JP7209683B2

JP7209683B2 - 地盤改良装置

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Publication number: JP7209683B2
Application number: JP2020212307A
Authority: JP
Inventors: 肇一田中; 航能登; 成一高見; 光洋雑賀; 啓二中井; 健秋間
Original assignee: Fudo Tetra Corp
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP2022098736A

Description

本発明は、地盤中に改良材料を噴射し、噴射した改良材料と地盤を混合攪拌し、地盤中に地盤改良体を造成して地盤改良を行う地盤改良装置に関する。

地盤改良方法の一つである高圧噴射攪拌工法では、地盤中に貫入可能な管ロッドと、管ロッドの下部に取り付ける攪拌ヘッドを備える地盤改良装置を用いて地盤改良を行う。この地盤改良装置の攪拌ヘッドには、改良材料を噴射する噴射ノズルを備える。改良材料は、セメントミルクなどの固化材とエアーを混合したもので、噴射ノズルより噴射する。

高圧噴射攪拌工法は、地盤にガイドホールを削孔し、このガイドホール内に、下部に攪拌ヘッドを取り付ける管ロッドを貫入する。管ロッドを所定の深度まで貫入した後、管ロッドを回転させながら、攪拌ヘッドの噴射ノズルより改良材料を地盤中に噴射する。この噴射する改良材料により地盤を掘削するとともに、掘削した地盤と改良材料を混合攪拌する。この地盤の掘削と、地盤と改良材料の混合攪拌を、管ロッドを引き抜きながら上方に向かって行うことで、地盤中に上下に向かう円柱状の地盤改良体を造成して地盤改良を行うようになる。

高圧噴射攪拌工法では、改良材料を地盤中に噴射し、地盤を掘削するとともに、掘削した地盤と改良材料を混合攪拌するが、このとき、掘削した地盤と改良材料の一部がスラリー状の排泥となって、ガイドホール内において、ガイドホールと管ロッド間の隙間を上方に向かって流れる。この排泥は、ガイドホールから地表面に排出される。

この排泥の排出においては、円滑に排出を行うことができなければ、排泥が地盤中に大量に溜まって、それにより、地盤中に造成する地盤改良体において出来形不良という問題や周辺地盤の異常変位という問題が発生する。特に、深度２０ｍ以上の地盤改良を行う場合、排泥を地表面に排出することが難しく、ガイドホールと管ロッド間の隙間が閉塞し、排泥が地盤中に大量に溜まることで、地盤改良体の出来形不良や周辺地盤の異常変位などの問題が発生する。

そこで、排泥の排出を円滑に行えるようにするために、地盤改良装置の管ロッドの下部に流動化剤用ノズルを備え、この流動化剤用ノズルより排泥の流れを促進する流動化剤を上方に向けて吐出して、排泥を地表面に排出することが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、従来の地盤改良装置において、流動化剤用ノズルより吐出する流動化剤だけでは、排泥を上方に押し上げる力が弱く、そのため、排泥の排出を円滑に行うことができなくなる惧れがある。また、深度２０ｍ以上の地盤改良を行う場合、流動化剤の吐出だけでは排泥を上方に押し上げる力が弱いため、地表面に排泥を円滑に排出することができない。

特許第６７６２５９６号公報

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、地盤改良を行うときに発生する排泥を、地表面に円滑に排出できるようにし、地盤中に造成する地盤改良体の出来形不良や周辺地盤の異常変位などの問題が発生するのを防止できる地盤改良装置を提供することである。

本発明は、地盤中に貫入する管ロッドの下部に攪拌ヘッドを取り付け、攪拌ヘッドより地盤中に改良材料を噴射して地盤改良を行う地盤改良装置であって、管ロッドの下部に取り付ける攪拌ヘッドに、地盤中に改良材料を噴射する噴射ノズルを備えるとともに、噴射ノズルの上方に管ロッドの上部に向けて水又は水とエアーの混合物を噴射して排泥を上方に押し上げる第一排泥用噴射孔と、第一排泥用噴射孔の上方に間隔を空けて管ロッドの上部に向けてエアーを噴射して排泥を上方に押し上げる第二排泥用噴射孔とをそれぞれ備える地盤改良装置である。

