JP2012046882A - 地盤改良工法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の注入工法では、硬化材等噴流の所定部位への到達を確認する手段がなく、経験値によって多めの掘削時間、注入時間をかけていたので、地盤に不自然な負荷を掛けて地盤隆起等の現象を発生させる恐れもあり、注入材料もそれだけ多量に必要となり、コスト的にも大きな負担となる問題があった。
【解決手段】大小の攪拌翼を上下２段に設定し、上段攪拌翼Ｂの先端にデータ送信センサーを備えた遮蔽感知板８を付設し、下段攪拌翼Ｃ先端からの噴射注入噴流６を遮蔽感知板８に衝当させ、感知板への衝当データにより硬化材等噴流の感知板位置への到達確認と噴流エネルギーの大きさを把握するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は軟弱地盤の改良、或いは構造物基礎の造成を目的として対象地盤に硬化材を高圧噴射して地盤中に硬化材層を造成する地盤改良工法とその装置に関するものである。

従来、軟弱地盤の改良、或いは構造物基礎の造成を目的とする硬化材層造成のための硬化材注入については、噴射される硬化材噴流自体によって対象地盤を攪拌混合する高圧噴流攪拌と注入ロッドに張出形成する攪拌翼によって対象地盤を攪拌混合する機械攪拌とが存在している。

高圧噴流攪拌においては、その到達距離を少しでも伸長して大径の硬化材層を造成するため、同時にエアーを噴射してエアーリフト効果を利用して余剰スライムの排出を行うなど様々な工夫が凝らされ、更には、核ノズルとこれを囲繞する環状ノズルからなる重合噴射ノズルにより硬化材噴流をエアーで包合して保護し到達距離を延長する方法（例えば特許文献１参照）が開発されている。

機械攪拌には、更に、攪拌翼の先端や側腹に硬化材噴射ノズルを設定して硬化材噴流の到達距離伸長と周辺土壌と硬化材のより均質な攪拌混合を行うこと（例えば特許文献２参照）や、注入ロッドの噴射ノズルからの噴流が先端部において拡散することを防止するため、攪拌翼の先端に注入ロッドの噴射ノズルから高圧噴射される硬化材の進路を遮断する拡散防止板を設定する（例えば特許文献３参照）手段等も講じられてきた。
特公平７ー１００９３１号公報 特開昭５０ー１０７７１４号公報 特開２０００ー１７６５０号公報

しかしながら、目的に沿った強度と大きさの硬化材層を設計通りに確実に造成する方法は確立されていない。更に、従来の攪拌翼と硬化材噴射による地盤の攪拌混合による地盤改良は、攪拌翼の基部に噴射ノズルを設けた場合、エアー噴射を併用しなければ攪拌翼の先端部位まで硬化材噴流が到達しない。
そこで、エアー噴射を併用する方法を採ると、エアー噴射によるエアーリフト効果によって必要以上のスライム排出が行われて噴射材料に無駄が多いほか、地盤沈下等の地盤変状に繋がり易い問題がある。

また、攪拌翼による機械攪拌については、注入ロッドを回転させるために大きなトルクが必要となり装置の大型化を招く問題があるほか、攪拌翼に設定するノズルからの噴射はエアー噴射を併用しないため、噴射エネルギーが消耗減衰されてしまい高圧噴流の到達距離を長くできないためトルク減少効果交換と攪拌効果が得られず、また、トルク減少効果が充分に得られないことで硬質地盤に対応できない問題がある。

また、地表部より改良体造成深度まで注入ロッドを貫入する（空掘り部）際等、噴射ノズルを噴射作動しないで注入ロッドを地中で駆動する場合には、周辺土壌がノズル孔に侵入し、ノズル詰まりやノズルへの土砂の逆流を惹き起す問題があり、噴射作動しない場合にもノズルから削孔水等を噴出させて、これを防止する手段が講じられているが、削孔水等を無駄に消費しなくてはならない問題があった。

更に、従来の高圧噴射工法では、硬化材等の噴流が所定の範囲に到達したか否かを確認する手段がなかったため、経験値によって多めの掘削時間、注入時間をかけていたので、地盤に不自然な負荷を掛けて地盤隆起等の現象を発生させる恐れもあり、注入材料もそれだけ多量に必要となり、コスト的にも大きな負担となる。

本発明は、上記の課題に対応してこれを解決するため、大小の攪拌翼を上下２段に設定し、上段攪拌翼の先端にデータ送信センサーを備えた遮蔽感知板を付設し、下段攪拌翼の先端に、噴射する噴流が前記上段攪拌翼の遮蔽感知板に衝当する噴射ノズルを設けて同噴射ノズルからの噴流の感知板への衝当データにより硬化材等の噴流が感知板の位置に到達したことの確認と、到達衝当時における噴流エネルギーの大きさを把握できるように構成した。

