JP4076081B2 - 軟弱地盤改良機と軟弱地盤改良方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に撹拌体を押し込みながら改良剤を注入することにより地盤を硬化あるいは無害化する等の改良を行う軟弱地盤改良機と軟弱地盤改良方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤改良機は、撹拌機により汚泥層等の軟弱地盤を撹拌しながら生コンクリートミルクや粉等の改良剤を注入することにより、掘削排土に耐えうる程度に軟弱地盤を硬化させ、その硬化させた土壌を掘削排土したり、硬化させた地盤上に盛土をして住宅地等の用地としたり、硬化させた地盤上に覆土をして有害物質を含む汚泥を無害化して使用可能な土地に変化させたりする等の用途に使用される。
【０００３】
本発明者等は、オペレータの労力を軽減し、かつオペレータへの熟練の要求を不要化する軟弱地盤改良機および軟弱地盤改良方法として、特許文献１において、撹拌機を改良地盤中において押し込みまたは引き上げながら改良剤の注入、攪拌を行い、その後隣接する点について再度撹拌機の押し込み、引き上げながら改良剤の注入、攪拌を行うという動作を自動的に繰り返すものを提案している。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２１５６３４号公報。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に記載のものは、撹拌機は多数の改良点において、撹拌機の押し込み、引き抜きをそれぞれ改良点ごとに行う必要があるため、撹拌機の押し込み、引き上げの頻度が多くなり、作業効率の向上の観点から改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記した点に鑑み、地盤改良作業の作業能率をさらに向上させることができる軟弱地盤改良機と軟弱地盤改良方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の軟弱地盤改良機は、下部走行体上に旋回装置を介して上部旋回体を設置してなる作業機本体と、
前記上部旋回体に取付けられた多関節アームと、
前記多関節アームの先端部に取付けられ、水平旋回可能な旋回モータ付きの撹拌体旋回用旋回装置、該撹拌体旋回用旋回装置の旋回輪の下方に縦長の支持体を介して取付けられる横軸式の撹拌体、および該支持体に取付けられて該撹拌体を駆動するモータを有する撹拌機と、
前記多関節アームに取付けられる前記撹拌機を、前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行うことにより、垂直に上下動させる垂直移動制御装置と、
前記撹拌機を水平に移動させるための速度指令信号、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度および前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、前記上部旋回体旋回用の旋回装置の旋回モータの動作制御と前記各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行い前記撹拌機を水平に移動させる水平移動制御装置と、
前記垂直移動制御装置および前記水平移動制御装置を介して軟弱地盤改良機の自動運転を行わせる自動運転制御装置とを備え、
前記自動運転制御装置は、自動運転を指令する手段と、改良深さ設定手段と、前記自動運転を指令する手段からの自動運転指令により撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるための移動経路を設定する工程順序設定手段とを有し、
前記工程順序設定手段は、前記撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を地中に押し込んだ状態で水平移動させながら前記撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を平面座標上の作業始点から作業終点まで行い、その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記所定の深さより深い深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返すものである
ことを特徴とする。
【０００８】
このように、地中に押し込まれた撹拌機を水平移動をさせながら撹拌機に撹拌、注入動作を行わせる自動運転制御装置を備えることにより、撹拌機を水平移動させながら広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、作業能率が向上する。
【０００９】
また、自動運転を指令する手段と、改良深さ設定手段とを備えて撹拌機の深さも設定された深さに自動設定することにより、さらに能率向上が達成されると共に、地盤改良がむらなく行える。
【００１０】
また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【００１１】
（２）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記自動運転制御装置は、さらに地盤改良の作業始点と作業終点とを設定する改良領域設定手段を有すると共に、前記工程順序設定手段は、前記改良領域設定手段により設定された地盤改良領域について、前記撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるものである
ことを特徴とする。
【００１２】
このように、改良領域設定手段を備えることにより、予め地盤改良領域を設定しておくことができ、地盤形状に応じた改良作業を行うことができる。
（３）また、本発明の軟弱地盤改良機は、運転室に地盤改良領域を表示する表示装置を有し、
該表示装置の表示面は、下部走行体を止めた状態において改良可能な地盤の領域を表示し、かつ前記表示面は、撹拌機の位置を個々の改良領域に対して表示するマークを表示するものでなることを特徴とする。
【００１３】
このように、表示面に対比してマークを付することにより、現在の撹拌機の位置を認識でき、地盤改良領域の全域について、攪拌ずみ領域を確認することができる。
【００１４】
（４）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記表示面に表示される地盤改良領域が、走行体の向きに平行辺とその辺に直角をなす四辺形からなることを特徴とする。
【００１５】
このように、本発明の軟弱地盤改良機は、地盤改良領域が四辺形をなすため、比較的広い現場において、改良漏れなく地盤を改良することができる。
【００１６】
（５）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記水平移動制御装置に、多関節アームの先端部に取付けられる前記撹拌機を一定速度で水平移動させる速度制御手段を有することを特徴とする。
【００１７】
このように、撹拌機を一定速度で水平移動可能とすることにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００１８】
（６）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記撹拌機の攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に制御する撹拌機の向き制御手段を有することを特徴とする。
【００１９】
このように、撹拌機の軸の向きを移動方向に対して直角をなす方向に制御する手段を有することにより、攪拌体が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００２０】
（７）本発明の軟弱地盤改良方法は、横軸式撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を水平移動させながら前記横軸式撹拌機の下端に設けた撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を作業始点から作業終点まで行い、
その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記深さより深い所定の深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返すことを特徴とする。
【００２１】
このように、地中に押し込まれた撹拌機を水平移動をさせながら撹拌機に撹拌、注入動作を行わせることにより、広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、作業能率が向上する。また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【００２２】
