JP6509419B1 - 穴掘削用バケット及び掘削工法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中に縦穴を掘削する際に、穴掘削用バケットのドラムを容易に地中に埋入させる。【解決手段】上面及び下面に開口部を有する中空なドラム２１と、ドラム２１の軸方向に沿って延設される軸芯５と、軸芯５を中心として径方向に向けて放射状に固着され、ドラム２１の内周面に固定された複数枚の下部翼板７と、複数枚の下部翼板７のそれぞれに固着され、各下部翼板７の回転方向に向けて突出されるカッター部７３ａ〜ｃと、下部翼板７の上方において軸芯５を中心として径方向に向けて放射状に配置されドラム２１の内周面に固定された複数枚の上部翼板６とを備え、下部翼板７は、カッター部７３ａ〜ｃ先端が掘削面Ｇ１側に傾くように、回転面に対して傾斜され上部翼板６は下部翼板７と同じ側に傾くように、回転面に対して傾斜されている。【選択図】 図４

Description

本発明は、地中に縦穴を掘削する穴掘削用バケット及びこれを用いた掘削工法に関する。

従来より、ビルの新築や建て替えに際しては、建造物を支持する杭基礎を構築するために縦穴を掘削する場合がある。特に、都市の再開発や建造物の建て替え等における縦穴の掘削では、既設の建造物の解体とともにその建造物を支持していた杭や地下構造物を除去する必要があり、このようなときには、地中に残されている既設の杭を破砕して埋め戻す方法が知られている（特許文献１参照）。

このような工法に用いられる装置としては穴掘削用バケットがある。この穴掘削用バケットは、一般的には、中空なドラムの上面部の中央にケリーバー接続部を設け、ドラム下面の底蓋に掘削爪を取り付けるとともに、排土入口を開設し、ケリーバーによりバケットを一方に回転しながら下降させて地中に埋入させ、既設杭等の障害物を破砕しつつ土砂を掘削する。この掘削爪により掬った排土等は、開設入口を介してバケット内に取り込まれ、バケット内に排土がある程度の量だけ溜まるとバケットを地上に引き上げて、底蓋を開放することによりバケット内の排土を排出する。

特開２００８−１４４５６１号公報

しかしながら、上記一般的な穴掘削用バケットは、底蓋を掘削面に回転させながら押しつけて掘削爪で掘削するものであることから、地盤の状態によっては底蓋が地盤からの抵抗を受けて十分にドラムを地中に埋入させるのが困難な場合もあった。特に、既設建造物の解体や地中の障害物の除去を伴う掘削であるときには、障害物による抵抗が大きく、バケットの底蓋を掘進させるのが困難となる。このような場合には、ドラムが地中に自重によって埋入できる程度にドラムの重量を大きくする必要があり、これを吊り下げて回転させるための重機や他の設備の大型化・重量化を招き、工費の増大の原因にもなっていた。

そこで、本発明は、上記のような問題を解決するものであり、地中に縦穴を掘削する際に、ドラムを容易に地中に埋入させることのできる穴掘削用バケット及びこれを用いた掘削工法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、地中に吊下されて地中に縦穴を掘削する穴掘削用バケットであって、上面及び下面に開口部を有する中空なドラムと、ドラムの軸方向に沿って延設される回転軸と、回転軸を中心として径方向に向けて放射状に固着され、ドラムの内周面に固定された複数枚の下部翼板と、複数枚の下部翼板のそれぞれに固着され、各下部翼板の回転方向に向けて突出されるカッター部と、下部翼板の上方において回転軸を中心として径方向に向けて放射状に配置され、ドラムの内周面に固定された複数枚の上部翼板とを備え、下部翼板は、カッター部先端が掘削面側に傾くように、回転面に対して傾斜され、上部翼板は、下部翼板と同じ側に傾くように、回転面に対して傾斜されていることを特徴とする。

また、本発明は、上記穴掘削用バケットを用いた掘削工法であって、カッター部が突出された方向にドラムを回転させつつ、下部翼板を掘削面に押圧させて地中に埋入させ、ドラムの回転によりドラム内又は上部翼板上に保持された掘削物を、ドラムを揚重することによって掘削穴内から排除することを特徴とする。

上記発明において、下部翼板の掘削面側において、掘削面に向けて突出された掘削爪をさらに備えることが好ましく、ドラムの下面周縁部において掘削面に向けて突出された外刃をさらに備えることが好ましい。また、上記発明において、ドラムの内周面の周方向に向けて配置された内刃をさらに備えることが好ましく、ドラムの外周面の水平断面形状と合致する外周面を有し、上部翼板の上方を覆うケーシング部をさらに備える、ケーシング部の軸方向の長さは、ドラムの軸方向長さよりも長くすることが好ましい。

