JP7793582B2 - 拡大掘削装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中に形成された杭穴先端部を拡大掘削して根固め球根部を築造するための拡大掘削装置に関する。

地中に形成された杭穴先端部を拡大掘削して根固め球根部を形成する拡大掘削装置として、例えば特許文献１に記載された拡大掘削装置がある。この拡大掘削装置は、掘削ロッドの先端に掘削ロッドと一体に連結可能な掘削シャフトと、掘削シャフトの外周に掘削シャフトの軸心と平行をなし、かつ、掘削シャフトの周方向に沿って等間隔に配置された複数の支軸と、各支軸に回動可能に取り付けられた拡大翼とを備え、掘削ロッドが正回転する杭穴掘削作業時は、土圧を受けた拡大翼が縮径状態を保持し、掘削ロッドが逆回転する拡大掘削作業時は、土圧を受けた拡大翼が支軸回りに回動して拡径状態となり、その状態のままで掘削シャフトとともに複数の拡大翼が回転することにより周囲の地盤を拡大削孔するものである。

特開２０２３－１１６１３６号公報

ところで、上記従来の拡大掘削装置では、拡大掘削作業を行う際には正回転している掘削ロッドを逆回転させることにより、拡大翼が土圧を受けて開くようにしたものである。しかしながら、掘削ロッドが逆回転を開始する際には拡大翼は閉じた状態であるため、孔壁面と接触しても摩擦力が小さく、孔壁面上を滑る傾向にある。そのため、逆回転を開始してから拡大翼が開き始めるまでに時間のロスが発生する。

そこで、本発明においては、掘削ロッドが逆回転を開始した際に拡大翼を素早く開いて拡大削孔を行うことが可能な拡大掘削装置を提供することを目的とする。

本発明の拡大掘削装置は、掘削ロッドに対して一体に回転するように連結可能な掘削シャフトと、掘削シャフトの外周に掘削シャフトの軸心と平行をなし、かつ、掘削シャフトの周方向に沿って等間隔に配置された複数の支軸と、複数の支軸にそれぞれ回動可能に取り付けられた拡大翼とを備え、掘削ロッドが正回転する杭穴掘削作業時には、土圧を受けた拡大翼が縮径状態を保持し、掘削ロッドが逆回転する拡大掘削作業時には、土圧を受けた拡大翼が支軸回りに回動して拡大翼の一部が掘削シャフトの外周に当接するまで広がって拡径状態を保持する拡大掘削装置であって、拡大翼の先端部外側面に、掘削ロッドの逆回転開始時に孔壁に最初に接触する位置に第１の掘削ビットを備えたものである。

本発明の拡大掘削装置によれば、掘削ロッドが正回転して杭穴掘削作業を行い、掘削ロッドを逆回転して拡大掘削作業を行う際、拡大翼の先端部外側面に備えられた第１の掘削ビットが孔壁に最初に接触することによって早期に摩擦を生じ、拡大翼を素早く開くことが可能となる。

本発明の拡大掘削装置は、拡大翼の先端部に、拡径状態において孔壁に接触する第２の掘削ビットを備えることが望ましい。これにより、拡大翼の拡径状態において孔壁に第２の掘削ビットが接触し、孔壁を的確に切削することが可能となる。

ここで、第２の掘削ビットの向きは、掘削ロッドの逆回転方向に対する角度が０°～２５°、より好ましくは０．２°～１２°の方向であることが望ましい。これにより、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を第２の掘削ビットに効率的に受けて孔壁を切削することができる。

また、拡大翼は、掘削ロッドの逆回転方向に対する角度が０°～２５°、より好ましくは０．２°～１２°の方向に回動するものであることが望ましい。これにより、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を拡大翼に効率的に受けて拡大翼を素早く開くことが可能となる。特に、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げて孔壁を拡大掘削する場合には、拡大翼が傾斜していることで重力も作用するため拡大翼がさらに開きやすくなり、また、孔壁を切削する際には下向きに加わる応力が分散する。

（１）拡大翼の先端部外側面に、掘削ロッドの逆回転開始時に孔壁に最初に接触する位置に第１の掘削ビットを備えた構成により、拡大翼を素早く開いて拡大削孔を行うことが可能となる。

（２）拡大翼の先端部に、拡径状態において孔壁に接触する第２の掘削ビットを備えることにより、拡大翼の拡径状態において第２の掘削ビットにより孔壁を的確に切削して拡大削孔を行うことが可能となる。