本発明によれば、攪拌ヘッドに備えた第一排泥用噴射孔から水を管ロッドの上部に向けて噴射するとともに、同時に第一排泥用噴射孔の上方に備えた第二排泥用噴射孔からエアーを管ロッドの上部に向けて噴射することで、地盤改良時に発生する排泥を上方に良好に押し上げることができ、地表面に排泥を円滑に排出することができる。これにより、地盤中に造成する地盤改良体の出来形不良や周辺地盤の異常変位などの問題が発生するのを防止できる。

本発明の地盤改良装置の全体を示す説明図である。地盤改良装置の管ロッドの下部及び攪拌ヘッドの正面図である。地盤改良装置の攪拌ヘッドの縦断面図である。地盤改良装置の攪拌ヘッドの拡大平面図である。排泥の排出状態を全体的に示す図である。排泥の排出状態を示す図５の一部の拡大図である。

本発明の地盤改良装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る地盤改良装置は、地盤中に改良材料Ｓを噴射し、地盤を掘削するとともに、掘削した地盤と改良材料Ｓを混合攪拌して、地盤中に地盤改良体Ｔを造成する高圧噴射攪拌工法に用いるものである。ただし、地盤改良装置は、高圧噴射攪拌工法に限定されるものではなく、深層混合処理工法などによる他の地盤改良方法に用いるようにしてもよい。

図１は、地盤改良装置の全体を示す説明図である。
地盤改良装置は、図示のように、自走可能な施工機１を備え、施工機１の前部にマスト２を立設し、立設したマスト２に沿って上下に向かう回転自在の管ロッド３を備える。管ロッド３は、施工機１により地盤中に貫入または引き抜き可能となる。なお、施工機１は、自走可能なものに限定されず、固定式のものでもよい。

また、施工機１の周辺には、固化材を生成して、管ロッド３に供給する固化材供給部４と、管ロッド３にエアーを供給するエアー供給部５と、管ロッド３に水を供給する水供給部６などを備えている。固化材は、例えばセメントミルクである。ただし、セメントミルクに限定されるものではない。

図２は、地盤改良装置の管ロッド３の下部及び攪拌ヘッド７の正面図であり、図３は、地盤改良装置の攪拌ヘッド７の縦断面図であり、図４は、地盤改良装置の攪拌ヘッド７の拡大平面図である。
管ロッド３は、３重管構造で、その内部を、図１に示す固化材供給部４、エアー供給部５、水供給部６から供給されたセメントミルク（固化材）、水、エアーが別々に流れる。
この管ロッド３の下部には、図２に示すように、攪拌ヘッド７を取り付け、攪拌ヘッド７も、管ロッド３と同様、３重管構造で、その内部をセメントミルク、水、エアーが別々に流れる。その内部の構造については後述する。

攪拌ヘッド７は、その下端に、複数のビット１１を取り付けるとともに、セメントミルクを吐出する吐出孔１２を斜め下方に向けて備える。また、攪拌ヘッド７の下端のビット１１を取り付けた位置の上側に、改良材料Ｓを噴射する噴射ノズル１３を備える。噴射ノズル１３では、中心部からセメントミルクが、その周囲からエアーが出ることで、セメントミルクとエアーが混合して改良材料Ｓとなって地盤中に噴射する。

噴射ノズル１３は、図２、図３に示すように、攪拌ヘッド７の外周の２ヶ所に備え、その向き（噴射方向）を管ロッド３の軸方向と直交する方向にする。この噴射ノズル１３は、２つであるが、これに限定されるものではなく、１つあるいは３つ以上の複数であってもよい。また、噴射ノズル１３の向きも、管ロッド３の軸方向と直交する方向に限定されるものではなく、直交する方向から上下に傾く方向でもよい。

また、攪拌ヘッド７は、図２、図３、図４に示すように、その上下方向中間部に第一排泥用噴射孔１５を備えるとともに、第一排泥用噴射孔１５の上方に間隔Ｐを空けて第二排泥用噴射孔１６を備える。
第一排泥用噴射孔１５からは、管ロッド３の上部に向けて水Ｗを噴射する。第一排泥用噴射孔１５は、攪拌ヘッド７の外周の４か所（この実施形態では、攪拌ヘッド７の外周の周方向に等間隔）に備える。なお、第一排泥用噴射孔１５からは、水Ｗを噴射しているが、水Ｗとエアーを混合した混合物を噴射するようにしてもよい。第二排泥用噴射孔１６からは、管ロッド３の上部に向けてエアーＡを噴射する。第二排泥用噴射孔１６は、攪拌ヘッド７の外周の２ヶ所（この実施形態では、攪拌ヘッド７の径方向両側）に備える。

