WO2022054937A1 - 地盤掘削装置 - Google Patents

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WO2022054937A1
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聡 安斎
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聡 安斎
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    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/0642—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining the shield having means for additional processing at the front end
    • E21D9/0678—Adding additives, e.g. chemical compositions, to the slurry or the cuttings

Definitions

  • the present invention relates to a technique for a ground excavator.
  • a closed shield excavator is used as a ground excavator.
  • Typical examples of excavators include muddy water type shield excavators and mud pressure type shield excavators.
  • the muddy water type shield excavator excavates while stabilizing the face by applying muddy water pressure to the excavation surface (face) in the direction of excavation.
  • the mud pressure type shield excavator excavates the excavated soil into mud and applies a predetermined pressure (mud pressure) to the excavated soil to stabilize the face.
  • the advantages of the muddy water-type excavation method and the mud-pressure type excavation method are utilized.
  • the mud-rich shield excavator works by applying high-concentration muddy water to the face and tail voids to construct a highly water-stopping earth and sand property and prevent the ground from loosening.
  • the excavation section is larger than other methods, the frictional force on the peripheral surface of the propulsion pipe during propulsion is low, and in long-distance propulsion and construction with many curves or large curve angles. Keep the advantage.
  • the excavated soil is liquefied to create high-concentration muddy water by injecting and stirring about 50 to 150% of the excavated soil. Further, by opening and closing the air pinch valve, excavation and excavation are performed while maintaining the excavation chamber pressure in the range of groundwater pressure +0.02 to 0.05 MPa. Then, the liquid soil discharged into the machine under atmospheric pressure is carried out from the mud drainage pipe to the suction tank on the ground by the suction mud drainage device.
  • High-concentration muddy water containing injection material is discharged in front of the excavation cutter.
  • the high-concentration muddy water containing the injection material is also ejected from the tail void toward the outer peripheral portion of the partition wall.
  • the injection material is a liquid containing silica as the main component, and is liquefied by mixing the injection material and excavated soil to create high-concentration muddy water, and the high-concentration muddy water is allowed to act on the face and tail voids. Therefore, it is intended to construct highly water-stopping earth and sand.
  • a boring device is used as a ground excavation device.
  • the boring device comprises a rotary rod and a rotary bit provided at the lower end of the rotary rod.
  • the rotary rod is rotated to drive the rotary bit to rotate, and a hole is drilled to a predetermined depth.
  • the present invention provides a ground excavation device capable of suppressing wear of the rotary blade, extending the life of each component, and reducing the frequency of hole pipes to reduce the time required for maintenance.
  • a rotary blade for excavating the ground a lubricating liquid ejection device for ejecting a lubricating liquid to the rotary blade when excavating the ground, and an oxygen supply device for supplying oxygen to the lubricating liquid.
  • the oxygen supply device has a bubble generation medium that supplies oxygen to the lubricating liquid by using oxygen in a high pressure state as fine bubbles.
  • the ground excavator is a shield excavator, which is an excavation cutter provided with a plurality of rotary blades, a tubular partition wall to which the excavation cutter is attached, an excavation chamber formed by the partition wall, and an opening in the partition wall.
  • a high-concentration muddy water facility that mixes the injection material and excavated soil to create high-concentration muddy water, and one end of which is communicated with the muddy soil port to discharge the excavated soil in the excavation chamber.
  • It is a ground excavation device having a waste soil introduction pipe and a waste soil transport pipe for transporting excavated soil to the ground.
  • the bubble generating medium of the oxygen supply device comprises a first ejection device for ejecting as a liquid and a second ejection device for ejecting high-concentration muddy water as a lubricating liquid from a high-concentration muddy water facility to the outer periphery of the partition wall.
  • a first ejection device for ejecting as a liquid
  • a second ejection device for ejecting high-concentration muddy water as a lubricating liquid from a high-concentration muddy water facility to the outer periphery of the partition wall.
  • the lubricant ejector has a third ejection device for ejecting the consolidated lubricant stored in the lubricant plant on the outer peripheral portion of the partition wall, and the bubble generating medium is consolidated in the lubricant plant.
  • the type lubricant may release oxygen in a high pressure state as fine bubbles.
  • the ground excavation device is a boring device for soil improvement, and is provided with a rotary rod extended in the vertical direction and a rotary bit provided at the lower end of the rotary rod and provided with a plurality of rotary blades for lubrication.
  • the liquid ejection device ejects the lubricating liquid in front of the rotating bit, and the bubble generating medium of the oxygen supply device discharges oxygen in a high pressure state into the lubricating liquid as fine bubbles in the lubricating liquid ejecting device.
  • the bubble generating medium is made of a carbon-based porous material.
  • the lubricity between the excavation cutter and the excavated soil and between the partition wall and the excavated soil is enhanced, and the wear of the rotary blade of the excavation cutter is suppressed. Therefore, the frequency of replacement of each part is reduced, and the distance between the shaft and the shaft can be extended in the excavation method. Furthermore, the maintenance time is reduced, which leads to a shortening of the construction period.
  • the front schematic view which shows the ground excavation apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • the front schematic view which shows the shield excavator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • the front schematic view which shows the ultra-high pressure jet device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.
  • the front schematic view which shows the excavation bit of the ultra-high pressure jet device which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
  • the ground excavation device 1 is a device used when constructing a tunnel in the ground by excavating the ground or performing soil improvement. As shown in FIG. 1, the ground excavation device 1 includes a rotary blade 2 for excavating the ground and a lubricating liquid ejection device 3 for ejecting a lubricating liquid to the rotary blade 2 when excavating the ground. A plurality of rotary blades 2 are arranged on a rotating body 4 that rotates about the propulsion direction as an axis, and the rotary blade 2 is rotated by the rotation of the rotating body 4 to excavate the ground.
