掘削ヘッド、削孔装置、圧入機及び削孔方法

【課題】掘削効率がよく、かつ掘削爪の損傷が少ない掘削ヘッド、削孔装置、圧入機及び削孔方法を提供する。
【解決手段】外周部ヘッド３１と、この外周部ヘッド３１の中心部に設けられた中心部ヘッド３２とからなる掘削ヘッド３０である。外周部ヘッド３１及び中心部ヘッド３２は独立に回転自在かつ上下動自在である。中心部ヘッド３２を外周部ヘッド３１よりも高速回転させることで中心部ヘッド３２の掘削爪３３の周速度を外周部ヘッド３１の掘削爪３３の周速度と同程度に調整して掘削効率を向上させることができる。また、中心部ヘッド３２と外周部ヘッド３１とを逆方向に回転させた場合には、削孔３の方向ずれを低減することもできる。さらに、中心部ヘッド３２で案内孔４を削孔してから案内孔４の外周部を掘削することにより、芯振れが少なくなり、削孔方向の正確さが向上し、掘削爪３３の損傷を減らすことができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤を掘削する掘削ヘッド、削孔装置、圧入機及び削孔方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質地盤を掘削して竪穴を形成する装置として、三点式アースオーガが知られている。このアースオーガに設けられているオーガスクリューの下端部には、硬質地盤を掘削する掘削ヘッドが接続されている。
【０００３】
掘削ヘッドとしては、例えば、回転軸の下端から、軸に対して略垂直方向に突出した羽を有し、羽に掘削爪が径方向に等間隔に設けられたものがある（例えば特許文献１参照）。従来の三点式アースオーガでは、自重で掘削爪を地盤に押圧し、掘削爪を回転させて地盤を削っていた。
【特許文献１】特開２００４−１２４６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の削孔方法では、図６に示すように、掘削ヘッド６０の掘削爪６１は外側も内側も同一の角速度で回転するため、その周速度は外側ほど速く、内側ほど遅い。このため、外側の掘削爪を適正な周速度にすると内側の掘削爪が大幅に遅くなり、掘削効率が悪い。すると同じ土砂を長くかき混ぜることで土中の水と練り合わされ泥状となり、オーガスクリューによる土砂の排出が少なくなり、さらに掘削効率が悪くなる。
【０００５】
逆に内側の掘削爪を適正な周速度にすると外側の掘削爪が大幅に速くなり、掘削爪の損傷が激しくなり、交換頻度が高いという問題があった。
【０００６】
また、掘削能力を上げるためにはオーガヘッドを下方へ押圧する必要があるが、従来の三点式アースオーガでは自重を反力としていたため、押圧力を大きくするとアースオーガが傾いたり、転倒したりする恐れがあり、掘削能力が制限されていた。
【０００７】
本発明の課題は、掘削効率がよく、かつ掘削爪の損傷が少ない掘削ヘッド、削孔装置、圧入機及び削孔方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１〜４に示すように、回転しながら地盤１を掘削する掘削爪３３を備える掘削ヘッド３０であって、外周部ヘッド３１と、この外周部ヘッド３１の中心部に設けられた中心部ヘッド３２とからなり、外周部ヘッド３１及び中心部ヘッド３２は独立に回転自在かつ上下動自在であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の掘削ヘッド３０を備えた削孔装置２０であって、前記外周部ヘッド３１は中空の中心管２３に接続されるとともに、前記中心部ヘッド３２は前記中心管２３の内部に通された中心軸２５に接続されており、前記中心管２３を回転させる第１駆動装置４３と、前記中心管２３を上下動させる第１上下動装置（第１シリンダ４２）と、前記中心軸２５を回転させる第２駆動装置４５と、前記中心軸２５を上下動させる第２上下動装置（第２シリンダ４４）とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１または２に記載の発明によれば、外周部ヘッド３１と中心部ヘッド３２とがそれぞれ独立に回転自在に形成されているので、それぞれを適正な周速度で回転させることができ、例えば中心部ヘッド３２を外周部ヘッド３１よりも高速回転させることで中心部ヘッド３２の掘削爪３３の周速度を外周部ヘッド３１の掘削爪３３の周速度と同程度に調整して掘削効率を向上させることができる。
