JP2012136842A - 多重管の先端から高圧流体を噴射して地盤を改良する地盤改良装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の削孔時において多重管の流路の一部を削孔水用の流路に兼用する地盤改良装置において、削孔水を流す場合と流さない場合とで流路の切換を確実に行う。
【解決手段】
本発明の地盤改良装置１は、内管流路２４ａと内管流路２４ａの外側を囲む外管流路２６ａを形成し、地盤Ｇを削孔するための削孔ビット２２が下端に設けられた注入管２０と、注入管２０の下端部側面に設けられ、内管流路２４ａを流れる硬化材と外管流路２６ａを流れる高圧空気とを噴射する下側ノズル３５と、外管流路２６ａに連通され、地盤Ｇの削孔時に削孔ビット２２に供給される削孔水が流れる削孔水流路２９と、内管流路２４ａに内部空間２７ａが連通された弾性体によって作製され、硬化材の内部空間２７ａへの供給に伴って膨張されて削孔水流路２９を塞ぐ閉塞部材２７とを有することを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、硬化材や空気等の高圧流体を、多重管内の流路を通じて高圧で供給し、多重管の先端側面に設けたノズルからこれらの高圧流体を噴射させて地盤を改良する地盤改良装置に関する。

超高圧で流体を噴射させて地盤を切削するとともに硬化材を充填し、固結体を造成することで地盤の改良を行う地盤改良装置において、ガイドホールの自削孔時に注入材用の流路を削孔水用の流路としても使用するものがある（例えば、特許文献１を参照）。この装置では、内管流路の清水（高圧流体）によって高圧差動弁を移動させることで、注入材用の流路を流れる流体の供給先を切り換えている。

この装置における高圧差動弁は、内管流路の流体圧力に応じて管長手方向に移動するものであり、内管流路の下端に弁体の上端部が挿入された状態でスプリングによって押し上げられている。そして、スプリングの力が内管流路の流体圧力に勝ると、高圧差動弁が上昇して注入材用の流路と削孔ビットへの流路とが連通される。この連通状態で削孔水を注入材用の流路に流すと、削孔水が削孔ビットへ供給される。一方、内管流路の流体圧力がスプリングの力に勝ると、高圧差動弁が下降して流路同士が遮断される。この遮断状態で注入材を注入材用の流路に流すと、注入材が注入ノズルから噴射される。

特許第３１７２７８２号公報

特許文献１の装置では、高圧差動弁の上昇や下降によって流路の切り換えを行っている。このように、弁体を上下方向に移動させる方式のため、土砂粒子が噛んでしまうと弁体による流路の遮断が不完全になり、流体が漏れ出すといった不具合が生じてしまう。この不具合により、削孔水を流す場合と流さない場合とで流路の切り換えが上手くいかなくなる虞があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、地盤の削孔時において多重管の流路の一部を削孔水用の流路に兼用する地盤改良装置において、高圧差動弁のようなスライド式の弁体を用いることなく、注入する流体の圧力を利用して流路の切り換えを確実に行うことにある。

前記目的を達成するため、本発明の地盤改良装置は、第１流路と前記第１流路の外側を囲む第２流路を形成し、地盤を削孔するための削孔ビットが下端に設けられた多重管と、前記多重管の下端部側面に設けられ、前記第１流路を流れる第１高圧流体と前記第２流路を流れる第２高圧流体とを噴射するノズルと、前記第２流路に連通され、地盤の削孔時に前記削孔ビットに供給される削孔水が流れる削孔水流路と、前記第１流路に内部空間が連通された弾性体によって作製され、前記第１高圧流体の前記内部空間への供給に伴って膨張されて前記削孔水流路を塞ぐ閉塞部材とを有することを特徴とする。

本発明の地盤改良装置によれば、閉塞部材を膨張させることで削孔水流路を閉塞でき、収縮させることで削孔水流路を開放できる。このように、閉塞部材の膨張状態に応じて削孔水流路を開閉できるため、土砂等の異物が削孔水流路に入り込んだとしても、流路の閉塞時には閉塞部材が異物を覆う状態で膨張するので、流路の切り換えを確実に行うことができる。

本発明の地盤改良装置において、前記閉塞部材を、上端部が前記第１流路を区画する筒状部材の下端部に接続された有底筒状の弾性体とし、外周面によって前記削孔水流路の一部を区画する構成とした場合には、膨張された閉塞部材が削孔水流路を直接的に閉塞するので、閉塞の確実性を高めることができる。

