JP6278366B2

JP6278366B2 - 杭穴掘削管理方法

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Publication number: JP6278366B2
Application number: JP2016173619A
Authority: JP
Inventors: 木谷　好伸; 好伸木谷
Original assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Current assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2017002716A

Description

この発明は、掘削した杭穴を立体的に把握して、施工管理を容易とする杭穴掘削管理方法に関する。

杭穴を掘削して、基礎杭を構築する場合、杭穴が設計通りに支持地盤に至って構築されるかどうか、杭穴充填物が適切なセメント濃度で形成されているかどうかは、設計通りの強度を発揮できるかどうかを推定する上で重要になっていた（例えば、特許文献１）。

この場合、ヘッド本体に掘削腕を取り付けた掘削ヘッドの場合、実際に掘削された杭穴の大きさを記録することが重要になっていた。例えば、第１センサを掘削腕に設け、第１センサの揺動軌跡に合わせた円弧状の第２センサをヘッド本体に設けて、掘削腕の位置を測定する掘削ヘッドが提案されている（特許文献２）。また、掘削腕に加速度センサを設けて、掘削腕が正常に開いているかどうかを確認する発明が提案されている（特許文献３）。また、杭穴内で、絶縁計からセメントミルクの濃度を推定する発明も提案されている（特許文献３）。

特開２００２−３４８８６８公報特開２００８−１５０８３４公報特開２０１０−２８５７６５公報

前記従来技術の内、特許文献２、３に記載の各測定により蓄積されるデータにより、個々の測定データをグラフ化して、把握することはできる。しかし、全体として、掘削した杭穴の形状などを把握することはできなかった。

そこでこの発明では、計測したデータを杭穴の形状やさらに、セメントミルクの固化強度なども含めて、杭穴の全体性状を掘削立体形状として表示するので、設計データの基準立体形状と比較することにより、前記問題点を解決した。

すなわち、この発明は、掘削手段を有する掘削ヘッドで杭穴を掘削して、前記杭穴の下端部が固い地盤にある先端支持杭を構築する掘削方法に適用する掘削管理方法であって、以下のようにして、掘削を管理する杭穴掘削管理方法である。
(1) 以下のようにして、掘削ヘッドを構成する。
(a) 前記杭穴を掘削する掘削手段に前記掘削ヘッドの縦軸から掘削手段の掘削刃までの距離を算定するための位置センサを設ける。
(b) 地上から前記掘削手段の刃先までの距離算定するための深さセンサを設ける。
(2) 前記各センサからのデータを受信して処理するデータ処理装置を設ける。
(3) 予め掘削予定の杭穴形状を前記データ処理装置にデータ入力して、基準立体形状を作成しておく。
(4) 前記掘削ヘッドを用いて地上より杭穴を掘削しながら、前記位置センサによる杭穴外周情報と深さセンサによる地上からの深さ情報とで、前記データ処理装置において処理され、深さ方向に連続して又は一定深さ毎に、その深さまで掘削した杭穴の立体形状を作成して、掘削立体形状とする。
(5) 前記データ処理装置において処理され、前記基準立体形状と前記掘削立体形状とを並列して又は重ねて、かつ従来表示されている掘削データと共に、画面に表示される。
(6) 前記基準立体形状に比較して、前記掘削立体形状に欠損が生じた場合には、欠損が生じた部分を再度掘削して、前記データ処理装置において再掘削時の修正掘削立体形状を作成して、前記画面に表示される。

また、前記において、基準立体形状と比較して、掘削立体形状に欠損が生じた場合には、前記データ処理装置において、欠損が生じた部分を、色・模様など異なる表示が画面に表示される掘削管理方法である。

