JP7185890B1 - 土壌改良装置、掘進機および土壌改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より前方まで地中より土壌改良を行える技術を提供する。
【解決手段】 土壌改良装置は、長手方向に延在する軸線を有するケーシングと、ケーシング内に配置され、流体を長手方向と交差する交差方向に高圧噴射可能に構成された少なくとも１つの第１の噴射ノズルと、軸線を中心としてケーシングを回転可能、かつ、長手方向にケーシングを進退可能に構成された回転進退機構と、を備えている。ケーシングを前進させる前進工程、および、前進工程の後にケーシングを後退させる後退工程のうちの少なくとも後退工程において、ケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから土壌改良材を噴射するように構成された。
【選択図】図１

Description

本発明は土壌改良技術に関する。

土壌を掘進機で掘削して管路またはトンネルを構築する際に、掘削経路の周辺を土壌改良する必要が生じる場合がある。下記の特許文献１は、地中に位置する掘進機のカッターヘッド部に固定された噴射ノズルから、掘進方向前方に向けて土壌改良材を高圧噴射する技術を開示している。このような土壌改良技術によれば、地上環境に影響を与えることなく、必要な土壌改良を地中より行うことができる。

特許第５６５７０７２号公報

しかしながら、特許文献１の土壌改良技術は、改善の余地を残している。具体的には、特許文献１の技術では、掘進機から高圧噴射された土壌改良材の到達距離は、１．５ｍ程度である。このため、掘進機から１．５ｍよりも前方まで土壌改良したい場合には、掘進機から前方へ１．５ｍ程度の範囲内の土壌改良を行った後、掘進機を１．５ｍほど前進させ、その位置で再度、土壌改良を行う必要があった。

このようなことから、より前方まで地中より土壌改良を行える技術が求められる。

本発明は、上述の課題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、土壌改良装置が提供される。この土壌改良装置は、長手方向に延在する軸線を有するケーシングと、ケーシング内に配置され、流体を長手方向と交差する方向に高圧噴射可能に構成された少なくとも１つの第１の噴射ノズルと、軸線を中心としてケーシングを回転可能、かつ、長手方向にケーシングを進退可能に構成された回転進退機構と、を備えている。ケーシングを前進させる前進工程、および、前進工程の後にケーシングを後退させる後退工程のうちの少なくとも後退工程において、ケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから土壌改良材を噴射するように構成される。

この土壌改良装置は、以下のようにして、例えば、掘進機とともに使用することができる。前進工程では、掘進機の掘進方向前方（水平方向に対して角度が付けられていてもよい）に向けて、掘進機からケーシングが前進される。後退工程では、ケーシングが前進前の元の位置に向けて後退される。そして、前進工程および後退工程のうちの少なくとも後退工程において、ケーシングを回転させつつ、ケーシングの長手方向と交差する方向に、土壌改良材が噴射される。これによって、軸線を中心としてコラム状に土壌改良層が形成される。この土壌改良装置によれば、掘進機の位置（または、土壌改良装置の設置位置）を変えることなく、ケーシングを進退可能な範囲で、土壌改良を行うことができる。ケーシングは、その強度を確保すれば、１．５ｍよりも長い距離進退可能である。したがって、上述した従来技術と比べて、掘進機のより前方まで地中より土壌改良を行うことができる。また、土壌改良材はケーシングの長手方向と交差する方向に噴射されるので、長手方向に噴射される場合と比べて、広い範囲に亘って土壌改良を行うことができる。

前進工程において、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから流体が噴射される場合には、ケーシングの前進動作と、ケーシングを回転させつつ流体を噴射する噴射動作と、は同時に連続的に行われてもよいし、繰り返し交互に行われてもよい。後退工程において、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから土壌改良材が噴射される場合には、ケーシングの後退動作と、ケーシングを回転させつつ土壌改良材を噴射する噴射動作と、は同時に連続的に行われてもよいし、繰り返し交互に行われてもよい。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、土壌改良装置は、後退工程において、ケーシングの後退動作と同時にケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから土壌改良材を噴射するように構成される。この形態によれば、少なくとも１つの第１の噴射ノズルから、ケーシングの長手方向に交差する方向に土壌改良材を噴射している状態で、ケーシングの後退動作が行われる。このため、後退動作時のケーシングの外周面と土壌との間の摩擦抵抗が土壌改良材の噴射によって低減され、後退動作を円滑化できる。

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、土壌改良装置は、前進工程において、ケーシングの前進動作と同時にケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材以外の流体を噴射するように構成される。この形態によれば、前進動作時のケーシングの外周面と土壌との間の摩擦抵抗が土壌改良材以外の流体の噴射によって低減され、前進動作を円滑化できる。

本発明の第４の形態によれば、第１ないし第３のいずれかの形態において、土壌改良装置は、ケーシング内に配置され、前進工程においてケーシングの先端から前方に向けてセメント系の土壌改良材以外の流体を高圧噴射可能に構成された第２の噴射ノズルを備えている。この形態によれば、ケーシングが前進すべき経路上の土壌を撹拌できるので、ケーシングの前進動作を円滑化できる。「前方に向けて」とは、ケーシングの長手方向であってもよいし、長手方向に対して角度が付けられていてもよい。

