JP2018031248A - 地盤改良装置および改良壁体の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベースマシンに支持されている混合撹拌ヘッドの掘進力および掘進速度の増大化を図った地盤改良装置を提供する。【解決手段】ベースマシン１に装着されたた混合撹拌ヘッド６を地中に貫入し、て改良壁体Ｂを構築する地盤改良装置である。改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１に対しベースマシン１の履帯２をほぼ平行に保ちつつ、平面中心線Ｃ１とブーム４の平面中心線Ｃ２とのなす角度を鋭角とする。混合撹拌ヘッド６を平面中心線Ｃ１方向に掘進させるにあたり、ブーム４の揺動動作方向の力Ｐに基づく平面中心線Ｃ１方向の分力Ｐ１を当該平面中心線Ｃ１方向への掘進ベクトルとして活用して混合撹拌ヘッド６を掘進させる。【選択図】図５

Description

本発明は、地盤改良の一環として連続した改良壁体を地中に構築するための地盤改良装置とそれを用いた改良壁体の構築方法に関する。

この種の改良壁体の構築方法として、バックホウに代表されるようなショベル系の掘削機をベースマシンとして用いる工法が例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。これらの特許文献１および特許文献２に開示された工法では、バックホウ等のベースマシンのアーム先端に、上下方向に周回移動するチェーン式の混合撹拌翼を備えた混合撹拌ヘッドをアタッチメントとして装着し、この混合撹拌ヘッドを地中に所定深度まで貫入した上で、原位置土と固化材との混合撹拌を行いながら混合撹拌翼の周回移動面を掘削面として横方向に掘進移動させることで、地中に上記混合撹拌翼の周回移動面の幅寸法に相当する連続した改良壁体を構築することを基本としている。

その上で、前者の特許文献１に開示された工法では、（ａ）改良壁体を構築すべき方向とベースマシンの走行方向とをほぼ平行となるようにセットした上で、ベースマシンの非走行状態においてアームの旋回自由度を使って混合撹拌ヘッドを地中にて改良壁体の構築方向に掘進移動させる非走行掘進工程と、（ｂ）アームの旋回自由度を使っての混合撹拌ヘッドの掘進移動に代えて、ベースマシン自体を改良壁体の構築方向とほぼ平行に且つ混合撹拌ヘッドの掘進移動方向に走行移動させる非掘進走行工程と、を含み、上記（ａ）の非走行掘進工程と（ｂ）の非掘進走行工程を交互に繰り返すものとしている。

また、後者の特許文献２に開示された工法では、ベースマシンのアームに対して混合撹拌ヘッドが首振り旋回自由度を有するものとした上で、地中に多角形の筒状構造体を構築するにあたり、（ア）筒状構造体となるべき領域の中心位置相当部にベースマシンを静止させた状態で、混合撹拌ヘッドの地中への貫入，引き抜き動作と並行して多角形の一辺部の長手方向への移動動作と首振り旋回動作を併用することにより、筒状構造体の一辺部に相当する位置に鉛直壁部の施工を行う工程と、（イ）鉛直壁部施工工程の作業を複数回繰り返すことで既設鉛直壁部に連続する鉛直壁部の施工を順次行って多角形の筒状構造体を構築する工程と、を含むものとしている。

特開２００５−３０７６７５号公報 特開２００４−１０８１３６号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示された双方の工法での掘進工程は、地中に貫入された混合撹拌ヘッドのうち改良壁体の構築方向前方側に面している混合撹拌翼が原位置土を掘削する掘進力（混合撹拌ヘッド自体の掘削・掘進に伴う反力）と、ベースマシンの旋回ベースの旋回力とによって混合撹拌ヘッドを掘進移動させる方式であることから、そもそも旋回ベースの旋回能力は地中掘削しながらの旋回を想定したものではない故に、その掘進力としては必ずしも十分なものではなかった。

そのため、構築しようとする改良壁体領域の地盤強度（原地盤の硬さ）によっては、混合撹拌ヘッドの掘進速度が遅くなったり早くなったりして変動するいわゆるサージング現象が発生し、それによって改良壁体の品質のばらつきを招きやすい。また、掘進速度の変動は経済的なスピードで改良壁体を構築できないことを意味することから、施工時間や工期が長くなるなどの課題を抱えていた。

また、双方の工法共に、平面視において構築しようとする改良壁体とベースマシンのブームやアームの軸線とがほぼ直角となるような姿勢での施工を基本としているため、ベースマシン中心（機械中心）より混合撹拌ヘッドまでの離隔が大きくなることにより、狭隘な現場等では施工が困難となる場合もあった。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、ベースマシンが本来的に有しているブームやアームの力および掘削バケットの掘削力を混合撹拌ヘッドの掘削力または掘進力として最大限活用することで、特にその混合撹拌ヘッドの掘進力および掘進速度の増大化を図るとともに、狭隘な現場においても施工可能な地盤改良装置とその構築に好適な改良壁体の構築方法を提供するものである。

本発明は、ショベル系の掘削機をベースマシンとして、そのベースマシンのアームの先端部に、上下方向に周回移動するチェーン式の混合撹拌翼を備えた混合撹拌ヘッドを装着し、前記混合撹拌ヘッドの混合撹拌翼による原位置土の掘削およびその原位置土と固化材との混合撹拌を行いながら、地中に前記混合撹拌翼の周回移動面の幅寸法に相当する連続した鉛直な改良壁体を構築する地盤改良装置である。

