JP6333058B2 - 地盤改良装置 - Google Patents

Description

この発明は、地盤改良装置に係り、特に地盤を改良する地盤改良装置に関する。

従来、地盤改良装置において、施工時に、地面崩壊で施工品質や作業安全性に対して深刻な影響を避けるために、建設工事の初期では、施工区域の地盤が十分に耐え得るかどうかを事前に調査している。
通常、地震による地盤の液化現象の発生、また、深い掘削の必要な地盤の土質が軟弱粘土・土砂又は充填土である場合に、地盤改良工法によって元の軟弱地盤を強化している。
地盤改良作業は、高圧射出成形杭（ＪＳＰ）工法、二重管グラウト工法（ＪＳＧ）、掘削・グラウト工法・攪拌の工法等を採用し、また、これらの工法において、混合セメント等を合わせた地盤土壌改良材（硬化剤）を供給しつつ、特殊な機器で地盤土壌に強力な撹拌を与え、地盤改良を実施している。
このような地盤改良装置としては、例えば、以下のような先行技術文献がある。

特開２０００−１６０９７６号公報 特許文献１に係る縦孔掘削装置は、地盤面から地下に向かって縦孔を掘削する装置において、駆動軸にドラム体を固着し、ドラム体の下部に土砂取込み開口が形成された底蓋を設け、土砂掘削ビットを設けた掘削アームをドラム体の上縁よりも上方位置で外側方に向かうように突設した構造である。

ところで、地盤改良に行う機械設備において、掘削処理できる深度と幅は、大半がその設備によって決まる。この設備の強度は、駆動装置や掘削体の撹拌刃等と密接に関連している。
しかしながら、従来では、一度で行う掘削処理の範囲が狭く、地盤改良処理の効率が低かったので、改善が望まれていた。

そこで、この発明は、一度で行う掘削処理の範囲を広くし、地盤改良処理の効率を向上する地盤改良装置を提供することにある。

この発明は、ベースマシンのアームの先端に掘削装置を装着する地盤改良装置において、前記掘削装置は、駆動装置と、前記駆動装置が設置される掘削アームと、前記掘削アームの一端に設置される駆動輪と、前記掘削アームの他端に設置される従動輪と、前記駆動輪と前記従動輪とに巻き掛けられるチェーンベルトと、前記チェーンベルトに所定間隔で設置される複数の掘削体と、前記掘削アームに設置される気液体噴射部とを備え、前記掘削体は、本体部と前記本体部に取り付けられる複数の撹拌刃とを備え、前記掘削アームは、円柱体からなることを特徴とする。

この発明は、一度で行う掘削処理の範囲を広くし、地盤改良処理の効率を向上することができる。

図１は地盤改良装置の側面図である。（実施例１） 図２（Ａ）は掘削装置の正面図である。図２（Ｂ）は掘削装置の側面図である。（実施例１） 図３は掘削体の斜視図である。（実施例１） 図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は掘削体の撹拌刃の各種配置パターンの例を示す正面図である。（実施例１） 図５は駆動装置の断面図である。（実施例１） 図６は地盤の掘削施工状態を示す側面図である。（実施例１） 図７（Ａ）は円柱体からなる掘削アームに細く長い掘削翼が設置された掘削装置の側面図である。図７（Ｂ）は円柱体からなる掘削アームに細く短い掘削翼が複数段に設置された掘削装置の側面図である。（実施例２） 図８（Ａ）は図７（Ａ）の掘削アームの断面図である。図８（Ｂ）は図７（Ｂ）の掘削アームの断面図である。（実施例２） 図９は異物除去装置が備えられた掘削装置の側面図である。（実施例３） 図１０は固定ボルトで本体部に取り付けられた撹拌刃の正面図である。（変形例１） 図１１は各爪部の高さが異なる撹拌刃の正面図である。（変形例２） 図１２はバケットが取り付けられたチェーンベルトの一部正面図である。（変形例３） 図１３はチェーンテンショナが取り付けられたチェーンベルトの一部正面図である。（変形例４）

