JP4608440B2

JP4608440B2 - 掘削機のねじれ管理装置

Info

Publication number: JP4608440B2
Application number: JP2006012021A
Authority: JP
Inventors: 不二夫伊藤; 淳一古川; 芳輝藤川
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP2007191952A

Description

本発明は、主としてＣＳＭ工法に適用される掘削機のねじれ管理装置に関する。

地盤を掘削する掘削機のうち、ＣＳＭ（Cutter Soil Mixing）工法に用いられる掘削機（以下、ＣＳＭ掘削機）は、２つのカッタードラムを水平多軸式となるように離間配置するとともに該２つのカッタードラムの間にセメントミルクを吐出する吐出管を配置してなり、連設された２つのカッタードラムを互いに逆方向に回転させることで掘削土砂を掘削機の両側方に逃がして地盤を掘り下げるとともに吐出管からセメントミルクを吐出することにより、掘削土砂とセメントミルクとをカッタードラムで攪拌混合して地盤内にソイルセメント壁体を構築できるようになっている。

ＣＳＭ掘削機は、ベースマシンに昇降自在に取り付けられたケリーバーの下端に取り付けて使用するのが一般的であり、所定の平面位置にてケリーバーを昇降させることで、例えば２ｍ×０．５ｍ程度の水平断面を有する１スパン分のソイルセメント壁体を地盤内に構築することができるとともに、かかる作業を、ベースマシンの移動あるいは旋回によって掘削水平位置を移動しながら次々に繰り返し行うことにより、地盤内に所望の連続壁を構築することができる。

ここで、ベースマシンのリーダーにはケリーバーガイドが昇降自在にかつ上下二段に取り付けられており、ＣＳＭ掘削機を吊持するケリーバーは、かかるケリーバーガイドを介して上記リーダーに取り付けられている。

そのため、リーダーの鉛直精度を確保することによって、ＣＳＭ掘削機の姿勢についても、ある程度確保することはできるが、例えば地盤剛性が不均一になると、孔壁から不均一な反力を受けて傾斜し、ひいてはソイルセメント壁体の連続性が維持できなくなって連続壁全体の止水性を確保できなくなる。

したがって、ＣＳＭ工法によって地盤内に連続壁を構築するにあたっては、ＣＳＭ掘削機の姿勢を傾斜計で計測しながら行うことが必要不可欠であった。

特開平５−１５６８８２特開平８−３３３９８２

しかしながら、ケリーバーガイドで回転拘束されているケリーバー及びＣＳＭ掘削機も、孔壁からの反力によっては、鉛直軸線廻りに回転する、すなわち、ねじれが生じてしまい、その傾向は掘削深度が深くなるにつれて顕著となる。

加えて、ＣＳＭ掘削機にねじれが生じると、傾斜計によって計測された二方向の傾斜データは、ねじれ角が特定できないために全く意味をなさなくなり、ＣＳＭ掘削機の姿勢を把握することがもはや不可能になるという問題を生じていた。

そして、かかる問題は、多数のソイルセメント壁体からなる連続壁の連続性ひいては止水性を確保できないという事態を招き、ＣＳＭ工法の信頼性に関わる大きな課題ともなっていた。

一方、掘削機の姿勢計測手段としては例えば光ジャイロ方式が広く知られているが、衝撃や振動に弱くコストも要するという欠点があり、加えてデータ分析に時間がかかるという欠点もある。

また、ワイヤー計測法も知られているが、攪拌土砂の粘性が高いため、ワイヤーを真っ直ぐに張ることができず、精度の確保が困難である。

そのため、耐衝撃性、耐振動性、即時性及び経済性に優れ、なおかつ鉛直軸線廻りの回転、すなわちねじれに対する正確な計測が可能な計測方法の開発が待たれていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、耐衝撃性、耐振動性、即時性及び経済性に優れ、なおかつ鉛直軸線廻りの回転、すなわちねじれに対する正確な計測が可能な掘削機のねじれ管理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る掘削機のねじれ管理装置は請求項１に記載したように、ベースマシンのリーダーに上下二段に装着され少なくとも上段が昇降自在となるように装着された一対の取付け用ガイドに保持されるロッド状昇降体と、該ロッド状昇降体の下端に剛接された長尺状のねじれ角計測用中空体と、該ねじれ角計測用中空体の下端に剛接された掘削機と、前記ねじれ角計測用中空体の内部空間上方に設置された回転角検出手段と、該回転角検出手段の回転軸に上端が連結され下端が前記ねじれ角計測用中空体の底部に固着された計測ロッドとからなるものである。