（８）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、地盤改良領域を、作業機の走行体の向きに直角をなす辺と平行をなす辺とからなる四辺形に設定し、該四辺形は撹拌機の水平移動により改良できる幅の整数倍の幅の行または列を有するサイズに設定し、
前記作業始点と前記作業終点を前記四辺形の対角上に設定して、前記撹拌機の改良剤の注入、攪拌を行う水平移動を前記行または列ごとに行うことを特徴とする。
【００２３】
このように、一度に改良できる領域を、複数の行列に相当する広さとすることにより、走行体を一箇所に固定したままで広い領域について能率良く地盤改良を行うことができる。
【００２４】
（９）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、前記多関節アームに取付けられた撹拌機を、攪拌、注入を行いながら、一定速度で水平移動させることを特徴とする。
【００２５】
このように、撹拌機を一定速度で水平移動可能とすることにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００２６】
（１０）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、前記撹拌機の攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に維持することを特徴とする。
【００２７】
このように、撹拌機の軸の向きを移動方向に対して直角をなす方向に制御する手段を有することにより、攪拌体が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による軟弱地盤改良機の一実施例を示す側面図であり、１はフロート１ａの周囲に履帯２を回したフロート式走行体、３は該走行体１上に旋回装置４を介して設置した上部旋回体、５は該上部旋回体３上に設置した運転室、６は該上部旋回体３に取付けたフロントとしての多関節アーム、７は撹拌機である。
【００２９】
多関節アーム６は、互いに回動自在にピン結合される第１アーム６ａ、第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃからなり、第１アーム６ａは上部旋回体３に回動自在にピン結合される。８ａ、８ｂ、８ｃはそれぞれ第１、第２、第３アーム６ａ、６ｂ、６ｃを回動させる油圧シリンダである。
【００３０】
図２、図３はそれぞれ撹拌機７の側面図、正面図である。図１ないし図３に示すように、第３アーム６ｃの先端には、撹拌機７の取付け用ブラケット９が回動自在にピン付けされ、第３アーム６ｃとブラケット９との間には撹拌機７を回動させる油圧シリンダ８ｄが取付けられる。
【００３１】
ブラケット９の下面には、油圧モータでなる旋回モータ１１により旋回輪１２を旋回させる旋回装置１３が取付けられる。旋回装置１３には、旋回角を検出する例えばポテンショメータやロータリエンコーダ等からなる撹拌機の旋回角度検出器１４が取付けられる。
【００３２】
旋回輪１２には、縦長中空ロッド状の支持体１５の上端が結合される。旋回装置１３の中央には、支持体１５の下端部に取付けられる撹拌機７の撹拌用油圧モータ１６に作動油を供給するためのセンタージョイント１７が設けられる。油圧モータ１６への作動油配管１８は支持体１５の内部を通す。
【００３３】
ブラケット９に沿って取付ける改良剤供給配管２０と、支持体１５に沿って取付ける改良剤供給配管２１とは、ホース２２を介して接続される。旋回装置１３は、旋回によってホース２２に無理な力が加わらないように、全旋回式とするのではなく、ストッパ（図示せず）により旋回角度を２７０度程度に制限している。
【００３４】
支持体１５の下端中央部に取付ける油圧モータ１６は両端から出力軸２４が突出した両軸型の油圧モータであり、各出力軸２４に撹拌体２５が取付けられる。支持体の下端には改良剤供給配管２１を通して供給される改良剤を左右の撹拌体２５に向けて流出させる流出口２６が設けられる。
【００３５】
本実施例のように、支持体１５の下端に両軸式油圧モータ１６を取付けて撹拌体２５を回転させる構成とすれば、支持体１５の上端に油圧モータを設けてスプロケットやチェーンによって動力を伝達する構成とした実公平６−１６２２号公報に記載のものに比較し、動力伝達機構が不要となることにより、大幅な軽量化が達成でき、一般的な規模の作業機本体を用いた場合、該公報に記載の撹拌機が約３ｍ程度の深度の改良しかできないものが、この実施例の構造によれば、５ｍ程度の深度まで改良可能となる。
【００３６】
このように、撹拌機７の上部に旋回装置１３を設けて撹拌機７を水平旋回可能としたことにより、出力軸２４の向きを任意に変更することができる。また、多関節アーム６の油圧シリンダ８ａ〜８ｄを手動操作または後述の自動制御により作動させて撹拌機７を垂直姿勢に保持しながら地中に押し込み、次に後述の機構によって攪拌機７を水平移動させ、油圧モータ１６を作動させて攪拌体２５を回転させ、かつ改良剤を流出口２６から流出させながら改良剤を地中に注入することにより、地盤改良を行うことができる。
【００３７】
図４はこのような撹拌機７の水平移動による地盤改良を行うための自動運転制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図４において、８ａ〜８ｃは図１に示した多関節アーム６の回動用油圧シリンダ、４ａは前記旋回装置４の旋回モータ、１１は前記撹拌体旋回用の旋回装置１３の旋回モータである。３１、３２、３３はそれぞれ図５（Ａ）に示すように各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの角度α、β、γを検出する角度検出器である。５１は図７（Ａ）に示すように、旋回装置４の旋回角θ１、すなわち多関節アーム６の平面視における向きを検出する角度検出器、１４は前記撹拌機７の上部の旋回装置１３における旋回角θ２、すなわち平面視における多関節アーム６に対する攪拌体２５の向きがなす角度を検出する角度検出器である。
【００３８】
また、自動運転指令手段１０は運転室５に備えたもので、後述の自動運転時に自動運転側に切換えるスイッチ等で構成される。また、深さ設定手段１９は、攪拌体２５の一種以上の押し込み深さをオペレータにより、あるいは撹拌機７の機種に対応して自動的に設定するものである。工程順序設定手段２７は、図９で詳述するような水平移動経路を設定あるいは選択し、また、垂直移動制御も工程の一部に含めて制御を行うか否かについての選択を行うものである。
【００３９】
垂直移動制御装置２８は、図５、図６について後述するように、平面上の位置を変えないで撹拌機７を垂直姿勢に保持したままで垂直に上下動させるものである。水平移動制御装置２９は、改良領域設定手段５２により示される図８に示すような地盤改良領域６４を参照して撹拌機７の水平移動による改良作業を進行させるものである。３０、３８、３９、６３、６１はそれぞれ油圧シリンダ８ａ、８ｂ、８ｃ、旋回モータ４ａ、１１の制御を行う制御弁であり、これらは垂直移動制御装置２８や水平移動制御装置２９により制御される。
【００４０】
前記垂直移動制御装置２８による動作制御を、図５（Ａ）において、例えば第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃの回動によって第３アーム６ｃの先端すなわち撹拌機７を垂直に上下動させる場合について行うと、各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの角度α、β、γを、各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの関節部にそれぞれ取付けた角度検出器３１、３２、３３により検出し、図６のブロック図に示すように、角度検出器３１、３２、３３の出力信号を、運転室５等に搭載した演算装置により実現されるアームの回動速度演算手段３５および側面より見た座標Ｈの演算手段４０に入力する。
【００４１】
一方、速度指示手段３４からの速度指令信号ｅを前記演算装置により実現される補正演算手段４１により補正した速度指令信号ｆに基づいて、前記角度α、β、γと各アーム長Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３とから、撹拌機７を垂直に上下動させるためのそれぞれ第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃの目標回動速度ｇ、ｈを、前記回動速度演算手段３５により演算し、その目標回動速度ｇ、ｈに対応する弁開度信号ｉ、ｊを、油圧シリンダ８ｂ、８ｃの駆動制御部３６に設けられた流量演算手段３７によって算出し、その開度信号ｉ、ｊにより各油圧シリンダ８ｂ、８ｃの制御弁３８、３９を制御し、これにより目標とする流量Ｑｂ、Ｑｃで各油圧シリンダ８ｂ、８ｃを作動させることにより、オペレータの操作を要せずに垂直に撹拌機７を上下動させることができる。
