JP5937897B2

JP5937897B2 - 掘削ヘッド

Info

Publication number: JP5937897B2
Application number: JP2012137651A
Authority: JP
Inventors: 保明根岸; 雅則岡戸; 昭則高橋; 強小池; 中村　睦; 睦中村
Original assignee: Fudo Tetra Corp
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: JP2014001556A

Description

本発明は、水平２方向からセメントスラリー等の固化材を高圧噴射することにより大径の改良固化体を高速に造成できる高圧噴射攪拌工法に用いて好適な掘削ヘッドに関する。

従来、高圧噴射攪拌工法に用いる掘削ヘッドとして、図６に示すものがある。

この掘削ヘッド１は、図６に示すように、地盤７に貫入される回転軸９の先端９ａに装着される掘削軸２と、この掘削軸２の外周面２ａの両側に突設された掘削機能を兼ねた羽根板状で一対の攪拌翼３，３と、各攪拌翼３の下端部３ａ及び掘削軸２の先端２ｂにそれぞれ突設され、地盤７に予め開けられたガイドホール８内を掘削する掘削爪４，５と、各攪拌翼３の端部３ｂに設けられ、地上から供給される貫入補助用の水（流体）Ｗ或いは固化材としてのセメントスラリー（流体）Ｓを地盤７のガイドホール８内の掘削穴の周面８ａに向けて噴射する吐出口６とを備えている。

そして、図示しない小型の施工機により回転すると共に昇降動する回転軸９の先端９ａに掘削ヘッド１を装着して、硬質砂地等の地盤７を地盤改良するに際し、回転軸９の先端９ａに装着した掘削ヘッド１の掘削軸２の貫入時に、一対の攪拌翼３，３の各吐出口６から水平２方向に掘削抵抗低減用の水Ｗを噴射してガイドホール８内の地盤７を掘削し、回転軸９の引き抜き時に、一対の攪拌翼３，３の各吐出口６から水平２方向に固化材としてのセメントスラリーＳを高圧噴射して地盤改良を行う。

特開２００６−３４８６４４号公報（図２）特開平６−４１９４６号公報（図２）

前記従来の掘削ヘッド１では、硬質砂地等の地盤７を施工するに際し、攪拌翼３の回転が困難であるため、掘削軸２の貫入補助に水Ｗを使用して貫入するようにしているが、水締め（ジャーミング）が発生して掘削軸２が抜けなくなる問題がある。

また、掘削軸２の貫入補助に水Ｗを大量に使用するので、産業廃棄物の処理量が増えたり、水Ｗの購買費用が膨らんでコスト高であった。さらに、攪拌翼３の端部３ｂに設けられた吐出口６から水平方向（横方向）に水Ｗを噴射させる構造であるので、大量の水Ｗを使用し、また、ガイドホール８が大きくなるため、地盤７が崩れ易く、ガイドホール８の維持が困難であった。

さらに、固化盤の下を改良する工事でも、例えば、回転時の直径が６００ｍｍの一対の攪拌翼３，３では、回転、貫入しない問題があり、また、水Ｗが水平２方向しか噴射できないので、掘削穴の先端掘削面８ｂに必要な水Ｗが供給されず、貫入抵抗（掘削抵抗）の低減に寄与できなかった。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、地盤への貫入をスムーズにでき、かつ、水平方向及び鉛直下方に貫入抵抗低減用の水等の流体を吐出することができる掘削ヘッドを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、地盤に貫入される回転軸の先端に装着される掘削軸と、この掘削軸の外周面に突設された攪拌及び掘削兼用の翼と、前記地盤を掘削する掘削爪と、地上から供給される流体を前記地盤の掘削面に向けて噴射する吐出口を備えた掘削ヘッドにおいて、前記掘削軸は、前記回転軸の先端に装着される連結部と、この連結部に連なる円錐面を上側に有した円筒状の大径部と、この大径部の下側の逆円錐面を介して連なる円筒状の小径部と、先端が前記小径部の径より小さい逆円錐面状の先端部とを備え、前記掘削軸の大径部の外周面に攪拌及び掘削兼用の螺旋翼を突設すると共に、該螺旋翼の先端に掘削爪を突設し、かつ、前記掘削軸の小径部の外周面に掘削爪を突設すると共に、前記掘削軸の先端部の逆円錐面状の外周面に掘削爪を突設し、これら各掘削爪を互い違いに配置し、前記掘削軸の大径部の外周面と該掘削軸の先端部の先端に前記吐出口をそれぞれ設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の掘削ヘッドであって、前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と前記掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口からの前記流体の噴射方向を切替弁により切り替え自在にしたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の掘削ヘッドであって、前記切替弁による前記流体の噴射方向の切り替えを、前記掘削軸内に設けられた流体供給通路に供給される前記流体の流圧の高低差により行うようにしたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の掘削ヘッドであって、前記切替弁を、前記流体の流圧が低い時に前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じ、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を開くと共に、前記流体の流圧が高い時に前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を開き、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を閉じる弁本体と、この弁本体を前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向に常に付勢する弾性体とで構成し、この弾性体の弾性力よりも前記流体の流圧が強い時に該弾性体の付勢力に抗して前記弁本体を前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向から開く方向に移動させて、該掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口の開閉を切り替えるようにしたことを特徴とする。

