JP2020172749A - 掘削機、掘削機の設置方法、及び地盤掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する。
【解決手段】掘削機１０は、上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削するものである。掘削機１０は、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２に載置される架台１１と、架台１１に支持されて架台１１に対して水平旋回可能な本体部１２と、本体部１２の一側に上部が枢支されてこの上部から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアーム１３と、アーム１３の下端部１３ｃに設けられて地盤２を掘削する地盤掘削部１４と、アーム１３の上部の枢支軸Ｑを中心としてアーム１３を傾動させる傾動装置１５と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒状のケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する掘削機と、当該掘削機の設置方法と、当該掘削機を用いる地盤掘削方法とに関する。

特許文献１は、いわゆるオープンケーソン工法で用いられ得る水中掘削機を開示している。この水中掘削機は、ケーソン躯体内に配置されるフロートと、このフロートの下部に設けられた掘削機とを有している。このフロートにはグリッパーが設けられており、このグリッパーでケーソン躯体の内面を押圧することにより、フロートをケーソン躯体内の任意の位置に固定することができる。

特開平６−８１３４９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、掘削機による地盤掘削の反力をケーソン躯体から取ろうとすると、グリッパーを有するフロートからなる反力受け装置のサイズが大型化してしまう。このため、当該反力受け装置の組立作業やケーソン躯体内への設置作業に手間を要し、また、これら作業のコストの増大を招いていた。

本発明は、このような実状に鑑み、簡易な構成でケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削することを目的とする。

そのため本発明の第１態様では、掘削機は、上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削するものである。掘削機は、平面視でケーソン躯体内に位置する地盤に載置される架台と、架台に支持されて架台に対して水平旋回可能な本体部と、本体部の一側に上部が枢支されて該上部から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアームと、アームの下端部に設けられて地盤を掘削する地盤掘削部と、アームの上部の枢支軸を中心としてアームを傾動させる傾動装置と、を備える。

本発明の第２態様では、掘削機は、一端部が架台に連結されて架台から水平方向外方に延びる延長部と、延長部の他端部に設けられたシュー部材と、を更に備える。シュー部材がケーソン躯体の内周面に接触可能である。前記第２態様では、掘削機を、平面視でケーソン躯体内に位置する地盤上に設置する方法として、掘削機を揚重装置によって吊り下げて、シュー部材をケーソン躯体の内周面に接触させつつ掘削機を下降させることを含む。

本発明の第３態様では、地盤掘削方法は、上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する掘削機を用いてケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する方法である。掘削機は、平面視でケーソン躯体内に位置する地盤に載置される架台と、架台に支持されて架台に対して水平旋回可能な本体部と、本体部の一側に上部が枢支されて該上部から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアームと、アームの下端部に設けられて地盤を掘削する地盤掘削部と、アームの上部の枢支軸を中心としてアームを傾動させる傾動装置と、地盤掘削部による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して本体部の他側から排出するポンプ装置と、を備える。前記第３態様における地盤掘削方法は、本体部、アーム、及び傾動装置を作動させて、地盤掘削部をケーソン躯体の刃口部の下方位置まで移動させ、ケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を地盤掘削部によって掘削する掘削工程と、ポンプ装置によって本体部の他側から排出された掘削土を、開閉自在なグラブバケットを有する掘削装置を用いて、ケーソン躯体内からケーソン躯体外に排土する排土工程と、を含む。

本発明によれば、掘削機の架台が、平面視でケーソン躯体内に位置する地盤に載置される。ゆえに、掘削機は、地盤掘削の際に、架台が載置されている地盤から反力を取ることができる。従って、掘削機は、ケーソン躯体から反力を取ることなく、地盤から反力を取ることができるので、前述のフロートなどの大型な反力受け装置を省略することができ、ひいては、簡易な構成でケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削することができる。

本発明の第１実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図 同上実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図 同上実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図 同上実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図 同上実施形態における掘削機を右後方から見た斜視図 同上実施形態における掘削機を左後方から見た斜視図 同上実施形態における掘削機を後方から見た斜視図 同上実施形態における掘削機のアーム及び地盤掘削部を右側方から見た拡大斜視図 同上実施形態における制御ユニットの概略構成を示す図 本発明の第２実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図 同上実施形態におけるケーソン躯体の下方の地盤を掘削する方法を示す図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４は、本発明の第１実施形態におけるケーソン躯体１の下方の地盤２を掘削する方法を示す図である。ここで、図１（Ａ）及び図２（Ａ）は、上方から見た、ケーソン躯体１、及び掘削孔３の位置関係を示す。図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３、及び図４は、ケーソン躯体１の縦断面図に対応するものである。

本実施形態では、本発明に係る掘削機の設置方法及び地盤掘削方法を立坑の構築に適用した例を説明するが、本発明に係る掘削機の設置方法及び地盤掘削方法の適用例はこれに限らない。

立坑は、上下両端が開口して上下方向に延びる円筒状のケーソン躯体１により構成される。ケーソン躯体１は例えばコンクリート製である。本実施形態における立坑の構築では、地盤２を水中掘削してケーソン躯体１を徐々に沈下させていく工法（いわゆるオープンケーソン工法）が用いられる。ここにおいて、立坑（ケーソン躯体１）内に水Ｗが導入されて、立坑（ケーソン躯体１）内に水Ｗが貯留された状態で、地盤２の掘削（水中掘削）が行われる。尚、本実施形態では、地上の圧入装置（図示せず）によってケーソン躯体１を下方に押圧することで、ケーソン躯体１を地中に圧入沈下させる。この圧入装置としては、例えば特開平１０−１７６４７７号公報に開示の圧入装置を用いることができるが、圧入装置の構成はこれに限らない。

