JP4572291B2

JP4572291B2 - 杭穴掘削ヘッド、杭穴掘削方法

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Publication number: JP4572291B2
Application number: JP2004123793A
Authority: JP
Inventors: 隆司辰口
Original assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Current assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005307496A

Description

この発明は、建築、土木等の分野で杭基礎工事として杭穴掘削を行う掘削ロッドの掘削ヘッドおよびこれを使用する杭穴掘削方法に関する。

（１）掘削ロッドに連結するヘッド本体に螺旋翼を形成し、螺旋翼の下端に固定掘削刃を固定した掘削ヘッドでは、その固定掘削刃としては、一般に、刃先の角度（掘削角度）が浅く平板形状で、全数の掘削刃の刃先が地盤に対して同じ深さ（略水平位置）に配置されていた（特許文献１、図１）。この掘削ヘッドを回転しながら全部の刃先がほぼ同時に接地し、杭穴を掘削していた。この場合、ヘッド本体の下端から固定掘削刃の先端までの距離、即ち固定掘削刃の長さは、掘削径５０〜８０ｃｍ程度の場合、約１０ｃｍ程度に設定してあった。

また、前記掘削ヘッドの固定掘削刃の上方に、掘削径を拡大できる可動掘削刃を取り付けて、根固め部等々拡径部の掘削に使用していた。

（２）また、土質により異なる掘削刃を使用し、地盤の掘削性を良くして掘削効率を高める工夫もなされていた（非特許文献１）。

（３）また、掘削ロッドに連結するロッド本体の下端に固定掘削刃を取付け、ロッド本体の外面に揺動自在の掘削腕を取付け、掘削腕の先端に可動掘削刃を取り付けて掘削ヘッドを構成する場合もあった（特許文献２）。この掘削ヘッドでは、主に中掘工法に使用されるが、先掘工法でも使用していた。

この固定掘削刃では、刃先が地盤に対して同じ深さ（略水平位置）に配置され、取付け角度を夫々異にし回転掘削時に同一深度で掘削しながら杭穴掘削している。この場合、ヘッド本体の下端から固定掘削刃の先端までの距離、即ち固定掘削刃の長さは、掘削径５０〜８０ｃｍ程度の場合、約１０ｃｍ程度に設定してあった。

更に、掘削腕の可動掘削刃により、固定掘削刃の掘削を補助し、あるいは杭穴拡底部の形成等、拡径寸法での掘削に使用していた。
実公平７−５０４６８特開平８−３３８０２０既製コンクリート杭の施工管理、コンクリートパイル建設技術協会、２００１年４月、ｐ．２０３

（１）玉石などの礫まじり地盤での杭穴掘削において、従来の掘削ヘッドの内、螺旋翼を有する掘削ヘッドの場合、通常は、礫があると他の掘削土とともに螺旋翼に沿って上方に揚土されるが、礫の形状・大きさによっては、固定掘削刃に礫が絡み、固定掘削刃が接地せず、掘削不能に陥る場合もあった。

（２）また、従来の掘削ヘッドの内、掘削腕を有する掘削ヘッドの場合、通常は、礫があると掘削腕により、礫は杭穴中央部に寄せられ、ヘッド本体と掘削腕の間に位置し、杭穴底（掘削面）で転がりながら、掘削腕の可動掘削刃と固定掘削刃で、杭穴の掘削ができた。しかし、礫の形状・大きさによっては、固定掘削刃が礫に絡み、刃先に礫が留まって、掘削ヘッドの先端刃が杭穴底（掘削面）に接地せず、絡み、掘削ができない場合があった。

（３）従って、礫が先端掘削刃の先に留まって掘削速度が低下した時は、その程度によりそのまま続行したり、あるいは、一旦、掘削ヘッドを引き上げなどしてその礫を除去して掘削を再開する場合もあった。いずれにしても杭穴掘削時間が余分にかかり、所要工期が２０〜３０％程度遅れることもあった。

また、場合によっては、掘削ヘッドの先端刃が破損して交換あるいは修理することが必要となることもあった。

然るにこの発明は、事前の地盤（土質）調査等により、予め出現が予想される礫の最大外径に応じて、掘削刃の形状・長さを設定して杭穴掘削ヘッドを構成し、杭穴を掘削するので、前記問題点を解決した。

