JP3345258B2 - 掘削・撹拌機の地中先端位置検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、掘削・撹拌機の軸
単体の地中先端位置及び曲がり形状を工事の進行と共
に、刻々、検出して、当該先端の貫入軌跡及び地下施工
物の形状を定量的に計測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】掘削・撹拌軸、たとえば、深層混合処理
機の撹拌軸の貫入方向は従来、処理機のリーダに取り付
けた傾斜計により管理しており、具体的には地表上にお
いてリーダの垂直姿勢を確認し、これにより施工する撹
拌軸の深層部までの貫入方向が垂直を保っていると推定
していた。しかしながら上記の方法では、それに基づき
造成した地下施工物が地盤中において垂直性を保持し、
かつ、真直に関して一定の品質を確保しているか否かに
ついて疑問が残る。

【０００３】事実、地盤中における地下施工物の施工状
況を確認することは極めて困難である。すなわち、地盤
中に貫入した撹拌軸の先端位置は、施工方法それ自体、
地盤硬さの不均一もしくは被撹拌地盤からの反力による
撹拌軸の曲がりやネジレ、さらには撹拌軸とリーダ間の
並行性、撹拌軸のジョイント部の屈曲などに基づき変位
することから、従来、採られているようなリーダの傾斜
角の管理のみでは、精度の高い垂直杭体の施工は困難で
ある。

【０００４】上記不都合を解消し、地下杭体の施工状態
を検知するため、本出願人は、さきに、 掘削軸先端部の基準位置に対する長さ方向移動量
（貫入長さ、または貫入軌跡）を求める。 掘削軸先端部の基準位置に対する先端部現在位置の
傾斜角測定最大値または最小値から軸先端部の傾斜角を
求める。 先端部の傾斜角測定の最大出力値が生じる時点の掘
削軸回転角度から、掘削軸先端の曲がり方向を把握す
る。

【０００５】 上記の掘削軸移動量、，の掘削
軸先端位置情報に基づき地下造成体の品質の評価を可能
にする。 ことについての技術開発に付随する種々の問題点を解消
し、平成７年特許願第300436号「掘削・撹拌機の地中先
端位置検出システム」と名付けて出願しているが、当該
技術は、施工中、掘削軸体の回転角を連続して測定する
計測器の設置を必須要件とし、軸体の先端部に設置した
前記軸体の垂直方向に対する傾斜角を測定する１台の計
測器の出力最大（小）値と、前記傾斜出力最大値が発生
する時点における掘削軸体の回転角測定器から読み取り
角度とから、前記軸体の垂直方向に対する曲がり角度及
び、Ｘ，Ｙ軸座標上の曲がり方向を、定量的に計測する
ようにしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来方法は、少な
くとも、連続的に掘削軸体の回転角度を検出する手段
と、前記軸体の垂直方向に対する傾斜角測定値の出力最
大（小）値を検出する手段と、前記傾斜角測定値の出力
最大（小）値が発生するときの軸体の回転角度を測定す
る手段とを必要とし、それぞれの数値を処理する手段を
具備する。また、掘削軸の長さ方向移動毎に、Ｘ，Ｙ座
標系を変位して演算する処理を施すことを要する。

【０００７】したがって、それらの機器の組合せ、演算
手段が相当に複雑になり、当該機器一切を掘削軸に装備
するために、相当の設備投資が要求されている。そこで
本出願人は、従来システムに較べ、より簡単な計測器と
計測値に基づき、より簡単な手続きによって同程度の精
度が得られる掘削軸の地中先端位置検出手段を開発し、
かつ提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、次に述べるとおりの各構成要件を具備
している。 （１） 掘削・撹拌軸を地盤中に貫入・引抜くと共に、
前記軸先端部付近に地盤改良材を供給・処理するとか水
抜き、土留め、遮水工を施工する等、地盤中に施工物を
形成する基礎工事工法において、貫入・引抜軸体の周り
に配置した１個の近接スイッチと、これに対向し前記軸
体周面位置に設置した１個のマーカー、前記軸体の先端
部に設置した、前記軸体の垂直軸に対する傾斜角を測定
する１台の計測器、前記軸体の垂直方向移動量を計測す
る深度計、前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記近
接スイッチが出力する時間間隔を検出して、その４等分
時間毎に、順次、傾斜計の出力値を計測する手段、時間
の経過に沿って得られた前記個々の傾斜計出力値の内の
一つ置きの計測値の一方から他方を差し引いた値を２等
分し、また、残った傾斜計出力値の内の計測値の一方か
ら他方を差し引いた値を２等分することにより、前記軸
体の垂直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾斜角度を格別に検
出する手段、前記軸体の特定移動量と軸体のＸ，Ｙ軸方
向の傾斜角度より、そのときの軸体の先端部の座標軸上
の位置を特定する手段、よりなることを特徴とする掘削
・撹拌機の地中先端位置検出システム。

【０００９】 （２） 貫入・引抜軸体の周りに配置
し、前記軸体の一回転の所要時間を計測する相互に９０
°または１８０°の角度で配置した２個の近接スイッチ
と、これに対向し前記軸体周面位置に設置した１個のマ
ーカー、前記軸体の先端部に設置し、前記軸体の垂直軸に対する
傾斜角を測定する１台の計測器 、 前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／４
回転角または１／２回転角の回転時間を計測または算出
して、前記軸体の１／４回転時間毎に、そのときの傾斜
計の出力値を順次、計測する手段、 よりなることを特徴とする上記第（１）項記載の掘削・
撹拌機の地中先端位置検出システム。