また、前記の方法において、掘削ロッドの下端に各種掘削ヘッドを取り付けて、所定の深さまで杭穴を掘削する場合、一般に、掘削ロッドに杭穴壁練り付け用のドラムを取り付けることができ、ドラムにより杭穴壁を均して、設計通りの杭穴形状に形成することができる。したがって、この発明は、特に、（掘削ヘッドが位置するので）練り付け用のドラムを使用しできない杭穴の下端部の掘削に有効である。また、先端支持杭では、下端部は固い地盤であり練り付けにくく、かつ杭穴形状を設計通りに形成することが重要であるので、先端支持杭の下端部、すなわち根固め部、とりわけ拡底掘削する根固め部に有効である。
なお、当然ながら、この発明は、杭穴の上部や中間部に適用することもでき、摩擦杭（比較的弱い地盤）に適用することもできる。また、拡径部が下端部以外に形成された杭穴にも適用できる。

この発明は、設計データに基づく杭穴の性状（杭穴の形状、杭穴充填物の性質など）を基準立体形状として表示し、杭穴掘削中に掘削立体形状として杭穴の性状を表示するので、基準立体形状と掘削立体形状とを比較すれば、掘削中に転石など不慮の障害物で、杭穴の性状に欠損部分が生じた場合であっても、デジタルデータとして管理して、視覚的に確認できる。したがって、欠損部分の発生を見逃すことが無く、より正確な掘削管理を実現できる。
また、従来施工方法では、施工者による品質のばらつきが生じるおそれもあったが、この発明を実施すれば、施工品質を高い品質レベルで均一化できる。

図１はこの発明の実施例の掘削ヘッドで、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。図２は同じくこの発明の実施例の掘削ヘッドで、（ａ）は左側面図、（ｂ）は右側面図である。図３は同じくこの発明の実施例の掘削ヘッドで、平面図を表す。図４はこの発明の実施例の掘削ヘッドで杭穴軸部の掘削状態を表し、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。図５はこの発明の実施例の掘削ヘッドで杭穴拡底部の掘削状態を表し、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。図６（ａ）〜（ｆ）は、この発明の実施例で、表示された掘削立体形状の模式図である。図７（ａ）は基準立体形状の表示、（ｂ）〜（ｇ）は基準立体形状と掘削立体形状とを表示して比較している図である。図８は、泥・セメント配合比率変化を表すグラフである。

図面に基づきこの発明の実施形態を説明する。

１．掘削ヘッド５０の構成

（１）上端に掘削ロッド５１に連結するための連結部３を有するヘッド本体１は、上部２と下部７とからなり、上部２は四角柱状で、下部７は一側に膨出して下端が下方に凸の円弧状に形成されている。ヘッド本体１の下部３の下端に下方に刃先を向けて固定掘削刃８、８を並列して固定する。

（２）ヘッド本体１の上部２で、膨出した側と直交する面に、水平方向の回転軸１０、１０を突出させ、突出した回転軸１０に掘削腕２０の上端部２１を回転自在に取り付ける。したがって、掘削腕２０は、回転軸１０周りに揺動自在に形成される。
掘削腕２０は回転軸１０に取り付ける上端部２１が正面視（回転軸の軸方向）で幅広に形成され、中間部２２が細幅で、下端部２３が幅広に形成され、下端部２３の下端に、下方に刃先２７を向けた移動掘削刃２６、２６を並列して設ける。掘削腕２０の上端部２１の上端に、上方に向けて突出した操作突部２５を設ける。
また、掘削腕２０の中間部２２に加速度センサ３０及び加速度センサ３０に電源を供給するバッテリー３１を取り付ける。また、加速度センサ３０は、掘削腕２０の中間部２２の上端付近（上端部２１の下端付近）で、ヘッド本体１と対向する面に、ヘッド本体１側に向けて、データを送信する加速度データ送信部３２を設ける。
また、この加速度センサ３０は、３軸加速度センサ（傾斜角度計）を用いる。この場合、杭穴掘削時には遠心力や振動などにより、大きな動的加速度の成分が計測すべき加速度に加わり、誤差を生じるおそれがある。したがって、この誤差をデータ処理の際に除くような回路を加速度センサの近傍又は地上の処理装置内に設ける。

