JP6845909B1 - 拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一種の掘削機にて効率的に硬質地盤を掘削することができ、このことにより、効率的なケーソン躯体の沈設を可能とする、拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法を提供する。【解決手段】ベースマシン１０と、ベースマシン１０からケリーバー２０により垂下されている拡翼掘削体３０とを有し、筒状のケーソン躯体２００の内壁面２０５に沿って地盤Ｇを鉛直方向に掘削し、かつ、ケーソン躯体２００の刃口２１０のテーパー面２２０に沿って地盤Ｇを斜め方向に掘削する拡翼掘削機１００であり、並設する複数の軸状の拡翼カッタ６０と、複数の拡翼カッタ６０をそれぞれの回転軸を中心に回転させる回転駆動手段５０と、複数の拡翼カッタ６０を異なるタイミングで回動させる二つの回動駆動手段７０と、複数の拡翼カッタ６０を挟んで各拡翼カッタ６０を同期して鉛直方向に進退させるスライド機構８０と、を有する。【選択図】図６Ｂ

Description

本発明は、拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法に関する。

ケーソン工法は、地上において製作された例えば鉄筋コンクリート製の筒状もしくは箱状の構造物を、地中に沈設していく工法であり、底蓋を有する構造物を沈設させていくニューマチックケーソン工法と、底蓋の無い中空の構造物を沈設させていくオープンケーソン工法がある。その中で、オープンケーソン工法は、沈設するケーソン躯体の下方の先端部周辺の地盤を掘削して緩めることにより、ケーソン躯体をその自重によって沈設させたり、必要に応じて、さらに圧入装置による圧入力を付加することにより沈設させる工法である（後者の方法は、圧入式オープンケーソン工法と称される）。ケーソン躯体の先端の刃口は、地盤抵抗（もしくは地山抵抗）を低減させるべく、一般にテーパー形状になっており、刃口の周辺の地盤を掘削にて緩めることにより、緩められた地盤内に刃口が進入していき、ケーソン躯体が徐々に沈設される。ケーソン躯体の沈設に伴い、ケーソン躯体内の地盤は例えばバケット式掘削機等により掘削される。そして、地盤が掘削されたケーソン躯体の内部には水が貯留され、刃口周辺の地盤の掘削による緩めと、ケーソン躯体の沈設、及びケーソン躯体内部の地盤の水中掘削（泥水中掘削）により、ケーソン躯体の沈設が進められる。
ところで、原地盤のうち、一般に上方の軟質地盤においては、上記する一連の施工によりケーソン躯体の沈設が比較的スムーズに進められるが、ある程度の深度まで沈設が進行して硬質地盤に到達した後、この硬質地盤を掘削により緩めるには時間を要する。ここで、本明細書において「軟質地盤」や「硬質地盤」とは、具体的なＮ値等による物性値により区別されてもよいが、例えば、バケット式掘削機の爪が差し込み難い程度の硬さの地盤を「硬質地盤」、差し込み易い程度の硬さの地盤を「軟質地盤」とすることができる。
従って、オープンケーソン工法においては、硬質地盤の施工に関し、ケーソン躯体の先端の刃口周辺の地盤を如何に早く効率的に緩められるかが、ケーソン躯体の沈設時間に大きく影響する。また、ケーソン躯体内部の硬質地盤の水中掘削に関しても、如何に早く効率的に地盤を緩められるかが、バケット式掘削機等により揚土する際の掘削時間に大きく影響する。

上記するケーソン躯体の刃口周辺の掘削やケーソン躯体内部の水中掘削においては、通常は、地上にあるクローラクレーンからワイヤリングにて掘削機を揚重し、垂下された掘削機を作動させることにより行われる。この際、ワイヤリングでは掘削機の回転反力を取ることができないことから、この回転反力をケーソン躯体等に取る必要がある。そのため、ケーソン躯体等にガイドレールを設置しなければならず、ケーソン躯体に不要な仮設材を埋め込む必要が生じるといった課題を有している。

ここで、特許文献１には、オープンケーソン工法において、ケーソン躯体の刃口下方の地盤を掘削する刃口下掘削機が開示されている。具体的には、平面視においてケーソン躯体内に位置する地盤に接触する柱状部と、柱状部の上端部に設けられる本体部と、本体部に上部が枢支されて該上部から下方に延びるチェーンソー型の地盤掘削部と、地盤掘削部の上部の枢支軸を中心として地盤掘削部を傾動させる傾動装置とを備える。

特開２０１９−１３２０８７公報

特許文献１に記載の刃口下掘削機は、チェーンソー型の地盤掘削部を有していることから、この地盤掘削部を硬質地盤内に投入するに当たり、別途の鉛直孔掘削機にて鉛直孔を掘削する必要があることから、複数種の掘削機を要することとなり、施工設備に関する工費に関する課題と、各掘削機を使い分けることによる施工手間に関する課題を内包する。

本発明は、一種の掘削機にて効率的に硬質地盤を掘削することができ、このことにより、効率的なケーソン躯体の沈設を可能とする、拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による拡翼掘削機の一態様は、
ベースマシンと、該ベースマシンからケリーバーにより垂下されている拡翼掘削体と、を有し、
筒状のケーソン躯体の内壁面に沿って地盤を鉛直方向に掘削し、かつ、該ケーソン躯体の刃口のテーパー面に沿って地盤を斜め方向に掘削する、拡翼掘削機であって、
前記拡翼掘削体は、
並設する複数の軸状の拡翼カッタと、
複数の前記拡翼カッタをそれぞれの回転軸を中心に回転させる回転駆動手段と、
複数の前記拡翼カッタを異なるタイミングで回動させる二つの回動駆動手段と、
複数の前記拡翼カッタを挟んで、複数の該拡翼カッタを同期して鉛直方向に進退させるスライド機構と、を有し、
前記スライド機構の鉛直方向下端に、地盤に食い込むスパイク爪が設けられていることを特徴とする。

