(57)【要約】    【課題】  表層地盤の改良工事において、経験や熟練に頼ることなく適切な作業をすることができる掘削機の傾斜角と掘削深度の測定装置を提供すること。    【解決手段】  土木工事機械本体に設けたヘッドタンクとフロントアタッチメントに位置を変えて設けた圧力センサとを導圧管を介して連結し、圧力センサの出力側に傾斜角と掘削深度を演算する演算手段を結合し、この演算手段は、圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでのそれぞれの水頭値と、予め設定された圧力センサ相互間距離とからフロントアタッチメントの傾斜角を演算し、かつ、圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでの水頭値と、予め設定されたヘッドタンクから施工地面までの距離及びフロントアタッチメントの垂直長さとから掘削深度を演算するようにしたものである。【選択図】  図１
2004157112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自走式の土木工事機械における油圧駆動アームの先端に着脱自在に設けたフロントアタッチメントにより、地表面の掘削を行なう掘削機において、前記土木工事機械本体に設けたヘッドタンクと前記フロントアタッチメントに位置を変えて設けた少なくとも２つの圧力センサとを導圧管を介して連結し、前記２つの圧力センサの出力側に傾斜角と掘削深度を演算する演算手段を結合し、この演算手段は、圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでのそれぞれの水頭値と、予め設定された圧力センサ相互間距離とから前記フロントアタッチメントの傾斜角を演算し、かつ、前記少なくともいずれか一方の圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでの水頭値と、予め設定されたヘッドタンクから施工地面までの距離及びフロントアタッチメントの垂直長さとから掘削深度を演算するようにしたことを特徴とする掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【請求項２】
圧力センサは、フロントアタッチメントにおける油圧駆動アームの屈曲面方向に所定距離をもって２つを配置し、演算手段は、２つの圧力センサの水頭値の差から相互の高さの差を求める減算演算器と、圧力センサ相互間距離を予め設定する寸法設定器と、前記減算演算器と寸法設定器との出力の比を求める除算演算器と、前記２つの圧力センサを結ぶ直線と水平面とのなす角を求める逆三角関数演算器と、フロントアタッチメントが垂直のときの前記２つの圧力センサを結ぶ直線と水平面とのなす角を予め設定する角度発信器と、前記逆三角関数演算器と角度発信器との出力の差からフロントアタッチメントの傾斜角を演算する減算演算器とを具備したことを特徴とする請求項１記載の掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【請求項３】
圧力センサは、フロントアタッチメントにおける油圧駆動アームの屈曲面方向に所定距離をもって２つを配置し、演算手段は、予め設定されたヘッドタンクから施工地面までの距離とフロントアタッチメントの垂直長さとから基準水頭を設定する基準水頭設定器と、この基準水頭設定器の基準水頭値による垂直距離と前記２つの圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでの水頭値の平均値を演算する平均値演算器による垂直距離とを加算して掘削深度を求める加算演算器とを具備したことを特徴とする請求項１記載の掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【請求項４】
圧力センサは、フロントアタッチメントに相互に所定距離をもって３つを配置し、これらのうち１つは、油圧駆動アームの屈曲面方向に配置し、他の２つは、油圧駆動アームの屈曲面方向と直交する方向に所定距離をもって配置することにより、油圧駆動アームの屈曲面方向の傾斜角と、油圧駆動アームの屈曲面方向と直交する方向の傾斜角とを求めるようにしたことを特徴とする請求項１記載の掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【請求項５】
圧力センサは、油圧駆動アームの先端に着脱自在に取り付けられたフロントアタッチメントの外殻であって、撹拌される軟弱土から保護される位置に取り付けるようにしたことを特徴とする請求項１記載の掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【請求項６】