即ちこの方法の発明は、以下の手順をとることを特徴とする杭穴掘削方法である。
（１）地盤データの基づき、予め予想される礫の最大外径Ｄ_０に対応して、固定掘削刃の形状及び／又は長さを決めた掘削ヘッドを選択する。
（２）前記掘削ヘッドを回転して、杭穴を掘削する。
（３）地盤から前記杭穴内に出現した礫を、前記固定掘削刃で、杭穴の中心側に寄せながら、前記礫を杭穴底付近に転がしながら、あるいは、前記礫を上方へ揚土して前記固定掘削刃の刃先を杭穴底に到達させて、杭穴掘削をする。
また、前記において、礫の最大外径Ｄ_０に対して、固定掘削刃の垂直方向の長さを２×Ｄ_０より大きく形成し、固定掘削刃の刃先が杭穴底面に当接した際に、杭穴底面と固定掘削刃とが成す角度を４０〜６０度としたことを特徴とする杭穴掘削方法である。

また、掘削ヘッドの発明は、掘削ロッドに連結する連結部を有するヘッド本体の下端に、杭穴の直径方向に沿って複数の固定掘削刃を下方に向けて突設してなる掘削ヘッドにおいて、前記固定掘削刃の刃先は、少なくとも外周側に位置する固定掘削刃の垂直方向の長さを、予め設定した地盤に含まれる礫の最大外径Ｄ_０の２倍以上に設定したことを特徴とする杭穴掘削ヘッドである。

また、前記において、前記杭穴の中心側の固定掘削刃の長さを外周側の固定掘削刃の長さより短く形成し、中間部の固定掘削刃の刃先を外周側の固定掘削刃の長さと中心側の固定掘削刃の長さの中間長さに形成したことを特徴とした杭穴掘削ヘッドである。

また、前記において、ヘッド本体の側面に、掘削腕の上端部を揺動自在に取付けし、該掘削腕の下端部に掘削刃を取り付け、前記掘削腕の掘削刃の垂直方向の長さを、予め設定した地盤に含まれる礫の最大外径Ｄ _０の２倍以上に設定したことを特徴とする杭穴掘削ヘッドである。更に、刃先を接地した場合に、接地面と掘削刃との成す角を４０度〜６０度に設定したことを特徴とした杭穴掘削ヘッドである。

一般にいわゆる礫は、粒径２ｍｍ〜４．７５ｍｍの細礫、〜１９ｍｍの中礫、〜７５ｍｍの粗礫を含む概念であり、更に粗礫より大きな７．５〜３００ｍｍの粗石（コブル）と分類されている。前記における「礫」とは、主に１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度を想定しており、いわゆ中礫の大径のものから粗石の小径のものを含む。

また、前記における固定掘削刃の垂直方向の長さとは、ヘッド本体の下端から固定掘削刃の刃先までの長さの垂直成分をいう。

この発明は、予め事前の地盤（土質）調査等により、存在が予想される礫の最大外径に応じて、掘削刃の形状・長さを決めて掘削するので、礫の出現によっても作業を中断することなく、計画通りに掘削作業ができる。また、礫の最大寸法Ｄ_０の２倍の垂直長さに設定した掘削刃を使用した場合には、掘削ヘッドの下方に礫が位置した場合であっても、礫を跨いで、掘削刃の刃先を杭穴底面に到達させることができ、かつ他の土泥と混ぜて一緒に揚上させる等の方法で、礫を既製杭の下端部より除去できるので、掘削効率を低下させることなく、掘削を継続して、杭穴を構築できる効果がある。

従って、杭穴掘削の遅延が無くなり、杭基礎の築造工期が確実となり、安定化する。また、併せて、中心部の掘削刃（特に固定掘削刃が顕著）を中心部の掘削刃より短くすることにより、杭穴内の地盤の掘削・ほぐしが円滑になり、掘削速度も改善される。

