(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定曲率に曲げられ、長さ方向に順次連結される複数の曲がり外管と、
この曲がり外管内に挿入され、長さ方向に順次連結される直線状の内管と、
最先端の内管の先端に設けられた掘削ビットと、
前記曲がり外管の外周面を把持し、この曲がり外管を前方に推進させる外管用推進装置と、
前記内管の基端部を保持するとともに、この内管を回転及び推進させる内管用回転推進装置とから構成され、
前記内管どうしは連結部で連結され、
前記連結部は、前方側に位置する前記内管に接続される連結筒と、
後方側に位置する前記内管に接続される連結ロッドとを有し、
前記連結ロッドの前方側には、長さ方向の両端面に球殻状の摺動面が形成された摺動部材が取り付けられ、
前記連結筒の前記摺動部材を挟み込む位置に、前記摺動面に摺動自在に当接する球面受け座が設けられ、
前記摺動部材は前記球面受け座に対して前記摺動面方向への相対移動が許容された状態で、前記連結筒の長さ方向への移動が拘束され、
前記連結部が、これらの内管を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結するようになされていることを特徴とする曲線掘削装置。
【請求項２】
前記内管どうしの連結部が、一方の内管の端部内周面に形成された第１のスプラインと、他方の内管の端部外周面に形成され、前記第１のスプラインに噛合される第２のスプラインとによって構成され、
前記第２のスプラインの周面及び両側面が、その長さ方向の中間部を頂点として両端部に行くにしたがい漸次狭まるようにテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の曲線掘削装置。
【請求項３】
前記一方の内管の端部に、他方の内管の端面が摺動自在に当接させられる球面受け座が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の曲線掘削装置。
【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、トンネル構築において、トンネル内壁近傍の地盤を改良する際に好適に用いられる曲線掘削装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、トンネルを構築する場合には、図９に太めの２点鎖線で示すように、トンネル構築予定領域Ａの掘削に先立って、このトンネル構築予定領域Ａの内壁近傍の地盤（以下、地盤改良領域と称す）Ｂを改良することが行われている。
これは、トンネル構築予定領域Ａを掘削する際に、地下水の湧水や周辺地盤の沈下等と防止するためにとられる処置である。
【０００３】
そして、この地盤改良領域Ｂを改良する方法として従来では、図９に示すように、前記トンネル構築予定領域Ａの上端部に、パイロット坑Ｃを掘削した後に、、図１０に示すように、直線状の外管１と、この内部に挿入されるとともに、前記外管１の先端部から前方へ突出して位置させられる掘削ビット２を備えた内管３とを備えた掘削装置を用い、図１１に示すように、前記パイロット坑Ｃから前記地盤改良領域Ｂへ向けて、改良剤注入用の注入口Ｄを掘削し、この注入口Ｄに適宜手段を用いて改良剤を注入するとともに、この改良剤を前記地盤改良領域Ｂの地盤中に浸透させることにより、前記地盤改良領域Ｂの地盤を改良するようにしている。
【０００４】
ところで、このような従来の地盤改良方法によると、注入口Ｄを掘削する掘削装置が直線状に形成されていることから、前記地盤改良領域Ｂに均一に改良剤を注入するには、図１１に示すように、前記注入口Ｄを、一つの鉛直方向の断面内において、角度を変えて多数形成する必要がある。
しかしながら、このような方法によると、一つの鉛直面内について多数の注入口Ｄを掘削する必要があることから、作業工程が長期化するといった問題点や、改良剤が均一に注入されないといった問題点がある。
【０００５】
そこで、このような問題点を解消するための一方法として、図１２に一点鎖線で示すように、前記注入口Ｄを、トンネル構築予定領域Ａの内壁面に沿うように湾曲させて形成することが提案されている。
このような注入口Ｄを形成することにより、注入口Ｄとトンネル構築予定領域Ａの内壁面とが略平行となることから、この内壁面に対して均一な厚さに地盤改良領域Ｂを形成することができる。
【０００６】
