JP6537403B2 - 嵌合状態評価方法、杭材の圧入施工方法、嵌合状態評価装置、および自動施工装置 - Google Patents

Description

本発明は、嵌合状態評価方法、杭材の圧入施工方法、嵌合状態評価装置、および自動施工装置に関する。

従来、鋼矢板や鋼管矢板等の杭材を地中に圧入する施工技術として、当該杭材の長手方向に沿って形成されている継手同士を嵌合させて複数の杭材を連続して地中に圧入する技術が知られている。この技術により、土留め壁や止水壁などといった、杭材が並んで連結してなる壁体が地中に構築される。従来の技術としては、例えば、特許文献１に記載されているような後続鋼矢板を先行鋼矢板に嵌合させる鋼矢板の打設方法が知られている。

また、従来において、地中の状態を計測する技術として、下記の特許文献２に記載された技術が知られている。特許文献２には、掘削機が所定の地盤に到達したか否かを判断することを可能とした地盤評価装置等が記載されている。特許文献２の地盤評価装置は、掘削機の作動状態に相関する音を解析して掘削機が地盤に達したか否かを判定している。

さらに、従来において、物体の嵌合状態を検出する技術としては、特許文献３および特許文献４に記載された技術が知られている。特許文献３には、物品に設けたスナップフィット機構の嵌合状態を、構造体同士の組付け音に基づいて判定することが記載されている。特許文献４には、環境雑音下においても構造体の嵌合が確実に行われているかを検証するために、嵌合音を含む音響信号の周波数解析を行い、特定の周波数の信号レベルが閾値を超えたことを判定する技術が記載されている。

特開２００９−２７０３６１号公報 特開２０１１−０３８２５７号公報 特開２００４−２４３５０１号公報 特開２０１０−１６１０４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された鋼矢板の打設方法は、鋼矢板の継手における抵抗を低減する動作を行っているものの、鋼矢板の嵌合状態を検出して鋼矢板の嵌合状態に対応して作業を見直すといった対処を行えない。また、特許文献２に記載された地盤評価装置等は、音を用いて地中の情報を得る技術ではあるが、評価対象は地盤であり、継手の嵌合状態を評価することはできない。さらに、特許文献３および４に記載された技術では、構造体の動作に起因する急激な音の変化を検出するため、杭材を次第に地中に圧入する時には継続的に音が変化するので、嵌合状態の評価を行うことができない可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、杭材の嵌合状態を評価して、作業者に評価結果に対する対処を促すことができる嵌合状態評価方法、杭材の圧入施工方法、嵌合状態評価装置、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、杭材の長手方向に沿って形成された継手によって互いに杭材を嵌合させて、複数の杭材の圧入施工における嵌合状態を評価する嵌合状態評価方法であって、先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて、前記後続杭材を圧入したことにより発生する振動に基づいて生成された第１の信号を取得する第一のステップと、前記第一のステップにおいて取得した第１の信号に基づいて第１の振動圧を求める第二のステップと、前記第二のステップにおいて求められた第１の振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態の異常の有無を判定する第三のステップと、を有する嵌合状態評価方法である。

（２）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第一のステップの前に、前記継手を嵌合させない状態で杭材を地中に圧入したことにより発生する振動に基づいて生成された第２の信号を取得するステップと、前記第２の信号に基づいて第２の振動圧を求めるステップと、を有し、前記第三のステップは、前記第１の振動圧と前記第２の振動圧との差に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態の異常の有無を判定する。

（３）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第三のステップは、前記第１の振動圧と前記第２の振動圧との差を前記第２の振動圧に基づいて正規化し、正規化した振動圧差に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する。

（４）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第三のステップは、前記第１の振動圧および前記第２の振動圧に含まれる複数の周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分ごとに正規化された振動圧差のうち、最も高い振動圧差に基づいて嵌合状態の有無を判定する。

（５）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第三のステップは、前記最も高い振動圧差が得られた周波数成分に基づいて前記最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する。

（６）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第三のステップは、前記後続杭材の貫入長に基づいて前記最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する。

（７）本発明の一態様は、上述の嵌合状態評価方法であって、前記第三のステップは、前記閾値として第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値とを設定し、前記補正した振動圧差が前記第１の閾値を超えた場合には嵌合状態の異常の前段階であると判定し、前記補正した振動圧差が前記第２の閾値を超えた場合には嵌合状態の異常であると判定する。

