JP5113441B2 - 地盤改良装置および地盤改良方法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削溝あるいは掘削孔を掘削するとともに、その掘削溝内あるいは掘削孔内において土砂と固化材との撹拌混合を行う地盤改良装置および地盤改良方法に関する。

従来、掘削溝を掘削するとともに、掘削溝内で土砂と固化材を撹拌して混合する地盤改良装置としては、掘削刃と撹拌翼を周囲に備えた複数の回転軸（掘削軸）と、各回転軸を回転駆動させる複数の原動機を有する駆動部とを備えた多軸掘削機本体を、ベースマシンのリーダマストに昇降自在に支持させる地盤改良装置がある。この地盤改良装置では、回転軸を回転させながら多軸掘削機本体を掘削溝内に下降させることにより、掘削溝内で掘削および撹拌を行うとともに、回転軸に設けた貫通孔から掘削溝内に固化材を注入する（例えば、特許文献１参照）。

このような地盤改良装置を利用した地盤改良は、掘削材と固化材の地盤への注入を、掘削時および引揚げ時に地盤改良装置の最下部の掘削ビット部から行っているのが一般的である。

特開２００４−２０４６７４号公報

ところが、従来の地盤改良装置は、撹拌翼の下方に設けた掘削ビットから固化材の注入を行うため、地盤改良装置の引揚げ時に、注入された固化材と土砂との撹拌を行うことができなかった。そのため、引揚げ時には、地盤改良装置を複数回上下動させることにより土砂と固化材との撹拌を行う場合があり、その作業に手間を要していた。

また、改良範囲が深い場合や何らかの原因により掘削作業に時間がかかる場合には、掘削時に注入され土砂と撹拌された固化材の硬化が進行している場合があるが、かかる場合には、地盤改良装置を引揚げる際に、改良体を再撹拌してしまうこととなり、改良体の品質を低下させる原因となっていた。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、作業性に優れた方法により、高品質な地盤改良を行うことを可能とした地盤改良装置および地盤改良方法を提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明の地盤改良装置は、駆動モータと、前記駆動モータの動力により回転する掘削軸と、前記掘削軸の下端に配置されて該掘削軸の回転に伴い回転する掘削刃部と、前記掘削軸の前記掘削刃部の上方に配置されて前記掘削軸の回転に伴い回転する撹拌部と、を備える地盤改良装置であって、前記掘削刃部に輸送管路に接続された掘削材吐出口が形成されているとともに、前記撹拌部の上方に配設された分散板の直上に固化材輸送管に接続された固化材吐出口が形成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の地盤改良装置は、所定の間隔により並設された複数本の掘削軸と、前記各掘削軸に回転力を付与する駆動モータと、前記各掘削軸の下端に配置されて該掘削軸の回転に伴い回転する掘削刃部と、前記各掘削軸の前記掘削刃部の上方に配置されて前記掘削軸の回転に伴い回転する撹拌部と、を備える地盤改良装置であって、前記掘削刃部のうち少なくとも１つに輸送管路に接続された掘削材吐出口が形成されているとともに、前記撹拌部の上方に配設された分散板の直上に固化材輸送管に接続された固化材吐出口が少なくとも１箇所形成されていることを特徴としている。

かかる地盤改良装置によれば、掘削軸の先端に配置された掘削刃部に形成された掘削材吐出口から掘削材を地盤に吐出するため、効率的な掘削を行うことができる。固化材の注入は、撹拌部の上方に配置された固化材吐出口から行うため、引揚げ時の注入でも、効果的に固化材の撹拌を行うことができる。

また、前記複数の掘削軸を備えた地盤改良装置においては、前記複数本の掘削軸に配置された複数の前記掘削刃部を、上下方向で互い違いに配置するとともに、前記掘削材吐出口を、最下段に配置された前記掘削刃部に形成するとよい。

かかる地盤改良装置によれば、地盤改良装置の先端（最下段）から掘削材が地盤に吐出するため、地盤の強度を効率よく低下させることができる。

また、本発明の地盤改良方法は、先端部に掘削刃部を備えた掘削軸を回転させつつ下降させることにより地盤を掘削する掘削工程と、前記掘削軸を回転させつつ上昇させることにより土砂を撹拌する改良工程と、を備える地盤改良方法であって、前記掘削工程では、前記掘削刃部に形成された掘削材吐出口から輸送管路を介して輸送された掘削材のみを吐出し、前記改良工程では、前記掘削刃部の上方に配設された分散板の直上に形成された固化材吐出口から固化材輸送管を介して輸送された固化材のみを吐出することを特徴としている。

