(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材に複数のウオータージェットノズルをそれぞれ対にして複数組配置し、それら各対をなすウオータージェットノズルは前記回転部材に沿って列状に設けられ、かつ半径方向に移動可能に設けられており、そしてそれら各対をなすウオータージェットノズルからの高圧水のジェット流は平面への投影形状が３角形状となるようにジェット流を噴射し、そのウオータージェットノズルからのジェット流を回転部材の前方の地山に噴射させて掘削することを特徴とするシールド掘進工法。
【請求項２】
シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材の外周部から半径方向外方に向かい、互いに内側に傾斜しジェット流が交叉する方向に向いた対のウオータージェットノズルを装着し、それら対のウオータージェットノズルは互いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、かつシールド機の軸線に直角方向の軸線回りに旋回自在に設けられそのウオータージェットノズルから高圧水を地山に噴射させて掘削することを特徴とするシールド掘進工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウオータージェットを用いて掘削するシールド掘進工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シールド機は前面のスポークまたは、面板を回転させ、スポークまたは面板に取り付けたカッタービットにより地盤の掘削を行っていた。そのビット形状は、掘削する地盤により異なり、軟弱地盤においては櫛状（ティース）のビットを使用し、岩盤等の硬質地盤に対してはローラービットを使用していた。
【０００３】
しかし、近年のシールド掘進工法は、軟弱地盤から岩盤までの多様な地盤に対応することが求められるようになってきている。そのため地盤が硬質の場合は、掘削抵抗トルクが大きくなり、それに対応するために、スポーク回転軸の軸受を強化する必要があり、また、回転用モーターの出力を大きくする必要があった。
【０００４】
その結果、軟弱地盤に対しては、過剰なトルク、強度をもつシールド機の設計が必要になっていた。
また、硬質地盤においてはビットの摩耗も大きく、ビット交換に要する費用・時間が、全体の工期・工費を圧迫していた。このような問題は、特に、ローラービットの場合に顕著である。
【０００５】
また、硬質粘土層の掘削作業では、岩盤用のローラービットが前方に突出する形となっているため、掘削抵抗となり掘進を著しく妨げる要因となっていた。
【０００６】
先行技術の特公昭５８−３２２８０号公報には、地盤の掘削にカッターヘッド、カッタービット等を使用しないで、噴射角の異なる複数群のノズルから順次水ジェット噴流を噴射させて地山をゆるませ、スクリューで後方に押し出す装置が開示されている。しかしこの公知技術は、土質やジェットの強弱によって、ジェットの到達距離が異なり、地盤によって地山がゆるむ距離が異なり円滑な掘進を行うのに充分ではない。
【０００７】
また、特開平１−１６９０９３号公報によるシールド工法では、カッター部に複数の高圧水噴射ノズルを設けて水ジェット噴射を行い、地山の部分的先掘りによってカッタービット掘削の抵抗低減をはかってカッタービットの消耗を防止するようにしている。しかしながら、やはりこの公知例でも地盤の軟、硬に応じた余掘りを行い、そしてカッタービットにかかる抵抗を所定の大きさにすることはできない。したがって、依然としてカッタービットの消耗低減の問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のシールド掘進工法は、上記したような従来技術における問題点を解決するために発明されたもので、軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を所定の余掘りを行うことができるシールド掘進工法を提供することを目的としている。
