示す(第1実施形態)掘進工法によれば、ウオータージェットによってシールド機前面の地盤を掘削して回転部材にかかる掘削抵抗を低減させるので、回転部材にかけるトルクを地盤強度に拘わりなく地盤の攪拌に必要程度の所定値に抑えることができる。従って、軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を掘削できる。特に硬質粘土質の地盤では、地盤によるローラービットの抵抗を軽減させる効果が大きい。
(2) また、回転部材にかけるトルクが所定値以下になるので、スポーク回転用モーターの出力を小さくでき、スポーク回転軸の軸受強度も岩盤や硬質粘性土を配慮した過大なものにする必要がない。そして投影形状を3角形状にしたので、少ないジェット流で掘削でき、ノズルを小型化できる。
(3) 回転部材にかかるトルクが低いので、摩耗が少なく、ビットを設けても、そのビット交換の工期、費用が低減できる。
(4) 図3、図4の(第2実施形態)掘進工法によれば、ウオータージェットによって半径方向外方の掘削が任意所定の深さで掘削できる。
(5) 図5、図6の(第3実施形態)掘進工法によれば、地盤の掘削はスポーク外周のカッターのみとし、内部はすべてウオータージェット掘削にするので、カッター磨耗がなく、交換等が省けて、工期短縮ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズル付きのシールド機の構成を示す側断面図。
【図2】図1の正面図。
【図3】本発明の第2実施形態のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズルを用いたシールド機の構成を示す側断面図。
【図4】図3の正面図。
【図5】本発明の第3実施形態の掘進工法に使用するスポーク外周にジェットノズルを軸心向きに取り付けたシールド機の構成を示す側面図。
【図6】図5の正面図。
【図7】一対のウオータージェットノズル間の距離を変えて余掘りの深さを変える方法を示す図。
【図8】一対のウオータージェットノズルの内側に向き合う傾斜角を変えて余掘りの深さを変える方法を示す図。
【図9】図8のノズル構成図。
【図10】ジェットノズルを半径方向外方に向け軸心部に配設した実施形態を示す側面図。
【図11】ジェットノズルを半径方向内方向きおよび外方向きに配設した実施形態を示す側面図。
【図12】ジェットノズルを多重に配設した実施形態を示す側面図。
【符号の説明】
G・・・地山
J・・・ジェット流
1・・・スポーク
2、2a、2b・・・ウオータージェットノズル
4・・・シールドジャッキ
5・・・カッターモーター
6・・・主軸
7・・・スクリュー管
10・・・シールド機本体
11・・・圧水ポンプ
12・・・第1の送水管
13・・・送水孔
14・・・第2の送水管
15a、15b・・分岐管
Claims (2)
- シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材に複数のウオータージェットノズルをそれぞれ対にして複数組配置し、それら各対をなすウオータージェットノズルは前記回転部材に沿って列状に設けられ、かつ半径方向に移動可能に設けられており、そしてそれら各対をなすウオータージェットノズルからの高圧水のジェット流は平面への投影形状が3角形状となるようにジェット流を噴射し、そのウオータージェットノズルからのジェット流を回転部材の前方の地山に噴射させて掘削することを特徴とするシールド掘進工法。
- シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材の外周部から半径方向外方に向かい、互いに内側に傾斜しジェット流が交叉する方向に向いた対のウオータージェットノズルを装着し、それら対のウオータージェットノズルは互いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、かつシールド機の軸線に直角方向の軸線回りに旋回自在に設けられそのウオータージェットノズルから高圧水を地山に噴射させて掘削することを特徴とするシールド掘進工法。
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