（１）予め、ボーリング調査などにより出土が予定される礫の最大寸法Ｄ_０を決定する。

（２）掘削ヘッド１は、掘削ロッド３１との連結部５を有するロッド本体２の下端に固定掘削刃１１、１１を下方に向けて突設し、ロッド本体２に揺動自在に取り付けた掘削腕の下端に補助掘削刃２０、２０を取り付けて構成する（図１（ａ）（ｂ））。

掘削ヘッド１の固定掘削刃１０の垂直方向の長さＬ_１、補助掘削刃２０の垂直方向の長さＬ_２を、Ｄ_０に対して、
Ｌ_１＞２×Ｄ_０、Ｌ_２＞２×Ｄ_０
とする。また、補助掘削刃２０の刃先２１が接地した際に、掘削刃の裏側（掘削ヘッドが回転する際に後側に位置する側）２０ａと杭穴底面３４とが成す角θを４５度に設定する。

例えば、礫の最大直径Ｄ_０が１０ｃｍの場合、掘削刃１０、２０の垂直方向の長さを２０ｃｍとする。従って、補助掘削刃２０の実際の長さは、約３０ｃｍ（２０ｃｍ×√２）となる。

ここで、更に、軟らかい礫層の地盤では、地盤を掘り起こすことを主体にすべく、平刃の掘削刃を使用し、硬い礫層の地盤では地盤を削り取ることを主体にすべく、先を尖らせた鹿爪状（剣先形状）の掘削刃を使用する。

このようにして地質に応じて刃先形状も使い分けて、効率的な掘削をすることができる。

（３）磯が存在しても、主に固定掘削刃１０、１０により礫を一定方向に押しやり、かつ、固定掘削刃１０、補助掘削刃２０の垂直方向の長さＬ_１、Ｌ_２が礫の外径Ｄ_０より長いため、礫が掘削刃１０、２０の間に留まることなく刃先が地盤に接地でき掘削を継続できる。また、主に外周側の補助掘削刃２０により、先ず、杭穴内部に礫が混入しても、固定掘削刃により、礫は新たな掘削土と共に上層部へ揚上される等して、固定掘削刃１０、１０が連続して掘削地盤に接地でき、従来のように滞ることなく杭穴掘削が続行できる。

（４）上記設定（Ｌ＝２×Ｄ_０、θ＝４５、先端鹿爪状）で、玉石など磯まじりの硬質地盤において、その杭穴掘削工事では、磯で掘削が滞ることなく順調に杭穴造成ができ、従来のような高止まりによる掘削停止、掘削抵杭大による掘削の停滞などの施工ロスが防止できた。結果として、従来の掘削刃を使用して礫を処理した場合と比較して、２０〜３０％程度の工期遅延を解消できた。

図１〜３に基づきこの発明の掘削ヘッドの実施例を説明する。

［１］掘削ヘッド１の構成

（１）この掘削ヘッド１は、上端に掘削ロッド３１との連結部５を有するヘッド本体２の上端部の側面３、３に、回転軸６で、掘削腕１５の上端部を揺動自在に取り付けて構成する。

（２）ヘッド本体２は、四角柱状の上端部２ａに続き、下方に向けて、回転軸６方向で幅細となるように、中間部２ｂ及び下端部２ｃを形成する。下端部２ｃは回転軸６方向と直交する方向で、水平方向に膨出した膨出部７、７を形成してある。回転軸６を取付けた側の側面３、３は、中間部２ｂ及び下端部（膨出部７、７を含む）２ｃが面一に形成されている。

下端部２ｃの下面８は、掘削腕１５の揺動軌跡に沿って、下に凸となるように曲面で形成されている。下端部２ｃの下面８に固定掘削刃１０、１０を下方に向けて、掘削ロッドが回転する直径方向に沿って、突設してある。固定掘削刃１０、１０は、下方に向けて、回転軸６方向に開くように、側面視でハ字状に形成されている。固定掘削刃１０は、刃先１１まで鉛直方向の長さＬ_１で形成されている。