（８）本発明の一態様は、嵌合状態を評価するステップと、嵌合状態の評価をしながら、杭材を圧入するステップと、を有する、杭材の圧入施工方法である。

（９）本発明の一態様は、先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて前記後続杭材を圧入している最中に発生する振動に基づいて生成された信号が入力される信号入力部と、前記信号入力部に対し入力された信号に基づく振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態を評価する評価部と、を有する嵌合状態評価装置である。

（１０）本発明の一態様は、先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて前記後続杭材を圧入している最中に発生する振動に基づいて生成された信号が入力される信号入力部と、前記信号入力部に対し入力された信号に基づく振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態を評価する評価部とを有する嵌合状態評価装置を備えた自動施工装置である。

本発明の一態様によれば、杭材の嵌合状態を評価して、作業者に評価結果に対する対処を促すことができる。

本発明を適用した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。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムの構成を示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおける施工手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて他の鋼矢板１を嵌合させないで鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する様子を示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて鋼矢板１同士を嵌合させて鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する様子を示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて他の鋼矢板１を嵌合させないで鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させた時に継手計測部２０により検出される音圧信号の周波数スペクトルを示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて鋼矢板１同士を嵌合させて鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させた時に継手計測部２０により検出される音圧信号の周波数スペクトルを示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて嵌合状態の異常がないときの表示画面を示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて嵌合状態の異常があるときの表示画面を示す図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおける嵌合状態評価装置３００の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて嵌合状態評価装置３００に記憶される情報を示す図であり、（ａ）は前処理情報であり、（ｂ）は施工中情報である。

以下、本発明を適用した嵌合状態評価方法、杭材の圧入施工方法、嵌合状態評価装置、および自動施工装置を、図面を参照して説明する。
図１は本発明を適用した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。なお、本実施形態において、圧入される杭材をＵ形鋼矢板（以下、鋼矢板と称する）１として説明するが、杭材の長手方向に沿って形成され、隣り合う他の杭材と嵌合可能な継手を有する杭材であれば、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、他の形態の杭材であってもよい。

鋼矢板１は、図１（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、後述する圧入機本体１００を直線状に移動させながら鋼矢板１を圧入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。この継手部１６は、施工方向における前方および後方において隣り合う他の杭材と嵌合可能な継手である。

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、施工方向前方側の継手部である継手部１６ａを「後方継手部１６ａ」と記載し、施工方向後方側の継手部である継手部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２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。先行して地中への配置が完了した鋼矢板１−１（先行杭材）に対して、後続して地中に圧入される鋼矢板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。尚、上記「先行して地中への配置が完了した鋼矢板１−１（先行杭材）」の「配置」とは、例えば、圧入による配置や、振動／打撃打ち込みによる配置や、埋め込みによる配置などをいう。すなわち、鋼矢板１−１（先行杭材）は、どのような手段で地中に配置されたものであってもよい。以下では、鋼矢板１−１（先行杭材）が圧入により地中に配置されたものとして説明する。

先行して地盤Ｇに圧入された鋼矢板１のうち、後続して圧入されようとする鋼矢板１と嵌合される鋼矢板１（図２中の鋼矢板１−１）には、継手計測部２０が取り付けられる。継手計測部２０は、鋼矢板１−１の圧入施工が完了した後に、例えば磁力等の利用や溶接等の手段により、鋼矢板１に取り付けられる。継手計測部２０は、先行する鋼矢板１と後続する鋼矢板１との嵌合状態に起因して発生する振動に基づく信号を生成する。継手計測部２０は、生成した信号を後述する嵌合状態評価装置３００に出力する。なお、本実施形態において、振動として主として音を説明するが、他の種類の振動であっても本発明が適用可能であることは勿論である。

図３は、本発明を適用した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２００とを備える。圧入機本体１００は、鋼矢板１を地中に圧入する。パワーユニット２００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、後述する嵌合状態評価装置３００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、貫入長計測部１２０と、嵌合状態評価装置３００とを備える。

複数のクランプ１０２は、先行して地盤Ｇに圧入された複数の鋼矢板１（先行杭材、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他の完成杭１Ｒを掴む。

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（後続杭材、以下、圧入杭１Ａとも記載する。）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（先行杭材、以下、完成杭１Ｂとも記載する。）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、貫入長計測部１２０と嵌合状態評価装置３００とが収容される。

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２００の制御に従って圧入杭１Ａを上下方向に移動させる。

以下、上述した鋼矢板圧入システムにおける圧入施工手順について説明する。図４は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおける圧入施工手順を示すフローチャートである。図５は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて他の鋼矢板１を嵌合させないで鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する様子を示す図である。図６は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて鋼矢板１を嵌合させて鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する様子を示す図である。