一方、このような湾曲した注入口Ｄを掘削するために従来では、図１３に示すように、一定の曲率を有する外管５内に、この外管と同一曲率を有する内管６を挿入し、この内管６の先端部に回転駆動機構７を介して掘削ビット８を取り付けた掘削装置を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１３に示す掘削装置を用いて湾曲した注入口Ｄを掘削する場合、外管５及び内管６が、ともに同一曲率で湾曲させられていることにより、外管５に対して内管６を相対回転させることができない。
この結果、内管６の先端に装着されている掘削ビット８を回転させるためには、前述したように、前記内管６の先端部に回転駆動機構７を設け、この回転駆動機構７によって前記掘削ビット８を回転させるようにする必要があるが、この回転駆動機構７を外管５の内部に位置させることにより、この外管５の内径が大きくなってしまう。
また、回転駆動機構７を先端部に設けることによって、作動油等の動力を前記回転駆動機構７まで供給する必要があることから、そのための動力供給手段を外管５内に挿入する必要があり、この点からも外管５の大径化が避けられない。
さらに、掘削ビット８の回転を確保するためには、外管５と内管６との相対回動、あるいは、外管５と回転駆動機構７との相対回動を拘束する必要があり、そのための回転防止機構を外管５内に設ける必要があり、一層外管５の大径化が助長される。
したがって、このような従来の技術においては、注入口Ｄの最小径が制限されてしまうといった不具合がある。
【０００８】
一方、改良する地盤の地質によっては、掘削ビット８の回転のみでは掘削が困難で、この掘削ビット８に軸方向のパーカッションを与えて、地盤に衝撃力を与える必要が生じる。
このために、前記回転駆動機構７に加えて、パーカッション機構を内管６の先端部に併設しようとすると、このパーカッション機構が、ある程度の直線的なストロークを必要とし、かつ、このストロークが、前記外管５とその内径とによって規制されることから、パーカッション機構の能力が制限されてしまう。
さらに、前記パーカッション機構を内管６の基端部に設けることにより、寸法の制約を解除してその大型化を図ることも考えられるが、内管６の先端部には回転駆動機構７が設けられており、この回転駆動機構７が、パーカッション機構によって与えられる衝撃力によって損傷を受けることが想定されるため、有効な解決手段とはなり得ていない。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、曲線掘削を行う際に、極力小径の掘削を可能にする曲線掘削装置を提供することを第１の目的とし、また、パーカッションを伴う掘削を可能にする曲線掘削装置を提供することを第２の目的とする。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の曲線掘削装置は、前述した目的を達成するために、 一定曲率に曲げられ、長さ方向に順次連結される複数の曲がり外管と、この曲がり外管内に挿入され、長さ方向に順次連結される直線状の内管と、最先端の内管の先端に設けられた掘削ビットと、前記曲がり外管の外周面を把持し、この曲がり外管を前方に推進させる外管用推進装置と、前記内管の基端部を保持するとともに、この内管を回転及び推進させる内管用回転推進装置とから構成され、前記内管どうしは連結部で連結され、前記連結部は、前方側に位置する前記内管に接続される連結筒と、後方側に位置する前記内管に接続される連結ロッドとを有し、前記連結ロッドの前方側には、長さ方向の両端面に球殻状の摺動面が形成された摺動部材が取り付けられ、前記連結筒の前記摺動部材を挟み込む位置に、前記摺動面に摺動自在に当接する球面受け座が設けられ、前記摺動部材は前記球面受け座に対して前記摺動面方向への相対移動が許容された状態で、前記連結筒の長さ方向への移動が拘束され、前記連結部が、これらの内管を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結するようになされていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の曲線掘削装置は、請求項１に記載の前記内管どうしの連結部が、一方の内管の端部内周面に形成された第１のスプラインと、他方の内管の端部外周面に形成され、前記第１のスプラインに噛合される第２のスプラインとによって構成され、
前記第２のスプラインの周面及び両側面が、その長さ方向の中間部を頂点として両端部に行くにしたがい漸次狭まるようにテーパー状に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の曲線掘削装置は、請求項１または２に記載の前記一方の内管の端部に、他方の内管の端面が摺動自在に当接させられる球面受け座が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図１ないし図８に基づき説明する。