また、中間部２ｂの側面４と膨出部７の上面７ａとに排土翼１３が、夫々傾斜して固定されている。

（３）掘削腕１５は、回転軸６を取り付けた上端部１６、上端部１６より回転軸６、６に直角な方向で細径に形成した中間部１７、補助掘削刃２０を形成した下端部１８とからなる。中間部１６及び下端部１８は、ヘッド本体２の側面３に沿って、両掘削腕１５、１５が互いに近付くように、上端部１６に対して屈曲して形成されている。掘削腕１５の下端部１８には補助掘削刃２０が固定され、補助掘削刃２０は、両掘削腕１５、１５で、刃先２１に向けて補助掘削刃２０が互いに離れるように形成されている。即ち、両掘削腕１５、１５で、側面視で、を外側に向けて開いて、ハ字状となるように、形成されている。

補助掘削刃２０は、刃先２１が杭穴底面３４に当接した際に、杭穴底面３４と補助掘削刃２０の内側２０ａとが成す角θが４０°〜６０°で形成されている。

（４）ヘッド本体２の側面３、４に、掘削腕１５の杭穴軸部掘削時の揺動幅を制御するストッパー２５ａ、２５ｂ、掘削腕１５の杭穴拡底部掘削時の揺動幅を制御するストッパー２６ａ、２６ｂが夫々固定されている。ストッパー２５ａ、２６ａは、掘削腕１５の上端に形成された制御突起２２に当接して、またストッパー２５ｂ、２６ｂは、掘削腕１５の中間部１７に当接して、夫々掘削腕１５の揺動を制御するように配置されている。

ヘッド本体２の上端部２ａに水平方向で放射状に取り付けた棒状体は、掘削時に、掘削ヘッド１の位置合わせ等、掘削ヘッド１を持って操作する際に使用する操作棒２８、２８である。

（５）前記長さＬ_１、Ｌ_２は、事前のボーリング調査等により、掘削地盤中に含まれる礫の直径Ｄ_０に対して、
２×Ｄ_０≦Ｌ_１
２×Ｄ_０≦Ｌ_２
で形成されている（図１（ａ）（ｂ））。

また、前記固定掘削刃１０及び補助掘削刃２０の刃先１１、２１は、正面視で先端に向けて細径となり、先が尖るように、鹿爪状に形成されている。

［２］杭穴掘削方法

続いて、上記掘削ロッドを使用した杭穴掘削方法について説明する。

（１）ボーリング調査等により、掘削地盤中に含まれる最大の礫４０を設定して、直径Ｄ_０を決定する。

（２）直径Ｄ_０に基づいて、長さＬ_１、Ｌ_２を設定した固定掘削刃１０、１０、補助掘削刃１５、１５を取り付けた掘削ヘッド１を構成する。掘削ヘッド１を掘削ロッド３１の下端に連結して、通常の掘削と同様に、固定掘削刃１０、１０で杭穴底面３４を掘削しつつ、補助掘削刃２０、２０で、杭穴壁を削ぐように、杭穴３５を掘削する（図２（ａ）（ｂ））。

（３）掘削中に、杭穴底３４付近に礫４０が埋まっていた場合で、ハ字状の固定掘削刃１０、１０の間に礫４０が入ったとしても、２×Ｄ_０≦Ｌ_１、で形成されているので、固定掘削刃１０、１０の刃先１１は杭穴底３４に到達し、礫４０が絡みながらも、掘削効率に影響を与えない。

また、杭穴３５の側壁側に礫４０が存在した場合であっても、２×Ｄ_０≦Ｌ_２、で形成されているので、補助掘削刃２０の刃先２１は杭穴壁に当接して、杭穴壁を削ぎ、ほぐすことができる。

（４）また、杭穴３５内の礫は、杭穴底３４を転がりながら、掘削腕１５、１５、排土翼１３、１３により、他の掘削土と共に上方に揚土され、掘削ロッド３１の排土手段（図示していない。排土スパイラル等）により、地上に排土される。

（５）尚、固定掘削刃１０、１０に礫４０が絡んだ場合（固定掘削刃１０、１０の間に礫が挟まった場合）、であっても掘削に支障は無いが、必要ならば、掘削ヘッド１を上昇させて回転すれば、固定掘削刃１０、１０に絡んだ礫は、杭穴底面３４に落下して、前記同様に排土に従って地上に排出できる。