まず、鋼矢板圧入システムは、図５に示すように、鋼矢板１を他の鋼矢板１と嵌合させないで地盤Ｇに圧入施工する（ステップＳ１００）。より詳細には、既に地中に配置された鋼矢板１−１の杭天端付近に継手計測部２０を取り付け、この鋼矢板１−１に対して予め定めた距離ｄだけ離間させて、鋼矢板１−２を圧入方向（−Ｚ方向）に圧入する。鋼矢板１−２を圧入すると、鋼矢板１−２と地盤Ｇとの間の摩擦により発生した音が鋼矢板１−１に伝達され、鋼矢板１−１に設けられた継手計測部２０に伝達される。継手計測部２０により、鋼矢板１−１内に伝達した音が計測される。この音は、鋼矢板１同士が嵌合していないため、鋼矢板１同士が接触する音を含まない。この音の周波数スペクトルは、例えば図７に示すようになる。図７は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて他の鋼矢板１を嵌合させないで鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させた時に継手計測部２０により検出される音圧信号の周波数スペクトルを示す図である。
尚、上記「既に地中に配置された鋼矢板１−１」の「配置」とは、例えば、圧入による配置や、振動／打撃打ち込みによる配置や、埋め込みによる配置などをいう。すなわち、継手計測部２０を設ける鋼矢板１−１は、どのような手段で地中に配置されたものであってもよい。

次に鋼矢板圧入システムは、嵌合状態評価装置３００により、ステップＳ１００において鋼矢板１−２を圧入している最中において継手計測部２０により計測された音圧信号に対して前処理を行う（ステップＳ１０２）。この前処理は、嵌合状態を評価できるように音圧信号に対して演算処理を行うことにより前処理情報を生成する。

次に鋼矢板圧入システムは、図６（ａ）に示すように、鋼矢板１同士を嵌合させて鋼矢板１を地盤Ｇに圧入する圧入施工を行う（ステップＳ１０４）。ここでは、ステップＳ１００で圧入した鋼矢板１−２を引き抜き、この引き抜いた鋼矢板１−２を、鋼矢板１−１の前方継手部１６ｂ−１と鋼矢板１−２の後方継手部１６ａ−２とを嵌合させて圧入する。このとき、継手計測部２０は、鋼矢板１−１に取り付けられているため、鋼矢板１−２と地盤Ｇとが摩擦する音に加えて、鋼矢板１−１の前方継手部１６ｂ１−と鋼矢板１−２の後方継手部１６ｂ−２とが摩擦することにより発生する音等が鋼矢板１−１内に伝達され、継手計測部２０で計測される。図８は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて鋼矢板１同士を嵌合させて鋼矢板１を地盤Ｇに圧入させた時に継手計測部２０により検出される音圧信号の周波数スペクトルを示す図である。

鋼矢板圧入システムは、ステップＳ１０４の圧入施工をしている最中に、嵌合状態評価装置３００により、継手計測部２０により検出された音圧信号に基づく施工中情報を生成する。この施工中情報は、ステップＳ１０４の最中に得られた音圧信号に対して前処理信号と同様の演算により得られた情報である。鋼矢板圧入システムは、嵌合状態評価装置３００により、ステップＳ１０２により生成された前処理情報と施工中情報とに基づいて、鋼矢板１−１の前方継手部１６ｂ−１と鋼矢板１−２の後方継手部１６ａ−２との嵌合状態を評価する（ステップＳ１０６）。

鋼矢板圧入システムは、ステップＳ１０６における評価の結果に基づいて、嵌合状態を表示する（ステップＳ１０８）。鋼矢板圧入システムは、嵌合状態に異常がない場合、図９に示すような表示画像４００Ａを提示する。この表示画像には、嵌合状態が「正常」であることを示す嵌合状態４０２、異常発生時貫入長４０４、施工の開始または停止の操作を受け付けるためのボタン４０６、および情報のリセットの操作を受け付けるためのボタン４０８が含まれる。鋼矢板圧入システムは、警告を行うと判定した場合には警告を表す情報を表示する（ステップＳ１１０）。鋼矢板圧入システムは、嵌合状態に異常がある場合、図１０に示すような表示画像４００Ｂを提示する。この表示画像には、嵌合状態が「異常」であることを示す嵌合状態４０２、異常発生時貫入長４０４、施工の開始または停止の操作を受け付けるためのボタン４０６、および情報のリセットの操作を受け付けるためのボタン４０８が含まれる。

