JP2006037573A - ケーシングボーリング工法およびケーシングボーリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自立性の弱い地盤の調査・観察に適したケーシングボーリング工法と、この工法を実行する安価なケーシングボーリング装置の提供。
【解決手段】 砂質地盤や軟弱粘土性地盤などの自立性の弱い地盤１の調査・観察に適用されるもので、透明アクリル樹脂の透明ケーシング５を地盤１に静的貫入させるための載荷手段２０の重りと、掘屑を吸引排除する除荷手段３０を備える。透明ケーシング５は正六角の多面筒体で、適宜に延伸枠６が継ぎ足される。地盤１に透明ケーシング５を静的貫入させた後、透明ケーシング５内に撮像機器４０が挿入されて、ボーリング孔壁面を撮像して、撮像画像から地盤の調査、観察を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤の調査・観察のために行われるボーリング工法とその装置に関する。

地質や地盤の調査・観察を目的に行われるボーリング孔壁面の画像撮影は、自立性のよいボーリング孔内にボアホールカメラ装置を挿入するボアホール画像撮影法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。このボアホール画像撮影法は、カッター切削式ロータリー式ボーリングで掘削したボーリング孔にボアホールカメラ装置を挿入し、ボーリング孔の壁面を直接に部分照明してカメラで撮像する。
特開２０００−１６０９７８号公報（図４）

ボアホール画像撮影法は、岩盤などの自立性のよい地盤の調査・観察に有効であるが、次の（１）〜（４）の問題がある。

（１）調査・観察の対象となるボーリング孔は、岩盤のような自立性のよいボーリング孔に限られ、砂質地盤や軟弱粘性土地盤のような自立性の弱い地盤のボーリング孔では地盤崩れ等の問題でボアホール画像撮影法の適用が難しい。

（２）ボアホールカメラ装置は、ボアホール専用の特殊カメラを搭載した高額装置であるため、地盤の調査・観察の費用が高額となる。

（３）地盤の調査・観察の前に行われるボーリング孔掘削時の送水が、後の地盤の調査・観察に悪影響を及ぼすことがある。すなわち、ボーリング時の送水は、「掘削した地盤（土砂）の掘屑を孔の外に運び出す」目的と、「掘削により発生する摩擦熱を冷却する」目的と、「保孔材を用いた孔壁を保護する」目的で行われるが、調査・観察しようとする地盤に循環流体である水が浸透し、また、地盤が切削ボーリング時の振動で変動する。さらに、切削ボーリング時に地盤汚染調査の主な対象である揮発性有機塩素化合物が熱で気化して、地盤が膨脹や収縮、移動の変化をする。また、循環流体である水を使用すると、地盤の汚染物質が水と共に流出して、地盤の汚染箇所を拡大する可能性がある。さらに、水を使用すると、地盤中の地下水の有無観察や、正確な地盤の堆積状況、生物状況を観察することが難しくなる。

本発明の目的とするところは、自立性の弱い地盤の調査・観察に適したケーシングボーリング工法と、この工法を実行する安価なケーシングボーリング装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明ボーリング工法は、ケーシング外周側を傾斜下端とする鋭角の傾斜下端面を有する透明ケーシングと、この透明ケーシングを軸方向下方に加えた静的荷重で地盤に貫入させる載荷手段と、透明ケーシング内の掘削地盤を吸引排除する除荷手段を使用し、除荷手段による地盤吸引排除で生じる地盤の透明ケーシング支持力低下に応じて透明ケーシングを載荷手段の荷重で地盤中に静的貫入させることを特徴とする。

