JP6216161B2 - ビット装置 - Google Patents

Description

この発明は、ビット装置に関し、より詳細には、土丹層などの硬質地盤を掘削対象として杭穴などの穴を掘削するためのビット装置に関する。

例えば、リバース工法による場所打ち杭の施工が知られている。この杭施工において、杭穴掘削のためのビットについては、柔らかな地盤では平ビットを用いるが、硬質地盤や砂礫層では衝撃に強い尖刃ビットを装備して、ビットに大きな回転力を与えて掘削するのが一般的である。

このため、硬質地盤の掘削においては、掘削トルク能力の大きな施工機械を必要とし、しかもある程度強引に回転力を上げて掘削しなければならない。しかしながら、その結果、掘削時に振動が発生することから、掘削に必要な押し付け力を小さくして、掘削速度を落として掘削しているというのが実状である。

また、従来の平ビットや尖刃ビットを用いた掘削ビットは、掘削面を断面円錐形で平坦面となるような構造や配置としているため、切削能力を上げるべく押込み力を大きくすると、ビットと地盤面との間に滑りが生じ、その結果、ビットに杭穴径方向のずれが発生して、杭芯がずれてしまうことがある。このような場合もビットに加える押し付け力を小さくし、掘削速度を落として施工せざるをえない。

杭穴施工において、硬質地盤を対象としなければならないのは、上記のような掘削トルク能力の大きな大型の施工機械を使用できる施工現場に限らない。例えば、駅構内などのように、狭隘で空頭が制限された施工現場でも硬質地盤（例えば圧縮強度3〜5N/mm²の土丹層や固結層）を対象とした掘削の必要性が生じる場合がある。しかしながら、このような施工現場では大型の杭施工機械を搬入することができず、リバース工法により杭施工をするのは非常に困難である。また、杭径もこれまでにない3000mm程度と大きなものであるため、いっそう困難となる。

特許文献１には硬質地盤を対象とする杭の施工方法及び施工システムが開示されている。しかしながら、掘削翼に設けられるビットは、一般的な構造・配置であり、対象が硬質地盤であるがゆえに特別な改良を施したものではない。

特開平２００６ー３３６２４１号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、硬質地盤を対象として穴掘削するに際し、小さなトルクでの施工を可能とするとともに、ビットの杭穴径方向のずれを抑止し、これによって、狭隘で空頭が制限された現場でも大径の杭施工を可能とし、また偏芯のない精度の良い場所打ち杭を築造することが可能なビット装置を提供することにある。

従来、トンネル掘削のためのシールド工法などでは、切羽を掘削する面板の構造に関しては早くから研究開発がなされている。しかしながら、杭穴などの穴掘削に用いられる掘削ビットに関しては、掘削メカニズムの理論的研究や開発が行われていないのが現状であった。この杭穴掘削においては、施工機械がシールドマシンと異なり、地上部に駆動装置が配置される。したがって、シャフトを片持ちで回転させざるを得ず、大深度になるほど力の作用点であるビット部分が駆動装置から離れて行くため、支持層など硬質地層を掘削すると、芯がぶれ易いという難点がある。

そこで、この発明の発明者らは土丹層などの硬質地盤を対象として掘削する場合、いかにして効率よく掘削するかについて鋭意研究を重ねたところ次のような知見を得ることができた。

すなわち、硬質地盤（Ｎ値が５０を越すような固結度の低い泥岩、洪積層の硬質粘土層で代表される土丹等）は、比較的大きな塊で分布している。このような硬質地盤は、一般にはスライス状に切削することは可能ではあるが、その場合大きな切削エネルギーを必要とする。そこで、塊に自由面を形成し、その自由面を崩壊させるような効果を利用して切削する方法が有効であることを見出した。

具体的には、ビットの作用を以下の３つに分けて、その役割に応じたビット形状、配置とする。
第１の作用として、ある程度深い位置までビット幅の小さいトレンチビットにより地盤を溝状に切削して、溝の両側面による自由面を形成する。
第２の作用として、自由面の上部に沿って地盤を切削するホールダウンビットにより、自由面を崩壊させる。
以上の２つの作用・役割を果たすようにビットを配置することにより、小さな切削トルクで硬質地盤の切削効率を高めることができるのであるが、さらに第３の作用として、崩壊土を切削しながら溝上部を拡大し、整形することが好適である。