鋼矢板圧入システムは、鋼矢板１−２の圧入施工が完了したか否かを判定し（ステップＳ１１０）、施工が完了していない場合にはステップＳ１０４に処理を戻し、施工が完了した場合には処理を終了する。尚、ステップＳ１０４に処理を戻す場合は、図６（ｂ）に示すように、継手計測部２０を、先行して地盤Ｇに圧入された鋼矢板１のうち、後続して圧入する鋼矢板１−３と嵌合される鋼矢板である、圧入施工が完了した鋼矢板１−２に取り付け又は付け替えた上で、ステップＳ１０４以降の処理が進められる。

図１１は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおける嵌合状態評価装置３００の機能的な構成を示すブロック図である。
嵌合状態評価装置３００には、貫入長計測部１２０と、継手計測部２０と、表示部３２０とが接続される。表示部３２０は、嵌合状態評価装置３００による評価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３２０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。表示部３２０は、表示制御部３１４の制御に従って、上述した図９または図１０に示すような画像を表示させる。表示制御部３１４は、評価部３１０における評価結果に基づいて表示部３２０を駆動制御する。

貫入長計測部１２０は、メインシリンダ１１４の動作に基づいて圧入杭１Ａの貫入長を示す信号（以下、貫入長信号と記載する。）を生成する。貫入長計測部１２０は、例えば所定間毎に貫入長信号を嵌合状態評価装置３００に出力する。継手計測部２０は、完成杭１Ｂに伝達されている振動に基づく信号を生成する。完成杭１Ｂに伝達されている振動には、圧入杭１Ａと地盤Ｇとが摩擦する音や完成杭１Ｂと圧入杭１Ａとが接触する音等が含まれる。継手計測部２０は、完成杭１Ｂに伝達される振動として音圧信号を生成する。継手計測部２０は、音圧信号を無線送信部２０ａによって嵌合状態評価装置３００に送信させる。

嵌合状態評価装置３００は、入出力回路、演算回路、制御回路、および記憶装置を含むコンピュータである。嵌合状態評価装置３００は、信号入力部３０２と、無線受信部３０４と、周波数解析部３０６と、同期処理部３０８と、評価部３１０と、記憶部３１２と、表示制御部３１４とを備える。

無線受信部３０４は、無線送信部２０ａにより送信された音圧信号を受信する。無線受信部３０４は、所定の信号処理を施した音圧信号を信号入力部３０２に出力する。信号入力部３０２には、貫入長計測部１２０により出力された貫入長信号、および無線受信部３０４により出力された音圧信号が入力される。無線受信部３０４は、貫入長信号を同期処理部３０８に出力すると共に、音圧信号を周波数解析部３０６に出力する。尚、ここでは無線により音圧信号を送信する構成を例として挙げたが、有線で音圧信号を送信する構成であってもよい。

周波数解析部３０６、同期処理部３０８、および評価部３１０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。

周波数解析部３０６は、信号入力部３０２から入力された音圧信号に対してフーリエ変換等の周波数解析処理を行って、周波数成分に対する信号強度を表す周波数スペクトル信号を生成する。周波数解析部３０６は、生成した周波数スペクトル信号を同期処理部３０８に出力する。

周波数解析部３０６は、周波数スペクトル信号のうち、予め設定された周波数帯域の信号強度を表す周波数−強度情報を抽出して同期処理部３０８に出力することが望ましい。予め設定された周波数帯とは、圧入杭１Ａと完成杭１Ｂとの嵌合状態を評価できるような周波数帯である。予め設定された周波数帯は、例えば、圧入杭１Ａが完成杭１Ｂに嵌合されて圧入されている期間において完成杭１Ｂ内に生じる定常波の周波数帯である。

また、予め設定された周波数帯は、複数であることが望ましい。予め設定された複数の周波数帯とは、圧入杭１Ａと完成杭１Ｂとの嵌合状態の評価の精度を高くすることができるような複数の周波数帯である。予め設定された複数の周波数帯は、例えば、圧入杭１Ａが完成杭１Ｂに嵌合されて圧入されている期間において完成杭１Ｂ内に生じる複数の定常波の周波数帯である。以下の実施形態の説明は、周波数解析部３０６が予め設定された複数の周波数帯の周波数スペクトル信号として、周波数帯ｆ１の周波数スペクトル信号、周波数帯ｆ２の周波数スペクトル信号、および周波数帯ｆ３の周波数スペクトル信号を同期処理部３０８に出力するものとして説明する。

