JP7036433B2

JP7036433B2 - 杭打装置

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Publication number: JP7036433B2
Application number: JP2018118200A
Authority: JP
Inventors: 哲也鬼崎
Original assignee: YBM Co Ltd
Current assignee: YBM Co Ltd
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: JP2019218788A

Description

本発明は杭打装置に関し、より詳細には鋼管杭の地中への回転貫入において鋼管杭の高止まりを好適に防止しながら、支持層上端確認管理および鋼管杭の打ち止め管理を適切に遂行し、これにより鋼管杭を円滑かつ自動的に支持層に根入れさせることを可能にする杭打装置に関するものである。

構造物支持用の杭（鋼管杭）を地中に回転貫入する鋼管杭打設装置が広く利用されている（例えば特許文献１を参照。）。通常、鋼管杭はリーダの上端に設けられたウィンチによって吊り上げられ、スイベルヘッドのスピンドルと係合する「ヤットコ」と呼ばれる回転ロッドにアタッチメントを介して取り付けられる。スイベルヘッドは、鋼管杭を回転させるための回転モータと、リーダに沿って昇降させるための送りモータ（フィードモータ）を個別に備えており、鋼管杭は回転モータによって回転させられながら自重とスイベルヘッドの重量によって地中に回転貫入し、地盤の固い支持層へ所定の深さ根入れする。

杭打ちの本施工の前に、標準貫入試験を含む地盤調査を予め実施する必要がある。この地盤調査においては、鋼管杭が支持層に根入れするまでの間、地盤の強度の指標となるＮ値を計測し、支持層上端の深度（設計深度）等を把握する。そして、本施工においては、地盤調査位置近傍に試験杭として、地盤調査と同じ鋼管杭の本数を打ち込み、鋼管杭が支持層に根入れするまでの間計測される鋼管杭の１回転当たりの地中への貫入量（以下「PR値」という。）とトルクをそれぞれ計測し、これらPR値とトルクが地盤調査で計測したＮ値と同じ傾向であることを確認し、その後、本杭として鋼管杭の打設を開始する。

ところで、地盤調査から離れた位置での鋼管杭の打設において、地表から支持層上端の間に地盤調査によっては検出されなかった地盤の固い中間層が存在する場合がある。中間層の強度によっては、通常の鋼管杭の回転貫入動作によっては鋼管杭がこれ以深貫入することができずに高止まりする場合が起こり得る。このような場合に、鋼管杭の回転貫入動作を一旦停止し、鋼管杭を逆転させることにより鋼管杭が中間層を貫通できるように構成された鋼管杭打設装置が知られている（例えば特許文献２の［００５５］を参照。）。また、同様な場合、鋼管杭に逆転急上昇動作を間欠的に付与することにより鋼管杭が中間層を貫通できるように構成された基礎杭施工方法が知られている（例えば、特許文献３の８６頁の［実施例］を参照。）。

特開２００６－１３２１１８号公報特開２０１７－８９３６３号公報特開平３－１９４０１７号公報

図１１は、鋼管杭の回転羽根の中心からの距離がｒである定点についての螺旋状の軌跡を円周方向に沿って平面展開したときの１回転当たりの貫入量（PR値）と周方向回転移動量CPとの相関を示す概念図である。図１１（ａ）は鋼管杭が正転・下降しているときのPR値と周方向回転移動量CPとの相関を表している。図１１（ｂ）は鋼管杭が逆転・上昇しているときのPR値と周方向回転移動量CPとの相関を表している。

図１１から明らかな通り、鋼管杭が正転・下降（フリー降下を含む）しているときに正転・下降を停止し、逆転・上昇させることは、結局、鋼管杭が螺旋状の軌跡を逆に辿って行くことに相当し、地盤の固い中間層を軟化させる（中間層を打ち抜く）効果において更なる改善の余地があった。

また、鋼管杭が高止まりする場合において使用される打ち抜き工程についても、作業者（オペレータ）の技能・経験に依存するところが依然として大きく、これにより鋼管杭を回転貫入によって円滑かつ自動的に支持層に根入れさせることは極めて難しいという問題があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、鋼管杭の地中への回転貫入において鋼管杭の高止まりを好適に防止しながら、支持層上端確認管理および鋼管杭の打ち止め管理を適切に遂行し、これにより鋼管杭を円滑かつ自動的に支持層に根入れさせることを可能にする杭打装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る杭打装置は、前記杭（１）を地中に回転貫入させる杭打手段（４０）と、前記杭打手段を所定の方向に誘導する誘導手段（３０）と、前記杭（１）の回転貫入動作を制御する杭打ち制御手段（７０）とを備えた杭打装置（１００）であって、前記杭打ち制御手段（７０）は、事前の地盤調査において計測された支持層の深度に相当する設計深度（ｄt）より浅い地点で前記杭（１）の１回転当たりの貫入量が所定の第１閾値（PR_C1）を下回る場合、前記杭（１）の昇降動作と回転動作の組合せ選定において一方の動作を通常・中立の動作とし他方の動作を通常とは逆の動作となる組合せを少なくとも１つ含むように選定すると共に、選定された当該昇降動作及び当該回転動作とこれらの動作時間とに基づいて構成された１又は複数の打設モードを一連の動作とし、当該一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施することを特徴とする。

