JP6936456B1 - 水底地盤改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短工期・低コストでの施工を可能にする水底地盤改良装置と当該装置を用いた水底地盤改良方法を提供する。【解決手段】水底地盤改良装置のケーシング３２を海底地盤に突き当て目標深度まで圧入する。このとき、圧入に伴って水底地盤がケーシング３２内に取り込まれる。次いで、ケーシング３２が海底の目標深度まで圧入された状態で、ケーシング３２内の攪拌混合翼３５に向けて材料供給路２５を介して改良材を送る。そして、ケーシング３２が水底地盤に圧入された状態で、ケーシング３２内に取り込まれた水底地盤と改良材が攪拌混合されるように攪拌混合翼３５を作動させて、原地盤（ケーシング３２内に取り込まれた水底地盤）を下から上に向けて改良する。【選択図】図５

Description

本発明は、海底地盤をはじめとする水底地盤の改良に用いる水底地盤改良装置と当該装置を用いた水底地盤の改良方法に関するものである。

改良材を用いて海底地盤の改良を行うことが本願発明者らによって提案されている。

改良材を用いて海底地盤の改良を行う場合には、例えばトレミー船やグラブ船などを利用して、図１０（ａ）に示すように、改良対象の地盤上に改良材を投入する。次いで図１０（ｂ）〜（ｅ）に示すように、投入した改良材と海底地盤を、攪拌混合装置を用いて攪拌混合する。

図１０（ｂ）〜（ｅ）に示す攪拌工程では、はじめに、図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ）に図示するように改良対象深度区間の上から下に向かって攪拌混合装置を押し込みつつ、改良材と海底地盤を攪拌混合する。そして攪拌混合装置が改良対象深度区間の下端に達したら、図１０（ｅ）に図示するように、改良対象深度区間の下端と天端の範囲内で攪拌混合装置の上げ下げを何度も何度も繰返し、これによって、改良対象深度区間の全域において改良材と海底地盤を均一に混合する。

上述した方法では、改良対象深度区間の全域にわたって攪拌混合装置を繰返し上げ下げする工程が不可欠である。すなわち、改良材の投入工程において、投入された改良材が（改良に必要な全量の改良材が一度に纏まって）海底地盤の天端に堆積するため、その後の攪拌工程において、改良対象深度区間の下端まで改良材を均一に行き渡らせ、かつ、改良材と海底地盤を均一に混合する必要がある。そのため、極めて長いストローク（改良対象深度区間の天端〜下端に及ぶ広大な範囲）で、攪拌混合装置を何度も何度も繰返し上げ下げする作業が不可欠となる。

ところが、上記のように長いストロークで攪拌混合装置の上げ下げを繰り返す工程は、長時間を要する。そのため、前述した方法では、改良対象地盤に対する施工を完了するための工期が長期間に及び、施工コストが高くなるといった問題があった。

また、撹拌混合装置を何度も上下に繰り返したとしても改良対象の深度区間内における改良材の混合割合の偏りが生ずることは避けられず、撹拌混合装置の上下動によって施工対象外に改良材が散逸するという問題もあった。

そこで、上述した課題に鑑み、本発明の目的は、従来よりも短工期・低コストでの施工を可能にし、改良対象の深度区間内における改良材が散逸せず、改良材の偏りを減少させる水底地盤改良装置と当該装置を用いた水底地盤の改良方法を提供することにある。

上記目的は、水底地盤を内側に取り込むことが可能なケーシングと、ケーシングの内側で昇降可能に設けられ、水底地盤と改良材を攪拌混合するための攪拌混合手段と、攪拌混合手段の上方に改良材の排出口を有し、ケーシング内の攪拌混合手段に向けて改良材を供給するための材料供給路と、を有する水底地盤改良装置によって達成される。

上記水底地盤改良装置において、材料供給路は、その排出口が、ケーシング内における攪拌混合手段の昇降動作に追随するように設けられている。

また、上記水底地盤改良装置は、さらに、圧縮エアーによって材料供給路からの改良材の排出を促す改良材排出補助手段を有している。

また、前述した目的は、水底地盤改良装置のケーシングを水底地盤に対し目標深度まで圧入する圧入工程と、ケーシングが水底地盤に圧入された状態で、水底地盤改良装置の攪拌混合手段に向けて改良材を送る改良材供給工程と、ケーシング内に取り込まれた水底地盤と改良材が攪拌混合されるように攪拌混合手段を作動させて、水底地盤を下から上に向けて改良する攪拌工程と、を含む水底地盤改良方法によって達成される。

上記水底地盤改良方法では、ケーシング内を圧縮空気で加圧することによってケーシング内への水の流入を妨げた状態を確保し、その後、圧入工程を実施する。

また、上記水底地盤改良方法では、改良材供給工程を、例えば、攪拌工程の開始時と、ケーシング内に取り込まれた水底地盤を複数層に分けて行う攪拌工程の単層ごとに実施する。

また、上記水底地盤改良方法では、攪拌工程において、ケーシング内に取り込まれた水底地盤を下から上に向けて改良する過程で、攪拌混合手段を小刻みに昇降させてもよい。

また、上記水底地盤改良方法では、攪拌工程において、ケーシング内に取り込まれた水底地盤を下から上に向けて改良する過程で、攪拌混合手段を時折降下させてもよい。

また、上記水底地盤改良方法は、さらに、ケーシングを圧入する過程でケーシング内に取り込まれた水底地盤を解きほぐす解泥工程を含んでいる。

上記水底地盤改良方法の解泥工程では、ケーシング内に取り込まれた水底地盤を解きほぐすと同時に当該水底地盤に対し加水してもよい。

また、上記水底地盤改良方法で用いる改良材は、水和反応を生じさせるものであり、その具体例としては、鉄鋼スラグが挙げられる。

本発明に係る水底地盤改良方法および水底地盤改良装置によれば、次に述べる優れた効果を達成できる。
なお、本発明における「水底」の具体例としては、例えば、海底、川底、湖底が挙げられる。また、「水底地盤」の具体例としては、例えば、海底地盤、川底の地盤、湖底の地盤が挙げられる。また、「水」の具体例としては、例えば、海水、川の水、湖の水が挙げられる。
以下、本発明の説明に於いて水底の一例として海底を挙げ、また、水底地盤の一例として海底地盤を挙げる。