なお、以下の説明中、図９および図１２と共通する部分については同一符号を用いて説明を簡略化する。
図１中、符号１０は、本実施形態に係わる掘削装置を示し、この掘削装置１０は、一定曲率に曲げられた曲がり外管１１と、この曲がり外管１１に挿入され、先端部に掘削ビット１２が設けられた直線状の内管１３と、前記曲がり外管１１の外周面を把持し、この曲がり外管１１を前方に推進させる外管用推進装置１４と、前記内管１３の基端部を保持するとともに、この内管１３を回転及び推進させる内管用回転推進装置１５とから構成され、これらの外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５とが、前記外管１１と内管１３とを、前記掘削ビット１２が前記外管１１の先端から常時突出するような位置関係に保持するようになされているとともに、前記外管１１及び内管１３が長さ方向に順次連結されるようになされ、かつ、前記内管１３どうしの連結部が、これらの内管１３を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結するようになされた基本構成となっている。
【００１２】
ついで、これらの詳細について説明すれば、前記外管用推進装置１４は、前記曲がり外管１１の基端部（後端部）を回転不可能に把持するように構成されており、また、内管用回転推進装置１５は、本実施形態においては、前記内管１３の基端部を相対回転を拘束した状態で把持してこの内管１３を回転させる回転駆動機構と、この内管１３に軸方向のパーカッションを与えるパーカッション機構（何れも図示略）とを備えている。
そして、これらの外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５は、パイロット抗Ｃに設置された基台１６上に走行可能に設置されており、また、外管用推進装置１４と内管用回転推進装置１５とは、これらにそれぞれ固定される曲がり外管１１と内管１３とが、この内管１３の先端部に取り付けられている掘削ビット１２を前記曲がり外管１１の先端部から所定長さ突出した状態に保持するように、その相対的な位置関係が保持されるようになっている。
【００１３】
また、前記基台１６には、前記外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を、前述した位置関係に保持しつつ前記曲がり外管１１の軸方向に推進させるための推進機構１７が設けられている。
【００１４】
一方、前方に位置させられる内管１３の後端部には、図２に示すように、連結筒１８が螺着されるとともに、溶接等によって一体に固定されており、この連結筒１８の後部内周面には、図３及び図４に詳述するように、直線状の歯によって形成された第１のスプライン１９が形成されている。
【００１５】
また、後方に位置させられる内管１３の先端部には、前記連結筒１８内に挿入される連結ロッド２０が螺着されており、この連結ロッド２０の長さ方向の略中間部には、前記第１のスプライン１９に噛合される第２のスプライン２１が形成されている。
そして、この第２のスプライン２１の各歯２１ａが、周面及び両側面が、その長さ方向の中間部を頂点として両端部に行くにしたがい漸次狭まるようにテーパー状に形成されている。
【００１６】
したがって、これらの第１のスプライン１９と第２のスプライン２１とにより、前記連結筒１８と連結ロッド２０とが、その軸線周りの相対回動が拘束されるとともに、前記軸線を通る面内において所定角度（第２のスプライン２１のテーパの角度）の範囲内で屈曲可能に連結されるようになされている。
【００１７】
また、前記連結ロッド２０の先端部には、摺動部材２２が取り付けられており、この摺動部材２２の先端面が球殻状に突出させられた第１の摺動面２２ａとなされ、かつ、後端面が、球殻状に窪まされた第２の摺動面２２ｂとなされている。
【００１８】
さらに、前記連結筒１８の内部には、前記第１のスプライン１９の先端に当接させられて、前記連結筒１８の後方への移動が拘束され、かつ、前記摺動部材２２の第２の摺動面２２ｂが摺動自在に当接させられる第１の球面受け座２３が設けられているとともに、前記連結筒１８が取り付けられる内管１３の後端部に当接させられることにより、連結筒１８の前方への移動が拘束され、かつ、前記摺動部材２２の第１の摺動面２２ａが摺動自在に当接させられる第２の球面受け座２４が設けられており、これらの第１の球面受け座２３と第２の球面受け座２４とによって、前記摺動部材２２が挟み込まれることにより、この摺動部材２２が、両球面受け座２３・２４の面方向への相対移動が許容された状態で前記連結筒１８の長さ方向への移動が拘束されている。