この発明は、一度で行う掘削処理の範囲を広くし、地盤改良処理の効率を向上する目的を、各部分の形状や配置を変更して実現するものである。

図１〜図６は、この発明の実施例１を示すものである。
図１に示すように、地盤改良装置１は、ベースマシン２と、このベースマシン２に装着される掘削装置３とを備える。この地盤改良装置１は、軟弱地盤を硬くする地盤改良や、硬い地盤を軟らかくする地盤改良等に用いられる。

ベースマシン２は、マシン本体４と、このマシン本体４の下部に取り付けられたキャタピラ５と、マシン本体４上に設置された操縦部６と、マシン本体４から上方に延びるブーム７と、このブーム７に連結されたアーム８とを備える。
ベースマシン２のアーム７の先端には、掘削装置３が鉛直に装着される。

掘削装置３は、図２に示すように、駆動装置９と、掘削アーム１０と、チェーンベルト１１とを備える。
駆動装置９は、掘削アーム１０の一端である上端に取り付けられる。
掘削アーム１０は、この実施例１では、例えば、長手方向が上下方向に向かう長方体からなる。

図５に示すように、駆動装置９は、上方の開放するカバー１２内でモータ１３を備える。モータ１３は、モータケース１４内で水平方向に配置されたドライブシャフト１５を回転する。
モータケース１４は、モータ１３に近い側の一側ケース部１６と、この一側ケース部１６から離れた側の他側ケース部１７とからなる。一側ケース部１６と他側ケース部１７とは、一側支持部１８と他側支持部１９とによって支持される。一側支持部１８と他側支持部１９とは、カバー１２に連結されて水平方向に配置された支持板２０に支持される。
ドライブシャフト１５は、複数のベアリングとして、モータ１３側の一側ケース部１６に位置する２つのベアリングとしての第１、第２ベアリング２１、２２と、モータ１３から離れた側の他側ケース部１７に位置する１つのベアリングとしての第３ベアリング２３とによって３点で支持される。第１〜第３ベアリング２１〜２３は、二重シール（Ｄｏｕｂｌｅ−Ｓｅａｌ）のボールベアリングからなる。
このように、二重シールのボールベアリングからなる第１〜第３ベアリング２１〜２３であって、且つ、第１、第２ベアリング２１、２２と第３ベアリング２３とが離れて配置されることで、ドライブシャフト１５を安定して支持することができ、また、地盤改良作業時に、セメント・水分がドライブシャフト１５に浸透するのを避け、更に、掘削過程では、大きな揺れが発生せず、掘削過程の安定性を向上することができる。
ドライブシャフト１５には、一側ケース部１６と他側ケース部１７との間で、駆動輪２４が取り付けられる。この駆動輪２４には、チェーンベルト１１が巻き掛けられる。また、このチェーンベルト１１は、掘削アーム１０の他端である下端に取り付けられた従動輪２５に巻き掛けられ、掘削アーム１０の周辺に配置される。

チェーンベルト１１の外周面には、図２に示すように、複数の掘削体２６が所定の間隔で取り付けられる。
掘削体２６は、図３に示すように、例えば、金属製であって、平面視でＨ形状であり、その幅Ｗが少なくとも１．２ｍである。
掘削体２６は、本体部２７と、本体部２７の一側面（内側面）に連設されたチェーン用取付部２８と、本体部２７の他側面（外側面）に所定の間隔で連設された４つの第１〜第４刃用取付部２９−１〜２９−４と、この第１〜第４刃用取付部２９−１〜２９−４に所定の取付手段によって取り付けられる複数の撹拌刃として、４つの第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４とを備える。

