JP5295310B2 - 掘削孔壁防護管のシール装置 - Google Patents

Description

この発明は、掘削孔壁防護管のシール装置に関し、より詳細には例えば大口径の杭孔を掘削をする際に、孔壁を保護するために杭孔に建て込まれる防護管と孔壁との間に充填される充填材の漏出を防止するためのシール装置に関する。

大口径ボーリング工法の１つであるＴＢＨ工法（トップドライブリバース工法）は、場所打ち杭を築造するために広く適用されている。この工法では、地表近くに口元管を設置し、掘削孔に供給される泥水を逆循環させて孔壁を防護しながら地盤を掘削し、所定深度に達したら鉄筋を杭孔に沈設してコンクリートを打設し、杭施工を完了する。

しかしながら、ある杭径（すなわち削孔径）を超え、しかも地下水位が高い条件下や、あるいは軌道に近接して列車振動を受ける条件下では、泥水による防護のみでは孔壁が崩壊するおそれがある。このような条件下に対応するため、口元管位置からの掘削施工に伴って、掘削孔にそれよりも幾分か小径の防護管を徐々に落とし込むことによって建て込み、孔壁と防護管との間隙には防護管を型枠としてモルタル等の充填材を充填する工法が提案されている（特許文献１参照）。このような工法において、充填材の削孔内への漏出を防止するためには、防護管の下端部にシール装置を取り付ける必要がある。

充填材の漏出を防止するためのシール装置については、薄鋼板を用いたものがこの出願の出願人によって提案されている（特許文献２参照）。しかし、掘削孔壁は凹凸があるなどしてその周方向に関しても、また軸方向に関しても孔壁面が一様ではなく、さらには防護管は地上から吊り下げて落とし込まれるため径方向への動きが生じ、したがって防護管と孔壁との間の隙間の大きさが変化することから、単に鋼板を底付きの円筒形に加工しただけでは隙間の大きさ変化に追従することができない。

シール装置に要求される性能は、いうまでもなく防護管下端部での充填材に対するシール性を確保することである。そのためには、流動性の高い充填材の自重に耐える剛性があること、防護管と孔壁との間の隙間の大きさ変化に追従できること等が要求される。この出願の出願人は、特許文献１記載のもの以外にも、いくつかの実証実験を行ってきたが、要求されるシール性を満足するものがこれまで確立されていなかった。

例えば、ナイロン製ブラシで構成したシール装置を製作し、性能確認実験を試みたが、ナイロン製ブラシは剛性がないため、充填材の重量に耐えられず、反転してしまうという現象が発生する。またブラシは糸状の線材で構成されているため、それ自体では止水性を有しないことから、不織布等と組み合わせて全体装置とするのであるが、シール装置自体の変形が大きく、また充填材の重量に対抗する剛性がないため、防護管と孔壁との隙間においてめくり返される現象が発生してシール装置としての機能を果たさない状況となる。

別の例として、ネット状のパッキン材の内側に充填材の漏れを防止するシートを施す構造のシール装置を試みた。この場合、パッキン材の上端を防護管に設けた糸材で吊り下げてパッキン形状を確保したが、ネット自体の引っ張り強さは強いものの、孔壁に接することのない底面すなわち自由面に対しての形状を保持する剛性が無いため、充填材が充満するとネットが変形してしまう。充填材はその液圧でネットに作用するため、孔壁に接する部分では強くネットが孔壁に押し付けられ、大きな摩擦力が発生する。また、ネットの防護管への取付け部分では反対面が自由面となっているため、ネットが風船状に膨らみ、孔壁の凹凸を通過する際の大きな抵抗となり、支障をきたす。すなわち、孔壁に押し付けられたネットには孔壁との間で大きな摩擦力が発生することから、このようなネットによるシール装置を取り付けた防護管を掘削に伴って落とし込むことが困難になる。その結果、ジャッキなどの手段を用いて強制的に防護管を沈設させることを余儀なくされ、シール全体の破損を招くことになる。

