掘進用管状ユニットおよびこれを使用する地盤改良工法

【課題】既設の構造物の下部の地盤を効率的に改良する。
【解決手段】先端が軸に対して斜め向きの平面で削られた形状で、先端部および側面に流体の噴出口11、12を有し、後端付近に流体圧によって膨張するリング状のパッカ15を備える略円筒状の掘進ヘッド１と、その後方に管継手21、22を介して連結される外筒管２と、その末端に連結される薬液注入用のロータリージョイント５とから構成される掘進用管状ユニットを使用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設の構造物の下部の地盤改良、土壌の浄化等に好適な掘進用管状ユニットおよびこれを使用する地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震の際の液状化現象による被害を予防するため、構造物を設置する予定地点の軟弱地盤に対しては地盤改良が行なわれる。しかし既に構造物が設置されている場合、特にタンク等の大型構造物に対して、その下部の地盤改良は困難であり、一般の縦型機械によるボーリング、薬液注入などの工事は行なうことができない。たとえば図10に示すように、構造物Ｓの外側に立坑Ｈを設け、ここから水平方向にボーリングしてボーリング孔から地盤内に薬液を噴射して地盤改良を施すことは不可能ではないが、立坑の設置に膨大なコストがかかり、周辺の交通障害等も発生する。Ｂはボーリング孔、Ｃは薬液が注入される改良部分である。また図11に示すように斜めボーリングを行なっても、構造物Ｓの直下に改良できない部分が残ってしまうなど、さまざまな問題点がある。
【０００３】
しかし近年、米国で可撓製の連結用ロッドを備えた非開削式ボーリング機が開発され、立坑を設けなくても曲がり掘削が可能となった。特許文献１にはこのような非開削式ボーリング機の一例ならびにそれを使用する工法が記載されている。
このボーリング機には、先端部が軸に対して斜めにカットされた形状の掘進ヘッドが取り付けられており、これを回転させながら前進させれば直線的な削孔が行なわれるが、回転させずに前進させると斜めにカットされた面が土圧を受けて斜め方向に進むという特徴がある。さらにこの掘進ヘッドは位置センサを内蔵しており、掘進の先端位置は常時監視できる。図12はこの掘進機６を使用して構造物Ｓの下部の地盤改良を行なう場合の概念図であるが、構造物Ｓ脇の地上から斜めにボーリングを開始し、所定の深さに到達したら掘進ヘッドを水平方向に変え、以後はそのまま水平にボーリングするのである。
【０００４】
図13は特許文献１に示された掘進機６の外観図で、60はベース、61はその上を移動する前進フレーム、62は回転用モータ、63はチェーン、64は前進用モータ、Ｐは掘進用の管体である。この図からはわかりにくいが前進フレーム61には管体Ｐを固定するクランプと管体Ｐを把持して回転を与えるチャックが備えられており、これに前進機構を組み合わせると、管体Ｐを回転させずに前進させたり、回転させながら前進させることができる。したがって管体Ｐの先端に前記の掘進ヘッドを取り付ければ、これを直進させることも、また任意の方向に斜めに前進させることもできる。なお、前進フレーム61がベース60のストローク一杯まで前進したら一旦管体Ｐを放して前進フレームを後退させ、これまでの管体Ｐの後方に新しい管体を接続してあらためて掘進作業を行なうのは、この種の工法において一般的に行なわれているとおりである。
【０００５】
特許文献２には、特許文献１に記載された掘進ヘッドを使用し、構造物直下の地盤を改良する工法が記載されている。図14によりこれを簡単に説明する。
Ｓは構造物、Ｇは改良対象地盤である。（ａ）に示すように、先端に前記の掘進ヘッド１を有する可撓性の連結用ロッド92を備えた非開削式ボーリング機（掘進機６）を用い、構造物Ｓの近傍から斜め下方に向けて削孔を開始し、所定の位置で推進方向を水平に、ついで斜め上方に転じ、反対側の地表に至るまで削孔してパイロット孔91を形成し、（ｂ）に示すように掘進ヘッド１をバックリーマ93に換装し、前記パイロット孔91を逆に掘進機６に向けて拡径することにより本孔95を形成すると共に、薬液注入管を収容している外筒管２をこの本孔95内に引き込み、外筒管２を引き抜いて薬液注入管を本孔95内に残置させて薬液を注入し、これらの操作をくり返すことにより改良対象地盤全体にわたって薬液を浸透させ、固化して地盤を改良する。７は薬液供給装置である。
【特許文献１】特公昭６１−２５７５０１号公報
【特許文献２】特開２００１−１９３０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の方法では、パイロット孔91の削孔を構造物の反対側の地表まで行なうためボーリング距離が大きく、また地盤改良施工後、外筒管２が地盤内に残置され、再利用できないなどの問題点がある。
