JP4692883B2 - ロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査工法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、サンプラの貫入速度を測定して、地盤の強度と関連づけることができるロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査工法及び装置に関する。

地盤の強度を調査する方法に標準貫入試験がある。これは地上にやぐらを組み、滑車で吊り上げた６３．５ｋｇのおもりを７５ｃｍの高さで自由落下させ、ロッドパイプに装着されたノッキングヘッドを打撃し、ロッドパイプの他端に取り付けられたサンプラを地盤に貫入させるものである。筒状のサンプラにコアを採取することができる。ここで、サンプラが３０ｃｍ貫入するのに要した打撃回数をＮ値と呼んで、地盤の強度を表す数値としている。通常、標準貫入試験は、ボーリング調査と同時に行なわれ、例えば深度１ｍ毎に貫入抵抗の調査とコア採取を行なっている。

Ｎ値の具体例を上げると、打撃回数が２５回で貫入が３０ｃｍの場合、Ｎ値は２５である。打撃回数が２回で貫入が５０ｃｍの場合、Ｎ値は１．２（＝（２／５０）×３０）である。打撃回数が５０回に達すると打止めで、打撃回数が５０回の時に貫入が２０ｃｍの場合、Ｎ値は７５（＝（５０／２０）×３０）である。一般に、Ｎ値が１０以下は軟弱な地盤とされる。また、５０以上のＮ値が５ｍに渡って連続する場合、支持地盤などとされる。

ビルを建設する場合、地盤調査は地下１５０ｍにも達する。そのため標準貫入試験は、打撃を１回づつ行ない、サンプラを地上に回収するためにロッドパイプを毎回引き抜く。引き抜き時は、ロッドパイプを所定の長さ引き抜く毎にねじによるロッドパイプの連結を解除しなくてはならない。また、ロッドパイプを掘削孔に挿入時は、所定の長さ挿入する毎にロッドパイプの連結作業が生じる。このように標準貫入試験は、手間のかかる作業であるため、これに代わる高速の地盤調査工法及び装置が求められている。

本出願人は、特許文献１に示すように、地盤調査技術の１つとして、ロータリーパーカッションドリルを利用したパーカッションワイヤラインサンプリング装置を提案した。このパーカッションワイヤラインサンプリング装置は、ロッドパイプの先にアウターチューブとインナーチューブからなる２重管構造のアセンブリが設けられ、各チューブの先端に設けられた掘削ビットで掘進しながら、インナーチューブにコアを採取する。一定深さを掘進する毎に、コアが採取されたインナーチューブをロッドパイプに通したワイヤラインで引き上げる。この時ロッドパイプは引き抜く必要がないので、地盤のサンプルであるコアを効率よく採取することができる。しかし、地盤の強度については、採取したコアの土質解析から推定するしかなかった。
特開平５−２６３５８２号公報

本発明の目的は、地盤の強度測定とコアの収集を効率よく行なうことができる地盤調査工法及び装置を提供することにある。

本発明によるロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査工法は、回転と打撃力とスラスト力を加えて一定の深さを掘削する毎に、インナーチューブをワイヤラインで地上に引き上げ、インナーチューブに取り付けられたインナービットをサンプラに交換する段階と、アウタービットが掘削孔の底部から離れるようにアウターチューブをサンプラの長さ分だけ上昇させる段階と、ワイヤラインを降ろしてサンプラを取り付けたインナーチューブをアウターチューブに装着し、サンプラをアウターチューブから突出させて、サンプラの先端を掘削孔の底部に接触させる段階と、ロータリーパーカッションドリルの駆動部から、回転を伴わずに打撃力とスラスト力をサンプラに加えて地層に貫入させる段階と、サンプラが地盤に貫入する貫入速度を計測する段階と、一定の貫入深さになると、ワイヤラインでサンプラを取り付けたインナーチューブを引き上げてコアを採取する段階と、目標の深さに達した場合は終了とし、目標の深さに達しない場合は、インナーチューブにインナービットを取り付けアウターチューブに装着して掘削を行なうか否かを判断する段階と、が備えられることを特徴とする。

本発明によるロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査装置は、一端がロッドパイプに連結され他端がアウタービットに連結されるアウターチューブと、一端がワイヤラインに連結され他端がインナービットに連結されるインナーチューブからなる掘削アセンブリと、前記インナーチュウーブの前記インナービットと交換可能に取り付けられるコア採取用のサンプラと、前記掘削アセンブリに前記サンプラが取り付けられた状態では、前記サンプラに所定のスラスト力及び所定の連続した打撃力を作用させる駆動部と、前記スラスト力及び打撃力を作用させた時に、前記サンプラが地盤に貫入する速度を測定する貫入速度測定手段とが設けられたことを特徴とする。