以上述べたように、本発明の穴掘削用バケット及びこれを用いた掘削工法によれば、本発明では、穴掘削用バケットを回転させると下部翼板が回転し、下部翼板の傾斜によって下方への推力が発生され、穴掘削用バケットを縦穴の掘削面に食い込ませることができる。このとき、掘削爪等が回動することにより、地層中の土砂や既製杭などのコンクリート礫を切削することができる。この結果、本発明によれば、地中に縦穴を掘削する穴掘削用バケットを用いて地中に縦穴を掘削する際に、ドラムを容易に地中に埋入させることができる。

実施形態に係る工事設備の全体構成を示す概念図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットの外観を示す斜視図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットの内部を上方から見下ろした斜視図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットの構成を示す断面図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットの構成を示す斜視図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットを下方から見上げた斜視図である。 実施形態に係る穴掘削用バケットの底面図である。 実施形態に係る掘削工事の手順を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るシステムの実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、新設杭造成において、本発明の穴掘削用バケットであるカッターバケットを使用して縦穴を掘削する場合を例に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置等を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（工事設備の全体構成）
図１は、本実施形態に係る工事設備の全体構成を示す概念図である。同図に示すように、本実施形態では、ビルの新築や建て替えに際し、建造物を支持する杭基礎を構築するため、地盤Ｇに縦穴Ｇ２を掘削する。このとき、既設の建造物を支持していた地中に残されている既設の杭を穴掘削用バケット１で破砕しつつ掘削を行う。具体的には、図１に示すように、重機９のアームで揚重されたアースドリル装置９１下端のケリーバー９２で、穴掘削用バケット１を吊下する。そして、ケリーバー９２により穴掘削用バケット１を一方に回転しながら下降させて地中に埋入させ、既設杭等の障害物を破砕しつつ土砂を掘削する。この穴掘削用バケット１により掬った排土等はバケット内に取り込まれ、穴掘削用バケット１内に排土がある程度の量だけ溜まるとバケットを地上に引き上げ、縦穴Ｇ２の外で穴掘削用バケット１内の排土を排出する。

（穴掘削用バケット１の構成）
次いで、上記穴掘削用バケット１の構成について説明する。図２〜図７に本実施形態に係る穴掘削用バケット１の構成を示す。

本実施形態に係る穴掘削用バケット１は、上面及び下面に開口部を有する中空な金属板製円筒体のドラム２１を基体とし、このドラム２１の中心軸方向に沿って延設される回転軸である軸芯５が配置されている。軸芯５は支柱として機能し、その下方に同軸上に延設された案内突起部４ｂが固着されており、この案内突起部４ｂは下方に向けて尖らせてある。また、ドラム２１の下面周縁部において掘削面Ｇ１に向けて突出された外刃２３が複数設けられている。

このドラム２１の上方には、上部翼板６及びケリーボックス４を覆うように、中空な金属板製円筒体のケーシング部２２が設けられており、このケーシング部２２は、ドラム２１の外周面の水平断面形状と合致する外周面を有し、ケーシング部２２の軸方向の長さは、ドラムの軸方向長さよりも長く設定されている。ケーシング部２２の上縁部はテーパー２２ａが形成され、ケーシング部２２外側面上部に傾斜されて窄まされた形状となっている。

また、ドラム２１の内周面において、周方向に向けて配置された内刃２４が備えられている。この内刃２４は、回転方向に向けて尖らせたナイフ形状をしているとともに、鉛直方向下方に向けて斜めに取付けられており、周方向の切削と、下方への切削の両方を担っている。

図３にケーシング部２２を省略してドラム２１の内部を上方から見下ろした斜視図を示し、図４及び図５にドラム２１及びケーシング部２２を透視した垂直断面図及び斜視図を示す。ドラム２１内部の上面開口には、３枚の厚板からなる上部翼板６が、下部翼板７の上方に位置するように、軸芯５を中心として径方向に向けて放射状に配置されている。この３枚の上部翼板６は、内側周縁を軸芯５の外周面に溶接で固定されているとともに、ドラム２１の内周面に固定されている。各上部翼板６は、図４に示すように、下面側に軸芯５及びドラム２１内周面に固着される補強リブ６１，６２によって補強されている。