【００４２】
ここで、補正演算手段４１は、軟弱地盤改良機のように、低速で撹拌機７を上下動させる場合であっても、多関節アーム６の先端が一定の移動速度で上下動するように、演算により速度指令信号ｅを補正する速度制御装置を構成するものである。この補正は、角度検出器３１〜３３の出力信号から座標演算手段４０により求められる座標信号Ｈを参照して行う。
【００４３】
図５（Ｂ）はこのような上下動の定速制御を行うための補正演算手段４１の一例を示すもので、前記速度指定信号ｅを積分して目標座標変化量を算出する目標座標変化量算出手段４２と、制御起動時の座標演算手段４０の演算結果を格納する座標記憶手段４３と、座標演算手段４０の演算結果と座標記憶手段４３の記憶値との差を第３アーム６ｃの先端の座標変化として求める加算手段４４ａと、目標座標変化量算出手段４２で算出された目標座標変化量と加算手段４４ａで算出された第３アーム６ｃの先端の座標変化との差を座標偏差として求める加算手段４４ｂと、この加算結果に基づいて速度補正係数Ｋ１を演算する速度補正演算手段４５と、この速度補正係数を速度指示手段３４からの速度指令信号ｅに乗算して制御速度指令信号ｆを算出する制御速度演算手段４６とからなる。
【００４４】
前記速度補正係数Ｋ１は、図５（Ｂ）の速度補正演算手段４５に示すように、座標偏差が０付近で１、座標偏差が正すなわち座標進みになるにつれ１より減少し、座標偏差が負すなわち座標遅れになるにつれて１より増加するように設定されている。
【００４５】
図５（Ｂ）、図６のような速度制御装置における演算を行いながら速度指令信号ｅを、座標演算手段４０により求められる実際の座標Ｈで補正した制御速度指令信号ｆにより回動速度演算手段３５に加え、該制御速度指令信号ｆに基づいて回動速度演算手段３５により目標回動速度ｇ、ｈを算出し、これらの速度ｇ、ｈに対応する開度信号ｉ、ｊを各油圧シリンダ８ｂ、８ｃの制御弁３８、３９に加え、目標とする流量Ｑｂ、Ｑｃで各油圧シリンダ８ｂ、８ｃを作動させることにより、撹拌機７を垂直に、しかも一定速度で上下動させることができる。
【００４６】
なお、撹拌機７の姿勢を垂直に保持するには、図６に示すように、第３アーム６ｃに対する撹拌機７の角度δ（図５（Ａ）参照）を検出する角度検出器４７を設け、一方前記検出角度α、β、γから、角度演算手段４８により、撹拌機７を垂直に保持するための角度δｏを求め、該角度δｏと検出角度δとの偏差Δδを比較手段４９により求め、その偏差Δδがゼロとなるように、油圧シリンダ８ｄの制御弁５０を制御して油圧シリンダ８ｄを伸縮させることにより、撹拌機７の姿勢を常に垂直に保持することができる。
【００４７】
図７（Ａ）は前記地盤改良領域６４の設定例を示す図であり、運転室５に設けた操作パネルの表示装置の表示面に表示されるものである。ただしＳ１１〜Ｓ３６は平面視した場合の地盤改良領域６４の座標を表示するもので、実際の表示面上では表示されないものである。地盤改良領域６４内の１つの枠は、攪拌体２５を定位置で回転させたときの広さを意味する。この表示面は、図示例のように、走行体１の走行方向とこれに直角をなす方向にそれぞれ平行をなす４辺形をなすことが好ましく、また、攪拌体２５のサイズにより決定される改良幅の複数の行列に相当するサイズとすることが、走行体１をなるべく一定位置に設定して走行体１の移動頻度を少なくする上で好ましい。
【００４８】
図７（Ｂ）は撹拌機７を図７（Ａ）のＸ方向（本例における走行体走行方向）、Ｙ方向（走行方向に直角をなす方向）にそれぞれ水平移動する際の多関節アーム６の伸縮を説明する図であり、地盤改良領域６４の中心線７０にＸ方向に近づく（遠ざかる）方向に撹拌機７がΔｘだけ移動する場合には、多関節アーム６の平面視における長さＬａがΔＬａだけ短く（長く）なる。このため、Ｘ方向に撹拌機７を直線移動するために旋回装置４により上部旋回体３を旋回させる場合は、同時に、多関節アーム６を伸縮させることにより、撹拌機７を、支持体１５が垂直姿勢を保ったままで水平に直線移動させることができる。
【００４９】
このような動作制御を行うため、水平移動制御装置２９においては、図７（Ｃ）に示すように、Ｘ方向に移動させるための速度信号Ｖｘから、移動距離演算手段６５により所定時間当たりの移動距離Δｘを求め、この値Δｘから、多関節アーム伸縮量演算手段６６により、これに相当する多関節アーム６の増減距離ΔＬａを、前記多関節アーム６の中心線７０に対する角度θ１を参照して算出する。そしてその値ΔＬａと前記角度α、β、γから、各油圧シリンダ８ａ〜８ｃに対する制御弁への流量演算手段６７により流量を求め、各制御弁３０、３８、３９の開度をその流量指令信号により制御して油圧シリンダ８ａ〜８ｃを制御する。
【００５０】
図７（Ｂ）に示すように、撹拌機７をＹ方向に直線移動する場合にも、速度信号Ｙｘから、移動距離演算手段６５により所定時間当たりの移動距離Δｙを求め、この値から多関節アーム６の長さＬｂをΔＬｂだけ増減させて直線移動を可能にする。
【００５１】
図８は前記水平移動制御装置２９に含まれる撹拌機７の向きの制御装置を示す。この制御装置は、攪拌体２５の通過により矩形断面状に改良領域が形成されるようにするため、攪拌体２５の水平移動方向に対して出力軸２４が常に直角となるように方向を制御するものである。
【００５２】
図８において、旋回角度検出器１４は、撹拌機７の旋回装置１３の旋回角度θ２を検出し、上部旋回体３の旋回角度θ１を旋回角度検出器５１により検出し、加算手段５３により角度θ１とθ２を加算し、目標値記憶手段５４は、掘削開始位置でのその加算結果θ１＋θ２の初期値θ３を記憶する。
【００５３】
加算手段５５は、この初期加算値θ３と、現在の加算値θ４との偏差Δθを求め、関数発生手段５６はその偏差Δθを予め設定した関数ｆ（Δθ）に変換する。この関数ｆ（Δθ）は、撹拌機７の旋回速度指令値である。
【００５４】
一方前記上部旋回体３の旋回用操作レバー（図示せず）の操作により、旋回速度信号を発生させる旋回速度設定手段５９からの旋回速度指令値ＳＰを反転手段６０により反転させて加算手段５７において該ＳＰの反転値を前記撹拌機７の旋回速度指令値ｆ（Δθ）に加算し、係数手段５８はその加算値に係数ｋ２を乗算して制御弁６１を駆動し、旋回モータ１１は制御弁６１により制御された方向、流量で回転駆動される。
【００５５】
一方、上部旋回体３の旋回速度指令値ＳＰに係数手段６２により係数Ｋ３を乗じて制御弁６３を制御し、上部旋回体３の旋回モータ４ａを該制御弁６３により制御された方向、流量で回転駆動する。これにより、撹拌機７の旋回モータ１１は、上部旋回体３の旋回にかかわらず、撹拌機７の向きを一定とすることができる。なお、前記多関節アーム６の旋回角θ１の如何にかかわらず撹拌機７の直線移動速度を一定にするため、旋回モータ４ａの制御弁６３の流量を設定する係数手段６２は、前記旋回角θ１の大きさに応じて係数を変化させる。すなわち、旋回角θ１が大きい時には制御弁６３における流量が小さくなるように係数を小さくして流量を絞り、直線移動が一定速度で行われるようにする。
【００５６】
図５（Ｂ）に示した垂直方向の速度制御装置は、水平移動制御装置２９においても同様に構成して、前記Ｘ方向またはＹ方向の速度指令信号ｅに対してＸ座標またはＹ座標の位置情報ｘまたはｙを前記高さＨの代わりに入力させることにより、補正信号ｆとして使用し、制御弁の流量補正信号として利用することができる。
【００５７】
図９は前記地盤改良領域６４において、地盤改良を行う際にどのように撹拌機７を移動させるかについてのいくつかのパターンを示す。図９（Ａ）の例は、行ごとに移動させて地盤改良を行う例を示す。すなわち、作業始点Ｓ３１において攪拌体２５を前記改良深さ設定手段１９において設定された所定の深さ（Ｈ１）に攪拌体２５を回転させながら押し込み、Ｓ３１〜Ｓ３６の１行について撹拌機７を移動させて攪拌、注入を行った後、そのままの深さで攪拌体をＳ２６に水平移動させ、次にＳ２６〜Ｓ２１について水平移動させて攪拌、注入を行い、そのままの深さで攪拌体をＳ１１に水平移動させ、次にＳ１１〜Ｓ１６について水平移動させて攪拌、注入を行う。そして必要であれば、次に深さ（Ｈ２＝Ｈ１×２）について、作業始点Ｓ３１に戻り、改良深さ設定手段１９に設定されている次の深さまで攪拌体２５を回転させながら押し込み、その深さで前記軌跡と同様の軌跡に沿って攪拌体２５を正進させながら攪拌、注入作業を行う。前記深さＨ２について作業を行う場合、作業終点Ｓ１６から作業始点Ｓ３１まで逆進する順序で水平移動させてもよい。
【００５８】
７１は作業始点、作業終点を設定するために表示画面に表示させるマークであり、現在の撹拌機７の平面位置をマーク７１で表示するようにしておき、作業始点を設定する場合には、その多関節アーム６や旋回装置４の作動によりマーク７１の位置を作業始点（図９（Ａ）の例ではＳ３１の位置）に行わせて、たとえば操作盤に備えた作業始点設定用スイッチやキーボードよりその座標を記憶させ、また、作業終点Ｓ１６についても同様の作業によって作業始点を記憶させておいて、前記工程を自動的に実施させる。前記第２の深さＨ２について攪拌、注入を行った後、さらに第３、第４の深さについても必要があれば同様の作業を行う。
