掘削機及び掘削方法
【課題】機械の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくすることができる掘削機を提供する。
【解決手段】複数のドラムカッタ４０を自転させると共に公転させることにより杭孔１を掘削する掘削機１０であって、公転軸に沿って配されたメインシャフト１２と、メインシャフト１２に回転可能に支持された公転部２０と、公転部２０を回転させる公転用油圧モータ５０と、公転部２０に、公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、ドラムカッタ４０を、自転軸が公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで公転軸の外径方向に進退させる複数のアーム３５と、ドラムカッタ４０を自転軸の周りに回転させる自転用油圧モータ６０と、アーム３５を回動軸の周りに回動させる径調整用油圧モータ３３とを備える。
【解決手段】複数のドラムカッタ４０を自転させると共に公転させることにより杭孔１を掘削する掘削機１０であって、公転軸に沿って配されたメインシャフト１２と、メインシャフト１２に回転可能に支持された公転部２０と、公転部２０を回転させる公転用油圧モータ５０と、公転部２０に、公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、ドラムカッタ４０を、自転軸が公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで公転軸の外径方向に進退させる複数のアーム３５と、ドラムカッタ４０を自転軸の周りに回転させる自転用油圧モータ６０と、アーム３５を回動軸の周りに回動させる径調整用油圧モータ３３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤を掘削する掘削機及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤を掘削する掘削機として、メインシャフトの先端の周囲に配されたカッタを自転させると共に、メインシャフトの周りにカッタを公転させることにより、地盤を掘削する掘削機が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この特許文献１、２に記載の掘削機には、掘削径を変更する機構が備えられている。特許文献１に記載の掘削機では、鉛直であるカッタ軸が、そのカッタ軸を支持するギヤボックスと共に回動されることにより、掘削径が変更される。また、特許文献２に記載の掘削機では、孔壁に向かうに従い外径方向に広がるように傾斜したカッタ軸が、伸縮されることにより、掘削径が変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭６２−３８５１２号公報
【特許文献２】特開２００７−２６２８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の掘削機は、カッタの上にギヤボックスが存在することから、孔を掘削している途中で掘削径を拡大させる場合には、ギヤボックスが孔壁に干渉する。よって、節部や拡底部を有する基礎杭の構築に使用するには適していない。また、特許文献２に記載の掘削機は、節部や拡底部を有する基礎杭を構築するのに使用することはできるものの、カッタ軸のメインシャフトに対する傾斜角度が小さく、カッタ軸の伸縮長と比して掘削径の変更量が小さいことから、大径の節部や拡底部を有する基礎杭の構築に使用するためには、カッタ軸の伸縮長を大きくしなければならず、機械が大型化する。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機械の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくすることができる掘削機を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る掘削機は、複数のドラムカッタを自転させると共に公転させることにより孔を掘削する掘削機であって、公転軸に沿って配されたシャフトと、前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、前記公転部を回転させる公転駆動部と、前記公転部に、前記公転軸との直交面に対して交差する回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、を備える。
【０００７】
前記掘削機において、前記アームは、所定の回動位置において、前記ドラムカッタを、前記自転軸が前記公転軸の外径方向に向って下側に傾斜する状態で支持してもよい。
【０００８】
前記掘削機は、前記複数のアームを連動させるリンク機構を備えてもよい。
【０００９】
前記掘削機において、前記複数のドラムカッタは、前記公転軸の周りに所定角度の間隔で配されてもよく、前記公転駆動部は、前記公転部を、一方向及びその逆方向へ交互に前記所定角度ずつ回転させてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る掘削方法は、自転すると共に公転する複数のドラムカッタを備える掘削機を使用して孔を掘削する方法であって、前記掘削機は、公転軸に沿って配されたシャフトと、前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、前記公転部を回転させる公転駆動部と、前記公転部に、前記公転軸との直交面に対して交差する回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、を備え、前記アーム駆動部で前記アームを回動させて前記ドラムカッタを前記公転軸の外径方向に進退させることにより、孔の掘削径を調整する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、機械の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくすることができる掘削機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る掘削機を備えるリバースサーキュレーション式の掘削システムを示す立面図である。
【図２】掘削機及びポンプを示す立断面図である。
【図３】図２の３−３断面の概略図である。
【図４】拡径状態の掘削機を示す立断面図である。
【図５】図４の５−５断面の概略図である。
【図６】ドラムカッタを示す正面図であり
【図７】ドラムカッタ４０の周面の展開図である。
【図８】図６の８−８断面図である。
【図９】リンク機構の概略を示す平面図である。
【図１０Ａ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｂ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｃ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｄ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１１】比較例に係る掘削機及びポンプを示す立断面図である。
【図１２】図１１の１２−１２断面の概略図である。
【図１３】他の実施形態に係る掘削機を示す平面図である。
【図１４】（Ａ）、（Ｂ）は、縦軸周りにカッタが回転する掘削機におけるカッタビットの軌跡を示す図である。