上記構成では、昇降動作と回転動作の組合せ選定において、一方の動作が通常・中立の動作であれば他方の動作は通常とは逆の動作となる組合せを少なくとも１つ含む打設モードが構成されている。これにより、固い地盤を通常とは異なる軌跡で切り込むことが可能となる。また、上記１又は複数の打設モードを一連の動作とし、その一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実行することにより、固い地盤を効率良く短時間で軟化させることが可能となる。その結果、杭（１）が地盤の固い中間層に貫入した場合に、杭（１）の高止まりを防止することが可能となる。

本発明に係る杭打装置の第２の特徴は、前記昇降動作は、前記杭（１）の「上昇」、「下降」及び「昇降制止」から成る一方、前記回転動作は、前記杭（１）の「正転」、「逆転」及び「回転制止」から成り、前記杭打ち制御手段（７０）は、前記「下降」と前記「逆転」、前記「上昇」と前記「正転」、又は前記「昇降制止」と前記「逆転」の組合せを少なくとも１つ含む前記打設モードを構成することである。

上記構成では、一方の動作が通常・中立の動作であり他方の動作が通常とは逆の動作となる組合せを少なくとも１つ含む打設モードを好適に構成することが可能となる。これにより、杭（１）が地盤の固い中間層に貫入した場合に、杭（１）を効率良く短時間に貫通させることが可能となる。

本発明に係る杭打装置の第３の特徴は、前記杭打ち制御手段（７０）は、前記一連の動作を前記回数（ｆ）にわたり繰り返し実施した後、前記杭（１）の前記貫入量が前記第１閾値（PR_C1）を上回る場合、又は当該杭（１）のトルクが所定の第２閾値（Tr_C1）を下回る場合、或いは前記貫入量が前記第１閾値（PR_C1）を上回り且つ前記トルクが所定の第２閾値（Tr_C1）を下回る場合に、通常の回転貫入に係る打設モードを実施することである。

上記構成では、杭（１）が地盤の固い中間層を貫通したことを好適に判定することができる。これにより、支持層上端確認管理、及び杭（１）の支持層根入れ判定（打ち止め管理）を適切に遂行することが可能となる。

本発明に係る杭打装置の第４の特徴は、前記杭打ち制御手段（７０）は、前記昇降動作の内の何れか１つを選択するための昇降動作選択モードと、前記回転動作の内の何れか１つを選択するための回転動作選択モードと、前記動作時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を入力するための時間設定モードと、選択された１又は複数の前記打設モードを一連の動作とし、当該一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施する前記回数を入力するための回数設定モードと、を備えた入力部（７１）を有することである。

上記構成では、地盤の固い中間層を効率良く短時間で杭（１）を貫通させることができる打設モードの作成において、オペレータの技能・経験を予め杭打ち制御手段（７０）に反映させることができる。

本発明に係る杭打装置の第５の特徴は、前記杭打手段（４０）は、前記杭（１）をその軸方向回りに回転させる第１回転機（４２）と、前記杭（１）をその軸方向に沿って昇降させる第２回転機（４４）とを有し、前記杭打ち制御手段（７０）は、前記第１回転機（４２）のトルク及び回転速度を増減させるための第１回転機設定モード、ならびに前記第２回転機（４４）のトルク及び回転速度を増減させるための第２回転機設定モードを備えた入力部（７１）を有することである。

上記構成では、杭（１）が今まで経験したことがない地盤の固い中間層に貫入した場合であっても、その中間層を貫通させる打設モードを好適に作成することができる。

本発明に係る杭打装置の第６の特徴は、前記杭打ち制御手段（７０）は、前記杭（１）の深度（ｄ）を計測する杭深度計測部（７２）と、前記杭（１）の回転数（Rev）を計測する杭回転数計測部（７３）と、前記杭（１）のトルク（Tr）を計測する杭トルク計測部（７４）とを備えることである。

上記構成では、杭（１）が回転貫入している時の杭（１）の１回転当たりの貫入量（PR値）とトルクを正確に計測することが可能となる。従って、例えば最初の４つの杭打ちにおいて計測された杭（１）のPR値の各実測値（PR1,PR2,PR3,PR4）及びトルクの各実測値（Tr1,Tr2,Tr3,Tr4）を基にして、杭（１）が支持層上端に貫入したことを判定する支持層上端確認PR値（PR_C1）、及び支持層上端確認トルク（Tr_C1）を規定することが可能となる。これにより、杭（１）が支持層上端に貫入したこと、並びに杭（１）が支持層に根入れしたことを自動的に判定することが可能となる。これにより、杭（１）の地中への回転貫入から支持層への根入れまでの一連の回転貫入動作を自動的に安定に実施することが可能となる。

本発明に係る杭打装置によれば、杭（１）の回転貫入動作を制御する杭打ち制御手段（７０）は、杭（１）が地盤の固い中間層に貫入した場合、杭（１）の所定の昇降動作と、杭（１）の所定の回転動作と、選定された前記昇降動作と前記回転動作を実施する動作時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）とに基づいて構成された１又は複数の打設モードを一連の動作とし、その一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施するように構成されている。特に、上記打設モードについての昇降動作と回転動作の組合せ選定においては、一方の動作が通常・中立の動作であれば他方の動作は通常とは逆の動作になる組合せを少なくとも１つ含むように構成されている。これにより、固い地盤を通常とは異なる軌跡で切り込むことが可能となる。従って、杭（１）が地盤の固い中間層に貫入し高止まりする場合、上記打設モードを一連の動作とし、その一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施することにより、地盤の固い中間層を効率良く短時間で杭（１）を貫通させることが可能となる。