本発明の第５の形態によれば、第４の形態において、土壌改良装置は、ケーシングを回転させつつ、軸線に対して偏心した位置で第２の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材以外の流体を噴射するように配置される。この形態によれば、軸線と同軸の位置でセメント系の土壌改良材以外の流体を噴射する場合と比べて、ケーシングが回転しているときにセメント系の土壌改良材以外の流体を、軸線を中心としたより広範囲な土壌領域に噴射できる。その結果、土壌の撹拌範囲を広げることができる。

本発明の第６の形態によれば、第１ないし第５のいずれかの形態において、土壌改良装置は、前進工程において、ケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材以外の流体を噴射し、後退工程において、ケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材を噴射するように構成される。この形態によれば、前進工程においてセメント系の土壌改良材以外の流体の噴射によって周辺土壌を撹拌混合し、当該周辺土壌の少なくとも一部を、後退工程においてセメント系の土壌改良材に置換することができる。セメント系の土壌改良材は、ケーシングの長手方向と交差する方向に噴射されるので、セメント系の土壌改良層をコラム状に容易に形成することができるとともに、形成される土壌改良層の形状や範囲を制御しやすい。セメント系の土壌改良材に置換された土壌（置換前の周辺土壌）は、掘削機内に回収され得る。本形態は、例えば粘土層の改良に特に適している。

本発明の第７の形態によれば、第４または第５の形態において、土壌改良装置は、前進工程において、第２の噴射ノズルから前進方向へ向けてセメント系の土壌改良材以外の流体を噴射し、後退工程において、ケーシングを回転させつつ、少なくとも１つの第１の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材を噴射するように構成される。この形態によれば、前進工程においてセメント系の土壌改良材以外の流体を前進方向へ向けて噴射することによって、ケーシングは、その周辺土壌を撹拌混合しながら、前進できる。そして、最終的には、後退工程によって、セメント系の土壌改良材は、ケーシングの長手方向と交差する方向に噴射されるので、セメント系の土壌改良層をコラム状に容易に形成することができるとともに、土壌改良層の形状や範囲を制御しやすい。本形態は、例えば砂層の改良に特に適している。前進工程において撹拌混合された周辺土壌は、後退工程における排泥経路として機能し得る。

本発明の第８の形態によれば、第１ないし第７のいずれかの形態において、少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、長手方向に対して実質的に直交する方向に噴射方向が角度付けられた第１角度噴射ノズルを含む。この形態によれば、第１角度噴射ノズルによって、径方向における土壌改良範囲を最大化できる。

本発明の第９の形態によれば、第１ないし第８のいずれかの形態において、少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、ケーシングの前進方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられた第２角度噴射ノズルを含む。この形態によれば、前進工程において第２角度噴射ノズルから流体を噴射すれば、前進工程におけるケーシングの前進動作をより円滑化できる。また、第９の形態が第６および第８の形態と組み合わされる場合には、異なる２つの角度でセメント系の土壌改良材以外の流体が噴射されるので、噴射による土壌の撹拌性能を向上できる。また、第９の形態が第７の形態と組み合わされる場合には、異なる２つの角度でセメント系の土壌改良材以外の流体が噴射されるので、噴射による土壌の撹拌性能を向上できる。

本発明の第１０の形態によれば、第１ないし第９のいずれかの形態において、少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、ケーシングの後退方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられた第３角度噴射ノズルを含む。この形態によれば、第６の形態と組み合わせられる場合に、後退工程において噴射されるセメント系の土壌改良材への置換性能を高めることができる。また、第１０の形態が第６の形態と、第８および第９の形態の少なくとも一方と、に組み合わされる場合には、異なる２つ以上の角度で土壌改良材が噴射されるので、噴射による土壌の撹拌性能が向上し、セメント系の土壌改良材への置換性能をさらに高めることができる。また、第１０の形態が、第７の形態と、第８および第９の形態の少なくとも一方と、に組み合わされる場合には、異なる２つ以上の角度で土壌改良材が噴射されるので、噴射による土壌の撹拌性能を向上できる。

本発明の第１１の形態によれば、第１ないし第１０のいずれかの形態において、土壌改良装置は、ケーシングの前進角度を可変に設定可能に構成される。この形態によれば、様々な前進角度でケーシングを前進させることができるので、掘進機の位置（または土壌改良装置の設置位置）に対する土壌改良可能範囲が広がる。あるいは、複数の前進角度のそれぞれに対して、前進工程および後退工程を実施することで、広い範囲に亘って土壌改良を行うことができる。

本発明の第１２の形態によれば、掘進機が提供される。この掘進機は、掘進機本体と、第１ないし第１１のいずれかの形態の土壌改良装置と、を備えている。ケーシングは、掘進機本体に対して進退可能に構成される。この掘進機によれば、第１ないし第１１の形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１３の形態によれば、地中より土壌改良を行う土壌改良方法が提供される。この土壌改良方法は、長手方向に延在する軸線を有するケーシングを長手方向に前進させる前進工程と、前進工程の後にケーシングを長手方向に後退させる後退工程と、を備えている。前進工程および後退工程のうちの少なくとも後退工程は、軸線を中心としてケーシングを回転させつつ、ケーシングから、長手方向と交差する方向に土壌改良材を高圧噴射する工程を含む。この土壌改良方法によれば、第１の形態と同様の効果が得られる。第１３の形態に、第２ないし第１１の形態のいずれかを付加することも可能である。

