(57)【要約】【課題】ケーシングに圧縮空気を送り込むことで生じる浮力を、現有の施工設備の吊り能力で制御することができ、先行技術と同等以上の施工品質を確保することを可能とする、水底地盤へのケーシング圧入装置を提供する。【解決手段】本発明に係るケーシング圧入装置では、ケーシング３３の土砂取込み空間７１に圧縮空気を送り込んで、この空気圧力によって土砂取込み空間７１から海水を排水する。この圧縮空気は、ケーシング内を排水する一方で、ケーシングの浮力を増す方向に作用するが、本発明では、この浮力の影響を低減させるために、浮力制御用の液体（海水）を貯留可能な液体保持部６５を具備している。ケーシング内に送り込まれた圧縮空気の影響（浮力）は、液体貯留部６５の液体重量によって低減する。したがって、浮力によってケーシングの圧入が邪魔されることがなく、ケーシングを水底地盤に対し必要な分だけ確実に圧入することができる。【選択図】図２
2019183525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
前記液体保持部を通過して、水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと圧気用パイプと、
を有することを特徴とする水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項２】
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと、
前記圧縮空気を取込み可能な水中のケーシング内の土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
を有することを特徴とする水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項３】
前記液体保持部へ液体を注入するための注液部と、
前記液体保持部の液体を排出するための排液部と、
を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項４】
ケーシング内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁を更に有しており、
前記可動隔壁はケーシング内を、水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、前記液体保持部を有する浮力制御用空間の、２つの空間に仕切っている、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へのケーシング圧入装置。
【請求項５】
浮力制御用空間に設けられた前記液体保持部は、ケーシングの軸方向において伸縮可能に構成されており、
前記可動隔壁が浮力制御用空間を広げる方向に移動したときには、前記液体保持部を伸展させることが可能となり、
前記可動隔壁が浮力制御用空間を狭める方向に移動したときには、前記液体保持部を縮退させることが可能となる、
ことを特徴とする請求項４に記載の水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項６】
水底地盤に圧入可能なケーシングであって、
水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
を有することを特徴とするケーシング。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れかに記載のケーシング圧入装置を用いて、ケーシング内に水底の土砂を取込む方法であって、
ケーシング圧入装置の液体保持部に、ケーシングの浮力を制御するための液体を注入する工程と、
ケーシングの土砂取込み空間を圧縮空気で加圧し、その空気圧力によって土砂取込み空間への水の流入を妨げる工程と、
ケーシングの下端を水底に当接させて、水の流入が妨げられた土砂取込み空間に水底の土砂を取込む工程と、
を含むことを特徴とする水底の土砂取込み方法。
【請求項８】
請求項４又は５に記載のケーシング圧入装置を用いて、ケーシング内に水底の土砂を取込む方法であって、
ケーシング圧入装置の液体保持部に、ケーシングの浮力を制御するための液体を注入する工程と、
ケーシングの土砂取込み空間を圧縮空気で加圧し、その空気圧力によって土砂取込み空間への水の流入を妨げる工程と、
ケーシングの下端を水底に当接させて、水の流入が妨げられた土砂取込み空間に水底の土砂を取込む工程と、
土砂取込み空間への土砂の取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁を移動させる工程と、
を含むことを特徴とする水底の土砂取込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底、湖底、川底などの水底地盤の改良や水底環境の改善などの各種工事で利用可能な装置や方法に関するものであり、具体的には、海底地盤などの水底地盤にケーシングを圧入するための装置、水底地盤に圧入可能なケーシング、水底地盤の土砂をケーシング内に取り込む方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、海底地盤の改良や海底環境の改善を目的として各種工事が実施されている。そして、本願出願人らが先行して出願した特願２０１８−０１２９３１では、そのような海底地盤の改良や海底環境の改善などに利用可能な技術（以下「先行技術」という。）が提案されている。なお、本願の出願時において上記先行技術は公知ではなく、従来技術には該当しない。
【０００３】
以下、図８〜図１７に基づいて、上記先行技術の内容について概略的に説明する。
【０００４】
（作業船）
先行技術で利用する作業船１は、図８〜図１４に示すとおり、主として、
・  作業船１の船首側に立設されたリーダ３と、
・  リーダ３に沿って昇降自在に設けられた掘削兼攪拌混合装置５と、
・  リーダ３に沿って昇降自在に設けられた埋め戻し材投入装置７と、
・  リーダ３の側面に設けられたガイドレールと、
・  このガイドレールに沿って昇降自在に設けられた材料投入用の昇降式バケット９と、
・  改良材などを計量して昇降式バケット９に充填するための計量用ホッパー１１と、
・  施工に用いる改良材や埋め戻し材を収容する砂箱１３（材料収容箱）と、
・  砂箱内の改良材／埋め戻し材を計量用ホッパー１１へ向けて搬送するベルトコンベアー１５と、
・  アンカーワイヤー２を利用した作業船位置決めシステムと（図９参照）を
有している。
【０００５】
また、先行技術の作業船１は、前述した構成に加えて、掘削兼攪拌混合装置５が具備するケーシング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の詳細については後述する。
【０００６】
以下、作業船の主要部の構成について詳細に説明する。
【０００７】
（作業船位置決めシステム）
作業船位置決めシステムはＧＰＳを用いた位置誘導画面と、図９に示すように、作業船１に固定されたウインチと、該ウインチに巻き取り・繰り出し可能に連結されたアンカーワイヤー２の組合せを複数セット含んで構成されている。複数のアンカーワイヤー２の一又は二以上を選択的に操作することで、作業船１を海面上で任意の方向に移動させることができ、その結果、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る。
【０００８】
（掘削兼攪拌混合装置）
掘削兼攪拌混合装置５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、掘削土砂と改良材とを攪拌混合する「攪拌混合装置」としての機能を兼ね備えた装置である。
【０００９】
掘削兼攪拌混合装置５は、リーダ３に沿って昇降自在に設けられており、
図１０、図１１、図１３、図１４等に示すとおり、
・改良材をケーシング３２内に導くための送給路である材料供給管２１と、
・材料供給管２１に改良材を投入するための材料投入口２３と、
・回転駆動装置であるオーガーモーター２５と、
・材料供給管２１およびロッド２７の下端に設けられた掘削兼攪拌混合部２９と、
・オーガーモーター２５の動力を掘削兼攪拌混合部２９内の掘削兼攪拌混合翼３５に伝達するためのロッド２７と、
を有している。
【００１０】
図１４の正面図に示すとおり、材料供給管２１の上端側は材料投入口２３に連通しており、また、その下端側は掘削兼攪拌混合部２９のケーシング３２内に連通している。
【００１１】
