JP2014238309A - 掘削ビットの偏位量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削ビットの先端位置を正確に把握し、孔曲がりの初期段階においてその傾向を確認することにより、修正掘削に要する時間を最小限にとどめることができる、掘削ビットの偏位量計測装置を提供する。
【解決手段】掘削ロッドの先端に接続されて、地盤に孔を掘削するための掘削ビットの偏位量計測装置であって、掘削停止時に掘削ロッド３０の上端に据え付けられる計測装置本体１と、計測装置本体１の上部から垂下するように設けられ、掘削ロッド３０内に挿入される線条体１３と、線条体１３の先端に連結されて掘削ロッド内を昇降し、線条体との連結部を常時掘削ロッド中心に保持するガイド部材と、計測装置本体１に設けられ、設定高さ位置における線条体１３の平面座標位置を検出するセンサー２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂとを備え、センサーが検出した平面座標位置に基づき掘削ビットの偏位量を算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、掘削ビットの偏位量計測装置に関し、より詳細には、地盤に杭孔等の孔を掘削するに際し、掘削ビットの偏位量を計測して孔曲がりを検出するための装置に関する。

図９（ａ）は、例えば場所打ち杭工法の１つとして知られているリバースサーキュレーション工法において、掘削ロッド５０を順次継ぎ足しながら、その先端に接続した掘削ビット５１により杭孔５２を掘削している状態を示している。このような杭孔掘削施工において、掘削が進行するにつれて地層がＡ，Ｂ，Ｃと変化することはよくあることである。そして地層がＡからＢに変化し、変化した地層Ｂが傾斜していると、その傾斜等が原因で孔曲がりが発生することがある。

しかしながら、この孔曲がりが判明するのは偏芯量がある程度大きくなってからであり、ロッド接続時の戻り量やボルト接続時に判明することが多い。また、孔曲がりの発生深度が深いほど、ロッド５０の傾斜角は小さくなるので、より偏芯量が大きくなってしまうのが現状である。

このような孔曲がりが発生した場合には修正掘削を行うことになるが、図９（ｂ）に鎖線Ｒで囲んで示すように、修正のための反力が取れないところで再掘削することになるため、精度を補正するために非常に多くの時間を要している。また、正確に孔壁測定を行う場合には、地上の掘削機（杭打ち機）を一旦移動させないと実施できない。そして、修正掘削のためには再度掘削機のセットが必要となり、揚重機の使用が制限される駅構内等での施工の場合には、非常に多くの時間を要してしまい、工期の長期化の原因となりかねない。

特許文献１，２には掘削時の孔曲がりを計測する技術が開示されている。しかしながら、これら先行技術はいずれもロッドにジャイロ、傾斜計を組み込むものであり、本発明とは計測の方式が異なる。

特開平８−３２０２２８号公報 特開平１０−１４８０８４号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、掘削の進捗の一定深度間隔ごとに、あるいは孔曲がりが予想される地層付近において、ロッドの接続作業時に掘削ビットの先端位置を正確に把握し、孔曲がりの初期段階においてその傾向を確認することにより、修正掘削に要する時間を最小限にとどめることができる、掘削ビットの偏位量計測装置を提供することにある。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、掘削ロッドの先端に接続されて、地盤に孔を掘削するための掘削ビットの偏位量計測装置であって、
掘削停止時に前記掘削ロッドの上端に据え付けられる計測装置本体と、
この計測装置本体の上部から垂下するように設けられ、前記掘削ロッド内に挿入される線条体と、
この線条体の先端に連結されて前記掘削ロッド内を昇降し、前記線条体との連結部を常時掘削ロッド中心に保持するガイド部材と、
前記計測装置本体に設けられ、設定高さ位置における前記線条体の平面座標位置を検出するセンサーとを備え、
前記センサーが検出した平面座標位置に基づき掘削ビットの偏位量を算出することを特徴とする掘削ビットの偏位量計測装置にある。

上記計測装置において、前記センサーは、ｘ，ｙ方向の発光器及び受光器を備えたレーザーセンサーである構成を採用することができる。

また、前記計測装置本体は、前記掘削ロッドのフランジ部に固定され、前記線条体を通すための穴が設けられた基部プレートと、
この基部プレートに立設された複数本の支柱と、
この支柱の上端に固定され、前記線条体を通すための穴が設けられた頂部プレート、
この頂部プレートの穴の周縁部に設けられ、前記線条体が巻き掛けられるプーリとを備え、
前記センサーは前記基部プレートに設けられている構成を採用することができる。