本実施形態では、図１に示す地盤２が硬質地盤であり、地盤２よりも上方の地盤が軟質地盤である。本実施形態では、前述の軟質地盤側から、硬質地盤である地盤２が露出するまで（すなわち、図１に示す状態に至るまで）、ケーソン躯体１内にて、前述の軟質地盤の水中掘削が行われる（軟質地盤掘削工程）。この軟質地盤の水中掘削では、開閉自在なクラムシェルバケットなどのグラブバケット７（図４参照）を有する掘削装置６（図４参照）が用いられ得る。

本実施形態におけるケーソン躯体１の下方の地盤２を掘削する方法では、まず、図１及び図２に示すように、ケーソン躯体１の径方向内方からケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方（刃口部１ｂの直下）に向けてケーソン躯体１の径方向外方かつ下方に地盤２を掘削することで、複数の掘削孔３を形成する。各掘削孔３は平面視で扇形状である。尚、本実施形態では、地盤２に４個の掘削孔３を形成しているが、掘削孔３の個数はこれに限らず、任意である。また、複数の掘削孔３が、ケーソン躯体１の周方向に互いに若干オーバーラップするように地盤２に形成されてもよい。

本実施形態では、平面視で、複数の掘削孔３が、ケーソン躯体１の周方向に沿って並んでいる。また、本実施形態では、複数の掘削孔３が、ケーソン躯体１の周方向に互いに間隔を空けて地盤２に形成されている。この掘削孔３を地盤２に形成する工程（刃口下部掘削工程）に先立って、ケーソン躯体１内に水Ｗが導入される（図１参照）。また、この刃口下部掘削工程に先立って、グラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、平面視でケーソン躯体１内に位置する前述の軟質地盤が掘削される（軟質地盤掘削工程）。

掘削孔３を地盤２に形成するときには掘削機１０が用いられる。この掘削機１０の詳細については図５〜図９を用いて後述する。ここで、掘削機１０は、地盤２から反力を取って、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方を掘削することができる。

次に、図３に示すように、ケーソン躯体１を圧入沈下させる。このケーソン躯体１の圧入沈下には、前述の地上の圧入装置（図示せず）が用いられ得る。

次に、図３及び図４に示すように、グラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２を掘削する。掘削装置６は、例えば、地上に配置されたクレーン（図示せず）と、クレーンのブームの先端部から吊り下げられたグラブバケット７とを含んで構成される。グラブバケット７は、開閉動作可能な一対のシェル７ａを含んで構成される。尚、図４は、このグラブバケット７を有する掘削装置６を用いて地盤２を掘削する工程（バケット掘削工程）が完了した状態を示している。
このようにして、地盤２の掘削が行われる。

次に、掘削機１０について図５〜図９を用いて説明する。図５は、掘削機１０を右後方から見た斜視図である。図６は、掘削機１０を左後方から見た斜視図である。図７は、掘削機１０を後方から見た斜視図である。図８は、掘削機１０のアーム１３及び地盤掘削部１４を右側方から見た拡大斜視図である。図９は、制御ユニット１８の概略構成を示す図である。

本実施形態では、図５〜図８に示した状態の掘削機１０について、説明の便宜上、図５に示すように前後左右を規定して、以下説明する。ここで、掘削機１０の前側は、掘削機１０のうち、アーム１３及び地盤掘削部１４が位置する側に対応する。一方、掘削機１０の後側は、掘削機１０のうち、アーム１３及び地盤掘削部１４が位置する側と反対の側に対応する。

本実施形態では、掘削機１０は、総重量が例えば２０ｔ程度であり、前後方向の長さが例えば５ｍ程度である。しかしながら、掘削機１０の総重量や前後方向の長さは前述のものに限定されない。
本実施形態では、ケーソン躯体１の内径が例えば１２ｍ程度である。しかしながら、ケーソン躯体１については、掘削機１０を設置できる程度の内径であればよく、ゆえに、ケーソン躯体１の内径は１２ｍ程度に限定されない。

掘削機１０は、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削（水中掘削）するものである。掘削機１０は、架台１１と、本体部１２と、アーム１３と、地盤掘削部１４と、傾動装置１５と、排土装置１６と、スライドガイド装置１７と、制御ユニット１８とを備える。

架台１１は、架台本体２１と、複数本（本実施形態では３本）の脚部２２とを含んで構成される。尚、本実施形態では、脚部２２の本数が３本であるが、脚部２２の本数は３本に限らず、例えば４本以上の任意の本数であってもよい。

脚部２２は、上下方向に伸縮可能に延びている。脚部２２は油圧ジャッキと同様の構成を有しており、上下方向に延びるシリンダ２２ａと、シリンダ２２ａの下端側にて進出・退入可能なロッド２２ｂにより構成される。ここで、ロッド２２ｂの進出・退入が、脚部２２の伸縮（伸長・短縮）に対応する。

脚部２２の下端部（ロッド２２ｂの下端部）２２ｃは地盤２の表面（地盤面）に接触可能である。脚部２２の下端部（ロッド２２ｂの下端部）２２ｃには、当該下端部２２ｃを地盤面（水底面）に食い込ませるための複数の突起２３が設けられている。