この発明は、上記のような知見に基づくものであり、次のような手段を採用している。 すなわち、この発明は、土丹層などの硬質地盤を掘削対象とし、回転する掘削ロッドの先端部に複数の翼が放射状に設けられ、これらの翼に多数の切削ビットが取り付けられた穴掘削のためのビット装置であって、
前記切削ビットは、地盤を溝状に切削して溝の両側面による自由面を形成するトレンチビットと、前記自由面の上部に沿って地盤を切削し、自由面を崩壊させるホールダウンビットと、前記トレンチビットと同一の軌跡を描き、前記自由面の崩壊によって生じた崩壊土を切削して前記溝の上部を拡大、整形するフォームビットとを含む１つのビットユニットとして、かつ該ユニットを構成する各々のビットが異なる前記翼に取り付けられ、
多数の前記ビットユニットを備えてなることを特徴とするビット装置にある。

また、上記ビット装置において、互いに隣接して軌跡を描く２つのビットユニットにおいて、一方のビットユニットの前記ホールダウンビットは他方のビットユニットのフォームビットを兼ねる態様を採ることができる。

この発明によれば、トレンチビットにより硬質地盤に溝を切り込んで自由面を形成し、ホールダウンビットにより自由面を崩壊させ、さらに望ましくはフォームビットにより溝上部を拡大し、整形するという掘削メカニズムであるので、小さなトルクで杭穴を掘削することができる。したがって、狭隘で空頭が制限された施工現場でも、大径の杭を築造することが可能となる。

また、溝には常時トレンチビットの先端部が食い込んだ状態となるので、トレンチビットは地盤によって拘束される。したがって、ビット装置に大きな押し付け力を加えても杭穴径方向にずれが生じて偏芯することがなく、鉛直性を確保することができ精度の良い杭を築造することができる。

この発明の実施形態を示し、ビット装置の全体正面図である。 ビット装置の下面図である。 各ビットの機能・作用を説明する図である。 図３と同様の図である。 各ビットの取付け形態を示す図である。 掘削面を示す断面図である。 掘削面の形成過程を示す断面図である。 各ビットの配置例を示す各翼の展開図である。 各ビットの別の配置例を示す各翼の展開図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１，図２は、この発明の実施形態を示し、ビット装置１は、掘削ロッド２の先端部に設けられ、図示しない地上に設置された掘削機により掘削ロッド２が回転し、それに伴ってビット装置１が回転する。

ビット装置１は掘削ロッド２に連結されたパイプ３を有し、このパイプ３に複数（図示では４つ）の翼４ａ〜４ｄが放射状に設けられている。これら翼４ａ〜４ｄの先端部は、連結部材７により互いに連結されている。各翼４ａ〜４ｄは先端部が上方に向かうように傾斜してパイプ３に取り付けられ、これら各翼４ａ〜４ｄの下端縁部にはそれぞれ多数の第１切削ビット５と第２切削ビット６とが所定間隔を置いて交互に取り付けられている。

図示の例は、リバース工法に適用されるビット装置１であり、パイプ３の下端には吸入口２３が設けられ、切削ビット５，６による地盤の切削によって生じた切削土砂は吸入口２３を介してパイプ３に吸い込まれ、掘削ロッド２を通って地上に運ばれる。ビット装置１の上部に設けられたウェイト８は、ビット装置１に下向きの荷重を加えて地盤に押し付けるためのものである。また、パイプ３の下端のフィッシュテール９は、ビット装置１を杭穴中心に保持するためのものである。図２において、符号１７は杭穴を示している。

図３及び図４は、上記第１切削ビット５及び第２切削ビット６の機能を説明するための図である。第１切削ビット５及び第２切削ビット６は、いずれも先端が尖った尖刃ビットである。まず、第１切削ビット５は、トレンチビット１０として機能する（図４（ａ））。トレンチビット１０は、土丹層等の硬質地盤に溝１５を掘り、その両側面によって自由面Ｆを形成するためのビットである。このトレンチビット１０すなわち第１切削ビット５は第２切削ビット６よりも幅が小さく、しかも切削深さが深くなるように翼４ａ〜４ｄに取り付けられる。

第２切削ビット６は、ホールダウンビット１１として機能する（図４（ｂ））。ホールダウンビット１１は、自由面Ｆの上部に沿って自由面Ｆを崩壊させながら地盤を切削する。符号１６は崩壊部分を示している。このため、ホールダウンビット１１すなわち第２切削ビット１１は、第１切削ビット５よりも幅が大きく、しかも切削深さが浅くなるように取り付けられる。ここで、ホールダウンビット１１は、図示の例では、その上部端面が溝１５の外側に位置するように配置されているが、溝の内側に幾分か入り込むように配置されるようにしてもよい。

