(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
推進装置からの推力によって掘進方向に推進される先導管において、前記先導管の先端に回転駆動可能に装着されるカッタヘッドと、前記カッタヘッドから前記先導管を経由して掘削された土砂を地上まで排出する排土管とを備え、前記カッタヘッドは、先細り状のほぼ部分円錐であって先端部が前記先導管の断面中心を含み且つ基端側にかけて扇状に周面を展開したテーパブロックと、前記テーパブロックの周面に配置した掘削用のビットとから構成してなる先導管の掘進方向修正機構。
【請求項２】
前記カッタヘッドを回転駆動するための駆動モータを前記先導管の内部に配置し、前記カッタヘッドの回転中心と同軸配置されて前記駆動モータに連接される回転軸の周りに回転角度検出用のディスクを備え、更に前記ディスクの外周を観測面として前記回転軸の回動角度を検知する検知手段を備えてなる請求項１記載の先導管の掘進方向修正機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば下水道管渠や地中電線管等の推進工法に用いられる推進装置に係り、特に小口径の推進先導管の掘進方向を設定方向に維持するための掘進方向修正機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管渠等の施工に多用されている推進工法は、予め構築した立坑の中に推進用のジャッキ装置を配置しておき、立坑に開けた発進坑口から先導管をこのジャッキ装置によって掘削方向に推力を与えながら移動させて掘削していくもので、先導管に推進管を１本ずつ接続することによって管渠が構築される。
【０００３】
このような推進工法では、推進機の先導管の進行方向が発進坑口から設計通りの位置と方向に維持されるように厳しく管理する必要がある。すなわち、先導管がジャッキ装置によるスラストと先端のカッターの回転によって地山を掘削していくとき、地山の条件や推進機械の特性によって先導管の進行方向が曲げられてしまうことがある。このため、先導管の指向方向を掘削完了までの期間継続して監視する必要があり、進行方向からずれたときには先導管の姿勢を変更するように制御することで元の設定された掘削方向となるように矯正操作される。
【０００４】
このような先導管の掘進方向を矯正する方法として、従来から首振り方式または斜切り管方式が主に利用されている。
【０００５】
首振り方式は、先導管の先端を球面継手によって先導管本体に連接し、先導管先端の首振りのための油圧ジャッキを配置したものである。そして、首振りを行う先導管先端部はカッタヘッド自身を動かす方法とカッタヘッドの外周に配置したフードを動かす方法がある。
【０００６】
このような首振り式の中で、カッタヘッド自身を首振りさせるものでは、掘進方向の修正が確実にできる点で優れているが、フードを首振りさせるものは若干その修正効果が低いとされている。
【０００７】
一方、斜切り管方式は、パイロット管を用いるものとフードを用いる二つの方式がある。パイロット管方式は、カッタヘッドと同軸上に配置されその先端を斜めにカットして傾斜板で塞いだ形状のパイロット管を備え、推進機を直進させるときにはカッタヘッドとともに回転させ、推進方向を修正するときには先端の斜切り面を曲げる反対方向に位置するようにパイロット管を停止させるようにしたものである。パイロット管の回転を停止させている期間では、パイロット管は径が小さいので土圧抵抗が最小となる方向に曲げられて推進される。したがって、パイロット管の斜切り面の方向を検知すれば掘進が曲がる方向を知ることができる。また、フード式のものは、先導管の先端に設けたフードの先端を斜切りするとともにこのフードからカッタヘッドが出没動作できるようにしたものである。直進掘進のときにはカッタヘッドをフードから突き出して掘削してフードの影響を殺ぎ、方向修正のときにはフードの中にカッタヘッドを後退させ、フードの長さ方向の不同を利用して掘進方向を修正している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、首振り式の場合では、カッタヘッドまたはフードを首振りさせるいずれの構成においても、油圧ジャッキと球面継手が必要である。したがって、油圧ジャッキ及び球面継手が占める容量が大きくなり、特に小口径推進管の場合への対応がむずかしい。一方、油圧ジャッキを小型化することで対応すると、必要な首振りトルクを得るためには高圧の油圧回路が必要であり、作動油のリークや部材の応力等が新たな問題となる。
【０００９】