架台本体２１は平面視で三角形状をなしており、この三角形状における３つの角部には、それぞれ、脚部２２の上部（シリンダ２２ａの上部）が固定されている。３本の脚部２２は、掘削機１０の左前部、右前部、及び後部に位置している。架台本体２１は、３本の脚部２２によって支持されている。尚、本実施形態では、架台本体２１は平面視で三角形状をなしているが、架台本体２１の平面視での形状はこれに限らない。例えば、架台本体２１は平面視で矩形状をなしてもよい。

架台本体２１には、上下方向に延びる仮想軸Ｐを旋回中心として本体部１２を水平旋回させるための駆動用モータ（図示せず）が設けられている。この駆動モータは、本実施形態では油圧モータであるが、油圧モータの代わりに電動モータを用いてもよい。

本体部１２は、架台本体２１の上方に位置している。本体部１２は、架台１１（架台本体２１）に支持されて架台１１（架台本体２１）に対して仮想軸Ｐを旋回中心として水平旋回可能である。

本体部１２は、平面視で前後方向に長い矩形状のベース部２５と、ベース部２５の前端部から上方かつ前方に延びるブーム部２６とを含んで構成される。ベース部２５の前側部分には前述の仮想軸Ｐが位置している。ベース部２５の中央〜後側部分には、排土装置１６を構成するポンプ装置２７が設置されている。

アーム１３は、本体部１２のブーム部２６の上端部に上端部が枢支されて下方に延びるシリンダ１３ａと、シリンダ１３ａの下端側にて進出・退入可能なロッド１３ｂにより構成される。ここで、ロッド１３ｂの進出・退入が、アーム１３の伸縮（伸長・短縮）に対応する。

アーム１３には油圧ジャッキ２８が並設されている。油圧ジャッキ２８は、アーム１３のシリンダ１３ａに固定されてシリンダ１３ａと並んで延びるシリンダ２８ａと、シリンダ２８ａの下端側にて進出・退入可能なロッド２８ｂにより構成される。ロッド２８ｂはアーム１３のロッド１３ｂに固定されている。ここで、ロッド２８ｂの進出・退入が、油圧ジャッキ２８の伸縮（伸長・短縮）に対応する。

ゆえに、アーム１３は、それに並設された油圧ジャッキ２８の伸縮動作に応じて伸縮可能である。また、本体部１２のブーム部２６の上端部には、アーム１３の上端部（シリンダ１３ａの上端部）が枢支されており、アーム１３は、この枢支された上端部から下方に延びている。

アーム１３の下端部（ロッド１３ｂの下端部）１３ｃには、地盤２を掘削する地盤掘削部１４を構成するカッタヘッド３０が設けられている。カッタヘッド３０は、図示しない駆動用モータを回転駆動源として回転可能であり、地盤２を回転掘削する。この駆動用モータは例えばアーム１３に内蔵されている。この駆動モータは、本実施形態では油圧モータであるが、油圧モータの代わりに電動モータを用いてもよい。
カッタヘッド３０には、カッタヘッド３０による地盤２の回転掘削により発生した掘削土を取り入れるための開口部３１が形成されている。

傾動装置１５は、後端部が本体部１２のベース部２５の前端部に取り付けられ、前端部がアーム１３のシリンダ１３ａの長手方向中央部に取り付けられて伸縮可能な油圧ジャッキ３３を含む。傾動装置１５（油圧ジャッキ３３）は、アーム１３の上端部（シリンダ１３ａの上端部）の枢支軸Ｑを中心としてアーム１３を傾動させ得る。ここで、油圧ジャッキ３３を最大限短縮させると、アーム１３は直立状態となる。一方、油圧ジャッキ３３を伸長させると、アーム１３は傾斜状態となる。

排土装置１６は、ポンプ装置２７、第１管部３６、第２管部３７、第３管部（図示せず）、第４管部３８、及び第５管部３９を含んで構成される。
第１管部３６は、アーム１３のロッド１３ｂの下端部１３ｃに固定されている。第１管部３６は、その下端部がカッタヘッド３０の開口部３１に連通し、上端部が第２管部３７の下端部に連通している。

第２管部３７は、アーム１３のシリンダ１３ａに並んで延びている。第２管部３７は例えば蛇腹パイプからなり、油圧ジャッキ２８及びアーム１３の伸縮に追従して伸縮可能である。第２管部３７の上端部は第３管部の一端部に連通している。

尚、本実施形態では、第１管部３６及び第２管部３７をアーム１３の外側に配置しているが、この他、第１管部３６と第２管部３７との少なくとも一方をアーム１３の内側に配置してもよい。すなわち、アーム１３が第１管部３６と第２管部３７との少なくとも一方を内蔵するようにしてもよい。

第３管部は、アーム１３のシリンダ１３ａの上端部に設けられている。第３管部の他端部は、第４管部３８の上端部に連通している。
第４管部３８は、その上端部からブーム部２６に沿って下方かつ後方に延び、更に、ベース部２５に沿って後方に延びて、ポンプ装置２７の吸込部に連通している。ここで、ポンプ装置２７の駆動源は、電動モータ又は油圧モータである。

ポンプ装置２７の吐出部には、第５管部３９の前端部が連通している。第５管部３９は前後方向に延びており、後端部が掘削機１０の後方を向いて開口している。

排土装置１６では、ポンプ装置２７を作動させると、地盤掘削部１４による地盤掘削により発生した掘削土が、カッタヘッド３０の開口部３１から取り込まれて、第１管部３６、第２管部３７、第３管部、及び第４管部３８を経てポンプ装置２７に吸引され、ポンプ装置２７から吐出されて、第５管部３９から後方（水Ｗ中）に排出される。この排出された掘削土は、地盤面（地盤２の表面）における、掘削孔３から離間した箇所に溜まり得る。このようにして、ポンプ装置２７は、地盤掘削部１４による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して本体部１２の後側から排出する機能を実現し得る。