その上で、前記改良壁体の構築に際して、平面視にて構築すべき改良壁体の厚み寸法を二分する平面中心線に対し前記ベースマシンの履帯をほぼ平行に保ちつつ、前記混合撹拌翼の周回移動面と前記平面中心線とをほぼ直角とした上で、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させるようにした地盤改良装置であることを前提としている。

そして、前記ベースマシンのアームの先端部と前記混合撹拌ヘッドとの間に、前記平面中心線と前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの中心線とのなす角度を調整可能な旋回機構が設けられている。

前記旋回機構は、前記ベースマシンのアームの先端部に連結される非旋回部と、前記混合撹拌ヘッドの上端部に連結される旋回部と、前記非旋回部と旋回部とを相対回転可能に連結している軸部材と、前記非旋回部と旋回部とを相対回転させた位置に規制して締結固定する締結固定手段と、前記非旋回部からの旋回部の脱落を防止する脱落防止機構と、を備えていることを特徴とする。

好ましい態様としては、請求項２に記載のように、前記旋回機構は、その非旋回部がベースマシンのアームの先端部に対して着脱可能で、その旋回部が混合撹拌ヘッドの上端部に対して着脱可能な中間ブラケット式のものとして形成されているものとする。

また、別の好ましい態様としては、請求項３に記載のように、前記旋回機構は、その非旋回部がベースマシンのアームの先端部に対して着脱可能で、その旋回部が混合撹拌ヘッドの上端部に対して一体的に結合されているものとする。

さらに、上記地盤改良装置を用いて行う好ましい改良壁体の構築方法としては、請求項４に記載のように、前記旋回機構の機能により、前記平面中心線と前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの中心線とのなす角度を鋭角に保った上で、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させて鉛直な改良壁体を構築するものとする。

この場合に、より好ましい改良壁体の構築方法としては、請求項５に記載のように、前記ブームおよびアームの揺動動作方向の力に基づく前記平面中心線方向の分力を当該平面中心線方向の掘進ベクトルとして混合撹拌ヘッドを掘進させるものとする。

このことは、前記掘進ベクトルと混合撹拌ヘッドの混合撹拌翼の周回移動により生じる掘進力との和をもって混合撹拌ヘッドを掘進させることにほかならない。

本発明によれば、従来の工法に比べて混合撹拌ヘッドの掘進力および掘進速度の増大化を図ることができ、構築される改良壁体の品質向上に寄与することができるほか、経済性にも優れたものとなる。また、狭隘な現場においても無理なく施工することが可能となる。

本発明に係る地盤改良装置の第１の実施の形態を示す概略説明図。 図１に示した混合撹拌ヘッドの詳細を示す拡大説明図。 図２に示した混合撹拌ヘッドの側面説明図。 従来の工法に相当する図１の平面説明図。 本発明に係る改良壁体の構築方法の第１の実施の形態を示す図で、（ａ）はベースマシンの後退動作による施工時の平面説明図、（ｂ）はベースマシンの前進動作による施工時の平面説明図。 本発明に係る改良壁体の構築方法の第２の実施の形態を示す図で、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は同図（ａ）のベースマシンを背面側から見た説明図。 図１に示したベースマシンのアーム先端と混合撹拌ヘッドとの連結部に介装される旋回機構の詳細を示す拡大説明図。 図７における旋回機構の平面説明図。 図７における旋回機構の角度変更時の平面説明図。 図７に示した旋回機構の別の例を示す拡大説明図。 本発明に係る改良壁体の構築方法の第３の実施の形態を示す図で、いわゆるハニカム状改良壁体の施工時の平面説明図。

図１〜６は本発明に係る地盤改良装置とそれを用いた改良壁体の構築方法を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、特に図１〜３は地盤改良装置の基本構造を示している。以下、従来技術と比較しながら本実施の形態の詳細について説明する。

図１において、１は汎用型の建設機械の一つである無限軌道（履帯）式またはクローラ式のショベル系掘削機械、例えば履帯２を有する油圧ショベルもしくはバックホウ等のベースマシン（母機）であって、ベースマシン１の上部旋回体としての旋回ベース３に搭載された揺動式（起伏式または起倒式）のブーム４の先端には同じく揺動式のアーム５が連結されている。そして、ベースマシン１におけるアーム５の先端には、アタッチメントとして原位置土の掘削と固化材（地盤改良材）との混合撹拌のためのいわゆるトレンチャー式の混合撹拌ヘッド６が後述する中間ブラケット方式の旋回機構７を介して着脱可能に装着されている。なお、８はブーム４の揺動動作のためのブームシリンダ、９はアーム５の揺動動作のためのアームシリンダ、１０はアタッチメントである混合撹拌ヘッド６の揺動動作のためのアタッチメントシリンダ（バケットシリンダ）である。

図２は図１に示した混合撹拌ヘッド６の拡大説明図を、図３は図２の側面説明図をそれぞれ示している。これらの図２，３に示すように、混合撹拌ヘッド６は、剛性の高いフレーム１１を母体としていて、このフレーム１１は、幅広で且つ略二股状のヨーク部１２と、ヨーク部１２の下部に連結された真直で略角柱状のフレーム本体１３とから構成されている。ヨーク部１２の上端のブラケット部１４は、後述する図１０に示すような旋回機構７を介して図１のアーム５の先端に着脱可能に連結される。

そして、フレーム本体１３の上部に設けた油圧モータ１５駆動の例えばチェーンスプロケットタイプの駆動輪１６と同じくフレーム本体１３の下部に設けた従動輪１７との間にエンドレス（無端状）のドライブチェーン１８を巻き掛けてある。また、ドライブチェーン１８には当該ドライブチェーン１８の長手方向とほぼ直交するように図２に示す複数の混合撹拌翼１９を略等ピッチで装着してあり、これらの複数の混合撹拌翼１９がドライブチェーン１８とともに上下方向に周回駆動されることになる。なお、混合撹拌翼１９にはその長手方向に沿って複数の掘削刃であるカッタービット２０を設けてある。

