JP2015057528A - 自穿孔型補強体の掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のこの種の装置では掘削が困難であった、Ｎ値１０以上の砂質地盤や、礫、玉石、ガラなどを含む盛土も掘削することが可能な掘削装置を提供する。
【解決手段】掘削翼３の取り付け面は、掘削翼３の他端より前方に位置してかつ、側面視で回転軸１方向に１．０、回転軸１に直交方向に１．３〜２．０の比率で取り付けてある。掘削翼３の回転軸１への取り付け面は、掘削翼３の中心軸に対して掘削翼３の中心軸線後方から見て回転軸１に対して反時計回りに約４５度の角度を付けて傾斜して取り付けてある。掘削翼３の前方の面は、回転軸１に対して側面視で９０度の角度で切断した形状を呈す。掘削翼３の前方には、回転軸１に平行な切れ目を刻設し、切れ目で区切られて突設した部分を先端刃６として構成する。この先端刃６の位置は、両側に張り出した掘削翼３において互いの掘削位置を補完し、かつ非対称であるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は自穿孔型補強体の掘削装置に関するものである。

太径の短筒状の補強体を地中に構築する補強土工法は、例えばラディッシュアンカー工法などの名称で知られている。
この工法は比較的緩い地山に、機械式撹拌方式の技術を応用して、地盤に対して斜め下方に向けて短筒状の太径の補強体を造成する方法である。
この補強体の中心に鉄筋棒などの引張芯材を配置して造成することにより地山を強化、補強できる工法である。
ここで緩い地山とは例えば砂質土ではＮ値が１０程度以下、粘性土では５程度以下の地山のことをいう。
この工法は、例えば直径が３００ｍｍから５００ｍｍの補強体を地山中に造成する工法であるが、掘削機が比較的大型になるので、狭隘地での施工には別の方法がある。
これが、自穿孔型補強体を地中に造成する方法であり、例えば自穿孔型ラディッシュアンカー工法などの名称で知られている。
この方法は、直径が例えば１５０ｍｍから２００ｍｍで、前述の太径の補強体に比べてやや細い補強体を地中に造成することで掘削機を小型化でき、狭隘地での施工に向いた方法であるが、太径の補強体と同じように比較的緩い地山に、地盤に対して斜め下方に向けて補強体を造成する工法である。
本発明はそのような補強体を地中に構築する際に使用する自穿孔型の掘削装置に関するものである。

特許第２５７８３８８号公報。

前記した補強体を掘削するための自穿孔型の掘削装置は図１０に示すような構造であるために次のような問題点がある。
＜１＞ これまで使用されている掘削装置は、図１０に示すように中空軸ａの先端に掘削翼ｂを取り付けてあり、その後方に共回り防止翼ｃ、および攪拌翼ｄを設けた構造であるが、その掘削翼ｂは中空軸ａと直交する状態で取り付けた厚板に歯を刻設したものであった。
＜２＞ そのために掘削中に土中の玉石や礫に当たると、掘削翼ｂが玉石などに衝突してしまい、それを除去するという機能がなく掘削不能になる場合があった。