土木工事機械本体に掘削機における傾斜角及び掘削深度を表示する監視盤を具備し、この監視盤に、フロントアタッチメントを施工地面に設置させて固定値を自動設定するためのゼロ設定スイッチを設けたことを特徴とする請求項１記載の掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的厚く表土層を掘削しつつグラウトなどの地盤安定剤を注入・撹拌して表土層の地盤改良をする土木工事において、施工中の掘削・撹拌翼の傾斜角と掘削深度を演算・表示し、さらにこれらのデータを記録する装置に関するものである。
さらに具体的には、一般的に知られている自走式土木工事機械における油圧駆動アームの先端に、フロントアタッチメントとして例えば、無端帯チェーンに掘削・撹拌翼を取り付け、地表面下に縦溝又は縦穴を掘削しつつ、グラウトを注入・撹拌し、順次移動して表土層の地盤を連続的に改良する地盤改良工法において、掘削、注入、撹拌工程が進行し、アタッチメントとしての掘削・撹拌翼が地中に埋没しているときのアタッチメントの傾斜角と地表からの掘削深度を把握する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土木工事において地盤を掘削するには、地下杭を構築するアースオーガーのように縦軸を旋回させて円柱状の削孔を形成し、排土する方法、掘削ショベルを使用して地表面から掘削し、排土する方法などが代表的な工法であり、前者は掘削深度が深い場合、後者は掘削深度が浅い場合に適用されている。
フロントアタッチメントとしてのオーガーや掘削ショベルは、油圧駆動アームの先端に取り付け、クローラー（無限軌道）によって自走し得る構造とした土木工事機械が多用されている。
【０００３】
また、地表面から比較的浅い深度の表土層に適用する地盤安定化工法としては、自走式汎用土木工事機械の油圧駆動アームの先端に取り付けるフロントアタッチメントとして、表土層を掘削し、排土せずにグラウトを注入して撹拌することを可能とした掘削・撹拌機を採用し、連続的に表土層の地盤改良を行う方法が実用化されている。
連続的に地盤改良を行うこの工法においては、フロントアタッチメントとしての掘削・撹拌翼を常に垂直に保ちつつ、また、施工区域の周縁などにおいては一定の傾斜角を保持しつつ表土層の掘削深度を規定された値に維持し、施工することが要求される。
【０００４】
さらにこの工法においては、表土層の掘削工程が進行してフロントアタッチメントとしての掘削・撹拌翼が地表面下に埋没し、土木機械の操縦席に搭乗したオペレータの視野から外れる深度に至ると、オペレータは、フロントアタッチメントとしての掘削・撹拌翼の傾斜角及び掘削深度を目視によって把握したり、確認したりすることができないという不都合がある。
従って、オペレータは、自らの経験の蓄積に基づき、目視し得る各油圧アームの屈曲、位置を認識して、地表面下にあって目視による確認ができない掘削・撹拌翼の傾斜角、掘削深度を推測して、又は地上の作業員からの報知に基づいて傾斜角、掘削深度を把握して機械の操作を行っている現状にある。
【０００５】
表土層を掘削し、排土することにより、開口した削孔部からフロントアタッチメントを目視で確認し得る工法にあっては、正確とはいえないまでも地上作業員が目視により観測して、フロントアタッチメントの傾斜角、掘削深度の概略値をオペレータに報知することも可能である。しかし、排土せずに地盤改良を行い、地表面下に埋没したフロントアタッチメントを目視し得ない前述の工法にあっては、オペレータ、地上作業員共に、それぞれの経験や残尺・マーカーに基づいてフロントアタッチメントの傾斜角と掘削深度を推定する以外に方法がなかった。
【０００６】
土木工事においては、油圧アームを搭載した自走式汎用機械に、フロントアタッチメントを工法に応じて交換することによって、それぞれの工法に専用の機械を導入することなく、各種の土木作業を可能とすることが通常であり、上記の地盤改良工法においても例外ではない。従って、上記地盤改良工事の施工時において、オペレータの判断によるフロントアタッチメントの掘削・撹拌翼の傾斜角、掘削深度の把握は、信頼性に乏しく、改良施工した地層の傾斜角、掘削深度を疑念なく客観的に第３者に報知し、証明する手段もないため、何らかの測定、記録手段が切に求められていた。
【０００７】
上述の問題点に鑑み、土木工事機械の油圧アームの屈曲軸のそれぞれにロータリーエンコーダなどの回転位置検出器を設け、三角関数演算によって深度を求める方法が模索されているが、次のように、難点が多々あるために普及、実施される状況に至っていない。
（１）ゼロ点補正が難しいこと。
（２）検出器の取り付け、取り外しが容易であることの要求されるリース導入機械が多い現状にあっては現実的には困難であり実用的でないこと。
（３）設備費用が高価であること。などである。
【０００８】