第２切削ビット６は、この実施形態ではフォームビット１２としても機能させている（図４ｃ）。フォームビット１２は、トレンチビット１０と同一の軌跡を描くように翼４ａ〜４ｄに取り付けられる。このフォームビット１２は崩壊部分１６を切削して溝１０を拡大するとともに、溝上部を整形する働きをする。このフォームビット１２は図４（ｃ）に鎖線で示すように、第２切削ビット６によることなく、独立して設けてもよい。この場合、フォームビット１２は切削深さがトレンチビット１０よりも浅く、ホールダウンビット１１よりも深くなるように取り付けられる。したがって、トレンチビット１０、ホールダウンビット１１及びフォームビット１２の切削深さをそれぞれＬ１、Ｌ２及びＬ３とすると、Ｌ１＞Ｌ２＝Ｌ３又はＬ１＞Ｌ３＞Ｌ２の関係にある。

図５にはトレンチビット１０の機能を持つ第１切削ビット５、ホールダウンビット１１及びフォームビット１２の機能を持つ（Ｌ２＝Ｌ３）第２切削ビット６の翼４ａ〜４ｄへの取付け形態が示されている。第１切削ビット５は翼４ａ〜４ｄの切削方向前面に切削深さがＬ１となるように取り付けられ、第２切削ビット６は翼４ａ〜４ｄの切削方向後面に切削深さがＬ２（＝Ｌ３）となるように取り付けられている。

１つのトレンチビット１０、２つのホールダウンビット１１，１１及び１つのフォームビット１２は、１つの溝１５の切削、その自由面の破壊、溝１５の上部の拡大・整形をするための１つのビットユニットであり、これを構成する各ビットは異なった翼に取り付けられている。そして、ビット装置１がこのようなビットユニットを多数備えることにより、図６に示すように溝１５が同心円状に現れる掘削面が形成される。そして、この掘削面は、ホールダウンビット１１及びフォームビット１２が尖刃ビットであることから、互いに隣接する溝１５，１５間が山形となり、従来のように平坦ではなく、全体として杭穴径方向に凹凸が連続する、あるいは波形ともいうことができる掘削面となる。

図７は図６に示した掘削面が形成される過程を示している。掘削開始時にはトレンチビット１０により溝１５のみが形成され（同図（ａ））、掘削が進行するにつれて溝１５，１５間に徐々に山形が形成され（同図（ｂ），（ｃ））、さらに掘削が進行すると図６に示したような溝１５，１５間に山形を有する凹凸状あるいは波形の掘削面となる（同図（ｄ））。その後は、同図（ｄ）の掘削面形状のまま、掘削が進行する。以上の説明から理解されるように、トレンチビット１０は他のビットよりも切削深さが大きく掘削深度方向に先行して溝１５を切削することから、トレンチビット１０の先端部は、常時溝１５に食い込んだ状態となり、地盤によって拘束される。したがって、硬質地盤への対応として押し付け力を大きくしてもビット装置１に杭穴径方向のずれが生じることがなく、杭芯が偏芯するのを防止することができる。

図８は各翼４ａ〜４ｄへのビットの配置例と、各翼直下の掘削断面を示している。同図において各翼４ａ〜４ｄは同一平面上に展開して示されている。ここで、ビット装置中心線Ｃと平行な鎖線Ａ上にある、翼４ｂのトレンチビット１０が、あるビットユニットに属するものとすると、トレンチビット１０の軌跡に隣接してその両側に軌跡を描く翼４ａ及び翼４ｃのホールダウンビット１１，１１、及び鎖線Ａ上にあってトレンチビット１０と同一軌跡を描く翼４ｄのフォームビット１２が同一ビットユニットに属する。

そして、翼４ａのホールダウンビット１１は、翼４ｂのトレンチビット１０による溝に杭穴径方向内側に隣接して溝を形成する翼４ｃのトレンチビット１０を含むビットユニットのフォームビットでもある。同様に、翼４ｃのホールダウンビット１１は、翼４ｂのトレンチビット１０による溝に杭穴径方向外側に隣接して溝を形成する翼４ａのトレンチビット１０を含むビットユニットのフォームビットでもある。すなわち、図８に示すビット配置では、互いに隣接する２つのビットユニットにおいて、一方のビットユニットのホールダウンビットは、他方のビットユニットのフォームビットを兼ねている。