以上説明したように、請求項１の発明によれば、掘削軸の大径部の外周面に攪拌及び掘削兼用の螺旋翼を突設すると共に、該螺旋翼の先端に掘削爪を突設し、かつ、掘削軸の小径部の外周面に掘削爪を突設すると共に、掘削軸の先端部の逆円錐面状の外周面に掘削爪を突設し、これら各掘削爪を互い違いに配置し、掘削軸の大径部の外周面と該掘削軸の先端部の先端に前記吐出口をそれぞれ設けたことにより、螺旋翼のスクリューネジ効果による推進力で掘削ヘッドを地盤に対してスムーズに貫入することができる。また、貫入補助用の水等の流体を水平方向だけではなく、鉛直下方にも吐出することができ、掘削ヘッドの貫入時の掘削抵抗をより一段と低減させることができる。これにより、地盤を効率良く確実に掘削・攪拌することができ、掘削・攪拌時間を大幅に短縮することができる。

請求項２の発明によれば、掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口からの流体の噴射方向を切替弁により切り替え自在にしたことにより、用途に応じて、流体の噴射方向を簡単に切り替えることができる。これにより、流体を効率良く使用することができて流体全体の噴射量を削減することができるため、流体購入費用及び産業廃棄処理費用を大幅に削減することができ、環境負荷の低減に寄与することができる。

請求項３の発明によれば、切替弁による流体の噴射方向の切り替えを、掘削軸内に設けられた流体供給通路に供給される流体の流圧の高低差により行うようにしたことにより、切替弁の構造を簡単にすることができ、その分、低コスト化を図ることができる。

請求項４の発明によれば、切替弁を、流体の流圧が低い時に掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じ、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を開くと共に、流体の流圧が高い時に掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を開き、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を閉じる弁本体と、この弁本体を掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向に常に付勢する弾性体とで構成し、この弾性体の弾性力よりも流体の流圧が強い時に該弾性体の付勢力に抗して弁本体を掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向から開く方向に移動させて、該掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口の開閉を切り替えるようにしたことにより、切替弁を構成する部品点数を大幅に減らすことができ、その分、低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態の掘削ヘッドを示す正面図である。上記掘削ヘッドの底面図である。上記掘削ヘッドの先端から貫入補助用の水を噴射する状態を示す要部の断面図である。図３中Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。上記掘削ヘッドの両側方から固化材としてのセメントスラリーを高圧噴射する状態を示す要部の断面図である。従来の掘削ヘッドを示す正面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態の掘削ヘッドを示す正面図、図２は同掘削ヘッドの底面図、図３は同掘削ヘッドの先端から貫入補助用の水を噴射する状態を示す要部の断面図、図４は図３中Ｘ−Ｘ線に沿う断面図、図５は同掘削ヘッドの両側方から固化材としてのセメントスラリーを高圧噴射する状態を示す要部の断面図である。

図１に示すように、掘削ヘッド１０は、高圧噴射攪拌工法に用いるものであり、地盤７に貫入される円管状の回転軸９の先端９ａに装着され、先端１１ｂが閉じられた円筒状の掘削軸１１と、この掘削軸１１の外周面１１ａの基部から中央部にかけて突設された攪拌及び掘削兼用で２条の螺旋翼１２，１２と、掘削軸１１の外周面１１ａの中央部と該中央部と先端の間及び先端の３箇所において各一対それぞれ突設され、地盤７の予め開けられたガイドホール８内を掘削する掘削爪１３，１４，１５と、掘削軸１１の外周面１１ａの中央部の両側及び掘削軸１１の先端１１ｂにそれぞれ設けられ、地上から供給される貫入補助用の水（流体）Ｗ或いは固化材としてのセメントスラリー（流体）Ｓを地盤７のガイドホール８内の掘削穴の掘削面としての周面８ａ或いは先端掘削面８ｂに向けて噴射するノズル（吐出口）１６，１７と、掘削軸１１の外周面１１ａに設けられた一対のノズル１６，１６と掘削軸１１の先端１１ｂに設けられたノズル１７からの流体Ｗ，Ｓの噴射方向を切り替える切替弁２０を備えている。