この発明によれば、掘削ロッドの上端に据え付けられる計測装置本体、計測装置本体から垂下して設けられる線条体、線条体の下端に取り付けられて線条体の下端を常時掘削ロッドの中心に保持するガイド部材、及び線条体の平面座標位置を検出するセンサーといった簡単な構成によって、掘削ビットの偏位量を測定することができる。そして、掘削停止時であればいつでも計測を実施でき、偏位量の変化を監視することにより、孔曲がりの傾向を確認することができ、修正掘削に要する時間を最小限に抑えることができる。また、掘削ロッド内にはセンサー等の精密機器類を設置することがないので、トラブルの発生を極力抑えることができる。

この発明の実施形態を示し、計測装置の正面図である。 計測装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 レーザーセンサによる座標位置の測定原理を示す平面図である。 ガイド部材を示す正面図である。 偏位量計測時の掘削機を含む全体を示す正面図である。 １ワイヤ方式による計測方法を示す説明図である。 ２ワイヤ方式による計測方法を示す説明図である。 孔曲がりの発生を示す断面図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１〜図３に示すように、計測装置の本体１は、中央に穴２ａを有する環状の基部プレート２を有している。この基部プレート２には、周方向に間隔を置いて複数本（実施形態では４本）の支柱３が配置され、その下端部がボルト４により基部プレート２により固定されている。これらの支柱３の上端には矩形の頂部プレート５がボルト６により固定されている。

頂部プレート５の中央部には小径の穴７が設けられている。この穴７の周縁部には２つのプーリ８，９がブラケット１０を介して取り付けられている。一方のプーリ８に巻き掛けられるワイヤ（線条体）１２は、下げ振り（ウェイト）１１を吊り下げるためのものである。この下げ振りワイヤ１２は穴７を通って下方に延び、その先端に下げ振り１１が取り付けられ、また、その上端はボルト１６に掛け止めされる。

他方のプーリ９に巻き掛けられるワイヤ（線条体）１３は、図５に示すガイド部材１４（これについては後述する）を吊り下げ、偏位量を計測するためのものである。この計測ワイヤ１３は、図示しない繰り出しロールから繰り出され、プーリ９に巻き掛けられて穴７を通って垂下され、さらに基部プレート２の穴２ａを通って掘削ロッド内に挿入される。そして、その先端にガイド部材１４が取り付けられる。偏位量計測時には、計測ワイヤ１３は巻き付け軸１５に固定される。また、繰り出しロールからのワイヤ１３の繰り出し長さは、図示しないロータリエンコーダ等のセンサーにより測定され、プーリ９からの下降長さ（図７，図８の固定点 F からワイヤ先端 M までの長さ）が演算される。

図３に示すように、基部プレート２にはワイヤ１２，１３の設定高さ位置における平面座標位置を検出するレーザーセンサーが設けられている。レーザーセンサーは、ｘ方向座標位置を測定するｘ方向センサー２０ａ，２０ｂと、ｙ方向座標位置を測定するｙ方向センサー２１ａ，２１ｂとからなる。それぞれのセンサーにおいて、２０ａ，２１ａがレーザー発光器であり、２０ｂ，２１ｂがレーザー受光器である。そして、上記設定高さ位置は、レーザーセンサーの取付け高さ位置となる。

ここで、レーザーセンサーによる座標位置測定は周知の技術であるが、図４を参照して、その測定原理の概要を説明する。レーザー発光器２０ａ，２１ａからは帯状のレーザー光２３が受光器２０ｂ，２１ｂの各受光部２２に向けて照射される。今、下げ振り用ワイヤ１２が図示の位置にあるとすると、レーザー光はワイヤ１２によって遮られるので受光部２２の素子はその平面座標位置を検出する。受光部２２において、その端部を原点 Ox,Oy とすると、下げ振り用ワイヤ１２の原点からの変位は、dx₀₀,dy₀₀ となる。同様に、計測用ワイヤ１３が図示の位置にあるとすると、その原点からの変位は、dx,dy となる。このレーザーセンサーによる検出値は、検出信号として図示しないポータブルコンピュータなどの演算制御装置に入力される。

図５は、計測ワイヤ１３に取付けられるガイド部材１４を示している。ガイド部材１４はウェイトとなる円柱状の本体２４を有している。この本体２４の上下部にはそれぞれ１対ずつの長孔であって、本体２４を半径方向に貫通し、かつ互いに直角をなす長孔２５ａ，２５ｂが設けられている。これらの長孔２５ａ，２５ｂには揺動アーム２６が挿入され、その中央部がピン２７により揺動自在に支持されている。ピン２７には両端が本体２４及び揺動アーム２６に取り付けられた捻りコイルばね２８が設けられ、このばね２８により揺動アーム２６は本体２４に対し直角となるように付勢されている。揺動アーム２６の両端にはローラ２９が設けられている。

