JP2002371780A - 水平コントロールボーリング工法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ジャイロスコープを利用してリアルタイムで
正確な位置を検出すると共に、掘削方向の修正が可能な
水平コントロールボーリング工法及びその装置の提供す
る。 【解決手段】 内管と外管７とからなる２重以上の多重
管で構成し、内管を外管に対して軸方向の相対移動可能
で回転方向の相対回転不可に追従用キー９を介して係合
し、外管の先端内径部に内管を偏心させる制御ウエッジ
８を突設し、内管の先端部に掘削ビット１を駆動する駆
動装置２を取り付けて、掘削ビットを駆動して掘進し、
内管の駆動装置の後方にクラッチ４を介して姿勢変化を
検出するジャイロスコープを取り付け、その姿勢検出信
号と挿入量とから掘削位置をリアルタイムで測定し、位
置が所定範囲から外れたら内管を引き戻し追従用キーに
よる外管との係合を解除し、クラッチを切り内外管をそ
れぞれ回動し、掘削ビットを制御ウエッジにより偏心さ
せて内管と外管とを係合し、軌道を修正して掘進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
を利用して掘進方向を検出し、掘削装置の位置を計測し
てボーリングを行う水平ボーリング工法及びその装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ジャイロスコープによる姿勢検出と挿入
量とから掘削装置の掘削位置を特定し、ボーリングを行
う工法は従来から知られている。

【０００３】しかし、この方法では、掘削ビットの駆動
によって掘削ビットとジャイロスコープを蔽う外管との
間で相対捩じれが発生し、ジャイロスコープによる計測
に誤差が生じて位置検出の精度を低下させていた。

【０００４】掘削に際して、掘削ビットの回転や掘削地
盤との摩擦に起因するロッドの捻れ等によって生じた微
小な誤差が常に発生する。上述の位置決定の手法によれ
ば、その様な微少な誤差も積分されてしまい、その結
果、積分誤差として大きな誤差が発生してしまう。従来
技術では、このような積分誤差については、対処が不可
能であった。そして、この様な誤差やその他の原因で掘
削方向の軌道修正が必要になった場合には、一旦、掘削
装置を引き戻し、再挿入する必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に対処するものであり、掘削距離の長短に関わらず、リ
アルタイムで正確な掘削位置を検出して穿孔を行う水平
長尺コントロールボーリング工法及びその装置の提供を
目的とする。そして、リアルタイムの位置検出によって
計画との誤差が検出された場合に、容易に軌道修正が可
能な水平コントロールボーリング工法及びその装置の提
供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の水平コントロー
ルボーリング工法は、ジャイロスコープを利用して掘進
方向を検出し、掘削位置を計測してボーリングを行う水
平ボーリング工法において、少なくとも内管と外管とか
らなる２重以上の多重管で構成し、その内管を外管に対
して軸方向の相対移動可能でかつ回転方向の相対回転不
可に追従用キーを介して係合し、外管の先端内径部に内
管を偏心させるウエッジを突設し、内管の先端部に掘削
ビットを駆動する駆動装置を取り付けて、その掘削ビッ
トを駆動して掘進し、内管の前記駆動装置の後方にクラ
ッチを介して姿勢変化を検出するジャイロスコープを取
り付け、そのジャイロスコープの姿勢検出信号と挿入量
とから掘削位置をリアルタイムで測定し、掘削位置が所
定範囲から外れたら内管を引き戻し追従用キーによる外
管との係止を解除し、クラッチを切って外管と内管とを
それぞれ回動して内管を押し出し、掘削ビットを前記外
管先端部のウエッジによって偏心させて内管と外管とを
係合し、軌道を修正して掘削を行うことを特徴とする。

【０００７】また、本発明の水平コントロールボーリン
グ装置は、ジャイロスコープを利用して掘進方向を検出
し、掘削位置を計測してボーリングを行う水平ボーリン
グ装置において、少なくとも内管と外管とからなる２重
以上の多重管で構成し、その内管は外管に対して軸方向
の相対移動可能でかつ回転方向の相対回動不可に追従用
キーを介装して係合し、外管の先端内径部には内管を偏
心させるウエッジを突設し、そして内管の先端部に掘削
ビットを駆動する駆動装置を取り付け、その駆動装置の
後方にクラッチを介装して姿勢変化を検出するジャイロ
スコープを取り付け、そのジャイロスコープの姿勢検出
信号と挿入量とから掘削位置をリアルタイムで測定する
掘削位置測定手段と、掘削位置が所定範囲から外れたら
内管を引き戻して追従用キーによる外管との係合を解除
し、クラッチを切って外管と内管とをそれぞれ回動し、
内管を再び押し出して内管を前記ウエッジで偏心させて
前記キーで外管に係合する軌道修正手段とを設けている
ことを特徴とする。

