JP7633192B2 - アースバケット及びニューマチックケーソンの施工方法 - Google Patents

アースバケット及びニューマチックケーソンの施工方法 Download PDF

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Description

本発明は、ニューマチックケーソン工法において、函内から土砂を搬出するためのアースバケットに関するものである。
ニューマチックケーソン工法において、函内から土砂を搬出するために、通常は容積1.0mのアースバケットを使用している。このニューマチック工法の施工効率は、土砂搬出の効率に依存することが知られている。
ニューマチックケーソン工法の土砂搬出の施工効率を向上するためには、1回当りの土砂搬出量を多くするか、又は、サイクルタイムを短縮するか、の二通りの手法が考えられる。このうち、サイクルタイムの短縮が最近の技術開発の主流となっている。
例えば、特許文献1には、アースバケットの容量を、土砂を掘削してアースバケットに積み込む積込サイクルタイムT1が、アースバケット9を搬送する搬送サイクルタイムT2以上となる大きさとするようにされた、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が開示されている。
特開2012-67456号公報
しかしながら、サイクルタイムを短縮する手法として、未だ確固たる技術は存在していない。このため、1回当りの土砂搬出量を増加させる手法を検討する必要がある。
そこで、本発明は、1回当りの土砂搬出量を増加させることのできる、アースバケットを提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明のアースバケットは、ニューマチックケーソン工法に用いるアースバケットであって、吊金具を有する、円筒容器形状の第1バケットと、円筒容器形状の第2バケットと、前記第1バケットと前記第2バケットとを連結する連結機構と、
を備えている。
このように、本発明のアースバケットは、ニューマチックケーソン工法に用いるアースバケットであって、吊金具を有する、円筒容器形状の第1バケットと、円筒容器形状の第2バケットと、第1バケットと第2バケットとを連結する連結機構と、を備えている。このような構成であれば、1回当りの土砂搬出量を増加させることのできる、アースバケットを提供することができる。
ニューマチックケーソンの全体構成を示す断面図である。 実施例1のアースバケットの側面図である。 実施例1の第1バケットの正面図である。 第1取付軸の近傍の説明図である。(a)は正面図であり、(b)はA-A断面図であり、(c)はB-B断面図である。 実施例1の第2バケットの正面図である。 第2取付軸の近傍の説明図である。(a)は正面図であり、(b)はA-A断面図であり、(c)はB-B断面図である。 実施例1のアースバケットの着底時の作用図である。 実施例1のアースバケットのマテリアルロック通過時の作用図である。 実施例1のアースバケットの土砂排出時の作用図である。 実施例2のアースバケットの側面図である。 実施例2の第2バケットの説明図である。(a)は正面図であり、(b)は平面図である。 実施例2のアースバケットの着底時の作用図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。以下では、実施例1で連結シャフト式の2連アースバケット(30)について説明し、実施例2で連結ワイヤ式の2連アースバケット(30A)について説明する。
(ニューマチックケーソンの構成)
まず、図1を用いてアースバケット(30)を備えるニューマチックケーソン1の全体構成について説明する。図1に示すように、ニューマチックケーソン1の下部には、側壁11の下方に先端が細くなった刃口12が形成されており、この刃口12の内面と作業室スラブ14の下面と(さらに、地盤と)に囲まれて作業室13が形成されている。作業室13内には、少なくとも1台以上の掘削機20が配置されており、遠隔操作される掘削機20によって地盤を掘削してニューマチックケーソン1を沈下させていくようになっている。そして、掘削機20によって掘削された土砂は、アースバケット30を用いて搬出される。