本発明は、従来の技術におけるこれまでの諸問題を解消し、既設の構造物直下の地盤改良を経済的に行なうことのできる掘進用管状ユニットおよびこれを使用する地盤改良工法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の掘進用管状ユニットは、先端が軸に対して斜め向きの平面で削られた形状で、先端部および側面に流体の噴出口を有し、後端付近に流体圧によって膨張するリング状のパッカを備える略円筒状の掘進ヘッドと、この掘進ヘッドの後方に管継手を介して連結される外筒管と、この外筒管の末端に連結されるロータリージョイントと、前記パッカとこのロータリージョイントとを接続するパッカ用流体配管とから構成され、望ましくは前記掘進ヘッドの噴出口とロータリージョイントとが外筒管の内部に配置された内管でも接続されており、また前記の軸に対して斜め向きの平面に重ねて、少なくとも先端方向にはみだした刃先を有するコントロール板を取り付けた前記の掘進用管状ユニットである。
【０００８】
また本発明の地盤改良工法は、ロータリージョイントから外筒管内に送り込んだ液体を掘進ヘッドの噴出口から地盤内に噴射しながら掘進用管状ユニットを前進させて地盤内を掘進し、掘進ヘッドが目標位置に到達したら、パッカを膨張させて後方をふさぎ、ロータリージョイントから外筒管内に送り込んだ薬液または気体を掘進ヘッドの噴出口から周囲の地盤内に噴射し、パッカをしぼませて所定距離後退し、再びパッカを膨張させて後方をふさいで掘進ヘッドの噴出口から薬液または気体を周囲の地盤内に噴射することをくり返す前記の掘進用管状ユニットを使用するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、既設の構造物の下部の地盤改良あるいは土壌の浄化を、短い掘進距離と経済的な管状ユニットを使用することにより容易に、かつ効率的に実施できるという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、前進させる掘進ヘッドと管状ユニットを後退させる場合も薬液の噴射用としてそのまま使用するので、パイロット孔、本孔という２段階の掘進が不要であるばかりでなく、ヘッドや管状ユニットの交換もないので掘進は改良対象地盤の終端まででよく掘進距離が短い上、施工後も地盤内に管体を残置せずに再使用できるのできわめて経済的に地盤改良を行なうことができる。
【実施例】
【００１１】
本発明の好ましい実施例を図面により説明する。図１〜図３は実施例の掘進用管状ユニットの断面図で、図１は主として先端の掘進ヘッド部分、図２は中間部分、図３は主として後端のロータリージョイント部分を示している。１は掘進ヘッドで、前記した特許文献１に記載のものと同様略円筒状で、先端が軸に対して斜め向きの平面で削られた形状であり、先端部および側面に流体の噴出口を有し、後端付近に流体圧によって膨張するリング状のパッカを備える。10は先端金物、11、12は先端金物10の突端および側面に設けられた水、薬液等の噴出口、13は先端金物10内部空間である混合室、14は掘進ヘッドの本体、15は追って説明するパッカ、16は本体14の先端に取り付けられ、混合室13の後壁を形成する先端プレートである。掘進ヘッド１の後方には管継手21、22を介して外筒管２が連結され、さらに外筒管２の末端にはロータリージョイント５が連結される。
【００１２】
パッカ15とロータリージョイント５とがパッカ用流体配管４で接続されると共に、前記掘進ヘッドの噴出口11、12とロータリージョイント５とは外筒管２の内部に配置された内管３でも接続されている。この実施例では外筒管２の内部と、外筒管２の内部に挿入された内管３の先端とが前記の前記の先端プレート16の裏面で合流し、混合室13を経て噴出口11、12に開口している。
【００１３】
ロータリージョイント５において、51、54は内筒、52a〜52cは外側のケーシングで、両者の間にはベアリング53が挿入され、回転可能である。55はパッカ用流体配管４に連通するエア（流体）入口、56は外筒管２の内部に通じる一液入口、57は内管３に通じる二液入口である。前記したように掘進ヘッド１を回転させるのは掘進ヘッド１を直進させる場合であり、斜め向きに前進させるとき、および後退させるときには回転させる必要はない。一方追って説明するように、前進させるときに噴射する液は原則として１種類であり、パッカ15を使用したり複数の液を使用するのは主として掘進ヘッド１を後退させる場合である。したがって前進のときに使用する二液入口57はケーシング52の末端中央にあり、回転させずに使用するエア入口55と一液入口56とはケーシング52の側面にある。なおケーシングは３つの部分に分割されているので、一液のみを使用する場合は中間のもの52bを抜いて52aに直接エンドプレートに相当する52cを取り付ければよい。
