經濟部4-夬嘌皁局員工消f合作让印製 A7 B7 五、發明説明（丄） 本發明乃關於隧道等之掘進方法及裝置，尤指一種利 用許多超高壓水、砂、氣之混合水噴注所形成交又旋轉超 高壓射流（亦稱水刀），並配合噴射頭上之刮刀，以挖掘 隧道、涵洞、連續壁溝槽、圓形基樁孔、豎井等之新穎工 法及實施工法所用之裝置。 如此工程業界所熟知，迄至目前為止，對於開挖隧道 ，地底潛造車道、輸水涵道、排水管道，或馨讀連續壁溝 、園形基樁孔、豎井等土木建築工程，不外乎採用讚孔加 炸藥爆破之方法及採用重達數百公噸級之重型掘進機或挖 掘機之切割挖掘方法。前者僅適於山岩地區，且因爆炸所 生震動而易造成落螌及周圍地盤之鬆動迸裂，更有人員安 全之問題；後者雖可適應任何地質及地形，唯因具有笨重 龐大之主機體、護盾、上面裝有許多截齒或盤刀之切割機 頭、驅動機、推進油缸等均安裝在機體上，且整台須深入 隧道内一邊挖掘一邊前進，而不僅其設備費用鉅大，所耗能 源龐大，而且作業中所產生之震動及噪音甚大，並揚起飛 塵，造成公害，同時切割刀直接與岩石接觸挖鑿，容易磨 損，更換新刀成本高昂，每次換裝時更需停止作業，徒耗 工作時間及人力，工作效率甚低，實有待開發一種設備簡 單，輕型廉價，無噪音無污染之新穎隧道挖掘工法及裝置。
有鑑於此，經發明人長年從事土木工程，蒐集國内外 有關之資料加以研究，雖已有美、英、德、法、日等有實 績之重工業公司開發且實際應用於世界各國之地鐵、海底 隧道、污水管道、電纜隧道等等之護盾式、封閉式、EPB 本紙浪尺度適用中國國家標率（CNS ) A4说格（210X297公釐） ' _►_ j______X. n. n K Inf - n i i ^^^1 If—---5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 哩濟部中夬嗦"局員工消青合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) - 式、雙模式等掘進機，而在性能上各有千秋，但基本上其 主要結構仍不脫前述笨重龐大之主機與旋轉機頭直接挖掘 推進之模式、經發明人苦思窮考，發明人有美國FLOW國際 股份有限公司所開發之超高壓水噴注即所謂之超高壓水刀 應用於工業上除漆、除綉及防蝕工程表面物之處理，熱交 換器内、外管之清洗，甚至用於石材、水泥、鋼鐵之切割 ，但其僅是如同一般切削刀具使用單一噴嘴所形成之單一 噴射水箭以對具有一定厚度之被處理物或被切割物實施清 除或切割，但從未見有使用具有多噴射孔之可自旋噴嘴群 經特定之組合配置於一特別設計之機頭上而用來挖掘無限 厚度之隧道者。事實上，上述習知之固定式單噴嘴水刀無 法用來破除岩盤而開挖隧道，蓋因水刀將隧道岩盤水銑成 數公分至十數公分之槽之後，如何將由槽所圍無限度之切 割岩盤取下是一大問題，故難以用習知之水刀來挖掘隧道。 然而，經發明人廢寢忘食構思設計並做模型試驗，遂 以發明人特別設計之具旋轉式多孔噴射頭之水刀組配合支 持此水刀組之切割機頭所生交叉旋轉超高壓水、砂、氣:U 合射流如快刀斬亂麻般將岩盤切割成無數小岩塊，並利用 該高壓射流及附於噴射頭之刮刀將小岩塊打散並刮落，同 時以真空泵將切割下來之碎石土方抽出，而達成隧道等之 挖掘者。 是以，本發明之主要目的在提供一種隧道等之掘進工 法，其係利用旋轉交又之超高壓水、砂、氣混合射流（水 箭）以實施不震動、無噪音、無臭、無塵埃飛揚、不影響 本紙張尺度逍用中國國家標率（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） ------>-----一分------訂 结 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 2ϋ47ό8 Α7 Β7 五、發明説明（3 ) 周邊地盤、無污染、符合環保要求之挖鑿工程者。 ----------.衣— (請先W讀背面之注意^項再填寫本頁) 本發明之次一目的在提供一種隧道等之掘進方法，其 掘進效率高、切面平整、施工容易、具彈性、減少耗材浪 費、縮短工期、並可顯著減低施工成本者。 本發明之再一目的在提供一種實施上述方法隧道等之 掘進裝置，構造簡單、設備費用低廉、動力能源耗費低、 輕型而具良好之搬遷機動性、故障率最低、且無章音、無 震動、無污染者。 