作業室13からは、地上に向かって少なくとも1つ以上のマテリアルシャフト16が延びており、上部にマテリアルロック17が設置されている。同様に、作業室13からは、地上に向かって少なくとも1つ以上のマンシャフト18が延びており、上部にマンロック19が設置されている。この他、図示を省略するが、作業室13やマテリアルロック17やマンロック19に圧縮空気を送り込んだり排気したりするための圧気設備が配置されている。
さらに、ニューマチックケーソン1に近接する地上には、中央監視室15が設置されている。中央監視室15では、掘削機20、マテリアルシャフト16及びマテリアルロック17を介した資材の搬入と掘削した土砂の搬出、マンシャフト18及びマンロック19を介した作業員の入退室、マンロック19内での加圧、減圧等の圧力管理、ケーソンの沈下量、傾斜等の姿勢表示等、全体の監視や管理が行われる。
(アースバケットの構成)
次に、図2~図6を用いて、本実施例のアースバケット30の構成について説明する。アースバケット30は、図2に示すように、吊金具42を有する、円筒容器形状の第1バケット40と、円筒容器形状の第2バケット50と、第1バケット40と第2バケット50とを連結する連結機構Mと、を備えて2連式のアースバケット30として構成されている。すなわち、本実施例のアースバケット30は、従来と略同一の形状・大きさの2つのアースバケット40、50を連結した、2連式のアースバケット30である。
第1バケット40は、図3に示すように、円筒容器状の本体部41と、本体部41の上部に取り付けられる吊金具42と、連結機構を構成する一対の第1取付軸43、43と、から主に構成されている。本体部41は、その下部の側面が2か所(対峙して配置)切り欠かれた直線部を有しており、この直線部にそれぞれ第1取付軸43が設置されている。なお、図2では、説明の便宜から、吊金具42の全体を表示したが、実際には吊金具42は90度回転した位置に取り付けられている(図3が正しい)。
各第1取付軸43は、図4(a)~(c)に示すように、ブラケット44a~44cによって支承されている。第1取付軸43は、例えば、ボルト・ナットで構成することができ、ブラケット44b、連結シャフト60(の端部)、ブラケット44c、本体部41をこの順にボルトによって挿通し、ナットで固定する。
そして、本実施例の第1取付軸43は、図4(b)、(c)に示すように、その軸線が、円筒容器状の本体部41の中心を通る中心軸線から、所定の距離だけ偏芯するように設置されている。すなわち、一対の第1取付軸43、43の軸線は、同一直線上にあるが、この直線は円筒容器状の本体部41の中心軸線を通らないように配置されている。
同様に、第2バケット50は、図5に示すように、円筒容器状の本体部51と、本体部41の底部に取り付けられる掛止部52と、連結機構を構成する一対の第2取付軸53、53と、から主に構成されている。本体部51は、その下部の側面が2か所(直径方向に対峙して配置)切り欠かれた直線部を有しており、この直線部にそれぞれ第2取付軸53が設置されている。このように連結部(接続部)を内側に加工・補強することで、バケット外面の突起物をなくして、マテリアルシャフト16をスムーズに通ることができる。
各第2取付軸53は、図6(a)~(c)に示すように、ブラケット54a~54cによって、支承されている。第2取付軸53は、例えば、ボルト・ナットで構成することができ、ブラケット54b、連結シャフト60(の端部)、ブラケット54c、本体部51をこの順にボルトによって挿通し、ナットで固定する。
また、本実施例の第2取付軸53は、図6(b)、(c)に示すように、その軸線が、円筒容器状の本体部51の中心を通るように設置されている。すなわち、一対の第2取付軸53、53の軸線は、同一直線上にあり、かつ、この直線は円筒容器状の本体部41の中心軸線を通るように配置されている。
そして、本実施例の連結機構Mは、第1バケット40の下部の外面に設置される一対の第1取付軸43、43と、第2バケット50の上部の外面に設置される一対の第2取付軸53、53と、第1取付軸43、43と第2取付軸53、53に回転可能に架け渡される一対の連結シャフト60、60と、から構成される。連結シャフト60は、例えば鋼材によってビーム状に形成されるものであり、第1バケット40及び第2バケット50の重量が作用しても過度の曲げ変形を生じない程度の剛性を有する。