前記地盤調査装置には、オペレータの指示を受けて前記駆動部を起動し、起動した後の停止は、前記貫入速度測定手段で得られる前記サンプラの貫入距離が、所定の距離に達したことで行なう制御手段が設けられることが好ましい。

本発明による請求項１と請求項２に記載のロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査工法及び装置によれば、（１）掘削時は、ロータリーパーカッションドリルの強力な回転力と打撃力とスラスト力で掘進するから早い。（２）また、コア採取時は、インナービットをサンプラに交換し、標準貫入試験と同じように、サンプラを地盤に貫入させる試験とすることができる。（３）サンプラには、所定のスラスト力と、所定の連続した打撃力を加えるのでサンプラの貫入操作が１回で済む。（４）サンプラの貫入速度を測定し、これを地盤の強度と関連づける指標とすることができる。

請求項３によれば、スラスト力と打撃力を加える駆動部の停止を、貫入速度測定手段で得られるサンプラの貫入距離で行なうようにした制御手段を設けたので、目測の貫入量で駆動部を停止させる場合に生じるオーバーランがない。

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による地盤調査工法で使用するロータリーパーカッションドリルの構造図である。ロータリーパーカッションドリル１００は、自走式の台車（クローラ）６０に搭載され、後方に油圧発生装置を含むディーゼルエンジン５５が備えられる。前方にアーム５０があって、その前方側面にドリルヘッド２０がスライド可能に取り付けられる。ドリルヘッド２０は、ロッドパイプ３が取り付けられ、クランプ部３２で支持される。ロッドパイプ３の先端にはビットを有する掘削アセンブリ４０が設けられ掘進する。ドリルヘッド２０は、油圧モータ３０の回転がチェーン３１に伝達され下方に押し下げられる。これによりロッドパイプ３にスラスト力が加えられる。また、油圧モータ３０を逆回転してチェーン３１を反対に回し、ロッドパイプ３を地中から引き抜く。油圧モータ３０とチェーン３１がスラスト力の駆動部となっている。

ドリルヘッド２０は、ロッドパイプ３に打撃力を加える油圧ピストン２５と、ロッドパイプ３に回転を与える、図面手前側と奥側に設けられた２つの油圧モータ２６からなる。油圧ピストン２５は、シリンダ（図示せず）に装着されたもので、油圧ピストン２５の上部のシリンダ室に油圧がかかると、油圧ピストン２５は下方に押し下げられ、下部のシリンダ室に油圧がかかると、油圧ピストン２５は上方に押し上げられる。この動作を油圧バルブの切り替えによって高速に行ない、連続的な打撃力を生成する。すなわち、油圧ピストン２５が打撃力を作り出す駆動部で、油圧モータ２６が回転力を作り出す駆動部となっている。

通常、ロッドパイプ３は１．５ｍ掘削される毎に継ぎ足される。このロッドパイプ３の地中側の一端には、掘削アセンブリ４０が設けられる。掘削アセンブリ４０には、図３、図４で後述するように、アウタービット５とインナービット６からなる掘削ビットからなり、インナービット６はサンプラ７に交換して装着される。計測手段３５は、ドリルヘッド２０とクランプ部３２の距離を一定時間間隔でサンプリングする。この距離は、掘削ビットまたはサンプラ７の掘削／貫入の深さを表すものである。単位時間当たりの貫入深さを貫入速度として、制御手段３６に表示する。サンプラの３０ｃｍの貫入にかかった平均速度をＰ値と呼ぶ。Ｐはパーカッションの頭文字である。

図２に、制御手段と駆動部とサンプラと測定手段の関係を示す。コアのサンプリングと同時にサンプラの貫入速度を測定するのがポイントになっている。

大型のロータリーパーカッションドリルでは、打撃数が２２００回／分、打撃エネルギーが７５０Ｊ（７５ｋｇｆ−ｍ）、スラストが６０ｋＮ（６０００ｋｇｆ）、回転数が４０〜８０ｒｐｍ、回転トルクが８ｋＮ−ｍなどとなっている。このようなロータリーパーカッションドリルの駆動部から、掘削時は、ロッドパイプ３にスラスト、打撃、回転を加え、コア採取時は、所定の条件で打撃とスラストを加える。コア採取時には回転を加えないから測定条件が簡単化される。Ｐ値は、サンプラが所定の深さ地盤に貫入するときの貫入速度であり、地盤が硬いならＰ値は小さく、地盤が柔らかいならＰ値は大きいと関連づけることができる。Ｐ値は、地盤の強さを表す指標とすることができる。

ロータリーパーカッションドリル１００の打撃数を３００回／分に設定した場合、打撃は５回／秒、あるいは１回／２００ｍｓとなる。例として、１００ｍｓ毎にサンプリングするなら、３０ｃｍの深さに至る間に、どのように貫入速度が変化したかを知ることができる。スラスト力は油圧によって調節できる。標準貫入試験と比較して、ロータリーパーカッションドリルを使用した試験は、スラスト力と連続的した打撃力に特徴がある。