また、材料供給管２１は、ケーシング３２内に圧縮空気を送るエアー流路（圧気用パイプ５２）を具備している。エアーポンプから、材料供給管２１を介して、ケーシング３２内に圧縮空気を送り込むことで、その空気圧によって、海中に水没した状態のケーシング３２内から海水を排出することが可能であり、また、ケーシング３２内から海水を排出した状態を維持することが可能である。
【００１２】
オーガーモーター２５から出力される回転動力は、ロッド２７を介して（図１４参照）、掘削兼攪拌混合部２９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。
【００１３】
このオーガーモーター２５は、図１０(a)に示すとおりリーダ３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２６に連結されている。当該ワイヤーロープ２６を上下方向で操作することでオーガーモーター２５を含む掘削兼攪拌混合装置５の全体がリーダ３に沿って昇降する。
【００１４】
材料供給管２１の下端に設けられた掘削兼攪拌混合部２９は、
図１３、図１４等に示すとおり、主として、
・開閉式のバケット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と、
を有している。
【００１５】
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、底部の開口部を開閉可能に構成されている。また、ケーシング３２の天端は、該ケーシングの上から内部に海水が入り込まないように塞いである。また、ケーシング３２の天端の上面側は、ケーシングより上に位置する海水による水圧を受ける水圧受け面として機能する。ケーシング３２がその天端の水圧受け面で受ける水圧は、該ケーシングを海底の地盤に圧入する際の圧入力に利用される。
【００１６】
また、ケーシング３２の上部には、一対の材料供給管２１の下端が連結されており、材料投入口２３から投入された改良材は該材料供給管２１を介してケーシング３２内にガイドされる。また、エアーポンプから圧送された圧縮エアーは材料供給管２１を介してケーシング３２内に送り込まれる。掘削兼攪拌混合部２９が海水中に没している場合には、該圧縮エアーの圧力によって、ケーシング３２内から海水を排出することができる。すなわち、空気圧によって海水が排出された空間をケーシング３２内に確保することができる。
【００１７】
オーガーモーター２５に連結されたロッド２７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、ロッド２７を介して伝達された動力によって回転駆動し、また図１３及び図１４に示すように、ケーシング３２内で昇降可能に設けられている。
【００１８】
また、ケーシング３２の先端（下端）には、開閉式のバケット３１（掘削手段）が設けられている。ケーシング３２とバケット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。バケット３１が開くことでケーシング３２の底部が開口し、また、該バケット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、バケット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。
【００１９】
このようなバケット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。
バケット３１が開いた状態を図１３(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。
バケット３１が開いた状態から閉じるときの動作を図１３(b)に示す。このときの一連の動作（開いた状態から閉じる動作）を通じて、その先端の掘削爪によって海底地盤が掘削されるとともに、バケット３１の内側およびケーシング３２内に掘削土砂を取り込むことができる。
バケット３１と掘削兼攪拌混合翼３５を併用して海底地盤を掘削している状態を図１３(c)に示す。この掘削兼攪拌混合翼３５を併用した掘削では、ケーシング３２内の掘削兼攪拌混合翼３５が一時的に下降し、ケーシング３２底部の開口部から突き出た状態で海底地盤を回転掘削している。
バケット３１が閉じた状態を図１３(d)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内に掘削土砂を取り込んでからバケット３１を閉じた場合には、該ケーシング３２は密閉されて、該掘削土砂はケーシング３２内に閉じ込められることになる。
【００２０】
掘削兼攪拌混合翼３５（攪拌混合手段）は、図１４に示すようにケーシング３２内で昇降可能に設けられている。
【００２１】
上記構成の掘削兼攪拌混合翼３５は、主として、
・バケット３１（掘削手段）によってケーシング３２内に取り込んだ掘削土砂、
・一対の材料供給管２１，２１を介してケーシング３２内に投入された改良材、
を攪拌混合する役割を担っている。すなわち、掘削兼攪拌混合翼３５は、掘削土砂や改良材を攪拌混合する際には、「攪拌混合手段」として機能する。
また図１３(c)に示すように、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。すなわち、掘削兼攪拌混合翼３５は、海底地盤を掘削する際には、「掘削手段」として機能する。
【００２２】
（ケーシング内圧力制御装置）
次に、図１５に基づいて、前述した作業船が具備する「ケーシング内圧力制御装置」について説明する。このケーシング内圧力制御装置は、海底地盤にケーシングを圧入する際には「圧入装置」の一部として機能し、また、ケーシング内の材料を水中で排出する際には「材料排出装置」の一部として機能する。
【００２３】
図１５は、作業船が具備するケーシング内圧力制御装置を示す、概略構成図、側面図、正面図である。なお、システム構成の特徴を容易に理解できるように、図１５(a)には、システム構成の要部のみを概略的に図示する。
【００２４】
後述するとおり、先行技術では、材料供給管２１（圧気用パイプ５２）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（図１７Ａの工程(a)を参照）。そして、先行技術のケーシング内圧力制御装置は、ケーシング内の空気圧（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。
【００２５】
先行技術のケーシング内圧力制御装置は、図１５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と、
・排気路５３の先端排気口を水中で上げ下げするための昇降モーター５５（昇降手段）を
具備している。
【００２６】
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の外部（海水中）にガイド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と、排気ホース５８と、水中排気管バルブ５９を含んで構成されている。
【００２７】
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５５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の長さやと昇降モーター５５などを設定する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
上記構成において、エアーポンプ５１からケーシング３２内に送り込まれた圧縮空気は、ケーシング内に収容されて、その空気圧によって海水をケーシング外に押し出す。
【００３１】
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。
【００３２】
（ケーシング内圧力制御装置の機能作用）
次に、図１６に基づいて、ケーシング内圧力制御装置の機能作用の概要について説明する。
図１６は、ケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す図である。
【００３３】
図１６に示すように、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５５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５５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。
【００３４】
このように、（ケーシング内に通ずる）排気路の排気口６０を水中で上げ下げすることで、水中のケーシング３２に対する排気口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。