そして、連結シャフト60の長さは、第1バケット40が第2バケット50の上方位置から側方位置へ回り込めるように(図7を用いて後述する)、式(A)を満足するように設定されることが必要である。
L≧√{(a+a+(r+r}・・・(A)
L:連結シャフトの長さ
:第1バケットの下面から第1取付軸までの距離
:第2バケットの上面から第2取付軸までの距離
:第1バケットの半径
:第2バケットの半径
なお、要素のうち「r:第1バケットの半径」と「r:第2バケットの半径」は、通常は同一となる。
(施工方法)
次に、図7~図9を用いて、本実施例のアースバケット30の施工方法について説明する。
はじめに、図7を用いて、着底時のアースバケット30の施工方法について説明する。着底時には、以下の工程1)~3)を備えることが好ましい。以下に説明するように、着底時には、2つのバケット40、50は、並列配置となる。
1)第2バケット50を着底させる工程:
すなわち、スケータークレーン(又はクローラクレーンなど)の吊ワイヤを繰り出すことで、マテリアルシャフトを通じてアースバケット30を降下させていき、下方にある第2バケット50をまず接地させる。
2)着底された第2バケット50の第2取付軸53を回転中心として、連結シャフト60とともに第1バケット40を回転させる工程:
すなわち、吊ワイヤをそのまま繰り出すことで、第1バケット40が第2バケット50の側方に回り込むように移動する。この際には、第1バケット40の自重が連結シャフト60に作用することになるが、着底時には第1バケット40の傾きが戻り偏心側へ力が発生するため、さらに重心が偏って偏心側への力がより大きくなる。
3)第2バケット50の側方に並列した状態で第1バケット40を着底させる工程:
その後、さらに吊ワイヤを繰り出せば、第2バケット50の真横に並ぶように、第1バケット40が着底する。
次に、図8を用いて、マテリアルロック通過時のアースバケット30の施工方法について説明する。マテリアルロック通過時には、以下の工程1)~2)を備えることが好ましい。以下に説明するように、マテリアルロック(及びマテリアルシャフト)通過時には、2つのバケット40、50は、縦列配置となる。
1)マテリアルロック17にシャフト17aを追加して高さを延長する工程:
本実施例の2連式のアースバケット30を使用する場合、通常サイズ(長さ)のマテリアルロック17では長さ(高さ)が不足するため、中間部に標準のシャフト17aを追加して高さを延長する。
2)第1バケット40と第2バケット50を、上下方向に直列した状態でマテリアルロック17の内部に収容する工程:
すなわち、アースバケット30は、2つのバケット40、50を縦に直接した状態であるため、従来と同じ構成のマテリアルロック17やマテリアルシャフト(16)をスムーズに通ることできる。
3)マテリアルロック17の内部を加圧又は減圧する工程:
その後、通常と同じように、マテリアルロック17の内部空間を加圧したり減圧したりして、アースバケット30を通過させる。なお、シャフト17aを追加したことで、マテリアルロック17の内部の体積が増加するため、その分だけ加圧/減圧には通常よりも長い時間がかかる。
最後に、図9(a)~(c)を用いて、土砂排出時のアースバケット30の施工方法について説明する。土砂排出時には、以下の工程1)~3)を備えることが好ましい。
1)第2バケット50の下部(の掛止部52)を土砂ホッパー92に掛止させる工程:
スケータークレーンによってマテリアルロック17を介して外部に搬出されたアースバケット30を、土砂ホッパー92の位置まで移動させる。その後、土砂ホッパー92に第2バケット50の下部の掛止部52を引っ掛ける。
2)第2バケット50を揺動させて、第2バケット50から土砂を土砂ホッパー92に排出する工程:
スケータークレーンの吊りワイヤを繰り出して、掛止部52を中心として第2バケット50を揺動させて、内部の土砂を排出させる。
3)下部が掛止された第2バケット50の第2取付軸53を回転中心として、連結シャフト60とともに第1バケット40を揺動させて、第1バケット40から土砂を土砂ホッパー92に排出させる工程:
さらに、スケータークレーンの吊りワイヤを繰り出して、第2取付軸53を中心として連結シャフト60及び第1バケット40を揺動させて、内部の土砂を排出させる。その後、ダンプカー93によって、土砂を搬出することになる。
(検証)