また、本発明は、カッターの摩耗による交換時期および工数の低減、掘進速度の向上をはかることを他の目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材に複数のウオータージェットノズルをそれぞれ対にして複数組配置し、それら各対をなすウオータージェットノズルは前記回転部材に沿って列状に設けられ、かつ半径方向に移動可能に設けられており、そしてそれら各対をなすウオータージェットノズルからの高圧水のジェット流は平面への投影形状が３角形状となるようにジェット流を噴射し、そのウオータージェットノズルからのジェット流を回転部材の前方の地山に噴射させて掘削する。
【００１０】
本発明の実施に際して複数のウオータージェットを列状に設け、ウオータージェット流を交差、あるいは衝突させるジェットノズルを対に構成してジェット流の交差点高さによって余掘り深さをきめるように構成するのが好ましい。
なお、ジェット流を衝突させた場合は、衝突による拡散効果で、より高精度に余掘りを制御できる。
また、噴射水の圧力調節によって地盤強度に応じた掘削をすることが好ましく、たとえば、軟弱地盤であれば低圧水を噴射し、硬質地盤であれば高圧水を噴射して地盤を掘削する。したがって、地盤の軟、硬に拘わらずカッターに与える負荷、損耗を一定値に抑えることができる。また、所定値以下の軟弱な地盤であれば、噴射ノズルによる掘削なしで、ビットによる掘進をさせてもよい。
【００１２】
上記のように、対をなすノズルをそれぞれ２列に分けて設ければ、半径方向への移動により余掘りを調節できる。
すなわち、ノズルを半径方向に移動し、一対となるノズル間距離を大きくすれば、ジェット流の交差点が遠くなり余掘り深さを深くでき、ノズル間距離を小さくすれば、ジェット流の交差点が近くなり余掘り深さを浅くできる。
【００１３】
また、本発明によれば、シールド機前面に回転部材を設けて掘削するシールド掘進工法において、該回転部材の外周部から半径方向外方に向かい、互いに内側に傾斜しジェット流が交叉する方向に向いた対のウオータージェットノズルを装着し、それら対のウオータージェットノズルは互いに内側に向き合う傾斜角を変更可能に設けられ、かつシールド機の軸線に直角方向の軸線回りに旋回自在に設けられそのウオータージェットノズルから高圧水を地山に噴射させて掘削する。
【００１４】
上記の互いに内側に傾斜した対のウオータージェットノズルにより、ジェット流の交差点で深さがきまる余掘りは外周を任意の距離で掘削するいわゆるコピーカッターとして利用できる。
【００１６】
上記によって、対のウオータージェットノズルの向き合う傾斜角を調整してジェット流の交差点高さできまる余掘りができる。また、ノズルを旋回させることで特定位置だけを余掘りさせ、地山をより確実に粉砕できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明のシールド掘進工法の一実施形態を説明する。
図１は、本発明のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズル（以降、ノズルと略記する。）付きのシールド機の側断面を示している。図２は、その正面図である。
【００２０】
図１および図２において、シールド機本体１０に設けられ、カッターモーター５で駆動される主軸６によって回転される回転部材Ｒのスポーク１には、それぞれ複数のノズルが設けられている。
【００２１】
図２の垂直方向に位置するスポーク１において、軸線Ｘ−Ｘに対し、片方（図面の左側）は下向きに傾斜した複数のノズル２ａが縦１列に配置され、それぞれが分岐管１５ａを介して第２の圧水管１４に接続されている。
これに対して軸線Ｘ−Ｘに対し、図面の右側では上向きに傾斜した複数のノズル２ｂが縦１列に配置され、それぞれが別の分岐管Ａ１５ａを介して別の第２の圧水管１４Ａに接続されている。
【００２２】
そして、これらの下向きに傾斜したノズル２ａと上向きに傾斜したノズル２ｂとを対にして、各一対のノズル２ａ、２ｂからのジェット流Ｊ、Ｊの投影形状が３角形状になるように配置されている。
なお、本明細書において符号２はノズルを一般に示す場合に用いている。