レーザー光、電磁波、音波などを使用して、掘削底部から、又は地中にあるフロントアタッチメントからの反射を捉えて傾斜角、掘削深度を把握しようとする方法も模索されたが、撹拌土粒に覆われている底面に信号波を投射できない、特別な地層でない限り底面下部と撹拌軟弱土の境界面を判別できない、など原理的ともいえる不都合があって実用化できない状況にある。
【０００９】
アースオーガーを使用して、比較的に深い深度の垂直円柱状削孔を形成する工法における掘削深度測定法として「掘削機における掘削深度計測装置（実開昭５６−１４８６１０号公報）」が提案されているが、掘削深度だけであり、フロントアタッチメントの傾斜角と掘削深度を併せて測定し、把握する方法は得られていないため、表土層の地盤改良工事には利用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
油圧駆動アーム先端に、フロントアタッチメントとして掘削・撹拌翼などを取り付け、地表面下に縦溝又は縦穴を掘削し、グラウトを注入しつつ撹拌し、施工作業を継続しながらさらに徐々に自走して一定面積の表層地盤を連続的に改良する工事において、掘削、注入、撹拌しつつあるフロントアタッチメントの傾斜角及び地表からの掘削深度を把握するには、前述のように油圧駆動アームの各回転軸に角度検出器を設けて演算するか又はオペレータ、地上監視員の経験と推測に頼る以外に適切な方法がなかった。
【００１１】
上記の表層地盤改良工事において、角度検出器を設けてフロントアタッチメントの傾斜角度、掘削深度を演算して得る方法は、検出器の脱着が容易でなく、ゼロ点調整が難しい上に測定、演算装置など構成システムが高価なため実質的に採用が困難であり、実験段階などを除き、実用的な実施例は得られていない。
【００１２】
オペレータの経験と推測に頼る方法では、地盤改良施工した平面上の任意の位置における掘削傾斜角と深度を、作業中のオペレータが筆記により記録することは事実上不可能であり、改良工事の品質を保証し、また施工結果を数値をもって報告し、証明するには信頼性の面からも難点があった。
【００１３】
上記の表層地盤改良工事において、施工結果、すなわち地盤改良が行われた範囲、掘削傾斜角、掘削深度など、工事の品質を保証する資料、データを得ようとするならば、施工した地面の指定位置においてボーリングを行ってサンプルコアを採取する以外に方法がなかった。
【００１４】
本発明の目的は、油圧駆動アーム先端に掘削・撹拌翼などのフロントアタッチメントを取り付け、地表面下に縦溝又は縦穴を掘削し、さらに徐々に自走して一定面積の表層地盤を連続的に改良する土木工事において、掘削、注入、撹拌しつつあるフロントアタッチメントの傾斜角と地表からの掘削深度とを刻々と把握し、表示し、土木工事機械のオペレータの経験や熟練に頼ることなく適切な作業をすることができるフロントアタッチメントの傾斜角と掘削深度の測定装置を提供しようとすることにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、上記表層地盤改良工事において、適用土木機械への脱着が容易で、安価に構成することができる掘削、撹拌時におけるフロントアタッチメントの傾斜角と掘削深度を測定する装置を提供しようとすることにある。
【００１６】
本発明のさらなる他の目的は、上記表層地盤改良工事において、掘削、撹拌中のフロントアタッチメントの傾斜角及び掘削深度を連続的に記録し、施工結果の確認、施工品質保証の証明に供することができるよう、必要に応じて任意の施工位置におけるフロントアタッチメントの傾斜角と掘削深度のデーターを随時に読み出し、表示、印字することが可能である掘削、撹拌傾斜角、深度の測定装置を提供しようとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、自走式の土木工事機械における油圧駆動アームの先端に着脱自在に設けたフロントアタッチメントにより、地表面の掘削を行なう掘削機において、前記土木工事機械本体に設けたヘッドタンクと前記フロントアタッチメントに位置を変えて設けた少なくとも２つの圧力センサとを導圧管を介して連結し、前記２つの圧力センサの出力側に傾斜角と掘削深度を演算する演算手段を結合し、この演算手段は、圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでのそれぞれの水頭値と、予め設定された圧力センサ相互間距離とから前記フロントアタッチメントの傾斜角を演算し、かつ、前記少なくともいずれか一方の圧力センサで検出された圧力センサからヘッドタンクまでの水頭値と、予め設定されたヘッドタンクから施工地面までの距離及びフロントアタッチメントの垂直長さとから掘削深度を演算するようにしたことを特徴とする掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、自走式土木工事機械の油圧駆動アームの先端にフロントアタッチメントを取り付け、順次移動しつつ表層地盤面を連続して改良する地盤改良工法において、掘削、注入、撹拌工事を施工しながら、フロントアタッチメントの傾斜角及び地表からの掘削深度を、オペレータが刻々と容易に把握し、規定された条件に制御、保持しつつ作業を進めることを可能とする。