特開２０１０−９０５８８号公報 特開２０１０−２４８７１４号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、掘削に伴って掘削孔に孔壁防護管を建て込み、孔壁と防護管との間に充填材を充填する掘削施工において、充填材が掘削孔内へ漏出するのを確実に防止することができるシール装置を提供することを目的とする。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、掘削の進行に伴って掘削孔に建て込まれる孔壁防護管と、掘削孔壁との間に充填される充填材が掘削孔内に漏出するのを防止するために、前記孔壁防護管の下端部に設けられるシール装置であって、
前記孔壁防護管の下端部に取り付けられ、該下端部から前記掘削孔壁に沿って所定高さ範囲まで上方に延びる筒状のシール本体と、このシール本体の内側に配置されて前記孔壁防護管の下端部に取り付けられるシートとを備え、
前記シール本体は、前記孔壁防護管の下端部と前記孔壁との間の底部が前記充填材の荷重に対する剛性を有するとともに、少なくとも前記孔壁に沿う筒状部が周方向に複数に分割されて各々の分割部分が独立して孔壁に密着できる弾性を有していることを特徴とする掘削孔壁防護管のシール装置にある。

上記シール装置において、前記シール本体の底部は前記孔壁防護管の外周面に対し上方に向けて傾斜している構成を採用することができる。また、前記シール本体は周方向に分割された複数の分割シールプレートからなり、各分割シールプレートが前記孔壁防護管の下端部に取り付けられている構成を採用することができる。

前記分割シールプレートは、内側分割シールプレートと、その継ぎ目を覆うように配置される外側分割シールプレートとの二重構造となっている構成を採用することもできる。前記シール本体の底部外面に、前記孔壁防護管の下端部に取り付けられて該底部に剛性を付加するための環状の補強プレートが配置されている構成を採用することもできる。さらに、前記補強プレートは前記孔壁防護管の周方向に分割された複数の分割補強プレートからなり、各分割補強プレートが前記孔壁防護管の下端部に取り付けられている構成を採用することもできる。

この発明によれば、シール本体は底部が充填材の荷重に耐えうる剛性を有しているので、充填材の荷重によって底部が膨らむというような変形を生じることがなく、また掘削孔壁に沿う筒状部が周方向に複数に分割されて各々の分割部分が独立して孔壁に密着できる弾性を有しているので、孔壁防護管と孔壁との間の隙間の大きさが変化しても、その変化に十分に追従することができる。これにより、充填材が掘削孔内に漏出するのを確実に防止することができる。

掘削装置の一例を示す図である。 孔壁防護管に取り付けた状態のシール装置を示す斜視図である。 シール装置の軸方向断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はシール装置下部の拡大図である。 各分割シールプレートを孔壁防護管へ取り付けた状態の展開図である。 分割シールプレートを示す平面図であり、（ａ）は内側分割シールプレート（ｂ）は外側分割シールプレートをそれぞれ示している。 分割シートを孔壁防護管へ取り付けた状態の展開図である。 分割シートを示す平面図である。 分割補強プレートを孔壁防護管へ取り付けた状態の展開図である。 分割補強プレートを示す平面図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、ＴＢＨ工法に適用される掘削装置の一例を示している。掘削装置は、門型の固定フレーム１を有している。固定フレーム１は１対の支柱２，２と、支柱２，２の上端間を連結するビーム３とからなっている。支柱２，２に沿ってガイドロッド４，４が設けられ、これらガイドロッド４，４に可動フレーム５の両端部に設けられた嵌合部５ａ，５ａが嵌合している。可動フレーム５は、その両端嵌合部５ａ，５ａが支柱２の内部に配置された油圧による作動シリンダ（図示せず）に連結され、ガイドロッド４，４に案内されて昇降する。

可動フレーム５の中央部にはスイベルヘッド６が設けられ、このスイベルヘッド６は図示しない油圧による駆動モータにより回転する。スイベルヘッド６には、複数本の掘削ロッド７が連結され、これら掘削ロッド７は掘削の進行に伴って順次継ぎ足される。先端の掘削ロッド７にはビット８が連結されている。ビット８としてはウィングビットなどが用いられる。ビット８の各翼には削孔径を変えることができる補助ビット９が半径方向に移動自在に設けられている。

