JP6469107B2 - パイルドライバおよびその応用のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、パイルドライバに関し、より詳細には沖合での作業に適したパイルドライバに関する。

加えて、本発明は、そのようなパイルドライバを使用して杭を下方に地面へ打ち込むための方法に関する。

既存のパイルドライバの欠点、特に沖合での杭打ち作業に関する欠点は、このようなパイルドライバが極めて重量のある構造体であるという点にある。沖合での利用において、それらは重量のあるクレーンが上に設けられた大型の船によって操作される。杭は１つずつ地面へ打ち込まれる。

杭打ち作業それ自体は通常、杭打ちハンマーの一部を形成するラムを、ハンマープレートを介して杭へ任意の高さから落下させることによって行われる。沖合の風力タービンの目的で単一の杭を打ち込むことを目的としたこのような杭打ちハンマーの典型的な特性は、およそ１５ｍの長さと、およそ２００トンの質量（１００トンのラムを備える）であり、またおよそ２００トンの関連するハンマープレートである。杭は、ますます直径や長さが拡大しつつあり、１０００トンで７ｍの直径を有する杭が現在すでに打ち込まれている。ラムを落下させる衝撃によって杭を地面へ打ち込むが、これには、かなりの騒音の発生が伴う。音は水中をかなり遠くまで伝わり、これにより杭を打ち込む場所から相当離れている海洋生物を混乱させるため、このような騒音の発生は沖合作業において特に望ましくない。

出願人の事前公開されていないオランダ特許出願ＮＬ２００８１６９号に提案されるのは、可変容積の燃焼空間を囲む可撓性の部材が、支持部材より上にかつそれに近接して配置されるパイルドライバである。可撓性部材を適用することの欠点は、このような部材が、使用中に引きちぎれる可能性があり、交換するためにアクセスすることが困難である点である。

本発明の目的は、前記欠点が生じることがない、あるいは少なくとも生じたとしてもより小さい範囲であるパイルドライバおよびその応用のための方法を提供することである。

前記目的は、本発明によるパイルドライバによって達成され、このパイルドライバは、
− 杭のところにまたは杭に接して横断方向に配置されるまたは配置可能な支持部材と、
− 支持部材によって下面で境界が決められ、１つまたは複数の側壁をさらに備え、液体を収容するように構成された液体チャンバと、
− 燃焼空間を囲む上部と、
− 液体チャンバと流体接続する１つまたは複数の通過開口を備える下部とを備える
− １つまたは複数の圧力増大チャンバと、
− 燃焼空間内にある燃料を点火するように構成された点火機構とを備え、
− 燃焼空間が、燃焼中に、中にある燃料を膨張させるように構成され、その結果、支持部材より上で圧力の増大が生じ、液体チャンバ内の支持部材より上にある液体が、支持部材から離れるように少なくとも上向きに変位され、支持部材を介して下向きの力が杭に及ぼされるパイルドライバである。

作動原理は、ニュートンの第１および第３の法則、「作用＝反作用」に基づく。換言すると、対象Ａが、対象Ｂに力を及ぼす際、この力には、ＢのＡに対する等しいが反対方向の力が伴う。膨張する際、燃焼空間（対象Ａ）は、その上に位置する媒体（反作用体Ｂ）に力を及ぼす。ニュートンの第３の法則に従って、反作用体（Ｂ）は、燃焼空間（Ａ）に対して等しいが反対方向（すなわち下方）の力を及ぼす。燃焼空間は、支持部材より上に、かつそれに近接して配置されるため、反作用体によって燃焼空間に及ぼされる反作用力は、支持部材によって杭に伝達されることになる。杭はこれにより、支持部材を介して下向きの力を受け、これは杭を地面へ下方に打ち込む目的で本発明によって利用される。

加えて、燃焼空間が膨張する際上向きに変位した媒体は、再び下方に降下し、支持部材とぶつかり、ここでそれもまた支持部材を介して杭に対する下向きの力を及ぼす。このような作動原理は、ラムが任意の高さから杭へ落とされる従来のパイルドライバの作動に対応している。

可撓性の部材の代わりに１つまたは複数の圧力増大チャンバを利用することによって、別の有意な利点が提供される。可撓性の部材が燃焼空間を囲む一実施形態では、燃焼空間の最大容積は、可撓性の部材の最大限の広がりによって制限される。本発明による実施形態では、燃焼空間は、より大きな容積を得ることができ、その上、より頑強にもなる。

上部によって燃焼空間を囲み、液体チャンバと流体接続する１つまたは複数の通過開口を備える下部をさらに備える圧力増大チャンバを適用することで（これは、出願人の事前公開されていないオランダ特許出願ＮＬ２００８１６９号に記載されるパイルドライバと対照的である）、燃焼チャンバと水の間にＮＬ２００８１６９号の可撓性部材によって形成される仕切りが必要なくなる。このような仕切り壁は、本発明によってなくすことができるため、より頑強であり、さらにはいかなる可撓性部材の最大限の広がりによっても制限されないパイルドライバが得られる。