【０００８】そして、前記駆動装置とクラッチとの間に
多数の弾性体と樹脂材とを積層して構成された緩衝部材
を設けるのが好ましい。

【０００９】このように構成された水平コントロールボ
ーリング工法によれば、ジャイロスコープの姿勢検出信
号と挿入量とから掘削位置がリアルタイムで測定され、
例えば計画線に対するずれが所定量を越えた場合など
に、掘削装置の内外管を相対移動させることでキーとキ
ー溝との係合状態を解除し、クラッチを切って互いに回
動可能とし、外管内径面に突設されたウエッジの方向を
変えることで内管（掘削ロッド）を偏心させて軌道を修
正するができ、正確に長尺水平ボーリングを施工するこ
とができる。

【００１０】また、掘削ビットの反力などで内外管にね
じれが生じた場合においても、クラッチを切って内管ま
たは外管を回動し、修正することも可能である。

【００１１】上述した構成を具備する本発明は、少なく
とも２重以上の多重構造を有する多重管の外側から２番
目の管に取り付けられたジャイロスコープのローリング
角を検出する工程と、ローリング角が所定角度以上とな
った際に、掘削ロッドに設けられたクラッチを断切状態
にして掘削ロッド先端の掘削ビットをボーリングマシン
からの回転伝達を遮断するクラッチ断切工程と、ボーリ
ングマシンによって多重管の外側から２番目の管をロー
リング角がゼロに相当する状態まで捩るローリング角除
去工程、とを有する掘削位置検出方法（図１４）と組み
合わせて実施されることが好ましい。

【００１２】また本発明は、掘削ロッド先端の掘削ビッ
トが交換を必要とするか否かを判断する工程と、掘削ロ
ッド及びジャイロスコープが取り付けられた管を引き抜
く工程と、掘削ビットを交換した掘削ロッド及びジャイ
ロスコープが取り付けられた管を再挿入する工程と、該
再挿入する工程に際して、ジャイロスコープが計測した
姿勢角度及びジャイロスコープが取り付けられた管の挿
入量から再挿入完了時のジャイロスコープ位置を演算・
決定する位置決定工程、とを含む掘削位置検出方法（図
１４）と組み合わせて実施されることが好ましい。

【００１３】本発明は、少なくとも２重以上の多重構造
を有する多重管と、多重管の内側管内に挿入され且つ先
端に掘削ビットを有する掘削ロッドと、該掘削ロッド先
端の掘削ビットをボーリングマシンからの回転伝達を遮
断するためのクラッチと、前記多重管の外側から２番目
の管に取り付けられたジャイロスコープと、多重管の外
側から２番目の管或いは前記ジャイロスコープのローリ
ング角を検出するローリング角検出手段と、制御手段を
有し、前記制御手段は、ローリング角検出手段で検出さ
れたローリング角が所定角度以上となった際に、前記ク
ラッチを断切状態として、前記ボーリングマシンにより
多重管の外側から２番目の管をローリング角度がゼロに
相当する状態まで捩らせる様に構成されている掘削位置
検出装置（図１６〜図２２）と組み合わせて実施される
のが好ましい。

【００１４】ここで前記掘削装置は、掘削ビットに連続
した箇所に設けられ、多数の弾性体と樹脂材とを積層し
て構成された緩衝部材を有するのが好ましい（図２３〜
図２８）。

【００１５】このように構成された掘削位置検出方法と
組み合わせれば、ローリング角が所定角度以上となった
際に、ボーリングマシンによってジャイロスコープが取
り付けられている管（多重管の外側から２番目の管）を
ローリング角がゼロに相当する状態まで捩ることによ
り、ローリング角を解消することが出来る。

【００１６】ここで、従来技術では掘削ビットが稼動し
ている際にジャイロスコープが取り付けられている管を
捩ることは困難であった。しかし、上述した構成であれ
ば、掘削ロッドに設けられたクラッチを断切状態にして
掘削ロッド先端の掘削ビットをボーリングマシンからの
回転伝達を遮断する様に構成されているので、クラッチ
を断切した後にジャイロスコープが取り付けられている
管を捩れば良い。即ち、ローリング角による誤差は解消
される。

【００１７】また、掘削ロッド先端の掘削ビットが交換
となり、掘削ロッドを引き抜き、再挿入するに際して、
再挿入時に、ジャイロスコープが計測した姿勢角度及び
ジャイロスコープが取り付けられた管の挿入量から、ジ
ャイロスコープ位置を演算・決定し、これを積算するこ
とにより位置を決定することが出来る。そして、再挿入
時には、一度に現掘削位置まで挿入するので、掘削時の
様に（微小な）誤差が積算されて大きな誤差となってし
まうことが防止出来る。