【００５９】
前記水平移動は旋回装置４の作動と多関節アーム６の伸縮を同時に行うことにより実施され、前記図５（Ｂ）や図８の演算装置を用いて撹拌機７が一定速度で移動する。また、前記攪拌、注入作業の際、攪拌体２５の向きは、出力軸２４が進行方向に直角をなすように図８の装置により制御する。
【００６０】
図７（Ｂ）は前記地盤改良領域６４において、前記例と異なり、撹拌機７を列ごとに移動させて地盤改良を行う例を示す。また、図９（Ｃ）、（Ｄ）は、Ｓ３１〜Ｓ３６の行について、深さＨ１で水平移動を行った後、同行においてそれより深い深さＨ２で水平移動を行い、さらにその後、同行において次の深さＨ３について水平動作を行うという経路で作業を行った後、次にＳ２１〜Ｓ２６の行について、前記同様に異なる深さＨ１、Ｈ２、Ｈ３でそれぞれ攪拌体２５による攪拌、注入を、水平移動を行いながら攪拌、注入を行い、続いてＳ１１〜Ｓ１６の行について、前記同様に異なる深さＨ１、Ｈ２、Ｈ３でそれぞれ攪拌、注入を、水平移動を行いながら行うものである。
【００６１】
このようなそれぞれの態様のうち、どの態様を選択するかは、前記工程順序設定手段２７でスイッチあるいはキーボードなどにより設定、選択する。
【００６２】
このように、地中に押し込まれた撹拌機７を水平移動させながら撹拌機７に撹拌、注入動作を行わせる自動運転制御装置２９を備えることにより、撹拌機７を水平移動させながら広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、撹拌機７の押し込み、引き抜きの頻度が減少し、動きの無駄が少なくなり、作業能率が向上する。
【００６３】
また、自動運転を指令する手段１０と、改良深さ設定手段１９とを備えて、自動運転の際には撹拌機の深さも自動設定することにより、さらに能率向上が達成されると共に、深さ設定も正確に行え、地盤改良がむらなく行える。
【００６４】
また、改良領域設定手段５２を備えることにより、予め地盤改良領域を設定しておくことができ、地盤形状に応じた改良作業を行うことができる、この場合、表示面に対比してマーク７１を付することにより、現在の撹拌機７の位置を認識でき、地盤改良領域６４の全域について、攪拌ずみ領域を確認することができる。
【００６５】
また、地盤改良領域６４が四辺形をなすようにすれば、１つの領域６４について攪拌、注入が終了した後、走行させて新たに隣接する領域６４を設定するという作業を繰り返すことにより、比較的広い現場において、改良漏れなく地盤を改良することができる。
【００６６】
また、多関節アームの先端部に取付けられる前記撹拌機７を一定速度で水平移動させる速度制御手段を有することにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００６７】
また、出力軸２４が進行方向に対して常に直角方向をなすように撹拌機７の向きを制御することにより、攪拌体２５が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００６８】
なお、図７（Ａ）の例では、走行体１の側部に地盤改良領域６４を設定し、１つの領域６４について終了したら、次に作業機を前進または後退させて作業を行う例を示したが、地盤改良領域６４を走行体１の前方に設定し、１つの領域６４が終了したら作業機を後退させて新たな領域６４を設定するようにしてもよい。また、走行体１の向きに対して斜めに撹拌機７を動かして作業を行うようにしてもよい。また、攪拌体２５の出力軸２４を移動方向に対して直角方向にして攪拌、注入を行った後、さらに同じ経路について、出力軸２４の方向を移動方向に対して同方向または斜め方向とすることにより、左右の攪拌体の間における攪拌不足の問題点を解消することができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、撹拌機を水平移動させながら改良剤注入、攪拌を行うので、広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入作業を行うことができる。このため、撹拌機の押し込み、引き抜きの頻度が減少し、動きの無駄が少なくなり、作業能率が向上する。また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による軟弱地盤改良機の一実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１の撹拌機の側面図である。
【図３】図２の撹拌機の正面図である。
【図４】本発明による自動運転制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図５】（Ａ）は多関節アームの垂直制御のための説明図、（Ｂ）は一定速度で垂直、水平移動するための速度制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施例の軟弱地盤改良機の垂直移動制御装置の機能ブロック図である。
【図７】（Ａ）は本発明における地盤改良領域の設定例を示す図、（Ｂ）は２方向についての直線移動における本体旋回角と多関節アームの伸縮の説明図、（Ｃ）は本体旋回に伴う多関節アームの伸縮により直線移動を行うための機能ブロック図である。
【図８】本発明において、本体旋回に伴って撹拌機の旋回を自動的に行って撹拌機の進行方向に対して攪拌体の向きを一定とするための機能ブロック図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明において採用される地盤改良領域の工程順序の例をそれぞれ示す平面図、（Ｄ）は（Ｃ）の断面図である。
【符号の説明】
１：下部走行体、１ａ：フロート、２：履帯、３：上部旋回体、４：旋回装置、４ａ：旋回モータ、５：運転室、６：多関節アーム、７：撹拌機、８ａ〜８ｄ：油圧シリンダ、９：ブラケット、１１：旋回モータ、１３：旋回装置、１４：旋回角度検出器、１５：支持体、１６：モータ、１７：センタージョイント、１８：作動油配管、２１：改良剤供給配管、２２：ホース、２４：出力軸、２５：攪拌体、２６：改良剤流出口、３０、３８、３９、６１、６３：制御弁、６４：地盤改良領域、６５：移動距離演算手段、６６：多関節アーム伸縮量演算手段、６７：流量演算手段、７１：マーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に撹拌体を押し込みながら改良剤を注入することにより地盤を硬化あるいは無害化する等の改良を行う軟弱地盤改良機と軟弱地盤改良方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤改良機は、撹拌機により汚泥層等の軟弱地盤を撹拌しながら生コンクリートミルクや粉等の改良剤を注入することにより、掘削排土に耐えうる程度に軟弱地盤を硬化させ、その硬化させた土壌を掘削排土したり、硬化させた地盤上に盛土をして住宅地等の用地としたり、硬化させた地盤上に覆土をして有害物質を含む汚泥を無害化して使用可能な土地に変化させたりする等の用途に使用される。
【０００３】
本発明者等は、オペレータの労力を軽減し、かつオペレータへの熟練の要求を不要化する軟弱地盤改良機および軟弱地盤改良方法として、特許文献１において、撹拌機を改良地盤中において押し込みまたは引き上げながら改良剤の注入、攪拌を行い、その後隣接する点について再度撹拌機の押し込み、引き上げながら改良剤の注入、攪拌を行うという動作を自動的に繰り返すものを提案している。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２１５６３４号公報。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に記載のものは、撹拌機は多数の改良点において、撹拌機の押し込み、引き抜きをそれぞれ改良点ごとに行う必要があるため、撹拌機の押し込み、引き上げの頻度が多くなり、作業効率の向上の観点から改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記した点に鑑み、地盤改良作業の作業能率をさらに向上させることができる軟弱地盤改良機と軟弱地盤改良方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の軟弱地盤改良機は、下部走行体上に旋回装置を介して上部旋回体を設置してなる作業機本体と、
前記上部旋回体に取付けられた多関節アームと、
前記多関節アームの先端部に取付けられ、水平旋回可能な旋回モータ付きの撹拌体旋回用旋回装置、該撹拌体旋回用旋回装置の旋回輪の下方に縦長の支持体を介して取付けられる横軸式の撹拌体、および該支持体に取付けられて該撹拌体を駆動するモータを有する撹拌機と、
前記多関節アームに取付けられる前記撹拌機を、前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行うことにより、垂直に上下動させる垂直移動制御装置と、