従来式の杭打ち作業の典型的な鋼と鋼の衝突音とは対照的に、本発明による杭打ち工程には、海洋生物に対してさほど有害でない別の種類の音が伴う。

好ましい一実施形態によれば、圧力増大チャンバは、剛性の筐体を形成し、これは頑強である。

別の好ましい一実施形態によれば、１つまたは複数の圧力増大チャンバが、液体チャンバの内部で支持部材に取り付けられる。圧力増大チャンバ内の燃料が点火され、圧力増大チャンバによって囲まれた燃焼空間内で膨張が起こる際、これによって生じる圧力の増大は、ほぼ直接的に、圧力増大チャンバの下部に設けられた通過開口を介して支持部材より上の圧力増大を生じさせることができる。

別の好ましい一実施形態によれば、液体チャンバの１つまたは複数の側壁が、周辺領域から液体を分離する。媒体は杭打ちハンマーまたは杭の中に配置され、これにより少なくとも杭打ちハンマーまたは杭の壁によってパイルドライバの外部にある水から閉鎖されるため、燃焼空間の膨張の結果としてこの媒体のみが変位される。変位された媒体は、周辺領域から隔離されるため、周辺にある水中における衝撃波は阻止される。海洋生物に衝撃を与える衝撃波はこのように杭打ち作業中において阻止される。

別の好ましい一実施形態によれば、液体チャンバ内の支持部材より上にある液体は水である。水は、特に沖合の杭打ち作業の場合、有り余るほど大量に存在しており、このため代替媒体をこの場所に輸送する必要はない。水の別の利点は、その高い熱伝達係数であり、これにより燃焼中に放出される熱の迅速な放出と分散が行われる。

別の好ましい一実施形態によれば、パイルドライバはさらに、燃料を燃焼空間に運ぶために燃料供給チャネルと、燃焼後、燃焼生成物を排出するための燃焼生成物排出チャネルとを備える。燃焼空間に短時間で燃料が充填され、燃焼生成物をなくして空にすることができるため、このシステムは、比較的短い期間における一連の連続する燃焼に適している。別の状況では、所望であれば、同一チャネルが、燃料供給と、燃焼生成物の排出の両方の機能を交互に果たすことに留意されたい。その場合チャネルが、時に燃料供給チャネルとして機能し、次には燃焼生成物排出チャネルとして機能する。

別の好ましい一実施形態によれば、少なくとも１つのクロージャが設けられ、これは支持部材および１つまたは複数の側壁と協働して、実質的に気密に閉じられた容積を有する液体チャンバを形成し、これにより流体を実質的に気密の液体チャンバ内に運び込む、および／またはこのチャンバから運び出す目的で供給手段がさらに設けられる。これらの供給手段は、例えばポンプおよび／またはガスボトルを備えることができる。

別の好ましい一実施形態によれば、流体は空気および／または水であり、流体の空気を使用して予圧力を実質的に気密の閉じた空間に加えることができ、流体の水が反作用体を提供する。

地面に打ち込まれる杭は、先端抵抗と、軸の摩擦抵抗の合計である打ち込み全抵抗に遭遇する。土の種類、杭の長さおよび杭の形状などのパラメータによって、両抵抗およびしたがって打ち込み全抵抗は変化する。ポンプを使用して実質的に気密の容積に存在する水および空気の量に影響を与えることによって、その時に所望される打ち込み力に従って圧力増大プロファイルを最適化することが可能になる。特定のセットのパラメータに関する所望される打ち込み力を判断する制御手段が、これに従ってポンプを制御することができる。テストは、予圧力が加えられる際、ほんの５メートルの水柱がすでに１０〜１５バールのピーク圧力を実現することができることを示した。より高い水柱によってより高いピーク圧力を達成することができる。

杭を地面へさらに打ち込むと、それはさらに剛直になる。軸の摩擦抵抗は特に、地下の長さが大きくなる際に増大する。しかしながら杭は次第により剛直になるため、次第に増大する水柱の形態の反作用体の大きさを杭打ちハンマーまたは自動打ち込み杭の中で支持することができる。杭の剛性が増大することで、安定性に悪影響を及ぼすことなく杭の重心をより高くすることが可能になる。

先端抵抗および／または軸の摩擦抵抗はまた、例えば杭のヘッドにおいてまたは杭の壁に沿って、杭を打ち込む際に液体を取り込むことによって抑えることもできる。このような液体の一例は、グラウト、すなわちセメントと水の混合物である。このグラウトが後に硬化する際、土への杭のより良好な付着も達成され、これにより耐荷力は最終的に、この杭がこのような液体なしで打ち込まれた場合よりも高くなる。

