JP5557667B2

JP5557667B2 - ニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法及び設備

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Publication number: JP5557667B2
Application number: JP2010210870A
Authority: JP
Inventors: 卓朗西山; 博光木田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: JP2012067456A

Description

本発明は、ニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法及び設備に関する。

ニューマチックケーソン工法は、ケーソン下部に形成される掘削作業室を圧気状態とすることで掘削作業室に地下水が流入するのを防止し、掘削作業室の掘削床から土砂を掘削してケーソンを決設させる工法である。このニューマチックケーソン工法では、掘削作業室の天井（ケーソン下面）に設置された潜函ショベル、ケーソンに立設されたマテリアルシャフト、地上に設置されたスケータークレーン、スケータークレーンに吊り下げられてマテリアルシャフトを昇降するアースバケット、地上に設置された土砂ホッパ、などを備える設備が用いられている。そして、潜函ショベルにより土砂を掘削してアースバケットに土砂を満杯に積み込む積込サイクルと、スケータークレーンによりアースバケットを掘削作業室と土砂ホッパとの間で往復させてアースバケットに積み込まれた土砂を土砂ホッパに排出する搬送サイクルと、を繰返し行うことで、ケーソンを決設している。

特開平１１−２９４０６３号公報特開平０９−０７８５９４号公報

ところで、このようなニューマチックケーソン工法では、リース品を転用することを大前提としており、現場毎に設備を新作することは行われない。このリース品のバケットは、有人掘削しか掘削方法が無かった時代に製作された１．０ｍ^３のものが現在も使用されており、マテリアルシャフトも、この１．０ｍ^３のバケットを昇降させることを前提としたものが使用されている。また、スケータークレーンも、１．０ｍ^３のバケットを搬送することを想定して定格荷重が４．５ｔ未満のものが使用されている。

しかしながら、潜函ショベルに取り付けるショベルバケットを０．１５ｍ^３級や０．３０ｍ^３級としても、常に搬送サイクルタイムが積込サイクルタイムよりも長くなるため、潜函ショベルが遊び状態となるタイムロスが発生するという問題がある。

近年、地上から潜函ショベルを遠隔操作する無人掘削の技術が開発され、作業気圧が０．１９ＭＰａ前後になるまでは有人掘削を行い、それよりも深くなると無人掘削を行うようになった。しかしながら、有人掘削では、掘削作業室でバケットの吊り替えができるため、積込サイクルと搬送サイクルとを平行して行うことで掘削効率が向上するものの、無人掘削では、掘削作業室でのバケットの吊り替えができないため、掘削効率の向上が図れない。

この点、特許文献１及び特許文献２において、無人掘削の状態でバケットの吊り替えを行うことが提案されているが、実現可能性が低いため未だ実際の稼動には至っていない。

そこで、本発明は、ニューマチックケーソン工法においてサイクルタイムの最適化により工期を短縮できる設備能力決定方法及び設備を提供することを目的とする。

本発明に係るニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法は、ケーソンの下部に形成された掘削作業室において土砂を掘削する掘削設備と、掘削設備で掘削した土砂が積み込まれるバケットと、ケーソンに立設されてバケットが昇降するマテリアルシャフトと、バケットを吊り下げてバケットを搬送する揚重設備と、を有するニューマチックケーソン工法の設備能力決定方法であって、バケットの容量を、揚重設備の定格荷重未満となる大きさであって、掘削設備により土砂を掘削してバケットに積み込む積込時間が、バケットに積み込まれた土砂を排出するために揚重設備によりバケットを搬送するバケット搬送時間以上となる大きさとすることを特徴とする。

本発明に係るニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法によれば、バケットの容量を、揚重設備の定格荷重を上限として、積込サイクルタイムが搬送サイクルタイム以上となる大きさとすることで、掘削設備の遊び時間が削減されるため、排土のサイクルタイムが全体的に最適化され、工期を短縮することができる。

この場合、掘削作業室におけるバケットの潜函高さと、バケットに土砂を積み込むために必要なバケットから掘削作業室の天井までの高さと、バケットの容量と、に基づいてバケットの形状を決定し、バケットの形状に基づいてマテリアルシャフトの内径を決定することが好ましい。このようにしてマテリアルシャフトの内径を決定することで、バケットへの土砂の積込作業性を阻害することなく、サイクルタイムの最適化を図ることができる。

本発明に係るニューマチックケーソン工法における設備は、ケーソンの下部に形成された掘削作業室において土砂を掘削する掘削設備と、掘削設備で掘削した土砂が積み込まれるバケットと、ケーソンに立設されてバケットが昇降するマテリアルシャフトと、バケットを吊り下げてバケットを搬送する揚重設備と、を有するニューマチックケーソン工法における設備であって、バケットの容量は、揚重設備の定格荷重未満となる大きさであって、掘削設備により土砂を掘削してバケットに積み込む積込時間が、バケットに積み込まれた土砂を排出するために揚重設備によりバケットを搬送するバケット搬送時間以上となる大きさであることを特徴とする。

