回転貫入工法及び回転貫入装置
【課題】小さい推力で効率良く土砂を圧密して推進することで無排土で地中にトンネルを形成する。
【解決手段】公転軸２ｂを中心として公転し且つ該公転軸２ｂから所定距離離隔した自転軸２ａを中心として自転するロータリーヘッド２に対し、略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローター３を、夫々のコーンローター３の軸心３ａをロータリーヘッド２の自転軸２ａの延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸２ａからの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部３ｂを軸心３ａの交差位置側に互いに接近させて配置し、ロータリーヘッド２を公転軸２ｂを中心に公転させつつ自転軸２ａを中心に自転させると共に地山に推進することによって、複数のコーンローター３を交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成する。
【解決手段】公転軸２ｂを中心として公転し且つ該公転軸２ｂから所定距離離隔した自転軸２ａを中心として自転するロータリーヘッド２に対し、略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローター３を、夫々のコーンローター３の軸心３ａをロータリーヘッド２の自転軸２ａの延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸２ａからの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部３ｂを軸心３ａの交差位置側に互いに接近させて配置し、ロータリーヘッド２を公転軸２ｂを中心に公転させつつ自転軸２ａを中心に自転させると共に地山に推進することによって、複数のコーンローター３を交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地山に高い接地圧を作用させて土砂を圧密することで、無排土で地中にトンネルを構築することができる回転貫入工法と、この回転貫入工法を実施する際に利用して有利な回転貫入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地山を掘削することなく土砂を圧密することによって、地中にトンネルを構築する無排土工法がある。無排土工法を実施するシールド装置は、例えば特許文献１に開示されているように、偏心回転する略円錐形のローターを有している。そして、ローターを偏心回転させて地山に圧接させつつ推進することで、土砂を圧密すると共に間隙水を排出してトンネルを構築している。
【０００３】
上記の如く構成されたシールド装置では無排土でトンネルを構築できるものの、ローターに土砂が付着して円滑な作業に支障を来すという問題がある。本件出願人は、前記問題を解決するために、特許文献２に記載された圧入推進装置を発明して特許出願し、既に特許権を取得している。
【０００４】
特許文献２に記載された圧入推進装置は、略円筒形に形成されたシールド本体と、前記シールド本体の前面に配置されて回転可能に構成されたローターヘッドと、前記シールド本体の内部に配置され前記ローターヘッドを駆動する駆動装置と、略円錐形に形成され前記ローターヘッドに回転可能に支持された複数のコーンローターと、を有し、前記複数のコーンローターは、夫々の軸心が前記シールド本体の軸心の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置からシールド本体側に向かってシールド本体の軸心からの距離が大きくなるように傾斜して配置されると共に、頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近して配置されているものである。
【０００５】
上記圧入推進装置では、個々のコーンローターの径は最も大きい円錐形の後端部分である基部であってもローターヘッドの径の１／２以下になる。また、ローターヘッドの中心を中心としてローターヘッドに支持されている複数のコーンローターの基部を結ぶ円は、シールド本体を構成する筒状体の外形と略等しいか僅かに大きい寸法となる。
【０００６】
特許文献２に記載された圧入推進装置では、特許文献１に記載したシールド装置のローターと比較して、個々のコーンローターの外周面が地山に対して接触する面積（接地面積）が小さくなる。このため、圧入推進装置に付与する推力を特許文献１に記載したシールド装置と同じ値とした場合、コーンローターの地山に対する接触圧力（接地圧）は大きくなる。従って、間隙水の排出と、土砂の圧密（締め固め）を確実に行うことができ、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことが可能となる。この結果、コーンローターに付着する土砂の量を軽減すると共に推力を軽減することができるという効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０８−１５８７９４号公報
【特許文献２】特開２００９−００２１０６号公報（特許第４５５１４２７号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された圧入推進装置では、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことが可能となり、推力を軽減することができる。しかし、より効率良く土砂を圧密することができる推進装置の開発が望まれているのが実情である。
【０００９】
本発明の目的は、小さい推力で効率良く土砂を圧密して推進することで無排土で地中にトンネルを形成することができる回転貫入工法と、この回転貫入工法を合理的に実現することができる回転貫入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る回転貫入工法は、公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転するロータリーヘッドに対し、略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローターを、夫々のコーンローターの軸心を前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置し、前記ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させると共に地山に推進することによって、前記複数のコーンローターを交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る回転貫入装置は、シールド本体の前端側に配置されたロータリーヘッドと、略円錐形に形成され前記ロータリーヘッドに回転可能に支持され、夫々の軸心が前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置されると共に頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置された複数のコーンローターと、前記ロータリーヘッドを駆動して、該ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させる駆動装置と、を有し、前記駆動装置は、前記ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成され前記ロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、シールド本体の内部に配置され前記駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、前記ロータリーヘッドは、前記内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定されると共に、前記駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る回転貫入工法では、ロータリーヘッドに対し、複数のコーンローターを夫々のコーンローターの軸心をロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置している。そして、前記ロータリーヘッドを、公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転し得るように構成している。
【００１３】
ロータリーヘッドを公転軸を中心として公転させつつ、自転軸を中心として自転させると、ロータリーヘッドの公転及び自転に伴って、各コーンローターは交互に地山に対する接近と離隔を繰り返すように動く。このため、各コーンローターが地山に接近したときに該地山に圧接して土砂を圧密し、地山から離隔したときには土砂に対する圧密を行うことがない。従って、付与された推力は地山に圧接しているコーンローターに集中することとなり、高い圧力を持って土砂を圧密することができる。即ち、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことができる。