本発明に係る装置は、海底地盤を内側に取り込むケーシングと、ケーシングの内側で昇降可能に設けられた攪拌混合手段と、攪拌混合手段の上方に改良材の排出口を具備する材料供給路を有している。
このように本発明では、材料供給路が、攪拌混合手段の上方に改良材の排出口を有していて、ケーシング内の攪拌混合手段の真上（手前）まで改良材をガイドするようになっている。
したがって、ケーシングを海底地盤に圧入した状態であっても、（ケーシング内に取り込まれた地盤に邪魔されることなく）改良材をケーシング内の攪拌混合手段まで確実に供給することができる。すなわち、ケーシングを地盤に圧入した後の攪拌工程の途中であっても、改良対象地盤に対し改良材を確実に行き渡らせることができる。

また、本発明に係る装置は、圧縮エアーによって材料供給路からの改良材の排出を促す改良材排出補助手段を備えている。
通常、改良材は、自重によって材料供給路の内部を自由落下し、下端の排出口から排出される。しかしながら、改良材の種類によっては、材料供給路の排出口の近傍で、改良材が時折滞留し、改良材の自由落下を妨げることが想定される。
そこで、改良材排出補助手段を設け、その圧縮エアーによって材料供給路からの改良材の排出を促すようになっている。圧縮エアーによる衝撃波により、出口付近で停滞した改良材に対し瞬間的なインパクトを与えることで、当該改良材に対し排出のきっかけが与えられ、改良材の排出を促すことが可能になる。

また、本発明に係る装置において、材料供給路は、その排出口がケーシング内での攪拌混合手段の昇降動作に追随するように設けられている。すなわち、攪拌混合手段と材料供給路は、一体となって昇降するため、攪拌混合手段とその真上に設けられた排出口の相対距離は、常に一定の至近距離に保たれる。
このように、本発明では、ケーシング内での攪拌混合手段の昇降動作にかかわらず、攪拌混合手段とその真上の排出口の相対距離は、常に一定の至近距離に保たれるので、ケーシング内に取り込んだ地盤に邪魔されることなく、改良材を確実に攪拌混合手段に到達させることができる。

本発明に係る方法では、はじめに、水底地盤改良装置のケーシングを海底地盤に突き当て目標深度まで圧入する。このとき、ケーシングの圧入に伴って、海底地盤が該ケーシング内に取り込まれる。次いで、ケーシングが海底地盤の目標深度まで圧入された状態で、ケーシング内の攪拌混合手段に向けて改良材を送り込む。そして、ケーシングが海底地盤に圧入された状態で、ケーシング内に取り込まれた海底地盤と改良材が攪拌混合されるように攪拌混合手段を作動させて、原地盤（ケーシング内に取り込まれた海底地盤）を下から上に向けて改良する。
このように、はじめにケーシングを目標深度まで圧入し、その後で、圧入状態のケーシング内の攪拌混合手段に向けて改良材を送り込むことで、投入した改良材が海底地盤の天端に纏まって堆積することがない。したがって、前述した背景技術のごとく、改良材の攪拌混合のために極めて長いストローク（改良対象深度区間の天端〜下端に及ぶ広大な範囲）で攪拌混合装置を繰返し上げ下げする必要がない。
また、本発明では、ケーシングを海底地盤に圧入した状態で、ケーシング内の攪拌混合手段に向けて改良材を送り込むようになっている。したがって、攪拌混合手段により原地盤を下から上に向けて改良する過程で、必要量の改良材を複数回に分けて投入することも可能であり、改良材の散逸や偏りを防止できる。
よって、上述した特徴を具備する本発明によれば、改良材の攪拌混合のために長いストローク（改良対象深度区間の天端〜下端に及ぶ広大な範囲）での攪拌混合装置の上げ下げが不要となり、その結果、改良材の攪拌混合工程の短縮を図ることが可能となり、また、それによって施工コストの減縮を図ることが可能となる。

また、本発明に係る方法では、圧入工程を実施する前に、ケーシング内を圧縮空気で加圧することによって当該ケーシング内への海水の流入を妨げた状態を確保する。これにより、ケーシング内の海底地盤や改良材に海水が過剰に混じるのを防止することができ、その結果、海水の過剰混入による改良品質の低下を防止することができる。

また、本発明に係る方法では、改良材供給工程（改良材の投入）を、攪拌工程の開始時と、攪拌工程の途中で実施する。必要量の改良材を一度に纏めて投入するのではなく、改良材を小分けして（少なくとも改良対象深度区間の天端〜下端の範囲を略均等に２区分、もしくはそれ以上に略均等区分し、異なる深度の区分毎で投入することが望ましい。）対象地盤に投入することで、前述した背景技術よりも遥かに短いストロークで改良材を原地盤に対し均一に混合することが可能になる。