本態様によれば、拡翼掘削体が、並設する複数の軸状の拡翼カッタと、複数の拡翼カッタを異なるタイミングで回動させる二つの回動駆動手段を有することにより、一つの拡翼掘削体にて、地盤の鉛直方向の掘削（鉛直掘削）と、斜め方向の掘削（拡底掘削、斜め掘削）の双方を行うことができる。そのため、筒状のケーソン躯体の内壁面に沿う地盤の鉛直方向の掘削と、ケーソン躯体の刃口のテーパー面に沿う地盤の斜め方向の掘削を一つの拡翼掘削体にて行うことが可能になる。また、ケーソン躯体の内壁面から離れた内部の地盤の掘削においても、鉛直掘削と斜め掘削の双方が可能になる。また、複数種の掘削機を使用する従来のオープンケーソン工法では、一方の掘削機を使用する際に使用されない他方の掘削機の待機スペースが必要になるところ、例えば、待機スペースが確保し難い都市部等の狭隘な現場において、本態様の拡翼掘削機が特に有意となる。さらに、一つの拡翼掘削体を用いて硬質地盤を効率的に掘削して緩め、ケーソン躯体を沈設していくことができるため、施工効率が高く、工期の短縮を図ることができる。
ここで、本態様の拡翼掘削機はオープンケーソン工法に適用される掘削機であり、「筒状のケーソン躯体」には、円筒状（平面視円形、平面視楕円形等）のケーソン躯体や、角筒状（平面視正方形、平面視長方形を含む平面視多角形）のケーソン躯体が含まれる。
また、「複数の拡翼カッタを異なるタイミングで回動させる」とは、例えば二本の拡翼カッタを有する場合に、一方の拡翼カッタが地盤内において鉛直姿勢に制御され、他方の拡翼カッタが回転軸を中心に回転しながら所定の回動角度まで回動されて斜め掘削を行い、次に、他方の拡翼カッタが鉛直姿勢に戻された後、一方の拡翼カッタが回転軸を中心に回転しながら所定の回動角度まで回動されて斜め掘削を行うことを意味する。一方の拡翼カッタが鉛直姿勢で地盤内に存在し、この一方の拡翼カッタを介して地盤に反力を取りながら、他方の拡翼カッタによる斜め掘削が可能になる。

本態様では、拡翼掘削体が、ワイヤリングでなく、ケリーバーにて垂下されていることにより、ケリーバーにて拡翼掘削体の回転反力を受け、当該回転反力を抑制することができるとともに、ケリーバーを介して拡翼掘削体を下方に押し込んで地盤を掘削することが可能になる。さらに、本態様では、複数の拡翼カッタを挟み、かつその鉛直方向下端に地盤に食い込むスパイク爪が設けられているスライド機構を備え、複数の拡翼カッタがスライド機構を介して同期して鉛直方向に進退制御されることにより、例えばケリーバーのみにより拡翼カッタを押し込む形態に比べて、硬質地盤内への拡翼カッタの鉛直掘削をより一層効率的に行うことが可能になる。拡翼掘削体の硬質地盤内への押し込みは、ケリーバーによる押し込み力と、スライド機構による押し込み力により実現される。また、固有の回転軸を中心に回転している複数の拡翼カッタを、硬質地盤の表面にスパイク爪が食い込んだ状態のスライド機構を介して鉛直方向へ押し込む際に、ケリーバーによる回転反力の抑制のみならず、スライド機構によっても回転反力を抑制できるため、硬質地盤内への拡翼カッタの鉛直掘削をより一層高い精度で行うことが可能になる。

スライド機構は、例えば、拡翼掘削体を構成する掘削機本体の左右側面に配設される、モータ等のアクチュエータとチェーン駆動式の昇降フレーム等により構成することができる。アクチュエータにて無端状のチェーンが正逆回転し、チェーンの正逆回転に応じて昇降フレームが昇降し、昇降フレームに固定されている掘削機本体が昇降フレームの昇降に同期して昇降することにより、複数の拡翼カッタを同期して鉛直下方へ掘進させ、鉛直上方に引き上げることが可能になる。スライド機構を適用することにより、ケリーバーによる押し込み力に加えて、モータ等のアクチュエータの動力による押し込み力が付加されるため、複数の拡翼カッタが硬質地盤を鉛直掘削する際に各拡翼カッタが負担する掘削トルクの低減効果も得られる。

また、本発明による拡翼掘削機の他の態様において、前記拡翼カッタは、左右端にある少なくとも二本の外側拡翼カッタと、該少なくとも二本の外側拡翼カッタの内側にある少なくとも一本の内側拡翼カッタとを含み、
前記少なくとも二本の外側拡翼カッタを鉛直姿勢のままで、前記少なくとも一本の内側拡翼カッタを回動させて斜め掘削する第一姿勢制御と、
前記少なくとも一本の内側拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、前記少なくとも二本の外側拡翼カッタを同期して回動させて斜め掘削する第二姿勢制御と、が実行されることを特徴とする。

本態様によれば、例えば左右端の二本の外側拡翼カッタと、例えば一本もしくは複数本の内側拡翼カッタを有し、内側拡翼カッタと外側拡翼カッタを異なるタイミングで回動させながら交互に斜め掘削することにより、可及的に捩じれが抑制された、安定姿勢の下で刃口のテーパー面に沿う斜め掘削を実現することができる。拡翼掘削体の安定姿勢の下での斜め掘削の観点から、「左右端にある少なくとも二本の外側拡翼カッタ」とは、左右端に二本、左右端にそれぞれ二本の計四本等、左右の外側拡翼カッタの本数が同数であるのが好ましい。例えば左右に同数の外側拡翼カッタが鉛直姿勢で地盤内に存在することにより、内側拡翼カッタが斜め掘削する第一姿勢制御の際に、左右にそれぞれ一本もしくは二本ある外側拡翼カッタを介して地盤に反力を取りながら、内側拡翼カッタによる斜め掘削を行うことができる。また、外側拡翼カッタを回動して斜め掘削する第二姿勢制御の際にも、一本もしくは複数本の内側拡翼カッタを介して地盤に反力を取りながら、外側拡翼カッタによる斜め掘削を行うことができる。