【００１１】
また、従来の掘削ヘッド３０では、掘削ヘッド３０を一定の方向に回転させながら地盤１を掘削すると、削孔方向が掘削ヘッド３０の回転方向にずれる問題があったが、中心部ヘッド３２と外周部ヘッド３１とを逆方向に回転させた場合には、削孔３の方向ずれを低減することもできる。
【００１２】
また、中心部ヘッド３２と外周部ヘッド３１とがそれぞれ独立に上下動自在であるので、中心部ヘッド３２または外周部ヘッド３１のいずれか一方のみで掘削を行うことができ、例えば中心部ヘッド３２で先行して案内孔４を削孔し、ついで案内孔４に沿って外周部ヘッド３１で削孔することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の削孔装置２０であって、外周部ヘッド３１及び／または中心部ヘッド３２に打撃を加える打撃装置４７を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、打撃装置４７で外周部ヘッド３１及び／または中心部ヘッド３２に打撃を加えることにより、急速に削孔することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の削孔装置２０であって、外周部ヘッド３１及び／または中心部ヘッド３２に振動を加える起振装置４８を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、起振装置４８で外周部ヘッド３１及び／または中心部ヘッド３２に振動を加えることにより、急速に削孔することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載の削孔装置２０を備えた杭または矢板の圧入機１０であって、既設の杭（鋼管杭５）または矢板（鋼矢板２）を掴持する掴持手段（クランプ１１）と、該掴持手段により既設の杭または矢板を掴持することにより反力を取って杭または矢板を圧入する圧入手段（チャック１４）とを備え、前記圧入手段は、前記掘削ヘッド３０を備えた削孔装置２０で地盤１を掘削することに補助させて杭または矢板を圧入することを特徴とする。
【００１８】
従来の方法では、掘削ヘッド３０には装置重量以上の力を加えることができなかったが、請求項５に記載の発明によれば、掘削ヘッド３０を備える削孔装置２０を圧入手段で掴持し、掴持手段により既設の杭または矢板を掴持することにより反力を取って掘削ヘッド３０に下方に力を加えるため、転倒する恐れがなく、装置重量以上の力を加えることができ、安全でより効率よく掘削作業を行うことができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の掘削ヘッド３０を用いて地盤１を掘削する削孔方法であって、前記中心部ヘッド３２により案内孔４を先行して削孔し、次いで前記外周部ヘッド３１により案内孔４の外周部を掘削することを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、中心部ヘッド３２で案内孔４を削孔することにより、案内孔４の外周部の地盤１が弱くなり、案内孔４の外周部を掘削する際に外周部ヘッド３１にかける力を小さくすることができる。
【００２１】
また、案内孔４を削孔してから案内孔４の外周部を掘削することにより、芯振れが少なくなり、削孔方向の正確さが向上し、掘削爪３３の損傷を減らすことができる。また芯振れによる騒音も減らすことができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の削孔方法であって、請求項５に記載の圧入機１０を用いることを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５に記載の圧入機１０を用いて削孔することにより、既設の杭または矢板を掴持することにより反力を取って掘削ヘッド３０に下方に力を加えるため、転倒する恐れがなく、装置重量以上の力を加えることができ、安全でより効率よく掘削作業を行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、外周部ヘッド及び中心部ヘッドを適正な周速度で回転させることができ、掘削効率を向上させることができる。また、中心部ヘッドと外周部ヘッドとを逆方向に回転させた場合には、削孔の方向ずれを低減することもできる。
