JP6566233B1 - 杭の施工方法、集合装置及び集合装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

杭の支持力を確実に高めることを可能にする杭の施工方法を提供する。地盤中にて高圧流体を噴射しつつバイブロハンマによる振動を与えて杭を打ち込む工程を備えた杭の施工方法であって、１又は複数の高圧流体送出装置と、円筒状の内部空間を有する集合装置とを配置し、１又は複数の高圧流体送出装置と集合装置における１又は複数の注入孔とをそれぞれ接続すると共に、集合装置における複数の吐出孔と複数のジェット配管部材とをそれぞれ接続する。集合装置の内部空間を高圧流体で充填した状態で複数の吐出孔の各々からそれぞれ高圧流体を吐出させ、かつ、複数の吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の５％以下である。

Description

本発明は、硬質地盤に杭を打ち込むための杭の施工方法に関する。

硬質地盤に杭を打ち込む方法としては、ウォータージェット併用バイブロハンマ工法（以下、「ＪＶ工法」と称する）がある。ＪＶ工法は、バイブロハンマによる振動を杭に与えつつ、杭先端に取り付けた複数の噴射ノズルから高圧の水（以下、「水」は、真水又は海水のいずれの場合も含む）を噴射して地盤を緩め又は切削し、さらに礫塊等の障害物を移動させることにより、バイブロハンマと杭本体の自重により杭を打ち込む工法である（例えば、特許文献１）。

しかしながら、従来のＪＶ工法では、高圧の水の噴射とバイブロハンマの振動により、杭の周辺地盤が緩められ、杭の支持力が低下してしまう場合がある。ＪＶ工法において杭の支持力を高めるには、杭先端及び／又は杭周辺にセメントミルク等の流動性固化材を注入することにより、杭先端に根固め球根を形成したり、杭周面をグラウト処理する方法が従来から用いられてきた。

例えば、特許文献２では、ＪＶ工法により杭周面グラウト処理が必要となる深度まで鋼管杭を打ち込み、杭周面グラウト処理が必要な深度に到達した後は、ウォータージェットの水に替えて流動性固化材を噴射しながらバイブロハンマで鋼管杭を打ち込むことにより、杭打設と周面グラウト処理を同時に行う工法が開示されている。

また、特許文献３では、ＪＶ工法により予定の深度まで鋼杭を打設した後、鋼杭を引き上げながら噴射ノズルから流動性固化材を注入し、次に流動性固化材を注入しながら再度鋼杭を設計深度まで打ち込むことにより杭先端に根固め球根を形成し、さらに必要に応じて、噴射ノズルを引き上げながら流動性固化材を杭周面に注入して鋼杭周面のグラウト処理を行う工法が開示されている。

特開平７−２３８５４４号公報 特開２００１−１９３０６８公報 特開２００４−２７０１５７公報

ジェットバイブロ工法で施工した桟橋鋼管杭の支持力とその増大工法について（土木学会論文集No.700／Vl−54、2002年3月）

特許文献２、３においては、対象とする杭の外周長が長い場合、複数のジェット配管が杭の外周上に均等に配置される。杭先端の根固め球根又は杭周面のグラウト層を、杭を中心として対称的に、均一な大きさ又は厚さに形成するには、複数のジェット配管の各々から均等な吐出量で流動性固化材を吐出することが不可欠である。

特に、杭周面に均一なグラウト層を形成するためには、施工速度（特許文献２では杭の打ち込み速度、特許文献３では噴射ノズルの引き上げ速度）に合わせて流動性固化材を注入する必要がある。そのためには、地盤条件等に応じて杭の施工中に注入速度を随時調節することが必要となる。有効な調節手段の一つは、例えば、流動性固化材を送出する複数の送出装置の一部を停止状態とすること又は送出装置の流量を調整することである。このように送出装置の実質的な稼動台数を変更した場合にも、複数のジェット配管の各々から均等な吐出量で流動性固化材を吐出する必要がある。

しかしながら、上記特許文献２、３には、複数のジェット配管の各々から均等な吐出量で流動性固化材を吐出するための手段は提示されていない。流動性固化材に替えて複数のジェット配管に水を送出する場合にも同様のことが云える。

以上の問題点から本発明は、杭に複数のジェット配管を取り付けて高圧流体を吐出することにより杭を地盤に打ち込む施工方法において、総吐出量の変動に関わらず複数のジェット配管の各々から常に均等な吐出量で高圧流体をそれぞれ吐出可能とすることを目的とする。

上記の目的を実現するために本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、杭に複数のジェット配管部材及びバイブロハンマを取り付ける準備工程と、
地盤中にて前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を下降又は上昇させる部分工程を少なくとも含む施工工程とを備えた杭の施工方法であって、
前記準備工程において、１又は複数の高圧流体送出装置と、円筒状の内部空間を有する集合装置とを配置し、１又は複数の前記高圧流体送出装置と前記集合装置における１又は複数の注入孔とをそれぞれ接続すると共に、前記集合装置における複数の吐出孔と複数の前記ジェット配管部材とをそれぞれ接続し、
前記施工工程において、前記集合装置の内部空間を高圧流体で充填した状態を維持しつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体を注入すると共に複数の前記吐出孔の各々からそれぞれ高圧流体を吐出させ、かつ、
複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の５％以下であることを特徴とする。
・ 上記態様の杭の施工方法における前記集合装置において、複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすことが、好適である。

・ 上記態様の杭の施工方法において、高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
水を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の第１の深度まで打ち込む工程と、
少なくとも前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、設定された杭周面グラウト上端に対応する深度まで引き上げる工程と、
流動性固化材を噴射しつつ前記杭を、前記支持層界面より下の第２の深度まで再度打ち込む工程とを含むことが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
水を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の第１の深度まで打ち込む工程と、
流動性固化材を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、設定された根固め上端に対応する深度まで引き上げる工程と、
流動性固化材を噴射しつつ前記杭を、前記支持層界面より下の第２の深度まで再度打ち込む工程と、
流動性固化材を噴射しつつ前記ジェット配管部材を引き抜く工程とを含むことが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
流動性固化材を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の深度まで打ち込む工程を含むことが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、前記集合装置の前記内部空間に配置された整流板により高圧流体を蛇行させることが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、前記集合装置の前記内部空間に配置された攪拌機により高圧流体を撹拌し、又は、前記内部空間に配置された振動機により高圧流体に振動を与えることが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、施工管理装置が、
前記バイブロハンマに取り付けたプリズムを追尾するトータルステーションから連続的に送信される杭の鉛直高さデータ、及び、１又は複数の前記高圧流体送出装置の送出口にそれぞれ取り付けた流量計から連続的にそれぞれ送信される高圧流体の流量データを取得し、
取得した前記杭の鉛直高さデータ及び前記高圧流体の流量データについて予め設定された施工計画データと比較することにより、前記施工工程に含まれる各部分工程における杭の移動速度、水と流動性固化材の切替、又は、高圧流体の吐出量をリアルタイムで調整することが、好適である。
・ 上記態様の杭の施工方法において、前記ジェット配管部材が、
前記集合装置に接続される導通管と、
一端が前記導通管と接続されかつ他端が複数に分岐している集約管と、
前記集約管の分岐した他端の各々と接続される複数の噴射ノズルと、を有することが、好適である。
・ 本発明の別の態様は、複数のジェット配管部材を取り付けた杭を、前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ打ち込む工程を少なくとも含む杭の施工方法において用いる集合装置であって、
円筒状の内部空間と、１又は複数の高圧流体送出装置とそれぞれ接続される１又は複数の注入孔と、複数の前記ジェット配管部材とそれぞれ接続される複数の吐出孔とを有し、
前記杭の施工中、前記内部空間が高圧流体で充填された状態に維持されつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体が注入されかつ複数の前記吐出孔の各々から高圧流体が吐出され、かつ、
複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の５％以下であることを特徴とする。
・ 上記態様の集合装置において、
複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすことが、好適である。