【図１５】（Ａ）は、比較例に係る掘削機のカッタビットの作用を示す図であり、（Ｂ）は、本実施形態に係る掘削機のカッタビットの作用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る掘削機１０を備えるリバースサーキュレーション式の掘削システム１００を示す立面図である。この図に示すように、掘削システム１００は、硬質の地盤を掘削するのに適した掘削機１０と、地上に設置されるクレーン１０２と、掘削機１０とクレーン１０２との間に配されるポンプ１０４、及びパイプ１０６等を備えている。掘削機１０及びその上に取り付けられたポンプ１０４は、パイプ１０６を介してクレーン１０２に支持されており、パイプ１０６を順次継ぎ足すことにより、下方へ進められる。また、掘削機１０は、掘削径を調整する径調整機構３０を備えている。
【００１４】
以上のような構成の掘削システム１００では、掘削機１０で地盤を掘削しながら、ポンプ１０４の作動により掘削土砂を泥水とともにパイプ１０６を通して地上で排出させることにより、杭孔１を構築する。そして、径調整機構３０により掘削径を拡大させて、杭孔１の底部を拡径させた拡底部２を構築する。
【００１５】
図２は、掘削機１０及びポンプ１０４を示す立断面図であり、図３は、図２の３−３断面の概略図である。これらの図に示すように、掘削機１０は、ポンプ１０４に接続された円筒であるメインシャフト１２と、メインシャフト１２の上部に固定されたホルダ部１４と、メインシャフト１２にその軸周りに回転可能に支持された公転部２０と、公転部２０に設けられた径調整機構３０と、径調整機構３０を介して公転部２０に回転可能に支持された３個のドラムカッタ４０と、公転部２０を回転させる公転用油圧モータ５０と、ドラムカッタ４０を図３に示す矢印Ａ方向に回転させる３個の自転用油圧モータ６０とを備えている。
【００１６】
ホルダ部１４は、メインシャフト１２が中心に挿通された平面視にて円状のフレームであり、ホルダ部１４の内部に公転用油圧モータ５０が取り付けられ、ホルダ部１４の外周部に、掘削機１０の垂直姿勢を保つためのガイド１６が設けられている。公転用油圧モータ５０は、回転軸がメインシャフト１２と平行になるようにホルダ部１４に取り付けられており、公転用油圧モータ５０の出力軸には、ギア５２が取り付けられている。
【００１７】
公転部２０は、メインシャフト１２が挿通された円筒状の外軸２１と、外軸２１の下端に設けられた先端カッタ２２と、外軸２１から外径方向に張り出した上下一対のフランジ２３、２４と、外軸２１の上部に取り付けられたギア２５と、外軸２１の軸方向中間部に配されたスイベルジョイント２６とを備えている。外軸２１は、メインシャフト１２に軸受１３を介して軸心周りに回転可能に支持されている。先端カッタ２２は、下方に尖った円錐状のカッタであり、下向きにカッタビットが設けられている。また、先端カッタ２２は、内周側のカッタ部２２Ａと外周側のカッタ部２２Ｂとの間に段差が形成されており、カッタ部２２Ｂの中央部からカッタ部２２Ａが下方に突出した形状になっている。
【００１８】
フランジ２３、２４は、１２０°間隔で配され外軸２１から外径方向へ延びる３個の板片２３Ａ、２４Ａで構成されており、板片２３Ａ、２４Ａが互いに上下に対向するように配されている。また、板片２３Ａは、外軸２１の上下方向中央部に配され、板片２４Ａは、外軸２１の下部に配されている。また、ギア２５は、公転用油圧モータ５０のギア５２と噛み合っており、公転用油圧モータ５０の出力がギア５２、２５を介して外軸２１に伝達されて、公転部２０が反時計回り方向（図３に示す矢印Ｂ方向）に公転する。
【００１９】
スイベルジョイント２６は、油圧配管の可動継手であり、自転用油圧モータ６０及び後述の径調整用油圧モータ３３に接続された油圧配管と、地上の油圧ポンプ（図示省略）に接続された油圧配管とを、メインシャフト１２の周りに相対回転可能に連結している。
【００２０】
径調整機構３０は、各ドラムカッタ４０に対応して夫々設けられた３個の径調整ユニット３１と、３個の径調整ユニット３１を連動させるためのリンク機構３２とを備えている。 リンク機構３２は、３個の径調整ユニット３１を連動させるための機構であり、詳細は後述する。
【００２１】
径調整ユニット３１は、板片２３Ａの先端部の上に設置された径調整用油圧モータ３３と、板片２３Ａ、２４Ａの先端部に両端を回動可能に支持されたシャフト３４と、シャフト３４の下部に固定されたアーム３５とを備えている。シャフト３４は、メインシャフト１２と平行に配置されている。
【００２２】
径調整用油圧モータ３３は、鉛直な出力軸を有しており、この出力軸にシャフト３４が接続されている。また、アーム３５は、シャフト３４からその外径方向へ延びる台形柱状のフレームであり、その先端にドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が取り付けられている。
【００２３】
即ち、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０は、アーム３５及びシャフト３４を介して、板片２３Ａ、２４Ａの先端部に、シャフト３４の軸心周りに回動可能に支持されており、径調整用油圧モータ３３によりシャフト３４が回転されると、シャフト３４の軸心周り（即ち、メインシャフト１２と平行な軸の周り）に回動される。
【００２４】
なお、本実施形態に係る掘削機１０では、アーム３５を、公転方向に回動させることでドラムカッタ４０を拡径側に移動させているため、径調整用油圧モータ３３が非作動の状態では、ドラムカッタ４０及びアーム３５は、孔壁から受ける力により縮径側に戻ろうとすることになる。また、シャフト３４とフランジ２３とには、アーム３５が掘削径が最小となる位置から中心側（図中時計回り方向）へ回動することを防止することと、最大回動角度以上に回動させないための、不図示のストッパが設けられている。
【００２５】
図３に示すように、掘削径が最小の状態（以下、縮径状態という）では、３個のアーム３５が、シャフト３４よりも杭孔１の中心側において、正三角形状の空間を形成するように配され、各ドラムカッタ４０が各アーム３５よりも杭孔１の外径側に配される。また、縮径状態では、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が、これらの回転軸４１、６１が平面視にてメインシャフト１２の径方向と平行になるように配される。
【００２６】
また、図２に示すように、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０は、これらの回転軸４１、６１が、杭孔１の外径方向に向かって斜め下側に所定角度（約２０°等の鋭角）傾斜するように配されている。即ち、ドラムカッタ４０は、上側が杭孔１の外径側に倒れるように傾斜している。
【００２７】
図４は、掘削径が最大の状態（以下、拡径状態という）の掘削機１０を示す立断面図であり、図５は、図４の５−５断面の概略図である。図５に示すように、掘削機１０の拡径状態では、アーム３５がシャフト３４よりも杭孔１の外径側に位置し、アーム３５の先端側に支持されたドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が、シャフト３４よりも杭孔１の外径側に位置する。また、アーム３５と板片２３Ａとの角度が所定角度（約１５０°等の鈍角）になる。
【００２８】
図６は、ドラムカッタ４０を示す正面図であり、図７は、ドラムカッタ４０の周面の展開図であり、図８は、図６の８−８断面図である。なお、図６の１〜１０の指定位置と、図７の１〜１０の指定位置とは一致する。これらの図に示すように、ドラムカッタ４０の周面には、複数列（例えば、図示するように４列）のカッタビット４２が配されている。各列のカッタビット４２は周方向に離して配されている。また、複数列のカッタビット４２は、周方向に向かって千鳥状に配されている。また、各カッタビット４２は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４３に固定されている。このホルダ４３は、回転軸４１に対して垂直に配されている。また、カッタビット４２の刃先は、鈍角二等辺三角形状に形成されている。