即ち、第一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６は、上下方向（管ロッド３の軸方向）において間隔Ｐを空けて備えている。ここでの第一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６の上下方向の間隔Ｐは、２０ｃｍ以上である。この第一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６の上下方向の間隔Ｐが２０ｃｍ未満であると、第一排泥用噴射孔１５から噴射する水Ｗと第二排泥用噴射孔１６から噴射するエアーＡとが噴射直後に互いに干渉し合って、排泥を上方に押し上げる力が弱くなる。そのため、排泥を上方に良好に押し上げるためには、一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６の上下方向の間隔Ｐを２０ｃｍ以上にするのがよい。

また、第一排泥用噴射孔１５は、攪拌ヘッド７の外周の４ヶ所に備えるようにしているが、これらに限らず、１ヶ所ないし３ヶ所あるいは５ヶ所以上の複数備えるようにしてもよい。第二排泥用噴射孔１６も、攪拌ヘッド７の外周の２ヶ所に備えるようにしているが、これらに限らず、１ヶ所あるいは３ヶ所以上の複数備えるようにしてもよい。

第一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６は、その向きを、つまり第一排泥用噴射孔１５の水Ｗ又は水Ｗとエアーの混合物の噴射方向あるいは第二排泥用噴射孔１６のエアーＡの噴射方向を、管ロッド３の上部に向けているが、その噴射方向は、管ロッド３の軸方向に対して上向きの０度から上向きの斜め５０度の角度の範囲Ｋである。なお、この噴射方向が管ロッド３の軸方向に対して上向きの斜め５０度より大きな角度にすると、排泥を上方に押し上げる力が弱くなり、排泥の円滑な排出ができなくなる。

また、第一排泥用噴射孔１５と第二排泥用噴射孔１６では、その噴射方向（向き）において、第一排泥用噴射孔１５の噴射方向を、第二排泥用噴射孔１６の噴射方向より管ロッド３の軸方向に対して上向きの斜めの角度を大きくするのがよい。例えば、第一排泥用噴射孔１５の噴射方向を管ロッド３の軸方向に対して上向きの斜め４５度の角度にし、第二排泥用噴射孔１６の噴射方向を管ロッド３の軸方向に対して上向きの斜め２０度の角度にする。なお、この角度は、管ロッド３の軸方向に対して上向きの０度から上向きの斜め５０度の角度の範囲Ｋ内であれば、上記の角度に限定されるものではない。

このように第一排泥用噴射孔１５の噴射方向を、第二排泥用噴射孔１６の噴射方向より管ロッド３の軸方向に対して上向きの斜めの角度を大きくすることで、第一排泥用噴射孔１５から噴射する水Ｗなどが、第二排泥用噴射孔１６から噴射するエアーＡに直接当たってエアーＡの噴射力（エアーＡによる排泥を押し上げる力）を弱めるのを防止でき、これにより、排泥を上方に良好に押し上げることができる。

次に、攪拌ヘッド７の内部の構造について説明する。
攪拌ヘッド７は、図３、図４に示すように、その中心側にセメントミルクが流れる第一通路２１を設け、その外側に水が流れる第二通路２２を設け、一番外側にエアーが流れる第三通路２３を設ける。

第一通路２１は、攪拌ヘッド７の下端に備える吐出孔１２に接続し、吐出孔１２にセメントミルクを供給する。これとともに、途中で分岐して、２つの噴射ノズル１３に接続し、噴射ノズル１３にセメントミルクを供給する。
第二通路２２は、攪拌ヘッド７の上下方向中間部に備えた第一排泥用噴射孔１５に接続し、第一排泥用噴射孔１５に水を供給する。
第三通路２３は、２つの噴射ノズル１３に接続し、噴射ノズル１３にエアーを供給するとともに、途中で分岐し、攪拌ヘッド７の上下方向中間部に備えた第二排泥用噴射孔１６に接続し、第二排泥用噴射孔１６にエアーを供給する。
なお、攪拌ヘッド７の内部の構造は、上記の３重管構造に限定されるものではなく、固化材供給部４、エアー供給部５、水供給部６から供給されたセメントミルク、水、エアーが別々に流れるものなら他の構造でもよい。