単位時間毎の貫入深さを測定し、貫入の深さが３０ｃｍに達するまでの時間をＡ秒とすると、貫入速度であるＰ値は、Ｐ＝３０／Ａ（ｃｍ／ｓ）となる。打撃力の強さと周期、スラスト力の強さは、ロータリーパーカッションドリルの機種によらず所定の値に統一しておくことが望ましい。

図３は、掘削アセンブリの断面図である。掘削アセンブリ４０は、外側はアウターチューブ１、内側はインナーチューブ２の二重管構造である。アウターチューブ１は、一端がロッドパイプ３に連結され、他端がアウタービット５に連結される。インナーチューブ２は、一端がワイヤライン４のオーバーショット２１に連結され、他端がインナービット６に連結される。ロッドパイプ３を介して、打撃力、回転力、スラスト力がアウタービット５とインナービット６に伝えられて掘削が進められる。一定の掘削が進む毎に、インナーチューブ２はワイヤライン４で地上に引き上げられ、インナービット６がサンプラ７に交換される。

インナーチューブ２のアウターチューブ１への装着は、インナーチューブ２に設けられた突出板８が、バネの力で拡径され、アウターチューブ１の嵌合溝１０に嵌め込まれることによる。この状態で、アウターチューブ１がロッドパイプ３からの力を受けて掘進すると、インナーチューブ２も掘進される。インナーチューブ２のアウターチューブ１からの脱着は、ワイヤライン４を引っ張り上げることによって、まずインナーチューブ上部２ａが地上方向に動き、これによってインナーチューブ上部２ａが突出板８を縮径させるので、突出板８がアウターチューブ１の嵌合溝１０から外れることによる。

図４は、インナーチューブにサンプラが取り付けられた場合の断面図である。サンプラ７は、アウターチューブ１の先端からさらに突出するように、インナーチューブ２に取り付けられる。

図５は、アウターチューブの断面図である。図面左側のアウターチューブ１の一端（下部）には、アウタービット５と連結するためのネジ１２が設けられる。他端（上部）には、ロッドパイプ３と連結のネジ１１が設けられる。中央付近には、突出板８と嵌合する嵌合溝１０が設けられる。

図６は、インナーチューブの断面図である。ロック用突出板８付近の断面は省略している。図面左側のインナーチューブ２の一端（下部）には、インナービット６（２点鎖線で示す）またはサンプラ７が取り付けられ、そのためのネジ１３が設けられる。他端（上部）には、オーバーショット２１に嵌合するスピアヘッド９が設けられる。インナーチューブ上部２ａとインナーチューブ下部２ｂは互いにスライド可能に連結される。これにより突出板８の拡径と縮径ができる。

図７、図８は詳細な部品断面図である。図７の（ａ）は、一端にネジ１８が設けられたインナービット６の断面図である。図７の（ｂ）は、一端にネジ１７が設けられたアウタービット５の断面図である。図８は、一端にネジ１９が設けられたサンプラ７の断面図である。サンプラ７は、標準貫入試験で使用するサンプラの形状に合わせて、シュー１４、スプリットバレル１５、コネクタ１６からなる。材質は、ロータリーパーカッションドリルの打撃とスラストに耐えられるものとしている。サンプラ７は、シュー１４とコネクタ１６を外すと、スプリットバレル１５が半円筒形に割れるので容易にコアを取り出すことができる。

図９は、ロータリーパーカッションドリルを使用した貫入試験の操作手順を示すフローチャートである。例えば１ｍを掘削する毎に、インナーチューブ２をワイヤライン４で地上に引き上げる。そして、インナービット６をサンプラ７に交換する。（Ｓ７０〜７３）
インナーチューブ２を引き上げた段階で、ロッドパイプ３及びアウターチューブ１をサンプラ７の長さ分だけ上昇させる。これにより、サンプラ７が取り付けられたインナーチューブ２が、アウターチューブ１に装着されると、サンプラ７の先端が、掘削孔の底部に接触するように設置できる。このようにロッドパイプ３の引き抜きを最小限にとどめ、引き抜きは、油圧モータ３０を逆回転させて行なう。（Ｓ７４〜７５）

次に、ロータリーパーカッションドリル１００の駆動部から、打撃力とスラスト力をサンプラ７に加えて、地層に貫入させる。この場合、打撃力とスラスト力は、油圧ピストン２５、油圧モータ３０の油圧が調節されて、貫入試験での所定の値になるように設定されることが好ましい。例えば油圧力を半分にすると打撃数（回／分）も半分になる。貫入試験の開始はオペレータの指示によるが、停止の指示は、目測ではオーバーランしやすいので、例えばドリルヘッド２０が３０ｃｍ下降したら停止の指示が出るようにプログラム制御されることが好ましい。（Ｓ７６）

