JP6307049B2 - 地盤硬化層造成工法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、攪拌翼を用いた注入ロッドによる超軟弱地盤の改良において、対象地盤の攪拌注入によって造成する地盤硬化層に発生する中空現象、即ち、ドーナツ現象を回避し、攪拌効率を挙げるための地盤硬化層造成工法とその装置に関するものである。

従来、軟弱地盤の構築基礎支保や強化支保については、地盤硬化材を高圧噴射しながら地盤硬化材注入ロッドを回動することにより対象地盤を攪拌掘削する地盤硬化材注入工法が多く行われてきたが、施工環境や地盤の軟弱度によっては、効率が悪く攪拌力も不充分であるという問題があった。

これに対応して、攪拌翼による直接的攪拌が行われるようになり、更に、硬化材注入層の径を大きくするために、例えば特許文献１に示されるように、攪拌翼の先端に噴射ノズルを設けて水平方向に硬化材を噴射するなど攪拌翼に噴射ノズルを設定することも行われるようになってきた。

しかし、従来の硬化材噴射が水平方向への噴射を主流としたため、攪拌翼による直接攪拌と硬化材噴流による流体攪拌との調整に問題があり、攪拌領域に硬化材が充分にいきわたらず、土壌と硬化材の混合むらが発生し易く確実かつ均一な土壌の攪拌混合には更なる問題を残していた。

このような混合むらの問題に対応するため、地盤改良材と軟弱土壌の攪拌手段としては、例えば特許文献２に示されるように、注入ロッドに斜め下方乃至斜め上方に噴射する噴射ノズルを設け、噴流を交差させて立体的な噴流攪拌注入を行うと共に、その上部に設けた攪拌翼によって更なる直接攪拌を行う工法や装置も提案されてきている。

また、注入された硬化材が過剰な攪拌や切削水の使用により、流出希釈されることを防止するため、特許文献３に示されるように攪拌翼の先端に拡散防止板を設定したり、特許文献４のように注入ロッドの斜め方向に噴射する噴射ノズルを設けて、同噴射ノズルから攪拌翼の先端に向けて硬化材を噴射することも提案されている。

特開昭５０−１０７７１４号公報 特開平６−１４６２６０号公報 特開平９−２９６４３９号公報 特開２００５−７６２１２号公報

攪拌翼によって直接攪拌を行う場合には、注入ロッドの回動に対して掛かる地盤の抵抗によって発生する回転トルクの増大が問題であり、作業効率に大きく影響している。しかし、上記先行技術の場合、攪拌翼の先端に拡散防止板を設定すれば、注入ロッドを回転するための回転トルクが増大する。

また、噴射機械攪拌工法として用いられている掘進時と引き上げ時に下段攪拌翼の先端より水平方向に噴射する方法では、対象地盤の攪拌注入によって造成する地盤硬化層に発生する中空現象、即ち、ドーナツ現象を回避することができないという問題がある。

更に、造成される硬化層の径がφ１４００以上の大口径の場合には、大型の装置を用いても対象地盤の状況によっては硬化材が改良口径の外周部まで到達せず、造成された地盤硬化層外周部に硬化不良が発生する危険があり、攪拌土壌と硬化材の混合むらも生じ易いという問題がある。

更にまた、注入ロッドを対象地盤に挿入する掘進時の下方噴射から攪拌注入のための側方噴射に切換える場合に、周辺地盤からの逆圧により側方分岐流路に流体が逆流する事態が発生する問題がある。

本発明は上記した課題に対応しようとするものであり、注入ロッドの左右両側に取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼を突設し、硬化材を圧送する側方流路がこの板状捻り翼の内部を貫通してその板状捻り翼の先端に噴射ノズルとして開口するように構成した。

この構成により、側方噴射ノズルから噴射される硬化材は、板状捻り翼の回動によって生ずる周辺土壌の旋回動の流れに巻き込まれて板状捻り翼の上下に誘導され、硬化材が改良口径の内周部に導入されるものである。