【００１９】
本発明を実機に適用するにあたっては、圧力センサー（３０）（３１）、ヘッドタンク（３２）及び監視盤（３６）を要するのみであり、油圧駆動アームの屈曲角度を検出するロータリーエンコーダ方式など、他の方式と比べて極めて安価にシステム構成が可能である。
【００２０】
また、本発明によるシステム構成要素を実機に装着するにあたっても、ヘッダー（３２）から圧力センサー（３０）（３１）への導圧管（３３）及び信号ケーブル（３４）（３５）の引き回しは油圧駆動アーム（１２）（１３）（１４）に沿わせるだけでよく、極めて容易であり、またその取り外しも容易であるから、実機が短期リースの機械であっても対応、適用することが可能である。
【００２１】
さらにまた、本発明による掘削アタッチメント傾斜角、掘削深度の測定装置の操作は、ヘッドタンクの（３２）の水位を確認するだけであり、固定値を自動設定する機能を付加した場合であっても、フロントアタッチメントを施工地面に設置させてゼロ設定スイッチを押すなどきわめて単純容易であり、オペレータに対してアタッチメント傾斜角、及び掘削深度の測定に関して特別な教育、訓練を必要としない。
【００２２】
上述の説明で明らかな通り、本発明による掘削アタッチメント傾斜角、掘削深度の測定装置を、前記の表層地盤面の地盤改良工法に適用することにより、作業者に高度な熟練度を要求することなく、補助的報知要員を配置することなく、安価に作業能率の高い施工工事を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、油圧駆動アーム先端に、掘削撹拌翼などのフロントアタッチメントを取り付け、地表面下に縦溝又は縦穴を掘削し、さらに徐々に自走して一定面積の表層地盤を改良する土木工事において、掘削しつつあるフロントアタッチメントの傾斜角及び地表からの深度を、適用土木機械上の適宜な高い位置に、水頭値を得るための圧力伝達媒体として、水、不凍液その他の液体を充満したヘッドタンクを設け、該ヘッドタンクから導圧管を介して、ヘッドタンク圧力をフロントアタッチメントに位置を変えて設けた圧力センサに導き、該圧力センサからヘッドタンクまでの水頭値を検出し、掘削時のフロントアタッチメントの傾斜角、及びその深度を演算して求めるものである。
【００２４】
複数の圧力センサは、説明を簡単にするため２個のセンサを使用して油圧駆動アームの屈曲方向の傾斜角を得ようとする場合について述べれば、これらの２個の圧力センサを油圧駆動アームの屈曲平面上で、フロントアタッチメントの近傍にあって、それぞれ水平方向の位置が異なる点に所定の距離をもって設ける。
２個の圧力センサの相互の受圧面距離は、固定であり、両者の垂直方向寸法は、それぞれに与えられる水頭値の差であるから、水平面と２個の圧力センサを結ぶ直線の成す角度は、三角関数演算によって求められる。
ヘッドタンクから圧力センサまでの垂直距離は、２個の圧力センサまでの垂直距離の平均値で求めることができる。しかし、２個の平均値に限られるものではなく、いずれか一方の圧力センサの水頭値による垂直距離を採用するようにしても実用上支障はない。
【００２５】
フロントアタッチメントが制御すべき垂直に保持されているときの水平面と２個の圧力センサを結んだ直線の成す角度を設定し又は記憶保持しておき、施工中に変化するその角度を刻々と演算して求め、求めたその値と記憶保持値との偏差を求めれば、その値がフロントアタッチメントの傾斜角となる。
【００２６】
掘削深度は、フロントアタッチメントのどの位置を深度の基準とするかを定め、その基準位置と圧力センサの垂直方向寸法を設定又は記憶保持しておき、圧力センサによって得られる水頭値に加算すれば、施工中に刻々と変化する掘削、撹拌深度が得られる。
【００２７】
かくして圧力センサによって検出した水頭値に基づいて演算した結果、得られたフロントアタッチメントの傾斜角及び掘削深度を適用土木機械の操縦室に表示して、搭乗しているオペレータに刻々と知らしむることにより、適切な表層地盤改良工事を、作業効率よく行うことができる。
【００２８】
また、施工時において、油圧駆動アームの先端にフロントアタッチメントを取り付けた当該土木機械は、必ずしも水平である地表面にあるとは限らず、むしろしからざる場合が多いことから、油圧駆動アームの屈曲面に直交する方向の水平と成す傾斜角をも求める必要があれば、油圧駆動アームの屈曲方向へ複数の圧力センサを配するのみでなく、その直交方向へさらに追加して複数の圧力センサを設けて、その傾斜角を把握することができる。
【００２９】
このようして刻々と得られる掘削、撹拌傾斜角、深度データは、作業日時、または適用土木機械の自走距離などと合わせて記録することが可能であり、該記録データを再現することにより施工状況の分析、報告、品質保証の証明などに有効活用することができる。
