JP2018150801A - 掘削攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軟弱地盤に角形の掘削穴を掘削すると共に、掘削した土砂と硬化材とを攪拌混合して角形に凝固させた地中杭を提供する。【解決手段】回転ロッド９と、回転ロッド９の先端に設けられ、回転ロッド９と共に水平方向に回転する水平掘削部７と、水平掘削部７の上方に配置された垂直掘削部８と、回転ロッド９の回転を動力伝達して垂直掘削部８に垂直方向の回転力を付与する機械要素２１とを備え、垂直掘削部８が回転ロッド９の回転と切り離された保護ケース２２に回転可能に支持されている。【選択図】図２

Description

本発明は、地盤を掘削して掘削土と硬化材とを攪拌混合し、掘削土を硬化材により凝固
させた地中杭を造成するための掘削攪拌装置に関する。

従来から軟弱地盤を改良する目的で、地盤を掘削した土砂とセメントなどの硬化材とを地中において攪拌混合し、凝固した掘削土を地中杭として又は地中杭を列状に設けた地中壁として造成するための掘削攪拌装置が知られている（特許文献１及び特許文献２を参照）。

前記特許文献１及び引用文献２に開示されている掘削攪拌装置は、中空軸の先端に設けられた掘削翼と、この掘削翼の少し上方に設けられた攪拌翼とを備えており、中空軸の回転に伴って掘削翼を水平に回転させて土壌を掘削すると共に、掘削した土砂と前記中空軸の先端から吐出されるセメントミルクなどの硬化材とを攪拌翼によって地中で攪拌混合し、掘削した土砂を硬化材により凝固させて地中杭を造成する。

ところで、軟弱地盤の改良にあたっては、地盤の強化や止水等の目的のために、上記したように地中杭を列状に複数並べて地中壁を造成する場合がある。このような地中壁を造成する場合には、隣り同士の地中杭をできるだけ接近させて両者間の隙間が小さくなるように造成することが望ましく、さらに両者間の隙間をできるだけ小さくするためには個々の地中杭を角形に形成し、隣接する地中杭との接触面積を大きく取ることが望まれる。しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示された掘削攪拌装置にあっては、攪拌翼が中空軸の回りを回転できる構造になっており、攪拌翼で土砂と硬化材とを攪拌混合する際には攪拌翼が中空軸の回りを回転しながら攪拌することから、凝固した地中杭の形状も掘削穴の形状と同様に円形になってしまう。

特開平８−１３４７３号公報 特公昭６３‐３８４９６号公報

本発明が解決しようとする課題は、地盤に角形の掘削穴を掘削すると共に、掘削した土砂と硬化材とを攪拌混合して角形に凝固させた地中杭を造成することのできる掘削攪拌装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る掘削攪拌装置は、移動手段で移動できるベースマシーンの先端部分に垂直に立設した支柱と、前記支柱に上下スライド可能に取り付けられたオーガモータと、前記オーガモータから垂設したガイドパイプ内に取り付けた掘削攪拌装置の回転ロッドと、前記回転ロッドの先端に設けられ、回転ロッドと共に水平方向に回転する水平掘削部と、前記水平掘削部の上方に配置された垂直掘削部と、前記回転ロッドの回転を動力伝達して前記垂直掘削部に垂直方向の回転力を付与する機械要素と、を備え、前記垂直掘削部が前記回転ロッドの回転と切り離された固定部材に回転可能に支持されている。

また、本発明の一実施形態では、前記機械要素が、前記回転ロッドに固定される一対の主傘歯車と、前記主傘歯車と噛み合い前記主傘歯車の回転に伴って回転する一対の従傘歯車とを備える傘状歯車からなり、前記一対の主傘歯車のうち少なくとも一方の主傘歯車と回転ロッドとの間にスラストベアリングが設けられている。

また、本発明の一実施形態では、前記垂直掘削部は、複数の垂直回転翼と、前記複数の垂直回転翼に取り付けられる第２掘削刃とを備え、少なくとも前記第２掘削刃は前記垂直回転翼が垂直方向に回転する際の垂直な平面に対して所定の傾斜角度で取り付けられている。

本発明に係る掘削攪拌装置は、回転ロッドの回転を動力伝達して垂直掘削部に垂直方向の回転力を付与する機械要素を備え、且つ前記垂直掘削部が前記回転ロッドの回転と切り離された固定部材に回転可能に支持されているので、垂直掘削部が回転ロッドの回りを回転することなく垂直方向のみに回転することで、角形の掘削穴とこの穴形状に対応した角形の地中杭とを造成することができる。

