JP6490551B2 - 施工機の動作選定方法、施工機の動作選定装置、自動施工装置、および施工機の動作制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、施工機の動作選定方法、施工機の動作選定装置、自動施工装置、および施工機の動作制御方法に関する。

従来、地盤に杭材等の貫入材を設置する施工技術として、例えば、貫入材を地盤に圧入する圧入施工技術が知られている。この圧入施工技術において、圧入している貫入材に作用する貫入抵抗が、当該貫入材よりも先に圧入した先行貫入材や当該先行貫入材に支持される圧入機の自重などによって得られる反力の総和よりも小さくなるように管理する。この圧入施工技術において、貫入材の設置に要する時間を短くするためには、貫入抵抗を低くすることが望ましい。実際の圧入施工を利用した施工現場においては、圧入機の運転手が圧入機を操作することによって、貫入材の圧入および引き抜きの速度などを変更することで貫入材の設置に要する時間を短くすることがなされていた。

この圧入施工技術に関する技術として、下記の特許文献１〜３に記載された技術が知られている。特許文献１には、圧入機により引抜力が作用した既設杭の支持力確認方法であって、引抜力が作用した既設杭に対して杭頭の変位量を測定しつつ、圧入力を一定時間載荷保持した後除荷するサイクルを繰り返して行い、その圧入力を一定時間載荷保持している間の上記変位量が１０ｍｍ以下となったときに、圧入力を既設杭の支持力とすることが記載されている。特許文献２には、圧入機によって圧入と引抜とを繰り返した際の深度データおよび圧入力データに基づいて杭材の先端に作用している先端抵抗力を取得する技術が記載されている。特許文献３には、杭材を軸周りに回転させながら圧入する際に、杭材の先端の深度に応じた荷重及びトルクに基づき杭材の先端抵抗を推定する技術が記載されている。

特開２０１０−１８９９０１号公報 特開２０１４−１７７８２６号公報 特開２０１５−１７４９３号公報

しかしながら、圧入機の運転手による操作に基づいて圧入機の動作を制御した場合、貫入材の設置に要する時間が運転手の熟練度によって大きく変動するという問題がある。例えば、貫入材を設置する地盤が多層地盤や、不均一地盤などの圧入施工の最中に地盤条件が頻繁に変わる場合、貫入材の設置に要する時間を短くすることが更に困難となる。

また、上述した特許文献１〜３に記載された技術では、圧入機の支持力や杭材の先端抵抗を推定することができるものの、推定した情報に基づいて圧入機を適切に制御して、貫入材の設置に要する時間を短くすることができないのが現状である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、施工機の動作を制御して貫入材の設置に要する時間を短くすることができる施工機の動作選定方法、施工機の動作選定装置、および自動施工装置を提供することを目的としている。

（１）本発明の一態様は、施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す情報を計測するステップと、地中の状態に関連する情報と前記施工機の動作を表す情報とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、前記計測された動作状態を表す情報に基づいて、前記記憶部に記憶された前記施工機の動作を表す情報を選定するステップとを有する施工機の動作選定方法である。

（２）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定方法であって、前記地中の状態に関連する情報は、前記施工機により貫入材が挿入されている地盤の状態を表す。

（３）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定方法であって、前記地中の状態に関連する情報は、前記施工機が動作した結果得られる施工状態を表す。

（４）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定方法であって、前記施工機の動作を表す情報を選定するステップは、前記記憶部に記憶された、地中に埋設された貫入材から前記施工機に与えられる反力に関する情報に対応づけられた前記施工機の動作を表す情報を選定する。

（５）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定方法であって、前記施工機の動作を表す情報を選定するステップは、前記記憶部に記憶された、前記施工機の性能情報に対応づけられた前記施工機の動作を表す情報を選定する。

（６）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定方法であって、前記施工機の動作を表す情報を選定するステップは、前記記憶部に記憶された、前記貫入材等の強度の情報に対応づけられた前記施工機の動作を表す情報を選定する。

（７）本発明の一態様は、施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す情報を計測する計測部と、地中の状態に関連する情報と前記施工機の動作を表す情報とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、前記計測部により計測された動作状態を表す情報に基づいて、前記記憶部に記憶された前記施工機の動作を表す情報を選定する選定部とを有する施工機の動作選定装置である。

（８）本発明の一態様は、上述の施工機の動作選定装置であって、前記選定部により選定された動作条件を表示させる表示部を備える。

（９）本発明の一態様は、施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す情報を計測する計測部と、地中の状態に関連する情報と前記施工機の動作を表す情報とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、前記計測部により計測された動作状態を表す情報に基づいて、前記記憶部に記憶された前記施工機の動作を表す情報を選定する選定部と前記選定部により選定された前記施工機の動作を表す情報に基づいて、前記施工機を制御する制御部とを備える、自動施工装置である。

（１０）本発明の一態様は、上述の自動施工装置であって、前記選定部により選定された動作を表す情報に従って前記施工機を動作させる操作部を備え、前記制御部は、前記操作部の操作に基づいて、前記施工機の動作を表す情報に従って前記施工機を制御する。