以上のような構成により、計測ワイヤ１３を介してガイド部材１４を掘削ロッド３０内に挿入すると、揺動アーム２６は掘削ロッド３０の径に応じて、ばね２８に抗して回動し、常時ローラ２９が掘削ロッド３０の内周面に当接して走行することになる。すなわち、ガイド部材１４の本体２４は常に掘削ロッドの軸線上に位置することになり、計測ワイヤ１３の先端の取付部１３が掘削ロッド３０の中心に位置することになる。

図６は、偏位量計測時の掘削機を含む全体図を示している。例示されている掘削機３１は、駆動モータ３３によって駆動されるターンテーブル（ロータリテーブル）３２を有し、このターンテーブル３２の回転によって掘削ロッドであるケリーロッド３０を回転させる方式のものである。このケリーロッド３０を順次継ぎ足しながら、先端のビット３４により穴３５が掘削される。

ビット３４の偏位量計測は掘削を停止して、新たなケリーロッド３０を継ぎ足す前に行われる。このとき、最上部のケリーロッド３０は、仮受けレンチ３６に支持されている。この最上部のケリーロッド３０に計測装置本体１が取り付けられる。図１〜図３を再び参照して、ケリーロッド３０の上端にはロッド同士を継ぎ足すためのフランジ４０が設けられている。このフランジ４０に基部プレート２がボルト４１により固定される。符号４２は基部プレート２のレベルを出すための押しボルトであり、基部プレート２は水平にされた後ボルト４１によりフランジ４０に固定される。

次に、計測方法の詳細について図７，図８を参照して説明する。計測方法には、最初に計測ワイヤに下げ振りを取り付けて補正値を取得した後、下げ振りを外して計測を進めてゆく１ワイヤ方式と、下げ振り用ワイヤにより常に基準となる鉛直線を確保しておく２ワイヤ方式がある。

まず、図７を参照して１ワイヤ方式による計測方法について説明する。以下の説明はｘ軸方向の計測であるが、ｙ軸方向についても同様である。図において Ox はセンサー原点、F は計測ワイヤ１３の計測装置本体１上での固定位置（計測ワイヤ１３がプーリ９から離れて下降開始する始点位置）、M は計測ワイヤ１３の先端（図５に示した、ガイド部材１４への取付部１３ａ）である。

＜ステップ１＞
計測ワイヤ１３の先端に下げ振り１１を取付け、センサー原点のオフセット量 ofx を計測する。ここで、センサーの検出値を dx₀₀とすると、
ofx = dx₀₀ （１）
と表される。

＜ステップ２＞
ケリーロッド３０の管口（深度0m ）中心の偏位量（計測ワイヤ１３の固定位置 F からの偏位量）x₀ を計測・演算する。そのために、下げ振り１１に代えて計測ワイヤ１３の先端には図５に示したガイド部材１４を取付け、計測ワイヤ１３の先端 M を管端面レベルに一致させる。このとき、前述したようにガイド部材１４の作用により、計測ワイヤ１３の先端 M は、管口中心に位置することになる。

ここで、センサ原点位置 Ox（センサ取付け高さ位置）から計測ワイヤ１３の固定位置 F までの距離を l 、計測ワイヤ１３の傾斜角をθ₀ 、計測ワイヤの長さ（固定位置 F から管口中心までの長さ）を L₀ 、センサーの検出値を dx₀ とすると、
θ₀ = tan^-1{(dx₀ - ofx)/l} （２）
x₀ = L₀sinθ₀ （３）
又は
x₀ = L₀(dx₀ - ofx)/{l² + (dx₀ - ofx)²}^1/2 （４）
と表される。

＜ステップ３＞
ビットの偏位量（管口中心からの偏位量）X を計測・演算する。計測ワイヤ１３を繰り出し、ガイド部材１４をビット近くまで下降させる。ガイド部材１４の下降位置において、前述したようにガイド部材１４の作用により、計測ワイヤ１３の先端 M は、ケリーロッド３０の中心に位置することになる。

ここで、計測ワイヤ１３の傾斜角をθ、計測ワイヤの長さ（固定位置 F からワイヤ先端M までの長さ）を L 、センサーの検出値を dx 、計測ワイヤ先端 M の固定点 F からの偏位量を x とすると、
θ = tan^-1{(dx - ofx)/l} （５）
x = Lsinθ （６）
又は
x = L(dx - ofx)/{l² + (dx - ofx)²}^1/2 （７）
X =x - x₀ （８）
と表される。

上記各式に基づく演算は、センサー検出値が入力されるポータブルコンピュータなどの演算制御装置によって実行される。そして、以上のような計測は、掘削の進捗の一定間隔（例えば、５ｍおき）ごとに、あるいは孔曲がりが予想される地層付近において行われ、掘削深度ごとのビット偏位量が表示装置に表示される。