【００１４】
また、本発明に係る回転貫入装置では、駆動装置が、ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成されロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、ロータリーヘッドには内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定され、且つ該ロータリーヘッドは駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されている。このため、前記原動機によって駆動軸を駆動すると、ロータリーヘッドは主軸部を中心とし、該主軸部と偏心軸部との偏心量に応じた円周に沿って偏心回転する。同時に、ロータリーヘッドの歯車がシールド本体に設けた内歯歯車と噛合しつつ噛合位置を変更することによって自転する。
【００１５】
従って、ロータリーヘッドに設けたコーンローターは、ロータリーヘッドの公転軸を中心とする公転と、自転軸を中心とする自転とが合成された運動を行うこととなり、この合成運動に伴って地山に対して圧接、離脱を繰り返すこととなる。そして、地山に対して圧接したとき、土砂を圧密することができ、地山から離脱したとき、土砂に対して何ら力を加えることがない。従って、シールド本体に作用する推力は略全てがコーンローターによる地山への圧接力となり、効率良く土砂を圧密することができ、又は推力を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】回転貫入装置の全体構成を説明する部分断面図である。
【図２】回転貫入装置の構成を説明する断面図である。
【図３】回転貫入装置の構成を説明すると共にコーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する正面図である。
【図４】コーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する側面図である。
【図５】第２実施例に係る回転貫入装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る回転貫入工法について説明する。本発明に係る回転貫入工法は、ロータリーヘッドを公転軸を中心として公転させつつ自転させることによって、複数のコーンローターを地山に対して圧接と離隔を繰り返させ、地山に圧接させたときに土砂を圧密して拡径し得るようにしたものである。そして、ロータリーヘッドを公転及び自転させつつ地山中に推進することで、無排土でトンネルを構築し得るようにしたものである。
【００１８】
特に、コーンローターによって土砂を圧密するのに伴って地山から過剰水を排出し、排出された過剰水によってコーンローターを湿らすことで、該コーンローターに付着する土砂の量を軽減させることが可能である。
【００１９】
また、本発明に係る回転貫入装置は上記回転貫入工法を合理的に実施するための装置であり、ロータリーヘッドを公転軸を中心とする公転及び自転させつつ、後方から推力を付与することで、無排土でトンネルを構築することが可能である。回転貫入装置に対し後方から推力を付与する構造は限定するものではなく、構築するトンネルの目的に応じて最適な構造を採用することが好ましい。
【００２０】
例えば地中に管路を敷設するような場合には、回転貫入装置に後続させたヒューム管や合成樹脂管等の管を介して推力を付与することが可能である。この場合、目的の管路に従って発進立坑と到着立坑を構築しておき、発進立坑に設けた推力付与装置（例えば元押し装置）によって推進し、回転貫入装置が到着立坑に到着したときに回収することが可能である。
【００２１】
また、地中に現場打ち杭を構築するような場合には、回転貫入装置の後端に剛性を持った軸部材を接続し、この軸部材を油圧シリンダーによって駆動することで推力を付与することが可能である。この場合、目的の深さまでトンネルを構築した後、油圧シリンダーを駆動して軸部材及び回転貫入装置の両方を地中から引き上げることで、回収することが可能である。
【００２２】
次に、回転貫入装置の実施例について図１〜図３を用いて説明し、合わせて回転貫入工法について説明する。尚、本実施例に係る回転貫入装置Ａは、地中に下水道管路を敷設することを目的として構成されており、回転貫入装置Ａを構成するテールシールド２０の後端にヒューム管Ｂを後続させる（図４参照）と共に、該ヒューム管Ｂに対して推力を付与することで、回転貫入装置Ａを推進し得るように構成されている。特に、回転貫入装置Ａに推力を付与する構成は、セミシールド工法を実施する際に利用する元押し装置と同様の構成のものを採用することが可能である。
【００２３】
回転貫入装置Ａは、略円筒形に形成され目的のトンネルＣの径と略等しい外径を有するシールド本体１を有している。シールド本体１の前端側には、公転軸２ｂを中心として公転しつつ自転軸２ａを中心として自転するロータリーヘッド２が配置されている。ロータリーヘッド２の外径は、公転軸２ｂと自転軸２ａとの偏心量に応じた寸法分シールド本体１の外形よりも小さく形成されている。このため、ロータリーヘッド２が公転軸２ｂを中心として公転している間、該ロータリーヘッド２の外周面がシールド本体１の外周面よりも突出することはない。
【００２４】
ロータリーヘッド２には、複数（本実施例では３個）のコーンローター３が配置されている。コーンローター３は略円錐形に形成され、ロータリーヘッド２に自由回転可能に支持されている。後述するように、夫々のコーンローター３は軸心３ａがロータリーヘッド２の自転軸２ａに対し、先端側で接近し、ロータリーヘッド２側で離隔するように傾斜して配置されている。また、ロータリーヘッド２は、駆動装置５によって、公転軸２ｂを中心に公転させつつ自転軸２ａを中心に自転し得るように構成されている。
【００２５】
上記駆動装置５は、ロータリーヘッド２の公転軸２ｂと一致した軸心を有する主軸部６ｂと該主軸部６ｂの先端側に形成されロータリーヘッド２の自転軸２ａと一致した軸心を有する偏心軸部６ａとを有する駆動軸６と、シールド本体１とテールシールド２０とで構成された室内に配置され駆動軸６を駆動する原動機７と、シールド本体１の前面の所定位置に固定された内歯歯車８と、を有して構成され、ロータリーヘッド２には、駆動装置５を構成する歯車であって前記内歯歯車８の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車９が固定され、該ロータリーヘッド２は駆動軸６の偏心軸部６ａに対し回転可能に装着されている。
【００２６】
ロータリーヘッド２の公転数については特に限定するものではなく、地山の性状等の条件に応じて適宜設定することが好ましい。しかし、ロータリーヘッド２の公転数が設定されたとき、該ロータリーヘッド２の自転数は、内歯歯車８及び歯車９の歯数に対応して一義的に設定される。即ち、ロータリーヘッド２の公転数（駆動軸６の回転数）を毎分Ｎ回転とし、内歯歯車８の歯数をＺｉ、歯車９の歯数をＺｏとしたとき、ロータリーヘッド２の自転数ｎは、ｎ＝（Ｚｉ−Ｚｏ）×Ｎ／Ｚｉの式で表される。
【００２７】
従って、設計段階で内歯歯車８の歯数Ｚｉ、歯車９の歯数Ｚｏを決定することによって、駆動軸６の回転数Ｎに対応させてロータリーヘッド２の公転数Ｎ、自転数ｎを設定することが可能である。特に、原動機７の回転数を直接可変し、或いは原動機７と変速装置とを組み合わせて変速可能な駆動装置５を採用することによって、駆動軸６を所望の回転数Ｎとし、これにより、ロータリーヘッド２の公転数、自転数を所望の値とすることが可能である。
【００２８】
本実施例では、内歯歯車８の歯数Ｚｉを６１、歯車９の歯数Ｚｏを５８とし、駆動軸６の回転数Ｎを毎分８７回転とすることで、ロータリーヘッド２の自転数ｎを毎分４．２回転に設定している。しかし、本発明がこの数値によって限定されるものではないことは当然である。
【００２９】
シールド本体１の前側の所定位置には、ボス部１ｂを有する隔壁１ａが設けられており、該隔壁１ａ及びボス部１ｂを利用して駆動装置５が構成されている。隔壁１ａの先端側は筒状に突出した筒部１ｃが形成されており、該筒部１ｃの先端部はロータリーヘッド２の基板部２ｃの裏面（ボス部２ｄ側の面）に接近して対向している。
【００３０】
特に、隔壁１ａのシールド本体１の室内側には、電動モーター或いは油圧モーター等の回転駆動装置からなる原動機７が取り付けられている。この原動機７に駆動軸６が取り付けられており、該駆動軸６の主軸部６ｂの軸心（ロータリーヘッド２の公転軸２ｂ）がシールド本体１の軸心と一致して配置されてボス部１ｂを利用して支持されている。即ち、主軸部６ｂは、ボス部１ｂに配置された軸受１１ａによって支持されている。