また、本発明に係る掘削攪拌装置では、回転ロッドの回転を動力伝達して垂直掘削部に垂直方向の回転力を付与する機械要素として傘状歯車が用いられ、この傘状歯車の一対の主傘歯車のうち少なくとも一方の主傘歯車と回転ロッドとの間にスラストベアリングが設けられているので、掘削時に回転ロッドの軸方向に働く力をスラストベアリングによって受け止め、下側主傘歯車が柔軟に動き得るので、傘状歯車の主傘歯車と従傘歯車の噛み合いによる回転トラブルを避けることができる。

また、本発明に係る掘削攪拌装置では、垂直回転翼に取り付けられた第２掘削刃が、前記垂直回転翼が垂直方向に回転する際の垂直な平面に対して所定の傾斜角度で取り付けられているので、水平掘削部によって掘削した円形穴の内周壁を傾斜した第２掘削刃が巻き込むようにして削り取ることで、円形の内周壁に４カ所の角部が形成され、ほぼ平らな四つの壁面からなる角形穴を形成することができる。

本発明に係る掘削攪拌装置の使用状態を示す全体図である。 本発明の一実施形態に係る掘削攪拌装置の要部を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る掘削攪拌装置の動力変換部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る掘削攪拌装置の要部の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る掘削攪拌装置の水平回転翼と垂直回転翼によって 掘削される掘削穴の外形線を示す説明図である。

以下添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係る掘削攪拌装置を詳細に説明する。図１に示されるように、この実施形態に係る掘削攪拌装置１は、キャタピラ２で移動できるベースマシーン３の先端部分に高い支柱４を垂直に立設し、この支柱４にオーガモータ５が上下スライド可能に取り付けられている。オーガモータ５には掘削攪拌装置１のロッド６が取り付けられ、このロッド６の下部に水平掘削部７と垂直掘削部８とが設けられている。

前記掘削攪拌装置１のロッド６は、図１に示されるように、前記オーガモータ５に減速ギヤ（図示せず）等を介して連結される回転ロッド９と、この回転ロッド９の外周を被覆するガイドパイプ１０とからなる。このガイドパイプ１０は、上端部がオーガモータ５のケーシングに固定され、下端部付近が前記支柱４から延びる振止用のホルダ１１にスライド可能に保持されることで、前記回転ロッド９の回転とは切り離されている。なお、図２に示されるように、前記回転ロッド９の内側には全体を通じて中空部１２が形成されており、この中空部１２を介してセメントミルクなどの土壌硬化材が掘削穴に供給される。

前記ロッド６の下端には水平掘削部７が設けられている。この水平掘削部７は、図２及び図４に示されるように、前記回転ロッド９の先端部で水平方向に回転する一対の水平回転翼１３と、この水平回転翼１３の長手方向に沿って取り付けられる複数個の第１掘削刃１４とを有する。水平回転翼１３は、細長い平板１３ａの下面にリブ１３ｂを突出させたものであり、その基部が回転中心となる柄部１３ｃに固定されている。

前記柄部１３ｃからは、一対の水平回転翼１３が対向する２方向にそれぞれ水平方向に延びており、各水平回転翼１３の前記リブ１３ｂに３個の第１掘削刃１４が着脱自在に装着されている。各第１掘削刃１４は、刃先が鋭角にとがった平面刃１４ａを有しており、この平面刃１４ａが前記水平回転翼１３の長手方向と平行になるように装着されている。各第１掘削刃１４は、水平回転翼１３の水平方向の回転に伴って一緒に回転し、平面刃１４ａによって掘削穴の底面を円形に掘削していく。なお、この実施形態では水平回転翼１３に３個の第１掘削刃１４が装着された場合を説明しているが、この第１掘削刃１４の数は３個に限定されないものであり、また掘削穴の大きさに応じて水平回転翼１３の長さも変わるので、それに応じて第１掘削刃１４の数も変わることになる。

前記水平掘削部７の少し上方には垂直掘削部８が配置される。この垂直掘削部８は、図２及び図４に示されるように、前記ロッド６を挟んで左右両側に配置され、垂直方向に回転する垂直回転翼１５と、この垂直回転翼１５の長手方向に沿って取り付けられる複数個の第２掘削刃１６とを有する。前記垂直回転翼１５は、回転中心となる柄部１５ａから十字状に延びる４枚の細長い矩形状の平板１５ｂを有し、この平板１５ｂの一方の長辺１５ｃ（垂直回転翼が回転する方向の前側）には３個の第２掘削刃１６が着脱自在に装着されている。なお、図２に示されるように、垂直回転翼１５は、水平回転翼１３のほぼ先端部分の上方に配置されている。

