(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの本坑施工に先だち、まずトンネルの頂部付近に導坑を掘削し、この導坑の内壁から、上記導坑に設けられた掘削装置によりトンネル軸に対して垂直な面内においてアーチ状に湾曲した掘削坑を掘削工具により掘削しつつ、この掘削坑に曲がり鋼管を挿入、設置する掘削工法であって、
上記掘削工具は、曲がり鋼管の先端に、略円筒状のケーシングトップが溶接等によって一体に取り付けられるとともに、このケーシングトップ内に、外形略円柱状のデバイスの先端にビットヘッドを有する掘削ビットが、このビットヘッドを上記ケーシングトップの先端から突出させて挿入された構成とされ、また、この掘削ビットの後端には、上記デバイスを介してビットヘッドに打撃力を与えるハンマが連結されるとともに、このハンマのさらに後端側には、それぞれユニバーサルジョイントを介してスクリューオーガが順次連結されており、このスクリューオーガを介して上記デバイスからビットヘッドに回転力が与えられ、
上記掘削装置は、上記掘削坑に設置される曲がり鋼管と略平行に湾曲するレールを備えたベースが、上記レールを導抗の上記掘削坑を形成すべき内壁側に向けて上記導抗内に設置され、このベースの上記内壁側に曲がり鋼管のエントランス、ガイドローラ、パイプクランプ、および溶接装置が設けられるとともに、これとは反対側には推進機が上記レールに沿って進退可能に設けられ、さらにベースの中央部には曲がり鋼管の受け台が設けられた構成とされ、
かかる掘削装置に、先端に上記掘削工具が取り付けられた曲がり鋼管が、その後端が上記推進機に保持されて、レールに沿って推進機と一体に前進可能とされるとともに、その内部に挿入された上記スクリューオーガは、該推進機に内蔵された回転装置に連結されることにより、上記ユニバーサルジョイントを介して回転可能とされ、この回転装置によりスクリューオーガを介して上記掘削工具の掘削ビットを回転しながら、上記ハンマによって掘削ビットに打撃力を与えて掘削坑を掘削するとともに、上記推進機を前進させることにより、スクリューオーガごと曲がり鋼管を上記ガイドローラによって案内しつつ、エントランスから上記掘削坑に建て込んで行くことを特徴とする掘削工法。
【請求項２】
上記曲がり鋼管の挿入、設置後に、周囲の岩盤に薬液等の注入を行うことにより、この曲がり鋼管を支保工としてトンネルの本坑を掘削してゆくことを特徴とする請求項１に記載の掘削工法。
【請求項３】
１本の上記曲がり鋼管が掘削坑に建て込まれたなら、この曲がり鋼管の後端部を上記パイプクランプによって保持するとともに推進機を取り外して後退させ、内部にスクリューオーガが挿入された次の曲がり鋼管を受け台に載置し、スクリューオーガ同士を連結した後、曲がり鋼管を溶接装置によって接合し、さらに受け台に載置された曲がり鋼管の後端に上記推進機を連結して、掘削坑を形成しつつこの曲がり鋼管を挿入し、このような操作を１本ずつ繰り返すことにより、曲がり鋼管を順次建て込んでいくことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の掘削工法。
【請求項４】
上記掘削ビットは、当該掘削ビットの回転に伴いそのビットヘッドの外径が拡縮径する拡径ビットとされ、所定数の曲がり鋼管が建て込まれた後は、スクリューオーガを介して掘削ビットを掘削回転方向と逆方向に回転させて外径を収縮させ、次いで曲がり鋼管を残したまま、推進機を後退させて掘削ビットおよびハンマごとスクリューオーガを１つずつ引き抜いて取り外し、掘削坑に曲がり鋼管だけが建て込まれた支保工を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の掘削工法。
【請求項５】