また、本発明による拡翼掘削機の他の態様は、二本の前記ケリーバーにより前記拡翼掘削体が垂下されていることを特徴とする。
本態様によれば、二本のケリーバーにより拡翼掘削体が垂下されている、所謂ツインケリーバー方式にて拡翼掘削体を垂下することにより、拡翼掘削体の回転反力をより一層抑制することができ、拡翼掘削体の捩じれをより一層防止することができ、さらには、拡翼掘削体の鉛直姿勢を精度よく保持できることに依拠して掘削精度を向上させることができる。

また、本発明による拡翼掘削機の他の態様は、前記拡翼カッタが、軸状のシャフトの周囲に切削ビットを備えている、もしくは、軸状のシャフトの周囲に螺旋状のオーガーを備えていることを特徴とする。
本態様によれば、拡翼カッタが、軸状のシャフトの周囲に切削ビットを備えている形態、もしくは、軸状のシャフトの周囲に螺旋状のオーガーを備えている形態のいずれであっても、例えば硬質地盤の掘削性に優れた拡翼カッタとなる。いずれの形態も、拡翼カッタの先端には、硬質地盤を鉛直方向に効率的に掘削するべく、下向き用の切削ビットを装備しておくのが望ましい。また、原地盤において、硬質地盤よりも固い岩盤層が存在する場合は、先端に岩盤用切削ビットが装着された調整用拡翼カッタを用意しておくことにより、岩盤掘削も可能となり、岩盤専用の掘削機を別途用意する必要がなくなる。

また、本発明によるケーソン躯体の沈設方法の一態様は、
筒状のケーソン躯体を硬質地盤まで沈設しつつ該ケーソン躯体の内部地盤を掘削排土した後、硬質地盤において該ケーソン躯体を沈設する、ケーソン躯体の沈設方法であって、
前記拡翼掘削機を構成する前記スパイク爪を前記硬質地盤に食い込ませ、前記スライド機構を駆動して複数の前記拡翼カッタを回転させ、前記ケーソン躯体の内壁面に沿って複数の前記拡翼カッタを鉛直方向にスライドさせて前記硬質地盤を鉛直方向に掘削する、Ａ工程と、
一部の前記拡翼カッタを鉛直姿勢のままとし、残りの前記拡翼カッタを回転させ、前記刃口のテーパー面に当接するまで回動させて斜め掘削する、Ｂ工程と、
前記残りの拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、前記一部の拡翼カッタを回転させ、前記刃口のテーパー面に当接するまで回動させて斜め掘削する、Ｃ工程と、を有し、
前記Ａ工程乃至前記Ｃ工程を一連の工程として、平面視における前記ケーソン躯体の輪郭線に沿って前記ベースマシンを移動させながら、該一連の工程を繰り返し行い、前記ケーソン躯体の前記刃口の下部の硬質地盤を掘削して緩め、該ケーソン躯体を沈設することを特徴とする。

本態様によれば、本発明の拡翼掘削機を適用し、硬質地盤内に複数の拡翼カッタを鉛直方向に進入させて鉛直掘削するＡ工程、一部の拡翼カッタを鉛直姿勢のままとし、残りの拡翼カッタを回転させて斜め掘削するＢ工程、残りの拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、一部の拡翼カッタを回転させて斜め掘削するＣ工程、の一連の工程をケーソン躯体の輪郭線に沿って繰り返すことにより、ケーソン躯体の刃口周辺の硬質地盤を効率的に掘削し、緩めることが可能になる。そして、ケーソン躯体の刃口周辺の硬質地盤の掘削に加えて、ケーソン躯体の内部の硬質地盤の水中掘削においても、本発明の拡翼掘削機を適用して、同様に上記一連の工程を実施することにより、ケーソン躯体内部の硬質地盤を可及的早期に掘削して緩めることができ、その後のバケット式掘削機等による揚土までを含む掘削時間の大幅な短縮が可能になる。
尚、硬質地盤上の軟質地盤におけるケーソン躯体の沈設においては、ケーソン躯体の内部の軟質地盤がバケット式掘削機等により効率的に掘削することが可能であることから、ケーソン躯体の刃口周辺領域及び内部領域の軟質地盤を例えばバケット式掘削機等により掘削し、ケーソン躯体を例えば自重にて沈設させながら内部に貯水し、ケーソン躯体が硬質地盤に到達するまでこの沈設方法を繰り返せばよい。

本発明の拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法によれば、一種の掘削機にて効率的に硬質地盤を掘削することができ、効率的なケーソン躯体の沈設を実現できる。