（３）第２の掘削ビットの向きが、掘削ロッドの逆回転方向に対する角度が０°～２５°、より好ましくは０．２°～１２°の方向であることにより、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を第２の掘削ビットに効率的に受けて孔壁を切削することで孔壁掘削効率が向上する。また、第２の掘削ビットの機械的強度保全が向上する。

（４）拡大翼が、掘削ロッドの逆回転方向に対する角度が０°～２５°の方向に回動するものであることにより、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を拡大翼に効率的に受けて拡大翼を素早く開いて拡大掘削を行うことが可能となる。特に、掘削ロッドを逆回転させながら引き上げて孔壁を拡大掘削する場合には、拡大翼が傾斜していることで重力も作用するため拡大翼がさらに開きやすくなり、また、孔壁を切削する際には下向きに加わる応力が分散するので、拡大翼の耐荷重も向上する。

本発明の実施の形態における拡大掘削装置の拡大翼が縮径した状態を示す正面図である。 図１の拡大掘削装置の平面図である。 図１の拡大掘削装置の拡大翼が拡径した状態を示す正面図である。 図３の拡大掘削装置の平面図である。 図１の拡大翼を省略したＸ矢視図である。 図１の拡大掘削装置に掘削ヘッドを連結した状態を示す正面図である。 図１の拡大掘削装置に掘削ヘッドを連結した状態を示す斜視図である。 図１の拡大掘削装置の使用状態（拡大翼が縮径した状態）を示す垂直断面図である。 拡大翼の支軸の角度が０°の場合に孔壁を切削する拡大翼先端部の掘削ビットの向きを示す説明図である。 拡大翼の支軸の角度がθの場合に孔壁を切削する拡大翼先端部の掘削ビットの向きを示す説明図である。

図８に示すように、本発明の実施の形態における拡大掘削装置１００は、地中に形成された杭穴Ｈの先端部を拡大掘削して根固め球根部（図示せず。）を築造するためのものである。拡大掘削装置１００は、掘削ロッド１の先端に設けられる。掘削ロッド１は、オーガーマシン等の駆動手段（図示せず。）により正逆方向に回転駆動される駆動軸２と、駆動軸２の外周に設けられた螺旋状の掘削羽根３とを備える。

図１～図４に示すように、拡大掘削装置１００は、掘削ロッド１（図８参照。）に対して一体に回転するように連結可能な掘削シャフト１０と、掘削シャフト１０の外周に設けられた２つの支軸１３と、各支軸１３に回動可能に取り付けられた２つの拡大翼１１とを備える。掘削シャフト１０の下端側には、図５および図６に示すように掘削ヘッド２０が連結される。

掘削シャフト１０は、軸心１０ｃを中心とする円柱の側面の一部を、２つの平面１２ａ，１２ａで切り落とした形状の軸部１２を有する。２つの平面１２ａ，１２ａは、各支軸１３が配置された部分を避ける位置に、軸心１０ｃを挟んで２つの拡大翼１１のそれぞれに向けて軸心１０ｃに平行に形成されている。掘削シャフト１０は、掘削ロッド１の駆動軸２の先端に掘削ロッド１と一体に回転するように連結される。掘削シャフト１０の軸部１２の上端側には、掘削ロッド１の駆動軸２の下端部分に連結するための六角柱状のコネクタ１４ａが突設されている。掘削シャフト１０の軸部１２の下端側には、掘削ヘッド２０の駆動軸２１の上端側に突設されたコネクタ２２（図６参照。）が嵌入可能なコネクタ穴１４ｂが軸心１０ｃ方向に穿設されている。

２つの支軸１３は、掘削シャフト１０の軸部１２の外周の円弧面１２ｂ，１２ｂに、掘削シャフト１０の軸心１０ｃと角度θ（図５参照。）をなし、かつ、掘削シャフト１０の周方向に沿って等間隔（１８０°間隔）に配置されている。各支軸１３は、図１，２に示すように軸心１０ｃと平行な方向に離れ、かつ図５に示すように水平方向に対して角度θに傾斜させて設けられた一対のブラケット１６，１６を介して掘削シャフト１０の軸部１２の外周の円弧面１２ｂ，１２ｂから離れた位置に固定されている。

拡大翼１１は、掘削ロッド１が矢線Ｒ方向に正回転する杭穴掘削作業時には土圧を受けて図１および図２に示すように支軸１３回りに回動し、掘削羽根３の回転軌跡内に収容された縮径状態となる。一方、掘削ロッド１が矢線Ｌ方向に逆回転する拡大掘削作業時には、拡大翼１１は土圧を受けて支軸１３回りに回動し、図３および図４に示すように掘削羽根３の回転軌跡より半径方向外方に突出した拡径状態となる。