【００２９】
また、最外列（アーム３５から最も離れている列）のカッタビット４２の間には、カッタビット４４、４５が配されている。ここで、カッタビット４２、４４、４５は、その刃先が図６の反時計周り方向に向くように配されており、ドラムカッタ４０が図６の反時計周り方向に回転した場合に、カッタビット４２、４４、４５が地山を削る。
【００３０】
カッタビット４４は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４６に固定されている。このホルダ４６は、ドラムの外径方向に向ってアーム３５の反対側に傾斜するように配されている。また、カッタビット４４の刃先は、鋭角不等辺三角形状に形成されており、鋭角の角部が、最外列のカッタビット４２よりもアーム３５の反対側（即ち、孔壁側）に位置するように構成されている。
【００３１】
ここで、回転軸４１との直交面に対するホルダ４６の傾斜角度は、メインシャフト１２との直交軸に対する回転軸４１の傾斜角度と同一である。即ち、ドラムカッタ４０がアーム３５に取り付けられた状態において、ホルダ４３は、鉛直線に対して傾斜するのに対して、ホルダ４６は、鉛直線に対して平行になる。
【００３２】
また、カッタビット４５は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４７に固定されている。カッタビット４５の刃先は波形状に形成されており、カッタビット４５は、波形状の刃がドラム周面の接線方向を向くようにホルダ４７に固定されている。
【００３３】
図９は、リンク機構３２の概略を示す平面図である。この図に示すように、リンク機構３２は、メインシャフト１２に回転可能に支持されたリンクボス３６と、リンクボス３６と各シャフト３４とを連結する３組のリンクプレート３７、３８とを備えている。リンクボス３６は、円板状の中心部３６Ａと、該中心部３６Ａから外径方向へ延びる３個の腕部３６Ｂとを備えている。３個の腕部３６Ｂは、等間隔（１２０°間隔）で配されている。
【００３４】
各リンクプレート３７は、腕部３６Ｂの先端に鉛直軸（メインシャフト１２と平行な軸）周りに回動可能に支持された細長い板材であり、各リンクプレート３８は、各リンクプレート３７の先端（支持側の反対側の端）に鉛直軸周りに回動可能に支持された、リンクプレート３７よりも短尺の板材である。また、各リンクプレート３８の先端（リンクプレート３７による支持側の反対側の端）は、シャフト３４に固定されている。
【００３５】
図９及び図１０Ａ〜Ｄは、リンク機構３２の動作を示す平面図である。図９に示すように、掘削機１０の縮径状態では、リンクプレート３７、３８が、略直線状に延びた状態になる。そして、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、掘削機１０が拡径状態に遷移する際、アーム３５及びシャフト３４が、シャフト３４を中心に図中反時計周り方向に回動及び回転すると、シャフト３４に固定されたリンクプレート３８が、シャフト３４を中心に図中反時計周り方向に回動することにより、リンクプレート３７、３８の屈曲度が増すと共に、リンクボス３６が図中時計周り方向に回転する。
【００３６】
ここで、リンクボス３６が時計周り方向に回転すると、その他の２組のリンクプレート３７、３８は、リンクボス３６の回転力を受けて屈曲度が増すように変位し、シャフト３４及びアーム３５を、シャフト３４を中心に図中反時計回り方向に回転及び回動させる。これにより、径調整用油圧モータ３３の駆動速度にバラつきがある場合でも、３個のアーム３５が、同時に同速度で回動し、３個のドラムカッタ４０のメインシャフト１２に対する相対位置が一致する。
【００３７】
以下、掘削機１０を使用して拡底部２を有する杭孔１を施工する手順を説明する。まず、縮径状態の掘削機１０を下方へ掘進させて径が均一の孔を掘削する（図２及び図３参照）。この際、３個の自転用油圧モータ６０を駆動させて３個のドラムカッタ４０を回転軸４１の周り（図中矢印Ａ方向）に回転させると共に、公転用油圧モータ５０を駆動させて公転部２０をメインシャフト１２の周り（図中矢印Ｂ方向）に回転させる。即ち、ドラムカッタ４０を自転させると共に公転させる。なお、自転回転数は公転回転数よりも大きく設定する。
【００３８】
ここで、ドラムカッタ４０の回転軸４１が杭孔１の外径方向に向けて下側に傾斜しており、ドラムカッタ４０は、下側に向けて杭孔１の中心側へ傾斜している。このため、ドラムカッタ４０の上側では、外列のカッタビット４２、４４、４５が、孔壁３に当接して孔壁３を掘削し、ドラムカッタ４０の下側では、全列のカッタビット４２、４４、４５が孔底４に当接して孔底４を掘削する。この際、ドラムカッタ４０の下側は、孔壁３より中心側に位置し、孔壁３よりも中心側を掘削する。また、メインシャフト１２の先端カッタ２２が、孔底４の中央部、即ち、ドラムカッタ４０の下側が掘削する範囲の内周側を掘削する。
【００３９】
即ち、縮径状態の掘削機１０は、ドラムカッタ４０及び先端カッタ２２で地山を、下側へ向かって縮径する半球形状に削りながら掘進する。この際、最外列のカッタビット４４が、孔壁３側に傾斜して孔壁３に食い込むように構成されていることにより、孔壁３の掘削力が向上される。また、ドラムカッタ４０が、その下側が杭孔１の中心側に寄るように傾斜していることにより、先端カッタ２２で掘削した孔底４の中央周辺におけるドラムカッタ４０で掘削できない範囲を狭めることができる。
【００４０】
また、ドラムカッタ４０が、上側へ向かって杭孔１の外径側に傾斜していることにより、ドラムカッタ４０の上側の周面を平面視した形状は、杭孔１の外径側に膨らんだ円弧形状になる。即ち、ドラムカッタ４０の外列のカッタビット４２、４４、４５が、平面視にて杭孔１の外径側に膨らんだ円弧状の曲線に沿って配列されることから、ドラムカッタ４０の自転により孔壁３を円弧状に掘削でき、以って、杭孔１を滑らかに掘削できる。
【００４１】
これに対して、図１１及び図１２に示すように、ドラムカッタ４０の回転軸４１を水平に設定した場合には、ドラムカッタ４０を平面視した形状が、矩形状になる。即ち、ドラムカッタ４０の外列のカッタビット４２、４４、４５が、平面視にて直線状に配列されることから、ドラムカッタ４０の自転だけでは、孔壁３をドラムカッタ４０の２点の角部のみで掘削することになり、本実施形態と比して杭孔１を粗く掘削することになる。
【００４２】
以上のようにして、径が均一の孔を掘削すると、掘削機１０を、拡底部２を形成する位置の上側まで引き上げた後、径調整機構３０でドラムカッタ４０を徐々に拡径側へ回動させながら、掘削機１０を下方へ掘進させることによって、下方に向って次第に拡径する円錐台形状の拡底部２を掘削する（図４及び図５参照）。この際、ドラムカッタ４０の上側にドラムカッタ４０を駆動させるための機構等が存在しておらず、また、アーム３５はドラムカッタ４０より杭孔１の中心側に位置している。即ち、ドラムカッタ４０を杭孔１の外径側に移動させる際に、孔壁３と干渉する障害物が存在しないことから、杭孔１を掘削している途中で掘削径を拡大することが可能であり、拡底部２を有する杭孔１を掘削することが可能である。
【００４３】
また、横軸周りに回転するドラムカッタ４０を先端側で支持するアーム３５が、メインシャフト１２の周囲にメインシャフト１２と平行に配置されたシャフト３４の周りに回動することにより、縮径状態と拡径状態での掘削径の差を、ドラムカッタ４０の直径を超える程に大きくすることができる。従って、アーム３５やフランジ２３、２４等の部材を大きくすることなく、掘削径の変更量を大きくすることができるため、掘削機１０の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくし、膨らみが大きな拡底部２を有する拡底杭を構築することができる。
