JP2011163021A

JP2011163021A - 掘削ヘッド

Info

Publication number: JP2011163021A
Application number: JP2010027617A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Arima; 司有馬; Akira Tsuru; 晃水流; Tetsuji Sakon; 哲治左近
Original assignee: SEIKOTONE CO Ltd
Current assignee: SEIKOTONE CO Ltd
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: JP5607944B2

Abstract

【課題】礫の破砕を行いながら連続掘削が可能で、掘削時間が短く、掘削される掘削孔の孔径の精度の向上が図れ、構造が簡略化する。
【解決手段】
下端に掘削ビット１を有する縦方向の軸線回りに回転する回転ケーシング２と、該回転ケーシング２内に配置された外周に破砕ビット３を備えた複数の回転体４とを備えている。回転体４は回転ケーシング２に対して横方向の軸線回りに自由回転自在に取付けている。この回転体４は回転ケーシング２の回転に伴って回転ケーシング２の回転中心を中心にして公転し、且つ、回転体４の公転に基づく地盤５との抵抗で回転体４が横方向の軸線回りに自転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤を掘削するための掘削ヘッドに関するものである。

従来から、場所打杭工法の一つとしてリバース工法が知られている。このリバース工法は、泥水を掘削孔に供給して孔壁が崩壊しないように保持しながら、リバース管の先端に設けた掘削ヘッドで地盤を掘削すると共に、掘削ヘッドで掘削した掘削土砂と泥水とをリバース管を通して地上に排出し、地上で泥水を分離して再び掘削孔内に供給しながら掘削を行う工法である。

このリバース工法においては、リバース管より大きい礫が出現した場合、リバース管の吸込み口、あるいはリバース管内に詰まり、これを取り除かないと掘削が出来ない。このため、吸込み口やリバース管内が詰まると、その都度、掘削ヘッドを地上に引き上げ詰まった礫を除去し、除去後掘削を再開するということを繰り返しながら作業を行わなければならず、作業効率が大きく低下するという問題があった。

そこで、吸込み口、あるいはリバース管内に礫が詰まるのを防止し、連続掘削を行うための提案が特許文献１によりなされている。

この特許文献１に示される従来例は、リバース管の下端にドリルパイプを設け、このドリルパイプは下端に吸込み口を形成すると共に外側面に掘削ビットを突設したもので、下端の吸込み口の周囲に複数の破砕ビットを設けたものである。

ドリルパイプは、内管と外管とからなる二重管となっており、掘削ビットはドリルパイプの外管に一体に固定してあって、回転駆動装置で外管を回転駆動することで、掘削ビットを外管と共に回転して地盤を掘削するようになっている。

また、内管の下端が吸込み口となっており、破砕ビットの回転軸を外管に対して回転自在に取付け、破砕ビットの回転軸に設けた歯車と内管外周に設けた歯車とを噛み合わせている。内管は固定又は外管と反対方向に回転駆動されるように構成しており、外管を回転駆動することで、破砕ビットに設けた歯車が内管に設けた歯車に沿って公転しながら自転し、破砕ビットが回転するようになっている。この吸込み口の周囲に設けた複数の破砕ビットが回転することで、複数の破砕ビットにより礫を破砕し、破砕ビット間を通過した破砕された礫が吸込み口に吸い込まれるようになっている。

特開２００４−６８３９８号公報

しかしながら、上記従来技術は、回転駆動装置で回転する外筒の回転を歯車による噛み合いを介して破砕ビットに伝達して破砕ビットを回転しているので、破砕ビット間に礫が咬み込んで破砕ビットが回転できなくなると、掘削ビットが回転不能となって停止し、歯車、回転駆動装置に大きな負荷が掛かり、これらを損傷するおそれがある。そして、掘削ビットの回転が停止するため、掘削を継続できず、地上に引き上げて破砕ビットに咬み込んだ礫を除去しなければならず、連続掘削ができなくなり、掘削に時間がかかる。

しかも、吸込み口の周囲に設けた破砕ビットはドリルパイプの最下端から下方に突出していて掘削ビットよりも下方に位置している。このため、地盤の掘削に当たっては、最下端に位置する破砕ビットが常時未掘削地盤にもぐり込むようにして未掘削地盤を掘削することになり、破砕ビットは最初に未掘削地盤に食い込んで掘削と同時に掘削ビット間で破砕を行わなければならず、未掘削礫が直接破砕ビット間に咬み込むおそれが更に高くなる。