上記のような課題を解決する本発明の自穿孔型補強体の掘削装置は、中空の回転軸と、突起と、掘削翼と、共回り防止翼と、撹拌翼とより構成し、突起は回転軸の前端に設けた鋭角の鋼製の部材であり、掘削翼は、回転軸の前端付近に、回転軸から両側に張り出して取り付けた鋼製の長方形の板状体であって、掘削翼の取り付け面は、掘削翼の他端より前方に位置してかつ、側面視で回転軸方向に１．０、回転軸に直交方向に１．３〜２．０の比率で取り付けてあり、さらに掘削翼の回転軸への取り付け面は、掘削翼の中心軸に対して掘削翼の中心軸線後方から見て回転軸に対して回転軸に対して反時計回りに約４５度の角度を付けて傾斜して取り付けてあり、さらに掘削翼の前方の面は、回転軸に対して側面視で９０度の角度で切断した形状を呈し、さらに掘削翼の前方には、回転軸に平行な切れ目を刻設し、切れ目で区切られて突設した部分を先端刃として構成し、この先端刃の位置は、両側に張り出した掘削翼において互いの掘削位置を補完し、かつ非対称であるように構成し、共回り防止翼は、長方形の板状体または棒状体であり、回転軸に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で、かつ遊嵌した状態で取り付け、かつ共回り防止翼の回転軌跡の最大外径は、掘削翼および攪拌翼の回転軌跡の最大外径よりも大きく構成し、攪拌翼は回転軸と一体の板状体または棒状体であり、回転軸に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で一体に取り付けたことを特徴とするものである。
また前記の掘削装置において、掘削翼の前端の先端刃は、各先端刃の長さに回転軸からの長さを乗じた値の総和が、双方の先端刃においてほぼ等しいように構成したことを特徴とするものである。
また前記の掘削装置において、共回り防止翼の先端に短い板である開閉板をピンで軸支し、このピンは共回り防止翼の面に直交方向に貫通したピンであり、そして掘削の初期にはこの開閉板を折りたたんでおき、掘削中に開閉板をピンを中心にして回転させ、外側へ張り出すように構成したことを特徴とするものである。

本発明の自穿孔型補強体の掘削装置は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ 前記したように従来の掘削翼ｂは、回転軸ａに対して直交方向に取り付けてあり（図１０）掘削翼ｂが玉石などに衝突した場合に、この玉石などを除去する手段がない。それに対して本発明の掘削翼の取り付け面は、掘削翼の他端より前方に位置してかつ、側面視で回転軸に対して回転軸方向に１．０、回転軸に直角方向に１．３〜２．０の比率で傾斜して取り付けてある。
＜２＞ そのために本発明の構造では回転軸に傾斜して取り付けた掘削翼に玉石などが衝突すると、玉石などを徐々に掘進方向から押しのけることができ、高い掘削効率を維持することができる。
＜３＞ 掘削翼の回転軸への取り付け面、回転軸に対して側面視で約４５度の角度で、ねじったように見える状態で取り付けてある。そのため地山に滑り込みやすく、掘削翼に発生する地山の抵抗を軽減し、比較的固い地山に対しても切削効率を向上させることができる。
＜４＞ 掘削翼の前方の面は、回転軸に対して側面視で９０度の角度で切断した、面取りの形状を呈している。そのために面取りしていない従来の掘削翼のように切削に対する抵抗の一部を軽減し、切削効率を向上させることができる。
＜５＞ 回転軸に平行な切れ目を刻設し、切れ目で区切られて突設した部分を先端刃として構成してあるが、この先端刃の位置は、両側に張り出した掘削翼において非対称である。そのために掘削翼の１回転ですべての面を掘削することができる。
＜６＞ 掘削装置を以上のように構成することによって、従来のこの種の装置では掘削が困難とされていたＮ値１０以上の砂質地盤や、礫、玉石、ガラなどを含む盛土に対しても掘削することが可能となった。
＜７＞ 掘削翼の前端の先端刃を、各先端刃の長さに回転軸からの長さを乗じた値の総和が、双方の先端刃においてほぼ等しいように構成した場合には、回転時に回転軸に作用する回転モーメントによる偏心を防止することができる。
＜８＞ 共回り防止翼の先端に開閉する板をピンで取り付け、掘削中に開閉板をピンを中心にして回転させ、外側へ張り出すように構成すれば、古い擁壁などの構造物を開口してその裏の地中に補強体を構築する場合などに、開口部の大きさを掘削翼の外径に収めることができるから、コストの削減を期待することができる。同時に構造物への開口を最小限とするこができるから、構造物への損傷を最小限とすることができ施工時の安全性を向上させることができる。