【００３１】
駆動軸６を構成する主軸部６ｂの先端側に構成された偏心軸部６ａは、ボス部１ｂから突出して配置されている。また、主軸部６ｂと偏心軸部６ａとの接合部位に於いて、駆動軸６の外周部分の一部によってボス部１ｂを覆う筒状部６ｃが形成されており、偏心軸部６ａの先端部と筒状部６ｃの端部に夫々軸受１１ｂが配置され、この軸受１１ｂによってロータリーヘッド２が支持されている。
【００３２】
シールド本体１の隔壁１ａの前端面には内歯歯車８が固定されている。この内歯歯車８の中心軸は、駆動軸６の主軸部６ｂの軸心と一致している。また、内歯歯車８の外周部分にはシール材１２ａが設けられている。
【００３３】
ロータリーヘッド２は、略円盤状の基板部２ｃと、該基板部２ｃから突出して形成されたボス部２ｄと、を有して構成されており、基板部２ｃに自由回転可能な３個のコーンローター３が配置され、ボス部２ｄに駆動系が構成されている。
【００３４】
上記ボス部２ｄの内部は駆動軸６の偏心軸部６ａを受け入れると共に軸受１１ｂと嵌合し得るような空室２ｅが形成されており、ボス部２ｄの端面２ｆから突出してシールド本体１に固定した内歯歯車８と噛合する歯車９が配置されている。また、ボス部２ｄの端面２ｆは、シールド本体１に設けたシール材１２ａと接触してシールすることで、土砂や地下水が空室２ｅの内部に浸入することを防止している。このため、内歯歯車８と歯車９の噛合部位や軸受１１ｂに土砂や地下水が入り込むことがない。
【００３５】
ロータリーヘッド２には複数のコーンローター３、３が回転可能に支持されている。ロータリーヘッド２に配置するコーンローター３の数は特に限定するものではなく、２個以上配置されていれば良い。本実施例では、ロータリーヘッド２に３個のコーンローター３を回転可能に支持している。
【００３６】
ロータリーヘッド２に配置された夫々のコーンローター３は、ロータリーヘッド２の自転軸２ａを中心とする円周上に等角度間隔（本実施例では１２０度間隔）に配置されている。特に、各コーンローター３の軸心３ａは、ロータリーヘッド２の自転軸２ａの延長線上の略同じ位置で交差し、且つ該交差位置から離隔する（シールド本体１側に接近する）のに従って自転軸２ａからの距離が大きくなるように傾斜して配置されている。
【００３７】
このため、ロータリーヘッド２の前面であって各コーンローター３の配置位置には、傾斜したコーンローター３の軸心３ａに対して直交する面を持った取付座２ｇが設けられている。
【００３８】
コーンローター３は頂部３ｂと基部３ｃを有する円錐形に形成されており、基部３ｃ側の内部には軸受室３ｄが形成されている。コーンローター３の基部３ｃの直径は一義的に設定されるものではなく、構築すべきトンネルの径や地盤の性状等の条件及びコーンローター３の外周面のロータリーヘッド２の自転軸２ａに対する傾斜角度、ロータリーヘッド２の偏心量等に対応させて設定される。しかし、基部３ｃの直径はロータリーヘッド２の直径の１／２よりも小さい寸法を有している。
【００３９】
各コーンローター３の基部３ｃの外周部位に外接する円の径は特に限定するものではない。しかし、コーンローター３が最外周に位置したとき（公転軸２ｂ、自転軸２ａ及び軸心３ａが同一線上に配置されたとき）に基部３ｃの外周部分がシールド本体１の外周面と略等しい位置にあるか僅かに突出した位置にあるような寸法であることが好ましい。
【００４０】
尚、コーンローター３は厳密な意味で円錐形である必要はなく、頂部３ｂから基部３ｃにかけての外周面が緩やかな曲線であっても良い。
【００４１】
また、コーンローター３の軸心３ａのロータリーヘッド２の自転軸２ａになす角度は特に限定するものではなく、ロータリーヘッド２に配置された３個のコーンローター３の外周面のロータリーヘッド２の自転軸２ａに対して構成する傾斜角度（構築すべきトンネルの径、地盤の性状等の条件に対応して予め設定される）に対応して設定される。
【００４２】
各コーンローター３の頂部３ｂは、ロータリーヘッド２の自転軸２ａと軸心３ａとの交差位置側に互いに接近して配置されている。このため、コーンローター３の円錐角度は、軸心３ａの自転軸２ａに対する傾斜角度と略等しい角度であることが好ましい。各コーンローター３がこのような円錐角度を有することによって、ロータリーヘッド２に傾斜させて配置したとき、隣接するコーンローター３の基部３ｃが互いに干渉することがない。
【００４３】
コーンローター３の内部に形成された軸受室３ｄは、支持軸１５の支持部１５ａに取り付けた２個の軸受１１ｃ、１１ｄを嵌合し得るような嵌め合い公差を持って形成されている。そして、支持軸１５の支持部１５ａに取り付けられた軸受１１ｃ、１１ｄは、該支持軸１５の先端に締結したナット１６によって所定位置に固着されている。
【００４４】
また支持軸１５の支持部１５ａに連続してシール部１５ｂが形成されており、該シール部１５ｂまでがコーンローター３の軸受室３ｄに嵌め込まれるように構成されている。特に、コーンローター３に形成された軸受室３ｄの基部３ｃ側には、内周面にシール材１２ｂを装着した閉塞部材１７が取り付けられ、該閉塞部材１７によって支持軸１５のシール部１５ｂをシールすることで、土砂や地下水が軸受室３ｄに浸入することを防止し得るように構成されている。
【００４５】
支持軸１５にはシール部１５ｂに連続して取付部１５ｃが形成されている。この取付部１５ｃはロータリーヘッド２に設けた取付座２ｇに形成された取付孔２ｈに対し嵌合されてロータリーヘッド２に固定されている。
【００４６】
従って、予め支持軸１５の支持部１５ａをコーンローター３の軸受室３ｄに軸受１１ｃ、１１ｄを介して嵌合すると共にシール部１５ｂに閉塞部材１７を装着することで、コーンローター３は支持軸１５に自由回転可能に取り付けられる。そして、支持軸１５の取付部１５ｃをロータリーヘッド２の取付座２ｇに形成された取付孔２ｈに嵌合して固定することで、コーンローター３をロータリーヘッド２の前面に自由回転可能に取り付けることが可能である。
【００４７】
シールド本体１には複数のジャッキ２１及びバー２２を介してテールシールド２０が接続されている。ジャッキ２１は油圧シリンダー或いはエアシリンダー等の流体シリンダーによって構成されており、複数のジャッキ２１に対し選択的に圧力流体を供給してロッド２１ａの出没量を調整することで、シールド本体１とテールシールド２０の屈折方向と屈折角度を制御して回転貫入装置Ａの推進方向を制御し得るように構成されている。
【００４８】
またシールド本体１の内部には回転貫入装置Ａの推進方向を監視するための図示しない光学装置が配置され、シールド本体１及びテールシールド２０の内部には駆動装置５を構成する原動機７を制御するための図示しない制御機器類、ジャッキ２１を操作するための図示しない油圧ポンプや制御機器類が配置されている。
【００４９】
更に、回転貫入装置Ａがヒューム管からなる下水道管路を敷設する目的を有する場合、テールシールド２０の後端にはヒューム管Ｂが接続（図４参照）され、図示しない発進坑に設けた元押し装置によって、ヒューム管Ｂを介して推力を付与し得るように構成されている。
【００５０】
上記の如く構成された回転貫入装置Ａに於いて、駆動軸６を構成する主軸部６ｂと偏心軸部６ａとの偏心量については特に限定するものではなく、推進すべき地山の構成に対応させて適宜設定することが好ましい。本実施例では、偏心量を約４．５ｍｍに設定している。従って、ロータリーヘッド２は１回転公転する毎に約９ｍｍ搖動することになる。
【００５１】
次に、上記の如く構成された回転貫入装置Ａによる土砂に対する圧密作用について図３、図４により説明する。図４は回転貫入装置Ａが地中に推進されている状態を示している。
【００５２】
地山に対するトンネルＣの形成は、回転貫入装置Ａの推進と、ロータリーヘッド２の公転軸２ｂを中心とする公転及び自転軸２ａを中心とする自転に伴うコーンローター３による土砂の圧密と、の協働作用によるものである。このため、回転貫入装置Ａの推進時の作用と、ロータリーヘッド２の公転及び自転時の作用と、を分けて説明する。
【００５３】
図４に示すように、回転貫入装置Ａを地中に推進してトンネルＣを形成するに際し、回転貫入装置Ａを構成するテールシールド２０に後続させたヒューム管Ｂの後方から、図示しない元押し装置によって推力Ｆが付与される。回転貫入装置Ａが地中を進行する際に、シールド本体１及びテールシールド２０は地山と接触して摩擦が生じることとなり、摩擦損失Ｆｒが生じる。この結果、コーンローター３には、推力Ｆから摩擦損失Ｆｒを差し引いた力ｆが作用することになる。
【００５４】
図３に示すように、ロータリーヘッド２は、駆動軸６の回転に伴って公転軸２ｂを中心として公転し、同時に歯車９の内歯歯車８に対する噛合によって自転軸２ａを中心としてギヤ比と駆動軸６の回転数に応じて自転する。ロータリーヘッド２の公転、自転に伴って、３個のコーンローター３は互いに位置を変化させつつ、地山に対する接近と離隔を繰り返す。この結果、コーンローター３の基部３ｃは軌跡線２５に沿って搖動することとなる。