更に、下段攪拌翼の下部２０ｃｍ以内のロッド壁面に、前記下段攪拌翼の先端部の下端に噴流が衝当する範囲の上向き方向に噴射する噴射ノズルを設け、地盤切削用ジェットを２段にすることで、エアー噴射を併用しない切削距離の短いジェット（コンパクトジェット）でも大口径の切削を可能とし、トルクの低減及び硬化材の均等な充填（攪拌効果）が得られるようにした。
また、トルク減少効果交換により、施工機械の小型化が可能となり、更に、硬質地盤にも対応可能となった。

また、施工環境により、更に、上段攪拌翼の上部に攪拌翼とその直上部のロッド外周壁にオーガー翼を設けて過剰間隙水圧の減衰と余剰スライムの排出を図るように構成した。即ち、上段攪拌翼の遮蔽感知板により、下段攪拌翼ノズルからの改良噴流の到達距離と噴流エネルギーの大きさを確認して、注入ロッドの回転速度、引上げ速度を調整することにより、目的に沿った強度と大きさの硬化材層を造成できるようにした。

また、上段攪拌翼の上部に攪拌翼とその直上部にオーガー翼を設けて過剰間隙水圧の減衰と余剰スライムの排出を図り、余剰スライムによる過剰地内圧を地上に排出して硬化材等の適切な充填密度を維持して高い攪拌効率と掘削能率による地盤改良層の造成施工を可能としたものである。

更に、噴射ノズルのノズル孔の形状に沿った弾性部材によって構成されたノズルプラグをノズル孔に嵌装して閉塞しておき、噴射作動を行う際に噴射材料の噴射圧力によってノズルプラグを吹き飛ばして除去するようにし、ノズルプラグがノズル孔の形状にフィットする部分、フィット長の長さを調節することで、飛び出し圧力を調節するようにした。

本願発明による地盤改良装置は、上段攪拌翼の先端部に付設されている遮蔽感知板により、改良範囲を上段攪拌翼の外径に限定しているため、地下構造物が存在する場合、地下構造物に密接した改良ができない問題があり、これに対応して上段攪拌翼の先端に延長方向に噴射する噴射ノズルを設け、遮蔽感知板により下段攪拌翼の硬化材噴流の遮蔽感知板位置への到達状况を確認しながら、前記の上段攪拌翼の先端ノズルから硬化材の高圧噴射を行うことにより、改良範囲を限定した地下構造物との密着改良を行えるように構成した。

本発明は、以上のように構成したので、遮蔽感知板からの送信データにより、注入ロッドの回動及び下降と上昇を管理でき、従来の注入工法での経験値による多めの掘削時間、注入時間をかけてきたことによる注入材料の無駄をなくし、地盤に掛けられていた不自然な負荷を回避することができた。

更に、硬化材等の噴流が所定の範囲に到達したか否かを確認する手段が得られたことにより、過剰注入による負荷を回避できるので地盤隆起等の現象も回避でき、注入材料もそれだけ節約できるので、コスト的にも大きな利益をもたらす効果がある。

本発明の実施例を示すもので、注入ロッドの要部構造を外装面から概略的に示す注入ロッド先端部の側面図 同じく、図１の注入ロッドにおいて上段攪拌翼先端の延長方向噴射を行わない基本的な形態におけるロッド内流路を概略的に示す注入ロッド先端部の縦断面側面図 同じく、上段攪拌翼の上部に、更に攪拌翼を設け、その直上部のロッド外周壁にオーガー翼を設けた注入ロッドの要部構造を外装面から概略的に示す注入ロッド先端部の側面図 同じく、図３の注入ロッドにおいてロッド内流路を１本として各噴射ノズルへの流路を分岐させた形態におけるロッド内流路を概略的に示す注入ロッド先端部の縦断面側面図 同じく、図３の注入ロッドにおいてロッド内流路を２本として上段攪拌翼先端の延長方向噴射ノズルへの噴射材供給流路と、下段攪拌翼先端ノズルと下部水平噴射ノズルへの噴射材供給流路を分隔した形態におけるロッド内流路を概略的に示す注入ロッド先端部の縦断面側面図 同じく、施工状况を示す装置全体の側面図 同じく、上段攪拌翼の先端に延長方向に噴射するノズルを設定して注入施工した硬化材層と延長方向噴射ノズルを設定しないで注入施工した硬化材層との注入域を対比する並列硬化材層の横断面平面図 同じく、ノズルプラグを噴射ノズルに装着した状態を示すノズルプラグを装着した状態における噴射ノズルの縦断面側面図