また、上記板状捻り翼の翼板を波形に湾曲させて構成することにより、翼板上に掬い揚げられた攪拌土壌が波形湾曲面上に揺動されて、より綿密な破砕混合が行われる。更に、板状捻り翼の外表面に捻り方向に沿って誘導溝を刻設するようにして、板状捻り翼に周接する攪拌土壌を積極的に板状捻り翼の旋回回動に同調させるように構成した。

更に、板状捻り翼に設ける硬化材流路を、基部から先端に向けて全体をテーパー状に縮径するノズル形状に構成し、畜圧構造の容積を拡張するように構成して硬化材噴流の噴射力を高めるようにした。

また、注入ロッドの両側腹に開口する分岐側方流路の各分岐流入口に差圧弁と逆止弁を設定するようにし、注入ロッドを対象地盤に挿入する掘進時の下方噴射から攪拌注入のための側方噴射に切換える場合に、周辺地盤からの逆圧により側方分岐流路に流体が逆流する事態の発生を防止するようにした。

本発明は、以上のように構成したことにより、回転トルクの増大に直結する攪拌翼の下部若しくは上部に向けた硬化材噴射に依拠することなく、対象地盤の攪拌注入によって造成する地盤硬化層に発生する中空現象、即ち、ドーナツ現象を回避することができたものである。

また、硬化材噴流の破砕力を強化するための重合噴射ノズルによるエアー巻き噴射等、注入ロッドの構成を複雑化する手段を用いることなく、単管による注入ロッドの先端モニター部に、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設け、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼の先端に噴射ノズルとして側方流路が開口する構成により、土壌と硬化材の混合むらのない、確実かつ均一な土壌の攪拌混合を行えるようにした。

本発明の実施例を示すもので、注入ロッド先端部において下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路の構造を示す注入ロッド先端部の縦断側面図。 同じく、板状捻り翼の翼板を波形に湾曲させて構成した実施例の翼の外表面のうねり状況と、板状捻り翼の外表面に刻設された誘導溝の状況を示す板状捻り翼の拡大斜視図。 同じく、注入ロッドへの板状捻り翼の取り付け状況と噴射ノズル及び硬化材流路の状况を示す注入ロッドを図１のＸ−Ｘ線による断面とした平面図。 同じく、注入ロッドへの板状捻り翼の取り付け状況を示す板状捻り翼の取付基部を翼の先端部から見た注入ロッドの板状捻り翼取付部の拡大側面図。 同じく、注入ロッドへの板状捻り翼の取り付け状況を示す板状捻り翼を翼の側面部側から見た注入ロッドの板状捻り翼取付部の拡大側面図。 同じく、本発明による地盤硬化層造成の施工状況を示す要部を断面とした全体側面図。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。１は注入ロッドで、適宜に継手される継手構造を備えた単管により硬化材圧送流路２が構成されているが、先端モニター部Ｍにおいて、下方流路２１と両側腹に開口する側方流路２ａ、２ｂに分岐し、上端はスイベル１５を介して材料供給ホース４１に連接する。

注入ロッド１の先端モニター部Ｍの両側には、前記側方流路２ａ、２ｂが内設された板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂが左右に張り出して設定されている。板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ取付基部１１ａと先端部１１ｂが注入ロッド軸心１３に対して逆方向に傾斜する捻り形状に形成され、注入ロッド１の回動により翼面が旋回作動するように構成されている。
また、板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂの翼縁には、縁部に沿って複数の掻爪１６、１６が植設されている。

更に、板状捻り翼についての他の実施例として、図２に示すように板状捻り翼の翼板を波形に湾曲させて構成することにより、翼板上に掬い揚げられた攪拌土壌が波形湾曲面上に揺動されて、より綿密な破砕混合が行われる。なお、翼板は常に波形湾曲させる必要はなく、図４に示すような捻り形状のみに形成しても良い。