本発明の第１実施形態による掘進機の該略縦断面図である。 掘進機の該略正面図である。 土壌改良装置の概略側面図である。 土壌改良装置の概略側面図である。 ケーシングの先端部の拡大図である。 第２実施形態によるノズル配置を示す概略図である。 代替実施形態によるノズル配置を示す概略図である。

図１は、本発明の第１実施形態による掘進機１０の概略縦断面図である。図２は、掘進機の概略正面図である。以下の説明では、説明の便宜上、掘進機１０の掘進方向およびその反対側に向かう方向を前後方向と定義する。また、掘進機１０に対する掘進方向の前方側を掘進機１０の前側と定義し、掘進方向の後方側を掘進機１０の後側と定義する。図１に示すように、掘進機１０は、前後方向に延在する略円筒状の掘進機本体２０を備えている。掘進機本体２０は、固定部３０と、固定部３０よりも前側に配置され、固定部３０に対して回転可能に構成される回転部４０と、を備えている。固定部３０の前端付近には、掘進機本体２０の内部空間を前側空間３４（チャンバとも称される）と後側空間３５とに仕切る隔壁３１が形成されている。

回転部４０の後端部は、メインシャフト４１の前端部と連結されている。メインシャフト４１は、前後方向（掘進機１０の長手方向）に延在して隔壁３１を貫通するように配置され、軸受によって回転可能に支持されている。メインシャフト４１には、後側空間３５内に設けられた駆動モータ４２が連結されている（連結部分は図示せず）。このため、回転部４０は、駆動モータ４２の回転駆動力によって、メインシャフト４１と一体的に回転するように構成される。

図２に示すように、略円筒状の回転部４０の内側には、複数（図２の例では４つ）のスポーク４３が架け渡されている。複数のスポーク４３は、回転部４０の略円筒形状の中心部から放射状にそれぞれ延在して十字形状をなすように配置されている。複数のスポーク４３の各々には、土壌を切削するためのカッタビット４４，４５が取り付けられている。スポーク４３が架け渡されていない箇所については、回転部４０を前後方向に貫通する空間が形成されている。なお、スポーク４３の数、形状および配置は、特に限定されるものではなく、施工条件に応じて任意に設定可能である。

図２に示すように、隔壁３１の上部および下部には、隔壁３１を前後方向に貫通する排泥孔３２，３３が、それぞれ形成されている。排泥孔３２，３３は、掘進時に掘削され、チャンバ３４内に侵入した土壌を掘進機１０の機内に導くために設けられている。排泥孔３３から機内に取り込まれた土壌は、排出コンベヤ３６（図１参照）を介して後方に搬送される。

図１に示すように、掘進機１０は、さらに、地中に位置する掘進機１０から土壌改良を行うための土壌改良装置５０を備えている。土壌改良装置５０は、ケーシング６０と回転進退機構７０とを備えている。ケーシング６０は、剛性を有する金属材料（例えば、鋼材）から形成された円筒状部材である。ケーシング６０は、その長手方向に延在する軸線ＡＸを有している。本実施形態では、ケーシング６０は、複数のケーシングを長手方向にネジ式に繋ぎ合わせることによって構成される。これにより、ケーシング６０の取扱性が向上する。ただし、ケーシング６０は、分離不能な一体的な１つの部材から形成されていてもよい。回転進退機構７０は、軸線ＡＸを中心としてケーシング６０を回転可能、かつ、ケーシング６０の長手方向にケーシング６０を進退可能に構成される。

図３に示すように、回転進退機構７０は、支持体７１と球体７２とボールバルブ７３とシール部７４とベース７５とを備えている。支持体７１は、ケーシング６０が前後方向に貫通可能な貫通孔７１１（図２参照）を有している。同様に、球体７２およびシール部７４の各々も、ケーシング６０が前後方向に貫通可能な貫通孔（図示せず）を有している。ボールバルブ７３は、前後方向に貫通する流路を有しており、ボールバルブ７３が開かれた状態では、ケーシング６０は、ボールバルブ７３の流路を通ってボールバルブ７３を貫通可能である。ボールバルブ７３は、ケーシング６０にボールバルブ７３を貫通させるときにだけ開かれ、それ以外のときは、止水のために閉じられる。

支持体７１は、球体７２を摺動可能に支持する。支持体７１は、図１および図２に示すように、隔壁３１に埋め込まれるように取り付けられている。ただし、後側空間３５側からチャンバ３４内をメンテナンスするために隔壁３１にメンテナンス孔が形成されている場合には、支持体７１は、メンテナンス孔内に配置され、任意の固定具によって固定部３０（例えば、隔壁３１）に固定されてもよい。図３に示すように、この支持体７１は、球体７２の略球状の外形に適合する湾曲内面（球面座）を有している。このため、球体７２は、支持体７１内で任意の方向に回転可能である。シール部７４は、その貫通孔をケーシング６０が貫通した状態において、ケーシング６０の周囲の隙間をシールするパッキンを有している。球体７２、ボールバルブ７３およびシール部７４は、一体化されており、前後方向に延在するベース７５の前端部に固定されている。

