JP7317844B2 - 土壌内に基礎要素を製作するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、建設装置によって土壌内に基礎要素を製作するための方法であって、土壌作業ツールによって、基礎要素が製作される穴が土壌内に形成され、制御および評価ユニットによって、土壌成分に応じて変化する建設装置の少なくとも１つの動作変数が作業深さの関数として検出される、請求項１の前提部による方法に関する。

本発明はさらに、建設装置を用いて土壌内に基礎要素を製作するためのシステムであって、土壌作業ツールによって、基礎要素が製作される穴が土壌内に形成され、制御および評価ユニットによって、土壌成分に応じて変化する建設装置の少なくとも１つの動作変数が作業深さの関数として検出される、請求項１２の前提部によるシステムに関する。

より大きな建設プロジェクトにおいて、基礎杭または地中連続壁などの基礎要素を製作するとき、建設地に対する土壌プロフィルを生成することが一般的な方法である。土壌プロフィルは、建設地がどのような構造、特に層構造を有しているかを示す。建設地の土壌プロフィルを知ることはいくつかの点で重要である。一方で、建設地の耐荷重能力は土壌プロフィルに依存し、土壌プロフィルは基礎要素の建設に大きな影響を与える。他方で、土壌の構造が基礎要素の製作の手間を決めるので、土壌プロフィルはまた経済的な観点と関連するものとなる。例えば、岩石材の比率が大きな建設地に埋込杭を製作することは、砂、砂礫、および／または粘土の層を有する建設地に埋込杭を製作することに比べて進行が遅く、ツールの摩耗が大きいことにより、より手間がかかることが分かっている。

このため、建設地の土壌プロフィルがどのように構成されているかを、例えばボーリングコアに基づいて確かめるために、規模に応じて建設地に１回または数回の試験掘削が行われる。

しかし、建設地の地質に応じて、土壌プロフィルは、局所的に限定された領域においてさえ大きく変わり得る。通常、これらの変化は、個々の土壌層の厚さが変化することによるが、場合によっては、岩石の層位が変化することにもよる。

排土掘削のための方法が欧州特許第１９４２２４７（Ｂ１）号から知られており、この方法では、土壌の耐荷重能力について評価するために、動作中にドリルストリングのトルクおよび貫入深さが回転毎に測定される。この文献は、耐荷重能力は、既知の特性の土壌層で前もって試験掘削を実行することによって決定され、その結果、割り当てルールによって、耐荷重能力の主要値は測定された動作パラメータに割り当てることができることを教示している。これを実行すると、測定された動作パラメータを特定の耐荷重能力へ正確に割り当てることには問題があり誤りを生じやすくなり得る。

欧州特許第１９４２２４７号明細書

本発明は、基礎要素のために特定の精度で土壌の層構造を確認することができる、土壌内に基礎要素を製作するための方法およびシステムを提供するという目的に基づいている。

本発明によれば、本目的は、一方で、請求項１の特徴を有する方法によって達成され、他方で、請求項１２の特徴を有するシステムによって達成される。本発明の好ましい実施形態は従属請求項で述べられている。

本発明による方法は、異なる土壌成分の土壌層を有する土壌の層構造を示す、予想される土壌プロフィルを制御および評価ユニットに入力すること、および異なる土壌成分の土壌層間に遷移が存在する作業深さを確定するために、制御および評価ユニットによって、入力された土壌プロフィルと関連付けて、検出される少なくとも１つの動作変数を設定することを特徴とする。

本発明の基本的な考えは、土壌の作業中に土壌のタイプを決定するとき、建設地のために生成された土壌プロフィルが考慮されるという事実にある。前もって生成された土壌プロフィルは、異なる物質からなり、異なる強度と耐荷重能力を有する様々な土壌層の配列を示す。ここで、本発明は、建設地の土壌プロフィルは、局所的に大きく変化することがあるが、その場合、これらの変化は、土壌層の数および順序が変わらずに、土壌層の厚さまたは深さレベルに実質的に関係するという発見に基づいている。本発明によれば、土壌作業時、例えば、液圧駆動装置のトルクまたは出力とすることができる動作変数または動作パラメータが検出される。この動作変数は、土壌プロフィルの第１の土壌層と関連付けて設定される。次いで、特定の第１の作業深さにおいて動作変数の顕著な変化が確認された場合、本発明の発見に従って、これは、土壌層の変化によるものとされる。次いで、第１の作業深さでのこの変化は第１の層遷移として確定することができる。次いで、これに相当する変化が続く場合、第２、第３、およびそれに続く層遷移はそれに従って所与の作業深さにおいて確定される。