板状捻り翼には、また、板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂの外表面には捻り方向に沿って１又は複数の誘導溝１２が刻設され、板状捻り翼の旋回駆動により攪拌される周接土壌を周辺土壌の旋回動の流れに巻き込んで板状捻り翼の上下に誘導するようになっている。

板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂに内設される側方流路２ａ、２ｂは、板状捻り翼取付部から先端に向けてテーパー状に縮径するノズル形状に構成され、先端開口部は噴射ノズル１４となっている。また、分岐側方流路２ａ、２ｂの各分岐流入口２２、２２には差圧弁３と逆止弁３１が設定され、差圧弁３が圧送される流体の流圧によって分岐流入口２２、２２の開閉を行うと共に、逆止弁３１が周辺地盤からの逆圧により側方分岐流路に流体が逆流するのを防止している。１４ａは板状捻り翼１１Ａ、１１Ｂの先端に着脱可能に螺合するノズルチップであり、注入環境に応じてノズル径を変化させるように交換可能な構成となっている。

以上のように構成した攪拌注入ロッド１は、対象地盤の軟弱度によって、注入ロッド１に潤滑液を供給しつつ回転下降駆動させ、或いは、注入ロッド１の重力によって、そのまま下降させる。

即ち、対象地盤の軟弱度が高く注入ロッド１の重力によってそのまま下降する場合には、下降作動と同時に硬化材プラント等（図示しない。）から材料供給ホース４１、スイベル１５を通じて硬化材を圧送すれば硬化材は圧送流路２を通じて下方流路２１の両側腹に開口する側方流路２ａ、２ｂの水平方向噴射ノズル１４、１４に至り対象地盤中に噴射され、周辺土壌を穿孔破砕しながら硬化材を充填しつつ円柱状に地盤を切削して円柱状硬化層を造成して行き、所定深度に達したところで、必要に応じて下方流路２１からの硬化材噴射等の補正手段を講じつつ注入ロッド１を引揚げるものである。

対象地盤の軟弱度が低く、注入ロッド１に潤滑液を供給しつつ回転下降させる場合には、所定の深度において注入ロッド１の上方から下方流路２１を閉塞する球体２３を落下させて下方流路２１を閉塞し、硬化材プラント等から材料供給ホース４１、スイベル１５を通じて硬化材を圧送すれば硬化材は圧送流路２を通じて下方流路２１の両側腹に開口する側方流路２ａ、２ｂの水平方向噴射ノズル１４、１４に至り対象地盤中に噴射され、周辺土壌を穿孔破砕しながら硬化材を充填しつつ注入ロッド１を上昇させ、円柱状に地盤硬化層を造成して行くものである。

分岐流入口２２、２２には差圧弁３と逆止弁３１が設定され、差圧弁３が圧送される流体の流圧によって分岐流入口２２、２２の開閉を行う場合には、注入ロッド１に潤滑液を供給しつつ回転下降させ、所定の深度において供給流体を硬化材に変換して送給圧力を挙げることによって差圧弁３が開いて側方流路２ａ、２ｂの水平方向噴射ノズル１４、１４に至り対象地盤中に噴射される。その際、下方流路２１を閉塞するか否かは施工目的と環境条件による。また、下方流路２１に差圧弁を設けて圧送流圧により操作することも可能である。

注入ロッド１の下降が所定の深度に達したところで、ロッド１の回転方向を変え下降時の回転に対して逆回転させながら、再び、硬化材を噴射しながらロッドの上昇引上げを行なって対象地盤中に円柱状の地盤硬化層Ｗを造成し、軟弱地盤の構築基礎支保や強化支保を行なうものであるが、ロッド下降時と上昇引上げ時で作動態様を変化させたり、硬化材圧送条件を変化させるか否かは、施工目的と環境条件によるものである。

