TWI581699B - An impact type high pressure hydraulic excavation device for forming a columnar cavity in a tree growing ground and a method for forming a columnar cavity - Google Patents

Description

於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置及以該裝置形成柱狀孔穴之方法

本發明是關於一種於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置及以該裝置形成柱狀孔穴之方法。

樹木的光合作用、呼吸作用、有機物質的合成和分解等過程中，都需要充足的水分子參與，因此水分對植物非常重要。而根系吸收水分並送到樹頂，必須透過葉片蒸散的拉力與根壓推力。根壓吸水耗能，需要大量的氧氣進行呼吸作用，因此吸水根系就會往氧氣、水分充足的土壤生長，進行吸水，提供樹體所需。

土壤的氧氣存在於土壤粒子間的孔隙，當土壤硬實，土壤粒子與粒子之間緊密排列，土壤粒子間的孔隙就會變小，一旦孔隙變小，氧氣含量就下降。常見都市中樹木的植穴土壤因輾壓、踩踏、造景、舖面等原因，使土壤逐漸密實而致孔隙缺乏，成為缺氧硬實之無效土壤層。樹木的吸水根系會因土壤中氧氣不足而出現浮根，以及中根、粗根逐漸缺氧死亡等問題。浮根會造成根系浮出表土或接近表土的淺層化現象，以致根系極易受到環境影響，表土水分充足時大量生長淺層細根，乾旱時因根系曝曬而於短時間內大量死亡。樹木根系長期處於生死之間的不穩定狀態，樹木便易受病菌入侵，無抵抗能力，樹勢逐漸衰弱、死亡。且浮根現象使得樹 木缺乏深部根系支持，強風來襲時極容易倒伏造成危險。

硬實土壤除了缺氧之外，也會併發排水不良的問題。土壤排水不良使得含水過於飽合，新的含氧水分進不了土壤，原先水中的含氧被微生物耗盡，厭氧菌大量繁殖，以致根系潰爛死亡。而在含水過飽合土壤中的樹木也會因為根系缺氧而出現大量浮根的問題。

樹木的衰弱、死亡、倒伏，都來自於根系及土壤的問題，並非地上部枝條的問題，因此種樹、養樹要注重樹木的「根本」，從土壤環境解決，提供大的土壤粒子孔隙、連續性的土壤間隙、深層有效孔隙，讓根系生長於含氧率及含水率良好的環境，使樹木得以健康生長。

以下文獻以氣壓式、機械式、水壓式改善土壤不良的問題。

中華民國專利文獻I397372提出一種透過壓縮空氣將土壤挖掘為孔狀的器具及方法，所述之器具是在與壓縮空氣供給裝置的管件前端連接一噴嘴，從噴嘴噴出壓縮空氣將土壤挖掘為孔狀。以噴出壓力25~10氣壓的壓縮空氣進行土壤改良作業，透過噴射壓縮空氣，挖鬆噴嘴前端部附近的土壤，從而漸深形成一孔，孔的深度可達地下30~50公分。然而，透過壓縮空氣將土壤挖掘為孔狀之工法，在實施上有其限制性。首先，噴出的氣體壓力是一個瞬間短暫的爆發力量，透過這個爆發力量衝開土壤，因此要形成一個連續深度的柱狀孔穴必需通過多次的氣壓噴發爆衝，而無法以連續定點加壓的方式完成連續深度的柱狀孔穴。再者，愈深層的土壤硬度愈高，氣壓掘孔愈難實施，通常可實現的深度約為地表下30~50公分，但實際上要達到改良排水性和含氧率，有時孔深必需深及200~300cm，以氣壓掘孔無法達到這個深度。此外，在包含許多片岩、石礫的土壤中，氣壓 無法使片岩或石礫破碎，因此氣壓掘孔不適用於這一類的土壤。氣壓若使包覆片岩和石礫的土壤鬆動，將導致的片岩和石礫缺乏土壤支撐又流回孔中的問題。而對於黏性高的土壤，氣壓爆衝方式亦難以使其黏性鬆動，因此在黏性高的土壤中氣壓掘孔也相對困難。

日本專利文獻JPA1993192002提出一種透過壓縮空氣進行土壤深耕挖掘的機具，並進一步透過壓縮空氣使肥料在土壤中擴散。此一文獻雖然在土壤中形成了柱狀孔穴，但該柱狀孔穴主要為施肥之用，基於根系吸收肥料所需，掘孔深度約為15~30cm。此一專利文獻之掘孔深度和掘孔方法無法解決中層及深層土壤之排水不良和含氧率低的問題。