（３）ヘッド本体１の上部２の下端側（下部の上端側）に、加速度データ送信部３２からのデータを受ける受信アンテナ３３を設ける。受信アンテナ３３は、正面視（回転軸の軸方向）で幅広に形成され、加速度データ送信部３２の揺動軌跡を含むような形状になっている。
また、ヘッド本体１の上端部（連結部の下端付近）に、地上に向けてデータを送信する送信アンテナ３３を取り付ける。送信アンテナ３３と受信アンテナ３２とは、ヘッド本体１内のケーブルで接続されている。受信アンテナ３２に至ったデータは送信アンテナ３３から地上の受信機（図示していない）に向けて無線通信される。この際、掘削ヘッド５０を連結する掘削ロッド５１に、送信アンテナ３５と受信機とのデータの送受信を中継する中継アンテナを設けることもできる（図示していない）。
また、ここで、受信アンテナ３３で受けたデータを地上に送る手段は、無線に限らずヘッド本体１及び掘削ロッド５１内にケーブルを配線して、地上に送ることもできる（図示していない）。

（４）掘削腕２０が一側６３（矢示６３）に揺動する際、揺動角度を規制するために、ヘッド本体１の膨出した下部７の一側６３に、ストッパー３８を突設する。ストッパー３８は、掘削腕２０の中間部２２が当接して揺動角度を保つことができる。
また、掘削腕２０が一側に揺動して、ストッパー３８に当接した際に、掘削腕２０の操作突部２５と当接するストッパー３９を、ヘッド本体１の上部２に設ける。ストッパー３９は、掘削腕がさらに大きく一側に揺動することを規制する。

（５）掘削腕２０の中間部２２に、ヘッド本体１側に向けて開口する凹部からなるストッパー受け３７を設ける。
掘削腕２０が他側６４（矢示６４）に揺動する際、揺動角度を規制するために、ヘッド本体１の膨出した下部７の他側に、ばねで突起が出没するストッパー４１を設ける（図４）。ストッパー４１の突起はストッパー受け３７の凹部に嵌挿して掘削腕２０の揺動角度を保つことができる。
また、ヘッド本体１の下部７でストッパー３９の他側に、ストッパー４２を突設する。ストッパー４２は、他側６４（矢示６４）に揺動した掘削腕２０の操作突部２５が当接した際に、掘削腕２０が他側へ揺動することを規制する。
また、掘削腕２０が一側６３に揺動する揺動角度より、他側６４に揺動する揺動角度が大きくなるように設定する。

（６）ヘッド本体１の上部２で回転軸１０を設けない面に、板状の濃度センサアンテナ４４、４４の２枚を距離Ｌだけ離して突設する。濃度センサアンテナ４４、４４は、一方のアンテナ４４から他方のアンテナ４５に誘起された電圧を測定することができる。電界強度の測定は、通常、地上の無信通信に適用されるが、アンテナ４４、４４間に液体が充填されている場合にも適用できることがわかった。
例えば、濃度センサアンテナ４４、４４間の距離Ｌ＝１０ｃｍとして、
・セメントミルク１００％
・泥１００％
・セメントミルク：泥＝５：１
・セメントミルク：泥＝１：１
・セメントミルク：泥＝１：２
・セメントミルク：泥＝１：５
の場合で、２枚の濃度センサアンテナ４４、４４間に生じる電界強度（ｄＢｍ）を測定すると、図８のように、一定の比例関係が生じる。したがって、特定の水セメント比のセメントミルク１００％と、特定の泥１００％の電界強度を予め把握しておけば、杭穴５４内で、そのセメントミルクを注入した場合、電界強度を測定することにより、その部分のセメント濃度が把握できる。
したがって、一般にセメント濃度と固化圧縮強度には比例関係があるので、測定した電界強度から杭穴充填物の固化圧縮強度を、杭穴掘削時に推定できる。
なお、濃度センサアンテナ４４、４４間に生じる電界強度も、加速度センサ３０のデータと同様に、送信アンテナ３５から地上に送られる。また、濃度センサアンテナ４４、４４の電源は、ヘッド本体１内のバッテリー（図示していない）から供給される。