第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４は、傾斜角度が一致又は部分的に一致し、あるいは、それぞれ異なる配列で本体部２７に取り付けられる。
図４（Ａ）〜（Ｄ）には、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４の配置パターンの例を示す。
図４（Ａ）に示すように、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４は、全て、所定の傾斜角度で同じ方向に、左斜め又は右斜めに配置される。
図４（Ｂ）に示すように、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４において、第１、第２撹拌刃３０−１、３０−２は所定の傾斜角度で右斜めに配置され且つ第３、第４撹拌刃３０−３、３０−４は所定の傾斜角度で左斜めに配置され、あるいは、第１、第２撹拌刃３０−１、３０−２は所定の傾斜角度で左斜めに配置されるとともに、第３、第４撹拌刃３０−３、３０−４は所定の傾斜角で右斜めに配置される。
図４（Ｃ）に示すように、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４において、第１撹拌刃３０−１は所定の傾斜角度で右斜めに配置され且つ第２撹拌刃３０−２は所定の傾斜角度で左斜めに配置され、また、第３撹拌刃３０−３は所定の傾斜角度で右斜めに配置され且つ第４撹拌刃３０−４は所定の傾斜角度で左斜めに配置され、あるいは、第１撹拌刃３０−１は所定の傾斜角度で左斜めに配置され且つ第２撹拌刃３０−２は所定の傾斜角度で右斜めに配置され、また、第３撹拌刃３０−３は所定の傾斜角度で左斜めに配置され且つ第４撹拌刃３０−４は所定の傾斜角度で右斜めに配置される。
図４（Ｄ）に示すように、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４において、第１撹拌刃３０−１は所定の傾斜角度で左斜めに配置され且つ第２撹拌刃３０−２は所定の傾斜角度で右斜めに配置され、また、第３撹拌刃３０−３は所定の傾斜角度で右斜めに配置され且つ第４撹拌刃３０−４は所定の傾斜角度で左斜めに配置され、あるいは、第１撹拌刃３０−１は所定の傾斜角度で右斜めに配置され且つ第２撹拌刃３０−２は所定の傾斜角度で左斜めに配置され、また、第３撹拌刃３０−３は所定の傾斜角度で左斜めに配置され且つ第４撹拌刃３０−４は所定の傾斜角度で右斜めに配置される。
このような第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４の各種配置パターンの組み合わせにより、掘削過程において、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４の地盤Ｂに接触する面積が大きくなり、掘削完了時における時間的効率を向上することができる。

図３に示すように、第１〜第４撹拌刃３０−１〜３０−４は、それぞれ、少なくとも３つの爪部として、上下方向に配置された第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃを備える。第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃは、図３では、同じ高さに形成される。
このように、撹拌刃の爪部の数を少なくとも３つ設置することで、掘削過程で泥による阻害によって掘削効率が低くなることを避け、また、地盤土壌が除去される時にさらに細かく粉砕される。

図１に示すように、カバー１２の側面には、複数の気液体配管３２として、例えば、第１〜第３気液体供給配管３２−１〜３２−３が取り付けられる。第１〜第３気液体供給配管３２−１〜３２−３は、セメントミルク、空気等の気体、液体を貯蔵するストレージコンテナ３３に連結される。このストレージコンテナ３３は、建設現場に設置される。
第１〜第３気液体供給配管３２−１〜３２−３には、図２（Ｂ）に示すように、気液体連結管３４に一端が接続される。この気液体連結管３４は、掘削アーム１０に沿って下方に延びて配置され、他端が気液体噴射部３５に接続される。
気液体噴射部３５は、気体・液体を噴射するものであって、例えば、掘削アーム１０の下端に設置される。
気液体噴射部３５は、少なくとも従動輪２５の両側に配置され且つ下方に向かって開口する２つの一側噴射口３６・他側噴射口３７を有する一側噴射パイプ３８・他側噴射パイプ３９を備える。
なお、気液体噴射部３５は、図２（Ｂ）の破線で示すように、掘削アーム１０の中間部位でも、複数個配置することが可能である。