【００５５】
そして、コーンローター３が地山に接近したとき、力ｆの作用によってコーンローター３の外周面の一部が略全長にわたって地山と衝突し、このときの衝撃によって土砂を圧密する。ロータリーヘッド２の公転、自転に伴うコーンローター３の地山に対する衝突は交互に行われる。即ち、全てのコーンローター３が同時に衝突することはなく、１個のコーンローター３が地山に衝突しているとき、他の２個のコーンローター３は地山から離隔した位置にある。このため、力ｆは地山に衝突している１個のコーンローター３に集中して作用することとなり、強い力で土砂を圧密し、同時にコーンローター３は土砂との接触摩擦により、軸心３ａを中心として自由回転する。このようにして圧密された土砂の間隙水は容易に吸収され、地中に無排土でトンネルＣを形成することが可能である。
【００５６】
このとき、土砂の圧密に伴って間隙水が吸収されてコーンローター３の外周面を濡らすため、地山の土砂がコーンローター３に付着することがない。
【００５７】
上記の如く、回転貫入装置Ａは後方から付与された推力Ｆによって推進され、ロータリーヘッド２の公転、自転に伴って複数のコーンローター３が地山に対する接近と離隔を繰り返し、この過程で各コーンローター３が交互に地山に衝突して土砂を圧密する。このため、コーンローター３に作用する力ｆは１個のコーンローター３に集中することとなり、高い接地圧を実現することが可能となる。そして、土砂を圧密してコーンローター３の基部３ｃの外接円に対応する寸法に拡径することで、排土することなく地中にトンネルＣを形成することが可能となる。
【００５８】
特に、コーンローター３に作用する力ｆが１個のコーンローター３に集中することで高い接地圧を実現できることから、接地圧が小さくとも充分に圧密が可能な地山の場合、回転貫入装置Ａに付与する推力Ｆの大きさを小さくすることが可能となる。
【００５９】
図４に示すように、地山の土砂を圧密して無排土でトンネルを形成したとき、地山に於ける圧密土砂の径Ｄは、トンネルＣの径をｄ（シールド本体１の外径）としたとき、Ｄ＝１．４１ｄとなり、土砂の圧密によって何等かの影響を受ける部分の径は約４Ｄである。
【００６０】
本件発明者は、回転貫入装置Ａの実験機を作成して地山に貫入させる実験を行った。この実験は、実験機を地面に対し約７５度傾斜させて配置すると共に、後方に油圧シリンダーを接続して推力を付与してトンネルを形成し得るか否かを確認した。その後、推力の大きさを変化させて推進速度の変化を計測し、最終的に形成されたトンネルの状況と、コーンローターに対する土砂の付着状態を確認した。
【００６１】
この実験の結果、地山に対し無排土で良好な形状を持ったトンネルを形成することが可能であり、且つコーンローターに対する土砂の付着も防ぐことが可能であることが確認された。
【００６２】
上記実験について説明する。実験機は、シールド本体の外径を３７０ｍｍとし、原動機を１．７Ｋｗの電動モーターとした。地面に実験機の推進を案内するガイドスタンドを構築し、推進に伴う反力を支持し得るように１３００ｋｇの重量を作用させて固定した。このとき、実験機の地面に対する角度を約７５度となるようにした。実験機の後端にストローク１２００ｍｍの油圧シリンダーを接続した。
【００６３】
油圧シリンダーのストローク３００ｍｍ毎に推力を変化させた。推力の変化は、供給する圧油の圧力を調整して実験機の自重と共に、略６００ｋｇ、略１１００ｋｇ、略１５００ｋｇ、略２１００ｋｇとした。この条件で実験機を推進し、３００ｍｍ推進する際の速度、電流値を計測した。
【００６４】
その結果、推力６００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり５．６トン、推進速度は毎分３０ｍｍであり、電流値は１００Ａ、トルクは５０％であった。また、推力１１００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり１０トン、推進速度は毎分２０ｍｍであり、電流値は１４１Ａ、トルクは８０％であった。また、推力１５００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり１５トン、推進速度は毎分１５ｍｍであり、電流値は１４８Ａ、トルクは１００％であった。更に、推力２１００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり２０トン、推進速度は毎分２０ｍｍであり、電流値は１４８Ａ、トルクは１００％であった。
【００６５】
上記実験結果は、実験機に付与した推力が略６００ｋｇ〜略２１００ｋｇであることを考慮すると、従来から用いられているセミシールド掘進機と比較して充分に対抗し得るものである。
【００６６】
次に、第２実施例に係る回転貫入装置Ａの構成について図５により説明する。本実施例の回転貫入装置Ａは、主な構成は前述した回転貫入装置Ａと同じであり、図に於いて、前述の第１実施例と同一部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を伏して説明を省略する。
【００６７】
本実施例の回転貫入装置Ａは、間隙水の少ない乾燥した地山に無排土でトンネルを形成する際に滑材を供給し得るように構成したものである。このため、シールド本体１に設けた隔壁１ａに貫通する貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０を介してシールド本体１の筒部１ｃとロータリーヘッド２との間に形成された室３１に滑材を供給し得るように構成されている。
【００６８】
即ち、隔壁１ａにはシールド本体１の内部と前記室３１とを結ぶ貫通孔３０が形成されており、該貫通孔３０のシールド本体１の内部側に逆止弁３２を有するホース３３が接続されている。また、ホース３３には図示しない滑材の供給装置が接続されており、適宜室３１に滑材を供給し得るように構成されている。
【００６９】
室３１に供給された滑材３４は、シールド本体１の筒部１ｃの先端面と、該先端面と対向するロータリーヘッド２の基板部２ｃの裏面との間に形成された隙間３５から地山に供給され、シールド本体１の外周面と地山との接触面の摩擦を軽減させるように作用する。このため、地山が乾燥しているような場合でも、大きな推力を必要とせずに良好な推進を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る回転貫入装置Ａは、ヒューム管Ｂを連続させた管路を敷設するためのトンネルＣを構築する際に利用して有利であるのみならず、各種トンネルを無排土で構築することが可能となり極めて有利である。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ 回転貫入装置
Ｂ ヒューム管
Ｃ トンネル
１ シールド本体
１ａ 隔壁
１ｂ ボス部
１ｃ 筒部
２ ロータリーヘッド
２ａ 自転軸
２ｂ 公転軸
２ｃ 基板部
２ｄ ボス部
２ｅ 空室
２ｆ 端面
２ｇ 取付座
２ｈ 取付孔
３ コーンローター
３ａ 軸心
３ｂ 頂部
３ｃ 基部
３ｄ 軸受室
５ 駆動装置
６ 駆動軸
６ａ 偏心軸部
６ｂ 主軸部
６ｃ 筒状部
７ 原動機
８ 内歯歯車
９ 歯車
１１ａ〜１１ｄ 軸受
１２ａ、１２ｂ シール材
１５ 支持軸
１５ａ 支持部
１５ｂ シール部
１５ｃ 取付部
１６ ナット
１７ 閉塞部材
２０ テールシールド
２１ ジャッキ
２１ａ ロッド
２２ バー
２５ 軌跡線
３０ 貫通孔
３１ 室
３２ 逆止弁
３３ ホース
３４ 滑材
３５ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地山に高い接地圧を作用させて土砂を圧密することで、無排土で地中にトンネルを構築することができる回転貫入工法と、この回転貫入工法を実施する際に利用して有利な回転貫入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地山を掘削することなく土砂を圧密することによって、地中にトンネルを構築する無排土工法がある。無排土工法を実施するシールド装置は、例えば特許文献１に開示されているように、偏心回転する略円錐形のローターを有している。そして、ローターを偏心回転させて地山に圧接させつつ推進することで、土砂を圧密すると共に間隙水を排出してトンネルを構築している。
【０００３】
上記の如く構成されたシールド装置では無排土でトンネルを構築できるものの、ローターに土砂が付着して円滑な作業に支障を来すという問題がある。本件出願人は、前記問題を解決するために、特許文献２に記載された圧入推進装置を発明して特許出願し、既に特許権を取得している。
【０００４】