ここで、本体部１２のうち、アーム１３及び地盤掘削部１４に近い側（前側）が、本発明の「本体部の一側」に対応する。これに対し、本体部１２のうち、アーム１３及び地盤掘削部１４から遠い側（後側）が、本発明の「本体部の他側」に対応する。

本実施形態では、平面視で、左前の脚部２２と右前の脚部２２との間（後述する柱部材４５ａ，４５ｂ間）に本体部１２のブーム部２６及び油圧ジャッキ３３（傾動装置１５）が位置している。ゆえに、ブーム部２６及び油圧ジャッキ３３（傾動装置１５）が柱部材４５ａ，４５ｂなどに接触しない範囲内で本体部１２が架台１１に対して水平旋回可能である。それゆえ、掘削機１０によって形成される掘削孔３は、図２（Ａ）に示すように平面視で扇形状となり得る。

架台１１上には、スライドガイド装置１７が設けられている。スライドガイド装置１７は、保護フレーム４０と、２本の延長部４２ａ，４２ｂと、２つのシュー部材４３ａ，４３ｂとを含んで構成される。

保護フレーム４０は、本体部１２の左側方、右側方、及び後方を囲むように設けられている。保護フレーム４０は、２本の柱部材４５ａ，４５ｂと、２本のＣ字形部材４６ａ，４６ｂと、複数本の補強部材４７とを含んで構成される。柱部材４５ａは、左前の脚部２２の上端部から立設されており、柱部材４５ｂは、右前の脚部２２から立設されている。Ｃ字形部材４６ａ，４６ｂは、平面視で、前側開放のＣ字形状である。Ｃ字形部材４６ａの一端部は柱部材４５ａの上端部に固定されており、他端部は柱部材４５ｂの上端部に固定されている。Ｃ字形部材４６ｂの一端部は柱部材４５ａの上下方向中央部に固定されており、他端部は柱部材４５ｂの上下方向中央部に固定されている。補強部材４７は上下方向に延びており、上端部がＣ字形部材４６ａに固定されて、下端部がＣ字形部材４６ｂに固定されている。複数の補強部材４７が、Ｃ字形部材４６ａ，４６ｂの周方向に互いに間隔を空けて並んでいる。

延長部４２ａは、後端部（一端部）が柱部材４５ａの上端部に固定されて、柱部材４５ａから水平方向外方に（前方に）延びている。延長部４２ｂは、後端部（一端部）が柱部材４５ｂの上端部に固定されて、柱部材４５ｂから水平方向外方に（前方に）延びている。従って、延長部４２ａ，４２ｂは、各々の後端部（一端部）が、柱部材４５ａ，４５ｂを介して、架台１１に連結されている。また、延長部４２ａ，４２ｂは、平面視で、架台１１から水平方向外方に（前方に）延びている。

シュー部材４３ａは、延長部４２ａの前端部（他端部）に設けられている。シュー部材４３ｂは、延長部４２ｂの前端部（他端部）に設けられている。シュー部材４３ａ，４３ｂは、ケーソン躯体１の内周面１ａに接触可能である。

Ｃ字形部材４６ａには、滑車５０を備える吊り部５１が取り付けられている。滑車５０には、吊りワイヤー５２が巻き掛けられている。地上に設けられたクレーンなどの揚重装置（図示せず）は、吊りワイヤー５２を介して、掘削機１０を吊り下げ支持可能であり、また、掘削機１０を昇降可能である。
ここで、本実施形態では、平面視で、吊り部５１の位置が、掘削機１０の重心に略一致している。換言すれば、吊り部５１の直下に掘削機１０の重心が位置している。

掘削機１０が必要とする電力は、地上から電力線を介して供給される。
架台本体２１には、掘削機１０の各油圧機器（油圧ジャッキや油圧モータなど）に油圧を供給するための油圧ユニット（図示せず）が設けられている。
また、架台本体２１には制御ユニット１８と姿勢測定部５５とが設けられている。姿勢測定部５５は例えばジャイロセンサを含んで構成されており、架台１１の姿勢（詳しくは、架台本体２１の姿勢）を測定することができる。

制御ユニット１８は、掘削機１０の作動に関する各種演算や各種制御を行う。制御ユニット１８は、掘削制御部５６と、姿勢制御部５７とを有する。掘削制御部５６には、地上の操作室に設置されている操作パネル５８からの操作信号５９に基づいて、主として以下（ア）〜（エ）の作動制御を行う。ここで、操作パネル５８は作業員によって操作され得る。また、前述の操作信号５９は、信号線などを介して、又は、無線機器を介して、伝達され得る。

（ア）本体部１２を水平旋回させるための駆動用モータ
（イ）アーム１３に並設された油圧ジャッキ２８
（ウ）傾動装置１５（油圧ジャッキ３３）
（エ）カッタヘッド３０の駆動用モータ

姿勢制御部５７は、姿勢測定部５５からの姿勢測定信号６０に基づいて架台１１が所定の姿勢となるように姿勢制御する。ここで、所定の姿勢とは、本実施形態では、水平姿勢を意味する。この水平姿勢では、例えば、前述の架台本体２１及びベース部２５が略水平になる。

尚、本実施形態では、具体的には、姿勢制御部５７は、姿勢測定部５５からの姿勢測定信号６０に基づいて、架台本体２１の水平姿勢を保持するように脚部２２の伸縮動作を制御する。ゆえに、本実施形態では、架台本体２１の水平姿勢が自動的に保持され得る。