さらに、フレーム本体１３の先端部（下端部）には吐出ノズル２１を設けてあり、この吐出ノズル２１には例えば水と固化材としての粉体状のセメントとを予め混ぜ合わせたスラリ状の固化材が図示外の圧送ポンプと配管２２を介して圧送されるようになっている。これにより、吐出ノズル２１から地中に向けてスラリ状の固化材を吐出・噴射することが可能となっている。

なお、ドライブチェーン１８は、フレーム本体１３に設けた複数のガイドローラ２３に所定の張力が付与された状態で案内・支持されている。なお、かかる構造の混合撹拌ヘッド６は、先に開示した特開２００５−３０７６７５号公報等において公知の構造のものである。

このような構造の混合撹拌ヘッド６を用いて施工を行う場合、一般的には、油圧モータ１５の正転または逆転駆動により、ドライブチェーン１８とともに複数の混合撹拌翼１９を上下方向に周回駆動させる一方で、図１に示すように混合撹拌ヘッド６全体を例えばブーム４やアーム５の揺動力（揺動動作方向の力）を利用して直立姿勢にて地中に貫入し、吐出ノズル２１からスラリ状の固化材を吐出しながら、後述する掘進ベクトルを混合撹拌ヘッド６の掘進力として当該混合撹拌ヘッド６を掘進させることにより、いわゆる横行移動させるべく改良壁体の構築方向に徐々に掘進させることになる。これにより、複数の混合撹拌翼１９により掘削された原位置土が同じく複数の混合撹拌翼１９によりスラリ状の固化材と混合撹拌されて、混合撹拌ヘッド６の掘進方向後方側に連続した改良壁体が構築されることになる。なお、地中に構築される改良壁体の壁体厚は混合撹拌翼１９の長さＷ（図２参照）とほぼ同等のものとなる。

この場合において、混合撹拌ヘッド６におけるドライブチェーン１８の張り側と緩み側に相当する部位であって複数の混合撹拌翼１９による掘削と混合撹拌にあずかる部位、すなわち混合撹拌翼１９の上下方向での周回移動面（改良壁体の構築方向前方側に面する周回移動面と構築方向後方側に面する周回移動面）は改良壁体の構築方向と直交したものとなる。そして、改良壁体の構築方向前方側に面する周回移動面を上向きとするか下向きとするかは、地盤の硬さや土質性状に応じて決定する。

従来の一般的な改良壁体の構築方法では、図１の平面図である図４に示すように、平面視にて改良壁体Ｂまたは構築すべき改良壁体Ｂの厚み寸法を二分する平面中心線（以下、改良壁体Ｂまたは構築すべき改良壁体Ｂの平面中心線と言う。）Ｃ１とベースマシン１の平面視でのブーム４およびアーム５の平面中心線（以下、ブーム４等の平面中心線と言う。）Ｃ２とが略直交するように、すなわち双方の平面中心線Ｃ１，Ｃ２同士のなす角度θ２が９０°となるようにセットしている。

その上で、混合撹拌ヘッド６を鉛直姿勢にて地中に貫入し、改良壁体Ｂの構築方向前方側に面することになる混合撹拌翼１９の周回移動面において、その混合撹拌翼１９が例えば上方から下方に向かって周回移動するように回転駆動させることにより、改良壁体Ｂの構築方向前方側に面することになる混合撹拌翼１９の周回移動面側にて混合撹拌翼１９が積極的に原位置土を掘削して、掘削された原位置土が固化材と混合撹拌されながらそれと反対側の混合撹拌翼１９の周回移動面側に送り込まれる力を反力として、混合撹拌ヘッド６自体を改良壁体Ｂの構築方向に掘進させることになる。

かかる改良壁体Ｂの構築方法において、混合撹拌ヘッド６の掘進力はそれ自体の混合撹拌時の反力とベースマシン１の旋回ベース３の旋回力とによる掘進であって、その掘進力は大きな掘進力とはなり得ないものであることは先に述べた通りである。

そこで、本実施の形態では、基本的には図４に示した改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２となす角度θ２が、後述する図５に示すように、０°よりも大きく９０°よりも小さい角度（後述するように、ここでの０°よりも大きく９０°よりも小さい角度の範囲をβとする。）となるような姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えることにより、ベースマシン１が本来的に有しているブーム４やアーム５およびアタッチメントシリンダの１０のシリンダ力を最大限に活用して、従来から課題となっている混合撹拌ヘッド６の掘進力の増大化とともに、各シリンダが力負けすることなく引き抜き力に対して十分に対抗し得る地盤改良装置とそれを用いた改良壁体の構築方法を提案するものである。

先にも述べたように、従来の一般的な改良壁体Ｂの構築方法における掘進力は、混合撹拌時の反力とベースマシン１における上部の旋回ベース３の旋回力を掘進力とするものであって、その掘進力は小さく、硬質地盤等の掘進においてはその速度も遅く、経済スピードによる掘進は困難である。そもそも、ショベル系の掘削機の旋回力は、アーム５の先端のアタッチメントであるバケットを空中（気中）で旋回させる力があれば十分であって、大きな旋回力を必要とするものではない。その一方で、ショベル系の掘削機の掘削力は、ブームシリンダ８やアームシリンダ９（以下、アームシリンダ９等と言う。）の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力とアタッチメントシリンダ（バケットシリンダ）１０の伸縮力による掘削力に依存するものであって、ベースマシン１の規格にもよるが大きな掘削力を有している。