（６）以上のようにして、所定の深さまで掘削すれば、杭穴が完了する（図示していない）。

［３］掘削ヘッド１の他の構成

（１）前記実施例において、角度θは、４５度が最も適切であり、４０度以下では、補助掘削刃が水平に近付くと、掘削抵抗が大きくなり過ぎ、更に、掘削刃の水平方向の長さＬ_１、Ｌ_２を確保する為には、実際の掘削刃の長さを長くする必要があり、掘削刃の実際の長さを長くすると折れやすくなる。

また、角度θを６０°以上にすると、掘削刃を杭穴底面３４（地面）に差し込む状態となり、掘削刃の剛性強度が不足し易く、摩耗・破損が激しくなる。

（２）前記実施例において、補助掘削刃２０、２０は、全部を長さＬ_２に設定したが、掘削腕１５を揺動した際に、最も外側に位置する補助掘削刃２０Ａのみを長さＬ_１で形成し、他の補助掘削刃２０はそれより短く、従来と同様の長さで形成することもできる（図３）。

続いて、図３、４に基づき他の掘削ヘッドの実施例について説明する。

［１］掘削ロッド１の構成

（１）この掘削ヘッド４２は、上端に掘削ロッド３１との連結部５を有し、外周に排土用のスパイラル４４、４４を形成したヘッド本体４３の下端に固定掘削刃１０、１０を下方に向けて突設して構成する（図４）。

。

（２）固定掘削刃１０、１０は、ヘッド本体４３の直径方向に沿って並べられ、最も外周側に位置する固定掘削刃１０Ａ、１０Ａの垂直方向の長さは、Ｌ_１１で形成され、中心側の固定掘削刃１０Ｃ、１０ＣはＬ_１３、中間の固定掘削刃１０Ｂ、１０ＢはＬ_１２で形成され、
Ｌ_１３＜Ｌ_１２＜Ｌ_１１
で、各刃先１１、１１が直線上に並ぶように形成されている。

また、前記長さＬ_１１は、事前のボーリング調査等により、掘削地盤中に含まれる礫の直径Ｄ_０に対して、
２×Ｄ_０≦Ｌ_１１
となるように形成されている（図４（ｂ））。

（３）また、固定掘削刃１０の各刃先１１が杭穴底面３４に当接した状態で、刃先１１の裏側（回転させた場合に掘削刃が後側に位置する側）１２と杭穴底面３４とが成す角θを４５度に設定してある（図４（ｂ））。

［２］杭穴掘削方法

（１）実施例１と同様に、ボーリング調査等により、掘削地盤中に含まれる最大の礫４０を設定して、直径Ｄ_０を決定する。

（２）直径Ｄ_０に基づいて、固定掘削刃１０Ａの長さＬ_１１を設定し、これに従って、順次短くなるように、固定掘削刃１０Ｂ（長さＬ_１２）、１０Ｃ（長さＬ_１３）を設定し、掘削ヘッド４２を構成する。掘削ヘッド４２を掘削ロッド３１の下端に連結して、通常の掘削と同様に、固定掘削刃１０、１０で杭穴底面３４を掘削しつつ、スパイラルで掘削土を揚土する（図４（ａ））。

（３）掘削中に、杭穴底３４付近に礫４０が埋まっていた場合、固定掘削刃が角θ４５度で形成されているので、埋まっている礫４０を引出し易く、礫が固定掘削刃の間に絡み難い。また、固定掘削刃１０、１０の間に礫が絡んだ場合であっても、
２×Ｄ_０≦Ｌ_１１
で形成されているので、固定掘削刃１０、１０の刃先１１は難なく杭穴底面３４に到達するので、掘削効率に影響を与えない。

（４）更に加えて、固定掘削刃１０を、杭穴の最外周部より、中心に向けて、１０Ａ（長さＬ_１１）、１０Ｂ（長さＬ_１２）、１０Ｃ（長さＬ_１３）へと順次短くすることにより、新たな掘削方法採用し、掘削効率も改良している。即ち、杭穴の周辺部から中心部に向けて、順次杭穴底面３４を掘削をしながら掘削土をほぐす、という掘削方法である。