ケーソン躯体を軟質地盤内に沈設する方法の一例を示す縦断面図である。 図１ＡのＢ方向矢視図であって、ケーソン躯体の一例の平面図である。 実施形態に係る拡翼掘削機の一例を示す側面図である。 拡翼掘削体の一例の正面図である。 拡翼カッタの一例の正面図である。 図４ＡのＢ−Ｂ矢視図であって、拡翼カッタの一例の横断面図である。 拡翼カッタの他の例の正面図である。 図５ＡのＢ−Ｂ矢視図であって、拡翼カッタの他の例の横断面図である。 ケーソン躯体の内壁面に沿って、全ての拡翼カッタが鉛直姿勢となっている状態を示す縦断面図である。 一部の拡翼カッタが鉛直姿勢を維持し、残りの拡翼カッタが、ケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動している状態を示す縦断面図である。 実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、ケーソン躯体の内壁面に沿って、ケリーバーを介して拡翼掘削体を硬質地盤まで吊り下ろしている状態を示す縦断面図である。 図７ＡのＢ方向矢視図であって、ケリーバーを介して硬質地盤まで吊り下ろされている拡翼掘削体を示す正面図である。 図７Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する全ての拡翼カッタを硬質地盤に対して延長方向に掘削している状態を示す縦断面図である。 図８ＡのＢ方向矢視図であって、全ての拡翼カッタが硬質地盤内に掘進している拡翼掘削体を示す正面図である。 図８Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する外側拡翼カッタを鉛直姿勢のまま保持し、内側拡翼カッタをケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動させながら斜め掘削している状態を示す縦断面図である。 図９ＡのＢ方向矢視図であって、外側拡翼カッタが鉛直姿勢のまま硬質地盤内に保持され、内側拡翼カッタが斜め掘削している拡翼掘削体を示す正面図である。 図９Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する内側拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、外側拡翼カッタをケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動させながら斜め掘削している状態を示す縦断面図である。 図１０ＡのＢ方向矢視図であって、内側拡翼カッタが硬質地盤内で鉛直姿勢に戻され、外側拡翼カッタが斜め掘削している拡翼掘削体を示す正面図である。

以下、実施形態に係る拡翼掘削機とケーソン躯体の沈設方法について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

［実施形態］
＜沈設対象のケーソン躯体と、軟質地盤内におけるケーソン躯体の沈設方法＞
はじめに、図１を参照して、沈設対象のケーソン躯体の一例と、軟質地盤内におけるケーソン躯体の沈設方法の一例について説明する。ここで、図１Ａは、ケーソン躯体を軟質地盤内に沈設する方法の一例を示す縦断面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＢ方向矢視図であって、ケーソン躯体の一例の平面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、沈設対象であるケーソン躯体２００は、オープンケーソン工法により沈設される、鉄筋コンクリート製の円筒体であり、その先端の刃口２１０の内壁面がテーパー面２２０となっている。尚、ケーソン躯体の平面視形状は、図示例以外にも、楕円形、正方形や長方形等の矩形、矩形以外の多角形であってもよい。

原地盤Ｇには、表層から所定深度までは、バケット式掘削機の爪の差し込みに支障のない硬度の軟質地盤Ｇ１が広がり、その下方には、バケット式掘削機の爪が差し込み難い硬質地盤Ｇ２がある。実施形態のケーソン躯体の沈設方法は、この硬質地盤Ｇ２の所定深度までケーソン躯体２００を沈設する方法である。尚、軟質地盤、硬質地盤の概念は、具体的な物性値で規定してもよく、例えばＮ値１０乃至３０の間の所定値を軟質地盤と硬質地盤の境界値に設定してもよい。また、硬質地盤Ｇ２は、支持層と称することもできる。

地上にて製作されたケーソン躯体２００は、施工エリアの地表に設置される。そして、その刃口周辺の軟質地盤Ｇ２を掘削することにより、ケーソン躯体２００の自重によって刃口２１０が軟質地盤Ｇ１内に進入し、ケーソン躯体２００が沈設される。このケーソン躯体２００の沈設に応じて、ケーソン躯体２００の内部の軟質地盤Ｇ１もバケット式掘削機等により掘削し、ケーソン躯体２００の内部に水Ｗが導入され、貯水される。この施工を繰り返しながら、軟質地盤Ｇ１内においてケーソン躯体２００を沈設していき、バケット式掘削機の爪が差し込み難い硬質地盤Ｇ２まで到達させる。

図１Ａに示すケーソン躯体２００の刃口２１０が硬質地盤Ｇ２に到達した状態において、刃口２１０の周辺が刃口周辺領域Ａ１であり、その内側が内部領域Ａ２である。以下で詳説する、実施形態に係る拡翼掘削機は、その構成要素である一台（もしくは一種）の拡翼掘削体にて、ケーソン躯体２００の内壁面２０５に沿う鉛直方向の掘削（鉛直掘削）と、刃口２１０のテーパー面までの斜め方向の掘削（斜め掘削）の双方の掘削を実現可能な掘削機である。

＜拡翼掘削機＞
次に、図２乃至図６を参照して、実施形態に係る拡翼掘削機の一例について説明する。ここで、図２は、実施形態に係る拡翼掘削機の一例を示す側面図であり、図３は、拡翼掘削体の一例の正面図である。また、図４Ａは、拡翼カッタの一例の正面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ矢視図であって、拡翼カッタの一例の横断面図である。また、図５Ａは、拡翼カッタの他の例の正面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ矢視図であって、拡翼カッタの他の例の横断面図である。さらに、図６Ａは、ケーソン躯体の内壁面に沿って、全ての拡翼カッタが鉛直姿勢となっている状態を示す縦断面図であり、図６Ｂは、一部の拡翼カッタが鉛直姿勢を維持し、残りの拡翼カッタが、ケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動している状態を示す縦断面図である。

拡翼掘削機１００は、ベースマシン１０と、ベースマシン１０からケリーバー２０により垂下されている拡翼掘削体３０とを有する。ここで、図示例のベースマシン１０はクローラ式のクレーンであるが、自走式でケリーバー２０を介して拡翼掘削体３０を垂下できるベースマシンであれば、トラッククレーン等の他の形態のベースマシンであってもよい。