【００１４】
外筒管２を接続するねじ式の管継手には、片側がオス、片側がメスのもの21と、両側ともオスのもの22の２種があり、これらを適宜使用する。管体23の両端、および掘進ヘッド１の後端はいずれもメスねじなので、掘進ヘッド１と管体23の接続部分は図１に示すように管継手22のみを使用する。管体23を相互に接続する部分では、図２に示すように管継手22、23の両者を使用する。ロータリージョイント５の先端側はメスねじなので、管体23の末端とロータリージョイント５との接続部分は管継手21のみを使用する。図３に示すように、管継手21の外周にはケーシング52と一体に回転するスリーブがはまり、管継手21の外周に設けられた溝にボールが嵌合するワンタッチジョイントで固定される。外筒管２、内管３などは掘進機６のストロークに合わせた長さとし、金属あるいは樹脂等の可撓性の管である。
【００１５】
図４は図２にＡで示す外筒管２の接続部分の部分断面図で、４は外筒管２の内壁に沿って設けられたパッカ用流体配管、41は管継手21の段付き部分に形成された円周溝である。管継手21、22のねじ込みによって、前後のパッカ用流体配管４の中心位置が一致するとは限らないので、円周方向の食い違いがあっても流体が連通するよう円周溝41を設け、相手の孔が円周のどの位置にきてもよいようにしてある。円周溝41の前後方向はＯリング等を挿入して気密構造となっている。
【００１６】
図５は内管３の先端部分を示す斜視図である。31は先端口金、34はこれに接続されるチューブである。チューブ34は金属、樹脂などの可撓性の管である。（ａ）に示すように先端部ではチューブ34に先端口金31を取り付ける。（ｂ）は取り付け後の状態を示す。また、（Ｃ）に示すように内管３の内部からロッド等を介してコーン状のふさぎ部材33を突出させると、追って説明するように先端に向けた噴出口11をふさぐことができる。
【００１７】
図６は内管３の接続部分を示す斜視図で、32は管継手の一例である。
図７はパッカ15付近を示す掘進ヘッド１の部分断面図で、（ａ）はパッカ15が収縮した状態、（ｂ）はパッカ15が膨張した状態を示す。パッカ15はゴム等の弾性材でできたリング状の中空体で、内部にエア等のガスや液体などの流体を送り込んだり逃がしたりすることで膨張、収縮させることができる。掘進ヘッド１が前進、あるいは後退などの移動中はパッカ15が抵抗とならないように収縮させておき、薬液噴射中はこれをふくらませて後方のすきまをなくし、薬液の地盤内への浸透を助ける。なお、パッカ15に孔を設け、これから気体を噴出させるようにして、化学物質による土壌汚染等の場合の気体による処理を行なうこともできる。気体は掘進ヘッド１の噴出口11、12から噴出させてもよい。
【００１８】
図８（ａ）は、掘進ヘッド１先端部分を示す斜視図で、（ｂ）は前記した先端金物10の軸に対して斜め向きの平面に重ねて、少なくとも先端方向にはみだした刃先を有するコントロール板17を取り付けた状態を示す。コントロール板17を取り付けることにより前進に伴う掘進が一層容易になる。
つぎにこの掘進用管状ユニットを使用する地盤改良工法を説明する。本発明の地盤改良工法は、第１工程で掘進ヘッド１を前進させて地盤内に管状ユニットを送り込み、第２工程で管状ユニットを引き戻しながら地盤内に薬液を噴射し、薬液の化学作用により硬化させて地盤を改良するものである。図９に示すように、掘進ヘッド１、外筒管２、ロータリージョイント５よりなる掘進用管状ユニットのロータリージョイント５部分を掘進機６に取り付け、クランプ65で把持するか、チャック66で回転自在に保持し、まず第１の工程では後方のロータリージョイント５から外筒管２内に送り込んだ水を掘進ヘッド１の噴出口から地盤内に噴射させながら後端のロータリージョイント５の部分を前進させ、図12で説明した特許文献１に記載の工法と同様に地盤内を掘進させる。このときに噴射するのは通常水など液体１種類のみでよいから、内管３は挿入しなくてよい。その代わりに掘進ヘッド１に近い外筒管２内にジャイロセンサ等の位置センサを挿入し、掘進ヘッド１の現在位置を監視する。ジャイロセンサは、例えば特開２０００−７３３９６号公報などに記載がある。本発明では掘進は改良対象地盤の終端位置までで、特許文献２に記載の発明のように反対側の地表まで行なう必要はない。
【００１９】