本発明の一態様によれば、施工機の動作を制御して施工の時間を短くすることができる。

本発明を適用した第１の実施形態の鋼矢板圧入システムの構成を示す図である。 本発明を適用した第１の実施形態の鋼矢板圧入システムにおいて地中に圧入される鋼矢板１の構成を示し、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。 複数の鋼矢板１が嵌合されている状態を示す側面図である。 第１の実施形態の自律制御装置２００の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態における地盤条件別最適値データベース２１６ｃの一例を示す図である。 第１の実施形態における施工状態別最適値データベース２１６ｄの一例を示す図である。 第１の実施形態における自律制御部２１０の処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態における自律制御部２１０の処理の流れのうち、圧入機本体のフィードバック制御の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態において、（ａ）深度に対する土質、（ｂ）Ｎ値、（ｃ）圧入速度の設定、および（ｄ）圧入時間の一例を示す図である。 第２の実施形態において、鋼矢板１にウォータジェットを併設した状態を示す図である。 第２の実施形態において、鋼矢板１にオーガーを併設した状態を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明を適用した第１の実施形態の施工機の動作選定方法、施工機の動作選定装置、および自動施工装置を、図面を参照して説明する。

以下の実施形態では杭材を地盤に圧入する際に杭材を設置する動作を制御するものとして説明するが、これに限ることはなく、圧入工法以外の他の工法を利用して杭材を地中に挿入する動作を制御する技術にも適用可能である。また、本実施形態は、圧入以外に、例えば打込みや埋込みにより地中に配置するものとしても良い。杭材の打込みの場合には振動打込みや、打撃による打込みなどがある。また、杭材の埋込みでは、予めオーガーなどにより掘削して掘削した部分に杭材を挿入するものでも良いし、杭材にオーガーなどの補助装置を添設して、掘削しながら挿入するものとしても良い。また、これら配置方法について組み合わせても良い。さらに、本実施形態において、圧入される貫入材を杭材とし、杭材をＵ形鋼矢板（以下、鋼矢板と称する）として説明するが、地中に挿入される貫入材であれば、例えばＺ形鋼矢板やゼロ矢板や直線形鋼矢板や鋼管矢板やＨ形鋼矢板などといった他の形状の鋼杭や、例えばコンクリート杭といった鋼杭とは材質の異なる杭材などの他の形態の杭材や、杭材にオーガー等の補助装置を添設して地中に挿入するときの杭材と補助装置との組み合わせや、オーガーそれ自体などの杭材以外の杭材の設置を補助する物体であってもよい。なお、圧入工法においてオーガーを使用する場合は、一般に、ケーシング付きオーガーを使用する。

図１は、本発明を適用した第１の実施形態の鋼矢板圧入システムの構成を示す図である。鋼矢板圧入システムは、圧入機本体１００と、パワーユニット（ＰＵ）とを備える。圧入機本体１００は、鋼矢板１を地中に圧入する施工機である。パワーユニットは、圧入機本体１００が油圧により鋼矢板１を圧入する動力を与える動作を行う。

圧入機本体１００は、後述する自律制御装置２００を有し、自動的に鋼矢板１を圧入施工する自動施工装置である。圧入機本体１００は、複数のクランプ１０２と、サドル１０４と、スライドフレーム１０６と、リーダマスト１０８と、チャック１１０と、チャックフレーム１１２と、メインシリンダ１１４とを備える。また、圧入機本体１００は、自律制御装置２００を内蔵している。

複数のクランプ１０２は、既に地盤Ｇに圧入された複数の鋼矢板１（以下、完成杭１Ｒとも記載する。）の杭天端から所定高さまでのウェブ部１２のＹ方向の両側を掴む。複数のクランプ１０２により複数の完成杭１Ｒを掴むことにより、圧入機本体１００を圧入機本体１００が鋼矢板１を地盤Ｇに圧入するための反力基盤を形成する。複数のクランプ１０２は、圧入施工が進むにつれて、圧入施工の進行方向の逆側（−Ｘ方向側）の完成杭１Ｒを掴むことを解除し、圧入施工の進行方向（＋Ｘ方向側）の新たな完成杭１Ｒを掴むことで、圧入施工の進行方向に移動する。これにより、圧入機本体１００は、圧入施工の進行方向に進行しながら、地盤Ｇに次々に鋼矢板１を設置する。

サドル１０４は、複数のクランプ１０２と接続される。サドル１０４は、複数のクランプ１０２を完成杭１Ｒに取り付ける基盤となる。

スライドフレーム１０６は、サドル１０４に対して圧入施工の進行方向およびその逆方向に動作する。これにより、スライドフレーム１０６は、圧入機本体１００により地盤Ｇに圧入しようとする鋼矢板１（以下、圧入杭１Ａと記載する。）を圧入施工の進行方向およびその逆方向において位置決めするように動作する。さらに具体的には、スライドフレーム１０６は、完成杭１Ｒのうち、圧入施工の進行方向の端部（＋Ｘ方向の端部）に圧入施工が完了した完成杭（以下、完成杭１Ｂと記載する。）における前方継手部１６ｂと嵌合するように、圧入杭１Ａの後方継手部１６ａの位置（Ｘ方向位置およびＹ方向位置の双方）を決める。

リーダマスト１０８は、圧入杭１Ａを上下方向（Ｚ方向）に移動させるためのガイドとして機能する。また、リーダマスト１０８は、スライドフレーム１０６の動作に従って圧入施工の進行方向およびその逆方向に移動される。リーダマスト１０８の内部には、自律制御装置２００が収容される。

チャック１１０は、圧入杭１Ａのウェブ部１２をＹ方向における両端から掴む。チャックフレーム１１２は、チャック１１０の上側（−Ｚ方向側）に配設され、メインシリンダ１１４により与えられた動力によってチャック１１０を上下方向に移動させる。

