JP5241896B2 - アブレイシブジェットを含むウォータージェットの水中における効率向上方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、アブレイシブジェット等ウォータージェットの水中における効率向上方法及び装置に関するものである。

従来において、アブレイシブジェット等ウォータージェットを噴射して掘削障害物を粉砕しつつ掘進する掘進方法及び掘進機が知られている。アブレイシブジェットの切断効率は、水中で噴射圧力が減殺され格段に低下するために、近年では、水中におけるアブレイシブジェットの切断効率を気中における切断効率まで近づけようとする方法及び装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−１２３６６１号公報

地中にあるシールドマシンにおいて上記特許文献１に記載されたようなエアコーティング方法を併用する場合、地中に噴射された後の空気（エア）は、高圧噴射地盤改良工法の場合、切削・撹拌された土砂などと一体化せず分離し、上方へ移動するため、シールド内へ回収することが困難である。シールド内へ回収できずに地中に残留した空気塊による空間は、経時的に地表へ移動するため、また施工中においても地表へ噴発するため、道路陥没などの地上への悪影響を及ぼしてしまうと問題がある。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解消するため、炭酸ガス（二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス）を使用したアブレイシブジェット等ウォータージェットの水中における効率向上方法及び装置を提供することを目的とする。炭酸ガスは、一般的に水に対する溶解度が高く、超高圧ジェット水に沿わせて噴射することで、吐出時点では、炭酸ガスの円筒状気層でジェット水と地下水との摩擦による噴射圧力の減殺を低減し、その化学的親和性から経時的にジェット水及び地下水に溶解する。炭酸ガスを含んだ圧力下にある地下水は、単独あるいは地山土砂と撹拌され、シールド（推進）掘進に伴う排土とともに排土口（坑内あるいは地表部）で大気中に解放され、その時点で炭酸ガスは気中に解放される。すなわち、ウォータージェット等の噴流圧力を維持し、できる限り遠方までの障害物を切断可能とすることができ、道路陥没などの地上への悪影響を及ぼすことなく、水中におけるアブレイシブジェットの切断効率やウォータージェットによる掘削効率を気中における切断効率まで近づけることが可能となる。

本発明は、アブレイシブジェットの噴射口の周辺から炭酸ガスを噴射させ、前記アブレイシブジェットの噴流に沿った外周を前記噴射された炭酸ガスで保護することを特徴とするアブレイシブジェットの水中における効率向上方法及び装置を提供する。

前記アブレイシブジェットは、その外周全体が前記噴射された炭酸ガスで保護される方が好ましい。また、前記炭酸ガスの吐出圧は、地下水圧よりも例えば、略０．２乃至０．３Ｍｐａ高く設定される方が好ましい。前記炭酸ガスの供給量は、例えば、毎分略３Ｎｍ^３以下に設定することができる。

また、本発明は、アブレイシブジェット等ウォータージェットの水中における効率向上装置であって、アブレイシブジェットを噴射する場合に例をとればアブレイシブジェットノズルと、前記アブレイシブジェットノズルの外周に配置された、炭酸ガスを噴射する炭酸ガスノズルとを備え、前記アブレイシブジェットノズルから噴射されたアブレイシブジェットの噴流の外周を少なくとも部分的に前記炭酸ガスノズルから噴射された炭酸ガスで保護させることを特徴とするアブレイシブジェットの水中における効率向上装置を提供することを目的とする。

また、前記炭酸ガスノズルは、前記アブレイシブジェットノズルを中心にして複数の吐出口を環状に離散配置したノズルで構成することができる。また、ウォータージェットノズルを中心にして環状に配置させた炭酸ガスの吐出口の前部を円弧状スリット開口で拡開することができる。また、前記炭酸ガスノズルから噴射される炭酸ガスの吐出圧は、地下水圧よりも例えば略０．２乃至０．３Ｍｐａ高く設定されている方が好ましい。また、前記炭酸ガスノズルから噴射される炭酸ガスの供給量は、例えば、毎分略３Ｎｍ^３以下にすることができる。また、前記装置は、掘進機である場合、前記アブレイシブジェットノズル及び前記炭酸ガスノズルは、前記掘進機の開削面の噴射ノズルとして設けることができる。

本発明によれば、アブレイシブジェットの周辺から炭酸ガスを噴射させ、アブレイシブジェットの外周囲を噴射された炭酸ガスで保護させるため、気体を減少させつつアブレイシブジェットの噴流圧力を維持し、できる限り遠方の障害物まで切断可能とすることができ、道路陥没などの地上への悪影響を及ぼすことなく、水中におけるアブレイシブジェットの切断効率を気中における切断効率まで近づけて地盤改良工事等を実施することができる。