本発明に係るニューマチックケーソン工法における設備によれば、バケットの容量が、揚重設備の定格荷重を上限として、積込サイクルタイムが搬送サイクルタイム以上となる大きさとすることで、掘削設備の遊び時間が削減されるため、排土のサイクルタイムが全体的に最適化され、工期を短縮することができる。

この場合、揚重設備の定格荷重が５ｔ未満である場合、バケットの容量が約２．５ｍ^３であることが好ましく、更には、マテリアルシャフトの内径が約２．２ｍであることが好ましい。このような寸法とすることで、排土能力の最大化を図ることができる。

また、掘削作業室で掘削された土砂が仮積みされる仮積用容器を更に備え、バケットは、仮積用容器から土砂を積み替えられることで、掘削作業室において掘削された土砂が積み込まれることが好ましい。このように、土砂が仮積みされる仮積用容器を用いることで、土砂が積み込まれたバケットを昇降させて土砂を排土している間に、仮積用容器に土砂を仮積みすることができるため、時間的ロスを大幅に削減することができる。

本発明によれば、ニューマチックケーソン工法においてサイクルタイムの最適化により工期を短縮できる。

実施形態に係るニューマチックケーソン工法の設備を示す図である。図１に示す設備におけるケーソン底部を拡大した図である。設備設計に用いる項目の一覧を示している。有人掘削期間及び無人掘削期間における排土サイクルタイムの算出方法を示した図である。他の例の設備におけるケーソン底部を拡大した図である。実施例１及び実施例２のシミュレーション結果を示す図である。比較例１及び比較例２のシミュレーション結果を示す図である。比較例３及び比較例４のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るニューマチックケーソン工法における設備設計方法及び設備の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、全図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。

図１は、実施形態に係るニューマチックケーソン工法の設備を示す図であり、図２は、図１に示す設備におけるケーソン底部を拡大した図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る設備１は、ケーソン２下部に形成される掘削作業室αを圧気状態として掘削作業室αの掘削床から土砂を掘削することでケーソン２を決設させための設備である。このため、設備１は、掘削作業室αの天井面に設置された潜函ショベル３と、ケーソン２に立設されたマテリアルシャフト４、マンシャフト５及びタワークレーン６と、地上に立設されたスケータークレーン７及び土砂ホッパ８と、スケータークレーン７により昇降可能及び横行可能に吊り下げられたアースバケット９と、を備えている。

ケーソン２は、複数のロットを積層して構築されるものであり、最下層に配置される第1ロットは、下面から円筒状の刃先が突出されて掘削作業室αを形成する円板状に形成されており、第２ロット以降は、所定高さの円筒状に形成されている。そして、ケーソン２の沈下長に応じて新たなロットを構築（上積み）していくことで、所定沈下長のケーソン２が構築される。

潜函ショベル３は、掘削作業室αの天井面であるケーソン２の底面に固定されたレールにより横行及び旋回可能に吊り下げられており、土砂を掘削するショベルバケット３ａが設けられている。このため、潜函ショベル３は、ショベルバケット３ａにより土砂を掘削してアースバケット９に積み込むことが可能となっている。この潜函ショベル３は、有人運転のもの、遠隔操作による無人運転のもの、有人運転及び無人運転が切り換え可能なものがある。

マテリアルシャフト４は、掘削作業室αと連通されており、その上端に設置されたマテリアルロック４ａの圧力制御により圧気状態に保持されている。このマテリアルロック４ａは、上下２段のハッチで気密に形成されており、上下２段のハッチの開閉制御とマテリアルロック４ａ内の圧力制御とを行うことで、マテリアルシャフト４内部を圧気状態に保持しながら、アースバケット９の通過を可能にしている。また、マテリアルシャフト４の内周面には、マテリアルシャフト内設備として、アースバケット９の揺れ止めを行うガイド１１が取り付けられている。なお、マテリアルシャフト４の内周面には、マテリアルシャフト内設備として、人が昇降する梯子が取り付けられることもある。

マンシャフト５は、マテリアルシャフト４と同様に、掘削作業室αと連通されており、その上端に設置されたマンロック５ａの圧力制御により圧気状態に保持されている。

なお、マテリアルシャフト４及びマンシャフト５は、その上端がケーソン２の上端よりも上方に配置されるように、ケーソン２のロットが新たに構築されるたびに艤装替えされる（継ぎ足される）。