特許文献２に記載された圧入推進装置は、略円筒形に形成されたシールド本体と、前記シールド本体の前面に配置されて回転可能に構成されたローターヘッドと、前記シールド本体の内部に配置され前記ローターヘッドを駆動する駆動装置と、略円錐形に形成され前記ローターヘッドに回転可能に支持された複数のコーンローターと、を有し、前記複数のコーンローターは、夫々の軸心が前記シールド本体の軸心の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置からシールド本体側に向かってシールド本体の軸心からの距離が大きくなるように傾斜して配置されると共に、頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近して配置されているものである。
【０００５】
上記圧入推進装置では、個々のコーンローターの径は最も大きい円錐形の後端部分である基部であってもローターヘッドの径の１／２以下になる。また、ローターヘッドの中心を中心としてローターヘッドに支持されている複数のコーンローターの基部を結ぶ円は、シールド本体を構成する筒状体の外形と略等しいか僅かに大きい寸法となる。
【０００６】
特許文献２に記載された圧入推進装置では、特許文献１に記載したシールド装置のローターと比較して、個々のコーンローターの外周面が地山に対して接触する面積（接地面積）が小さくなる。このため、圧入推進装置に付与する推力を特許文献１に記載したシールド装置と同じ値とした場合、コーンローターの地山に対する接触圧力（接地圧）は大きくなる。従って、間隙水の排出と、土砂の圧密（締め固め）を確実に行うことができ、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことが可能となる。この結果、コーンローターに付着する土砂の量を軽減すると共に推力を軽減することができるという効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０８−１５８７９４号公報
【特許文献２】特開２００９−００２１０６号公報（特許第４５５１４２７号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された圧入推進装置では、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことが可能となり、推力を軽減することができる。しかし、より効率良く土砂を圧密することができる推進装置の開発が望まれているのが実情である。
【０００９】
本発明の目的は、小さい推力で効率良く土砂を圧密して推進することで無排土で地中にトンネルを形成することができる回転貫入工法と、この回転貫入工法を合理的に実現することができる回転貫入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る回転貫入工法は、公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転するロータリーヘッドに対し、略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローターを、夫々のコーンローターの軸心を前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置し、前記ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させると共に地山に推進することによって、前記複数のコーンローターを交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る回転貫入装置は、シールド本体の前端側に配置されたロータリーヘッドと、略円錐形に形成され前記ロータリーヘッドに回転可能に支持され、夫々の軸心が前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置されると共に頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置された複数のコーンローターと、前記ロータリーヘッドを駆動して、該ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させる駆動装置と、を有し、前記駆動装置は、前記ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成され前記ロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、シールド本体の内部に配置され前記駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、前記ロータリーヘッドは、前記内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定されると共に、前記駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る回転貫入工法では、ロータリーヘッドに対し、複数のコーンローターを夫々のコーンローターの軸心をロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置している。そして、前記ロータリーヘッドを、公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転し得るように構成している。
【００１３】
ロータリーヘッドを公転軸を中心として公転させつつ、自転軸を中心として自転させると、ロータリーヘッドの公転及び自転に伴って、各コーンローターは交互に地山に対する接近と離隔を繰り返すように動く。このため、各コーンローターが地山に接近したときに該地山に圧接して土砂を圧密し、地山から離隔したときには土砂に対する圧密を行うことがない。従って、付与された推力は地山に圧接しているコーンローターに集中することとなり、高い圧力を持って土砂を圧密することができる。即ち、小さい推力で効率の良い土砂の圧密を行うことができる。
【００１４】
また、本発明に係る回転貫入装置では、駆動装置が、ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成されロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、ロータリーヘッドには内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定され、且つ該ロータリーヘッドは駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されている。このため、前記原動機によって駆動軸を駆動すると、ロータリーヘッドは主軸部を中心とし、該主軸部と偏心軸部との偏心量に応じた円周に沿って偏心回転する。同時に、ロータリーヘッドの歯車がシールド本体に設けた内歯歯車と噛合しつつ噛合位置を変更することによって自転する。
【００１５】
従って、ロータリーヘッドに設けたコーンローターは、ロータリーヘッドの公転軸を中心とする公転と、自転軸を中心とする自転とが合成された運動を行うこととなり、この合成運動に伴って地山に対して圧接、離脱を繰り返すこととなる。そして、地山に対して圧接したとき、土砂を圧密することができ、地山から離脱したとき、土砂に対して何ら力を加えることがない。従って、シールド本体に作用する推力は略全てがコーンローターによる地山への圧接力となり、効率良く土砂を圧密することができ、又は推力を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】回転貫入装置の全体構成を説明する部分断面図である。
【図２】回転貫入装置の構成を説明する断面図である。
【図３】回転貫入装置の構成を説明すると共にコーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する正面図である。
【図４】コーンローターによって土砂を圧密する際の作用を説明する側面図である。
【図５】第２実施例に係る回転貫入装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る回転貫入工法について説明する。本発明に係る回転貫入工法は、ロータリーヘッドを公転軸を中心として公転させつつ自転させることによって、複数のコーンローターを地山に対して圧接と離隔を繰り返させ、地山に圧接させたときに土砂を圧密して拡径し得るようにしたものである。そして、ロータリーヘッドを公転及び自転させつつ地山中に推進することで、無排土でトンネルを構築し得るようにしたものである。
【００１８】
特に、コーンローターによって土砂を圧密するのに伴って地山から過剰水を排出し、排出された過剰水によってコーンローターを湿らすことで、該コーンローターに付着する土砂の量を軽減させることが可能である。
【００１９】
また、本発明に係る回転貫入装置は上記回転貫入工法を合理的に実施するための装置であり、ロータリーヘッドを公転軸を中心とする公転及び自転させつつ、後方から推力を付与することで、無排土でトンネルを構築することが可能である。回転貫入装置に対し後方から推力を付与する構造は限定するものではなく、構築するトンネルの目的に応じて最適な構造を採用することが好ましい。