別の好ましい一実施形態によれば、各々が点火機構を備える複数の圧力増大チャンバが設けられ、この場合、圧力増大チャンバ内の燃料を所定のシーケンスでおよび／または所定の間隔で点火するように構成された制御手段がさらに設けられる。

システムは、複数の燃焼空間を使用することによってより柔軟に適合させることができる。例えば連続する燃焼を最適なやり方で互いに調整することがこれにより可能である。一方で、その後に続く燃焼空間にすでに燃料が充填され、ちょうど点火された燃焼空間は依然として中にある燃焼生成物がなくなった空の状態にする必要があることを想定することも可能である。それに続く燃焼が一方で、先の燃焼において上向きに変位した反作用体が降下する間に起こることで、圧力増大は、その時に克服すべき打ち込み抵抗に従って最適化される。制御手段によって制御される点火は、所望される圧力増大プロファイルを生成するという選択肢を与える。

別の好ましい一実施形態によれば、燃料の燃焼中に追加燃料を燃焼空間に噴射するおよび／または点火の時期を変えるように構成された制御手段が設けられる。圧力増大プロファイルをこれにより、その時に所望される打ち込み力に従って最適化することができる。特定のセットのパラメータに対して所望される打ち込み力を判断する制御手段は、これに従って追加燃料の噴射を制御することができる。

別の好ましい一実施形態によれば、圧力逃がし弁を備えた少なくとも１つの開口が、支持部材内またはその下に設けられる。「〜の下」は、杭打ち工程における向きを指すことに留意されたく、すなわち開口は、支持部材と、杭が打ち込まれる地面の間の壁の一部に配置される。支持部材の下に所定の（任意選択で可変）サイズの穴を配置することで、支持部材の下にある液体の流出速度を調整することを可能にする。衝突の結果として生じる杭の降下速度もまたこれにより制限される。

別の好ましい一実施形態によれば、開口は可変であり、制御手段が設けられ、この制御手段を利用して開口のサイズを制御することができる。杭の降下速度をこれによりさらに良好に制御することができる。

別の好ましい一実施形態によれば、燃焼空間は、燃焼中に燃焼空間から放出される燃焼生成物を吸引するように構成された加圧下空間とガス接続されている。加圧下状況を利用して、燃焼中に放出された燃焼生成物は、極めて短時間で燃焼空間から吸い出される。燃焼生成物をこれにより、燃焼によって上向きの方向に変位された媒体が落下して戻り再度支持部材に衝突する前に除去することができる。落下する媒体は、「ガススプリング」上へは落下せず、実際には支持部材に「ぶつかる」ため、この落下媒体によって支持部材に伝達される下向きのエネルギーは、杭を下方に地面へ打ち込むのに実質的にすべて利用することができる。

別の好ましい一実施形態によれば、パイルドライバは杭の中に組み込まれ、その側壁と共に液体チャンバの側壁を形成する。パイルドライバは、杭の中に組み込まれるため、複数の杭をほぼ同時に打ち込むことができ、これにより、海洋生物が杭の打ち込み作業から生じる煩わしい騒音に曝される時間がはるかに短くなる。２５メートルを超える水深の場所に関して、スペースフレームまたはジャケットとも呼ばれる特有のフレームを適用するのが常である。このような枠組み構造は、多数の杭を介して力を海底へ伝えることで、質量／剛性の比率を最小限にする。このような枠組み構造の欠点は、各々の杭を個別に打ち込む必要がある、または各々の杭が別々にアンカー留めされることであり、これにより、従来のパイルドライバの場合、杭の数に比例したかなりの作業時間がかかる点である。杭を所望されるように枠組み構造（すなわちスペースフレームまたはジャケット）の支柱内に伸張可能に配置することで、このような枠組み構造を海底に沈めることが可能になり、その後、杭を枠組み構造から下方に海底へ打ち込むことができる。パイルドライバが杭の中に組み込まれる際従来のパイルドライバは必要とされないため、本発明によって、異なる杭をほぼ同時に地面へ打ち込むことができる。本発明によるシステムにおいて、したがって作業時間数は、杭の数に比例せず、３本の杭の打ち込み作業には、１本の杭を打ち込むのとほぼ同じ時間量しかかからない。これは、海洋生物にとって特に有利であり、海洋生物は、杭打ち作業から生じる煩わしい騒音に曝される時間が短くなる。

本発明によるシステムはしたがって、事前に組み立てられた構造体を杭打ちすることを可能にし、この場合、その土台は、所望であれば、風力タービンにすでに取り付けられている。このような構造体は、その構造体が所定の場所に打ち込まれる前に船で送られる、または浸水させることができる。