【００２３】
図７は、一対のノズル２ａと２ｂとの関係を示したものである。一対のノズル２ａと２ｂ間の距離が移動Ｓ１、Ｓ２によって離れれば、ノズル２ａ、２ｂから噴射されるジェット流Ｊａ、Ｊｂの交差点Ｐがノズル２の先端から離れるようになる。なお、ノズル２のスポーク１への装着は、図２においては９０度間隔で直径にわたっているが、たとえば外周から軸心への半径分のみでもよい。
【００２４】
同様に、ノズル２ａと２ｂ間の距離が近づけば、ノズル２ａ、２ｂから噴射されるジェット流Ｊａ、Ｊｂの交差点Ｐがノズル２の先端に近づくようになっている。
【００２５】
図７においては、カッター３からＹｄまたはＹｓの距離でジェット流Ｊａ、Ｊｂの交差点Ｐとなり、この交差点Ｐでジェット流Ｊａ、Ｊｂが衝突してエネルギーを失うことでジェット流の地山掘削距離を決定するようになっている。
【００２６】
なお、図１、２の例では、ノズル２ａと２ｂのジェット流Ｊ、Ｊは投影形状が３角形状であって交差点Ｐは形成しないが、回転部材が回転することおよびスポーク１内の狭い範囲内にノズル２が配置されているので、実質的には交差点が形成されている。
【００２７】
また、ノズル２ａ、２ｂは図１の例では、それぞれスポーク１に沿って移動できるように設けるのが好ましい。このようにすると実質的な交差点Ｐの位置を変更できる。また例えば図示しないローラービットを一対のノズルの間に設けてもよい。
【００２８】
次に、上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図１および図２によって説明する。
【００２９】
カッターモーター５によって主軸６が回転駆動され、主軸６の前部に設けられたスポーク１と共に明示しないカッターが回転されて前面の地山Ｇが掘削される。そのとき、圧水ポンプ１１からの高圧水が、第１の圧水管１２、送水孔１３、第２の圧水管１４、１４Ａおよび分岐管１５ａ、１５ｂを通ってノズル２ａ、２ｂからジェット流となって噴出し、地山Ｇを掘削する。
【００３０】
ジェット流Ｊによる掘削深さは、地山の軟、硬条件によって回転部材Ｒより前方の所定の深さに決められる。その掘削深さは、図７における余掘り深さＹｄ  （余掘り大）、またはＹｓ（余掘り小）の任意の深さを、ノズル２ａ、２ｂ間距離で調整してもよく、圧力ポンプ１１からの高圧水の圧力を調整してもよい。しかしながら、あらかじめ余掘り深さを一定にする場合には移動は不要となる。
【００３１】
上記のように、ノズル流Ｊによって回転部材Ｒの前部を余掘りして、回転部材Ｒにかかる掘削抵抗を低減させる。
【００３２】
以上説明の図１、２は、土圧式シールド機であるが、本発明は泥水式シールド機にもノズル２を面板に設けることで実施できる。
【００３３】
図３および図４は本発明のシールド掘進工法の第２実施形態を示している。
図３は、本発明のシールド掘進工法に使用するコピーカッターと称せられる半径方向外方の掘削を行うためのウオータージェットノズル付きシールド機の側断面を示している。図４は、その正面図である。
【００３４】
図３および図４において、シールド機本体１０Ａで支持され、カッターモーター５Ａで駆動される主軸６Ａに固着された回転部材Ｒのスポーク１Ａに、ノズル２２ａおよび２２ｂが対で設けられている。
【００３５】
図３および図４に示すように、各スポーク１Ａの外周部に半径方向外方に向かって前後方向に一対となるノズル２２ａ、２２ｂが装着されている。
そして、ノズル２２ａ、２２ｂは、それぞれが分岐管１５Ａａ、１５Ａｂを介して第２の圧水管１４Ａに接続されている。
【００３６】
図８および図９は、前記図３および図４に示した第２実施形態のジェット流交差点の調整方法を示している。一対をなすノズル２２ａと２２ｂ間の角度が回動Ｒ１、Ｒ２することによって角ｄが小になれば、ノズル２２ａ、２２ｂから噴射されるジェット流の交差点ＰＡがノズル２２Ａの先端から離れるようになっている。なお、軸線Ｘ−Ｘ（図３参照）に直角な軸線Ｙ−Ｙに対して旋回自在に構成してもよい。
また、図９における符号１６は回転管を示し、符号１７はスイベルを示している。
【００３７】