同期処理部３０８は、周波数解析部３０６により出力された複数の周波数スペクトル信号と、信号入力部３０２から入力された貫入長信号との同期を取る。同期処理部３０８は、信号入力部３０２における貫入長信号の入力タイミングと、信号入力部３０２における音圧信号との入力タイミングとに基づいて、複数の周波数スペクトル信号と貫入長信号との同期をとる。同期処理部３０８は、同期が取られた複数の周波数スペクトル信号と貫入長信号とを対応づけて記憶部３１２に記憶させる。

記憶部３１２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３１２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、嵌合状態評価装置３００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。

記憶部３１２には、前処理情報Ｄａ、施工中情報Ｄｂと、評価結果Ｄｒとが記憶される。評価結果Ｄｒは、前処理情報Ｄａおよび施工中情報Ｄｂに基づく嵌合状態の評価を表す情報である。前処理情報Ｄａとは、継手を嵌合させない状態で地盤Ｇに鋼矢板１を圧入することによって取得された情報である。施工中情報Ｄｂとは、圧入施工中において地盤Ｇに鋼矢板１を圧入することによって取得された情報である。前処理情報Ｄａと施工中情報Ｄｂとは、評価部３１０により嵌合状態の評価を行うために必要な信号である。

図１２は、本発明を適用した鋼矢板圧入システムにおいて嵌合状態評価装置３００に記憶される情報を示す図であり、（ａ）は前処理情報であり、（ｂ）は施工中情報である。前処理情報には、貫入長Ｄ−１、・・・Ｄ−ｎに対応して周波数帯ｆ１の平均強度Ａｐ−１（ｆ１）、周波数帯ｆ２の平均強度Ａｐ−１（ｆ２）および周波数帯ｆ３の平均強度Ａｐ−１（ｆ３）が含まれる。平均強度は、各周波数帯の周波数スペクトル信号に含まれる音圧信号の平均値である。平均強度は、評価部３１０により演算されて記憶部３１２に格納される。施工中情報には、貫入長、周波数帯、および平均強度に加えて、圧入杭１Ａの番号、および評価結果が対応づけられる。施工中情報は、完成杭１Ｒごとに記憶部３１２に記憶される。なお、鋼矢板圧入システムは、圧入杭１Ａを圧入施工する最中にしか施工中情報を使用しない場合には、杭番号および評価結果を記憶させなくてもよい。

評価部３１０は、施工中情報Ｄｂに基づいて完成杭１Ｂの前方継手部１６ｂと、圧入杭１Ａの後方継手部１６ａとの嵌合状態における異常の有無を評価する。評価部３１０は、異常の有無を評価するために下記の演算（１）、（２）、（３）および（４）を行う。

（１）評価部３１０は、前処理情報Ｄａに含まれる平均強度Ａｐと、施工中情報Ｄｂに含まれる平均強度Ａとの差を算出する。評価部３１０は、算出された平均強度Ａｐと平均強度Ａとの差を平均強度Ａｐにより除算することにより、平均強度Ａを平均強度Ａｐにより正規化した正規化強度差を算出する。評価部３１０は、周波数帯ｆ１の正規化強度差、周波数帯ｆ２の正規化強度差、および周波数帯ｆ３の正規化強度差を得る。

（２）評価部３１０は、周波数帯ｆ１の正規化強度差、周波数帯ｆ２の正規化強度差、および周波数帯ｆ３の正規化強度差のうち、最も高い正規化強度差を選択する。

（３）評価部３１０は、選択した正規化強度差を、当該正規化強度差が得られた周波数帯に基づいて補正する。
評価部３１０は、周波数帯が高いほど正規化強度差を大きくするように補正をする。評価部３１０は、例えば、周波数帯の高低関係がｆ１＜ｆ２＜ｆ３である場合、周波数帯がｆ１の場合の正規化強度差の補正幅よりも、周波数帯がｆ２およびｆ３の場合の正規化強度差の補正幅を大きくする。この補正の理由は、完成杭１Ｂ内における音のうち高い周波数帯の音ほど完成杭１Ｂ内において減衰しやすく、周波数帯の差によって正規化強度差がばらつくことを抑制するためである。
評価部３１０は、圧入杭１Ａの貫入長が大きいほど正規化強度差を大きくするように補正をする。この補正の理由は、貫入長が大きいほど、杭先端近くで発生する音が完成杭１Ｂ内を伝達する距離が長くなって減衰が大きくなるからであり、貫入長によって正規化強度差がばらつくことを抑制するためである。
評価部３１０は、正規化強度差を補正することより得た値を、嵌合状態の評価のための指標Ｘとして取得する。なお、正規化強度差の補正は、周波数帯または貫入長の少なくとも一方に基づいて補正してもよい。

