杭の急落対策

杭の急落とは、打設中に杭の下の地盤が支持力を失い、杭が突然落下する現象です。クレーンへの影響、その阻止方法、そして条件をそろえた1,500 tの杭急落解析でPOLARIS衝撃吸収装置が示した結果を解説します。

執筆: Tord Martinsen、CEO · 2026年3月 · 2026年9月更新 · 読了目安10分
POLARIS、洋上杭打ち用ハンマー、自然に垂れ下がってたるんだ停止用スリング。
要点
  • 杭の急落とは、打設中に杭先端が弱い地層に達し、地盤の抵抗が杭とハンマーの重量を下回ったときに起こる制御不能な落下です。1~2秒で数メートル落下することもあります。
  • クレーンがハンマーを保持している場合、吊索はハンマーを停止させなければなりません。杭とハンマーがクランプで連結されていれば、杭も停止させる必要があります。剛な接続では、クレーン、ワイヤ、玉掛けの伸びだけで停止させるため、荷重が急増します。
  • 条件をそろえた当社のCONSTELLATION解析では、1,500 tの杭とハンマーが5.0 m/sで動く場合、剛な接続でのフック荷重は37.7 MNに達しました。静的フック荷重の2.28倍(動的増幅係数DAF 2.28)、クレーンの安全使用荷重(SWL)の154 %です。2,000 tのPOLARISを使用すると23.6 MN(DAF 1.43、SWLの96 %)となり、6.0 mのストロークのうち4.98 mを使用しました。
  • 衝撃吸収装置は、想定し得る最悪の急落を基に選定します。考慮するのは、運動する質量のエネルギー、クレーンが許容できる最大荷重、停止に必要なストロークです。

打設中、ハンマーは杭の上に載り、クレーンはたるんだスリングを介して追従するだけです。杭が急落すると、たるみが瞬時に取れ、クレーンの吊索は保持しているものを停止させる必要があります。対象はハンマーと、両者がクランプで連結されている場合は杭も含みます。

杭の急落とは

洋上の杭はガイドフレームまたは杭グリッパーに設置し、油圧ハンマーで海底地盤に打ち込みます。打撃と打撃の間は、杭周面の摩擦と先端の抵抗が杭を支えます。杭先端が強い地層から弱い地層へ、例えば硬い層の下にある緩い砂や軟らかい粘土へ進むと、抵抗が杭とハンマーの重量を下回り、その重量によって杭が加速することがあります。地盤ボーリングとコーン貫入試験(CPT)でこうした地層の位置を把握し、杭の急落解析では地盤抵抗と重量を比較して、想定される落下距離と速度を求めます。

打設中:ハンマーは杭の上に載り、杭先端はまだ強い地層内にあります。POLARISのロッド端からハンマーまでの柔軟なスリングはたるんでいるため、ロッドは引き込まれたままで、ハンマーの打撃は装置に伝わりません。クレーン吊索POLARISロッド引込み柔軟スリング、たるみハンマー杭上海底面強い地層弱い地層打設中
杭の急落時:杭先端が弱い地層に達し、杭はさらに落下します。ハンマーはスリングが張るまで落下し、POLARISがストロークします。その間、バルブが荷重を設定値付近に保ち、ハンマーを停止させます。クレーン吊索POLARISストローク:弁が荷重を維持柔軟スリング、張りハンマー、停止海底面強い地層弱い地層杭は落下継続ハンマー落下ストローク杭の急落時
図1. 打設中:ハンマーは杭の上に載り、POLARISはロッドを引き込んだ状態でクレーンの吊索系に直列につながっています。ハンマーへつながる柔軟なスリングはたるんでいるため、打撃はPOLARISを通りません。杭の急落時:杭先端が弱い地層に達して杭がさらに落下すると、ハンマーもスリングが張るまで落下します。その後POLARISがストロークし、ハンマーが停止するまで荷重をバルブ設定値付近に保ちます。ハンマーの落下距離は、解消されたたるみとストロークの合計です。模式図であり、縮尺どおりではありません。

衝撃吸収装置のストロークは、杭が地盤中を落下する距離ではありません。杭とハンマーを停止させる間に、装置自身の接続部間で生じる相対移動量です。吊上げモデルで両者の関係を評価します。

クレーンへの影響

運動する質量 m が速度 v で移動すると、その運動エネルギーは \tfrac{1}{2} m v^2です。この解析の1,500 tの杭とハンマーは、5.0 m/sで18.75 MJの運動エネルギーを持ちます。剛性 k を持つ接続がその速度で張ると、運動エネルギーと、接続が伸びる間に重量が行う仕事がその伸びに費やされ、最大荷重は次の式で表されます。