本発明の自穿孔型補強体の掘削装置の実施例の斜視図。 他の実施例の斜視図。 掘削翼の取り付け角度の説明図。 先端刃の配置の説明図。 実験用の礫を充てんした溝の配置の説明図。 掘り出した補強体の斜視図。 掘り出した１：１．３の掘削機による補強体の斜視図。 掘り出した１：１．５の掘削機による補強体の斜視図。 掘り出した１：２．０の掘削機による補強体の斜視図。 従来の掘削装置の説明図。

以下図面を参照にしながら本発明の自穿孔型補強体の掘削装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞全体の構成。
本発明の掘削装置は、中空の回転軸１と、突起２と、掘削翼３と、共回り防止翼４と、攪拌翼５とより構成する。

＜２＞回転軸。
回転軸１は回転動力源に取り付けた円柱であり、その内部は中空であって先端からセメントミルクなどを吐出することができる。
一般には接続の簡易化のために中空転造ネジ鋼棒を採用する。
短い回転軸１でも、順次カプラで接続してゆけば、長い延長の自穿孔が可能となる。
この回転軸１は補強体を造成した後に、補強体の芯材としてそのまま補強体の中心部に残しておく部材となる。
なお、本明細書では、回転軸１の掘進方向を前方、前端のように記載する。

＜３＞先端突起。
回転軸１の前端には鋭角の鋼製の部材である先端突起２を、鋭角部を前向きにして取り付ける。
この部材は三角形の板状体でも、三角錐状のブロック体でも採用することができる。

＜４＞掘削翼。
掘削翼３は、回転軸１の前端付近に、回転軸１から両側に張り出して取り付けた鋼製の長方形の板状体である。
回転軸１の両側の対称位置に外向きに張り出して取り付ける。
掘削翼３の取り付け面は、掘削翼３の他端より前方に位置してかつ、側面視で回転軸１に対して、回転軸１方向に１．０、回転軸１に直角方向に１．３〜２．０の比率で傾斜して取り付ける。
その結果、掘削翼３は回転軸１の先端から後方に向けて、ジェット機の後退翼のように後退した形状を呈する。
その上に、掘削翼３の中心軸に対して掘削翼３の中心軸後方から見て反時計回りに約４５度の角度をつけて取り付ける。
すなわち、掘削翼３の取り付け面は、回転軸１の軸心に平行ではなく、４５度程度だけ倒れた状態で取り付けるものである。
ここで掘削翼３の中心軸とは、刃の断面の中心軸である。
掘削時に、回転軸１は掘削方向に向かって反時計回りに回転するよう構成する。
なお、中空のネジ鋼棒である回転軸１はカプラで接続して延長しているので、時計回りの回転を与えるとカプラが外れてしまう。したがって掘削時には常に反時計回りの回転力を与えることになる。

＜５＞先端刃。
掘削翼３の前方の面が土砂の掘削する面となるが、本発明の前方の面は、回転軸１に対して側面視で９０度の角度で切断した形状を呈する。
これが、先端刃６を構成する。
このように、先端刃６の横断面は単なる矩形ではなく、図３の除去の範囲を除去して回転軸１に対して側面視で９０度の角度で切断した形状を呈し、この面が掘削面となる。
図３に鎖線で示す除去の範囲は、掘削における抵抗部となるので、この抵抗部分を除去することによって、回転力で土砂を切削する力として有効に活用することができる。

＜６＞刃の刻設。
掘削翼３の前方の先端刃６は、さらに回転軸１に平行な切れ目を刻設し、切れ目で区切られて突設した部分を先端刃６として構成する。
この区切られて突設した先端刃６の位置は、互いの掘削位置を補完する位置であって、かつ両側に張り出した掘削翼３において非対称であるように構成する。
すると回転軸１の１回転によって、掘削翼３の回転外周の中には堀り残し部分が発生しない。