本実施の形態では、このアームシリンダ９等のほかアタッチメントシリンダ１０の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力とアタッチメントシリンダ１０の伸縮力による掘削力を改良壁体構築方向への混合撹拌ヘッド６の掘進力（掘進ベクトル）として積極的に活用する改良壁体の構築方法である。

具体的には、図５の（ａ），（ｂ）に示すように、ベースマシン１の履帯２を改良壁体Ｂの構築方向と概ね平行となるようにセットした上で、ベースマシン１から混合撹拌ヘッド６までの距離（作業半径）を保ちながらベースマシン１を改良壁体Ｂの構築位置に近付けると、平面中心線Ｃ１，Ｃ２同士のなす角度θ２を鋭角β（角度β＝１°〜８９°の範囲）となる姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えることとなる。その状態にて、アームシリンダ９等のほかアタッチメントシリンダ１０を伸縮動作させると、その伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力Ｐは改良壁体Ｂの構築方向の分力Ｐ１を生じ、この分力Ｐ１は改良壁体Ｂの構築方向への掘進力となる。言い換えるならば、この掘進力は、ブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力Ｐより生じるベクトルであって、混合撹拌ヘッド６の掘進ベクトルＰ１となる。

図５の（ａ）は、ベースマシン１を後進させながら改良壁体Ｂを構築する場合のベクトル図を示す。同図（ｂ）は、ベースマシン１を前進させながら改良壁体Ｂを構築する場合のベクトル図を示す。いずれの掘進方向であっても、混合撹拌翼１９の周回移動面と構築すべき改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とを略直角とした上で、混合撹拌ヘッド６を改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１方向に掘進させるので、掘進ベクトルＰ１はいずれの方向においても同等のものとして得ることができる。

ただし、ベースマシン１の後退力および前進力は掘進力に寄与するものではなく、掘進ベクトルＰ１によって改良壁体Ｂが所定量だけ構築されたならば、その構築相当量だけベースマシン１自体を後退動作または前進動作させるにすぎない。

この掘進ベクトルＰ１は、改良壁体Ｂの構築のための実質的な掘進力であって、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２が小さければ小さいほど、大きな掘進ベクトルＰ１が得られる。因みに、前記角度θ２の最小角度は、平面視において、ベースマシン１の履帯２を改良壁体Ｂのベースマシン１側の側面と干渉しない程度まで近付けた時における改良壁体Ｂまたは構築すべき改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度であって、その角度は概ね１５°となる（図６参照）。なお、後述するように、この角度θ２≒１５°での掘進ベクトルＰ１が最大の掘進力となる。

改良壁体Ｂの構築において、原地盤中に吐出されるスラリ状の固化材の体積相当量が増量となり、原土とスラリ状固化材が混合撹拌された流動状の処理土が原地盤上に盛り上がることとなる。よって、この盛り上り処理土が外部に流出しないように、改良壁体Ｂを構築すべき箇所を予め予掘りしておくことが必要となる（予掘り状況は図６の（ｂ）に示す。）。この予掘りは、ベースマシン１の前進および後進のいずれの掘進においても必要であり、これらの予掘り等を考慮すると前述の略１５°が角度θ２の最小角度となる。

一方、先に述べたように、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２の好ましい範囲を０°よりも大きく９０°よりも小さい角度としている。この０°よりも大きく９０°よりも小さい角度の範囲をβとしたとき、当該角度βの範囲は鋭角にほかならないが、本実施の形態では、鋭角βの範囲を１°〜８９°の範囲と定義するものとし、この角度βの範囲を考慮すると、角度θ２の範囲は１５°≦θ２≦８９°となる。

上記の掘進ベクトルＰ１は、Ｐ１＝Ｐ×ｃｏｓθ２にて求めることができる。

ここで、ｃｏｓθ２は、アームシリンダ９等の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力（掘削力）Ｐのベクトル係数αとなる値である。掘進ベクトルＰ１をベクトル係数αより求めるならば、Ｐ１＝Ｐ×ｃｏｓθ２＝Ｐ×αにて求めることができる。

［掘進ベクトルに関する説明］
ショベル系の掘削機のシリンダ力は、ブームシリンダ８＞アームシリンダ９＞アタッチメントシリンダ１０、の順となっていて、アタッチメントシリンダ１０のシリンダ力が最小値となっている。ブームシリンダ８とアームシリンダ９およびアタッチメントシリンダ１０の伸縮動作の詳細については後述するが、アタッチメントシリンダ１０の伸縮力をもとに掘進ベクトルＰ１を求めてみる。一例として、１．９ｍ３級のパワーショベルをベースマシン１とする場合における混合撹拌ヘッド６の掘進ベクトルＰ１は次のようになる。なお、以下で述べるベースマシン１の掘削力とは、アームシリンダ９等のほかアタッチメントシリンダ１０の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力とアタッチメントシリンダ１０の伸縮力で発生する掘削力のことである。

・混合撹拌ヘッド６の推進力（混合撹拌ヘッド６自体の掘進に伴う反力）：０．５トン
・ベースマシン１の旋回力：１．０トン
・混合撹拌ヘッド６自体の推進力：０．５トン
・ベースマシン１の掘削力：２０トン
従来技術での掘進力は、混合撹拌ヘッド６の推進力とベースマシン１の旋回力との和であり、０．５＋１．０＝１．５トンとなる。