メインシリンダ１１４は、圧入杭１Ａを下方向（＋Ｚ方向）に移動させ、圧入杭１Ａを地盤Ｇに圧入させる動力を発生させる油圧シリンダである。メインシリンダ１１４は、パワーユニットの制御に従って圧入杭１Ａを上下方向に移動させる。

以下、第１の実施形態において、圧入機本体１００により地盤Ｇに挿入される鋼矢板１について説明する。図２は、本発明を適用した第１の実施形態の鋼矢板圧入システムにおいて地中に圧入される鋼矢板１の構成を示し、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。

鋼矢板１は、図２（ａ）に示すように、ウェブ部１２と、フランジ部１４と、継手部１６とを有する。ウェブ部１２は、圧入機本体１００を直線状に移動させながら鋼矢板１を設置する直線施工を行っている場合には、鋼矢板圧入システムにおける圧入施工の進行方向（Ｘ方向）と平行となり、後述の圧入機本体にＹ方向の両側から掴まれる。フランジ部１４は、ウェブ部１２の両端部のそれぞれに一体に接続される。１対のフランジ部１４は、ウェブ部１２から外側（Ｘ方向）に広がるテーパ状に形成されている。一対のフランジ部１４は、ウェブ部１２の略中心位置から互いに対称となる形状を有する。継手部１６は、フランジ部１４の端部のそれぞれに一体に接続される。

一対の継手部１６は、上面から見て略Ｕ字状に形成されている。一対の継手部１６は、鋼矢板１における幅方向の両側の端部であって、鋼矢板１の長手方向の上端から下端に亘って形成される。一対の継手部１６は、圧入施工の初期において他の鋼矢板１の継手部１６と嵌合されるように位置決めされ、圧入施工中において鋼矢板１同士の位置関係の変化によって他の鋼矢板１の継手部１６と接触する。−Ｘ方向側の継手部１６ａは、圧入施工の進行方向（Ｘ方向）の反対側となり、＋Ｘ方向側の継手部１６ｂは、圧入施工の進行方向（Ｘ方向）側となる。以下、継手部１６ａと継手部１６ｂとを区別して記載しない場合には単に「継手部１６」と記載し、継手部１６ａを「後方継手部１６ａ」と記載し、継手部１６ｂを「前方継手部１６ｂ」と記載する。前方継手部１６ｂと後方継手部１６ａとは、圧入施工において互いに嵌合される。

図３は、複数の鋼矢板１が嵌合されている状態を示す側面図である。先行の鋼矢板１−１（先行杭材）の地中への圧入が完了した状態において、後続の鋼矢板１−２（後続杭材）は、自身の後方継手部１６ａ−２を鋼矢板１−１の前方継手部１６ｂ−１に嵌合させるように位置決めされる。後続の鋼矢板１−２は、自身の後方継手部１６ａ−２と前方継手部１６ｂ−１との嵌合状態が正常に維持されたまま、地中に圧入される。これによって、複数の鋼矢板１−１と鋼矢板１−２とは、地中に構築される壁体の一部となる。

以下、第１の実施形態における自律制御装置２００の構成について説明する。図４は、第１の実施形態の自律制御装置２００の一例を示すブロック図である。自律制御装置２００は、自律制御部２１０と、計測部２２０と、表示部２３０と、操作部２４０とを備える。なお、本実施形態は、圧入機本体１００が自律制御装置２００を有する例を挙げて説明したが、その自律制御装置２００の全部または一部の機能を、圧入機本体１００とは独立した装置で実現するようにしても良い。例えば、自律制御部２１０および表示部２３０は、鋼矢板１を設置する施工を管理する管理者が保有する端末のコンピュータにより実現してもよい。

自律制御部２１０には、鋼矢板１を挿入する際に駆動する駆動部１００ａと、自律制御部２１０により制御信号に基づいて駆動部１００ａを駆動させる駆動制御部１００ｂとが信号線を介して接続される。駆動部１００ａおよび駆動制御部１００ｂは、上述したように動作する圧入機本体１００が備える機能である。駆動部１００ａは、鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する動作を行う機構部であり、例えば、鋼矢板１を上下方向（Ｚ方向）に移動させるためのメインシリンダ１１４である。自律制御部２１０は、圧入機本体１００の動作を表す情報として制御信号を圧入機本体１００の駆動制御部１００ｂに出力する。駆動制御部１００ｂは、自律制御装置２００により出力された制御信号に従って、駆動部１００ａを動作させる。これにより、圧入機本体１００は、機構部の動作を制御する。

自律制御部２１０には、圧入機本体１００が動作した結果として各種の動作の状態を計測する計測部２２０が接続される。計測部２２０は、例えば、メインシリンダ１１４により圧入および引抜されている鋼矢板１の速度、または圧入および引抜の繰り返し距離等の動作状態情報を計測する。計測部２２０は、圧入機本体１００が圧入施工をしている最中に、所定の間隔で、計測した結果である動作状態情報を自律制御部２１０に出力する。また、計測部２２０は、鋼矢板１の先端部の深度、および鋼矢板１の進行方向における進行距離を取得する。