掘削機１０を、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２上に設置する際には、掘削機１０を吊りワイヤー５２を介して前述の揚重装置によって吊り下げて、シュー部材４３ａ，４３ｂをケーソン躯体１の内周面１ａに接触させつつ、掘削機１０を下降させる。掘削機１０の下降時には、アーム１３及びカッタヘッド３０がケーソン躯体１の内周面１ａに接触しないように、油圧ジャッキ２８，３３の伸縮量（伸長量）を適宜調整することが好ましい。

掘削機１０の下降が進んで掘削機１０が地盤２上に載置されると、掘削機１０の自重により、架台１１の脚部２２の下端部２２ｃの突起２３が地盤面（地盤２の表面）に食い込む。

次に、地盤２上に載置された掘削機１０を用いて、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削する方法（前述の刃口下部掘削工程）について説明する。

まず、姿勢測定部５５にて架台本体２１の姿勢を測定し、この測定結果に基づいて、制御ユニット１８の姿勢制御部５７によって、架台本体２１の水平姿勢を保持するように、架台１１の各脚部２２の伸縮量（伸長量）を調整する（姿勢調整工程）。尚、この姿勢調整工程は、掘削機１０が地盤２上に載置された直後に自動的に実施されることが好ましい。

掘削機１０が地盤２上に載置された状態、かつ、架台本体２１の水平姿勢を保持した状態で、吊りワイヤー５２を弛ませないでおけば、吊りワイヤー５２の繰り出し長さを地上側で把握することにより、掘削機１０が位置する深さ（例えば地面からの距離）を地上側で把握することができる。また、吊りワイヤー５２の平面位置も地上側で把握することができるので、それに基づいて、掘削機１０の平面的な位置も地上側で把握することができる。従って、地上側で、掘削機１０の３次元位置を容易に把握することができる。

次に、本体部１２、アーム１３、及び傾動装置１５を作動させて、地盤掘削部１４（カッタヘッド３０）をケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方位置まで移動させる。そして、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を地盤掘削部１４（カッタヘッド３０）によって掘削して、掘削孔３を形成する（掘削工程）。この掘削工程では、平面視で扇形状の掘削孔３を形成するために、本体部１２、アーム１３、及び傾動装置１５が作動し得る。すなわち、本体部１２が架台１１に対して水平旋回し、油圧ジャッキ２８の伸縮によってアーム１３が伸縮し、傾動装置１５の油圧ジャッキ３３の伸縮によってアーム１３の傾斜角度が変化し得る。
この掘削工程では、掘削孔３の形成に並行して、掘削土を排土装置１６によって本体部１２の後側から排出する。これにより、平面視でケーソン躯体１の中央部に掘削土が溜まり得る。

次に、ケーソン躯体１の中央部に溜まった掘削土を、グラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、ケーソン躯体１内からケーソン躯体１外に排土する（排土工程）。尚、この排土工程は、前述のバケット掘削工程と一体的に実施してもよい。
以上のようにして、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方が掘削されて、複数の掘削孔３が形成され得る。

本実施形態によれば、掘削機１０は、上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削するものである。掘削機１０は、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２に載置される架台１１と、架台１１に支持されて架台１１に対して水平旋回可能な本体部１２と、本体部１２の一側（前側）に上部（上端部）が枢支されてこの上部（上端部）から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアーム１３と、アーム１３の下端部１３ｃに設けられて地盤２を掘削する地盤掘削部１４と、アーム１３の上部（上端部）の枢支軸Ｑを中心としてアーム１３を傾動させる傾動装置１５と、を備える。ゆえに、掘削機１０は、地盤２から直接的に反力を取って、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方を掘削することができる。従って、掘削機１０による刃口部１ｂ下の地盤２の掘削時に、ケーソン躯体１から反力を取ることなく、簡易な構成で、刃口部１ｂ下の地盤２の掘削を行うことができる。この刃口部１ｂ下の地盤２は、前述のグラブバケット７を有する掘削装置６による掘削が困難である。この点、本実施形態では、掘削機１０を用いて、容易に、刃口部１ｂ下の地盤２の掘削を行うことができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０は、地盤掘削部１４による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して本体部１２の他側（後側）から排出するポンプ装置２７を備える。ゆえに、簡素な構成で、掘削土を掘削孔３から遠ざけることができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０は、架台１１の姿勢を測定する姿勢測定部５５と、姿勢測定部５５からの姿勢測定信号６０に基づいて架台１１が所定の姿勢となるように姿勢制御する姿勢制御部５７と、を備える。これにより、掘削機１０の姿勢を最適化することができる。

また本実施形態によれば、架台１１は、各々の下端部２２ｃが地盤面に接触可能な複数本の脚部２２と、これら脚部２２によって支持される架台本体２１と、を含んで構成される。本体部１２は、架台本体２１に支持されて架台本体２１に対して水平旋回可能である。脚部２２が伸縮可能である。姿勢測定部５５は、架台本体２１の姿勢を測定する。姿勢制御部５７は、姿勢測定部５５からの姿勢測定信号６０に基づいて架台本体２１の水平姿勢を保持するように各脚部２２の伸縮動作を制御する。ゆえに、各脚部２２を伸縮させることで、簡易に、架台本体２１及び本体部１２の水平姿勢、ひいては、掘削機１０全体の水平姿勢を保持することができる。