【実施例１】
【００３０】
以下、本発明による掘削機における傾斜角、掘削深度の測定装置の実施例を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）において、クローラー（１１）によって自走可能な自走式土木工事機械（１０）には、油圧駆動アーム（１２）（１３）（１４）が順次連結され、その先端にフロントアタッチメントとして比較的厚く表土層を掘削可能な掘削・撹拌翼（１６）を着脱自在に取り付け、この掘削・撹拌翼（１６）によって掘削される。図１（ａ）は、孔壁１９が正しく垂直に施工されている状態を示した側面図である。この掘削・撹拌翼（１６）は、一般に、油圧駆動アーム（１２）（１３）（１４）を介してオペレータが操縦室から傾斜角を自在に調整し得るよう連接されている。
【００３１】
また、前記掘削・撹拌翼（１６）には、圧力センサ（３０）（３１）が設けられている。これらの圧力センサとして、例えば、水位センサ（３０）（３１）が用いられ、これらの水位センサ（３０）（３１）は、油圧駆動アーム（１２）（１３）（１４）に沿って設けられた導圧管（３３）を介して土木工事機械（１０）上に適宜な垂直方向高さを保持したヘッドタンク（３２）に連結され、水頭圧が与えられるようなっている。
圧力センサとして、水位センサ（３０）（３１）が用いられる場合には、前記ヘッドタンク（３２）に充填される圧力伝達媒体としての液体は、環境汚染がなく、安価であることから、一般に、水が使用される。
しかし、水に限られるものではなく、寒冷地においては、エチレングリコールを主体とした車両用不凍液を用いることができる。また、応答速度を速めるために粘性の少ないアルコール類を用いたり、応答速度を遅くするために粘性の大きい油類を用いたり、目的に応じて選択することができる。
これらの両水位センサ（３０）（３１）から発せられる水位信号は、信号ケーブル（３４）（３５）を介して操縦室（１５）内に設けられた監視盤（３６）へ与えられ、掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角として表示されるように構成されている。
図１（ａ）では、理解を容易にするため水位センサ（３０）（３１）の取り付け位置を掘削・撹拌翼（１６）の外部に誇張して示したが、実際には、例えば、図２に示すように、油圧駆動アーム（１４）の先端に着脱自在に取り付けられた掘削・撹拌翼（１６）の外殻（２４）であって、撹拌、混合される軟弱土によってダメージを受けずに保護されるように平面部（３７）に取り付けられる。
【００３２】
図１（ｂ）は、操縦室（１５）からオペレータの目視し得ない位置にある掘削・撹拌翼（１６）が傾斜している状態を示した図であり、通常は、掘削・撹拌翼（１６）を図１（ａ）に示すように、垂直に保持して掘削、撹拌、注入施工されるが、施工区域の周縁、始端、終端などでは、あえて傾斜を持たせて掘削をすることもあり、その場合にも、その傾斜角は監視盤（３６）に表示され、オペレータによって監視、制御される。
【００３３】
後述するように、掘削深度は、１つの水位センサによって得られる水頭値（又は複数のセンサで得られる水頭値の平均値）に、水位センサの垂直方向の取り付け位置によって定まる基準値を加減することによって、正しい掘削深度が得られるので、掘削・撹拌翼（１６）の掘削深度を傾斜角と同様に監視盤（３６）に表示することができる。
【００３４】
図３は、図１において説明した地盤改良掘削、撹拌部分に加え、注入するグラウト（４９）を生成、供給する装置をも示した図である。
グラウト主剤、例えばセメントなどは、サイロ（４０）からコンベア（４１）を介して計量混合槽（４３）へ送られ、図示されない水に併せて撹拌機（４２）によって撹拌操作される。撹拌されたグラウト（４９）は、供給槽（４５）へ送られ撹拌機（４４）によって撹拌され、さらに流量を計測する流量計（４６）を経由してグラウトポンプ（４７）によって圧送され、圧送ホース（４８）を介してフロントアタッチメントである掘削・撹拌翼（１６）へ送られ、下方端部からグラウト(４９)を地盤へ注入し、軟弱土とともに撹拌される。
【００３５】
図４は、図１で示したフロントアタッチメントである掘削・撹拌翼（１６）について、さらに理解を容易にするために示した詳細図である。
掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角は、操縦室（１５）において油圧シリンダ（１８）の伸縮を操作することによって屈曲範囲内で任意に調整することができる。また、複数の水位センサ（３０）（３１）は、図２に基づき説明したように、掘削、撹拌される土粒から保護され、かつ掘削、撹拌のために回転するビット（１７）と干渉しない位置に配されている。