自律制御部２１０は、演算部２１２と、制御部２１４と、記憶部２１６とを備える。演算部２１２および制御部２１４は、演算回路および制御回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、メモリに記憶されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部であってもよいし、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。記憶部２１６は、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、またはＲＡＭ（Random Access Memory）等により実現される。また、記憶部２１６には、ファームウェアやアプリケーションプログラム等の各種プログラム、自律制御装置２００の各部における設定情報や処理結果の情報などが記憶される。

演算部２１２は、地中の状態に関連する情報と圧入機本体１００の動作を表す情報とを対応づけて記憶する記憶部２１６を参照し、計測された動作状態を表す情報（動作状態情報）に基づいて、記憶部２１６に記憶された圧入機本体１００の動作を表す情報を選定する。地中の状態に関連する情報とは、圧入機本体１００が鋼矢板１を圧入する地盤の地盤条件、および圧入機本体１００が鋼矢板１を地盤Ｇに圧入した際に計測される施工状態を含む。

地盤条件とは、圧入機本体１００が鋼矢板１を圧入する地盤の状態を表す。地盤条件は、例えば、土質、N値といった情報であり、圧入施工よりも事前になされた地盤Ｇの調査の結果に基づく地盤Ｇの情報であってもよいし、圧入施工によって得られた施工情報に基づいて推定された地盤Ｇの情報であってもよい。地盤条件は、鋼矢板１が圧入される深度ごとの情報（Ｚ方向の地盤条件）である。また、地盤条件には、Ｚ方向の地盤条件に加えて、圧入施工の進行距離ごとの情報（Ｙ方向の地盤条件）が含まれていてもよい。

施工状態とは、圧入機本体１００が動作した結果得られる状態である。具体的には、施工状態は、鋼矢板１の閉塞状態や、鋼矢板１の継手部１６の嵌合状態などを含み、圧入施工を行っている最中において、圧入機本体１００の動作や地盤Ｇの地盤条件などに基づいて変化する。施工状態は、計測部２２０により計測される情報から推定することができる情報である。

圧入機本体１００の動作を表す情報とは、圧入機本体１００における駆動部１００ａの動作状態を表す情報であり、例えば、圧入および引抜の速度、および圧入および引抜の繰り返し距離が挙げられる。なお、以下の説明において、圧入機本体１００の動作を表す情報を、動作パラメータおよび制御値とも記載する。また、圧入機本体１００の動作を表す情報とは、貫入材が鋼管である場合において、鋼管を回転させながら地盤Ｇに圧入する際のトルクや回転数であってもよいし、オーガーを圧入する際のトルクや回転数であってもよい。

記憶部２１６には、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、地盤条件別最適値データベース２１６ｃ、施工状態別最適値データベース２１６ｄ、および貫入材の強度情報２１６ｅが記憶される。図５は、第１の実施形態における地盤条件別最適値データベース２１６ｃの一例を示す図である。地盤条件別最適値データベース２１６ｃには、地盤条件に対応して動作パラメータおよび制御値が記憶される。図６は、第１の実施形態における施工状態別最適値データベース２１６ｄの一例を示す図である。施工状態別最適値データベース２１６ｄには、施工状態に対応して動作パラメータおよび制御値が記憶される。地盤条件別最適値データベース２１６ｃおよび施工状態別最適値データベース２１６ｄにおける動作パラメータおよび制御値は、上述の圧入機本体１００の動作を表す情報に相当する。

動作パラメータとは、圧入機本体１００における制御可能な動作を特定する情報であり、制御値は、制御可能な動作を制御する最適値を表す情報である。例えば、動作パラメータは、「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の速度」という制御可能な動作を表し、制御値は、「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の速度」における速度値［メートル／秒］である。なお、本実施形態において、動作パラメータは、圧入および引抜の速度であるとして説明するが、これに限られない。動作パラメータは、圧入および引抜の繰り返し距離、圧入施工において圧入と引抜を繰り返す場合における圧入距離および引抜距離の組み合わせ、ウォータジェットを併用する場合におけるウォータジェットの単位時間当たりの流量および水圧、オーガーを併用する場合におけるオーガーの回転数、鋼矢板１に代えて鋼管を使用し鋼管を軸周りに回転させる際の回転数などであってもよい。

演算部２１２は、記憶部２１６に記憶された地盤条件別最適値データベース２１６ｃおよび施工状態別最適値データベース２１６ｄを参照して、計測部２２０により計測された情報に基づいて、動作パラメータおよび制御値を取得する。制御部２１４は、演算部２１２により取得した動作パラメータおよび制御値に基づいて、圧入機本体１００の駆動制御部１００ｂに制御信号を出力することで、駆動部１００ａの動作を制御する。

更に、演算部２１２は、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅに基づいて動作パラメータおよび制御値を制御してもよい。

反力総和情報２１６ａは、鋼矢板１に圧入力を加えたときに、完成杭１Ｒのうち圧入機本体１００によって把持された杭（以下、この完成杭を反力杭と称する）および圧入機本体１００に発生する引き抜かれまいとする抵抗力である。反力総和情報２１６ａは、例えば、圧入機本体１００の重量、反力杭に作用する周面摩擦抵抗および反力杭の継手間抵抗、および反力杭の重量により表される。なお、反力総和情報２１６ａは、例えば、既知の圧入機本体１００と反力杭の重量、および予め設定された反力杭の周面摩擦抵抗および反力杭の継手間抵抗に基づいて設定された値であってもよいし、計測部２２０により計測された情報に基づいて推定された反力杭の周面摩擦抵抗および反力杭の継手間抵抗を加味して算出されたものであってもよい。あるいは、反力総和情報２１６ａは、圧入機本体１００のリーダマスト１０８が傾いたことを計測部２２０により計測した時の鋼矢板１の圧入力または引抜力であってもよい。演算部２１２は、例えば、反力総和情報２１６ａにより表される値を超えないように、鋼矢板１の圧入力または引抜力の制御値を制限する。なお、上記「反力杭の継手間抵抗」とは、圧入機本体によって把持されていない完成杭と反力杭との継手部分に作用する継手間抵抗である。