スケータークレーン７は、アースバケット９を昇降及び横行させる揚重設備である。このスケータークレーン７は、マテリアルシャフト４の上方においてアースバケット９の巻下げ及び巻上げを行うことで、アースバケット９をマテリアルシャフト４内で昇降させることができる。また、スケータークレーン７は、アースバケット９の吊り下げ位置を移動させることで、アースバケット９をマテリアルシャフト４の上方から土砂ホッパ８の上方に横行させることができる。また、スケータークレーン７は、土砂ホッパ８の上方においてアースバケット９の巻下げ及び巻上げを行うことで、アースバケット９を土砂ホッパ８に対して昇降させることができる。

土砂ホッパ８は、アースバケット９から排出される土砂を受けて、トラックの荷台に土砂を積み込む設備である。

アースバケット９は、上部に開口を有する円筒状容器であり、土砂を上方から積み込むことが可能となっている。このため、アースバケット９は、土砂ホッパ８の上方で反転させることで、積み込まれた土砂を土砂ホッパ８に排出することが可能となっている。なお、底が開く構造のアースバケット９を採用する場合は、土砂ホッパ８の上方でアースバケット９の底を開くことで、積み込まれた土砂を土砂ホッパ８に排出することが可能となる。このアースバケット９は、スケータークレーン７（スケータークレーン７から吊り下げられたワイヤ）に対して脱着可能に吊り下げられている。このため、掘削作業室αにおいてアースバケット９を吊り替えることで、２台のアースバケット９を用いて排土を行うことが可能となっている。

ここで、設備設計の説明に先立ち、設備１の動作について説明する。

ニューマチックケーソン工法では、まず、マテリアルロック４ａ及びマンロック５ａによる圧力制御により、マテリアルシャフト４、マンシャフト５及び掘削作業室αを圧気状態にする。

そして、スケータークレーン７を巻下げて、アースバケット９をマテリアルシャフト４から掘削作業室αまで下降させる。なお、アースバケット９がマテリアルロック４ａを通過する際は、まず、上部ハッチを開いてアースバケット９をマテリアルロック４ａ内に進入させる。そして、上部ハッチを閉じてマテリアルロック４ａ内部を加圧し、所定の圧力に達すると、下部ハッチを開いてアースバケット９を降下させる。これにより、マテリアルシャフト４内部を圧気状態に保持しながら、アースバケット９をマテリアルシャフト４内に挿入することができる。

このようにアースバケット９が掘削作業室αに配置されると、次に、潜函ショベル３のショベルバケット３ａで掘削作業室αの掘削床を掘削し、潜函ショベル３を旋回させて、掘削した土砂をアースバケット９に積み込み、アースバケット９に満杯（又は所定量）の土砂を積み込む。このように、アースバケット９に満杯の土砂が積み込まれるまで、潜函ショベル３で掘削床を掘削し、潜函ショベル３を旋回させ、土砂をアースバケット９に積み込むサイクルを、積込サイクルといい、この積込サイクルに要する時間を積込サイクルタイムという。

そして、このような積込サイクルによりアースバケット９に満杯（又は所定量）の土砂が積み込まれると、次に、スケータークレーン７によりアースバケット９を巻上げる。なお、２台のアースバケット９を用いる場合は、スケータークレーン７に吊り下げられている空のアースバケット９と、積込サイクルにより土砂が満杯に積み込まれたアースバケット９とを吊り替えて、スケータークレーン７によりアースバケット９を巻上げる。すると、アースバケット９は、マテリアルシャフト４内を上昇してマテリアルロック４ａを通過し、マテリアルシャフト４の上方に配置される。なお、アースバケット９がマテリアルロック４ａを通過する際は、まず、アースバケット９をマテリアルロック４ａ内に進入させる。なお、アースバケット９がマテリアルシャフト４内にある間は、下部ハッチが常に開いた状態となっている。そして、下部ハッチを閉じてマテリアルロック４ａ内部を減圧し、大気圧に達すると、上部ハッチを開いてアースバケット９を上昇させる。これにより、マテリアルシャフト４内部を圧気状態に保持しながら、アースバケット９をマテリアルシャフト４から抜き出すことができる。

そして、スケータークレーン７によりアースバケット９を横行させ、アースバケット９をマテリアルシャフト４の上方から土砂ホッパ８の上方に移動させる。

アースバケット９が土砂ホッパ８の上方に至ると、スケータークレーン７を巻下げて、アースバケット９を土砂ホッパ８に近接する位置まで下降させる。そして、アースバケット９を反転させて、積み込まれた土砂を土砂ホッパ８に排出する。

全ての土砂が土砂ホッパ８に排出されると、アースバケット９を元の姿勢に戻し、スケータークレーン７を巻上げて、マテリアルロック４ａよりも高い位置までアースバケット９を上昇させる。