一方、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２が例えば８０°の場合でのベクトル係数は、ｃｏｓ８０°故に０．１７となる。そして、混合撹拌ヘッド６の掘進ベクトルＰ１は、２０×０．１７＝３．４トンとなる。改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２が８０°となる位置まで混合撹拌ヘッド６の作業半径を保った上で、ベースマシン１を改良壁体Ｂに近付けることにより得られる掘進力は、掘進ベクトルＰ１のみで２倍以上、混合撹拌ヘッド６の推進力を加えるならば、３．４＋０．５＝３．９トンの総掘進力が得られ、望ましい掘進力となる。

因みに、角度θ２を例えば６０°（図５参照）とすることにより、２０×０．５＝１０．０トンの掘進ベクトルＰ１となり、より望ましい掘進力が得られる。さらに、角度θ２を例えば４０°とすることにより、その掘進ベクトルＰ１は１５．４トンと従来の概ね１０倍の掘進力となり、掘進ベクトルＰ１のみで十分な掘進力が得られることとなる。

原地盤強度（硬さ）にもよるが、角度θ２を少なくとも８０°以下とすることにより、従来技術のものと比べて概ね２倍以上の掘進力が得られることとなり、従来技術における混合撹拌ヘッド６の掘進よりも大幅に大きな掘進能力のもとでの掘進が可能となる。さらに、角度θ２を６０°とすることにより、ベースマシン１が保有する掘削力の５０％（ベクトル係数０．５）を掘進ベクトルＰ１とすることとなり、従来技術よりも概ね６．６倍の掘進力を得ることも可能となり、従来の混合撹拌ヘッド６による掘進よりもより望ましい掘進が可能となる。

先に述べた掘進ベクトルＰ１は、平面中心線Ｃ１，Ｃ２同士のなす角度θ２を角度β（１°〜８９°の範囲）となる姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えた上で、アームシリンダ９等の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力で発生する掘削力によって生じる改良壁体構築方向へのベクトルである。その掘進ベクトルＰ１は、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２と、アームシリンダ９等の伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５のそれぞれの揺動動作方向の力によって変化する。

表１に、先に例示した１．９ｍ３級のパワーショベルをベースマシン１とする場合において、主要ないくつかの角度θ２でのベクトル係数α、掘進ベクトルＰ１の値を示す。なお、この値は、先の場合と同様にベースマシンの掘削力（アタッチメントシリンダ１０の伸縮力）を２０トンとして求めた値である。また、この角度θ２は、概ね１５°程度までは小さくすることが可能であり、その場合の掘進ベクトルは１９．４トンとなり、混合撹拌ヘッド６そのもの推進力（０．５トン）を加えればベースマシン１の掘削力と同等の総掘進力を得ることが可能となる。

［狭隘な場所での施工事例］
図６の（ａ）は、例えば両側を家屋で挟まれた狭隘な場所にて改良壁体Ｂを構築する場合における平面図を示す。また、図６の（ｂ）は、同図（ａ）のベースマシン１を後側から見た背面図を示す。

例えば図４に示したように、構築すべき改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２が略９０°となるように混合撹拌ヘッド６を構えて改良壁体Ｂを構築しようとすると、周辺構造物が障害となり、その施工は困難となる。しかし、図６の（ａ）に示すように、ベースマシン１の履帯２が改良壁体Ｂの側面と干渉しない程度まで近付けて、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１の平面視でのブームおよびアームの中心線Ｃ２とのなす角度θ２を可能な限り小さくすることで、構築すべき改良壁体Ｂからベースマシン１までの離隔が小さくなり、その施工が可能となる。なお、同図の符号Ｑは家屋と改良壁体Ｂとの境界を示す。

また、この場合でのベースマシン１と混合撹拌ヘッド６との位置が角度θ２の最小角度であって、その角度は概ね１５°となる、前述の如く、改良壁体Ｂの構築による盛り上がり対策としての予掘り溝の位置までベースマシン１の履帯２を近付けた時の角度θ２が当該角度θ２の最小角度であって、ベースマシン１と混合撹拌ヘッド６の姿勢をこの位置に調整することにより、改良壁体Ｂの厚み分（改良壁体Ｂの幅）とベースマシン１の履帯幅相当の幅員（作業スペース）が確保できれば施工が可能となる。因みに、その場合の掘進ベクトルＰ１は１９．４トンであり、当該ベースマシン１での最大掘進ベクトルとなる。上記より、角度θ２の有効範囲は、１５°≦θ２≦８９°となる。

［角度θ２を任意の角度に設定する地盤改良装置に関する説明］
次に、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２を任意の角度に設定可能な地盤改良装置について説明する。

図７は、図５，６に示すように、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２を任意の角度に設定可能な旋回機構７を中間ブラケットとして用いたアーム５と混合撹拌ヘッド６との連結部の説明図である。また、図８は図７に示した旋回機構７単独での平面図を示している。

図７に示すように、ベースマシン１のアーム５と混合撹拌ヘッド６との間に介装された旋回機構７は、アーム５側となる非旋回部としてのリンクプレート２６と、混合撹拌ヘッド６側となる旋回部としての旋回プレート２７とを主要素として構成されていて、後述するように両者は相対回転可能に連結されている。

リンクプレート２６は略円板状の面板部２８に所定距離隔てて一対の側板部２９を立設したものであり、他方、旋回プレート２７も面板部３０上に立設した一対の側板部３１がリンクプレート２６の側板部２９に対して９０°位相がずれている点を除きリンクプレート２６とほぼ同構造のものとなっている。そして、リンクプレート２６と旋回プレート２７の双方の面板部２８，３０同士がそれらの中央部を貫通する円筒状の軸部材３２を介して相対回転可能に連結されている。その上で、双方の面板部２８，３０の周縁部に形成した図８の多数のボルト穴３３にそれぞれに挿入される図示外のボルトとナットとを介して両者が締結固定されるようになっている。