また、球面継手は製造費用が高くなるほか保守管理も煩雑になりやすく、磨耗等で間隙が大きくなると、油圧ジャッキのストロークがこの間隙によって吸収されてしまい、カッタヘッドやフードの首振り量が不足したり首振り角度の検出が十分にできなくなる。
【００１０】
一方、斜切り管方式のパイロット管を用いるものでは、パイロット管の外径が小さいのでその推進抵抗も低く抑えられるものの、パイロット管と先導管との２段の推進となるので、構造が複雑になりやすい。また、斜切り面を持つフードの場合では、首振り式と比べてその方向修正の機能の面で十分とはいえない。
【００１１】
本発明において解決すべき課題は、構造が簡単で小口径の推進装置への適用も可能な推進装置における掘進方向の修正機構を提供することにある。
【００１２】
本発明は、推進装置からの推力によって掘進方向に推進される先導管において、前記先導管の先端に回転駆動可能に装着されるカッタヘッドと、前記カッタヘッドから前記先導管を経由して掘削された土砂を地上まで排出する排土管とを備え、前記カッタヘッドは、先細り状のほぼ部分円錐であって先端部が前記先導管の断面中心を含み且つ基端側にかけて扇状に周面を展開したテーパブロックと、前記テーパブロックの周面に配置した掘削用のビットとから構成してなることを特徴とする。
【００１３】
このような構成において、前記カッタヘッドを回転駆動するための駆動モータを前記先導管の内部に配置し、前記カッタヘッドの回転中心と同軸配置されて前記駆動モータに連接される回転軸の周りに回転角度検出用のディスクを備え、更に前記ディスクの外周を観測面として前記回転軸の回動角度を検知する検知手段を備えたものとすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の推進機の先端部の要部を示す概略縦断面図、図２は先端側から見た正面図である。
【００１５】
図において、円筒状の先導管１は、その先端側に減速機付きの駆動モータ２を組み込むとともに、この駆動モータ２の出力軸２ａに同軸上でスプライン継手２ｃを介して連結した駆動軸２ｂを支持するヘッドブロック１ａを一体に固定したものである。
【００１６】
先導管１は従来の推進工法で利用されている推進装置と同様に、発進側の立坑から推進ジャッキによって到達立坑側へ圧入される推進管によって推進されるものである。すなわち、発進坑口から地山中に推進装置の推力が推進管を経て先導管１に加えられて地山を掘進していく。そして、推進管を継ぎ足してこの圧入を繰り返し、管渠を構築する。先導管１が到達立坑に達したときにこの先導管１のみが地上側に回収される。
【００１７】
このような推進工法においては、先導管１の推進方向を監視することが重要である。この推進方向の監視のため、発進側の立坑に備えた推進方向監視用のレーザ投光器（図示せず）からのレーザを受けて先導管の１の位置ずれを計測するためのテレビカメラ３ａと先導管１の傾斜を計測する遠隔傾斜計３ｂを配置している。
【００１８】
先導管１のヘッドブロック１ａは、駆動軸２ｂを支持する軸受１ｂとシール用のシール環１ｃを備えるとともに排土チャンバ１ｄを環状に形成したものである。そして、排土チャンバ１ｄの正面側には複数の開口１ｅを開けるとともに背面側には排土管１ｆを連結している。なお、排土管１ｆは従来のものと同様に先端側に圧縮空気の供給配管を接続するとともに基端側を地上に設置したバキュームポンプに接続し、圧縮空気の供給と真空引きによって掘削土砂を排出する。
【００１９】
更に、ヘッドブロック１ａの先端面の外周縁には前方に突き出るリングバンク１ｇを設けるとともに、中心部には円筒状のガイドスリーブ１ｈを設ける。このガイドスリーブ１ｈには駆動軸２ｂが回転自在に差し込まれ、駆動軸２ｂの先端部の六角軸２ｂ−１にはカッタヘッド４が同軸上に連結している。このカッタヘッド４は、ガイドスリーブ１ｈの周りに回転自在に外挿される部分を偏心スリーブ４ａとするとともにこの偏心スリーブ４ａの外周にクラッシャ５を嵌合して一体に固定している。
【００２０】
クラッシャ５は、たとえば先端側を先細りさせた戴頭円錐環であり、偏心スリーブ４ａの偏心によって図３に示すようにクラッシャ５の外周面とリングバンク１ｇの内周面との間が回転に伴って広がったり狭まったりして岩石等の塊を破砕する。なお、クラッシャ５の基端側（図１において右端側）の半径はヘッドブロック１ａの開口１ｅを塞がない程度とすることは無論であり、破砕された岩石や土砂は開口１ｅから排土チャンバ１ｄへ先導管の推進力と排土管の吸引力によって流れ込む。
【００２１】
カッタヘッド４は図２に示すように、中心角が１８０°以下の劣弧状であって先細りさせたテーパブロック４ｂと、コーン型の２列のビット６ａ，６ｂを備えたものである。ビット６ａ，６ｂはそれぞれ異なる回転方向を先端が指向する姿勢として取り付けられ、カッタヘッド４の正転方向及び逆転方向のいずれにも対応して掘削可能であり、最も外周に配置されたものは先導管１の外周より５〜１０ｍｍ程度のオーバーカットができるようにする。