（５）従って、杭穴３５内の礫は、スパイラル４４で他の掘削土と共に、容易に上方に揚土され、掘削ロッド３１の排土手段（図示していない。排土スパイラル等）により、地上にも排土される。

［３］他の構成

（１）前記実施例において、固定掘削刃１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの長さは、Ｌ_１１、Ｌ_１２、Ｌ_１３としたが、最も外周に位置する固定掘削刃１０ＡのみをＬ_１１で形成すれば、他の固定掘削刃１０Ｂ、１０Ｃの長さは任意とすることもできる（図５）。

（２）また、前記実施例において、角度θを４５度としたので、最も材料との関係で、最も効率的に長さＬ_１１を確保できるが、角度θは４０〜６０度程度で形成することもできる（図示していない）。

この発明の実施例で、掘削腕を有する掘削ヘッドで、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。同じく、掘削腕の作動を表す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。同じく他の実施例の正面図である。この発明の実施例で、排土用スパイラルを有する掘削ヘッドで、（ａ）は正面図、（ｂ）は固定掘削刃の側面図を表す。同じく他の実施例の正面図である。

符号の説明

１掘削ヘッド
２ヘッド本体
５連結部
６回転軸
８下端面
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ固定掘削刃
１０Ａ外周側に位置する固定掘削刃
１１固定掘削刃の刃先
１２固定掘削刃の裏側
１５掘削腕
２０補助掘削刃
２０Ａ軸部掘削時外側に位置する補助掘削刃
２１補助掘削刃の刃先
２５ａ、２５ｂストッパー
２６ａ、２６ｂストッパー
３１掘削ロッド
３４杭穴底面
３５杭穴
３６杭穴軸部
３７杭穴拡底部
４０礫
４２掘削ヘッド
４３ヘッド本体
４４スパイラル

Claims

以下の手順をとることを特徴とする杭穴掘削方法。
（１）地盤データの基づき、予め予想される礫の最大外径Ｄ_０に対応して、固定掘削刃の形状及び／又は長さを決めた掘削ヘッドを選択する。
（２）前記掘削ヘッドを回転して、杭穴を掘削する。
（３）地盤から前記杭穴内に出現した礫を、前記固定掘削刃で、杭穴の中心側に寄せながら、前記礫を杭穴底付近に転がしながら、あるいは、前記礫を上方へ揚土して前記固定掘削刃の刃先を杭穴底に到達させて、杭穴掘削をする。
礫の最大外径Ｄ_０に対して、固定掘削刃の垂直方向の長さを２×Ｄ_０より大きく形成し、固定掘削刃の刃先が杭穴底面に当接した際に、杭穴底面と固定掘削刃とが成す角度を４０〜６０度としたことを特徴とする請求項１記載の杭穴掘削方法。
掘削ロッドに連結する連結部を有するヘッド本体の下端に、杭穴の直径方向に沿って複数の固定掘削刃を下方に向けて突設してなる掘削ヘッドにおいて、
前記固定掘削刃の刃先は、少なくとも外周側に位置する固定掘削刃の垂直方向の長さを、予め設定した地盤に含まれる礫の最大外径Ｄ_０の２倍以上に設定したことを特徴とする杭穴掘削ヘッド。
杭穴の中心側の固定掘削刃の長さを外周側の固定掘削刃の長さより短く形成し、中間部の固定掘削刃の刃先を外周側の固定掘削刃の長さと中心側の固定掘削刃の長さの中間長さに形成したことを特徴とした請求項３記載の杭穴掘削ヘッド。
ヘッド本体の側面に、掘削腕の上端部を揺動自在に取付けし、該掘削腕の下端部に掘削刃を取り付け、
前記掘削腕の掘削刃の垂直方向の長さを、予め設定した地盤に含まれる礫の最大外径Ｄ _０の２倍以上に設定したことを特徴とする請求項３又は４記載の杭穴掘削ヘッド。
刃先を接地した場合に、接地面と掘削刃との成す角を４０度〜６０度に設定したことを特徴とした請求項５記載の杭穴掘削ヘッド。