(57)【要約】【課題】軸芯ずれを防止しながら効率良く掘削できる掘削ヘッドを提供する。【解決手段】地盤に貫入される回転軸１０１の先端に設けられる掘削ヘッド１２０であって、回転軸線の外周に周方向に等間隔に配され且つ下端縁１２１ａに掘削爪１２２の付いた複数条の螺旋翼１２１を有しており、各螺旋翼１２１の下端縁１２１ａが、外周端から内周端に向かって上り傾斜した傾斜縁として形成されていることにより、複数の螺旋翼１２１の下端縁１２１ａで構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状に形成されている。また、１つの螺旋翼１２１の背面側に、地上から供給される掘削抵抗軽減用の流体を掘削土壌に向けて噴射する噴射ボックス１３０が設けられている。【選択図】図２
2008063870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に貫入される回転軸の先端に設けられる掘削ヘッドであって、
回転軸線の外周に周方向に等間隔に配され且つ下端縁に掘削爪の付いた複数条の螺旋翼を有しており、各螺旋翼の下端縁が、外周端から内周端に向かって上り傾斜した傾斜縁として形成されていることにより、複数の螺旋翼の下端縁で構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状に形成されていることを特徴とする掘削ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の掘削ヘッドであって、
少なくとも１つの前記螺旋翼の背面側に、地上から供給される掘削抵抗軽減用の流体を掘削土壌に向けて噴射する噴射ボックスが設けられていることを特徴とする掘削ヘッド。
【請求項３】
請求項２に記載の掘削ヘッドであって、
前記噴射ボックスに、螺旋翼の回転方向の前方へ向けて流体を吐出する吐出口、後方へ向けて流体を吐出する吐出口、螺旋翼の回転半径方向外方へ向けて流体を吐出する吐出口、の少なくとも１つが設けられていることを特徴とする掘削ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の掘削ヘッドであって、
前記噴射ボックスに、螺旋翼の回転方向の前方へ向けて流体を吐出する吐出口と、後方へ向けて流体を吐出する吐出口と、螺旋翼の回転半径方向外方へ向けて流体を吐出する吐出口と、の３種の吐出口が、そのうちの１つのみを選択的に開放できるように設けられていることを特徴とする掘削ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の掘削ヘッドを先端に備えると共に掘削ヘッドの上側に攪拌翼を備える回転軸と、該回転軸を回転させつつ昇降させる駆動装置と、前記攪拌翼の回転高さに地上から送られて来た安定材を吐出する吐出手段と、を備えることを特徴とする地盤改良装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の先端に装備される掘削ヘッド、および、その掘削ヘッドを装備した地盤改良装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の地盤改良装置用の掘削ヘッドとして、特許文献１や特許文献２に記載されたものが知られている。
【０００３】
図８は特許文献１に記載されたもので、回転軸５０１の先端に取り付けられた掘削ヘッド５０２は、回転軸線上の中心部が尖った下方に凸の山形をなしており、その斜めの稜線に沿って掘削爪５０３が配列されている。
【０００４】
図９は特許文献２に記載されたもので、回転軸６０１の先端に取り付けられた掘削ヘッド６０２は、２枚の螺旋翼６０３を有しており、その同一平面内に位置する下端縁に、略同じ高さに先端が位置する掘削爪６０４を有している。
【特許文献１】特開２００５−１３３３６７号公報