  • the lubricant ejection device 3 is a device that ejects a lubricating liquid for improving the lubricity between the rotary blade 2 and the ground.
  • the lubricating liquid ejection device 3 includes a nozzle 3a for ejecting the lubricating liquid and a storage container 3b for storing the lubricating liquid.
  • the oxygen supply device 5 is a device that supplies oxygen to the lubricating liquid.
  • the oxygen supply device 5 has a bubble generation medium 6 that supplies oxygen to the lubricating liquid using oxygen in a high pressure state as fine bubbles.
  • the shield excavator 11 is a device used when constructing a tunnel in the ground, and is a device for excavating while stabilizing the rotary blade by applying mud water pressure to the excavation surface in the excavation direction.
  • the shield excavator 11 excavates by a mud-rich excavation method, and liquefies the excavated soil by injecting and agitating an injection material of about 50 to 150% of the excavated soil to create high-concentration muddy water.
  • the shield excavator 11 includes an excavation cutter 12, a tubular partition wall 13 to which the excavation cutter 12 is attached, an excavation chamber 14 formed by the partition wall 13, a mud drain port 15 opened in the partition wall 13, and an injection material.
  • the shield excavator 11 has a mud waste introduction pipe 19 having one end communicated with the mud drain port 15 and discharging the excavated soil in the excavation chamber 14, and a mud waste transport pipe 20 for transporting the excavated soil to the ground.
  • a mud waste introduction pipe 19 having one end communicated with the mud drain port 15 and discharging the excavated soil in the excavation chamber 14, and a mud waste transport pipe 20 for transporting the excavated soil to the ground.
  • excavation is carried out while maintaining the internal pressure of the excavation chamber 14 in the range of groundwater pressure +0.02 to 0.05 MPa. Then, the discharged liquid excavated soil is carried out from the waste soil transport pipe 20 to the suction tank 21 on the ground.
  • the excavation cutter 12 of the shield excavator 11 includes a disk member 31 and a plurality of rotary blades 32 arranged concentrically on the disk member 31.
  • the disk member 31 is provided so that the axial direction is parallel to the excavation direction. By rotating the excavation cutter 12, the ground is excavated by the rotary blade 32.
  • the high-concentration muddy water facility 16 is a facility for creating high-concentration muddy water ejected from the first ejection device 17A and the second ejection device 17B by turbidizing the excavated soil carried out to the suction tank 21 and the injection material.
  • the injection material is a liquid containing water containing silica material as a main component, and is liquefied by mixing the injection material and excavated soil to create high-concentration muddy water.
  • the high-concentration muddy water ejected from the first ejection device 17A is configured to have a larger proportion of the injection material than the high-concentration muddy water ejected from the second ejection device 17B.
  • the high-concentration muddy water ejected from the first ejection device 17A makes it easy to excavate the ground and enhances the fluidity of the excavated soil.
  • the high-concentration muddy water ejected from the second ejection device 17B can reduce the friction of the outer peripheral portion of the partition wall.
  • the first ejection device 17A is a form of a lubricating liquid ejection device, and is a device that ejects high-concentration muddy water as a lubricating liquid in front of the excavation cutter 12 from the high-concentration muddy water equipment 16.
  • the first ejection device 17A is provided with a nozzle for ejecting the lubricating liquid, and ejects the high-concentration muddy water created in the high-concentration muddy water facility 16 toward the front of the excavation cutter 12.
  • the high-concentration muddy water ejected toward the front of the excavation cutter 12 and the excavated soil are mixed and cut by the excavation cutter 12. At this time, the presence of fine bubbles between the excavated cutter 12 and the excavated soil reduces the chance of contact between the excavated soil and the excavated soil 12 and enhances the lubricity.
  • the second ejection device 17B is a form of a lubricating liquid ejection device, and ejects high-concentration muddy water from the high-concentration muddy water equipment 16 to the outer peripheral portion of the partition wall 13 as a lubricating liquid.
  • the second ejection device 17B includes a nozzle provided on the outer peripheral portion of the partition wall 13, and ejects the high-concentration muddy water created in the high-concentration muddy water facility 16 toward the outer peripheral portion of the partition wall.
  • the third ejection device 17C is a form of a lubricating liquid ejection device, and ejects a solidified lubricant to the outer peripheral portion of the partition wall 13.
  • the consolidated lubricant is a lubricant that gels by mixing a plurality of liquids stored in the lubricant plant 33. By gelling the lubricant, dilution by groundwater or the like does not occur, and a long-term lubricant effect is obtained. Can be obtained. In addition, gelling after injection fills the voids, making it difficult for unexcavated ground to collapse.
  • the bubble generation medium 38 of the oxygen supply device 37 releases oxygen in a high-pressure state as fine bubbles into the high-concentration muddy water when the injection material and the excavated soil are mixed in the high-concentration muddy water facility 16.
  • the oxygen in the high pressure state is oxygen having a pressure 0 to 1.5 MPa higher than the atmospheric pressure, and the oxygen whose pressure is adjusted by the pressure regulating valve is released into the high concentration muddy water.
  • the bubble generating medium 38 has a large number of fine holes having a diameter of several nm to several tens of ⁇ m. Further, the bubble generation medium 38 is a conductor, and the bubbles generated from the bubble generation medium 38 are negatively charged. In other words, a negative charge is charged by adding free electrons to the hyperfine bubbles when passing through the bubble generation medium 38 which is a conductor. This negative charge can prevent the bubbles from repelling each other and coalescing into large bubbles.
  • the bubble generation medium 38 is made of a carbon-based porous material.
  • the carbon-based porous material is a composite material containing only carbon or carbon and ceramic, and is an inorganic material. Further, a film having a thickness of several nm is formed on the surface of the carbon-based porous material. The film is formed of an inorganic film containing silicon.