（４）評価部３１０は、指標Ｘと、閾値とを比較して、指標Ｘが閾値を超えたか否かを判定する。評価部３１０は、指標Ｘが閾値を超えたと判定した場合に嵌合状態の異常があることを評価し、指標Ｘが閾値を超えたと判定していない場合に嵌合状態の異常が無いことを評価する。
評価部３１０は、閾値を複数設定し、指標Ｘと複数の閾値とを比較して嵌合状態を評価してもよい。評価部３１０は、２つの閾値ａおよびｂ（ａ＜ｂ）を設定し、指標Ｘと複数の閾値ａおよびｂとを比較する。評価部３１０は、指標Ｘが閾値ａを超えていないと判定した場合には嵌合状態に異常がないと判定する。評価部３１０は、指標Ｘが閾値ａを超えて閾値ｂを超えていないと判定した場合には完成杭１Ｂと圧入杭１Ａとの嵌合部の抵抗が増大していると評価する。完成杭１Ｂと圧入杭１Ａとの抵抗が増大しているとは、嵌合状態の異常の前段階の一つであり、完成杭１Ｂと圧入杭１Ａとの間にせりが生じている状態等である。評価部３１０は、指標Ｘが閾値ａおよびｂを超えたと判定した場合には完成杭１Ｂの前方継手部１６ｂと圧入杭１Ａの後方継手部１６ａとが離脱している異常であると評価する。

以上説明したように、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、先行して地中に圧入された鋼矢板１の前方継手部１６ｂに対して後続して地中に圧入される鋼矢板１の後方継手部１６ａを嵌合させて、後続の鋼矢板１を圧入しながら、先行の鋼矢板１に伝達する振動に基づいて生成された第１の信号に基づいて第１の振動圧を求め、第１の振動圧に基づいて、先行の鋼矢板１の前方継手部１６ｂと後続の鋼矢板１の後方継手部１６ａとの嵌合状態の異常の有無を判定する。この鋼矢板圧入システムによれば、先行の鋼矢板１において伝達されている振動に基づいて先行の鋼矢板１に対する後続の鋼矢板１の嵌合状態を評価することができるので、作業者に評価結果に対する対処を促すことができる。

また、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、既に地中に配置された鋼矢板１の前方継手部１６ｂに対して後続して地中に圧入される鋼矢板１の後方継手部１６ａを嵌合させない状態、すなわち既に地中に配置された鋼矢板１と離間して鋼矢板１を圧入したことにより発生する音に基づいて生成された前処理情報と施工中情報との差に基づいて、先行する鋼矢板１の前方継手部１６ｂと後続する鋼矢板１の後方継手部１６ａとの嵌合状態の異常の有無を判定する。これにより、鋼矢板圧入システムによれば、施工中情報から前処理情報を差し引いて嵌合状態を評価できる。すなわち、鋼矢板１と地盤とが摩擦する音等の雑音の影響を打ち消すことができる。この結果、鋼矢板圧入システムによれば、嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

さらに、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、前処理情報と施工中情報との差を前処理情報に基づいて正規化し、正規化した振動圧差に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する。これにより、鋼矢板圧入システムによれば、継手の嵌合状態以外の圧入施工が実施される時の条件（地盤Ｇの性質や鋼矢板１の材料等）を考慮して施工中情報を加工することができるので、より嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

さらに、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、鋼矢板１に伝達される振動に含まれる複数の周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分ごとに正規化された振動圧差のうち、最も高い振動圧差に基づいて嵌合状態の有無を判定するので、地盤Ｇや鋼矢板１の材料等の施工条件によって鋼矢板１に伝達される振動の周波数のうち鋼矢板１において定常波が生ずる周波数帯の振動を考慮して嵌合状態の評価を行うことができる。この結果、鋼矢板圧入システムによれば、より嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

さらに、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、最も高い振動圧差が得られた周波数成分に基づいて最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定するので、振動の周波数に依存して振動が鋼矢板１に伝達されやすさが変動する場合であっても、嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

さらに、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、圧入杭１Ａ（後続杭材）の貫入長に基づいて最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定するので、圧入杭１Ａ（後続杭材）の貫入長に依存して鋼矢板１に伝達される振動の大きさが変動する場合であっても、嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