【００１８】この様な掘削位置検出方法及び装置と本発
明とを組み合わせれば、ローリング角を解消することが
出来るので、ローリング角による誤差の発生が無い。ま
た、ビット交換をして掘削ビットを再挿入する度に誤差
が解消されて、正確な位置が決定されるので、現掘削位
置に関するデータを訂正・更新も可能となる。従って、
掘削距離が長くなっても、常に正確な掘削位置を決定出
来るのである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施形態を説明する。図１は、本発明の水平コント
ロールボーリング装置の全体構成を示している。図にお
いて、符号１０は、後記の図２及び図３にて説明する掘
削装置を示し、その他端（坑外）には、掘削装置１０を
作動するボーリングマシン２０が設置され、油圧ユニッ
ト２２及び水ポンプ２３、そして中央制御盤３１、操作
ユニット３２、及びコンピュータ３３で構成される制御
ユニット３０が設置されている。

【００２０】掘削装置１０は、図２に示すように外管
（ケーシング）７内に内管（削孔ロッド）１１が挿入さ
れ、その内管１１の先端部（図の右方）には、掘削ビッ
ト（図示例では拡径ビットが示されている）１を取り付
けた駆動装置（例えば、循環流体を原動力としたダウン
ホールモータ）２が設けられている。内管１１と外管７
とは、図４に示すように、キー溝７ａに追従用キー９が
係止され、軸方向の相対移動可能でかつ回転方向の相対
回動不可に係合されており、推力を伝達するように構成
されている。

【００２１】したがって、掘削ビット１を回転駆動する
ことにより穿孔が行われ、外管７には回転は与えられ
ず、また、外管７と内管１１とは、ボーリングマシン２
０の駆動により個々に軸方向（掘進方向）に移動でき
る。

【００２２】そして、図３に示すように内管１１の駆動
装置２の後方には、ダンパー部３、クラッチ部４、及び
ジャイロ部５が構成されており、ジャイロ部５のジャイ
ロスコープによる（ローリング・ピッチング・ヨーイン
グの）計測信号は、伝送部６を介してケーブル１３によ
って制御ユニット３０に伝送されている。ダンパー部３
には多数の弾性体と樹脂材とが積層されて構成された緩
衝部材が挿入されており、掘削ビット１による掘削の際
に生じる衝撃がジャイロスコープに伝達されないように
されている。また、クラッチ部４は、ボーリングマシン
２０側からと駆動装置２側からとの回転伝達を接続・遮
断する機能を有している。

【００２３】図２に戻って、外管７の先端内径部には、
テーパ状に内方に突出した制御ウエッジ８が形成されて
おり、内管１１に偏心を与えるようになっている。この
制御ウエッジ８は、図５の断面図に示すように、半月状
に突設されたもの、あるいは図６に示すように、偏心円
８Ａで形成されたもののいずれでもよいが、偏心円状８
Ａの方が（直角方向の）ガタがなく好ましい。

【００２４】制御ユニット３０は、図１に示すように、
油圧ユニット２２で発生させた油圧によって運転制御さ
れるボーリングマシン２０の操作を主に行う操作ユニッ
ト３２と、ジャイロスコープの姿勢検出信号や掘削装置
１０の挿入量などの信号を受信して掘削位置をリアルタ
イムで計測しディスプレイする掘削位置測定手段、ある
いは後記する軌道修正の制御を行う軌道修正手段を含む
種々の制御を行う中央制御盤３１及びコンピュータ３３
とが主な構成である。

【００２５】図７にコンピュータ３３のディスプレイに
表示される計測画面の一例が示されている。掘削位置の
座標、計画線に対する掘削のズレなどの表示と共に、各
種機器類の運転状態などが表示され、この情報をもとに
エンジニアが操作指示を行う。勿論、各制御は、自動、
手動のいずれであってもよい。

【００２６】以下、図８〜図１３を参照し、掘進の態様
を説明する。まず、直線掘削時を、図８を参照して説明
する。図は、掘削装置１０の先端部を示しており、符号
Ｄは回転部、符号Ｆは非回転部を示している。まず、外
管７のキー溝７ａに内管１１のキー９をセットし、駆動
装置（ダウンホールモータの場合は水を送って）を駆動
して掘削ビット１を回転（Ｒ）させ、掘進する。そし
て、外管７と内管１１とをボーリングマシン２０で同時
に押し込む（Ｐ、Ｑ）。

【００２７】したがって、外筒７は、掘削ビット１に追
従して大きな押圧力を必要とせず、かつ偏心回転がない
ので地山の損傷が少なく、掘進することができる。そし
て、掘進位置は、ジャイロスコープの姿勢（ローリング
・ピッチング・ヨーイング）の検出及び挿入量から制御
ユニット３０において逐次積分して求め、リアルタイム
でコンピュータ３３に表示して制御する。