また本実施形態によれば、ケーソン躯体１内に水Ｗが貯留されている。掘削機１０は、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２の水中掘削を行う。ゆえに、掘削機１０を用いて水中掘削作業を行うことができるので、その分、作業員による潜水作業を減らすことができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０は、一端部（後端部）が架台１１に連結されて架台１１から水平方向外方（前方）に延びる延長部４２ａ，４２ｂと、延長部４２ａ，４２ｂの他端部（前端部）に設けられたシュー部材４３ａ，４３ｂと、を備える。シュー部材４３ａ，４３ｂがケーソン躯体１の内周面１ａに接触可能である。ゆえに、掘削機１０を地盤２上に設置する際にシュー部材４３ａ，４３ｂをケーソン躯体１の内周面１ａに接触させつつ掘削機１０を下降させることができるので、ケーソン躯体１の内周面１ａに対する掘削機１０のスライドを延長部４２ａ，４２ｂ及びシュー部材４３ａ，４３ｂによってガイドすることができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０は、地上のクレーンなどの揚重装置によって吊り下げられて昇降可能である。これにより、簡素な構成で、掘削機１０を昇降させることができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０を、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２上に設置する方法（掘削機１０の設置方法）として、地上のクレーンなどの揚重装置によって掘削機１０を吊り下げて、シュー部材４３ａ，４３ｂをケーソン躯体１の内周面１ａに接触させつつ掘削機１０を下降させることを含む。ゆえに、掘削機１０を地盤２上に設置する際に、ケーソン躯体１の内周面１ａに対する掘削機１０のスライドを延長部４２ａ，４２ｂ及びシュー部材４３ａ，４３ｂによってガイドすることができる。

また本実施形態によれば、地盤掘削方法は、上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削する掘削機１０を用いてケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を掘削する方法である。掘削機１０は、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２に載置される架台１１と、架台１１に支持されて架台１１に対して水平旋回可能な本体部１２と、本体部１２の一側（前側）に上部（上端部）が枢支されてこの上部（上端部）から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアーム１３と、アーム１３の下端部１３ｃに設けられて地盤２を掘削する地盤掘削部１４と、アーム１３の上部（上端部）の枢支軸Ｑを中心としてアーム１３を傾動させる傾動装置１５と、地盤掘削部１４による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して本体部１２の他側（後側）から排出するポンプ装置２７と、を備える。地盤掘削方法は、本体部１２、アーム１３、及び傾動装置１５を作動させて、地盤掘削部１４をケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方位置まで移動させ、ケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤２を地盤掘削部１４によって掘削する掘削工程と、ポンプ装置２７によって本体部１２の他側（後側）から排出された掘削土を、開閉自在なグラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、ケーソン躯体１内からケーソン躯体１外に排土する排土工程と、を含む。これにより、掘削装置６は、地盤２の掘削を行うという本来の機能に加えて、掘削孔３の形成時に発生した掘削土の排土を行うという機能を有することができる。それゆえ、掘削孔３の形成時に発生した掘削土を排土するための設備を大幅に簡素化することができる。

また本実施形態によれば、地盤掘削方法は、前述の掘削工程に先立って、架台本体２１の姿勢を測定し、この測定結果に基づいて、架台本体２１の水平姿勢を保持するように各脚部２２の伸縮量（伸長量）を調整する姿勢調整工程を更に含む。ゆえに、各脚部２２の伸縮量（伸長量）を調整することで、簡易に、架台本体２１及び本体部１２の水平姿勢、ひいては、掘削機１０全体の水平姿勢を保持することができる。

また本実施形態によれば、前述の姿勢調整工程及び掘削工程に先立って、ケーソン躯体１内に水Ｗが導入される。これにより、ケーソン躯体１内の水圧と周辺地盤の地下水圧とをバランスさせることで、周辺地盤からケーソン躯体１内への地下水の流入を抑制することができる。

また本実施形態によれば、平面視で、複数の掘削孔３が、ケーソン躯体１の周方向に沿って並ぶ。また、平面視で、複数の掘削孔３が、ケーソン躯体１の周方向に互いに間隔を空けて形成される。ゆえに、ケーソン躯体１の周方向における複数箇所にて、刃口部１ｂ下の地盤２（硬質地盤）の強度を低下させることができる。

また本実施形態によれば、複数の掘削孔３を形成した後に、開閉自在なグラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２を掘削する。これにより、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２の大部分を、グラブバケット７を有する掘削装置６によって効率良く掘削することができる。

また本実施形態によれば、複数の掘削孔３を形成した後に、ケーソン躯体１を圧入沈下させる。これにより、刃口部１ｂ下の地盤２（硬質地盤）の強度を低下させた上でケーソン躯体１を圧入沈下させることができるので、硬質地盤であってもケーソン躯体１を効率良く圧入沈下させることができる。

尚、本実施形態では、ケーソン躯体１の圧入沈下の後にバケット掘削工程を実施しているが、この他、ケーソン躯体１の圧入沈下と並行してバケット掘削工程を実施してもよい。

次に、本発明の第２実施形態について図１０及び図１１を用いて説明する。
図１０及び図１１は、本実施形態におけるケーソン躯体１の下方の地盤２を掘削する方法を示す図である。
前述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、前述のバケット掘削工程に先立って、中央部削孔工程として、図１０に示すように、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２に、鉛直方向に延びる複数の掘削孔４を形成する。尚、本実施形態では、地盤２に４個の掘削孔４を形成しているが、掘削孔４の個数はこれに限らず、任意である。