（７）また、ヘッド本体１の上部２の面に斜めに配置した撹拌版４、５を、互いに高さを違えて、突設する。また、ヘッド本体１の下端の中央（固定掘削刃８、８の間）に、セメントミルクを吐出する吐出口９を形成する（図１（ｂ））。
以上のようにして、この発明の杭穴掘削ヘッド５０を構成する（図１〜図３）。

２．掘削方法（掘削管理方法）

（１）掘削機（図示していない）に取り付けた掘削ロッド５１の下端に、杭穴掘削ヘッド５０の連結部３を連結する。この際、掘削腕２０は下方に垂れた状態にある（図１）。また、掘削機の操作室内又は地上の他の位置に、データを処理するデータ処理装置（図示していない）を設置する。
掘削機には、杭穴掘削ヘッド５０の杭穴５４内での深さを計測する深さセンサ（図示していない）を取り付け、深さセンサのデータをデータ処理装置に送信できるようにする。この際、深さデータは、杭穴掘削ヘッド５０の深さ位置は、最も外側で回転する掘削している移動掘削刃２６の刃先２７の深さとなるように変換される。
また、杭穴掘削ヘッド５０からの加速度データ及びセメントミルク濃度データを受信する受信機を掘削機に設け、受信機をデータ処理装置に接続する。

（２）従来の掘削と同様に、掘削機を正回転させると、杭穴掘削ヘッド５０の掘削腕２０、２０の移動掘削刃２６、２６の刃先２７が地面に当たって、掘削腕２０は一側６３に揺動して、ストッパー３８、３９によりその揺動角度を保ったまま、杭穴５４の軸部５５を掘削する（図４）。
掘削にしたがって、深さデータ、加速度データより移動掘削刃２６の刃先２７の位置（即ち、刃先２７の回転軌跡のデータ）がデータ処理装置に入力され、杭穴５４の形状が円柱状の掘削立体形状６０として表示される（図６（ａ））。
予め、設計データに基づき掘削予定の杭穴の基準立体形状６０Ａを表示しておく（図示していない）。この両立体形状のデータは、杭打ち機のオペレータ室にある画面に従来表示されている各種掘削データと共に、表示する。例えば、掘削立体形状６０と基準立体形状６０Ａは並列して表示する（図示していない）。

（３）基準立体形状６０Ａと掘削立体形状６０が略一致して、杭穴５４の軸部５５の掘削が完了したならば、続いて、掘削機の回転を逆回転にすれば、従来と同様に、掘削腕２０は土圧により、他側６４に揺動して、ストッパー４１、４２によって揺動角度を保ち、拡底部５６の掘削ができる（図５）。
引き続き、深さデータ、加速度データがデータ処理装置に入力されるので、杭穴５４の軸部５５の円柱に続いて下方に、大径の円柱が連結した掘削立体形状６０が表示される（図６（ｂ）〜（ｆ））。

（４）掘削途中に、転石があり、杭穴壁から内側に突出していた場合や、何らかの衝撃で、掘削ヘッドの揺動が小さくなった場合には、掘削立体形状６０に、欠損部６１が形成される（図６（ｃ））。この場合、欠損部６１が生じたことを警告するように、他の位置と区別するように、掘削立体形状６０に、例えば赤色に着色表示される。したがって、オペレータは欠損部が生じていることが直ぐに目視できる。
例えば、欠損部６１が生じた場合には、杭穴掘削ヘッド５０を上昇させて、欠損部６１が生じた深さで、再度、掘削して欠損部６１を除く。
また、欠損部６１が杭穴壁の転石により生じた場合には、再掘削しても、掘削立体形状６０に欠損部６１が残るので、把握できる。また、この場合、転石は杭穴壁にあれば、杭穴５４の性状にマイナスに作用しない。