【００４４】
ところで、上述の特許文献１、２に記載されているような、カッタが縦軸周りに回転する掘削機では、カッタのカッタビットが設けられた面全体が孔底に当接し、全てのカッタビットが常に孔底に当接する。それに対して、本実施形態に係る掘削機１０では、周面にカッタビット４２、４４、４５が設けられたドラムカッタ４０で孔壁３及び孔底４を掘削するが、孔壁３及び孔底４に当接しているのはドラムカッタ４０の全周ではなく、一点である。そのため、本実施形態に係る掘削機１０では、カッタが縦軸周りに回転する掘削機と比して、カッタビットの１本１本に作用する力が大きくなり、各カッタビットの掘削力（圧壊力）が大きくなる。従って、カッタビットと地山との間で滑りが生じ難くなり、カッタビット４２、４４、４５の磨耗が抑制され、以って、硬質地盤の掘削に対応可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る掘削機１０では、リンク機構３２により３個のアーム３５が連動、即ち、同速度及び同位相で回動される。従って、径調整用油圧モータ３３の駆動力にバラつきが生じた場合でも、３個のドラムカッタ４０を同速度及び同位相で杭孔１の外径方向に進退させることができ、拡径掘削する際にも孔の真円度を確保することができる。
【００４６】
図１３は、他の実施形態に係る掘削機を示す平面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については説明を省略する。図１３に示すように、本実施形態に係る掘削機では、公転用油圧モータ５０（図２参照）が、公転部２０を、ドラムカッタ４０の設置間隔（約１２０°）ずつ交互に正方向及び逆方向（図中矢印Ｃ方向）に回転させる。
【００４７】
ここで、図１４（Ａ）、（Ｂ）は、特許文献１、２に記載されているようなカッタ９が縦軸周りに回転する掘削機におけるカッタビットの軌跡を示す図である。図１４（Ａ）に示すように、当該掘削機において、カッタ９の公転方向と自転方向とを同方向にした場合には、カッタビットの軌跡は、エピトロコイド（外トロコイド）曲線に近似した曲線５を描くことになる。この場合、常時、カッタビットのすくい角で地山を削ることができる。一方で、図１４（Ｂ）に示すように、カッタ９の公転方向と自転方向とを逆方向にした場合には、カッタビットの軌跡は、内トロコイド曲線に近似した曲線６を描くことになる。この場合、カッタビットが孔壁に向って移動する間は、カッタビットのすくい角で地山を削ることができるものの、カッタビットが孔の中心側に向って移動する間は、カッタビットの逃げ角で地山を削ろうとすることになり、掘削不能となる。
【００４８】
このため、縦軸周りにカッタが回転する掘削機においてカッタを正逆方向に回転させながら孔を掘削しようとした場合には、図１５（Ａ）に示すように、自転方向の逆方向に公転させる間に、カッタビット７の逃げ角で地山を削ろうとすることになり、掘削不能となることがある。これは、当該掘削機では、カッタビット７が地山に常時当接していることによる。
【００４９】
これに対して、図１５（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る掘削機では、ドラムカッタ４０が横軸周りに回転していることから、公転方向に関わらず、カッタビット４２、４４がすくい角で地山を削ることになり、掘削可能となる。従って、本実施形態に係る掘削機では、公転部２０を、ドラムカッタ４０の設置間隔だけ正逆方向に回転させながら杭孔１を掘削していくことが可能である。
【００５０】
ここで、上述の実施形態に係る掘削機１０では、公転部２０を一方向に回転させ続けるため、公転部２０に設置された径調整用油圧モータ３３と自転用油圧モータ６０を公転部２０と共に一方向へ連続的に回転可能にする必要がある。そのために、径調整用油圧モータ３３及び自転用油圧モータ６０と油圧ポンプとをスイベルジョイント２６を介して接続している。これに対して、本実施形態に係る掘削機では、公転部２０をドラムカッタ４０の間隔だけ交互に正逆回転させるように構成したことにより、スイベルジョイント２６を不要にできる。
【００５１】
なお、上述の実施形態は、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。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共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、上述の実施形態では、リバースサーキュレーション式の掘削機１０を例に挙げて本発明を説明したが、ボーリングマシーン等の他の掘削機にも本発明を適用できる。また、掘削機による掘削方向は下方には限られず、斜め下方や水平方向であってもよい。さらに、公転用駆動部、自転用駆動部、及び径調整用駆動部を油圧モータとしたが、必須ではなく電動モータとしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 杭孔、２ 拡底部、３ 孔壁、４ 孔底、５、６ 曲線、７ カッタビット、９ カッタ、１０ 掘削機、１２ メインシャフト（シャフト）、１３ 軸受、１４ ホルダ部、１６ ガイド、２０ 公転部、２１ 外軸、２２ 先端カッタ、２２Ａ、２２Ｂ カッタ部、２３、２４ フランジ、２３Ａ、２４Ａ 板片、２５ ギア、２６ スイベルジョイント、３０ 径調整機構、３１ 径調整ユニット、３２ リンク機構、３３ 径調整用油圧モータ（アーム駆動部）、３４ シャフト、３５ アーム、３６ リンクボス、３６Ａ 中心部、３６Ｂ 腕部、３７、３８ リンクプレート、４０ ドラムカッタ、４１ 回転軸、４２ カッタビット、４３ ホルダ、４４、４５ カッタビット、４６、４７ ホルダ、５０ 公転用油圧モータ（公転駆動部）、５２ ギア、６０ 自転用油圧モータ（自転駆動部）、６１ 回転軸、１００ 掘削システム、１０２ クレーン、１０４ ポンプ、１０６ パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤を掘削する掘削機及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤を掘削する掘削機として、メインシャフトの先端の周囲に配されたカッタを自転させると共に、メインシャフトの周りにカッタを公転させることにより、地盤を掘削する掘削機が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この特許文献１、２に記載の掘削機には、掘削径を変更する機構が備えられている。特許文献１に記載の掘削機では、鉛直であるカッタ軸が、そのカッタ軸を支持するギヤボックスと共に回動されることにより、掘削径が変更される。また、特許文献２に記載の掘削機では、孔壁に向かうに従い外径方向に広がるように傾斜したカッタ軸が、伸縮されることにより、掘削径が変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭６２−３８５１２号公報