また、上記従来例は、外管の外側面に突設した掘削ビットの回転により地盤を掘削するので、掘削ビットの回転で掘削孔を掘削する際、孔壁が崩れるおそれがあり、掘削される掘削孔の孔径の精度が悪いという問題がある。

更に、上記従来例は、ドリルパイプが、内管と外管とからなる二重管構造で、内管と外管との対向面に破砕ビットに回転動力を伝達するための歯車機構を設ける必要があり、構造が複雑になるという問題がある。

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したもので、礫の破砕を行いながら連続掘削が可能で、掘削時間が短く、掘削される掘削孔の孔径の精度の向上が図れ、構造が簡略化する掘削ヘッドを提供するにある。

本発明は、以下のような構成になっている。

本発明の掘削ヘッドは、下端に掘削ビット１を有する縦方向の軸線回りに回転する回転ケーシング２と、該回転ケーシング２内に配置された外周に破砕ビット３を備えた複数の回転体４とを備え、上記回転体４が回転ケーシング２に対して横方向の軸線回りに自由回転自在に取付けられ、上記回転体４が回転ケーシング２の回転に伴って回転ケーシング２の回転中心を中心にして公転し、且つ、回転体４の公転に基づく地盤５との抵抗で回転体４が横方向の軸線回りに自転するものであることを特徴とする。

このような構成とすることで、回転ケーシング２の下端に設けた掘削ビット１により地盤５を掘削すると共に掘削時に掘削孔２０の孔壁が崩壊するのを回転ケーシング２により防止することができる。この掘削ビット１による掘削孔２０の外周部の先行掘削に続き、回転ケーシング２内で、掘削ビット１により掘残された部分に、破砕ビット３を有する回転体４が公転しながら当たることで、掘削ビット１による先行掘削で緩められた掘残しの部分が崩されて容易に掘削されると共に、回転体４が自転して破砕ビット３により掘削土砂中に含まれる礫を破砕する。また、回転体４の自転に当たって、従来のように歯車などの動力伝達機構が必要でなく、構造が簡略化する。また、回転体４間に礫が食い込んで、仮に、回転体４が自転しない事態が生じても、従来のように歯車などの動力伝達機構がなく、回転体４は回転ケーシング２に対して単に自由回転自在に取付けているだけなので、回転ケーシング２は回転を継続することができ、回転ケーシング２を回転するための回転駆動装置に大きな負荷がかかって回転駆動装置が損傷するおそれがない。また、回転ケーシング２が回転を継続することで、回転体４が公転を継続し、回転体４が礫を咬みこんだまま地盤５に強く当たりながら公転を継続することで回転体４から礫が離脱したり、あるいは、回転体４の自転が促進されて礫が破砕されたりして、回転体４の自転が再開され、連続掘削の継続が可能となる。

また、回転ケーシング２がリバース管６の下端に接続されるものであり、該回転ケーシング２の回転体４より上方位置に、回転体４を通過した掘削土砂を泥水と共にリバース管６に吸い込むための吸込み口７を設けることが好ましい。

このような構成とすることで、掘削ビット１で掘削した掘削土砂を回転ケーシング２に集め、回転体４間を通過させる際に破砕ビット３により小さく破砕し、このようにして回転体４を通過して泥水と良く混合された破砕済みの掘削土砂を吸込み口７からリバース管６に吸い込むことができ、吸込み口７及びリバース管６内が詰まることなくスムーズに排出でき、リバース工法における連続掘削が可能となる。

また、回転体４が回転ケーシング２の縦方向の軸線を中心に放射状に複数設けられ、回転体４の横方向の軸線回りにおける回転軌跡の径が、回転ケーシング２の縦方向の軸線側から回転ケーシング２の内面側にかけて次第に大きくなるように構成してあることが好ましい。