ここで、透明ケーシングは、アクリル樹脂などの硬質透明樹脂材で形成された多角形や円形などの筒体や、透明樹脂とガラスの積層構造の筒体が適用できる。透明ケーシングは、ボーリング孔の壁面を安定させる強度と、ボーリング孔の壁面をカメラで撮像して調査・観察できる透明度を有する。この透明ケーシングを地盤に静的貫入させる載荷手段は、荷重調整が容易なカウンターウエイトが有効である。載荷手段による荷重で透明ケーシングを地盤に静的貫入させると、透明ケーシングの傾斜下端面でボーリング孔の孔底地盤が剪断されて地盤の掘屑（掘削地盤）が発生し、透明ケーシング内の掘屑を除荷手段で吸引して地上に排除する。除荷手段はエアーや地下水を吸引する吸引管を備え、この吸引管で掘屑を吸引して透明ケーシング外に排除する。吸引管が掘屑を吸引排除しない間は、地盤の透明ケーシング支持力が低下せず、透明ケーシングの静的貫入が進行しない。吸引管が掘屑を吸引排除する動作を開始すると、吸引排除した除荷量に比例して地盤の透明ケーシング支持力が低下して載荷手段の荷重との重量バランスが崩れ、載荷手段の荷重で透明ケーシングの静的貫入が開始される。このような静的貫入は、自立性の弱い地盤でもボーリング孔の壁面を乱さず、摩擦熱の発生もほとんど無く、透明ケーシングの外周に沿ったボーリング孔の壁面を調査・観察するに望ましい良好な状態に保持する。

また、本発明においては、透明ケーシングの外径より内径が大きな外部ケーシングで地盤を掘削し吸引排除して、この外部ケーシング内に透明ケーシングを挿入して外部ケーシング下端部内の孔底地盤に静的貫入させることができる。

この場合の外部ケーシングは、非透明な通常ケーシングが適用できる。外部ケーシングをカッター切削式ロータリー式ボーリングなどの工法で地盤にボーリング孔を形成し、外部ケーシング内の掘屑を吸引削除して、外部ケーシング内の孔底地盤に対して透明ケーシングを静的貫入させる。つまり、透明ケーシングは地盤との摩擦（剪断）抵抗が大きくて地盤に深く貫入させることが難しいが、地盤に外部ケーシングのボーリングで所望の深さまでボーリング孔を形成して、このボーリング孔の孔底地盤に透明ケーシングを貫入させるようにすれば、地盤に十分な深さまで透明ケーシングを貫入させることができる。また、外部ケーシングによるボーリングと透明ケーシングによるボーリングを交互に繰り返し行うことで、地盤に任意の深さまで透明ケーシングを貫入させることができる。この場合、透明ケーシングの１回毎のボーリング深さを小さく設定することで、地盤との摩擦により発生する透明ケーシングの損傷を低減させることができ、透明度を長期に亘り良好に維持することができる。

また、本発明においては、透明ケーシング内に撮像機器を挿入して、透明ケーシングを通して透明ケーシング外周に接するボーリング孔壁面を撮像することができる。つまり、ボーリング孔の深度が小さい場合は、地盤に静的貫入した透明ケーシングを地盤から抜いてボーリング孔壁面をカメラで直接的に撮像することも可能であるが、地盤に貫入された透明ケーシング内に撮像機器を挿入して透明ケーシングを通してボーリング孔の壁面を撮像する。このようにすれば、ボーリング孔の壁面が透明ケーシングで保護された最も自然に近い良好な状態で撮像できて、正確な地盤の堆積状況、生物状況が観察でき、地下水の有無を明確に知ることができる共に、撮像するカメラに特殊カメラを使用する必要性が無くて、デジタルカメラなどの安価な市販品が適用できる。

また、上記目的を達成する本発明ボーリング装置は、ケーシング外周側を傾斜下端とする鋭角の傾斜下端面を有する筒状透明ケーシングと、この透明ケーシングを軸方向下方に加えた静的荷重で地盤に貫入させる載荷手段と、透明ケーシング内の掘削地盤を吸引排除する除荷手段と、透明ケーシング内に可動に挿入され、透明ケーシングを通して透明ケーシング外周に接するボーリング孔壁面を撮像する撮像機器とを具備したことを特徴とする。

ここでの透明ケーシングは、多角形の筒体が望ましい。また、撮像機器は、透明ケーシング内に可動に挿入される吊り下げ式防水ケースと、この防水ケースに収納した撮像カメラ及び撮像用照明器具を有するものが望ましい。さらに、透明ケーシングと載荷手段を鉛直にして可動に吊り下げ支持する櫓式や脚立式支持枠を地上に配備したボーリング装置とすることができる。