したがって、特別な基礎要素を製作するために、製作現場に実際に存在する土壌プロフィルを確定することができ、その場合、所定の深さにおける個々の層遷移は前もって確認された土壌プロフィルとは異なることがある。通常、前もって確認された土壌プロフィルは、特定の場所での１回または数回の試験掘削によって確認され、これから平均的な土壌プロフィルが確認される。それぞれの作業場所での実際の土壌プロフィルを特別に確定することによって、基礎要素の耐荷重能力に関して、また、基礎要素の製作に実際に必要な費用に関して信頼性の高い評価を行うことができる。これは、実際に存在する土壌条件に応じて、基礎要素の特に正確な費用ベースの計算および請求が可能になる。

本発明のさらなる発展形態によれば、制御および評価ユニットによって、少なくとも１つの動作変数の予想される値が、入力された土壌プロフィルの各土壌層に対して確認されることは特に好都合である。例えば、土壌プロフィルが最初に粘土層を示し、次いで、砂礫層を示している場合、制御および評価ユニットは、測定される動作変数に関してこの土壌層で予想される、例えばデータベースからの値を照会することができる。制御および評価ユニットはまた、実際に作業される土壌層が、所定の土壌プロフィルによって予想される土壌層と一致するように確かめることができる。これはまた、作業場所において、１つまたはいくつかの土壌層が、入力された目標土壌プロフィルと比較して存在しないという特別な場合を確認することを可能にする。

別の好ましい方法の変形によれば、制御および評価ユニットによって、その時点の土壌プロフィルを作業場所に対して生成することができる。次いで、その時点の、すなわち実際のこの土壌プロフィルは保存され、また、試験掘削によって前もって確認された所定の目標土壌プロフィルと比較することができる。それによって、操作者は、その時点の土壌プロフィルを予め決めて次回の作業工程に対する目標の土壌プロフィルとして生成することができる。

基本的に、本発明によれば、単一の動作変数または単一の動作パラメータのみを使用してその時点で作業されている土壌層を決定することができる。本発明による方法のさらなる発展によれば、いくつかの動作変数が検出され、いくつかの動作変数が互いに関連して設定され、土壌特性値が制御および評価ユニットのために確認されることは特に有利である。例えば、掘削ツールのトルクだけでなく、所定の進行力における進行速度もこのように動作変数として検出することができる。特に、トルクまたは回転速度を進行速度または進行力と組み合わせることによって、作業される土壌層の成分に関してさらによりよい評価を行うことができる。これから、データベースに保存された値に基づいて、特定の土壌タイプまたは土壌層に割り当てることができる土壌特性値を確認することができる。

関係する動作変数の検出のために、本発明のさらなる発展によれば、少なくとも１つの動作変数が、建設装置の少なくとも１つの検出手段によって検出されることが有利である。特に、これらの検出手段は、回転速度などの動作変数を直接検出するセンサとすることができる。検出手段はまた間接的に動作することができ、その場合、例えば、トルクは、液圧回転駆動装置の動力消費に基づいて計算および決定される。検出手段は、有線または無線接続によって、制御および評価ユニットに接続される。制御および評価ユニットは、建設装置に直接配置することができる、または、対応する接続によって建設装置とデータリンクするセンターに配置することができる。

基本的に、任意の好適な動作変数または動作パラメータは、本発明による方法のために選択および使用することができる。本発明による方法のさらなる発展によれば、少なくとも１つの動作変数が、トルク、回転速度、出力、送出力、送出速度、加速度、エネルギー入力、振動、音、液圧、および／または液流量の変数から選択されることが特に有意義である。特に、制御および評価ユニットによって、その時点で作業される土壌層に関する特に高い確度での評価を行うことができるように、いくつかの動作変数の組合せもまた選択することができる。

本発明の別の有利な方法の変形によれば、制御および評価ユニットはデータベースを有し、この中に動作変数および／または土壌特性値を特定の土壌層に対して保存することができる。データベースは、建設装置の納入時点ですでに予め設定することができる、あるいは、動作時に、データベースにセンターからインストールすることができる、または新しい、もしくは補足の値を提供することができ、それらで維持することができる。さらに、本発明の変形によれば、操作者側で、または制御および評価ユニット自体によって、それぞれの作業場所に対して、またはそれぞれの装置に対して生成され確認された、特定の土壌特性値に対する好ましいデータセット、すなわち好ましい入力変数を保存することが可能である。したがって、データベースはエキスパートシステムを構成することができ、この場合、制御および評価ユニットの好ましい自己学習ロジックにより、保存されたデータセットを自動的に改良し変更することもできる。