回転ケーシング２の縦方向の軸線を中心に放射状に複数設けると、隣合う回転ケーシング２間の隙間の巾が回転ケーシング２内面側に近づくほど大きくなりすぎて、比較的大きな礫が隣合う回転ケーシング２間の隙間を通過してしまうおそれがあるが、上記のように回転体４の横方向の軸線回りにおける回転軌跡の径が、回転ケーシング２の縦方向の軸線側から回転ケーシング２の内面側にかけて次第に大きくなるように構成することで、放射状に設けた回転体４間の回転ケーシング２内面側における隙間が極端に広くならないようにできて、隣合う回転ケーシング２間を礫が通過する際、破砕ビット３で確実に破砕できる。

また、筒状の回転ケーシング２の中心に回転ケーシング２に固定された中央縦軸８を設け、該中央縦軸８の下端に中央掘削ビット９を設け、中央縦軸８を中心にして複数の回転体４を回転ケーシング２内に放射状に配置すると共に、各回転体４の横軸１０の両端を回転ケーシング２と中央縦軸８とに支持し、回転体４の外面の中央縦軸８側の端部から回転ケーシング２の内面側の端部にかけて次第に突出長さが長くなった略三角形状のビット台１１を、回転体４の外周の自転回りに複数突設し、該ビット台１１の突出先端に中央縦軸８側から回転ケーシング２の内面側にかけて複数の破砕ビット３を設けることが好ましい。

このような構成とすることで、掘削ビット１及び中央掘削ビット９で外周部及び中央部が先行して掘削され、回転体４が公転することで、この先行して掘削された掘削孔２０の外周部と中央部に囲まれた未掘削地盤に略三角形状のビット台１１が当たる。ここで、先行して掘削された掘削孔２０の外周部と中央部に囲まれた未掘削地盤は、外周部及び中央部の両方から緩められているので、この外周部及び中央部の両方から緩められた部分に破砕ビット３を有する略三角形状のビット台１１が当たると、両側から崩れて容易に掘削され、同時に回転体４はビット台１１が地盤５の抵抗を受けることで自転し、崩された土砂に含まれる礫を破砕ビット３により効果的に破砕する。

本発明は、上記のように構成したので、回転ケーシングの下端に設けた掘削ビットによる掘削時に回転ケーシングで掘削孔の孔壁の崩壊を防止でき、掘削孔の孔径の精度の向上が図れる。

また、掘削ビットによる先行掘削に続き、この先行掘削で緩められた回転ケーシング内の未掘削地盤を回転体の公転で崩して容易に掘削できると共に、回転体が自転して破砕ビットで掘削土砂中に含まれる礫を効果的に破砕できる。しかも、仮に礫が回転体間に喰い込んで自転しない事態が生じても、回転ケーシングは回転を継続でき、回転駆動装置に大きな負荷が作用することによる損傷を防止し、また、回転ケーシングの回転の継続に伴う回転体の公転で、喰い込んだ礫が回転体から離脱したり、あるいは、回転体の自転が促進されて礫が破砕され、回転体の自転が再開できる。これらの結果、本発明は、礫の破砕を行いながら連続掘削が可能となり、掘削時間が短くなる。

また、回転体の自転に当たって、従来のように歯車などの動力伝達機構が必要でなく、構造が簡略化する。

本発明の掘削ヘッドの縦断面図である。同上の図１のＸ−Ｘ線断面図である。同上の図１のＹ−Ｙ線断面図である。同上の平面図である。同上に用いる回転体を示し、（ａ）は正面断面図であり、（ｂ）は左側面図であり、（ｃ）は右側面図である。本発明の掘削ヘッドの使用例を示す断面図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。

図１〜図４には本発明の掘削ヘッドＡを示している。掘削ヘッドＡは円筒体よりなる回転ケーシング２により主体を構成している。

回転ケーシング２の下端には周方向に複数の掘削ビット１を下方に向けて突設している。掘削ビット１は一側部が回転ケーシング２の外面よりも外方に突出している。回転ケーシング２の外面には周方向の複数個所に上下方向に長いガイド縦突条２１を突設している。

図１、図４に示すように、回転ケーシング２内の上端部中央にはリバース管６の下端を接続するための接続筒部１３を設けており、該接続筒部１３は回転ケーシング２に対して頭部固定プレート１４で固定している。回転ケーシング２の上端部は閉塞プレート１５で閉塞してあり、閉塞プレート１５の外周端を回転ケーシング２の内周面に固定し、さらに、閉塞プレート１５の上面に頭部固定プレート１４の下端及び接続筒部１３の下端を固定している。