以下図面に従って本発明の実施の形態を説明する。１は注入ロッドで、側腹に両側に張出した大小の攪拌翼が上下２段に設定され、上段攪拌翼Ｂの各先端に荷重計、マイク等が内蔵され、電気信号によるデータ送信機能を備えた遮蔽感知板８、８を付設し、下段攪拌翼Ｃの各先端部には、噴射する噴流６が上段攪拌翼Ｂの遮蔽感知板８、８に衝当する噴射ノズル３が設けられ、噴射材料槽から流路Ｒを通じて圧送される前記噴射ノズル３からの噴流６の感知板８への衝当データにより硬化材等の噴流が感知板８の位置に到達したことの確認と、到達衝当時における噴流エネルギーの大きさを把握できるようになっている。

下段攪拌翼Ｃの下部には、下段攪拌翼Ｃから１０〜２０ｃｍ程度の間隔を置いた下方のロッド壁面に、下段攪拌翼Ｃの先端部の下端に噴流が衝当する範囲の上向き方向に噴射する噴射ノズル４、４が設けられ、下段攪拌翼Ｃの張出方向に沿って噴流７が噴射されると共に、下段攪拌翼Ｃの先端部の下端に噴流が衝当するし、また、噴射ノズル４、４からの噴流によって下段攪拌翼Ｃの下部及び先端外方の噴射ブランクが埋められるようになっている。

また、注入ロッド１及び攪拌翼に設定される噴射ノズルのノズル孔は図８に示すように弾性部材によって構成されたノズルプラグＰが着脱可能に嵌装され、噴射作動が行われない際にはノズルプラグＰによってノズル孔が閉塞されており、噴射作動開始時に噴射圧によって外に押し出されるようになっている。

以上のように構成された注入ロッド１はスイベル１１を介して噴射材料槽に連絡する流路Ｒを中心として前記ノズル３、４に連通し、操作に従って噴射材料を高圧噴流として噴射するようになっており、バックホウをベースとした小型マシン１２により、管理集約機構に集められた管理データによって回転、上下動等の駆動操作が与えられるものである。
なお、噴射材料槽と中核流路との連絡流路には硬化材等の噴射圧力、吐出量を計測調整するプランジャーポンプ、圧力計、流量計が設定され、各噴射ノズル３、４の噴射口はノズルチップＮを選択することにより、口径を拡縮調整できるようになっている。

砂質土でＮ値３０以下、粘性土でＮ値１０以下を対象地盤として、０．８〜１．４立方米クラスのバックホウをベースとした小型マシンを用い、噴射作動を行わない噴射ノズルのノズル孔をノズルプラグＰによって閉塞した注入ロッド１を、必要な場合には清水を供給してノズル２、３から対象地盤に噴出しながら注入ロッド１を２分／ｍの下降速度で回動して、先端ビットＤと下段攪拌翼Ｃの下辺に設定された掘削爪Ｃａ、攪拌翼Ａの下辺に設定された掘削爪Ｃａにより対象地盤Ｇに計画された改良深度まで掘進挿入する。

ノズルプラグＰは、各噴射ノズル設定部に螺合固定されるノズルチップＮに穿設されたノズル孔Ｎａの噴射口Ｎｂとその後部のテーパー面Ｎｃのスペース形状に則して漏斗型に形成されたゴム等の弾性素材で構成され、テーパー面Ｎｃに対応する部分の長さ（フィット長）を長くしたり、短くしたりして調節することで、飛び出し圧力を調節し、更に、各種揃えられたノズルチップＮの噴射口Ｎｂの口径によって吐出量を調整するようになっている。

改良深度まで掘削した時点で、注入ロッド１に硬化材を供給し、噴射ノズルへの噴射材料の送圧を高めることにより、ノズルプラグＰを高圧噴流と共に吹き飛ばして除去し、噴射圧２０Ｍｐａ以上、下段攪拌翼Ｃの翼長１ｍ、上段攪拌翼Ｂの翼長２ｍで噴射ノズル３の吐出量を毎分３００リットル、噴射ノズル４からの吐出量を毎分１００リットルで噴射した結果、直径２ｍ、一軸圧縮強度１〜３Ｍｐａの硬化材層を造成することができた。

即ち、翼長１ｍの下段攪拌翼Ｃによる図２のＡ１部分の切削面積は０．７８５平方米、翼長２ｍの上段攪拌翼Ｂ及び攪拌翼Ａによる図２のＡ２部分の切削面積は２．３５５平方米であり、同じ時間で噴射した場合の吐出量は下段攪拌翼Ｃに対応するノズル３の吐出量１に対して上段攪拌翼Ｂ及び攪拌翼Ａに対応するノズル２の吐出量は３の割合となる。