また、上記杭打ち制御手段（７０）は、杭（１）の深度（ｄ）を計測する杭深度計測部（７２）と、杭（１）の回転数（Rev）を計測する杭回転数計測部（７３）と、杭（１）のトルクを計測する杭トルク計測部（７４）とを備えている。そのため、支持層上端確認管理値として支持層上端における杭（１）のPR値の各実測値（PR1,PR1,PR3,PR4）とトルクの各実測値（Tr1,Tr2,Tr3,Tr4）に基づいて、杭（１）が支持層上端に貫入したことを判定する支持層上端確認PR値（PR_C1）、及び支持層上端確認トルク（Tr_C1）を規定することができ、これにより、中間層の検出及び打ち抜き工程、並びに支持層上端の確認と杭（１）の打ち止め管理を適切に遂行することが可能となる。

本発明に係る杭打ち制御部が搭載された鋼管杭打設装置のリーダが起立した状態を示す説明図である。本発明に係る杭打ち制御部が搭載された鋼管杭打設装置のリーダが傾倒した状態を示す説明図である。鋼管杭の回転貫入動作を制御する杭打ち制御部の構成を示すブロック図である。入力部における機能設定画面の一例を示す説明図である。入力部における支持層上端判定および根入れ判定のための各支持層確認管理値の設定画面の一例を示す説明図である。入力部における中間層打ち抜き動作に係る設定画面の一例を示す説明図である。本発明に係る鋼管杭の回転羽根の中心からの距離がｒである定点についての螺旋状の軌跡を周方向に沿って平面展開したときの１回転当たりの貫入量と周方向回転移動量との相関関係を示す概念図である。本発明に係る杭打ち制御部による杭打ち自動貫入プロセスの一例を示すフロー図である。Ｎ値と鋼管杭のトルクと深度との相関関係を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係る入力部の中間層打ち抜き動作に係る設定画面の一例を示す説明図である。従来技術に係る鋼管杭の回転羽根の中心からの距離がｒである定点についての螺旋状の軌跡を周方向に沿って平面展開したときの１回転当たりの貫入量と周方向回転移動量との相関関係を示す概念図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明に係る杭打ち制御部７０が搭載された鋼管杭打設装置１００を示す説明図である。図１はリーダ３２が起立した状態を表し、図２はリーダ３２が傾倒した状態を表している。従って、図２では鋼管杭１、回転ロッド４６及びアタッチメント４７は図示されてはいない。

この鋼管杭打設装置１００は、車体２０を前後進させるクローラ装置１０と、オペレータを収容するための操作室２２ならびにエンジン、油圧ポンプ及びこれらの制御機器等を収容する動力室２３が配置された車体２０と、スイベルヘッド（打設装置）４０を昇降させるためのリーダ装置（誘導手段）３０と、鋼管杭１に回転トルクを与えるスイベルヘッド（杭打手段）４０とを具備して構成される。以下、各構成について説明する。

図２に示されるように、クローラ装置１０は、左右独立の走行モータ（図示せず）を有し、各走行モータに直結した左右独立の起動輪１１,１１と、回転自在な左右独立の遊動輪１２,１２と、起動輪１１と遊動輪１２との間に巻き掛けられる左右独立の無限履帯１３,１３と、起動輪１１と遊動輪１２との間に配置され無限履帯１３の張りを保持する回転自在な左右独立の複数の転輪１４とを具備しながら、車体２０を前後進させる。

車体２０は、上記操作室２２及び上記動力室２３以外にも、リーダ３２を起立又は傾倒させるリーダ起倒機構２４と、油圧ホース（図示せず）を高い位置で支持するためのリレーブラケット２６を起立又は傾倒させるリレーブラケット起倒機構２５と、車体２０を地面に押し付ける推力を発生させる４個のアウトリガ２７と、鋼管杭１の打設時において車体２０に作用する転倒モーメントを打ち消すためのカウンターウェイト２８とを備えている。また、図示されてはいないが、車体２０を鉛直方向回りに旋回させる旋回モータを別途備え、車体２０は左右方向に旋回することができる。

図２に示されるように、リーダ起倒機構２４は、リーダ３２の起立又は傾倒の支点となるリーダ揺動軸２４ａを回転自在（フリー）に軸受けするリーダ固定ブラケット２４ｂと、リーダ揺動軸２４ａを支点にして、第１リーダ３２ａを除いたリーダ３２と一緒に揺動するリーダ揺動ブラケット２４ｃと、第１リーダ３２ａと第２リーダ３２ｂをヒンジ結合するリーダヒンジ軸２４ｄと、リーダヒンジ軸２４ｄが取り付けられたリーダヒンジ板２４ｅと、第１リーダ３２ａの揺動を規制する第１揺動規制ボス２４ｆおよび第２揺動規制ボス２４ｇと、第１揺動規制ボス２４ｆと第２揺動規制ボス２４ｇに係合する揺動規制プレート２４ｈ（図１）と、リーダ３２を起立又は傾倒させる第１シリンダ２４ｉ（図１）とから構成される。なお、リーダ固定ブラケット２４ｂは後述する構造フレーム２１に固定されている。また、リーダ揺動ブラケット２４ｃは、第２リーダ３２ｂに固定されている。

従って、第１シリンダ２４ｉ（図１）に油圧が供給される場合、第１シリンダ２４ｉが軸方向に伸びて、第１リーダ３２ａを除いたリーダ３２がリーダ揺動軸２４ａを支点として起立し、第１リーダ３２ａに接合する。第１リーダ３２ａは揺動規制プレート２４ｈによって姿勢を固定される。これとは逆に、第１シリンダ２４ｉ（図１）の油圧が減圧される場合、第１シリンダ２４ｉが軸方向に収縮して、リーダ３２がリーダ揺動軸２４ａを支点として傾倒するとともに、リーダ３２がリーダヒンジ軸２４ｄを支点として折れ曲がる。その結果、第１リーダ３２ａは起立した姿勢を取り、第１リーダ３２ａを除いたリーダ３２ａは傾倒した姿勢を取る。