そして、スケータークレーン７によりアースバケット９を横行させ、アースバケット９を土砂ホッパ８の上方からマテリアルシャフト４の上方に移動させる。

アースバケット９がマテリアルシャフト４の上方に至ると、スケータークレーン７によりアースバケット９を巻下げる。すると、アースバケット９は、マテリアルロック４ａを通過してマテリアルシャフト４内を下降し、掘削作業室αに配置される。なお、アースバケット９がマテリアルロック４ａを通過する際は、まず、上部ハッチを開いてアースバケット９をマテリアルロック４ａ内に進入させる。そして、上部ハッチを閉じてマテリアルロック４ａ内部を加圧し、所定の圧力に達すると、下部ハッチを開いてアースバケット９を降下させる。

このように、スケータークレーン７によりアースバケット９を掘削作業室αと土砂ホッパ８との間で往復させてアースバケット９に積み込まれた土砂を排出するサイクルを、搬送サイクルといい、この搬送サイクルに要する時間を搬送サイクルタイムという。

このような搬送サイクルによりアースバケット９が掘削作業室αに戻ると、再度上述した積込サイクル及び搬送サイクルを繰り返すことで、掘削床を掘り進めてケーソン２を順次沈下させる。

そして、ケーソン２が所定深さ沈下するたびにケーソン２に新たなロットを構築していくことで、ケーソン２を決設する。

このとき、掘削作業室αの気圧が０．１９ＭＰａ前後になるまでの深度では、作業者が掘削作業室αに入って潜函ショベル３を操作する有人掘削を行い、それよりも深くなると、地上から潜函ショベル３を遠隔操作する無人掘削を行う。そして、有人掘削では、掘削作業室αで作業者がアースバケット９の吊り替えを行うことで、積込サイクルと搬送サイクルとを並行して行う。一方、無人掘削では、掘削作業室αでアースバケット９の吊り替えを行うことができないため、積込サイクルと搬送サイクルとを連続して行う。

次に、図２及び図３を参照して、設備１の能力決定方法について説明する。図３は、設備設計に用いる項目の一覧を示している。

まず、現在広く使われている定格荷重が４．５［ｔ］未満のスケータークレーン７及び容量が１．０［ｍ^３］のアースバケットにより排土を行う場合に比べて工期を短縮できるように、アースバケット９の容量Ｑ［ｍ^３］を、スケータークレーン７の定格荷重Ｗ［ｔ］未満となる大きさであって、現在広く使われているアースバケット９の容量（１．０［ｍ^３］）よりも大きくする。すなわち、アースバケット９の容量Ｑを、スケータークレーン７の定格荷重Ｗ未満となる大きさであって、積込サイクルタイムＴ１［分］が搬送サイクルタイムＴ２［分］以上となる大きさとなるように決定する。以下、アースバケット９の容量Ｑを決定する工程について詳しく説明する。

アースバケット９の容量Ｑとスケータークレーン７の定格荷重Ｗとの関係は、土砂の単位体積当たりの湿潤重量をγ［ｔ／ｍ^３］、アースバケット９の容量に対して実際にアースバケット９に土砂を積み込むことができる積込有効率をη、アースバケット９の自重をＷ１［ｔ］とすると、
Ｑ×γ×η＋Ｗ１＜Ｗ …（式１）
で表される。

そこで、（式１）の関係を満たすようにアースバケット９の容量Ｑを求める。

例えば、定格荷重Ｗが５［ｔ］、湿潤重量γが２．０［ｔ／ｍ^３］、積込有効率ηが０．８、アースバケット９の自重Ｗ１が０．９［ｔ］である場合、アースバケット９の容量Ｑは２．５６２５［ｍ^３］未満となる。そこで、（式１）を満たすように、例えば、アースバケット９の容量Ｑを２．５［ｍ^３］とする。なお、アースバケット９の自重Ｗ１は、アースバケット９の容量Ｑによって決まる変動値であるが、アースバケット９の容量Ｑとアースバケット９の自重Ｗ１とは所定の関係にあるため、この関係に基づいてアースバケット９の容量Ｑを求めることができる。

次に、このように求めたアースバケット９の容量Ｑが、積込サイクルタイムＴ１が搬送サイクルタイムＴ２以上となる大きさであるか否かを判断する。

積込サイクルタイムＴ１は、ショベルバケット３ａに積み込める土砂の容量（ショベルバケット３ａの容量）をｑ［ｍ^３］、ショベルバケット３ａにより土砂を掘削してアースバケット９に土砂を１回積み込む時間をｔ１［秒］、１本のマテリアルシャフト４に対する潜函ショベル３の台数をｎ［台］とすると、
Ｔ１＝Ｑ／（ｑ×ｎ）×（ｔ１／６０） …（式２）
により求められる。

なお、ショベルバケット３ａに積み込める土砂の容量ｑは、掘削床の土質によっても変動する。そこで、より正確に積込サイクルタイムＴ１を求めるためには、この変動要因に基づく補正係数Ｋでショベルバケット３ａに積み込める土砂の容量ｑを補正することが好ましい。この補正係数Ｋは、例えば、砂質土が１．００又は０．９５、砂礫土が０．９０、軟質粘性土が０．９０となる。