従来のパイルドライバが不必要であることの別の利点は、対応する好適な船を備えたこのような重量のある構造体が必要ないという点である。この目的に適したクレーンおよび対応する好適な船を使用して杭を配置し、杭を部分的にのみ地面へ打ち込み、その後クレーンを備えた船をより小型の船によって置き換えるだけで十分である。これは、このような大型船および従来のパイルドライバの操作にはかなりの費用が伴うため、特に有利である。

過度の地下水の圧力が杭打ち作業の後に生じる場合がある。これは、安定させるのに時間を必要とし、この後、杭に十分な耐荷力を与える目的でさらなる打ち込み作業を行うことができる。従来の杭打ち技術の場合、大型船が過度の地下水の圧力を安定させるのを待っている必要があったが、これは、パイルドライバが杭に組み込まれる本発明による杭打ちシステムにおいては必要ない。所望であれば、本発明の作動原理を介して複数のさらなる燃焼サイクルを形成するために、小型船が後に残るが、それはしばらくしてから自発的にすべて起こると想定することも可能である。十分な燃料と、制御手段がこの目的のために利用可能であるだけで十分である。

本発明はさらに、杭を下方に地面へ打ち込むための方法に関し、方法は
− 支持部材を杭のところにまたは杭に接して横断方向に配置するステップと、
− 支持部材によって下面で境界が決められる液体チャンバ内に液体を収容するステップと、
− 圧力増大チャンバに燃料を供給するステップであって、圧力増大チャンバが、
− 燃焼空間を囲む上部と、
− 液体チャンバと流体接続する１つまたは複数の通過開口を備える下部とを備え、
− 燃料が圧力増大チャンバに供給され、これにより液体を圧力増大チャンバ内で下方に押しやる際、一定量のガスが、圧力増大チャンバの上部において増大するステップと、
− 圧力増大チャンバ内で液体レベルより上に位置する燃料を点火機構を使用して燃焼させ、これにより膨張が起こるステップと、
− 膨張を利用して、圧力増大チャンバ内にある少なくとも一部の液体および／または燃焼生成物を液体チャンバに流体接続することによって圧力増大チャンバから変位させ、
− これにより支持部材より上で圧力の増大が起こり、これにより液体チャンバ内で支持部材より上に位置する液体もまた、支持部材から離れるように少なくとも上向きの方向に変位されるステップと、
− 杭に及ぼされる下向きの反作用力によって杭を下方に地面へ打ち込むステップとを含む。

好ましい一実施形態によれば、方法はさらに、
− 燃料供給チャネルを介して圧力増大チャンバの燃焼空間に燃料を運ぶステップと、
− 点火機構を使用して圧力増大チャンバ内の燃料を燃焼させるステップと、
− 燃焼後、燃焼生成物排出チャネルより燃焼生成物を排出するステップと、
− 杭を段階的に地面へ打ち込むためにこれらのステップを繰り返すステップとを含む。

別の好ましい一実施形態によれば、方法はさらに、燃料の燃焼中に燃焼空間に追加燃料を噴射するステップを含む。圧力増大プロファイルをこれにより、その時に所望される杭打ち力に従って最適化することができる。所望であれば、特定のセットのパラメータに関して所望される打ち込み力を判断する制御手段が、これに従って追加燃料の噴射を制御する。

別の好ましい一実施形態によれば、少なくとも１つのクロージャが設けられ、これは支持部材および１つまたは複数の側壁と協働して、実質的に気密に閉じられた容積を有する液体チャンバを形成し、方法は、ポンプまたはガスボトルなどの供給手段を利用して流体を実質的に気密の液体チャンバに運び込む、および／または液体チャンバから運び出すステップを含む。供給手段を利用して実質的に気密の容積にある水および空気の量に影響を与えることによって、圧力増大プロファイルをその時に所望される打ち込み力に従って最適化することを可能にする。

別の好ましい一実施形態によれば、流体は空気であり、予圧力を生じさせる。

別の好ましい一実施形態によれば、流体は水であり、反作用体を提供する。

別の好ましい一実施形態によれば、燃焼空間は、加圧下空間とガス接続しており、方法は、燃焼のほぼ直後に、燃焼によって中に形成された燃焼生成物を燃焼空間から吸い出すことで、このような燃焼生成物が、燃焼によって上向きの方向に変位された媒体が落下して戻り再度支持部材に衝突する前に少なくとも実質的に燃焼空間から除去されるステップを含む。