中華民國專利文獻M488188提出一種具施肥結構之鑽打土壤裝置，該裝置可於一鑽打模式、一爆土模式與一施肥模式間變換；鑽打模式，以機械力進行土壤鑽打以形成柱狀孔穴；爆土模式，以高壓氣體使土壤爆開而鬆土；施肥模式，供應養份流體至土壤中。此文獻的主要目的在於施肥，並非用於解決樹木生育地深層土壤排水及含氧率不良的問題。此文獻雖然提到了氣壓爆土，但並非用於掘孔，而是使土壤鬆動以便於流體肥料之吸收。此文獻也提到了將流體肥料注入土壤，但並非使用高壓流體，而是以低壓方式將流體注入已鑽打完成並鬆土的孔洞中。

中華民國專利文獻201325429，揭露以高壓水力挖掘土壤使樹木生育地形成柱狀孔穴之工法，該工法主要利用水刀氣旋機產生之高壓水柱，經氣旋噴頭使水柱產生迴旋動力，以水柱沖刷、掏挖土壤，使土壤由表面向下形成柱狀孔穴。該工法利用高壓水的切割力作用於土壤，柱狀孔穴是被水力沖刷、掏挖而形成的。此工法較容易實現在淺層或中層土壤， 愈深層的土壤硬度愈高，高壓水切割硬土所需的時間相對增加，特別在含有多量片岩和石礫的土壤中，高壓水則難以突破片岩和石礫。實施此工法時亦應注意氣旋噴頭的保護，氣旋噴頭應避免接觸土壤，以免損壞。然而在實際操作時，氣旋噴頭仍難免被沖刷掏挖而形成的攪流土壤碰撞，因此損壞率偏高。

基於先前技術所提及之氣壓式、機械式、水壓式等改良土壤之文獻，在實作上均有所侷限，因此本發明提出一種於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，期能突破這些侷限，在作業效率以及土壤改良之成效上有更好的表現。

本發明一種於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，包含：一噴管，該噴管之第一端連接一高壓水源；一噴頭，連接於該噴管之第二端，用以將高壓水源釋出並形成強力水射流；一衝擊頭，以可組卸之手段組裝於該噴頭外部；該衝擊頭之中心具有一供強力水射流釋出之出射孔，該衝擊頭的前端具有一用以接觸並衝擊土壤之破擊部，該衝擊頭的外部具有一控制土壤之柱狀孔穴直徑之導引部；該衝擊式高壓水力挖掘裝置以強力水射流對該土壤之目標區施加一沖激溶解力，同時以該破擊部撞擊該目標區之土壤，據以加速於該目標區形成一可深達土壤硬盤層之柱狀孔穴。

更進一步的，該強力水射流為柱狀之強力水射流。

更進一步的，該強力水射流為具有迴旋動態之強力水射流。

更進一步的，該破擊部是由一錐狀結構所構成。

更進一步的，該破擊部是由環設於該衝擊頭前端的鋸齒所構成。

更進一步的，該破擊部是由環設於該衝擊頭之尖叉所構成。

更進一步的，該衝擊頭之出射孔具有孔徑大於噴頭之噴水孔之孔徑之特徵。

更進一步的，該衝擊頭之出射孔之孔徑具有由上而下皆等徑之特徵。

更進一步的，該衝擊頭之出射孔之孔徑具有由上而下由小而大之漸寬特徵，至該破擊部該出射孔之孔徑為最大。

更進一步的，該導引部具有由上而下為相等外徑之特徵。

更進一步的，該導引部具有由上而下由小而大之外徑漸變特徵。

本發明亦提出一種使用上述衝擊式高壓水力挖掘裝置於樹木生育地之土壤形成柱狀孔穴之方法，包括：該衝擊式高壓水力挖掘裝置以強力水射流對該土壤之目標區進行沖激溶解，於目標區之土壤沖激溶解之同時以該破擊部撞擊該目標區之土壤，據以於該目標區形成一可深達土壤硬盤層之柱狀孔穴。

該衝擊式高壓水力挖掘裝置以強力水射流對該土壤之目標區提供沖激力和溶解力，同時以該衝擊式高壓水力挖掘裝置之破擊部撞擊該目標區之土壤，據以加速於該目標區形成一柱狀孔穴。