注入ロッド１を上記のように対象地盤に貫入下降し、改良深度に達したところで、噴射ノズルに硬化材を圧送して、噴射ノズル３、３及び４、４より、それぞれ、掘削噴流として噴射するが、その吐出量は噴射ノズル３からの吐出量は毎分３００リットル、噴射ノズル４からの吐出量は毎分１００リットルとなるように各ノズル噴射孔の口径を調整して行う。

このように上下２段の各ジェット噴流体の吐出量を、各ジェットの改良分担面積比率により調整することにより、適量の噴射材料を適切な部位に用いることができて材料を大幅に節約することができると共に、噴射ノズル３からの噴流６、６が上段攪拌翼Ｂの先端の遮蔽感知板８、８に衝当し、遮蔽感知板８、８に設備されたロードセル、集音器等からの電気信号によりジェット噴流の上段攪拌翼Ｂの先端への到達と衝当エネルギーが確認され、これに沿って注入ロッド１の昇降速度が調整されるので施工能率も大幅に高められるものである。

以上のように注入ロッド１を対象地盤に推進挿入し、改良深度に達したところで、硬化材を噴射し、遮蔽感知板８、８により硬化材噴流の到達と衝当エネルギーの確認に沿って注入ロッド１の昇降速度を調整しつつ硬化材注入層の造成を行うものであるが、噴射材料槽から噴射ノズル２、噴射ノズル３と４への噴射材料の供給は、図４に示すように１本の流路から分岐させれば吐出量等の計算はし易くなるが、先端部での圧送エネルギーの減衰は避けがたい。

そこで、図５に示すようにロッドを２重管に構成して、２本の流路Ｒ１、Ｒ２を構成し、流路Ｒ２から噴射ノズル２に、流路Ｒ１から噴射ノズル３と４に噴射材料の供給を行うようにすれば、圧送エネルギーを別系統として噴流を効率化することができる。更に、本発明による工法はエアリフト効果を排除して噴射材料の節約と施工の効率化を図ることから、施工環境によって硬化材注入の際に発生するスライムの排出についての対応が必要となる。

スライム排出についての対応として、上段攪拌翼Ｂの上部に攪拌翼Ａが張設され、その直上部にオーガー翼９を設けることによって、注入ロッド１の上昇時に硬化材注入による地盤圧密によって押し上げられてくる余剰スライムを攪拌翼Ａによって破砕し、オーガー翼９によって地上に排出するように構成している。

また、遮蔽感知板８、８は、板形を噴流６の方向を集中方向にガイドする形状に構成して噴射ノズル３からの噴流６、６の先端部における拡散を阻止してエネルギーの集中を図ると共に硬化材濃度（配合量）を一定に保つ機能を持たせることもできる。

本願発明は、上段攪拌翼Ｂの先端に遮蔽感知板８、８が設定されているため、噴射ノズル３からの噴流６、６が上段攪拌翼Ｂの長さを超えて到達距離を伸ばすことができない。そのため、地中構造物の壁面に密着した硬化材注入層の造成を行えない。

実施例４は、上記の問題に対応して上段攪拌翼Ｂの先端に噴射ノズル２を設け、更に、その上部に攪拌翼Ａを設定する構成としたもので、地中構造物の壁面から所定距離を置いた部位に注入ロッド１を挿入し、上段攪拌翼Ｂの先端部に付設されている遮蔽感知板８、８により下段攪拌翼Ｃに設けられた噴射ノズル３、３からの高圧噴射を確認することで、上段攪拌翼Ｂの噴射ノズル２からの高圧噴流の到達距離を把握して、上段攪拌翼先端から硬化材の高圧噴射を行うことにより、改良範囲を限定した、地中構造物との密着改良を行えるようにした。

更に、上段攪拌翼先端ノズル２から硬化材の高圧噴射を行うことにより、機械攪拌では不可能であった１００％改良が可能となった。また、噴射ノズル３、４の高圧噴射と機械攪拌による硬化材層を基礎として、その外側に地中構造物壁面に密着した硬化材層を造成するので、高圧噴流攪拌注入工法によって最初から施工する場合に比較して、施工効率が格段に良く、噴射材料の無駄も大幅に省くことができるので極めて有利である。