接続筒部１３には１乃至複数の吸込み筒部２２の上端を連通固着しており、吸込み筒部２２は閉塞プレート１５を上下に貫通して回転ケーシング２の内面に沿って固定している。吸込み筒部２２の下端が吸込み口７となっていて回転ケーシング２の上下方向の略中間部分において下方に向けて開口している。

図１、図３に示すように、回転ケーシング２内の上下方向の略中間部分には、上部固定プレート１６と、下部固定プレート１７を架設している。本実施形態では図３に示すように、一対の上部固定プレート１６と一対の下部固定プレート１７を平面視で「井」字状となるように架設している。また、回転ケーシング２の中心に中央縦軸８を配置し、この中央縦軸８の上部を、上記一対の上部固定プレート１６と一対の下部固定プレート１７とが交差することで形成される「井」字状の中心に位置させて上部固定プレート１６、下部固定プレート１７に固定している。図に示す実施形態では中央軸部８が断面四角形状をしており、４側面のうち前後の２側面を一対の下部固定プレート１７に固定し、左右の２側面を一対の上部固定プレート１６に固定している。

中央縦軸８の下端部に中央掘削ビット９を設けており、該中央掘削ビット９の下端は掘削ビット１の下端とほぼ同じレベルとなっている。

回転ケーシング２内の下部に複数の回転体４を配置しており、各回転体４は、それぞれ回転ケーシング２に対して横方向の軸線回りに自由回転自在に取付けている。

添付図面に示す実施形態では、回転体４が回転ケーシング２の縦方向の軸線（中央軸部８の中心線が軸線となる）を中心に放射状に複数（図２では４個）設けている。

回転体４にはビット台１１を、回転体４の外周の自転回り（横軸１０回り）に複数突設してある。すなわち、回転体４は図５に示すように、横筒１９の外周面に周方向に所定ピッチで突設した複数のビット台１１と、ビット台１１の突出先端に設けた複数の破砕ビット３を備えており、該回転体４は、両端部を回転ケーシング２と中央縦軸８とに固定した横軸１０にベアリング１８を介して回転自在に取付けている。したがって、回転体４は、横方向の軸線（横軸１０の中心線）を中心として回転ケーシング２、中央縦軸８に対して自由に回転できるようになっている。

ビット台１１は、回転体４の外面の中央縦軸８側の端部から回転ケーシング２の内面側の端部にかけて次第に突出長さが長くなった略三角形状をしており、該ビット台１１の突出先端に中央縦軸８側から回転ケーシング２の内面側にかけて複数の破砕ビット３を設けている。

図１に示すように、回転ケーシング２内において回転体４の上方に上記吸込み口７が位置している。

上記の構成の掘削ヘッドＡは例えばリバース工法に用いられる。使用に当たっては、リバース管６の下端に掘削ヘッドＡの上端部中央に設けた接続筒部１３を接続し、リバース管６と共に掘削ヘッドＡを回転させて地盤５を掘削しながら貫入させていく。

リバース管６と共に掘削ヘッドＡを縦方向の軸線（回転ケーシング２の中心線）を中心に回転させるには従来から公知のリバース工法において用いられるパワースイベル方式、あるいはロータリーテーブル方式等が採用できる。

図６にはパワースイベル方式の一例が示してあり、リバース管６を回転駆動させる回転駆動部２６を地上装置２５に上下方向に昇降自在に取付けている。もちろん、図示を省略しているが、リバース管６をロータリーテーブルで回転するものであってもよい。

図６において、回転駆動部２６には吸引ホース２７の一端部を接続している。この吸引ホース２７の回転駆動部２６への接続に当たっては、上記回転駆動されるリバース管６に対して連通はするが回転しないように接続している。吸引ホース２７の他端はサクションポンプ２３に接続しており、サクションポンプ２３とマッドスクリーン２４とを配管２８により接続している。

図中２９は安定液を溜める給水プラントであり、給水ポンプ３０で汲み上げた給水プラント２９中の安定液をリターンホース３１により掘削孔２０内に供給するようになっている。