【００１０】 （３） 貫入・引抜軸体の周りに、相互
に９０°の角度で配置された４個の近接スイッチと、こ
れに対向して前記軸体周面位置に設置した１個のマーカ
ー、前記軸体の先端部に設置した、前記軸体の垂直軸に
対する傾斜角を測定する１台の計測器、前記軸体の特定
量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／４回転角を検出
し、前記軸体の１／４回転時間毎に、そのときの傾斜計
の出力値を順次、計測する手段、 よりなることを特徴
とする上記第（１）項記載の掘削・撹拌機の地中先端位
置検出システム。

【００１１】 （４） 貫入・引抜軸体の周りに配置し
た１個の近接スイッチと、これに対向して前記軸体周面
位置に設置した１個のマーカー、 前記軸体の先端部に設
置し、前記軸体の垂直軸に対する、相互に直角方向の傾
斜角を測定する２台の計測器、前記軸の特定量の垂直方
向移動毎に、前記軸体の一回転時間を計測して、これを
２等分し、前記２等分時間毎に各傾斜計毎の出力値を、
それぞれ別個に順次、計測する手段、時間の経過に沿っ
て得られた前記各傾斜計出力値の一対の計測値の一方か
ら他方を差し引いた値を２等分することにより、前記軸
体の垂直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾斜角度を格別に検
出する手段、よりなることを特徴とする上記第（１）項
記載の掘削・撹拌機の地中先端位置検出システム。

【００１２】（５） 貫入・引抜軸体の周りに設置し、
前基軸体の一回転の所要時間を計測する相互に180 °の
角度で配置された２個の近接スイッチと、これに対向し
前記軸体周面位置に設置した１個のマーカー、前記軸体
の先端部に設置した、前記軸体の垂直方向に対する、相
互に直角方向の傾斜角を測定する２台の計測器、前記軸
の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／２回転時
間を検出し、そのとき毎の各傾斜計の出力値を、それぞ
れ別個に順次、計測する手段、時間の経過に沿って得ら
れた前記各傾斜計出力値の一対の計測値の一方から他方
を差し引いた値を２等分することにより、前記軸体の垂
直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾斜角度を格別に検出する
手段よりなることを特徴とする上記第（１）項記載の掘
削・撹拌機の地中先端位置検出システム。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明掘削・撹拌機の先
端位置検出システム（便宜的に掘削軸傾斜角積算方式と
称する）の実施の形態の一例としての深層混合処理機に
ついて、図面に沿って説明する。下記の説明中で、本実
施例システムを構成する各要件には本出願当時の技術レ
ベルの範囲内で任意に設計変更が可能な要件が組み込ま
れているから、格別の理由を示すことなく本実施例の具
体的構成のみに基づき、本発明を構成する各要件を限定
的に解釈することは許されない。

【００１４】図１は、本発明掘削軸傾斜角積算方式にお
ける掘削軸先端、撹拌翼及びセンサの取付け位置を、そ
れぞれ示す要部側面図で、図中、掘削軸の先端部付近
で、同軸に対し、それぞれ放射方向に複数枚突設した撹
拌翼２，２を、軸方向に沿って複数段取付けた単一の回
転軸１をリーダー３に沿って上下動可能に設け、前記掘
削軸（以下、回転軸という）を駆動して、同軸を地盤に
対し貫入・引き抜きながら地盤中に改良材を供給・混合
し、軟弱地盤中に杭体（地下施工物）を造成して地盤改
良を行う建設機械の要部を示している。

【００１５】なお、前記単一の回転軸１は下方部分を、
リーダー３に設けた支持部４に軸受され、其処で回転力
の伝達を受ける一方、上方部分はリーダー３に対し上下
方向に滑動可能に設けた支持アーム５に軸受され、前記
支持アーム５は地盤中に貫入する回転軸１に連動し、リ
ーダー３に対して上下方向に滑動する。

【００１６】軸１の貫入の際、各撹拌翼２，２の回転方
向に基づく地盤の反力の大きさが自づと相違するので、
それが回転軸１が垂直方向に対して撓む要因の一つとな
る。また、地盤硬さの不均一も、当然回転軸１の地盤中
における曲がりの原因の一つとなっている。さらに、機
械的要因、たとえば、施工機の傾斜、リーダ・回転軸間
の平行精度なども、回転軸１の曲がり、傾斜に影響を及
ぼすことが予想される。

【００１７】ところで、前記回転軸（撹拌翼を含む）に
よって形成される地下施工物の垂直性（もしくは形状）
は、回転軸の引き抜き時における軸先端の軌跡により評
価することができるが、引き抜き時の回転軸の軌跡は貫
入時における軸軌跡の垂直性により決定付けられるとさ
れている。そこで、地下施工物の品質評価のためには、
回転軸の貫入時と引き抜き時の軸先端の軌跡を求めるこ
とが望まれる。