また、本発明に係る掘削機のねじれ管理装置は、前記ねじれ角計測用中空体の底部にパイプ状のロッドガードを立設するとともに、該ロッドガードと接触しないように前記計測ロッドを前記ロッドガード内に立設したものである。

本発明に係る掘削機のねじれ管理装置においては、ケリーバー等のロッド状昇降体と掘削機との間に、長尺状のねじれ角計測用中空体を介在させ、その上下端をロッド状昇降体の下端と掘削機とにそれぞれ剛接してあり、ねじれ角計測用中空体の内部空間上方には回転角検出手段を設置し、該回転角検出手段の回転軸に計測ロッドの上端を連結し、下端を、ねじれ角計測用中空体の底部に固着してある。

このようにすると、ロッド状昇降体を吊り降ろしながら地盤掘削を行う際、掘削機にねじれ変形を生ぜしめるトルクが該掘削機に作用したとき、そのトルクは、ねじれ角計測用中空体及びロッド状昇降体を介して伝達し、ケリーバーガイド等の取付け用ガイドのうち、下段の取付け用ガイドによる回転拘束という形で、該取付け用ガイドから反力を受け、上述したトルクは釣り合う。

これをねじれ変形で見ると、回転拘束された下段の取付け用ガイドの高さ位置（以下、上部基準点）では、ねじれ変形がゼロとなり、深さ方向に沿ってねじれ変形が大きくなり、掘削機でそのねじれ変形は最大となる。

ここで、上述したトルクがねじれ角計測用中空体にも当然作用しているため、該ねじれ角計測用中空体の上端と下端との間に相対的なねじれ変形が生じ、その相対ねじれ変形により、ねじれ角計測用中空体の底部（以下、下部基準点）に固着された計測ロッドが回転する。

そのため、その計測ロッドの回転量を回転角検出手段で検出することにより、ねじれ角計測用中空体に生じている相対ねじれ変形、具体的には回転角検出手段が設置された位置（以下、中間基準点）から下部基準点までの相対ねじれ変形φ₁を知ることができる。

次に、中間基準点から下部基準点までのねじれ剛性をＫ₁、上部基準点から中間基準点までのねじれ剛性をＫ₂とすると、トルク一定であることから、上部基準点から中間基準点までのねじれ変形φ₂を、次式で求めることができる。すなわち、

Ｋ₂φ₂＝Ｋ₁φ₁

φ₂＝Ｋ₁φ₁／Ｋ₂

よって、上部基準点から下部基準点までのねじれ変形、すなわち掘削機のねじれ変形φは、以下の式から求めることができる。すなわち、

φ＝φ₁＋φ₂

＝（１＋Ｋ₁／Ｋ₂）φ₁

以下、本発明に係る掘削機のねじれ管理装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る掘削機のねじれ管理装置の使用状況を示した全体図、図２は同じく正面図である。

これらの図でわかるように、本実施形態に係るねじれ管理装置１は、ロッド状昇降体としてのケリーバー２と、該ケリーバーの下端に剛接された長尺状のねじれ角計測用中空体３と、該ねじれ角計測用中空体の下端に剛接されたＣＳＭ掘削機４とを備える。

ねじれ角計測用中空体３は、ケリーバー２と同様、例えばボックス断面をなす鋼管で構成することが可能であり、ケリーバー２とは溶接や高力ボルト等、公知の手段で適宜剛接すればよい。

ここで、ベースマシン７のリーダー８には、一対の取付け用ガイド９ａ，９ｂを上下二段に装着してあるとともに、上段の取付け用ガイド９ａは、昇降自在にリーダー８に装着してあり、ケリーバー２は、かかる取付け用ガイド９ａ，９ｂを介してリーダー８に保持されている。

本実施形態に係るねじれ管理装置１はさらに、ねじれ角計測用中空体３の内部空間上方に設置された回転角検出手段としてのロータリーエンコーダ５と、ねじれ角計測用中空体３とほぼ同軸に配置された計測ロッド６とを備えており、計測ロッド６は図３に示すように、下端をねじれ角計測用中空体３の底部に固着してあるとともに、上端をロータリーエンコーダ５の回転軸に連結してある。