掘進ヘッド１が目標位置に到達したら、位置センサは不要なので引き出し、掘進用の液体に代えて地盤改良のための薬液を噴射するため、ロータリージョイント５を薬液供給装置に接続する。ロータリージョイント５から薬液を外筒管２内に送り込み、パッカを膨張させて後方をふさぎつつ、掘進ヘッドの噴出口から周囲の地盤内に薬液を噴射して浸透させ、パッカをしぼませて所定距離後退し、再びパッカを膨張させて後方をふさいで掘進ヘッドの噴出口から薬液を周囲の地盤内に噴射することをくり返すのである。このとき、地盤改良材として２液混合タイプの薬液を使用する場合は、外筒管２内に内管３を挿入し、その先端を前記の先端プレート16まで到達させ、一液をロータリージョイント５の一液入口56から外筒管２の内部へ、二液を二液入口57から内管３内へ送り込み、混合室13内で混合させて噴射する。後退させる場合などで先端からの噴射が必要でない場合は、さきに図５（ｃ）で説明したふさぎ部材33によって先端の噴出口11のみをふさぐこともできる。
【００２０】
なお、内管３を多重管や複数の管体を束ねたものなど、複数の管で構成されたものとすれば、３液以上の薬液を使用することも可能である。
このように、本発明では工事完了後の管状ユニットは完全に回収されて繰り返し使用できる上、特許文献２に記載の発明のように地盤内に不要となった噴射管が残ることがないので、クリーンな施工である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明実施例の管状ユニットの掘進ヘッド部分を示す断面図である。
【図２】本発明実施例の管状ユニットの中間部分を示す断面図である。
【図３】本発明実施例の管状ユニットのロータリージョイント部分を示す断面図である。
【図４】図２におけるＡ部を示す部分断面図である。
【図５】内管の先端部分を示す斜視図である。
【図６】内管の接続部分を示す斜視図である。
【図７】実施例の掘進ヘッドのパッカ付近を示す部分断面図である。
【図８】実施例の掘進ヘッドの先端部分を示す斜視図である。
【図９】実施例の地盤改良工法を示す概念図である。
【図１０】従来の技術における地盤改良工法を示す概念図である。
【図１１】同じく従来の技術における地盤改良工法を示す概念図である。
【図１２】特許文献１に記載の斜め掘進可能な掘進ヘッドによる地盤改良工法を示す概念図である。
【図１３】特許文献１に記載の掘進機を示す外観図である。
【図１４】特許文献２に記載の地盤改良工法を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２２】
１掘進ヘッド
２外筒管
３内管
４パッカ用流体配管
５ロータリージョイント
６掘進機
７薬液供給装置
１０先端金物
１１、１２噴出口
１３混合室
１４（掘進ヘッドの）本体
１５パッカ
１６先端プレート
１７コントロール板
２１、２２、３２管継手
２３管体
３１先端口金
３３ふさぎ部材
３４チューブ
４１円周溝
５１、５４内筒
５２ケーシング
５３ベアリング
５５エア入口
５６一液入口
５７二液入口
６０ベース
６１前進フレーム
６２回転用モータ
６３チェーン
６４前進用モータ
６５クランプ
６６チャック
９１パイロット孔
９２連結用ロッド
９３バックリーマ
９４ケーブル
９５本孔
Ｂボーリング孔
Ｃ薬液注入部分
Ｇ改良対象地盤
Ｈ立坑
Ｐ管体
Ｓ構造物

【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が軸に対して斜め向きの平面で削られた形状で、先端部および側面に流体の噴出口（１１、１２）を有し、後端付近に流体圧によって膨張するリング状のパッカ（１５）を備える略円筒状の掘進ヘッド（１）と、この掘進ヘッド（１）の後方に管継手（２１、２２）を介して連結される外筒管（２）と、この外筒管の末端に連結されるロータリージョイント（５）と、前記パッカ（１５）とこのロータリージョイント（５）とを接続するパッカ用流体配管（４）とから構成される掘進用管状ユニット。
【請求項２】
前記掘進ヘッド（１）の噴出口（１１、１２）とロータリージョイント（５）とが外筒管（２）の内部に配置された内管（３）でも接続されている請求項１に記載の掘進用管状ユニット。
【請求項３】
前記の軸に対して斜め向きの平面に重ねて、少なくとも先端方向にはみだした刃先を有するコントロール板（１７）を取り付けた請求項１または２に記載の掘進用管状ユニット。
【請求項４】
ロータリージョイントから外筒管内に送り込んだ液体を掘進ヘッドの噴出口から地盤内に噴射しながら掘進用管状ユニットを前進させて地盤内を掘進し、掘進ヘッドが目標位置に到達したら、パッカを膨張させて後方をふさぎ、ロータリージョイントから外筒管内に送り込んだ薬液または気体を掘進ヘッドの噴出口から周囲の地盤内に噴射し、パッカをしぼませて所定距離後退し、再びパッカを膨張させて後方をふさいで掘進ヘッドの噴出口から薬液または気体を周囲の地盤内に噴射することをくり返す請求項１ないし３のいずれかに記載の掘進用管状ユニットを使用する地盤改良工法。

【図１】