同様に、リレーブラケット２６を起立又は傾倒させるリレーブラケット起倒機構２５は、リレーブラケット２６の起立又は傾倒の支点となるリレー揺動軸２５ａと、リレー揺動軸２５ａを回転自在（フリー）に軸受けするリレー固定ブラケット２５ｂと、リレーブラケット２６に一体化されリレー揺動軸２５ａを支点に揺動するリレー揺動ブラケット２５ｃと、リレーブラケット２６を起立又は傾倒させる第２シリンダ２５ｄとから構成される。

図１に戻って、リーダ装置３０は、鋼管杭１をクランプするためのクランプ機構３１と、スイベルヘッド４０が鉛直方向に沿って昇降するための移動レールとなるリーダ３２と、鋼管杭１をつり上げるためのウィンチ３３とを備えている。

リーダ３２は分割式リーダである。本実施形態のリーダ３２は８個の分割リーダによって構成されている。説明の都合上、各分割リーダは、下から順に、第１リーダ３２ａ、第２リーダ３２ｂ、第３リーダ３２ｃ、第４リーダ３２ｄ、第５リーダ３２ｅ、第６リーダ３２ｆ、第７リーダ３２ｇ、及び第８リーダ３２ｈとして区別している。各分割リーダはボルト及びナットによって強固に締結されている。

また、各分割リーダには、スイベルヘッド４０を鉛直方向（上下方向）に案内するためのガイドレール３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈが各分割リーダの両側にそれぞれ設けられている。

また、各分割リーダには、スイベルヘッド４０の送りモータ４４（図２）と係合するラックギヤ３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅ、３５ｆ、３５ｇ、３５ｈが両側のガイドレールに挟まれた中央部にそれぞれ設けられている。

本実施形態では、比較的長い鋼管杭１の場合、第１シリンダ２４ｉのロッドの先端は第４リーダ３２ｄに係合されている。他方、比較的短い鋼管杭１の場合は、第１シリンダ２４ｉのロッドの先端は第２リーダ３２ｂに係合されている。

図２に戻って、スイベルヘッド４０は、ボディ４１と、回転ロッド４６（図１）を回転させる回転トルクを発生する左右独立の回転モータ４２,４２と、回転トルクを鋼管杭１に伝達するスピンドル４３と、スイベルヘッド４０を支持する支持力（軸力）を発生する左右の送りモータ４４,４４と、リーダ３２の凸状のガイドレール３４ａ,・・・,３４ｈに嵌合する左右独立の凹状のスライダ４５,４５と、回転トルクを鋼管杭１に伝達する回転ロッド４６（図１）とを備えている。なお、回転ロッド４６は、油圧チャック４３ａによってスピンドル４３に一体化されている。また、回転ロッド４６はアタッチメント４７（図１）を介して鋼管杭１に接続される。

図３は、鋼管杭１の回転貫入動作を制御する杭打ち制御部７０の構成を示すブロック図である。
この杭打ち制御部７０は、鋼管杭１の回転貫入動作に関する支持層上端の確認および鋼管杭１の打ち止め管理のための必要データをオペレータが入力するための入力部７１と、鋼管杭１の深度ｄを計測する杭深度計測部７２と、鋼管杭１の回転数Revを計測する杭回転数計測部７３と、鋼管杭１のトルクTrを計測する杭トルク計測部７４と、入力部７１によって設定された各種データ、鋼管杭１の深度ｄ、回転数Rev及びトルクTrに基づいて、回転モータ４２及び送りモータ４４を制御するコントローラ７５とを具備して構成される。コントローラ７５としては、例えば機器組み込み型のプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）又はマイクロコンピュータを使用することができる。また、コントローラ７５は、各種制御プログラム並びに、各計測部が計測した鋼管杭１の深度ｄ、回転数Rev及びトルクTr等を格納する記憶部７５ａを備えている。以下各構成について説明する。

入力部７１は、例えば液晶のパネルコンピュータをユーザーインターフェースとしている。図４は、入力部７１における機能設定画面の一例を示す説明図である。設定項目の選択及び決定の各操作については、オペレータが画面上の所望の項目を指でタップ或いはカーソルを移動させることにより設定項目を選択し、画面右下の決定ボタンをタップ又は決定キー（図示せず）を押すことにより、設定項目についての画面が表示される。必要なデータの入力については、仮想キーボード（図示せず）又は実装キーボード（図示せず）を介して行われる。