また、ケリーバー２０は、本来的には、その先端に各種の掘削アタッチメントが取り付けられ、ロータリードライブにてケリーバーを回転させることにより、掘削アタッチメントにて地盤を回転掘削する際に適用されるが、図示例の拡翼掘削機１００においては、拡翼掘削体３０を硬質地盤内に押し込むことを目的として適用される。すなわち、ワイヤリングにて拡翼掘削体３０が垂下される形態では、拡翼掘削体３０を硬質地盤内に押し込む際にケーソン躯体２００の内壁面に反力材等の設置が必要となるが、拡翼掘削機１００では、ケリーバー２０を適用することにより、このような反力材の設置を不要にできる。さらに、ケリーバー２０により、拡翼掘削体３０の回転反力を受けて、当該回転反力を抑制することができる。

拡翼掘削機１００を構成する拡翼掘削体３０は、掘削機本体４０と、掘削機本体４０の下方に取り付けられている五基の回転駆動手段５０と、各回転駆動手段５０に回転自在に装着されている拡翼カッタ６０と、各拡翼カッタ６０を回動軸７５（図３、図６Ａ、図６Ｂ参照）を中心に回動させる二基の回動駆動手段７０と、複数の拡翼カッタ６０を挟んで各拡翼カッタ６０を同期して鉛直方向に進退させるスライド機構８０とを有する。

回転駆動手段５０は、例えばモータ等のアクチュエータであり、回動駆動手段７０は、例えばシリンダ機構等のアクチュエータである。図示例では、五基のモータ５０に対して、それぞれ軸状の拡翼カッタ６０が装着されており、五基の拡翼カッタ６０は、左右端にある二本の外側拡翼カッタ６０Ａと、その内側にある三本の内側拡翼カッタ６０Ｂとを有する。

図３に示すように、拡翼掘削体３０は、二本のケリーバー２０により垂下された、ツインケリーバー方式の拡翼掘削機である。このように拡翼掘削体３０を二本のケリーバー２０にて垂下することにより、拡翼掘削体３０の回転反力を効果的に抑制することができ、拡翼掘削体３０の捩じれを効果的に防止することができ、さらには、拡翼掘削体３０の鉛直姿勢を精度よく保持できることに依拠して掘削精度を向上させることができる。尚、拡翼掘削体３０が一本のケリーバー２０により垂下される形態であってもよい。

スライド機構８０は、二本の外側拡翼カッタ６０Ａの左右外側に配設される、例えば正面視門型の機構本体８１と、機構本体８１の左右に配設されている駆動プーリ８２ａを備えた駆動モータ８２と、各駆動プーリ８２ａと対になる従動プーリ８３と、一対の駆動プーリ８２ａと従動プーリ８３の間に架け渡されている無端状のチェーン８４とを有する。スライド機構８０はさらに、チェーン８４に係合して、チェーン８４の正逆方向であるＹ４方向への回転により、鉛直方向であるＹ５方向に昇降する昇降フレーム８５と、機構本体８１の左右の下端において鉛直下方に突出する複数のスパイク爪８６とを有する。左右の昇降フレーム８５は、掘削機本体４０の左右の側面に固定されており、左右の昇降フレーム８５の昇降に応じて、掘削機本体４０が昇降される。

以下、実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法において詳説するように、拡翼掘削体３０が硬質地盤に降下されると、スライド機構８０の有するスパイク爪８６が硬質地盤に食い込み、拡翼掘削体３０を硬質地盤に強固に固定することができる。この状態で、複数の拡翼カッタ６０がスライド機構８０を介して同期して鉛直方向に進退制御されることにより、例えばケリーバー２０のみにより拡翼カッタ６０を押し込む形態に比べて、硬質地盤内への拡翼カッタ６０の鉛直掘削をより一層効率的に行うことが可能になる。掘削機本体４０の硬質地盤内への押し込みは、ケリーバー２０による押し込み力と、スライド機構８０による押し込み力により実現される。また、固有の回転軸を中心に回転している複数の拡翼カッタ６０を、硬質地盤の表面にスパイク爪が食い込んだ状態のスライド機構を介して鉛直方向へ押し込む際に、ケリーバー２０による回転反力の抑制のみならず、スライド機構８０によっても回転反力を抑制できるため、硬質地盤内への拡翼カッタ６０の鉛直掘削をより一層高い精度で行うことが可能になる。

さらに、拡翼掘削体３０がスライド機構８０を備えていることにより、ケリーバー２０による押し込み力に加えて、駆動モータ８２の動力による押し込み力が付加されるため、複数の拡翼カッタ６０が硬質地盤を鉛直掘削する際に各拡翼カッタ６０が負担する掘削トルクの低減効果も得られる。

図３と図４Ａ及び図４Ｂに示すように、拡翼カッタ６０は、軸状のシャフト６１と、シャフト６１の周囲に螺旋状に取り付けられているオーガー６２と、シャフト６１の下端から下方に突出する複数の先端切削ビット６３とを有する。この形態では、螺旋状のオーガー６２により、掘削した硬質地盤Ｇ２を上方に排土する作用が奏される。

尚、拡翼カッタ６０は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、軸状のシャフト６１と、シャフト６１の側面から側方に突出する複数の周面切削ビット６５と、シャフト６１の下端から下方に突出する複数の先端切削ビット（図示せず）とを有する形態であってもよい。

掘削機本体４０の内部に二基のシリンダ機構７０が収容されている。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、シリンダ機構７０は、油圧シリンダ７１と、油圧シリンダ７１に対して進退自在なピストンロッド７２と、ピストンロッド７２の先端に回動自在に装着されているリンク７３とを有する。