  • the fine bubbles mean bubbles having a size (diameter) of less than 100 ⁇ m under normal temperature and pressure.
  • hydrogen sulfide in the ground may be ejected into the tunnel by digging. Hydrogen sulfide sulfides and deteriorates each component of the shield excavator 11. However, since oxygen is contained as fine bubbles in the high-concentration muddy water, hydrogen sulfide can be decomposed into sulfur and water, so that sulfurization of each component can be suppressed. As a result, the life of each component can be extended and the maintenance time can be shortened.
  • the bubble generating medium 38 for the lubricant releases oxygen in a high pressure state as fine bubbles to the consolidated lubricant when the injection material and the excavated soil are mixed in the lubricant plant 33.
  • the overall configuration of the boring device 41 as a ground excavation device will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the boring device 41 cuts the ground to form a circular hole when the ground is improved, and cuts the ground in a soil improvement method for creating a columnar improved body by injecting a hardening agent into the circular hole. It is a device.
  • the bowling device 41 includes a rotary rod 42 and a rotary bit 43 provided at the lower end of the rotary rod 42.
  • the rotary rod 42 is rotated to drive the rotary bit 43 to rotate, and a hole is drilled to a predetermined depth.
  • the excavated mud is carried out of the circular hole.
  • a hardening agent is injected into the circular hole to improve the soil to create a columnar improved body.
  • the boring device 41 includes a lubricating liquid ejection device 45.
  • the lubricant ejection device 45 is a device that ejects a lubricant that can improve the lubricity with the cutting soil when the rotary bit 43 is cut.
  • the lubricating liquid ejection device 45 is provided with an injection nozzle in the vicinity of the rotary bit 43.
  • the bubble generation medium 48 of the oxygen supply device 47 discharges oxygen in a high pressure state into the lubricating liquid as fine bubbles in the lubricating liquid tank 49 that supplies the lubricating liquid to the lubricating liquid ejection device 45.
  • the bubble generating medium 48 has a large number of fine holes having a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m.
  • the bubble generation medium is a conductor, and the bubbles generated from the bubble generation medium are negatively charged. In other words, a negative charge is charged by adding free electrons to the hyperfine bubbles when passing through the bubble generation medium which is a conductor. This negative charge can prevent the bubbles from repelling each other and coalescing into large bubbles.
  • the bubble generation medium 48 is made of a carbon-based porous material.
  • the carbon-based porous material is a composite material containing only carbon or carbon and ceramic, and is an inorganic material. Further, a film having a thickness of several nm is formed on the surface of the carbon-based porous material. The film is formed of an inorganic film containing silicon.
  • the fine bubbles mean bubbles having a size (diameter) of less than 100 ⁇ m under normal temperature and pressure.
  • the lubricating liquid is ejected from the lubricating liquid ejecting device 45.
  • the boring device 41 excavates the ground, fine bubbles are contained in the lubricating liquid ejected from the lubricating liquid ejecting device 45.
  • the high-concentration muddy water ejected toward the front of the rotary bit 43 and the excavated soil are mixed and cut by the rotary bit 43.
  • the presence of fine bubbles between the rotating bit 43 and the excavated soil reduces the chance of contact between the excavated soil and the excavated soil and enhances the lubricity.
  • hydrogen sulfide in the ground may be ejected into the tunnel by digging. Hydrogen sulfide sulphurizes and deteriorates each component of the boring device 41. However, since oxygen is contained as fine bubbles in the lubricating liquid, hydrogen sulfide can be decomposed into sulfur and water, so that sulfurization of each component can be suppressed. As a result, the life of each component can be extended and the maintenance time can be shortened.
  • the ground excavation device 1 includes a rotary blade 2 for excavating the ground, a lubricating liquid ejection device 3 for ejecting a lubricating liquid to the rotary blade 2 when excavating the ground, and oxygen to the lubricating liquid.
  • the oxygen supply device 5 includes an oxygen supply device 5 for supplying oxygen, and the oxygen supply device 5 has a bubble generation medium 6 for supplying oxygen to the lubricating liquid using oxygen in a high pressure state as fine bubbles.
  • the frequency of replacement of each member of the ground excavation device 1 is reduced, and the distance of the vertical shaft to be excavated can be extended. Further, even in boring, the time for replacing the rotary blade 2 is reduced. Similarly, the shield digging method can shorten the construction period. Further, since the diffusivity and the lubricity are improved by using the fine bubbles, the amount of bentonite and the diffusing agent conventionally used for improving the lubricity can be reduced.
  • the oxygen amount 40 to 50 mg / L
  • the duration is also the normal pressure dissolution type. Can be maintained longer than high-concentration oxygenated water.
  • the ground excavation device is a shield excavator 11, a excavation cutter 12 having a plurality of rotary blades 32, a tubular partition wall 13 to which the excavation cutter 12 is attached, an excavation chamber 14 formed by the partition partition 13, and a partition wall.
  • the muddy soil port 15 opened in 13 the high-concentration muddy water facility 16 that mixes the injection material and the excavated soil to create high-concentration muddy water as a lubricant, and one end of which is communicated with the muddy soil port 15 to create the excavation chamber 14.
  • a first ejection device 17A that ejects high-concentration muddy water as a lubricating liquid in front of the cutter 12, and a second ejection device 17B that ejects high-concentration muddy water from the high-concentration muddy water facility 16 to the outer periphery of the partition wall 13 as a lubricating liquid.
  • the bubble generating medium 36 of the oxygen supply device 35 releases oxygen in a high pressure state as fine bubbles into the high concentration muddy water when the injection material and the excavated soil are mixed in the high concentration muddy water facility 16.
  • the bubble generating medium 36 is made of a carbon-based porous material.