次に、この地盤改良装置を用いて行う地盤改良時の排泥の排出状態について説明する。
図５、排泥の排出状態を全体的に示す図であり、図６は、排泥の排出状態を示す図５の一部の拡大図である。
地盤改良装置において、図５、図６に示すように、地盤中に貫入した攪拌ヘッド７の噴射ノズル１３より改良材料Ｓを噴射し、地盤を掘削するとともに、掘削した地盤と改良材料Ｓを混合攪拌し、地盤中に地盤改良体Ｔを造成して地盤改良を行う。この地盤改良時、掘削した地盤と改良材料Ｓの一部がスラリー状の排泥となって、ガイドホールＨと管ロッド３間の隙間を上方に向かって流れる。

このとき、攪拌ヘッド７の上下方向中間部に備えた第一排泥用噴射孔１５から水Ｗを噴射するとともに、同時に第一排泥用噴射孔１５の上方に備えた第二排泥用噴射孔１６からエアーＡを噴射する。この第一排泥用噴射孔１５から噴射した水Ｗによって、排泥を上方に押し上げるとともに、排泥に水を混ぜることで、排泥を粘性の低い流動性のある状態にする（排泥の流動化）。続いて、第二排泥用噴射孔１６から噴射したエアーＡによって、粘性の低い流動性のある状態の排泥を上方に押し上げるようにする。

以上説明したように、攪拌ヘッド７に備えた第一排泥用噴射孔１５から水Ｗを管ロッド３の上部に向けて噴射するとともに、同時に第一排泥用噴射孔１５の上方に備えた第二排泥用噴射孔１６からエアーＡを管ロッド３の上部に向けて噴射することで、地盤改良時に発生する排泥を上方に良好に押し上げることができ、地表面に排泥を円滑に排出することができる。特に、粘土分含有率の多い粘性土地盤での地盤改良、あるいは深度２０ｍ以上の地盤改良を行う場合でも、地表面に排泥を円滑に排出することができる。これにより、地盤中に排泥が大量に溜まるのをなくし、地盤中に造成する地盤改良体Ｔの出来形不良や周辺地盤の異常変位などの問題が発生するのを防止することができる。

また、地盤改良時における排泥の排出では、第一排泥用噴射孔１５から噴射する水Ｗ又は水Ｗとエアーを混合した混合物と、第二排泥用噴射孔１６から噴射するエアーＡとを使用している。これにより、排泥の排出において、特殊な材料を使用することなく、水やエアーという入手が容易で安価な材料を使用することで、地盤改良における工費を安価にすることもできる。

また、管ロッド３と攪拌ヘッド７は、３重管構造にし、その内部をセメントミルク、水、エアーが別々に流れることで、セメントミルク、水、エアーの噴射する量を別々にコントロールすることができ、それぞれの噴射する量を最適なものにすることができる。

また、前述の実施形態において、第一排泥用噴射孔１５から噴射材料Ｊとして水Ｗを噴射しているが、この水Ｗに硬化遅延剤などを混ぜてもよい。水Ｗに硬化遅延剤などを混ぜることで、排泥が固まるのを遅らせることができ、排泥の排出をより円滑に行うことができる。

１…施工機、２…マスト、３…管ロッド、４…固化材供給部、５…エアー供給部、６…水供給部、７…攪拌ヘッド、１１…ビット、１２…吐出孔、１３…噴射ノズル、１５…第一排泥用噴射孔、１６…第二排泥用噴射孔、２１…第一通路、２２…第二通路、２３…第三通路。

Claims

地盤中に貫入する管ロッドの下部に攪拌ヘッドを取り付け、攪拌ヘッドより地盤中に改良材料を噴射して地盤改良を行う地盤改良装置であって、
管ロッドの下部に取り付ける攪拌ヘッドに、地盤中に改良材料を噴射する噴射ノズルを備えるとともに、噴射ノズルの上方に管ロッドの上部に向けて水又は水とエアーの混合物を噴射して排泥を上方に押し上げる第一排泥用噴射孔と、第一排泥用噴射孔の上方に間隔を空けて管ロッドの上部に向けてエアーを噴射して排泥を上方に押し上げる第二排泥用噴射孔とをそれぞれ備えることを特徴とする地盤改良装置。
請求項１に記載された地盤改良装置において、
第一排泥用噴射孔の噴射方向は、第二排泥用噴射孔の噴射方向より管ロッドの軸方向に対して上向きの斜めの角度を大きくしたことを特徴とする地盤改良装置。
請求項１又は２に記載された地盤改良装置において、
第一排泥用噴射孔と第二排泥用噴射孔の上下方向の間隔は、２０ｃｍ以上であることを特徴とする地盤改良装置。