【００３５】
また、ケーシング内に送り込んだ圧縮空気の圧力によって、ケーシング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、ケーシング内水位を精度よくコントロールすることができ、また、必要なときに簡単にケーシング内を排水することができる。
【００３６】
（埋め戻し材投入装置）
埋め戻し材投入装置７は、図１０に示すようにリーダ３に沿って昇降自在に設けられており、掘削兼攪拌混合装置５（掘削手段）による掘削で生じた掘削孔に、埋め戻し材を投入する役割を担っている。
【００３７】
この埋め戻し材投入装置７は、図１０(c)、図１２に示すように、
・埋め戻し材をガイドする略パイプ状のシュート４１と、
・シュート４１内に改良材を投入するための埋め戻し材投入口４３と、
・リーダ３に対してスライド可能に設けられたシュート振れ止め金物４５と（図１０(c)）、
を有している。
【００３８】
シュート４１の上端側はワイヤーロープ４６に連結されている。当該ワイヤーロープ４６を上下方向で操作することでシュート４１を含む埋め戻し材投入装置７の全体がリーダ３に沿って昇降する。そのときシュート４１が振れないように、シュート振れ止め金物４５がリーダ３によってガイドされる。
【００３９】
シュート４１の下端側は、図１２に示すように正面視で拡径しており、また、その上端側は略Ｙ字状に分岐している。略Ｙ字状に分岐したシュート４１上端のそれぞれに、埋め戻し材投入口４３が設けられている。
【００４０】
上記構成の埋め戻し材投入装置７は、掘削兼攪拌混合装置５による掘削で生じた海底の掘削孔に、シュート４１を介して埋め戻し材を投入し、該埋め戻し材で掘削孔を埋め戻す、といった機能・作用を発揮する。
【００４１】
（昇降式バケット）
図１０に示すように、作業船１の船首側にリーダ３が立設されており、このリーダ３の側面に設けられたガイドレールに沿って、改良材や埋め戻し材などの材料投入用の昇降式バケット９が昇降する。この昇降式バケット９は、掘削兼攪拌混合装置５の材料投入口２３に改良材を投入する役割を担うとともに、埋め戻し材投入装置７の埋め戻し材投入口４３に埋め戻し材（改良材）を投入する役割を担う。
【００４２】
昇降式バケット９への改良材／埋め戻し材の充填は、計量ホッパー１１を介して行われる。作業船１に設けられた砂箱１３には改良材／埋め戻し材が収容されており、ベルトコンベアー１５を介して計量ホッパー１１へ搬送される。
【００４３】
（海底地盤を対象とする工事の一例）
次に、前述した特徴を具備する作業船を用いた、海底地盤の改良や海底環境の改善の施工方法の具体例として、潜堤築造および浅場造成について説明する。
【００４４】
図１７Ａ、図１７Ｂ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〜ｍは、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す工程(a)〜(m)に対応している。
【００４５】
工程ａ
材料供給管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完全に排水し、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完全排水状態が保持される。
【００４６】
工程ｂ
材料供給管２１の下端に固設されたケーシング３２を、バケット３１を開いた状態で、所定位置の海底地盤に突き当てる。
【００４７】
工程ｃ
ケーシング３２を海底地盤に突き当てた状態で、該ケーシングを地盤に圧入する。
なお、ケーシング圧入の際には、必要に応じて掘削兼攪拌混合翼３５を下げて掘削補助として使用する。すなわち、掘削兼攪拌混合翼３５をケーシング３２底部の開口部から突き出し、回転駆動させる。
【００４８】
工程ｄ
ケーシング３２の先端にあるバケット３１（掘削手段）の開閉を繰り返し、掘削土砂をケーシング３２内に取り込む。なお、工程ａ以降、ケーシング３２内は圧縮空気によって加圧され続けて完全排水状態が維持されているので、該ケーシング３２内に海水が水圧で流れ込むことはない。以後も同様である。
【００４９】
工程ｅ
必要量の掘削土砂をケーシング３２内に取り込んだら、該ケーシング先端のバケット３１（掘削手段）を閉じる。これによりケーシング３２が密閉され、ケーシング３２内に取り込んだ掘削土砂がケーシング周囲の海水から隔離される。
【００５０】
工程ｆ
ケーシング３２底部（バケット３１）を閉じたまま掘削兼攪拌混合部２９の全体を引き抜き、所定量の改質材を材料供給管２１を介してケーシング３２内に投入する。そして、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内で上下動させて、「ケーシング３２内に取り込んだ掘削土砂」と「ケーシング３２内に投入した改質材」とを攪拌混合する。これらをケーシング３２内で攪拌混合することで、揚土することなくその場で、すなわち水中のケーシング３２内で「改質土」が製造される。
【００５１】
工程ｇ
掘削兼攪拌混合部２９（ケーシング３２）を引き抜いた後にできた掘削孔を埋め戻すため、アンカーワイヤー２を利用して操船し、埋め戻し材投入装置７のシュート４１下端を、掘削孔の真上に位置決めする。
【００５２】
工程ｈ
埋め戻し材投入装置７のシュート４１を所定位置まで下げ、該シュートを介して改質材を掘削孔に投入する。
【００５３】
工程ｉ
アンカーワイヤーを利用して操船し、掘削孔に投入された改質材位置に、再びケーシング３２下端を合わせる。ケーシング３２下端のバケット３１は閉じた状態とする。
【００５４】
工程ｊ
ケーシング３２を下げ、その下端のバケット３１で、掘削孔に投入された改質材を圧縮して締め固め、支持力の増強を図る。
【００５５】
工程ｋ
掘削孔に投入された改質材高さが、所定深度（在来地盤高さ）になるまで、上記工程ｇ〜ｊを繰り返す。
【００５６】
工程ｌ
上記工程ｆで攪拌混合して得た改質土（取り込んだ掘削土砂と投入した改質材とを攪拌混合して得た材料）を、掘削孔を埋めている改質材の真上で排出する。
【００５７】
工程ｍ
以上の工程を経て、改質土による潜堤築造または浅場造成が完了する。
築造された潜堤、造成された浅場は、図１７Ｂの工程(m)に示すとおり、掘削孔を埋める改質材（締め固められた改質材）と、その上に覆い被さるように設けられた改質土と、で構成される。改質土は、原位置の掘削土砂を有効活用して海水中（海水が排出されたケーシング３２内）で製造された材料である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５８】
上述した先行技術を、海底、湖底、川底などの水底地盤を対象とする各種工事に利用することが検討されている。具体的には、水底地盤へのケーシングの圧入、水底地盤の土砂のケーシング内への取り込み、ケーシング内の材料の水中での排出などを伴う改質工事において、上述した先行技術を利用することが検討されている。
【００５９】
加えて、この先行技術を用いた海底地盤などの改質工事を効率的に進めるためには、改質の幅（面積）を広くするまたは改質深度を深くする必要があり、その実現のために、施工装置の一部であるケーシングの内部容量を増やして、土砂の取込み量を増やすことが出願人らによって検討されている。具体的には、ケーシングの土砂取込み容量を増やすために、ケーシングの幅や長さのサイズアップが検討されている。
【００６０】
しかしながら前述したとおり、先行技術では、ケーシング内に圧縮空気を送り込んで、その空気圧力によって該ケーシング内を排水し、その状態で海底の土砂の取込みを行う。そのため、先行技術を用いた施工では、ケーシング内に送り込んだ圧縮空気によって、必然的にケーシングに生じる浮力が増加する。
【００６１】
したがって、先行技術においてケーシングの容量を単に増やすだけでは、過大な浮力の作用によりケーシングを含む施工装置の全体が浮き上がろうとする、といった課題が生じる。
【００６２】
また、ケーシングの容量を増やすことで生じる過大な浮力は、ケーシングの鉛直性を妨げるほか、施工の位置決めを阻害する。さらに、ケーシングに生じる浮力が過大になることで、潮流等の影響を受けやすくなる。したがって、先行技術のケーシングの容量を単に増やすだけでは、改質工事を効率的に進めることができないばかりか、施工品質の低下を招くといった課題が生じる。
【００６３】
上述した課題の解決策として、過大な浮力を上回る装備重量または不足分のウエイト（浮力に対するウエイト）を補うためのカウンターを、別途、作業船に搭載することが検討された。