搬送サイクルタイムＴ２は、マテリアルシャフト４の上方においてスケータークレーン７がアースバケット９を巻上げ及び巻下げする時間をｔ２［秒］、スケータークレーン７によりアースバケット９を横行させてアースバケット９の上方と土砂ホッパ８の上方との間で往復させる時間をｔ３［秒］、土砂ホッパ８の上方においてスケータークレーン７がアースバケット９を巻上げ及び巻下げする時間をｔ４［秒］、土砂ホッパ８の上方においてアースバケット９を反転させてアースバケット９に積み込まれた土砂を土砂ホッパ８に排出させる時間をｔ５［秒］、有人掘削に場合に掘削作業室αにおいてアースバケット９を交換する時間をｔ６［秒］、マテリアルロック４ａを加圧する時間をｔ７［秒］、マテリアルロック４ａを減圧する時間をｔ８［秒］とすると、
Ｔ２＝ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５＋ｔ６＋ｔ７＋ｔ８ …（式３）
により求められる。なお、スケータークレーン７の巻上げ速度、巻下げ速度及び横行速度は、スケータークレーン７の定格荷重やケーソン２の沈下深度によって変わらないものとして考える。

そして、（式１）で求めたアースバケット９の容量Ｑを（式２）に代入し、（式２）及び（式３）によりＴ１（積込サイクルタイム）≧Ｔ２（搬送サイクルタイム）の関係が成立すれば、アースバケット９の容量Ｑを決定する。一方、Ｔ１≧Ｔ２の関係が成立しなければ、アースバケット９の容量Ｑを見直し、再度（式１）を満たすようにアースバケット９の容量Ｑを求める。なお、後述する実施例で詳しく説明するが、スケータークレーン７の定格荷重Ｗが５［ｔ］未満である場合に、アースバケット９の容量Ｑを２．５［ｍ^３］とすることで、Ｔ１≧Ｔ２の関係が成立する。

次に、アースバケット９の外径（直径）Ｄ１を算出する。ここで、掘削作業室αにおけるアースバケット９の潜函高さをｈ１［ｍ］、アースバケット９から掘削作業室αの天井面までの高さであってアースバケット９に土砂を積み込むために必要な高さをｈ２［ｍ］とすると、アースバケット９の高さＨ［ｍ］はＨ＝ｈ１−ｈ２となる。このため、アースバケット９の外径Ｄ１［ｍ］は、
Ｄ１＝（４×Ｑ／（Ｈ×π））^１／２ …（式４）
により求められる。例えば、アースバケット９の容量Ｑが２．５［ｍ^３］、アースバケット９の高さＨが１．３［ｍ］である場合を考えると、アースバケット９の外径Ｄ１は１．６［ｍ］となる。

次に、マテリアルシャフト４の内径（直径）Ｄ２を算出する。上述したように、マテリアルシャフト４の内周面には、マテリアルシャフト内設備としてガイド１１が設けられている。このため、ガイド１１の厚み（半径方向長さ）をＭとすると、マテリアルシャフト４の内径Ｄ２は、
Ｄ２＝Ｄ１＋Ｍ …（式５）
となる。例えば、アースバケット９の外径Ｄ１が１．６［ｍ］、ガイドの厚みＭが０．６［ｍ］である場合を考えると、マテリアルシャフト４の内径Ｄ２は２．２［ｍ］となる。

このようにしてアースバケット９及びマテリアルシャフト４の寸法が算出されると、次に、設備１の排土能力Ｐ［ｍ^３／ｈ］を算出する。

排土能力Ｐは、積込サイクルを開始してから搬送サイクルを終了するまでの時間である排土サイクルタイムをＴ［分］とすると、
Ｐ＝Ｑ×（６０／Ｔ） …（式６）
により求められる。

ここで、有人掘削では、２つのアースバケット９を吊り替えることにより積込サイクルと搬送サイクルとを並行して行うのに対し、無人掘削では、１つのアースバケットにより積込サイクルと搬送サイクルとを連続的に行う。このため、排土サイクルタイムＴは、有人掘削と無人掘削とで算出方法が異なる。このため、図４に示すように、有人掘削期間における排土サイクルタイムＴは、積込サイクルタイムＴ１又は搬送サイクルタイムＴ２の何れか長いほうの時間となり、無人掘削期間における排土サイクルタイムＴは、積込サイクルタイムＴ１と搬送サイクルタイムＴ２とを足し合わせた時間となる。なお、図４は、有人掘削期間及び無人掘削期間における排土サイクルタイムの算出方法を示した図である。