杭深度計測部７２は、送りモータ４４に取り付けられているロータリーエンコーダ（図示せず）の出力値を積算することにより鋼管杭１の深度ｄを計測している。

杭回転数計測部７３は、回転モータ４２に取り付けられているロータリーエンコーダ（図示せず）の出力値から鋼管杭１の回転数Revを計測している。

杭トルク計測部７４は、回転モータ４２に取り付けられている圧力センサの出力値（油圧）から鋼管杭１のトルクTrを計測している。

図５は、入力部７１における支持層上端判定および根入れ判定のための各支持層確認管理値の設定画面の一例を示す説明図である。ここでは、鋼管杭１が支持層上端に貫入したことを判定するための「支持層上端確認管理値」として、鋼管杭１の支持層上端におけるPR値（以下「支持層上端確認PR値PR_C1」という。）と、鋼管杭１の支持層上端におけるトルク（以下「支持層上端確認トルクTr_C1」という。）を使用して支持層上端を判定している。同様に、鋼管杭１が支持層に根入れしたことを判定するための「支持層根入れ（打ち止め）確認管理値」として、鋼管杭１の支持層上端以深への貫入量（以下「根入れ確認長ΔL_C2」という。）を使用し、或いは支持層上端以深における鋼管杭１の１回転当たりの貫入量（以下「根入れ確認PR値PR_C2」という。）を使用し、或いは支持層上端以深における鋼管杭１のトルク（以下「根入れ確認トルクTr_C2」という。）を使用して鋼管杭１の支持層根入れを判定している。

先ず、支持層上端判定のための支持層上端確認PR値PR_C1及び支持層上端確認トルクTr_C1の設定に必要な入力データとして、１本（組）の試験杭と３本（組）の管理値設定杭による各杭打ち工程において実際に計測された支持層上端PR値の実測値PR1,PR2,PR3,PR4を対応する矩形枠にオペレータがそれぞれ入力する。同様に、各杭打ち工程において実際に計測された支持層上端トルクの実測値Tr1,Tr2,Tr3,Tr4を対応する矩形枠にオペレータがそれぞれ入力する。その結果、支持層上端PR値の実測値の平均値PR_ave、及び支持層上端トルクの実測値の最小値Tr_minが自動的に算出される。

出力画面において、算出された支持層上端PR値の実測値の平均値PR_aveは、Ｋ１倍された後に支持層上端判定のための支持層上端確認PR値PR_C1として設定される。更に、支持層上端確認PR値PR_C1は、Ｋ２倍された後に支持層根入れ（打ち止め）判定のための根入れ確認PR値PR_C2として設定される。同様に、算出された支持層上端トルクの最小値Tr_minは、支持層上端判定のための支持層上端確認トルクTr_C1として設定される。

次に、支持層根入れ判定のための根入れ確認長ΔL_C2及び根入れ確認トルクTr_C2を設定するための必要な入力データとして、施工に使用される鋼管杭１の杭径Ｄｐ及び杭の肉厚ｔを対応する矩形枠にオペレータがそれぞれ入力する。オペレータが施工に使用される鋼管杭１の杭径Ｄｐと肉厚ｔを入力する場合、杭打ち制御部７０は許容トルクTr_aを算出する。算出された許容トルクTr_aは、支持層根入れ判定のための根入れ確認トルクTr_C2として設定される。また、杭径Ｄｐは、支持層根入れ判定のための根入れ確認長ΔL_C2として設定される。なお、杭径Ｄｐと肉厚ｔ及び許容トルクTr_a（許容ねじり強さ）の相関データはコントローラ７５の記憶部７５ａに予め保存されている。

その他の必要なデータとして、設計深度ｄt及び設計Ｎ値を対応する矩形枠にオペレータがそれぞれ入力する。これらは、後述する中間層の検出のために使用されるデータでもある。設計深度ｄtとは、地盤調査において計測された支持層上端の深度である。Ｎ値とは、質量６３.５kg±０.５kgのドライブハンマーを７６cm±１cmの高さから自由落下させてボーリングロッド頭部に取り付けたノッキングブロックを打撃し、ボーリングロッドの先端に取り付けられた標準貫入試験用サンプラーを３０cm打ち込むのに要する打撃回数のことである。

オペレータが画面右下の決定ボタンをタップすることにより、上記支持層上端確認PR値PR_C1、支持層上端確認トルクTr_C1、根入れ確認長ΔL_C2、根入れ確認トルクTr_C2、及び根入れ確認PR値PR_C2が、各確認管理値として設定される。以下に中間層打ち抜きの設定について説明する。

図６は、入力部７１における中間層打ち抜き動作に係る設定画面の一例を示す説明図である。この中間層打ち抜き動作とは、地表と支持層との間に地盤の固い中間層が存在し、鋼管杭１が中間層によって貫入を阻まれ高止まりしている場合に、コントローラ５５によって実行される打ち抜き工程である。

中間層打ち抜き動作は、昇降動作と回転動作と動作時間とによって規定される１又は複数（本実施形態では４パターン）の打ち抜き工程と、これら打ち抜き工程を一連の動作としその動作を繰り返す回数ｆとによって規定される。昇降動作又は回転動作の選択については、打ち抜き工程番号５にて示されるように、オペレータが各矩形枠の右端の黒塗り逆三角ボタン▼をタップすることにより、動作のリストがプルダウンされるようになっている。オペレータはリスト中の動作を１つ選択することができる。昇降動作の「下降」とは送りモータ４４によって鋼管杭１を地中に押し下げる通常の動作であり、「上昇」とは送りモータ４４によって鋼管杭１を地表に向けて引き上げる通常とは逆の動作である。また、「昇降制止」とは制動装置（図示せず）によって送りモータ４４の回転を強制的に停止させスイベルヘッド４０の高さ位置を固定する中立の動作である。

他方、回転動作の「正転」とは鋼管杭１が地中に回転貫入する通常の回転動作である。「逆転」とは「正転」の逆の回転動作である。「回転制止」とは制動装置（図示せず）によって回転モータ４２の回転を強制的に停止させ鋼管杭１が無回転状態になる中立の動作である。