図示の掘削装置は、掘削泥水の供給・排出に関してはリバースサーキュレーション式のものである。すなわち、図示しないタンクから掘削水が掘削孔１０に供給され、掘削によって生じたズリをともなった排泥水はビット８の軸部１１から吸い込まれ、掘削ロッド７及びスイベルヘッド６に接続された排泥水管１２を通してタンクに戻される。

固定フレーム１の各支柱２，２の下部にはウィンチ１３が設けられている。ウィンチ１３から上方に向けて繰り出されるワイヤロープ１４は、固定フレーム１の上部でプーリ１５により方向変換されて下方に延びている。このワイヤロープ１４に掘削孔壁を保護するための孔壁防護管２０が懸吊支持される。

孔壁防護管２０は例えば波形鋼板を湾曲加工してなる周知のライナープレトを用いて組み立てられる。具体的には、ライナープレートを周方向に接続して短尺の単位保護リング２０ａとし、この単位保護リング２０ａを掘削の進行に伴って継ぎ足し接続することにより孔壁防護管２０が組み立てられる。ワイヤロープ１４は孔壁防護管２０の内方に配置され、先端部が最下段の単位保護リング２１に固定されることにより、孔壁防護管２０が懸吊支持される。

掘削孔１０の掘削に先立ち口元管１５が設置され、その内方を掘削して先行ピットとし、この先行ピットからビット８による孔１０の掘削が開始される。すなわち、駆動モータの回転により掘削ロッド７に回転力を与え、また可動フレーム５を下降させることによって掘削ロッド７に押込み力を与えて、孔１０が掘削される。掘削の進行に伴って、ワイヤロープ１４が繰り出されることによって、孔壁防護管２０が掘削孔１０内に落とし込まれる。孔壁防護管２０は落とし込みが円滑になされるように掘削孔１０の径よりも小さく作られ、したがって孔壁防護管２０と掘削孔１０の孔壁との間には隙間２２が形成されるので、口元管１５と孔壁防護管２０との間の隙間を含めて隙間２２にはモルタル等の充填材が充填される。この充填材が掘削孔１０内に漏れ出すのを防止するために、孔壁防護管２０の下端部にシール装置２３が設けられている。

図２以降の図面は、この発明によるシール装置２３の詳細を示している。図２は孔壁防護管２０の下端部、すなわち最下段の単位保護リング２０ａに取り付けた状態のシール装置２３を示す斜視図である。図３はシール装置２３の軸方向断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はシール装置下部の拡大図である。シール装置２３は筒状のシール本体２４と、その内側に配置されるシート２５とからなる。

シール本体２４は、この実施形態では内外２重構造となっていて、内側部分及び外側部分とも周方向に複数に分割された分割シールプレート２６，２７からなっている。分割シールプレート２６，２７は、充填材の重量に耐えることができる剛性を有し、しかも掘削孔１０の孔壁２８に密着する弾性を有し、さらには孔壁を形成する土との摩擦係数が０．１〜０．３と小さい材料、例えばポリオレフィン樹脂、超高分子量ポリエチレン、ばね鋼板などの材料で作られている。

図４は各分割シールプレート２６，２７を孔壁防護管２０へ取り付けた状態の展開図（割り付け図）、図５は分割プレートを示す平面図であり、（ａ）は内側分割シールプレート２６、（ｂ）は外側分割シールプレート２７をそれぞれ示している。分割プレート２６，２７はいずれも孔壁防護管２０への取付部２９側の周縁が孔壁防護管２０の曲率と同曲率を持った円弧状に形成され、その反対側の周縁（取付けの結果、上端周縁となる）も所定の曲率を持った円弧状に形成されている。分割シールプレート２６，２７は周方向長さ寸法（幅）が同じであるが、高さ寸法は内側分割シールプレート２６よりも外側シールプレート２７の方が大きくなっている。