二基のシリンダ機構７０は、二本の外側拡翼カッタ６０Ａを回動軸７５を介して同期して回動させる際に作動する、外側拡翼カッタ用のシリンダ機構（図示せず）と、三本の内側拡翼カッタ６０Ｂを回動軸７５（もしくは別途の回動軸）を介して同期して回動させる際に作動する内側拡翼カッタ用のシリンダ機構７０Ｂである。尚、外側拡翼カッタ６０Ａと内側拡翼カッタ６０Ｂの本数は図示例に限定されるものでないが、外側拡翼カッタ６０Ａと内側拡翼カッタ６０Ｂを交互に回動させて斜め掘削を行うに当たり、拡翼掘削体３０に捩じれが生じ難く、可及的に安定した状態で斜め掘削を実現する観点から、左右端にある外側拡翼カッタ６０Ａの左右の本数は同数であるのが好ましい。すなわち、図示例の左右一本ずつの形態の他には、左右二本ずつの形態等が挙げられる。一方、中央拡翼カッタ６０Ｂの本数は、図示例のように複数本（図示例の三本の他、二本、四本等）であってもよいし、一本であってもよい。

例えば、各拡翼カッタ６０に固有のモータ５０の頭部に、水平方向に延設する貫通孔を有する被固定部材（図示せず）が固定されており、各モータ５０の頭部にある各被固定部材の貫通孔に回動軸７５が挿通されている。そして、例えば、外側拡翼カッタ用のシリンダ機構を構成するリンクが、左右端にある二本の外側拡翼カッタ６０Ａのモータ５０の上端の被固定部材に固定されている。同様に、内側拡翼カッタ用のシリンダ機構７０Ｂを構成するリンク７３が、中央にある三本の内側拡翼カッタ６０Ｂのモータ５０の上端の被固定部材に固定されている。このように構成することにより、共通の回動軸７５を用いて、外側拡翼カッタ用のシリンダ機構にて二本の外側拡翼カッタ６０Ａを同期して回動させることができ、かつ、内側拡翼カッタ用のシリンダ機構７０Ｂにて三本の内側拡翼カッタ６０Ｂを同期して回動させることができる。

ケーソン躯体２００の刃口周辺領域の掘削においては、まず、図６Ａに示すように、全て（図示例は五本）の拡翼カッタ６０が鉛直姿勢に制御された状態で、ケリーバー２０を介して下方に降下される。以下、実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法で詳説するように、刃口周辺領域の鉛直掘削においても、全ての拡翼カッタ６０の鉛直姿勢が保持された状態で鉛直掘削が実行される。

次に、図６Ｂに示すように、シリンダ機構７０Ｂを構成する油圧シリンダ７１に対してピストンロッド７２をＺ１方向にスライドさせることにより、ピストンロッド７２の先端に回動自在に装着されているリンク７３がＺ２方向に回動し、リンク７３の回動により、リンク７３に固定されている三本の内側拡翼カッタ６０Ｂが回動軸７５を中心に回動する。二本の外側拡翼カッタ６０Ａを鉛直姿勢に保持した状態で、三本の内側拡翼カッタ６０Ｂを、それぞれの回転軸を中心にＹ３方向に回転させながら、刃口２１０のテーパー面２２０まで同期してＹ１方向に回動させることにより、刃口周辺領域の斜め掘削を実行する（第一姿勢制御）。

図６Ｂに示す内側拡翼カッタ６０Ｂによる斜め掘削が終了した後、内側拡翼カッタ６０Ｂを回動させて元の鉛直姿勢に戻す。次いで、図示を省略するが、外側拡翼カッタ用のシリンダ機構を構成する油圧シリンダに対してピストンロッドをスライドさせることにより、ピストンロッドの先端に回動自在に装着されているリンクが回動し、リンクの回動により、リンクに固定されている二本の外側拡翼カッタ６０Ａが回動軸７５を中心に回動する。外側拡翼カッタ６０Ａを、それぞれの回転軸を中心に回転させながら、刃口２１０のテーパー面２２０まで同期して回動させることにより、刃口周辺領域の斜め掘削を実行する（第二姿勢制御）。このように、内側拡翼カッタ６０Ｂと外側拡翼カッタ６０Ａは、相互に異なるタイミングで回動制御される。

尚、第一姿勢制御と第二姿勢制御の順番は、第二姿勢制御の次に第一姿勢制御が実行されるシーケンスであってもよい。また、二本の外側拡翼カッタ６０Ａと中央の一本の内側拡翼カッタ６０Ｂが鉛直姿勢を保持し、残りの二本の内側拡翼カッタ６０Ｂが回動して斜め掘削を行い、次に、これら二本の内側拡翼カッタ６０Ｂが回動して元の鉛直姿勢に戻り、次に、二本の外側拡翼カッタ６０Ａと中央の一本の内側拡翼カッタ６０Ｂが回動して斜め掘削を行う制御が実行されてもよい。

ここで、図示を省略するが、各拡翼カッタ６０の回転制御や回転停止制御、上記する第一姿勢制御と第二姿勢制御における各シリンダ機構７０の作動制御等は、例えば、ベースマシン１０の操作室内に装備されている制御盤等により実行される。この制御盤はコンピュータにより構成され、接続バスにより相互に接続されているＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置、補助記憶装置、入出力インターフェイス、及び通信インターフェイス等を備えている。ＣＰＵは、単一のプロセッサであってもよいし、マルチプロセッサであってもよい。ＣＰＵは、コンピュータからなる制御盤全体の制御を行う中央演算処理装置である。ＣＰＵは、例えば、補助記憶装置に記憶されたプログラムを主記憶装置の作業領域にて実行可能に展開し、プログラムの実行を通じて周辺機器の制御を行うことにより、所定の目的に合致した機能を提供する。例えば、主記憶装置には、硬質地盤を特定する物性値が記憶されている。また、硬質地盤の硬度に応じたモータ５０の回転速度、刃口２１０のテーパー面２２０のテーパー角度等が記憶されており、シリンダ機構７０によるピストンロッド７２の伸長量がこのテーパー角度に応じて制御されるようになっている。さらに、例えば、内側拡翼カッタ６０Ｂの斜め掘削、内側拡翼カッタ６０Ｂの鉛直姿勢への戻し、外側拡翼カッタ６０Ａの斜め掘削、外側拡翼カッタ６０Ａの鉛直姿勢への戻し、といったシーケンスが記憶されている。