・ 本発明のさらに別の態様は、複数のジェット配管部材を取り付けた杭を、前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ打ち込む工程を少なくとも含む杭の施工方法において用いられ、円筒状の内部空間と、１又は複数の高圧流体送出装置とそれぞれ接続される１又は複数の注入孔と、複数の前記ジェット配管部材とそれぞれ接続される複数の吐出孔とを有し、前記杭の施工中、前記内部空間が高圧流体で充填された状態に維持されつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体が注入されかつ複数の前記吐出孔の各々から高圧流体が吐出される集合装置の設計方法であって、
予め、複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ及び前記高圧流体の動粘性係数νのパラメータのうち１又は複数をそれぞれ変化させた場合に、各場合について、各吐出量の総和をＱとして、複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量をそれぞれ算出し、
複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の所定の割合以下となるように、次式のα、β及びδを設定し、
複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすように設計することを特徴とする。

本発明の杭の施工方法では、高圧流体送出装置とジェット配管部材の間に集合装置が設けられている。本発明の集合装置は、その複数の吐出孔の各々からほぼ均等な吐出量にて高圧流体をそれぞれ吐出するように設計されている。その結果、高圧流体が流動性固化材である場合は、欠損や偏りのない均一なグラウトを生成することができ、杭が所要の支持力を発揮できる。高圧流体が水である場合は、均等な打ち込みを行うことができる。

図１は、杭の施工方法を実施するための施工システムの例を概略的に示す斜視図である。 図２は、図１に示した施工システムにおける配管構成を概略的に示す図である。 図３（ａ）は、図２に示した集合装置の一例を概略的に示す平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図、（ｄ）は集合装置の別の例の縦断面図である。 図４（ａ）は、集合装置の適正条件を説明するための概略的な縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 図５は、表１のシミュレーションに基づくグラフである。 図６は、表２のシミュレーションに基づくグラフである。 図７（ａ）〜（ｈ）は、本発明の杭の施工方法の第１の実施形態における各工程を概略的に示す図である。 図８（ａ）は、鋼管杭の先端近傍におけるジェット配管部材の構成例の概略的な斜視図であり、（ｂ）は底面図である。 図９は、図１に示した杭の施工方法における施工管理方法の一例を概略的に示す図である。 図１０は、流動性固化材の設計注入量を計算するための模式図であって、（ａ）は杭及びその周囲の縦断面図であり、（ｂ）は横断面図である。 図１１（ａ）〜（ｇ）は、本発明の杭の施工方法の第２の実施形態における各工程を概略的に示す図である。 図１２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の杭の施工方法の第３の実施形態における各工程を概略的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（１）施工システムの構成
ここでは、鋼管杭を海底の地盤に鉛直方向に打ち込むための海上での施工を例として本発明による杭の施工方法を説明する。しかしながら、本発明は、陸上での施工にも適用可能である。また、杭は、鋼管杭以外の杭でもよく、例えば鋼管矢板、鋼矢板等である。さらに、打ち込み方向は傾斜していてもよい。

図１は、杭の施工方法を実施するための施工システムの一例を概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示した施工システムにおける配管構成の一例を模式的に示す図である。

施工システムは、起重機船１０の上に設置されている。ここでは、流動性固化材をセメントミルクとする。セメントサイロ１１に貯留されたセメントと、水タンク１３に貯留された水をそれぞれポンプにより１又は複数のミキシングプラント１２に圧送し、ミキシングプラント１２において、水とセメントを混練することによりセメントミルクが調製される。

セメントミルクにおける水とセメントの重量比率である水セメント比（Ｗ／Ｃ％）は、杭の用途及び地盤条件により適宜設定される。水セメント比は、例えば５０〜１５０％の範囲が一般的である。セメントミルクには、必要に応じて、減水、凝結遅延、膨張、水中不分離等に関係する添加材が添加される。

ミキシングプラント１２で生成されたセメントミルクは、図２に示すように、切替装置１８Ａを介してポンプ（図示せず）により１又は複数の高圧流体送出装置１４へ供給可能である。高圧流体送出装置１４が吸引機能を有する場合は、ミキシングプラント１２と高圧流体送出装置１４の間のポンプは不要である。

一方、海から取水して水タンク１３に貯留された水は、切替装置１８Ａを介してポンプにより１又は複数の高圧流体送出装置１４へ供給可能である。高圧流体送出装置１４が吸引機能を有する場合は、水タンク１３と高圧流体送出装置１４の間のポンプは不要である。

１又は複数の高圧流体送出装置１４の各々は、切替装置１８Ａの切り替えによりセメントミルク又は水のいずれかを供給される。各高圧流体送出装置１４は、供給されたセメントミルク又は水を高圧にて送出することができる。各高圧流体送出装置１４の送出口には、それぞれ流量計１９が取り付けられている。

さらに、１又は複数の高圧流体送出装置１４の送出口は、第２の切替装置１８Ｂの１又は複数の入力ポートにそれぞれ接続されている。第２の切替装置１８Ｂの１又は複数の出力ポートは、１又は複数の高圧ホース１５を介して集合装置１６の１又は複数の注入孔とそれぞれ接続されている。第２の切替装置１８Ｂの切り替えにより、各高圧流体送出装置１４から集合装置１６の各注入孔へ、セメントミルク又は水を送出又は停止することができる。

１又は複数の高圧流体送出装置１４から送出されたセメントミルク又は水は、一旦、１つの集合装置１６に集合させられる。その後、セメントミルク又は水は、集合装置１６の複数の吐出孔にそれぞれ接続された複数の高圧ホース１７を介して複数のジェット配管部材へ圧送される。

複数のジェット配管部材は、鋼管杭１に取り付けられている。複数のジェット配管部材は、複数の導通管９と、各導通管９の先端に接続された集約管８と、各集約管８における分岐した各先端にそれぞれ接続された噴射ノズル７とから構成されている。別の例として、複数のジェット配管部材は、複数の導通管９と、各導通管９の先端に接続された噴射ノズル７とから構成されることもできる。いずれの場合も、鋼管杭１の先端近傍に複数の噴射ノズル７が周方向に配置される。複数の噴射ノズル７は、例えば、周方向に６０°、９０°、１２０°、１８０°毎に配置することができる。

なお、海水に塵等の浮遊物がない場合は水タンク１３を省略してもよい。ミキシングプラント１２及び高圧流体送出装置１４の台数は、施工条件等から必要に応じて決定される。バイブロハンマ２はクレーンにより吊下されている。図１の例では電動式であるバイブロハンマ２を駆動するために発動発電機２０が設けられ、操作ユニット２１により操作される。陸上施工の場合、これらの装置は全て作業ヤードに設置される。

（２）集合装置の構成及び設計方法
＜集合装置の基本構成＞
図３及び図４を参照して図１及び図２に示した集合装置１６について説明する。図３（ａ）は、図２に示した集合装置１６の一例の概略的な平面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図、（ｃ）は横断面図である。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、集合装置１６は、略円筒体の筐体１６ａを有する。筐体１６ａは、円筒状の内部空間を有する。筐体１６ａの軸を挟んで一方の周面に１又は複数の注入孔１６ｂが、他方の周面に複数の吐出孔１６ｃが、軸と平行な方向に所定の間隔で設けられている。注入孔１６ｂ及び吐出孔１６ｃには、例えば、高圧ホース１５、１７を着脱可能に接続するためのカプラーが設けられる。注入孔１６ｂと吐出孔１６ｃがいずれも複数の場合、それらは同数であっても異なる数であってもよい。

使用中の集合装置１６は、高圧流体が１又は複数の注入孔１６ｂから流入しかつ複数の吐出孔１６ｃから流出する一方、内部空間全体が高圧流体によって充填された状態に維持される。集合装置１６は、１又は複数の注入孔１６ｂからの高圧流体の注入量に関わらず、複数の吐出孔１６ｃの各々から流出される高圧流体の吐出量がほぼ均等となるように設計されることが好適である。

複数の注入孔１６ｂの各々からの注入量にばらつきがある場合、例えば複数の注入孔１６ｂのうち一部の注入量が零となる場合（例えば、図２の一部の高圧流体送出装置１４を停止した場合）、高圧流体の全注入量が極度に絞られた場合（例えば、全ての高圧流体送出装置１４をアイドリング状態とした場合）であっても、集合装置１６の効果によって各吐出孔１６ｃからの高圧流体の吐出量がほぼ均等化される。

図３（ｄ）は、集合装置１６の別の例を示す。図３（ｄ）の集合装置１６は、内部空間に整流板１６ｅを配置することにより、高圧流体を蛇行させて均一な流れに整流する。これにより、各吐出孔１６ｃからの吐出量が安定化される。さらに整流機能を高めるために、内部空間に１又は複数の振動機１６ｄ及び／又は１又は複数の攪拌機１６ｆを配置してもよい。図３（ｄ）には、整流板１６ｅ、振動機１６ｄ及び攪拌機１６ｆを全て示しているが、これらのうちの１つ又は複数を組み合わせて配置することができる。