また、本発明に係る方法では、攪拌工程において、原地盤を下から上に向けて改良する過程で、攪拌混合手段を短いストローク（改良対象深度区間の天端〜下端の範囲よりも短ければ特に限定されるものではなく、仮に改良対象深度区間を複数層に分けて撹拌工程を実施する際の単層区間内としても良い。）で小刻みに昇降させるようになっている。
このように、対象地盤の下から上に向けて改良する過程で、攪拌混合手段を短いストロークで昇降させることで、下から上に向かう攪拌工程で上下方向の攪拌混合が高頻度で細かく行われ、より均一な攪拌混合が可能となる。

また、本発明に係る方法では、攪拌工程において、原地盤を下から上に向けて改良する過程で、攪拌混合手段を短いストロークで時折降下させるようになっている。
このように、攪拌混合手段を時折降下させつつ、対象地盤の下から上に向けて改良を行うことで、より均一な攪拌混合が可能となる。

また、本発明に係る方法では、ケーシングを圧入する過程で原地盤を、攪拌工程を実施する前に予め解泥する。
このように改良対象の原地盤を予め解泥し細かくしておくことで、その後の攪拌工程で改良材を細かく混ぜ込むことができ、高品質の地盤改良が可能となる。

また、本発明に係る方法の実施にあたって、原地盤もしくは原地盤の一部に水分が低く、解きほぐすだけでは改良材を十分均一に混ぜ込むことができない地層がある場合、解きほぐす解泥工程と同時に原地盤の対象該地層に対し加水を行うようにしてもよい。これにより、改良材の混合均一性を向上させることができる。
加水する方法としては、ケーシングの海底地盤への圧入と同時に水をケーシング内に取り込んで解泥する方法でもよいし、改良材の供給路に水配管を付帯させて、解泥工程中に攪拌混合手段に向けて水をポンプ等で圧送させる方法でもよい。

また、本発明に係る方法では、改良材として、水和反応を生じさせる材料、例えばカルシア改質材を利用する。
カルシア改質材は、鉄鋼スラグの一種である転炉系製鋼スラグを原料として成分管理と粒度調整した材料である。したがって、改良材として「カルシア改質材」を利用することで、従来廃棄物として扱われてきた鉄鋼スラグを、資源として有効活用することができる。

本発明に係る水底地盤改良装置を具備する作業船（地盤改良船）を示す側面図（ａ）と、水底地盤改良装置を用いた地盤改良の様子を示す側面拡大図（ｂ）である。 図１に示す水底地盤改良装置の具体的構成を示す側面拡大図であって、図２（ａ）は、一体的に昇降する材料供給路と掘削兼攪拌混合翼が上端位置にある状態を示しており、図２（ｂ）は、材料供給路と掘削兼攪拌混合翼が下端位置にある状態を示している。 図１に示す水底地盤改良装置が具備する掘削兼攪拌混合部の具体的構成を示す側面拡大図であって、図３（ａ）は、ケーシング下端のグラブが開いた状態を示しており、図３（ｂ）は、グラブが閉じた状態を示している。 水底地盤改良装置が具備するケーシング内圧力制御装置の概略構成を示す側面図（ａ）と、ケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す側面図（ｂ）である。 本発明に係る水底地盤改良方法を示す工程図である。 水底地盤改良方法におけるケーシング圧入の原理を示す工程図である。 水底地盤改良方法におけるケーシング圧入の原理を示す工程図である。 水底地盤改良方法における、掘削兼攪拌混合翼（攪拌混合手段）の上下方向の動作例を示すグラフである。 水底地盤改良方法における、掘削兼攪拌混合翼（攪拌混合手段）の上下方向の動作例を示すグラフである。 従来技術を示す工程図である。

（作業船）
本発明の実施に用いる作業船１（地盤改良船）は、図１（ａ）に示すような外観を有しており、海面上で任意の方向に移動することができる。すなわち、作業船１を施工現場の所望の位置に位置決めすることができ、その装備を利用して図１（ｂ）に示すようにその真下の海底地盤を改良することが可能である。

この作業船１は、図１に示すとおり、
・ 作業船１の船首側に立設されたリーダ２、
・ リーダ２に沿って昇降自在に設けられた水底地盤改良装置３、
などを有している。

次に、作業船が具備する水底地盤改良装置３の構成について図１〜図３を用いて具体的に説明する。

（水底地盤改良装置）
作業船１が具備する水底地盤改良装置３は、主として、所定位置の海底地盤を掘削する「掘削装置」としての機能と、水底地盤改良装置３のケーシング３２内に取り込んだ海底地盤と改良材を攪拌混合する「攪拌混合装置」としての機能を兼ね備えた装置である。

この水底地盤改良装置３は、作業船１のリーダ２に沿って昇降自在に設けられており、
図２に示すとおり、
・ケーシング３２や掘削兼攪拌混合翼３５を備えた掘削兼攪拌混合部１１と、
・改良材をケーシング３２内に導くための流路等を含む管路１３と、
・管路１３内に改良材を投入するための改良材投入口１５と、
・掘削兼攪拌混合翼３５をロッド等を介して回転駆動するためのオーガーモーター１７を
有している。

管路１３の上端側は改良材投入口１５に連通しており、また、その下端側は掘削兼攪拌混合部１１のケーシング３２内に連通している。

この管路１３は、
・ケーシング３２へ送給する予定の改良材を一時的に保持可能な材料保持部２１と、
・ケーシング３２の支持部材として機能する外管２３と、
・外管２３の内側で昇降可能に設けられた内管からなる材料供給路２５と
・材料保持部２１と材料供給路２５の間に設けられた制御弁（圧力差開閉弁）２７を
有している。

管路１３が具備する内管である材料供給路２５は、掘削兼攪拌混合翼３５の上方（真上）に改良材の排出口２６を有しており、ケーシング内の掘削兼攪拌混合翼３５に向けて改良材を供給するための流路として機能する。内管である材料供給路２５は、その排出口２６が、ケーシング３２内における掘削兼攪拌混合翼３５の昇降動作に追随するように設けられている。つまり、掘削兼攪拌混合翼３５と材料供給路２５は、一体となって昇降できるように構成されている。