本発明によれば、地盤の削孔時において多重管の流路の一部を削孔水用の流路に兼用する地盤改良装置において、高圧差動弁のようなスライド式の弁体を用いることなく、注入する流体の圧力を利用して流路の切り換えを確実に行うことができる。

地盤改良装置の全体構成を説明する図である。 注入管の先端部分を拡大して示す断面図である。 （ａ）は図２のＸ−Ｘ断面図、（ｂ）は図２のＹ−Ｙ断面図、（ｃ）は図２のＺ−Ｚ断面図である。 注入管の先端部分における流路等を簡略化して示す図である。 通常の噴射攪拌工法にて各流路に流す流体を説明する図である。 （ａ）は地盤の削孔を説明する図である。（ｂ）は地盤の改良処理を説明する図である。 削孔時における注入管の先端部分を説明する図であり、（ａ）は流体の流れを示す断面図、（ｂ）は流体の流れを簡略化して示す図である。 地盤改良時における注入管の先端部分を説明する図であり、（ａ）は流体の流れを示す断面図、（ｂ）は流体の流れを簡略化して示す図である。 注入管の先端部分における他の構成を簡略化して示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、地盤改良装置１は、造成マシン１０と、注入管２０とを有している。

造成マシン１０は、地盤Ｇを削孔してガイドホールＧＨを形成し、ガイドホールＧＨに挿入された注入管２０の先端部分（後述する下端部分２１）から空気、水、硬化材等の流体を高圧で噴射させるとともに、注入管２０を回転させつつ引き上げることで、地盤Ｇの切削と硬化材の混合攪拌とを同時に行うものである。

注入管２０は、高圧流体を流すための複数の流路を内部に有する多重管によって構成されている。そして、ガイドホールＧＨに挿入された状態で下側に位置する一方の先端部分には、削孔ビット２２が取り付けられ、上側に位置する他方の先端部分には注入管スイベル２３が取り付けられている。便宜上、以下の説明では、一方の先端部分のことを下端部分２１という。

図２及び図３に示すように、注入管２０は、内管２４、中管２５、及び外管２６を有する３重管によって構成されている。すなわち、外管２６の内側空間に中管２５が挿入され、中管２５の内側空間に内管２４が挿入され、かつ、内管２４、中管２５、及び外管２６が同心状に配置されている。そして、内管２４の外径は中管２５の内径よりも小さく定められ、中管２５の外径は外管２６の内径よりも小さく定められている。このため、この注入管２０は、内管２４の中心部に形成される内管流路２４ａと、内管２４の外周面と中管２５の内周面との間に内管流路２４ａを囲む状態で形成される中管流路２５ａと、中管２５の外周面と外管２６の内周面との間に中管流路２５ａを囲む状態で形成される外管流路２６ａとを有している。

内管流路２４ａは第１流路に相当し、地盤Ｇの削孔時において硬化材は供給されず、大気圧の空気で満たされている。一方、地盤Ｇの改良時において、内管流路２４ａにはセメントミルク等の硬化材が高圧で供給される。外管流路２６ａは第２流路に相当し、地盤Ｇの削孔時においては削孔用の水（圧力水）が供給される。一方、地盤Ｇの改良時において、外管流路２６ａには空気が高圧で供給される。中管流路２５ａは第３流路に相当し、地盤Ｇの削孔時においては静圧水で満たされる。一方、地盤Ｇの改良時において、中管流路２５ａには高圧空気が供給される。なお、各流路２４ａ〜２６ａに流れる流体については後で説明する。

内管２４の下端部には、閉塞部材２７の上端部が取り付けられている。この閉塞部材２７は、上面が開放された有底円筒状の弾性体である。本実施形態の閉塞部材２７は、側面部分がゴムによって作製されている。この閉塞部材２７を内包する状態で、注入管２０の下端部には水路形成部材２８が設けられている。水路形成部材２８は、閉塞部材２７を収納可能な大きさの空間が形成された上面開放の有底筒状部材である。水路形成部材２８は肉厚の円筒状をしており、その内径は閉塞部材２７の外径よりも一回り大きく定められている。閉塞部材２７は、水路形成部材２８と同心上に配置されているため、閉塞部材２７の外周面と水路形成部材２８の内周面との間には隙間が形成される。この隙間は、水路形成部材２８の下面まで一連に形成され、削孔水を流すための削孔水流路２９となる。