そして、（式６）により算出された排土能力Ｐに基づいて、全体の施工日程を計画する。

このように、本実施形態によれば、アースバケット９の容量Ｑを、スケータークレーン７の定格荷重Ｗを上限として、積込サイクルタイムＴ１が搬送サイクルタイムＴ２以上となる大きさとすることで、潜函ショベル３の遊び時間が削減されるため、排土のサイクルタイムが全体的に最適化されて、工期を短縮することができる。

そして、掘削作業室αにおけるアースバケット９の潜函高さＨ１と、アースバケット９の積み込み必要高さＨ２と、に基づいてアースバケット９の高さＨを決定することで、アースバケット９への土砂の積込作業性を阻害することなく、サイクルタイムの最適化を図ることができる。

また、スケータークレーン７の定格荷重Ｗが約５［ｔ］である場合に、アースバケット９の容量Ｑを約２．５ｍ^３とすることで、排土能力Ｐの最大化を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、土砂が積み込まれるバケットはアースバケットの１台のみとして説明したが、特許文献１及び特許文献２に記載されたようにアースバケットを２台用いてもよく、また、図５に示す設備２１のように、掘削作業室αで掘削された土砂が積み込まれる仮積用バケット（仮積用容器）を更に備えてもよい。

ここで、図５に示す設備２１について簡単に説明する。図５は、他の例の設備におけるケーソン底部を拡大した図である。

図５に示すように、設備２１は、アースバケット９と、マテリアルシャフト４の下端部において水平移動可能に設置されたホイスト２３に吊り下げられて、アースバケット９の昇降位置から水平方向にずれた位置で掘削作業室α及びマテリアルシャフト４の下端部に形成される下部空間β内を昇降する仮積用バケット２４と、を有している。

仮積用バケット２４には、上部ピン２５及び下部ピン２６が固定されている。一方、マテリアルシャフト４の下端部には、仮積用バケット２４の昇降、横行及び転倒を案内するために、上部ピン２５及び下部ピン２６が挿入されるガイドレール２７が固定されている。このガイドレール２７は、仮積用バケット２４の昇降位置において仮積用バケット２４を鉛直方向に案内する鉛直レール部２８と、仮積用バケット２４を仮積用バケット２４の昇降位置からアースバケット９の昇降位置に向けて水平方向に案内する水平レール部２９と、を有している。なお、鉛直レール部２８は、下部ピン２６が水平レール部２９の高さに位置した際に、上部ピン２５を水平レール部２９側に開放する形状となっている。

そして、このように構成される設備２１では、以下に説明するように、アースバケット９による搬送サイクルを行っている間に、仮積用バケット２４による積込サイクルを行う。

すなわち、仮積用バケット２４による積込サイクルでは、まず、仮積用バケット２４を掘削作業室αに配置して、掘削作業室αで掘削した土砂を仮積用バケット２４に仮積みする。

次に、ホイスト２３の巻上げにより仮積用バケット２４を上昇させて、上部ピン２５及び下部ピン２６を鉛直レール部２８に挿入する。そして、下部ピン２６が水平レール部２９の高さになると（図５に示す２点鎖線の仮積用バケット２４’）、ホイスト２３による巻上げを停止する。

次に、ホイスト２３をアースバケット９の昇降位置側に向けて水平移動させて、仮積用バケット２４を横行させ、下部ピン２６のみを水平レール部２９に挿入する。そして、下部ピン２６が水平レール部２９の先端に達すると、更にホイスト２３をアースバケット９の昇降位置側に向けて走行させるとともに、ホイスト２３により仮積用バケット２４を巻下げて、水平レール部２９に挿入されている下部ピン２６を軸として仮積用バケット２４を転倒させる（図５に示す２点鎖線の仮積用バケット２４’’）。

これにより、仮積用バケット２４からアースバケット９に土砂が積み替えられるため、次に、ホイスト２３により仮積用バケット２４を巻上げるとともに、ホイスト２３を仮積用バケット２４の昇降位置側に向けて走行させる。そして、仮積用バケット２４が仮積用バケット２４の昇降位置に戻ると（図５に示す２点鎖線の仮積用バケット２４’）、ホイストにより仮積用バケット２４を巻下げて、仮積用バケット２４を掘削作業室αに戻す（図５に示す実線の仮積用バケット２４）。

一方、アースバケット９による搬送サイクルでは、上述した実施形態で説明した搬送サイクルと基本的に同一であり、仮積用バケット２４に仮積みされた土砂をアースバケット９に積み込み、スケータークレーン７によりアースバケット９を昇降及び横行させてアースバケット９に積み込まれた土砂を排出した後、再度スケータークレーン７によりアースバケット９を昇降及び横行させて仮積用バケット２４から土砂が積み替えられる位置に戻す。

このように、アースバケット９と仮積用バケット２４とを用いることで、仮積用バケット２４による積込サイクルとアースバケット９による搬送サイクルとを並行して行うことができるため。積込サイクル又は搬送サイクルの待ち時間を大幅に削減することができる。