かかる地盤改良方法によれば、掘削工程において固化材を投入しないので、硬化が進行した改良体を改良工程で再度乱してしまうようなことがなく、固化材による強度発現の効果を、十分に発揮させることが可能となる。
また、固化材は、撹拌部の上方に配置された固化材吐出口から注入され、固化材吐出口の下方の撹拌部により撹拌されるので、掘削軸を上下動させる必要がなく、作業性に優れている。

本発明に係る地盤改良装置と地盤改良方法によれば、作業性に優れた方法により、高品質な地盤改良を行うことが可能となった。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。

本実施形態にかかる地盤改良装置１は、図１に示すように、所定の間隔により並設された３本の掘削軸２，２，２と、各掘削軸２に回転力を付与する図示しない駆動モータと、を備えて構成されている。
各掘削軸２には、下端に掘削軸２の回転に伴い回転する掘削刃部１０が配置されているとともに、掘削刃部１０の上方に掘削軸２の回転に伴い回転する撹拌部２０を備えている。

本実施形態では、掘削軸２を３本備えた３軸式の地盤改良装置１を使用する場合について説明するが、地盤改良装置１が、単軸でもよいことはいうまでもない。また、掘削軸２を２本または４本以上備えていてもよく、地盤改良装置１の構成は３軸式に限定されるものではない。

３本の掘削軸２，２，２は、並設された状態で上端部が図示しないベースマシンにより自転可能に支持されている。また、掘削軸２，２，２は、上部と下部との２箇所において、連結部材４０，４０を介して、連結されている。

各掘削刃部１０は、隣接する他の掘削刃部１０と上下方向で互い違いになるように配置されている。本実施形態では、両端（左右）の掘削軸２ａ，２ｃの掘削刃部１０，１０が、中央の掘削軸２ｂの掘削刃部１０よりも下方向に突出するように配置されている。

掘削刃部１０は、掘削翼１１と、この掘削翼１１の下端に並設された複数のカッタビット１２，１２，…と、を備えて構成されている。

掘削翼１１は、地盤Ｇの掘削に伴い発生する掘削土砂を上方に押し上げるために螺旋状に形成されている。
また、カッタビット１２，１２，…は、掘削翼１１の下端に、着脱可能に並設されており、磨耗等により地盤Ｇの切削の機能が低下した場合は、適宜交換する。カッタビット１２の個数や配置や間隔等は限定されるものではなく、掘削翼１１の形状や、掘削の対象となる地盤Ｇの土質や強度等に応じて適宜設定すればよい。

本実施形態では、掘削刃部１０として、アタッチメントを掘削軸２の下端に固定することにより構成している。このアタッチメントは、略円柱状に形成された刃部本体１３の外周囲に、螺旋状に加工された鋼板である掘削翼１１を一体に固定することにより形成されている。
なお、掘削刃部１０をアタッチメントせずに、掘削軸２の下端部に直接形成してもよい。また、掘削翼１１の形状寸法は限定されるものではなく、計画された掘削溝Ｍの形状等に応じて適宜設定するものとする。

両端（左右）に配置された掘削軸２ａ，２ｃの掘削刃部１０，１０の下端中心部には、掘削液（掘削材）Ｓを地盤Ｇに吐出するための掘削材吐出口１４が形成されている。

掘削材吐出口１４は、地上部に配置されたポンプ等を備える輸送装置と、掘削軸２の内部を挿通する輸送管路を介して連通されている。そして、輸送装置から圧送（輸送）された掘削材Ｓを地盤Ｇに向けて吐出（噴射）する。なお、掘削材Ｓの吐出時の圧力は、地盤Ｇ内への注入（噴射）が可能な程度の圧力に、土質状態等に応じて適宜設定する。

左右（両端）に配置された掘削軸２ａ，２ｃの撹拌部２０は、図１に示すように、移動翼２１と撹拌翼２２とを備えて構成されている。

左右の掘削軸２ａ，２ｃには、図１に示すように、掘削刃部１０の直上に配置されて、掘削刃部１０により切削された掘削土砂を上方に押し上げる移動翼２１と、この移動翼２１の上方に配置されて、上方に押し上げられた掘削土砂の撹拌を行う撹拌翼２２とが形成されている。また、撹拌翼２２の上方には、さらに移動翼２１が配置されており、掘削溝Ｍ内において、掘削土砂の撹拌が効率的に行われるように構成されている。