ここで、水中での作業（施工）は浮力と自重が相殺し合うので吊り能力を上げる必要がない。一方、水面上での作業（作業開始前・作業終了時・えい航時・点検作業・修理作業など）は吊り能力を上げる必要がある。
そのため、上述したようにカウンターウエイトを別途搭載する場合には、作業船の吊り能力を大幅に上げる必要がある。
しかしながら、作業船の吊り能力を大幅に上げる場合には、ウインチの能力アップが必要となり、結果として設備コストの増加を招く、といったコスト面の問題が生じる。
【００６４】
また、動滑車の原理を利用して吊り作業のワイヤー掛け数を増やすことも検討したが、この場合には、吊り作業の速度が落ちて、施工サイクルタイムの低下を招き、結果として出来高が減るといった問題が生じる。
【００６５】
そこで、上述した問題に鑑み、本発明の目的は、ケーシングに圧縮空気を送り込むことで生じる浮力を、現有の施工設備の吊り能力（またはこれに近い吊り能力）で制御することができ、先行技術と同等またはそれ以上の施工品質を確保することを可能とする、水底地盤へのケーシング圧入装置、ケーシング、水底の土砂取込み方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００６６】
上記目的は、
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
前記液体保持部を通過して、水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと圧気用パイプと、
を有する水底地盤へのケーシング圧入装置によって達成される。
【００６７】
また上記目的は、
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと、
前記圧縮空気を取込み可能な水中のケーシング内の土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
を有する水底地盤へのケーシング圧入装置によって達成される。
【００６８】
上記ケーシング圧入装置は、
前記液体保持部へ液体を注入するための注液部と、
前記液体保持部の液体を排出するための排液部と、
を更に有することが好ましい。
【００６９】
また上記ケーシング圧入装置は、ケーシング内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁を更に有することが好ましい。この可動隔壁はケーシング内を、水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、前記液体保持部を有する浮力制御用空間の、２つの空間に仕切るようになっている。
【００７０】
また上記ケーシング圧入装置において、浮力制御用空間に設けられた前記液体保持部は、ケーシングの軸方向において伸縮可能であることが好ましい。このような構成を採用することにより、可動隔壁が浮力制御用空間を広げる方向に移動したときには、前記液体保持部を伸展させることが可能となり、可動隔壁が浮力制御用空間を狭める方向に移動したときには、前記液体保持部を縮退させることが可能となる。
【００７１】
また上記目的は、
水底地盤に圧入可能なケーシングであって、
水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
を有するケーシングによって達成される。
【００７２】
また上記目的は、
ケーシング圧入装置を用いて、ケーシング内に水底の土砂を取込む方法であって、
ケーシング圧入装置の液体保持部に、ケーシングの浮力を制御するための液体を注入する工程と、
ケーシングの土砂取込み空間を圧縮空気で加圧し、その空気圧力によって土砂取込み空間への水の流入を妨げる工程と、
ケーシングの下端を水底に当接させて、水の流入が妨げられた土砂取込み空間に水底の土砂を取込む工程と、
を含むことを特徴とする水底の土砂取込み方法によって達成される。
【００７３】
上記土砂取込み方法は、
土砂取込み空間への土砂の取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁を移動させる工程を更に含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００７４】
本発明に係る装置および方法は、水底地盤の改良や水底環境の改善などの水上土木工事に応用することで優れた効果が達成される。
【００７５】
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。
【００７６】
以下、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。
【００７７】
本発明に係るケーシング圧入装置では、ケーシングの土砂取込み空間に圧縮空気を送り込んで、この空気圧力によって土砂取込み空間から海水を排水するようになっている。
この圧縮空気は、ケーシング内を排水する一方で、ケーシングの浮力を増す方向に作用するものであるが、本発明では、この浮力の影響を低減させるために、浮力制御用の液体（海水）を貯留可能な液体保持部を具備している。
すなわち、ケーシング内に送り込まれた圧縮空気の影響（浮力）は、液体貯留部の液体重量によって低減する。したがって、ケーシング内に送り込まれた圧縮空気（浮力）によって該ケーシングの圧入が邪魔されることがなく、ケーシングを水底地盤に対し必要な分だけ確実に圧入することができる。
また、ケーシングに生じる浮力の影響を、液体貯留部の液体重量によって低減させることで、施工の位置決めが浮力によって邪魔されることがなく、また、施工時のケーシングの鉛直性が維持され、さらに、潮流等の影響を受けにくくなる。したがって、ケーシングの容量を増やしても、浮力の影響を受けにくくなり、先行技術と同等またはそれ以上の施工品質を確保することが可能となる。
また、液体保持部で貯留する「浮力制御用の液体」には、施工現場の海水を利用できるので、液体保持部で貯留する液体重量について、施工設備の吊り能力を上げる必要がない。
【００７８】
また、本発明に係るケーシング圧入装置では、ケーシング圧入装置が更に、液体保持部への注液部と、液体保持部からの排液部を具備している。このような注液部と排液部を有することで、液体保持部に貯留される液量を施工現場で自在に設定することができる。すなわち、液体貯留部の液体重量を施工現場で自在に変えることができるので、水中のケーシングに生ずる浮力を、必要なときに必要な分だけ自在に低減させることが可能となる。
また、液体保持部で貯留する「浮力制御用の液体」として、施工現場の海水を利用することで、浮力対策専用のカウンターウエイトを作業船等に予め搭載する必要がなく、また、液体貯留部の液体重量を必要なときに必要な分だけ自在に変えることができる。
【００７９】
また、本発明に係るケーシング圧入装置では、ケーシング内を「土砂取込み空間」と「浮力制御用空間」に仕切る可動隔壁を更に有している。
このような可動隔壁で、ケーシング内を上下２つの空間に仕切ることで、ケーシングに浮力制御機能を持たせることができる。
また、隔壁を上下方向で可動に構成することで、「土砂を取込む空間」と「浮力制御機能を持つ空間（液体保持部の容量）」のバランスを任意のタイミングで変えることができる。
【００８０】
また、本発明に係るケーシング圧入装置では、浮力制御用空間に設けた液体保持部は、ケーシングの軸方向において伸縮可能（膨縮可能）に構成されている。
したがって、可動隔壁を上下方向（ケーシングの軸方向）で動作させるだけで、液体保持部の容量を簡単かつ確実に変えることができるようになる。
【００８１】
また、本発明に係るケーシングでは、土砂取込み空間に加えて、浮力制御用の液体を貯留可能な液体保持部を具備させている。これにより、ケーシングそのものに浮力制御機能を持たせることができる。
また、液体保持部で貯留する「浮力制御用の液体」には、施工現場の海水を利用できるので、液体保持部で貯留する液体重量について、施工設備の吊り能力を上げる必要がない。
【００８２】
本発明に係る土砂取込み方法では、ケーシングの土砂取込み空間に圧縮空気を送り込んで、この空気圧力によって土砂取込み空間から海水を排水するようになっている。
この圧縮空気は、ケーシング内を排水する一方で、ケーシングの浮力を増す方向に作用するものであるが、本発明では、この浮力の影響を低減させるために、ケーシング圧入装置の液体保持部に浮力制御用の液体を注入する。
すなわち、ケーシング内に送り込まれた圧縮空気の影響（浮力）は、液体貯留部の液体重量によって低減する。したがって、ケーシング内に送り込まれた圧縮空気（浮力）によって該ケーシングの圧入が邪魔されることがなく、ケーシングを水底地盤に対し必要な分だけ確実に圧入することができる。