また、アースバケット９の容量Ｑは、積込サイクルタイムＴ１が搬送サイクルタイムＴ２以上となる大きさであれば良いが、積込サイクルタイムＴ１と搬送サイクルタイムＴ２とが同じとなる大きさにすることで、より排土能力Ｐを向上させることができる。

上述したように定格荷重が５ｔ未満のスケータークレーン７を用いて排土すると、大容量のアースバケット９が利用可能となり、１回当たりの排土量が増加する。一方で、アースバケット９を満杯にするのに必要な時間が長くなるため、積込サイクルタイムが長くなる。そこで、以下に、本発明に係る設備の排土能力Ｐについて検証する。

（実施例１）
実施例１は、スケータークレーン７の定格荷重が５ｔ未満、アースバケット９の容量が２．５ｍ^３、マテリアルシャフト４の内径が２．２ｍ、ショベルバケット３ａの容量が０．１５ｍ^３である設備とした。

ところで、日本圧気技術協会のニューマチックケーソン積算資料によれば、マテリアルシャフト４（マテリアルロック４ａ）は、掘削作業室αの平面積３００ｍ^２ごとに１基を設置し、掘削機（潜函ショベル３）は、作業室の平面積１５０ｍ^２ごとに１基設置することとなっている。そこで、実施例１では、２基の潜函ショベル３で１台のアースバケット９に土砂を積み込むものとした。なお、現存する掘削機で平面積１５０ｍ^２を掘削して１．０ｍ^３のアースバケット９を満杯にするには凡そ２分を要するため、アースバケット９の容量が２．５ｍ^３になれば、アースバケット９を満杯にするのに２．５倍の時間である凡そ約５分を要することになる。

ケーソン２は、１０ロットで構成され、ケーソン２の沈下長が１０．２ｍ、１４．５ｍ、１８．８ｍ、２３．３ｍ、２７．８ｍ、３３．２ｍ、３８．７ｍ、４４．２ｍになると新たなロットを構築して、ケーソン２の沈下長を５０．０ｍとした。そして、ケーソン２の沈下長が１８．８ｍとなるまでは有人掘削を行い、２つのアースバケットを吊り替えることにより積込サイクルと搬送サイクルとを並行して行った。更に、ケーソン２の沈下長が１８．８ｍを超えると無人掘削を行い、１つのアースバケットにより積込サイクルと搬送サイクルとを連続的に行った。

そして、ケーソン２の沈下長が０ｍ、１０．２ｍ、１４．５ｍ、１８．８ｍ、２３．３ｍ、２７．８ｍ、３３．２ｍ、３８．７ｍ、４４．２ｍ、５０．０ｍとなる際の、積込サイクルタイムＴ１、搬送サイクルタイムＴ２、排土サイクルタイムＴ、排土能力Ｐをそれぞれシミュレーションした。

なお、排土サイクルタイムＴは、上述したように、有人掘削期間と無人掘削期間とで異なるため、有人掘削期間では、積込サイクルタイムＴ１又は搬送サイクルタイムＴ２の何れか長い方の時間となり、無人掘削期間では、積込サイクルタイムＴ１と搬送サイクルタイムＴ２とを足し合わせた時間となる。

また、積込サイクルタイムＴ１は、ケーソンの沈下長に関わらず一定であるものとし、搬送サイクルタイムＴ２は、ショベルバケットの容量によって変化しないものとした。

（実施例２）
実施例２は、ショベルバケット３ａの容量を０．３０ｍ^３とした他は実施例１と同一条件とした。

そして、実施例１と同様に、ケーソン２が各沈下長となる際の、積込サイクルタイムＴ１、搬送サイクルタイムＴ２、排土サイクルタイムＴ、排土能力Ｐをそれぞれシミュレーションした。

（比較例１）
比較例１は、現在広く使われているニューマチックケーソン工法の設備であって、スケータークレーン７の定格荷重が４．５ｔ未満、アースバケット９の容量が１．０ｍ^３、マテリアルシャフト４の内径が１．３ｍ、ショベルバケット３ａの容量が０．１５ｍ^３である設備とした。

（比較例２）
比較例２は、ショベルバケット３ａの容量を０．３０ｍ^３とした他は、比較例１と同一条件とした。

（比較例３）
比較例３は、作業効率を高くすべく、非現実的ではあるが、比較例１において、ケーソン２の沈下長が５０．０ｍに至るまで有人掘削を行い、２つのアースバケット９を吊り替えることにより積込サイクルと搬送サイクルとを並行して行った。

（比較例４）
比較例４は、ショベルバケット３ａの容量を０．３０ｍ^３とした他は、比較例３と同一条件とした。

（結果）
図６は、実施例１及び実施例２のシミュレーション結果を示す図である。図７は、比較例１及び比較例２のシミュレーション結果を示す図である。図８は、比較例３及び比較例４のシミュレーション結果を示す図である。