図８は、２ワイヤ方式による計測方法を示している。この方式では、計測ワイヤ１３に加えて下げ振り用ワイヤ１２を用い、この下げ振り用ワイヤ１２におけるセンサの取付け高さ位置を原点 Ox とする。図において、F₀ は下げ振り用ワイヤ１２の計測装置本体１上での固定位置（下げ振り用ワイヤ１２がプーリ８から離れて下降開始する始点位置）である。

＜ステップ１＞
下げ振り用ワイヤ１２及び計測ワイヤ１３の各先端に下げ振り１１を取付け、ワイヤ取付けオフセット量 ofx を計測する。ここで、センサーの検出値を dx₀₀ とすると、オフセット量 ofx は、１ワイヤ方式と同様に、（１）式で表される。

＜ステップ２＞
ケリーロッド３０の管口（深度0m ）中心の偏位量（計測ワイヤ１３の固定位置 F からの偏位量）x₀ を計測・演算する。そのために、１ワイヤ方式の場合と同様に、下げ振り１１に代えて計測ワイヤ１３の先端にはガイド部材１４を取付け、計測ワイヤ１３の先端 M を管端面レベルに一致させる。

ここで、下げ振り用ワイヤ１２上の原点位置 Ox（センサ取付け高さ位置）から下げ振り用ワイヤ１２の固定位置 F₀ までの距離を l 、計測ワイヤ１３の傾斜角をθ₀ 、計測ワイヤの長さ（固定位置F から管口中心までの長さ）を L₀ 、センサーの検出値を dx₀ とすると、θ₀ 及び x₀ は、１ワイヤ方式の場合と同様に、上記（２），（３），（４）式で表される。

＜ステップ３＞
ビットの偏位量（管口中心からの偏位量）X を計測・演算する。計測ワイヤ１３を繰り出し、ガイド部材１４をビット近くまで下降させる。ここで、計測ワイヤ１３の傾斜角をθ、計測ワイヤの長さ（固定位置 F からワイヤ先端 M までの長さ）を L 、センサーの検出値を dx 、計測ワイヤ先端 M の固定点 F からの偏位量を x とすると、θ、x 及び X は、１ワイヤ方式場合と同様に、上記（５），（６），（７）式で表される。

上記実施形態では、１ワイヤ方式及び２ワイヤ方式のいずれにも対応できるように、計測装置本体には２つのプーリを設けたが、１ワイヤ方式のみで計測する場合はプーリは１つでもよい。また、図６に示した掘削機は例示であり、この発明の計測装置は他の種々の掘削機を用いて孔掘削する場合にも適用できる。

１ 計測装置本体
２ 基部プレート
３ 支柱
８，９ プーリ
１１ 下げ振り
１２ 下げ振り用ワイヤ
１３ 計測ワイヤ
１４ ガイド部材
２０ａ，２０ｂ ｘ方向レーザーセンサー
２１ａ，２１ｂ ｙ方向レーザーセンサー
２４ ガイド部材の本体
２６ 揺動アーム
２９ ローラ
３０ ケリーロッド（掘削ロッド）
３４ 掘削ビット

Claims (3)

1. 掘削ロッドの先端に接続されて、地盤に孔を掘削するための掘削ビットの偏位量計測装置であって、
   掘削停止時に前記掘削ロッドの上端に据え付けられる計測装置本体と、
   この計測装置本体の上部から垂下するように設けられ、前記掘削ロッド内に挿入される線条体と、
   この線条体の先端に連結されて前記掘削ロッド内を昇降し、前記線条体との連結部を常時掘削ロッド中心に保持するガイド部材と、
   前記計測装置本体に設けられ、設定高さ位置における前記線条体の平面座標位置を検出するセンサーとを備え、
   前記センサーが検出した平面座標位置に基づき掘削ビットの偏位量を算出することを特徴とする掘削ビットの偏位量計測装置。
2. 前記センサーは、ｘ，ｙ方向の発光器及び受光器を備えたレーザーセンサーであることを特徴とする請求項１記載の掘削ビットの偏位量計測装置。
3. 前記計測装置本体は、前記掘削ロッドのフランジ部に固定され、前記線条体を通すための穴が設けられた基部プレートと、
   この基部プレートに立設された複数本の支柱と、
   この支柱に固定され、前記線条体を通すための穴が設けられた頂部プレート、
   この頂部プレートの穴の周縁部に設けられ、前記線条体が巻き掛けられるプーリとを備え、
   前記センサーは前記基部プレートに設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の掘削ビットの偏位量計測装置。

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