  • the lubricant ejection device has a third ejection device 17C for ejecting the solidified lubricant stored in the lubricant plant 33 on the outer peripheral portion of the partition wall 13, and the bubble generating medium 38 is consolidated in the lubricant plant 33. It releases oxygen in a high pressure state to the lubricant as fine bubbles.
  • fine bubbles are contained in the solidified lubricant ejected from the third ejection device 17C. The fine bubbles are repelled in the solidified lubricant to reduce friction at the outer peripheral portion of the partition wall 13.
  • the ground excavation device is a boring device 41 for soil improvement, which is provided with a rotary rod 42 extended in the vertical direction and a rotary bit 43 provided at the lower end of the rotary rod 42 and equipped with a plurality of rotary blades, and ejects a lubricant.
  • the device 45 ejects the lubricating liquid in front of the rotary bit 43, and the bubble generating medium 48 of the oxygen supply device 47 discharges oxygen in a high pressure state into the lubricating liquid as fine bubbles in the lubricating liquid ejection device 45.
  • the bubble generating medium 48 is made of a carbon-based porous material.
  • the ground excavation device is not limited to the shield excavator and the boring device, and can be applied to any excavation machine having a rotary blade.
  • the ultra-high pressure hardener liquid is rotated and sprayed into the ground by the rotation of the nozzle to cut the ground and at the same time create an ultra-high pressure jet device that creates a columnar improved body. It is also applicable to.
  • the present invention can be used in the technology of a ground excavator.

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Abstract

回転刃の摩耗を抑制し、各部品の寿命を延ばし、孔管頻度を下げることでメンテナンスにかかる時間を少なくすることができる地盤掘削装置を提供することを課題とする。地盤掘削装置（１）は、地盤を掘削する回転刃（２）と、地盤を掘削する際に、回転刃（２）に対して潤滑液を噴出する潤滑液噴出装置（３）と、潤滑液に酸素を供給する酸素供給装置（５）とを備え、酸素供給装置（５）は、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液に酸素を供給する気泡発生媒体（６）を有する。

Description

地盤掘削装置
　本発明は、地盤掘削装置の技術に関する。
　従来、地中にトンネルを構築する際には、地盤掘削装置として密閉式のシールド掘進機が用いられる。掘進機の代表的なものとしては、泥水式のシールド掘進機や、泥土圧式のシールド掘進機が挙げられる。泥水式のシールド掘進機は、掘進方向の掘削面（切羽）に泥水圧を作用させて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。一方、泥土圧式のシールド掘進機は、掘削土砂を泥土化し、それに所定の圧力（泥土圧）を与えて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。
　また、泥濃式のシールド掘進機においては、泥水式の掘進工法と泥土圧式の掘進工法の長所を生かすものである。泥濃式のシールド掘進機は、高濃度の泥水を切羽やテールボイドに作用させて、止水性の高い土砂性状の構築を行い、地山の緩み防止を図るものである。泥濃式のシールド掘進工法においては、他の工法よりも大きな掘削断面となり、推進時の推進管周面摩擦力が低くなり、長距離の推進および曲線が多いもしくは曲線角度が大きい場合の施工において優位性を保つ。
　泥濃式のシールド掘進機においては、掘削土の５０～１５０％程度の注入材を注入撹拌することで掘削土を液状化して高濃度泥水を作成する。さらに、エアーピンチバルブを開閉することで掘削室圧を地下水圧＋０.０２～０.０５ＭＰａの範囲で保持しながら掘進排土する。そして、大気圧下の機内に排出された液状土は吸引排泥装置にて排泥土搬送管から地上の吸引タンクに搬出される。