方法の別の好ましい一実施形態によって、本発明によるパイルドライバが適用される。

本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して以下の記載においてさらに明らかにされる。

単一杭の構造体にある沖合風力タービンを示す図である。 ３つの連続する段階Ａ、ＢおよびＣにおける作動原理の概略図である。 図２に示される装置の支持部材の詳細な断面図である。 図２に示される装置の支持部材の詳細な断面図である。 図２に示される装置の支持部材の詳細な断面図である。 図２に示される装置の支持部材の詳細な断面図である。 図２に示される装置の支持部材の詳細な断面図である。 従来のパイルドライバの力の伝達の概略図である。 本発明によるパイルドライバの力の伝達の概略図である。 図４および図５のパイルドライバの典型的な力の曲線がプロットされたグラフである。 ドリル穿孔が所望される際の３つの連続する段階Ａ、ＢおよびＣの概略図である。 特別に強力な圧力増大の概略図である。 種々の導管のための接続部が、パイルドライバの液体チャンバの外部のユニット内に配置され、送りチャネルを介して圧力増大チャンバに接続される代替の一実施形態を示す図である。 圧力増大チャンバが、パイルドライバの液体チャンバの外部に配置される代替の一実施形態を示す図である。 深海での杭打ちのための別の代替の一実施形態を示す図である。

図１に示される沖合風力タービン３６は、いわゆる単一杭構造であり、杭２を備えており、この杭は、水レベル３８より下で海底によって形成された地面４０へ固定式に打ち込まれる。

図１の風力タービン構造体３６を固定式に打ち込む作業の作動原理が、段階Ａ、ＢおよびＣを使用して図２に概略的に示される。杭２に接するように杭打ちハンマー３の形態のパイルドライバ１が配置される。この杭打ちハンマー３は、支持部材８として機能する底部プレート部分と、側壁４とを有する。支持部材８と、側壁４は協働して、液体チャンバ５を形成し、その中に水柱４２が収容される（段階Ａ）。燃料混合体２９を圧力増大チャンバ１４内で燃焼させることによって、膨張を生じさせ、この膨張が、支持部材８より上で均一な圧力の増大を生成し、この膨張によって杭２を下方に地面４０へ打ち込む。水柱４２がその上、上向きに変位される（段階Ｂ）。ニュートンの第３の法則により、水柱４２の上向きの変位には、等しいが反対方向の反作用力が伴い、この反作用力が杭２を下向きの方向に変位させる。水柱４２が降下して戻る際、これは、なおまた支持部材８上へ降りていき、これにより杭２に対して下向きの力を及ぼし、この力が、杭をさらに下方に地面へ打ち込む。

図２における作動原理は、拡大された縮尺で示されることに留意されたい。段階Ｃにおいて、杭２はすでに、若干の下向きの距離にわたって地面４０へ打ち込まれている。

作動原理の異なる段階を、図３Ａ〜図３Ｅを参照してより詳細に説明する。

図３Ａは、水柱４２が液体チャンバ５内にある開始状況を示している。液体チャンバ５は、パイルドライバ１の支持部材８と、側壁４とによって境界が決められる。他の媒体も同様に適しているが、媒体としての水を利用することが好ましく、水は沖合で豊富に利用可能であるためである。よって本出願においては水柱４２が参照される。

燃料混合体が、燃料供給チャネル３０および酸素供給チャネル３１を経由して、圧力増大チャンバの上部側によって囲まれた燃焼空間に取り込まれる（図３Ｂ）。このガス混合体は、圧力増大チャンバ１４内にある水を下向きに、圧力増大チャンバ１４の下部に配置された通過開口２６を介して、圧力増大チャンバ１４によって囲まれた容積から外に押し出し、水柱４２に進入させる。水柱４２の水レベルはこれによりある程度上昇することになる。

所望であれば、燃料供給チャネル３０が燃料混合体を供給し、この場合、酸素供給チャネルは必要なくなる場合がある。さらに燃料供給チャネル３０の機能と、以下で考察される燃焼ガス排出チャネル３２の機能を交互に果たす単一のチャネルが設けられることを想定することも可能である。

燃焼空間２２内にある燃料混合体２９が、点火機構２８によって点火される際（図３C）、極めて短時間の間に膨張が起こり、この膨張はまた、圧力増大チャンバ１４内にまだある水の大部分を、通過開口２６を介して圧力増大チャンバ１４の外側の水柱４２へ変位させる。これは結果として支持部材８より上の均一な圧力の増大を生じさせ、これにより杭２に下向きの力が及ぼされ、杭は地面４０へさらに打ち込まれる。図２を参照してすでに言及した上向きに変位し、支持部材８へ再度戻るように降下する水柱４２の作用もまた生じる。これは杭２をさらに地面４０へ打ち込むことになる。

燃料混合体２９の一部が、圧力増大チャンバ１４の外部で点火され、燃料供給チャネル３０を介して燃焼した状態で圧力増大チャンバ１４へ移動し、燃焼空間２２内にすでにある燃料混合体２９を燃焼させることを想定することも可能である。

圧力増大チャンバ１４の内部の水レベルは理想的には、膨張段階において通過開口２６よりわずかに上のところに留まることで、水のみが、通過開口を介して圧力増大チャンバ１４から、圧力増大チャンバの外部の空間へ移動される。これにより、パイルドライバ１が、この後に続く燃焼サイクルのために迅速に再び作動可能になることが保証され、これは、図８を参照してさらに説明することにする。