図１および図２に示す縮径状態における拡大翼１１の先端部１１ａの外側面１１ｂには、掘削ロッド１の逆回転開始時に孔壁に最初に接触する位置に第１の掘削ビット１５ａを備える。また、拡大翼１１の先端部１１ａには、図３および図４に示す拡径状態において孔壁に接触する第２の掘削ビット１５ｂを備える。拡大翼１１の先端部の上下面には、拡大翼１１の拡径状態で拡大翼１１が入り込んだ孔壁の上部面および下部面を切削する第３の掘削ビット１５ｃを備えている。

拡大翼１１は、矢線Ｌ方向の前方側の面、すなわち拡大掘削作業時に土圧を受ける面が、支軸１３から離れるにつれて矢線Ｌ方向の後方側へ湾曲した凸面１１ｃと、この凸面１１ｃに連続して反対側、すなわち矢線Ｌ方向の前方側へ湾曲した凹面１１ｄとを有する。また、拡大翼１１の基端側には、先端部から離れる方向に突出した突起部１１ｅが設けられている。なお、本実施形態においては、拡大翼１１は掘削シャフト１０の外周に１８０°間隔で２箇所に配置されているが、拡大翼１１の形状、個数や配置間隔などは本実施形態に限定されない。

図６および図７に示すように、掘削ヘッド２０は、円筒状の駆動軸２１と、駆動軸２１の上端側に突設された六角柱状のコネクタ２２と、駆動軸２１の外周に設けられた螺旋状の掘削羽根２３とを備えている。各掘削羽根２３の先端には掘削ビット２４が設けられている。拡大掘削装置１００の掘削シャフト１０の下端側のコネクタ穴１４ｂに、掘削ヘッド２０の上端側のコネクタ２２を嵌入し、所定の固定手段で固定することにより、拡大掘削装置１００と掘削ヘッド２０とが一体的に連結される。

次に、掘削ヘッド２０と一体化された拡大掘削装置１００を、掘削ロッド１の駆動軸２の先端に掘削ロッド１と一体に回転するように連結する。具体的には、駆動軸２の先端に穿設されたコネクタ穴４（図８参照。）に、拡大掘削装置１００の掘削シャフト１０の上端側のコネクタ１４ａを嵌入し、所定の固定手段で固定することにより、掘削ロッド１と、拡大掘削装置１００および掘削ヘッド２０とが一体的に連結される。これにより、拡大掘削装置１００および掘削ヘッド２０は、掘削ロッド１と一体的に回転するように連結される。

次に、上記構成の拡大掘削装置１００の動作について説明する。
図８に示すように、杭穴掘削作業時は掘削ロッド１を矢線Ｒ方向に正回転させる。このとき、図１および図２に示すように、土圧を受けた拡大翼１１の先端部１１ａが掘削シャフト１０に接近した状態を保持するので拡大翼１１は縮径状態に保たれる。したがって、掘削ロッド１を矢線Ｒ方向に正回転させることにより、杭穴掘削作業を円滑に行うことができる。

一方、拡大掘削作業時は掘削ロッド１を矢線Ｌ方向に逆回転させながら引き上げる。このとき、図３および図４に示すように、土圧を受けた複数の拡大翼１１がそれぞれ支軸１３回りに回動して拡大翼１１が拡がっていく。このとき、拡大翼１１の先端部１１ａの外側面１１ｂに備えられた第１の掘削ビット１５ａが孔壁に最初に接触することによって早期に摩擦を生じ、拡大翼１１を素早く開くことができる。

また、掘削シャフト１０の軸部１２は、軸心１０ｃを中心とする円柱の側面の一部を、２つの拡大翼１１に向けて軸心１０ｃを挟んで軸心１０ｃに平行な２つの平面１２ａ，１２ａで切り落とした形状となっているため、この切り落とした空間に掘削土砂が存在し、掘削ロッド１が逆回転した際にこの空間の掘削土砂が拡大翼１１へ向かって流れ、拡大翼１１が受ける土圧を増やすことができる。なお、軸部１２は、図２に破線１７で示すように拡大翼１１に向けて斜め方向に、かつ軸心に平行に切り落とした形状とすることも可能である。この場合も同様に、掘削ロッド１が逆回転した際にこの空間の掘削土砂が拡大翼１１へ向かって流れ、拡大翼１１が受ける土圧を増やすことができる。

