JP6943633B2 - リング状先端金物およびそれを使用する中掘り杭工法 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁基礎杭、建築基礎杭などの基礎杭などに使用される中掘り杭工法およびそれに使用されるリング状先端金物に関するものである。

中掘り工法は、河川流域から発達した我が国の都市部に多い比較的軟弱な地盤を中心として、アースオーガ工法等の技術により施工が行われている杭打ち工法である。

既存技術の代表的な方法である中掘り工法は、下記特許文献１にもあるように、無限軌道式ベースマシン（三点支持式杭打ち機等）におけるリーダに沿って配置される既製杭である鋼管杭内に鋼管杭の内径より小さな直径を有するオーガースクリューを配置し、オーガー駆動装置によりオーガースクリューを回転させ鋼管杭の先端の地盤を掘削しながら鋼管杭を沈設し、支持層に到達したところで先端処理を行い、杭を造成する方法である。
特許第３１７０６０４号公報

前記先端処理としては、沈設後の杭の支持力を増大するため、支持層に所定長打ち込むか、支持層中にセメントミルクを注入して杭と一体化するなどの対策がとられる。

前者は打撃によって杭の先端中空部に土を充填させ、先端を閉塞させるともに、支持層中に貫入させて支持力を得る最終打撃方式のものであり、後者は下端部の管内外にモルタル、セメントミルク、コンクリートといったセメント系資材を打設（場合によっては地盤と混錬）することで先端処理を行っている。

このようにセメント系資材を打設する先端処理の場合、打設される基礎杭に橋梁あるいは建築物等の上部構造物の荷重が、鋼管杭〜ずれ止め〜鋼管杭内コンクリート〜支持地盤の順に円滑に荷重が伝達されるよう、管状杭（内空部）にはずれ止め部が設けられることがある。

このずれ止め部は、下記非特許文献にも示されるように杭頭部にリブの無い平鋼管を用い、鋼管下端部には突起リング（平鋼をリング状に加工したもの）を複数段溶接によって取り付けたものである。
道路橋における 鋼管杭基礎・鋼管矢板基礎の中掘り杭工法（セメントミルク噴出攪拌方式）施工ガイドライン（案） 平成２７年３月、一般社団法人 鋼管杭・鋼矢板技術協会発行 第２２頁 図―２．１０（ｄ）

図１０に示すように、コンクリートを充填する鋼管（ケーシングパイプ）１の先端にはシアーキーとなる突起リング２を上下に間隔を存して設けている。

一方、基礎杭が岩盤層などの堅固な地盤への確実な根入が求められる場合には、アースオーガ工では掘削できない硬質地盤や岩盤の掘削能力に定評のあるダウンザホールハンマを用いて、硬質地盤や岩盤中に杭を打設することで、打設された杭が十分な支持力を確保できる。

図８に示すようにダウンザホールハンマ６は地盤や土砂を掘削する掘削工具として、先端面に超硬合金等の硬質材料からなるボタン状のチップ８ａが複数固定されたビットヘッド８と、このビットヘッド８に打撃を与えるエアハンマであるデバイス７を有し、ダウンザホールハンマ６の上端には駆動シャフト１０が固設されており、該シャフト１０は回転駆動装置に作動可能に連結されている。

図中９はダウンザホールハンマ掘削装置が鋼管を打撃圧入させるための突出部（デバイスガイド部）であり、この突出部９によって、リング状の段差部９ａが形成される。

下記特許文献にもあるが、ダウンザホールハンマ６を使用する場合は、鋼管（ケーシングパイプ）１の先端にリング状金物であるリング状先端金物（ケーシングトップ）１１が装着され、リング状先端金物１１の後端面が前記段差部９ａに当接されるように配置されている。
特開２００６−２８３５１６号公報