圧入機本体１００の性能情報２１６ｂは、予め圧入機本体１００の性能として固定した情報である。圧入機本体１００の性能情報２１６ｂは、例えば、メインシリンダ１１４を駆動させるための油圧機の性能である。油圧機は、油圧が高まると動作速度が遅くなるという特性がある。したがって、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂは、例えば、鋼矢板１の圧入力および引抜力の上限値が設定される。演算部２１２は、例えば、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂにより表される値を超えないように、鋼矢板１の圧入力または引抜力の制御値を制限する。

貫入材の強度情報２１６ｅは、鋼矢板１の強度である。演算部２１２は、鋼矢板１の強度に基づいて、動作パラメータおよび制御値を変更する。演算部２１２は、例えば、鋼矢板１の強度を超える応力が鋼矢板１内に発生しないように、鋼矢板１の圧入力または引抜力の制御値を制限する。

制御部２１４は、表示部２３０に動作パラメータおよび制御値を表示させてもよい。表示部２３０は、自律制御装置２００による動作パラメータおよび制御値の演算結果を表示する液晶ディスプレイ等の表示装置である。表示部２３０は、例えば、圧入施工を管理する作業者によって視認される。制御部２１４は、動作パラメータおよび制御値を表示させることで、作業者に圧入施工において施工状態の異常に対する対処を促すことができる。

制御部２１４は、操作部２４０により作業者の操作を受け付けたことに応じて、演算部２１２により演算された動作パラメータおよび制御値を駆動部１００ａに出力するようにしてもよい。さらに、制御部２１４は、表示部２３０に動作パラメータおよび制御値を表示させ、操作部２４０により出力された動作パラメータおよび制御値を駆動制御部１００ｂに出力してもよい。これにより、自律制御装置２００は、演算部２１２により演算した動作パラメータおよび制御値を作業者に提示して、作業者の操作に基づいて圧入機本体１００を動作させることができる。なお、操作部２４０は、自律制御部２１０により設定された動作パラメータおよび制御値による制御を許可／禁止するスイッチであってもよい。

以下、第１の実施形態における自律制御装置２００において、計測された動作状態を表す情報に基づいて、記憶部に記憶された圧入機本体１００（施工機）の動作を表す情報を選定する動作の流れについて説明する。図７は、第１の実施形態における自律制御部２１０の処理の流れを示すフローチャートである。

まず、自律制御部２１０は、圧入施工を開始する際に、記憶部２１６から初期の動作パラメータを読み出す（ステップＳ１００）。初期の動作パラメータは、本実施形態において、圧入施工を開始する際に予め設定されている「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の速度」および制御値である「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の速度」における速度値［メートル／秒］、および、「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の距離」および制御値である「メインシリンダ１１４の鋼矢板１の圧入および引抜の距離」における距離値［メートル］、である。なお、自律制御部２１０は、予め圧入施工を開始する際の地盤条件が分かっている場合、地盤条件に対応づけられた動作パラメータおよび制御値を地盤条件別最適値データベース２１６ｃから読み出して、初期の動作パラメータとして設定してもよい。

次に、自律制御部２１０は、ステップＳ１００において読み出された初期の動作パラメータに基づいて、圧入機本体１００を制御することで、鋼矢板１の圧入施工を開始させる（ステップＳ１０２）。圧入施工の開始後、自律制御部２１０は、計測部２２０により計測された情報を取得する（ステップＳ１０４）。計測部２２０は、メインシリンダ１１４の圧入力および引抜力などの動作状態情報に加えて、鋼矢板１の先端部の深度、および鋼矢板１の進行方向における進行距離の情報を取得する。

自律制御部２１０は、ステップＳ１０６により計測された動作状態情報、深度、または進行距離に基づいて、地盤条件が変更したか否かを判定する。自律制御部２１０は、動作状態情報に基づいて地盤Ｇの変化を推定した場合に、地盤条件が変更したと判定する。自律制御部２１０は、深度または進行距離に基づく緯度または経度などに対応して予め地盤調査した地盤Ｇが変化したと判定した場合に、地盤条件が変更したと判定する。自律制御部２１０は、地盤条件が変更したと判定した場合にはステップＳ１０８に処理を進め、地盤条件が変更していない場合には、ステップＳ１１０に処理を進める。

自律制御部２１０は、演算部２１２により、ステップＳ１０６において変更したと判定された地盤条件に対応づけられた動作パラメータおよび制御値を地盤条件別最適値データベース２１６ｃから読み出す。制御部２１４は、現在の動作パラメータおよび制御値を、読み出された動作パラメータおよび制御値に更新することで、圧入機本体１００の動作を更新する（ステップＳ１０８）。