本發明之另一目的在提供一種隧道等之掘進裝置，其 噴射刀可隨時卸下而安裝於潛遁機或連續壁施工用吊車懸 垂式挖掘機之機頭上重新配置利用，因此具有互換性及使 用上之彈性者。 本發明之其他目的及特點可由以下參照附圖所作詳細 說明而可獲進一步之了解。 經濟部t夬嘌革局員二消f合作.吐印製 首先，請參照第1圖（A)至（C)，如眾所週知，單孔噴 嘴（圖A)僅能噴出一股直線射流，當其射流壓力增加到 超高壓時，具有射穿物體之能力，而若將此噴嘴沿一定軌 跡移動時即具有切割之作用，此為水刀之基本原理。又如 圖B所示，將多支噴嘴保持軸向平行安置成圓形排列或將 多孔噴嘴配置成圓形且保持噴嘴孔方向相同，同時藉外力 使其整體噴嘴裝置旋轉，則僅能藉其旋轉之.多個噴射流而 切割圓板體。以上兩種雖具有切割能力卻僅能適用於具有 一定厚度且工作面之上面或前後兩面皆具有空間之工作物 而無法將此利用在一面具無限厚度之隧道、涵洞、豎井之 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中夬渌孪局員工消f合作社印衷 A7 B7 五、發明说明（4 ) 挖掘鑽鑿。 又如圖C所示，將多孔嘴嘴在可以一抽心旋轉之 頭上成^徑向對稱且在切線方向呈射向互為相反地配置 ’則高歷料水流由切線方向射出時~生反㈣力使得旋 轉頭如習見t麗器-般不必藉外力而可自動旋轉，但此種 配置仍無法適用於切刻。 其火，請參照第2圖（A)〜（C)，此乃示發明人為達成 利用水刀於挖掘隧道鑿開岩盤所開發之旋轉式噴射頭單元 之基本結構及噴射原理之示意圖。圖中（A)及（B)表示在圓 形咬射頭a上以放射狀配置有多數個而最好是偶數個等間 隔排成圓圈之噴射孔]^、以，此等噴射孔中，bi為直向（ 轴向）噴射孔，b2為在徑向成對配置且孔口方向互異復對 於噴射頭a具有切線方向分力之斜向噴射孔，兩種噴射孔 bl、b2最好間隔交互配置俾使由斜向嗜射孔1^2射出之超高 壓水射流能令01射頭a以主體軸心部c為中心旋轉。由超 高壓水源d輸出之水流係經主體e之管道f分送至各噴射 孔bl、b2 °當噴射水流自喷射孔bl、b2噴出時產生直向及 斜向射流，直向射流專司對岩盤之垂直切割，而斜向射流 則一邊對岩盤進行斜向切割之同時，一邊藉切線方向之分 力使噴射頭a旋轉，於是直向及斜向射流即可形成前後相 互交叉旋轉之水箭射流如圖C所示，以將岩螌成不規則狀 細割碎分，遂可用於挖掘隧道等。 第3圖（A)〜（B)則示本發明人所完成之可用挖掘隧道 等之另一種旋轉式噴射頭單元示意圖，噴射頭採用具 本纸張尺度逍用肀國國家梂準（CNS )八4規格（210 X 297公釐） (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A7 B7 發明説明（ 有轴心部之長方塊體，噴射頭3>上設有呈偏心排成一 列之一直向噴射孔bl、一斜向噴射孔b2及一刀尖塊b3，當 超高壓射流自噴射孔bl、b2噴出時，由於斜向射流所引起 偏心噴射作用而使塊狀噴射頭a產生旋轉運動，使兩旋轉 重疊之水箭射流將岩盤切割並由刀尖塊b3將未it離之切割 部份刮落。 第4圖乃利用上述噴射頭於挖掘開鑿岩盤之方塊圖。 由水源1供给之水經增壓式超高壓幫浦2增壓至2〇,〇〇〇〜 50,000 psi，最好為25,000〜35,000 psi，並控制流量為 5.0〜35 gpm，而成為超高壓水之後，經由高壓輸水管31 送至其上具有許多分配管路之掘進機4之機頭5，再由機 頭5之分配至多數個旋轉噴射頭6。為增加嘖射頭6之水 刀之切割效率及促進割落並打散未斷離之碎割岩石，另設 有砂桶7及空氣壓縮機8分別經由輸送管路π、33接至各 個噴射頭6之超高壓水流入口端，以便將高壓空氣與砂引 入噴射頭6之主體内部混合後由噴孔喷出而形成加砂、氣 之水刀。此時，砂係藉管路33内因超高壓水與壓縮空氣在 進入噴射頭6時所年^真空作用被吸入噴射頭6内，故不 需藉助任何幫浦來输舜辦送。 經濟部中央揉.準局—工消費合作社印裳 (請先Μ讀背面之注意ί項再填寫本頁) 又，為了將坑内砂土飛塵排出坑外，設有一真空 抽砂幫浦9藉延伸坑；^抽吸管耵及引於坑外之排出管犯 以將砂塵排出坑外處理。由於坑内有壓縮空氣吹噴坑壁碎 岩所生向坑外流之氣流有助於砂土之排出之故，可使用小 馬力之真空抽砂幫浦9即能有效將坑内砂土排出。 _ 6 - ¾濟部中夬碟羋工消龙合作社印¾ 20470S at B7 五、發明説明（6) 再者，為使掘進機4帶著機頭5推進，另設有一油壓 幫浦10經由管路Π將高壓油送至掘進機4及機頭5之油缸 内（未圖示），而藉油缸之作用以階段漸進式推動主機前 進0 第5圖乃示依本發明之裝置用於挖掘隧道工程之一具 體實施例，Τ為重型工程卡車，其上搭栽有水櫃丄，超高 壓幫浦2 ’空氣壓縮機8及油愿幫浦1〇，υ為随道，掘進 機4隨著其挖掘而進入隧道υ中，ν為地盤，掘進機4係 由局部透空40之護盾型主機體41及設在主機體41前端之機 頭5所構成。主機體41内設有工作台42，其上設有砂桶7 及必要之輕型附屬設備，真空幫浦9可設於主機體41外適 於抽吸細碎岩塵之處，亦可設置於主機體41内下部，視隧 道深度而定。機頭5之一實施例之平面圖如苐6圖所示， 其係按隧道之斷面形狀形成基座51 ,其上設有將超高壓水 流 '咼壓空氣及砂引入並分佈給各噴射頭6之管路泣、53 、54及全面適當佈設之多數個噴射頭6，噴射頭6基本上 係依第2圖或第3圖之原理構成，其一實施例如第7圖所 示，管狀噴射頭主體61係藉突緣部6γ固定於基座51上，主 體61之入口端藉管接頭62接至超高壓水輸送管31，出口端 則藉一旋轉接頭63連接一可裝卸自如之噴頭64之轴管部65 .，此噴頭64上設有數個直向及斜向噴孔bl、b2,至少可設 直向在内側而斜向在外之各1個噴射孔bl、b2，而在旋轉 接頭62處之主體61部分別設有將砂及壓縮空氣引入噴射頭 6内以便與超高壓水匯流一起再從噴頭64之各噴射孔bl、 -7 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） —-— — II 訂.if (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中夬漂生局舅工消资合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) b2喷出，此時，噴頭64即可以轴管部65為中心旋轉。噴頭 64上最好設有一對超硬合金鋼塊或金剛刀塊66，可於機頭 5利用超高壓水、砂、氣混合水箭切割岩盤土方之後，由 油壓機推進若干至刀塊66接觸到坑壁之後，將被水切後部 '份可能仍未斷離脫落之被切割岩石直接切斷同時修刮坑壁 成為極為平坦光滑之表面，而方便後續之混凝土灌設工程 。如遇較鬆軟之地質，此刀塊亦可不設，但如設之則可刮 平坑壁，使其更為美觀平坦。切割刮落之土方砂塵則藉壓 縮空氣之吹送及真空幫浦9之抽吸而經抽排管91、92排出 坑外。 掘進機4事實上如上所述，僅是一管狀護盾型機殼41 ，其内搭裁少數輕裁之機具及工作人員，且於前端支持一 其上配置許多小型噴射頭6之機頭5而已，而較重之主要 機械則全部裝裁在工程車T上停留於隧道之外，兩者間僅 藉將超高壓輸水管31及壓縮空氣輸送管32甚至連同高壓油 管11集束成一總管3相連，同時，掘進機4係利用水刀將 隧道挖開呈空之後方前進，故掘進機4所需之推進動力甚 小，僅為傳統掘進機之數十分之一即足，因而可節省大量 能源，尤以一切挖掘作業之控制均可在随道外集中遙控， 故非常容易且主要動力機具無被坍方埋沒之慮。根據傳統 之掘進機，主要動力機構必須與掘進機結合為一體.，且整 個機頭必須靠齒輪傳動機構旋轉，並以多排盤刀直接頂於 坑底岩盤一邊強制割削，一邊前進，因此需耗費龐大之能 源並產生極大之噪音與震動，若遇軟土而崩坍時，將無法 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） n I— I I--- - I !! - —^- I I ------- --------、1τ (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)