【００２５】
また、中心部ヘッドで先行して案内孔を削孔することにより、案内孔の外周部の地盤が弱くなり、次いで案内孔に沿って外周部ヘッドで削孔する際に外周部ヘッドにかける力を小さくすることができる。
【００２６】
さらに、中心部ヘッドで案内孔を削孔してから外周部を掘削することにより、芯振れが少なくなり、削孔方向の正確さが向上し、掘削爪の損傷を減らすことができる。また芯振れによる騒音も減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１、図２は本発明の実施の形態の掘削ヘッド３０を備える削孔装置２０である。削孔装置２０は、圧入機１０により支持される。圧入機１０は、先に圧入した杭または矢板（鋼矢板２）を内側から着脱自在に掴んで該杭または矢板から反力をとるクランプ１１（掴持手段）と、クランプ１１を操作するサドル１２と、サドル１２に対して前後方向（鋼矢板２の列方向）に移動自在に設けられるとともに、サドル１２に対して左右に向きを変えられるように旋回自在に設けられるマスト１３と、マスト１３に昇降自在に支持され、圧入すべき杭または矢板を着脱自在に掴むとともに、昇降して掴んだ杭または矢板を圧入するチャック１４（圧入手段）とにより、主要部が構成されている。本実施の形態の圧入機１０は、チャック１４で鋼矢板２とともに後述するケーシング管２１を掴持する。ここで、図１、図２に示す鋼矢板２としては、断面Ｕ字形、Ｚ字形、あるいはハット形の矢板等を用いることができる。
【００２８】
削孔装置２０は、掘削ヘッド３０と、ケーシング管２１と、中心管２３と、中心軸２５と、オーガ駆動装置４０とからなる。
【００２９】
掘削ヘッド３０は、外周部ヘッド３１と、中心部ヘッド３２とからなる。外周部ヘッド３１は頂点を下方に有する略円錐形状をしており、その中央部下端に中心部ヘッド３２が配置されている。外周部ヘッド３１の下部には、掘削爪３３が径方向に並べて設けられている。外周部ヘッド３１の上端は、中心管２３の下端に接続されている。また、外周部ヘッド３１の中心には、鉛直な孔が空いており、中に中心軸２５が通っている。
【００３０】
中心部ヘッド３２は外周部ヘッド３１の中央部下端に配置されており、頂点を下方に有する略円錐形状をしている。中心部ヘッド３２の下部には、掘削爪３３が径方向に並べて設けられている。中心部ヘッド３２の上端は、後述する中心軸２５の下端に接続されている。中心部ヘッド３２は、外周部ヘッド３１に対して回転自在かつ上下動自在である。
【００３１】
ケーシング管２１は、鋼矢板２を掴むチャック１４に掴まれて保持されており、内部に中心管２３を収納している。中心管２３は中空であり、外周部に螺旋状の羽根２４が設けられ、オーガスクリューとして機能している。
【００３２】
中心管２３の下端には外周部ヘッド３１が接続されている。また、中心管２３の上端には、後述する第１駆動装置４３が接続されている。
中心管２３の内部には、中心軸２５が収納されている。中心軸２５の下端には中央部ヘッドが接続されている。中心軸２５の上端には、後述する第２駆動装置４５が接続されている。
【００３３】
ケーシング管２１の上部には、オーガ駆動装置４０の筐体４１が接続されている。
オーガ駆動装置４０は、筐体４１と、第１シリンダ４２と、第１駆動装置４３と、第２シリンダ４４と、第２駆動装置４５と、レール４６とを構成要素とする。さらに、打撃装置４７や起振装置４８を備えていてもよい。
【００３４】
レール４６は、第１駆動装置４３及び第２駆動装置４５を上下方向に摺動自在に支持している。第１シリンダ４２は、下端が筐体４１に、上端が第１駆動装置４３に接続されている。第１シリンダ４２が伸縮することにより、第１駆動部がレール４６に沿って上下動する。第１駆動部は中心管２３の上端に接続されており、中心管２３及び外周部ヘッド３１を回転させる。また、第１駆動部が上下動することにより、中心管２３及び外周部ヘッド３１が上下動する。