図３に示すように、回転進退機構７０は、さらに、モータ７６と固定部７７と回転部７８とチャック装置７９とガイド部８２とジャッキ８３とを備えている。回転部７８は、ケーシング６０を周方向に取り囲むように配置されており、モータ７６から提供される回転駆動力によって回転可能に構成される。固定部７７は、回転部７８を周方向に取り囲むように配置されており、軸受を介して回転部７８を回転可能に支持している。また、固定部７７は、モータ７６を支持している。この固定部７７は、ベース７５上に摺動可能に支持されている。

チャック装置７９は、回転部７８からケーシング６０へ回転駆動力を伝達するように構成される。具体的には、チャック装置７９は、環状部８０とチャッキングボルト８１とを備えている。環状部８０は、ケーシング６０の外周面に適合する内面を有している。環状部８０は、回転部７８にそれぞれ、ボルトによって取り付けられる複数の部材から構成されている。複数の部材のうち、下側の部材を回転部７８に取り付けた状態で、下側の部材上にケーシング６０を載置し、上側の部材を回転部７８に取り付けることによって、環状部８０は、その内周面がケーシング６０の外周面に適合するように、ケーシング６０を周方向に取り囲む。この状態で、上側の部材に螺合するチャッキングボルト８１を締め付けることによって、環状部８０の内周面が縮径する。それによって、ケーシング６０が環状部８０の内周面に締め付けられ、ケーシング６０と環状部８０とが固定される。このような状態で、モータ７６を駆動させると、その回転駆動力が回転部７８および環状部８０を介して、ケーシング６０へ伝達される。

油圧式のジャッキ８３は、ベース７５の後端付近において、ベース７５上に固定されている。ジャッキ８３は、油圧ユニット（図示せず）から供給される油圧によって、ロッド８４をベース７５の長手方向に（換言すれば、ケーシング６０の長手方向に）伸縮可能に構成される。ロッド８４の前端部は、固定部７７に連結されている。このため、ジャッキ８３のロッド８４が図３に示す位置から図４に示す位置まで伸びると、固定部７７、回転部７８およびチャック装置７９が一体的に前方へ移動され、その結果、チャック装置７９にチャックされたケーシング６０も前方へ移動される。ロッド８４が図４に示す位置から図３に示す位置まで縮むと、固定部７７、回転部７８およびチャック装置７９、ひいてはケーシング６０が元の位置（図３の位置）まで後退する。このような構成によって、回転進退機構７０は、軸線ＡＸを中心としてケーシング６０を回転可能、かつ、掘進機１０に対して、ケーシング６０の長手方向にケーシング６０を進退可能となる。ガイド部８２は、ベース７５の両側面および下面を取り囲むように固定部７７の下端に取り付けられており、固定部７７がベース７５上を摺動する際のガイドとして機能する。

このような回転進退機構７０は、図１に示すように、ベース７５の後端と固定部３０とに連結されたレバーブロック９１（「レバーブロック」は登録商標）と、ベース７５の前端と固定部３０とに連結されたレバーブロック９２と、によって吊り下げ支持される。レバーブロック９１，９２の各々の揚程を調節すれば、ベース７５の上下方向の傾きを変更することができる。また、レバーブロック９１，９２の各々の固定部３０に対する連結位置を変更すれば、ベース７５の左右方向の傾きを変更することができる。また、球体７２は、上述の通り、任意の方向に回転可能であるから、球体７２の回転位置と、ベース７５の上下方向および左右方向の傾きと、を整合させることによって、ケーシング６０の前進方向（前進角度）を任意の方向に設定可能である。

図５は、ケーシング６０の先端部分の拡大図であり、その内部を透視的に示している。図５に示すように、ケーシング６０の先端６３には、部分的に前方に突出するカッター支持部６２が形成されている。カッター支持部６２には、ケーシング６０の前進時に土壌を掘削するための複数のカッタビット６１が取り付けられている。カッター支持部６２の内部（より具体的には、先端６３付近）には、土壌改良材などの流体を高圧噴射（例えば、土壌条件に応じて３０～２４５ＭＰａから選択される）するための噴射ノズル６４が配置されている。噴射ノズル６４は、ケーシング６０の長手方向（軸線ＡＸの延在方向）と交差する方向に流体を噴射するように方向付けられる。本実施形態では、噴射ノズル６４は、長手方向に対して実質的に直交する方向に噴射角度が角度付けされている。

本実施形態では、土壌改良材として、溶液型の土壌改良材と、セメント系の土壌改良材と、が選択的に使用される。溶液型の土壌改良材とは、セメントを含まない任意の土壌改良材である。本実施形態では、溶液型の土壌改良材として、珪酸ナトリウム溶液と硬化剤との混合物が使用される。また、セメント系の土壌改良材とは、セメントを含む任意の土壌改良材である。本実施形態では、セメント系の土壌改良材として、珪酸ナトリウム溶液とセメントミルクとの混合物が使用される。