次に、この実施例１に係る掘削施工について説明する。
図６に示すように、地盤改良を必要とする地盤として、例えば、軟弱な地盤Ｂにおいて、掘削装置３を、地盤Ｂの表面に垂直に位置させ、チェーンベルト１１を回転させ、各掘削体２６の各撹拌刃が地盤Ｂの表面に接触し、そして、チェーンベルト１１の回転領域で、掘削体２６によって地盤Ｂの掘削が始められる。
そして、掘削アーム１０を地盤Ｂに押し進めて、さらに、セメントミルクや空気等を噴射口３５、３６から噴射する。
このとき、掘削体２６は、地盤土壌掘削と液体撹拌とを同時に行う。
これは、地盤Ｂの改良作業が終わるまで、繰り返し行われる。
この結果、掘削装置３が一度で行う掘削処理の範囲を広くし、地盤改良処理の効率を向上することができる。
また、地盤改良が処理できる幅と深さは、従来では、それぞれ１ｍと１３ｍであったが、この実施例１では、安定度の高い掘削装置３は、チェーンベルト１１の総長を長くして、少なくとも１６ｍの深さまで処理でき、掘削体２６の幅を増すことによって、少なくとも１．２ｍの幅まで増すことができる。これにより、地盤Ｂの整地効率を高めることができる。

この実施例１においては、図１に示すように、ベースマシン１の操縦部６には、施工数値検出装置４０が設置される。施工数値検出装置４０は、掘削装置３が地盤Ｂの掘削中に、掘削方向の水平距離、深度、傾斜角度、回転数、チェーン稼働距離等の掘削施工状態を検出して表示する。これにより、作業者は、その掘削施工状態をより明確に監視することができる。
また、図２（Ｂ）に示すように、掘削アーム１０の下端の気液体噴射部３５には、振動発生装置４１が配置される。振動発生装置４１は、振動モータ等からなり、施工過程中に噴射口３６、３７付近、又はチェーンベルト１１と従動輪２５との接続ポイントで異物が詰まる可能性あるので、振動で振り払って異物を排除する。これにより、気液体を円滑に噴射させ、また、チェーンベルト１１をスムーズに回転させることができ、さらに、地盤Ｂを効率良く固めることができる。

図７、図８は、この発明の実施例２を示すものである。
以下の実施例においては、上述の実施例１と同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
この実施例２の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、掘削アーム１０は、円柱体からなる。この円柱体の掘削アーム１０は、掘削過程において、地盤Ｂ中の土砂の抵抗に対して速度を落とすことができる。
これにより、掘削アーム１０の構造強度を上げるばかりでなく、掘削過程において損壊を受けることを避け、掘削過程の作業効率を向上することができる。また、掘削過程において、泥や床版が受ける阻害を低く抑え、掘削作業の安定性を高め、作業の効率を向上させることができる。
また、図７（Ａ）、図８（Ａ）に示すように、円柱体からなる掘削アーム１０の外周面には、細く長い形状の掘削翼として、第１〜第４掘削翼４２−１〜４２−４が掘削アーム１０の長手方向で且つ掘削アーム１０全体にわたって設置される。また、第１〜第４掘削翼４２−１〜４２−４は、掘削アーム１０の円周方向で９０度の間隔を開け、円周方向等間隔で且つ対称的に配置される。
また、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）に示すように、円柱体からなる掘削アーム１０の外周面には、細く短い形状の掘削翼として、第１〜第５掘削翼４３−１〜４３−５が掘削アーム１０の長手方向で且つ所定の間隔Ｌを置いて複数段（例えば、上下方向で５段）に配置される。第１〜第５掘削翼４３−１〜４３−５の全長は、第１〜第４掘削翼４２−１〜４２−４の全長よりも短い。また、第１〜第５掘削翼４３−１〜４３−５は、掘削アーム１０の円周方向で７２度の間隔を開け、円周方向等間隔に配置される。
上記の図７（Ｂ）、図８（Ｂ）の構造により、掘削過程で発生する振動や偏差移動を、さらに低く抑えることができ、また、掘削作業の安定性を高めることができる。
図８（Ａ）、図８（Ｂ）では、各掘削翼の円周方向の平均角度設置方法において、角度の制限を全く受けない。それゆえに、各掘削翼において、細く長い形状の掘削翼を、対称に配置したり、平均角度で配置したり、細く短い形状の掘削翼を、対称に配置したり、平均角度で配置したりすることが可能である。