本実施形態では、地盤２に掘削孔４を形成するときに掘削機１０が用いられる。掘削孔４の形成時には、傾動装置１５の油圧ジャッキ３３を最大限短縮させることでアーム１３を直立状態とする。この状態で、アーム１３に並設された油圧ジャッキ２８を下方に伸長させることでアーム１３を下方に伸長させつつ、カッタヘッド３０を回転させて地盤２を掘削する。
尚、地盤２に掘削孔４を形成するときには、掘削機１０の代わりに、別の削孔装置を用いてもよい。

本実施形態では、複数の掘削孔４が、平面視でケーソン躯体１の中央部に形成される。また、本実施形態では、平面視で複数の掘削孔３に囲まれるように、複数の掘削孔４が地盤２に形成される。

ここで、隣り合う掘削孔４同士の間隔Ｌ１（図１０参照）は、グラブバケット７の最大開口幅Ｌ２（図１１参照）よりも狭い。この間隔Ｌ１については、グラブバケット７による掘削土砂の搬送が効率良く行えるように適宜設定され得る。一例として、前記間隔Ｌ１は、以下の式を満たすように設定され得る。
０．５×Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ２

中央部削孔工程の後、バケット掘削工程では、図１１に示すように、グラブバケット７を有する掘削装置６を用いて、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２を掘削する。
このようにして、地盤２の掘削が行われる。

特に本実施形態によれば、刃口下部掘削工程の後であって、かつ、バケット掘削工程に先立って、平面視でケーソン躯体１内に位置する地盤２に、鉛直方向に延びる複数の掘削孔４を形成する（中央部削孔工程）。これにより、硬質地盤である地盤２がグラブバケット７によって掴みやすくなり得る。ゆえに、バケット掘削工程での掘削の作業性を向上させることができる。ここにおいて、隣り合う掘削孔４同士の間隔Ｌ１が、グラブバケット７の最大開口幅Ｌ２よりも狭いことが好ましい。

また本実施形態によれば、刃口下部掘削工程の後であって、かつ、中央部削孔工程及びバケット掘削工程に先立って、ケーソン躯体１を圧入沈下させる。これにより、刃口部１ｂ下の地盤２（硬質地盤）の強度を低下させた上でケーソン躯体１を圧入沈下させることができるので、硬質地盤であってもケーソン躯体１を効率良く圧入沈下させることができる。

また本実施形態によれば、掘削機１０は、水中地盤（地盤２）を鉛直方向に掘削して掘削孔４を形成し得る。掘削機１０については、別途の反力受け装置を設ける必要がないので、当該反力受けに関する水中作業を減らすことができ、特に水中地盤掘削に好適である。

尚、本実施形態では、ケーソン躯体１の圧入沈下の後に中央部削孔工程及びバケット掘削工程を実施しているが、この他、ケーソン躯体１の圧入沈下と並行して中央部削孔工程及び／又はバケット掘削工程を実施してもよい。

前述の第１及び第２実施形態において、シュー部材４３ａ，４３ｂがケーソン躯体１の内周面１ａに接触しているか否かを検知する接触検知部（例えば圧電素子を含んで構成される）をシュー部材４３ａ，４３ｂに設置し、この検知信号を制御ユニット１８を介して地上の操作室の操作パネル５８に伝達し、シュー部材４３ａ，４３ｂがケーソン躯体１の内周面１ａに接触しているか否かを操作パネル５８のディスプレイに表示させるようにしてもよい。これにより、地上の操作室内の作業員が操作パネル５８のディスプレイを監視することで、シュー部材４３ａ，４３ｂがケーソン躯体１の内周面１ａに接触しているか否かを容易に把握することができる。

前述の第１及び第２実施形態では、地盤２を掘削可能な地盤掘削部１４がカッタヘッド３０を含んで構成されているが、地盤掘削部１４の構成はこれに限らない。例えば、地盤掘削部１４は、カッタヘッド３０以外のオーガーなどの回転掘削装置、ブレーカーなどの打撃装置、バイブロハンマーなどの振動装置のうちのいずれかを含んで構成されてもよい。

前述の第１及び第２実施形態では、ケーソン躯体１の断面形状が円形であるが、ケーソン躯体１の断面形状は円形に限らず、例えば、楕円形、又は、矩形であってもよい。

前述の第１及び第２実施形態におけるケーソン躯体１は、施工現場から離れた工場などで製造されたロット（いわゆるプレキャスト材からなるロット）を含んで構成されてもよく、又は、施工現場で構築される複数のロットを含んで構成されてもよい。

前述の第１及び第２実施形態では掘削機１０を水中で使用しているが、この他、掘削機１０を陸上で使用してもよい。
前述の第１及び第２実施形態では掘削機１０をケーソン躯体１の刃口部１ｂの下方の地盤の掘削に用いているが、この他、いわゆる透かし掘りに用いてもよい。

前述の第１及び第２実施形態では、本発明に係る掘削機の設置方法及び地盤掘削方法を立坑の構築に適用した例を説明したが、本発明に係る掘削機の設置方法及び地盤掘削方法の適用例はこれに限らない。例えば、立坑以外の地下構造物の構築や、構造物の基礎の構築に、本発明に係る掘削機の設置方法及び地盤掘削方法を適用してもよい。