藉由強力水射流對土壤之沖激力、溶解力以及破擊部撞擊土壤之破擊力等多重作用下，可加速柱狀孔穴的成型。

藉由上述之沖激力、溶解力、破擊力之多重作用，可從地表往 下通過淺層土、中層土至深層土形成柱狀孔穴。所述的柱狀孔穴的深度按樹勢和生育地問題而定，從50公分~3公尺(甚至3公尺以上)都可以藉由本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置達成。3公尺的柱狀孔穴已達土壤之硬盤層，深達硬盤層之柱狀孔穴對於改善土壤排水性及含氧率的效果將可由樹勢之改善而顯現。以深層且連續的有效孔隙，讓樹木的中根與粗根健全發展，有效維持樹木健康與支撐樹體。

本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置對土壤之目標區所提供之沖激力、溶解力、破擊力等多重作用力是定點、定方向且持續的，柱狀孔穴也是定點、定方向連續的形成。

藉由上述多重作用力，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置可以適用在各種土壤，特別是深層土壤、硬度高、黏性高、含多量片岩或石礫的土壤，以機械力或氣壓爆破等方式無法進行深孔鑽掘之土壤，均可藉由本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置進行柱狀孔穴之鑽掘。特別是含多量片岩或石礫的土壤，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置藉由上述多重作用力可以使片岩或石礫破碎，被破碎的片岩或石礫會隨著溢流出孔口的水而被帶離深孔，不致回填孔中。再者，針對黏性高的土壤，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置可利用上述之多重作用力，破壞土壤之黏結，從而使黏性土壤被鬆動而得以形成柱狀孔穴。

本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置之衝擊頭除了衝擊土壤之外，亦具有保護噴頭的作用，避免噴頭因接觸土壤而撞擊受損的問題。

本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置之衝擊頭是以可組卸之手段組合於噴頭外部，可按實際需要選擇不同形式的衝擊頭。

本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置之衝擊頭藉由通過其中的強力水射流而避免土壤積塞於內部。

本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置之衝擊頭之導引部，具有控制土壤之柱狀孔穴直徑、導引該裝置向土壤深部進給、導引逆流泥水往柱狀孔穴之孔口方向溢流、以及導引泥水避免泥水形成衝擊式高壓水力挖掘裝置進給之阻力等作用。強力水射流作用於土壤後所形成的泥水會經由該導引部向柱狀孔穴之孔口溢出，因此柱狀孔穴的直徑會因溢流的泥水撐開而略大於導引部的外徑，導引部將泥水往孔口的方向導引，泥水不致於四散噴流而破壞柱狀孔穴的形狀，因此該導引部具有保持該柱狀孔穴形狀和控制柱狀孔穴直徑的作用。此外，當泥水可以被順利往上導引，即可減少衝擊式高壓水力挖掘裝置往土壤深部進給的阻力。

土壤表面具有鋪面或植草磚等工程亦可施作。

10‧‧‧噴管

20‧‧‧噴頭

21‧‧‧噴水孔

25‧‧‧旋轉噴頭

30‧‧‧衝擊頭

31‧‧‧出射孔

32‧‧‧破擊部

321‧‧‧錐狀結構

322‧‧‧鋸齒

323‧‧‧尖叉

33‧‧‧導引部

第一圖為本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置第一實施例剖面圖。

第二圖為本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置第二實施例剖面圖。

第三圖為本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置第三實施例剖面圖。

第四圖為本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置第四實施例剖面圖。

第五圖為本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置第五實施例剖面圖。

第六圖為使用本發明衝擊式高壓水力挖掘裝置實施土壤改良之示意圖。

為便於說明上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體 實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。

如第一至五圖，本發明一種於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，包含：一噴管10，該噴管10之第一端連接一高壓水源(圖未示)；一噴頭20，連接於該噴管10之第二端，用以釋出高壓水源並形成具切割力之強力水射流；一衝擊頭30，以可組卸之手段組裝於該噴頭20外部；該衝擊頭30之中心具有一供強力水射流釋出之出射孔31，該衝擊頭30的前端具有一用以接觸並衝擊土壤之破擊部32，該衝擊頭30的外部具有一導引部33。

噴管10、噴頭20和高壓水源均為習知技術，在本發明中較佳實施例之噴管10為硬體直管且長度可連接延長。在本發明中較佳實施例之噴頭20為一種將高壓水源再加壓出射形成柱狀的或迴旋動態的強力水射流的結構。