さらに、複数の水位センサ（３０）（３１）は、その検出水頭値信号を受けてから後の演算処理を簡単にするためには、掘削・撹拌翼（１６）が垂直に保持されたとき、その受圧面が同一水平面に配されることが望ましいので、外殻２４の平面部３７に取り付けたが、平面であることが必要条件ではない。
【００３６】
図４において、ＨＳは、適用する土木機械（１０）上に設けられたヘッドタンク（３２）のヘッド水面から施工地面（２０）までの高さであり、Ｌ０は、掘削深度の基準となる水位センサ（３０）の受圧面から掘削・撹拌翼（１６）の掘削先端までの寸法で、いずれも固定値であるから、水位センサ（３０）によって得られる変数の水頭値をＨ１とすれば、掘削深さＤＰは
ＤＰ＝Ｈ１−ＨＳ＋Ｌ０
で与えられる。
【００３７】
図５（ａ）（ｂ）は、２個の水位センサ（３０）（３１）によって得られる水頭信号から掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角を求める演算式を説明する図である。
図５（ａ）は、掘削・撹拌翼（１６）が垂直に配置されているときの２つの水位センサ（３０）（３１）の関係を示しており、両水位センサ（３０）（３１）の受圧面間寸法Ｌ１と垂直方向の寸法差△Ｈ０は、固定値であるから、両水位センサ（３０）（３１）の受圧面を結ぶ直線と水平面が成す角度θ０は、
θ０＝ｓｉｎ−１（△Ｈ０／Ｌ１）
で与えられる固定値となる。
このとき、２つの水位センサ（３０）（３１）が同一水平面に配置されていれば、
θ０＝０
である。
【００３８】
図５（ｂ）は、掘削・撹拌翼（１６）が垂直位置から角度変化し、ある角度で傾斜した場合を示す図である。
２つの水位センサ（３０）（３１）の垂直方向の高さ寸法は、両水位センサ（３０）（３１）が発する水頭信号値の差△Ｈ１は、
△Ｈ１＝Ｈ１ａ−Ｈ１ｂ
で与えられるから、この時に両水位センサ（３０）（３１）の受圧面を結ぶ直線と水平面が成す角度θ１は、
θ１＝ｓｉｎ−１（△Ｈ１／Ｌ１）
で得られる。
従って、このθ１のときに掘削・撹拌翼（１６）が垂直面にあるときと比べた傾斜角θは、
θ＝θ０−θ１
で与えられる（角度は、反時計回りを正とする）ので、このθ値が正であれば掘削・撹拌翼（１６）の下端部の掘削先端が操縦室（１５）から遠のく方向へ、負であれば近づく方向への傾斜ということになる。
【００３９】
図６は、図４及び図５に基づき説明した掘削深度と掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角を求める式に従って、具体的な演算方法を示すものであり、説明と理解を容易にするために示したブロックダイヤグラムである。
演算方法としては、ワイヤードロジック、ソフトウエアロジックなど、実用化されている公知の技術を任意に選択することが可能であり、目的とする演算動作を行うソフトウエアの流れを示すフローチャートなどであっても、説明は可能である。
ヘッドタンク（３２）の水頭圧を発信する水位センサー（３０）及び水位センサ（３１）からのそれぞれのアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバーター（５０）（５１）によってデジタル変換されて減算演算器（５２）に与えられ、その出力として両センサの水頭値差△Ｈ１が得られる。
水位センサ（３０）（３１）の水頭値差△Ｈ１と、両センサ（３０）（３１）の受圧面間寸法Ｌ１を発する寸法設定器（５３）の出力が除算演算器（５４）に与えられ、さらに逆三角関数演算器（５５）を介して水位センサ（３０）（３１）の受圧面間直線が水平と成す角度θ１が得られる。
得られた角度θ１と角度発信器（５６）からの受圧面間直線の初期角度θ０との差θを、減算演算器（５７）によって得れば、掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角が得られたことになる。
【００４０】
減算演算器（５７）によって得られた掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角信号は、分岐され、それぞれＤ／Ａコンバータ（５９）を介して記録計（６２）へ、変換増幅器（５８）を介して傾斜角表示器（６０）へ、さらに図示されない記録媒体（Ｍ）への傾斜角記録信号として出力され、記録、表示、記憶される。
【００４１】
同じく図６において、Ａ／Ｄコンバータ（５０）（５１）によってデジタル変換されたデジタル信号Ｈ１ａ、Ｈ１ｂは、平均値演算器（６３）により平均値Ｈ１が得られ、この平均値演算器（６３）の水頭値信号Ｈ１は、加算演算器（６７）によって基準水頭設定器（６６）の出力値−ＨＳ＋Ｌ０と加算され、掘削深度ＤＰ（＝Ｈ１−ＨＳ＋Ｌ０）が得られ、それぞれＤ／Ａコンバータ（６９）を介して記録計（６２）へ、変換増幅器（６８）を介して深度表示器（７０）へ、さらに図示されない記録媒体（Ｍ）への掘削深度記録信号として出力され、記録、表示、記憶される。