【００３５】
第２シリンダ４４は、下端が第１駆動装置４３に、上端が第２駆動装置４５に接続されている。第２シリンダ４４が伸縮することにより、レール４６に沿って第２駆動部が第１駆動部に対して相対的に上下動する。第２駆動部は中心軸２５の上端に接続されており、中心軸２５及び中心部ヘッド３２を回転させる。また、第２駆動部が上下動することにより、中心軸２５及び中心部ヘッド３２が上下動する。
【００３６】
打撃装置４７や起振装置４８は、中心軸２５の上端に設けられる。打撃装置４７は、中心軸２５に打撃を加える。起振装置４８は、中心軸２５に振動を加える。打撃装置４７や起振装置４８としては、周知のものを使用することができる。なお、打撃装置４７や起振装置４８を中心管２３に設けてもよい。
【００３７】
本発明の掘削ヘッド３０では、外周部ヘッド３１が中心管２３により駆動され、中心部ヘッド３２が中心軸２５により駆動されるため、両者を異なる速度で回転させることができる。このため、中心部ヘッド３２を外周部ヘッド３１よりも高速回転させることで、図３に示すように、中心部ヘッド３２の最外部の掘削爪３３の周速度を、外周部ヘッド３１の最外部の掘削爪３３の周速度に合わせることができる。これにより、中心部ヘッド３２の掘削爪３３の掘削効率を向上させることができる。
【００３８】
また、外周部ヘッド３１と中心部ヘッド３２とを反対の方向に回転させながら掘削することもできる。従来の掘削ヘッド３０では、掘削ヘッド３０を一定の方向に回転させながら地盤１を掘削すると、削孔方向が掘削ヘッド３０の回転方向にずれる問題があったが、中心部ヘッド３２と外周部ヘッド３１とを逆方向に回転させることで、削孔３の方向ずれを低減することができる。
【００３９】
さらに、本発明の掘削ヘッド３０では、外周部ヘッド３１と中心部ヘッド３２とを独立して上下動させることができるため、例えば以下の手順で削孔を行うことができる。
【００４０】
（１）まず、圧入機１０のチャック１４でケーシング管２１を鋼矢板２とともに掴持し、その状態で中心部ヘッド３２を外周部ヘッド３１よりも高速で回転させながら、図４（ａ）に示すように、第２シリンダ４４を収縮して中心部ヘッド３２を下降させ、案内孔４を削孔する。このとき、中心部ヘッド３２に下向きの荷重が集中してかかるので、小さな荷重で効率よく掘削することができる。
【００４１】
なお、中心部ヘッド３２が下降している間、外周部ヘッド３１の位置を下降させなくてもよいが、外周部ヘッド３１を中心部ヘッド３２よりもゆっくりと連続して下降させ、案内孔４の外周部を掘削してもよい。その際、第１シリンダを収縮することで、外周部ヘッド３１を下降させてもよいし、チャック１４によりケーシング管２１に下向きの荷重をかけることで外周部ヘッド３１を下降させてもよい。
【００４２】
（２）次に、第２シリンダ４４を伸長し、図４（ｂ）に示すように、中心部ヘッド３２を上げ、外周部ヘッド３１の位置に戻す。次いで、第１シリンダ４２を収縮し、またはケーシング管２１を掴持したチャック１４を下げて、外周部ヘッド３１及び中心部ヘッド３２を下降させ、外周部ヘッド３１で案内孔４の外周部を掘削する。
【００４３】
（３）さらに、図４（ｃ）に示すように、外周部ヘッド３１及び中心部ヘッド３２が案内孔４の底に近づいたら、チャック１４を開放して上昇させ、再びケーシング管２１のそれまで掴持していた位置よりも上部を掴持する。
【００４４】
以上の（１）〜（３）を繰り返して所定の深さの削孔３を形成するとともに、削孔３に沿って鋼矢板２を圧入する。このように、中心部ヘッド３２で先行して削孔し、その後中心部ヘッド３２を引き上げることで、案内孔４の部分に空間が生じ、案内孔４の外周部の地盤１が弱くなり、案内孔４の外周部を掘削する際に外周部ヘッド３１にかける力を小さくすることができる。また、案内孔４を削孔してから案内孔４の外周部を掘削することにより、芯振れが少なくなり、削孔方向の正確さが向上し、掘削爪３３の損傷を減らすことができる。また芯振れによる騒音も減らすことができる。
【００４５】
さらに、掘削する際、中心部ヘッド３２や外周部ヘッド３１に、打撃装置４７で打撃を加えたり、起振装置４８で振動を加えたりすることで、より効率よく掘削することができる。