かかるリング状先端金物１１は、先端側（図８において下側）が肉厚部１１ｂとされ、後端側（図８において上側）が肉薄部１１ａとされており、肉厚部１１ｂと肉薄部１１ａとの間にテーパー面部１１ｃが形成されている。このテーパー面部１１ｃにケーシングパイプ１の先端部が溶接１２される。

前記特許文献２はいわゆる拡径掘削機に関するものであり、回転されて被掘削材に対して穿孔方向に送られると、被掘削材からの掘削抵抗によって、３つのビットヘッド８が各々の取付軸部の軸線を中心として回転し、ビットヘッド８の一部がデバイス７の外周面よりも突出した状態となり、ビット部が拡径される。この状態で、穿孔方向に掘削を行うことで、デバイス７の外径よりも一段大径の掘削孔が形成される。

一方、反対方向に回転すると、被掘削材との摩擦抵抗によって、３つのビットヘッド８が各々の取付軸部の軸線を中心として回転し、ビット部すべてがデバイス７の外径よりも内部に位置するように縮径される。この状態で穿孔方向と反対側に移動することでダウンザホールハンマ６を取り出すことができる。

中掘り杭による中掘り工法では前記のように先端閉塞を確保するために、鋼管先端内面にフラットバーなどのずれ止めを取り付けて打設し、セメントミルク、コンクリートで先端処理を行っている。

ダウンザホールハンマを用いる中掘り工法の場合、鋼管先端に施工治具であるリング状先端金物を取り付けるが、施工に際してハンマとリング状先端金物とのクリアランスを確保する必要がある。

しかし、図９に示すように鋼管内面とダウンザホールハンマのクリアランスが小さいことから、前記ずれ止めを形成するフラットバーはリング状先端金物に取り付けることが難しく、鋼管内壁に取り付けることになり、手間と加工負荷が高くなる課題がある。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、基礎杭が岩盤層などの堅固な地盤への確実な根入が求められる中、そのような硬質地盤や岩盤中に杭を打設するに際して、アースオーガ工法では掘削できない硬質地盤や岩盤の掘削能力に定評のあるダウンザホールハンマを用い、また打設された杭が十分な支持力を確保できるものであり、リング状先端金物に溝加工を施してずれ止めとすることで、クリアランスを確保しながら先端閉塞構造を構成でき、また、鋼管内壁にずれ止めを追加する場合も、ケーシングトップに溝加工を施した分、ずれ止め段数と下端からの設置区間距離を削減できるリング状先端金物およびそれを使用する中掘り杭工法を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明はリング状先端金物としては、第１に、鋼管杭・鋼管矢板の鋼管内にダウンザホールハンマを中掘り式にセットし掘進する中掘り杭工法において、鋼管先端に設けるもので、ダウンザホールハンマの被打撃部を有するリング状先端金物であって、溝加工を施して内側に軸心直角方向に突出したシアーキーを鋼管の内周方向に設けて形成し、該シアーキーは略リング状の金物であるリング状先端金物の内空部に突出した略リング状凸部であり、少なくとも１か所は形成されるように、少なくとも１ヶ所は略リング状凸部に隣接して略リング状凹部を配設して段差を設けており、このシアーキーを鋼管を打撃圧入が完了すると鋼管の軸心方向下端部にグラウチングを行い、先端閉塞構造を構成して杭を造成する際のずれ止め金物として兼用し、かつ、前記ダウンザホールハンマの被打撃部はシアーキーの一つに形成することを要旨とするものである。

第２に、ダウンザホールハンマの被打撃部は、複数段形成するシアーキーの中間段に、かつ、その上段のシアーキーよりも突出するようにして形成することを要旨とするものである。

第３に、下端側には、ダウンザホールハンマ側面を囲繞して、且つダウンザホールハンマの運動を許容するクリアランスを有する軸心方向に平行な案内面を形成したこと、第４に、案内面はシアーキーのひとつに形成すること、第５に、鋼管にいんろう嵌合で連結すること、第６に、いんろう嵌合部の内側への突出部分が、シアーキーを形成し、且つ、裏当て金を形成すること、第７に、先端部内壁にシアーキーを設けた鋼管杭の先端に取り付けることを要旨とするものである。