＜７＞回転力のバランス。
掘削翼３は、回転軸１を中心に対称位置に張り出している。
そのために掘削時に片側の掘削翼３に大きな抵抗が生じると回転軸１に偏心した回転モーメントが発生する。
そのために、図４で言えば上側の各先端刃６の長さに回転軸１からの長さを乗じた値の総和が、下側の各先端刃６の長さに回転軸１からの長さを乗じた値の総和とほぼ等しいように構成する。
すなわち、下記の式が成り立つ関係である。
ａ×Ｌ１＋ｂ×Ｌ２＋ｃ×Ｌ３≒
ａ´×Ｌ１´＋ｂ´×Ｌ２´＋ｃ´×Ｌ３´
このように双方の掘削翼３に作用する回転モーメントをほぼ等しく構成すれば、回転軸１に偏った回転モーメントが生じることがない。

＜８＞共回り防止翼。
回転軸１には、掘削翼３よりも後方に共回り防止翼４を取り付ける。
共回り防止翼４は長方形の板状体または棒状体であり、回転軸１に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で取り付ける。
共回り防止翼４の回転軌跡の最大外径は、掘削翼３および攪拌翼５の回転軌跡の最大外径よりも大きく構成する。
この共回り防止翼４は回転軸１とは遊嵌状態にあり、回転軸１が回転しても地中の土砂の抵抗で回転することがない。
この共回り防止翼４は従来の掘削装置と同様の構成である。

＜９＞攪拌翼。
回転軸１には、共回り防止翼４よりも後方に、攪拌翼５を取り付ける。
この攪拌翼５は回転軸１と一体の板状体または棒状体であり、回転軸１に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で取り付ける。
攪拌翼５は地中において回転軸１の回転と一体で回転して、回転軸１の先端から吐出したセメントミルクなどと土砂とを撹拌して円筒状の改良部分を構築する。

＜１０＞開閉装置。
共回り防止翼４の回転軌跡の最大外径は、掘削翼３のそれよりも大きいから、擁壁を打ち抜いて削孔するような場合には、掘削翼３よりも大きな穴を開口しておかないと共回り防止翼４を利用することができない。
そこで共回り防止翼４の先端を折り畳み可能として構成し、折りたたんだ状態ではその最大外径が掘削翼３のそれよりも小さいように構成する。
開閉装置７として複雑な構造を採用することは、使い捨ての掘削機としては不経済である。
そこで例えば共回り防止翼４の先端に短い板である開閉板をピンで軸支しておく。このピンは共回り防止翼４の面に直交方向に貫通したピンである。
そして掘削の初期にはこの開閉板を折りたたんでおき、掘削中に孔外からワイヤで操作して開閉板をピンを中心にして回転させ、外側へ張り出すような構造を採用することができる。

＜１１＞使用方法。
前記の掘削装置を使用して、掘削に使用する回転軸１自体が反力体を構成する自穿孔方式で地中に補強体を構築する一例を説明する。
回転軸１の尾端を回転駆動装置に取り付け、斜面に向けて掘削翼３を回転して回転軸１を前進させる。
そして前進させつつセメントミルクなどを回転軸１の先端から吐出する。
すると掘削翼３で掘削を行いつつ、掘削した土砂とセメントミルクを攪拌翼５で撹拌して地中にソイルセメントの円筒を形成することができる。
回転軸１が短ければ、カプラで接続して延長する。
こうして中心に回転軸１が位置し、その周囲にソイルセメントが位置した、円筒を地中に形成することができる。
回転軸１の尾端は地表面に露出させて、地表面に構築する擁壁などの反力を受け持たせたり、補強体それ自体で地盤の補強を行う。