＜集合装置の適正条件：吐出孔５個の場合＞
図４を参照して、集合装置の各吐出孔における吐出量の均等化を実現するための集合装置の適正条件について説明する。具体的には、集合装置の各吐出孔からそれぞれ吐出される高圧流体の吐出量の差が、所定の範囲内に収まるために集合装置に求められる条件を導出する。

図４（ａ）は、集合装置の一例における軸に沿った概略的な断面図、（ｂ）は軸に垂直な方向の断面図である。集合装置１６の円筒状の内部空間の直径はｄ（以下「内径ｄ」と称する）である。ここでは一例として、集合装置１６が、３個の注入孔Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３と、５個の吐出孔Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５とを備えている。吐出孔Ａ１〜Ａ５は、同じ内径ｄｏを有する。注入孔Ｉ１〜Ｉ３及び吐出孔Ａ１〜Ａ５は、一例として等間隔に配置されている。吐出孔Ａ１〜Ａ５の間隔はＬである。但し、この例では、両端の吐出孔Ａ１、Ａ５と筐体１６ａの両端壁との距離はＬ／２である。一例として、注入孔Ｉ１は吐出孔Ａ１とＡ２の中間に対応する位置に、注入孔Ｉ２は吐出孔Ａ３の向かい側に、注入孔Ｉ３は吐出孔Ａ４とＡ５の中間に対応する位置にそれぞれ配置されている。

図４の例において、集合装置１６の使用中に５個の吐出孔Ａ１〜Ａ５からそれぞれ吐出される高圧流体の吐出量のばらつきが、所定の範囲内に収まるための条件を導出する。図４の例において最悪条件を想定し、最も端に位置する注入孔Ｉ１のみから注入量Ｑｉで高圧流体が注入され、注入孔Ｉ２、Ｉ３は閉じているものとする。また、５個の吐出孔Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５からそれぞれ吐出される各高圧流体の圧力をＰ１、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とし、各吐出量をＱ１、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とする。吐出孔Ａ１及びＡ２は、注入孔Ｉ１に対して同条件の位置にあることから、圧力及び吐出量が等しいと想定している。各吐出量の総和をＱとする。なお、注入孔Ｉ１と吐出孔Ａ１との距離及び位置関係と、注入孔Ｉ１と吐出孔Ａ２との距離及び位置関係とは、全く同じである。このため、吐出孔Ａ１から吐出される高圧流体の圧力Ｐ１及び吐出量Ｑ１は、吐出孔Ａ２のそれらとそれぞれ同じ値となる。

この例において各吐出孔からの吐出量にばらつきがある場合、注入孔Ｉ１に最も近い吐出孔Ａ１、Ａ２からの吐出量Ｑ１が最大吐出量となり、最も遠い吐出孔Ａ５からの吐出量Ｑ４が最小吐出量となるはずである。ここで、吐出量のばらつきを、次式のように、最大吐出量Ｑ１と最小吐出量Ｑ４の差の最大吐出量Ｑ１に対する割合Ｒ（％）として定義し、「吐出量差Ｒ」と称する。
Ｒ（％）＝（（Ｑ１−Ｑ４）／Ｑ１）×１００

以下の手順により、吐出量差Ｒが例えば５％以下となるような集合装置の適正条件を求めることができる。

先ず、式［１］、式［２］及び式［３］を用いて、５個の吐出孔の各々からの吐出量Ｑ１、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を算出する。

式［１］は、各吐出孔における圧力と吐出量の関係式である。式［２］は隣り合う吐出孔間の圧力の関係式である（「水理学」（第２版）植松時雄著、Ｐ.５２より）。式［３］は、式［２］のｖを表す式である。

式［１］、式［２］及び式［３］中の各パラメータは以下の物理量を表す。括弧内は単位を表す。
Ｑk：吐出孔の吐出量（ｍ^３／ｓｅｃ）（ｋ＝１，２，３，４）
Ｑk’：吐出孔の吐出量の部分和（ｍ^３／ｓｅｃ）
Λ：吐出孔の流量係数
ｄｏ：吐出孔の内径（ｍ）
Ｐk：吐出孔における圧力（ｋＮ／ｍ^２）（ｋ＝１，２，３，４）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ^２）
γ：セメントミルクの単位体積重量（ｋＮ／ｍ^３）
Ｌ：隣り合う２つの吐出孔間隔（ｍ）
ν：セメントミルクの動粘性係数（ｍ^２／ｓｅｃ）
ｄ：集合装置の内径（ｍ）
ｖ：集合装置内の平均流速（ｍ／ｓｅｃ）
ｈ：摩擦損失水頭（ｍ）
吐出孔の流量係数Λは、吐出孔の形状等により変わる係数であり、一般に実験的に求められる０．５〜２程度の無次元数である。

５個の吐出孔Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５の吐出量Ｑ１、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を以下の手順（i）〜（vi）により算出する。
（i）先ず、吐出孔Ａ５の吐出量Ｑ４を変数と想定し、式［１］（ｋ＝４とする）から圧力Ｐ４を求める。これによりＰ４がＱ４の関数で表される。
（ii）次に、（i）で求めたＰ４並びに式［２］及び式［３］を用いて、吐出孔Ａ４の圧力Ｐ３を求める。このとき式［２］のＰk-1−ＰkはＰ３−Ｐ４とし、式［３］のＱk’はＱ４とする。これによりＰ３がＱ４の関数で表される。Ｐ３が求められれば、式［１］によりＱ３が求められる。これによりＱ３がＱ４の関数で表される。
（iii）次に、（ii）で求めたＰ３並びに式［２］及び式［３］を用いて、吐出孔Ａ３の圧力Ｐ２を求める。このとき式［２］のＰk-1−ＰkはＰ２−Ｐ３とし、式［３］のＱk’はＱ３＋Ｑ４とする。これによりＰ２がＱ４の関数で表される。Ｐ２が求められれば、式［１］によりＱ２が求められる。これによりＱ２がＱ４の関数で表される。
（iv）次に、（iii）で求めたＰ２並びに式［２］及び式［３］を用いて、吐出孔Ａ２の圧力Ｐ１を求める。このとき式［２］のＰk-1−ＰkはＰ１−Ｐ２とし、式［３］のＱk’はＱ２＋Ｑ３＋Ｑ４とする。これによりＰ１がＱ４の関数で表される。Ｐ１が求められれば、式［１］によりＱ１が求められる。これによりＱ１がＱ４の関数で表される。
（v）各吐出孔Ａ１〜Ａ５からの吐出量の総和Ｑは、Ｑ＝２Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４と表される。総吐出量Ｑは、注入孔Ｉ１からの注入量Ｑｉと等しく、注入量Ｑｉの値は、以下の式［４］から算出される。Ｑ１、Ｑ２及びＱ３に上記（ii）〜（iv）の結果を代入し、収束計算によりＱ４の値を求める。
（vi）最後に、（v）で求めたＱ４の値及び上記（ii）〜（iv）の結果からＱ１、Ｑ２、Ｑ３の値が算出される。

注入量Ｑｉは、通常は１台の高圧流体送出装置の最大吐出流量に相当するため、上記（v）における注入量Ｑｉ（ｍ^３／ｓｅｃ）は、通常は以下の式［４］で求められる。この場合、式［４］の理論最大吐出量Ｑｏは、使用する高圧流体送出装置の仕様により決まる。注入量Ｑｉは、使用するセメントミルクの単位体積重量γにより変わる。高圧流体送出装置は、例えば、水又はセメントミルクの圧送が可能なウォータージェットカッター（例えば調和工業株式会社製CJ-340ERS、理論最大吐出量９００リットル／ｍｉｎ）である。複数の高圧流体送出装置から注入される場合は、式［４］の右辺にさらに台数を乗算する。

式［４］の各パラメータは、次の物理量を表す。
Ｑｉ：注入量（ｍ^３）
γ_ｗ：水の単位体積重量（ｋＮ／ｍ^３）
γ：セメントミルクの単位体積重量（ｋＮ／ｍ^３）
Ｑｏ：理論最大吐出量（ｍ^３／ｍｉｎ）