水路形成部材２８の下端部には、削孔ビット２２が取り付けられている。この削孔ビット２２は、下端に切削用の刃が形成された円筒状部材であり、水路形成部材２８とともに回転する。そして、造成マシン１０によって注入管２０を押し下げつつ軸周りに回転させることで地盤Ｇを削孔することができる。ここで、削孔水流路２９の出口は、削孔ビット２２の内側空間に開口しているため、削孔水流路２９を通じて削孔水を排出しながら地盤Ｇを削孔すると、削孔時の抵抗低減や刃の目詰まりを防止が図れ、削孔を円滑に行うことができる。

水路形成部材２８と注入管２０との境界部分には、分流空部３１が設けられている。この分流空部３１は、閉塞部材２７の外周を囲む扁平なリング状の空間であり、後述する上側ノズル及び下側ノズルよりも下の位置に設けられている。そして、図３（ａ）や（ｂ）に記載された外管連通路３２を介して、分流空部３１と外管流路２６ａとが連通されている。

また、図２や図３（ｂ）に記載されたノズル連通路３３を介して、分流空部３１と下側ノズル空部３４とが連通されている。この下側ノズル空部３４は、下側ノズル３５の高さ位置に、内管２４の外側を囲む状態に形成されたリング状の空間である。そして、下側ノズル３５は、二重型ノズルによって構成されており、内管流路２４ａを流れる高圧流体と外管流路２６ａを流れる高圧流体とを、注入管２０の側方に向かって噴射する。この下側ノズル３５において、外管流路２６ａからの高圧流体を噴射する部分（すなわち下側ノズル空部３４と連通する部分）は、流路の断面積が、削孔水流路２９の断面積よりも十分に小さく定められている。

下側ノズル空部３４の直上には、下側遮蔽弁３６を間に挟んだ状態で上側ノズル空部３７が形成されている。この上側ノズル空部３７は、上側ノズル３８の高さ位置に、内管２４の外側を囲む状態に形成されたリング状の空間である。この上側ノズル空部３７の直上には、上側遮蔽弁３９を間に挟んだ状態で中管流路２５ａの下端が位置している。そして、上側ノズル３８は、注入管２０の周方向において下側ノズル３５と背中合わせの位置（１８０度回転した位置）に設けられている。

この上側ノズル３８もまた二重型ノズルによって構成されており、内管流路２４ａを流れる高圧流体と、中管流路２５ａ又は外管流路２６ａを流れる高圧流体とを、注入管２０の側方であって下側ノズル３５とは反対方向に向けて噴射する。そして、この上側ノズル３８においても、中管流路２５ａや外管流路２６ａからの高圧流体を噴射する部分（すなわち上側ノズル空部３７と連通する部分）は、流路の断面積が、削孔水流路２９の断面積よりも十分に小さく定められている。

下側遮蔽弁３６は、リング状のゴム片によって構成された逆止弁である。この下側遮蔽弁３６は、下側ノズル空部３４と上側ノズル空部３７との境界部分の開口を上側ノズル空部３７側から覆っている。そして、下側ノズル空部３４の流体圧力（すなわち、外管流路２６ａの流体圧力）が上側ノズル空部３７の流体圧力（すなわち、中管流路２５ａの流体圧力）よりも高い場合に上方に湾曲し、境界部分の開口から離れた開放状態に変換される。これにより、上側ノズル空部３７と下側ノズル空部３４とが連通される。反対に、上側ノズル空部３７の流体圧力が下側ノズル空部３４の流体圧力の流体圧力よりも高い場合に下方に押圧されて境界部分の開口を塞いだ閉塞状態に変換される。これにより、上側ノズル空部３７と下側ノズル空部３４とが遮断される。

上側遮蔽弁３９もまた、リング状のゴム片によって構成された逆止弁である。この上側遮蔽弁３９は、中管流路２５ａと上側ノズル空部３７の境界部分の開口を上側ノズル空部３７側から覆っている。そして、中管流路２５ａの流体圧力が上側ノズル空部３７の流体圧力よりも高い場合に下方に湾曲し、境界部分の開口から離れた開放状態に変換される。これにより、中管流路２５ａと上側ノズル空部３７とが連通される。反対に、上側ノズル空部３７の流体圧力が中管流路２５ａの流体圧力の流体圧力よりも高い場合に上方に押圧されて境界部分の開口を塞いだ閉塞状態に変換される。これにより、中管流路２５ａと上側ノズル空部３７とが遮断される。