【００１８】図中、前記回転軸(軸体)１の先端部軸中心
に傾斜計６を取り付けると共に、前記傾斜計６からの測
定値を中継ボックス８、信号ケーブル７を介して回転軸
１の上部に設けたバッテリー10によって作動するアンプ
９に入力し、前記測定値を発信機11及びアンテナを介し
て、回転軸１上部の支持アーム５側に設けた受信機12に
伝達するようにしている。前記傾斜計６の取付け位置を
もって回転軸１先端（地下施工物の中心軸）位置とみな
し、この傾斜計取付け位置の地盤中における移動軌跡
が、当該杭体の形状・品質を代表するものとする。

【００１９】傾斜計６は、その出力値が軸１の回転によ
って生じる遠心力の影響を避けるため、可及的に回転軸
心に近付けて設ける。なお、掘削軸１の回転周期は、通
常、20r.p.m.前後である。前記傾斜計６の初期設定値
は、回転軸１が垂直軸線の回りに回る場合、通常、０、
すなわち、いずれの方向にもθ＝０である。この傾斜計
６は、その仕様から指向性（以下、計測軸という）を有
し、傾斜計が特定方向に傾斜したときのみ、その傾斜角
を計測するようにされている。そして、当該傾斜計６は
水平面に対する傾きのみを計測するよう回転軸１に装着
するから、回転軸１が傾いた状態で回転するときには、
その計測値出力は一般に、時間軸に対しサインカーブを
画く。

【００２０】受信機12で受信した前記軸傾計６の出力信
号は、アナログデータとして後述する計算機に入力され
る。上記発信機11、アンテナ及び受信機12より成る信号
伝達システムは、要するに回転軸１側にある情報を、確
実、かつ、連続的に定置フレーム側に伝達するための機
能を備えていれば良いので、当該信号伝達方式は、単に
スリップリング方式であっても良い。

【００２１】一方、支持アーム５上に設置した回転軸１
に対する近接スイッチ13は、それに対応して回転軸１周
面に設けたマーカーに基づき、回転軸の１回転毎にパル
ス信号を出力し、その都度、傾斜計６からの傾斜角信号
を検出し、これを後述する計算機に入力する。また、リ
ーダー３に沿って上下動する支持アーム５の移動量を計
測する深度計14をリーダー側に設け、回転軸１と共動し
て上下動する支持アーム５を通し回転軸１先端部の移動
量（貫入長さ、または軸先端部の貫入軌跡）を検出し、
掘削軸先端部が地盤中に貫入する長さＬを測定する。な
お、リーダーに設けた傾斜計は、あらかじめリーダーを
傾斜させて施工する場合とか、精度を上げるために、現
在設置されているリーダーの傾斜を計測し、補正値を計
算機に入力することができることを示している。

【００２２】図１示のシステムにおいては、通常、入力
は、近接スイッチ13，傾斜計６及び深度計14から検出さ
れた信号よりなり、その他、特別なケースとして、リー
ダー３の傾斜角データがアナログ信号を用いて入力され
ることがある。また、回転軸１を駆動するトルクの大き
さを示す電流がアナログ信号により入力されている。こ
れらの信号は、それぞれデータロガー15を通してパーソ
ナルコンピュタに入力され、演算される。

【００２３】図３（ａ）を参照して、同図は、回転軸１
に対する傾斜計６の設置台数が１で、近接スイッチ13の
台数も１であるシステムを示しているが、図３（ｂ）に
おいて、回転軸１が垂直軸に対し僅かに傾斜をしている
ときの上記１台の傾斜計６の出力値の時間軸に対する曲
線は、さきに述べたようにサインカーブを形成するが、
回転軸１の360 °の回転角を４等分し、回転角０°，90
°，180 °及び270 °に対応する、その時々の傾斜計出
力値θ₁ ，−θ₂ ，−θ₃ 及びθ₄ を検出して、これを
前記サインカーブの上に載せたとき、時間軸上で一つ置
きの（すなわち、相互に180 °隔たった、または、回転
軸１の軸心を通るＸ軸，Ｙ軸上で原点に対称的な位置で
の）２つの傾斜計出力値の差を２等分した、それぞれの
値が、垂直軸に対する回転軸１のＸ軸，Ｙ軸方向の傾斜
角θx ，θy として算出される。

【００２４】その際、回転軸１周面上に配置されたマー
カーの回転方向位置と回転軸１の先端部に設置した傾斜
計６の測定軸方向とは、回転角度方向に特定されていな
ければならない。つまり、近接スイッチ13からの出力信
号は、図３（ｂ）に示すように回転軸１の回転角に対す
る傾斜計６の測定軸が特定角度、たとえば、図におい
て、回転角０°，90°，180 °及び270 °に対応すると
きのみ発生するようにしなければ、垂直軸に対する掘削
軸１の、Ｘ，Ｙ軸方向の傾斜角を特定することができな
い。この場合、回転軸１の回転角０°，180 °の方向を
Ｘ軸とすれば、回転角90°，270 °の方向がＹ軸とな
り、Ｘ，Ｙ軸は、互いに直角に交わり、Ｘ，Ｙ座標系を
形成していることは明らかである。