【００１９】
そして、前記連結筒１８内に、その先端側から、前記第１の球面受け座２３、前記摺動部材２２が取り付けられた連結ロッド２０、さらに、前記摺動部材２２の先端に第２の球面受け座２４を当接させるように順次挿入した後に、この連結筒１８の先端部に内管１３の後端部を螺着して固定することにより、この内管１３の連結部が取り付けられる。
さらに、継ぎ足される後方の内管１３は、前記連結筒１８の後端部から突出させられている連結ロッド２０の後端部に螺着されることにより、相互に連結されるようになっている。
【００２０】
また、相互に連結される内管１３の端面間には弾性材料からなるシール材２５が介装され、掘削時に内管１３内を流れる水の漏れを防止するようになっている。
【００２１】
さらに、本実施形態においては、前記連結筒１８は、前記曲がり外管１１を連結するカプラ２６と重畳する位置に位置させられるようになっている。
【００２２】
ついで、このように構成された掘削装置１０による掘削操作について説明する。
まず、パイロット坑Ｃ内に基台１６を設置した後に、この基台１６上に外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を設置する。
【００２３】
ついで、前端部から掘削ビット１２が所定長さ突出させられた状態で内管１３が挿入された曲がり外管１１の基端部を外管用推進装置１４に固定し、さらに、この曲がり外管１１の基端部から後方に突出させられている前記内管１３の基端部を内管用回転推進装置１５に固定する。
【００２４】
これより、内管用回転推進装置１５によって内管１３を回転させつつ推進機構１７を起動することにより、外管用推進装置１４及び内管用回転推進装置１５を地盤Ｂへ向けて移動させて、前記掘削ビット１２を回転させつつ地盤Ｂに押しつけるとともに、前記内管１３の内部にその基端部から掘削水を供給して、この掘削水を内管１３の先端から地盤Ｂへ向けて噴射する。
これによって、前記掘削ビット１２によって地盤Ｂが掘削されるとともに、掘削土が掘削水と混ぜ合わされてスライム化させられるとともに、このスライムが曲がり外管１１を経て基端部へ向けて搬送されて、この基端部から外部へ排出される。
そして、地盤Ｂの地質に対応し、必要に応じてパーカッション機構を起動して、前記内管１３を介して掘削ビット１２にパーカッションを与えつつ掘削を行う。
このような掘削により、地盤Ｂ中に、前記曲がり外管１１の曲率に沿った注入口Ｄが、図１２に示すように形成される。
【００２５】
そして、前述したような掘削作業に際して、直線状の内管１３が、その連結部において、第１のスプライン１９と第２のスプライン２１とが噛合させられていることにより、前記内管１３に回転が確実に与えられる。
また、第２のスプライン２１が、その周面及び両側面がテーパー状に形成されていることにより、内管１３どうしが、図８にαで示すように、その連結部において折れ曲がることから、これらの内管１３が曲がり外管１１の内面にほぼ沿うように位置させられた状態で回転させられる。
したがって、内管１３と曲がり外管１１との抵抗が小さく抑えられ円滑な掘削が行われる。
さらに、内管１３にパーカッションを与える際にも、連結ロッド２０が摺動部材２２及び第２の球面受け座２４によって前方の内管１３に当接させられていることから、その衝撃力が前方へ確実に伝達される。
【００２６】
ここで、内管１３に対して、その基端部において回転を与えるものであるから、回転のための機構を曲がり外管１１内に設置する必要がなく、この結果、曲がり外管１１内に設置される部材の外径を小さくして、曲がり外管１１の外径を小さくすることができる。
したがって、掘削する注入口Ｄの内径を小さくすることができる。
しかも、内管１３の先端部分に駆動機構が存在していないことにより、内管１３に外部からパーカッションを与えることが可能となり、これによって、曲がり外管１１の大径化を伴うことなく固い地層の掘削を可能にする。
【００２７】
そして、前記曲がり外管１１の長さ分の掘進を行った後に、曲がり外管１１及び内管１３の把持を解放した後に、外管用推進装置１４および内管用回転推進装置１５を後退させるとともに、曲がり外管１１及び内管１３の基端部に、他の曲がり外管１１及び内管１３を継ぎ足し、これらの曲がり外管１１及び内管１３を再度把持して前述した作業を繰り返すことにより、図１２に示すように、所定長さの注入口Ｄをトンネル構築予定領域Ａの内壁面に沿って形成することができる。