前述したように、下側ノズル空部３４は、ノズル連通路３３、分流空部３１、及び外管流路２６ａを介して、外管流路２６ａと連通されている。このため、外管流路２６ａの流体圧力が中管流路２５ａの流体圧力よりも高い場合には、下側遮蔽弁３６が開放状態となる一方で上側遮蔽弁３９が閉塞状態になる。この場合、下側ノズル空部３４と上側ノズル空部３７の両方が、外管流路２６ａの流体で満たされることになる。これにより、上側ノズル３８と下側ノズル３５のそれぞれから内管流路２４ａを流れる高圧流体と外管流路２６ａを流れる高圧流体とが噴射される。

反対に、中管流路２５ａの流体圧力が外管流路２６ａの流体圧力よりも高い場合には、下側遮蔽弁３６が閉塞状態となる一方で上側遮蔽弁３９が開放状態になる。この場合、上側ノズル空部３７は中管流路２５ａの流体で満たされ、下側ノズル空部３４は外管流路２６ａの流体で満たされることになる。これにより、上側ノズル３８からは内管流路２４ａを流れる高圧流体と中管流路２５ａを流れる高圧流体とが噴射され、下側ノズル３５からは内管流路２４ａを流れる高圧流体と外管流路２６ａを流れる高圧流体とが噴射される。

前述した注入管２０の下端部分２１は、図４に示すように簡略化して示すことができる。理解を容易にするため、以下の説明に際しては簡略化した図も用いて説明することとする。

次に、この地盤改良装置１を用いた地盤改良工法について説明する。

図５に示すように、地盤Ｇの削孔時において、外管流路２６ａには削孔水を流し、中管流路２５ａを静圧水で満たし、内管流路２４ａを大気開放する（すなわち大気圧の空気で満たす）。そして、図６（ａ）に示すように、注入管２０の下端部分２１から削孔水を排出しつつ注入管２０を軸回りに回転させ、注入管２０を少しずつ押し下げる。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、削孔時において内管流路２４ａは大気開放されているので、閉塞部材２７の内部空間２７ａも大気圧の空気で満たされる。これにより、閉塞部材２７は膨らまず、削孔水流路２９は開放された状態になる。そして、外管流路２６ａを流れる削孔水の圧力は、中管流路２５ａ内の水圧よりも高いので、下側遮蔽弁３６が開放状態になり、上側遮蔽弁３９が閉塞状態になる。

ここで、各ノズル３５，３８における削孔水の流出部分は、その断面積が削孔水流路２９の断面積よりも十分に小さい。このため、各ノズル３５，３８から流出される削孔水の流量は、削孔水流路２９を通じて排出される削孔水の流量よりも十分に少なくなる。以上より、外管流路２６ａを流れる削孔水は、その大半が削孔水流路２９を通じて排出され、残りが下側ノズル空部３４や上側ノズル空部３７に流入して下側ノズル３５や上側ノズル３８から流出される。

このように、削孔時に各ノズル３５，３８から削孔水が流出することにより、削孔ビット２２で掘削された土砂が地上へと排出される過程で、各ノズル３５，３８に目詰まりが生じることを防止する効果が得られる。

図５に示すように、地盤改良時には、内管流路２４ａに高圧で硬化材を流し、中管流路２５ａ及び外管流路２６ａに高圧空気を流す。これにより、各ノズル３５，３８からは硬化材が高圧空気とともに噴射される。そして、図６（ｂ）に示すように、注入管２０の下端部分２１から硬化材や高圧空気を噴射しつつ注入管２０を軸回りに回転させ、注入管２０を引き上げる。これにより、地盤Ｇの切削と硬化材の攪拌混合とが行われる。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、地盤改良時において内管流路２４ａには硬化材が高圧で流される。これに伴い、上側ノズル３８及び下側ノズル３５における内管流路２４ａとの連通部分からは、硬化材が噴射される。また、閉塞部材２７の内部空間２７ａに硬化材が充填され、閉塞部材２７が側方に膨らんで削孔水流路２９が閉塞される。削孔水流路２９の閉塞に伴って、外管流路２６ａを流れる高圧空気は、分流空部３１から外管連通路３２を通じて下側ノズル空部３４に流入する。

ここで、中管流路２５ａの空気圧力を、外管流路２６ａの空気圧力よりも高くすると、上側遮蔽弁３９が開放状態になるとともに下側遮蔽弁３６が閉塞状態になる。これにより、下側ノズル空部３４と上側ノズル空部３７とが遮断され、中管流路２５ａを流れる高圧空気が上側ノズル空部３７に流入する。この場合、下側ノズル３５からは内管流路２４ａを流れる硬化材と外管流路２６ａを流れる高圧空気とが噴射され、上側ノズル３８からは内管流路２４ａを流れる硬化材と中管流路２５ａを流れる高圧空気とが噴射される。なお、中管流路２５ａの高圧空気を外管流路２６ａの高圧空気よりも低い圧力に調整すると、各ノズル３５，３８からは、内管流路２４ａの硬化材が外管流路２６ａの高圧空気とともに噴射される。