図１に示すように、回転軸９は、内管９Ａと、この内管９Ａを収容する外管９Ｂとの二重管で構成されており、図示しない小型の施工機により回転すると共に昇降動するようになっている。そして、回転軸９の先端９ａに掘削ヘッド１０を装着した状態で、回転軸９の内管９Ａに貫入補助用の水Ｗ或いは固化材としてのセメントスラリーＳを供給すると、掘削ヘッド１０の掘削軸１１の基端から中央部にかけて形成された後述する流体供給通路（以下、「基部側の流体供給通路」という）２１を介してノズル１６或いはノズル１７から貫入補助用の水Ｗ或いは固化材としてのセメントスラリーＳが噴射されるようになっている。

図１及び図２に示すように、掘削ヘッド１０の掘削軸１１は、回転軸９の先端９ａに装着される連結部としての基部１１Ａと、この基部１１Ａに連なる円錐面を上側に有した円筒状の大径部１１Ｂと、この大径部１１Ｂの下側の逆円錐面を介して連なる円筒状の小径部１１Ｃと、先端１１ｂが小径部１１Ｃの径より小さい円板状になって閉塞されている逆円錐面状の先端部１１Ｄとを備えている。尚、大径部１１Ｂの螺旋翼１２までの直径は、例えば、３６８ｍｍに形成してある。また、図１において、大径部１１Ｂの外周面と小径部１１Ｃの外周面と先端部１１Ｄの逆円錐面状の外周面を、同一の符号１１ａでそれぞれ示す。

２条の螺旋翼１２，１２は、掘削軸１１の大径部１１Ｂの外周面１１ａにおいて該掘削軸１１を中心に１８０°対称位置に配置されており、それぞれが３６０°の角度範囲でスパイラル状に巻かれている。即ち、各螺旋翼１２は１ピッチ分設けられている。

また、掘削軸１１の大径部１１Ｂの外周面１１ａの該掘削軸１１を中心に１８０°対称位置には、一対のノズル１６，１６を上下段差を有して設けられている。さらに、掘削軸１１の大径部１１Ｂの外周面１１ａの２条の螺旋翼１２，１２の各先端１２ａには、一対の掘削爪１３，１３が鉛直下方に延びるように取り付けられている。

掘削軸１１の小径部１１Ｃの外周面１１ａには、一対の掘削爪１４，１４が鉛直下方に延びるように取り付けられている。図１及び図２に示すように、大径部１１Ｂの一対の掘削爪１３，１３と小径部１１Ｃの一対の掘削爪１４，１４とは、位相が９０°ずれるように配置されている。

また、掘削軸１１の先端部１１Ｄの逆円錐面状の外周面１１ａには、一対の掘削爪１５，１５が斜め下方に延びるように取り付けられている。図１及び図２に示すように、小径部１１Ｃの一対の掘削爪１４，１４と先端部１１Ｄの一対の掘削爪１５，１５とは、位相が９０°ずれるように配置されている。さらに、先端部１１Ｄの円板状の先端１１ｂの中央には、ノズル１７が設けられている。

図３及び図５に示すように、切替弁２０は、掘削軸１１の大径部１１Ｂに着脱自在に取り付けられて該大径部１１Ｂの一部を構成する外筒体２２と該外筒体２２の先端部２２ａ内に嵌合される内筒体２３とに内蔵されており、流体Ｗ，Ｓの噴射方向（ノズル１６からの噴射とノズル１７からの噴射）の切り替えを、掘削軸１１の基部側の流体供給通路２１に供給される流体Ｗ，Ｓの流圧（圧力）の高低差により行うようになっている。

即ち、切替弁２０は、掘削軸１１の基部側の流体供給通路２１と外筒体２２及び内筒体２３内に摺動自在に設けられ、流体Ｗ，Ｓの流圧が低い時（低圧力時）に一対のノズル１６，１６を閉じ、かつ、内筒体２３の基端部の環状凸部２３ａの内側に嵌合された十字状の脚部２４ｂを有する絞り台座２４の円錐面状凸部２４ａから逆円錐面状凹部２５ａが離反して、ノズル１７を開くと共に、流体Ｗ，Ｓの流圧が高い時（高圧力時）に一対のノズル１６，１６を開き、かつ、逆円錐面状凹部２５ａが絞り台座２４の円錐面状凸部２４ａに当接して、ノズル１７を閉じる円筒状の弁本体２５と、内筒体２３の基端部の環状凸部２３ａの外側と弁本体２５の中途部の環状鍔部２５ｂとの間に介在されて、弁本体２５を一対のノズル１６，１６を閉じる方向に常に付勢する圧縮コイル状のスプリング（弾性体）２６と、弁本体２５の先端の逆円錐面状凹部２５ａが当接・離反する円錐面状凸部２４ａを有して掘削軸１１の先端側に形成された流体供給通路２７を閉塞・開放する絞り台座２４とで構成されている。