図９は、この発明の実施例３を示すものである。
この実施例３の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、図９に示すように、掘削アーム１０の上端には、チェーンベルト１１及び掘削体２６の異物を除去する異物除去装置４４が設置される。
異物除去装置４４は、例えば、噴水機器、あるいはブラシからなる。異物除去装置４４は、掘削過程の中で掘削体２６に残留した泥やコンクリート等の異物を除去し、掘削過程の中でチェーンベルト１１や掘削体２６に残留した残留物による阻害を低く抑え、掘削作業の効率を高める。

この発明においては、以下のような変形例１〜変形例４とすることも可能である。
変形例１
図１０に示すように、掘削体２６の本体部２７の刃用取付部２９には、撹拌刃３０を、取付手段として、例えば、固定ボルト４５で取り外し可能に取り付ける。
これにより、掘削体２６の各撹拌刃において、いずれかの撹拌刃が破損・損傷等した場合に、その破損・損傷等した撹拌刃のみを容易に交換することができ、廉価である。
変形例２
また、図１１に示すように、撹拌刃３０において、第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃの高さＨ１〜Ｈ３を異ならせる。第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃの高さＨ１〜Ｈ３の変更は、単独でも対処可能であり、また、撹拌刃３０の傾斜角度と合わせることも可能である。
このように、第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃの高さＨ１〜Ｈ３を異ならせることにより、土壌の撹拌効率が向上し、硬化剤等を混合させた混合効率を向上することができる。
また、第１〜第３爪部３１Ａ〜３１Ｃの高さＨ１〜Ｈ３と撹拌刃３０の傾斜角度とを併用することにより、より土壌の撹拌効率が向上し、硬化剤等を混合させた混合効率を向上することができる。
変形例３
更に、図１２に示すように、チェーンベルト１１の外周面には、掘削体２６の他に、バケット４６を取り付ける。このバケット４６は、チェーンベルト１１の回転方向に向かって開口している。
これにより、掘削と掘り出しとの２種類の作業を１つの装置で行うことができ、また、バケット４６で土壌の掘り出しを行うので、汚染土壌との入れ替えが可能となる。
変形例４
更に、図１３に示すように、掘削アーム１０には、チェーンベルト１１に所定に張力を与えるチェーンテンショナ４７を設置する。チェーンテンショナ４７は、少なくともチェーンベルト１１の一側に配置される。
これにより、チェーンテンショナ４７によってチェーンベルト１１に所定の張力を与え、チェーンベルト１１の伸びに対して対処することが容易で、常時、チェーンベルト１１に適正な張力を維持することができる。