また、ケーシングに生じる浮力の影響を、液体貯留部の液体重量によって低減させることで、施工の位置決めが浮力によって邪魔されることがなく、また、施工時のケーシングの鉛直性が維持され、さらに、潮流等の影響を受けにくくなる。したがって、ケーシングの容量を増やしても、先行技術と同等またはそれ以上の施工品質を確保することが可能となる。
また、液体保持部で貯留する「浮力制御用の液体」には、施工現場の海水を利用できるので、液体保持部で貯留する液体重量について、作業船の吊り能力を上げる必要がない。
【００８３】
本発明に係る土砂取込み方法では、土砂取込み空間への土砂の取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁を移動させる。これにより、「土砂を取込む空間」と「浮力制御機能を持つ空間（液体保持部の容量）」のバランス調整を任意のタイミングで行うことができる。
また、土砂取込み空間への土砂の取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁を移動させることで、液体保持部が縮小して液体重量が低減する。その結果、ケーシングに生じる浮力による影響が再び大きくなるので、この影響力を増した浮力を、ケーシング引き抜きの補助に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】水底地盤へのケーシング圧入装置（可動隔壁を上げた状態）を示す側面図と正面図である。
【図２】水底地盤へのケーシング圧入装置（可動隔壁を下げた状態）を示す側面図と正面図である。
【図３】液体保持部の概略構成を示す透視図である。
【図４】ケーシング内圧力制御装置を示す概略構成図である。
【図５】ケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す図である。
【図６】水底の土砂取込み方法を示す工程図である。
【図７】水底地盤へのケーシング圧入方法の一例を示す工程図である。
【図８】先行技術の実施に利用可能な作業船（地盤改良船）の一例を示す側面図と正面図である。
【図９】先行技術の実施に利用可能な作業船（地盤改良船）の一例を示す平面図である。
【図１０】図１０(a)は図８(a)に示す作業船の船首側を示す側面拡大図であり、図１０(b)は図１０(a)に示す掘削兼攪拌混合装置の単体を示す側面図であり、図１０(c)は図１０(a)に示す埋め戻し材投入装置の単体を示す側面図である。
【図１１】図１１(a)は図８(b)に示す作業船が具備する掘削兼攪拌混合装置を中心に示す正面拡大図であり（掘削兼攪拌混合装置に隣接する部材等の図示を適宜省略）、図１１(b)は図１１(a)に示す掘削兼攪拌混合装置の単体を示す正面図である。
【図１２】図１２(a)は図８(b)に示す作業船が具備する埋め戻し材投入装置を中心に示す正面拡大図であり（埋め戻し材投入装置に隣接する部材等の図示を適宜省略）、図１２(b)は図１２(a)に示す埋め戻し材投入装置の単体を示す正面図である。
【図１３】図８(b)に示す作業船が具備する掘削兼攪拌混合装置の具体的構成を示す側面拡大図であって、図１３(a)はケーシング先端にあるバケット（掘削手段）が開いた状態を示しており、図１３(b)は海底地盤を掘削するときのバケットの動作を示しており、図１３(c)はバケットが開いた状態であって且つ掘削兼攪拌混合翼を降ろして海底地盤を掘削しているときの状態を示しており、図１３(d)は掘削土砂をケーシング内に取り込んでバケットを閉じたときの状態を示している。
【図１４】図８(b)に示す作業船が具備する掘削兼攪拌混合装置の具体的構成を示す正面拡大図であって、図１４(a)はケーシング内の掘削兼攪拌混合翼を上げた状態を示しており、図１４(b)はケーシング内の掘削兼攪拌混合翼を下げた状態を示している。
【図１５】ケーシング内圧力制御装置を示す、概略構成図、側面図、正面図である。
【図１６】ケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す図である。
【図１７Ａ】先行技術を利用した水上施工の主要工程を示す工程図である。
【図１７Ｂ】先行技術を利用した水上施工の主要工程を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
図１〜図７に基づいて、本発明の具体的実施形態について説明する。
【００８６】
本実施形態は、原則として、図８〜図１７に示す先行技術と同様の作業船（地盤改良船）及びその付属物等を利用することを前提とする。
図８〜図１７に示す先行技術と共通する機能や特徴については、先行技術の説明を援用する。
また、図８〜図１７に示す先行技術と共通する機能を持つ構成については、図１〜図７において同一の符号を用いるとともに、その詳細な説明を省略する。
以下、図８〜図１７に示す先行技術と異なる特徴について説明する。
【００８７】
なお、本実施形態で例示する作業船は、本発明の実施に利用可能な作業機材の一例であり、本発明はこのような船体に代えて、陸上に用意した重機などを利用して実施することも可能である。
【００８８】
（ケーシング圧入装置）
ケーシング圧入装置は、土砂取込み空間を有するケーシング３３を水底地盤に圧入するための装置である。
このケーシング圧入装置は、図１〜図３に示すとおり、主として、
・ケーシング３３内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁６１（昇降隔壁）と、
・可動隔壁６１をケーシング内で昇降させるためのロッド６３と、
・水中のケーシング内の下側空間に圧縮空気を送るエアーポンプと（図４参照）、
・水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部６５と、
・液体保持部６５へ液体を注入するための注液部６７と、
・液体保持部６５の液体を排出するための排液部６９と、
を有している。
【００８９】
本実施形態で用いるケーシング３３は、先行技術で用いているケーシング３２と同様に、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、底部の開口部を開閉可能に構成され、海底の土砂を収容可能な機能を具備している。また、ケーシング３３の天端は、該ケーシングの上から内部に海水が入り込まないように塞いである。また、ケーシング３３の天端の上面側は、ケーシングより上に位置する海水による水圧を受ける水圧受け面として機能する。ケーシング３３がその天端の水圧受け面で受ける水圧は、該ケーシングを海底の地盤に圧入する際の圧入力に利用される。
【００９０】
注液部６７はケーシング３３の上部に設けられ、液体保持部６５に形成されたポンプ注入口７４（図３参照）に接続されている。
【００９１】
排液部６９はケーシング３３の上部に設けられ、液体保持部６５に形成された海水排水口７５（図３参照）に接続されている。
【００９２】
可動隔壁６１は、ケーシング３３内を上下２つの空間に仕切る可動式の隔壁であって、上下動可能に設けられている。可動隔壁６１には、当該隔壁を昇降させるためのロッド６３が接続されている。このロッド６３を上下動させることで、（シリンダに対するピストンの如く）可動隔壁６１をケーシング３３内で昇降させることができる。
【００９３】
可動隔壁６１はケーシング３３内を、水底の土砂を収容可能な「土砂取込み空間７１」と、液体保持部６５を有する「浮力制御用空間７２」の、２つの空間に仕切っており、ケーシング３３の軸方向において動作可能に設けられている。図１にはケーシング３３内の可動隔壁６１を上げた状態を示し、図２には可動隔壁６１を下げた状態を示す。
【００９４】
図１及び図２に示すように可動隔壁６１が上下動することで、土砂取込み空間７１と浮力制御用空間７２の容量バランスが変化する。可動隔壁６１の上下動は、ロッド６３を通じて行われる。
【００９５】
可動隔壁６１によって仕切られたケーシング下側の空間である「土砂取込み空間７１」には、エアーポンプ５１を利用し圧気用パイプ５２を介して圧縮空気が送り込まれる（図４参照）。また、この土砂取込み空間７１には、バケット３１等を利用して海底の土砂を取込むことが可能である。なお、可動隔壁６１によって仕切られたケーシング下側の空間である「土砂取込み空間」と、先行技術のケーシングの内側空間とは、空間容量が異なるが、土砂を取込み可能な空間である点において共通している。
【００９６】
可動隔壁６１によって仕切られたケーシング上側の空間である「浮力制御用空間７２」には、水中のケーシング３３に生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部６５が設けられている。なお、可動隔壁６１によって仕切られたケーシング上側の空間である「浮力制御用空間」は、先行技術には無い特徴である。