　注入材が含まれる高濃度泥水は、掘削カッターの前方に排出される。また、注入材が含まれる高濃度泥水はテールボイドから隔壁の外周部に向けても噴出される。注入材は、シリカ材を含む水を主成分とした液体であり、注入材と掘削土を混合することで液状化して高濃度泥水を作成し、当該高濃度の泥水を切羽やテールボイドに作用させて、止水性の高い土砂の構築を行うものである。
　しかし、従前の注入材では、液状化した高濃度の泥水と切羽との間に摩擦が発生し、切羽の摩耗や、回転式の掘削カッターへの負荷がかかっていた。そこで、潤滑性を高めることのできる注入材が望まれていた。
　また、トンネルを構築する地盤によっては、硫化水素が発生することがある。硫化水素は、切羽をはじめとした金属製の部品を腐食させて劣化させる。これにより、シールド掘進機の寿命が短縮するおそれがあった。そのため、硫化水素を還元することのできる注入材が求められていた。
　また、地盤改良を行う際に、地盤を切削して円孔を設け、切削と同時に当該円孔に硬化剤を注入することで円柱状の改良体を造成する土壌改良工法において、地盤を切削する地盤掘削装置としてボーリング装置が用いられる。ボーリング装置は、回転ロッドと回転ロッドの下端に設けられた回転ビットと、を備える。地盤を切削する際には、回転ロッドを回転させて回転ビットを回転駆動し、所定の深度まで削孔する。
　この場合、回転ビットと切削土との間に摩擦が発生し、回転ビットの摩耗や、回転ロッドへの負荷がかかっていた。そこで、回転ビットの切削時に切削土との潤滑性を高めることのできる潤滑剤が望まれていた。また、改良を要する地盤によっては、硫化水素が発生することがある。硫化水素は、回転刃をはじめとした金属製の部品を腐食させて劣化させる。これにより、ボーリング装置の寿命が短縮するおそれがあった。そのため、硫化水素による腐食を防ぐことのできる潤滑材が求められていた。
特許第６３７０９５４号公報
　そこで、本発明はかかる課題に鑑み、回転刃の摩耗を抑制し、各部品の寿命を延ばし、孔管頻度を下げることでメンテナンスにかかる時間を少なくすることができる地盤掘削装置を提供する。
　本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
　即ち、本発明においては、地盤を掘削する回転刃と、地盤を掘削する際に、前記回転刃に対して潤滑液を噴出する潤滑液噴出装置と、潤滑液に酸素を供給する酸素供給装置とを備え、酸素供給装置は、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液に酸素を供給する気泡発生媒体を有するものである。
　また、本発明においては、地盤掘削装置はシールド掘進機であり、回転刃を複数備えた掘削カッターと、掘削カッターが取り付けられる筒状の隔壁と、隔壁によって形成される掘削室と、隔壁に開口される排泥土口と、注入材と掘削土を混合して潤滑剤として高濃度泥水を作成する高濃度泥水設備と、一端が前記排泥土口に連通され、前記掘削室内の掘削土砂を排出する排泥土導入管と、掘削土を地上へ搬送する排泥土搬送管と、を有する地盤掘削装置であって、潤滑液噴出装置は、高濃度泥水設備から前記掘削カッターの前方に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第一の噴出装置と、高濃度泥水設備から隔壁の外周部に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第二の噴出装置と、を有し、酸素供給装置の前記気泡発生媒体は、高濃度泥水設備において、注入材と掘削土を混合する際に、高圧状態の酸素を微細気泡として高濃度泥水中へ放出するものであり、気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　また、本発明においては、潤滑液噴出装置は、隔壁の外周部に滑剤プラントに貯蔵された固結型滑剤を噴出する第三の噴出装置を有し、気泡発生媒体は、滑剤プラントにおいて固結型滑剤に高圧状態の酸素を微細気泡として放出するものであってもよい。
　また、本発明においては、地盤掘削装置は土壌改良用のボーリング装置であり、上下方向に延伸した回転ロッドと回転ロッドの下端に設けられ、前記回転刃を複数備えた回転ビットとを備え、潤滑液噴出装置は、前記回転ビットの前方に潤滑液を噴出し、酸素供給装置の前記気泡発生媒体は、前記潤滑液噴出装置において、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液中へ放出するものであり、気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
　本発明においては、高濃度泥水に微細気泡を混入することで掘削カッターと掘削土および隔壁と掘削土の間の潤滑性が高まり、掘削カッターの回転刃の摩耗が抑制される。よって各部品の交換頻度が下がり掘進工法において縦坑と縦坑の距離を伸ばすことができる。さらにメンテナンス時間が少なくなり、工期の短縮に繋がる。
本発明の第一の実施形態に係る地盤掘削装置を示す正面概略図。 本発明の第二の実施形態に係るシールド掘進機を示す正面概略図。 本発明の第三の実施形態に係る超高圧噴流装置を示す正面概略図。 本発明の第三の実施形態に係る超高圧噴流装置の掘削ビットを示す正面概略図。
　次に、発明の実施の形態を説明する。
　地盤掘削装置１は、地盤を掘削することにより地中にトンネルを構築し、または、土壌改良を行う際に用いる装置である。図１に示すように、地盤掘削装置１は、地盤を掘削する回転刃２と、地盤を掘削する際に、回転刃２に対して潤滑液を噴出する潤滑液噴出装置３とを備える。回転刃２は、推進方向を軸心として回転する回転体４上に複数配置されており、回転体４の回転によって、回転刃２を回転させて地盤を掘削するものである。潤滑剤噴出装置３は、回転刃２と地盤との間の潤滑性をよくするための潤滑液を噴出する装置である。
　潤滑液噴出装置３は、潤滑液を噴出するノズル３ａと潤滑液を貯蔵する貯蔵容器３ｂとを備える。
　酸素供給装置５は、潤滑液に酸素を供給する装置である。酸素供給装置５は、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液に酸素を供給する気泡発生媒体６を有する。潤滑液を噴射することにより、回転刃２と地盤との間の潤滑性が向上し、回転刃２の耐久性が向上するだけでなく、作業時間の短縮を図ることが可能となる。