表１は、集合装置の内径ｄ、吐出孔の内径ｄｏ、吐出孔の流量係数Λ及び吐出孔間隔Ｌの各パラメータの数値をそれぞれ適宜変化させたケース１〜７の各々について、上記（i）〜（vi）の手順によりＱ１〜Ｑ４を求めたシミュレーション結果をまとめた表である。セメントミルクの単位体積重量γ及び動粘性係数νは、Ｗ／Ｃを６５％として算出した。セメントミルクの単位体積重量γの変化は、式［１］から各吐出孔の吐出量に影響するが、吐出量差Ｒには影響しない。

表１には、最大吐出量Ｑ１に対する他の吐出量Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の割合が表示されている（表の下３段）。表１に示すように、ケース１〜５では、５個の吐出孔Ａ１〜Ａ５からの吐出量差Ｒが５％である。同様の計算により、ケース６では吐出量差Ｒが０．５％、ケース７では吐出量差Ｒが１５％となる。

このとき、ケース１〜５について、それぞれ（√Λ×ｄｏ／ｄ）^４／（Ｑ／νＬ）を算出すると、一定値９×１０^−５になる（表１の下から４段目）。（√Λ×ｄｏ／ｄ）^４／（Ｑ／νＬ）は無次元量であり、これを集合装置の「形状パラメータＧ」と称する。同様の計算により、ケース６では形状パラメータＧが８．０×１０^−６、ケース７では形状パラメータＧが３．０×１０^−４となる。

この結果から、図４の例において、５個の吐出孔Ａ１〜Ａ５からの吐出量差Ｒが５％以下となる適正条件が、以下の式［５］ように導出される。式［５］において等号が成立するときが、吐出量差Ｒが５％のときに相当する。

図５は、表１のシミュレーションに基づいて作成したグラフである。このグラフは、横軸を√Λ×ｄｏ／ｄとし、縦軸をＱ／νＬとしている。ケース１〜５の各数値は、１つの四次曲線上にプロットされる。

図４に示した集合装置の設計において、√Λ×ｄｏ／ｄとＱ／νＬの関係が、図５の四次曲線より上の領域に位置する集合装置（例えば表１のケース６）であれば、吐出量差Ｒを５％以下とすることができる。一方、√Λ×ｄｏ／ｄとＱ／νＬの関係が、図５の四次曲線より下の領域に位置する集合装置（例えば表１のケース７）は、吐出量差Ｒが５％を超えることになる。

図４に示した５個の吐出孔Ａ１〜Ａ５を有する集合装置において、吐出量差Ｒを５％以外の一定の値に設定する場合、その吐出量差Ｒの値に応じて、式［５］の右辺の定数すなわち形状パラメータＧの値が決定される。形状パラメータＧの値は、実験によっても導出することができる。

式［５］の適正条件を充たす限り、集合装置に関するパラメータｄ、ｄｏ、Λ、Ｌ、セメントミルクに関するパラメータν及び高圧流体送出装置に関するパラメータＱを自由に組合せることができる。一例として、表１のケース１では、内径ｄが１２０ｍｍ、吐出孔の内径ｄｏが４５ｍｍ、吐出孔の流量係数Λが１、吐出孔間隔Ｌが２００ｍｍ、動粘性係数νが３．３×１０^−４ｍ^２／ｓｅｃ、総吐出量Ｑが１．４×１０^−２ｍ^３／ｓｅｃである。また、集合装置の軸方向長さは、例えば１０００ｍｍ、注入孔の内径は例えば４５ｍｍとすることができるが、これらに限られない。

なお、図４に示した例では、集合装置の端に位置する注入孔Ｉ１のみから高圧流体が注入されることを想定した。高圧流体が中央の注入孔Ｉ２から注入される場合、吐出量差Ｒは、端に位置する注入孔Ｉ１から注入される場合よりも当然に小さくなると考えられる。また反対側の端の注入孔Ｉ３については、注入孔Ｉ１と同じ条件となる。従って、高圧流体が注入孔Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のうち１又は複数個のいずれの組合せで注入される場合も、吐出量差Ｒを５％以内とする適正条件は、式［５］で包括されることになる。

＜集合装置の適正条件：吐出孔ｎ個の場合＞
次に、吐出孔の数を５個以外に拡張した場合の集合装置の適正条件について説明する。図４の例において、ｎ個の吐出孔Ａ１〜Ａｎが配置されている場合を想定し、図４の例と同様に注入孔Ｉ１のみから注入量Ｑｉのセメントミルクが注入される最悪条件を想定した。

表２は、吐出孔の数ｎを３個〜１０個のいずれかに設定し、表１のシミュレーションと同様に、集合装置の内径ｄ、吐出孔の内径ｄｏ、吐出孔の流量係数Λ、吐出孔間隔Ｌ及び動粘性係数νの各パラメータの数値を変化させたケース１〜１０についてのシミュレーション結果をまとめた表である。ここでも、上述した（i）〜（vi）と同様の手順を用いて、各吐出孔Ａ１〜Ａｎの吐出量Ｑ１〜Ｑｎ−１（吐出孔Ａ１とＡ２の吐出量はＱ１）をそれぞれ求めている。セメントミルクの単位体積重量γ及び動粘性係数νは、Ｗ／Ｃを６５％として算出した。

表２には、最大吐出量Ｑ１に対する他の吐出量Ｑ２〜Ｑｎ−１の割合が表示されている（表の下８段）。ここでも、吐出量のばらつきを、次式のように、最大吐出量Ｑ１と最小吐出量Ｑｎ−１の差の最大吐出量Ｑ１に対する割合Ｒ（％）として定義し、「吐出量差Ｒ」と称する。
Ｒ（％）＝（（Ｑ１−Ｑｎ−１）／Ｑ１）×１００

表２のケース１〜８は、吐出量差Ｒが５％である。同様の計算により、ケース９では吐出量差Ｒが０．６５％、ケース１０では吐出量差Ｒが３２％である。

ここで、吐出量差Ｒが所定の値以下となるモデル式を式［６］のように設定した。式［６］の左辺は形状パラメータＧである。吐出量差Ｒを所定の値とする場合、その吐出量差Ｒの値に応じて、式［６］の右辺が一定値となるように一組のα、β、δを決定できる。例えば吐出量差Ｒが５％のとき、一組のα、β、δを一意に決定できる。

吐出量差Ｒが５％となるケース１〜８について、α、β、δを次のように決定した。吐出孔の数ｎ、集合装置の内径ｄ、吐出孔の内径ｄｏ、吐出孔の流量係数Λ、吐出孔間隔Ｌ及び動粘性係数νの各パラメータの値を変化させたときの、式［６］の左辺の形状パラメータＧの算出結果は、表２に記載の通りである。

次に、形状パラメータＧに（ｎ−α）^βを掛けた値であるδの変動を最小とするようにα、βを収束計算で求めた。表２のケース１〜８については、α＝１．５、β＝３と決定された。このα、βの値を用いてδを再計算により求め、δ＝０．００３９と決定された。従って、吐出量差Ｒが５％以下となる集合装置の適正条件は、式［７］のように表される。

図６は、表２のシミュレーションに基づいて作成したグラフである。このグラフは、横軸が吐出孔の数ｎ、縦軸が形状パラメータＧすなわち（√Λ×ｄｏ／ｄ）^４／（Ｑ／νＬ）である。ケース１〜８の各数値は、１つの曲線上にプロットされる。

吐出孔の数ｎに対する形状パラメータＧの値が、図６の曲線より下の領域に位置する集合装置（例えば表２のケース９）であれば、吐出量差Ｒが５％以下となる。一方、吐出孔の数ｎに対する形状パラメータＧの値が、図６の曲線より上の領域に位置する集合装置（例えば表２のケース１０）は、吐出量差Ｒが５％以上となる。

ｎ個の吐出孔を有する集合装置において、吐出量差Ｒを５％以外の値に設定する場合、その吐出量差Ｒの値に応じて、式［６］の右辺のα、β、δの一組の値を決定する。式［６］を充たす限り、集合装置に関するパラメータｎ、ｄ、ｄｏ、Λ、Ｌ、セメントミルクに関するパラメータν及び高圧流体送出装置に関するパラメータＱを自由に組合せることができる。但し、吐出孔の数ｎは、３〜１０個の範囲が好適である。