燃焼生成物３３が、燃料混合体２９の燃焼プロセスによって燃焼空間２２内に形成される（図３Ｄ）。このような燃焼生成物３３は、燃焼ガス排出チャネル３２を使用して排出される（図３Ｅ）。圧力増大チャンバ１４内の水レベルが上昇し、水が燃焼ガス排出チャネル３２へ流れ込むや否や、燃焼生成物３３は、圧力増大チャンバ１４の上部２４から完全に排出される。このシステムはその後、図３Ａの状況になり、その後の燃焼サイクルのための準備をする。

膨張によって上向きの方向に変位した水柱４２が降下して戻り支持部材８と再び衝突する前に、燃焼生成物を燃焼空間２２から除去することができる。落下する水柱４２は、これにより「ガススプリング」上に降りていくのではなく、支持部材８と衝突する。落下する水柱４２が支持部材８に及ぼす下向きの力はこれにより、杭２を下向きに地面へ打ち込む目的にほぼ完全に利用することができる。

杭２が地面４０へより深く打ち込まれる際、杭２は、より大きな安定性を獲得し、より大きな質量に耐えることができるようになる。杭２が遭遇する杭の打ち込み全抵抗は、先端抵抗と、軸の摩擦抵抗を合わせたものである。軸の摩擦抵抗は、杭２のより大きな部分が地面４０へ打ち込まれる際に大きくなる。このような状況はまた、すでに若干の安定性を獲得している杭２に関連付けられるため、液体チャンバ５内の水柱４２の高さを上昇させることができる。

従来のパイルドライバにおける力の伝達（図４）は、本発明によるパイルドライバ１におけるもの（図５）と比べてはるかに集中されている。従来のパイルドライバでは鋼と鋼の接触が起こり、この場合は、ハンマープレート７がぶつかる。これにはかなりの雑音の発生と、高いピーク力とが伴い、これにより例えばハンマープレート７は、極めて重量のある形態を取る必要がある。しかしながら本発明によるパイルドライバ１では、支持部材８より上で均一な圧力の増大が生じる。本発明によって生じる塑性変形ははるかに小さくなるため、はるかに薄く、より軽量のプレートを支持部材８に適用することができる。

図６は、図４（ライン５４）に示される従来のパイルドライバと、図５（ライン５６）に示されるパイルドライバ１の典型的な力の曲線をプロットするグラフを示している。本発明によるパイルドライバ１のケースにおいてここではっきりと示されるのは、そのプロファイルがより長いパルス持続時間を有し、これにより杭打ち工程がより静かになり、ストロークごとにより大きな降下が達成され、より低い引張り力が生じることである。ストロークごとに、より大きく降下し、必要なストロークの数が少なくなるため、これは、杭打ち作業中により少ない疲労荷重下に杭を置く。力の増大もその上、より段階的であり、例えば単一の杭の場合、これにより、そこに配置された部品を、打ち込み作業中にそれらを破壊するリスクなしに適用させることができる。パルス持続時間が長くなることによって、この物質に生じる引張り力の波が小さくなり、これによりコンクリートの杭を打ち込むことすら可能であることが保証される。

水柱４２は、仕切り壁４によって周辺領域から分離される。パイルドライバ１が杭２に組み込まれる実施形態では、杭２の内壁がこの仕切り壁４を形成する（図７）

パイルドライバが杭２に組み込まれる場合、支持部材８は好ましくは、突起または杭２の内壁４に配置され局所的な狭まる部分を形成する内側縁部６に載置される（段階Ａ）。支持部材８は、この方法において、例えば鎖４６をアイ３４に取り付け全体を巻き上げることによって杭２から一時的に取り外すことが可能である（段階Ｂ）。杭２はその後、ドリル４８を使用してドリル穿孔することができるが、これは、軸抵抗が、本発明の作動原理に従って燃焼に打ち勝つことができない例外的な状況において必要な場合がある。土がドリル穿孔され杭２から出された後、１つまたは複数の圧力増大チャンバ１４を備えた支持部材８を再度配置することができる（段階Ｃ）。

しかしながら、本発明によるパイルドライバ１はまた、必要であれば、より強力な燃焼を実施するのにも適しているため、上記に述べた状況はおそらくまれにしか起こらないことに留意されたい。圧力増大チャンバ１４によって囲まれた燃焼空間２２はこの目的のために、膨張時に、水だけでなく燃焼ガス３３も通過開口２６を介して、圧力増大チャンバ１４によって囲まれた容積から外へ出し、圧力増大チャンバ１４の外部の空間へ変位させるまでに充満している（図８）。燃焼空間はこの方法において一時的により大きくなる。