【００２５】今、深度計14により、回転軸１の先端がＬ
₁ だけ地盤に貫入したことを検知した上、近接スイッチ
13により回転軸１の各１／４回転角（この実施例の場合
は、回転軸１の１／４回転時間を算出して、これを近似
的に１／４回転角としている)を検出して、次回の近接
スイッチ13の起動に基づき前記回転軸１の１／４回転毎
に回転軸１の先端部に設けた傾斜計６の出力値θ₁ ，−
θ₂ ，−θ₃ 及びθ₄を検出しする一方、前記回転軸１
のＸ軸方向の傾斜計測値θ₁ ，−θ₃ の、二つの出力値
を採って演算し、 〔θ₁ −（−θ₃ ）〕÷２＝θx₁ Ｙ軸方向の傾斜計測値−θ₂ ，θ₄ の、二つの出力値を
採って演算し、 〔（−θ₂ ）−θ₄ 〕÷２＝−θy₁

【００２６】かくして、回転軸１の垂直軸に対するＸ及
びＹ軸方向の傾斜角θx₁ ，θy₁ を算出する。つまり、
回転軸１の垂直軸に対するＸ及びＹ軸方向の傾斜角θx
₁ ，θy₁ 及び曲がりは、図３（ｂ）に示す、サインカ
ーブの山谷の高さ、深さと、傾斜角測定時のサインカー
ブに対する位相差に基づいて、計測することができるこ
とが知られる。

【００２７】図４は、回転軸先端位置がＸ−Ｙ（水平）
座標系の原点０位置でＺ軸に平行、すなわち、垂直軸を
中心にして回転している状態（θ＝０）から、長さＬ₁
だけ地盤中に貫入したとき、その貫入軌跡先端部が、説
明の都合上、若干、曲がり、かつ傾斜した状態を保持し
たまま回転している場合を想定した、回転軸１先端部軌
跡のＸ−Ｙ−Ｚ座標系における透視図を示すものであ
る。なお、貫入回転軸は、地表からの貫入長さＬ₁ また
はＬ₁ とＬ₂ の間は、軸１が直線的に貫入されたものと
仮定する。また、回転軸貫入単位長さを、前記の仮定が
成り立つ程度の長さに保持して、計測するものとする。

【００２８】同図を参照して、深度計14により、回転軸
１の先端部がＬ₁ だけ地盤に貫入したことを検知した
上、近接スイッチ13により回転軸１の０ポイントから各
１／４回転角、回転したことを検知して、前記回転軸１
の１／４回転毎に傾斜計６の出力値を検出し、上述のよ
うに当該深度における回転軸１の先端部軌跡の垂直軸に
対するＸ軸及びＹ軸方向の傾斜角θx₁，θy₁を算出した
とき、回転軸１の先端部のＸ−Ｙ−Ｚ座標系における位
置Ｚ₁ （ｘ₁ ，ｙ₁ ，ｚ₁ )は、 ｘ₁ ＝Ｌ₁ ・tan θｘ₁ ／√（１＋tan²θｘ₁ ＋tan²θ
ｙ₁ ） ｙ₁ ＝Ｌ₁ ・tan θｙ₁ ／√（１＋tan²θｘ₁ ＋tan²θ
ｙ₁ ） ｚ₁ ＝Ｌ₁ ／√（１＋tan²θｘ₁ ＋tan²θｙ₁ ） となる。そのときの、回転軸１の先端部軌跡の垂直軸に
対する傾斜角Θ₁ は、 tan Θ₁ ＝√（tan²θｘ₁ ＋tan²θｙ₁ ） なお、貫入回転軸１は、地表からの貫入長さＬ₁ または
Ｌ₁ と、次のＬ₂ の間は、軸１が直線的に貫入されたも
のと仮定する。また、回転軸貫入単位長さを、前記の仮
定が成り立つ程度の長さに保持して、計測するものとす
る。

【００２９】ここで、それぞれθｘ₁ ，θｙ₁ が微小角
であることに着目し、便宜的に ｘ₁ ≒Ｌ₁ ・sin θｘ₁ ｙ₁ ≒Ｌ₁ ・sin θｙ₁ ｚ₁ ≒Ｌ₁ ・cos θｘ₁ ・cos θｙ₁ と置き換えて計算しても、略、本件発明の目的を達成す
るのに差支えることはない。このことは、以下の説明に
おいても、同様である。

【００３０】次に、その位置から回転軸１を、さらにＬ
₂ だけ、地盤に貫入した場合に、上記同様の操作をする
ことにより、垂直軸に対する回転軸１先端部軌跡Ｌ₂ の
Ｘ軸及びＹ軸方向の傾斜角θx₂，θy₂を、第１段階から
独立して算出することができる。ただし、回転軸１先端
部Ｚ₂ のＸ−Ｙ−Ｚ座標上の位置は、それぞれの軸方向
に対し、ｘ₁ ，ｙ₁ 及びｚ₁ を加える必要がある。以上
のとおり、演算した結果は、別に装備するＯＰ（オペレ
ータ）用画面、または（貫入）記録画面に、その都度、
表示される。図５は、前記回転軸１先端部の貫入軌跡を
連続して示す、透視図的斜視図である。図中、表記した
記号は、上記のものと一致させてある。

【００３１】このシステムにおいては、回転軸１の回転
角を基準に採って傾斜角を測定すべきところ、これを掘
削軸１の一つ前の回転時間を基準にして、その回転時間
間隔を４等分し、その１／４時間を１／４回転角と仮定
して、１／４時間毎の傾斜計６の出力値を検出している
から、施工時に、回転軸１の回転数が定常的でなければ
誤差が入る余地がある。仮に、測定の際、急に回転軸１
に対する掘削抵抗が大きくなるとか、小さくなった場
合、前の回転時間と測定時における１／４回転時間との
間にずれが生じるので、そのときに傾斜計６の出力値を
検出していると、回転軸１の傾斜方向の精度に若干の誤
差が入ることは免れない。ただし、経験則から、問題と
する程の計測誤差が入るような急激な回転軸１に対する
掘削抵抗の変動は見られない。