上記掘削工具として、掘削パイプとされる上記曲がり鋼管の先端に一体に設けられる略円筒状のケーシングトップと、このケーシングトップに回転自在に挿入され、該ケーシングトップの先端に突出して地盤を掘削する掘削ビットとを備え、上記ケーシングトップの外径部の中心軸線に対して上記掘削ビットの回転軸線が偏心している掘削工具を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の掘削工法。
【請求項６】
上記掘削ビットの回転軸線は、上記ケーシングトップの内径部の中心軸線と同軸とされるとともに、この内径部の中心軸線が、当該ケーシングトップの上記外径部の中心軸線に対して偏心していることを特徴とする請求項５に記載の掘削工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曲がりボーリング工法において、アーチ状に湾曲した掘削抗を掘削しつつ曲がり鋼管を打設する掘削工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
最近、特に断面の大きな山岳トンネルの掘削工事における新たな掘削技術が求められている。このような工法では、本坑の掘削時においては支保を考慮せずに掘削サイクルを組み立てることができ、安全かつ短期間でのトンネル掘削を可能とすることが要求される。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、トンネルの本坑施工に先だち、まずトンネルの頂部付近に導坑を掘削し、この導坑の内壁から、上記導坑に設けられた掘削装置によりトンネル軸に対して垂直な面内においてアーチ状に湾曲した掘削坑を掘削工具により掘削しつつ、この掘削坑に曲がり鋼管を挿入、設置する掘削工法であって、上記掘削工具は、曲がり鋼管の先端に、略円筒状のケーシングトップが溶接等によって一体に取り付けられるとともに、このケーシングトップ内に、外形略円柱状のデバイスの先端にビットヘッドを有する掘削ビットが、このビットヘッドを上記ケーシングトップの先端から突出させて挿入された構成とされ、また、この掘削ビットの後端には、上記デバイスを介してビットヘッドに打撃力を与えるハンマが連結されるとともに、このハンマのさらに後端側には、それぞれユニバーサルジョイントを介してスクリューオーガが順次連結されており、このスクリューオーガを介して上記デバイスからビットヘッドに回転力が与えられ、上記掘削装置は、上記掘削坑に設置される曲がり鋼管と略平行に湾曲するレールを備えたベースが、上記レールを導抗の上記掘削坑を形成すべき内壁側に向けて上記導抗内に設置され、このベースの上記内壁側に曲がり鋼管のエントランス、ガイドローラ、パイプクランプ、および溶接装置が設けられるとともに、これとは反対側には推進機が上記レールに沿って進退可能に設けられ、さらにベースの中央部には曲がり鋼管の受け台が設けられた構成とされ、かかる掘削装置に、先端に上記掘削工具が取り付けられた曲がり鋼管が、その後端が上記推進機に保持されて、レールに沿って推進機と一体に前進可能とされるとともに、その内部に挿入された上記スクリューオーガは、該推進機に内蔵された回転装置に連結されることにより、上記ユニバーサルジョイントを介して回転可能とされ、この回転装置によりスクリューオーガを介して上記掘削工具の掘削ビットを回転しながら、上記ハンマによって掘削ビットに打撃力を与えて掘削坑を掘削するとともに、上記推進機を前進させることにより、スクリューオーガごと曲がり鋼管を上記ガイドローラによって案内しつつ、エントランスから上記掘削坑に建て込んで行くものであり、この曲がり鋼管の挿入、設置後に、周囲の岩盤に薬液等の注入を行うことにより、周辺地山の安定を図るとともに、この曲がり鋼管を支保工としてトンネルの本坑を掘削してゆく。従って、このような工法によれば、本坑の掘削前に支保工としての曲がり鋼管が設置されているため、本坑の掘削時においては支保を考慮せずに掘削サイクルを組み立てることができ、安全かつ短期間でのトンネル掘削を可能とすることができる。
【０００４】