【００２０】
例えば地中に管路を敷設するような場合には、回転貫入装置に後続させたヒューム管や合成樹脂管等の管を介して推力を付与することが可能である。この場合、目的の管路に従って発進立坑と到着立坑を構築しておき、発進立坑に設けた推力付与装置（例えば元押し装置）によって推進し、回転貫入装置が到着立坑に到着したときに回収することが可能である。
【００２１】
また、地中に現場打ち杭を構築するような場合には、回転貫入装置の後端に剛性を持った軸部材を接続し、この軸部材を油圧シリンダーによって駆動することで推力を付与することが可能である。この場合、目的の深さまでトンネルを構築した後、油圧シリンダーを駆動して軸部材及び回転貫入装置の両方を地中から引き上げることで、回収することが可能である。
【００２２】
次に、回転貫入装置の実施例について図１〜図３を用いて説明し、合わせて回転貫入工法について説明する。尚、本実施例に係る回転貫入装置Ａは、地中に下水道管路を敷設することを目的として構成されており、回転貫入装置Ａを構成するテールシールド２０の後端にヒューム管Ｂを後続させる（図４参照）と共に、該ヒューム管Ｂに対して推力を付与することで、回転貫入装置Ａを推進し得るように構成されている。特に、回転貫入装置Ａに推力を付与する構成は、セミシールド工法を実施する際に利用する元押し装置と同様の構成のものを採用することが可能である。
【００２３】
回転貫入装置Ａは、略円筒形に形成され目的のトンネルＣの径と略等しい外径を有するシールド本体１を有している。シールド本体１の前端側には、公転軸２ｂを中心として公転しつつ自転軸２ａを中心として自転するロータリーヘッド２が配置されている。ロータリーヘッド２の外径は、公転軸２ｂと自転軸２ａとの偏心量に応じた寸法分シールド本体１の外形よりも小さく形成されている。このため、ロータリーヘッド２が公転軸２ｂを中心として公転している間、該ロータリーヘッド２の外周面がシールド本体１の外周面よりも突出することはない。
【００２４】
ロータリーヘッド２には、複数（本実施例では３個）のコーンローター３が配置されている。コーンローター３は略円錐形に形成され、ロータリーヘッド２に自由回転可能に支持されている。後述するように、夫々のコーンローター３は軸心３ａがロータリーヘッド２の自転軸２ａに対し、先端側で接近し、ロータリーヘッド２側で離隔するように傾斜して配置されている。また、ロータリーヘッド２は、駆動装置５によって、公転軸２ｂを中心に公転させつつ自転軸２ａを中心に自転し得るように構成されている。
【００２５】
上記駆動装置５は、ロータリーヘッド２の公転軸２ｂと一致した軸心を有する主軸部６ｂと該主軸部６ｂの先端側に形成されロータリーヘッド２の自転軸２ａと一致した軸心を有する偏心軸部６ａとを有する駆動軸６と、シールド本体１とテールシールド２０とで構成された室内に配置され駆動軸６を駆動する原動機７と、シールド本体１の前面の所定位置に固定された内歯歯車８と、を有して構成され、ロータリーヘッド２には、駆動装置５を構成する歯車であって前記内歯歯車８の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車９が固定され、該ロータリーヘッド２は駆動軸６の偏心軸部６ａに対し回転可能に装着されている。
【００２６】
ロータリーヘッド２の公転数については特に限定するものではなく、地山の性状等の条件に応じて適宜設定することが好ましい。しかし、ロータリーヘッド２の公転数が設定されたとき、該ロータリーヘッド２の自転数は、内歯歯車８及び歯車９の歯数に対応して一義的に設定される。即ち、ロータリーヘッド２の公転数（駆動軸６の回転数）を毎分Ｎ回転とし、内歯歯車８の歯数をＺｉ、歯車９の歯数をＺｏとしたとき、ロータリーヘッド２の自転数ｎは、ｎ＝（Ｚｉ−Ｚｏ）×Ｎ／Ｚｉの式で表される。
【００２７】
従って、設計段階で内歯歯車８の歯数Ｚｉ、歯車９の歯数Ｚｏを決定することによって、駆動軸６の回転数Ｎに対応させてロータリーヘッド２の公転数Ｎ、自転数ｎを設定することが可能である。特に、原動機７の回転数を直接可変し、或いは原動機７と変速装置とを組み合わせて変速可能な駆動装置５を採用することによって、駆動軸６を所望の回転数Ｎとし、これにより、ロータリーヘッド２の公転数、自転数を所望の値とすることが可能である。
【００２８】
本実施例では、内歯歯車８の歯数Ｚｉを６１、歯車９の歯数Ｚｏを５８とし、駆動軸６の回転数Ｎを毎分８７回転とすることで、ロータリーヘッド２の自転数ｎを毎分４．２回転に設定している。しかし、本発明がこの数値によって限定されるものではないことは当然である。
【００２９】
シールド本体１の前側の所定位置には、ボス部１ｂを有する隔壁１ａが設けられており、該隔壁１ａ及びボス部１ｂを利用して駆動装置５が構成されている。隔壁１ａの先端側は筒状に突出した筒部１ｃが形成されており、該筒部１ｃの先端部はロータリーヘッド２の基板部２ｃの裏面（ボス部２ｄ側の面）に接近して対向している。
【００３０】
特に、隔壁１ａのシールド本体１の室内側には、電動モーター或いは油圧モーター等の回転駆動装置からなる原動機７が取り付けられている。この原動機７に駆動軸６が取り付けられており、該駆動軸６の主軸部６ｂの軸心（ロータリーヘッド２の公転軸２ｂ）がシールド本体１の軸心と一致して配置されてボス部１ｂを利用して支持されている。即ち、主軸部６ｂは、ボス部１ｂに配置された軸受１１ａによって支持されている。
【００３１】
駆動軸６を構成する主軸部６ｂの先端側に構成された偏心軸部６ａは、ボス部１ｂから突出して配置されている。また、主軸部６ｂと偏心軸部６ａとの接合部位に於いて、駆動軸６の外周部分の一部によってボス部１ｂを覆う筒状部６ｃが形成されており、偏心軸部６ａの先端部と筒状部６ｃの端部に夫々軸受１１ｂが配置され、この軸受１１ｂによってロータリーヘッド２が支持されている。
【００３２】
シールド本体１の隔壁１ａの前端面には内歯歯車８が固定されている。この内歯歯車８の中心軸は、駆動軸６の主軸部６ｂの軸心と一致している。また、内歯歯車８の外周部分にはシール材１２ａが設けられている。
【００３３】
ロータリーヘッド２は、略円盤状の基板部２ｃと、該基板部２ｃから突出して形成されたボス部２ｄと、を有して構成されており、基板部２ｃに自由回転可能な３個のコーンローター３が配置され、ボス部２ｄに駆動系が構成されている。
【００３４】
上記ボス部２ｄの内部は駆動軸６の偏心軸部６ａを受け入れると共に軸受１１ｂと嵌合し得るような空室２ｅが形成されており、ボス部２ｄの端面２ｆから突出してシールド本体１に固定した内歯歯車８と噛合する歯車９が配置されている。また、ボス部２ｄの端面２ｆは、シールド本体１に設けたシール材１２ａと接触してシールすることで、土砂や地下水が空室２ｅの内部に浸入することを防止している。このため、内歯歯車８と歯車９の噛合部位や軸受１１ｂに土砂や地下水が入り込むことがない。
【００３５】
ロータリーヘッド２には複数のコーンローター３、３が回転可能に支持されている。ロータリーヘッド２に配置するコーンローター３の数は特に限定するものではなく、２個以上配置されていれば良い。本実施例では、ロータリーヘッド２に３個のコーンローター３を回転可能に支持している。
【００３６】
ロータリーヘッド２に配置された夫々のコーンローター３は、ロータリーヘッド２の自転軸２ａを中心とする円周上に等角度間隔（本実施例では１２０度間隔）に配置されている。特に、各コーンローター３の軸心３ａは、ロータリーヘッド２の自転軸２ａの延長線上の略同じ位置で交差し、且つ該交差位置から離隔する（シールド本体１側に接近する）のに従って自転軸２ａからの距離が大きくなるように傾斜して配置されている。
【００３７】
このため、ロータリーヘッド２の前面であって各コーンローター３の配置位置には、傾斜したコーンローター３の軸心３ａに対して直交する面を持った取付座２ｇが設けられている。
【００３８】
コーンローター３は頂部３ｂと基部３ｃを有する円錐形に形成されており、基部３ｃ側の内部には軸受室３ｄが形成されている。コーンローター３の基部３ｃの直径は一義的に設定されるものではなく、構築すべきトンネルの径や地盤の性状等の条件及びコーンローター３の外周面のロータリーヘッド２の自転軸２ａに対する傾斜角度、ロータリーヘッド２の偏心量等に対応させて設定される。しかし、基部３ｃの直径はロータリーヘッド２の直径の１／２よりも小さい寸法を有している。
【００３９】
各コーンローター３の基部３ｃの外周部位に外接する円の径は特に限定するものではない。しかし、コーンローター３が最外周に位置したとき（公転軸２ｂ、自転軸２ａ及び軸心３ａが同一線上に配置されたとき）に基部３ｃの外周部分がシールド本体１の外周面と略等しい位置にあるか僅かに突出した位置にあるような寸法であることが好ましい。
【００４０】