【特許文献２】特開２００６−３７７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図８の掘削ヘッド５０２は、中心部が下に尖った山形をなしているので、切り込み性能はよいが、局部的に硬い障害物に当たった場合に、軸ずれを起こしやすい。また、図９の掘削ヘッド６０２は、平面的に配置された掘削爪６０４で地盤を削り取るので、局部的に硬い障害物に当たっても、軸ずれしにくいが、中心領域と周縁領域の全面を同じ高さで削り取るので、掘削抵抗が大きくなりがちで、掘削効率が悪い。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、軸芯ずれを防止しながら効率良く掘削できる掘削ヘッドと、その掘削ヘッドを備えた地盤改良装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明の掘削ヘッドは、地盤に貫入される回転軸の先端に設けられる掘削ヘッドであって、回転軸線の外周に周方向に等間隔に配され且つ下端縁に掘削爪の付いた複数条の螺旋翼を有しており、各螺旋翼の下端縁が、外周端から内周端に向かって上り傾斜した傾斜縁として形成されていることにより、複数の螺旋翼の下端縁で構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の掘削ヘッドであって、少なくとも１つの前記螺旋翼の背面側に、地上から供給される掘削抵抗軽減用の流体を掘削土壌に向けて噴射する噴射ボックスが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の掘削ヘッドであって、前記噴射ボックスに、螺旋翼の回転方向の前方へ向けて流体を吐出する吐出口、後方へ向けて流体を吐出する吐出口、螺旋翼の回転半径方向外方へ向けて流体を吐出する吐出口、の少なくとも１つが設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の掘削ヘッドであって、前記噴射ボックスに、螺旋翼の回転方向の前方へ向けて流体を吐出する吐出口と、後方へ向けて流体を吐出する吐出口と、螺旋翼の回転半径方向外方へ向けて流体を吐出する吐出口と、の３種の吐出口が、そのうちの１つのみを選択的に開放できるように設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の地盤改良装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の掘削ヘッドを先端に備えると共に掘削ヘッドの上側に攪拌翼を備える回転軸と、該回転軸を回転させつつ昇降させる駆動装置と、前記攪拌翼の回転高さに地上から送られて来た安定材を吐出する吐出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、複数の螺旋翼の下端縁で構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状に形成されているので、下方に突出した周縁部が、凹んだ中心部よりも優先的に地盤掘削に関わることになる。その結果、たとえ地盤中に硬い障害物が局部的に存在していても、螺旋翼の下端縁に設けた掘削爪が大きな円形の周縁領域で地盤を優先的に掘削することになり、ヘッド先端部が障害物から逃げるような傾向が発生しなくなる。従って、回転軸の軸芯の振れをできるだけ防ぎながら、精度よく掘削を進めることができる。
【００１３】
特に中心部が周縁部よりも凹んでいることにより、周縁領域と中央領域とで掘削強度に強弱ができるので、周縁部の掘削力が大きく発揮されて、メリハリが生じることにより、掘削効果が高まると共に、軸芯ずれの防止効果が大きくなる。また、複数条の螺旋翼の回転によって、効率よく排土を行うことができると共に、小さな垂直荷重であっても自力掘進力を発揮できるので、例えば砂質系硬質地盤を掘削する場合でも、大きな貫入速度で、能率よく掘削を進めることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、噴射ボックスから掘削抵抗軽減用の流体を掘削土壌に向けて噴射することにより、掘削効率をアップさせることができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、噴射ボックスに流体の噴射方向を定める吐出口を設けているので、予め定めた方向に向かって流体を噴射することができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、開放する吐出口と閉鎖する吐出口を予め決めることで、螺旋翼の回転方向の前方、または後方、あるいは螺旋翼の回転半径方向外方へ向けて流体を吐出することができる。従って、砂質系等の粘着力の小さい地盤を掘削する場合は、螺旋翼の回転方向の前方へ向けて圧水と圧縮空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼の前方での掘削抵抗を減らすことができる。