各第２掘削刃１６は、前記第１掘削刃１４と同様、刃先が鋭角にとがった平面刃１６ａを有しているが、前記第１掘削刃１４の装着とは異なって、前記平面刃１６ａが垂直回転翼１５の長手方向と直交するように装着されている。そのため、垂直回転翼１５の垂直方向の回転に伴って一緒に回転することで、前記水平掘削部７で掘削した穴の側面を前記第２掘削刃１６の平面刃１６ａによって直線的に平らに掘削することができる。

さらに、この実施形態では、前記垂直回転翼１５が垂直方向に回転するときの垂直の平面１７に対して、４枚の垂直回転翼１５が互い違いに内側と外側に所定角度傾斜した状態で前記柄部１５ａに取り付けられている。すなわち、図４に示したように、４枚の垂直回転翼１５のうち、一方の対向する一対の垂直回転翼１５ｄが回転方向に対して内側に傾斜し、他方の対向する一対の垂直回転翼１５ｅが外側に傾斜している。また、この実施形態では、第２掘削刃１６が垂直回転翼１５の平板１５ｂに真っ直ぐに延びた状態で装着されているので、前記垂直回転翼１５と同じ角度で第２掘削刃１６も前記平面１７に対して傾斜することになる。このように、第２掘削刃１６が前記平面１７に対して内側と外側とに傾斜した状態で取り付けられていることで、角形の掘削穴をより確実に掘り進めることができる。

なお、この実施形態では垂直回転翼１５の平板１５ｂに第２掘削刃１６を真っ直ぐに延びた状態で装着しているので、垂直回転翼１５と第２掘削刃１６とが同じ傾斜角度になっているが、垂直回転翼１５を前記平面１７と平行となるように柄部１５ａに取り付け、少なくとも第２掘削刃１６のみを前記平面１７に対して傾斜させてもよい。また、１枚の垂直回転翼１５に装着される第２掘削刃１６の数も３個に限定されないのは、前記第１掘削刃１４の場合と同様である。

前記垂直掘削部８の近傍には、前記回転ロッド９の水平方向の回転を垂直方向の回転に動力伝達して前記垂直掘削部８に垂直方向の回転力を付与する動力変換部２０が設けられている。この動力変換部２０は、前記動力伝達を行うための機械要素２１と、この機械要素２１をカバーする保護ケース２２とを備えている。前記機械要素２１として、この実施形態では傘状歯車が用いられている。この傘状歯車は、図２及び図３に示されるように、前記回転ロッド９に取り付けられる上下一対の主傘歯車２３，２４と、前記主傘歯車２３，２４と噛み合い前記主傘歯車の回転に伴って回転する左右一対の従傘歯車２５，２６とを備えている。一対の主傘歯車２３，２４は回転ロッド９に取り付けられることで回転ロッド９と一体に回転するが、特にこの実施形態では上側主傘歯車２３が回転ロッド９に固定されている一方、下側主傘歯車２４の方は回転ロッド９との間に含油軸受２７ａとスラストベアリング２８を配することで、回転ロッド９と縁切りがなされている。そのため、掘削時に回転ロッド９の軸方向に働く力をスラストベアリング２８によって受け止め、下側主傘歯車２４が柔軟に動き得るので、傘状歯車の主傘歯車２３，２４と従傘歯車２５，２６の噛み合いによる回転トラブルを避けることができる。なお、このスラストベアリングによる機構を上側主歯車２３側に設けても同様の効果が得られる。

一方、前記一対の主傘歯車２３，２４の左右側に配置される一対の従傘歯車２５，２６は、前記主傘歯車２３，２４と噛み合うように配置されると共に、前記垂直回転翼１５の回転軸２９に一体に固定されている。図３に示されるように、前記回転軸２９はラジアルベアリング３０を介して動力変換部２０の保護ケース２２に回転可能に支持されている。また、前記回転軸２９の先端部と回転ロッド９との間には前記と同様の含油軸受２７ｂとセンターカラー３１が配されると共に、このセンターカラー３１と回転軸２９の先端部との間にはラジアルベアリング３２が配され、回転軸２９のスムーズな回転を確保している。