【００２８】次に、図９〜図１３を参照し、方向修正に
ついて説明する。ジャイロスコープによる計測結果はリ
アルタイムで表示されており、軌道修正が必要となった
場合、まず内管１１を引き込む（Ｑ１）。この際、拡径
ビットは閉じて外管７内に引き込まれる（図９）。そし
て、ボーリングマシン２０で外管７を回動（Ｒ１）さ
せ、ウエッジ８の位置を変える（図１０）。

【００２９】次に、内管１１全体を回動（Ｒ２）させ、
内管のキー９と外管のキー溝７ａとを合わせて押し出す
（Ｑ２）と、内管１１の先端部は外管内径部の制御ウエ
ッジ８によって偏心し、拡径ビット１は開いて押し出さ
れる（図１１）。さらに、クラッチを切って内管（の後
部）１１を回動（Ｒ３）しジャイロスコープの計測許容
範囲に入れてクラッチを繋ぐ。このとき制御ウエッジ８
の位置がコンピュータに記憶される（図１２）。

【００３０】そして、駆動装置２によって掘削ビット１
を駆動（Ｒ４）し、内管１１と外管７とをボーリングマ
シン２０で押し込んで行く（Ｐ４、Ｑ４）と、制御ウエ
ッジ８とは反対（矢印Ｔ）方向に軌道修正される（図１
３）。こうして、位置検出手段により掘削位置を把握し
て掘削を続ける。

【００３１】次に、図１４〜図２８を参照して、本発明
と好適に組み合わせることが出来る掘削位置検出方法及
び装置について説明する。図１５において、掘削位置検
出装置全体は多重管Ｂと、該多重管Ｂの先端の回転部で
ある掘削ビット１と、ボーリングマシンＥとを含む掘削
装置Ａと、制御装置Ｃを含む掘削位置検出装置と、前記
掘削装置Ａと前記制御装置Ｃを接続する信号線Ｌ、とか
ら構成されている。

【００３２】図１６は図１５のＦ部（掘削ロッドＤと先
端部１との総称：ここで「掘削ロッドＤ」とはモータ収
納部２、ダンパ部３、クラッチ部４、ジャイロ収納部
５、非回転伸張部６の総称である）を拡大した前記掘削
ビット１と多重管Ｂの構成を示す部分断面概要図であ
る。

【００３３】図１６において、多重管Ｂは前記先端の掘
削ビット１から、後方（図示しない地上側）へ順に、掘
削ビット１を回転されるためのモータの収納部２、掘削
時等に加わる衝撃を緩和するためのダンパ部３、ボーリ
ングマシンＥの前記掘削ビット１への回転力を断接する
ためのクラッチ部４、ジャイロスコープ５１（図１７）
を収納するジャイロスコープ収納部５、伝送ユニット収
納部等を含む非回転伸長部６（上述した様に、上記部材
２、３、４、５、６が、掘削ロッドＤを構成している）
が設けられている。そして外管７が、上記部材２、３、
４、５、６（掘削ロッドＤ）を覆っている。

【００３４】図１７、図１９、図２１において、ジャイ
ロスコープ収納部５にはジャイロスコープ５１が収納さ
れている。明確には示されていないが、ジャイロスコー
プ５１はジャイロスコープ収納部５に固定されており、
ジャイロスコープ収納部５（及びジャイロスコープ５
１）は、掘削装置Ａにより、（クラッチ部４が断切状態
であれば）外官７内で当該外官７に対して回転すること
が出来る。ここで、ジャイロスコープ収納部５は「外側
から２番目の管」に該当し、ジャイロスコープ５１は
「外側から２番目の管に取り付けられたジャイロスコー
プ」に相当する。

【００３５】前記クラッチ部４は、例えば、ダンパ３側
の雌スプライン４３（図１８）と、ジャイロスコープ収
納部５側の雄スプライン４５（図１８）とにより構成さ
れている。クラッチ部４は、図示しない手段による非回
転伸長部６の伸長・縮退動作によって、接続或いは断切
される構成である。なお、図１６では、クラッチが接続
された状態を示している。