集合装置の設計は、施工前に予め行われる。許容可能な吐出量差Ｒを実現する集合装置の具体的な設計は、例えば以下の手順Ｉ）〜IV）のように行う。
Ｉ）施工に使用する高圧流体送出装置を決定することにより、式［４］より注入量Ｑｉが決定され、同時にシミュレーションに用いる総吐出量Ｑが決まる。また、施工に使用するセメントミルクのＷ／Ｃ％(最悪条件として最も小さい値を採用）を決定することにより、シミュレーションに用いる単位体積重量γ及び動粘性係数νが決まる。
II）シミュレーションのために、集合装置の吐出孔の数ｎ、内径ｄ、吐出孔の内径ｄｏ、吐出孔の流量係数Λ及び吐出孔間隔Ｌの各パラメータを適宜の値とする複数の組合せと、上記Ｉ）の総吐出量Ｑ、単位体積重量γ及び動粘性係数νの値とを用い、上述した（i）〜（vi）と同様の手順を実行することにより、各吐出孔の吐出量それぞれ求める。
III)得られた各吐出孔の吐出量に基づいて、パラメータの複数の組合せの各々について吐出量差Ｒを算出する。それらの結果から、許容可能な吐出量差Ｒに一致する複数の組合せを抽出する。
IV)抽出された複数の組合せの各々について形状パラメータＧを算出する。式［６］を用いて、等号の場合のδであるＧ×（ｎ−α）^βの変動が最小となるようなα、βの組合せを求める。得られたα、βを基に改めてδを求める。これにより例えば、許容可能な吐出量差Ｒが５％の場合は、適正条件の式［７］が得られる。
V）上記IV)で得られた、例えば式［７］を充足する範囲内で、実際に使用する集合装置の吐出孔の数ｎ、内径ｄ、吐出孔の内径ｄｏ、吐出孔の流量係数Λ及び吐出孔間隔Ｌを設定する。なお、吐出孔の流量係数Λは吐出孔の形状等により決まる物理定数であるため、実験又は既往の研究成果より求めることができる。

一例として、吐出量差Ｒを５％以下とした場合、例えば表２において式［７］を充足するケース３は、吐出孔の数ｎが５個、内径ｄが１５０ｍｍ、吐出孔の内径ｄｏが７０ｍｍ、吐出孔の流量係数Λが０．７３５、吐出孔間隔Ｌが４００ｍｍ、動粘性係数νが３．３×１０^−４ｍ^２／ｓｅｃ、総吐出量Ｑが３．７×１０^−２ｍ^３／ｓｅｃである。このときの形状パラメータＧは、９．２×１０^−５である。また、集合装置の軸方向長さは、例えば２０００ｍｍ、注入孔の内径は例えば７０ｍｍとすることができるが、これらに限られない。

実際の杭の施工においては、集合装置の複数の吐出孔から吐出される高圧流体の総吐出量は、各施工段階に従って制御されることにより変動するが、各吐出孔の吐出量差は、集合装置の設計で用いられた許容可能な吐出量差Ｒ以下となる。

集合装置のさらに別の実施形態として、１つの施工システムにおいて複数の集合装置を設けることができる。この場合、各集合装置について上記の適正条件を充たすように設計する。それにより、少なくとも各集合装置においては、複数の吐出孔から高圧流体を均等な吐出量で送出することが確保される。

上述した集合装置の適正条件は、高圧流体がセメントミルクである場合について説明したが、高圧流体が水の場合も同様に適用される。
上述した集合装置を含む施工システムを用いた本発明による杭の施工方法の各実施形態を以下に説明する。

（３）杭の施工方法の第１の実施形態
図７（ａ）〜（ｈ）は、杭の施工方法の第１の実施形態における各工程を概略的に示す図である。

＜準備工程＞
図７（ａ）は準備工程を示す。打設対象の杭は、ここでは鋼管杭１である。打ち込み対象地盤は、下層側に位置する支持層Ｇ１と、支持層界面Ｄ０から地表（本例では海底）までの間に存在する所定の地盤Ｇ２とからなる。鋼管杭１の上端にはバイブロハンマ２が取り付けられる。鋼管杭１の周囲には、一例として、複数の導通管９と、各導通管９の下端に接続される集約管８と、集約管８の分岐した先端にそれぞれ接続される複数の噴射ノズル７とから構成されるジェット配管部材が取り付けられる。各導通管９の上端には、着脱可能な高圧ホース１７がカプラーを介してそれぞれ接続されている。高圧ホース１７を通して、導通管９に水又は流動性固化材を圧送可能である。

図８（ａ）は、鋼管杭１の先端近傍におけるジェット配管部材の構成例を概略的に示す斜視図であり、（ｂ）は底面図である。図示の例では、鋼管杭１に２組のジェット配管部材が取り付けられている。水又は流動性固化材は、導通管９を通って集約管８により分流され、各噴射ノズル７から噴射される。導通管９の本数、集約管８の分岐の数すなわち噴射ノズル７の数は、図示の例に限定されない。

第１の実施形態の施工方法では、ジェット配管部材を鋼管杭１から取り外す必要がないため、ジェット配管部材の、特に噴射ノズルの鋼管杭１への取り付けに関して詳細な設計は不要であり、所要の強度が確保できれば簡易かつ低コストの手段で取り付けることができる。

＜打設工程＞
図７（ｂ）（ｃ）は、準備工程に続く打設工程を示している。図７（ｂ）に示すように、打設工程はウォータージェットを用いたＪＶ工法により行う。すなわち、噴射ノズル７から打ち込み方向に水（符号Ｗで示す）を噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えることにより、鋼管杭１を杭先端の地盤に対して打ち込む。

打ち込みにおいて水を用いることには、幾つかの利点がある。まず、水は流動性固化材に比べて比重が軽いので、吐出量を、高圧流体送出装置の最大吐出能力程度に高く維持することが可能である。従って、地盤を緩め切削する効果が大きい。一方、流動性固化材を打ち込みに用いた場合、長時間のジェット噴射が必要となる結果、大量の流動性固化材を使用することになり不経済となる。水は、現場近傍の河川や海等から自由に調達できる場合が多いが、流動性固化材は調製量に限界があるため、打ち込みに用いた場合に流動性固化材の不足が起こり得る。

従って、鋼管杭１の初期打ち込みにおいては、バイブロハンマ２による打ち込みを助けるため、噴射ノズル７からできるだけ高圧のウォータージェットを噴射することが、好適である。

バイブロハンマ２は、起振機とチャック装置を有し、チャック装置により鋼管杭１の上端を把持する。起振機は、電動モータにより偏心重錘を回転させることにより鋼管杭１の軸方向の振動を発生する。起振機の電動モータ出力は例えば３０〜５００ｋＷ、振動周波数は例えば１０〜６０Ｈｚである。大型杭の場合は、複数のバイブロハンマを連動させてもよい。

図７（ｃ）に示すように、鋼管杭１は、その先端が所定の第１の設計深度Ｄ１１に到達するまで打ち込まれる。第１の設計深度Ｄ１１は、支持層界面Ｄ０よりも所定の距離（例えば杭１の直径の２倍程度）だけ深い位置とすることができる。

ここで図９を参照する。図９は、杭の施工方法における施工管理方法の一例を概略的に示す図である。施工システムには施工管理システムが組み込まれている。施工管理装置２６が中心的役割を担い、計測装置等の各機器からデータを収集し制御を行う。施工管理装置２６は、所定のプログラムを導入されたコンピュータ、好適にはパーソナルコンピュータにより実施可能である。

施工管理装置２６は、有線及び／又は無線の通信機能を備えている。本例は海上施工であるので、起重機船１０上の機器との間は無線にて通信を行っている。陸上における各機器との通信は、有線又は無線のいずれでもよい。

施工管理装置２６は、高圧流体送出装置１４の送出口に設けた流量計１９から水の流量データを連続的に受信する。また、バイブロハンマ２に取り付けたプリズム２５と、それを追尾するトータルステーション２４により鋼管杭１の鉛直高さが計測される。施工管理装置２６は、計測された鉛直高さデータをトータルステーション２４から連続的に受信する。

施工管理装置２６は、水の流量データと鋼管杭１の鉛直高さデータを、予め記憶された施工計画データと比較することにより、杭の打ち込み速度や水の吐出量を調節するための制御情報を生成する。これにより、打ち込み中、リアルタイムでの施工管理が可能となる。例えば、計測データ及び／又は制御情報は、施工管理装置２６からクレーン２２の操作室のモニター２３に送信される。