なお、図６〜図８において、同一沈下長に２つの搬送サイクルタイムＴ２が示されているが、これは、以下の理由による。すなわち、ケーソン２が所定の沈下長となると新たなロットを構築するが、その際、マテリアルシャフト４も艤装替え（継ぎ足し）を行うため、マテリアルシャフト４の艤装替えを行う前後においてマテリアルシャフト４の長さが変わり、アースバケット９の搬送距離が変わる。そこで、同一沈下長において、艤装替えを行う前の搬送サイクルタイムＴ２と、艤装替えを行った後の搬送サイクルタイムＴ２とを計算した。

図６〜図８に示すように、比較例１〜比較例４では、積込サイクルタイムＴ１が搬送サイクルタイムＴ２よりも短くなり、掘削設備に遊び時間が発生しているのに対し、実施例１及び実施例２では、積込サイクルタイムＴ１が搬送サイクルタイムＴ２よりも長くなり、掘削設備の遊び時間が削減さていることが分かる。

更に、実施例１及び実施例２は、比較例１〜４よりも排土サイクルタイムＴが長くなっているが、全ての深度において、比較例１〜４よりも排土能力Ｐが大きくなっている。しかも、比較例３及び比較例４は、ケーソン２の沈下長が５０．０ｍに至るまで有人掘削を行うという効率重視の非現実的な工法であるが、それでもなお実施例１及び実施例２では比較例３及び比較例４よりも排土能力Ｐが高くなっている。

このことから、実施例１及び実施例２のように、スケータークレーン７の定格荷重が５ｔ未満である場合に、アースバケット９の容量を２．５ｍ^３とすることで、従来に比べて排土能力Ｐが向上するため、工期の短縮に寄与できることが分かった。

１…設備、２…ケーソン、３…潜函ショベル（掘削設備）、３ａ…ショベルバケット、４…マテリアルシャフト（排土設備）、４ａ…マテリアルロック、５…マンシャフト、６…タワークレーン、７…スケータークレーン（揚重設備）、８…土砂ホッパ、９…アースバケット（排土設備）、１１…ガイド、２１…設備、２３…ホイスト、２４…仮積用バケット、２５…上部ピン、２６…下部ピン、２７…ガイドレール、２８…鉛直レール部、２９…水平レール部、α…掘削作業室、β…下部空間、Ｔ１…積込サイクルタイム（積込時間）、Ｔ２…搬送サイクルタイム（バケット搬送時間）、Ｔ…排土サイクルタイム。

Claims

ケーソンの下部に形成された掘削作業室において土砂を掘削する掘削設備と、前記掘削設備で掘削した土砂が積み込まれるバケットと、前記ケーソンに立設されて前記バケットが昇降するマテリアルシャフトと、前記バケットを吊り下げて前記バケットを搬送する揚重設備と、を有するニューマチックケーソン工法の設備能力決定方法であって、
前記バケットの容量を、前記揚重設備の定格荷重から前記バケットの自重を引いた値を土砂の単位体積当たりの湿潤重量で割った値未満となる大きさであって、前記掘削設備により土砂を掘削して前記バケットに積み込む積込時間が、前記バケットに積み込まれた土砂を排出するために前記揚重設備により前記バケットを搬送するバケット搬送時間以上となる大きさとすることを特徴とする、ニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法。
前記掘削作業室における前記バケットの潜函高さと、前記バケットに土砂を積み込むために必要な前記バケットから前記掘削作業室の天井までの高さと、前記バケットの容量と、に基づいて前記バケットの形状を決定し、前記バケットの形状に基づいて前記マテリアルシャフトの内径を決定することを特徴とする、請求項１に記載のニューマチックケーソン工法における設備能力決定方法。
ケーソンの下部に形成された掘削作業室において土砂を掘削する掘削設備と、前記掘削設備で掘削した土砂が積み込まれるバケットと、前記ケーソンに立設されて前記バケットが昇降するマテリアルシャフトと、前記バケットを吊り下げて前記バケットを搬送する揚重設備と、を有するニューマチックケーソン工法における設備であって、
前記バケットの容量は、前記揚重設備の定格荷重から前記バケットの自重を引いた値を土砂の単位体積当たりの湿潤重量で割った値未満となる大きさであって、前記掘削設備により土砂を掘削して前記バケットに積み込む積込時間が、前記バケットに積み込まれた土砂を排出するために前記揚重設備により前記バケットを搬送するバケット搬送時間以上となる大きさであることを特徴とする、ニューマチックケーソン工法における設備。
前記掘削作業室で掘削された土砂が仮積みされる仮積用容器を更に備え、
前記バケットは、前記仮積用容器から土砂を積み替えられることで、掘削作業室において掘削された土砂が積み込まれることを特徴とする、請求項３に記載のニューマチックケーソン工法における設備。