移動翼２１は、掘削翼１１と同様に、掘削軸２の周囲に螺旋状に巻きつけられた板部材である。本実施形態に係る移動翼２１は、掘削軸２に溶接等により一体に固定されているが、移動翼２１の固定方法は限定されるものではなく、適宜公知の方法により行えばよい。移動翼２１は、その外径（幅）寸法が、掘削翼１１の外径（幅）寸法と同等以下に形成されており、掘削刃部１０により切削された掘削土砂全体を撹拌することが可能に構成されている。
移動翼２１により、切削された掘削溝Ｍ内の掘削土砂は、上方に押し上げられた後、重力で落下することで、上下方向で撹拌される。

撹拌翼２２は、掘削軸２の外周囲に外方向に突設された一対の板材であって、掘削軸２を挟んで対向するように配置されている。撹拌翼２２は、各板材が、掘削軸２の回転方向に対して傾斜するように、配置されている。
各撹拌翼２２は、掘削翼１０により切削された掘削溝Ｍ内の全体を撹拌することが可能となるように、隣接する他の掘削軸２ｂと接触しない程度で、一対の板材の全幅が掘削翼１１の外径（幅）寸法の同程度となるように構成されている。また、本実施形態では、掘削軸２ａ，２ｃに、撹拌翼２２をそれぞれ２段ずつ形成している。なお、撹拌翼２２の形状寸法や配置数は限定されるものではない。

中央に配置された掘削軸２ｂには、両端の掘削軸２ａ，２ｃの撹拌翼２２，２２に対応する箇所に撹拌翼２３が形成されている。

撹拌翼２３は、両端の掘削軸２ａ，２ｃに形成された撹拌翼２２と同様に、掘削軸２の外周囲に外方向に突設された一対の板材であって、掘削軸２を挟んで対向するように配置されている。撹拌翼２３は、各板材が、掘削軸２の回転方向に対して傾斜するように、配置されている。
各撹拌翼２３は、掘削翼１０により切削された掘削溝Ｍ内の全体を撹拌することが可能となるように、隣接する他の掘削軸２ａ，２ｃと接触しない程度で、一対の板材の全幅が掘削翼１１の外径（幅）寸法の同程度となるように構成されている。また、本実施形態では、撹拌翼２３を、３段形成している。なお、撹拌翼２３の形状寸法や配置数は限定されるものではない。

また、中央の掘削軸２ｂに形成された撹拌翼２３と左右（両端）の掘削軸２ａ，２ｃに形成された撹拌翼２２，２２とは、互いに接触することがないように、高さ方向でずらした位置に形成されている。
この撹拌翼２２，２３が回転することにより、移動翼２１により上下動している掘削土砂が水平方向で撹拌される。

図１に示すように、撹拌部２０の上方には、固化材注入装置３０が配置されている。
固化材注入装置３０は、図２に示すように、各掘削軸２の外周面に、外方向に突設された板材である複数の分散板３２，３３，３４と、この分散板３２，３３，３４の直上に配設された固化材吐出口３１と、を備えている。

固化材吐出口３１は、３本の掘削軸２ａ，２ｂ，２ｃを連結する連結部材４０に固定されており、掘削軸２同士の間に、１本ずつ、下向きに形成されている。本実施形態では、各固化材吐出口３１が、中央の掘削軸２ｂ向きに形成されている。
本実施形態に係る固化材吐出口３１は、地上部から連通された図示しない固化材輸送管の先端部である。なお、固化材吐出口３１は、固化材輸送管を掘削軸２の内部を挿通させて、掘削軸２に直接形成してもよい。

分散板３２，３３，３４は、図２および図３に示すように隣接する他の掘削軸２に接触しない長さに形成されており、また、各掘削軸２に形成された分散板３２，３３，３４同士が、掘削軸２の回転時に、互いに接触することがないように配置されている。