また、マッドスクリーン２４は掘削土砂と泥水の混合物から掘削土砂と泥水とを分離し、掘削土砂を排土として排土タンク３２に送り、返送管３４を介して泥水が給水プラント２９に返送されるようになっており、返送された泥水は安定液として再び使用する。

以下、本発明の掘削ヘッドＡを用いて地盤５に掘削孔２０を形成する実施形態につき説明する。

掘削孔２０を掘削しようとする箇所の地表付近にスタンドパイプ３５を埋設すると共に、スタンドパイプ３５に囲まれた部分を任意の手段で掘削する。このスタンドパイプ３５に囲まれた掘削部分が、本発明の掘削ヘッドＡにより以下のようにして掘削する掘削孔２０の上端となる。

スタンドパイプ３５内の掘削が終わると、スタンドパイプ３５内に本発明の掘削ヘッドＡを入れ、給水プラント２９の安定液を給水ポンプ３０により掘削孔２０内に給水しながら、掘削ヘッドＡを回転して地盤５を掘削していく。

掘削ヘッドＡを回転すると、安定液の供給下で、回転ケーシング２の下端に設けた掘削ビット１、中央縦軸８の下端に設けた中央掘削ビット９で地盤５を掘削する。これにより掘削孔２０の外周部及び中央部が先行して掘削される。また、掘削ビット１による掘削孔２０の外周部の掘削で掘削孔２０の孔壁が荒らされるが掘削ビット１の掘削に引き続き回転ケーシング２が進入し、回転ケーシング２の外周に設けたガイド縦突条２１が、掘削直後の掘削孔２０の荒れている内壁を押圧しながら回転することで、内壁の崩壊を抑制しながら掘削孔２０が形成されていく。

上記のように回転ケーシング２を回転して掘削していくと、回転ケーシング２内に自由回転自在に設けた複数の回転体４が、回転ケーシング２の回転中心を中心として公転する。

回転体４が公転すると、上記先行して掘削された掘削孔２０の外周部と中央部に囲まれた未掘削地盤に略三角形状のビット台１１が当たる。ここで、先行して掘削された掘削孔２０の外周部と中央部に囲まれた未掘削地盤は、先行掘削により外周部及び中央部の両方から緩められているため、破砕ビット３を有する略三角形状のビット台１１が公転しながら当たると、この部分が容易に掘削され、同時に公転する回動体４のビット台１１が地盤５の抵抗を受けることで回転体４が自転する。このように回転体４が公転しながら自転することで、崩された土砂に含まれる礫を破砕ビット３で破砕し、更に、自転に伴って略三角形状のビット台１１で掘削土砂と泥水を混合しながら混合物を上方に掻き揚げ、隣接する回転体４間を通過して回転体４の上方に移動させる。

上記、自転する隣り合う回転体４間を掘削土砂が通過する際、礫が隣接する回転体４に設けた破砕ビット３で両側から破砕されることになって、より細かく破砕される。

ここで、回転ケーシング２の縦方向の軸線を中心に回転体４を放射状に複数設けると、隣合う回転ケーシング２間の隙間の巾が回転ケーシング２内面側に近づくほど大きくなりすぎて、比較的大きな礫が隣合う回転ケーシング２間の隙間を通過してしまうおそれがある。しかし、上記のように回転体４の横方向の軸線回りにおける回転軌跡の径が、回転ケーシング２の縦方向の軸線側から回転ケーシング２の内面側にかけて次第に大きくなるように構成することで、放射状に設けた回転体４間の回転ケーシング２内面側における隙間が極端に広くならないようにできて、隣合う回転ケーシング２間を礫が通過する際、破砕ビット３で確実に破砕できる。

このように回転ケーシング２内において、回転体４間を通過して回転体４の上方に移動した掘削土砂と泥水の混合物は、サクションポンプ２３を運転することで、吸込み口７から吸い込まれ、リバース管６、吸引ホース２７、サクションポンプ２３、配管２８を経てマッドスクリーン２４に送られ、ここで、掘削土砂と泥水とに分離され、掘削土砂を排土タンク３２に送り、泥水を給水プラント２９に返送されて再び掘削用の安定液として再利用される。