すなわち、透明ケーシングは円形や楕円形のような筒体を使用することもできるが、円形や楕円形では撮像した画像の補正（粒子径など）が難しい。その点、平坦な透明板を連結した多角形の透明ケーシングは、平坦な透明板を通して撮像した画像の補正が容易である。このような多角形の透明ケーシングは、正六角形か正八角形が実用上に有効である。

また、透明ケーシングの外周と傾斜下端面の成す角度は２５度〜３０度の鋭角の範囲が実用上に有効である。この透明ケーシングの鋭角角度は、小さくなるほど地盤への静的貫入性が良くなるが、機械的強度が低下して破損しやすくなり、機械的強度を良好にする点で２５度以上が望ましい。また、鋭角角度が大きくなるほど、地盤に静的貫入させる際の剪断力が増大して、円滑に静的貫入させることが難しくなり、この点から鋭角角度の上限は３０度が望ましい。

また、自立性の弱い砂質地盤や軟弱粘土性地盤に透明ケーシングを静的貫入させると、透明ケーシング内に地下水が浸入する場合が多く、このような場合に備えて撮像機器を防水ケース構造とする。この防水ケース内に撮像カメラと照明器具、これらの電源（蓄電池）やスイッチ類を収納させ、防水ケースを吊り下げて透明ケーシング内の地下水に水没させるようにする。

本発明によれば、地盤に透明ケーシングを静的貫入するため、自立性の弱い砂質地盤や軟弱粘性土地盤の調査・観察に好適なボーリング工法、ボーリング装置が提供できる。また、地盤に透明ケーシングを静的貫入することによりに形成されるボーリング孔壁面は、振動による体積変化や熱による化学変化がほとんどなく、しかも、調査・観察時のボーリング孔壁面が透明ケーシングで保護された状態にあるので、自然状態に近いボーリング孔壁面をカメラで撮像することができて、地盤の堆積状況、地下水の有無、生物状況などの調査・観察が正確にして技術的容易にできる優れた効果がある。また、ボーリング孔壁面を透明ケーシングを通して撮像するカメラにボアホール専用の特殊カメラを使用する必要が無く、安価な市販品のカメラを使用することができて、地盤の調査・観察設備の低コスト化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１に示されるケーシングボーリング装置１０は、砂質地盤や軟弱粘土性地盤などの自立性の弱い地盤１の調査・観察に適用されるもので、透明アクリル樹脂の透明ケーシング５を地盤１に静的貫入させるための載荷手段２０と除荷手段３０を備える。透明ケーシング５は、図６に示すような正六角形の多面筒体で、地盤１へのボーリング深さに応じて透明ケーシング５上端に延伸枠６が継ぎ足される。延伸枠６は、図７に示すような正六角形の多面筒体で、ボーリング深さに対応させて必要本数のものが透明ケーシング５上に同軸に連結される。最上段の延伸枠６上に荷重伝達枠２２が連結され、この荷重伝達枠２２上に載荷手段２０、例えば複数の重り板からなるウエイト２１が載置される。

地盤１上に脚立式の支持枠１１が配備され、支持枠１１の上端部に設置された滑車台上の滑車１３から吊り下げたワイヤ１４の下端に吊り輪１６を介して吊りロッド１５が連結される。支持枠１１の中間位置に横架した軸保持枠１２を吊りロッド１５が貫通することで、吊りロッド１５の振れが防止され、中心軸が保持される。この吊りロッド１５の下端部に荷重伝達枠２２を連結して、延伸枠６と透明ケーシング５を鉛直に吊下支持する。

図１に示す除荷手段３０は、地盤１上に設置された吸引力制御装置兼土水貯留装置３２から延びる吸引管３１を備える。吸引力制御装置兼土水貯留装置３２は、外部の真空吸引手段３３に連接された土水貯留タンク構造で、吸引管３１から吸引された掘屑、地下水を貯留する。図１に示される符号７は外部ケーシングで、透明ケーシング５より大径の通常ケーシングが適用され、これの用途は後述する。