また、粘性の強い地盤を掘削する場合は、螺旋翼の回転方向の後方へ向けて圧水と圧縮空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼の背面に沿って移動する土砂との抵抗を減らすことができ、それにより掘削抵抗を減らすことができる。また、接合杭を施工するための掘削を行う場合は、螺旋翼の径方向外方へ向けて水と空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼の外周の回転抵抗を減らすことができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、回転軸の先端に請求項１〜４のいずれかに記載の掘削ヘッドを備えているので、回転軸の貫入時に上述の効果を発揮できる。また、掘削ヘッドの上側に配置した攪拌翼の回転高さで安定材を吐出できるようにしているので、掘削土壌中に安定材を注入し攪拌混合して地盤を改良することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は地盤改良装置の全体構成図、図２は地盤改良装置の回転軸の先端に装備された掘削攪拌手段の側面図、図３は掘削攪拌手段を構成する実施形態の掘削ヘッドの上下逆にして見た斜視図である。
【００２０】
図１に示すように、この地盤改良装置は、ベースマシン１０２のリーダー１０３のガイド１０３ａに沿って鉛直方向に昇降自在に支持された回転軸１０１と、該回転軸１０１を昇降させるワイヤー吊り下げ式の昇降駆動装置１０４と、該昇降駆動装置１０４の昇降部に装備された回転駆動装置１０５とを有し、昇降駆動装置１０４によって回転軸１０１を昇降させながら、回転駆動装置１０５で回転軸１０１を回転駆動することにより、回転軸１０１の先端に取り付けた掘削攪拌手段１１０により地盤を掘削し、その掘削土壌中に安定材を注入し、攪拌混合して地盤を改良するものである。回転軸１０１は、リーダー１０３の下部に設けた下部振れ止め機構１５０によって掘削と貫入を案内される。
【００２１】
回転軸１０１の内部には、図示しないが、回転軸１０１に沿って安定材を流通させる安定材用の供給管路と、掘削摩擦軽減用の流体（圧水、圧縮空気、圧水と圧縮空気の混合体など）を流通させる供給管路とが設けられている。
【００２２】
また、掘削攪拌手段１１０としては、図２に示すように、回転軸１０１の最先端に掘削ヘッド１２０が設けられると共に、その上側に、攪拌翼１１２と共回り板１１３とが、上下方向に複数段に交互に設けられている。本実施形態では、掘削ヘッド１２０の回転半径は、攪拌翼１１２の回転半径よりも小さく設定されている。
【００２３】
攪拌翼１１２は、回転軸１０１から半径方向に直線的に延びるバー状のもので、回転軸１０１の軸線に対して傾斜した羽根板よりなる。最下段の攪拌翼１１２は、下端に掘削爪１１４を有しており、攪拌ばかりでなく掘削機能も果たせるようになっている。また、最下段の攪拌翼１１２の回転方向の背面には、回転軸１０１内の供給管路を通して送られてくる安定材の吐出ボックス（吐出手段）１１５が設けられている。安定材の吐出は、回転軸１０１の引き上げのときに、攪拌翼１１２の回転高さに対して行われる。
【００２４】
また、掘削ヘッド１２０としては、下端縁１２１ａに多数の掘削爪１２２を有した２条の螺旋翼１２１が設けられている。２条の螺旋翼１２１は、回転軸１０１を中心に１８０°対称に配置されており、それぞれが１８０°の角度範囲で巻いている。つまり、各螺旋翼１２１は半ピッチ分だけ設けられている。
【００２５】
また、各螺旋翼１２１の下端縁１２１ａは、外周端から内周端に向かって上り傾斜した直線状の傾斜縁で構成されており、２つの螺旋翼１２１の下端縁１２１ａで構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状になっている。傾斜縁として形成された両螺旋翼１２１の下端縁１２１ａは、ほぼ同じ垂直面内に位置しており、両下端縁１２１ａの挟角αは、約１８０°未満で４５°以上の範囲に設定されている。
【００２６】
また、一方の螺旋翼１２１の回転方向の背面側には、図３に示すように、掘削摩擦軽減用の流体の噴射ボックス１３０が設けられている。この噴射ボックス１３０は、図４に示すように、長方形ブロック状のボックス本体１３１と、その外面の必要箇所にボルトで固定されたカバー１４１、１４２、１４３とからなる。