そして、図３及び図４に示すように、スプリング２６の弾性力よりも流体Ｗ，Ｓの流圧が弱い低圧力時には、スプリング２６の付勢力により弁本体２５の環状鍔部２５ｂが外筒体２２の基端部の環状凸部２２ｂに当接して、弁本体２５が一対のノズル１６，１６を閉塞させると共に、弁本体２５の先端の逆円錐面状凹部２５ａが絞り台座２４の円錐面状凸部２４ａから離反して、絞り台座２４の十字状の各脚部２４ｂと内筒体２３との間の隙間２８から流体Ｗ，Ｓが流れて、ノズル１７より流体Ｗ，Ｓが噴射されるようになっている。

また、図５に示すように、スプリング２６の弾性力よりも流体Ｗ，Ｓの流圧が強い高圧力時に、スプリング２６の付勢力に抗して弁本体２５が一対のノズル１６，１６を閉じる方向から開く方向に移動することにより、掘削軸１１の先端１１ｂのノズル１７が絞り台座２４を介して閉塞されると共に、掘削軸１１の外周面１１ａの一対のノズル１６，１６が開放されて流体Ｗ，Ｓが水平２方向に噴射され、流体Ｗ，Ｓの噴射方向が切り替えられるようになっている。尚、図３及び図５中符号２９ａ，２９ｂ，２９ｃは、各部材間をシールする円環状のパッキンを示す。

以上実施形態の掘削ヘッド１０によれば、小型の施工機により、回転軸９の先端９ａに装着された掘削ヘッド１０を回転させながら下降させて、地盤改良する硬質砂地等の地盤７に予め開けられたガイドホール８内を掘削・攪拌する際に、図３に示すように、地上から回転軸９の内管９Ａを介して貫入補助用の水Ｗを掘削軸１１の基部側の流体供給通路２１に低水圧で供給すると、スプリング２６の付勢力により切替弁２０の弁本体２５の環状鍔部２５ｂが外筒体２２の基端部の環状凸部２２ｂに当接して、弁本体２５が一対のノズル１６，１６を閉塞させると共に、弁本体２５の先端の逆円錐面状凹部２５ａが絞り台座２４の円錐面状凸部２４ａから離反して、絞り台座２４の十字状の各脚部２４ｂと内筒体２３との間の隙間２８から水Ｗが流れて、ノズル１７より水Ｗが噴射される。これにより、掘削穴の先端掘削面８ｂに必要な水Ｗが供給されるため、掘削ヘッド１０の貫入時の掘削抵抗をより一段と低減させることができる。また、２条の螺旋翼１２，１２のスクリューネジ効果による推進力及び複数の掘削爪１３，１４，１５で掘削ヘッド１０を改良する地盤７に対してスムーズに貫入することができる。これにより、地盤改良する硬質砂地等の地盤７を効率良く確実に掘削・攪拌することができ、掘削・攪拌時間を大幅に短縮することができる。

また、２条の螺旋翼１２，１２及び複数の爪１３，１４，１５を掘削軸１１の外周面１１ａにそれぞれ取り付けたことにより、掘削径（貫入径）を小さくすることができる。これにより、掘削軸１１の構造を簡素化することができるため、全体の低コスト化をより一段と図ることができる。また、ガイドホール８の径も小径で済んで簡単に形成することができ、施工時におけるガイドホール８の維持も容易となる。

さらに、掘削ヘッド１０の貫入時に、地盤７のガイドホール８内の掘削穴の周面８ａに貫入補助用の水Ｗが必要な場合には、掘削軸１１の基部側の流体供給通路２１に供給される水Ｗの水圧を高める。これにより、図５に示すように、高水圧の水Ｗでスプリング２６の付勢力に抗して弁本体２５が一対のノズル１６，１６を閉じる方向から開く方向に移動する。その結果、掘削軸１１の先端１１ｂのノズル１７が閉塞され、掘削軸１１の外周面１１ａの一対のノズル１６，１６から水Ｗが水平２方向に噴射され、水Ｗの噴射方向が切り替えられる。このように、切替弁２０による水Ｗの噴射方向の切り替えを、掘削軸１１内の基部側の流体供給通路２１に供給される水Ｗの水圧の高低差により簡単に行うことができる。即ち、用途に応じて、水Ｗの噴射方向を簡単に切り替えることができる。また、水Ｗを効率良く使用することができるため、水全体の噴射量を削減することができ、水購入費用及び産業廃棄処理費用を大幅に削減することができ、環境負荷の低減に寄与することができる。