このように泥水を安定液として循環させながら掘進していき所定深さまで掘削する。

ところで、上記掘削の途中で隣接する回転体４間に礫を咬みこんで回転体４が自転できなくなる可能性があるが、このような場合、回転体４は回転ケーシング２に対して自由回転自在に取付けているので、回転体４が自転しない状態であっても回転ケーシング２は回転を継続でき、回転駆動部２６に大きな負荷がかかることがなく、回転駆動部２６の損傷を防止できる。しかも、この場合、礫を咬みこんで自転できなくなった回転体４は回転ケーシング２の回転に伴って公転を継続する。

ところで、回転体４が公転する際に三角形状のビット台１１が地盤５から受ける力は、自転しているときよりも自転していない時の方が強く作用する。したがって、回転体４が公転しながら自転しているときに比べ、回転体４が公転することで、礫を咬みこむことで自転を中断している回転体４を自転させようとする強い力が作用する。同時に回転体４間に噛み込まれた礫も咬み込まれた状態のまま、強く地盤５に当たりながら回転体４と共に公転する。

このようにして回転体４の公転を継続することで、咬み込まれていた礫が回転体４から離脱して回転体４が自転を再開したり、あるいは、咬み込んでいた礫を破砕すると共に自転を再開し、掘削を継続することができる。

上記のように、本発明によれば、回転体４を通過して泥水と良く混合された破砕済みの掘削土砂を吸込み口７からリバース管６に吸い込むことができ、吸込み口７及びリバース管６内が詰まることなくスムーズに排出でき、また、回転体４間に礫が咬みこんでも回転ケーシング２の回転を継続して回転体４の公転により礫を離脱又は破砕でき、これらの結果、リバース工法における連続掘削が可能となる。

なお、上記のようにして掘削孔２０の掘削が終了すると、スライム処理を行い、掘削ヘッドＡを地上に引き上げる。

以後は、従来のリバース工法と同様に、掘削孔２０内に鉄筋かごや鋼管やＨ鋼などを建て込み、スライム処理を行ったのち、掘削孔２０内にコンクリートやモルタルを打設し、スタンドパイプ３５を地上に引き抜く。その後、コンクリートやモルタルが固化することで、現場打杭が形成されることになる。

１掘削ビット
２回転ケーシング
３破砕ビット
４回転体
５地盤
６リバース管
７吸込み口
８中央縦軸
９中央掘削ビット
１０横軸
１１ビット台

Claims

下端に掘削ビットを有する縦方向の軸線回りに回転する回転ケーシングと、該回転ケーシング内に配置された外周に破砕ビットを備えた複数の回転体とを備え、上記回転体が回転ケーシングに対して横方向の軸線回りに自由回転自在に取付けられ、上記回転体が回転ケーシングの回転に伴って回転ケーシングの回転中心を中心にして公転し、且つ、回転体の公転に基づく地盤との抵抗で回転体が横方向の軸線回りに自転するものであることを特徴とする掘削ヘッド。
回転ケーシングがリバース管の下端に接続されるものであり、該回転ケーシングの回転体より上方位置に、回転体を通過した掘削土砂を泥水と共にリバース管に吸い込むための吸込み口を設けて成ることを特徴とする請求項１記載の掘削ヘッド。
回転体が回転ケーシングの縦方向の軸線を中心に放射状に複数設けられ、回転体の横方向の軸線回りにおける回転軌跡の径が、回転ケーシングの縦方向の軸線側から回転ケーシングの内面側にかけて次第に大きくなるように構成してあることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の掘削ヘッド。
筒状の回転ケーシングの中心に回転ケーシングに固定された中央縦軸を設け、該中央縦軸の下端に中央掘削ビットを設け、中央縦軸を中心にして複数の回転体を回転ケーシング内に放射状に配置すると共に、各回転体の横軸の両端を回転ケーシングと中央縦軸とに支持し、回転体の外面の中央縦軸側の端部から回転ケーシングの内面側の端部にかけて次第に突出長さが長くなった略三角形状のビット台を、回転体の外周の自転回りに複数突設し、該ビット台の突出先端に回転縦軸側から回転ケーシングの内面側にかけて複数の破砕ビットを設けて成ることを特徴とする請求項３記載の掘削ヘッド。