ここで、表1を用いながら、本実施例の2連式のアースバケット30を用いて土砂を運搬した場合の運搬効率について理論的に検証した。結論として、1.0mアースバケット連結運搬により、運搬効率が約25%向上することがわかった(表1)。
・条件:
・施工効率試算(シャフト長20m、クローラークレーン楊重を想定)
・アースバケット容量:
従来:φ1100、L=1350(1300)、V=1.23m(1.0m計算換算量)
本件:φ1100、L=1250(1200)、V=1.06m
(単体では9%の減少だが連結すると72%の増加(1.72m計算換算量)となる)
Figure 0007633192000001
(効果)
次に、本実施例のアースバケット30の奏する効果を列挙して説明する。
(1)上述してきたように、本実施例のアースバケット30は、ニューマチックケーソン工法に用いるアースバケット30であって、吊金具42を有する、円筒容器形状の第1バケット40と、円筒容器形状の第2バケット50と、第1バケット40と第2バケット50とを連結する連結機構Mと、を備えている。このような構成であれば、1回当りの土砂搬出量を増加させることのできる、アースバケット30となる。すなわち、1回の搬出工程で約2倍の土砂を搬出できるうえ、無人での積込・運搬・排土を可能にすることができる。
また、2連のアースバケット30として構成すれば、土砂の積込時には並列配置とし、運搬時には直列配置とすることができる。したがって、作業室13内での高さを抑えることで土砂のバケット内への投入が容易になるうえ、マテリアルロック17やマテリアルシャフト18をスムーズに通ることができる。
(2)このうち連結機構Mは、第1バケット40の外面に設置される一対の第1取付軸43、43と、第2バケット50の外面に設置される一対の第2取付軸53、53と、第1取付軸43、43と第2取付軸53、53に回転可能に架け渡される一対の連結シャフト60、60と、から構成されることが好ましい。このように構成すれば、きわめて簡単な構成によって、土砂の積込時には並列配置とし、運搬時には直列(縦列)配置とすることができる。すなわち、着底時において、第1バケット40を連結シャフト60、60で突っ張りながら回転させることで、第2バケット50の上にある第1バケット40を横に移動させることができる。さらに、この着底動作は、吊ワイヤを巻き下げることで、無人作業で半自動的に実行される。
(3)さらに、一対の第1取付軸43、43は第1バケット40の下部に配置されるとともに、一対の第2取付軸53、53は第2バケット50の上部に配置され、連結シャフト60の長さは、第1バケット40が第2バケット50の上方位置から側方位置へ回り込めるように、式(A)を満足するように設定されることが好ましい。
L≧√{(a+a+(r+r} ・・・(A)
L:連結シャフトの長さ
:第1バケットの下面から第1取付軸までの距離
:第2バケットの上面から第2取付軸までの距離
:第1バケットの半径
:第2バケットの半径
このように構成すれば、第1バケット40が第2バケット50の上方位置から側方位置へ回り込む際に、両者が互いに干渉することなく、スムーズに回り込むことができる。
(4)また、一対の第1取付軸43、43の軸線は、円筒容器形状の第1バケット40の中心軸線を通らずに所定の距離だけ偏芯して設置されることで、第1バケット40の意図する方向への着底と、連結シャフト60に対するバケット着底時の衝撃抑制とを実現することができる。
以下、図10~図12を用いて、実施例1とは別の形態の連結機構Mを備えるアースバケット30Aについて説明する。なお、実施例1で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。
(構成)
まず構成について説明すると、本実施例のアースバケット30Aは、全体としては実施例1と略同様の構成を備えている。すなわち、アースバケット30Aは、図10に示すように、第1バケット40と、第2バケット50と、連結機構Mと、を備えて2連式のアースバケット30Aとして構成されている。なお、本実施例では、第1バケット40の第1取付軸43は、偏芯させる必要はない。
そして、本実施例の連結機構Mは、実施例1とは異なっている。すなわち、連結機構Mは、第1バケット40の下部の外面に設置される一対の第1取付軸43、43と、第2バケット50の上部の外面に設置される一対の第2取付軸53、53と、第1取付軸43、43と第2取付軸53、53に架け渡される一対の連結ワイヤ70、70と、から構成されている。連結ワイヤ70は、例えば、φ20mm程度とし、シングルロック止とすることができる。