　次に、本発明の一実施形態にかかる地盤掘削装置としてのシールド掘進機１１の全体構成について図２を用いて説明する。
　シールド掘進機１１は、地中にトンネルを構築する際に用いられる装置であり、掘進方向の掘削面に泥水圧を作用させて回転刃の安定を図りつつ掘削を行う装置である。
　シールド掘進機１１は、泥濃式の掘削方法で掘削するものであり、掘削土の５０～１５０％程度の注入材を注入撹拌することで掘削土を液状化して高濃度泥水を作成する。
　シールド掘進機１１は、掘削カッター１２と、掘削カッター１２が取り付けられる筒状の隔壁１３と、隔壁１３によって形成される掘削室１４と、隔壁１３に開口される排泥土口１５と、注入材と掘削土を混合して高濃度泥水を作成する高濃度泥水設備１６と、潤滑液噴出装置である第一の噴出装置１７Ａ、第二の噴出装置１７Ｂ、第三の噴出装置１７Ｃと、を備える。また、シールド掘進機１１は、一端が排泥土口１５に連通され、掘削室１４内の掘削土を排出する排泥土導入管１９と、掘削土を地上へ搬送する排泥土搬送管２０と、を有する。
　泥濃式の掘削方法においては、掘削室１４の内圧を地下水圧＋０.０２～０.０５ＭＰａの範囲で保持しながら掘進する。そして、排出された液状の掘削土は排泥土搬送管２０から地上の吸引タンク２１に搬出される。
　シールド掘進機１１の掘削カッター１２は、円盤部材３１と、円盤部材３１に同心円状に配置された複数の回転刃３２とを備える。円盤部材３１は、掘進方向に対して軸方向が平行となるように設けられている。掘削カッター１２を回転することにより、地盤を回転刃３２で掘削する。
　高濃度泥水設備１６は、吸引タンク２１に搬出された掘削土と、注入材とを混濁することで、第一の噴出装置１７Ａ及び第二の噴出装置１７Ｂから噴出する高濃度泥水を作成する設備である。注入材は、シリカ材を含む水を主成分とした液体であり、注入材と掘削土を混合することで液状化して高濃度泥水を作成する。
　ここで、第一の噴出装置１７Ａから噴出される高濃度泥水は、第二の噴出装置１７Ｂから噴出される高濃度泥水よりも注入材の割合が多くなるように構成されている。このように構成することにより、第一の噴出装置１７Ａから噴出する高濃度泥水は、地山を掘削しやすくし、掘削土の流動性を高めることが可能となる。また、第二の噴出装置１７Ｂから噴出する高濃度泥水は、隔壁外周部の摩擦を軽減することが可能となる。
　第一の噴出装置１７Ａは、潤滑液噴出装置の一形態であり、高濃度泥水設備１６から掘削カッター１２の前方に高濃度泥水を潤滑液として噴出する装置である。第一の噴出装置１７Ａは、潤滑液を噴出するノズルを備え、高濃度泥水設備１６において作成された高濃度泥水を掘削カッター１２の前方に向けて噴出する。掘削カッター１２の前方に向けて噴出された高濃度泥水と掘削土が混合されながら掘削カッター１２によって切削される。この際、微細気泡が掘削カッター１２と掘削土との間に存在することで、掘削土と掘削カッター１２との接触機会が低減し、潤滑性を高めるものである。
　第二の噴出装置１７Ｂは、潤滑液噴出装置の一形態であり、高濃度泥水設備１６から隔壁１３の外周部に高濃度泥水を潤滑液として噴出する。第二の噴出装置１７Ｂは、隔壁１３の外周部に設けられたノズルを備え、高濃度泥水設備１６において作成された高濃度泥水を隔壁の外周に向けて噴出する。
　第三の噴出装置１７Ｃは、潤滑液噴出装置の一形態であり、隔壁１３の外周部に固結型滑剤を噴出する。固結型滑剤は、滑剤プラント３３において貯蔵された複数の液体を混合することによりゲル化する滑剤であり、滑剤がゲル化することにより、地下水等による希釈が発生せず、長期間の滑剤効果を得ることができる。また、注入後ゲル化することで空隙を充填し、未掘削地山が崩壊しにくくなる。
　酸素供給装置３７の気泡発生媒体３８は、高濃度泥水設備１６において、注入材と掘削土を混合する際に、高圧状態の酸素を微細気泡として高濃度泥水中へ放出するものである。
　高圧状態の酸素とは、大気圧よりも０～1．５ＭＰａ高い圧力を有する酸素のことであり、調圧バルブによって圧力が調整された酸素が高濃度泥水中へと放出される。
　気泡発生媒体３８は、直径数ｎｍ～数十μｍの細かな孔を多数有している。また、気泡発生媒体３８は導電体であり、気泡発生媒体３８から発生する気泡は負の電荷が帯電される。言い換えれば、導電体である気泡発生媒体３８を通過する際に超微細気泡に自由電子が付加されることにより、負の電荷が帯電するものである。この負の電荷により、気泡同士が互いに反発し、合体して大きな気泡になることを防ぐことができる。
　気泡発生媒体３８は炭素系の多孔質素材で構成される。炭素系の多孔質素材とは、炭素のみ若しくは炭素及びセラミックを含む複合素材であり、無機質の素材である。また、炭素系の多孔質素材の表面には、厚さ数ｎｍの膜が形成されている。前記膜はケイ素を含む無機質の膜で形成されている。ここで微細気泡とは、常温常圧下においてサイズ（直径）が１００μｍ未満の気泡を意味する。
　このように構成することにより、シールド掘進機１１が、円盤部材３１を回転させて回転刃３２で地盤を掘削する際に、第三の噴出装置１７Ｃから噴出する固結型滑剤内に微細気泡が含まれることとなる。微細気泡は、固結型滑剤内で弾けることで、隔壁１３の外周部における摩擦を低減させるものである。
　また、地盤によっては、掘進することで地盤内の硫化水素が坑道内に噴出することがある。硫化水素は、シールド掘進機１１の各部品を硫化させて劣化させる。しかし、高濃度泥水に酸素が微細気泡として含まれることにより、硫化水素を硫黄と水に分解することができるので、各部品の硫化を抑止することができる。これにより、各部品の寿命が延び、メンテナンス時間の短縮を図ることができる。
　また、シールド掘進機１１が、地盤を掘削する際に、隔壁１３の外周側に向かって第二の噴出装置１７Ｂから噴出する高濃度泥水内に微細気泡が含まれることとなる。微細気泡は、高濃度泥水内で弾けることで、隔壁１３と地盤との間に気体の層を作り、潤滑性を向上させるものである。
　また、滑剤用の気泡発生媒体３８は、滑剤プラント３３において、注入材と掘削土を混合する際に、高圧状態の酸素を微細気泡として固結型滑剤へ放出するものである。