【００２７】
ボックス本体１３１は、長手方向の一方の端面に流体の入口１３２、内部にその入口１３２に連なる分岐通路１３３を有し、短手方向の両端面と長手方向の他端面に、前記分岐通路１３３に連なる吐出口１３５、１３６、１３７を有しており、螺旋翼１２１の背面に取り付けられた状態で、吐出口１３５は螺旋翼１２１の回転方向の前方へ向き、吐出口１３６は螺旋翼１２１の回転方向の後方へ向き、吐出口１３７は螺旋翼１２１の回転半径方向外方へ向いている。また、ボックス本体１３１の入口１３２に、回転軸１０１を通して配設した掘削摩擦軽減用の流体の供給管路の先端の配管１１８が接続されている。
【００２８】
カバー１４１、１４２、１４３は、各吐出口１３７に合わせて設けられており、任意に取り付けできるようになっている。図示例では、このうち１つのカバー１４１だけが、噴射口１４１ａを有する開放用となっており、他のカバー１４２、１４３は閉鎖用となっている。開放用のカバー１４１を取り付けた場合は、その吐出口１３５を開放でき、閉鎖用のカバー１４２、１４３を取り付けた場合は、その吐出口１３６、１３７を閉鎖できるようになっている。つまり、カバー１４１〜１４３の付け替えにより、３種の吐出口のうちの１つのみを選択的に開放できるようになっている。
【００２９】
次に上記構成の地盤改良装置を用いた地盤改良工法について説明する。
【００３０】
地盤改良に際しては、まず、昇降駆動装置１０４および回転駆動装置１０５により回転軸１０１を回転させつつ、掘削ヘッド１２０を地盤に向けて下降させる。それにより、回転軸１０１の先端に装備した掘削ヘッド１２０で地盤を掘削し、地盤中に回転軸１０１を貫入していく。
【００３１】
その貫入時には、地上の圧水供給装置および圧縮空気供給装置から圧水と圧縮空気を供給し、回転軸１０１内の供給管路を通して圧水と圧縮空気を掘削ヘッド１２０に送り込み、噴射ボックス１３０の開放された吐出口１３５、１３６、１３７から掘削土壌に向けて噴射する。図示例では、吐出口１３５が開放されているので、その吐出口１３５およびカバー１４１の噴射口１４１ａを通して、螺旋翼１２１の回転方向の前方へ向けて流体が吐出される。
【００３２】
このように、掘削ヘッド１２０に設けた流体の吐出口１３５〜１３７から、掘削土壌に向かって掘削摩擦軽減用の流体を噴射するので、掘削ヘッド１２０と土砂の間の摩擦を効率良く減らすことができ、掘削抵抗を小さくすることができ、掘削効率をアップさせることができる。
【００３３】
また、この地盤改良装置で使用している掘削ヘッド１２０は、２条の螺旋翼１２１の下端縁１２１ａで構成されるヘッド先端部が、中心部が凹み、周縁部が突出した下向きの凹形状に形成されているので、下方に突出した周縁部（外周部）が、凹んだ中心部（内周部）よりも優先的に地盤掘削に関わることになる。その結果、たとえ地盤中に硬い障害物が局部的に存在していても、螺旋翼１２１の下端縁１２１ａに設けた掘削爪１２２が大きな円形の周縁領域で地盤を優先的に掘削することになり、ヘッド先端部が障害物から逃げるような傾向が発生しなくなる。
【００３４】
従って、図１に示すような掘削抵抗の偏り等による回転軸１０１の軸芯の振れθ（軸ずれ）をできるだけ防ぎながら、精度よく掘削を進めることができる。特に中心部が周縁部よりも凹んでいることにより、周縁領域と中央領域とで掘削強度に強弱ができるので、周縁部の掘削力が大きく発揮されて、メリハリが生じることにより、掘削効果が高まると共に、軸芯ずれの防止効果が大きくなる。
【００３５】
また、２条の螺旋翼１２１の回転によって、効率よく排土を行うことができると共に、小さな垂直荷重であっても自力掘進力を発揮できるので、例えば、砂質系硬質地盤を掘削する場合でも、大きな貫入速度で、能率よく掘削を進めることができる。
【００３６】
また、掘削ヘッド１２０の螺旋翼１２１の背面側に流体の噴射ボックス１３０を設け、その噴射ボックス１３０に流体の噴射方向を定める吐出口１３５〜１３７を設けているので、予め定めた方向に向かって掘削摩擦軽減用の流体（圧水、圧縮空気、圧水と圧縮空気の混合体）を噴射することができる。また、噴射ボックス１３０に吐出口１３５〜１３７を設けていることから、無理のないレイアウトで必要な方向を向いた吐出口１３５〜１３７を配置することができる。
【００３７】