さらに、リンクプレート２６の側板部２９はアーム５および当該アーム５側のリンク部材５ａに対して連結ピン３４により着脱可能に連結されるとともに、旋回プレート２７の側板部３１は混合撹拌ヘッド６側の上端部のブラケット部１４に対して連結ピン３５により着脱可能に連結されることになる。

なお、混合撹拌ヘッド６側のブラケット部１４はリンクプレート２６の側板部２９と共通化されており、旋回機構７を使用しない場合には、混合撹拌ヘッド６側のブラケット部１４を連結ピン３４または３５を介して直接的にアーム５側に連結することが可能である。

このような旋回機構７を用いることにより、面板部２８，３０同士を締結固定している複数のボルト・ナットの脱着を行って面板部２８，３０同士を相対回転させれば、各面板部２８，３０上の隣り合う二つのボルト穴３３の中心が各面板部２８，３０の中心とのなす角度を最小角度として、旋回機構７におけるリンクプレート２６と旋回プレート２７とのなす角度、ひいては改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２を、図５のように任意の角度に設定することが可能である。

なお、図８は、旋回機構７の自由度を使って、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２を９０°に設定した状態のものであって、その施工状況は先に説明した図１，４に示したものとなる。

また、図９は、旋回機構７の自由度を使って、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１とベースマシン１のブーム４等の平面中心線Ｃ２とのなす角度θ２を６０°に設定した状態のものであって、その施工状況は図５の（ａ），（ｂ）に示したものとなる。

ここで、図７に示す旋回機構７では、アーム５側の非旋回部としてのリンクプレート２６と混合撹拌ヘッド６側の旋回部としての旋回プレート２７とを相対回転可能に連結する構造として、図８に示した多数のボルト穴３３にそれぞれに挿入される図示外のボルトとナットとを介して両者が締結固定される構造に加えて、脱落防止機構５０を付加してある。

より具体的には、リンクプレート２６と旋回プレート２７の双方の面板部２８，３０の中央部に円筒状の軸部材３２を貫通させて両者の相対回転自由度を確保した上で、その軸部材３２の両端部に当該軸部材３２よりも大径のリング状の抜け止め部材３２ａ，３２ｂを嵌め合わせて、それぞれの抜け止め部材３２ａ，３２ｂを軸部材３２に溶接固定してある。これにより、軸部材３２は、リンクプレート２６と旋回プレート２７との相対回転のための軸体として機能しつつ、当該軸部材３２の両端部に溶接固定される抜け止め部材３２ａ，３２ｂと共に脱落防止機構５０を形成している。

その結果として、脱落防止機構５０が付加されていることにより、図８に示した多数のボルト穴３３にそれぞれに挿入されて、アーム５側のリンクプレート２６と混合撹拌ヘッド６側の旋回プレート２７とを締結固定している図示外のボルトとナットの全てが仮に脱落したとしても、アーム５側のリンクプレート２６と混合撹拌ヘッド６側の旋回プレート２７とが切り離されることがないように、つまり、リンクプレート２６と旋回プレート２７とが脱落防止機構５０により実質的に不離一体に連結されていて、リンクプレート２６からの旋回プレート２７の脱落が阻止される構造となっている。これにより、例えば過負荷によるトラブル発生の抑制化と安全性の向上が図られている。

言い換えるならば、図８にした多数のボルト穴３３にそれぞれに挿入されるボルトとそれに螺合するナットとは、アーム５側のリンクプレート２６と混合撹拌ヘッド６側の旋回プレート２７との相対回転位置を規制しつつ両者を位置決めして締結固定する機能を有している。その一方、脱落防止機構５０は、リンクプレート２６と旋回プレート２７との相対回転自由度を確保しつつ、上記ボルト，ナットに依存することなく、リンクプレート２６と旋回プレート２７とを実質的に不離一体に連結して、両者の切り離し（リンクプレート２６からの旋回プレート２７の脱落）を防止する機能を有している。

また、上記旋回機構７の構造として、リンクプレート２６に対し旋回プレート２７を円筒状の軸部材３２を回転中心として任意の角度に旋回させた後、多数のボルト・ナットにて締結固定する構造としていることにより、例えば特許文献２の図５，６に開示されているようなモータ駆動方式のものと比べて、駆動部のトラブルが少なく旋回機構７の構造を簡素化できるとともに、堅牢性および耐久性にも優れたものとなる。

図１０は、図７に示すベースマシン１のアーム５の先端部と混合撹拌ヘッド６との間に介装される旋回機構７の別の例を示している。

図１０に示す旋回機構４７は、図７に示したものと比較すると明らかなように、非旋回部としてのピン脱着式のリンクプレート２６と、旋回部としての旋回プレート４０とが、円筒状の軸部材３２を介して相対回転可能に連結されている点で図７に示したものと同じ構造である。その一方、旋回プレート４０の面板部３０に混合撹拌ヘッド６の上端部のブラケット部１４がピン脱着によらずに直接的に溶接等にて一体的に接続されている点で図７に示したものと異なっている。それ以外の構造は図７に示したものと同様である。

このような構造の旋回機構４７によれば、旋回機構４７が実質的に混合撹拌ヘッド６と一体化されていることにより、図７に示したものと比べて構造の簡素化が図れるとともに、ベースマシン１のアーム５に対する脱着も容易となる。