中央の掘削軸２ｂには、図２および図３に示すように、矩形状の鋼板からなる分散板３２が上下に２段配設されており、上段には４枚、下段には３枚それぞれ配置されている。

両端（左右）の掘削軸２ａ，２ｃは、図２および図３（ｂ）に示すように、それぞれ１枚の分散板３２と、４枚の有孔板（分散板）３３と２枚の小型分散板３４とを備えている。

両端の掘削軸２ａ，２ｃにそれぞれ形成された分散板３２と小型分散板３４，３４は、図３（ｂ）に示すように、平面視が略Ｙ字状に配置されている。
掘削軸２ａ，２ｃの分散板３２は、図２に示すように、中央の掘削軸２ｂの上下段の分散板３２，３２，…の間を回転時に通過可能な高さに配置されている。
また、小型分散板３４は、分散板３２よりも小さめに形成されていることで、中央の掘削軸２ｂに形成された分散板３２と干渉しないように構成されている。

また、貫通孔３３ａが形成された有孔板３３は、掘削軸２ａ（２ｃ）を挟んで対向する位置に配設された１対の有孔板３３が上下に２段配設されることで、各掘削軸２ａ（２ｃ）に４枚ずつ配置されている。
なお、貫通孔３３ａは必要に応じて形成されていればよく、必ずしも形成されていなくてもよい。また、貫通孔３３ａ（有孔板３３）の数や形状等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。また、固化材注入装置３０の構成は、前記の構成に限定されるものではなく適宜設定することが可能である。

次に、本実施形態に係る地盤改良方法について説明する。
本実施形態に係る地盤改良方法は、所定の改良深度まで掘削材のみを吐出しつつ地盤の掘削を行う掘削工程と、撹拌部２０の上方から固化材を吐出しつつ掘削軸２を回転させながら引揚げることで掘削土砂と固化材との撹拌混合を行う改良工程とからなる。

掘削工程は、掘削軸２の先端に形成された掘削材吐出口１４から掘削材Ｓを地盤Ｇに吐出しつつ、この掘削軸２を回転させながら下降させることで、地盤Ｇに所定の深度の掘削溝Ｍを形成する工程である（図１参照）。
ここで、掘削材Ｓとして使用される材料は限定されるものではないが、本実施形態ではベントナイト液を使用するものとする。

地盤Ｇの掘削は、掘削材Ｓが吐出されることで軟化された地盤Ｇを、回転しながら下降する掘削軸２のカッタビット１２により切り崩すことにより行われる。掘削溝Ｍ内では、地山Ｇが切り崩されることにより乱された状態となるが、掘削材Ｓとして吐出されたベントナイト液の液圧により、掘削溝Ｍの溝壁面が保持されている。

改良工程は、掘削工程により所定の深度までの掘削溝Ｍの掘削が終了した後、掘削軸２の引揚げに伴い、撹拌部２０の上方に配設された固化材注入装置３０の固化材吐出口３１から固化材を掘削土砂に注入しながら、掘削翼１１、移動翼２１、撹拌翼２２および分散板３２，３３，３４により掘削土砂と固化材とを撹拌混合することで、改良体を形成する工程である。

固化材吐出口３１から中央の掘削軸２ｂ方向に吐出された固化材は、掘削溝Ｍ内において、固化材注入装置３０により平面的に分散された後、下方へと落下する。つまり、中央の掘削軸２ｂに形成された分散板３２と、左右の掘削軸２ａ,２ｃに形成された分散板３２，３３，３４が回転することにより、掘削溝Ｍの面方向で固化材が分散される。

固化材注入装置３０により面方向に分散された固化材は、下方へと沈下（落下）するとともに、掘削翼１１、移動翼２１、撹拌翼２２および分散板３２，３３，３４により掘削土砂と混合撹拌されて、掘削溝Ｍにおいて均等に配置される。

固化材として使用される材料は限定されるものではなく、改良の対象となる地盤状況や必要とされる改良体の強度等に応じて適宜公知の材料の中から適宜選定して使用すればよいが、本実施形態では、セメント系固化材を使用するものとする。

また、固化材の注入量や配合は、掘削工程において掘削とともに把握された地山状況に応じて、土質毎に設定することで、所望の強度からなる改良体が形成される。

以上、本実施形態の地盤改良装置１によれば、固化材吐出口３１が、撹拌部２０の上方に配置されているため、改良工程において、掘削軸２を上下動させる手間を要することなく、掘削土砂と固化材との混合撹拌を行うことが可能となる。そのため、作業の手間を省略することが可能となった。