【００３６】次に、ジャイロスコープ５１（図１７、図
１９）を用いた掘削位置の検出メカニズムについて、説
明する。図１５、図１６、図１８、図２０において、掘
削装置Ａの先端の掘削ビット１からジャイロスコープ収
納部５までは機能上、剛体に近い剛性を有するものであ
り、当然掘削ビット１からジャイロスコープ５１（図１
５、図１６、図１８、図２０においてはジャイロ収納部
５のみを示す）までの距離も決定されている。一方、詳
細を図１７、図１９、図２１で示すジャイロスコープ５
１は、ローリング、ピッチング、ヨーイングの３軸の角
度を検出するもので、明確には図示されてはいないが、
ジャイロ姿勢角度（単位時間での水平面での方角及び水
平に対するジャイロの傾き角の総称）は、常に記録出来
るように構成されている。 掘削開始時点の位置を認識
しておれば、単位時間毎の前記掘削ロッドＤの送り量と
前述の姿勢角度との積を積分することにより、ジャイロ
スコープ５１の位置、即ち掘削ビット１の位置を特定出
来る。

【００３７】実際に掘削作業を進める場合、掘削ビット
に近い場所では、掘削による反動トルクと、掘削ビット
１とモータ収納部２との間の摩擦とにより、掘削ロッド
Ｄは捩じられてしまい、外管７とは回転位相差、即ちロ
ーリング角α（図１９、図２１）が生じてしまう。

【００３８】掘削抵抗による反動トルクの大小と、ジャ
イロ５１のローリング角αとの関係について、図１６〜
図２１を用いて説明する。前述の図１６は、通常掘削時
で掘削抵抗による反動トルクが小さな場合の状態を示す
ものである。この場合におけるジャイロスコープ収納部
５のＸ１-Ｘ１断面 を図１７に示す。なお、掘削ビット
１の回転方向は、図１８の矢印Ｇで示す。

【００３９】図１７（通常掘削時で掘削抵抗による反動
トルクが小さな場合におけるジャイロスコープ収納部５
の横断面）において、外管７の内部には、管状のジャイ
ロスコープ収納部５が、当該外管７と相対回転自在に収
納されている。ここで、回転方向の基準位置５５は、管
状のジャイロスコープ収納部５において、図１７中真上
の位置に配置されている。ジャイロスコープ収納部５内
には、図示せぬ手段によって支持された状態で、ジャイ
ロスコープ５１が収納され配置されている。図１６、図
１７で示す場合、すなわち通常掘削時で掘削抵抗による
反動トルクが小さな場合には、管状のジャイロスコープ
収納部５には捩れが生じないので、前記基準位置５５は
図１７中で真上に位置したままである。

【００４０】次に、掘削時で掘削抵抗による反動トルク
が大きな場合は、図１８、図１９（図１８のＸ２-Ｘ２
断面）で示されている。 図１８において、クラッチ部
４は図１６と同様に接続状態である。上述した通り、図
１８の状態では掘削ビット１に発生した反動トルクが大
きいので、掘削ビット１とモータ収納部２との間の抵抗
によって、クラッチ部４のダンパ側（ビット１側）の雌
スプライン４３にも、捩れによる回転変位（或いはロー
リング角）αが生じてしまう。尚、図１８においても、
掘削ビット１の回転方向は矢印Ｇで示されている。

【００４１】ここで、クラッチは接続状態にあるので、
前記クラッチ部４のジャイロスコープ側の雄スプライン
４５及びジャイロスコープ収納部５も、図１９で示す様
に、回転変位αを生じる。ジャイロスコープ５１おい
て、この回転変位αすなわちローリング角αが一定以上
になると、ジャイロスコープ５１によるジャイロ姿勢角
度の検出精度が悪化してしまい、掘削位置の検出精度も
低下してしまう。これに対して図示の実施形態では、図
２０、図２１を参照して説明する態様にて、ジャイロス
コープ５１のローリング角を解消するべく修正を行う。

【００４２】図２０において、図示しない手段により非
回転伸長部６が縮退動作をおこない、そのためダンパ３
側の雌スプライン４３とジャイロスコープ側の雄スプラ
イン４５は接続が解かれ、クラッチ部４は断切状態とな
って、スプライン４３と４５とは相対回転自在となる。
雌スプライン４３と雄スプライン４５とが相対回転自在
となれば、掘削ビット１と掘削地盤との摩擦の影響を受
けること無く、ジャイロスコープ５１と共にジャイロス
コープ収納部５を、地上側から掘削装置Ａ（或いはボー
リングマシンＥ）により回転することが可能となる。従
って、クラッチ部４が断切状態となる直前（図１９の状
態）のローリング角αの状態から、図２１の矢印ＣＣＷ
で示す方向へ、ジャイロスコープ収納部５を（ジャイロ
スコープ５１と共に）回転して、掘削位置の決定に誤差
を与える原因となるローリング角αを解消することが出
来る。

【００４３】明確には示されていないが、地上側からジ
ャイロスコープ収納部５を（ジャイロスコープ５１と共
に）回転する機構として、例えば、掘削装置Ａを用い
て、ローリング角αを解消する回転ＣＣＷを与えれば良
い。