そして、回転軸９及び掘削軸１１を引き抜く時には、地上から回転軸９の内管９Ａを介して掘削軸１１の基部側の流体供給通路２１に高圧力の固化材としてのセメントスラリーＳを供給することにより、掘削軸１１の外周面１１ａの一対のノズル１６，１６からセメントスラリーＳを水平２方向に高圧噴射して地盤改良を行う。

このように、硬質砂地等の地盤７を地盤改良する際に、貫入補助用の水Ｗを従来のように水平２方向だけではなく、鉛直下方にも吐出することができるため、掘削穴の周面８ａと先端掘削面８ｂに必要な水Ｗを供給することができ、掘削ヘッド１０の貫入抵抗（掘削抵抗）を低減することができる。これにより、水締め（ジャーミング）が発生することがなく、掘削ヘッド１０が抜けなくなることもない。

また、切替弁２０を、絞り台座２４と弁本体２５及びスプリング２６から構成することができるため、切替弁２０を構成する部品点数を大幅に減らすことができ、その分、低コスト化を図ることができる。

尚、前記実施形態によれば、掘削軸の外周面に吐出口を一対設けたが、１箇所或いは３箇所以上設けても良い。また、弁本体を押圧付勢する弾性体は、スプリングに限るものではない。

７地盤
８ａ周面（掘削面）
８ｂ先端掘削面（掘削面）
９回転軸
９ａ先端
１０掘削ヘッド
１１掘削軸
１１Ａ基部（連結部）
１１Ｂ大径部
１１Ｃ小径部
１１Ｄ先端部
１１ａ外周面
１１ｂ先端
１２螺旋翼
１２ａ先端
１３，１４，１５掘削爪
１６，１７ノズル（吐出口）
２０切替弁
２１流体供給通路
２５弁本体
２６スプリング（弾性体）
Ｗ貫入補助用の水（流体）
Ｓ固化材としてのセメントスラリー（流体）

Claims

地盤に貫入される回転軸の先端に装着される掘削軸と、この掘削軸の外周面に突設された攪拌及び掘削兼用の翼と、前記地盤を掘削する掘削爪と、地上から供給される流体を前記地盤の掘削面に向けて噴射する吐出口を備えた掘削ヘッドにおいて、
前記掘削軸は、前記回転軸の先端に装着される連結部と、この連結部に連なる円錐面を上側に有した円筒状の大径部と、この大径部の下側の逆円錐面を介して連なる円筒状の小径部と、先端が前記小径部の径より小さい逆円錐面状の先端部とを備え、
前記掘削軸の大径部の外周面に攪拌及び掘削兼用の螺旋翼を突設すると共に、該螺旋翼の先端に掘削爪を突設し、かつ、前記掘削軸の小径部の外周面に掘削爪を突設すると共に、前記掘削軸の先端部の逆円錐面状の外周面に掘削爪を突設し、これら各掘削爪を互い違いに配置し、
前記掘削軸の大径部の外周面と該掘削軸の先端部の先端に前記吐出口をそれぞれ設けたことを特徴とする掘削ヘッド。
請求項１記載の掘削ヘッドであって、
前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と前記掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口からの前記流体の噴射方向を切替弁により切り替え自在にしたことを特徴とする掘削ヘッド。
請求項２記載の掘削ヘッドであって、
前記切替弁による前記流体の噴射方向の切り替えを、前記掘削軸内に設けられた流体供給通路に供給される前記流体の流圧の高低差により行うようにしたことを特徴とする掘削ヘッド。
請求項３記載の掘削ヘッドであって、
前記切替弁を、前記流体の流圧が低い時に前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じ、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を開くと共に、前記流体の流圧が高い時に前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を開き、かつ、該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口を閉じる弁本体と、この弁本体を前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向に常に付勢する弾性体とで構成し、この弾性体の弾性力よりも前記流体の流圧が強い時に該弾性体の付勢力に抗して前記弁本体を前記掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口を閉じる方向から開く方向に移動させて、該掘削軸の大径部の外周面に設けた吐出口と該掘削軸の先端部の先端に設けた吐出口の開閉を切り替えるようにしたことを特徴とする掘削ヘッド。