なお、この発明においては、以下のような構成にすることも可能である。
掘削アームは、掘削作業時に、水平方向で以下のように移動可能である。通常、掘削アームは、左右方向又は前後方向の一方向にのみ一直線状に移動される。これに対して、掘削領域が広い場合には、左右方向及び前後方向に移動可能である。掘削領域内で、左右方向に移動させた後、前後方向に移動させるように、順次掘削領域を減少するように移動させることも可能である。これにより、掘削アームを任意の方向に移動させることができ、汎用性の高い掘削作業を行うことができる。
また、掘削作業時に、汚染土壌のみならず、中和剤（石灰）を混合させる。これにより、汚染土壌を中和させつつ地盤を硬化させるため、汚染土壌の処理が可能となる。
更に、チェーンベルトの所要箇所には、ワイヤを設置する。これにより、チェーンベルトが切れてチェーンベルトが途中で離れようとする際に、ワイヤの存在によってチェーンベルトが離れるのを回避させ、チェーンベルトが外れるのを防止することができる。
更にまた、掘削アームには、チェーンベルトに振動を与えるチェーン振動装置を設置する。これにより、掘削作業中や、掘削作業後に、チェーンベルトに振動を与えることによって、改良後の地盤を締め固めることが可能となる。
また、チェーンベルトを２列以上に配列したり、チェーンベルトをを掘削アームの先端側のみ設置することも可能である。これにより、複数列のチェーンベルトによって、作業効率を向上させることが可能となる。
更に、掘削アームの下端側を、首振り機構を介して前後・左右に首振り可能にする。これにより、掘削アームの下端が前後・左右に首振りすることから、土壌の改良範囲を拡大させることが可能となる。
更にまた、掘削アームの中間部位を接続機構によって接続可能な構成とする。例えば、長さ１７ｍを実現する場合に、１０ｍと７ｍとの２本とする。なお、掘削アームを３本以上とすることも可能である。これにより、掘削アームの長さを任意に設定可能となり、深い地盤にも対処することができる。
また、チェーンベルトを、上下方向のチェーンベルトと水平方向のチェーンベルトとで構成し、上下方向のチェーンベルトと水平方向のチェーンベルトとを十文字形状に交差させることも可能である。これにより、掘削体が上下方向と水平方向との４方向に指向することから、作業効率を向上することができる。
更に、掘削アームを平面視で所定角度（例えば９０度）でけ回転可能とする。これにより、掘削アームを回転して掘削方向を変更し、作業場所に応じた対応が可能となり、使い勝手を向上することができる。

この発明に係る地盤改良装置は、硬い地盤から軟らかい地盤までの各種地盤に対して適用可能である。

１ 地盤改良装置
２ ベースマシン
３ 掘削装置
９ 駆動装置
１０ 掘削アーム
１１ チェーンベルト
１３ モータ
１５ ドライブシャフト
２１〜２３ 第１〜第３ベアリング
２４ 駆動輪
２５ 従動輪
２６ 掘削体
３０−１〜３０−４ 第１〜第４撹拌刃
３１Ａ〜３１Ｃ 第１〜第３爪部
３２−１〜３２−３ 第１〜第３気液体供給配管
３５ 気液体噴射部
３６ 一側噴射口
３７ 他側噴射口
４０ 施工数値検出装置
４１ 振動発生装置
４２−１〜４２−４ 第１〜第４掘削翼（細く長い形状）
４３−１〜４３−５ 第１〜第５掘削翼（細く短い形状）
４４ 異物除去装置

Claims (7)

1. ベースマシンのアームの先端に掘削装置を装着する地盤改良装置において、
   前記掘削装置は、駆動装置と、前記駆動装置が設置される掘削アームと、前記掘削アームの一端に設置される駆動輪と、前記掘削アームの他端に設置される従動輪と、前記駆動輪と前記従動輪とに巻き掛けられるチェーンベルトと、前記チェーンベルトに所定間隔で設置される複数の掘削体と、前記掘削アームに設置される気液体噴射部とを備え、
   前記掘削体は、本体部と前記本体部に取り付けられる複数の撹拌刃とを備え、
   前記掘削アームは、円柱体からなることを特徴とする地盤改良装置。
2. 前記掘削アームの外周面には、複数の掘削翼が設置されることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
3. 前記撹拌刃の爪部の数は、少なくとも３個であることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
4. 前記掘削体の幅は、少なくとも１．２ｍであることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
5. 前記駆動装置のドライブシャフトを支持するベアリングは、二重シールのボールベアリングであることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
6. 前記ベースマシンには、掘削施工状態を検出して表示可能な施工数値検出装置が備えられることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
7. 前記掘削アームには、少なくとも前記気液体噴射部付近に振動を与えるための振動発生装置が備えられることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。

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