ロータリーエンコーダ５は、ねじれ角計測用中空体３の中空内部に設けられた貫通孔１２を有する矩形仕切板１３に設置してあり、貫通孔１２には、図示しないケーブル類やホース類を挿通してある。また、ねじれ角計測用中空体３の底部には、パイプ状のロッドガード１１を立設してあり、計測ロッド６は、このロッドガード１１と触れないようにほぼ同軸状に該ロッドガード内に立設してあり、かかる構成により、計測ロッド６とケーブル類やホース類との接触を防止することができる。

計測ロッド６は、後述するようにＣＳＭ掘削機４からトルクが作用することはないので、鋼、プラスチックなど、その材質を適宜選択することができる。

ＣＳＭ掘削機４を用いて地盤を掘削しながらソイルセメント壁体を構築するには、ベースマシン７の吊持ワイヤーを巻き出しながら、ＣＳＭ掘削機４をその重量によってケリーバー２及びねじれ角計測用中空体３とともに吊り降ろしつつ、２つのカッタードラムで地盤を掘削するとともに、図示しない吐出管を介してセメントミルクを吐出し掘削土砂とともに攪拌混合してソイルセメント壁体を構築するが、かかる手順については既に公知であるので、詳細な説明については省略する。

本実施形態に係る掘削機のねじれ管理装置１においては、ケリーバー２とＣＳＭ掘削機４との間にねじれ角計測用中空体３を介在させ、その上下端をケリーバー２の下端とＣＳＭ掘削機４とにそれぞれ剛接してあり、ねじれ角計測用中空体３の内部空間上方にはロータリーエンコーダ５を設置し、該ロータリーエンコーダの回転軸に計測ロッド６の上端を連結し、下端をねじれ角計測用中空体３の底部に固着してある。

そのため、ケリーバー２を吊り降ろしながら地盤掘削を行う際、ＣＳＭ掘削機４にねじれ変形を生ぜしめるトルクＴが該ＣＳＭ掘削機に作用したとき、図４に示すように、そのトルクＴは、ねじれ角計測用中空体３及びケリーバー２を介して伝達し、下段の取付け用ガイド９ｂによる回転拘束という形で、該取付け用ガイドから反力を受け、上述したトルクＴは釣り合う。

これをねじれ変形で見ると、回転拘束された下段の取付け用ガイド９ｂの高さ位置（以下、上部基準点）では、ねじれ変形がゼロとなり、深さ方向に沿ってねじれ変形が大きくなり、ＣＳＭ掘削機４でそのねじれ変形φは最大となる。

ここで、上述したトルクＴがねじれ角計測用中空体３にも当然作用しているため、該ねじれ角計測用中空体の上端と下端との間に相対的なねじれ変形φ₁が生じるが、計測ロッド６は、その下端がねじれ角計測用中空体３の底部（以下、下部基準点）に固定されているだけなので、該計測ロッドにはトルクが作用せず、したがって、計測ロッド６にはねじれが生じない。

そのため、ロータリーエンコーダ５で検出された計測ロッド６の回転量は、ロータリーエンコーダ５と計測ロッド６との相対回転量、すなわち、ねじれ角計測用中空体３に生じている相対ねじれ変形φ₁となり、具体的にはロータリーエンコーダ５が設置された位置（以下、中間基準点）から下部基準点までの相対ねじれ変形φ₁となる。

なお、ロータリーエンコーダ５からの出力信号を用いて回転量を演算する演算手段は公知であり、例えばロータリーエンコーダ５から出力されるパルス信号をカウントするデジタルカウンタを用いればよい。

次に、中間基準点から下部基準点までのねじれ剛性をＫ₁、上部基準点から中間基準点までのねじれ剛性をＫ₂とすると、トルクＴは一定であることから、上部基準点から中間基準点までのねじれ変形φ₂を、次式で求めることができる。すなわち、