取付部２９には孔壁防護管２０に取り付けるためのボルト３０を通すための複数の孔３１が設けられている。分割シールプレート２６，２７は、孔壁防護管２０の下端部外周縁に対応する位置で、孔壁防護管２０の外周面に対し上方に傾斜するように所定角度（実施形態では４５度の曲げ角度）で予め折り曲げ加工された、折り曲げ部３２を有している（図３（ｂ）参照）。さらに、分割シールプレート２６，２７は孔壁近くでも孔壁に沿うように折り曲げ加工された、折り曲げ部３３を有している。これら折り曲げ部３２と折り曲げ部３３との間の部分３４ａがシール本体の底部３４を構成し、折り曲げ部３３から上端周縁にかけての部分３５ａがシール本体の孔壁に沿う筒状部３５を構成している（図３（ｂ）参照）。この筒状部３５を構成する部分３５ａには、周方向中央部に軸方向に沿うスリット３６が形成されている。

内側分割シールプレート２６は周方向に隣接するものの側面どうしを突き合わせ、取付部２９においてその孔３１に挿入されるボルト３０により孔壁防護管２０の下端部に固定される。固定する際に、ボルト３０の周辺、突き合わせ部等からの充填材の漏出を防止するために、接着剤や防水シールなどを併用してもよい。外側シールプレート２７も同様に、隣接するものの側面どうしを突き合わせ、取付部２９においてその孔３１に挿入されるボルト３０により孔壁防護管２０の下端部に固定される。ただし、この外側シールプレート２７は、周方向に隣接する内側分割シールプレート２６間に形成される継ぎ目を覆うように配置される。

図６，図７に示すように、シート２５も周方向に分割された複数の分割シート３７からなっている。図６は分割シート３７を孔壁防護管２０へ取り付けた状態の展開図（割り付け図）、図７は分割シート３７を示す平面図である。分割シート３７は、可撓性を有するシート材料、例えば不織布などで作られている。分割シート３７は孔壁防護管２０への取付部３８側の周縁が孔壁防護管２０の曲率と同曲率を持った円弧状に形成され、上端周縁も所定の曲率を持った円弧状に形成されている。取付部３８には孔壁防護管２０に取り付けるためのボルト３０を通すための複数の孔３９が設けられている。

分割シート３７の両側部には周方向に隣接するものどうしを繋ぎ合わせるための接合部４０，４１が形成されている。接合部４０としては面ファスナーなどが用いられる。これら分割シート３７は、前述の内側分割シールプレート２６の内側に配置され、取付部３８においてその孔３９に挿入されるボルト３０により孔壁防護管２０の下端部に固定される。符号４２で示す線は、分割シールプレート２６，２７の折り曲げ部３３に対応する位置を示し、分割シート３７は可撓性を有することから、内側分割シールプレート２６の内面に沿わせることにより、この線４２の位置で折り曲げられる。

図３に示すように、シール本体の底部３４の外面には補強プレート４３が設けられている。この補強プレート４３も図８，図９に示すように、周方向に分割された複数の分割補強プレート４４からなっている。図８は分割補強プレート４４を孔壁防護管２０へ取り付けた状態の展開図（割り付け図）、図９は分割補強プレート４４を示す平面図である。分割補強プレート４４は、所要の厚みを有する金属板、例えば鋼板で作られている。分割補強プレート４４は孔壁防護管２０への取付部４５側の周縁が孔壁防護管２０の曲率と同曲率を持った円弧状に形成され、反対側の周縁には全体として所定の曲率を持った円弧状をなすように複数の爪４６が設けられている。これら爪４６は基部において分割シールプレート２６，２７の折り曲げ部３２と同角度で予め折り曲げ加工された、折り曲げ部４７を有している。取付部４５には孔壁防護管２０に取り付けるためのボルト３０を通すための複数の孔４８が設けられている。

これら分割補強プレート４４は、前述の各外側分割シールプレート２７の外側に配置され、取付部４５においてその孔４８に挿入されるボルト３０により孔壁防護管２０の下端部に固定される。これにより、シール本体２４すなわち各分割シールプレート２６，２７は、その底部３４が補強プレート４３の爪４６によって支えられることとなる。