【特許文献２】特開２００７−２６２８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の掘削機は、カッタの上にギヤボックスが存在することから、孔を掘削している途中で掘削径を拡大させる場合には、ギヤボックスが孔壁に干渉する。よって、節部や拡底部を有する基礎杭の構築に使用するには適していない。また、特許文献２に記載の掘削機は、節部や拡底部を有する基礎杭を構築するのに使用することはできるものの、カッタ軸のメインシャフトに対する傾斜角度が小さく、カッタ軸の伸縮長と比して掘削径の変更量が小さいことから、大径の節部や拡底部を有する基礎杭の構築に使用するためには、カッタ軸の伸縮長を大きくしなければならず、機械が大型化する。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機械の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくすることができる掘削機を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る掘削機は、複数のドラムカッタを自転させると共に公転させることにより孔を掘削する掘削機であって、公転軸に沿って配されたシャフトと、前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、前記公転部を回転させる公転駆動部と、前記公転部に、前記公転軸との直交面に対して交差する回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、を備える。
【０００７】
前記掘削機において、前記アームは、所定の回動位置において、前記ドラムカッタを、前記自転軸が前記公転軸の外径方向に向って下側に傾斜する状態で支持してもよい。
【０００８】
前記掘削機は、前記複数のアームを連動させるリンク機構を備えてもよい。
【０００９】
前記掘削機において、前記複数のドラムカッタは、前記公転軸の周りに所定角度の間隔で配されてもよく、前記公転駆動部は、前記公転部を、一方向及びその逆方向へ交互に前記所定角度ずつ回転させてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る掘削方法は、自転すると共に公転する複数のドラムカッタを備える掘削機を使用して孔を掘削する方法であって、前記掘削機は、公転軸に沿って配されたシャフトと、前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、前記公転部を回転させる公転駆動部と、前記公転部に、前記公転軸との直交面に対して交差する回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、を備え、前記アーム駆動部で前記アームを回動させて前記ドラムカッタを前記公転軸の外径方向に進退させることにより、孔の掘削径を調整する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、機械の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくすることができる掘削機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る掘削機を備えるリバースサーキュレーション式の掘削システムを示す立面図である。
【図２】掘削機及びポンプを示す立断面図である。
【図３】図２の３−３断面の概略図である。
【図４】拡径状態の掘削機を示す立断面図である。
【図５】図４の５−５断面の概略図である。
【図６】ドラムカッタを示す正面図であり
【図７】ドラムカッタ４０の周面の展開図である。
【図８】図６の８−８断面図である。
【図９】リンク機構の概略を示す平面図である。
【図１０Ａ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｂ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｃ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１０Ｄ】リンク機構の動作を示す平面図である。
【図１１】比較例に係る掘削機及びポンプを示す立断面図である。
【図１２】図１１の１２−１２断面の概略図である。
【図１３】他の実施形態に係る掘削機を示す平面図である。
【図１４】（Ａ）、（Ｂ）は、縦軸周りにカッタが回転する掘削機におけるカッタビットの軌跡を示す図である。
【図１５】（Ａ）は、比較例に係る掘削機のカッタビットの作用を示す図であり、（Ｂ）は、本実施形態に係る掘削機のカッタビットの作用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る掘削機１０を備えるリバースサーキュレーション式の掘削システム１００を示す立面図である。この図に示すように、掘削システム１００は、硬質の地盤を掘削するのに適した掘削機１０と、地上に設置されるクレーン１０２と、掘削機１０とクレーン１０２との間に配されるポンプ１０４、及びパイプ１０６等を備えている。掘削機１０及びその上に取り付けられたポンプ１０４は、パイプ１０６を介してクレーン１０２に支持されており、パイプ１０６を順次継ぎ足すことにより、下方へ進められる。また、掘削機１０は、掘削径を調整する径調整機構３０を備えている。
【００１４】
以上のような構成の掘削システム１００では、掘削機１０で地盤を掘削しながら、ポンプ１０４の作動により掘削土砂を泥水とともにパイプ１０６を通して地上で排出させることにより、杭孔１を構築する。そして、径調整機構３０により掘削径を拡大させて、杭孔１の底部を拡径させた拡底部２を構築する。
【００１５】
図２は、掘削機１０及びポンプ１０４を示す立断面図であり、図３は、図２の３−３断面の概略図である。これらの図に示すように、掘削機１０は、ポンプ１０４に接続された円筒であるメインシャフト１２と、メインシャフト１２の上部に固定されたホルダ部１４と、メインシャフト１２にその軸周りに回転可能に支持された公転部２０と、公転部２０に設けられた径調整機構３０と、径調整機構３０を介して公転部２０に回転可能に支持された３個のドラムカッタ４０と、公転部２０を回転させる公転用油圧モータ５０と、ドラムカッタ４０を図３に示す矢印Ａ方向に回転させる３個の自転用油圧モータ６０とを備えている。
【００１６】
ホルダ部１４は、メインシャフト１２が中心に挿通された平面視にて円状のフレームであり、ホルダ部１４の内部に公転用油圧モータ５０が取り付けられ、ホルダ部１４の外周部に、掘削機１０の垂直姿勢を保つためのガイド１６が設けられている。公転用油圧モータ５０は、回転軸がメインシャフト１２と平行になるようにホルダ部１４に取り付けられており、公転用油圧モータ５０の出力軸には、ギア５２が取り付けられている。
【００１７】
公転部２０は、メインシャフト１２が挿通された円筒状の外軸２１と、外軸２１の下端に設けられた先端カッタ２２と、外軸２１から外径方向に張り出した上下一対のフランジ２３、２４と、外軸２１の上部に取り付けられたギア２５と、外軸２１の軸方向中間部に配されたスイベルジョイント２６とを備えている。外軸２１は、メインシャフト１２に軸受１３を介して軸心周りに回転可能に支持されている。先端カッタ２２は、下方に尖った円錐状のカッタであり、下向きにカッタビットが設けられている。また、先端カッタ２２は、内周側のカッタ部２２Ａと外周側のカッタ部２２Ｂとの間に段差が形成されており、カッタ部２２Ｂの中央部からカッタ部２２Ａが下方に突出した形状になっている。
【００１８】
フランジ２３、２４は、１２０°間隔で配され外軸２１から外径方向へ延びる３個の板片２３Ａ、２４Ａで構成されており、板片２３Ａ、２４Ａが互いに上下に対向するように配されている。また、板片２３Ａは、外軸２１の上下方向中央部に配され、板片２４Ａは、外軸２１の下部に配されている。また、ギア２５は、公転用油圧モータ５０のギア５２と噛み合っており、公転用油圧モータ５０の出力がギア５２、２５を介して外軸２１に伝達されて、公転部２０が反時計回り方向（図３に示す矢印Ｂ方向）に公転する。
【００１９】
スイベルジョイント２６は、油圧配管の可動継手であり、自転用油圧モータ６０及び後述の径調整用油圧モータ３３に接続された油圧配管と、地上の油圧ポンプ（図示省略）に接続された油圧配管とを、メインシャフト１２の周りに相対回転可能に連結している。