リング状先端金物を用いる中掘り杭工法としては、鋼管杭・鋼管矢板の鋼管内にダウンザホールハンマを中掘り式にセットし掘進する中掘り杭工法において、鋼管先端にはダウンザホールハンマの打撃用として請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のリング状先端金物を連結し、リング状先端金物の被打撃面を、ダウンザホールハンマ６で打撃することにより孔内に鋼管を打撃圧入し、打撃圧入が完了すると、鋼管の軸心方向下端部にグラウチングを行い、杭を造成することを要旨とするものである。

請求項１および請求項８記載の本発明によれば、リング状先端金物の使用によりダウンザホールハンマの打撃力を硬質地盤や岩盤への杭の打設力に利用することができ、杭として完成した際の、打設されたコンクリートとの確実な一体化ができる。また、打撃力を伝達する打撃面と、コンクリートとの確実な一体化を図るズレ止めが共有できることにより、管内空部のリング状の突起を最小限に抑えることができる。

さらに、リング状先端金物に溝加工を施してずれ止めとすることで、クリアランスを確保しながら先端閉塞構造を構成でき、また、鋼管内壁にずれ止めを追加する場合も、ケーシングトップに溝加工を施した分、ずれ止め段数と下端からの設置区間距離を削減でき取り付けの際等の施工上の負荷を軽減できる。

さらに、リング状先端金物のダウンザホールハンマの被打撃面はシアーキーの一つに形成することで、さらに、管内空部のリング状の突起を最小限に抑えることができる。

請求項２記載の本発明によれば、複数段設けられているシアーキーのうち、前記被打撃面を有しているシアーキーが、上から二段目以下に位置している（杭打設姿勢において最上段（一段目）に位置していない）。

例えば、杭が大径になり、杭１本に期待される支持力が大きくなる場合、（１）杭径の二乗に比例してコンクリートと鋼管杭との大きな付着力が求められ、多くの段数のズレ止めが必要となる。

また、（２）杭打ちのビット部はダウンザホールハンマ打撃のピストン運動している部分であるため、（ｉ）打撃力と必要エネルギー量の最適なバランスを確保するために最適な重量である必要があり、（ii）且つビットの高速のピストン打撃運動の衝撃に対する十分な耐久性を確保するため特殊合金で形成される高価な部位であることから、ビット長ｈ（図５参照）は短くすることが望ましい、という（１）（２）の条件を満たす構成として、多段のズレ止めが必要となる場合に、最上段よりも下段のズレ止めに、打撃部Ａを配置することで、好適なビットサイズ（ビット長ｈ）による施工が可能となり、ビット製作費や杭打設の施工費を低減できる。

逆に常に最上段に打撃部Ａを設けるとすると、ズレ止めの段数に比例してｈの長さが増し、重量が増大し、ピストン運動のためのエネルギー（エア量）も大きくなるため、コスト高となる。

請求項３記載の本発明によれば、ダウンザホールハンマ側面を囲繞して、且つダウンザホールハンマの運動を許容するクリアランスを有する軸心方向に平行な案内面を形成したので、この案内面がダウンザホールハンマの掘削ビットのスタビライザーとして機能することにより、ダウンザホールハンマの姿勢が保持され、掘進と杭打設の直進性が確保できる。

請求項４記載の本発明によれば、案内面はシアーキーのひとつに形成することで、シアーキーであるズレ止め用のリング状凸部が、ダウンザホールハンマの掘削ビットのスタビライザーとして機能することにより、凸状構造の数を最小限に抑え、製作費を縮減することができる。

請求項５記載の本発明によれば、リング状先端金物は鋼管にいんろう嵌合で接合されることにより、裏当て金が不要であり、また杭心とリング状先端金物のリング心の位置合わせも容易であるため、製作コストが縮減できる。