自律制御部２１０は、ステップＳ１０６により計測された動作状態情報に基づいて、施工状態が変更したか否かを判定する。自律制御部２１０は、動作状態情報に基づいて、例えば、鋼矢板１の閉塞状態や、鋼矢板１の継手部１６の嵌合状態が変化した場合などに、施工状態が変更したと判定する演算部２１２は、計測部２２０により計測された情報に基づいて閉塞状態を推定する。演算部２１２は、例えば、鋼矢板１の先端抵抗の変化に基づいて閉塞状態が変化したと判定してもよい。また、演算部２１２は、計測部２２０により計測された情報に基づいて、鋼矢板１の継手部１６の嵌合状態を推定する。自律制御部２１０は、施工状態が変更したと判定した場合にはステップＳ１１２に処理を進め、施工状態が変更していない場合には、ステップＳ１１４に処理を進める。

自律制御部２１０は、演算部２１２により、ステップＳ１１０において変更したと判定された施工状態に対応づけられた動作パラメータおよび制御値を施工状態別最適値データベース２１６ｄから読み出す。制御部２１４は、現在の動作パラメータおよび制御値を、読み出された動作パラメータおよび制御値に更新することで、圧入機本体１００の動作を更新する（ステップＳ１１２）。

自律制御部２１０は、記憶部２１６に記憶された反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅに基づいて、圧入機本体１００の動作をフィードバック（ＦＢ）制御する（ステップＳ１１４）。自律制御部２１０は、圧入施工を終了するか否かを判定し（ステップＳ１１６）、圧入施工を終了する場合には圧入機本体１００の動作を停止させ、圧入施工を終了しない場合にはステップＳ１０４以降の処理を繰り返す。

以下、上述したステップＳ１１４における圧入機本体１００をフィードバック制御する処理の流れを示す。図８は、第１の実施形態において、反力総和情報、圧入機本体１００の性能情報および鋼矢板１の強度情報に基づいて制御値を制限する処理の流れを示すフローチャートである。

まず、自律制御部２１０は、記憶部２１６から反力総和情報２１６ａを読み出すことにより、反力総和情報を取得する（ステップＳ２００）。自律制御部２１０は、記憶部２１６から圧入機本体１００の性能情報２１６ｂおよび貫入材の強度情報２１６ｅを読み出して、これらの情報を取得する（ステップＳ２０２）。

次に、自律制御部２１０は、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅにより決定される圧入機本体１００の動作の上限値に基づいて、制御値の上限値を決定する（ステップＳ２０４）。このとき、演算部２１２は、計測部２２０により計測された情報に基づく圧入機本体１００の動作状態が、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅにより決定される圧入機本体１００の動作の上限値を超えないように、制御値の上限値を決定する。

次に、自律制御部２１０は、計測部２２０により計測された情報に基づく圧入機本体１００の動作状態が、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅにより決定される圧入機本体１００の動作の上限値を超えるかを判定する（ステップＳ２０６）。計測部２２０により計測された情報に基づく圧入機本体１００の動作状態が、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅにより決定される圧入機本体１００の動作の上限値を超える場合には、演算部２１２は、ステップＳ１０８およびステップＳ１１２において更新された動作パラメータおよび制御値を、上限値を超えないように修正する（ステップＳ２０８）。計測部２２０により計測された情報に基づく圧入機本体１００の動作状態が、反力総和情報２１６ａ、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂ、および貫入材の強度情報２１６ｅにより決定される圧入機本体１００の動作の上限値を超えない場合には、制御値を修正しない。自律制御部２１０は、動作パラメータおよび制御値に従って圧入機本体１００の駆動制御部１００ｂに制御信号を出力することで、圧入機本体１００を制御する（ステップＳ２１０）。

以上説明した鋼矢板圧入システムによれば、施工機（１００）が貫入材（１）を地盤に挿入している最中において、施工機（１００）の動作状態を表す情報を計測し、地中の状態に関連する情報（地盤条件または施工状態）と施工機（１００）の動作を表す情報とを対応づけて記憶する記憶部（２１６）を参照し、計測された動作状態を表す情報に基づいて、記憶部（２１６）に記憶された施工機（１００）の動作を表す情報を選定する。これにより、鋼矢板圧入システムによれば、施工機（１００）が貫入材（１）を挿入している最中に、地盤条件または施工状態が変更しても施工機（１００）の動作を表す情報を選定することができ、貫入材の設置に要する時間を短くすることができる。

具体的には、地盤Ｇに挿入されている鋼矢板１に作用する貫入抵抗が変化するが、当該貫入抵抗を低減させるような動作パラメータおよび制御値を地盤条件または施工状態に対応させて記憶させる。そして、鋼矢板圧入システムは、計測部２２０により計測された情報に基づいて地盤条件または施工状態が変化したことを判定した場合に、動作パラメータおよび制御値を変更し、貫入抵抗を低減させるように圧入機本体１００の動作を切り替えることができる。

また、鋼矢板圧入システムによれば、圧入機本体１００の動作を表す情報を選定する際に、記憶部２１６に記憶された、鋼矢板１から圧入機本体１００に与えられる反力に関する情報に対応づけられた圧入機本体１００の動作を表す情報を選定するので、圧入機本体１００に与えられる反力を考慮して、貫入抵抗を低減させるような動作パラメータおよび制御値によって圧入機本体１００を制御することができる。

さらに、鋼矢板圧入システムによれば、圧入機本体１００の動作を表す情報を選定する際に、記憶部２１６に記憶された、圧入機本体１００の性能情報に対応づけられた圧入機本体１００の動作を表す情報を選定するので、圧入機本体１００の動作を表す情報が圧入機本体１００の性能によって決まる動作パラメータおよび制御値の上限を超えることを防止することができる。