前記撹拌機を水平に移動させるための速度指令信号、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度および前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、前記上部旋回体旋回用の旋回装置の旋回モータの動作制御と前記各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行い前記撹拌機を水平に移動させる水平移動制御装置と、
前記垂直移動制御装置および前記水平移動制御装置を介して軟弱地盤改良機の自動運転を行わせる自動運転制御装置とを備え、
前記自動運転制御装置は、自動運転を指令する手段と、改良深さ設定手段と、前記自動運転を指令する手段からの自動運転指令により撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるための移動経路を設定する工程順序設定手段とを有し、
前記工程順序設定手段は、前記撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を地中に押し込んだ状態で水平移動させながら前記撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を平面座標上の作業始点から作業終点まで行い、その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記所定の深さより深い深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返すものである
ことを特徴とする。
【０００８】
このように、地中に押し込まれた撹拌機を水平移動をさせながら撹拌機に撹拌、注入動作を行わせる自動運転制御装置を備えることにより、撹拌機を水平移動させながら広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、作業能率が向上する。
【０００９】
また、自動運転を指令する手段と、改良深さ設定手段とを備えて撹拌機の深さも設定された深さに自動設定することにより、さらに能率向上が達成されると共に、地盤改良がむらなく行える。
【００１０】
また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【００１１】
（２）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記自動運転制御装置は、さらに地盤改良の作業始点と作業終点とを設定する改良領域設定手段を有すると共に、前記工程順序設定手段は、前記改良領域設定手段により設定された地盤改良領域について、前記撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるものである
ことを特徴とする。
【００１２】
このように、改良領域設定手段を備えることにより、予め地盤改良領域を設定しておくことができ、地盤形状に応じた改良作業を行うことができる。
（３）また、本発明の軟弱地盤改良機は、運転室に地盤改良領域を表示する表示装置を有し、
該表示装置の表示面は、下部走行体を止めた状態において改良可能な地盤の領域を表示し、かつ前記表示面は、撹拌機の位置を個々の改良領域に対して表示するマークを表示するものでなることを特徴とする。
【００１３】
このように、表示面に対比してマークを付することにより、現在の撹拌機の位置を認識でき、地盤改良領域の全域について、攪拌ずみ領域を確認することができる。
【００１４】
（４）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記表示面に表示される地盤改良領域が、走行体の向きに平行辺とその辺に直角をなす四辺形からなることを特徴とする。
【００１５】
このように、本発明の軟弱地盤改良機は、地盤改良領域が四辺形をなすため、比較的広い現場において、改良漏れなく地盤を改良することができる。
【００１６】
（５）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記水平移動制御装置に、多関節アームの先端部に取付けられる前記撹拌機を一定速度で水平移動させる速度制御手段を有することを特徴とする。
【００１７】
このように、撹拌機を一定速度で水平移動可能とすることにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００１８】
（６）また、本発明の軟弱地盤改良機は、前記撹拌機の攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に制御する撹拌機の向き制御手段を有することを特徴とする。
【００１９】
このように、撹拌機の軸の向きを移動方向に対して直角をなす方向に制御する手段を有することにより、攪拌体が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００２０】
（７）本発明の軟弱地盤改良方法は、横軸式撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を水平移動させながら前記横軸式撹拌機の下端に設けた撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を作業始点から作業終点まで行い、
その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記深さより深い所定の深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返すことを特徴とする。
【００２１】
このように、地中に押し込まれた撹拌機を水平移動をさせながら撹拌機に撹拌、注入動作を行わせることにより、広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、作業能率が向上する。また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【００２２】
（８）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、地盤改良領域を、作業機の走行体の向きに直角をなす辺と平行をなす辺とからなる四辺形に設定し、該四辺形は撹拌機の水平移動により改良できる幅の整数倍の幅の行または列を有するサイズに設定し、
前記作業始点と前記作業終点を前記四辺形の対角上に設定して、前記撹拌機の改良剤の注入、攪拌を行う水平移動を前記行または列ごとに行うことを特徴とする。
【００２３】
このように、一度に改良できる領域を、複数の行列に相当する広さとすることにより、走行体を一箇所に固定したままで広い領域について能率良く地盤改良を行うことができる。
【００２４】
（９）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、前記多関節アームに取付けられた撹拌機を、攪拌、注入を行いながら、一定速度で水平移動させることを特徴とする。
【００２５】
このように、撹拌機を一定速度で水平移動可能とすることにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００２６】
（１０）また、本発明の軟弱地盤改良方法は、前記撹拌機の攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に維持することを特徴とする。
【００２７】
このように、撹拌機の軸の向きを移動方向に対して直角をなす方向に制御する手段を有することにより、攪拌体が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による軟弱地盤改良機の一実施例を示す側面図であり、１はフロート１ａの周囲に履帯２を回したフロート式走行体、３は該走行体１上に旋回装置４を介して設置した上部旋回体、５は該上部旋回体３上に設置した運転室、６は該上部旋回体３に取付けたフロントとしての多関節アーム、７は撹拌機である。
【００２９】
多関節アーム６は、互いに回動自在にピン結合される第１アーム６ａ、第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃからなり、第１アーム６ａは上部旋回体３に回動自在にピン結合される。８ａ、８ｂ、８ｃはそれぞれ第１、第２、第３アーム６ａ、６ｂ、６ｃを回動させる油圧シリンダである。
【００３０】
図２、図３はそれぞれ撹拌機７の側面図、正面図である。図１ないし図３に示すように、第３アーム６ｃの先端には、撹拌機７の取付け用ブラケット９が回動自在にピン付けされ、第３アーム６ｃとブラケット９との間には撹拌機７を回動させる油圧シリンダ８ｄが取付けられる。
【００３１】