　このように構成することにより、二つの液が混合する速度が速くなり素早くゲル状の滑剤となる。また、シールド掘進機１１が、地盤を掘削する際に、隔壁１３の外周側に向かって第三の噴出装置１７Ｃから噴出する滑剤内に微細気泡が含まれることとなる。微細気泡は、高濃度泥水内で弾けることで、隔壁と地盤との間に気体の層を作り、潤滑性を向上させるものである。
　また、別の実施形態においては、地盤掘削装置としてのボーリング装置４１の全体構成について図３および図４を用いて説明する。
　ボーリング装置４１は、地盤改良を行う際に、地盤を切削して円孔を設け、当該円孔に硬化剤を注入することで円柱状の改良体を造成する土壌改良工法において、地盤を切削する装置である。
　ボーリング装置４１は、回転ロッド４２と回転ロッド４２の下端に設けられた回転ビット４３と、を備える。
　地盤を切削する際には、まず回転ロッド４２を回転させて回転ビット４３を回転駆動し、所定の深度まで削孔する。掘削された泥土は円孔の外部に搬出される。円孔を作成後に、当該円孔に硬化剤を注入することで円柱状の改良体を造成する土壌改良を行うものである。
　ボーリング装置４１は、潤滑液噴出装置４５を備える。潤滑液噴出装置４５は、回転ビット４３の切削時に切削土との潤滑性を高めることのできる潤滑剤を噴出する装置である。潤滑液噴出装置４５は、噴射ノズルを備え回転ビット４３の近傍に備えられている。
　酸素供給装置４７の気泡発生媒体４８は、潤滑液噴出装置４５に潤滑液を供給する潤滑液タンク４９において、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液中へ放出するものである。気泡発生媒体４８は、直径数μｍ～数十μｍの細かな孔を多数有している。また、気泡発生媒体は導電体であり、気泡発生媒体から発生する気泡は負の電荷が帯電される。言い換えれば、導電体である気泡発生媒体を通過する際に超微細気泡に自由電子が付加されることにより、負の電荷が帯電するものである。この負の電荷により、気泡同士が互いに反発し、合体して大きな気泡になることを防ぐことができる。
　気泡発生媒体４８は炭素系の多孔質素材で構成される。炭素系の多孔質素材とは、炭素のみ若しくは炭素及びセラミックを含む複合素材であり、無機質の素材である。また、炭素系の多孔質素材の表面には、厚さ数ｎｍの膜が形成されている。前記膜はケイ素を含む無機質の膜で形成されている。ここで微細気泡とは、常温常圧下においてサイズ（直径）が１００μｍ未満の気泡を意味する。
　回転ロッド４２を回転させて回転駆動させるとき、潤滑液噴出装置４５から潤滑液を噴出させる。このように構成することにより、ボーリング装置４１が、地盤を掘削する際に、潤滑液噴出装置４５から噴出する潤滑液内に微細気泡が含まれることとなる。回転ビット４３の前方に向けて噴出された高濃度泥水と掘削土が混合されながら回転ビット４３によって切削される。この際、微細気泡が回転ビット４３と掘削土との間に存在することで、掘削土と回転ビット４３との接触機会が低減し、潤滑性を高めるものである。
　また、地盤によっては、掘進することで地盤内の硫化水素が坑道内に噴出することがある。硫化水素は、ボーリング装置４１の各部品を硫化させて劣化させる。しかし、潤滑液に酸素が微細気泡として含まれることにより、硫化水素を硫黄と水に分解することができるので、各部品の硫化を抑止することができる。これにより、各部品の寿命が延び、メンテナンス時間の短縮を図ることができる。
　以上のように、地盤掘削装置１は、地盤を掘削する回転刃２と、地盤を掘削する際に、回転刃２に対して潤滑液を噴出する潤滑液噴出装置３と、潤滑液に酸素を供給する酸素供給装置５とを備え、酸素供給装置５は、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液に酸素を供給する気泡発生媒体６を有するものである。
　このように構成することにより、微細気泡として潤滑液に酸素を供給することで地盤掘削装置１の各部材の摩耗が抑制される。これにより、地盤掘削装置１の各部材の交換頻度が下がり掘進する縦坑の距離を伸ばすことができる。また、ボーリングにおいても回転刃２を交換する時間が少なくなる。シールド掘進工法においても同様に工期の短縮を図ることができる。また、微細気泡を用いることで拡散性及び潤滑性が向上するため、潤滑性を向上させるために従来から使われていたベントナイトや拡散剤の使用量を減らすことができるのである。
　また、地下トンネル工事が深度の浅い箇所で行われる際、硫化水素ガスが地盤から噴出することがあるが、酸素を微細気泡として潤滑剤に混入しながら掘削することで硫化水素を酸化させて硫黄にして、各部材の硫化による劣化を抑えることができる。
　また、酸素を微細気泡として混入することで、潤滑液の通常の飽和酸素量の8倍の酸素量（４０～５０ｍｇ／Ｌ）にする事が可能となり、持続時間も通常の加圧溶解式の高濃度酸素水よりも長く維持できる。
　高濃度酸素は生物や環境に対して無害で有るため、自然放流時に自然環境への負荷も低くすることができる。
　また、地盤掘削装置はシールド掘進機１１であり、回転刃３２を複数備えた掘削カッター１２と、掘削カッター１２が取り付けられる筒状の隔壁１３と、隔壁１３によって形成される掘削室１４と、隔壁１３に開口される排泥土口１５と、注入材と掘削土を混合して潤滑剤として高濃度泥水を作成する高濃度泥水設備１６と、一端が前記排泥土口１５に連通され、掘削室１４内の掘削土砂を排出する排泥土導入管１９と、掘削土砂を地上へ搬送する排泥土搬送管２０と、を有する地盤掘削装置であって、潤滑液噴出装置は、高濃度泥水設備１６から掘削カッター１２の前方に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第一の噴出装置１７Ａと、高濃度泥水設備１６から隔壁１３の外周部に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第二の噴出装置１７Ｂと、を有し、酸素供給装置３５の気泡発生媒体３６は、高濃度泥水設備１６において、注入材と掘削土を混合する際に、高圧状態の酸素を微細気泡として高濃度泥水中へ放出するものであり、気泡発生媒体３６は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　このように構成することにより、第一の噴出装置１７Ａから噴出する高濃度泥水は、地山を掘削しやすくし、排泥土の流動性を高めることが可能となる。また、第二の噴出装置１７Ｂから噴出する高濃度泥水は、隔壁外周部の摩擦を軽減することが可能となる。