Ｋ₂φ₂＝Ｋ₁φ₁

φ₂＝Ｋ₁φ₁／Ｋ₂

よって、上部基準点から下部基準点までのねじれ変形、すなわちＣＳＭ掘削機４のねじれ変形φは、以下の式から求めることができる。すなわち、

φ＝φ₁＋φ₂

＝（１＋Ｋ₁／Ｋ₂）φ₁

図５は、相対ねじれ変形φ₁、相対ねじれ変形φ₂及びＣＳＭ掘削機のねじれ変形φを水平断面で示した図である。

以上説明したように、本実施形態に係る掘削機のねじれ管理装置１によれば、ケリーバー２とＣＳＭ掘削機４との間にねじれ角計測用中空体３を介在させ、その上下端をケリーバー２の下端とＣＳＭ掘削機４とにそれぞれ剛接するとともに、ねじれ角計測用中空体３の内部空間上方にロータリーエンコーダ５を設置し、該ロータリーエンコーダの回転軸に計測ロッド６の上端を連結して、下端をねじれ角計測用中空体３の底部に固着するようにしたので、ＣＳＭ掘削機４のねじれ変形φを、ロータリーエンコーダ５から得られる相対ねじれ変形φ₁から求めることができる。

そのため、ＣＳＭ掘削機４に装備されている二方向の傾斜計の出力値と合わせれば、ＣＳＭ掘削機４の姿勢を三次元座標で正確に把握することが可能となり、ソイルセメント壁体同士の接合不良を未然に防止し、連続壁の連続性、ひいては連続壁の止水性を確保することができる。

なお、ＣＳＭ掘削機４のねじれ量φ及び二方向の傾斜量からＣＳＭ掘削機４の姿勢を求める方法については、初歩的な幾何学の問題であるので、ここではその説明を省略する。

本実施形態では、掘削機をＣＳＭ掘削機としたが、本発明はかかる掘削機に限定されるものではなく、通常、ケリーバーのようなロッド状昇降体の下端に接合して用いる掘削機であれば、どのような掘削機にも本発明の適用が可能である。例えば、ＳＭＷ工法で用いる掘削機にも適用可能である。

また、本実施形態では、ロッド状昇降体であるケリーバー２を取付け用ガイド９ａ，９ｂを介してリーダー８に保持するように構成したが、本発明の取付け用ガイドは、ベースマシンのリーダーに上下二段に装着され少なくとも上段が昇降自在となるように装着されたものであればよく、必ずしも個数が二個に限定されるものではない。

例えば、ロッド状昇降体が長い場合、リーダーに３つ以上の取付け用ガイドを装着する必要が生じることがある。かかる場合においては、それらのうち、任意の２つをそれぞれ、本発明でいうところの下段の取付け用ガイド、上段の取付け用ガイドとすることができる。

ここで、本発明でいうところの下段の取付け用ガイドよりも下方に装着された取付け用ガイドが存在する場合には、それらの取付け用ガイドがロッド状昇降体のねじれを拘束しないように構成しておき、本発明でいうところの上段の取付け用ガイドよりも上方や下段の取付け用ガイドとの中間に装着された取付け用ガイドが存在する場合には、それらの取付け用ガイドが上段の取付け用ガイドの昇降動作を妨げないように構成しておけばよい。

本実施形態に係る掘削機のねじれ管理装置の設置状況を示した全体図。同じく正面図。ロータリーエンコーダ５周辺の詳細図。本実施形態の作用を示す斜視図。同じく本実施形態の作用を示す断面図。

符号の説明

１掘削機のねじれ管理装置
２ケリーバー（ロッド状昇降体）
３ねじれ角計測用中空体
４ＣＳＭ掘削機（掘削機）
５ロータリーエンコーダ（回転角検出手段）
６計測ロッド
９ａ，９ｂ取付け用ガイド
１１ロッドガード

Claims

ベースマシンのリーダーに上下二段に装着され少なくとも上段が昇降自在となるように装着された一対の取付け用ガイドに保持されるロッド状昇降体と、該ロッド状昇降体の下端に剛接された長尺状のねじれ角計測用中空体と、該ねじれ角計測用中空体の下端に剛接された掘削機と、前記ねじれ角計測用中空体の内部空間上方に設置された回転角検出手段と、該回転角検出手段の回転軸に上端が連結され下端が前記ねじれ角計測用中空体の底部に固着された計測ロッドとからなることを特徴とする掘削機のねじれ管理装置。
前記ねじれ角計測用中空体の底部にパイプ状のロッドガードを立設するとともに、該ロッドガードと接触しないように前記計測ロッドを前記ロッドガード内に立設した請求項１記載の掘削機のねじれ管理装置。