F_{\text{peak}} = W + \sqrt{W^2 + k\,m\,v^2}

ここで W は運動する質量の重量です。荷重伝達経路の剛性が高いほど、最大荷重も高くなります。クレーンの巻上げ機、ワイヤ、玉掛けは剛性が高いため、剛な接続で停止させると、クレーンには静荷重を大幅に上回る荷重がかかります(高い DAF)。その後、荷重の振動が減衰する過程で吊索がたるみ、再び急に張ってスナップ荷重が生じることもあります。衝撃吸収装置は荷重伝達経路に柔軟な要素を加えます。ガススプリングで荷重を設定値まで高め、停止する間はバルブでその付近に保ちます。

POLARISの有無による比較

条件をそろえた当社のCONSTELLATION解析 CS-2026-005では、1,200 tの杭と、その杭頭にクランプで固定された300 tのハンマーが5.0 m/sで動き、吊索はすでに両者の重量を支えています。同じパラメータで2回計算し、剛な接続の場合と、ストローク6.0 mの2,000 t POLARISを使用する場合を比較しました。

条件をそろえた杭急落解析における最大フック荷重。剛な接続では37.7メガニュートン、DAF 2.28、クレーンの安全使用荷重24.5メガニュートンの154パーセント。POLARISを使用すると23.6メガニュートン、DAF 1.43、安全使用荷重の96パーセントです。01020304050最大フック荷重 (MN)37.7 MNDAF 2.28剛な接続23.6 MNDAF 1.43POLARIS使用クレーンSWL 24.5 MNSWLの154 %SWLの96 %
図2. 同じ杭の急落を2条件で比較しました。1,200 tの杭と300 tのハンマーが5.0 m/sで動く条件で、剛な接続と、ストローク6.0 mの2,000 t POLARISを使用する場合を示します。解析 CS-2026-005はCONSTELLATIONでモデル化しました。
結果剛な接続POLARIS使用
クレーンSWL 24.5 MNに対する最大フック荷重37.7 MN (154 %)23.6 MN (96 %)
静荷重16,553 kNに対するフックDAF2.281.43
装置下側のペイロード14,710 kNに対するDAF2.411.31
停止後に吊索が完全にたるんだ再反動の回数20
使用ストローク衝撃吸収装置なし6.0 m中4.98 m (83 %)

補償装置を使った急落ケースは、独立したソルバーでも照合しました。このケースでは吊索がすでに重量を支えているため、閉形式の解は W + v\sqrt{k m}; となります。クレーン自身の伸びを考慮すると剛な接続の最大荷重は34.2 MN、クレーンを剛体とすると44.8 MNで、解析結果はその間に入ります。スリングがたるんだ状態から始まれば最大荷重はさらに高くなり、ハンマーが杭上に独立して載っていれば、吊索が受け止めるのはハンマーだけです。 杭急落停止解析を読む →

衝撃吸収装置の容量選定

想定し得る最悪の急落について、予想される急落ではなく、次の3つの要件を満たす必要があります。

  1. エネルギー。 吊索が運動する質量を受け止める時点の運動エネルギーで、解析では18.75 MJです。装置がストロークしている間も重量が引き続き作用するため、重量を上回る荷重分だけが運動を減速させます。
  2. 最大荷重。 クレーン、ワイヤ、玉掛け、ハンマーが許容できる荷重です。バルブ設定値は重量とその上限の間に置きます。解析では14.7 MNとクレーンSWL 24.5 MNの間の18.0 MNです。
  3. ストローク。 重量を上回る荷重で運動エネルギーを吸収するために必要な移動量で、終端には余裕を持たせます。衝撃吸収装置がストローク端に達すると、クレーンを保護できなくなります。

解析で使用した4.98 mのストローク中、装置は18.75 MJの運動エネルギーに加え、重量が行った約73 MJの仕事を受けました。当社の クレーンの衝撃吸収 に関する記事では、エネルギーと許容最大荷重から必要ストロークを概算できます。解析で得られたDAF 1.43を用いると5.85 mが必要となり、6.0 mの装置は4.98 mを使用しました。その後、クレーン、玉掛け、衝撃吸収装置、ハンマー、杭の時刻歴モデルで最大荷重を確認します。