［地盤改良装置を使用したハニカム状改良壁体施工事例］
これまでに説明したような地盤改良装置を用いるならば、例えば特許文献２に開示されているような平面形状がいわゆるハニカム状（六角形）の改良壁体を構築する場合にも好都合となる。

図１１は、このハニカム状の改良壁体Ｂ２の構築例を示すものであって、鉛直な改良壁体を角度θ２≒１５°の位置による施工例を示している。同図でのベースマシン１と混合撹拌ヘッド６の位置は１５°≦８９°−０°≦８９°であり、先にも述べたように、θ２≦β−θ１の関係を満たすようにベースマシン１と混合撹拌ヘッド６の姿勢は調整されている。この場合、角度θ２は１５°≦θ２≦８９°の範囲にて施工可能であるが、現場が狭隘で作業スペースが著しく制限されるようなケースでは、θ２≒１５°とすることが望ましい。なお、図１１から明らかなように、改良壁体Ｂ２の外側にベースマシン１をセットすることにより、構築された改良壁体Ｂ２に干渉することなく施工が可能となる。

この施工事例にて、ベースマシン１のブーム４とアーム５およびアタッチメントシリンダ１０の揺動動作の詳細について以下に述べる。図１１に示したハニカム状の改良壁体Ｂ２の構築は、ブームシリンダ８とアームシリンダ９を伸縮させてブーム４とアーム５の揺動動作を行い、混合撹拌ヘッド６を改良壁体Ｂ２の構築方向に後進させながら行うものとする。そして、改良壁体Ｂ２を所定量だけ構築したならば、ブーム４とアーム５の揺動動作を停止させてその構築量相当分だけベースマシン１を後進させる。

六角形をなすハニカム状の改良壁体Ｂ２の各辺の直線部分は、この揺動動作による混合撹拌ヘッド６の掘進（後進）とベースマシン１の後進を交互に繰り返して、辺と辺とが交わる六角形の頂点まで混合撹拌ヘッド６を掘進させる。混合撹拌ヘッド６を頂点まで掘進させたならば、ベースマシン１を方向転換させて次の辺とベースマシン１の履帯２とがほぼ平行となるように再セット（位置決定）する。この場合、角度θ２はθ２≒１５°となるようにセットする。

ただし、前述の揺動動作にて混合撹拌ヘッド６を後進させるのは、ブームシリンダ８を伸ばす操作にほかならず、その時、ブーム４とアーム５の連結ピンを回転中心として混合撹拌ヘッド６の先端側を引き込むこととなり、混合撹拌ヘッド６が傾斜姿勢となる。その傾斜補正には、アームシリンダ９を縮めて、混合撹拌ヘッドが鉛直姿勢となるように操作する。

このように、混合撹拌ヘッド６を鉛直姿勢に保持しつつブーム４およびアーム５の揺動動作にて混合撹拌ヘッド６を改良壁体Ｂ２の構築方向へ掘進させるには、ブームシリンダ８とアームシリンダ９およびアタッチメントシリンダ１０のそれぞれを適宜伸縮させることが求められる。そして、ここでの掘進方向の計測管理は、例えば本発明の発明者が提案する技術（特許第３６９８７０４号公報）によるレーザ発光器と受光器を採用することにより、構築すべき方向を正確に示しつつ行うものとする。また、ここでの傾斜角度は、キャビン（運転室）内に設置されている傾斜計をもとにオペレータが操作するものとする。

さらに、図１１に示したような施工形態は、平面形状がハニカム状（六角形）のみならず、四角形、五角形、八角形、円形等の改良壁体にて原地盤を囲い込むようなケースから遮水壁や土留壁のような改良壁体を筋状に構築するケースにおいても有効な手段である。

１…ベースマシン
２…履帯
３…旋回ベース
４…ブーム
５…アーム
６…混合撹拌ヘッド
７…旋回機構
１８…ドライブチェーン
１９…混合撹拌翼
２６…リンクプレート（非旋回部）
２７…旋回プレート（旋回部）
３２…軸部材
３２ａ，３２ｂ…抜け止め部材
４０…旋回プレート（旋回部）
４７…旋回機構
５０…脱落防止機構
Ｂ…改良壁体
Ｃ１…改良体の平面中心線
Ｃ２…ブーム等の平面中心線

その上で、前記改良壁体の構築に際して、平面視にて構築すべき改良壁体の厚み寸法を二分する平面中心線に対し前記ベースマシンの履帯をほぼ平行に保ちつつ、前記混合撹拌翼の周回移動面と前記平面中心線とをほぼ直角とし、且つ前記平面中心線に対して前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの軸線方向が斜めに交差する姿勢とした上で、前記ブームおよびアームの揺動動作方向の力に基づく前記平面中心線方向の分力を当該平面中心線方向の掘進ベクトルとして前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させるようにした工法に用いる地盤改良装置であることを前提としている。

前記旋回機構は、前記ベースマシンのアームの先端部に連結される非旋回部と、前記混合撹拌ヘッドの上端部に連結される旋回部と、前記非旋回部と旋回部とを相対回転可能に連結している軸部材と、前記非旋回部と旋回部とを相対回転させた位置に規制して締結固定する締結固定手段と、前記締結固定手段に依存することなく前記非旋回部からの旋回部の脱落を防止する脱落防止機構と、を備えていることを特徴とする。