ここで、このように地盤に掘削坑を掘削しつつ鋼管を建て込むための掘削工具としては、例えば掘削パイプの先端に一体に取り付けられる略円筒状のケーシングトップと、このケーシングトップに回転自在に挿入され、該ケーシングトップの先端に突出して地盤を掘削する掘削ビットとを備えた掘削工具であって、特にこの掘削ビットが、その回転に伴い外径が拡縮径するビットヘッドを有する、いわゆる拡径ビットが従来知られている。しかして、かかる拡径ビットでは、掘削時にはケーシングトップ先端から突出する上記ビットヘッドが拡径して、該ビットヘッドに与えられる回転打撃力により地盤を掘削しつつ、ケーシングトップごと掘削パイプが前進する一方、掘削パイプが建て込まれた後は、上記ビットヘッドを反対方向に回転させて縮径させることにより、ケーシングトップおよび掘削パイプを地中に残したまま、掘削ビットだけを掘削パイプから引き抜くことができる。
【０００５】
ところが、このような拡径ビットを初めとした掘削工具は、そもそも直管状の掘削パイプを真っ直ぐ地盤に建て込むのに使用されることを前提としており、その掘削ビットの回転軸線は、掘削パイプの中心軸線、すなわちケーシングトップの外径部の中心軸線と同軸とされている。このため、上記工法において、このような掘削工具を、掘削パイプとされる曲がり鋼管の先端に単に取り付けただけでは、この曲がり鋼管が湾曲していることにより、掘削ビットによって掘削された掘削坑の内周と曲がり鋼管の外周との間の間隔が、曲がり鋼管が建て込まれるに従いその湾曲方向側では小さく、逆にこの湾曲方向の反対側では大きくなってゆき、これに案内されるように当該曲がり鋼管は、その湾曲方向の反対側にずれて建て込まれて行くこととなる。そして、これに伴い、この曲がり鋼管の先端に取り付けられた上記掘削工具も、上記湾曲方向の反対側にずれて掘削坑を掘削してゆくこととなるため、このような掘削工具では、掘削坑の方向性を建て込むべき曲がり鋼管の湾曲方向に正確に制御して所定の位置に確実に曲がり鋼管を設置するのは困難となるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明はさらに、上記工法において、掘削の方向性を制御しつつ湾曲した掘削抗を掘削して所定の位置に正確に曲がり鋼管を設置するために、上記掘削工具として、掘削パイプとされる曲がり鋼管の先端に一体に取り付けられる略円筒状のケーシングトップと、このケーシングトップに回転自在に挿入され、該ケーシングトップの先端に突出して地盤を掘削する掘削ビットとを備え、上記ケーシングトップの外径部の中心軸線に対して上記掘削ビットの回転軸線を偏心させた掘削工具を用いたことを特徴とする。しかるに、このような構成の掘削工具によれば、掘削ビットの回転軸線がケーシングトップの外径部の中心軸線に対して偏心していることにより、掘削ビットによって掘削される掘削坑の中心線も、ケーシングトップとともに建て込まれる掘削パイプの中心線に対して偏心することになり、これによって掘削坑の内周と掘削パイプの外周との間の間隔は、上記掘削ビットの回転軸線の偏心方向側が、これとは反対側よりも大きくなる。
【０００７】
従って、例えば上記工法などにおいては、この掘削ビットの偏心方向を曲がり鋼管（掘削パイプ）の湾曲方向と同じ側に設定しておくことにより、曲がり鋼管がその湾曲方向の反対側にずれて建て込まれるのを防ぐことができるとともに、この曲がり鋼管の先端の掘削ビットも、曲がり鋼管が設置されるべき湾曲方向に向けて湾曲するように、その掘削方向を制御することができる。なお、ここで、このように掘削ビットの回転軸線をケーシングトップの中心軸線に対して偏心させるには、例えばケーシングトップの内径部の中心軸線を、外径部の中心軸線に対して偏心させればよく、このような構成をとることにより、掘削ビット自体は従来知られた上記拡径ビットのような掘削ビットをそのまま使用することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１ないし図５は、本発明の一実施形態を示すものである。