請求項６記載の本発明によれば、前記いんろう嵌合部の内側への突出部分が、シアーキーとして略リング状凸部を形成しており、杭先端（下端）の中詰コンクリートとの一体化を確保するため、製作コストが縮減できる。

また、前記いんろう嵌合部の内側への突出部分を、溶接の際の裏当て金として機能させることができるので、更に製作コストを縮減できる。

請求項７記載の本発明によれば、より強固にコンクリートとの一体化をさせることができる。

以上述べたように本発明のリング状先端金物およびそれを使用する中掘り杭工法は、基礎杭が岩盤層などの堅固な地盤への確実な根入が求められる中、そのような硬質地盤や岩盤中に杭を打設するに際して、アースオーガ工法では掘削できない硬質地盤や岩盤の掘削能力に定評のあるダウンザホールハンマを用い、また打設された杭が十分な支持力を確保できるものであり、リング状先端金物に溝加工を施してずれ止めとすることで、クリアランスを確保しながら先端閉塞構造を構成でき、また、鋼管内壁にずれ止めを追加する場合も、ケーシングトップに溝加工を施した分、ずれ止め段数と下端からの設置区間距離を削減できるものである。

以下図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の中掘り杭工法およびそれに使用するずれ止め金物の第１実施形態を示すもので、前記従来例を示す図８と同一構成要素には同一参照符号を付したものである。

図中１は鋼管（ケーシングパイプ）、６はダウンザホールハンマで、ダウンザホールハンマ６は地盤や土砂を掘削する掘削工具として、図示は省略するが、先端面に超硬合金等の硬質材料からなるボタン状のチップが複数固定されたビットヘッド８と、このビットヘッド８に打撃を与えるエアハンマであるデバイス７を有し、ダウンザホールハンマ６の上端には駆動シャフト１０が固設されており、該シャフト１０は回転駆動装置に作動可能に連結されている。

図中９はダウンザホールハンマ掘削装置が鋼管を打撃圧入させるための突出部（デバイスガイド部）であり、この突出部９によって、リング状の段差部９ａが形成される。

図中１１は鋼管（ケーシングパイプ）１の先端（管状杭の軸心方向の下端部）に装着されるリング状先端金物（ケーシングトップ）で、このリング状先端金物１１は鋼管（ケーシングパイプ）１とほぼ同じの外径（形）を有する。

リング状先端金物１１は、ケーシングパイプ１の先端部に溶接１２されるが、図３に示すように先端側（図３において下側）が肉厚部１１ｂとされ、後端側（図３において上側）が肉薄部１１ａとされており、肉厚部１１ｂと肉薄部１１ａとの間にテーパー面部１１ｃが形成されていて、肉薄部１１ａが鋼管（ケーシングパイプ）１内に入りこみ、いんろう嵌合１６で連結させてもよい。

このテーパー面部１１ｃにケーシングパイプ１の先端部が溶接１２される。

また、他の実施形態として図４に示すようにリング状先端金物１１の上端から縮径リング状の継手フランジ１７を突出させ、この継手フランジ１７をもって前記いんろう嵌合１６で連結（ソケット接合）させてもよい。

本発明は、リング状先端金物１１の内側にずれ止めとして軸心直角方向に突出したシアーキー１３を上下複数段に間隔を存して設けて、リング状先端金物１１をずれ止め金物として兼用させた。

前記図８、図９に示すような肉厚部１１ｂと肉薄部１１ａがあり、肉薄部１１ａが鋼管（ケーシングパイプ）１内に入りこみ、いんろう嵌合１６で連結させるリング状先端金物１１ではダウンザホールハンマの掘削装置（拡径ビット部）と鋼管内壁の間（クリアランス）は狭く、また、掘削装置が鋼管を打撃圧入させるための突出部（デバイスガイド部）があり、より一層クリアランスが小さいことから、小口径などの装置構成においてはその小さいクリアランスでは、ズレ止めをデバイスガイドより上につけることは困難な可能性が生ずるが、リング状先端金物１１に溝加工を施すことでシアーキー１３が形成できる。