尚、コーンローター３は厳密な意味で円錐形である必要はなく、頂部３ｂから基部３ｃにかけての外周面が緩やかな曲線であっても良い。
【００４１】
また、コーンローター３の軸心３ａのロータリーヘッド２の自転軸２ａになす角度は特に限定するものではなく、ロータリーヘッド２に配置された３個のコーンローター３の外周面のロータリーヘッド２の自転軸２ａに対して構成する傾斜角度（構築すべきトンネルの径、地盤の性状等の条件に対応して予め設定される）に対応して設定される。
【００４２】
各コーンローター３の頂部３ｂは、ロータリーヘッド２の自転軸２ａと軸心３ａとの交差位置側に互いに接近して配置されている。このため、コーンローター３の円錐角度は、軸心３ａの自転軸２ａに対する傾斜角度と略等しい角度であることが好ましい。各コーンローター３がこのような円錐角度を有することによって、ロータリーヘッド２に傾斜させて配置したとき、隣接するコーンローター３の基部３ｃが互いに干渉することがない。
【００４３】
コーンローター３の内部に形成された軸受室３ｄは、支持軸１５の支持部１５ａに取り付けた２個の軸受１１ｃ、１１ｄを嵌合し得るような嵌め合い公差を持って形成されている。そして、支持軸１５の支持部１５ａに取り付けられた軸受１１ｃ、１１ｄは、該支持軸１５の先端に締結したナット１６によって所定位置に固着されている。
【００４４】
また支持軸１５の支持部１５ａに連続してシール部１５ｂが形成されており、該シール部１５ｂまでがコーンローター３の軸受室３ｄに嵌め込まれるように構成されている。特に、コーンローター３に形成された軸受室３ｄの基部３ｃ側には、内周面にシール材１２ｂを装着した閉塞部材１７が取り付けられ、該閉塞部材１７によって支持軸１５のシール部１５ｂをシールすることで、土砂や地下水が軸受室３ｄに浸入することを防止し得るように構成されている。
【００４５】
支持軸１５にはシール部１５ｂに連続して取付部１５ｃが形成されている。この取付部１５ｃはロータリーヘッド２に設けた取付座２ｇに形成された取付孔２ｈに対し嵌合されてロータリーヘッド２に固定されている。
【００４６】
従って、予め支持軸１５の支持部１５ａをコーンローター３の軸受室３ｄに軸受１１ｃ、１１ｄを介して嵌合すると共にシール部１５ｂに閉塞部材１７を装着することで、コーンローター３は支持軸１５に自由回転可能に取り付けられる。そして、支持軸１５の取付部１５ｃをロータリーヘッド２の取付座２ｇに形成された取付孔２ｈに嵌合して固定することで、コーンローター３をロータリーヘッド２の前面に自由回転可能に取り付けることが可能である。
【００４７】
シールド本体１には複数のジャッキ２１及びバー２２を介してテールシールド２０が接続されている。ジャッキ２１は油圧シリンダー或いはエアシリンダー等の流体シリンダーによって構成されており、複数のジャッキ２１に対し選択的に圧力流体を供給してロッド２１ａの出没量を調整することで、シールド本体１とテールシールド２０の屈折方向と屈折角度を制御して回転貫入装置Ａの推進方向を制御し得るように構成されている。
【００４８】
またシールド本体１の内部には回転貫入装置Ａの推進方向を監視するための図示しない光学装置が配置され、シールド本体１及びテールシールド２０の内部には駆動装置５を構成する原動機７を制御するための図示しない制御機器類、ジャッキ２１を操作するための図示しない油圧ポンプや制御機器類が配置されている。
【００４９】
更に、回転貫入装置Ａがヒューム管からなる下水道管路を敷設する目的を有する場合、テールシールド２０の後端にはヒューム管Ｂが接続（図４参照）され、図示しない発進坑に設けた元押し装置によって、ヒューム管Ｂを介して推力を付与し得るように構成されている。
【００５０】
上記の如く構成された回転貫入装置Ａに於いて、駆動軸６を構成する主軸部６ｂと偏心軸部６ａとの偏心量については特に限定するものではなく、推進すべき地山の構成に対応させて適宜設定することが好ましい。本実施例では、偏心量を約４．５ｍｍに設定している。従って、ロータリーヘッド２は１回転公転する毎に約９ｍｍ搖動することになる。
【００５１】
次に、上記の如く構成された回転貫入装置Ａによる土砂に対する圧密作用について図３、図４により説明する。図４は回転貫入装置Ａが地中に推進されている状態を示している。
【００５２】
地山に対するトンネルＣの形成は、回転貫入装置Ａの推進と、ロータリーヘッド２の公転軸２ｂを中心とする公転及び自転軸２ａを中心とする自転に伴うコーンローター３による土砂の圧密と、の協働作用によるものである。このため、回転貫入装置Ａの推進時の作用と、ロータリーヘッド２の公転及び自転時の作用と、を分けて説明する。
【００５３】
図４に示すように、回転貫入装置Ａを地中に推進してトンネルＣを形成するに際し、回転貫入装置Ａを構成するテールシールド２０に後続させたヒューム管Ｂの後方から、図示しない元押し装置によって推力Ｆが付与される。回転貫入装置Ａが地中を進行する際に、シールド本体１及びテールシールド２０は地山と接触して摩擦が生じることとなり、摩擦損失Ｆｒが生じる。この結果、コーンローター３には、推力Ｆから摩擦損失Ｆｒを差し引いた力ｆが作用することになる。
【００５４】
図３に示すように、ロータリーヘッド２は、駆動軸６の回転に伴って公転軸２ｂを中心として公転し、同時に歯車９の内歯歯車８に対する噛合によって自転軸２ａを中心としてギヤ比と駆動軸６の回転数に応じて自転する。ロータリーヘッド２の公転、自転に伴って、３個のコーンローター３は互いに位置を変化させつつ、地山に対する接近と離隔を繰り返す。この結果、コーンローター３の基部３ｃは軌跡線２５に沿って搖動することとなる。
【００５５】
そして、コーンローター３が地山に接近したとき、力ｆの作用によってコーンローター３の外周面の一部が略全長にわたって地山と衝突し、このときの衝撃によって土砂を圧密する。ロータリーヘッド２の公転、自転に伴うコーンローター３の地山に対する衝突は交互に行われる。即ち、全てのコーンローター３が同時に衝突することはなく、１個のコーンローター３が地山に衝突しているとき、他の２個のコーンローター３は地山から離隔した位置にある。このため、力ｆは地山に衝突している１個のコーンローター３に集中して作用することとなり、強い力で土砂を圧密し、同時にコーンローター３は土砂との接触摩擦により、軸心３ａを中心として自由回転する。このようにして圧密された土砂の間隙水は容易に吸収され、地中に無排土でトンネルＣを形成することが可能である。
【００５６】
このとき、土砂の圧密に伴って間隙水が吸収されてコーンローター３の外周面を濡らすため、地山の土砂がコーンローター３に付着することがない。
【００５７】
上記の如く、回転貫入装置Ａは後方から付与された推力Ｆによって推進され、ロータリーヘッド２の公転、自転に伴って複数のコーンローター３が地山に対する接近と離隔を繰り返し、この過程で各コーンローター３が交互に地山に衝突して土砂を圧密する。このため、コーンローター３に作用する力ｆは１個のコーンローター３に集中することとなり、高い接地圧を実現することが可能となる。そして、土砂を圧密してコーンローター３の基部３ｃの外接円に対応する寸法に拡径することで、排土することなく地中にトンネルＣを形成することが可能となる。
【００５８】
特に、コーンローター３に作用する力ｆが１個のコーンローター３に集中することで高い接地圧を実現できることから、接地圧が小さくとも充分に圧密が可能な地山の場合、回転貫入装置Ａに付与する推力Ｆの大きさを小さくすることが可能となる。
【００５９】
図４に示すように、地山の土砂を圧密して無排土でトンネルを形成したとき、地山に於ける圧密土砂の径Ｄは、トンネルＣの径をｄ（シールド本体１の外径）としたとき、Ｄ＝１．４１ｄとなり、土砂の圧密によって何等かの影響を受ける部分の径は約４Ｄである。
【００６０】
本件発明者は、回転貫入装置Ａの実験機を作成して地山に貫入させる実験を行った。この実験は、実験機を地面に対し約７５度傾斜させて配置すると共に、後方に油圧シリンダーを接続して推力を付与してトンネルを形成し得るか否かを確認した。その後、推力の大きさを変化させて推進速度の変化を計測し、最終的に形成されたトンネルの状況と、コーンローターに対する土砂の付着状態を確認した。
【００６１】
この実験の結果、地山に対し無排土で良好な形状を持ったトンネルを形成することが可能であり、且つコーンローターに対する土砂の付着も防ぐことが可能であることが確認された。
【００６２】
上記実験について説明する。実験機は、シールド本体の外径を３７０ｍｍとし、原動機を１．７Ｋｗの電動モーターとした。地面に実験機の推進を案内するガイドスタンドを構築し、推進に伴う反力を支持し得るように１３００ｋｇの重量を作用させて固定した。このとき、実験機の地面に対する角度を約７５度となるようにした。実験機の後端にストローク１２００ｍｍの油圧シリンダーを接続した。
【００６３】
油圧シリンダーのストローク３００ｍｍ毎に推力を変化させた。推力の変化は、供給する圧油の圧力を調整して実験機の自重と共に、略６００ｋｇ、略１１００ｋｇ、略１５００ｋｇ、略２１００ｋｇとした。この条件で実験機を推進し、３００ｍｍ推進する際の速度、電流値を計測した。