本実施形態は、図１に示すように、トンネル１の本坑施工に先だち、まずトンネル１の頂部付近に導坑２を掘削し、この導坑２の内壁から、トンネル軸に対して垂直な面内において外側下方に向けて、アーチ状に湾曲した掘削坑３…を掘削工具により掘削しつつ、この掘削坑３に曲がり鋼管４を挿入、設置するものであり、この曲がり鋼管４の挿入、設置後に、周囲の岩盤に薬液等の注入を行うことにより、周辺地山の安定を図るとともに、この曲がり鋼管４…を支保工としてトンネル１の本坑を掘削してゆく。従って、このような工法によれば、本坑の掘削前に支保工としての曲がり鋼管４…が設置されているため、本坑の掘削時においては支保を考慮せずに掘削サイクルを組み立てることができ、安全かつ短期間でのトンネル掘削を可能とすることができる。
【０００９】
図２ないし図４は、本発明の一実施形態に関わる掘削工具を示すものである。図２に示すようにこの掘削工具は、掘削パイプとされる曲がり鋼管１１の先端に、略円筒状のケーシングトップ１２が溶接等によって一体に取り付けられるとともに、このケーシングトップ１２内に、外形略円柱状のデバイス１３の先端にビットヘッド１４を有する掘削ビット１５が、このビットヘッド１４をケーシングトップ１２の先端から突出させて挿入された構成とされている。また、この掘削ビット１５の後端には、上記デバイス１３を介してビットヘッド１４に打撃力を与えるハンマ１６が連結されるとともに、このハンマ１６のさらに後端側には、それぞれユニバーサルジョイント１７…を介してスクリューオーガ１８…が順次連結されており、このスクリューオーガ１８…を介して上記デバイス１３からビットヘッド１４に回転力が与えられる。
【００１０】
ここで、上記掘削ビット１５は、当該掘削ビット１５の回転に伴いそのビットヘッド１４の外径が拡縮径する、上述した拡径ビットとされている。すなわち、この掘削ビット１５では、上記ビットヘッド１４が先端面に多数のチップ１９…が植設された複数のブロック２０…により構成され、これらのブロック２０…が上記デバイス１３の先端に、それぞれ当該掘削ビット１５の回転軸線Ｏから径方向外周側に僅かに離れた軸回りに回動自在に取り付けられていて、掘削ビット１５が上記回転軸線Ｏ回りに掘削回転方向に回転させられた際には、上記ブロック２０…が上記回転軸線Ｏからの外径が拡がるように回転して位置決めされ、逆に掘削ビット１５が上記掘削回転方向と逆回りに回転させられた際には、ブロック２０…が回転軸線Ｏからの外径が収縮するように回転して位置決めされるようになされている。また、当該掘削ビット１５が地盤を掘削することにより発生するくり粉は、上記デバイス１３の先端から排出される排気により、デバイス１３とケーシングトップ１２との間から曲がり鋼管１１内に導入され、スクリューオーガ１８の回転とともに後端側に送られて排出される。
【００１１】
さらに、図３および図４に示すように、略円筒状をなす上記ケーシングトップ１２は、その外径部１２Ａが上記曲がり鋼管１１と等しい外径とされていて、この外径部１２Ａの後端には該曲がり鋼管１１が溶接等によって接合される段部１２Ｂが形成されている。一方、このケーシングトップ１２の内径部１２Ｃは、掘削ビット１５の上記デバイス１３が回転自在に嵌挿可能な大きさとされており、従って当該ケーシングトップ１２内に掘削ビット１５が挿入された状態で、該掘削ビット１５の回転軸線Ｏはこの内径部１２Ｃの中心軸線Ｘと同軸に配置される。そして、このケーシングトップ１２の内径部１２Ｃの中心軸線Ｘは、上記外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対し、平行で、かつ偏心量ｅだけ偏心した位置に配置されており、これに伴い、上記掘削ビット１５の回転軸線Ｏも、ケーシングトップ１２の外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対して上記偏心量ｅだけ偏心した位置に配設されることとなる。