【００２２】
ここで、カッタヘッド４は先導管１の全断面に対して劣弧状の範囲を占めるだけで、テーパブロック４ｂは従来例で説明した斜切り用のパイロット管またはフードと同様に掘削孔内の土圧に対して偏当たりする。そして、この偏当たりを利用して先導管１の掘進方向を修正するので、カッタヘッド４の回動姿勢を知ることが必要である。このため、図１に示すように、先導管１の内部に近接センサ７を設けるとともに、駆動モータ２の出力軸２ａに３枚のディスク８ａ，８ｂ，８ｃを取り付ける。
【００２３】
図４は近接センサ７と３枚のディスク８ａ〜８ｃの位置配列関係を示す概略図であり、ディスク８ａ〜８ｃの外周の出っ張った部分を山８ｄとし、引っ込んだ部分を谷８ｅとする。ディスク８ａの場合では中心角１８０°が山８ｄで残り１８０°が谷８ｅとなり、ディスク８ｂでは中心角９０°の山８ｄと谷８ｅが交互に配置され、ディスク８ｃでは中心角４５°の山８ｄと谷８ｅが交互に配置されている。そして、近接センサ７が山８ｄに接近しているときオンを表示し、同じく谷８ｅに接しているときはオフで表示すれば、４５°刻みで出力軸２ａの回動角度をディジタル表示することができる。
【００２４】
以上の構成において、発進立坑の推進ジャッキによって推進駆動される推進管（図示せず）の先端に連結された先導管１はその先端に取り付けたカッタヘッド４の掘削によって掘進していく。このとき、先導管１の先端のカッタヘッド４は先導管１の回転断面の一部を占めて半径方向に偏っているが、回転掘進によってカッタヘッド４が地山を一様に掘削するので、その掘進方向が曲げられることはない。そして、図５の（ａ）に示すように、ビット６ａ，６ｂによって図中のハッチング領域で示すように先導管１周りにオーバーカットを形成しながら掘進し、カッタヘッド４部分の地山はほぼ円錐台状に掘削される。
【００２５】
なお、カッタヘッド４の回転方向は駆動モータ２の制御によって切り換えることができ、図２において時計方向に回転するときはビット６ａにより掘削し、反時計方向に回転するときには他方のビット６ｂによる掘削が行われる。また、カッタヘッド４が回転するときには、偏心スリーブ４ａの周りに取り付けたクラッシャ５も回転する。すなわち図３においてはリングバンク１ｇに対して下側にクラッシャ５が偏っているが、カッタヘッド４の回転によってその偏心方向が次第に変わっていき、リンクバンク１ｇとクラッシャ５の周面との間が周期的に拡大収縮する。したがって、掘削された岩石の塊等はリングバンク１ｇとの間でクラッシャ５による圧縮を受けて破砕され、掘削土砂や破砕分は開口１ｅから排土チャンバ１ｄに送り込まれ、排土管１ｆから排出される。
【００２６】
ここで、先導管１の掘進進行中に地山に含まれた転石等にカッタヘッド４が衝突したりして推進方向が曲げられてしまうことがあるので、このような曲がりを矯正する。たとえば、テレビカメラ３ａによる撮像によって推進方向が所定の軌道よりも上側に傾いていくことが検知されたときには、図１，図２及び図５の（ａ）に示すように、カッタヘッド４が先導管１の回転断面の上側になる位置で停止させる。このカッタヘッド４の位置の設定は、図４で示した近接センサ７と３枚のディスク８ａ，８ｂ，８ｃを利用することで実行可能である。
【００２７】
次いで、発進立坑の推進ジャッキを駆動して先導管１にスラストを加える。このとき、カッタヘッド４部分が入り込んでいる地山部分は、スラストが加わる前にカッタヘッド４の回転によって軟化し、排土も行われているので密度は疎となっている。すなわち、図５の（ａ）において、カッタヘッド４のテーパブロック４ｂの下側にハッチングで示された領域の地山は軟らかくまた疎になっているので、先導管１にスラストが加わるとカッタヘッド４は図５の（ｂ）に示す矢印の方向を向くような力が加わって姿勢を変える。したがって、導管１は軸線を斜め下向きに次第に変え、その位置も下方に移動する。
【００２８】
このように先導管１の位置が下方に下がったことをテレビカメラ３ａで確認した後には、駆動モータ２を再起動してカッタヘッド４を回転させて掘削を再開する。このとき、この変位の修復状態をテレビカメラ３ａによる撮像によって確認し、修正不良であれば先の修正を繰り返し、先導管１はこの修正された姿勢を基に掘削していき、その結果先導管１の掘進方向は計画位置に補正される。
【００２９】
なお、先導管１の推進方向のずれは上下方向の変位が左右方向よりも掘進には重大な影響を及ぼすので、先導管１の内部に備えた遠隔傾斜計３ｂによって先導管１の変位量の外に傾斜角度を確認して、修正動作を確実に行わせる。すなわち、上下や左右方向の変位に対しては、変位した向きと同じ側にカッタヘッド４を回動させて停止させ、その後は先に説明した要領で先導管１の掘進方向を修正すればよい。