施工管理装置２６は、鋼管杭１の鉛直高さデータに基づいて、鋼管杭１の打ち込み停止位置である第１の設計深度Ｄ１１を判定する。図７（ｃ）に示す第１の設計深度Ｄ１１に鋼管杭１が到達したならば、ウォータージェットの流量を、アイドリング流量まで下げて、打ち込みを停止する。アイドリング流量は、機械の性能上、安定して吐出可能な最低流量である。ウォータージェットを停止しないことにより、周辺地盤の土粒子の逆流による噴射ノズルの閉塞を防止できる。噴射ノズルに逆止弁等の逆流防止装置が装備されていれば、ウォータージェットを停止してもよい。また、ウォータージェットを停止し、打ち込みを停止する。バイブロハンマ２は、停止してもよいが、次の引上工程のために稼動させたままでもよい。

本実施例の打設工程においては、流動性固化材を用いず、水を噴射しながらバイブロハンマによる振動を与えて杭を打ち込むことで、杭打ち込み中のジェットの吐出量を最大吐出能力程度に高く保ち続けることが可能である。従って、杭の打ち込み中に流動性固化材を噴射する場合に生じる種々の問題を生じない。

＜引上工程＞
続いて、図７（ｄ）（ｅ）の引上工程を行う。引上工程は、ＪＶ工法又はバイブロハンマ単独工法のいずれを用いて行ってもよい。鋼管杭１の先端が第２の設計深度Ｄ１２に到達するまで、クレーンにより鋼管杭１を引き上げる。第２の設計深度Ｄ１２は、後述するグラウト処理工程における杭周面グラウトの上端として予定されている深度であり、設計上別途定められている。

引上工程においてＪＶ工法を用いる場合は、ウォータージェットを噴射しながらバイブロハンマによる振動を与えて鋼管杭１を引き上げる。引上工程においてウォータージェットを併用する主たる目的は、上述した通り噴射ノズルの閉塞防止である。噴射ノズルの閉塞防止のための水の吐出量は必要最小限でよく、打設時に比べて少量とする。なお、噴射ノズルに逆流防止装置が装備されていれば、バイブロハンマ単独工法を用いて引上工程を行うことができる。

図９の施工管理装置２６は、鋼管杭１の鉛直高さのデータに基づいて、鋼管杭１の引き上げ停止位置である第２の設計深度Ｄ１２を判定する。鋼管杭１が、引き上げ停止位置に到達したならば、引き上げを停止する。

＜グラウト処理工程＞
続いて、図７（ｆ）（ｇ）のグラウト処理工程を行う。鋼管杭１が、引上工程の引き上げ停止位置に到達したならば、水を流動性固化材（符号Ｃで示す）に切り替える。ここでは流動性固化材としてセメントミルクを用いる。セメントミルクの水セメント比は、例えば５０〜１５０％の範囲で必要に応じて設定される。そして、流動性固化材を噴射ノズル７の先端から噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えて、鋼管杭１を打止め深度である第３の設計深度Ｄ１３まで打ち込む。流動性固化材が固化することにより杭周面グラウトが形成される。第３の設計深度Ｄ１３は、支持層Ｇ１内にあり、第１の設計深度Ｄ１１とほぼ同じ位置、それより若干深い位置、又はそれより若干浅い位置でもよい。例えば、第３の設計深度Ｄ１３は、支持層界面Ｄ０よりも、例えば杭１の直径の１倍程度だけ深い位置とすることができる。

グラウト処理工程は、一度杭が打ち込まれた地盤に再度打ち込む工程であるため、地盤が緩められているとともに障害物も排除されているので、グラウト処理工程で杭が打設不能となる事態を生じない。

鋼管杭１の再打ち込み中は、グラウト処理のために鋼管杭１の先端深度毎に必要量の流動性固化材を噴射ノズル７から注入する。鋼管杭１の再打ち込み速度は、流動性固化材注入時におけるバイブロハンマ２の打ち込み能力以上には速くできない。従って、図２に示した高圧流体送出装置１４の回転数を下げ、アイドリング状態で運転したとしても、流動性固化材を必要以上に注入することとなり、不経済になるおそれがある。このようなとき、図２に示すように高圧流体送出装置が複数台あれば、その一部を停止することが好適である。杭の打ち込み速度と流動性固化材の必要注入量との兼ね合いにより、必要に応じて高圧流体送出装置の一部を停止して流動性固化材の注入量を適正に保ち、経済化を図ることが可能である。

上述した通り、本システムでは１又は複数の高圧流体送出装置と複数の導通管との間に、図３に示した集合装置１６が配置されている。従って、全ての高圧流体送出装置をアイドリング状態で運転したり、一部の高圧流体送出装置を停止させたりした場合であっても、集合装置１６の吐出量均等化機能により各高圧ホースに流動性固化材を均等に吐出することができる。その結果、各噴射ノズルから流動性固化材が均等に噴射されることによって、欠損や偏りのない均一な杭周面グラウトが形成され、杭における所要の周面摩擦力を発揮することができる。

グラウト処理工程では、打設工程で一度打ち込まれた地盤に鋼管杭１が再度打ち込まれるため、地盤中の礫塊等の障害物は既に排除されている。従って、流動性固化材注入による打ち込みであっても、鋼管杭１が礫塊等の障害物によって打ち込み困難になる事態を回避できる。

グラウト処理工程では、バイブロハンマ２による振動が、鋼管杭１及び周辺地盤に与えられている。従って、周辺地盤が砂質土の場合には、注入された流動性固化材が砂質土の間隙に浸透し易くなる。また、周辺地盤が粘性土の場合には、バイブロハンマの振動によって鋼管杭１と地盤に隙間が形成され、その隙間に流動性固化材が浸透し易くなる。その結果、鋼管杭１の外周面とその周囲の土層の間に摩擦力の大きなグラウト層が均一に形成される。これにより、鋼管杭１の支持力を効果的に高めることができる。

図９に示した施工管理装置２６は、高圧流体送出装置１４の送出口に設けた流量計１９から流動性固化材の吐出量のデータを連続的に受信する。また、バイブロハンマ２に取り付けたプリズム２５とトータルステーション２４により鋼管杭１の鉛直高さが計測され、施工管理装置２６はそのデータをトータルステーション２４から連続的に受信する。

施工管理装置２６は、流動性固化材の吐出量と鋼管杭１の鉛直高さの各データを併せて、予め記憶されている施工計画データと比較して杭の打ち込み速度や流動性固化材の吐出量を調節するための制御情報を生成する。これにより、杭周面のグラウト処理をリアルタイムで施工管理することできる。

施工管理装置２６は、鋼管杭１の鉛直高さのデータに基づいて、鋼管杭１の打ち込み停止位置である第３の設計深度Ｄ１３を判定する。図７（ｇ）に示す打止め深度Ｄ１３に鋼管杭１が到達したならば、バイブロハンマ２と流動性固化材注入を停止し、打ち込みを完了する。

杭周面グラウト処理の施工管理は、鋼管杭１の先端深度毎の流動性固化材注入量を、施工計画と許容公差以内で合致させることを目的として行う。具体的には、鋼管杭１の再打設速度と、流動性固化材の吐出量を調整することによって行う。施工計画における流動性固化材注入量は、図１０に基づいて計算する。

図１０は、流動性固化材の設計注入量を計算するための模式図であって、（ａ）は、杭及びその周囲の縦断面図であり、（ｂ）は横断面図である。鋼管杭の直径ｐは、例えば６００ｍｍ〜１５００ｍｍ、注入幅ｑは、例えば１５０ｍｍ〜３００ｍｍであるが、この範囲に限定しない。一例として、非特許文献１では、注入幅ｑを３００ｍｍと、セメントミルクの注入により土中に形成されたグラウト中のセメント量をグラウト１ｍ^３中３００ｋｇと想定したことが報告されている。なお、非特許文献１のセメントミルクの水セメント比は１００％である。