【００３２】しかしながら、前記回転軸１の回転角と回
転時間とを同一視して取扱うことを避けたいときは、前
記のように回転軸１の周面に１つのマーカーを設けた
外、回転軸１の周面上で前記マーカーに対し、それぞれ
90°,180 °,270 °隔てた３つのマーカーを配置して、
同各マーカーを別の近接スイッチにより検知する一方、
前記近接スイッチは、初めの近接スイッチ13が作動した
後でなければ起動しないようにすれば良い。勿論、回転
軸１に設けた１台の傾斜計６の出力は、順次、近接スイ
ッチが作動する毎に検出される。その際、初めの近接ス
イッチ13が作動したときを基準位置とし、傾斜計６のそ
の時の出力を他の検出出力に対し特定することにより、
Ｘ−Ｙ座標系（水平面）において、回転軸先端の貫入軌
跡が、どの方向に傾斜しているかを判定することができ
る。

【００３３】上記の方式はさらに、回転軸１の周面に、
相互に各90°づつ隔てて近接スイッチ13を４個配置し、
それぞれの近接スイッチ13の位置を１つのマーカーが通
過する毎に傾斜計６の出力を検出することによっても目
的を達成することができる。すなわち、マーカー位置を
回転軸１の周面の基準位置とし、前記マーカーが、Ｘ軸
上、Ｙ軸上を、それぞれ通過する度に、傾斜計６からの
出力を検出することができるから、回転角誤差が入る余
地が無い。上述のシステムは、理論上、掘削当初におけ
る回転軸１周面に設けたマーカーの配置位置と回転軸１
先端部に設けた傾斜計６の測定軸との間の相対角度が、
回Ｘ軸上、Ｙ軸上を、それぞれ通過する度に、傾斜計６
からの出力を検出することができるから、回転角誤差が
入る余地が無い。

【００３４】上述のシステムは、理論上、掘削当初にお
ける回転軸１周面に設けたマーカーの配置位置と回転軸
１先端部に設けた傾斜計６の測定軸との間の相対角度
が、回転軸１に加わる掘削抵抗の大きさに基づき、か
つ、回転軸１の地盤中に貫入する長さが長くなるに従い
発生する回転軸１の捩じれ角によって影響を受け変化す
るから、回転軸１の捩じれ角の多寡によっては、Ｘ−Ｙ
座標系における回転軸１先端の貫入軌跡の傾斜方向変化
の測定に誤差が入る余地があり得る。ただし、貫入時に
おける回転軸１の捩じれ角は、掘削抵抗が予想される程
度に大きな場合にも、回転軸１の垂直軸に対する傾斜角
の測定値に著しく影響する程の大きさになることは有り
得ないと技術的に予想されている。

【００３５】しかし、前記誤差の混入を排除したいとき
には、あらかじめ、回転軸１に生じる捩じれ角と、その
とき回転軸１に加わる掘削トルクの大きさとの関係を測
定しておいて、その資料を、施工時に加わる掘削トルク
の大きさ（モータにかかる電流の大きさから推定する）
に、回転軸１の貫入長さを関係付け、そのデータを補充
することにより、マーカーと傾斜計６の測定軸との相対
角度の変化を相殺することができる。すなわち、回転軸
１の駆動（回転）トルク電流Ａの大小は、回転軸に掛か
る反力の大きさを示すもので回転軸に生じる捩じれ角に
関係するので、当該角と軸貫入長さとに基づいて回転軸
の捩じれ角を算出し、近接スイッチの出力値との間の誤
差を補正し、軸の曲がり方向角を修正する。以上のとお
り、演算した結果は、別に装備するＯＰ画面、または
（貫入）記録画面に、その都度、表示される。

【００３６】図６は、ＣＲＴまたは液晶画面よりなるＯ
Ｐ用ディスプレィ画面の一例を示し、同図中、画面中央
で交叉するＸ，Ｙ軸の原点（０，０）を中心にして点線
により画く複数個の同心円は、それぞれ、内側から２c
m，４cm，６cm……目盛を示している。同心円に交叉し
て伸びる曲線は、回転軸先端部貫入軌跡の初期値（０，
０）からの、はずれ距離の大きさを示している。Ｘ軸プ
ラス方向は、軸先端貫入部が右に外れたとき、Ｙ軸プラ
ス方向は、軸先端貫入部が前方に外れていることを表示
する。マイナス方向は、その逆である。図示画面におい
て、黒点は回転軸先端部の貫入深度ｚ＝８ｍにおける回
転軸先端位置を示し、同位置は、座標（1.8 ，−5.9
）、すなわち、基準点（０，０）から（施工機に対し
て）右に1.8 cm、後に5.9 cmずれが生じており、基準点
から略、６cm離れていることを表示している。基準点
（０，０）から黒点位置を結ぶ曲線は、軸先端の貫入軌
跡を示すものである。