以下、第１の実施形態の自律制御装置２００により動作パラメータを選定して圧入施工した際の制御結果の一例について説明する。図９は、第１の実施形態において、（ａ）深度に対する土質、（ｂ）Ｎ値、（ｃ）圧入速度、および（ｄ）圧入時間の一例を示す図である。図９を参照すると、鋼矢板１の深度に対応して土質およびＮ値が変更する場合、図９（ｃ）に示すように、深度に対応して圧入速度を変更することができる。一方、比較例の圧入速度は、土質およびＮ値が変化しても一定値である。この結果、図９（ｄ）に示すように、実施形態によれば、比較例と比較して、圧入時間を短縮することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の圧入機本体１００Ａは、鋼矢板１に代えて補助材を添設した鋼矢板１を貫入材として地中に圧入したとき、または、補助材を貫入材として地中に圧入したときに、圧入機本体１００の動作パラメータを選定する点で、第１の実施形態の圧入機本体１００とは異なる。

図１０は、第２の実施形態において、鋼矢板１にウォータジェットを併設した状態を示す図である。圧入機本体１００は、第１の実施形態の圧入機本体１００に加えて、補助材としてのウォータジェットパイプ３００と、ウォータジェット駆動部３１０と、ウォータジェット制御部３２０とを備える。ウォータジェットパイプ３００は、鋼矢板１においてウェブ部１２およびフランジ部１４に囲まれた内側に、鋼矢板１の長手方向に沿って配設される。ウォータジェットパイプ３００の下端には、ノズル部３０２が設けられ、鋼矢板１が圧入される地盤Ｇに向けられている。ウォータジェット駆動部３１０は、図示しないタンク、ポンプ、バルブ等を備え、ウォータジェット制御部３２０の制御に従って水量または水圧が制御される。

図１０に示す圧入機本体１００において、自律制御部２１０は、鋼矢板１にウォータジェットパイプ３００を併設した状態で、鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させる。また、自律制御部２１０には、例えば、記憶部２１６に、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂとして水量および水圧の上限値が記憶され、地盤条件別最適値データベース２１６ｃおよび施工状態別最適値データベース２１６ｄに、地盤条件または施工状態に対応した水量および水圧の制御値が記憶される。

自律制御部２１０は、圧入機本体１００が鋼矢板１を地盤Ｇに挿入している最中において、自律制御装置２００により計測された動作状態情報に基づいて、地盤条件または施工状態に対応した水量および水圧の制御値を変更することができる。この結果、鋼矢板圧入システムによれば、第１の実施形態と同様に、圧入機本体１００の動作を制御して貫入材の設置に要する時間を短くすることができる。

図１１は、第２の実施形態において、鋼矢板１にオーガーを併設した状態を示す図である。圧入機本体１００は、第１の実施形態の圧入機本体１００に加えて、補助材としてのオーガー４００と、オーガー駆動部４１０と、オーガー制御部４２０とを備える。なお、図１１において、オーガーケーシングの図示を省略している。オーガー４００は、チャック１１０によって鋼矢板１と共に掴まれた状態で、鋼矢板１と併設される。オーガー駆動部４１０は、図示しない回転モータ等を備え、オーガー制御部４２０の制御に従って回転数が制御される。

図１１に示す圧入機本体１００において、自律制御部２１０は、鋼矢板１にオーガー４００を併設した状態で、鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させる。また、自律制御部２１０には、例えば、記憶部２１６に、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂとしてオーガー４００の回転数の上限値が記憶され、地盤条件別最適値データベース２１６ｃおよび施工状態別最適値データベース２１６ｄに、地盤条件または施工状態に対応したオーガー４００の回転数の制御値が記憶される。

自律制御部２１０は、圧入機本体１００が鋼矢板１を地盤Ｇに挿入している最中において、自律制御装置２００により計測された動作状態情報に基づいて、地盤条件または施工状態に対応したオーガー４００の回転数の制御値を変更することができる。この結果、鋼矢板圧入システムによれば、第１の実施形態と同様に、圧入機本体１００の動作を制御して貫入材の設置に要する時間を短くすることができる。

なお、オーガー４００は、鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する前に、鋼矢板１に併設されずに単独で地盤Ｇに挿入される場合がある。自律制御部２１０には、例えば、オーガー４００を単独で地盤Ｇに挿入させた際の、圧入機本体１００の性能情報２１６ｂとしてのオーガー４００の回転数の上限値、地盤条件または施工状態に対応したオーガー４００の回転数の制御値を、記憶部２１６に記憶させる。そして、自律制御部２１０は、圧入機本体１００により地盤Ｇにオーガー４００を単独で挿入する際に、自律制御装置２００により計測したオーガー４００の回転数などの動作状態情報に基づいて、地盤条件または施工状態に対応したオーガー４００の回転数の制御値を変更することができる。これにより、第２の実施形態の鋼矢板圧入システムによれば、オーガー４００単体を貫入材として地盤Ｇに挿入する際の貫入材の設置に要する時間を短くすることができる。