本発明は以上のように構成したので、比較的低トルクの小型ベースマシンにより、下段攪拌翼ノズルからの改良噴流の到達距離と噴流エネルギーの大きさを確認して、注入ロッドの回転速度、引上げ速度を調整することにより、目的に沿った強度と大きさの硬化材層を造成でき、噴射材料の無駄を省き、注入ロッドの昇降速度を速めて施工能率を大幅に高めたもので、土木建設産業上に高度の利用価値を有する。

１ 注入ロッド
１１ スイベル
１２ 小型マシン
２ 上段攪拌翼先端の噴射ノズル
３ 下段攪拌翼先端の噴射ノズル
４ 下段攪拌翼下部の噴射ノズル
５ 上段攪拌翼先端の噴射ノズルからの噴流
６ 下段攪拌翼先端の噴射ノズルからの噴流
７ 下段攪拌翼下部の噴射ノズルからの噴流
８ 遮蔽感知板
９ オーガー翼
Ａ 上段攪拌翼上部の攪拌翼
Ｂ 上段攪拌翼
Ｃ 下段攪拌翼
Ｃａ 掘削爪
Ｄ 注入ロッド先端ビット
Ｇ 対象地盤
Ｎ ノズルチップ
Ｎａ ノズルチップのノズル孔
Ｎｂ ノズルチップの噴射口
Ｎｃ ノズル孔の後部のテーパー面
Ｐ ノズルプラグ
Ｘ 高圧噴射と機械攪拌による施工域
Ｙ 高圧噴射による施工域

Claims (7)

1. 先端に管理集約機構に信号を送信するセンサーを備えた遮蔽感知板を設定した上段攪拌翼の下部に、噴射する噴流が前記遮蔽感知板に衝当する噴射ノズルを先端に設けた前記上段攪拌翼より短い下段攪拌翼、下段攪拌翼の下部２０ｃｍ以内のロッド壁面に、前記下段攪拌翼の先端部の下端に噴流が衝当する範囲の上向き方向に噴射する噴射ノズルを設けた注入ロッドを、各噴射ノズルから硬化材を高圧噴射しながら対象地盤に貫入させ、前記遮蔽感知板からの送信データにより、注入ロッドの回動及び下降と上昇を管理しながら硬化材の噴射を行うことを特徴とする地盤改良工法
2. 上段攪拌翼の上部に、更に攪拌翼を設け、その直上部のロッド外周壁にオーガー翼を設けた注入ロッドを、各噴射ノズルから硬化材を高圧噴射しながら対象地盤に貫入させ、上段攪拌翼の上部に設けた前記攪拌翼により過剰スライムを攪拌し前記オーガー翼により上方に移送しながら、遮蔽感知板からの送信データにより周辺土壌の圧密状况を確認し、注入ロッドの回動及び下降と上昇を管理しながら硬化材の噴射を行うことを特徴とする請求項１記載の地盤改良工法
3. 上段攪拌翼の先端に延長方向に噴射する噴射ノズルを設け、地中構造物の壁面から所定距離を置いた部位に注入ロッドを挿入し、遮蔽感知板からの送信データにより、下段攪拌翼先端ノズルからの噴流の遮蔽感知板位置への到達確認を行うと共に、前記上段攪拌翼の先端に設けたノズルから硬化材を前記送信データにより吐出量及び切削距離を管理しながら高圧噴射して上段攪拌翼の先端外側に地中構造物壁面に密着した改良体を造成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地盤改良工法
4. 地表部より改良体造成深度まで注入ロッドを貫入する際等、噴射ノズルを噴射作動しないで注入ロッドを地中で駆動する場合において、噴射ノズルのノズル孔の形状に沿った弾性部材によって構成されたノズルプラグをノズル孔に嵌装して閉塞しておき、噴射作動を行う際に噴射材料の噴射圧力によってノズルプラグを吹き飛ばして除去するようにした請求項１又は請求項２又は請求項３記載の地盤改良工法
5. 先端に管理集約機構に信号を送信するセンサーを備えた遮蔽感知板を設定した上段攪拌翼の下部に、噴射する噴流が前記遮蔽感知板に衝当する噴射ノズルを先端に設けた前記上段攪拌翼より短い下段攪拌翼、下段攪拌翼の下部２０ｃｍ以内のロッド壁面に、前記下段攪拌翼の先端部の下端に噴流が衝当する範囲の上向き方向に噴射する噴射ノズルを設けた注入ロッドを駆動機構に支持して成る地盤改良装置
6. 上段攪拌翼の上部に更に攪拌翼を設け、その直上部のロッド外周壁にオーガー翼を設けるようにした請求項５記載の地盤改良装置
7. 上段攪拌翼の先端に延長方向に噴射する噴射ノズルを設定するように構成した請求項５又は請求項６記載の地盤改良装置

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