【００６４】
その結果、推力６００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり５．６トン、推進速度は毎分３０ｍｍであり、電流値は１００Ａ、トルクは５０％であった。また、推力１１００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり１０トン、推進速度は毎分２０ｍｍであり、電流値は１４１Ａ、トルクは８０％であった。また、推力１５００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり１５トン、推進速度は毎分１５ｍｍであり、電流値は１４８Ａ、トルクは１００％であった。更に、推力２１００ｋｇのとき、土圧は１平方メートル当たり２０トン、推進速度は毎分２０ｍｍであり、電流値は１４８Ａ、トルクは１００％であった。
【００６５】
上記実験結果は、実験機に付与した推力が略６００ｋｇ〜略２１００ｋｇであることを考慮すると、従来から用いられているセミシールド掘進機と比較して充分に対抗し得るものである。
【００６６】
次に、第２実施例に係る回転貫入装置Ａの構成について図５により説明する。本実施例の回転貫入装置Ａは、主な構成は前述した回転貫入装置Ａと同じであり、図に於いて、前述の第１実施例と同一部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を伏して説明を省略する。
【００６７】
本実施例の回転貫入装置Ａは、間隙水の少ない乾燥した地山に無排土でトンネルを形成する際に滑材を供給し得るように構成したものである。このため、シールド本体１に設けた隔壁１ａに貫通する貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０を介してシールド本体１の筒部１ｃとロータリーヘッド２との間に形成された室３１に滑材を供給し得るように構成されている。
【００６８】
即ち、隔壁１ａにはシールド本体１の内部と前記室３１とを結ぶ貫通孔３０が形成されており、該貫通孔３０のシールド本体１の内部側に逆止弁３２を有するホース３３が接続されている。また、ホース３３には図示しない滑材の供給装置が接続されており、適宜室３１に滑材を供給し得るように構成されている。
【００６９】
室３１に供給された滑材３４は、シールド本体１の筒部１ｃの先端面と、該先端面と対向するロータリーヘッド２の基板部２ｃの裏面との間に形成された隙間３５から地山に供給され、シールド本体１の外周面と地山との接触面の摩擦を軽減させるように作用する。このため、地山が乾燥しているような場合でも、大きな推力を必要とせずに良好な推進を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る回転貫入装置Ａは、ヒューム管Ｂを連続させた管路を敷設するためのトンネルＣを構築する際に利用して有利であるのみならず、各種トンネルを無排土で構築することが可能となり極めて有利である。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ 回転貫入装置
Ｂ ヒューム管
Ｃ トンネル
１ シールド本体
１ａ 隔壁
１ｂ ボス部
１ｃ 筒部
２ ロータリーヘッド
２ａ 自転軸
２ｂ 公転軸
２ｃ 基板部
２ｄ ボス部
２ｅ 空室
２ｆ 端面
２ｇ 取付座
２ｈ 取付孔
３ コーンローター
３ａ 軸心
３ｂ 頂部
３ｃ 基部
３ｄ 軸受室
５ 駆動装置
６ 駆動軸
６ａ 偏心軸部
６ｂ 主軸部
６ｃ 筒状部
７ 原動機
８ 内歯歯車
９ 歯車
１１ａ〜１１ｄ 軸受
１２ａ、１２ｂ シール材
１５ 支持軸
１５ａ 支持部
１５ｂ シール部
１５ｃ 取付部
１６ ナット
１７ 閉塞部材
２０ テールシールド
２１ ジャッキ
２１ａ ロッド
２２ バー
２５ 軌跡線
３０ 貫通孔
３１ 室
３２ 逆止弁
３３ ホース
３４ 滑材
３５ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転するロータリーヘッドに対し、
略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローターを、夫々のコーンローターの軸心を前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置し、
前記ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させると共に地山に推進することによって、前記複数のコーンローターを交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成することを特徴とする回転貫入工法。
【請求項２】
シールド本体の前端側に配置されたロータリーヘッドと、
略円錐形に形成され前記ロータリーヘッドに回転可能に支持され、夫々の軸心が前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置されると共に頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置された複数のコーンローターと、
前記ロータリーヘッドを駆動して、該ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させる駆動装置と、を有し、
前記駆動装置は、前記ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成され前記ロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、シールド本体の内部に配置され前記駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、
前記ロータリーヘッドは、前記内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定されると共に、前記駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されていることを特徴とする回転貫入装置。
【請求項１】
公転軸を中心として公転し且つ該公転軸から所定距離離隔した自転軸を中心として自転するロータリーヘッドに対し、
略円錐形に形成されて回転可能に構成された複数のコーンローターを、夫々のコーンローターの軸心を前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置すると共に頂部を前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置し、
前記ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させると共に地山に推進することによって、前記複数のコーンローターを交互に地山に圧接させて該地山を拡径することで無排土でトンネルを形成することを特徴とする回転貫入工法。
【請求項２】
シールド本体の前端側に配置されたロータリーヘッドと、
略円錐形に形成され前記ロータリーヘッドに回転可能に支持され、夫々の軸心が前記ロータリーヘッドの自転軸の延長線上の略同じ位置で交差し且つ該交差位置から離隔するのに従って該自転軸からの距離が大きくなるように傾斜させて配置されると共に頂部が前記軸心の交差位置側に互いに接近させて配置された複数のコーンローターと、
前記ロータリーヘッドを駆動して、該ロータリーヘッドを公転軸を中心に公転させつつ自転軸を中心に自転させる駆動装置と、を有し、
前記駆動装置は、前記ロータリーヘッドの公転軸と一致した軸心を有する主軸部と該主軸部の先端側に形成され前記ロータリーヘッドの自転軸と一致した軸心を有する偏心軸部とを有する駆動軸と、シールド本体の内部に配置され前記駆動軸を駆動する原動機と、シールド本体の前面の所定位置に固定された内歯歯車と、を有して構成され、
前記ロータリーヘッドは、前記内歯歯車の一部と噛合し且つ回転に伴って噛合部位が変化する歯車が固定されると共に、前記駆動軸の偏心軸部に対し回転可能に装着されていることを特徴とする回転貫入装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４６６４９（Ｐ２０１２−２４６６４９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７７９２（Ｐ２０１１−１１７７９２）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（３０７０２１９８８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（３０７０２１９８８）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]