図３に示すとおり、内管である材料供給路２５には、その排出口２６からの改良材の排出を促す改良材排出補助手段４０が設けられている。改良材排出補助手段４０は、材料供給路２５の排出口２６の近傍の改良材に向けて圧縮エアーを吐出するための圧縮エアー吐出口４１と、圧縮エアーを圧縮エアー吐出口４１に向けて供給する圧縮エアー流路４３を有している。圧縮エアー流路４３は、図示しないエアーコンプレッサに接続されている。

上記構成において、制御弁２７が閉弁状態にあるとき、改良材は、管路１３の材料保持部２１において保持される。一方、制御弁２７が開弁状態にあるとき、改良材は、管路１３の材料保持部２１から放出されて、内管である材料供給路２５を介してケーシング３２の内部に送り込まれる。

管路１３を介してケーシング３２に投入する「改良材」の具体例としては、例えば、改質材、浄化材、不溶化材などが挙げられる。本実施形態では、改質材、浄化材、不溶化材などの総称として「改良材」の用語を用いる。
また、改良材として改質材を用いる場合、その材料は特に限定されず、鉄鋼スラグ、セメント、セメント系固化材、生石灰、石灰系固化材など土質改良効果を備える材料であれば問わない。
利用可能な改質材の具体例としては、経時的な水和反応によって強度を発現させる材料、例えばカルシア改質材が挙げられる。カルシア改質材は、鉄鋼スラグの一種である転炉系製鋼スラグを原料として成分管理と粒度調整した材料である。したがって、改良材として「カルシア改質材」を利用することで、従来廃棄物として扱われてきた鉄鋼スラグを、資源として有効活用することができる。

オーガーモーター１７から出力される回転動力は、図示しないロッドやギヤボックスなどを介して、掘削兼攪拌混合部１１のケーシング３２内に設けられた掘削兼攪拌混合翼３５に伝達される。

このオーガーモーター１７は、図１（ａ）に示すとおり、作業船１のリーダ２に昇降自在に連結されており、また、その上端はワイヤーロープ４に連結されている。当該ワイヤーロープ４を上下方向で操作することでオーガーモーター１７を含む水底地盤改良装置３の全体がリーダ２に沿って昇降する。

管路１３の下端に設けられた掘削兼攪拌混合部１１は、
図２、図３に示すとおり、主として、
・開閉式のグラブ３１（掘削手段）を具備する密閉可能なケーシング３２と、
・ケーシング３２内で昇降可能に設けられた掘削兼攪拌混合翼３５（攪拌混合手段）と、
を有している。

ケーシング３２は、平面視略矩形の箱型容器状の構成部材（矩形ケーシング）であり、海底地盤を内側に取り込むことが可能で、底部の開口部を開閉可能に構成されている。ケーシング３２の上部には、管路１３の下端が連結されており、改良材投入口１５から投入された改良材は管路１３を介してケーシング３２内に供給される。

オーガーモーター１７に連結されたロッド（図示省略）の下端は、ケーシング３２内に設けられた掘削兼攪拌混合翼３５に連結されている。掘削兼攪拌混合翼３５は、図示しないロッドやギヤボックスなどを介して伝達された動力によって回転駆動し、また図２（ａ）（ｂ）に示すように、掘削兼攪拌混合翼３５はケーシング３２内で昇降可能に設けられている。

掘削兼攪拌混合翼３５は、主として、
・ケーシング３２内の原地盤、
・管路１３を介してケーシング３２内に投入された改良材、
をケーシング内で攪拌混合する役割を担っている。
また、必要に応じて、ケーシング３２底部の開口部から突き出して、海底地盤を掘削するといった役割を担っている。

なお、本実施形態において、管路１３が具備する材料供給路２５（内管）と、ケーシング内の掘削兼攪拌混合翼３５は、ケーシング３２内で一体となって昇降動作するように構成されている。図２（ａ）（ｂ）参照。したがって、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５が昇降動作する際には、内管である材料供給路２５は、掘削兼攪拌混合翼３５の昇降動作に追随する。よって、掘削兼攪拌混合翼３５とその真上の排出口２６の相対距離は、（掘削兼攪拌混合翼３５の昇降動作にかかわらず）常に一定の至近距離に保たれる。

また、図３に示すように、ケーシング３２の先端（下端）には、開閉式のグラブ３１（掘削手段）が設けられている。ケーシング３２とグラブ３１の組合せは、全体としてひとつのケーシングを構成しているともいえる。開閉式のグラブ３１が開くことでケーシング３２の底部が開口し、また、該グラブ３１が閉じることでケーシング３２の底部が閉じて密閉される。つまり、グラブ３１は、海底地盤を掘削したり掘削土砂を取り込む掘削手段としての役割のほか、ケーシング３２底部を開閉する蓋（ケーシング３２の底部を密閉する蓋）としての役割を担っている。

このようなグラブ３１（掘削手段）は、開閉動作の手段として例えば油圧シリンダを有している。
グラブ３１が開いた状態を図３（ａ）に示す。この状態では、ケーシング３２の底部は開口している。グラブ３１が開いた状態でケーシングを海底地盤に圧入することで、圧入に伴ってケーシング３２内に海底地盤を取り込むことができる。
グラブ３１が閉じた状態を図３（ｂ）に示す。この状態では、ケーシング３２底部は閉じて、該ケーシング３２は密閉されている。ケーシング３２内に海底地盤を取り込んでからグラブ３１を閉じた場合には、該ケーシング３２は密閉されて、該海底地盤はケーシング３２内に閉じ込められることになる。