貫入試験の間、計測手段３５によって記録されたデータから、サンプラ７の例えば３０ｃｍの貫入速度を求めることができる。計測手段のサンプリング時間は細かく刻んでおくと、詳細な速度変化がわかる。なお、貫入試験時には、油圧のデータも測定されることが好ましい。貫入速度はＰ値として扱う。（Ｓ７７）

一定の貫入深さになるか、地盤が固くて貫入が進まず一定に時間に達したような場合、操作が中止される。そして、インナーチューブ２が引き上げられ、コアが採取される。目標とする深さ、例えば１５０ｍに達していないなら、インナーチューブ２にインナービット６が再び取り付けられ、アウターチューブ１に装着され、同じ動作が繰り返される。目標の深さに達したときに、ロッドパイプ３が引き上げられ、掘削アセンブリ４０が回収される。（Ｓ７８〜８３）

本発明は、コア採取と地盤の強度測定が効率よく行なえる地盤調査工法であり、その装置としては、ロータリーパーカッションドリルに必要な装置を追加して構成したものである。

本発明による地盤調査工法で使用するロータリーパーカッションドリルの構造図である。（実施例１） 制御手段と駆動部とサンプラと測定手段の関係図である。 掘削アセンブリの断面図である。先端に掘削ビットが取り付けられている。（実施例１） インナーチューブにサンプラが取り付けられた場合の断面図である。（実施例１） アウターチューブの断面図である。（実施例１） インナーチューブの断面図である。（実施例１） （ａ）はインナービットの断面図である。（ｂ）はアウタービットの断面図である。（実施例１） サンプラの断面図である。（実施例１） 本発明によるロータリーパーカッションドリルを使用した貫入試験の操作手順を示すフローチャートである。（実施例１）

符号の説明

１ アウターチューブ
２ インナーチューブ
２ａ インナーチューブ上部
２ｂ インナーチューブ下部
３ ロッドパイプ
４ ワイヤライン
５ アウタービット
６ インナービット
７ サンプラ
８ 突出板
９ スピアヘッド
１０ 嵌合溝
１１、１２、１３ ネジ
１４ シュー
１５ スプリットバレル
１６ コネクタ
１７、１８、１９ ネジ
２０ ドリルヘッド
２１ オーバーショット
２５ 打撃用の油圧ピストン
２６ 回転用の油圧モータ
３０ スラスト用の油圧モータ
３１ チェーン
３２ クランプ部
３５ 計測手段
３６ 制御手段
４０ 掘削アセンブリ
５０ アーム
５５ ディーゼルエンジン
６０ クローラ
Ｓ７０〜Ｓ８３ 手順
１００ ロータリーパーカッションドリル

Claims (3)

1. 回転と打撃力とスラスト力を加えて一定の深さを掘削する毎に、インナーチューブをワイヤラインで地上に引き上げ、インナーチューブに取り付けられたインナービットをサンプラに交換する段階と、
   掘削孔の底部から離れるようにアウターチューブをサンプラの長さ分だけ上昇させる段階と、
   ワイヤラインを降ろしてサンプラを取り付けたインナーチューブをアウターチューブに装着し、サンプラをアウターチューブから突出させて、サンプラの先端を掘削孔の底部に接触させる段階と、
   ロータリーパーカッションドリルの駆動部から、回転を伴わずに打撃力とスラスト力をサンプラに加えて地層に貫入させる段階と、
   サンプラが地盤に貫入する貫入速度を計測する段階と、
   一定の貫入深さになると、ワイヤラインでサンプラを取り付けたインナーチューブを引き上げてコアを採取する段階と、
   目標の深さに達した場合は終了とし、目標の深さに達しない場合は、インナーチューブにインナービットを取り付けアウターチューブに装着して掘削を行なうか否かを判断する段階と、が備えられることを特徴とするロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査工法。
   
2. 一端がロッドパイプに連結され他端がアウタービットに連結されるアウターチューブと、一端がワイヤラインに連結され他端がインナービットに連結されるインナーチューブからなる掘削アセンブリと、
   前記インナーチューブの前記インナービットと交換可能に取り付けられるコア採取用のサンプラと、
   前記掘削アセンブリに前記サンプラを取り付けた状態では、前記サンプラに所定のスラスト力及び所定の連続した打撃力を作用させる駆動部と、
   前記スラスト力及び打撃力を作用させた時に、前記サンプラが地盤に貫入する速度を測定する貫入速度測定手段と、が設けられたことを特徴とするロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査装置。
   
3. オペレータの指示を受けて前記駆動部を起動し、起動した後の停止は、前記貫入速度測定手段で得られる前記サンプラの貫入距離が、所定の距離に達したことで行なう制御手段が設けられることを特徴とする請求項２に記載のロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査装置。
   

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