さらに、上記地盤改良装置を改良壁体の構築方法として捉えた請求項４に記載の発明では、ショベル系の掘削機をベースマシンとして、そのベースマシンのアームの先端部に、上下方向に周回移動するチェーン式の混合撹拌翼を備えた混合撹拌ヘッドを装着し、前記混合撹拌ヘッドを地中に所定深度まで貫入した上で、固化材の吐出のほか前記混合撹拌翼による原位置土の掘削およびその原位置土と固化材との混合撹拌を行いながら、地中に前記混合撹拌翼の周回移動面の幅寸法に相当する連続した鉛直な改良壁体を構築する方法とする。
この場合に、前記ベースマシンのアームの先端部と前記混合撹拌ヘッドとの間に、平面視にて構築すべき改良壁体の厚み寸法を二分する平面中心線と前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの中心線とのなす角度を調整可能な旋回機構が設けられている。
そして、前記平面中心線に対し前記ベースマシンの履帯をほぼ平行に保ちつつ、前記混合撹拌翼の周回移動面と前記平面中心線とをほぼ直角とした上で、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させるにあたり、前記旋回機構の機能により、前記平面中心線に対して前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの軸線方向が斜めに交差する姿勢とした上で、前記混合撹拌ヘッドの混合撹拌翼を周回移動させつつ前記ベースマシンのブームおよびアームに揺動方向の力を発生させて、前記ブームおよびアームの揺動動作方向の力に基づく前記平面中心線方向の分力を当該平面中心線方向の掘進ベクトルとして、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させて鉛直な改良壁体を構築するものとする。

なお、前記ブームおよびアームの揺動動作方向の力に基づく前記平面中心線方向の分力を当該平面中心線方向の掘進ベクトルとして前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させることは、前記掘進ベクトルと混合撹拌ヘッドの混合撹拌翼の周回移動により生じる掘進力との和をもって混合撹拌ヘッドを掘進させることにほかならない。

具体的には、図５の（ａ），（ｂ）に示すように、ベースマシン１の履帯２を改良壁体Ｂの構築方向と概ね平行となるようにセットした上で、ベースマシン１から混合撹拌ヘッド６までの距離（作業半径）を保ちながらベースマシン１を改良壁体Ｂの構築位置に近付けると、平面中心線Ｃ１，Ｃ２同士のなす角度θ２が鋭角β（角度β＝１°〜８９°の範囲）となる姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えることとなる。なお、平面中心線Ｃ１，Ｃ２同士のなす角度θ２が鋭角βとなる姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えることは、改良壁体Ｂの平面中心線Ｃ１に対してブーム４等の軸線方向である平面中心線Ｃ２が斜めに交差する姿勢で混合撹拌ヘッド６を構えることでもある。その状態にて、アームシリンダ９等のほかアタッチメントシリンダ１０を伸縮動作させると、その伸縮動作に基づくブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力Ｐは改良壁体Ｂの構築方向の分力Ｐ１を生じ、この分力Ｐ１は改良壁体Ｂの構築方向への掘進力となる。言い換えるならば、この掘進力は、ブーム４およびアーム５の揺動動作方向の力Ｐより生じるベクトルであって、混合撹拌ヘッド６の掘進ベクトルＰ１となる。

Claims (5)

1. ショベル系の掘削機をベースマシンとして、そのベースマシンのアームの先端部に、上下方向に周回移動するチェーン式の混合撹拌翼を備えた混合撹拌ヘッドを装着し、前記混合撹拌ヘッドの混合撹拌翼による原位置土の掘削およびその原位置土と固化材との混合撹拌を行いながら、地中に前記混合撹拌翼の周回移動面の幅寸法に相当する連続した鉛直な改良壁体を構築する地盤改良装置であって、
   前記改良壁体の構築に際して、平面視にて構築すべき改良壁体の厚み寸法を二分する平面中心線に対し前記ベースマシンの履帯をほぼ平行に保ちつつ、前記混合撹拌翼の周回移動面と前記平面中心線とをほぼ直角とした上で、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させるようにした地盤改良装置において、
   前記ベースマシンのアームの先端部と前記混合撹拌ヘッドとの間に、前記平面中心線と前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの中心線とのなす角度を調整可能な旋回機構が設けられていて、
   前記旋回機構は、
   前記ベースマシンのアームの先端部に連結される非旋回部と、
   前記混合撹拌ヘッドの上端部に連結される旋回部と、
   前記非旋回部と旋回部とを相対回転可能に連結している軸部材と、
   前記非旋回部と旋回部とを相対回転させた位置に規制して締結固定する締結固定手段と、
   前記非旋回部からの旋回部の脱落を防止する脱落防止機構と、
   を備えていることを特徴とする地盤改良装置。
2. 前記旋回機構は、その非旋回部がベースマシンのアームの先端部に対して着脱可能で、その旋回部が混合撹拌ヘッドの上端部に対して着脱可能な中間ブラケット式のものとして形成されていることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
3. 前記旋回機構は、その非旋回部がベースマシンのアームの先端部に対して着脱可能で、その旋回部が混合撹拌ヘッドの上端部に対して一体的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の地盤改良装置を用いて行う改良壁体の構築方法であって、
   前記旋回機構の機能により、前記平面中心線と前記ベースマシンの平面視でのブームおよびアームの中心線とのなす角度を鋭角に保った上で、前記混合撹拌ヘッドを前記平面中心線方向に掘進させて鉛直な改良壁体を構築することを特徴とする改良壁体の構築方法。
5. 前記ブームおよびアームの揺動動作方向の力に基づく前記平面中心線方向の分力を当該平面中心線方向の掘進ベクトルとして混合撹拌ヘッドを掘進させることを特徴とする請求項４に記載の改良壁体の構築方法。

Images