図９は、ビット配置の別の例を示している。この例では、ホールダウンビット２１及びフォームビット２２は前記の例のように一方が他方を兼ねることがなく、独立したものとなっている。そして、翼４ａにはトレンチビット２０のみが，翼４ｂにはホールダウンビット２１のみが、翼４ｃにはフォームビット２２のみが所定間隔を置いてそれぞれ取り付けられている。この例の場合、鎖線Ａ上にある翼４ａのトレンチビット２０、鎖線Ａに隣接した両側にある翼４ｂのホールダウンビット２１、２１及び鎖線Ａ上にあってトレンチビット２０と同一軌跡を描くフォームビット２２が１つのビットユニットを形成する。

このようなビット配置とすることにより、フォームビット２２の切削深さＬ３をホールダウンビット２１の切削深さＬ２よりも大きくすることができ（Ｌ３＞Ｌ２）、自由面Ｆの崩壊部分を効率よく切削することができる。また、この例から理解されるように、この発明による掘削作用を得るには、翼は少なくとも３つあればよい。

以上のように、この発明のビット装置によれば、トレンチビットで地盤に深い切り込みを入れるように溝を掘り、自由面を形成する。溝の両側上部をホールダウンビットで切削して自由面を崩壊させる。そして、トレンチビットと同じ軌跡でフォームビットにより崩壊部分を切削して整形する。このように、硬質地盤に自由面を形成してこれを崩壊させ、整形するという掘削メカニズムであるので、小さなトルクで杭穴を掘削することができる。したがって、狭隘で空頭が制限された施工現場でも、大径の杭を築造することが可能となる。

また、掘削面は同心円状の多数の環状の溝が形成されることから凹凸面（断面波形）となって、溝には常時トレンチビットの先端部が食い込んだ状態となるので、トレンチビットは地盤によって拘束される。したがって、ビット装置に大きな押込み力を加えても杭穴径方向にずれが生じて偏芯することがなく、鉛直性を確保することができ精度の良い杭を築造することができる。

＜掘削試験結果＞
同一の地盤（土丹層）を対象とし、トレンチビット、ホールダウンビット及びフォームビットを有するこの発明によるビット装置と、トレンチビットが無く、この発明でいうホールダウンビットに相当するもののみを有する従来のビット装置とで、掘削試験を行った。結果を表１に示す。トレンチビットを有するこの発明によるビット装置では、貫入力を大きくしてトルクを上げることができ、これによって従来のビット装置よりも掘削速度を大きくすることができた。

上記実施形態は例示にすぎず、この発明は種々の態様を採ることができる。例えば、上記実施形態では、翼の数が３つ、４つの例を示したが翼の数は５つ以上とすることもでき、さらにはビット配置も種々の態様を採ることができる。

１ ビット装置
２ 掘削ロッド
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 翼
５ 第１切削ビット
６ 第２切削ビット
１０ トレンチビット（第１切削ビットによる）
１１ ホールダウンビット（第２切削ビットによる）
１２ フォームビット（第２切削ビットによる）
２０ トレンチビット
２１ ホールダウンビット
２２ フォームビット
１５ 溝
１６ 崩壊部分

Claims (2)

1. 土丹層などの硬質地盤を掘削対象とし、回転する掘削ロッドの先端部に複数の翼が放射状に設けられ、これらの翼に多数の切削ビットが取り付けられた穴掘削のためのビット装置であって、
   前記切削ビットは、地盤を溝状に切削して溝の両側面による自由面を形成するトレンチビットと、前記自由面の上部に沿って地盤を切削し、自由面を崩壊させるホールダウンビットと、前記トレンチビットと同一の軌跡を描き、前記自由面の崩壊によって生じた崩壊土を切削して前記溝の上部を拡大、整形するフォームビットとを含む１つのビットユニットとして、かつ該ユニットを構成する各々のビットが異なる前記翼に取り付けられ、
   多数の前記ビットユニットを備えてなることを特徴とするビット装置。
2. 互いに隣接して軌跡を描く２つのビットユニットにおいて、一方のビットユニットの前記ホールダウンビットは他方のビットユニットのフォームビットを兼ねることを特徴とする請求項１記載のビット装置。

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