【００３７】図示のディスプレィは、軸先端の移動深度
ｚ＝８ｍにおける軸先端貫入軌跡の形状を示している
が、必要に応じて指定する間隔、たとえば、1.0ｍ，2.0
ｍ，3.0ｍ……間隔毎における施工物の形状を示すこと
ができる。当該画面のディスプレィは、回転軸の所定の
貫入長さ毎に、前記公知の傾斜計及び回転角計からの信
号を入力した計算機からの出力により制御することが可
能である。ＯＰ画面を監視しながら施工機を操作するよ
うにすれば、現在施工中の回転軸先端移動軌跡の品質を
刻々、かつ的確に評価でき、将来的には掘削・撹拌機の
地中掘削方向制御システムの開発資料を収集することが
できる。

【００３８】図７は、回転軸先端部の移動軌跡はずれ距
離を回転軸先端の貫入深度との関連において、前記ＯＰ
画面のＸ軸を含む垂直断面と、Ｙ軸を含む垂直断面の、
それぞれの面に分けて記録した画面で、図中、Ｚ軸方向
は軸先端部の貫入深度、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向は、それぞ
れ初期値（０，０）からの移動軌跡はずれ距離cmで、プ
ラス方向が、初期値に対して右または後方を意味する。

【００３９】図８は上記したシステムを含む「検出シス
テム」の一覧表を示し、縦欄にシステム番号、横欄にシ
ステム構成の概要、精度及び設備費を記載したものであ
る。ただし、「システム番号」は、本出願人が出願済
みの平成７年特許願第300436号「掘削・撹拌機の地中先
端位置検出システム」である。前記一覧表のうち、初め
に説明したシステムは、システム番号の、傾斜計１
台、近接スイッチ１台及びマーカーを回転軸１の回転角
の０°に設置し、回転軸１の回転に対して角の90°，18
0 °及び270 °の回転時間の補完を同軸１の前回の回転
時間を４等分して行う方式を採用しており、若干、精度
が低い弱点はあるにしても、システム価格は、最も安価
である。

【００４０】また、３番目に解説したシステムは、シス
テム番号の方式で、マーカーを１個、近接スイッチ13
を４個、回転軸１の周面方向に沿って、相互に90°間隔
で配置したもので、その目的とするところは、回転軸１
の１／４回転角を計測し、回転軸１が回転角の０°から
の１／４回転する都度、傾斜計６の測定軸方向の傾斜角
出力を検出することにある。この方式においても、回転
軸１の先端部に設置した傾斜計６は、１台のみである。

【００４１】前記システム番号の方式は、回転軸１の
回転角の計測を、直前の回転時間を４等分することによ
り近似的に求めているため、外乱の入る余地があった
が、システム番号の方式は、回転軸１の回転角度を直
接的に計測しているから、その点の誤差を考慮する必要
がない。したがって、得られる精度は良好である。強い
ていえば、回転軸１の掘削抵抗に基づき発生する捩じれ
角度が、計測誤差として残留する。当該方式は、システ
ム価格が、第３に安価である。

【００４２】以下、図８の一覧表にしたがって、上記説
明のものとは別の実施例につき、説明する。システム番
号の方式は、近接スイッチ13を２個、回転軸１の周面
方向に沿って、相互に90°または180 °間隔で配置した
もので、その目的とするところは、いずれも、回転軸１
の１／４回転時間を計測または算出して、回転軸１の回
転角の０ポイントからの１／４回転時間（実は、１／４
回転角に替え）の都度、傾斜計６の測定軸方向の傾斜角
出力を検出することにある。回転軸１の先端部に設置し
た傾斜計６は、１台のみである。この方式も、システム
番号同様の問題点を有するが、誤差の入る余地はより
少なく実用上、差支えがない。同方式は、計器セットが
簡略化されシステム価格は、第２に安価である。

【００４３】その他の実施例としての、システム番号
の方式は、回転軸１の周面に１つのマーカー、同軸周面
方向に沿って近接スイッチ13を１個配置し、回転軸１の
先端部に設置した傾斜計６は、その測定軸を相互に90°
交差させて設置したもので、その目的とするところは、
回転軸１の１／２回転時間を計測、演算して、回転軸１
が回転角の０°から１／２回転する都度、各傾斜計６の
測定軸方向の傾斜角出力を、別個に検出することにあ
る。

【００４４】この方式においては、回転軸１の回転角が
０°か１／２回転時間毎に、それぞれ、Ｘ軸，Ｙ軸方向
の回転軸１の傾斜角出力を検出することができるので、
各傾斜計のサインカーブ出力上の一対の検出値を加算し
て、これを１／２することにより、回転軸１の、それぞ
れＸ軸，Ｙ軸方向の傾斜角を算出することができる。当
該方式においても、回転軸１の回転角を、１／２回転時
間により代替えしているため、システム番号並の精度
が得られることとなる。ただし、傾斜計を２台設置する
ため、システム価格はシステム番号の方式よりも、若
干、高くなる。