打ち抜き工程のパターンについては、地盤の固い中間層を効率的かつ短時間に軟化させるために、昇降動作と回転動作において、一方の動作が通常・中立の動作であれば他方の動作は通常とは逆の動作になるように構成されている。例えば、打ち抜き工程番号１において昇降動作が「下降」という通常の動作であれば、回転動作は「逆転」という通常とは逆の動作になっている。同様に、打ち抜き工程番号２において昇降動作が「上昇」という通常とは逆の動作であれば、回転動作は「正転」という通常の動作になっている。同様に、打ち抜き工程番号３において昇降動作が「下降」という通常の動作であれば、回転動作は「逆転」という通常とは逆の動作になっている。同様に、打ち抜き工程番号４において「昇降制止」という中立の動作であれば、回転動作は「逆転」という通常とは逆の動作になっている。

そして、鋼管杭１を下降させながら逆転させる動作をｔ１秒間行う打ち抜き工程番号１、鋼管杭１を上昇させながら正転させる動作をｔ２秒間行う打ち抜き工程番号２、鋼管杭１を下降させながら逆転させる動作をｔ３秒間行う打ち抜き工程番号３、並びに鋼管杭１を昇降制止させながら逆転させる動作をｔ４秒間行う打ち抜き工程番号４を一連の動作として、その一連の動作をf回繰り返すこととしている。なお、一連の動作に含まれる打ち抜き工程（昇降動作、回転動作、動作時間）及び一連の動作の繰り返し回数ｆについては、デフォルト値としてコントローラ７５の記憶部７５ａに予め保存されているようにしても良い。或いは、例えば鋼管杭１のPR値またはトルク等の計測値を基にコントローラ７５が自動的に構成するようにしても良い。

図７は、本発明に係る中間層打ち抜き動作を示す概念図である。縦軸は鋼管杭１の回転羽根上の中心から半径ｒの定点についてのPR値を示し、横軸は上記定点についての周方向回転移動量CPを表している。周方向回転移動量CPは半径ｒと中心角θとの積に等しく、鋼管杭１が１回転する場合の周方向回転移動量CPは２πｒに等しくなる。

説明の都合上、点Ａにおいて中間層打ち抜き動作が実行されたとする。打ち抜き工程番号１は下降・逆転より、定点は点Ａから左下の点Ｂまで移動する。続いて打ち抜き工程番号２は上昇・正転より、定点は点Ｂから右上の点Ａまで移動する。続いて打ち抜き工程番号３は下降・逆転より、定点は再び点Ａから左下の点Ｂまで移動する。続いて打ち抜き工程番号４は昇降制止・逆転より、点Ｂから左方の点Ｃまで移動する。結局、点Ａ→点Ｂ→点Ａ→点Ｂ→点Ｃという軌跡を定点は辿ることになる。従って、再度打ち抜き工程番号１から４を実施すると、点Ｃ→点Ｄ→点Ｃ→点Ｄ→点Ｅという軌跡を定点は辿ることになる。結局、打ち抜き工程番号１から４を４回繰り返すと、定点は４つの段差を経て点Ａから点Ｉに到ることになる。特に区間ＡＢ、区間ＣＤ、区間ＥＦ及び区間ＧＨは定点が往復移動することになる。従って、回転羽根全体がこのような軌跡を辿るため、中間層を好適に軟化させることが可能となる。以下に上記杭打ち制御部７０による杭打ちプロセスについて説明する。

図８は、本発明に係る杭打ち制御部７０による杭打ち自動貫入プロセスの一例を示すフロー図である。

ステップＳ１として、回転数頭打ち制御（図４のｅ）を行う。この回転数頭打ち制御とは、鋼管杭１の鉛直性を保つために、地表から所定の深さｄ１（例えば０.５ｍ）に貫入するまでは、鋼管杭１が通常の回転数Rev_Nより低い回転数（例えば、通常の回転数Rev_Nの３０％）で動作するように回転モータ４２の回転数Revを制御する。

ステップＳ２として、鋼管杭１を回転貫入させて地中に埋設させる。ここでは、送りモータ４４は回転させずに回転モータ４２の回転トルクTrのみによって鋼管杭１を回転させ、鋼管杭１及びスイベルヘッド４０の自重と鋼管杭１の先端に設けられた回転羽根の推進力によって鋼管杭１を地中に回転貫入（フリー降下）させる。

ステップＳ３として、鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1以下であるか否かを判定する。鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1以下である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４へ進む。鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1を上回っている場合（ＮＯ）は、ステップＳ２に戻り鋼管杭１を回転貫入させる。

ステップＳ４として、鋼管杭１のトルクが支持層上端確認トルクTr_C1以上であるか否かを判定する。鋼管杭１のトルクが支持層上端確認トルクTr_C1以上である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ５へ進む。他方、鋼管杭１のトルクが支持層上端確認トルクTr_C1を下回っている場合（ＮＯ）は、ステップＳ２に戻り鋼管杭１を回転貫入させる。

ステップＳ５として、設計深度ｄtと鋼管杭１の深度ｄとの深度差ｄt－ｄが所定の閾値Δｄ以下であるか否かを判定する。つまり、このステップは、鋼管杭１が支持層上端近傍に位置している否かを判定する。図９に示されるように、事前の地盤調査によって設計Ｎ値Ｎtにおける設計深度ｄｔからΔｄ浅い位置に支持層上端があると推定することができる。従って、深度差ｄt－ｄが閾値Δｄ以下である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ９へ進み支持層根入れモードを実行する。深度差ｄt－ｄが閾値Δｄを上回る場合（ＮＯ）は、ステップＳ６に進み中間層打ち抜き動作を実行する。