１つの欠点は、燃焼ガスがパイルドライバ１の水柱４２へ入り込み、その結果、ガスのせいで、打ち込み体が若干の圧縮性を獲得することである。水柱の所望される非圧縮性は、ガス時間が水柱内に発生することを可能にすることによって回復される。しかしながらこれには時間がかかるため、このようなより強力な燃焼は、軸抵抗に必要とされる時に限って利用することが好ましい。

代替の一実施形態によれば、種々の供給チャネル３０、３１、３２と、点火機構２８のために接続部がパイルドライバ１の液体チャンバ５の外部のユニット５８内に配置される。パイルドライバ１の壁４を貫通して延びる送りチャネル６０によって、圧力増大チャンバ１４に対する接続を実現する。ユニット５８、ならびに供給チャネル３０、３１、３２と、点火機構２８とのすべての接続部は、液体チャンバ５の外部に配置されるため、これらの構成要素は容易に到達可能である。

圧力増大チャンバ１４がパイルドライバ１の液体チャンバ５の外部に配置されることを想定することも可能である（図１０）。圧力増大チャンバ１４の壁にある１つまたは複数の通過開口２６は、そのような場合、送りチャネル５０を介して液体チャンバ５に流体接続される。この実施形態において、支持部材８はそれ自体がアイ１０を備えることで、万一ドリル穿孔して杭２から外に出す必要があれば、鎖を使用してそれを内側縁部６から持ち上げることができる。

杭２とパイルドライバ１が一体化された特に有利な一実施形態では、圧力逃がし弁を備えた少なくとも１つの開口（図示せず）が、支持部材８自体に設けられる、あるいは所望であれば、杭２の壁の中で支持部材８の下に設けられる。杭打ち作業中に支持部材８の下で生じる過圧は、このような開口を介して、支持部材８と、杭２の内壁と、地面４０とによって囲まれた空間から逃げることができる。開口は、流出速度を調整することができる制限的な通路を提供する。衝突の結果としての杭２の降下速度もこれにより制限することができ、それにより開口は、クレーンに対する望ましくない衝撃負荷の可能性を緩和する。

図１１は、深海での杭打ち作業に関する代替の一実施形態を示しており、この場合、示される管の一部５２は、他の同様の管の一部と結合させることで、大きな深さに達することができる。作動原理は、上記に記載したものと同一であり、したがってさらに説明しないことにする。しかしながら、容器５２，５４は、酸素と水素をそれぞれ収容することに留意されたい。燃焼中の化学反応は、最終生成物として水を生成し、この水は、水柱４２に対して問題なく加えることができる。所望であれば、図１１の実施形態によって、パイルドライバ１が１つまたは複数の完全に密閉された管の一部５２を備えることも可能であり、これは結果として互いに結合された管の一部の部品５２となり得る。自動杭打ち式の、水中で作動可能なパイルドライバ１をその上、この方法で構築することができる。

別の好ましい一実施形態（図示せず）によって、パイルドライバ１の上部側にクロージャが設けられ、このクロージャは支持部材８およびパイルドライバ１の内壁４と協働して、実質的に気密に閉じられた容積を取り囲む。ポンプを使用して、空気および／または水をこの閉じた容積に取り込むことができ、これにより燃焼空間２２の燃焼混合体の燃焼から生じる圧力増大プロファイルを杭２を下方に地面４０へ打ち込むのに最適化することができる。水柱４２の高さを一方で調節し、閉じた容積にある空気量から生じる所望される予圧力を一方で調節することで、所望される圧力増大を最適化することができる。

上記に記載される実施形態は本発明の好ましい実施形態を示しているが、それらは単に、本発明を例示することを目的としており、本発明の範囲を制限することは決して目的としていない。特許請求の範囲における措置は、参照番号を伴っており、このような参照番号は、単に特許請求の範囲の理解に貢献するように機能しており、全く保護の範囲を制限するものではない。当業者は、異なる実施形態の技術的措置を組み合わせることができることに特に留意されたい。記載される権利は、多くの修正形態を想定することができる範囲において以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (22)