【００４２】
図６に示す実施例では、説明を簡単にするため、寸法設定器（５３）、角度発信器（５６）及び基準水頭設定器（６６）は、あらかじめ出力が固定的に設定されているものとした。しかし、水位センサ（３０）（３１）を搭載した掘削・撹拌翼（１６）を垂直に保持して、深度ゼロの位置に置いたときに発せられる水位センサ（３０）（３１）のデジタル変換出力値を、図７（ａ）（ｂ）に示した監視盤（３６）のゼロ設定スイッチ（８３）からの信号によってラッチゲートを介して取り込み、メモリーレジスタに記憶することにより、自動設定するよう構成することが可能である。
【００４３】
図７（ａ）（ｂ）は、操縦室（１５）に設けられる監視盤（３６）の一実施例を示した側面図と正面図であり、正面には、表示ディスプレー（８１）、電源スイッチ（８２）、ゼロ設定スイッチ（８３）が設けられている。
表示ディスプレー（８１）は、単に表示機能を保有するのみでなく、パネルタッチスイッチ機能を持つプログラマブル表示器を採用することも可能であり、その場合には、他の入力を得て、工事施工プログラム、工事進捗状況、施工偏差など選択的にオペレータに報知せしめることも可能である。
【００４４】
本発明の一実施例として、水頭レンジ６０００ｍｍＨ２Ｏ、精度０．１％である２個の水位センサを用い、その受圧面間寸法を１０００ｍｍに設定した場合の実証試験を行った。これによれば、振動によるヘッドタンクのプライミングを含めても傾斜角の検出分解能は、０．５度以下、掘削深度の検出分解能は、１０ｍｍ以下であることが確認でき、十分に実用的であることが証明された。
【００４５】
図１に示した前記実施例では、ヘッドタンク３２を、土木工事機械１０に支柱等を立ててできるだけ高い位置に取り付けた。これは、掘削・撹拌翼16を高い位置に持ち上げてもできるだけ、圧力センサ３０、３１で正圧を得るためである。しかし、ヘッドタンク３２は、土木工事機械１０の内部に収納するように取り付ける等、低位置に取り付けるようにしても良い。低位置に取り付けた場合、図８に示すように、掘削・撹拌翼１６における圧力センサ３０，３１の位置がヘッドタンク３２の液面より高くなる場合があるが、圧力センサ３０，３１における受圧面８５，８６が負圧を検出することになるだけで、正圧の場合の上記動作例と変わるところはない。前記圧力センサ３０，３１は、例えば、密閉された容器内に、導圧管３３に連通してダイヤフラム等からなる受圧面８５，８６が設けられ、上部には、検出圧力を電気信号に変換する受信計８７，８８が内蔵されたものである。そして、前記受信計８７，８８からの電気信号を、零圧のとき１２ｍＡ、１ａｔの正圧のとき２０ｍＡ、０．１ａｔの負圧のとき４ｍＡのように出力する。
【００４６】
図８に示すようにヘッドタンク３２を低位置に設置した場合において、導圧管３３の途中の導圧管頂部８４が所定高さ以上になると、誤動作の問題が発生することがある。これを図９に基づき説明すると、ヘッドタンク３２に充填した圧力伝達媒体の液体が純水である場合、ヘッドタンク３２の液面から導圧管３３の導圧管頂部８４までの高さｈが１０．３ｍを越えると、導圧管頂部８４の部分が真空になる（トリチェリの真空）。
しかるに、導圧管３３は、土木工事機械１０の油圧駆動アーム１２，１３，１４に沿って取り付けられているので、導圧管頂部８４が１０．３ｍを越えると導圧管頂部８４の部分が真空になり、圧力センサ３０、３１の受圧面８５、８６に正確な圧力が伝達されなくなる恐れがある。そこで、ヘッドタンク３２の取り付けに際しては、導圧管頂部８４とヘッドタンク３２の高さｈが１０．３ｍを越えないように設定する必要がある。特に、水には、不純物、空気などを含んでいるので、この高さｈは、安全性を見越して７〜８ｍとすることが望ましい。
なお、圧力伝達媒体が水以外の液体であって液体密度をρ、大気圧をｐ、重力加速度をｇとしたとき、高さｈは、
ｈ＜ｐ／（ρｇ）
に設定することが望ましい。
【実施例２】
【００４７】
前記実施例１では、施工時において、土木工事機械（１０）は、水平な地表面にて施工しているものとし、２つの水位センサ（３０）（３１）を油圧駆動アームの屈曲面方向に配置して水平と成す傾斜角、すなわち、掘削・撹拌翼（１６）の下端部の掘削先端が操縦室（１５）から遠のく方向又は近づく方向への傾斜角を求めるようにした。
しかし、施工時において、土木工事機械（１０）は、必ずしも水平である地表面にあるとは限らず、むしろしからざる場合が多い。そこで、油圧駆動アームの屈曲面に直交する方向の水平と成す傾斜角をも求める必要があれば、油圧駆動アームの屈曲方向へ配置した２つの水位センサ（３０）（３１）のうちの水位センサ（３１）を、図１０に示すように、油圧駆動アームの屈曲面に直交する方向に２つの水位センサ（３１ａ）（３１ｂ）を配置することにより、油圧駆動アームの屈曲面に直交する方向の傾斜角を把握することができる。もちろん、図１０に示すように、３つの水位センサ（３０）（３１ａ）（３１ｂ）を配置することにより、水位センサ（３１ａ）（３１ｂ）により演算で求めた油圧駆動アームの屈曲面方向のデータと水位センサ（３０）のデータとから油圧駆動アームの屈曲面方向の傾斜角も求めることができる。