ステップＳ６として、図６に示される打ち抜き工程（中間層打ち抜きモード）を実行する。打ち抜き工程番号１から４の動作を一連の動作として、その動作をｆ回繰り返す。その後ステップＳ７へ進み、打ち抜き完了か否かを判定する。打ち抜き完了か否かの判定は、ステップＳ３とステップＳ４と同様に、鋼管杭１のPR値とトルクによる二重判定（ダブルチェック）としている。

先ず、ステップＳ７において鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1を上回っているか否かを判定する。鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1以下である場合（ＮＯ）は、中間層の打ち抜きは完了していないと判断してステップＳ５に戻って、設計深度ｄtと鋼管杭１の深度ｄとの深度差ｄt－ｄが所定の閾値Δｄ以下であるか否かを再び判定する。深度差ｄt－ｄが閾値Δｄ以下である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ９へ進み支持層根入れモードを実行する。深度差ｄt－ｄが閾値Δｄを上回る場合（ＮＯ）は、ステップＳ６に進み、図６に示される中間層打ち抜きモードを再度実行する。鋼管杭１のPR値が支持層上端確認PR値PR_C1を上回っている場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ８に進み、打ち抜き完了か否かを判定する。

ステップＳ８として、鋼管杭１のトルクが支持層上端確認トルクTr_C1以上である場合（ＮＯ）は、中間層の打ち抜きは完了していないと判断してステップＳ５に戻って、設計深度ｄtと鋼管杭１の深度ｄとの深度差ｄt－ｄが所定の閾値Δｄ以下であるか否かを再び判定する。深度差ｄt－ｄが閾値Δｄ以下である場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ９へ進み支持層根入れモードを実行する。深度差ｄt－ｄが閾値Δｄを上回る場合（ＮＯ）は、ステップＳ６に進み、図６に示される中間層打ち抜きモードを再度実行する。鋼管杭１のトルクが支持層上端確認トルクTr_C1を下回っている場合（ＹＥＳ）は、中間層の打ち抜きが完了したと判断し、ステップＳ２へ戻って鋼管杭１の回転貫入動作を継続する。

ステップＳ９として、支持層根入れモードを実行する。支持層確認管理値が、支持層上端判定の管理値から根入れ判定の管理値に変更になる。これにより、ステップＳ１０からＳ１２に示されるように、根入れ長が根入れ確認長ΔL_C2（＝杭径Ｄｐ）以上であること、PR値が根入れ確認PR値PR_C2（＝Ｋ２・PR_C1）以下であること、或いはトルクが根入れ確認トルク（＝許容トルクTr_a）以上になることの何れかが成立する場合（ＹＥＳ）は、鋼管杭１の打設に係る施工は完了となる。

なお、ステップＳ１０からＳ１２において、いずれも成立しない場合（ＮＯ）は、ステップＳ９に戻り鋼管杭１の回転貫入を継続する。

以上の通り、上記本発明に係る鋼管杭打設装置１００によれば、鋼管杭１の回転貫入動作を制御する杭打ち制御部７０が、鋼管杭１が地盤の固い中間層に貫入した場合、鋼管杭１の所定の昇降動作と、鋼管杭１の所定の回転動作と、これら昇降動作と回転動作を実施する動作時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）とに基づいて予め作成された１又は複数の打ち抜き工程を一連の動作とし、その一連の動作を所定の回数ｆにわたり繰り返し実施するように構成されている。特に、上記打ち抜き工程についての昇降動作と回転動作の組合せにおいては、一方の動作が通常の動作であれば他方の動作は通常とは逆の動作になる組合せを少なくとも１つ含むように構成されている。これにより、鋼管杭１が地盤の固い中間層に貫入し高止まりする場合、上記打ち抜き工程を一連の動作とし、その一連の動作を所定の回数ｆにわたり繰り返し実施することにより、地盤の固い中間層を効率良く短時間で鋼管杭１を貫通させることが可能となる。

また、上記杭打ち制御部７０は、鋼管杭１の深度ｄを計測する杭深度計測部７２と、鋼管杭１の回転数Revを計測する杭回転数計測部７３と、鋼管杭１のトルクを計測する杭トルク計測部７４とを備えている。そのため、支持層上端確認管理値として支持層上端における鋼管杭１のPR値の各実測値PR1,PR1,PR3,PR4とトルクの各実測値Tr1,Tr2,Tr3,Tr4に基づいて、鋼管杭１が支持層上端に貫入したことを判定する支持層上端確認PR値PR_C1、及び支持層上端確認トルクTr_C1を規定することができ、これにより、中間層の検出及び打ち抜き工程、並びに支持層上端の確認と鋼管杭１の打ち止め管理を適切に遂行することが可能となる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る入力部７１の中間層打ち抜き動作に係る設定画面の一例を示す説明図である。
この設定画面では、追加設定として、昇降動作に係る送りモータ４４のトルク及びフィード速度と、回転モータ４２のトルク及び回転速度についてオペレータが所望の値を個別に設定することができるように構成されている。或いは、オペレータは送りモータ４４及び回転モータ４２について自動モードを選択することができる。オペレータが自動モードを選択する場合、コントローラ７５は、例えば送りモータ４４又は回転モータ４２についてのトルク及びフィード速度又は回転速度の各履歴データの中から最大値を抽出し、その値を既定値として設定するように構成されている。従って、図６に示される既定モード（デフォルトモード）によっては中間層を打ち抜くことが難しい場合は、各モータのトルクを増大させることにより、或いはフィード速度又は回転速度を上昇させることにより、或いはトルクと速度の両方を増大させることにより、中間層を効率よく打ち抜くことができるようになる。