關於該衝擊頭30是通過可組卸之技術手段組裝於該噴頭20的外部。所述之可組卸手段包含但不限於螺紋連接方式，亦即衝擊頭30設有螺孔，噴管10的外部或噴頭20的外部設有螺紋段，螺孔與螺紋段之組合達到衝擊頭30結合於噴頭20外部的目的。在第一至第四圖實施例，衝擊頭30的設置對噴頭20起了保護的作用，它使噴頭20不會直接接觸土壤或被撞擊。在第五圖實施例中，衝擊頭30設置於旋轉噴頭25的前端，旋轉噴頭25是一個總稱，主要是在外殼251的內部設置可使強力水射流呈現迴旋動態的噴嘴，雖然噴嘴已經被外殼251所保護，但外殼251若非不鏽鋼材料，則不具備可撞擊土壤的結構強度，外殼251並不能作衝擊頭之用。即便外殼251採 不鏽鋼材料製成，但以其直接撞擊土壤時，會使內部的迴旋噴嘴連帶受到震動，迴旋噴嘴很容易損壞。本發明之衝擊頭30連接在外殼251的前端，以其接觸和撞擊土壤，避免迴旋噴嘴直接承受衝撞力，故仍具有保護噴嘴的作用。

關於該衝擊頭30之破擊部32，在本發明中較佳的實施例為第一圖、二、五圖所描述的錐狀結構321，或第三圖所描述環設於該衝擊頭30前端的鋸齒322，或第四圖所描述環設於該衝擊頭30之尖叉323。破擊部32的作用在於直接撞擊土壤，並且是在強力水射流沖激和溶解土壤的同時撞擊土壤使土壤鬆動。視土壤的性質選用不同型式的破擊部32的衝擊頭30。第一、二、五圖錐狀結構321之破擊部32是以單點擊打之衝擊力使土壤從受力點開始鬆動，第三、四圖鋸齒322或尖叉323之破擊部32是以多點戳擊之衝擊力使土壤從多個受力點開始鬆動。

第一圖至第五圖中所描述的衝擊頭30，均具有出射孔31的孔徑大於噴頭20之噴水孔21之孔徑之特徵，其目的是不阻擋或影響從噴頭20釋出之柱狀或回旋動態的強力水射流，即便在噴頭20外加裝了衝擊頭30，亦絲毫不影響強力水射流之出射以及其切割力。第一至四圖所描述噴頭20可釋出柱狀之強力水射流，第五圖所描述之旋轉噴頭25則釋出迴旋動態之強力水射流。更進一步的，如第一、二圖，該衝擊頭30之出射孔31之孔徑具有由上而下皆等徑之特徵。又如第三、四、五圖，該衝擊頭30之出射孔31之孔徑具有由上而下由小而大之漸寬特徵，至該破擊部32該出射孔31之孔徑為最大。該出射孔31孔徑之變化端視鑽掘土壤時所需出強力水射流的作用範圍而定。

關於該衝擊頭30之導引部33，如第一、三、四圖所描述的，其具有由上而下為相等外徑之特徵，或如第二圖所描述的，其具有由上而下由小而大之外徑漸變特徵，且其導引部33的輪廓幾乎與破擊部32的輪廓連成一個弧形。當衝擊頭30整個進入到土壤中開始形成柱狀孔穴時，該導引部33基本上具有定義柱狀孔穴直徑的功能，且強力水射流以及破擊部32作用於土壤後所形成的大量泥水可經由該導引部33之引導而向柱狀孔穴之孔口溢出，因此柱狀孔穴的直徑會因溢流的泥水撐開而略大於導引部33的外徑，導引部33將泥水往孔口的方向導引，泥水不致於四散噴流而破壞柱狀孔穴的形狀和尺寸，因此該導引部33具有保持該柱狀孔穴形狀和控制柱狀孔穴直徑的作用。此外，當泥水可以被順利往上導引，即可減少衝擊式高壓水力挖掘裝置往土壤深部進給的阻力。據上所述，該導引部33在土壤之柱狀孔穴形成的過程中具有控制土壤之柱狀孔穴直徑、導引衝擊式高壓水力挖掘裝置向土壤深部進給、導引逆流泥水往柱狀孔穴之孔口方向溢流、以及導引泥水避免泥水形成衝擊式高壓水力挖掘裝置進給之阻力等作用。

如第六圖，使用上述衝擊式高壓水力挖掘裝置於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之方法，該衝擊式高壓水力挖掘裝置以強力水射流對該土壤之目標區進行沖激溶解，於目標區之土壤沖激溶解之同時以該破擊部撞擊該目標區之土壤，加速鬆動該目標區的土壤，據以於該目標區形成一可深達土壤硬盤層之柱狀孔穴40。