同様に、ノズル２２ａと２２ｂ間の互いに内側に傾斜した角度ｄが大になれば、ノズル２２ａ、２２ｂから噴射されるジェット流の交差点ＰＡがノズル２の先端に近づくようになっている。
【００３８】
図８においては、カッター３Ａから距離ＹｄまたはＹｓでジェット流の交差点ＰＡとなり、この交差点ＰＡでジェット流が衝突して噴射エネルギーを失うことでジェット流の地山掘削距離を決定するようになっている。
【００３９】
第２の圧水管１４、１４Ａは、主軸６Ａ内に設けられた圧水孔１３Ａ及び第１の圧水管１２Ａを介して圧水ポンプ１１Ａに連通されている。
なお、符号７Ａはスクリューを示し、符号４Ａはシールドジャッキを示している。
【００４０】
以下、上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図３、図４によって説明する。
【００４１】
カッターモーター５Ａによって主軸６Ａが回転駆動され、主軸６Ａの前部に設けられたスポーク１Ａと共に明示しないカッターが回転され、前面の地山Ｇを掘削する。そのとき、圧水ポンプ１１Ａからの高圧水が、第１の圧水管１２Ａ、送水孔１３Ａ、第２の圧水管１４Ａおよび分岐管１５Ａａ、１５Ａｂを通ってノズル２２ａ、２２ｂからジェット流Ｊとなって噴出し、外周の地山Ｇを掘削する。
【００４２】
ジェット流Ｊによる掘削深さは、地山の軟、硬の条件によって所定の深さに決められる。その掘削深さは、図８における余掘り深さＹｄ（余掘り大）、またはＹｓ（余掘り小）の任意の深さを、ノズル２２ａ、２２ｂ間の傾斜角を調整して行う。
【００４３】
上記のように、ジェット流Ｊによって外周地山Ｇの掘削を、過剰掘削のない所定の余掘りをする。このように半径方向外方と全掘りすることによって掘進機の前進が容易となる。またこの実施形態は図１、図２の実施形態に付加してもよく、或いは回転部材Ｒに公知のビットを設けて掘進させてもよい。
【００４４】
なお、ジェット流に使用する水に高分子ポリマーを添加すれば、ジェット流の収束性がよくなり、掘削能力を向上させるので好ましい。
【００４５】
また、ジェット流の周囲から界面活性剤と空気とを噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。
【００４６】
次に、本発明のシールド掘進工法の第３実施形態を説明する。
図５は、本発明のシールド掘進工法に使用するノズル付きのシールド機の側断面を示している。図６は、その正面図である。
【００４７】
図５および図６において、シールド機本体１０Ｂで支持され、カッターモーター５Ｂで駆動される主軸６Ｂにより回転される回転部材であるスポーク１Ｂには、ノズル３２ａ、３２ｂが設けられている。
【００４８】
図６の垂直および水平方向に位置するスポーク１Ｂ外周部のカッター４０の推進方向後部に、シールド機軸心Ｃを中心としてほぼ対称位置にノズル３２ａ、３２ｂが軸心方向に向けて設けられている。
【００４９】
ノズル３２ａ、３２ｂから噴射されるそれぞれのジェット流Ｊｂは、この例では、図５および図６に示されているように、互いに衝突しないように配設されているが、衝突するような構成でもよい。
ノズル３２ａ、３２ｂは、第２の圧水管１４Ｂ、送水孔１３Ｂ、第１の圧水管１２Ｂを介して圧水ポンプ１１Ｂに接続されている。
【００５０】
上記構成によるシールド掘進機を使用したシールド掘進工法について図５、６によって説明する。
【００５１】
カッターモーター５Ｂによって主軸６Ｂが回転駆動され、主軸６Ｂの前部に設けられたスポーク１Ｂと共にカッター４０が回転され前面の地山Ｇ外周を掘削する。
同時に、圧水ポンプ１１Ｂからの高圧水が、第１の圧水管１２Ｂ、送水孔６Ｂ、第２の圧水管１４Ｂを通ってノズル３２ａ、３２ｂからジェット流Ｊｂとなって噴出し、カッター４０の内側の地山Ｇを掘削する。
【００５２】
なお、上記図５および図６に示す実施形態では、外周部にノズル３２ａ、３２ｂを設け、軸心Ｃ方向に向けてジェット流Ｊｂを噴出しているが、かかる構成に限定せず図１０〜図１２に示すような構成でもよい。
【００５３】