施工の１例としては、直径９０Φの注入ロッド１の側腹に１５０〜２００ミリ長の板状捻り翼を植設し、対象地盤への挿入下降時に水平方向噴射ノズルから４０Ｍｐａの噴射圧力で硬化材としてセメントミルクを吐出量２００リッター／ｍｉｎで噴射しながら２〜２０ｒｐｍで回転させることで、造成径φ２５００ｍｍの拡径層が造成できた。

本発明に係る地盤硬化層造成工法とその装置は、上記のように攪拌翼を板状捻り翼とし、板状捻り翼の基部から先端に向けてテーパー状に縮径するノズル形状の硬化材流路を内設して物理的攪拌を多面的な翼形状による複合攪拌により切削土壌と硬化材の極めて混合度の高い均質な改良混合層の造成を可能としたもので、軟弱地盤の効率的強化により軟弱な地質のため利用できなかった土地の活用を積極的に押し進めることに利用することができる。

１ 攪拌注入ロッド
１１Ａ 板状捻り翼
１１Ｂ 板状捻り翼
１１ａ 板状捻り翼の取付基部
１１ｂ 板状捻り翼の先端部
１２ 板状捻り翼の誘導溝
１３ 注入ロッド軸心
１４ 水平方向噴射ノズル
１４ａ 噴射ノズルチップ
１５ スイベル
１６ 板状捻り翼の掻爪
２ 硬化材圧送路
２ａ 分岐側方流路
２ｂ 分岐側方流路
２１ 下方噴射流路
２２ 分岐流入口
２３ 下方流路閉塞球体
３ 差圧弁
３１ 逆止弁
４１ 材料供給ホース
Ｇ 対象地盤
Ｍ ロッド先端のモニター部
Ｗ 造成硬化材層

Claims (5)

1. 先端部において、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設けた注入ロッドの側方流路が、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼の翼板を波形に湾曲させて構成し、先端に噴射ノズルとして開口する注入ロッドに硬化材を圧送して、左右両側のノズルより高圧噴射しながら攪拌注入ロッドを回転しつつ下降、上昇或いはその双方を行うようにして、前記板状捻り翼の回動によって生ずるロッド周辺土壌の旋回流動により噴射硬化材を誘導して攪拌し、攪拌土壌を板状捻り翼の旋回回動に同調させるように構成したことを特徴とする地盤硬化層造成工法。
2. 先端部において、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設けた注入ロッドの側方流路が、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼の外表面に、捻り方向に沿って誘導溝を刻設した翼板先端に噴射ノズルとして開口する注入ロッドに硬化材を圧送して、左右両側のノズルより高圧噴射しながら攪拌注入ロッドを回転しつつ下降、上昇或いはその双方を行うことにより、攪拌土壌を旋回流動により噴射硬化材を誘導して攪拌し、前記板状捻り翼の旋回回動に同調させるように構成した地盤硬化層造成工法。
3. 先端部において、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設けた注入ロッドの側方流路が、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜し、翼板が波形に湾曲する板状捻り翼の先端に噴射ノズルとして開口する注入ロッドを回転上下駆動機構によって支持して成る地盤硬化層造成装置。
4. 先端部において、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設けた注入ロッドの側方流路が、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼の外表面に捻り方向に沿って誘導溝を刻設した前記板状捻り翼の先端に噴射ノズルとして開口する注入ロッドを回転上下駆動機構によって支持して成る地盤硬化層造成装置。
5. 先端部において、下方と両側腹に開口する側方流路に分岐する硬化材圧送流路を設けた注入ロッドの側方流路が、注入ロッドの左右両側に突設された取付基部と先端部が注入ロッド軸心に対して逆方向に傾斜する板状捻り翼の先端に噴射ノズルとして開口する注入ロッドを回転上下駆動機構によって支持して成る注入ロッドの両側腹に開口する分岐側方流路の各分岐流入口に差圧弁と逆止弁を、それぞれ設定するようにした地盤硬化層造成装置。