前記傘状歯車をカバーする保護ケース２２は、図２乃至図４に示されるように、断面形状が略四角形の筒型形状をしており、上端の取付フランジ３５がガイドパイプ１０の取付フランジ３６にボルト３７で固定されることで、ガイドパイプ１０に一体に固定されている。また、図２に示されるように、保護ケース２２の下部２２ａはやや先細形状に形成されており、回転ロッド９との間に装着されたオイルシールによって保護ケース２２内に充填されたオイルの漏出を防いでいる。さらに、保護ケース２２の中央部には前記垂直回転翼１５の回転軸２９を支持するための腕部３８が左右に突出している。この腕部３８は、前述したように、回転軸２９を回転可能に支持するラジアルベアリング３０を内蔵すると共に、回転軸２９の挿通孔３９が先端に設けられている。

次に、上記構成からなる掘削攪拌装置１の作用について説明する。ベースマシーン３によって掘削攪拌装置１を掘削現場まで運んでセットしたのち、前記オーガモータ５を駆動することで回転ロッド９を回転させる。この回転ロッド９の回転によって水平掘削部７の水平回転翼１３が水平方向に回転し、水平回転翼１３に装着されている第１掘削刃１４によって軟弱地盤を掘削していく。また、前記回転ロッド９に固定されている傘状歯車の上側主傘歯車２３及び回転ロッド９に含油軸受２７ａによって支持されている下側主傘歯車２４が回転ロッド９と一緒に回転し、左右の従傘歯車２５，２６に回転力を伝達する。従傘歯車２５，２６の回転によって保護ケース２２に支持されている回転軸２９が回転し、この回転軸２９の先端に取り付けられた垂直掘削部８の垂直回転翼１５が垂直方向に回転する。この時、左右の垂直回転翼１５は互いに反対方向に回転する。なお、従傘歯車２５，２６の回転軸２９が保護ケース２２に回転支持されているので、従傘歯車２５，２６が主傘歯車２３，２４の回りを公転することなく、定位置で自転する。そのため、垂直回転翼１５は垂直方向に回転するのみで、ロッド６の回りを水平回転することがない。

前記垂直回転翼１５に装着されている第２掘削刃１６は、垂直回転翼１５が垂直方向に回転することで、前記水平回転翼１３の第１掘削刃１４によって掘削された円形穴の内周壁を削り取るようにして掘削していく。図５は、第１掘削刃１４によって掘削される円形穴４０の外形と、第２掘削刃１６によって掘削される角形穴４１の外形を示す模式図である。まず、第１掘削刃１４で所定の深さまで地盤に円形穴４０を掘削していく。このとき、左右の垂直回転翼１５が垂直方向に回転することによって、円形穴４０の左右の内周壁を削り取るように掘り進むことで、四面とも略平らな側壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが形成され、角形穴４１を形成することができる。四面の側壁のうち、向かい合う二面の側壁４２ａ，４２ｂだけを前記垂直回転翼１５の第２掘削刃１６で直接削り取り、残りの向かい合う二面の側壁４２ｃ，４２ｄは直接に削り取ることはないが、前述したように、第２掘削刃１６が互い違いに外側と内側とに傾斜しているために、垂直回転翼１５の先端部に取り付けられた外側に傾斜した第２掘削刃１６ｂと内側に傾斜した第２掘削刃１６ｃとによって、円形穴４０の内周壁の対向する４カ所の壁土４３を巻き込むようにして削り取ることで、円形穴４０の内周壁に４カ所の角部４４が形成される。その結果、垂直回転翼１５によって直接掘削される側壁４２ａ，４２ｂだけでなく、垂直回転翼１５によって直接には掘削されない側の側壁４２ｃ、４２ｄもほぼ平らな壁面となって、結果的には略平らな四つの側壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを有する角形穴４１が形成されることになる。

上述のようにして水平掘削部７と垂直掘削部８とで所定の深さまで角形穴４１を掘削したのち、オーガモータ５を支柱４に沿って上方にスライドさせていく。この時、回転ロッド９の回転をそのまま持続することで、水平回転翼１３及び垂直回転翼１５を回転させながら引き上げることができる。この引き上げ作業に連動して回転ロッド９の中空部１２を通じて硬化材としてのセメントミルクが供給される。掘削穴内では回転ロッド９の先端に設けられた吐出口９ａから供給されたセメントミルクと、掘削された土砂とが掘削穴内で攪拌混合されて凝固され角形の地中杭を造成していく。セメントミルクと土砂との攪拌混合は、前記水平掘削部７の水平回転翼１３と、垂直掘削部８の垂直回転翼１５とによって行われるが、この実施形態では垂直回転翼１５の平板１５ｂが、垂直回転翼１５が回転する際の垂直の平面１７に対して傾斜しているので、セメントミルクと掘削された土砂との攪拌混合がより十分になされると同時に、垂直回転翼１５が回転しながら上昇する際に、傾斜した平板１５ｂによって掘削穴の側壁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの形を整えながら凝固させていくので、結果的に四角柱の地中杭が造成されることになる。