図５に示すように、本実施形態では、噴射ノズル６４には、第１供給ライン６５と第２供給ライン６６とが接続されている。本実施形態では、第１供給ライン６５および第２供給ライン６６は、ケーシング６０内を長手方向に延在するホースの形態である。第１供給ライン６５は、噴射ノズル６４に珪酸ナトリウム溶液を供給する。図示は省略するが、第１供給ライン６５の後端は、ケーシング６０の後端から延出しており、高圧の珪酸ナトリウム溶液を発生させる高圧発生装置（図示せず）が接続される。第２供給ライン６６は、噴射ノズル６４に硬化剤溶液またはセメントミルクを供給する。図示は省略するが、第２供給ライン６６の後端は、ケーシング６０の後端から延出しており、硬化剤供給装置（図示せず）とセメントミルク供給装置（図示せず）と、のいずれかに選択的に接続される。つまり、溶液型の土壌改良材を噴射する場合には、第２供給ライン６６の後端は硬化剤供給装置に接続され、セメント系の土壌改良材を噴射する場合には、第２供給ライン６６の後端はセメントミルク供給装置に接続される。第１供給ライン６５および第２供給ライン６６から噴射ノズル６４に供給された流体は、噴射ノズル６４内で混合された後、噴射ノズル６４外へ噴射される。

以下、地中に位置する掘進機１０内に設置された土壌改良装置５０を用いて土壌改良を行う場合の施工例について説明する。以下では、粘土層の土壌改良を行う場合について説明する。土壌改良工程は、ケーシング６０を前進させる前進工程と、ケーシング６０を前進させた後に、元の位置に向けてケーシング６０を後退させる後退工程と、に大別できる。ケーシング６０の前進角度は、掘進機１０の位置に対する土壌改良を行いたい地中領域の位置に応じて適宜、設定される。

まず、前進工程では、ジャッキ８３によって、図３に示す位置から図４に示す位置までケーシング６０が土壌中を前進される。本実施形態では、ケーシング６０の前進動作と同時に、モータ７６の駆動によってケーシング６０が回転され、かつ、噴射ノズル６４から溶液型の土壌改良材が噴射される。ケーシング６０の前進動作中に土壌改良材がケーシング６０の長手方向と交差する方向（軸線ＡＸと交差する方向）に噴射されることで、前進動作時のケーシング６０の外周面と土壌との間の摩擦抵抗が低減され、前進動作を円滑化できる。ただし、ケーシング６０を所定距離だけ前進させて停止させる動作と、その停止箇所でケーシング６０を回転させつつ土壌改良材を噴射する動作と、が、繰り返し交互に行われてもよい。前進工程において溶液型の土壌改良材を軸線ＡＸと交差する方向に噴射することによって、ケーシング６０の周囲の土壌を撹拌混合することができる。

そして、ケーシング６０が図４に示した最前位置に到達すると、後退工程が実施される。後退工程では、ジャッキ８３によって、図４に示す位置から図３に示す位置までケーシング６０が後退される。本実施形態では、ケーシング６０の後退動作と同時に、モータ７６の駆動によってケーシング６０が回転され、かつ、噴射ノズル６４からセメント型の土壌改良材が噴射される。ケーシング６０の後退動作中に土壌改良材が軸線ＡＸと交差する方向に噴射されることで、後退動作時のケーシング６０の外周面と土壌との間の摩擦抵抗が低減され、後退動作を円滑化できる。ただし、ケーシング６０を所定距離だけ後退させて停止させる動作と、その停止箇所でケーシング６０を回転させつつ土壌改良材を噴射する動作と、が、繰り返し交互に行われてもよい。

後退工程においてセメント系の土壌改良材を軸線ＡＸと交差する方向に噴射することによって、前進工程で撹拌混合された土壌の少なくとも一部は、後方に押し出され、セメント系の土壌改良材に置換される。これによって、ケーシング６０の移動軌跡およびその周囲に、軸線ＡＸを中心とするコラム状のセメント系土壌改良層が形成される。後方に押し出された土壌は、排泥孔３２を介して機内に導かれた後、掘進機１０から後方へ排出される。

土壌改良材はケーシング６０の長手方向と交差する方向に噴射されるので、長手方向に噴射される場合と比べて、前進工程では、広い範囲に亘って土壌を撹拌混合することができ、後退工程では、広い範囲に亘ってセメント系の土壌改良層を形成することができる。特に、本実施形態では、土壌改良材は長手方向と実質的に直交する方向（径方向）に噴射されるので、径方向における土壌改良範囲を最大化できる。また、長手方向に噴射される場合と比べて、形成される土壌改良層の形状や範囲を制御しやすい。