（５）杭穴５４の掘削が完了したならば、杭穴掘削ヘッド５０の吐出口９からセメントミルクを注入して、杭穴の拡底部５６内の掘削泥土をセメントミルクに置換する。この際、濃度センサアンテナ４４、４４からの濃度データを解析して、杭穴５４の拡底部５６内の充填物の固化強度を推定して（例えば、推定固化強度５〜３０Ｎ／ｍｍ^２）、所定の設計強度を満たしていれば、そのまま杭穴５４の軸部５５に杭穴掘削ヘッド６０を引き上げて、吐出口９からセメントミルクを吐出しながら杭穴５４の軸部５５内の掘削泥土と撹拌してソイルセメントを形成する。
この際、同様に、濃度センサアンテナ４４、４４からの濃度データを解析して、杭穴５４の軸部５５内の充填物の固化強度を推定して（例えば、推定固化強度０．２〜５Ｎ／ｍｍ^２）、所定の設計強度を満たしていれば、そのまま杭穴掘削ヘッド５０を地上に引き上げる。
また、杭穴５４の拡底部５５又は軸部５６で、濃度センサアンテナ４４、４４からの濃度データから推定した充填物の固化強度が基準を満たさない場合には、再度セメントミルクを注入して、所定の値を満たすまで作業を繰り返す。したがって、設計内容を満たさない場合に、その場で対処できる。

（６）また、濃度センサアンテナ４４、４４からの濃度データを連続的又は断続的に、データ処理装置に送って、掘削立体形状の色を着色することもできる（図示していない）。例えば、基準を満たせば「青」、基準を満たさない場合には「赤」の表示をすれば、オペレータは目視で欠損部を確実に把握できる。また、欠損部は、色以外に、他の任意の表示とすることもできる（図示していない）。

（７）杭穴５４の掘削が完了して所定の杭穴充填物（セメントミルクなど）の充填が完了したならば、杭穴５４内に既製杭を下降して、杭穴充填物が固化したならば、基礎杭構造を構成する（図示していない）。

（８）また、前記において、杭穴５４の軸部５５の下方に拡底部５６を形成したが、地上部分に拡頭部、または中間深さに拡大部を形成して杭穴を構成することもできる（図示していない）。

３．他の実施形態

（１）前記実施形態において、他の構造の杭穴掘削ヘッド５０とすることもできる。例えば、軸部掘削用の掘削刃と、拡底部掘削用の掘削刃を設けた構造の杭穴掘削ヘッド５０の場合（図示していない）、各掘削刃に加速度センサを取り付けて、それぞれ、第１加速度センサ、第２加速度センサとする。

（２）また、前記実施形態において掘削立体形状６０と基準立体形状６０Ａとを並列して表示したが、他の表示構成とすることもできる。
例えば、まず、基準立体形状６０Ａを表示しておき（図７（ａ）、掘削にしたがって形成される掘削立体形状６０を重ねて表示することもできる（図７（ｂ）〜（ｇ））。この場合、両立体形形状６０、６０Ａで色を違えるなど互いに異なる表示とすれば、欠損部６１を目視により極めて把握し易い。

（３）また、前記実施形態において既製杭を埋設する杭穴に適用したが、鉄筋篭とコンクリートを充填して基礎杭（いわゆる現場造成杭）を構築する杭穴に適用することもできる（図示していない）。

１ヘッド本体
２ヘッド本体の上部
３連結部
４撹拌版
５撹拌版
７ヘッド本体の下部
８固定掘削刃
９吐出口
１０回転軸
２０掘削腕
２１掘削腕の上部
２２掘削腕の中間部
２３掘削腕の下部
２５操作突部
２６移動掘削刃
２７移動掘削刃の刃先
３０加速度センサ
３１バッテリー
３２加速度データ送信部
３３受信アンテナ
３５送信アンテナ
３７ストッパー受け（掘削腕）
３８ストッパー（正回転）
３９ストッパー（正回転）
４１ストッパー（逆回転）
４２ストッパー（逆回転）
４４濃度センサアンテナ
５０杭穴掘削ヘッド
５１掘削ロッド
５２地面
５４杭穴
５５杭穴の軸部
５６杭穴の拡底部
６０掘削立体形状
６０Ａ基準立体形状
６１欠損部