シアーキー１３は略リング状の金物であるリング状先端金物１１の内空部に突出した略リング状凸部であり、少なくとも１か所（１段）は形成されるように、少なくとも１ヶ所は略リング状凸部に隣接して略リング状凹部を配設して段差を設けている。

リング状先端金物１１のダウンザホールハンマ被打撃面１４は掘進とともに掘削ビットの一部に打撃されるもので、リング状先端金物１１の内空部の軸心直角方向に突出して形成されるが、この被打撃面１４はシアーキー１３の一つに形成する。

内面にずれ止めを設けた鋼管と固化体の付着耐力については種々の評価方法が提案されており、一例として鉄道総合技術研究所編 『鉄道構造物等設計標準・同解説 鋼とコンクリートの複合構造物(平成28年1月)』がある。

支える荷重の大きさはずれ止めの段数に比例するので、高い強度を確保するには、ずれ止めの設置区間を大きくする必要がある。

その結果、杭径が大きくなると、ずれ止めの段数および設置範囲を増やす必要がある。

図２の実施形態では、被打撃面１４は複数段形成するシアーキー１３の中間段に、かつ、その上段のシアーキー１３よりも突出するようにして形成する。

すなわち、前記略リング状凸部であるシアーキー１３は前記被打撃面１４を有している略リング状の凸状部が、上から二段目以下に位置している杭打設姿勢において最上段（一段目）に位置していないこととした。

なお、図３や図４に示すリング状先端金物１１が鋼管（ケーシングパイプ）１にいんろう嵌合１６で連結する場合には、いんろう嵌合１６の部分の内側への突出部分がシアーキー１３を形成する。

リング状先端金物１１の下端側には、ダウンザホールハンマ６の側面を囲繞して、且つダウンザホールハンマ６の運動を許容するクリアランスを有する軸心方向に平行な案内面１５を形成した。案内面１５はシアーキー１３のひとつ（図示では最下段）に形成する。

案内面１５は、ダウンザホールハンマの掘削ビットのスタビライザーとして機能することにより、ダウンザホールハンマの姿勢が保持され、掘進と杭打設の直進性が確保できる。

図７に、図４に示す実施形態での実際製作品に近いリング状先端金物１１の仕様を示す。

リング状先端金物１１は、鋼管杭の材質と同等の鋼材で構成することができ、更に、掘削装置との組み合わせや土質や構造物の用途等の設計条件により、必要に応じての全部もしくは内空部の一部は、機械構造用炭素鋼材（Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ等）で構成されても良い。

前記シアーキー１３を形成するいんろう嵌合部１６の内側への突出部分（縮径リング状の継手フランジ１７）が、溶接１２を行なう際の裏当て金を形成するものである。

これにより最上段のズレ止めを溶接の際の裏当て金として機能させることができ、別途裏当て金を用いる必要はなくなる。

図６は第５実施形態を示すもので、鋼管（ケーシングパイプ）１は先端部内壁にシアーキー１３を設けたものであり、このようなシアーキー１３付きの鋼管（ケーシングパイプ）１の鋼管杭の先端にリング状先端金物１１を取り付けた。

これにより、リング状先端金物１１単独で確保するよりも強固にコンクリートと一体化することができ、そのような一体化を目的として鋼管杭にもズレ止め加工を追加する場合にも、リング状先端金物にズレ止め加工が施してある分、ズレ止め段数と下端からの設置区間距離を削減できる。

前記リング状先端金物１１によるずれ止め金物を使用して行う本発明の中掘り杭工法は、鋼管（ケーシングパイプ）１による管状杭の中空部に、ダウンザホールハンマ６、駆動シャフト１０から成る掘削軸部材を挿入し、前記ダウンザホールハンマ６を圧縮空気により駆動し打撃運動をさせるとともに、前記駆動シャフト１０を回転させることにより掘削を推進するとともに、前記リング状先端金物１１の前記被打撃面１４を、前記ダウンザホールハンマ６の一部で打撃することにより孔内に鋼管（ケーシングパイプ）１を打撃圧入する。