粘土層では、単にセメント系の土壌改良材を噴射しても、十分な撹拌混合効果が期待できず、その結果、十分な範囲にセメント系の土壌改良材が行き渡らない。一方、上述した施工例によれば、セメント系の土壌改良材の噴射の前に、溶液型の土壌改良材の噴射によって十分な撹拌混合効果が期待でき、その結果、十分な範囲にセメント系の土壌改良層を形成できる。なお、上述の施工例は、粘土層に限らず、求められる施工内容に応じて任意の土質条件に適用され得る。また、前進工程では、溶液型の土壌改良材に代えて、セメント系の土壌改良材以外の任意の流体（例えば、水、加泥材など）が噴射されてもよい。こうしても、十分な撹拌混合効果を得ることができる。

次いで、第２実施形態による土壌改良装置５０について説明する。第２実施形態による土壌改良装置５０は、構造的には、ケーシング６０内のノズル配置が第１実施形態と異なっている。具体的には、図６に示すように、ケーシング６０の内部には、流体を高圧噴射するための２つの噴射ノズル、すなわち、第１の噴射ノズル１６１および第２の噴射ノズル１６２が配置されている。第１の噴射ノズル１６１は、ケーシング６０の長手方向に対して実質的に直交する方向に噴射角度が角度付けられている。第２の噴射ノズル１６２は、カッター支持部６２を避けた箇所に、ケーシング６０の先端から前方に向けて、セメント系の土壌改良材以外の任意の流体（例えば、溶液型の土壌改良材、水、加泥材など。以下、非セメント系流体と呼ぶ）を噴射可能に配置されている。本実施形態では、第２の噴射ノズル１６２は、長手方向に非セメント系流体を噴射するように角度付けられているが、長手方向に対して僅かに角度（例えば、１０度以下）が付けられた方向に非セメント系流体を噴射するように角度付けられていてもよい。また、第２の噴射ノズル１６２は、軸線ＡＸに対して偏心した位置で流体を噴射するように配置されている。

以下では、第２実施形態による土壌改良装置５０によって砂層の土壌改良を行う場合について説明する。まず、前進工程では、ケーシング６０を回転させつつ、第２の噴射ノズル１６２から非セメント系流体が前進方向に向けて噴射される。次いで、後退工程では、第１実施形態と同様に、ケーシング６０を回転させつつ、第１の噴射ノズル１６１からセメント系の土壌改良材が噴射される。

このような施工によれば、前進工程において非セメント系流体が前進方向に向けて噴射されるので、ケーシング６０は、その周辺土壌を撹拌混合しながら、前進できる。このように、後退工程に先立って、ケーシング６０の周辺の土壌が撹拌混合されることによって、後退工程における排泥経路が形成される。このため、第１実施形態と同様に、ケーシング６０の移動軌跡およびその周囲に、軸線ＡＸを中心とするコラム状のセメント系土壌改良層を容易に形成できる。このような施工は、後退工程でのセメント系の土壌改良材の噴射によって十分な撹拌混合が期待される土質（例えば、砂層）に適している。この施工例は、砂層に限らず、求められる施工内容に応じて任意の土質条件に適用され得る。

また、第２の噴射ノズル１６２は、軸線ＡＸに対して偏心した位置で非セメント系流体を噴射するように配置されている。このため、軸線ＡＸと同軸の位置で流体を噴射する場合と比べて、ケーシング６０が回転しているときに非セメント系流体を、軸線ＡＸを中心としたより広範囲な土壌領域に噴射できる。その結果、土壌の撹拌範囲を広げることができる。

上述した掘進機１０および土壌改良装置５０によれば、掘進機１０の位置を変えることなく、ケーシング６０を進退可能な範囲で、土壌改良を行うことができる。ケーシング６０は、その強度を確保すれば、１．５ｍよりも長い距離（例えば、３～５ｍ）進退可能である。したがって、上述した従来技術と比べて、掘進機１０のより前方まで地中より土壌改良を行うことができる。

さらに、掘進機１０および土壌改良装置５０によれば、土壌改良装置５０は、ケーシング６０の前進角度を可変に設定可能に構成されるので、様々な前進角度でケーシング６０を前進させることができる。このため、掘進機１０の位置に対する土壌改良可能範囲が広がる。あるいは、前進角度を変えて、土壌改良工程（前進工程および後退工程）を繰り返し実施することで、広い範囲に亘って土壌改良を行うことができる。

代替実施形態では、土壌改良装置５０は、軸線ＡＸと交差する方向に流体を高圧噴射する単一の噴射ノズル（第１実施形態では噴射ノズル６４、第２実施形態では第１の噴射ノズル１６１）に代えて、軸線ＡＸと交差する方向に流体を高圧噴射するための２つ以上の噴射ノズルを備えていてもよい。図７は、そのような幾つかの代替実施形態を模式的に示している。図７（ａ）の例では、ケーシング６０の内部に、土壌改良材を噴射するための２つの噴射ノズル、すなわち、第１角度噴射ノズル２６１および第２角度噴射ノズル２６２が配置されている。第１角度噴射ノズル２６１は、ケーシング６０の長手方向に対して実質的に直交する方向に噴射角度が角度付けられており、第２角度噴射ノズル２６２は、ケーシング６０の前進方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられている。