この３枚の上部翼板６の中央、即ちドラム２の中心にケリーバー接続部としてケリーボックス４が、三角板部材４１とともに、一体的に設けられている。このケリーボックス４は、上部に開口を有する内部が中空の函体であり、内部にケリーバー９２が挿入された状態で側方から接続ピン４２を貫通させることで、ケリーバー９２と接続される。三角板部材４１は、鉛直方向と直交する水平面内に配置される上面視が三角形状をなす板部材である。この三角板部材４１の上面側にケリーボックス４が溶接で固着されるとともに、下面側に軸芯５が垂直に溶接される。したがって、ケリーバー９２に大きなトルクをかけて回転させると、ケリーボックス４及び三角板部材４１を介して、軸芯５及び上部翼板６が旋回され、外周部に位置するドラム２１が大きなトルクで回転されることとなる。

上部翼板６は、下部翼板７と同じ角度となるように掘削面Ｇ１側に傾くように、回転面（鉛直方向と直交する水平面）に対して１５度〜３０度、傾斜されて固着されている。この傾斜角度は、水平に配置された三角板部材４１の下面に、鉛直方向に突出される三角形状の補強リブ４１ａで強固に保持されている。

他方、ドラム２１内部の下面開口付近には、軸芯５を中心として径方向に向けて放射状に配置された３枚の厚板からなる下部翼板７（７ａ〜ｃ）が固着されている。これら下部翼板７（７ａ〜ｃ）は、内側周縁を軸芯５の外周面に溶接で固定されているとともに、ドラム２１の内周面に固定されている。各下部翼板７（７ａ〜ｃ）は、上面側に軸芯５及びドラム２１内周面に固着される補強リブ７１，７２によって補強されている。

図６にドラム２１を下方から見上げた斜視図を示し、図７にドラム２１及びケーシング部２２の底面図を示す。同図にも示すように、下部翼板７（７ａ〜ｃ）は、掘削面Ｇ１側に傾くように回転面（鉛直方向と直交する水平面）に対して１５度〜３０度、傾斜されて固着されている。また、これら下部翼板７（７ａ〜ｃ）には、各下部翼板の回転方向に向けて突出されるカッター部７３ａ〜ｃがそれぞれ固着されている。

下部翼板７は、掘削面Ｇ１側に傾くように回転面に対して傾斜されて下方に向けられていることから、各下部翼板７の回転方向に向けて突出されるカッター部７３ａ〜ｃも、掘削面Ｇ１側に傾くように回転面に対して傾斜され、回転方向（周方向）且つ掘削面Ｇ１側方向（鉛直方向）に刃の先端が斜めに突出されている。また、図７からも分かるように、これらのカッター部７３ａ〜ｃは、異なる回転半径Ｒａ〜ｃのそれぞれに適合されて配置されており、回転半径Ｒａが一番短く、回転半径Ｒｂ，Ｒｃの順に大きくなり、各カッター部７３ａ〜ｃによる切削位置が、周方向で相互に重複しないように配置されている。

また、下部翼板７の掘削面Ｇ１側、即ち下面側に、掘削面Ｇ１に向けて突出された掘削爪８１〜８３がそれぞれ設けられている。これら掘削爪８１〜８３は、各下部翼板７に２つずつ取付けられており、下部翼板７ａには掘削爪８１及び８３が、下部翼板７ｂには掘削爪８１及び８２が、下部翼板７ｃには掘削爪８２及び８３が取付けられている。図７からも分かるように、これらの掘削爪８１〜８３も、異なる回転半径Ｒａ〜ｃのそれぞれに２つずつ配置されており、各回転半径毎の掘削頻度が均一となるように設計されている。下部翼板７も回転面に対して１５〜３０度傾斜されているが、上記掘削爪８１〜８３は回転面に対して垂直となるように各下部翼板７ａ〜ｃのそれぞれの傾斜に併せて斜めに取付けられている。

本実施形態では、３枚の上部翼板６が１２０°の間隔を空けて放射状に配置され、同様に下部翼板７も１２０°の間隔を空けて放射状に配置されている。そして、上方の上部翼板６と下部翼板７とは６０°だけ相互にずれており、上下方向で上部翼板６と下部翼板７とが重ならないように配置されている。これにより、上部翼板６上の排土を下方に落下させる際に、下方の下部翼板７が落下の妨げになるのを回避している。