また、拡大翼１１にはその凸面１１ｃおよび凹面１１ｄにより掘削土砂を受けやすい空間が形成されているため、掘削土砂は凸面１１ｃおよび凹面１１ｄに沿って外周後方部へとスムーズに流れるようになり、拡大翼を素早く開くことができる。

こうして、拡大翼１１は突起部１１ｅが掘削シャフト１０の外周に当接するまで拡がっていき、図３および図４に示す拡径状態に保たれる。そして、掘削羽根２３（図８参照。）より大きな回転半径を描いて矢線Ｌ方向に逆回転しながら引き上げられる複数の拡大翼１１の第２の掘削ビット１５ｂおよび第３の掘削ビット１５ｃにより、図８に示す地盤中に形成された杭穴Ｈの拡大翼１１の周囲の地盤が拡大掘削され、杭穴Ｈより内径の大きな根固め球根部（図示せず。）が形成される。

拡大掘削装置１００の拡大翼１１は大きな回転半径を描いて矢線Ｌ方向に回転して杭穴Ｈ（図８参照。）の周囲の地盤を拡大掘削するので、従来の拡大掘削装置より拡大掘削率を高めることができる。また、拡大翼１１の拡径状態においては、孔壁に第２の掘削ビット１５ｂが接触するとともに、孔壁に拡大翼１１が入り込んで引き上げられることにより孔壁の上部面に第３の掘削ビット１５ｃが接触するので、孔壁を的確に切削して拡大削孔を行うことができる。

なお、拡大翼１１が矢線Ｌ方向に回転して地盤を掘削するときに突起部１１ｅに生じる土圧の反力は、掘削シャフト１０の外周（突起部１１ｅが当接している部分）で支えるので、損傷しにくく、簡素な構造でありながら高強度を発揮する。また、支軸１３は掘削シャフト１０の外周から離れた位置に配置されているので、支軸１３と反力点（突起部１１ｅ）との間に溜まった土砂が、拡大翼１１が拡径するときに噛むことがなく、スムーズな拡径動作を確保することができる。

拡大掘削作業が終了後、掘削ロッド１（図８参照。）を矢線Ｒ方向に正回転させると、土圧を受けた複数の拡大翼１１はそれぞれ図１および図２に示す縮径状態に戻るので、拡大掘削装置１００および掘削ヘッド２０は掘削ロッド１とともに容易に地上に引き上げることができる。

拡大掘削装置１００を構成する拡大翼１１は、掘削ロッド１を介して掘削シャフト１０を逆回転させたり、正回転させたりするだけで、拡径したり、縮径したりするので、油圧系や電気系の動作システムが不要である。このため、拡大掘削装置１００は機械的要素のみで構成することができ、構造も簡素である。

次に、拡大翼１１の回動角度について、図９および図１０を参照して説明する。
まず、基本条件として、掘削ロッド１の回転数は、５ｒｐｍ～２５ｒｐｍの範囲が多く適用される。そのため、例えば、拡大掘削径がφ１０００ｍｍの場合、拡大翼１１の先端部１１ａの摺動距離（φ１０００ｍｍ×３．１４×回転数÷６０）は、約２６１．８ｍｍ／ｓ～１３０９ｍｍ／ｓとなる。また、拡大掘削作業時の掘削ロッド１の引き上げ速度は０．５ｍ／ｍｉｎ（８．３ｍｍ／ｓ）～２．０ｍ／ｍｉｎ（３３．３ｍｍ／ｓ）の範囲が多く適用される。

上記適用範囲において、逆回転による機械的な手段で拡大掘削する場合、拡大翼１１の先端部１１ａに設けられた第２の掘削ビット１５ｂは、孔壁から加わる機械的応力を効率的に受けられる向きに配置して孔壁を切削することが有効である。掘削ロッド１の回転により第２の掘削ビット１５ｂは図９に示す二等辺三角形の辺ａｂを移動する。また、掘削ロッド１の引き上げにより第２の掘削ビット１５ｂは辺ｂｃを移動する。その結果、第２の掘削ビット１５ｂはこれらの合成ベクトルである辺ａｃの軌跡を辿る。