＜１２＞実験による比較。
上記した構成の掘削装置の性能について実験を行った。
そのためにまず図５に示すように、一定の範囲内に礫を詰めた溝を構築した。
この溝の幅は４０ｃｍ、深さは７．５ｃｍ、長さ方向は削孔全長に渡って礫を詰めている。
その礫溝の一端から、掘削翼３が側面視で回転軸方向に１．０、回転軸に直交方向に１．３の比率で取り付けた掘削装置（以下簡単に「１．３の掘削装置」と称する。他の比率も同じ）および１．５の比率で取り付けた掘削装置、２．０の比率で取り付けた掘削装置を使用して短筒状の補強体を造成した。
１．３の掘削装置は本発明の比率の限界を知るための比較例である。
造成する補強体の直径は２０ｃｍ、長さは２５０ｃｍである。

＜１３＞実験の結果。
図６は、造成した補強体を掘り出した状態を示し、図７は１．３の掘削装置で造成した補強体を、図８は１．５の掘削装置で造成した補強体を、図９は２．０の掘削装置で造成した補強体を示す。
この実験例では、１．３の掘削装置において、先端付近で礫を噛んで前進が困難となったが補強体を造成することはできた。
このように、１．３以上に回転軸方向に掘削翼を寝かせると礫を噛んで掘削が困難になると推定され、この数値を限界値として採用することができる。
それに対して１．５、および２．０の掘削装置においては、補強体の全長を完全に造成することができた。
前記したように図１０に示すような従来の装置では、礫層では補強体を構築することは困難であった。
しかし本発明の１．３、１．５、および２．０の掘削装置を使用した場合に、礫層の内部でも礫を排除してほぼ完全な補強体、あるいは完全な補強体を構築することができた。

１：回転軸
２：突起
３：掘削翼
４：共回り防止翼
５：攪拌翼
６：先端刃
７：開閉装置

Claims (3)

1. 中空の回転軸と、突起と、掘削翼と、共回り防止翼と、撹拌翼とより構成し、
   突起は回転軸の前端に設けた鋭角の鋼製の部材であり、
   掘削翼は、回転軸の前端付近に、回転軸から両側に張り出して取り付けた鋼製の長方形の板状体であって、
   掘削翼の取り付け面は、掘削翼の他端より前方に位置してかつ、側面視で回転軸方向に１．０、回転軸に直交方向に１．３〜２．０の比率で取り付けてあり、
   さらに掘削翼の回転軸への取り付け面は、掘削翼の中心軸に対して掘削翼の中心軸線後方から見て回転軸に対して反時計回りに約４５度の角度を付けて傾斜して取り付けてあり、
   さらに掘削翼の前方の面は、回転軸に対して側面視で９０度の角度で切断した形状を呈し、
   さらに掘削翼の前方には、回転軸に平行な切れ目を刻設し、切れ目で区切られて突設した部分を先端刃として構成し、
   この先端刃の位置は、両側に張り出した掘削翼において互いの掘削位置を補完し、かつ非対称であるように構成し、
   共回り防止翼は、長方形の板状体または棒状体であり、回転軸に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で、かつ遊嵌した状態で取り付け、
   かつ共回り防止翼の回転軌跡の最大外径は、掘削翼および攪拌翼の回転軌跡の最大外径よりも大きく構成し、
   攪拌翼は回転軸と一体の板状体または棒状体であり、回転軸に対して対称位置に、直交する方向に張り出した状態で一体に取り付けたことを特徴とする、
   自穿孔型補強体の掘削装置。
2. 請求項１記載の掘削装置において、掘削翼の前端の先端刃は、
   各先端刃の長さに回転軸からの長さを乗じた値の総和が、双方の先端刃においてほぼ等しいように構成したことを特徴とする、
   自穿孔型補強体の掘削装置。
3. 請求項１記載の掘削装置において、共回り防止翼の先端に短い板である開閉板をピンで軸支し、
   このピンは共回り防止翼の面に直交方向に貫通したピンであり、
   そして掘削の初期にはこの開閉板を折りたたんでおき、掘削中に開閉板をピンを中心にして回転させ、外側へ張り出すように構造したことを特徴とする、
   自穿孔型補強体の掘削装置。