【００２０】
径調整機構３０は、各ドラムカッタ４０に対応して夫々設けられた３個の径調整ユニット３１と、３個の径調整ユニット３１を連動させるためのリンク機構３２とを備えている。 リンク機構３２は、３個の径調整ユニット３１を連動させるための機構であり、詳細は後述する。
【００２１】
径調整ユニット３１は、板片２３Ａの先端部の上に設置された径調整用油圧モータ３３と、板片２３Ａ、２４Ａの先端部に両端を回動可能に支持されたシャフト３４と、シャフト３４の下部に固定されたアーム３５とを備えている。シャフト３４は、メインシャフト１２と平行に配置されている。
【００２２】
径調整用油圧モータ３３は、鉛直な出力軸を有しており、この出力軸にシャフト３４が接続されている。また、アーム３５は、シャフト３４からその外径方向へ延びる台形柱状のフレームであり、その先端にドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が取り付けられている。
【００２３】
即ち、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０は、アーム３５及びシャフト３４を介して、板片２３Ａ、２４Ａの先端部に、シャフト３４の軸心周りに回動可能に支持されており、径調整用油圧モータ３３によりシャフト３４が回転されると、シャフト３４の軸心周り（即ち、メインシャフト１２と平行な軸の周り）に回動される。
【００２４】
なお、本実施形態に係る掘削機１０では、アーム３５を、公転方向に回動させることでドラムカッタ４０を拡径側に移動させているため、径調整用油圧モータ３３が非作動の状態では、ドラムカッタ４０及びアーム３５は、孔壁から受ける力により縮径側に戻ろうとすることになる。また、シャフト３４とフランジ２３とには、アーム３５が掘削径が最小となる位置から中心側（図中時計回り方向）へ回動することを防止することと、最大回動角度以上に回動させないための、不図示のストッパが設けられている。
【００２５】
図３に示すように、掘削径が最小の状態（以下、縮径状態という）では、３個のアーム３５が、シャフト３４よりも杭孔１の中心側において、正三角形状の空間を形成するように配され、各ドラムカッタ４０が各アーム３５よりも杭孔１の外径側に配される。また、縮径状態では、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が、これらの回転軸４１、６１が平面視にてメインシャフト１２の径方向と平行になるように配される。
【００２６】
また、図２に示すように、ドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０は、これらの回転軸４１、６１が、杭孔１の外径方向に向かって斜め下側に所定角度（約２０°等の鋭角）傾斜するように配されている。即ち、ドラムカッタ４０は、上側が杭孔１の外径側に倒れるように傾斜している。
【００２７】
図４は、掘削径が最大の状態（以下、拡径状態という）の掘削機１０を示す立断面図であり、図５は、図４の５−５断面の概略図である。図５に示すように、掘削機１０の拡径状態では、アーム３５がシャフト３４よりも杭孔１の外径側に位置し、アーム３５の先端側に支持されたドラムカッタ４０及び自転用油圧モータ６０が、シャフト３４よりも杭孔１の外径側に位置する。また、アーム３５と板片２３Ａとの角度が所定角度（約１５０°等の鈍角）になる。
【００２８】
図６は、ドラムカッタ４０を示す正面図であり、図７は、ドラムカッタ４０の周面の展開図であり、図８は、図６の８−８断面図である。なお、図６の１〜１０の指定位置と、図７の１〜１０の指定位置とは一致する。これらの図に示すように、ドラムカッタ４０の周面には、複数列（例えば、図示するように４列）のカッタビット４２が配されている。各列のカッタビット４２は周方向に離して配されている。また、複数列のカッタビット４２は、周方向に向かって千鳥状に配されている。また、各カッタビット４２は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４３に固定されている。このホルダ４３は、回転軸４１に対して垂直に配されている。また、カッタビット４２の刃先は、鈍角二等辺三角形状に形成されている。
【００２９】
また、最外列（アーム３５から最も離れている列）のカッタビット４２の間には、カッタビット４４、４５が配されている。ここで、カッタビット４２、４４、４５は、その刃先が図６の反時計周り方向に向くように配されており、ドラムカッタ４０が図６の反時計周り方向に回転した場合に、カッタビット４２、４４、４５が地山を削る。
【００３０】
カッタビット４４は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４６に固定されている。このホルダ４６は、ドラムの外径方向に向ってアーム３５の反対側に傾斜するように配されている。また、カッタビット４４の刃先は、鋭角不等辺三角形状に形成されており、鋭角の角部が、最外列のカッタビット４２よりもアーム３５の反対側（即ち、孔壁側）に位置するように構成されている。
【００３１】
ここで、回転軸４１との直交面に対するホルダ４６の傾斜角度は、メインシャフト１２との直交軸に対する回転軸４１の傾斜角度と同一である。即ち、ドラムカッタ４０がアーム３５に取り付けられた状態において、ホルダ４３は、鉛直線に対して傾斜するのに対して、ホルダ４６は、鉛直線に対して平行になる。
【００３２】
また、カッタビット４５は、ドラムの周面からその外径方向に突出するホルダ４７に固定されている。カッタビット４５の刃先は波形状に形成されており、カッタビット４５は、波形状の刃がドラム周面の接線方向を向くようにホルダ４７に固定されている。
【００３３】
図９は、リンク機構３２の概略を示す平面図である。この図に示すように、リンク機構３２は、メインシャフト１２に回転可能に支持されたリンクボス３６と、リンクボス３６と各シャフト３４とを連結する３組のリンクプレート３７、３８とを備えている。リンクボス３６は、円板状の中心部３６Ａと、該中心部３６Ａから外径方向へ延びる３個の腕部３６Ｂとを備えている。３個の腕部３６Ｂは、等間隔（１２０°間隔）で配されている。
【００３４】
各リンクプレート３７は、腕部３６Ｂの先端に鉛直軸（メインシャフト１２と平行な軸）周りに回動可能に支持された細長い板材であり、各リンクプレート３８は、各リンクプレート３７の先端（支持側の反対側の端）に鉛直軸周りに回動可能に支持された、リンクプレート３７よりも短尺の板材である。また、各リンクプレート３８の先端（リンクプレート３７による支持側の反対側の端）は、シャフト３４に固定されている。
【００３５】
図９及び図１０Ａ〜Ｄは、リンク機構３２の動作を示す平面図である。図９に示すように、掘削機１０の縮径状態では、リンクプレート３７、３８が、略直線状に延びた状態になる。そして、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、掘削機１０が拡径状態に遷移する際、アーム３５及びシャフト３４が、シャフト３４を中心に図中反時計周り方向に回動及び回転すると、シャフト３４に固定されたリンクプレート３８が、シャフト３４を中心に図中反時計周り方向に回動することにより、リンクプレート３７、３８の屈曲度が増すと共に、リンクボス３６が図中時計周り方向に回転する。
【００３６】
ここで、リンクボス３６が時計周り方向に回転すると、その他の２組のリンクプレート３７、３８は、リンクボス３６の回転力を受けて屈曲度が増すように変位し、シャフト３４及びアーム３５を、シャフト３４を中心に図中反時計回り方向に回転及び回動させる。これにより、径調整用油圧モータ３３の駆動速度にバラつきがある場合でも、３個のアーム３５が、同時に同速度で回動し、３個のドラムカッタ４０のメインシャフト１２に対する相対位置が一致する。