【００９７】
本実施形態ではケーシンング３３内を上下２つの空間に仕切って、ケーシングの一部である上側空間に液体保持部６５を装備させているが、このような液体保持部をケーシングに持たせるのではなく、ケーシングから離隔した位置に装備させることも可能である。具体的には、海水タンクなどからなる液体保持部を、ケーシングの上の方であって、かつ、施工時に水面より上に位置するように装備させることも可能である。水面上にこのような海水タンク（液体保持部）を設け、必要に応じて当該タンクに海水を注入することで自重の制御が可能となり、浮力に影響されにくいケーシング圧入が可能となる。
【００９８】
可動隔壁６１には、シール部材としてパッキンが設けられている。このようなシール部材を可動隔壁に設けることで、土砂取込み空間７１の圧気が浮力制御用空間７２に漏れることがなく、また、浮力制御用空間７２（液体保持部６５）の海水が土砂取込み空間７１に漏れることがない。
【００９９】
材料供給管２１は、可動隔壁６１を貫いて土砂取込み空間７１に通じている。水中のケーシングの土砂取込み空間７１に圧縮空気を送るためのエアーポンプは、この材料供給管２１を介して、土砂取込み空間７１に圧縮空気を送り込んでいる。つまり、本実施形態において材料供給管２１は、ケーシングの土砂取込み空間７１に圧縮空気を送るための流路を具備している。
【０１００】
掘削兼攪拌混合翼３５の攪拌昇降用のロッド２７は、可動隔壁６１を貫いて掘削兼攪拌混合翼３５に接続されている。
【０１０１】
（液体保持部）
液体保持部６５は浮き袋などと同様に袋体で構成され、図３に示すように、上端には天板８１を有し、下端には底板８２を有している。ただし、一般的に広く知られた浮き袋の通し孔が一つであるのに対し、本実施形態で用いる液体保持部には、通し孔が複数形成されている。
【０１０２】
具体的には、袋体からなる液体保持部には、通し孔として
・材料供給管２１を通すための通し孔８４、
・可動隔壁昇降用のロッド６３を通すための通し孔８５、
・掘削兼攪拌混合翼３５の攪拌昇降用のロッド２７を通すための通し孔８６、
が形成されている。
【０１０３】
また、液体保持部６５には、上述した通し孔のほか、
・液体保持部６５へ海水を注入するためのポンプ注入口７４と
・液体保持部６５へ海水を注入するための海水排水口７５と、
が形成されている。
【０１０４】
液体保持部６５のポンプ注入口７４は、ケーシング上部に設けられた注液部６７に連通している。
液体保持部６５の海水排水口７５は、ケーシング上部に設けられた排液部６９に連通している。
【０１０５】
また、液体保持部６５は、側部と、通し孔を形成する部分が、蛇腹状に形成されている。このような蛇腹構造により、ケーシングの軸方向において自在に伸縮（膨縮）させることが可能である。伸縮（膨縮）の原理は、蛇腹構造を持つ伸縮式ストローやアコーディオンなどと同様である。
【０１０６】
図２に示すように、可動隔壁６１が浮力制御用空間７２を広げる方向（土砂取込み空間７１を狭める方向）に移動したときには、図３(b)に示すように液体保持部６５を伸展させることが可能となる。なお、可動隔壁６１の下降動作に伴って液体保持部６５を自動的に伸展させてもよい。また、その際に、液体保持部６５に自動的に海水が注入されるようにしてもよい。
【０１０７】
図１に示すように、可動隔壁６１が浮力制御用空間７２を狭める方向（土砂取込み空間７１を広げる方向）に移動したときには、図３(a)に示すように液体保持部６５を縮退させることが可能となる。なお、可動隔壁６１の上昇動作に伴って液体保持部６５を自動的に縮退させてもよい。また、その際に、液体保持部６５から自動的に海水が排出されるようにしてもよい。
【０１０８】
なお、本実施形態では、浮力制御用空間７２に袋状の液体保持部６５を設けて、この液体保持部に海水を貯留しているが、このような袋状の構造物を浮力制御用空間７２に設けることなく、浮力制御用空間７２を液体保持部として機能させることも可能である。
【０１０９】
ただし、土砂取込み空間７１と浮力制御用空間７２の間をシール部材を具備する可動隔壁６１で仕切った上で、更に、袋状の液体保持部６５を設けて、この液体保持部に海水を貯留することで、二重の止水対策によって、土砂取込み空間７１への海水漏れを確実に防ぐことができる。
【０１１０】
また、本実施形態では、液体保持部６５に貯留する液体として、施工現場の海水を利用しているが、液体の種類は必ずしも海水に限られるものではなく、施工現場に豊富に存在する環境水を利用することができる。すなわち、河川で施工する場合には川の水を利用することができ、湖で施工する場合には湖の水を利用することができる。
【０１１１】
（ケーシング内圧力制御装置）
本実施形態は、ケーシング内圧力制御装置を用いることを前提とする。
このケーシング内圧力制御装置は、先行技術が具備するもの（図１５参照）と同様に、海底地盤にケーシングを圧入する際には「圧入装置」として機能し、また、ケーシング内の材料を水中で排出する際には「材料排出装置」として機能するものである。
【０１１２】
ただし本実施形態では、圧気用パイプ５２と、排気バイパス管の配置が先行技術のものと異なるので、この相違点について、図４に基づいて説明する。
【０１１３】
本実施形態では図４に示すとおり、ケーシング内圧力制御装置の圧気用パイプ５２と排気バイパス管５７は、材料供給管２１の内側を通り、液体保持部６５を通過し、（更に可動隔壁６１を通過して）、ケーシングの土砂取込み空間７１に連通している。
すなわち、エアーポンプ５１から圧送される圧縮空気は、圧気用パイプ５２を通って液体保持部６５を通過し、可動隔壁６１より下の土砂取込み空間７１に送り込まれる。
その他の点は、先行技術と同様である。
【０１１４】
なお、本実施形態では、材料供給管２１の内側に圧気用パイプ５２に配設しているが、このような圧気用パイプ５２（材料供給管２１とは別体のパイプ）を設けることなく、材料供給管２１そのものを圧気用パイプとして機能させることも可能であり、特許請求の範囲に記載の圧気用パイプにはこのような実施形態も含まれる。
【０１１５】
（ケーシング内圧力制御装置の機能作用）
本実施形態で利用するケーシング内圧力制御装置の機能作用は、先行技術のものと同様であるが、念のため図５に基づいて説明する。
図５は、本実施形態で利用するケーシング内圧力制御装置の機能作用を示す図である。
【０１１６】
図５に示すように、ケーシング３３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）、ケーシング内の土砂取込み空間７１の水位も上昇する。逆に、土砂取込み空間７１の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）、ケーシング内の土砂取込み空間７１の水位も下降する。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、土砂取込み空間７１における水位が上下動する。
【０１１７】
このように、（土砂取込み空間７１に通ずる）排気路の排気口６０を水中で上げ下げすることで、水中のケーシング３３に対する排気口６０の相対高さに応じて、土砂取込み空間７１の空気圧が変動するので、土砂取込み空間内の圧力の制御が簡単である。
【０１１８】
また、土砂取込み空間７１に送り込んだ圧縮空気の圧力によって、土砂取込み空間への海水流入を簡単に妨げることができる。また、ケーシングの土砂取込み空間７１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、土砂取込み空間７１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、土砂取込み空間７１における水位を精度よくコントロールすることができ、また、必要なときに簡単に土砂取込み空間内を排水することができる。
【０１１９】
（水底の土砂取込み方法）
次に、前述したケーシング圧入装置等を具備する作業船を用いた、海底地盤の土砂の取込み方法について説明する。
【０１２０】
図６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〜ｆは、図６に示す工程(a)〜(f)に対応している。
【０１２１】
工程ａ
作業船が具備するリーダに沿って、ケーシングを具備する掘削兼攪拌混合装置（図１３参照）の全体を吊り下ろす。本実施形態で利用するケーシング３３は、先行技術と同様に掘削兼攪拌混合装置の構成の一部である。
なお、ケーシング３３内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁６１は、もっとも上の位置に位置決めされており、土砂取込み空間７１の容量が最大に設定されている。また、浮力制御用空間の液体保持部６５に海水は注入されていない。