＜後処理工程＞
杭周面グラウト処理が完了し流動性固化材の注入を終えた後、図７（ｈ）に示すように、導通管９のカプラーに接続されていた高圧ホース１７を取り外し、解放された接合端を、例えば濁水処理施設への注入管に接続する。続いて、高圧洗浄機により、図２のミキシングプラント１２に注水して洗浄し、ポンプを介して洗浄水を高圧流体送出装置１４に送水し、さらに高圧流体送出装置１４から高圧ホース１５に送水して集合装置１６と高圧ホース１７を通し、最後に高圧ホース１７から注入管を介し濁水処理施設に注水する。これにより、流動性固化材の圧送系統の洗浄を行う。さらに、濁水処理施設に滞留したスラッジを廃棄して全工程を終了する。

この濁水処理施設は必須ではない。例えば、鋼管杭１の天端が海面より充分に高い位置にある等の理由から、管内水位が鋼管杭１の天端より充分に低い場合は、洗浄水を鋼管杭内に放流し濁水処理の経済化を図ることも可能である。

本実施形態では、ジェット配管部材を取り外さず杭に取り付けたまま施工完了するので、ジェット配管装置を回収する場合に比べて、ジェット配管部材特に噴射ノズルの取り付けのために特別な構造が不要であるため、低コストとすることができる。本実施形態によれば、ＪＶ工法で打ち込んだ杭の支持力を経済的にかつ確実に高めることが可能となる。

（４）杭の施工方法の第２の実施形態
図１１（ａ）〜（ｇ）は、杭の施工方法の第２の実施形態における各工程を概略的に示す図である。以下の第２の実施形態の説明において、第１の実施形態と同じ構成については説明を省略する場合がある。

＜準備工程＞
図１１（ａ）に示す準備工程は、基本的に上述した第１の実施形態において図１０（ａ）で説明した通りである。

第２の実施形態では、ジェット配管部材の構成が、第１の実施形態とは異なるものを採用している。第２の実施形態では、４本の導通管９が、鋼管杭１の周方向に９０°毎に配置され、各導通管９の先端に１つの噴射ノズル７が取り付けられている。噴射ノズル７は、所定の引張り力の印加により切断可能な固定手段を介して鋼管杭１の外周に固定されている。これにより、導通管９に上方への引張り力を印加することにより、噴射ノズル７と導通管９を引き上げることができる。

なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の形態のジェット配管部材を採用することもできる。その場合、図８に示した第１の実施形態のジェット配管部材における導通管９と集約管８との境界部分に、所定の引張り力の印加により切断可能な構造を挿入する。

＜打設工程＞
図１１（ｂ）（ｃ）は、準備工程に続く打設工程を概略的に示している。図１１（ｂ）の打設工程は、ウォータージェットを用いたＪＶ工法により行うことが、好適である。すなわち、杭先端地盤に対し噴射ノズル７から水（符号Ｗで示す）を噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えて鋼管杭１を打ち込む。第１の実施形態と同様に、初期打ち込みにおいては水を用いることが好適であるが、セメントミルク等の流動性固化材を用いることを排除しない。

図１１（ｃ）に示すように、鋼管杭１は、その先端が所定の第１の設計深度Ｄ２１に到達するまで打ち込まれる。第１の設計深度Ｄ２１は、支持層界面Ｄ０よりもさらに所定の距離（例えば杭１の直径の２倍程度）だけ深い位置である。

図１１（ｃ）に示す第１の設計深度Ｄ２１に鋼管杭１が到達したならば、ウォータージェットの流量をアイドリング流量まで下げて、打ち込みを完了する。バイブロハンマ２は、停止してもよいが、次の引上工程のために稼動させたままでもよい。

＜引上工程＞
続いて、図１１（ｄ）の引上工程を行う。先ず、図１１（ｃ）の初期打ち込みの完了後に、水をセメントミルク等の流動性固化材（符号Ｃで示す）に切り替える。セメントミルクの場合、水セメント比は、例えば５０〜１５０％の範囲で必要に応じて設定される。そして、流動性固化材を噴射ノズル７の先端から噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えて、鋼管杭１の先端が第２の設計深度Ｄ２２に到達するまで、クレーンにより鋼管杭１を引き上げる。第２の設計深度Ｄ２２は、根固めグラウトの上端として予定されている深度である。第２の設計深度Ｄ２２は、例えば、支持層界面Ｄ０より所定の距離（例えば杭１の直径の１倍程度）だけ浅い位置である。

＜根固め工程＞
続いて、図１１（ｅ）の根固め処理を行う。流動性固化材を噴砂ノズル７の先端から噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えて、鋼管杭１の先端が第３の設計深度Ｄ２３に到達するまで鋼管杭１を打ち込む。第３の設計深度Ｄ２３は、支持層内にあり、第１の設計深度Ｄ２１とほぼ同じ位置、それより若干深い位置、又はそれより若干浅い位置である。例えば、第３の設計深度Ｄ２３は、支持層界面Ｄ０より、例えば杭１の直径の１倍程度だけ深い位置とすることができる。

図１１（ｅ）の根固め工程は、１回のみ行ってもよく、繰り返し行ってもよい。繰り返し行う場合は、再度、流動性固化材の噴射とバイブロハンマの振動を伴って鋼管杭１を第２の設計深度Ｄ２２まで引き上げた後、第３の設計深度Ｄ２３まで打ち込む。特に、硬い地盤の場合は、この引き上げと打ち込みによる根固め工程を適宜の回数繰り返すことが好適である。流動性固化材が固化することにより根固めグラウトが形成される。上述した通り、本発明の集合装置により流動性固化材が鋼管杭１の周囲に均一に噴射されることによって、欠損や偏りのない均一な根固めグラウトが形成され、杭における所要の先端支持力を発揮することができる。

図１１（ｅ）の根固め工程を終えるときは、鋼管杭１の先端を第３の設計深度Ｄ２３まで打ち込む。この位置でバイブロハンマを停止する。好適には、この位置においてさらに所定の時間だけ流動性固化材の噴射を行うことにより、根固めグラウトを確実に形成することができる。根固め工程終了後にバイブロハンマを取り外す。

＜噴射ノズル引抜工程＞
次に、図１１（ｆ）（ｇ）に示す噴射ノズル引抜工程を行う。先ず、導通管９に所定の引張力を印加することにより、導通管９と共に噴射ノズル７を鋼管杭１から離脱させる。その後、導通管９の上端をクレーンで吊り上げつつ、噴射ノズル７を所定の速度で引き抜く。このとき、噴射ノズル７から流動性固化材を噴射させつつ引き抜く。

引抜工程における流動性固化材のセメントミルクの水セメント比及び流量は、上述した根固め工程におけるそれらとは異なる値に設定してもよい。

噴射ノズル７の先端が、所定の第４の設計深度Ｄ２４に到達したならば、流動性固化材の噴射を停止する。第４の設計深度Ｄ２４は、杭周面グラウトの上端であり、設計上別途定められる深度である。

その後、導通管９及び噴射ノズル７を完全に引き抜く。流動性固化材が固化することにより周面グラウトが形成される。この場合も、本発明の集合装置により流動性固化材が鋼管杭１の周囲に均一に噴射されることによって、欠損や偏りのない均一な周面グラウトが形成され、杭における所要の周面摩擦力を発揮することができる。

＜後処理工程＞
第２の実施形態の後処理工程では、第１の実施形態で述べた後処理工程に加え、回収された導通管９及び噴射ノズル７の洗浄を行う。

（５）杭の施工方法の第３の実施形態
図１２（ａ）〜（ｅ）は、杭の施工方法の第３の実施形態における各工程を概略的に示す図である。以下の第３の実施形態の説明において、第１の実施形態と同じ構成については説明を省略する場合がある。

＜準備工程＞
図１２（ａ）に示す準備工程は、基本的に上述した第１の実施形態において図１（ａ）で説明した通りである。

＜打設工程／グラウト処理工程＞
図１２（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、第３の実施形態では、打設工程の少なくとも一部においてグラウト処理工程を同時に行う。図示の例では、打設工程の初期段階は、ウォータージェットを用いたＪＶ工法により行う。すなわち、噴射ノズル７から打ち込み方向に水（符号Ｗで示す）を噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えることにより、鋼管杭１を杭先端地盤に打ち込む。この実施形態は、打ち込み地盤が比較的軟弱かつ障害物が埋没していない等、杭の打ち込みが比較的容易な場合に可能である。