【００４８】
前記実施例では、フロントアタッチメントとして無端帯チェーンに掘削・撹拌翼を取り付けたものを例示したが、これに限られるものではなく、図１１に示すように、油圧駆動アーム（１４）の先端に、外殻（２４）を着脱自在に取り付け、この外殻（２４）の下端部の支柱（３８）の両側に水平方向に回転する撹拌ピック（３９）を取り付けたようなものであって、傾斜することにより、掘削深度に影響を与えるようなものについて利用できる。
【００４９】
前記実施例では、掘削機として、グラウトを注入しつつ地表面を掘削、撹拌して表層地盤を改良するものについて
【産業上の利用可能性】
【００５０】
圧力センサは、負圧を検出することで傾斜角及び掘削深度の測定ができるので、油圧駆動アームが十分に長い場合には、油圧駆動アームの先端に設けたフロントアタッチメントが、土木工事機械に取り付けたヘッドタンクよりも高い位置にある地盤を掘削する掘削機にも利用できる。
【００５１】
前記実施例では、掘削機として、グラウトを注入しつつ地表面を掘削、撹拌して表層地盤を改良する掘削機に利用する場合について説明したが、必ずしもグラウトの注入を伴なわず、フロントアタッチメントが単に地表面を掘削する掘削機に利用するものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】自走式土木工事機械による表層地盤改良工法に本発明による掘削機における傾斜角及び掘削深度の測定装置を適用した一実施例を示すもので、（ａ）は、垂直に掘削時の説明図、（ｂ）は、傾斜して掘削時の説明図である。
【図２】掘削・撹拌翼（１６）の上端の外殻（２４）の斜視図である。
【図３】地盤改良掘削、撹拌部分に、注入するグラウトを生成、供給する装置をも加えた説明図である。
【図４】図１で示したフロントアタッチメントである掘削・撹拌翼（１６）について、さらに理解を容易にするために示した詳細な説明図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、２個の水位センサ（３０）（３１）によって得られる水頭信号から掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角を求める演算式を説明する説明図である。
【図６】掘削深度と掘削・撹拌翼（１６）の傾斜角を求める式に従って、具体的な演算方法を示すブロックダイヤグラムである。
【図７】操縦室に設けられる監視盤の一実施例を示もので、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、正面図である。
【図８】ヘッドタンク３２を低位置に設置したときの動作説明図である。
【図９】ヘッドタンク３２と導圧管頂部８４との高さｈが１０．３ｍを越えたときの動作説明図である。
【図１０】フロントアタッチメントを３つ配置したときの説明図である。
【図１１】フロントアタッチメントの他の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…土木工事機械、１１…クローラー、１２…油圧駆動アーム、１３…油圧駆動アーム、１４…油圧駆動アーム、１５…操縦室、１６…掘削・撹拌翼、１７…ビット、１８…油圧シリンダー、１９…孔壁、２０…施工地面、２１…掘削孔、２２…掘削底面、２３…地盤安定化工事施工済み土粒、２４…外殻、３０…圧力センサ、３１…圧力センサ、３２…ヘッドタンク、３３…導圧管、３４…信号ケーブル、３５…信号ケーブル、３６…監視盤、３７…平面部、３８…支柱、３９…撹拌ピック、４０…サイロ、４１…コンベア、４２…撹拌機、４３…計量混合槽、４４…撹拌機、４５…供給槽、４６…流量計、４７…グラウトポンプ、４８…圧送ホース、４９…グラウト、５０…Ａ／Ｄコンバータ、５１…Ａ／Ｄコンバータ、５２…減算演算器、５３…寸法設定器、５４…除算演算器、５５…逆三角関数演算器、５６…角度発信器、５７…減算演算器、５８…変換増幅器、５９…Ｄ／Ａコンバータ、６０…傾斜角指示器、６１…記録媒体用傾斜角信号、６２…記録計、６３…平均値演算器、６６…基準水頭設定器、６７…加算演算器、６８…変換増幅器、６９…Ｄ／Ａコンバータ、７０…掘削深度表示器、７１記録媒体用深度信号、８１…表示ディスプレー、８２…電源スイッチ、８３…ゼロ設定スイッチ、８４…導圧管頂部、８５…受圧面、８６…受圧面、８７…受信計、８８…受信計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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