さらに、本発明を適用した鋼矢板圧入システムによれば、複数の閾値ａおよびｂを設定し、振動圧差が閾値ａを超えた場合には嵌合状態の異常の前段階であると判定し、振動圧差が閾値ｂを超えた場合には嵌合状態の異常であると判定するので、嵌合状態の評価を段階的に行うことができ、嵌合状態の異常の前段階において圧入施工に対する処置を促すことができる。

上述した実施形態における嵌合状態評価装置３００の機能をコンピュータで実現するようにしても良い。例えば、嵌合状態評価装置３００は、鋼矢板１を圧入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。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

また、上述した実施形態では、前処理情報を生成する際、既に地中に配置された鋼矢板１−１に継手計測部２０を取り付け、その鋼矢板１−１から離間した位置に別の鋼矢板１−２を圧入し、鋼矢板１−１内に伝達した音を継手計測部２０で計測しているが、例えば、圧入施工における最初の圧入時などで既に地中に配置された鋼矢板が存在しない場合には、上述した実施形態よりは評価精度は低下するものの、他の鋼矢板と嵌合させることなく地盤に圧入する鋼矢板自身の杭天端付近に継手計測部を設けて音を計測するようにしてもよい。このように、前処理情報を生成する際の継手計測部２０は、鋼矢板（杭材）の継手を嵌合させない状態で、鋼矢板を地中に圧入したことにより発生する振動に基づく信号を生成するものであれば良いのである。

また、上述した実施形態では、施工中情報を生成する際、先行して地盤Ｇに圧入された鋼矢板１のうち、後続して圧入する鋼矢板１−２（後続杭材）と嵌合される鋼矢板１−１（先行杭材）に継手計測部２０を取り付け、鋼矢板１−１（先行杭材）内に伝達した音を継手計測部２０で計測しているが、他の鋼矢板と嵌合させることなく地盤に圧入する鋼矢板自身の杭天端付近に継手計測部を設けて音を計測して前処理情報を生成した場合は、その後の、鋼矢板同士を嵌合させて鋼矢板を地盤に圧入する、嵌合状態を評価しながら行う圧入施工において、継手計測部を、後続して圧入する鋼矢板（後続杭材）自身の杭天端付近に取り付けることが好ましい。このように、施工中情報を生成する際の継手計測部２０は、鋼矢板（杭材）の継手を嵌合させた状態で、後続杭材を地中に圧入したことにより発生する振動に基づく信号を生成するものであれば良いのである。

また、上述した実施形態では、継手計測部２０により計測された音圧信号に基づく前処理情報を生成する評価方法としているが、このような前処理情報を利用する評価方法に限定されることはなく、予めデータベース化された前処理情報を利用した評価方法としても良い。例えば、生成した前処理情報の取得状況やそのときの地盤情報が対応付けられた前処理情報をデータベース化して蓄積しておく。そして、新たに施工する地盤が、蓄積された地盤情報と略同一又は類似する場合に、上述した実施形態のような既設の鋼矢板から得られる前処理情報を取得することなく、その地盤情報に対応付けられた前処理情報を利用して嵌合状態を評価することができる。このような評価方法によれば、既に地中に配置された鋼矢板の杭天端付近に設けられた継手計測部２０に伝達した音に基づいて生成された前処理情報がデータベース化されている場合に、その前処理情報に対応付けられた地盤情報と施工地盤との類似度によっては、圧入する鋼矢板自身の杭天端付近に継手計測部を設けて生成する前処理情報を利用するより場合も、嵌合状態の評価精度を高くすることができる。

また、上述した実施形態では、嵌合状態の異常の有無を判定するにあたっての嵌合が、複数の杭材を予め定めた施工方向に連続して地中に圧入する圧入施工において、先行して地中に圧入された先行杭材の施工方向前方側の継手と、後続して地中に圧入される後続杭材の施工方向後方側の継手との嵌合である例を挙げて説明したが、本発明にいう嵌合は、複数の杭材の圧入施工における先行杭材の開放された継手と後続杭材の継手との嵌合であればよい。例えば、複数の杭材を連続して地中に圧入してなる壁体に対して杭材の長手方向に沿わせて補強材を圧入するような圧入施工における杭材と補強材との嵌合などにも本発明を適用できる。

また、上述した実施形態では、前処理情報を生成するために圧入した鋼矢板１−２を引き抜き、この引き抜いた鋼矢板１−２を、既に地中に配置された鋼矢板１−１に嵌合させて圧入施工を行い、施工中情報を生成する例を挙げたが、例えば、鋼矢板１−２を引き抜くことなく捨て杭とし、施工中情報を生成する圧入施工では新たな鋼矢板を鋼矢板１−１に嵌合させてもよい。また、例えば、既に地中に配置された鋼矢板１−１を捨て杭とし、前処理情報を生成するために圧入した鋼矢板１−２に新たな鋼矢板を嵌合させて施工中情報を生成する圧入施工としてもよい。