また、水底地盤改良装置３は、前述した構成に加えて、ケーシング３２内の圧力を制御するための装置である「ケーシング内圧力制御装置」を有している。

（ケーシング内圧力制御装置）
次に、図４に基づいて、水底地盤改良装置３が具備する「ケーシング内圧力制御装置」について説明する。

図４は、水底地盤改良装置３が具備するケーシング内圧力制御装置の概略構成を示す側面図（ａ）と、ケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す側面図（ｂ）である。

後述するとおり、本実施形態では、材料供給路２５を介してケーシング３２内に圧縮空気を送り込むことを特徴の一つとしている。そして、本実施形態のケーシング内圧力制御装置は、ケーシング３２内の空気圧（ケーシング３２内に送り込まれた圧縮空気の圧力）を制御する役割を担っている。

本実施形態のケーシング内圧力制御装置は、図４（ａ）に示すとおり、主として、
・ケーシング３２内に圧縮空気を送るためのエアーポンプ５１と、
・ケーシング３２内の空気圧を制御するための排気路５３を
具備している。

エアーポンプ５１は、圧気用パイプを通して圧縮空気をケーシング３２内に送り込む。本実施形態では、圧気用パイプとして材料供給路２５（図２等参照）を利用しているが、この材料供給路２５とは別に、ケーシング３２内に圧縮空気を送るための専用のエアー流路を設けてもよい。

排気路５３は、全体として、ケーシング３２内の空気圧をケーシング３２の外部（海水中）に供給するように設けられている。この排気路５３は、水中排気管５６と、排気バイパス管５７を含んで構成されている。

水中排気管５６の先端にある水中排気口６０は、作業船を用いた施工時に海水中に水没した状態にあり、当該水中排気管５６は、この状態で昇降モーターによって上げ下げ可能に設けられている。水中排気管５６の上下動の距離は特に限定されないが、例えば、ケーシング３２の上端と下端の深度範囲内の距離で水中排気口６０を上下動（縦方向の移動が）できるように、水中排気管５６の長さなどを設定する。

排気バイパス管５７は、ケーシング３２内の空気圧（圧縮空気）をケーシング外部の水中排気管５６にガイドする役割を担っている。排気バイパス管５７の一端はケーシング３２内（天端）に接続され、他端は、水中排気管バルブ５９と排気ホース５８を介して水中排気管５６に接続されている。

排気ホース５８は、可撓性の耐圧耐水ホースで構成されており、その一端は水中排気管バルブ５９に接続され、他端は水中排気管５６に接続されている。なお、水中排気管５６が上下動する際には、排気ホース５８はその動きに追従するので、水中排気管５６の動作によって両者の接続が外れることはない。

上記構成において、エアーポンプ５１から圧気用パイプを通してケーシング３２内に送り込まれた圧縮空気は、ケーシング３２内に収容されて、その空気圧によって海水をケーシング外に押し出す。

また、ケーシング３２内に収容された圧縮空気は、排気バイパス管５７によってガイドされ、更に、水中排気管バルブ５９と排気ホース５８を介して、水中排気管５６にガイドされる。したがって、水中排気管バルブ５９が開いている状況下で、エアーポンプ５１から圧縮空気が圧送されている間は、ケーシング３２内の圧縮空気は排気路５３によってガイドされて、水中排気口６０から水中へ排気され続ける。

（ケーシング内圧力制御装置の機能作用）
次に、上記構成を具備するケーシング内圧力制御装置の機能作用の概要について、図４（ｂ）に基づいて説明する。

ケーシング３２下端位置の深度に水中排気口６０を位置決めした水中排気管５６を、昇降モーターによって上昇させると、これに連動して（上昇する水中排気口６０に追従するように）、ケーシング内水位も上昇する。逆に、ケーシング上端位置の深度に水中排気口６０を位置決めした水中排気管５６を、昇降モーターによって下降させると、これに連動して（下降する水中排気口６０に追従するように）、ケーシング内水位も下降する。すなわち、水中排気口６０（水中排気管５６）の上下動に連動して、ケーシング内水位が上下動する。

このように、（ケーシング内に通ずる）水中排気管５６の水中排気口６０を海水中で上げ下げすることで、海水中のケーシング３２に対する水中排気口６０の相対高さに応じて、ケーシング内の空気圧が変動するので、ケーシング内圧力の制御が簡単である。また、このような機能を簡単な装置構成で実現することができる。

また、ケーシング３２内に送り込んだ圧縮空気の圧力によって、ケーシング３２内への海水流入を簡単に妨げることができる。また、ケーシング３２内にすでに海水が進入している場合には、その空気圧によって、ケーシング３２内の海水をケーシング外に排出する（空気圧によって押し出す）ことができる。したがって、水中排気口６０（水中排気管５６）を上げ下げするだけで、ケーシング３２内の水位をコントロールすることができるので、必要なときに簡単にケーシング３２内を排水することができる。なお、ケーシング３２内水位をコントロールする際、水中排気口６０を上下動させる幅は、ケーシング３２の上端と下端の深度範囲内である。

なお、後述する水底地盤の改良方法において、ケーシング３２内の排水には、エアーポンプ５１からの圧気を利用する。また、後述するケーシング３２の圧入およびケーシング３２への海底地盤の取り込みには、ケーシング３２を圧入する力が必要であるところ、この圧入力には、水中排気管５６を引上げた際に発生する水頭差（海底地盤から水中排気管先端までの距離）による負圧を利用する。この場合、最大水深分の圧力差が利用できる。