【００４４】ジャイロスコープ５１の検出結果に基づい
て、ローリング角αが許容値以上になったことが判明し
た場合には、図２０で示す様にクラッチ４を切り、掘削
装置Ａ（図１５）により、ジャイロスコープ収納部５及
びジャイロスコープ５１を、ローリング角αを解消する
方向へ回転する。これにより、掘削ビット１の回転動作
及び掘削地盤との摩擦に起因して生じたローリング角α
を除去して、ジャイロスコープ位置の検出精度を向上す
ることが出来る。ローリング角αが解消したならば、再
度図示しない手段によって掘削ロッドＤを伸長し、クラ
ッチ４を接続し（雌スプライン４３と雄スプライン４５
とで最も近い歯同士を組み合わせて）、再び掘削作業を
続行する。

【００４５】図２２では、掘削ビット１の交換時に、ジ
ャイロスコープ位置の修正、即ち、座標の補正を行う態
様を示している。以下、図２２を参照して、座標補正手
順を説明する。

【００４６】図２２の（イ）は、通常掘削時の状態を示
す。通常掘削に際しては、掘削作業中における単位時間
毎に、前記掘削ロッドＤの送り量と前述の姿勢角度との
積から当該単位時間における掘削ビットの位置変化を決
定し、その変化量を積分すれば、ジャイロスコープ５１
の位置、即ち掘削ビット１の位置を決定している。上述
した通り、掘削ビット１の回転により微細な誤差が生
じ、その誤差が積分されて所謂「積分誤差」が発生して
しまうが、通常の掘削時において当該積分誤差を解消す
ることは困難である。

【００４７】これに対して、図示の実施形態では、図２
２（ロ）、（ハ）、（ニ）で示す処理により、上述した
積分誤差を解消して、掘削位置の座標を補正している。
図２２（ロ）の段階では、所定の掘削時間が経過したた
め、掘削ビット１を交換するべく、掘削ロッドＤを引き
抜く。そして、図２２（ハ）で示す様に、掘削ビット１
を交換した後に、掘削ロッドＤを挿入する。

【００４８】ここで、掘削ロッドＤの挿入に際して、単
位挿入量と姿勢角よりロッドＤ或いは掘削ビット１の変
位量が計算され、計算された変位量を積分することによ
り、ロッドＤ或いは掘削ビット１の位置が決定される。
そして、掘削ビット１交換後の掘削ロッドＤ再挿入の場
合には、掘削ビット１の回転掘削は行われないので、挿
入量と姿勢角度の積或いはその積分値に誤差が生じる恐
れが無い。すなわち、図２２（イ）の通常掘削時とは異
なり、図２２（ハ）の再挿入時には、掘削ビット１の回
転による微細な誤差は生じないので、挿入量と姿勢角度
の積による位置決定が極めて高精度に行われる。

【００４９】図２２の（ニ）では、掘削ビット交換前の
位置（図２２の（イ）の位置）まで、掘削ビット１及び
掘削ロッドＤを挿入（再挿入）した状態を示している。
図２２（ハ）でも述べた様に、再挿入時には掘削ビット
１の回転による微細な誤差は生じない。従って、掘削ビ
ット１及び掘削ロッドＤの所定挿入量（予め定められた
最小単位の挿入量）と姿勢角度の積算値を求め、当該積
算値を積分することにより、掘削ビット１及び掘削ロッ
ドＤの位置が、正確に決定されるのである。

【００５０】図２２（イ）の段階で決定された掘削ビッ
ト１及び掘削ロッドＤの位置は、掘削ビット１の回転に
よる微小誤差が積分されたものを包含しているので、不
正確である。図２２（ニ）の段階で掘削ビット１及び掘
削ロッドＤの正確な位置が定されたならば、地上側の制
御装置Ｃ（図１５）に記憶された不正確な位置データ
（図２２（イ）の段階の位置データ）を、図２２（ニ）
の段階の正確なデータに補正する。具体的には、誤差を
含んだ座標データを図２２（ニ）の段階で決定された正
確な座標データに補正する。

【００５１】図１５−図２２を参照して説明した掘削位
置検出システムについて、図１４をも参照して、さらに
説明する。図１４のフローチャートにおいて、スタート
し、ステップＳ１においてクラッチ４を繋ぎ（クラッチ
ＯＮ）、ステップＳ２に進み、掘削作業の開始と共に掘
削距離の計測が行われ、次のステップＳ３においてジャ
イロスコープ５１（図１７、図１９、図２１）により掘
削ロッドＤのローリング角が検出される。

【００５２】次にステップＳ４に進み、制御装置Ｃによ
りローリング角が許容範囲以内か否かが判断される。許
容範囲以内であれば（ステップＳ４においてＹＥＳ）、
ステップＳ８に進み、許容範囲を超していれば（ステッ
プＳ４においてＮＯ）、ステップＳ５に進む。