【００３７】
以下、掘削機１０を使用して拡底部２を有する杭孔１を施工する手順を説明する。まず、縮径状態の掘削機１０を下方へ掘進させて径が均一の孔を掘削する（図２及び図３参照）。この際、３個の自転用油圧モータ６０を駆動させて３個のドラムカッタ４０を回転軸４１の周り（図中矢印Ａ方向）に回転させると共に、公転用油圧モータ５０を駆動させて公転部２０をメインシャフト１２の周り（図中矢印Ｂ方向）に回転させる。即ち、ドラムカッタ４０を自転させると共に公転させる。なお、自転回転数は公転回転数よりも大きく設定する。
【００３８】
ここで、ドラムカッタ４０の回転軸４１が杭孔１の外径方向に向けて下側に傾斜しており、ドラムカッタ４０は、下側に向けて杭孔１の中心側へ傾斜している。このため、ドラムカッタ４０の上側では、外列のカッタビット４２、４４、４５が、孔壁３に当接して孔壁３を掘削し、ドラムカッタ４０の下側では、全列のカッタビット４２、４４、４５が孔底４に当接して孔底４を掘削する。この際、ドラムカッタ４０の下側は、孔壁３より中心側に位置し、孔壁３よりも中心側を掘削する。また、メインシャフト１２の先端カッタ２２が、孔底４の中央部、即ち、ドラムカッタ４０の下側が掘削する範囲の内周側を掘削する。
【００３９】
即ち、縮径状態の掘削機１０は、ドラムカッタ４０及び先端カッタ２２で地山を、下側へ向かって縮径する半球形状に削りながら掘進する。この際、最外列のカッタビット４４が、孔壁３側に傾斜して孔壁３に食い込むように構成されていることにより、孔壁３の掘削力が向上される。また、ドラムカッタ４０が、その下側が杭孔１の中心側に寄るように傾斜していることにより、先端カッタ２２で掘削した孔底４の中央周辺におけるドラムカッタ４０で掘削できない範囲を狭めることができる。
【００４０】
また、ドラムカッタ４０が、上側へ向かって杭孔１の外径側に傾斜していることにより、ドラムカッタ４０の上側の周面を平面視した形状は、杭孔１の外径側に膨らんだ円弧形状になる。即ち、ドラムカッタ４０の外列のカッタビット４２、４４、４５が、平面視にて杭孔１の外径側に膨らんだ円弧状の曲線に沿って配列されることから、ドラムカッタ４０の自転により孔壁３を円弧状に掘削でき、以って、杭孔１を滑らかに掘削できる。
【００４１】
これに対して、図１１及び図１２に示すように、ドラムカッタ４０の回転軸４１を水平に設定した場合には、ドラムカッタ４０を平面視した形状が、矩形状になる。即ち、ドラムカッタ４０の外列のカッタビット４２、４４、４５が、平面視にて直線状に配列されることから、ドラムカッタ４０の自転だけでは、孔壁３をドラムカッタ４０の２点の角部のみで掘削することになり、本実施形態と比して杭孔１を粗く掘削することになる。
【００４２】
以上のようにして、径が均一の孔を掘削すると、掘削機１０を、拡底部２を形成する位置の上側まで引き上げた後、径調整機構３０でドラムカッタ４０を徐々に拡径側へ回動させながら、掘削機１０を下方へ掘進させることによって、下方に向って次第に拡径する円錐台形状の拡底部２を掘削する（図４及び図５参照）。この際、ドラムカッタ４０の上側にドラムカッタ４０を駆動させるための機構等が存在しておらず、また、アーム３５はドラムカッタ４０より杭孔１の中心側に位置している。即ち、ドラムカッタ４０を杭孔１の外径側に移動させる際に、孔壁３と干渉する障害物が存在しないことから、杭孔１を掘削している途中で掘削径を拡大することが可能であり、拡底部２を有する杭孔１を掘削することが可能である。
【００４３】
また、横軸周りに回転するドラムカッタ４０を先端側で支持するアーム３５が、メインシャフト１２の周囲にメインシャフト１２と平行に配置されたシャフト３４の周りに回動することにより、縮径状態と拡径状態での掘削径の差を、ドラムカッタ４０の直径を超える程に大きくすることができる。従って、アーム３５やフランジ２３、２４等の部材を大きくすることなく、掘削径の変更量を大きくすることができるため、掘削機１０の大型化を招くことなく、掘削径の変更量を大きくし、膨らみが大きな拡底部２を有する拡底杭を構築することができる。
【００４４】
ところで、上述の特許文献１、２に記載されているような、カッタが縦軸周りに回転する掘削機では、カッタのカッタビットが設けられた面全体が孔底に当接し、全てのカッタビットが常に孔底に当接する。それに対して、本実施形態に係る掘削機１０では、周面にカッタビット４２、４４、４５が設けられたドラムカッタ４０で孔壁３及び孔底４を掘削するが、孔壁３及び孔底４に当接しているのはドラムカッタ４０の全周ではなく、一点である。そのため、本実施形態に係る掘削機１０では、カッタが縦軸周りに回転する掘削機と比して、カッタビットの１本１本に作用する力が大きくなり、各カッタビットの掘削力（圧壊力）が大きくなる。従って、カッタビットと地山との間で滑りが生じ難くなり、カッタビット４２、４４、４５の磨耗が抑制され、以って、硬質地盤の掘削に対応可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る掘削機１０では、リンク機構３２により３個のアーム３５が連動、即ち、同速度及び同位相で回動される。従って、径調整用油圧モータ３３の駆動力にバラつきが生じた場合でも、３個のドラムカッタ４０を同速度及び同位相で杭孔１の外径方向に進退させることができ、拡径掘削する際にも孔の真円度を確保することができる。
【００４６】
図１３は、他の実施形態に係る掘削機を示す平面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については説明を省略する。図１３に示すように、本実施形態に係る掘削機では、公転用油圧モータ５０（図２参照）が、公転部２０を、ドラムカッタ４０の設置間隔（約１２０°）ずつ交互に正方向及び逆方向（図中矢印Ｃ方向）に回転させる。
【００４７】
ここで、図１４（Ａ）、（Ｂ）は、特許文献１、２に記載されているようなカッタ９が縦軸周りに回転する掘削機におけるカッタビットの軌跡を示す図である。図１４（Ａ）に示すように、当該掘削機において、カッタ９の公転方向と自転方向とを同方向にした場合には、カッタビットの軌跡は、エピトロコイド（外トロコイド）曲線に近似した曲線５を描くことになる。この場合、常時、カッタビットのすくい角で地山を削ることができる。一方で、図１４（Ｂ）に示すように、カッタ９の公転方向と自転方向とを逆方向にした場合には、カッタビットの軌跡は、内トロコイド曲線に近似した曲線６を描くことになる。この場合、カッタビットが孔壁に向って移動する間は、カッタビットのすくい角で地山を削ることができるものの、カッタビットが孔の中心側に向って移動する間は、カッタビットの逃げ角で地山を削ろうとすることになり、掘削不能となる。
【００４８】
このため、縦軸周りにカッタが回転する掘削機においてカッタを正逆方向に回転させながら孔を掘削しようとした場合には、図１５（Ａ）に示すように、自転方向の逆方向に公転させる間に、カッタビット７の逃げ角で地山を削ろうとすることになり、掘削不能となることがある。これは、当該掘削機では、カッタビット７が地山に常時当接していることによる。
【００４９】
これに対して、図１５（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る掘削機では、ドラムカッタ４０が横軸周りに回転していることから、公転方向に関わらず、カッタビット４２、４４がすくい角で地山を削ることになり、掘削可能となる。従って、本実施形態に係る掘削機では、公転部２０を、ドラムカッタ４０の設置間隔だけ正逆方向に回転させながら杭孔１を掘削していくことが可能である。
【００５０】