＜ケーソン躯体の沈設方法＞
次に、図１及び図２と、図７乃至図１０を参照して、実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法の一例について説明する。ここで、図７Ａ乃至図１０Ａは順にケーソン躯体の沈設方法の工程図である。より具体的には、図７Ａは、実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、ケーソン躯体の内壁面に沿って、ケリーバーを介して拡翼掘削体を硬質地盤まで吊り下ろしている状態を示す縦断面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＢ方向矢視図であって、ケリーバーを介して硬質地盤まで吊り下ろされている拡翼掘削体を示す正面図である。また、図８Ａは、図７Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する全ての拡翼カッタを硬質地盤に対して延長方向に掘削している状態を示す縦断面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＢ方向矢視図であって、全ての拡翼カッタが硬質地盤内に掘進している拡翼掘削体を示す正面図である。また、図９Ａは、図８Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する外側拡翼カッタを鉛直姿勢のまま保持し、内側拡翼カッタをケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動させながら斜め掘削している状態を示す縦断面図であり、図９Ｂは、図９ＡのＢ方向矢視図であって、外側拡翼カッタが鉛直姿勢のまま硬質地盤内に保持され、内側拡翼カッタが斜め掘削している拡翼掘削体を示す正面図である。さらに、図１０Ａは、図９Ａに続いてケーソン躯体の沈設方法の一例を説明する工程図であって、拡翼掘削体を構成する内側拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、外側拡翼カッタをケーソン躯体の刃口のテーパー面に当接するまで回動させながら斜め掘削している状態を示す縦断面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＢ方向矢視図であって、内側拡翼カッタが硬質地盤内で鉛直姿勢に戻され、外側拡翼カッタが斜め掘削している拡翼掘削体を示す正面図である。

まず、図１Ａに示すように、ケーソン躯体２００の刃口２１０の先端は硬質地盤Ｇ２に到達している。この硬質地盤Ｇ２を掘削して緩め、ケーソン躯体２００を硬質地盤Ｇ２内に沈設していくに当たり、まず、図１Ｂに示すＰ１点をこの沈設施工の開始位置として、Ｐ１点に図２に示すベースマシン１０を載置し、ベースマシン１０からケリーバー２０を介して拡翼掘削体３０を吊り下ろしていく。

具体的には、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ケーソン躯体２０の内壁面２０５に沿って、ケリーバー２０を延長しながら、鉛直下方であるＹ２方向へ拡翼掘削体３０を吊り下ろしていく。拡翼掘削体３０が吊り下ろされる状態において、全ての拡翼カッタ６０は鉛直姿勢に制御されている。硬質地盤Ｇ２の表面に拡翼掘削体３０が吊り下ろされた際に、スライド機構８０のスパイク爪８６が硬質地盤Ｇ２に食い込むことにより、硬質地盤Ｇ２に対して拡翼掘削体３０が位置決め固定される。

次に、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、全てのモータ５０を作動させることにより全ての拡翼カッタ６０をＹ３方向に回転させ、ケリーバー２０にて掘削機本体４０を鉛直下方であるＹ２方向に押し込み力Ｑ１にて押し込むとともに、スライド機構８０にて掘削機本体４０を押し込み力Ｑ２にて押し込むことにより、全ての拡翼カッタ６０にて硬質地盤Ｇ２における刃口周辺領域Ａ１を鉛直掘削する（Ａ工程）。

次に、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、二本の外側拡翼カッタ６０Ａを鉛直姿勢のままとし、三本の内側拡翼カッタ６０Ｂをそれぞれの回転軸を中心にＹ３方向に回転させ、刃口２１０のテーパー面２２０に当接するまでＹ１方向に同期して回動させることにより、三本の内側拡翼カッタ６０Ｂにて斜め掘削する。

この際、鉛直姿勢の外側拡翼カッタ６０Ａが硬質地盤から反力ｑを受けることにより、拡翼掘削体３０が安定した姿勢の下で、内側拡翼カッタ６０Ｂによる斜め掘削を実現することができる。また、スライド機構８０のスパイク爪８６が硬質地盤Ｇ２に食い込んでいることによっても、拡翼掘削体３０が安定した姿勢の下で内側拡翼カッタ６０Ｂによる斜め掘削が実現される（Ｂ工程）。

次に、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、三本の内側拡翼カッタ６０Ｂを回動させて元の鉛直姿勢に戻した後、二本の外側拡翼カッタ６０Ａをそれぞれの回転軸を中心にＹ３方向に回転させ、刃口２１０のテーパー面２２０に当接するまでＹ１方向に同期して回動させることにより、二本の外側拡翼カッタ６０Ａにて斜め掘削する。

この場合は、鉛直姿勢の内側拡翼カッタ６０Ｂが硬質地盤から反力ｑを受けることにより、さらには、スライド機構８０のスパイク爪８６が硬質地盤Ｇ２に食い込んでいることにより、拡翼掘削体３０が安定した姿勢の下で外側拡翼カッタ６０Ａによる斜め掘削を実現することができる（Ｃ工程）。

上記Ａ工程乃至Ｃ工程からなる一連の工程により、図１Ｂや図７Ａ乃至図１０Ａに示す範囲ｔにおいて、刃口周辺領域Ａ１が緩められる。尚、Ｂ工程に次いでＣ工程が行われるシーケンス、Ｃ工程に次いでＢ工程が行われるシーケンスのいずれであってもよい。

次に、図１Ｂにおいて、ベースマシン１０をＰ１点からその周方向側方のＰ２点に移動させ、上記Ａ工程乃至Ｃ工程からなる一連の工程を同様に実行することにより、隣接する範囲ｔにおいて刃口周辺領域Ａ１が緩められる。