図１０に示す例は、軸心部に設けたノズル３２ｃから半径方向外方に向けてジェット流Ｊｃを噴出しており、この構成では、ジェット流Ｊｃが外周部の面板に衝突して余掘りを防止することができる。
また、図１１の例は、外周部のノズル３２ａから内方に向け、そして軸心部のノズル３２ｃから外方に向けてそれぞれジェット流Ｊａ、Ｊｃを噴射している。
そして、図１２に示す例は、大口径の場合であり、多重にジェットを設けたものである。
なお、これらのジェット流は、いずれも半径方向に向けて噴射され、シールド機前面全体の掘削を行うもので、必要に応じて前方へ向けて若干の角度を付してもよい。
【００５４】
また、ジェット流に使用する水に高分子ポリマーを添加させれば、ジェット流の収束性がよくなり、掘削能力を向上させるので好ましい。
【００５５】
そして、ジェット流の周囲から界面活性剤と空気を噴出させれば、地盤中に微小な気泡を連行、分散させ、掘削土の流動性を改善させるので好ましい。
【００５６】
なお、前記第１、第２および第３の実施形態を必要に応じ、適宜組合せて使用しても良い。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１）  図１、図２に示す（第１実施形態）掘進工法によれば、ウオータージェットによってシールド機前面の地盤を掘削して回転部材にかかる掘削抵抗を低減させるので、回転部材にかけるトルクを地盤強度に拘わりなく地盤の攪拌に必要程度の所定値に抑えることができる。従って、軟弱地盤から硬質地盤までのあらゆる地盤を掘削できる。特に硬質粘土質の地盤では、地盤によるローラービットの抵抗を軽減させる効果が大きい。
（２）  また、回転部材にかけるトルクが所定値以下になるので、スポーク回転用モーターの出力を小さくでき、スポーク回転軸の軸受強度も岩盤や硬質粘性土を配慮した過大なものにする必要がない。そして投影形状を３角形状にしたので、少ないジェット流で掘削でき、ノズルを小型化できる。
（３）  回転部材にかかるトルクが低いので、摩耗が少なく、ビットを設けても、そのビット交換の工期、費用が低減できる。
（４）  図３、図４の（第２実施形態）掘進工法によれば、ウオータージェットによって半径方向外方の掘削が任意所定の深さで掘削できる。
（５）  図５、図６の（第３実施形態）掘進工法によれば、地盤の掘削はスポーク外周のカッターのみとし、内部はすべてウオータージェット掘削にするので、カッター磨耗がなく、交換等が省けて、工期短縮ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズル付きのシールド機の構成を示す側断面図。
【図２】図１の正面図。
【図３】本発明の第２実施形態のシールド掘進工法に使用するウオータージェットノズルを用いたシールド機の構成を示す側断面図。
【図４】図３の正面図。
【図５】本発明の第３実施形態の掘進工法に使用するスポーク外周にジェットノズルを軸心向きに取り付けたシールド機の構成を示す側面図。
【図６】図５の正面図。
【図７】一対のウオータージェットノズル間の距離を変えて余掘りの深さを変える方法を示す図。
【図８】一対のウオータージェットノズルの内側に向き合う傾斜角を変えて余掘りの深さを変える方法を示す図。
【図９】図８のノズル構成図。
【図１０】ジェットノズルを半径方向外方に向け軸心部に配設した実施形態を示す側面図。
【図１１】ジェットノズルを半径方向内方向きおよび外方向きに配設した実施形態を示す側面図。
【図１２】ジェットノズルを多重に配設した実施形態を示す側面図。
【符号の説明】
Ｇ・・・地山
Ｊ・・・ジェット流
１・・・スポーク
２、２ａ、２ｂ・・・ウオータージェットノズル
４・・・シールドジャッキ
５・・・カッターモーター
６・・・主軸
７・・・スクリュー管
１０・・・シールド機本体
１１・・・圧水ポンプ
１２・・・第１の送水管
１３・・・送水孔
１４・・・第２の送水管
１５ａ、１５ｂ・・分岐管
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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