図１は透明ケーシング５によるボーリング施工時を示し、このボーリング施工後に図２と図５（Ａ）に示すように透明ケーシング５内に撮像機器４０が挿入されて、透明ケーシング５で形成されたボーリング孔２の壁面の撮像が行われる。図２に示す撮像機器４０は、吊り下げ式の防水ケース４１の中に撮像カメラ４２と照明器具４３を収納する。撮像カメラ４２は、例えば市販のデジタルカメラで、防水ケース４１の側壁一部に設けた防水透光窓４５の外を撮像する。照明器具４３は防水透光窓４５の外を照明する。この撮像カメラ４２と照明器具４３の電源（図示せず）と操作スイッチ４４が防水ケース４１内に配備される。防水ケース４１の上面に吊り下げ用支持管４６の下端部が連結され、支持管４６内に操作スイッチ４４を操作するワイヤ４７が挿通される。

透明ケーシング５の下端面は、図２に示すような傾斜下端面５ａである。傾斜下端面５ａは、透明ケーシング５の外周面の下端を傾斜下端とした斜面で、ケーシング外周と成す角度（鋭角）θを２５度〜３０度の範囲内に設定する。軟弱地盤に適用する透明ケーシング５においては、角度θは約２７度に設定する。なお、透明ケーシング５を後述するように地盤１に静的貫入させる場合、ケーシング下端部の傾斜下端面５ａの角度θは、弾性理論解では約３０度以下（影響値０．０５以下）で、小さいほど良くて理論的には０度〜３０度の範囲指定が可能であるが、小さくするほど堀進時や運搬時にケーシング先端が破損し易くなることから、実用上は２５度〜３０度が適切である。

次に、上記した実施の形態のケーシングボーリング装置１０によるボーリング施工と地盤の調査・観察の動作例を説明する。

図１の状態で透明ケーシング５に載荷手段２０で所定の荷重を掛け、この荷重で透明ケーシング５に図３に示すように貫入力Ｐｖ（等分布荷重）を作用させると、ケーシング先端部内側の地盤１に作用する直力Ｐｉとケーシング先端部外側の地盤１に作用する直力Ｐｏ及び剪断力Ｆｖに分力する。外側地盤１には直力Ｐｏと剪断力Ｆｖが作用し、この直力Ｐｏに対してはケーシングの剛性で安定する。内側地盤１には直力Ｐｉと剪断力Ｆｖが作用し、地盤にはそれに抵抗する円形状すべり面が生じて、ある貫入力のときに安定する。

図３のように透明ケーシング５が初期貫入で安定している状態において、内側地盤１の反力となっている掘屑（土塊）の上部を吸引管３１で吸引排除（除荷）することにより、その取り除いた掘屑重量相当分と貫入量減少による剪断力減少分だけ透明ケーシング５が再貫入する。図４は再貫入の様子を示し、透明ケーシング５は深さＨｘだけ再貫入して安定する。吸引管３１による掘屑の吸引排除を連続して行うと、透明ケーシング５の再貫入が連続して進行（堀進）する。この再貫入で透明ケーシング５の外周面５ｂは地盤１を摩擦抵抗少なく垂直に下り、ボーリング孔壁面を自然状態に近い良好な面のまま保持する。

透明ケーシング５の静的貫入が終了すると、図２と図５（Ａ）に示すように透明ケーシング５内に撮像機器４０の撮像機固定兼防水ケース４１を挿入する。透明ケーシング５内に地下水８が入っている場合は、撮像機固定兼防水ケース４１を地下水８の中に挿入する。透明ケーシング５内で撮像機固定兼防水ケース４１を横方向に３６０度回転させ、上下方向に移動させて、図６に示す六角形の透明ケーシング５の６枚の平坦な透明板５’を通してボーリング孔壁面を部分的に連続して撮像し、撮像した各画像を合成して、ボーリング孔壁面全面の調査・観察を行う。

透明ケーシング５の各平坦な透明板５’の外周面に接して撮像されるボーリング孔壁面は平坦面で、このボーリング孔壁面を平坦な透明板５’を通してカメラで撮像した画像は、円形透明ケーシングを使用して曲面を撮像した画像に比べ補正が簡単である。また、色付き液体注入による地下水の動き観察も撮像機器４０で行え、この地下水動き観察は透明ケーシング５が多面体の場合に円形ケーシングより有利に行える。カメラで撮像した画像によるボーリング孔壁面の調査・観察は、通常の土粒子の岩石分類、火山灰種類、水で飽和しているか否か、生物の分類、画像のうちのピクセル計算などで行うことができる。