これにより、打撃圧入が完了すると、前記鋼管（ケーシングパイプ）１の軸心方向下端部にグラウチングを行い、杭を造成する。

本発明のリング状先端金物の第１実施形態を示す縦断側面図である。 本発明のリング状先端金物の第２実施形態を示す縦断側面図である。 本発明のリング状先端金物の第３実施形態を示す縦断側面図である。 本発明のリング状先端金物の第４実施形態を示す縦断側面図である。 本発明のリング状先端金物の説明図である。 本発明のリング状先端金物の第５実施形態を示す縦断側面図である。 本発明のリング状先端金物の端面図である。 従来例を示す縦断側面図である。 拡径ダウンザホールハンマでの従来例を示す縦断側面図である。 ずれ止め部が設けられた鋼管杭の縦断側面図である。

１…鋼管（ケーシングパイプ） ２…突起リング
６…ダウンザホールハンマ ７…デバイス
８…ビットヘッド ８ａ…チップ
９…突出部 ９ａ…段差部
１０…駆動シャフト １１…リング状先端金物
１１ａ…肉薄部 １１ｂ…肉厚部
１１ｃ…テーパー面部 １２…溶接
１３…シアーキー １４…被打撃面
１５…案内面 １６…いんろう嵌合
１７…継手フランジ

Claims (8)

1. 鋼管杭・鋼管矢板の鋼管内にダウンザホールハンマを中掘り式にセットし掘進する中掘り杭工法において、鋼管先端に設けるもので、ダウンザホールハンマの被打撃部を有するリング状先端金物であって、溝加工を施して内側に軸心直角方向に突出したシアーキーを鋼管の内周方向に設けて形成し、該シアーキーは略リング状の金物であるリング状先端金物の内空部に突出した略リング状凸部であり、少なくとも１か所は形成されるように、少なくとも１ヶ所は略リング状凸部に隣接して略リング状凹部を配設して段差を設けており、このシアーキーを鋼管を打撃圧入が完了すると鋼管の軸心方向下端部にグラウチングを行い、先端閉塞構造を構成して杭を造成する際のずれ止め金物として兼用し、かつ、前記ダウンザホールハンマの被打撃部はシアーキーの一つに形成することを特徴とするリング状先端金物。
2. ダウンザホールハンマの被打撃部は、複数段形成するシアーキーの中間段に、かつ、その上段のシアーキーよりも突出するようにして形成する請求項１に記載のリング状先端金物。
3. 下端側には、ダウンザホールハンマ側面を囲繞して、且つダウンザホールハンマの運動を許容するクリアランスを有する軸心方向に平行な案内面を形成した請求項または請求項２に記載のリング状先端金物。
4. 案内面はシアーキーのひとつに形成する請求項３記載のリング状先端金物。
5. 鋼管にいんろう嵌合で連結することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のリング状先端金物。
6. いんろう嵌合部の内側への突出部分が、シアーキーを形成し、且つ、裏当て金を形成する請求項５記載のリング状先端金物。
7. 先端部内壁にシアーキーを設けた鋼管杭の先端に取り付ける請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のリング状先端金物。
8. 鋼管杭・鋼管矢板の鋼管内にダウンザホールハンマを中掘り式にセットし掘進する中掘り杭工法において、鋼管先端にはダウンザホールハンマの打撃用として請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のリング状先端金物を連結し、リング状先端金物の被打撃面を、ダウンザホールハンマで打撃することにより孔内に鋼管を打撃圧入し、打撃圧入が完了すると、鋼管の軸心方向下端部にグラウチングを行い、杭を造成することを特徴としたリング状先端金物を使用する中掘り杭工法。
   

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