藉由柱狀孔穴確實可以改善樹木生育地之土壤排水性和含氧率，一個用以說明之操作方式如下，但僅用於說明本發明，而非限制本發明之可實現範圍。以樹木之根頭為中心，半徑為100~150公分範圍內的土 壤做為預定的整治範圍，於該土壤整治範圍內以該衝擊式高壓水力挖掘裝置之強力水射流以及衝擊頭衝擊土壤之目標區，該衝擊式高壓水力挖掘裝置以強力水射流對該目標區提供沖激力和溶解力，同時使用者以該衝擊式高壓水力挖掘裝置之破擊部撞擊該目標區之土壤，在沖激力、溶解力以及破擊部撞擊土壤之破擊力等多重作用下，可從地表往下通過淺層土、中層土至深層土形成柱狀孔穴。所述的柱狀孔穴的深度按樹木的生長和生育地的問題而定，從50公分~3公尺都可以藉由本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置來實現。3公尺的柱狀孔穴已達土壤之硬盤層，深度達到硬盤層的柱狀孔穴對於改善土壤排水性及含氧率的效果可從樹勢之改善上顯而易見。本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置對土壤之目標區所提供之沖激力、溶解力、破擊力等多重作用力是定點、定方向且持續的，柱狀孔穴也是定點、定方向連續的形成。

藉由上述多重作用力，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置可以適用在各種土壤，特別是深層土壤、硬度高、黏性高、含多量片岩或石礫的土壤，以機械力或氣壓爆破等方式無法進行深孔鑽掘之土壤，均可藉由本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置進行柱狀孔穴之鑽掘。特別是含多量片岩或石礫的土壤，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置藉由上述多重作用力可以使片岩或石礫破碎，被破碎的片岩或石礫會隨著溢流出孔口的水而被帶離深孔，不致回填孔中。再者，針對黏性高的土壤，本發明之衝擊式高壓水力挖掘裝置可利用上述之多重作用力，破壞土壤之黏結，從而使黏性土壤被鬆動而得以形成柱狀孔穴。

該柱狀孔穴40可以維持相當長的時間(至少半年)，在這期間並無土壤崩塌封孔的現象，主要原因是土壤本身有相當的支撐性可以支撐住柱 狀孔穴40的孔壁而不崩土，亦可將可分解的多孔隙材質填充孔洞以維持沖擊孔40的持久性和有效性。該柱狀孔穴40可為空孔，亦可填放增進根系生長之有機物質。

10‧‧‧噴管

20‧‧‧噴頭

21‧‧‧噴水孔

30‧‧‧衝擊頭

31‧‧‧出射孔

32‧‧‧破擊部

321‧‧‧錐狀結構

33‧‧‧導引部

Claims (10)

1. 一種於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，包含：一噴管，該噴管之第一端連接一高壓水源；一噴頭，連接於該噴管之第二端，用以釋出該高壓水源並形成強力水射流；一衝擊頭，以可組卸之手段組裝於該噴頭外部；該衝擊頭之中心具有一供該強力水射流釋出之出射孔，該衝擊頭的前端具有一用以接觸並衝擊土壤之破擊部，該衝擊頭的外部具有一控制土壤之柱狀孔穴直徑之導引部；該衝擊式高壓水力挖掘裝置以該強力水射流對土壤之一目標區施加一沖激溶解力，以該破擊部撞擊該目標區之土壤使其加速鬆動，據以於該目標區形成一可深達土壤硬盤層之柱狀孔穴。
2. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該破擊部是一錐狀結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該破擊部是由環設於該衝擊頭前端的鋸齒所構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該破擊部是由環設於該衝擊頭之尖叉所構成。
5. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式 高壓水力挖掘裝置，其中，該衝擊頭之出射孔之孔徑大於該噴頭之噴水孔之孔徑。
6. 如申請專利範圍第5項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該衝擊頭之出射孔之是一等徑孔。
7. 如申請專利範圍第5項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該衝擊頭之出射孔之孔徑具有由上而下由小而大之漸寬特徵，至該破擊部該出射孔之孔徑為最大。
8. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該導引部具有由上而下為相等外徑之特徵。
9. 如申請專利範圍第1項所述於樹木生育地土壤形成柱狀孔穴之衝擊式高壓水力挖掘裝置，其中，該導引部具有由上而下由小而大之外徑漸變特徵。
10. 一種使用請求項1之衝擊式高壓水力挖掘裝置於樹木生育地之土壤形成柱狀孔穴方法，包括：以該衝擊式高壓水力挖掘裝置之強力水射流對該土壤之目標區進行沖激溶解，於目標區之土壤沖激溶解之同時以該破擊部撞擊該目標區之土壤，據以於該目標區形成一可深達土壤硬盤層之柱狀孔穴。