図５（Ａ）の状態でボーリング孔壁面の調査・観察が終了すると、次の透明ケーシング５の静的貫入を行う。図５（Ａ）の状態で透明ケーシング５をボーリング孔２の孔底地盤３に静的貫入させることも可能であるが、摩擦抵抗が大きくて難しいことから、図５（Ｂ）と（Ｃ）に示すように行う。まず、図５（Ｂ）に示すように、外部ケーシング７で孔底地盤３を掘削し、掘屑を排除する。外部ケーシング７を所望の深さまで通常ボーリングしてから、図５（Ｃ）に示すように外部ケーシング７の下端部の孔底地盤３に対して透明ケーシング５を静的貫入させて、次のボーリング孔壁面の調査・観察を行う。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施の形態を示すケーシングボーリング装置の要部断面を含む側面図である。 図１装置における地盤ボーリング時の要部拡大断面図である。 図１装置におけるケーシング初期貫入安定時の力学図である。 図１装置におけるケーシング貫入進行（掘進）時の力学図である。 （Ａ）は図１装置における地盤調査観察時の断面図、（Ｂ）は外部ケーシングボーリング時の断面図、（Ｃ）は透明ケーシングボーリング時の断面図である。 図１装置における透明ケーシングの拡大平面図である。 図１装置における延伸枠の拡大平面図である。

符号の説明

１ 地盤
２ ボーリング孔
３ 孔底地盤
５ 透明ケーシング
５ａ 傾斜下端面
５’ 透明板
６ 延伸枠
７ 外部ケーシング
１０ ケーシングボーリング装置
１１ 支持枠
２０ 載荷手段
２１ ウエイト
２２ 荷重伝達枠
３０ 除荷手段
３１ 吸引管
３２ 吸引力制御装置兼土水貯留装置
４０ 撮像機器
４１ 防水ケース
４２ 撮像カメラ
４３ 照明器具
４４ 操作スイッチ
４６ 支持管
４７ ワイヤ

Claims (8)

1. ケーシング外周側を傾斜下端とする鋭角の傾斜下端面を有する透明ケーシングと、この透明ケーシングを軸方向下方に加える静的荷重で地盤に貫入させる載荷手段と、前記透明ケーシング内の掘削地盤を吸引排除する除荷手段を使用し、
   前記除荷手段による地盤吸引排除で生じる地盤の透明ケーシング支持力低下に応じて透明ケーシングを前記載荷手段の荷重で地盤中に静的貫入させることを特徴とするケーシングボーリング工法。
2. 前記透明ケーシングの外径より内径が大きな外部ケーシングで地盤を掘削し吸引排除して、この外部ケーシング内に前記透明ケーシングを挿入して外部ケーシング下端部内の孔底地盤に静的貫入させることを特徴とする請求項１に記載のケーシングボーリング工法。
3. 前記透明ケーシング内に挿入した撮像機器で透明ケーシングを通し透明ケーシング外周に接するボーリング孔壁面を撮像することを特徴とする請求項１または２に記載のケーシングボーリング工法。
4. ケーシング外周側を傾斜下端とする鋭角の傾斜下端面を有する筒状透明ケーシングと、この透明ケーシングを軸方向下方に加える静的荷重で地盤に貫入させる載荷手段と、前記透明ケーシング内の掘削地盤を吸引排除する除荷手段と、前記透明ケーシング内に可動に挿入され、透明ケーシングを通して透明ケーシング外周に接するボーリング孔壁面を撮像する撮像機器とを具備したことを特徴とするケーシングボーリング装置。
5. 前記透明ケーシングが多角形の筒体であることを特徴とする請求項４に記載のケーシングボーリング装置。
6. 前記透明ケーシングの外周と傾斜下端面が成す角度が２５度〜３０度であることを特徴とする請求項４又は５に記載のケーシングボーリング装置。
7. 前記撮像機器は、前記透明ケーシング内に可動に挿入される防水ケースと、この防水ケースに収納した撮像カメラ及び撮像用照明器具を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のケーシングボーリング装置。
8. 前記透明ケーシングと載荷手段を上下動可能に吊り下げ支持する支持枠を地上に配備したことを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のケーシングボーリング装置。

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