図１は、本発明にかかるアブレイシブジェットを例としてその水中における効率向上方法及び装置の実施の形態を示す概略全体図である。 図２（ａ）は、本発明にかかるアブレイシブジェットの水中における効率向上装置の噴射ノズルの一例の図２（ｃ）における線Ｘ−Ｘで切り取った拡大横断面図であり、図２（ｂ）は、この噴射ノズルの一例を示す拡大正面図であり、図２（ｃ）は、この噴射ノズルの一例を示す拡大縦断面図である。

以下、本発明にかかるアブレイシブジェットの水中における効率向上方法及び装置を実施するための最良の形態について図面を参照しながら述べる。図１には、本発明にかかるアブレイシブジェットの水中における効率向上装置が適用された掘進機を示している。図１に示すように、掘進機１は、その中心部に回転軸２を有するシールド本体部３と、シールド本体部３に対して回転可能なカッターヘッド部４と、スクリューコンベヤ等を有する排泥管５と、カッターヘッド部４を回転軸２を中心にして回転駆動するための駆動用モータ６とを主に備えている。

カッターヘッド部４は、掘進方向先端部に設けられており、カッターヘッド部４には、中心ビット、カッタービット、先行ビット、トリムビット等の複数のビット７が適宜設けられている。また、カッターヘッド部４には、前面部で半径方向に移動自在な拡張ノズル８が後述する噴射ノズル９と前面部において上下対称の位置に配置されている。これらのノズル８、９は、装置１の本体を超える外径の地山の掘削、切断に主に使用されることができる。

カッターヘッド部４には、本発明の特徴部分である噴射ノズル９が設けられている。噴射ノズル９の拡大横断面図、拡大正面図及び拡大縦断面図を図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ示している。図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）によく示されるように、この前記拡張ノズル８及び噴射ノズル９は、その中心部に配置された、アブレイシブジェットを噴射するアブレイシブジェットノズル１０と、アブレイシブジェットノズル１０の外周に配置された、炭酸ガス（二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス）を噴射する少なくとも一つの炭酸ガスノズル１１とから構成されている併射型である。図示の実施形態では、炭酸ガスノズル１１は、複数（例として８個）のノズルが後述する炭酸ガスライン１９からノズル先端部分までアブレイシブジェットノズル１０を中心にして環状に離散配置され（図２（ａ）参照）、ノズル先端部分が所定の幅寸法で周方向に沿って伸びた複数（図示のものは４個）の円弧状スリット開口１１ａで形成された（図２（ｂ）参照）構成となっている。すなわち、図示の形態の炭酸ガスノズル１１は、ノズル先端部分の各円弧状スリット開口１１ａがノズルの軸線方向において所定の深さまで形成され、ノズル先端部分まで伸びた互いに隣接する二つのノズルと連結されているように構成されている。このように、炭酸ガス吐出位置におけるノズル先端部分の形状を、ノズルの軸線方向において所定の深さ寸法を有するスリット形状にすることにより、炭酸ガスをノズルからスリット形状の内壁で保護しながら噴射させることができ、もって、スリット形状の内壁で保護しながら噴射された炭酸ガスによりアブレイシブジェットの外周囲をより強度に保護することができる。なお、図示の実施形態では、一つの円弧状開口１１ａが隣接する二つのノズルに対して設けられているがこれに限定されない。すなわち、一つの円弧状開口１１ａを一つのノズルに対して設けることもでき、あるいは、一つの円弧状開口１１ａを三つ以上のノズルに対して設けることも可能である。

図１及び図２（ｂ）に示すように、アブレイシブジェットノズル１０は、超高圧ジェット水を噴射ノズル側に供給するジェットライン１２と、アブレシブスラリーを噴射ノズル側に供給するアブレシブライン１３とからなるホースラインに接続されている。ジェットライン１２は、装置外部の地上等に配置された、珪酸ナトリウム溶液供給装置１４、吸水ユニット１５及び超高圧発生装置１６等で主に構成された外部供給源を有しており、珪酸ナトリウム溶液を含む超高圧ジェット水をアブレイシブジェットノズル１０に供給するようになっている。一方、アブレシブライン１３は、装置外部の地上等に配置された、スラリー撹拌装置１７及びスラリー供給装置１８等で主に構成された外部供給源を有しており、アブレシブスラリーをアブレイシブジェットノズル１０に供給するようになっている。従って、障害物の切断時はジェットラインからの超高圧ジェット水とアブレシブラインからのアブレシブスラリーとが混合されたアブレイシブジェットがアブレイシブジェットノズル１０から噴射される。