ブラケット９の下面には、油圧モータでなる旋回モータ１１により旋回輪１２を旋回させる旋回装置１３が取付けられる。旋回装置１３には、旋回角を検出する例えばポテンショメータやロータリエンコーダ等からなる撹拌機の旋回角度検出器１４が取付けられる。
【００３２】
旋回輪１２には、縦長中空ロッド状の支持体１５の上端が結合される。旋回装置１３の中央には、支持体１５の下端部に取付けられる撹拌機７の撹拌用油圧モータ１６に作動油を供給するためのセンタージョイント１７が設けられる。油圧モータ１６への作動油配管１８は支持体１５の内部を通す。
【００３３】
ブラケット９に沿って取付ける改良剤供給配管２０と、支持体１５に沿って取付ける改良剤供給配管２１とは、ホース２２を介して接続される。旋回装置１３は、旋回によってホース２２に無理な力が加わらないように、全旋回式とするのではなく、ストッパ（図示せず）により旋回角度を２７０度程度に制限している。
【００３４】
支持体１５の下端中央部に取付ける油圧モータ１６は両端から出力軸２４が突出した両軸型の油圧モータであり、各出力軸２４に撹拌体２５が取付けられる。支持体の下端には改良剤供給配管２１を通して供給される改良剤を左右の撹拌体２５に向けて流出させる流出口２６が設けられる。
【００３５】
本実施例のように、支持体１５の下端に両軸式油圧モータ１６を取付けて撹拌体２５を回転させる構成とすれば、支持体１５の上端に油圧モータを設けてスプロケットやチェーンによって動力を伝達する構成とした実公平６−１６２２号公報に記載のものに比較し、動力伝達機構が不要となることにより、大幅な軽量化が達成でき、一般的な規模の作業機本体を用いた場合、該公報に記載の撹拌機が約３ｍ程度の深度の改良しかできないものが、この実施例の構造によれば、５ｍ程度の深度まで改良可能となる。
【００３６】
このように、撹拌機７の上部に旋回装置１３を設けて撹拌機７を水平旋回可能としたことにより、出力軸２４の向きを任意に変更することができる。また、多関節アーム６の油圧シリンダ８ａ〜８ｄを手動操作または後述の自動制御により作動させて撹拌機７を垂直姿勢に保持しながら地中に押し込み、次に後述の機構によって攪拌機７を水平移動させ、油圧モータ１６を作動させて攪拌体２５を回転させ、かつ改良剤を流出口２６から流出させながら改良剤を地中に注入することにより、地盤改良を行うことができる。
【００３７】
図４はこのような撹拌機７の水平移動による地盤改良を行うための自動運転制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図４において、８ａ〜８ｃは図１に示した多関節アーム６の回動用油圧シリンダ、４ａは前記旋回装置４の旋回モータ、１１は前記撹拌体旋回用の旋回装置１３の旋回モータである。３１、３２、３３はそれぞれ図５（Ａ）に示すように各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの角度α、β、γを検出する角度検出器である。５１は図７（Ａ）に示すように、旋回装置４の旋回角θ１、すなわち多関節アーム６の平面視における向きを検出する角度検出器、１４は前記撹拌機７の上部の旋回装置１３における旋回角θ２、すなわち平面視における多関節アーム６に対する攪拌体２５の向きがなす角度を検出する角度検出器である。
【００３８】
また、自動運転指令手段１０は運転室５に備えたもので、後述の自動運転時に自動運転側に切換えるスイッチ等で構成される。また、深さ設定手段１９は、攪拌体２５の一種以上の押し込み深さをオペレータにより、あるいは撹拌機７の機種に対応して自動的に設定するものである。工程順序設定手段２７は、図９で詳述するような水平移動経路を設定あるいは選択し、また、垂直移動制御も工程の一部に含めて制御を行うか否かについての選択を行うものである。
【００３９】
垂直移動制御装置２８は、図５、図６について後述するように、平面上の位置を変えないで撹拌機７を垂直姿勢に保持したままで垂直に上下動させるものである。水平移動制御装置２９は、改良領域設定手段５２により示される図８に示すような地盤改良領域６４を参照して撹拌機７の水平移動による改良作業を進行させるものである。３０、３８、３９、６３、６１はそれぞれ油圧シリンダ８ａ、８ｂ、８ｃ、旋回モータ４ａ、１１の制御を行う制御弁であり、これらは垂直移動制御装置２８や水平移動制御装置２９により制御される。
【００４０】
前記垂直移動制御装置２８による動作制御を、図５（Ａ）において、例えば第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃの回動によって第３アーム６ｃの先端すなわち撹拌機７を垂直に上下動させる場合について行うと、各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの角度α、β、γを、各アーム６ａ、６ｂ、６ｃの関節部にそれぞれ取付けた角度検出器３１、３２、３３により検出し、図６のブロック図に示すように、角度検出器３１、３２、３３の出力信号を、運転室５等に搭載した演算装置により実現されるアームの回動速度演算手段３５および側面より見た座標Ｈの演算手段４０に入力する。
【００４１】
一方、速度指示手段３４からの速度指令信号ｅを前記演算装置により実現される補正演算手段４１により補正した速度指令信号ｆに基づいて、前記角度α、β、γと各アーム長Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３とから、撹拌機７を垂直に上下動させるためのそれぞれ第２アーム６ｂ、第３アーム６ｃの目標回動速度ｇ、ｈを、前記回動速度演算手段３５により演算し、その目標回動速度ｇ、ｈに対応する弁開度信号ｉ、ｊを、油圧シリンダ８ｂ、８ｃの駆動制御部３６に設けられた流量演算手段３７によって算出し、その開度信号ｉ、ｊにより各油圧シリンダ８ｂ、８ｃの制御弁３８、３９を制御し、これにより目標とする流量Ｑｂ、Ｑｃで各油圧シリンダ８ｂ、８ｃを作動させることにより、オペレータの操作を要せずに垂直に撹拌機７を上下動させることができる。
【００４２】
ここで、補正演算手段４１は、軟弱地盤改良機のように、低速で撹拌機７を上下動させる場合であっても、多関節アーム６の先端が一定の移動速度で上下動するように、演算により速度指令信号ｅを補正する速度制御装置を構成するものである。この補正は、角度検出器３１〜３３の出力信号から座標演算手段４０により求められる座標信号Ｈを参照して行う。
【００４３】
図５（Ｂ）はこのような上下動の定速制御を行うための補正演算手段４１の一例を示すもので、前記速度指定信号ｅを積分して目標座標変化量を算出する目標座標変化量算出手段４２と、制御起動時の座標演算手段４０の演算結果を格納する座標記憶手段４３と、座標演算手段４０の演算結果と座標記憶手段４３の記憶値との差を第３アーム６ｃの先端の座標変化として求める加算手段４４ａと、目標座標変化量算出手段４２で算出された目標座標変化量と加算手段４４ａで算出された第３アーム６ｃの先端の座標変化との差を座標偏差として求める加算手段４４ｂと、この加算結果に基づいて速度補正係数Ｋ１を演算する速度補正演算手段４５と、この速度補正係数を速度指示手段３４からの速度指令信号ｅに乗算して制御速度指令信号ｆを算出する制御速度演算手段４６とからなる。
【００４４】
前記速度補正係数Ｋ１は、図５（Ｂ）の速度補正演算手段４５に示すように、座標偏差が０付近で１、座標偏差が正すなわち座標進みになるにつれ１より減少し、座標偏差が負すなわち座標遅れになるにつれて１より増加するように設定されている。
【００４５】
図５（Ｂ）、図６のような速度制御装置における演算を行いながら速度指令信号ｅを、座標演算手段４０により求められる実際の座標Ｈで補正した制御速度指令信号ｆにより回動速度演算手段３５に加え、該制御速度指令信号ｆに基づいて回動速度演算手段３５により目標回動速度ｇ、ｈを算出し、これらの速度ｇ、ｈに対応する開度信号ｉ、ｊを各油圧シリンダ８ｂ、８ｃの制御弁３８、３９に加え、目標とする流量Ｑｂ、Ｑｃで各油圧シリンダ８ｂ、８ｃを作動させることにより、撹拌機７を垂直に、しかも一定速度で上下動させることができる。
【００４６】
なお、撹拌機７の姿勢を垂直に保持するには、図６に示すように、第３アーム６ｃに対する撹拌機７の角度δ（図５（Ａ）参照）を検出する角度検出器４７を設け、一方前記検出角度α、β、γから、角度演算手段４８により、撹拌機７を垂直に保持するための角度δｏを求め、該角度δｏと検出角度δとの偏差Δδを比較手段４９により求め、その偏差Δδがゼロとなるように、油圧シリンダ８ｄの制御弁５０を制御して油圧シリンダ８ｄを伸縮させることにより、撹拌機７の姿勢を常に垂直に保持することができる。
【００４７】
図７（Ａ）は前記地盤改良領域６４の設定例を示す図であり、運転室５に設けた操作パネルの表示装置の表示面に表示されるものである。ただしＳ１１〜Ｓ３６は平面視した場合の地盤改良領域６４の座標を表示するもので、実際の表示面上では表示されないものである。地盤改良領域６４内の１つの枠は、攪拌体２５を定位置で回転させたときの広さを意味する。この表示面は、図示例のように、走行体１の走行方向とこれに直角をなす方向にそれぞれ平行をなす４辺形をなすことが好ましく、また、攪拌体２５のサイズにより決定される改良幅の複数の行列に相当するサイズとすることが、走行体１をなるべく一定位置に設定して走行体１の移動頻度を少なくする上で好ましい。