【００１２】
なお、このケーシングトップ１２の内径部１２Ｃの後端側には、上記外径部１２Ａの中心軸線Ｙと同軸で、かつ内径部１２Ｃよりも上記偏心量ｅだけ大きな半径を有する断面円形の拡径部１２Ｄが形成されており、従って、上記内径部１２Ｃはこの拡径部１２Ｄに対し、図４に示すように上記中心軸線Ｘ，Ｙ方向視において、内径部１２Ｃの中心軸線Ｘが外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対して偏心した方向（以下、偏心方向と称する。）で内接するように配設される。また、この内径部１２Ｃと拡径部１２Ｄとの間の部分は、上記偏心方向側から中心軸線Ｘ，Ｙを中心に反対側に向かうに従い漸次幅広となるテーパ面１２Ｅとされ、さらに上記内径部１２Ｃの先端側は、上記中心軸線Ｙを中心として先端側に向かうに従い拡径するテーパ面１２Ｆとされている。
【００１３】
このように構成された掘削工具は、上述した工法において曲がり鋼管１１の先端に取り付けられ、上記導坑２に設けられた掘削装置により、この導抗２の内壁からトンネル軸に対して垂直な面内においてアーチ状に湾曲した掘削坑３…を掘削しつつ、この掘削坑３に上記曲がり鋼管１１を挿入、設置するのに使用される。ここで、この掘削装置は例えば図５に示すように、掘削坑３に設置される曲がり鋼管１１と略平行に湾曲するレール２１を備えたベース２２が、上記レール２１を導抗２の上記掘削坑３を形成すべき内壁２Ａ側（図４において左側）に向けて上記導抗２内に設置され、このベース２２の内壁２Ａ側に曲がり鋼管１１のエントランス（挿入部）２３、ガイドローラ２４、パイプクランプ２５、および溶接装置２６が設けられるとともに、これとは反対側には推進機２７が上記レール２１に沿って進退可能に設けられ、さらにベース２２の中央部には曲がり鋼管１１の受け台２８が設けられた構成とされる。
【００１４】
かかる掘削装置に、先端に上記掘削工具が取り付けられた曲がり鋼管１１は、その後端が上記推進機２７に保持されて、レール２１に沿って推進機２７と一体に前進可能とされるとともに、その内部に挿入された上記スクリューオーガ１８は、該推進機２７に内蔵された図示されない回転装置に連結されることにより、上記ユニバーサルジョイント１７を介して回転可能とされる。そして、この回転装置によりスクリューオーガ１８を介して上記掘削工具の掘削ビット１５を回転しながら、上記ハンマ１６によって掘削ビット１５に打撃力を与えて掘削坑３を掘削するとともに、上記推進機２７を前進させることにより、スクリューオーガ１８ごと曲がり鋼管１１を上記ガイドローラ２４によって案内しつつ、エントランス２３から上記掘削坑３に建て込んで行く。
【００１５】
さらに、こうして１本の曲がり鋼管１１が掘削坑３に建て込まれたなら、この曲がり鋼管１１の後端部を上記パイプクランプ２５によって保持するとともに推進機２７を取り外して後退させ、図５に示すように内部にスクリューオーガ１８が挿入された次の曲がり鋼管１１を受け台２８に載置する。そして、スクリューオーガ１８，１８同士を連結した後、曲がり鋼管１１，１１を溶接装置２６によって接合し、さらに受け台２８に載置された曲がり鋼管１１の後端に上記推進機２７を連結して、上記と同様に掘削坑３を形成しつつこの曲がり鋼管１１を挿入し、このような操作を１本ずつ繰り返すことにより、多数の曲がり鋼管１１…を順次建て込んでいく。さらに、こうして所定数の曲がり鋼管１１…が建て込まれた後は、スクリューオーガ１８…を介して掘削ビット１５を掘削回転方向と逆方向に回転させてブロック２０…の外径を収縮させ、次いで曲がり鋼管１１…を残したまま、推進機２７を後退させて掘削ビット１５およびハンマ１６ごとスクリューオーガ１８…を１つずつ引き抜いて取り外し、掘削坑３に曲がり鋼管１１…だけが建て込まれた支保工を形成する。
【００１６】