以上のようなシール装置によれば、シール本体２４は底部３４が充填材の荷重に耐えうる剛性を有しているので、充填材の荷重によって底部が膨らむというような変形を生じることがなく、また孔壁２８に沿う筒状部３５が周方向に複数に分割されて各々の分割部分３５ａが独立して孔壁に密着できる弾性を有しているので、孔壁防護管２０と孔壁２８との間の隙間の大きさが変化しても、その変化に十分に追従することができる。これにより、充填材が掘削孔内に漏出するのを確実に防止することができる。また、シール本体２４の底部３４は孔壁防護管２０の外周面に対して上方に向けて傾斜しているので、底部３４から筒状部３５に連なる部分である折り曲げ部が鈍角的になり、孔壁防護管２０の沈設時にはこの部分がガイド作用をなし、スムーズな沈設を行うことができる。

さらに、シール本体２４は孔壁２８を形成する土との摩擦係数が小さい材料で作られているので、両者間に発生する摩擦力を最小限に抑えることができ、孔壁防護管２０が自沈できなくなって、押込みジャッキなどの他の手段を必要としたり、直進性のコントロールが困難になるような事態の発生を防止することができる。

上記実施形態は例示にすぎず、以下に記載するように、この発明は種々の態様を採ることができる。
(1) 上記実施形態ではシール本体を周方向に分割された複数の分割シールプレートで構成したが、シール本体の構造はこれに限られない。例えば、シール本体を孔壁防護管への取付部から底部までが一体となった環状のものとし、底部に連なる筒状部のみを周方向に分割した構造とすることもできる。
(2) 上記実施形態ではシール本体を二重構造としたが、充填材の荷重が小さい場合は一重構造としてもよい。この場合、分割シールプレートの周方向に隣接するものどうしを一部重ね合わせるようにしてもよい。
(3) 上記実施形態では分割シールプレートや、分割シート、分割補強プレートの各取付部の内周縁を孔壁防護管の曲率に一致させた円弧状に形成したが、円弧状とすることなく全体として短冊状となるように形成してもよい。

２０ 孔壁防護管
２０ａ 単位保護リング
２３ シール装置
２４ シール本体
２５ シート
２６ 内側分割シールプレート
２７ 外側分割シールプレート
２８ 孔壁
３３ 折り曲げ部
３４ 底部
３５ 筒状部
３７ 分割シート
４３ 補強プレート
４４ 分割補強プレート

Claims (6)

1. 掘削の進行に伴って掘削孔に建て込まれる孔壁防護管と、掘削孔壁との間に充填される充填材が掘削孔内に漏出するのを防止するために、前記孔壁防護管の下端部に設けられるシール装置であって、
   前記孔壁防護管の下端部に取り付けられ、該下端部から前記掘削孔壁に沿って所定高さ範囲まで上方に延びる筒状のシール本体と、このシール本体の内側に配置されて前記孔壁防護管の下端部に取り付けられるシートとを備え、
   前記シール本体は、前記孔壁防護管の下端部と前記孔壁との間の底部が前記充填材の荷重に対する剛性を有するとともに、少なくとも前記孔壁に沿う筒状部が周方向に複数に分割されて各々の分割部分が独立して孔壁に密着できる弾性を有していることを特徴とする掘削孔壁防護管のシール装置。
2. 前記シール本体の底部は前記孔壁防護管の外周面に対し上方に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１記載の掘削孔壁防護管のシール装置。
3. 前記シール本体は周方向に分割された複数の分割シールプレートからなり、各分割シールプレートが前記孔壁防護管の下端部に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の掘削孔壁防護管のシール装置。
4. 前記分割シールプレートは、内側分割シールプレートと、その継ぎ目を覆うように配置される外側分割シールプレートとの二重構造となっていることを特徴とする請求項３記載の掘削孔壁防護管のシール装置。
5. 前記シール本体の底部外面に、前記孔壁防護管の下端部に取り付けられて該底部に剛性を付加するための環状の補強プレートが配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の掘削孔壁防護管のシール装置。
6. 前記補強プレートは前記孔壁防護管の周方向に分割された複数の分割補強プレートからなり、各分割補強プレートが前記孔壁防護管の下端部に取り付けられていることを特徴とする請求項５記載の掘削孔壁防護管のシール装置。

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