1. 杭のところにまたは杭に接して横断方向に配置されるまたは配置可能な支持部材と、
   前記支持部材によって下面で境界が決められ、１つまたは複数の側壁をさらに備え、液体を収容するように構成された液体チャンバと、
   燃焼空間を囲む上部と、
   前記液体チャンバと流体接続する１つまたは複数の通過開口を備える下部とを備える
   １つまたは複数の圧力増大チャンバと、
   前記燃焼空間内にある燃料を点火するように構成された点火機構とを備え、
   前記燃焼空間が、燃焼中に、中にある燃料を膨張させるように構成され、その結果、前記支持部材より上で圧力の増大が生じ、前記液体チャンバ内の前記支持部材より上にある液体が、前記支持部材から離れるように少なくとも上向きに変位され、前記支持部材を介して下向きの力が前記杭に及ぼされるパイルドライバ。
2. 前記圧力増大チャンバが剛性の筐体を形成する、請求項１に記載のパイルドライバ。
3. 前記１つまたは複数の圧力増大チャンバが、前記液体チャンバの内部で前記支持部材に取り付けられる、請求項１または２に記載のパイルドライバ。
4. 前記液体チャンバの前記１つまたは複数の側壁が、前記液体を周辺領域から分離する、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
5. 前記液体チャンバ内で前記支持部材より上にある液体が水である、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
6. 燃料を前記燃焼空間に運ぶために燃料供給チャネルと、
   燃焼後、燃焼生成物を排出するための燃焼生成物排出チャネルとをさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
7. 少なくとも１つのクロージャが設けられ、前記クロージャが、前記支持部材および前記１つまたは複数の側壁と協働して、実質的に気密に閉じられた容積を有する液体チャンバを形成し、
   流体を前記実質的に気密の液体チャンバ内に運び込む、および／または前記チャンバから運び出す目的で供給手段が設けられる、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
8. 前記流体が空気および／または水である、請求項７に記載のパイルドライバ。
9. 各々が点火機構を備える複数の圧力増大チャンバが設けられ、前記圧力増大チャンバ内の燃料を所定のシーケンスでおよび／または所定の間隔で点火するように構成された制御手段がさらに設けられる、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
10. 燃料を燃焼する際に追加燃料を燃焼空間に噴射するおよび／または点火の時期を変えるように構成された制御手段が設けられる、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
11. 任意選択で圧力逃がし弁を備えた少なくとも１つの開口が、前記支持部材内またはその下に設けられる、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
12. 前記開口が可変であり、前記開口のサイズを制御することができる制御手段が設けられる、請求項１０に記載のパイルドライバ。
13. 前記燃焼空間が、燃焼中に前記燃焼空間から放出される燃焼生成物を吸引するように構成された加圧下空間とガス接続されている、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
14. 前記パイルドライバが、前記杭の中に組み込まれ、その側壁と共に前記液体チャンバの側壁を形成する、前記請求項のいずれか１項に記載のパイルドライバ。
15. 杭を下方に地面へ打ち込むための方法であって、
    支持部材を杭のところにまたは杭に接して横断方向に配置するステップと、
    前記支持部材によって下面で境界が決められる液体チャンバ内に液体を収容するステップと、
    圧力増大チャンバに燃料を供給するステップであって、前記圧力増大チャンバが、
    燃焼空間を囲む上部と、
    前記液体チャンバと流体接続する１つまたは複数の通過開口を備える下部とを備え、
    燃料が前記圧力増大チャンバに供給され、これにより液体を前記圧力増大チャンバ内で下方に押しやる際、一定量のガスが、前記圧力増大チャンバの前記上部において増大するステップと、
    前記圧力増大チャンバ内で液体レベルより上に位置する燃料を点火機構を使用して燃焼させ、これにより膨張が起こるステップと、
    前記膨張を利用して、前記圧力増大チャンバ内にある少なくとも一部の液体および／または燃焼生成物を前記液体チャンバに流体接続することによって前記圧力増大チャンバから変位させ、
    これにより前記支持部材より上で圧力の増大が起こり、これにより前記液体チャンバ内で前記支持部材より上に位置する液体もまた、前記支持部材から離れるように少なくとも上向きの方向に変位されるステップと、
    前記杭に及ぼされる下向きの反作用力によって前記杭を下方に地面へ打ち込むステップとを含む方法。
16. 燃料供給チャネルを介して前記圧力増大チャンバの前記燃焼空間に燃料を運ぶステップと、
    前記点火機構を使用して前記圧力増大チャンバ内の燃料を燃焼させるステップと、
    燃焼後、燃焼生成物排出チャネルより燃焼生成物を排出するステップと、
    前記杭を段階的に地面へ打ち込むためにこれらのステップを繰り返すステップとをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 燃料の燃焼中に前記燃焼空間に追加燃料を噴射するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 少なくとも１つのクロージャが設けられ、前記クロージャが前記支持部材および前記１つまたは複数の側壁と協働して、実質的に気密に閉じられた容積を有する液体チャンバを形成し、
    供給手段を利用して流体を前記実質的に気密の液体チャンバに運び込む、および／または前記液体チャンバから運び出すステップを含む、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記流体が空気であり、予圧力を生じさせる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記流体が水であり、反作用体を提供する、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記燃焼空間が、加圧下空間とガス接続しており、前記方法が、燃焼のほぼ直後に、燃焼によって中に形成された燃焼生成物を前記燃焼空間から吸い出すことで、このような燃焼生成物が、燃焼によって上向きの方向に変位された液体が落下して戻り再度前記支持部材に衝突する前に少なくとも実質的に前記燃焼空間から除去されるステップを含む、請求項１５から２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のパイルドライバが適用される、請求項１５から２１のいずれか１項に記載の方法。

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