【００２８】
なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。
たとえば、内管１３の連結部を曲がり外管の１１のカプラ２６と重畳させて位置させた例について説明したが、これらをずらして位置させることも可能である。
このような構成とすることにより、前記連結部を、曲がり外管１１の大径部に位置させることができ、これによって、連結部の径方向の寸法を大きくすることができ、この連結部の強度を高めて掘削能力を高めることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の掘削装置によれば、直線状の内管を曲がり外管内に挿入し、前記内管の連結部を、その軸線を通る面内において屈曲可能に、かつ、軸線周りの相対回動を拘束した状態で連結したことにより、連結された内管を、曲がり外管の内面にほぼ沿わせることができ、この結果、内管を円滑に回転させることができるとともに、曲線掘削を円滑にかつ確実に行うことができる。
そして、内管に対して、その基端部において回転を与えるものであるから、掘削ビットを回転させるための機構を曲がり外管内に設置する必要がなく、これによって曲がり外管内に設置される部材の外径を小さくして、曲がり外管の外径を小さくすることができ、掘削坑の内径を小さくすることができる。
また、内管の先端部分に駆動機構が存在していないことにより、内管に外部からパーカッションを与えることが可能となり、これによって、曲がり外管の大径化を伴うことなく固い地層の掘削を可能にする。
さらに、直線状の内管を用いることにより、内管の曲げ加工を不要にして、部品コストを軽減することができるといった効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の基本構成を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すもので、内管の一部を破断した正面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すもので、連結筒の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すもので、連結筒の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッドの側面図である。
【図６】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッドの縦断面図である。
【図７】本発明の一実施形態を示すもので、連結ロッドに形成された第１２のスプライン歯部分の拡大図である。
【図８】本発明の一実施形態の動作を説明するための側面図である。
【図９】一般的なトンネルの構築方法を説明するための概略図である。
【図１０】図９に示すトンネル構築方法において注入口掘削に用いられる従来掘削装置を示す要部の断面図である。
【図１１】図９に示すトンネル構築方法にける従来の注入口の掘削方法を示す断面図である。
【図１２】図４に示すトンネル構築方法にける注入口の掘削方法の他の例を示す断面図である。
【図１３】図７に示す注入口の掘削に用いられる従来の掘削装置を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１  外管
２  掘削ビット
３  内管
５  外管
６  内管
７  回転駆動機構
８  掘削ビット
１０  掘削装置
１１  曲がり外管
１２  掘削ビット
１３  内管
１４  外管用推進装置
１５  内管用回転推進装置
１６  基台
１７  推進機構
１８  連結筒
１９  第１のスプライン
２０  連結ロッド
２１  第２のスプライン
２１ａ  歯
２２  摺動部材
２２ａ  第１の摺動面
２２ｂ  第２の摺動面
２３  第１の球面受け座
２４  第２の球面受け座
２５  シール材
２６  カプラ
Ａ  トンネル構築予定領域
Ｂ  地盤改良領域
Ｃ  パイロット坑
Ｄ  注入口
【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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【図１３】
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