（水底地盤の改良方法）
次に、前述した特徴を具備する水底地盤改良装置を用いた、海底地盤の改良方法について説明する。
主として図５に基づいて、施工手順を具体的に説明する。
なお、次に述べる工程ａ〜ｋは、図５（ａ）〜（ｋ）に対応している。

工程ａ
はじめに、材料供給路２１を介してケーシング３２内に圧縮空気を送り込んで、該ケーシング内の海水を排水し、ケーシング内を空洞にする。すなわち、空気圧によりケーシング３２内に海水の無い空間を確保する。以後、空気圧の押し出し作用によってケーシング３２内に海水が流れ込まない排水状態が保持される。
また、ケーシング３２が下端に具備する開閉式のグラブ３１を、図３（ａ）に示すように開いた状態にセットする。なお、図５では、ケーシング３２が下端に具備するグラブ３１の図示を省略している。
そして、水底地盤改良装置３を作業船のリーダ２に沿って吊り下ろし、ケーシング３２の下端（グラブ３１の先端）を、改良対象の海底地盤の天端に突き当てる。

工程ｂ
次に、海底地盤へのケーシング３２の圧入を開始する。ケーシング３２を圧入する過程で、当該ケーシング３２内に海底地盤が取り込まれる。ケーシング３２の圧入原理については、図６、図７に基づいて後述する。
なお、ケーシング３２の圧入過程で、ケーシング３２の先端にあるグラブ３１の開閉を繰り返して、海底地盤を（グラブ３１の開閉動作を利用して）ケーシング３２内に取り込むようにしてもよい。
ケーシング３２の圧入が、図５（ｂ）に示すように改良対象深度区間の下端（目標深度）に達したら、ケーシング３２の圧入を停止する。この時点で、改良対象深度区間の天端から下端に及ぶ海底地盤が、ケーシング３２内に取り込まれている。
改良対象深度区間の天端から下端に及ぶ海底地盤をケーシング３２内に取り込んだら、該ケーシング先端のグラブ３１を閉じる。図３（ｂ）参照。これによりケーシング３２の内部が密閉され、ケーシング３２内の原地盤がケーシングにより周囲から隔離される。

工程ｃ
次に、上記工程ｂのケーシング圧入工程でケーシング３２内に取り込まれた海底地盤を（すなわち、ケーシング３２により周囲から隔離された原地盤を）、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５を利用して解泥する。
ケーシング３２内の原地盤に対する解泥工程では、掘削兼攪拌混合翼３５を回転駆動させつつ、ケーシング３２内の上端位置から下端位置へ向けて下降させる。これにより、工程ｂのケーシング圧入工程でケーシング３２内の原地盤が、上から下まで掘削兼攪拌混合翼３５によって解きほぐされる。
なお、図５（ｂ）〜（ｃ）に示す実施形態では、はじめに圧入工程を実施し、次いで、解泥工程を実施しているが、圧入工程と解泥工程を同時に進めてもよい。また、解泥工程の実施タイミングは、攪拌工程（図５（ｄ）〜（ｊ））を実施する前に行うものである限り特に限定されるものではない。
以後（工程ｄ〜工程ｊにおいて）、ケーシング３２を定位置に保持する。すなわち、ケーシング３２の下端が改良対象深度区間の下端に達した状態を保持して、改良対象深度区間の地盤改良を実施する。

工程ｄ
次に、管路１３が具備する材料供給路２５を通じて、改良材をケーシング３２内に投入する。このとき、手動で又は自動で、改良材排出補助手段４０の圧縮エアー吐出口４１から圧縮エアーを吐出し、その衝撃波によって材料供給路２５からの改良材の排出を促す。図３参照。後で実施する工程ｅ、工程ｇでも同様である。
材料供給路２５は、掘削兼攪拌混合翼３５の真上に改良材の排出口２６を有しているので、投入された改良材は、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５まで確実に供給される。
この工程で投入する改良材の量は、例えば、改良対象深度区間の下層部（上中下の三層に分けた場合の下層領域）を改良するのに必要な量とする。
なお、投入する改良材の量は特に限定されず、改良対象深度区間の天端から下端に及ぶ原地盤を改良するのに必要な全量を、攪拌工程の開始時に一度に纏めて投入してもよく、あるいは、改良対象深度区間を複数層に分け、単層分の改良に必要な量をだけを投入してもよい。本実施形態では、改良材の供給を、攪拌工程の開始時（図５の工程（ｄ））と、攪拌工程の途中（図５の工程（ｆ）（ｈ））で実施している。改良対象深度区間を複数層に分ける場合、改良対象深度における層区分は、ケーシング３２を吊持するワイヤーロープの繰り出し長を用いて区分してもよいし、ケーシングの上端面に深度計を設置して区分するようにしてもよい。
ケーシング３２内への改良材の投入後、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ、「ケーシング３２内の原地盤」と「ケーシング３２内に投入した改良材」とを攪拌混合する。このとき、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に短いストロークで小刻みに昇降させつつ、昇降式の掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を下から上に向かって移動させる。つまり、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ短いストロークで繰返し昇降させる。
上記の要領で、「ケーシング３２内の原地盤」と「ケーシング３２内に投入した改良材」とを攪拌混合することで、原地盤と改良材とが混合してなる改良土が形成される。改良土が形成された部分の地盤は改良されている。

工程ｅ
前記工程ｄと同様に、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に小刻みに昇降させつつ、掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を更に下から上に向かって移動させる。また、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ小刻みに昇降させる。