ここで、上述の実施形態に係る掘削機１０では、公転部２０を一方向に回転させ続けるため、公転部２０に設置された径調整用油圧モータ３３と自転用油圧モータ６０を公転部２０と共に一方向へ連続的に回転可能にする必要がある。そのために、径調整用油圧モータ３３及び自転用油圧モータ６０と油圧ポンプとをスイベルジョイント２６を介して接続している。これに対して、本実施形態に係る掘削機では、公転部２０をドラムカッタ４０の間隔だけ交互に正逆回転させるように構成したことにより、スイベルジョイント２６を不要にできる。
【００５１】
なお、上述の実施形態は、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。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共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、上述の実施形態では、リバースサーキュレーション式の掘削機１０を例に挙げて本発明を説明したが、ボーリングマシーン等の他の掘削機にも本発明を適用できる。また、掘削機による掘削方向は下方には限られず、斜め下方や水平方向であってもよい。さらに、公転用駆動部、自転用駆動部、及び径調整用駆動部を油圧モータとしたが、必須ではなく電動モータとしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 杭孔、２ 拡底部、３ 孔壁、４ 孔底、５、６ 曲線、７ カッタビット、９ カッタ、１０ 掘削機、１２ メインシャフト（シャフト）、１３ 軸受、１４ ホルダ部、１６ ガイド、２０ 公転部、２１ 外軸、２２ 先端カッタ、２２Ａ、２２Ｂ カッタ部、２３、２４ フランジ、２３Ａ、２４Ａ 板片、２５ ギア、２６ スイベルジョイント、３０ 径調整機構、３１ 径調整ユニット、３２ リンク機構、３３ 径調整用油圧モータ（アーム駆動部）、３４ シャフト、３５ アーム、３６ リンクボス、３６Ａ 中心部、３６Ｂ 腕部、３７、３８ リンクプレート、４０ ドラムカッタ、４１ 回転軸、４２ カッタビット、４３ ホルダ、４４、４５ カッタビット、４６、４７ ホルダ、５０ 公転用油圧モータ（公転駆動部）、５２ ギア、６０ 自転用油圧モータ（自転駆動部）、６１ 回転軸、１００ 掘削システム、１０２ クレーン、１０４ ポンプ、１０６ パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のドラムカッタを自転させると共に公転させることにより孔を掘削する掘削機であって、
公転軸に沿って配されたシャフトと、
前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、
前記公転部を回転させる公転駆動部と、
前記公転部に、前記公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、
前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、
前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、
を備える掘削機。
【請求項２】
前記アームは、所定の回動位置において、前記ドラムカッタを、前記自転軸が前記公転軸の外径方向に向って下側に傾斜する状態で支持する請求項１に記載の掘削機。
【請求項３】
前記複数のアームを連動させるリンク機構を備える請求項１又は請求項２に記載の掘削機。
【請求項４】
前記複数のドラムカッタは、前記公転軸の周りに所定角度の間隔で配されており、
前記公転駆動部は、前記公転部を、一方向及びその逆方向へ交互に前記所定角度ずつ回転させる請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の掘削機。
【請求項５】
自転すると共に公転する複数のドラムカッタを備える掘削機を使用して孔を掘削する方法であって、
前記掘削機は、
公転軸に沿って配されたシャフトと、
前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、
前記公転部を回転させる公転駆動部と、
前記公転部に、前記公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、
前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、
前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、
を備え、
前記アーム駆動部で前記アームを回動させて前記ドラムカッタを前記公転軸の外径方向に進退させることにより、孔の掘削径を調整する掘削方法。
【請求項１】
複数のドラムカッタを自転させると共に公転させることにより孔を掘削する掘削機であって、
公転軸に沿って配されたシャフトと、
前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、
前記公転部を回転させる公転駆動部と、
前記公転部に、前記公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、
前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、
前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、
を備える掘削機。
【請求項２】
前記アームは、所定の回動位置において、前記ドラムカッタを、前記自転軸が前記公転軸の外径方向に向って下側に傾斜する状態で支持する請求項１に記載の掘削機。
【請求項３】
前記複数のアームを連動させるリンク機構を備える請求項１又は請求項２に記載の掘削機。
【請求項４】
前記複数のドラムカッタは、前記公転軸の周りに所定角度の間隔で配されており、
前記公転駆動部は、前記公転部を、一方向及びその逆方向へ交互に前記所定角度ずつ回転させる請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の掘削機。
【請求項５】
自転すると共に公転する複数のドラムカッタを備える掘削機を使用して孔を掘削する方法であって、
前記掘削機は、
公転軸に沿って配されたシャフトと、
前記シャフトに回転可能に支持された公転部と、
前記公転部を回転させる公転駆動部と、
前記公転部に、前記公転軸と平行な回動軸の周りに回動可能に支持され、前記ドラムカッタを、自転軸が前記公転軸との直交面に対して傾斜するように先端側で支持し、回動することで前記公転軸の外径方向に進退させる複数のアームと、
前記ドラムカッタを自転軸の周りに回転させる自転駆動部と、
前記アームを前記回動軸の周りに回動させるアーム駆動部と、
を備え、
前記アーム駆動部で前記アームを回動させて前記ドラムカッタを前記公転軸の外径方向に進退させることにより、孔の掘削径を調整する掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−３６１７８（Ｐ２０１３−３６１７８Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１２１１（Ｐ２０１１−１７１２１１）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（５９９１１２１１３）株式会社東亜利根ボーリング (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【出願人】（５９９１１２１１３）株式会社東亜利根ボーリング (25)
【Ｆターム（参考）】
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