ここで、拡大掘削径がφ１０００ｍｍのモデルケースでは、回転数が遅く（２６１．８ｍｍ／ｓ）、引き上げ速度が速い（３３．３ｍｍ／ｓ）場合、θ₁＝ｔａｎ^-1（ｂ／ａ）≒７．３°となる。一方、回転数が速く（１３０９ｍｍ／ｓ）、引き上げ速度が遅い（３３．３ｍｍ／ｓ）場合、θ₂≒０．４°となる。一般的な拡大掘削径はφ６００ｍｍ～φ２０００ｍｍであることから、θは概ね０．２°～１２°となる。但し、機械的公差によるガタを考慮すると、θは０°～２５°に設定するのが良い。

なお、本実施形態においては、掘削ロッド１を逆回転させながら引き上げて孔壁を拡大掘削する例について説明したが、逆に、掘削ロッド１を逆回転させながら押し下げて孔壁を拡大掘削する構成とすることも可能である。この場合、角度θは逆（－）となる。

本実施形態における拡大掘削装置１００では、拡大翼１１を回動可能に支持する２つの支軸１３を、掘削シャフト１０の軸心１０ｃと角度θをなすように配置することで、拡大翼１１を角度θの方向に回動するものとしている。これにより、掘削ロッド１を逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を拡大翼１１に効率的に受けて拡大翼１１を素早く開くことが可能となる。

特に、掘削ロッド１を逆回転させながら引き上げて孔壁を拡大掘削する場合には、拡大翼１１が角度θで傾斜していることで重力も作用するため拡大翼１１がさらに開きやすくなり、また、孔壁を切削する際には下向きに加わる応力が分散するので、拡大翼１１の耐荷重も向上する。

また、図１０に示すように、第２の掘削ビット１５ｂの向きを掘削ロッド１の逆回転方向に対する角度をθだけ傾けることにより、第２の掘削ビット１５ｂは孔壁面に対して直角に圧接して移動することが可能となる。これにより、掘削ロッド１を逆回転させながら引き上げまたは押し下げして孔壁を拡大掘削する際、孔壁から加わる機械的応力を第２の掘削ビット１５ｂに効率的に受けて孔壁を切削することで孔壁掘削効率が向上する。また、第２の掘削ビット１５ｂの機械的強度保全が向上する。

本発明に係る拡大掘削装置は、地中に形成された杭穴先端部を拡大掘削して根固め球根部を形成する工事を施工する装置として、土木建築業などの分野において広く利用することができる。

１ 掘削ロッド
２ 駆動軸
３ 掘削羽根
４ コネクタ穴
１０ 掘削シャフト
１０ｃ 軸心
１１ 拡大翼
１１ａ 先端部
１１ｂ 外側面
１１ｃ 凸面
１１ｄ 凹面
１１ｅ 突起部
１２ 軸部
１２ａ 平面
１２ｂ 円弧面
１３ 支軸
１４ａ コネクタ
１４ｂ コネクタ穴
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 掘削ビット
１６ ブラケット
２０ 掘削ヘッド
２１ 駆動軸
２２ コネクタ
２３ 掘削羽根
２４ 掘削ビット
１００ 拡大掘削装置

Claims (4)

1. 掘削ロッドに対して一体に回転するように連結可能な掘削シャフトと、
   前記掘削シャフトの外周に前記掘削シャフトの軸心と平行をなし、かつ、前記掘削シャフトの周方向に沿って等間隔に配置された複数の支軸と、
   前記複数の支軸にそれぞれ回動可能に取り付けられた拡大翼とを備え、
   前記掘削ロッドが正回転する杭穴掘削作業時には、土圧を受けた前記拡大翼が縮径状態を保持し、
   前記掘削ロッドが逆回転する拡大掘削作業時には、土圧を受けた前記拡大翼が前記支軸回りに回動して前記拡大翼の一部が前記掘削シャフトの外周に当接するまで広がって拡径状態を保持する拡大掘削装置であって、
   前記拡大翼の先端部外側面に、前記掘削ロッドの逆回転開始時の前記拡大翼が縮径状態において孔壁に接触し摩擦を発生させる位置に第１の掘削ビットを備えた拡大掘削装置。
2. 前記拡大翼の先端部に、前記拡径状態において孔壁に接触する第２の掘削ビットを備えた請求項１記載の拡大掘削装置。
3. 前記第２の掘削ビットの向きは、前記掘削ロッドの逆回転方向に対する上向きまたは下向きの角度が０°～２５°の方向である請求項２記載の拡大掘削装置。
4. 前記拡大翼は、前記掘削ロッドの逆回転方向に対する上向きまたは下向きの角度が０°～２５°の方向に回動するものである請求項１から３のいずれか１項に記載の拡大掘削装置。