工程ｆ
ケーシング３２内における掘削兼攪拌混合翼３５の位置が、改良対象深度区間の下層部の天端（中層部の下端）に達したら、再び、管路１３が具備する材料供給路２５を通じて、改良材をケーシング３２内に投入する。この工程で投入する改良材の量は、例えば、改良対象深度区間の中層部（上中下の三層に分けた場合の中層領域）を改良するのに必要な量とする。
なお、本実施形態において、材料供給路２５は、その排出口２６がケーシング３２内での掘削兼攪拌混合翼３５の昇降動作に追随するように設けられている。すなわち、掘削兼攪拌混合翼３５と材料供給路２５は、一体となって昇降できるように一体的に構成されているため、掘削兼攪拌混合翼３５とその真上の排出口２６の相対距離は、常に一定の至近距離に保たれる。
ケーシング３２内への改良材の投入後、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ、「ケーシング３２内の原地盤」と「ケーシング３２内に投入した改良材」とを攪拌混合する。このとき、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に短いストロークで小刻みに昇降させつつ、掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を更に上に向かって移動させる。つまり、ケーシング３２内の原地盤を更に上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ小刻みに昇降させる。

工程ｇ
前記工程ｆと同様に、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に小刻みに昇降させつつ、掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を更に下から上に向かって移動させる。また、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ小刻みに昇降させる。

工程ｈ
ケーシング３２内における掘削兼攪拌混合翼３５の位置が、改良対象深度区間の中層部の天端（上層部の下端）に達したら、再び、管路１３が具備する材料供給路２５を通じて、改良材をケーシング３２内に投入する。この工程で投入する改良材の量は、例えば、改良対象深度区間の上層部（上中下の三層に分けた場合の上層領域）を改良するのに必要な量とする。
ケーシング３２内への改良材の投入後、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ、「ケーシング３２内の原地盤」と「ケーシング３２内に投入した改良材」とを攪拌混合する。このとき、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に短いストロークで小刻みに昇降させつつ、掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を更に上に向かって移動させる。つまり、ケーシング３２内の原地盤を更に上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ小刻みに昇降させる。

工程ｉ
前記工程ｈと同様に、ケーシング３２内で掘削兼攪拌混合翼３５を回転させながら同時に小刻みに昇降させつつ、掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合位置を更に下から上に向かって移動させる。また、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ小刻みに昇降させる。

工程ｊ
掘削兼攪拌混合翼３５による攪拌混合が、改良対象深度区間の天端に達したら、掘削兼攪拌混合翼３５を停止する。

工程ｋ
次に、グラブ３１を開き（図３（ａ）参照）、ケーシング３２を地盤から引抜き、その後、改良後の地盤の天端を整地する。以上の工程を経て、１地点の地盤改良が完了する。

その後、図１（ｂ）に示すように、必要に応じて、位置を変えて上記と同様の工程を繰り返して、対象領域の全体について地盤改良を行う。

（海底地盤へのケーシング圧入の原理）
次に、図５（ｂ）の圧入工程におけるケーシング圧入の原理について、図６、図７に基づいて具体的に説明する。
図６（１）（２）は、図５（ｂ）の圧入工程におけるケーシング圧入原理を示す図である。
図７（１）（２）（３）は、図５（ｂ）の圧入工程におけるケーシング圧入原理を更に詳細に示す図である。

本実施形態では、前述したケーシング内圧力制御装置（図４参照）を使用して、海底地盤の所定位置にケーシング３２を圧入する。具体的な圧入方法は次のとおりである。

ケーシング３２の圧入にあたっては、予め、ケーシング３２下端位置の深度に、ケーシング内圧力制御装置の水中排気口６０を位置決めしておく。これにより、ケーシング内水位が、水中排気口６０の深度に追従し、ケーシング下端位置まで下がる。その結果、ケーシング３２内が圧縮空気で満たされ、その圧縮空気の加圧力によって、ケーシング３２内への海水流入が妨げられる。つまり、ケーシング３２の下端と水中排気口６０の深度を水中で揃えることで、ケーシング３２内が排水された状態となる。なお、ケーシング３２内の容量を超える過剰な圧縮空気は、図６に示すように、水中排気管５６を介して水中排気口６０から水中に排気される。

このようにケーシング３２内への海水流入が妨げられた状態が確保されたら、続いて、図６（１）に示すようにケーシング３２下端を海底に突き当てて密着させる。これにより、ケーシング３２の下開口部が、海底地盤（粘性土）によって隙間なく塞がれた様な状態に至る。
図６（１）は、圧縮空気で満たされたケーシング３２の下端を、グラブ３１を開けた状態で海底地盤に対し隙間なくぴったりと突き当てた状態を示している。この状態では、図７（１）に示すように、ケーシング３２に作用する水圧および土圧とケーシング内気圧が均衡している。

次に、圧縮空気によりケーシング３２内への海水流入を妨げた状態で、且つ、ケーシング３２の下端が海底に当接した状態（ケーシング３２の下開口部が海底地盤によって塞がれたような状態）で、水中排気管５６を引き上げて水中排気口６０を上昇させる。つまり、ケーシング３２に対して水中排気口６０を相対的に上昇させる。すると、図７（２）に示すように、ケーシング３２内の圧縮空気が水中排気管５６を介してケーシング３２外に排出され、その結果、ケーシング３２内の気圧が低下して、ケーシング３２内に負圧が発生する。その結果、ケーシング３２に作用する水圧および土圧とケーシング内気圧の均衡が崩れて、ケーシング３２に作用する水圧が支配的となる。すなわち、図７（２）に示すように水中排気管５６を引き上げることでケーシング内の気圧が急激に低下し、その結果、ケーシング３２に作用する水圧が圧入力となってケーシング３２が圧入方向に押し進められる。