本発明の別の好ましい実施形態は、確認された動作変数に対して、特定の動作変数に対して保存された土壌特性値が、制御および評価ユニットによって照会および比較され、その時点の土壌値が決定されるという事実にある。例えば、制御および評価ユニットが、入力変数、例えばトルクを、結果として生じた出力変数、すなわち掘削ツールまたは切削ホイールの、結果として生じた回転速度と比較することによって、強度が変わった土壌層、したがって異なる土壌作業値の土壌層を貫入していると認識した場合、制御および評価ユニットは、確認されたその時点の土壌特性値または確定されたその時点の土壌層に従って入力変数を変えることができる。したがって、例えば、岩石の層が確定された場合、回転速度および送出力を低下させて、ツールの過大な摩耗を防ぐことができ、切削および剥ぎ取り条件を土壌層に対してできるだけ最適化するように与えることができる。データベース内に同一または類似の土壌特性値を有するデータセットが確認される場合、制御および評価ユニットは、確定されたデータセットに従って入力または動作変数を変えることができる、または、例えば、機械の操作者に対してこれをモニター上に表示することができる。自動モードでは、以前の動作変数は、土壌特性値に対して好適な動作変数によって置き換えることができる。したがって、この場合、加えられるトルクは、データベースの評価後、特定の土壌層に割り当てられた、確定された土壌特性値に応じて変えられる。

様々な土壌層を有する土壌に貫入させるときは特に、本発明の方法の変形によれば、土壌作業時に確認された土壌特性値、および作業深さまたは進行部分にわたって確認された土壌作業値に基づいて、制御および評価ユニットによって土壌プロフィルが確認および保存されることは有利なものとなる。データベースに保存されたデータに従って、特定の土壌タイプ、例えば粘土、砂、砂礫、岩石などを土壌特性値に割り当てることができ、その場合、これは、保存された土壌プロフィルも考慮して実行されることが好ましい。好ましくは、既存の遠隔データ接続によって、これらの値、したがって土壌プロフィルもまた、センターから制御および評価ユニット経由で照会することができる。このように、建設装置は、土壌作業のために使用するだけでなく、土壌プロフィルを調査するために探査または分析ツールとして使用することができる。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、制御および評価ユニットによって、その時点の土壌プロフィルに対する好ましい動作変数は、作業深さにわたって確認され、データベース内にデータセットとして保存されることが可能となる。例えば、建設現場の穴に対して、前もって確認された土壌プロフィルに基づいて、サンプルのデータセットを生成することができ、この場合、例えば、第１の掘削深さまでは第１のトルクと第１の送出力が保存され、これに続いて、第２の掘削深さでは、ここから第２の土壌層が存在するので、第２のトルクと第２の送出力が保存される、等々である。次いで、特定の土壌プロフィルを有する土壌に対するこのようなデータセットは、同じ建設現場でのさらなる作業工程に対して引き出すことができる。この場合、建設現場では、土壌プロフィルが飛躍的に変化することはめったにないと想定することができる。したがって、第１の作業工程のデータに基づけば、特に穴または溝では、さらなる作業工程はまた、あまり経験のない機械操作者でも効果的に実行することができる。

基本的に、本発明による方法は、様々な土壌作業の変形形態において使用することができる。特に好ましい方法の変形形態は、土壌作業として、掘削ツールを用いた掘削、または地中連続壁カッタを用いた切削が実行されるという事実にある。関係する掘削工程としては、例えば連続フライトオーガを使用する連続掘削、または例えば掘削バケットもしくは単純なオーガを使用する不連続掘削とすることができる。

本発明による方法はまた、少なくとも２つの回転駆動ユニットが設けられたダブルヘッド掘削に用いることができる。この場合、第１の回転駆動ユニットを、内部の掘削ツールのために設けることができ、一方、さらなる回転駆動ユニットを外部のドリルパイプのために配置することができる。土壌内の掘削はまた、例えば、トンネル内のほぼ垂直の壁での、さらには天井領域でのアンカー掘削またはＨＤＩ掘削工程のために行うことができる削岩を含む。

切削の場合、回転駆動される少なくとも１対の、好ましくは２対の切削ホイールを有する地中連続壁カッタを使用することが好ましい。関係する切削溝の切削は、単一段階の方法、２段階の方法、または、カッタにより土壌とモルタルの混合物がその場で切削溝内に作り出されるＣＳＭ（登録商標）法で行うことができる。１つまたはいくつかの切削ホイール駆動装置を設けることができる。