【００５３】ステップＳ５では、制御装置Ｃは作業を終
了するか否かを判断して、終了する場合は（ステップＳ
５においてＹＥＳ）、制御を完了する。制御を終了しな
いのであれば（ステップＳ５においてＮＯ）、ステップ
Ｓ６に進む。ステップＳ６ではクラッチ４を切り（クラ
ッチＯＦＦ）、そしてステップＳ７に進む。ステップＳ
７では、図２０、図２１を参照して前述した態様で、許
容範囲以上のローリング角を解消する。すなわち、掘削
装置Ａ或いはボーリングマシンＥによってジャイロスコ
ープ収納部５を（ジャイロスコープ５１と共に）回転
し、以ってローリング角（図１９、図２１において、符
号「α」で示す角度）を解消し、或いはジャイロスコー
プ５１で検出されるローリング角を許容範囲内に戻す。
そして、ステップＳ２に戻る。

【００５４】ステップＳ４においてジャイロスコープ５
１で検出されたローリング角が許容範囲内であれば、例
えば制御装置Ｃにより、掘削ビット１の交換が必要か否
かを判断する。掘削ビット１の交換が必要でない場合
（ステップＳ８においてＮＯ）、ステップＳ２に戻る。
一方、掘削ビット１の交換が必要な場合（ステップＳ８
においてＹＥＳ）、ステップＳ９に進み、掘削ロッドＤ
を引き抜く（図２２（ロ）参照）。そして、掘削ビット
１を交換し（ステップＳ１０）、ステップＳ１１に進
む。

【００５５】ステップＳ１１では、図２２（ハ）、
（ニ）で説明した様に、掘削ロッドＤを挿入しながら、
挿入量及び姿勢角度の積算値を積分することにより、掘
削ビット１及び掘削ロッドＤの位置を計測する。掘削ビ
ット１及び掘削ロッドＤをビット交換前の位置に戻した
ならば座標データを補正し、ステップＳ１２に進む。ス
テップＳ１２では制御装置Ｃは作業を終了するのか否か
を判断する。作業を終了する場合（ステップＳ１２にお
いてＹＥＳ）には、掘削ビット１及び掘削ロッドＤの位
置座標を補正した（ステップＳ１３）後、制御を終了す
る。作業を終了しないのであれば（ステップＳ１２にお
いてＮＯ）、ステップＳ１４に進む。

【００５６】この様に構成することにより、ロッドＤの
再挿入時には誤差の累積が無いため、再挿入時に挿入量
と姿勢角度の積算値を積分することにより、正確な位置
が決定されるので、ビット１及びロッドＤの現在位置に
関する座標データを訂正・更新も可能となる。また、ビ
ット交換の度に誤差が解消されて、掘削距離が長くなっ
ても、常に正確な位置決めが可能である。

【００５７】ステップＳ１４以下の工程では、上述した
ステップＳ５−Ｓ７と同様な処理を実行する。すなわ
ち、制御装置Ｃはジャイロスコープ５１で検出されるロ
ーリング角が許容範囲以内であるか否かを判断し（ステ
ップＳ１４）、許容範囲以内であれば（ステップＳ１４
においてＹＥＳ）、ステップＳ１１に戻る。

【００５８】一方、計測されたローリング角が許容範囲
を超えれば（ステップＳ１４においてＮＯ）、ステップ
Ｓ１５に進む。ステップＳ１５では、クラッチ４を切り
（クラッチＯＦＦ）、ステップＳ１６に進み、ボーリン
グマシンＥで掘削ロッドＤを回し、ジャイロ５１を計測
許容範囲以内に戻し、ステップＳ１１に戻る。

【００５９】次に、多数の弾性体と樹脂材とを積層して
構成された緩衝部材を有するダンパ部３について、図２
３〜図２８を用いて説明する。 図２３のダンパ部品組
付け図において、前述の外管７（図２３では図示しな
い）に内接して、内管３１（掘削ロッドＤの全長に及
ぶ）が設けられ、該内管３１のダンパ部３の図中左端に
は図示せぬモータ収納部２を取り付ける接続金具３２が
外周面に設けられたねじで係合され、該接続金具３２の
図中右端にはスプリングシート３３が当接している。

【００６０】図２４に示すように該スプリングシート３
３には円周部と平面部よりなるシート面３３ｂが形成さ
れており、このシート面に緩衝材の一つであるコイルス
プリング３４の左端面が当接されている。図２３におい
て、該コイルスプリング３４の右端面には図２５に詳細
を示すように、フランジ３５ａ、シート面３５ｂ、スリ
ーブ３５ｃ、雌インロー３５ｅよりなる管状体の第一の
フランジ付き緩衝材シート３５の前記シート面３５ｂが
当接されている。