（掘削工法）
以上説明した工事設備によって、本発明の掘削工法を実施することができる。図８は本実施形態にかかる掘削工法の手順を示す説明図である。本実施形態に係る掘削工法では、カッター部７３ａ〜ｃが突出された方向にドラムを回転させつつ、下部翼板７を掘削面Ｇ１に押圧させて地中に埋入させ、ドラム２１内又は上部翼板６上に保持された掘削物を、重機９でドラム２１を揚重することによって掘削穴内から排除する。

詳述すると、掘削に際して、先ずアースドリル装置のケリーバーの中心を新規造成すべき杭芯位置にセットする。 具体的には、ケリーバー９２の下端をケリーボックス４に嵌合するとともに、ケリーボックス４の止め孔内に接続ピン４２を貫通させて接続し、この状態で縦穴Ｇ２内に降ろし、下端の案内突起部４ｂを穴の底部に突き刺した状態とする。その状態で、穴掘削用バケット１を回転させて掘削位置にある撤去すべき既設の杭又は既設構造物等の障害物の切断作業を開始する。このとき、必要に応じて、縦穴の所定の深さ位置に、表層ケーシングを建て込む。

この状態で案内突起部４ｂを中心にして穴掘削用バケット１を回転すると、軸芯５の外周面に固着された下部翼板７が回転し、下部翼板７の傾斜によって下方への推力を発生して穴掘削用バケット１を縦穴Ｇ２の掘削面Ｇ１に食い込ませるとともに、掘削爪８１〜８３、外刃２３及びケーシング部２２が掘削面Ｇ１を切削しながら回動し、地層中の土砂や既製杭などのコンクリート礫も掘削爪８１〜８３の回動により切削される。

始動当初は低速で回転させ、水を注入しながら徐々に回転速度を上げてゆき、外刃２３掘削爪８１〜８３で土砂や礫を掘削するとともに、露出された鉄筋等の障害物Ｇ３を切断しながら掘削を進める。このとき、下部翼板７の内刃２４が回転方向に向けて設けてあるので、これら内刃２４がドラム２１の内周面周縁を周回することにより縦穴Ｇ２の掘削面Ｇ１の周縁部分を掘削することができる。そして、カッター部７３ａ〜ｃが軸芯５を中心にして、重複しない複数の回転半径上で旋回しているので、この地層を切削されて露出してきた鉄筋・鉄骨などの障害物Ｇ３を切断することができ、これら切削した土砂や礫、その他の障害物を下部翼板７がドラム２１内に掬い上げる。

このようにして地盤Ｇの土砂や礫が掘削爪８１〜８３とカッター部７３ａ〜ｃによって切削され、下部翼板７及び上部翼板６がこれらを掬い上げると、掬い上げられた土砂や礫はドラム２の内部に取り込まれる。その後、掘削していくと穴掘削用バケット１の内部に大きな礫を含んだ排土が次第に満たされていき、ある程度の量が溜まった時点でケリーバー９２の回転を停止する。そして、ケリーバー９２を上昇させることにより穴掘削用バケット１を引き上げて所定の位置、例えばダンプカーの荷台上に位置させ、ドラム２の回転を反転することにより、内部の排土等がドラム２の下面開口部から荷台上に落下させる。

その後、所定の深さまで切断作業が進むと、穴掘削用バケット１を引き上げてドリリングバケットにより粉砕滓を完全に排出撤去して縦穴の掘削を完了し、その後、掘削された縦穴に鉄筋籠等の補強材を構築して建て込み、生コンクリートを打ち込むことにより新設杭が造成される。

なお、上述した実施形態の説明は、本発明の一例である。このため、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

（作用・効果）
以上説明した本実施形態によれば、穴掘削用バケット１を回転させると、軸芯５の外周面に固着された下部翼板７が回転し、下部翼板７の傾斜によって下方への推力を発生して穴掘削用バケット１を縦穴Ｇ２の掘削面Ｇ１に食い込ませるとともに、掘削爪８１〜８３、外刃２３及びケーシング部２２が回動することにより、地層中の土砂や既製杭などのコンクリート礫が切削される。このとき、下部翼板７の内刃２４がドラム２１内で回転方向に向けて設けられているので、内刃２４がドラム２１の内周面周縁を周回することにより縦穴Ｇ２の掘削面Ｇ１の周縁部分を掘削することができる。

そして、カッター部７３ａ〜ｃが軸芯５を中心にして、重複しない複数の回転半径上で旋回しているので、この地層を切削されて露出してきた鉄筋・鉄骨などの障害物Ｇ３を切断することができるとともに、下部翼板７が切削した土砂や礫、その他の障害物をドラム２１内に掬い上げるとともに、上部翼板６でさらに上方のケーシング部２２部分に押し上げることができる。