【０１２２】
このとき、ケーシングの土砂取込み空間７１に圧縮空気を送り込むことなく、ケーシング３３を海中へ向けて下ろす。したがって、ケーシング３３を海中に水没させたときに、ケーシングの下開口部から土砂取込み空間７１に海水が流れ込む。
【０１２３】
続いて、ケーシング３３を海底へ向けて下降させると、図６(a)に示すように、ケーシングの土砂取込み空間７１が海水で満たされる。
このように、ケーシングの土砂取込み空間７１が海水で満たされることで、ケーシング３３に過大な浮力を生じさせることなく、海中に水没させることができる。
【０１２４】
工程ｂ
次に、ロッドを介して可動隔壁６１を押し下げて浮力制御用空間７２を拡大させ、液体保持部６５に海水を注入する。
蛇腹構造を持つ液体保持部６５は、可動隔壁６１を下げることで（浮力制御用空間７２が拡がるため）拡がることが可能となり、また、上下方向で拡がった液体保持部６５の内部には海水を注入することができる。注入する海水は、ポンプを用いて施工現場の海中から吸い上げ、注液部６７を介して浮力制御用空間の液体保持部６５に送り込まれる。
そして、後の工程ｄ〜ｅでの土砂取込みや改質土製造に必要な位置に、可動隔壁６１を位置決めする。
なお、可動隔壁６１を押し下げることで、その分、土砂取込み空間７１から海水が排出されるが、その一方で、液体保持部６５に海水が注入されるので、この工程において浮力が増すことは無い。
【０１２５】
液体保持部６５への海水の注入は、可動隔壁６１の下降に連動して自動的に注入するようにしてもよく、あるいは、可動隔壁６１の下降のタイミングに合わせて手動操作で注入するようにしてもよい。
【０１２６】
工程ｃ
次に、材料供給管２１を介してケーシング３３の土砂取込み空間７１に圧縮空気を送り込んで、土砂取込み空間７１を満たしていた海水を完全に排水し、土砂取込み空間７１を空洞にする。以後、空気圧の押し出し作用によって土砂取込み空間７１に海水が流れ込まない完全排水状態が保持される。
【０１２７】
なお、土砂取込み空間７１に圧縮空気を送り込むことで、ケーシング３３に生じる浮力が大幅に増加することが想定される。しかしながら、本実施形態では、前工程で浮力制御用空間７２を拡大させ、更に、その空間が液体保持部でいっぱいになるように該液体保持部６５に海水を注入している。したがって、土砂取込み空間７１に送り込んだ圧縮空気によって増加した浮力の影響は、液体保持部６５の液体重量によって確実に低減する。
【０１２８】
工程ｄ
次に、ケーシング３３を海底地盤に突き当てた状態で、該ケーシングを地盤に圧入し、その土砂取込み空間７１に海底土砂を取込む。ケーシングの圧入原理については、図７との関係で後述する。
なお、ケーシング圧入の際には、必要に応じて掘削兼攪拌混合翼３５を下げて掘削補助として使用する。すなわち、掘削兼攪拌混合翼３５をケーシング３３底部の開口部から突き出し、回転駆動させる。
【０１２９】
続いて、土砂取込み空間７１への土砂取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁６１を移動させるとともに、浮力制御用空間７２が狭まった分だけ液体保持部６５から海水を排水する。
このように、土砂の取込み量に応じて可動隔壁６１の位置を調整することで、土砂取込み空間７１の容量が増して、次工程に必要な改質材投入空間を確保することができる。つまり、容量が増した土砂取込み空間７１の一部を、次工程に必要な改質材投入空間として利用することが可能になる。
【０１３０】
なお、工程ｃと工程ｄを比較すると、工程ｄの方が土砂取込み空間７１の容量が増しているが、ケーシング内の空気量はほとんど変わらない。つまり、工程ｃから工程ｄの過程でケーシング３３に生じる浮力はほとんど変わらない。したがって、工程ｃから工程ｄに至った段階でも、浮力の影響が低減された状態が保持されている。
【０１３１】
工程ｅ
圧入させたケーシング３３の土砂取込み空間に必要量の掘削土砂を取り込んだら、該ケーシング先端のバケット３１（掘削手段）を閉じる。これによりケーシング３３が密閉され、ケーシング３３内に取り込んだ掘削土砂がケーシング周囲の海水から隔離される。
【０１３２】
続いて、所定量の改質材を材料供給管２１を介してケーシングの土砂取込み空間７１に投入する。なお、改質材のほか、浄化材や不溶化材などを土砂取込み空間に投入してもよい。
【０１３３】
工程ｆ
次に、ケーシングの土砂取込み空間７１内の掘削兼攪拌混合翼３５を回転させつつ、土砂取込み空間で上下動させて、「土砂取込み空間に取り込んだ掘削土砂」と「土砂取込み空間に投入した改質材」とを攪拌混合する。これらをケーシング３３内で攪拌混合することで、揚土することなくその場で、すなわち水中のケーシング３３内で「改質土」が製造される。
【０１３４】
海底地盤に圧入させたケーシングを引抜く際には、施工現場によっては、海底地盤の粘着力の影響により、ケーシングの引抜きに対する抵抗が生じることが想定される。
このような場合には、浮力制御用空間７２が狭まる方向に可動隔壁６１を更に移動させて、液体保持部６５の海水を排水し、同時に、土砂取込み空間７１に更に圧縮空気を送り込む。
これにより、送り込まれた圧縮空気の分、ケーシング３３に作用する浮力が増して、ケーシング引抜き力の補助に利用することができる。
【０１３５】
（海底地盤へのケーシング圧入の原理）
次に、図６の工程(d)におけるケーシングの圧入原理について、図７に基づいて具体的に説明する。
図７(d1)(d2)は、図６の工程(d)に対応する工程図であって、ケーシング圧入原理を具体的に示す図である。なお図７では、ケーシングの圧入原理の説明に必要な主要部のみを図示しており、可動隔壁や浮力制御用空間などの図示を省略している。
【０１３６】
本実施形態では、前述したケーシング内圧力制御装置を使用して、海底地盤の所定位置にケーシングを圧入する。海底地盤の土質は特に限定されないが、例えば粘性土の地盤にケーシングを圧入することが可能である。
具体的な圧入方法は次のとおりである。
【０１３７】
ケーシング３３の圧入にあたっては、予め、ケーシング下端位置の深度に、ケーシング内圧力制御装置の水中排気口６０を位置決めする。これにより、ケーシングの土砂取込み空間７１における水位が、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、土砂取込み空間７１が圧縮空気で満たされ、その圧縮空気の加圧力によって、土砂取込み空間７１への海水流入が妨げられる。つまり、ケーシング下端と水中排気口６０の深度を水中で揃えることで、ケーシングの土砂取込み空間７１が完全排水された状態となる。なお、土砂取込み空間７１の容量を超える過剰な圧縮空気は、図７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。
【０１３８】
このように土砂取込み空間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７(d1)に示すようにケーシング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３３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７(d1)は、圧縮空気で満たされたケーシング３３の下端を、バケット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、ケーシングの土砂取込み空間に作用する水圧および土圧と、土砂取込み空間の気圧が均衡している。
【０１３９】
次に、圧縮空気により土砂取込み空間７１への海水流入を妨げた状態で、且つ、ケーシング３３の下端が海底に当接した状態（ケーシング３３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３３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(d2)に示すように、土砂取込み空間７１の圧縮空気が水中排気管５６を介してケーシング外に排出され、その結果、土砂取込み空間７１の気圧が低下して、土砂取込み空間に負圧が発生する。その結果、土砂取込み空間に作用する水圧および土圧と、土砂取込み空間の気圧との均衡が崩れて、土砂取込み空間に作用する水圧が支配的となる。すなわち、水中排気管５６を引き上げることで土砂取込み空間７１の気圧が急激に低下し、その結果、ケーシング３３に作用する水圧が圧入力となってケーシング３３が圧入方向に押し進められる。
【０１４０】