【００４５】図９を参照して、同図は回転軸先端に傾斜
計６の測定軸を相互に90°隔てて２台配置した上記シス
テム番号の方式の作動摸式図で、図９（ａ）の回転軸
１に直交する平面上において、近接スイッチ13は、Ｘ−
Ｘ軸上に１台配置してある。一方、回転軸１に設けた傾
斜計６は、その測定軸を相互に90°交差させて設置し、
各傾斜計６₁ ，６₂ からの出力値は、それぞれ独立して
検出される。図９（ｂ）において、時間軸に対して画か
れた２つのサインカーブは、それぞれの傾斜計６₁ ，６
₂ からの出力値で、各Ｘ，Ｙ軸方向の回転軸の傾斜角を
示し、当該曲線上のマークは近接スイッチが作動した瞬
間及び１／２回転時間毎の、各傾斜計６₁ ，６₂ からの
出力値の大きさを示している。

【００４６】今、深度計14により、回転軸１の先端がＬ
₁ だけ地盤に貫入したことを検知した上、近接スイッチ
13により回転軸１の各１／２回転角（この実施例の場合
は、回転軸１の１／２回転時間を採って、近似的に１／
２回転角としている)を検出して、次回の近接スイッチ1
3の起動に基づき前記回転軸１の１／２回転毎に回転軸
１の先端部に設けた傾斜計６₁ ，６₂ の出力値θ₁ ，−
θ₃ 及びθ₂ ，−θ₄を個別に検出する一方、前記回転
軸１のＸ軸方向の傾斜計測値θ₁ ，−θ₃ の、二つの出
力値を採って演算し、 〔θ₁ −（−θ₃ ）〕÷２＝θx₁ Ｙ軸方向の傾斜計測値θ₂ ，−θ₄ の、二つの出力値を
採って演算し、 〔θ₂ −（−θ₄ ）〕÷２＝θy₁

【００４７】かくして、回転軸１の垂直軸に対するＸ及
びＹ軸方向の傾斜角θx₁ ，θy₁ を算出する。つまり、
回転軸１の垂直軸に対するＸ及びＹ軸方向の傾斜角θx
₁ ，θy₁ 及び曲がりは、図９（ｂ）に示す、サインカ
ーブの山谷の高さ、深さと、傾斜角測定時のサインカー
ブに対する位相差に基づいて、計測することができるこ
とが知られる。上記システム番号の方式は、第２番目
に経済的である。ただし、回転軸１の１／２回転角測定
に替えて、１／２回転時間を採用しているところに、若
干、測定誤差が入る余地がある。

【００４８】システム番号の方式は、前記問題点を解
消するため、近接スイッチ13を２台、回転軸１の周りに
配置することにより回転軸１の１／２回転角を検出し
て、回転軸の１／２回転の都度、傾斜計６₁ ，６₂ の出
力値θ₁ ，−θ₃ 及びθ₂ ，−θ₄ を格別に検出し、上
述のように当該深度における回転軸１の先端部軌跡の垂
直軸に対するＸ軸及びＹ軸方向の傾斜角θx₁，θy₁を算
出する。上述番号の方式は、回転軸１の回転角検出精
度が良好で、誤差が入る余地が少ない。この方式では、
近接スイッチ、傾斜計とも、それぞれ２台宛て設置する
必要があるため、設備費は、最も高価となると見られて
いる。

【００４９】以上、説明したように、本実施例先端位置
検出システムによれば、より簡単な方式に基づき、地盤
に貫入した掘削・撹拌機の回転軸地中先端部の位置及傾
斜角を、施工中に刻々と検知して前記軸の貫入・移動軌
跡を全体として深層部まで明らかにし、それに基づき地
下施工物の品質の評価を可能にする。さらに進んでは、
回転・回転軸の移動軌跡を施工中、刻々把握する検知シ
ステムを構築することにより、回転軸の貫入方向の修正
制御機構を開発設備するためのデータを収集し、鉛直施
工精度を向上させた高品質の地下造成物を施工する技術
開発の第１ステップとする。

【００５０】本発明掘削・撹拌機の地中先端位置検出シ
ステムは、基礎工事、地盤改良工事などに利用される回
転・回転軸、貫入・混合処理軸の貫入軌跡の垂直性、傾
斜角の程度の検出が施工中、刻々可能になるので、地下
施工体の品質の評価が、容易になる。また、施工中に貫
入軌跡をもとに、軸の貫入方向の修正を可能にするデー
タを得ることができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明掘削・撹拌機の地中先端位置検出
システムによれば、 より簡単な設備を用い、比較的に安価な手段によ
り、回転軸先端部の地中位置を精度良く検出することが
できる。 複雑な演算システムを搭載する必要がない。 施工中に地盤中の回転軸先端の貫入位置を、刻々と
検知することができる。 貫入深度に応じ、地下施工体に生じた傾斜角を検出
することができる。 少なくとも施工体の品質、形状を正確に検証・評価
することが可能である。 施工体の品質制御手段が開発されたときは、先端位
置検出システムからの信号に基づき施工体の形状を修正
できることが予測される。 等々、従来公知の、この種回転軸先端位置位置検出シス
テムには期待することができない、格別の作用及び効果
を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおける回転軸関連装置のの一実施例の側面図で、
特にセンサ取付け位置を示す。

【図２】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおける演算装置のブロック図。

【図３】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおいて、近接スイッチ、傾斜計とも各１台設置の
場合における各センサからの出力信号の一例である。

【図４】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおける回転軸先端部の貫入長さ・曲がりとの関係
をＸ−Ｙ−Ｚ座標系において示す透視斜視図である。

【図５】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおける回転軸先端部の連続した貫入軌跡の模式的
な透視・斜視図である。