鋼管杭１の先端が、所定の第１の設計深度Ｄ３１に到達したならば、一旦、打ち込みを停止し、水をセメントミルク等の流動性固化材（符号Ｃで示す）に切り替える。セメントミルクの場合、水セメント比は、例えば５０〜１５０％の範囲で必要に応じて設定される。その後、図１２（ｃ）に示すように、流動性固化剤を噴射しながらバイブロハンマ２による振動を与えることにより、鋼管杭１をさらに打ち込む。

図１２（ｄ）に示すように、鋼管杭１は、その先端が所定の第２の設計深度Ｄ３２に到達するまで打ち込まれる。第２の設計深度Ｄ３２は、支持層界面Ｄ０よりもさらに所定の距離（例えば杭１の直径の２倍程度）だけ深い位置である。

図１２（ｄ）に示す第２の設計深度Ｄ３２に鋼管杭１が到達したならば、流動性固化材の噴射及びバイブロハンマ２を停止し、打ち込みを完了する。

流動性固化材が固化することにより周面グラウトが形成される。この場合も、本発明の集合装置により流動性固化材が鋼管杭１の周囲に均一に噴射されることによって、欠損や偏りのない均一な周面グラウトが形成され、杭における所要の周面摩擦力を発揮することができる。

図示しないが、第３の実施形態の変形形態として、図１２（ｂ）の打設工程の最初から流動性固化材を噴射しバイブロハンマ２による振動を与えて、打設工程とグラウト処理工程を同時に行うこともできる。これは、特に、地表近傍の地盤が、砂質土や粘性土等の脆弱土層である場合に可能である。

＜後処理工程＞
打設工程及びグラウト処理工程が完了し流動性固化材の注入を終えた後、図１２（ｅ）に示すように、導通管９のカプラーに嵌合していた高圧ホース１７を取り外し、上述した第１の実施形態と同様の後処理工程を行う。

（６）まとめ
本発明の杭の施工方法は、共通する態様として、杭に複数のジェット配管部材及びバイブロハンマを取り付けると共に、集合装置を含む施工システムの配管を接続する準備工程と、地盤中にてジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつバイブロハンマによる振動を与えて杭を下降又は上昇させる部分工程を少なくとも含む施工工程とを備えている。本発明は、上述した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で本発明を適宜、変更可能である。

１ 鋼管杭
２ バイブロハンマ
７ 噴射ノズル
８ 集約管
８ａ 頭部
８ｂ 分岐部
９ 導通管
１０ 起重機船
１１ セメントサイロ
１２ ミキシングプラント
１３ 水タンク
１４ 高圧流体送出装置
１５ 高圧ホース
１６ 集合装置
１６ａ 筐体
１６ｂ 注入孔
１６ｃ 吐出孔
１６ｄ 振動機
１６ｅ 整流板
１６ｆ 撹拌機
１７ 高圧ホース
１８Ａ、１８Ｂ 切替装置
１９ 流量計
２０ 発動発電機
２１ 操作ユニット
２２ クレーン
２３ モニター
２４ トータルステーション
２５ プリズム
２６ 施工管理装置

Claims (12)

1. 杭に複数のジェット配管部材及びバイブロハンマを取り付ける準備工程と、
   地盤中にて前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を下降又は上昇させる部分工程を少なくとも含む施工工程とを備えた杭の施工方法であって、
   前記準備工程において、１又は複数の高圧流体送出装置と、円筒状の内部空間を有する集合装置とを配置し、１又は複数の前記高圧流体送出装置と前記集合装置における１又は複数の注入孔とをそれぞれ接続すると共に、前記集合装置における複数の吐出孔と複数の前記ジェット配管部材とをそれぞれ接続し、
   前記施工工程において、前記集合装置の内部空間を高圧流体で充填した状態を維持しつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体を注入すると共に複数の前記吐出孔の各々からそれぞれ高圧流体を吐出させ、かつ、
   複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の５％以下であることを特徴とする杭の施工方法。
2. 前記集合装置において、
   複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすことを特徴とする請求項１に記載の杭の施工方法。
   

   
3. 高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
   水を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の第１の深度まで打ち込む工程と、
   少なくとも前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、設定された杭周面グラウト上端に対応する深度まで引き上げる工程と、
   流動性固化材を噴射しつつ前記杭を、前記支持層界面より下の第２の深度まで再度打ち込む工程とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の杭の施工方法。
4. 高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
   水を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の第１の深度まで打ち込む工程と、
   流動性固化材を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、設定された根固め上端に対応する深度まで引き上げる工程と、
   流動性固化材を噴射しつつ前記杭を、前記支持層界面より下の第２の深度まで再度打ち込む工程と、
   流動性固化材を噴射しつつ前記ジェット配管部材を引き抜く工程とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の杭の施工方法。
5. 高圧流体が水又は流動性固化材であり、前記施工工程が、
   流動性固化材を噴射しつつ前記バイブロハンマによる振動を与えて前記杭を、支持層界面より下の深度まで打ち込む工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の杭の施工方法。
6. 前記集合装置の前記内部空間に配置された整流板により高圧流体を蛇行させることを特徴とする
   請求項１〜５のいずれかに記載の杭の施工方法。
7. 前記集合装置の前記内部空間に配置された攪拌機により高圧流体を撹拌し、又は、前記内部空間に配置された振動機により高圧流体に振動を与えることを特徴とする
   請求項１〜６のいずれかに記載の杭の施工方法。
8. 施工管理装置が、
   前記バイブロハンマに取り付けたプリズムを追尾するトータルステーションから連続的に送信される杭の鉛直高さデータ、及び、１又は複数の前記高圧流体送出装置の送出口にそれぞれ取り付けた流量計から連続的にそれぞれ送信される高圧流体の流量データを取得し、
   取得した前記杭の鉛直高さデータ及び前記高圧流体の流量データについて予め設定された施工計画データと比較することにより、前記施工工程に含まれる各部分工程における杭の移動速度、水と流動性固化材の切替、又は、高圧流体の吐出量をリアルタイムで調整することを特徴とする
   請求項１〜７のいずれかに記載の杭の施工方法。
9. 前記ジェット配管部材が、
   前記集合装置に接続される導通管と、
   一端が前記導通管と接続されかつ他端が複数に分岐している集約管と、
   前記集約管の分岐した他端の各々と接続される複数の噴射ノズルと、を有することを特徴とする
   請求項１〜８のいずれかに記載の杭の施工方法。
10. 複数のジェット配管部材を取り付けた杭を、前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ打ち込む工程を少なくとも含む杭の施工方法において用いる集合装置であって、
    円筒状の内部空間と、１又は複数の高圧流体送出装置とそれぞれ接続される１又は複数の注入孔と、複数の前記ジェット配管部材とそれぞれ接続される複数の吐出孔とを有し、
    前記杭の施工中、前記内部空間が高圧流体で充填された状態に維持されつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体が注入されかつ複数の前記吐出孔の各々から高圧流体が吐出され、かつ、
    複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の５％以下であることを特徴とする集合装置。
11. 前記集合装置において、
    複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすことを特徴とする請求項１０に記載の集合装置。
    

    
12. 複数のジェット配管部材を取り付けた杭を、前記ジェット配管部材の先端から高圧流体を噴射しつつ打ち込む工程を少なくとも含む杭の施工方法において用いられ、円筒状の内部空間と、１又は複数の高圧流体送出装置とそれぞれ接続される１又は複数の注入孔と、複数の前記ジェット配管部材とそれぞれ接続される複数の吐出孔とを有し、前記杭の施工中、前記内部空間が高圧流体で充填された状態に維持されつつ、１つ以上の前記注入孔から高圧流体が注入されかつ複数の前記吐出孔の各々から高圧流体が吐出される集合装置の設計方法であって、
    予め、複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ及び前記高圧流体の動粘性係数νのパラメータのうち１又は複数をそれぞれ変化させた場合に、各場合について、各吐出量の総和をＱとして、複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量をそれぞれ算出し、
    複数の前記吐出孔の各々から吐出される複数の高圧流体の各吐出量について、最大吐出量と最小吐出量との差が最大吐出量の所定の割合以下となるように、次式のα、β及びδを設定し、
    複数の前記吐出孔の数ｎ、前記内部空間の直径ｄ、前記吐出孔の直径ｄｏ、前記吐出孔の流量係数Λ、隣り合う２つの前記吐出孔の間隔Ｌ、前記高圧流体の動粘性係数ν及び前記各吐出量の総和Ｑの関係が次式を充たすように設計することを特徴とする集合装置の設計方法。
    

    

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