また、炭酸ガスノズル１１は、炭酸ガスを噴射ノズル側に供給する炭酸ガスライン１９に接続されている。炭酸ガスライン１９は、装置外部の地上等に配置された、炭酸ガス発生装置２０に連結されている。従って、炭酸ガス発生装置２０から供給される炭酸ガスは、炭酸ガスライン１９を介して炭酸ガスノズル１１から噴射される。炭酸ガスノズル１１から噴射される炭酸ガスの吐出圧は、地下水圧よりも略０．２乃至０．３Ｍｐａ高く設定されている。また、炭酸ガスノズル１１から噴射される炭酸ガスの供給量は、毎分略３Ｎｍ^３以下に設定されている。

上記構成により、アブレイシブジェットノズル１０から噴射されたアブレイシブジェットの外周囲を少なくとも部分的に炭酸ガスノズルから噴射された炭酸ガスで保護させることができる。図示の実施形態では、炭酸ガスノズル１１は、アブレイシブジェットノズル１０を中心にして環状に離散配置された複数（例として８個）のノズルで構成されているため、アブレイシブジェットノズル１０から噴射されたアブレイシブジェットの外周囲全体を炭酸ガスノズルから噴射された炭酸ガスで保護させることができる。すなわち、アブレイシブジェットノズル１０から噴射されるアブレイシブジェットの周辺から炭酸ガスノズル１１によって炭酸ガスを噴射させ、アブレイシブジェットの噴流に沿ってその外周を少なくとも部分的に（上記実施の形態ではアブレイシブジェットの噴流外周全体を）炭酸ガスノズル１１から噴射された炭酸ガスで保護させることができる。

なお、環境条件により、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスだけでなく、不活性ガス等も使用可能である。

１ 掘進機
２ 回転軸
３ シールド本体部
４ カッターヘッド部
５ 排泥管
６ 駆動用モータ
７ ビット
８ 拡張ノズル
９ 噴射ノズル
１０ アブレイシブジェットノズル
１１ 炭酸ガスノズル
１１ａ 円弧状スリット開口
１２ ジェットライン
１３ アブレシブライン
１４ 珪酸ナトリウム溶液供給装置
１５ 吸水ユニット
１６ 超高圧発生装置
１７ スラリー撹拌装置
１８ スラリー供給装置
１９ 炭酸ガスライン
２０ 炭酸ガス発生装置

Claims (10)

1. ウォータージェットの周辺から炭酸ガスを噴射させ、前記ウォータージェットの噴流に沿ってその外周を少なくとも部分的に前記噴射された炭酸ガスで保護することを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上方法。
2. 請求項１記載のウォータージェットの水中における効率向上方法において、
   前記ウォータージェットの噴流に沿った外周全体を前記噴射された炭酸ガスで保護することを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上方法。
3. 請求項１又は２記載のウォータージェットの水中における効率向上方法において、
   前記炭酸ガスの吐出圧は、地下水圧よりも略０．２乃至０．３Ｍｐａ高く設定することを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上方法。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか一つに記載のウォータージェットの水中における効率向上方法において、
   前記炭酸ガスの供給量は、毎分略３Ｎｍ^３以下であることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上方法。
5. ウォータージェットの水中における効率向上装置であって、
   ウォータージェットを噴射するウォータージェットノズルと、
   前記ウォータージェットノズルの外周に配置された、炭酸ガスを噴射する炭酸ガスノズルとを備え、
   前記ウォータージェットノズルから噴射されたウォータージェットの噴流の外周を少なくとも部分的に前記炭酸ガスノズルから噴射された炭酸ガスで保護させることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。
6. 請求項５記載のウォータージェットの水中における効率向上装置において、
   前記炭酸ガスノズルは、前記ウォータージェットノズルを中心にして炭酸ガスの吐出口を環状に離散配置した複数のノズルで構成されていることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。
7. 請求項６記載のウォータージェットノズルを中心にして環状に配置させた炭酸ガスの吐出口の前部を円弧状スリット開口で拡開したことを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。
8. 請求項６又は７記載のウォータージェットの水中における効率向上装置において、
   前記炭酸ガスノズルから噴射される炭酸ガスの吐出圧は、地下水圧よりも略０．２乃至０．３Ｍｐａ高く設定されることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。
9. 請求項６乃至８のうちのいずれか一つに記載のウォータージェットの水中における効率向上装置において、
   前記炭酸ガスノズルから噴射される炭酸ガスの供給量は、毎分略３Ｎｍ^３以下であることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。
10. 請求項６乃至９のうちのいずれか一つに記載のウォータージェットの水中における効率向上装置において、
    前記装置は、掘進機であり、前記ウォータージェットノズル及び前記炭酸ガスノズルは、前記掘進機の開削面に噴射ノズルとして設けられていることを特徴とするウォータージェットの水中における効率向上装置。