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
１Ａ 圧入杭
１Ｂ 完成杭
１Ｒ 完成杭
１６ａ 後方継手部
１６ｂ 前方継手部
２０ 継手計測部
１００ 圧入機本体
１２０ 貫入長計測部
３００ 嵌合状態評価装置
３０２ 信号入力部
３０４ 無線受信部
３０６ 周波数解析部
３０８ 同期処理部
３１０ 評価部
３１２ 記憶部
３１４ 表示制御部
３２０ 表示部
４００Ａ、４００Ｂ 表示画像
４０２ 嵌合状態
４０４ 異常発生時貫入長

Claims (10)

1. 杭材の長手方向に沿って形成された継手によって互いに杭材を嵌合させて、複数の杭材の圧入施工における嵌合状態を評価する嵌合状態評価方法であって、
   先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて、前記後続杭材を圧入している最中に、前記先行杭材と前記後続杭材との間の摩擦および前記後続杭材と地盤との間の摩擦により発生する振動に基づいて生成された第１の信号を取得する第一のステップと、
   前記第一のステップにおいて取得した第１の信号に基づいて第１の振動圧を求める第二のステップと、
   前記第二のステップにおいて求められた第１の振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態の異常の有無を判定する第三のステップと、
   を有する嵌合状態評価方法。
2. 前記第一のステップの前に、前記継手を嵌合させない状態で杭材を地中に圧入している最中に、前記杭材と地盤との間の摩擦により発生する振動に基づいて生成された第２の信号を取得するステップと、
   前記第２の信号に基づいて第２の振動圧を求めるステップと、を有し、
   前記第三のステップは、前記第１の振動圧と前記第２の振動圧との差に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態の異常の有無を判定する、 請求項１に記載の嵌合状態評価方法。
3. 前記第三のステップは、前記第１の振動圧と前記第２の振動圧との差を前記第２の振動圧に基づいて正規化し、正規化した振動圧差に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する、
   請求項２に記載の嵌合状態評価方法。
4. 前記第三のステップは、前記第１の振動圧および前記第２の振動圧に含まれる複数の周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分ごとに正規化された振動圧差のうち、最も高い振動圧差に基づいて嵌合状態の有無を判定する、
   請求項３に記載の嵌合状態評価方法。
5. 前記第三のステップは、前記最も高い振動圧差が得られた周波数成分に基づいて前記最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する、
   請求項４に記載の嵌合状態評価方法。
6. 前記第三のステップは、前記後続杭材の貫入長に基づいて前記最も高い振動圧差を補正し、補正した振動圧差と閾値との比較結果に基づいて嵌合状態の異常の有無を判定する、 請求項４または５に記載の嵌合状態評価方法。
7. 前記第三のステップは、前記閾値として第１の閾値と、前記第１の閾値よりも高い第２の閾値とを設定し、前記補正した振動圧差が前記第１の閾値を超えた場合には嵌合状態の異常の前段階であると判定し、前記補正した振動圧差が前記第２の閾値を超えた場合には嵌合状態の異常であると判定する、
   請求項６に記載の嵌合状態評価方法。
8. 請求項１から７のうちいずれか１項に記載の嵌合状態を評価するステップと、
   嵌合状態の評価をしながら、杭材を圧入するステップと、
   を有する、杭材の圧入施工方法。
9. 先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて前記後続杭材を圧入している最中に、前記先行杭材と前記後続杭材との間の摩擦および前記後続杭材と地盤との間の摩擦により発生する振動に基づいて生成された信号が入力される信号入力部と、
   前記信号入力部に対し入力された信号に基づく振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態を評価する評価部と、
   を有する嵌合状態評価装置。
10. 先行して地中に配置された先行杭材の開放された継手に対して後続して地中に圧入される後続杭材の継手を嵌合させて前記後続杭材を圧入している最中に、前記先行杭材と前記後続杭材との間の摩擦および前記後続杭材と地盤との間の摩擦により発生する振動に基づいて生成された信号が入力される信号入力部と、前記信号入力部に対し入力された信号に基づく振動圧に基づいて、前記先行杭材の開放された継手と前記後続杭材の継手との嵌合状態を評価する評価部とを有する嵌合状態評価装置を備えた自動施工装置。

Images