經涛部中夬采.Λ 二滇t合作4i印X A7 B7 五、發明説明（δ ) 動彈，其處理曠時費工，問題甚多。本發明之掘進機4因 係以非直接式靜態水刀切割，吹散及刮平，並將碎石土方 即予抽吸排出，故可保持無震動，無污染、無噪音之良好 作業環境。尤以主機體41設有透空部40，當在挖掘隧道時 如發現土質鬆軟，作業人員隨時可在主機體41内、叙由透空 部40立即實施灌漿作業而改善或強化地盤，以防落盤，而 此灌漿作業與水刀切割作業可同時進行，因此，可縮短工 期並保持作業之安全。 第8圖乃示本發明應用於潛遁工程之一例之機頭5正 面圖。此機頭5形成圓盤形，其上配置有水、砂、氣輸送 分佈管路52、53、54及許多噴射頭6。至於主要動力機構 及主機體等以及作業方法基本上與第5圖所示用於挖掘隧 道工程者相同之故，在此不另贅述。 第9圖乃示本發明應用於控掘連續壁垂直深溝工程之 具體實施例，圖中S為履帶式吊車，其上裁有油壓幫浦1〇 經由油壓管11輸送高壓油以驅動垂吊在吊桿12下之矩形框 吊架13，吊架13之下端安裝有其上配置有水、砂、氣管路 及噴射頭6之機頭5及抽泥幫浦9。超高壓水幫浦2及空 氣壓縮機8係另設置在吊車S之外部之車台14上，超高壓 水管31、壓縮空氣輸送管32及油壓管11經集束成總管3後 由管導輪15導引至機頭5以便藉水刀進行挖掘垂直溝槽之 作業。此時機頭5之斷面應形成長方形，但如用於開挖圓 型基樁孔時，則將機頭5之斷面形成圓形，同時以圓筒形 吊架取代矩形框吊架即可。機頭5上之噴射頭6應分佈配 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐） —--------訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央嘌準局—工消費合作钍印装 A7 B7 五、發明説明（Q ) 置成射出之多股旋轉水箭恰可切割地盤成矩形（前者時） 或圓形（壤者時）。 以上所述各例中，配置在同一噴射頭之各0f孔原則上 不在其旋轉時之同一園軌跡上。 本發明因係利用多股安置成直向及斜向噴射之超高壓 水、砂、氣之混合噴射流所形成交叉且旋轉之超高壓水箭 (水刀），以切割或錆挖地盤、山壁，使其被切割表面碎 割萬段；並藉高壓空氣將碎片細土吹落打散，必要時，再 藉噴頭上之刀尖刮平該表面，復於切割作業中使機頭推進 ，而達成隧道、下水道、連續壁槽溝、圓型基樁孔、豎并 等之靜態挖掘，因此具有如下之特點： ⑴方法新穎，切割效果良好，挖掘表面平整，操作施工容 易，掘進效率高，縮短工期，無污染，無公害。 ⑵設備簡單，製作容易，費用低廉，能源耗費甚低，故障 率極低，操作及維修容易，輕型而具機動性；作業時， 無震動、無噪音、無污染；因此在市區内作業時，不影 響鄰近建物設施之結構及居民生活。 ⑶耗材少，構件之噴頭具互換性，且重型主動力機與輕型 掘進機頭係分離設置，可自坑外遙控作業，所需作業人 數少，施工成本低。 以上係就本發明之基本方法及數個可行之實施例加以 說明，然而熟嫻於此技藝者從上述說明及附圖中所提示之 内容而在無違本發明精神及下列申請專利範圍下尚可作種 種修飾·及變更，乃至為明顯，凡此種種當被認為涵蓋在本 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4说格（210 X 297公釐） I......I - 1 I- —1. In in In 1 · - -- - HI - 1---T-ai (請先M讀背面之注意事項再填寫本頁) 2ί)47ύ8 at _Β7__ 五、發明说明（1〇 ) 發明申請專利範圍之内，特此一併說明。 圖面說明： 第1圖（A)〜（C)表示一般習知噴嘴之各種配置情形之 說明圖； 第2圖（A)〜（C)表示本發明可旋轉式多孔噴射頭之配 置情形及射流形成情形之示意圖； 第3圖（A)〜（B)乃示本發明另一種可旋轉式噴射頭及 其射流形成情形之示意圖； 第4圖乃示利用可旋轉式噴射頭配合相關設備而用於 挖掘隧道等工程之方塊圖； 第5圖為-將第4圖加以具體化之本發明掘進裝置用於 隧道挖掘工程之一實施例示意圖； 第6圖表示機頭上之噴射頭配置例之平面圖； 第7圖表示噴射頭之具體實施例之構造圖； 第8圖為本發明掘進機應用潛遁工程之一實施例之機 頭平面圖； 苐9圖為本發明應用於控掘連續壁槽溝工程之一具體： 實施例之示意圖。 I---------^------1T------# (請先st*背面之注意事項再填寫本頁) 理濟布中.犬淒工消貪合作.ii印¾ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4说格（210X297公釐）