なお、本実施形態では、３枚の上部翼板６及び下部翼板７が１２０°の間隔を空けて放射状に配置され、これら上部翼板６と下部翼板７とは６０°だけ相互にずれており、上下方向で上部翼板６と下部翼板７とが重ならないように配置されていることから、上部翼板６上の排土を下方に落下させる際に、下方の下部翼板７が落下の妨げになるのを回避できる。また、上下方向で上部翼板６と下部翼板７とが重ならないように配置されていることにより、洗浄する際には上方から放水することによって、上部翼板６及び下部翼板７に一括して水をかけることができ、効率よく洗浄することができる。

また、ドラム２１の上方には、上部翼板６及びケリーボックス４を覆うようにケーシング部２２が設けられ、且つケーシング部２２の軸方向の長さがドラム２１の軸方向長さよりも長く設定されているため、穴掘削用バケット１全体の重心位置が高くなっている。これに対して、ケリーバー９２とケリーボックス４の接続部がドラム２１の上部に位置されていることから、接続部と重心位置とが接近することとなり、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、穴掘削用バケット１が縦穴Ｇ２内で揺動されやすくなっている一方、ケーシング部２２の高さによって揺動の振幅を規制することもできる。このため、掘削面Ｇ１の周縁部分に障害物Ｇ３があるようなときには、ケリーバー９２を前後左右に揺することで、ドラム２１周縁即ち外刃２３の周回軌道を障害物Ｇ３に押しつけたり、障害物Ｇ３を引っ掛けてドラム２１の開口面の内方へ引き込んだりなど、切削箇所の位置決めや障害物の移動など複雑な操作が可能となる。

これらの結果、本実施形態によれば、地中に縦穴を掘削する穴掘削用バケットを用いて地中に縦穴を掘削する際に、ドラムを容易に地中に埋入させることができ、掘削工事の効率を向上させることができる。

Ｇ…地盤
Ｇ１…掘削面
Ｇ２…縦穴
Ｒａ〜ｃ…回転半径
１…穴掘削用バケット
２…ドラム
４…ケリーボックス
５…軸芯
６…上部翼板
７（７ａ〜ｃ）…下部翼板
９…重機
２１…ドラム
２２…ケーシング部
２２ａ…テーパー
２３…外刃
２４…内刃
４１…三角板部材
４１ａ…補強リブ
４２…接続ピン
６１，６２，７１，７２…補強リブ
７３ａ〜ｃ…カッター部
８１〜８３…掘削爪
９１…アースドリル装置
９２…ケリーバー

Claims (6)

1. 地中に吊下されて地中に縦穴を掘削する穴掘削用バケットであって、
   上面及び下面に開口部を有する中空なドラムと、
   前記ドラムの軸方向に沿って延設される回転軸と、
   前記回転軸を中心として径方向に向けて放射状に固着され、前記ドラムの内周面に固定された複数枚の下部翼板と、
   前記複数枚の下部翼板のそれぞれに固着され、各下部翼板の回転方向に向けて突出されるカッター部と、
   前記下部翼板の上方において前記回転軸を中心として径方向に向けて放射状に配置され、前記ドラムの内周面に固定された複数枚の上部翼板と
   を備え、
   前記下部翼板は、前記カッター部先端が掘削面側に傾くように、回転面に対して傾斜され、
   前記上部翼板は、前記下部翼板と同じ側に傾くように、前記回転面に対して傾斜されている
   ことを特徴とする穴掘削用バケット。
2. 前記下部翼板の掘削面側において、前記掘削面に向けて突出された掘削爪をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の穴掘削用バケット。
3. 前記ドラムの下面周縁部において前記掘削面に向けて突出された外刃をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の穴掘削用バケット。
4. 前記ドラムの内周面において、前記周方向に向けて配置された内刃をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の穴掘削用バケット。
5. 前記ドラムの外周面の水平断面形状と合致する外周面を有し、前記上部翼板の上方を覆うケーシング部をさらに備える、
   前記ケーシング部の軸方向の長さは、前記ドラムの軸方向長さよりも長い
   ことを特徴とする請求項１に記載の穴掘削用バケット。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載された穴掘削用バケットを用いた掘削工法であって、前記カッター部が突出された方向に前記ドラムを回転させつつ、前記下部翼板を前記掘削面に押圧させて地中に埋入させ、
   前記ドラムの回転により前記ドラム内又は前記上部翼板上に保持された掘削物を、前記ドラムを揚重することによって掘削穴内から排除する
   ことを特徴とする掘削工法。