また、掘削材と固化材をそれぞれ掘削材吐出口１４と固化材吐出口３１から別々に注入するため、掘削材や固化材等の注入材料の粘性を低く抑えることが可能となり、作業性に優れている。また、注入材料の粘性が低く抑えられることで、必要とされる注入装置（ポンプ等）の能力を低く設定することが可能となり、注入装置の小型化が可能となる。そのため、経済性にも優れているとともに、地上部において必要とされる作業ヤードの省スペース化も可能となる。

掘削工程では掘削材Ｓのみを吐出し、固化材を注入は、掘削終了後の掘削軸２の引揚げ時（改良工程）に行うため、土質状況に応じた固化材の配合や注入量を設定することが可能となる。したがって、改良体の深さ方向に対して、地層の変化による強度の差が生じることがなく、高品質な改良体の形成が可能となる。

また、固化材の注入が改良工程においてのみ行われることで、改良範囲が大深度のために掘削に時間がかかる場合や、掘削途中で何らかの原因により掘削が中断した場合であっても、固化材の凝結が進行することがなく、作業性に悪影響をきたすことがない。また、遅延剤を使用する必要がないため、経済的である。

固化材注入装置の分散板（有孔板３３）に貫通孔が形成されているため、掘削溝内への掘削材や固化材の噴射に伴い高圧となった掘削溝Ｍ内の圧力を上方へ逃がすことが可能となった。

また、固化材吐出口３１の直下に分散板３２，３３，３４を設けたことにより、固化材を掘削溝Ｍの断面方向で分散させるため、固化材が面内に均一に混合された状態で、沈降する。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、掘削軸の自転にともない、水平方向に回転する掘削刃部を備えた、３軸式の掘削装置により円が３つ連結された平面形状の掘削溝を形成する場合について説明したが、掘削溝の形状はこれに限定されないことはいうまでもない。例えば、単軸式の地盤改良装置を利用すれば円形断面の掘削孔が形成される。

また、前記各実施形態では、撹拌部として、移動翼と撹拌翼とを備える構成としたが、移動翼または撹拌翼のいずれか一方のみを備えていてもよい。

本発明の最良の実施の形態に係る地盤改良装置を示す正面図である。 図１に示す地盤改良装置の一部を示す拡大図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ図２のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 地盤改良装置
２ 掘削軸
１０ 掘削刃部
１４ 掘削材吐出口
２０ 撹拌部
３１ 固化材吐出口
Ｇ 地盤
Ｍ 掘削溝
Ｓ 掘削材

Claims (4)

1. 駆動モータと、
   前記駆動モータの動力により回転する掘削軸と、
   前記掘削軸の下端に配置されて該掘削軸の回転に伴い回転する掘削刃部と、
   前記掘削軸の前記掘削刃部の上方に配置されて前記掘削軸の回転に伴い回転する撹拌部と、を備える地盤改良装置であって、
   前記掘削刃部に輸送管路に接続された掘削材吐出口が形成されているとともに、前記撹拌部の上方に配設された分散板の直上に固化材輸送管に接続された固化材吐出口が形成されていることを特徴とする地盤改良装置。
2. 所定の間隔により並設された複数本の掘削軸と、
   前記各掘削軸に回転力を付与する駆動モータと、
   前記各掘削軸の下端に配置されて該掘削軸の回転に伴い回転する掘削刃部と、
   前記各掘削軸の前記掘削刃部の上方に配置されて前記掘削軸の回転に伴い回転する撹拌部と、を備える地盤改良装置であって、
   前記掘削刃部のうち少なくとも１つに輸送管路に接続された掘削材吐出口が形成されているとともに、前記撹拌部の上方に配設された分散板の直上に固化材輸送管に接続された固化材吐出口が少なくとも１箇所形成されていることを特徴とする地盤改良装置。
3. 前記複数本の掘削軸に配置された複数の前記掘削刃部が、上下方向で互い違いに配置されており、
   前記掘削材吐出口が、最下段に配置された前記掘削刃部に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の地盤改良装置。
4. 先端部に掘削刃部を備えた掘削軸を回転させつつ下降させることにより地盤を掘削する掘削工程と、
   前記掘削軸を回転させつつ上昇させることにより土砂を撹拌する改良工程と、
   を備える地盤改良方法であって、
   前記掘削工程では、前記掘削刃部に形成された掘削材吐出口から輸送管路を介して輸送された掘削材のみを吐出し、前記改良工程では、前記掘削刃部の上方に配設された分散板の直上に形成された固化材吐出口から固化材輸送管を介して輸送された固化材のみを吐出することを特徴とする、地盤改良方法。

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