なお、図３から図１０を参照しながら本発明に係る上記杭打ち制御部７０について説明してきたが、本発明の技術的特徴は上記実施例のみに限定されない。例えば、図８に示される自動貫入プロセスにおいて、鋼管杭１のPR値（ステップＳ３）とトルク（ステップＳ４）と設計深度（ステップＳ５）に基づいて中間層を検出しているが、鋼管杭１のPR値（ステップＳ３）と設計深度（ステップＳ５）に基づいて中間層を検出するようにしても良い。

同様に、鋼管杭１のPR値（ステップＳ７）とトルク（ステップＳ８）に基づいて鋼管杭１が中間層を打ち抜いた否かを判定しているが、鋼管杭１のPR値（ステップＳ７）のみに基づいて鋼管杭１が中間層を打ち抜いた否かを判定するようにしても良い。

また、図６に示される打ち抜き工程の昇降動作と回転動作の組合せ選定において、一方の動作が通常・中立の動作で他方の動作は通常とは逆の動作になる組合せは少なくとも１つ存在すれば良い。例えば、打ち抜き工程番号１については、昇降動作が「下降」であり回転動作は「逆転」である。打ち抜き工程番号２については、昇降動作が「上昇」であり回転動作は「逆転」である。そして、打ち抜き工程番号３については、昇降動作が「昇降制止」であり回転動作は「正転」である。

１鋼管杭（杭）
１０クローラ装置
１１起動輪
１２遊動輪
１３無限履帯
１４転輪
２０車体
２１構造フレーム
２２操作室
２３動力室
２４リーダ起倒機構
２５リレーブラケット起倒機構
２６リレーブラケット
２７アウトリガ
２８カウンターウェイト
３０リーダ装置（誘導手段）
３１クランプ機構
３２リーダ
３３ウィンチ
３４凸ガイドレール
４０スイベルヘッド（杭打手段）
４１ボディ
４２回転モータ（第１回転機）
４３スピンドル
４４送りモータ（第２回転機）
４５スライダ
４６回転ロッド
４７アタッチメント
７０杭打ち制御部（杭打ち制御手段）
７１入力部
７２杭深度計測部
７３杭回転数計測部
７４杭トルク計測部
７５コントローラ
７５ａ記憶部
１００鋼管杭打設装置（杭打装置）

Claims

杭（１）を地中に回転貫入させる杭打手段（４０）と、前記杭打手段を所定の方向に誘導する誘導手段（３０）と、前記杭（１）の回転貫入動作を制御する杭打ち制御手段（７０）とを備えた杭打装置（１００）であって、
前記杭打ち制御手段（７０）は、事前の地盤調査において計測された支持層の深度に相当する設計深度（ｄt）より浅い地点で前記杭（１）の１回転当たりの貫入量が所定の第１閾値（PR_C1）を下回る場合、
前記杭（１）の「上昇」、「下降」及び「昇降制止」から成る昇降動作と前記杭（１）の「正転」、「逆転」及び「回転制止」から成る回転動作の組合せ選定において、
前記「下降」と前記「逆転」、前記「上昇」と前記「正転」、又は前記「昇降制止」と前記「逆転」の組合せを少なくとも１つ含むように選定すると共に、選定された当該昇降動作及び当該回転動作とこれらの動作時間とに基づいて構成された１又は複数の打設モードを一連の動作とし、当該一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施することを特徴とする杭打装置。
請求項１に記載の杭打装置において、
前記杭打ち制御手段（７０）は、前記一連の動作を前記回数（ｆ）にわたり繰り返し実施した後、前記杭（１）の前記貫入量が前記第１閾値（PR_C1）を上回る場合、又は当該杭（１）のトルクが所定の第２閾値（Tr_C1）を下回る場合、或いは前記貫入量が前記第１閾値（PR_C1）を上回り且つ前記トルクが所定の第２閾値（Tr_C1）を下回る場合に、通常の回転貫入に係る打設モードを実施することを特徴とする杭打装置。
請求項１又は２に記載の杭打装置において、
前記杭打ち制御手段（７０）は、前記昇降動作の内の何れか１つを選択するための昇降動作選択モードと、前記回転動作の内の何れか１つを選択するための回転動作選択モードと、前記動作時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を入力するための時間設定モードと、選択された１又は複数の前記打設モードを一連の動作とし、当該一連の動作を所定の回数（ｆ）にわたり繰り返し実施する前記回数を入力するための回数設定モードと、を備えた入力部（７１）を有することを特徴とする杭打装置。
請求項１から３の何れか１項に記載の杭打装置において、
前記杭打手段（４０）は、前記杭（１）をその軸方向回りに回転させる第１回転機（４２）と、前記杭（１）をその軸方向に沿って昇降させる第２回転機（４４）とを有し、
前記杭打ち制御手段（７０）は、前記第１回転機（４２）のトルク及び回転速度を増減させるための第１回転機設定モード、ならびに前記第２回転機（４４）のトルク及び回転速度を増減させるための第２回転機設定モードを備えた入力部（７１）を有することを特徴とする杭打装置。
請求項１から４の何れか１項に記載の杭打装置において、
前記杭打ち制御手段（７０）は、前記杭（１）の深度（ｄ）を計測する杭深度計測部（７２）と、前記杭（１）の回転数（Rev）を計測する杭回転数計測部（７３）と、前記杭（１）のトルク（Tr）を計測する杭トルク計測部（７４）とを備えることを特徴とする杭打装置。