【００４８】
図７（Ｂ）は撹拌機７を図７（Ａ）のＸ方向（本例における走行体走行方向）、Ｙ方向（走行方向に直角をなす方向）にそれぞれ水平移動する際の多関節アーム６の伸縮を説明する図であり、地盤改良領域６４の中心線７０にＸ方向に近づく（遠ざかる）方向に撹拌機７がΔｘだけ移動する場合には、多関節アーム６の平面視における長さＬａがΔＬａだけ短く（長く）なる。このため、Ｘ方向に撹拌機７を直線移動するために旋回装置４により上部旋回体３を旋回させる場合は、同時に、多関節アーム６を伸縮させることにより、撹拌機７を、支持体１５が垂直姿勢を保ったままで水平に直線移動させることができる。
【００４９】
このような動作制御を行うため、水平移動制御装置２９においては、図７（Ｃ）に示すように、Ｘ方向に移動させるための速度信号Ｖｘから、移動距離演算手段６５により所定時間当たりの移動距離Δｘを求め、この値Δｘから、多関節アーム伸縮量演算手段６６により、これに相当する多関節アーム６の増減距離ΔＬａを、前記多関節アーム６の中心線７０に対する角度θ１を参照して算出する。そしてその値ΔＬａと前記角度α、β、γから、各油圧シリンダ８ａ〜８ｃに対する制御弁への流量演算手段６７により流量を求め、各制御弁３０、３８、３９の開度をその流量指令信号により制御して油圧シリンダ８ａ〜８ｃを制御する。
【００５０】
図７（Ｂ）に示すように、撹拌機７をＹ方向に直線移動する場合にも、速度信号Ｙｘから、移動距離演算手段６５により所定時間当たりの移動距離Δｙを求め、この値から多関節アーム６の長さＬｂをΔＬｂだけ増減させて直線移動を可能にする。
【００５１】
図８は前記水平移動制御装置２９に含まれる撹拌機７の向きの制御装置を示す。この制御装置は、攪拌体２５の通過により矩形断面状に改良領域が形成されるようにするため、攪拌体２５の水平移動方向に対して出力軸２４が常に直角となるように方向を制御するものである。
【００５２】
図８において、旋回角度検出器１４は、撹拌機７の旋回装置１３の旋回角度θ２を検出し、上部旋回体３の旋回角度θ１を旋回角度検出器５１により検出し、加算手段５３により角度θ１とθ２を加算し、目標値記憶手段５４は、掘削開始位置でのその加算結果θ１＋θ２の初期値θ３を記憶する。
【００５３】
加算手段５５は、この初期加算値θ３と、現在の加算値θ４との偏差Δθを求め、関数発生手段５６はその偏差Δθを予め設定した関数ｆ（Δθ）に変換する。この関数ｆ（Δθ）は、撹拌機７の旋回速度指令値である。
【００５４】
一方前記上部旋回体３の旋回用操作レバー（図示せず）の操作により、旋回速度信号を発生させる旋回速度設定手段５９からの旋回速度指令値ＳＰを反転手段６０により反転させて加算手段５７において該ＳＰの反転値を前記撹拌機７の旋回速度指令値ｆ（Δθ）に加算し、係数手段５８はその加算値に係数ｋ２を乗算して制御弁６１を駆動し、旋回モータ１１は制御弁６１により制御された方向、流量で回転駆動される。
【００５５】
一方、上部旋回体３の旋回速度指令値ＳＰに係数手段６２により係数Ｋ３を乗じて制御弁６３を制御し、上部旋回体３の旋回モータ４ａを該制御弁６３により制御された方向、流量で回転駆動する。これにより、撹拌機７の旋回モータ１１は、上部旋回体３の旋回にかかわらず、撹拌機７の向きを一定とすることができる。なお、前記多関節アーム６の旋回角θ１の如何にかかわらず撹拌機７の直線移動速度を一定にするため、旋回モータ４ａの制御弁６３の流量を設定する係数手段６２は、前記旋回角θ１の大きさに応じて係数を変化させる。すなわち、旋回角θ１が大きい時には制御弁６３における流量が小さくなるように係数を小さくして流量を絞り、直線移動が一定速度で行われるようにする。
【００５６】
図５（Ｂ）に示した垂直方向の速度制御装置は、水平移動制御装置２９においても同様に構成して、前記Ｘ方向またはＹ方向の速度指令信号ｅに対してＸ座標またはＹ座標の位置情報ｘまたはｙを前記高さＨの代わりに入力させることにより、補正信号ｆとして使用し、制御弁の流量補正信号として利用することができる。
【００５７】
図９は前記地盤改良領域６４において、地盤改良を行う際にどのように撹拌機７を移動させるかについてのいくつかのパターンを示す。図９（Ａ）の例は、行ごとに移動させて地盤改良を行う例を示す。すなわち、作業始点Ｓ３１において攪拌体２５を前記改良深さ設定手段１９において設定された所定の深さ（Ｈ１）に攪拌体２５を回転させながら押し込み、Ｓ３１〜Ｓ３６の１行について撹拌機７を移動させて攪拌、注入を行った後、そのままの深さで攪拌体をＳ２６に水平移動させ、次にＳ２６〜Ｓ２１について水平移動させて攪拌、注入を行い、そのままの深さで攪拌体をＳ１１に水平移動させ、次にＳ１１〜Ｓ１６について水平移動させて攪拌、注入を行う。そして必要であれば、次に深さ（Ｈ２＝Ｈ１×２）について、作業始点Ｓ３１に戻り、改良深さ設定手段１９に設定されている次の深さまで攪拌体２５を回転させながら押し込み、その深さで前記軌跡と同様の軌跡に沿って攪拌体２５を正進させながら攪拌、注入作業を行う。前記深さＨ２について作業を行う場合、作業終点Ｓ１６から作業始点Ｓ３１まで逆進する順序で水平移動させてもよい。
【００５８】
７１は作業始点、作業終点を設定するために表示画面に表示させるマークであり、現在の撹拌機７の平面位置をマーク７１で表示するようにしておき、作業始点を設定する場合には、その多関節アーム６や旋回装置４の作動によりマーク７１の位置を作業始点（図９（Ａ）の例ではＳ３１の位置）に行わせて、たとえば操作盤に備えた作業始点設定用スイッチやキーボードよりその座標を記憶させ、また、作業終点Ｓ１６についても同様の作業によって作業始点を記憶させておいて、前記工程を自動的に実施させる。前記第２の深さＨ２について攪拌、注入を行った後、さらに第３、第４の深さについても必要があれば同様の作業を行う。
【００５９】
前記水平移動は旋回装置４の作動と多関節アーム６の伸縮を同時に行うことにより実施され、前記図５（Ｂ）や図８の演算装置を用いて撹拌機７が一定速度で移動する。また、前記攪拌、注入作業の際、攪拌体２５の向きは、出力軸２４が進行方向に直角をなすように図８の装置により制御する。
【００６０】
図７（Ｂ）は前記地盤改良領域６４において、前記例と異なり、撹拌機７を列ごとに移動させて地盤改良を行う例を示す。また、図９（Ｃ）、（Ｄ）は、Ｓ３１〜Ｓ３６の行について、深さＨ１で水平移動を行った後、同行においてそれより深い深さＨ２で水平移動を行い、さらにその後、同行において次の深さＨ３について水平動作を行うという経路で作業を行った後、次にＳ２１〜Ｓ２６の行について、前記同様に異なる深さＨ１、Ｈ２、Ｈ３でそれぞれ攪拌体２５による攪拌、注入を、水平移動を行いながら攪拌、注入を行い、続いてＳ１１〜Ｓ１６の行について、前記同様に異なる深さＨ１、Ｈ２、Ｈ３でそれぞれ攪拌、注入を、水平移動を行いながら行うものである。
【００６１】
このようなそれぞれの態様のうち、どの態様を選択するかは、前記工程順序設定手段２７でスイッチあるいはキーボードなどにより設定、選択する。
【００６２】
このように、地中に押し込まれた撹拌機７を水平移動させながら撹拌機７に撹拌、注入動作を行わせる自動運転制御装置２９を備えることにより、撹拌機７を水平移動させながら広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入を行うことができるので、撹拌機７の押し込み、引き抜きの頻度が減少し、動きの無駄が少なくなり、作業能率が向上する。
【００６３】
また、自動運転を指令する手段１０と、改良深さ設定手段１９とを備えて、自動運転の際には撹拌機の深さも自動設定することにより、さらに能率向上が達成されると共に、深さ設定も正確に行え、地盤改良がむらなく行える。
【００６４】
また、改良領域設定手段５２を備えることにより、予め地盤改良領域を設定しておくことができ、地盤形状に応じた改良作業を行うことができる、この場合、表示面に対比してマーク７１を付することにより、現在の撹拌機７の位置を認識でき、地盤改良領域６４の全域について、攪拌ずみ領域を確認することができる。
【００６５】
また、地盤改良領域６４が四辺形をなすようにすれば、１つの領域６４について攪拌、注入が終了した後、走行させて新たに隣接する領域６４を設定するという作業を繰り返すことにより、比較的広い現場において、改良漏れなく地盤を改良することができる。
【００６６】
また、多関節アームの先端部に取付けられる前記撹拌機７を一定速度で水平移動させる速度制御手段を有することにより、改良剤の注入をむらなく行うことができる。
【００６７】
また、出力軸２４が進行方向に対して常に直角方向をなすように撹拌機７の向きを制御することにより、攪拌体２５が移動した後の断面形状として矩形形状のものを得ることができ、地盤改良領域の全域について漏れなく改良が行われる。