さらに、第2バケット50の上部には、図11に示すように、第1バケット40が第2バケット50の上方位置から側方位置へ回り込めるように、第1バケット40が接触してスライド移動するためのスライダー型ブラケット80がさらに設置されている。スライダー型ブラケット80は、具体的には、上面が斜めに傾斜する一対のL字形の主ビーム81、81と、主ビーム81、81間を連結する補ビーム82、83と、から構成することができる。
(施工方法)
次に、図12を用いて、着底時のアースバケット30Aの施工方法について説明する。着底時には、以下の工程1)~3)を備えることが好ましい。以下に説明するように、着底時には、2つのバケット40、50は、並列配置となる。
1)第2バケット50を着底させる工程:
実施例1と同様である。
2)着底された第2バケット50のスライダー型ブラケット80上で、第1バケット40をスライド移動させる工程:
すなわち、吊ワイヤをそのまま繰り出すことで、第1バケット40が第2バケット50の傾斜したスライダー型ブラケット80の上に接触・載置され、さらに斜め下方向にスライド移動して、第2バケット50の側方に回り込むように移動する。
3)第2バケット50の側方に並列した状態で第1バケット40を着底させる工程:
その後、さらに吊ワイヤを繰り出せば、第2バケット50の真横に並ぶように、第1バケット40が着底する。着底する直前には、連結ワイヤ70の張力によって第1バケット40を引っ張ることでバケット40、50間が必要以上に離れないようにしている。
(効果)
次に、本実施例のアースバケット30Aの奏する効果を列挙して説明する。
(1)本実施例のアースバケット30Aの連結機構Mは、第1バケット40の外面に設置される一対の第1取付軸43、43と、第2バケット50の外面に設置される一対の第2取付軸53、53と、第1取付軸43、43と第2取付軸53、53に架け渡される一対の連結ワイヤ70、70と、から構成されることが好ましい。このような構成であれば、1回当りの土砂搬出量を増加させることのできる、アースバケット30Aとなる。また、土砂の運搬時には、バケット40、50を直列(縦列)配置とすることができる。すなわち、ワイヤ70で連結することで、第1バケット40を引っ張れば、それと同時に下にある第2バケット50も引っ張られて移動することになる。
(2)また、第1バケット40が第2バケット50の上方位置から側方位置へ回り込めるように、第2バケット50の上部に、第1バケット40が接触してスライド移動するためのスライダー型ブラケット80がさらに設置されることが好ましい。このように構成すれば、土砂の積込時には並列配置とし、運搬時には直列(縦列)配置とすることができる。特に、バケット40、50の着底時には、第1バケット40をスライダー型ブラケット80に載せてスライド移動させることで、第2バケット50の上にある第1バケット40を横に移動させることができる。さらに、この着底動作は、吊ワイヤを巻き下げることで、無人作業で半自動的に実行される。
なお、この他の構成および作用効果については、実施例1と略同様であるため説明を省略する。
以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、実施例では特に説明しなかったが、アースバケット30(30A)の着底時にバケット40、50の転倒等の事態が想定されるため、掘削機(天井走行ショベル)20で容易に引き起こしできるように、フックや突起などを設置することも好ましい。
また、実施例の連結シャフト60の構成に加えて、衝撃吸収手段(ショックアブソーバー)等の機能を付加して信頼性を向上させることも可能である。
さらに、実施例では特に説明しなかったが、アースバケット30(30A)が、着底時にスラブシャフトを容易に通過できるように、バケット40、50の高さを約10cm下げて小型化することも好ましい。さらに、アースバケット30(30A)の着底地盤は、通常よりも約30cm深くして、2.8m以上とすることも好ましい。
1 ニューマチックケーソン
11 側壁
12 刃口
13 作業室
14 作業室スラブ
15 中央監視室
16 マテリアルシャフト
17 マテリアルロック
18 マンシャフト
19 マンロック