図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１…ケーソン躯体、１ａ…内周面、１ｂ…刃口部、２…地盤、３，４…掘削孔、６…掘削装置、７…グラブバケット、７ａ…シェル、１０…掘削機、１１…架台、１２…本体部、１３…アーム、１３ａ…シリンダ、１３ｂ…ロッド、１３ｃ…下端部、１４…地盤掘削部、１５…傾動装置、１６…排土装置、１７…スライドガイド装置、１８…制御ユニット、２１…架台本体、２２…脚部、２２ａ…シリンダ、２２ｂ…ロッド、２２ｃ…下端部、２３…突起、２５…ベース部、２６…ブーム部、２７…ポンプ装置、２８…油圧ジャッキ、２８ａ…シリンダ、２８ｂ…ロッド、３０…カッタヘッド、３１…開口部、３３…油圧ジャッキ、３６…第１管部、３７…第２管部、３８…第４管部、３９…第５管部、４０…保護フレーム、４２ａ，４２ｂ…延長部、４３ａ，４３ｂ…シュー部材、４５ａ，４５ｂ…柱部材、４６ａ，４６ｂ…Ｃ字形部材、４７…補強部材、５０…滑車、５１…吊り部、５２…吊りワイヤー、５５…姿勢測定部、５６…掘削制御部、５７…姿勢制御部、５８…操作パネル、５９…操作信号、６０…姿勢測定信号、Ｌ１…間隔、Ｌ２…最大開口幅、Ｐ…仮想軸、Ｑ…枢支軸、Ｗ…水

Claims (12)

1. 上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する掘削機であって、
   平面視で前記ケーソン躯体内に位置する地盤に載置される架台と、
   前記架台に支持されて前記架台に対して水平旋回可能な本体部と、
   前記本体部の一側に上部が枢支されて該上部から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアームと、
   前記アームの下端部に設けられて地盤を掘削する地盤掘削部と、
   前記アームの上部の枢支軸を中心として前記アームを傾動させる傾動装置と、
   を備える、掘削機。
2. 前記地盤掘削部による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して前記本体部の他側から排出するポンプ装置を更に備える、請求項１に記載の掘削機。
3. 前記架台の姿勢を測定する姿勢測定部と、前記姿勢測定部からの姿勢測定信号に基づいて前記架台が所定の姿勢となるように姿勢制御する姿勢制御部と、を更に備える、請求項１又は請求項２に記載の掘削機。
4. 前記架台は、各々の下端部が地盤面に接触可能な複数本の脚部と、前記脚部によって支持される架台本体と、を含んで構成され、
   前記本体部は、前記架台本体に支持されて前記架台本体に対して水平旋回可能であり、
   前記脚部が伸縮可能であり、
   前記姿勢測定部は、前記架台本体の姿勢を測定し、
   前記姿勢制御部は、前記姿勢測定部からの姿勢測定信号に基づいて前記架台本体の水平姿勢を保持するように前記脚部の伸縮動作を制御する、請求項３に記載の掘削機。
5. 前記ケーソン躯体内に水が貯留されており、
   前記掘削機は、前記ケーソン躯体の刃口部の下方の地盤の水中掘削を行う、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の掘削機。
6. 一端部が前記架台に連結されて前記架台から水平方向外方に延びる延長部と、前記延長部の他端部に設けられたシュー部材と、を更に備え、
   前記シュー部材が前記ケーソン躯体の内周面に接触可能である、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の掘削機。
7. 前記掘削機は、揚重装置によって吊り下げられて昇降可能である、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の掘削機。
8. 請求項６に記載の掘削機を、平面視で前記ケーソン躯体内に位置する地盤上に設置する方法であって、
   前記掘削機を揚重装置によって吊り下げて、前記シュー部材を前記ケーソン躯体の内周面に接触させつつ前記掘削機を下降させることを含む、掘削機の設置方法。
9. 上下方向に延びて地中に沈設される筒状のケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する掘削機を用いて前記ケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を掘削する方法であって、
   前記掘削機は、
   平面視で前記ケーソン躯体内に位置する地盤に載置される架台と、
   前記架台に支持されて前記架台に対して水平旋回可能な本体部と、
   前記本体部の一側に上部が枢支されて該上部から下方に延び、かつ、伸縮可能であるアームと、
   前記アームの下端部に設けられて地盤を掘削する地盤掘削部と、
   前記アームの上部の枢支軸を中心として前記アームを傾動させる傾動装置と、
   前記地盤掘削部による地盤掘削により発生した掘削土を吸引して前記本体部の他側から排出するポンプ装置と、
   を備え、
   前記方法は、
   前記本体部、前記アーム、及び前記傾動装置を作動させて、前記地盤掘削部を前記ケーソン躯体の刃口部の下方位置まで移動させ、前記ケーソン躯体の刃口部の下方の地盤を前記地盤掘削部によって掘削する掘削工程と、
   前記ポンプ装置によって前記本体部の他側から排出された掘削土を、開閉自在なグラブバケットを有する掘削装置を用いて、前記ケーソン躯体内から前記ケーソン躯体外に排土する排土工程と、
   を含む、地盤掘削方法。
10. 前記架台は、各々の下端部が地盤面に接触可能な複数本の脚部と、前記脚部によって支持される架台本体と、を含んで構成され、
    前記本体部は、前記架台本体に支持されて前記架台本体に対して水平旋回可能であり、
    前記脚部が伸縮可能であり、
    前記方法は、前記掘削工程に先立って、前記架台本体の姿勢を測定し、この測定結果に基づいて、前記架台本体の水平姿勢を保持するように前記脚部の伸縮量を調整する姿勢調整工程を更に含む、請求項９に記載の地盤掘削方法。
11. 前記姿勢調整工程に先立って、前記ケーソン躯体内に水が導入される、請求項１０に記載の地盤掘削方法。
12. 前記掘削工程に先立って、前記ケーソン躯体内に水が導入される、請求項９〜請求項１１のいずれか１つに記載の地盤掘削方法。