【００４６】
なお、図１では、圧入機１０のチャック１４で鋼矢板２とともにケーシング管２１を脚持していたが、例えば図５に示すように、ケーシング管２１に鋼管杭５を掴むクランプ装置５０を設け、クランプ装置５０により鋼管杭５を掴んだ状態の削孔装置２０を鋼管杭５とともに圧入してもよい。また、鋼管杭５を圧入する代わりに、任意の円筒形状の部材を圧入してもよく、その他にも、鋼管杭に継手を設けた鋼管矢板や、Ｈ鋼矢板、ＰＣ壁体等を圧入してもよい。
【００４７】
クランプ装置５０は、図５に示すように、側面部に杭固定爪５１を備えている。杭固定爪５１は水平方向に伸縮する。杭固定爪５１を鋼管の内側で径方向に伸長して鋼管を掴んだり、Ｈ鋼のフランジ間でウェブ方向に伸長してＨ鋼を掴んだりすることができる。
【００４８】
なお、以上の実施の形態においては、圧入機１０を用いて削孔を行ったが、本発明はこれに限らず、従来の三点式アースオーガ等を用いてもよい。また、中心管２３や中心軸２５を上下動させる装置もシリンダに限ることはなく、その配置等の具体的な細部構造についても適宜変更可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】圧入機に取り付けられる本発明の削孔装置を示す立面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の掘削ヘッドに設けられた掘削爪の配列を示す模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の削孔方法を示す鉛直断面図である。
【図５】本発明の削孔装置を示す立面図である。
【図６】従来の掘削ヘッドに設けられた掘削爪の配列を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１地盤
２鋼矢板
４案内孔
５鋼管杭
１０圧入機
２０削孔装置
２３中心管
２５中心軸
３０掘削ヘッド
３１外周部ヘッド
３２中心部ヘッド
３３掘削爪
４２第１シリンダ
４３第１駆動装置
４４第２シリンダ
４５第２駆動装置
４７打撃装置
４８起振装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しながら地盤を掘削する掘削爪を備える掘削ヘッドであって、外周部ヘッドと、この外周部ヘッドの中心に設けられた中心部ヘッドとからなり、外周部ヘッド及び中心部ヘッドは独立に回転自在かつ上下動自在であ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を備えた削孔装置であって、前記外周部ヘッドは中空の中心管に接続されるとともに、前記中心部ヘッドは前記中心管の内部に通された中心軸に接続されており、前記中心管を回転させる第１駆動装置と、前記中心管を上下動させる第１上下動装置と、前記中心軸を回転させる第２駆動装置と、前記中心軸を上下動させる第２上下動装置とを備えることを特徴とする削孔装置。
【請求項３】
外周部ヘッド及び／または中心部ヘッドに打撃を加える打撃装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の削孔装置。
【請求項４】
外周部ヘッド及び／または中心部ヘッドに振動を加える起振装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の削孔装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の削孔装置を備えた杭または矢板の圧入機であって、既設の杭または矢板を掴持する掴持手段と、該掴持手段により既設の杭または矢板を掴持することにより反力を取って杭または矢板を圧入する圧入手段とを備え、前記圧入手段は、前記掘削ヘッドを備えた削孔装置で地盤を掘削することに補助させて杭または矢板を圧入することを特徴とする圧入機。
【請求項６】
請求項１に記載の掘削ヘッドを用いて地盤を掘削する削孔方法であって、前記中心部ヘッドにより案内孔を先行して削孔し、次いで前記外周部ヘッドにより案内孔の外周部を掘削することを特徴とする削孔方法。
【請求項７】
請求項５に記載の圧入機を用いることを特徴とする請求項６に記載の削孔方法。

【図１】