また、上述した実施形態は、鋼矢板圧入システムの圧入機本体１００が自律制御装置２００を有する例を挙げて説明したが、その自律制御装置２００の全部または一部の機能を、圧入機本体とは独立した装置で実現するようにしても良い。例えば、自律制御部２１０および表示部２３０は、鋼矢板１を設置する施工を管理する管理者が保有する端末のコンピュータにより実現してもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。
また、上述した実施形態は、施工機が、既設の杭から反力を取って鋼矢板を地中に圧入する圧入機である例を挙げて説明したが、本発明にいう施工機は、このような圧入機に限らない。本発明は、上記圧入機に加え、例えば、既設の杭から反力を取ることなく圧入機の重量などを反力として利用する圧入機や、バイブロハンマーといった振動によって杭材の打込みを行う施工機や、打撃により杭材の打込みを行う施工機などの貫入材を地盤に挿入する施工機に適用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 鋼矢板
１００ 圧入機本体
１００ａ 駆動部
１００ｂ 駆動制御部
１０２ クランプ
１１０ チャック
１１４ メインシリンダ
２００ 自律制御装置
２１０ 自律制御部
２１２ 演算部
２１４ 制御部
２１６ 記憶部
２１６ａ 反力総和情報
２１６ｂ 圧入機本体の性能情報
２１６ｃ 地盤条件別最適値データベース
２１６ｄ 施工状態別最適値データベース
２１６ｅ 貫入材の強度情報
２２０ 計測部
２３０ 表示部
２４０ 操作部
３００ ウォータジェットパイプ
４００ オーガー

Claims (10)

1. 施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す動作状態情報を計測する計測ステップと、
   前記動作状態情報に基づいて、地盤条件および施工状態の少なくとも一方を推定する推定ステップと、
   前記地盤条件または前記施工状態と、前記施工機の動作パラメータおよびその制御値とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、推定された前記地盤条件または前記施工状態に対応付けられた、前記記憶部に記憶された前記動作パラメータおよびその制御値を選定する選定ステップと
   を有する施工機の動作選定方法。
2. 前記選定ステップは、前記記憶部に記憶された、地中に埋設された貫入材から前記施工機に与えられる反力に関する情報に対応づけられた前記動作パラメータおよびその制御値を選定する、
   請求項１に記載の施工機の動作選定方法。
3. 前記選定ステップは、前記記憶部に記憶された、前記施工機の性能情報に基づき、前記施工機の性能を超えないように、前記制御値を制限する、
   請求項１または２に記載の施工機の動作選定方法。
4. 前記選定ステップは、前記記憶部に記憶された、前記貫入材の強度に基づき、前記貫入材の強度を超える応力が前記貫入材内に発生しないように、前記制御値を制限する、
   請求項１から３のうち何れか１項に記載の施工機の動作選定方法。
5. 施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す動作状態情報を計測する計測部と、
   前記動作状態情報に基づいて地盤条件および施工状態の少なくとも一方を推定し、前記地盤条件または前記施工状態と、前記施工機の動作パラメータおよびその制御値とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、推定された前記地盤条件または前記施工状態に対応付けられた、前記記憶部に記憶された前記動作パラメータおよびその制御値を選定する自律制御部と
   を有する施工機の動作選定装置。
6. 前記自律制御部により選定された前記動作パラメータおよびその制御値を表示させる表示部を備える、
   請求項５に記載の施工機の動作選定装置。
7. 施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す動作状態情報を計測する計測部と、
   前記動作状態情報に基づいて地盤条件および施工状態の少なくとも一方を推定し、前記地盤条件または前記施工状態と、前記施工機の動作パラメータおよびその制御値とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、推定された前記地盤条件または前記施工状態に対応付けられた、前記記憶部に記憶された前記動作パラメータおよびその制御値を選定する自律制御部と、を備え、
   前記自律制御部は、選定された前記動作パラメータおよびその制御値に基づいて、前記施工機を制御する、自動施工装置。
8. 作業者の操作に従って前記動作パラメータおよびその制御値を出力する操作部を備え、
   前記自律制御部は、前記操作部が出力した前記動作パラメータおよびその制御値に従って前記施工機を制御する、
   請求項７に記載の自動施工装置。
9. 施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す動作状態情報を計測する計測ステップと、
   前記動作状態情報に基づいて、地盤条件および施工状態の少なくとも一方が変化したか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップにより、前記地盤条件および前記施工状態の少なくとも一方が変化したと判定された場合に、前記地盤条件または前記施工状態と前記施工機の動作パラメータおよびその制御値とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、変化したと判定された前記地盤条件または前記施工状態に対応付けられた、前記記憶部に記憶された前記動作パラメータおよびその制御値を用いて、前記施工機の動作を更新する更新ステップと、
   前記記憶部に記憶された前記施工機の性能情報に基づいて、前記施工機の動作をフィードバック制御するＦＢ制御ステップと、
   を有する施工機の動作制御方法。
10. 施工機が貫入材を地盤に挿入している最中において、前記施工機の動作状態を表す動作状態情報を計測する計測部と、
    前記動作状態情報に基づいて、地盤条件および施工状態の少なくとも一方が変化したか否かを判定し、前記地盤条件および前記施工状態の少なくとも一方が変化したと判定された場合に、前記地盤条件または前記施工状態と前記施工機の動作パラメータおよびその制御値とを対応づけて記憶する記憶部を参照し、変化したと判定された前記地盤条件または前記施工状態に対応付けられた、前記記憶部に記憶された前記動作パラメータおよびその制御値を用いて、前記施工機の動作を更新する自律制御部と、を備え、
    前記自律制御部は、前記記憶部に記憶された前記施工機の性能情報に基づいて、前記施工機の動作をフィードバック制御する、自動施工装置。

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