本発明は、土壌内に基礎要素を製作するためのシステムまたは装置をさらに備え、このシステムおよび装置は、異なる土壌成分の土壌層を有する土壌の層構造を示す、予想される土壌プロフィルを制御および評価ユニットに入力することができること、および異なる土壌成分の土壌層間に遷移が存在する作業深さを確定するために、制御および評価ユニットによって、入力された土壌プロフィルと関連付けて、検出される少なくとも１つの動作変数を設定することができることを特徴とする。

Claims (11)

1. 建設装置によって土壌内に基礎要素を製作するための方法であって、
   異なる土壌成分の土壌層を有する土壌の層構造を示す、予想される土壌プロフィルを制御および評価ユニットに入力し、
   前記制御および評価ユニットによって、土壌成分に応じて変化する前記建設装置の動作変数について、入力された前記土壌プロフィルと関連付けて、検出される少なくとも１つの前記動作変数を設定し、前記少なく１つの動作変数の予想される値を、前記入力された土壌プロフィルの各土壌層に対して設定し、
   土壌作業ツールによって前記基礎要素が製作される穴が土壌内に形成される過程において、前記制御および評価ユニットによって、前記少なくとも１つの動作変数を作業深さの関数として検出し、
   前記制御および評価ユニットによって、前記少なくとも１つの動作変数の予想される値が、検出された前記少なくとも１つの動作変数に基づき各土壌層に対して確認され、異なる土壌成分の土壌層間に遷移が存在する作業深さを確定する、
   基礎要素を製作するための方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記制御および評価ユニットによって、検出された前記少なくとも１つの動作変数に基づき作業場所に対するその時点の土壌プロフィルが生成される、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記制御および評価ユニットによって、検出される前記少なくとも１つの動作変数を設定する際、前記土壌プロフィルの各土壌層に対応して、土壌特性値およびいくつかの動作変数が互いに関連付けて設定され、
   前記穴が形成される過程で前記いくつかの動作変数が検出され、
   前記制御および評価ユニットによって、検出された前記いくつかの動作変数に基づき前記土壌プロフィルの各土壌層の前記土壌特性値が決定される、
   方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記少なくとも１つの動作変数が、前記建設装置の少なくとも１つの検出手段によって検出される、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記少なくとも１つの動作変数が、トルク、回転速度、出力、送出力、送出速度、加速度、エネルギー入力、振動、音、液圧、および／または液流量の変数から選択される、方法。
6. 請求項３に記載の方法であって、
   前記制御および評価ユニットがデータベースを有し、その中に、特定の土壌層に対して動作変数および／または土壌特性値が保存されており、保存された前記動作変数および／または前記土壌特性値が、前記土壌プロフィルの各土壌層に対応していくつかの動作変数と土壌特性値を設定する際に用いられる、
   方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   検出された前記少なくとも１つの動作変数に対して、特定の動作変数に対して保存された前記土壌特性値が、前記制御および評価ユニットによって照会および比較され、当該動作変数を検出した時点において作業中の土壌層の土壌特性値が決定され、前記データベースに保存される、
   方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記穴が形成される過程において決定された前記土壌特性値に基づいて、前記制御および評価ユニットによって土壌プロフィルが定められ、次の穴の形成時の予想される土壌プロフィルとして保存される、方法。
9. 請求項６に記載の方法であって、
   前記制御および評価ユニットによって、現在形成している穴に対して予想された前記土壌プロフィルに対する好ましい動作変数が、前記作業深さにわたって検出され、次の穴の形成時の予想される土壌プロフィルに関連付けられた動作変数として前記データベース内にデータセットとして保存される、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって
    土壌作業として、回転掘削装置の掘削ツールを用いた掘削、または地中連続壁カッタを用いた切削が実行される、方法。
11. 建設装置を用いて土壌内に基礎要素を製作するためのシステムであって、
    当該システムは、請求項１に記載の方法を実行するように設計され、
    前記基礎要素が製作される穴を土壌内に形成する土壌作業ツールと、
    制御および評価ユニットと、
    を備え、
    前記制御および評価ユニットには、異なる土壌成分の土壌層を有する土壌の層構造を示す、予想される土壌プロフィルを入力することができ、
    前記制御および評価ユニットは、
    土壌成分に応じて変化する前記建設装置の動作変数について、入力された前記土壌プロフィルと関連付けて、検出される少なくとも１つの動作変数を設定することができ、前記少なくとも１つの動作変数予想される値を、前記入力された土壌プロフィルの各土壌層に対して設定することができ、
    前記穴が土壌内に形成される過程において、前記少なくとも１つの動作変数を作業深さの関数として検出することができ、
    前記少なくとも１つの動作変数の予想される値が、検出された前記少なくとも１つの動作変数に基づき各土壌層に対して確認することができ、
    異なる土壌成分の土壌層間に遷移が存在する作業深さを確定することができる、
    システム。