杭急落リスクへの備え

杭急落のリスクは杭打ち計画時に評価します。地盤データを用いた杭急落解析から、落下距離と速度を伴う想定シナリオが得られます。杭とハンマーの質量からエネルギーを求め、クレーンの荷重表から許容荷重を定めます。これらを合わせて、装置に必要なエネルギー容量、荷重、ストロークを決めます。

玉掛けは衝撃吸収装置と同じくらい重要です。POLARISはクレーンの吊索系に直列につながり、そのロッド端からハンマーまで柔軟なスリングを掛けます。打設中はスリングがたるみ、ロッドは引き込まれたままです。そのためハンマーの重量と打撃は装置を通らず、杭が急落したときには全ストロークを使えます。

衝撃吸収装置自身の重量も、吊上げ時のクレーン荷重表に算入します。 POLARIS は、1本の油圧シリンダー内に少量のガスとCFDで設計したバルブを収め、外部アキュムレータやニードルバルブを使用しません。そのため、容量に対して軽量です。容量は75~4,000 t、ストロークは1.0~8.0 mです。

出典と前提条件
  • 出典は当社のCONSTELLATION解析 CS-2026-005 (Revision A、2026年8月4日)です。条件は、1,200 tの杭と、その杭頭にクランプで固定された300 tのハンマーが5.0 m/sで動き、吊索がすでに両者の重量を支えていること、クレーンSWLが24,517 kNであること、そしてストローク6.0 m、バルブ設定値18,000 kNの2,000 t POLARISを使用することです。フックDAFの基準は静的フック荷重16,553 kNです。これはモデルによる検討であり、認証済みのプロジェクト解析ではありません。
  • 最大荷重の関係式は、落下する質量を、急落速度で張る線形ばねで停止させる場合のエネルギー収支に基づきます。実際の荷重伝達経路は線形ではなく、時刻歴解析の結果を優先します。
  • 落下距離と速度は各現場の地盤データから求めます。解析に用いた5.0 m/sは1つのケースであり、代表値ではありません。

よくある質問

杭の急落とは何ですか?

打設中に杭先端が弱い地層に達し、地盤の抵抗が杭とハンマーの重量を下回ったときに起こる制御不能な落下です。1~2秒で数メートル落下することもあり、その後クレーンの吊索はハンマーを停止させる必要があります。両者がクランプで連結されていれば、杭も対象です。

対策のない杭の急落はどれほど危険ですか?

当社の条件をそろえた解析では、1,200 tの杭と300 tのハンマーが5.0 m/sで動くと、剛な接続ではフックに37.7 MN(DAF 2.28)、クレーンSWLの154 %がかかりました。荷重の振動が減衰する間に吊索は2回完全にたるみました。別のケースの最大荷重は、運動する質量、速度、荷重伝達経路の剛性によって変わります。

衝撃吸収装置は杭の急落からどのように保護しますか?

クレーンの吊索系とハンマーの間に直列につながります。杭が急落してスリングが張ると装置がストロークし、ガススプリングで荷重をバルブ設定値まで高め、停止する間はバルブでその付近に保ちます。解析ではPOLARISによりフック荷重は23.6 MN(DAF 1.43)となり、クレーンSWLの範囲内に収まりました。

杭急落対策の容量はどう選びますか?

想定し得る最悪の急落を基にします。地盤ボーリングとCPTの結果を杭急落解析に入力して落下距離と速度を求め、運動する質量と速度からエネルギーを計算します。クレーン荷重表で許容荷重を確認し、重量を上回る荷重分でそのエネルギーを吸収できるストロークに終端余裕を加えます。当社のクレーン衝撃吸収の記事では、必要ストロークを概算できます。

杭が急落する前にスリングがたるんでいるのはなぜですか?

打設中はハンマーが杭の上に載り、クレーンは追従するだけです。柔軟なスリングをたるませることで、ハンマーの重量と打撃が装置に伝わらず、ロッドは引き込まれたままです。杭の急落時には全ストロークを使えます。

洋上風力でも杭急落対策は必要ですか?

はい。モノパイルは層状の地盤に打ち込まれます。強い地層の下にある弱い層が杭とハンマーの重量を支えられないと、急落が起こることがあります。装置自身の重量もクレーン荷重表に算入するため、軽量な装置が役立ちます。

クレーンを杭の急落から守りたい場合

次の情報をお送りください。

  • 杭とハンマーの質量
  • 地盤データ、または落下距離と速度を含む急落シナリオ
  • クレーン、その荷重表、玉掛け構成
  • 許容できる最大荷重またはDAF

POLARISの概略検討結果と、検証に必要な入力条件をお返しします。

吊上げ条件を送る →

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