本実施形態の地盤改良装置１は、内管流路２４ａを流れる硬化材によって閉塞部材２７を膨張させて削孔水流路２９を塞ぐ構成であるため、削孔時に生じた土砂が削孔水流路２９に入り込んだとしても、弾性を有する閉塞部材２７が土砂を覆うように膨張して水路形成部材２８の内壁面に密着する。その結果、弁体を上下方向移動させる構成よりも閉塞度合いを高めることができる。また、閉塞部材２７の外周面が削孔水流路２９の一部を区画しているので、膨張時において閉塞部材２７が削孔水流路２９を直接に閉塞する。その結果、閉塞の確実性を高めることができる。

この地盤改良装置１では、内管流路２４ａの硬化材の圧力に応じて閉塞部材２７の膨張度合いを制御でき、閉塞部材２７の膨張度合いに応じて外管流路２６ａの流体を削孔水流路２９と下側ノズル空部３４の両方に流すことと、下側ノズル空部３４にのみ流すこととを選択できるので、硬化材の地盤Ｇへの注入を開始した後であっても、注入管２０を引き上げることなく削孔水を削孔ビット２２に供給することができる。これにより、硬化材の注入開始後に再度の削孔を行う際の作業効率を高めることができる。

ところで、以上の実施形態に関する説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨、目的を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、次のように構成してもよい。

閉塞部材２７に関し、前述の実施形態では、上面が開放された有底円筒状の弾性体で構成されたものを例示した。この閉塞部材２７に関し、シート状の弾性体を袋状にした弾性体袋を用いてもよい。この弾性体袋は、内管流路２４ａの流体が内部空間に充填されると、水風船のように膨らんで削孔水流路２９を閉塞する。要するに閉塞部材２７は、内管流路２４ａを流れる流体の充填状態に応じて膨張あるいは収縮し、削孔水流路２９を閉塞したり、開放したりするものであればよい。

また、注入管２０の下端部分２１に関し、前述の実施形態では、外管流路２６ａを流れる流体が分流空部３１及び外管連通路３２を通じて下側ノズル空部３４に流入するように構成されていた。この先端部分に関し、図９に示すように、中管流路２５ａを流れる流体を分流空部３１及び連通路３３´を通じて下側ノズル空部３４に流入するように構成してもよい。なお、このように構成した場合、外管流路２６ａを流れる流体は、上側遮蔽弁３９を通じて上側ノズル空部３７に流入される。他の構成は、前述した実施形態と同様であるため、説明は省略する。

また、注入管２０に関し、前述の実施形態では３重管によって構成されていたが、２重管で構成してもよいし、４重管によって構成してもよい。

１ 地盤改良装置
１０ 造成マシン
２０ 注入管
２１ 下端部分
２２ 削孔ビット
２３ 注入管スイベル
２４ 内管（２４ａ 内管流路）
２５ 中管（２５ａ 中管流路）
２６ 外管（２６ａ 外管流路）
２７ 閉塞部材（２７ａ 内部空間）
２８ 水路形成部材
２９ 削孔水流路
３１ 分流空部
３２ 外管連通路
３３ ノズル連通路
３４ 下側ノズル空部
３５ 下側ノズル
３６ 下側遮蔽弁
３７ 上側ノズル空部
３８ 上側ノズル
３９ 上側遮蔽弁
Ｇ 地盤
ＧＨ ガイドホール

Claims (2)

1. 第１流路と前記第１流路の外側を囲む第２流路を形成し、地盤を削孔するための削孔ビットが下端に設けられた多重管と、
   前記多重管の下端部側面に設けられ、前記第１流路を流れる第１高圧流体と前記第２流路を流れる第２高圧流体とを噴射するノズルと、
   前記第２流路に連通され、地盤の削孔時に前記削孔ビットに供給される削孔水が流れる削孔水流路と、
   前記第１流路に内部空間が連通された弾性体によって作製され、前記第１高圧流体の前記内部空間への供給に伴って膨張されて前記削孔水流路を塞ぐ閉塞部材と
   を有することを特徴とする地盤改良装置。
2. 前記閉塞部材は、上端部が前記第１流路を区画する筒状部材の下端部に接続された有底筒状の弾性体であって、外周面によって前記削孔水流路の一部が区画されることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。