したがって、ケーシング内圧力制御装置を利用し、図７(d2)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。
【０１４１】
このようにしてケーシング３３を地盤に圧入することができれば、ケーシングの土砂取込み空間内に相対的に海底地盤が入り込むため、ケーシング内に海底地盤の土砂を取り込むことが可能となる。したがって、ケーシング内圧力制御装置は、海底地盤にケーシングを圧入する方法で利用することが可能であり、また、海底地盤の土砂をケーシング内に取り込む方法で利用することも可能である。
【０１４２】
（むすび）
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。
【０１４３】
例えば、上述した実施形態で利用している作業船は、本発明の実施に利用可能な作業機材の一例であり、本発明はこのような船体なしでも実施することが可能である。すなわち、上述した実施形態では船体を利用していたが、これに代えて、例えば陸上に用意した移動式重機に、ケーシング圧入装置やケーシング内圧力制御装置などの必要機材を取り付けて、陸上から海底地盤の改良や海底環境の改善などの各種工事を実施することも可能である。また、このような陸上に用意した重機を利用して施工を行う場合には、当該重機を護岸や桟橋などに配置して海底に向けてケーシングの圧入などの作業を行うことも可能である。
【０１４４】
また、前述した土砂取込み方法における工程の実施順序は、前述した順序に限定されるものではなく、本実施形態に係る方法を利用した施工を妨げるものでない限り、工程の順序を入れ替えることができ、また、海水注入や排水などの工程を同時並行で実施することも可能である。
【０１４５】
また、本発明の用途は、海底地盤を対象とするものに限定されるものではなく、川底の地盤や、湖底の地盤を対象とする工事にも利用可能である。
【符号の説明】
【０１４６】
１      作業船（地盤改良船）
２      アンカーワイヤー
３      リーダ
５      掘削兼攪拌混合装置
７      埋め戻し材投入装置
９      昇降式バケット
１１    計量用ホッパー
１３    砂箱（材料収容箱）
１５    ベルトコンベアー
２１    材料供給管（材料送給路）
２３    材料投入口（材料投入口）
２５    オーガーモーター（回転駆動装置）
２６    ワイヤーロープ
２７    掘削兼攪拌混合翼の攪拌昇降用のロッド
２９    掘削兼攪拌混合部（攪拌混合手段）
３１    バケット（掘削手段）
３２    ケーシング
３３    ケーシング
３５    掘削兼攪拌混合翼（掘削手段／攪拌混合手段／材料押出手段）
４１    シュート
４３    埋め戻し材投入口（材料投入口）
４５    シュート振れ止め金物
４６    ワイヤーロープ
５１    エアーポンプ
５２    圧気用パイプ
５３    排気路
５５    昇降モーター（昇降手段）
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
６１    可動隔壁（昇降隔壁）
６３    可動隔壁昇降用のロッド
６５    液体保持部
６７    注液部
６９    排液部
７１    土砂取込み空間
７２    浮力制御用空間
７４    ポンプ注入口
７５    海水排水口
８１    液体保持部の天板
８２    液体保持部の底板
８４    材料供給管を通すための通し孔
８５    可動隔壁昇降用のロッドを通すための通し孔
８６    掘削兼攪拌混合翼の攪拌昇降用のロッドを通すための通し孔
【図１】
2019183525.tif 000003
【図２】
2019183525.tif 000004
【図３】
2019183525.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019183525.tif 000015
【図１４】
2019183525.tif 000016
【図１５】
2019183525.tif 000017
【図１６】
2019183525.tif 000018
【図１７Ａ】
2019183525.tif 000019
【図１７Ｂ】
2019183525.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月24日(2018.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
前記液体保持部を通過して、水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと圧気用パイプと、
ケーシング内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁と、を有しており、
前記可動隔壁はケーシング内を、水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、前記液体保持部を有する浮力制御用空間の、２つの空間に仕切っている、ことを特徴とする水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項２】
土砂取込み空間を有するケーシングを水底地盤に圧入するための装置であって、
水中のケーシング内の土砂取込み空間に圧縮空気を送るためのポンプと、
前記圧縮空気を取込み可能な水中のケーシング内の土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
ケーシング内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁と、を有しており、
前記可動隔壁はケーシング内を、水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、前記液体保持部を有する浮力制御用空間の、２つの空間に仕切っている、ことを特徴とする水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項３】
前記液体保持部へ液体を注入するための注液部と、
前記液体保持部の液体を排出するための排液部と、
を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の水底地盤へのケーシング圧入装置。
【請求項４】
浮力制御用空間に設けられた前記液体保持部は、ケーシングの軸方向において伸縮可能に構成されており、
前記可動隔壁が浮力制御用空間を広げる方向に移動したときには、前記液体保持部を伸展させることが可能となり、
前記可動隔壁が浮力制御用空間を狭める方向に移動したときには、前記液体保持部を縮退させることが可能となる、
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へのケーシング圧入装置。
【請求項５】
水底地盤に圧入可能なケーシングであって、
水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、
水中のケーシングに生じる浮力を制御するための液体を貯留可能な液体保持部と、
ケーシング内を上下２つの空間に仕切る可動隔壁と、を有しており、
前記可動隔壁はケーシング内を、水底の土砂を収容可能な土砂取込み空間と、前記液体保持部を有する浮力制御用空間の、２つの空間に仕切っている、ことを特徴とするケーシング。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れかに記載のケーシング圧入装置を用いて、ケーシング内に水底の土砂を取込む方法であって、
ケーシング圧入装置の液体保持部に、ケーシングの浮力を制御するための液体を注入する工程と、
ケーシングの土砂取込み空間を圧縮空気で加圧し、その空気圧力によって土砂取込み空間への水の流入を妨げる工程と、
ケーシングの下端を水底に当接させて、水の流入が妨げられた土砂取込み空間に水底の土砂を取込む工程と、
を含むことを特徴とする水底の土砂取込み方法。
【請求項７】
請求項１乃至４の何れかに記載のケーシング圧入装置を用いて、ケーシング内に水底の土砂を取込む方法であって、
ケーシング圧入装置の液体保持部に、ケーシングの浮力を制御するための液体を注入する工程と、
ケーシングの土砂取込み空間を圧縮空気で加圧し、その空気圧力によって土砂取込み空間への水の流入を妨げる工程と、
ケーシングの下端を水底に当接させて、水の流入が妨げられた土砂取込み空間に水底の土砂を取込む工程と、
土砂取込み空間への土砂の取込み量に応じて、浮力制御用空間が狭まる方向に可動隔壁を移動させる工程と、
を含むことを特徴とする水底の土砂取込み方法。