以後、図１Ｂに示すように、ケーソン躯体２００の周方向に沿ってＸ方向にベースマシン１０を順次移動させ、都度、上記Ａ工程乃至Ｃ工程からなる一連の工程を同様に実行することにより、ケーソン躯体２００の全周において刃口周辺領域Ａ１が緩められ、ケーソン躯体２００が沈設される。

硬質地盤Ｇ２におけるケーソン躯体２００の沈設に次いで、ケーソン躯体２００の内部領域Ａ２（図１Ａ参照）も拡翼掘削機１００により掘削を行う。この際、ベースマシン１０のブームを適宜伸長し、ケリーバー２０にて拡翼掘削体３０を吊り下ろし、五本の拡翼カッタ６０による鉛直掘削や、第一姿勢制御による斜め掘削、第二姿勢制御による斜め掘削を順次行うことに変わりはない。尚、内部領域Ａ２における斜め掘削では、刃口２１０のテーパー面２２０は存在しないことから、所定の回動角度まで各拡翼カッタ６０を回動させて斜め掘削すればよい。掘削にて緩められた硬質地盤Ｇ２は、バケット式掘削機等により揚土される。

実施形態に係るケーソン躯体の沈設方法によれば、実施形態に係る拡翼掘削機１００を適用することにより、鉛直掘削と斜め掘削を一種の拡翼掘削体３０にて実行することができ、従って効率的に硬質地盤Ｇ２を掘削することができる。このことにより、効率的なケーソン躯体２００の沈設が可能になる。

尚、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、また、本発明はここで示した構成に何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０：ベースマシン
２０：ケリーバー
３０：拡翼掘削体
４０：掘削機本体
５０：回転駆動手段（モータ）
６０：拡翼カッタ
６０Ａ：外側拡翼カッタ
６０Ｂ：内側拡翼カッタ
６１：シャフト
６２：オーガー
６３：先端切削ビット
６５：周面切削ビット
７０、７０Ｂ：回動駆動手段（シリンダ機構）
７１：油圧シリンダ
７２：ピストンロッド
７３：リンク
７５：回動軸
８０：スライド機構
８１：機構本体
８２：駆動モータ
８２ａ：駆動プーリ
８３：従動プーリ
８４：チェーン
８５：昇降フレーム
８６：スパイク爪
１００：拡翼掘削機
２００：ケーソン躯体
２１０：刃口
２１０：テーパー面
Ｇ：原地盤
Ｇ１：軟質地盤
Ｇ２：硬質地盤
Ａ１：刃口周辺領域
Ａ２：内部領域

Claims (5)

1. ベースマシンと、該ベースマシンからケリーバーにより垂下されている拡翼掘削体と、を有し、
   筒状のケーソン躯体の内壁面に沿って地盤を鉛直方向に掘削し、かつ、該ケーソン躯体の刃口のテーパー面に沿って地盤を斜め方向に掘削する、拡翼掘削機であって、
   前記拡翼掘削体は、
   並設する複数の軸状の拡翼カッタと、
   複数の前記拡翼カッタをそれぞれの回転軸を中心に回転させる回転駆動手段と、
   複数の前記拡翼カッタを異なるタイミングで回動させる二つの回動駆動手段と、
   複数の前記拡翼カッタを挟んで、複数の該拡翼カッタを同期して鉛直方向に進退させるスライド機構と、を有し、
   前記スライド機構の鉛直方向下端に、地盤に食い込むスパイク爪が設けられていることを特徴とする、拡翼掘削機。
2. 前記拡翼カッタは、左右端にある二本の外側拡翼カッタと、該二本の外側拡翼カッタの内側にある少なくとも一本の内側拡翼カッタとを含み、
   前記二本の外側拡翼カッタを鉛直姿勢のままで、前記少なくとも一本の内側拡翼カッタを回動させて斜め掘削する第一姿勢制御と、
   前記少なくとも一本の内側拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、前記二本の外側拡翼カッタを同期して回動させて斜め掘削する第二姿勢制御と、が実行されることを特徴とする、請求項１に記載の拡翼掘削機。
3. 二本の前記ケリーバーにより前記拡翼掘削体が垂下されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の拡翼掘削機。
4. 前記拡翼カッタが、軸状のシャフトの周囲に切削ビットを備えている、もしくは、軸状のシャフトの周囲に螺旋状のオーガーを備えていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の拡翼掘削機。
5. 筒状のケーソン躯体を硬質地盤まで沈設しつつ該ケーソン躯体の内部地盤を掘削排土した後、硬質地盤において該ケーソン躯体を沈設する、ケーソン躯体の沈設方法であって、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の拡翼掘削機を構成する前記スパイク爪を前記硬質地盤に食い込ませ、前記スライド機構を駆動して複数の前記拡翼カッタを回転させ、前記ケーソン躯体の内壁面に沿って複数の前記拡翼カッタを鉛直方向にスライドさせて前記硬質地盤を鉛直方向に掘削する、Ａ工程と、
   一部の前記拡翼カッタを鉛直姿勢のままとし、残りの前記拡翼カッタを回転させ、前記刃口のテーパー面に当接するまで回動させて斜め掘削する、Ｂ工程と、
   前記残りの拡翼カッタを鉛直姿勢に戻し、前記一部の拡翼カッタを回転させ、前記刃口のテーパー面に当接するまで回動させて斜め掘削する、Ｃ工程と、を有し、
   前記Ａ工程乃至前記Ｃ工程を一連の工程として、平面視における前記ケーソン躯体の輪郭線に沿って前記ベースマシンを移動させながら、該一連の工程を繰り返し行い、前記ケーソン躯体の前記刃口の下部の硬質地盤を掘削して緩め、該ケーソン躯体を沈設することを特徴とする、ケーソン躯体の沈設方法。

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