20 掘削機
30、30A アースバケット
40 第1バケット
41 本体部
42 吊金具
43 第1取付軸
44a~44c ブラケット
50 第2バケット
51 本体部
52 掛止部
53 第2取付軸
54a~54c ブラケット
60 連結シャフト
70 連結ワイヤ
80 スライダー型ブラケット
81 主ビーム
82、83 補ビーム
92 土砂ホッパー
93 ダンプカー

Claims (8)

  1. ニューマチックケーソン工法に用いるアースバケットであって、
    吊金具を有する、円筒容器形状の第1バケットと、
    円筒容器形状の第2バケットと、
    前記第1バケットと前記第2バケットとを連結する連結機構と、
    備え、
    前記連結機構は、前記第1バケットの外面に設置される一対の第1取付軸と、前記第2バケットの外面に設置される一対の第2取付軸と、前記第1取付軸と前記第2取付軸に回転可能に架け渡される一対の連結シャフトと、から構成される、アースバケット。
  2. 一対の前記第1取付軸は前記第1バケットの下部に配置されるとともに、一対の前記第2取付軸は前記第2バケットの上部に配置され、
    前記連結シャフトの長さは、前記第1バケットが前記第2バケットの上方位置から側方位置へ回り込めるように、式(A)を満足するように設定される、請求項1に記載された、アースバケット。
    L≧√{(a+a+(r+r}・・・(A)
    L:連結シャフトの長さ
    :第1バケットの下面から第1取付軸までの距離
    :第2バケットの上面から第2取付軸までの距離
    :第1バケットの半径
    :第2バケットの半径
  3. 一対の前記第1取付軸の軸線は、円筒容器形状の前記第1バケットの中心軸線を通らずに所定の距離だけ偏芯して設置される、請求項1又は請求項2に記載された、アースバケット。
  4. 前記連結機構は、前記第1バケットの外面に設置される一対の第1取付軸と、前記第2バケットの外面に設置される一対の第2取付軸と、前記第1取付軸と前記第2取付軸に架け渡される一対の連結ワイヤと、から構成される、請求項1に記載された、アースバケット。
  5. 前記第1バケットが前記第2バケットの上方位置から側方位置へ回り込めるように、前記第2バケットの上部に、前記第1バケットが接触してスライド移動するためのスライダー型ブラケットがさらに設置される、請求項4に記載された、アースバケット。
  6. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載されたアースバケットを使用したニューマチックケーソンの施工方法であって、
    前記第2バケットを着底させる工程と、
    着底された前記第2バケットの第2取付軸を回転中心として、前記連結シャフトとともに前記第1バケットを回転させる工程と、
    前記第2バケットの側方に並列した状態で前記第1バケットを着底させる工程と、
    を備える、ニューマチックケーソンの施工方法。
  7. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載されたアースバケットを使用したニューマチックケーソンの施工方法であって、
    マテリアルロックにシャフトを追加して高さを延長する工程と、
    前記第1バケットと前記第2バケットを、上下方向に直列した状態で前記マテリアルロックの内部に収容する工程と、
    前記マテリアルロックの内部を加圧又は減圧する工程と、
    を備える、ニューマチックケーソンの施工方法。
  8. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載されたアースバケットを使用したニューマチックケーソンの施工方法であって、
    前記第2バケットの下部を土砂ホッパーに掛止させる工程と、
    前記第2バケットを揺動させて、前記第2バケットから土砂を前記土砂ホッパーに排出する工程と、
    下部が掛止された前記第2バケットの第2取付軸を回転中心として、前記連結シャフトとともに前記第1バケットを揺動させて、前記第1バケットから土砂を前記土砂ホッパーに排出させる工程と、
    を備える、ニューマチックケーソンの施工方法。
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