以上、本発明の好ましい実施例が述べられてきたが、本発明は、これら実施例に限定されず、種々の変形および変更がこれら実施例になされ得ることを認識されるべきである。

１ 掘削攪拌装置
２ キャタピラ
３ ベースマシーン
４ 支柱
５ オーガモータ
６ ロッド
７ 水平掘削部
８ 垂直掘削部
９ 回転ロッド
９ａ 吐出口
１０ ガイドパイプ
１１ ホルダ
１２ 中空部
１３ 水平回転翼
１３ａ 平板
１３ｂ リブ
１３ｃ 柄部
１４ 第１掘削刃
１４ａ 平面刃
１５ 垂直回転翼
１５ａ 柄部
１５ｂ 平板
１５ｃ 長辺
１６ 第２掘削刃
１６ａ 平面刃
１６ｂ 外側
１６ｃ 内側
１７ 垂直の平面
２０ 動力変換部
２１ 機械要素
２２ 保護ケース
２２ａ 下部
２３，２４ 主傘歯車
２５，２６ 従傘歯車
２７ａ，２７ｂ 含油軸受
２８ スラストベアリング
２９ 回転軸
３０，３２ ラジアルベアリング
３１ センターカラー
３５，３６ 取付フランジ
３７ ボルト
３８ 腕部
３９ 挿通孔
４０ 円形穴
４１ 角形穴
４２ 側壁
４３ 壁土
４４ 角部

Claims (8)

1. 移動手段で移動できるベースマシーンの先端部分に垂直に立設した支柱と、
   前記支柱に上下スライド可能に取り付けられたオーガモータと、
   前記オーガモータから垂設したガイドパイプ内に取り付けた掘削攪拌装置の回転ロッドと、
   前記回転ロッドの先端に設けられ、回転ロッドと共に水平方向に回転する水平掘削部と、
   前記水平掘削部の上方に配置された垂直掘削部と、
   前記回転ロッドの回転を動力伝達して前記垂直掘削部に垂直方向の回転力を付与する機械要素とを備え、
   前記垂直掘削部が前記回転ロッドの回転と切り離された固定部材に回転可能に支持されている掘削攪拌装置。
2. 前記固定部材は、前記回転ロッドの外周を被覆するガイドパイプに連結された機械要素の保護カバーからなる請求項１に記載の掘削攪拌装置。
3. 前記機械要素が、前記回転ロッドに固定される主傘歯車と、前記主傘歯車と噛み合い前記主傘歯車の回転に伴って回転する従傘歯車と、を備える傘状歯車からなり、
   前記従傘歯車の回転軸が前記固定部材に回転可能に支持されると共に前記垂直掘削部に連結されている請求項１又は２に記載の掘削攪拌装置。
4. 前記傘状歯車は、向き合うようにして上下に配置された一対の主傘歯車と、前記一対の主傘歯車の間に配置された左右一対の従傘歯車とを備え、前記一対の主傘歯車のうち少なくとも一方の主傘歯車と回転ロッドとの間にスラストベアリングが設けられている請求項３に記載の掘削攪拌装置。
5. 前記回転ロッドの内部に中空部が設けられると共に、回転ロッドの先端部には前記中空部を介して供給される硬化材の吐出口が設けられている請求項１に記載の掘削攪拌装置。
6. 前記垂直掘削部は、複数の垂直回転翼と、前記複数の垂直回転翼に取り付けられる第２掘削刃とを備え、少なくとも前記第２掘削刃は前記垂直回転翼が垂直方向に回転する際の垂直な平面に対して所定の傾斜角度で取り付けられている請求項１に記載の掘削攪拌装置。
7. 前記複数の垂直回転翼の取り付けられる第２掘削刃は、隣り合う垂直回転翼において、一の垂直回転翼には前記垂直な平面に対して外向きの傾斜角度で取り付けられ、他の垂直回転翼には前記垂直な平面に対して内向きの傾斜角度で取り付けられている請求項６に記載の掘削攪拌装置。
8. 前記垂直掘削部は、平板状の複数の垂直回転翼と、前記平板状の複数の垂直回転翼に取り付けられる第２掘削刃とを備え、前記平板状の複数の垂直回転翼及び第２掘削刃が、前記垂直回転翼が垂直方向に回転する際の垂直な平面に対して所定の傾斜角度で取り付けられている請求項１に記載の掘削攪拌装置。

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