第１の噴射ノズル１６１および第２の噴射ノズル１６２は、前進工程および後退工程の少なくとも一方において、同時に使用されてもよい（流体を噴射してもよい）し、いずれか一方のみが使用されてもよい。第１角度噴射ノズル２６１と第２角度噴射ノズル２６２とが同時に使用される場合には、異なる２つの角度で流体が噴射されるので、流体の噴射による土壌の撹拌性能を向上できる。また、第１実施形態の前進工程において、少なくとも第２角度噴射ノズル２６２が使用される場合には、前進工程におけるケーシング６０の前進動作をより円滑化できる。

図７（ｂ）の例では、ケーシング６０の内部に、軸線ＡＸと交差する方向に流体を噴射するための２つの噴射ノズル、すなわち、第１角度噴射ノズル３６１および第３角度噴射ノズル３６２が配置されている。第１角度噴射ノズル３６１は、ケーシング６０の長手方向に対して実質的に直交する方向に噴射角度が角度付けられており、第３角度噴射ノズル３６２は、ケーシング６０の後退方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられている。

第１角度噴射ノズル３６１および第３角度噴射ノズル３６２は、前進工程および後退工程の少なくとも一方において、同時に使用されてもよいし、いずれか一方のみが使用されてもよい。第１角度噴射ノズル３６１と第３角度噴射ノズル３６２とが同時に使用される場合には、異なる２つの角度で流体が噴射されるので、流体の噴射による土壌の撹拌性能を向上できる。また、第１実施形態の後退工程において少なくとも第３角度噴射ノズル３６２が使用される場合には、前進工程において混合撹拌された土壌を掘進機１０側へ押し出す効果が高まり、セメント系の土壌改良材への置換性能を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、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、本発明にはその均等物が含まれる。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任意の組み合わせ、または、任意の省略が可能である。

例えば、上述した種々のノズル配置は、適宜、部分的な省略または組み合わせが可能である。例えば、図７（ａ）の例において、第１角度噴射ノズル２６１が省略され、第２角度噴射ノズル２６２のみが設置されてもよい。あるいは、図７（ｂ）の例において、第１角度噴射ノズル３６１が省略され、第３角度噴射ノズル３６２のみが設置されてもよい。あるいは、図７（ａ）の例において、第１角度噴射ノズル２６１に代えて、または、加えて、第３角度噴射ノズル３６２が設置されてもよい。

あるいは、第１実施形態において、噴射ノズル６４に加えて、第２実施形態の第２の噴射ノズル１６２が設置されてもよい。この場合、第１実施形態の前進工程において、第２の噴射ノズル１６２から前進方向に向けて非セメント系流体が噴射されてもよい。こうすれば、ケーシング６０が前進すべき経路上の土壌が撹拌されるので、ケーシング６０の前進動作をより円滑化できる。

あるいは、第２実施形態の前進工程において、第１の噴射ノズル１６１から、軸線ＡＸと交差する方向に向けて非セメント系流体が噴射されてもよい。こうすれば、ケーシング６０の径方向における周辺の土壌が撹拌されるので、後退工程における排泥経路をより広く確保できる。

あるいは、第２実施形態の前進工程では、ケーシング６０は回転されることなく、前進されてもよい。また、第１実施形態または第２実施形態の前進工程および後退工程のうちの土壌改良材が噴射される工程において、どのような土壌改良材（例えば、セメント系または溶液型）を噴射するのかについては、土質条件に応じて任意に決定され得る。

あるいは、支持体７１（または、支持体７１、球体７２およびボールバルブ７３）の数および設置箇所は、任意に設定可能である。例えば、支持体７１を隔壁３１の異なる箇所に複数対設ける場合、互いに異なる複数の位置からケーシング６０を前進させることができるので、より広い範囲に亘って土壌改良を行うことができる。この場合、ケーシング６０および回転進退機構７０（支持体７１を除く部分、または、支持体７１、球体７２およびボールバルブ７３を除く部分）は、支持体７１の設置位置ごとに個別に設置されてもよいし、支持体７１の複数の設置位置間で共用されてもよい。支持体７１球体７２およびボールバルブ７３が複数組設置され、そのうちの１組にケーシング６０を貫通させる場合には、ケーシング６０を貫通させていない支持体７１球体７２およびボールバルブ７３の組は、排泥孔３２に代えた、または、加えた排泥経路として利用することも可能である。

上述した土壌改良装置５０は、掘進機１０内に配置される代わりに、立坑内に配置されてもよい。この場合、ケーシング６０は、立坑に対して進退可能に構成される。

１０...掘進機
２０...掘進機本体
３０...固定部
３１...隔壁
３２，３３...排泥孔
３４...前側空間（チャンバ）
３５...後側空間
３６...排出コンベヤ
４０...回転部
４１...メインシャフト
４２...駆動モータ
４３...スポーク
４４，４５...カッタビット
５０...土壌改良装置
６０...ケーシング
６１...カッタビット
６２...カッター支持部
６３...先端
６４...噴射ノズル
６５...第１供給ライン
６６...第２供給ライン
７０...回転進退機構
７１...支持体
７２...球体
７３...ボールバルブ
７４...シール部
７５...ベース
７６...モータ
７７...固定部
７８...回転部
７９...チャック装置
８０...環状部
８１...チャッキングボルト
８２...ガイド部
８３...ジャッキ
８４...ロッド
９１，９２...レバーブロック
１６１...第１の噴射ノズル
１６２...第２の噴射ノズル
２６１...第１角度噴射ノズル
２６２...第２角度噴射ノズル
３６１...第１角度噴射ノズル
３６２...第３角度噴射ノズル
７１１...貫通孔
ＡＸ...ケーシングの軸線