また、開放する吐出口と閉鎖する吐出口を決め、開放する吐出口には噴射口のついた開放用のカバーを取り付け、閉鎖する吐出口には閉鎖用のカバーを取り付けることで、螺旋翼１２１の回転方向の前方、または後方、あるいは、螺旋翼１２１の回転半径方向外方へ向けて、選択的に流体を吐出することができる。
【００３８】
従って、砂質系等の粘着力の小さい地盤を掘削する場合は、螺旋翼１２１の回転方向の前方へ向けて圧水と圧縮空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼１２１の前方での掘削抵抗を減らすことができる。また、粘性の強い地盤を掘削する場合は、螺旋翼１２１の回転方向の後方へ向けて圧水と圧縮空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼１２１の背面に沿って移動する土砂との抵抗を減らすことができ、それにより掘削抵抗を減らすことができる。さらに、接合杭を施工するための掘削を行う場合は、螺旋翼１２１の径方向外方へ向けて水と空気の混合流体を吐出することにより、螺旋翼１２１の外周の回転抵抗を減らすことができる。
【００３９】
所定深度までの回転軸１０１の貫入が終了したら、次に、ミルクプラント圧送ポンプ２０２を運転し、安定材を供給しながら、回転軸１０１を引き上げていき、現地土と安定材を攪拌・混合し、円柱状に改良体（杭体）を構築していく。以上により、効率良く地盤改良を行うことができる。
【００４０】
なお、図５に示すように、攪拌翼１１２よりも掘削ヘッド１２０の回転半径が小さい場合は、掘削した孔底部ＭＡの径Ｄ１が改良体（杭体が構築される孔を符号ＭＢで示す）の径Ｄ２よりも小さくなるので、所定径・所定深度の杭体を構築する場合は、掘削ヘッド１２０の高さ分だけ仕様外となり、そのため、その分だけ深さを余分に掘削しておく必要があるが、図６、図７に示す掘削攪拌手段１１０Ｂのように、攪拌翼１１２と掘削ヘッド１２０Ｂの回転半径をほぼ等しく設定しておけば、掘削した孔底部ＭＡの径Ｄ１が改良体（杭体が構築される孔を符号ＭＢで示す）の径Ｄ２と等しくなるので、孔内全長を有効径を有する杭体として構成することができる。従って、掘削抵抗が大きくなることを考慮しない場合は、その方が有利である。
【００４１】
また、上記実施形態では、掘削ヘッド１２０、１２０Ｂの螺旋翼１２１の条数（枚数）を２本としたが、更に増やしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態の地盤改良工法を実施する地盤改良装置の全体構成の概要を示す側面図である。
【図２】地盤改良装置の回転軸の先端に設けた掘削攪拌手段の構成を示す側面図である。
【図３】実施形態の掘削ヘッドの上下逆にして見た斜視図である。
【図４】前記掘削ヘッドの螺旋翼の背面に設けられる噴射ボックスの構成図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の実施形態の地盤改良装置の掘削攪拌手段により地盤に孔掘削を行っている状態を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態の地盤改良装置の要部を拡大して示す側面図である。
【図７】図６の地盤改良装置の掘削攪拌手段により地盤に孔掘削を行っている状態を示す断面図である。
【図８】従来の掘削ヘッドの一例を示す側面図である。
【図９】従来の掘削ヘッドの他の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１  回転軸
１０４  昇降駆動装置
１０５  回転駆動装置
１１０，１１０Ｂ  掘削攪拌手段
１２０，１２０Ｂ  掘削ヘッド
１２１  螺旋翼
１２１ａ  下端縁
１２２  掘削爪
１３０  噴射ボックス
１３５〜１３７  吐出口
【図１】
2008063870.tif 000003
【図２】
2008063870.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008063870.tif 000006
【図５】
2008063870.tif 000007
【図６】
2008063870.tif 000008
【図７】
2008063870.tif 000009
【図８】
2008063870.tif 000010
【図９】
2008063870.tif 000011