【００６８】
なお、図７（Ａ）の例では、走行体１の側部に地盤改良領域６４を設定し、１つの領域６４について終了したら、次に作業機を前進または後退させて作業を行う例を示したが、地盤改良領域６４を走行体１の前方に設定し、１つの領域６４が終了したら作業機を後退させて新たな領域６４を設定するようにしてもよい。また、走行体１の向きに対して斜めに撹拌機７を動かして作業を行うようにしてもよい。また、攪拌体２５の出力軸２４を移動方向に対して直角方向にして攪拌、注入を行った後、さらに同じ経路について、出力軸２４の方向を移動方向に対して同方向または斜め方向とすることにより、左右の攪拌体の間における攪拌不足の問題点を解消することができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、撹拌機を水平移動させながら改良剤注入、攪拌を行うので、広い範囲にわたって連続的に攪拌、注入作業を行うことができる。このため、撹拌機の押し込み、引き抜きの頻度が減少し、動きの無駄が少なくなり、作業能率が向上する。また、水平移動の１サイクルごとに深さを深くして水平移動を行うという動作を繰り返すことにより、撹拌機が到達できる深さにまで地盤改良を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による軟弱地盤改良機の一実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１の撹拌機の側面図である。
【図３】図２の撹拌機の正面図である。
【図４】本発明による自動運転制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図５】（Ａ）は多関節アームの垂直制御のための説明図、（Ｂ）は一定速度で垂直、水平移動するための速度制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施例の軟弱地盤改良機の垂直移動制御装置の機能ブロック図である。
【図７】（Ａ）は本発明における地盤改良領域の設定例を示す図、（Ｂ）は２方向についての直線移動における本体旋回角と多関節アームの伸縮の説明図、（Ｃ）は本体旋回に伴う多関節アームの伸縮により直線移動を行うための機能ブロック図である。
【図８】本発明において、本体旋回に伴って撹拌機の旋回を自動的に行って撹拌機の進行方向に対して攪拌体の向きを一定とするための機能ブロック図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明において採用される地盤改良領域の工程順序の例をそれぞれ示す平面図、（Ｄ）は（Ｃ）の断面図である。
【符号の説明】
１：下部走行体、１ａ：フロート、２：履帯、３：上部旋回体、４：旋回装置、４ａ：旋回モータ、５：運転室、６：多関節アーム、７：撹拌機、８ａ〜８ｄ：油圧シリンダ、９：ブラケット、１１：旋回モータ、１３：旋回装置、１４：旋回角度検出器、１５：支持体、１６：モータ、１７：センタージョイント、１８：作動油配管、２１：改良剤供給配管、２２：ホース、２４：出力軸、２５：攪拌体、２６：改良剤流出口、３０、３８、３９、６１、６３：制御弁、６４：地盤改良領域、６５：移動距離演算手段、６６：多関節アーム伸縮量演算手段、６７：流量演算手段、７１：マーク
Claims (10)
- 下部走行体上に旋回装置を介して上部旋回体を設置してなる作業機本体と、
前記上部旋回体に取付けられた多関節アームと、
前記多関節アームの先端部に取付けられ、水平旋回可能な旋回モータ付きの撹拌体旋回用旋回装置、該撹拌体旋回用旋回装置の旋回輪の下方に縦長の支持体を介して取付けられる横軸式の撹拌体、および該支持体に取付けられて該撹拌体を駆動するモータを有する撹拌機と、
前記多関節アームに取付けられる前記撹拌機を、前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行うことにより、垂直に上下動させる垂直移動制御装置と、
前記撹拌機を水平に移動させるための速度指令信号、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度および前記多関節アームの各関節部の角度を参照しながら、前記上部旋回体旋回用の旋回装置の旋回モータの動作制御と前記各関節部回動用油圧シリンダの動作制御を行い前記撹拌機を水平に移動させる水平移動制御装置と、
前記垂直移動制御装置および前記水平移動制御装置を介して軟弱地盤改良機の自動運転を行わせる自動運転制御装置とを備え、
前記自動運転制御装置は、自動運転を指令する手段と、改良深さ設定手段と、前記自動運転を指令する手段からの自動運転指令により撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるための移動経路を設定する工程順序設定手段とを有し、
前記工程順序設定手段は、前記撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を地中に押し込んだ状態で水平移動させながら前記撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を平面座標上の作業始点から作業終点まで行い、その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記所定の深さより深い深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返すものである
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 請求項１に記載の軟弱地盤改良機において、
前記自動運転制御装置は、さらに地盤改良の作業始点と作業終点とを設定する改良領域設定手段を有すると共に、前記工程順序設定手段は、前記改良領域設定手段により設定された地盤改良領域について、前記撹拌機に撹拌、注入動作を行わせるものである
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 請求項１または２に記載の軟弱地盤改良機において、
運転室に地盤改良領域を表示する表示装置を有し、
該表示装置の表示面は、下部走行体を止めた状態において改良可能な地盤の領域を表示し、かつ前記表示面は、撹拌機の位置を個々の改良領域に対して表示するマークを表示するものでなる
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 請求項３に記載の軟弱地盤改良機において、
前記表示面に表示される地盤改良領域は、前記下部走行体の向きに平行辺とその辺に直角をなす四辺形からなる
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 請求項１から４までのいずれか１項に記載の軟弱地盤改良機において、
前記水平移動制御装置は、前記撹拌機を一定速度で水平移動させる速度制御手段を有する
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 請求項１から５までのいずれか１項に記載の軟弱地盤改良機において、
前記撹拌機の攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に制御する撹拌機の向き制御手段を有する
ことを特徴とする軟弱地盤改良機。 - 横軸式撹拌機を垂直に所定の深さまで押し込み、続いて前記撹拌機を水平移動させながら前記横軸式撹拌機の下端に設けた撹拌体の回転と改良剤の地中への注入を作業始点から作業終点まで行い、
その後、前記作業始点または作業終点において前記撹拌機を前記深さより深い所定の深さまで押し込み、前記作業始点から作業終点までの範囲について撹拌機を水平に正進または逆進させて前記改良剤の注入動作を行うという動作を１回以上繰り返す
ことを特徴とする軟弱地盤改良方法。 - 請求項７に記載の軟弱地盤改良方法において、
地盤改良領域を、前記撹拌機を多関節アームを介して取付けた作業機の下部走行体の向きに直角をなす辺と平行をなす辺とからなる四辺形に設定し、該四辺形は撹拌機の水平移動により改良できる幅の整数倍の幅の行または列を有するサイズに設定し、
前記作業始点と前記作業終点を前記四辺形の対角上に設定して、前記撹拌機の改良剤の注入、攪拌を行う水平移動を前記行または列ごとに行う
ことを特徴とする軟弱地盤改良方法。 - 請求項７または８に記載の軟弱地盤改良方法において、
前記多関節アームに取付けられた撹拌機を、攪拌、注入を行いながら、一定速度で水平移動させる
ことを特徴とする軟弱地盤改良方法。 - 請求項７から９までのいずれか１項に記載の軟弱地盤改良方法において、
前記撹拌機を水平移動させながら攪拌、注入を行う際に、前記攪拌体の出力軸をその水平移動方向に対して直角をなす方向に維持する
ことを特徴とする軟弱地盤改良方法。
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