Claims

掘削手段を有する掘削ヘッドで杭穴を掘削して、前記杭穴の下端部が固い地盤にある先端支持杭を構築する掘削方法に適用する掘削管理方法であって、以下のようにして、掘削を管理する杭穴掘削管理方法。
(1) 以下のようにして、掘削ヘッドを構成する。
(a) 前記杭穴を掘削する掘削手段に前記掘削ヘッドの縦軸から掘削手段の掘削刃までの距離を算定するための位置センサを設ける。
(b) 地上から前記掘削手段の刃先までの距離算定するための深さセンサを設ける。
(2) 前記各センサからのデータを受信して処理するデータ処理装置を設ける。
(3) 予め掘削予定の杭穴形状を前記データ処理装置にデータ入力して、基準立体形状を作成しておく。
(4) 前記掘削ヘッドを用いて地上より杭穴を掘削しながら、前記位置センサによる杭穴外周情報と深さセンサによる地上からの深さ情報とで、前記データ処理装置において処理され、深さ方向に連続して又は一定深さ毎に、その深さまで掘削した杭穴の立体形状を作成して、掘削立体形状とする。
(5) 前記データ処理装置において処理され、前記基準立体形状と前記掘削立体形状とを並列して又は重ねて、かつ従来表示されている掘削データと共に、画面に表示される。
(6) 前記基準立体形状に比較して、前記掘削立体形状に欠損が生じた場合には、欠損が生じた部分を再度掘削して、前記データ処理装置において再掘削時の修正掘削立体形状を作成して、前記画面に表示される。
拡大掘削のための掘削手段を有する掘削ヘッドで、杭穴の軸部を掘削すると共に、前記杭穴の軸部の底部に拡大部を形成して、前記杭穴の下端部が固い地盤にある先端支持杭を構築する掘削方法に適用する掘削管理方法であって、以下のようにして、掘削を管理する杭穴掘削管理方法。
(1) 以下のようにして、(a)又は(b)、かつ(c)のようして掘削ヘッドを構成する。
(a) 前記杭穴の軸部の杭穴壁を掘削する掘削手段に前記掘削ヘッドの縦軸から掘削手段の掘削刃までの距離を算定するための第１位置センサを設け、かつ杭穴の拡大部の杭穴壁を掘削する掘削手段に前記掘削ヘッドの縦軸から掘削手段の掘削刃までの距離を算定するための第２位置センサを設ける。
(b) 前記杭穴の軸部及び拡大部を掘削することができる移動可能な掘削手段に、前記掘削ヘッドの縦軸から掘削手段の掘削刃までの距離を算定するための共通位置センサを設ける。
(c) 地上から前記掘削手段の刃先までの距離算定するための深さセンサを設ける。
(2) 前記各センサからのデータを受信して処理するデータ処理装置を設ける。
(3) 予め掘削予定の杭穴形状を前記データ処理装置にデータ入力して、基準立体形状を作成しておく。
(4) 前記掘削ヘッドを用いて地上より杭穴の軸部及び拡大部を掘削しながら「前記第１位置センサ、第２位置センサまたは共通センサ」による杭穴外周情報と深さセンサによる地上からの深さ情報とで、前記データ処理装置において処理され、深さ方向に連続して又は一定深さ毎に、その深さまで掘削した杭穴の立体形状を作成して、掘削立体形状とする。
(5) 前記データ処理装置において処理され、前記基準立体形状と前記掘削立体形状とを並列して又は重ねて、かつ従来表示されている掘削データと共に、画面に表示される。
(6) 前記基準立体形状に比較して、前記掘削立体形状に欠損が生じた場合には、欠損が生じた部分を再度掘削して、前記データ処理装置において再掘削時の修正掘削立体形状を作成して、前記画面に表示される。
基準立体形状と比較して、掘削立体形状に欠損が生じた場合には、前記データ処理装置において、欠損が生じた部分を、色・模様など異なる表示が画面に表示される請求項１又は請求項２に記載の掘削管理方法。