しかして、上記構成の掘削工具では、上記曲がり鋼管１１の先端に取り付けられるケーシングトップ１２の外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対して、掘削ビット１５の回転軸線Ｏが偏心させられているので、この回転軸線Ｏの偏心方向を曲がり鋼管１１の湾曲方向に設定することにより、掘削ビット１５によって掘削される掘削坑３の中心線も、ケーシングトップ１２とともに建て込まれる曲がり鋼管１１の中心線に対して上記湾曲方向側に偏心することになり、これによって掘削坑３の内周と曲がり鋼管１１の外周との間の間隔は、上記曲がり鋼管１１の湾曲方向側が、これとは反対側よりも大きくなる。このため、上記推進機２７によって曲がり鋼管１１が建て込まれる際に、曲がり鋼管１１の湾曲方向側で掘削坑３との間隔が小さくなることはなく、従って曲がり鋼管１１が建て込まれるに従いその湾曲方向とは反対側にずれて行くのを防ぐことができるとともに、曲がり鋼管１１先端の掘削ビット１５も、曲がり鋼管１１の湾曲方向に案内されるようにその掘削方向が制御されることとなるので、上記構成の掘削工具によれば、曲がり鋼管１１…の湾曲に合わせて掘削坑３を形成し、所定の位置に確実かつ正確に曲がり鋼管１１…を挿入して設置することが可能となる。
【００１７】
また、本実施形態では、このようにケーシングトップ１２の外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対して掘削ビット１５の回転軸線Ｏを偏心させるに際して、ケーシングトップ１２の内径部１２Ｃの中心軸線Ｘを外径部１２Ａの中心軸線Ｙに対して偏心させるようにしている。このため、本実施形態によれば、掘削ビット１５自体は従来知られた公知の拡径ビット等を使用することが可能となり、上述のような作用効果を奏しつつも、比較的安価な掘削工具を提供することができる。なお、本実施形態では、上記掘削ビット１５としてこのように拡径ビットを使用しているが、掘削すべき地盤が崩壊しやすい場合などには、例えば一般的なダウンザホールビット等を用いることも可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、本坑の掘削前に支保工としての曲がり鋼管が設置されているため、本坑の掘削時においては支保を考慮せずに掘削サイクルを組み立てることができ、安全かつ短期間でのトンネル掘削を可能とすることができる。また、掘削ビットによる掘削方向を掘削パイプの湾曲に合わせて制御することができ、これにより掘削パイプを所定の位置に正確かつ確実に挿入して設置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の概略を示す図である。
【図２】  本発明の一実施形態に係わる掘削工具および該掘削工具が取り付けられた掘削パイプ（曲がり鋼管１１）の側断面図である。
【図３】  図２に示す掘削工具のケーシングトップ１２の側断面図である。
【図４】  図２に示す掘削工具のケーシングトップ１２の正面図である。
【図５】  図２に示す掘削工具により実施形態の工法を行う場合の掘削装置を示す図である。
【符号の説明】
２  導抗
２Ａ  導抗２の内壁
１１  曲がり鋼管（掘削パイプ）
１２  ケーシングトップ
１２Ａ  ケーシングトップ１２の外径部
１２Ｃ  ケーシングトップ１２の内径部
１３  デバイス
１４  ビットヘッド
１５  掘削ビット
１６  ハンマ
１８  スクリューオーガ
２２  ベース
２７  推進機
Ｏ  掘削ビット１５の回転軸線
Ｘ  ケーシングトップ１２の内径部１２Ｃの中心軸線
Ｙ  ケーシングトップ１２の外径部１２Ａの中心軸線
ｅ  中心軸線Ｙに対する中心軸線Ｘの偏心量
【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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