【図６】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムに使用するＯＰ画面の一例を示す。

【図７】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムに使用するＯＰ画面の、それぞれＸ−Ｚ座標系、Ｙ
−Ｚ座標系における回転軸の曲がりの一例を示す。

【図８】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムの一覧表である。

【図９】本発明掘削・撹拌機の回転軸先端位置検出シス
テムにおいて、近接スイッチ１台、傾斜計２台設置の場
合における、各センサからの出力信号の一例を示す。

【符号の説明】

１ 回転（撹拌）軸 ２ 撹拌翼 ３ リーダ ４ 動力伝達支持部 ５ 支持アーム ６ 傾斜計 ７ 信号ケーブル ８ 中継ボックス ９ アンプリファイア 10 バッテリー 11 テレメータ発信機 12 受信機 13 近接スイッチ 14 深度計 15 データロガー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−48838（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−307864（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 15/00 101 G01C 9/08 E21B 47/02 E02D 3/12 102

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削・撹拌軸を地盤中に貫入・引抜くと
   共に、前記軸先端部付近に地盤改良材を供給・処理する
   とか水抜き、土留め、遮水工を施工する等、地盤中に施
   工物を形成する基礎工事工法において、 貫入・引抜軸体の周りに配置した１個の近接スイッチ
   と、これに対向し前記軸体周面位置に設置した１個のマ
   ーカー、 前記軸体の先端部に設置した、前記軸体の垂直軸に対す
   る傾斜角を測定する１台の計測器、 前記軸体の垂直方向移動量を計測する深度計、 前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記近接スイッチ
   が出力する時間間隔を検出して、その４等分時間毎に、
   順次、傾斜計の出力値を計測する手段、 時間の経過に沿って得られた前記個々の傾斜計出力値の
   内の一つ置きの計測値の一方から他方を差し引いた値を
   ２等分し、また、残った傾斜計出力値の内の計測値の一
   方から他方を差し引いた値を２等分することにより、前
   記軸体の垂直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾斜角度を格別
   に検出する手段、 前記軸体の特定移動量と軸体のＸ，Ｙ軸方向の傾斜角度
   より、そのときの軸体の先端部の座標軸上の位置を特定
   する手段、 よりなることを特徴とする掘削・撹拌機の地中先端位置
   検出システム。
2. 【請求項２】 貫入・引抜軸体の周りに配置し、前記軸
   体の一回転の所要時間を計測する相互に９０°または１
   ８０°の角度で配置した２個の近接スイッチと、これに
   対向し前記軸体周面位置に設置した１個のマーカー、前記軸体の先端部に設置し、前記軸体の垂直軸に対する
   傾斜角を測定する１台の計測器 、 前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／４
   回転角または１／２回転角の回転時間を計測または算出
   して、前記軸体の１／４回転時間毎に、そのときの傾斜
   計の出力値を順次、計測する手段、 よりなることを特徴とする請求項１記載の掘削・撹拌機
   の地中先端位置検出システム。
3. 【請求項３】 貫入・引抜軸体の周りに、相互に９０°
   の角度で配置された４個の近接スイッチと、これに対向
   して前記軸体周面位置に設置した１個のマーカー、 前記軸体の先端部に設置した、前記軸体の垂直軸に対す
   る傾斜角を測定する１台の計測器、前 記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／４
   回転角を検出し、前記軸体の１／４回転時間毎に、その
   ときの傾斜計の出力値を順次、計測する手段、 よりなることを特徴とする請求項１記載の掘削・撹拌機
   の地中先端位置検出システム。
4. 【請求項４】 貫入・引抜軸体の周りに配置した１個の
   近接スイッチと、これに対向して前記軸体周面位置に設
   置した１個のマーカー、 前記 軸体の先端部に設置し、前記軸体の垂直軸に対す
   る、相互に直角方向の傾斜角を測定する２台の計測器、 前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の一回転
   時間を計測して、これを２等分し、前記２等分時間毎に
   各傾斜計毎の出力値を、それぞれ別個に順次、計測する
   手段、 時間の経過に沿って得られた前記各傾斜計出力値の一対
   の計測値の一方から他方を差し引いた値を２等分するこ
   とにより、前記軸体の垂直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾
   斜角度を格別に検出する手段、 よりなることを特徴とする請求項１記載の掘削・撹拌機
   の地中先端位置検出システム。
5. 【請求項５】 貫入・引抜軸体の周りに設置し、前基軸
   体の一回転の所要時間を計測する相互に180 °の角度で
   配置された２個の近接スイッチと、これに対向し前記軸
   体周面位置に設置した１個のマーカー、 前記軸体の先端部に設置した、前記軸体の垂直方向に対
   する、相互に直角方向の傾斜角を測定する２台の計測
   器、 前記軸の特定量の垂直方向移動毎に、前記軸体の１／２
   回転時間を検出し、そのとき毎の各傾斜計の出力値を、
   それぞれ別個に順次、計測する手段、 時間の経過に沿って得られた前記各傾斜計出力値の一対
   の計測値の一方から他方を差し引いた値を２等分するこ
   とにより、前記軸体の垂直軸に対するＸ，Ｙ軸方向の傾
   斜角度を格別に検出する手段よりなることを特徴とする
   請求項１記載の掘削・撹拌機の地中先端位置検出システ
   ム。