Claims (11)

1. 掘進機であって、
   掘進機本体と、
   土壌改良装置と
   を備え、
   前記土壌改良装置は、
   長手方向に延在する軸線を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に配置され、流体を前記長手方向と交差する方向に高圧噴射可能に構成された少なくとも１つの第１の噴射ノズルと、
   前記軸線を中心として前記ケーシングを回転可能、かつ、前記長手方向に沿って、前記ケーシングを前記掘進機本体に対して、前記掘進機の掘進方向前方に向かう第１の方向、および、前記第１の方向と反対の第２の方向に進退可能に構成された回転進退機構と、
   前記掘進機本体の内部空間をチャンバと後側空間とに仕切る隔壁であって、排泥孔を有する隔壁と
   を備え、
   前記掘進機が地中に位置する状態で前記ケーシングを前記第１の方向へ前進させる前進工程において、前記ケーシングを回転させつつ、前記ケーシングの周囲の土壌を撹拌混合するように前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルから溶液型の土壌改良材を高圧噴射し、前記掘進機が地中に位置する状態で前記前進工程の後に前記ケーシングを前記第２の方向へ後退させる後退工程において、前記ケーシングを回転させつつ、前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルからセメント系の土壌改良材を高圧噴射し、それによって前記第２の方向に押し出される、前記前進工程で撹拌混合された土壌を、前記チャンバおよび前記排泥孔を介して前記掘進機本体の内部に導くように構成された
   掘進機。
2. 請求項１に記載の掘進機であって、
   前記後退工程において、前記ケーシングの後退動作と同時に前記ケーシングを回転させつつ、前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルから前記セメント系の土壌改良材を高圧噴射するように構成された
   掘進機。
3. 請求項１または請求項２に記載の掘進機であって、
   前記前進工程において、前記ケーシングの前進動作と同時に前記ケーシングを回転させつつ、前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルから前記溶液型の土壌改良材を高圧噴射するように構成された
   掘進機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の掘進機であって、
   前記ケーシング内に配置され、前記前進工程において前記ケーシングの先端から前方に向けて前記セメント系以外の土壌改良材、または、土壌改良材以外の流体を高圧噴射可能に構成された第２の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、
   前記前進工程において、前記ケーシングを回転させつつ、前記軸線に対して偏心した位置で前記第２の噴射ノズルから前記セメント系以外の土壌改良材、または、土壌改良材以外の流体を高圧噴射するように配置された
   掘進機。
6. 請求項４または請求項５に記載の掘進機であって、
   前記前進工程において、前記ケーシングを回転させつつ、前記第２の噴射ノズルから前記セメント系以外の土壌改良材、または、土壌改良材以外の流体を高圧噴射し、
   前記後退工程において、前記ケーシングを回転させつつ、前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルから前記セメント系の土壌改良材を高圧噴射する
   ように構成された掘進機。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の掘進機であって、
   前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、前記長手方向に対して直交する方向に噴射方向が角度付けられた第１角度噴射ノズルを含む
   掘進機。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の掘進機であって、
   前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、前記ケーシングの前進方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられた第２角度噴射ノズルを含む
   掘進機。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の掘進機であって、
   前記少なくとも１つの第１の噴射ノズルは、前記ケーシングの後退方向に向けた方向成分を含むように噴射方向が角度付けられた第３角度噴射ノズルを含む
   掘進機。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の掘進機であって、
    前記ケーシングの前進角度を可変に設定可能に構成された
    掘進機。
11. 地中に配置された掘進機より土壌改良を行う土壌改良方法であって、
    長手方向に延在する軸線を有するケーシングであって、前記長手方向と交差する方向に流体を高圧噴射可能に構成された少なくとも１つの噴射ノズルが内部に配置されたケーシングを掘進機本体に対して、前記掘進機の掘進方向前方に向かう第１の方向に前記長手方向に沿って前進させる前進工程と、
    前記前進工程の後に前記ケーシングを掘進機本体に対して、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記長手方向に沿って後退させる後退工程と
    を備え、
    前記前進工程は、前記軸線を中心として前記ケーシングを回転させつつ、前記ケーシングの周囲の土壌を撹拌混合するように前記少なくとも１つの噴射ノズルから溶液型の土壌改良材を高圧噴射する工程を含み、
    前記後退工程は、前記軸線を中心として前記ケーシングを回転させつつ、前記少なくとも１つの噴射ノズルからセメント系の土壌改良材を高圧噴射し、それによって後方に押し出される、前記前進工程で撹拌混合された土壌を、前記掘進機本体の内部空間をチャンバと後側空間とに仕切る隔壁に形成された排泥孔と前記チャンバとを介して前記掘進機本体の内部に導く工程を含む
    土壌改良方法。

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