したがって、ケーシング内圧力制御装置を利用し、図６（２）に示すように水中排気管５６を引き上げることで、水圧を利用してケーシングを対象地盤に圧入することが可能となる。このケーシング圧入方法において、ケーシング内に発生する負圧およびケーシングに作用する水圧（圧入力）は、図７（３）に示すように、最大で水深分の圧力を与えることが可能である。

このようにしてケーシング３２を海底地盤に圧入することができれば、ケーシング３２内に相対的に海底地盤が入り込むため、当該ケーシング３２内に海底地盤の土砂を取り込むことが可能となる。

（水底地盤改良方法における水底地盤改良装置の上下方向の動作例）
次に、図８、図９に基づいて、前述した水底地盤改良方法における掘削兼攪拌混合翼３５（攪拌混合手段）の上下方向の動作例について説明する。
図８、図９に示す各グラフは、水底地盤改良装置３が具備する掘削兼攪拌混合翼３５の下端の上下方向の軌跡をグラフで示したものである。
なお、図８、図９に示す工程ａ〜ｋは、図５（ａ）〜（ｋ）に対応している。

前述した工程ｃ（図５（ｃ））では、ケーシング３２内の原地盤の解泥を行う。
このような解泥は、例えば図８（１）の工程ｃに示すように、水底地盤改良装置の掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ、上から下に向かって（改良深度範囲の天端から下端に向かって）１回貫入することで達成することが可能である。
なお、改良対象の原地盤をより細かく解泥するために、例えば図８（２）の工程ｃに示すように、改良深度範囲の天端から下端の間の範囲内で、掘削兼攪拌混合翼３５の昇降を複数回繰り返してもよい。

前述した工程ｄ〜ｊ（図５（ｄ）〜（ｊ））では、ケーシング３２内に取り込まれた原地盤と改良材が攪拌混合されるように掘削兼攪拌混合翼３５を作動させて、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する。
ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程では、例えば図９（１）（２）（３）の工程ｄ〜ｊに示すように、掘削兼攪拌混合翼３５を短いストロークで小刻みに昇降させる。つまり、攪拌工程の全体（工程ｄ〜ｊ）を総合的に見れば、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良するのであるが、断片的には、掘削兼攪拌混合翼３５を短いストロークで小刻みに昇降させる。このときの昇降ストローク（昇降の距離）は、改良深度範囲の天端から下端に及ぶ範囲より短ければ特に限定されるものではなく、例えば図９（１）（２）（３）の工程ｄ〜ｊに例示するように、多様なバリエーションを採用することが可能である。
また、例えば図９（３）に示すように、ケーシング３２内の原地盤を下から上に向けて改良する過程で、掘削兼攪拌混合翼３５を短いストロークで時折降下させてもよい。

最後に、上述した実施形態は、特許請求の範囲に記載した本発明の例示であって、本発明の形態は必ずしもこれに限定されるものではない。また、本発明の用途は、海底地盤の改良に限定されるものではなく、川底の地盤改良や、湖底の地盤改良にも利用可能である。

１ 作業船（地盤改良船）
２ リーダ
３ 水底地盤改良装置
４ ワイヤーロープ
１１ 掘削兼攪拌混合部
１３ 管路（流路）
１５ 改良材投入口（材料投入口）
１７ オーガーモーター（回転駆動装置）
２１ 材料保持部（材料保持管）
２３ 外管（ケーシング支持部材）
２５ 材料供給路（内管）
２６ 排出口
２７ 制御弁（圧力差開閉弁）
３１ グラブ（掘削手段）
３２ ケーシング
３５ 掘削兼攪拌混合翼（攪拌混合手段）
４０ 改良材排出補助手段
４１ 圧縮エアー吐出口
４３ 圧縮エアー流路
５１ エアーポンプ
５３ 排気路
５６ 水中排気管
５７ 排気バイパス管
５８ 排気ホース
５９ 水中排気管バルブ
６０ 水中排気口

Claims (8)

1. 水底地盤を内側に取り込むことが可能なケーシングと、前記ケーシングの内側で昇降可能な攪拌混合手段と、前記攪拌混合手段に向けて改良材を供給するための材料供給路と、を有する水底地盤改良装置を用いた水底地盤改良方法であって、
   前記水底地盤改良装置のケーシングを水底地盤に対し目標深度まで圧入する圧入工程と、
   前記ケーシングを圧入する過程で前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤を解きほぐす解泥工程と、
   前記ケーシングが前記水底地盤に圧入された状態で、前記水底地盤改良装置の攪拌混合手段に向けて改良材を送る改良材供給工程と、
   前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤と前記改良材が攪拌混合されるように前記攪拌混合手段を作動させて、前記水底地盤を下から上に向けて改良する攪拌工程と、
   を含むことを特徴とする水底地盤改良方法。
2. 前記解泥工程において、前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤を解きほぐすと同時に当該水底地盤に対し加水する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水底地盤改良方法。
3. 前記ケーシング内を圧縮空気で加圧することによって前記ケーシング内への水の流入を妨げた状態を確保し、その後、前記圧入工程を実施する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水底地盤改良方法。
4. 前記改良材供給工程を、前記攪拌工程の開始時と、前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤を複数層に分けて行う前記攪拌工程の単層ごとに実施する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水底地盤改良方法。
5. 前記攪拌工程において、
   前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤を下から上に向けて改良する過程で、前記攪拌混合手段を小刻みに昇降させる、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の水底地盤改良方法。
6. 前記攪拌工程において、
   前記ケーシング内に取り込まれた前記水底地盤を下から上に向けて改良する過程で、前記攪拌混合手段を時折降下させる、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の水底地盤改良方法。
7. 前記改良材は水和反応を生じさせるものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の水底地盤改良方法。
8. 前記改良材が鉄鋼スラグである、
   ことを特徴とする請求項７に記載の水底地盤改良方法。

Images