【００３０】
図６〜図８は別の例であって、これはカッタヘッド４に備えるビットを通常使用されている掘削ビットとするとともに、カッタヘッド４の回動角度をアナログ的に検知できるようにしたものである。なお、先の例と同じ構成部材については共通の符号で指示し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図６及び図７に示すように、カッタヘッド４のテーパブロック４ｂには、３列のビット９ａ，９ｂ，９ｃが取り付けられている。これらのビット９ａ〜９ｃは従来から利用されている先導管用のカッタに常用されているものである。そして、先導管１の内部には非接触変位センサ１０を備えるとともに、駆動モータ２の出力軸２ａにはカッタヘッド４の回動姿勢の検知のためのディスク１１を取り付けている。
【００３２】
非接触変位センサ１０は光学式又は電気式のものでディスク１１の周面との間の距離に応じた信号を出力する。そして、ディスク１１は図７に示すように、中心周りの全包囲の半径が一様に変化する外周面を形成したもので、その回転角度と非接触変位センサ１０までの距離の関係を予め演算系に組み込むことによってディスク１１の回転角度を知ることができる。したがって、先の例と同様にディスク１１の回転姿勢を利用してカッタヘッド４の回動角度を検知できる。
【００３３】
この図６〜図８の構成においても、先導管１の掘進方向がずれたとき、その変位方向と同じ側にカッタヘッド４の位置を設定することで、掘進方向の修正が可能である。
【００３４】
なお、ビット９ａ〜９ｃは先の例のコーン型のビット６ａ，６ｂに比べると突き出し長さが短いが、カッタヘッド４周りでの掘削の状況は若干相違する。しかしながら、先導管１の掘進方向の修正においては、いずれのビットを用いてもテーパブロック４ｂの周りの土砂が掘削されて軟化し排土によって疎になるのを利用して方向修正するので、ビットの違いが掘進方向の修正の良否を決めることはなく、いずれの場合でも良好な修正の操作が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明では、カッタヘッドにテーパブロックを形成するだけで掘進方向を修正できるので、加工が難しくて高価な球面継手や油圧ジャッキ等の揺動機構や褶動機構を必要とせず、簡単な構造でコンパクト化でき、小口径の推進機にも最適に利用できる。
【００３６】
請求項２の発明では、先導管内の回転軸の回転角度をその周りのディスクと先導管内に配置した検知手段によって知ることができるので、たとえば発進立坑側から望遠鏡等の光学的な手段で標的を観察して回転角度を知る場合に比べると、標的の遠近を問わず回転角度を正確に把握でき、カッタヘッドの姿勢を適正化して正しい掘進方向への修正が可能となる。また、発進立坑側から先導管まで光の通る空所を設ける必要がないため、推進管内で配管類や電気配線類及び強度材等の配置が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の推進方向修正機構を備えた先導管及びカッタヘッド部分の要部を示す縦断面図である。
【図２】先導管及びカッタヘッドをその先端側から見た正面図である。
【図３】偏心スリーブ周りのクラッシャの偏心構造を示す要部の縦断面図である。
【図４】近接センサとディスクの配置を示す概略図である。
【図５】掘進状況の概略図であって、同図の（ａ）は直進掘進を示し、同図の（ｂ）は下向きに変位した後の推進方向の修正を示す。
【図６】常用の掘削ビットと非接触変位センサを備える例を示す要部の縦断面図である。
【図７】図６の例の正面図である。
【図８】非接触センサとディスクの配置を示す概略図である。
【符号の説明】
１  先導管
１ａ  ヘッドブロック
１ｄ  排土チャンバ
１ｅ  開口
１ｆ  排土管
１ｇ  リングバンク
１ｈ  ガイドスリーブ
２  駆動モータ
２ａ  出力軸
２ｂ  駆動軸
２ｃ  スプライン継手
３ａ  テレビカメラ
３ｂ  遠隔傾斜計
４  カッタヘッド
４ａ  偏心スリーブ
４ｂ  テーパブロック
５  クラッシャ
６ａ，６ｂ  ビット
７  近接センサ
８ａ，８ｂ，８ｃ  ディスク
８ｄ  山
８ｅ  谷
９ａ，９ｂ，９ｃ  ビット
１０  非接触変位センサ
１１  ディスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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