　また、潤滑液噴出装置は、隔壁１３の外周部に滑剤プラント３３に貯蔵された固結型滑剤を噴出する第三の噴出装置１７Ｃを有し、気泡発生媒体３８は、滑剤プラント３３において固結型滑剤に高圧状態の酸素を微細気泡として放出するものである。
　このように構成することにより、第三の噴出装置１７Ｃから噴出する固結型滑剤内に微細気泡が含まれることとなる。微細気泡は、固結型滑剤内で弾けることで、隔壁１３の外周部における摩擦を低減させるものである。
　また、地盤掘削装置は土壌改良用のボーリング装置４１であり、上下方向に延伸した回転ロッド４２と回転ロッド４２の下端に設けられ、回転刃を複数備えた回転ビット４３とを備え、潤滑液噴出装置４５は、回転ビット４３の前方に潤滑液を噴出し、酸素供給装置４７の気泡発生媒体４８は、潤滑液噴出装置４５において、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液中へ放出するものであり、気泡発生媒体４８は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　このように構成することにより、ボーリング工程において、回転ビット４３と地盤との間に気体の層を作り、潤滑性を向上させるものである。また、潤滑液に酸素が微細気泡として含まれることにより、硫化水素を硫黄と水に分解することができるので、各部品の硫化を抑止することができる。これにより、各部品の寿命が延び、メンテナンス時間の短縮を図ることができる。
　なお、本実施形態に係る地盤掘削装置は、シールド掘進機や、ボーリング装置に限定されるものではなく、回転刃を有する掘削機械であれば適用することができる。例えば、グラウンドアンカー工法において、土留杭や受圧盤の背面地盤をボーリング削孔するための削孔機、港湾、河川、湖沼などに堆積した汚染物質を固化処理するために汚染土壌を掘削する深層処理工法用掘削装置にも適用可能である。また、回転ロッドにより計画深度まで削孔した後、ノズルの回転により超高圧硬化剤液を地盤中に回転して噴射させて、地盤を切削すると同時に円柱状の改良体を造成する超高圧噴流装置にも適用可能である。
　本発明は、地盤掘削装置の技術に利用可能である。
　１　　　地盤掘削装置
　２　　　回転刃
　３　　　潤滑液噴出装置
　３ａ　　ノズル
　３ｂ　　貯蔵容器
　４　　　回転体
　５　　　酸素供給装置
　６　　　気泡発生媒体
　１１　　シールド掘進機
　１２　　掘削カッター
　１３　　隔壁
　１４　　掘削室
　１５　　排泥土口
　１６　　高濃度泥水設備
　１７Ａ　第一の噴出装置（潤滑液噴出装置）
　１７Ｂ　第二の噴出装置（潤滑液噴出装置）
　１７Ｃ　第三の噴出装置（潤滑液噴出装置）
　１９　　排泥土導入管
　２０　　排泥土搬送管
　２１　　吸引タンク
　３１　　円盤部材
　３２　　回転刃
　３３　　滑剤プラント
　３５　　酸素供給装置
　３６　　気泡発生媒体
　３７　　酸素供給装置
　３８　　気泡発生媒体
　４１　　ボーリング装置
　４２　　回転ロッド
　４３　　回転ビット
　４５　　潤滑液噴出装置
　４７　　酸素供給装置
　４８　　気泡発生媒体
　４９　　潤滑液タンク

Claims (4)

  1. 　地盤を掘削する回転刃と、
    　地盤を掘削する際に、前記回転刃に対して潤滑液を噴出する潤滑液噴出装置と、
    　前記潤滑液に酸素を供給する酸素供給装置とを備え、
    　前記酸素供給装置は、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液に酸素を供給する気泡発生媒体を有する、
    　地盤掘削装置。
  2. 　前記地盤掘削装置はシールド掘進機であり、
    　前記回転刃を複数備えた掘削カッターと、
    　前記掘削カッターが取り付けられる筒状の隔壁と、
    　前記隔壁によって形成される掘削室と、
    　前記隔壁に開口される排泥土口と、
    　注入材と掘削土を混合して潤滑剤として高濃度泥水を作成する高濃度泥水設備と、
    　一端が前記排泥土口に連通され、前記掘削室内の掘削土砂を排出する排泥土導入管と、
    　掘削土砂を地上へ搬送する排泥土搬送管と、を有する地盤掘削装置であって、
    　前記潤滑液噴出装置は、
    　前記高濃度泥水設備から前記掘削カッターの前方に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第一の噴出装置と、
    　前記高濃度泥水設備から前記隔壁の外周部に高濃度泥水を潤滑液として噴出する第二の噴出装置と、を有し、
    　前記酸素供給装置の前記気泡発生媒体は、前記高濃度泥水設備において、注入材と掘削土を混合する際に、高圧状態の酸素を微細気泡として高濃度泥水中へ放出するものであり、
    　前記気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されている、
    　請求項１に記載の地盤掘削装置。
  3. 　前記潤滑液噴出装置は、
    　前記隔壁の外周部に滑剤プラントに貯蔵された固結型滑剤を噴出する第三の噴出装置を有し、
    　前記気泡発生媒体は、滑剤プラントにおいて固結型滑剤に高圧状態の酸素を微細気泡として放出する、
    　請求項２に記載の地盤掘削装置。
  4. 　前記地盤掘削装置は土壌改良用のボーリング装置であり、
    　上下方向に延伸した回転ロッドと
    　前記回転ロッドの下端に設けられ、前記回転刃を複数備えた回転ビットとを備え、
    　前記潤滑液噴出装置は、前記回転ビットの前方に潤滑液を噴出し、
    　前記酸素供給装置の前記気泡発生媒体は、前記潤滑液噴出装置において、高圧状態の酸素を微細気泡として潤滑液中へ放出するものであり、
    　前記気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されている、
    　請求項１に記載の地盤掘削装置。
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