【００６１】図２３で、前記第一のフランジ付き緩衝材
シート３５の雌インロー３５ｅには、図２６に詳細を示
すように、フランジ３６ａ、シート面３６ｂ、スリーブ
３６ｃ、雄インロー３６ｄ、雌インロー３６ｅよりなる
管状体における第二のフランジ付き緩衝材シート３６の
雄インロー３６ｄが緩く嵌合されている。

【００６２】図２３において、前記第一のフランジ付き
緩衝材シート３５におけるフランジ３５ａの外周面と、
第二のフランジ付き緩衝材シート３６におけるスリーブ
３６ｃの外周面には、夫々、図２８に詳細を示すよう
に、シート面３９ａ、スリーブ３９ｂ、雄インロー部３
９ｃ、内径面３９ｄよりなる連続付き合わせ管状体３９
のスリーブ３９ｂの内周面と、内径面３９ｄとに緩やか
に嵌合され、軸方向に摺動自在に組付けられている。

【００６３】また、前記第一のフランジ付き緩衝材シー
ト３５の雌インロー３５ｅには第二のフランジ付き緩衝
材シート３６の雄インロー３６ｄが緩く嵌合されてい
る。第二のフランジ付き緩衝材シート３６（組付け順に
３６イ、３６ロ、３６ハ、３６ニ）が互いに、雌インロ
ー３６ｅ、と雄インロー３６ｄとによって互いに嵌合し
合っている。一方、図示では組付け順に３９イ、３９
ロ、３９ハ、３９ニ、３９ホの５個の前記連続付き合わ
せ管状体３９が雄インロー３９ｃとスリーブ３９ｂの内
壁とによって互いに嵌合し合っている。尚、最右に位置
する管状体３９ホの雄インロー３９ｃと前記内管３１の
堰３１ａの内径側が係合し、連続付き合わせ管状体３９
の集合体の左行を阻止している。

【００６４】前記第二のフランジ付き緩衝材シート３６
（３６ニ）の雌インロー３６ｅと、図２７に詳細を示す
ように、中央フランジ３７ａ、シート面３７ｂ、スリー
ブ３７ｃ、雄インロー３７ｄ、延長軸部３７ｆよりなる
管状体の第三のフランジ付き緩衝材シート３７の雄イン
ロー３９ｄとが緩やかに嵌合している。

【００６５】前記管状体３９のシート面３９ａと前記第
二のフランジ付き緩衝材シート３６のシート面３６ｂと
の間、若しくは前記管状体３９のシート面３９ａと前記
第三のフランジ付き緩衝材シート３７のシート面３７ｂ
との間には樹脂製の緩衝材３８が５箇所で挟持されてい
る。

【００６６】前記第三のフランジ付き緩衝材シート３７
の延長軸部３７ｆは図示しないクラッチ４の本体と摺動
自在に嵌合されており、図示しない手段によって図面上
左右方向に伸長・縮退可能に構成されている。

【００６７】かかる構成によれば、クラッチ部４、ジャ
イロスコープ収納部６を介して非回転伸長部６の伸長運
動や、掘削ビット１からの過大な衝撃力を受けた場合に
は、前記コイルスプリング３４と複数の樹脂製の緩衝材
３８が撓むことにより、衝撃力は緩和され、位置検出時
に影響を及ぼさない。この場合、樹脂製の緩衝材の数を
増すことにより衝撃力を分散することが出来、より衝撃
緩和効果を高められる。

【００６８】図１４〜図２８を参照して説明した掘削位
置検出方法及び装置によれば、誤差の累積が無く、正確
な位置が決定出来る。そして、再挿入時に正確な位置が
決定されるので、現掘削位置に関するデータを訂正・更
新も可能となる。また、上記掘削位置検出方法及び装置
によれば、ビット交換の度に誤差が解消されて、掘削距
離が長くなっても、常に正確な位置決めが可能である。
さらに、複層の樹脂製の緩衝材を用いたダンパによっ
て、掘削時等の衝撃が緩和され、位置検出時への影響を
無くすことが出来る。

【００６９】

【発明の効果】本発明は、以上説明した構成により、以
下に列挙する様な優れた効果を奏するものである。 （１） 掘削削位置がリアルタイムで把握でき、計画に
対し誤差を生じた場合に容易に軌道修正ができていちい
ち引き戻す必要がない。 （２） 外管（ケーシング）が回転しないので地山を痛
めない。 （３） したがって、長尺ボーリングを正確に施工でき
る。 （４） また、複層の樹脂製の緩衝部材材を用い、掘削
時等の衝撃が緩和され、位置検出時への影響を無くすこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示す図。

【図２】掘削装置を示す断面図。

【図３】掘削装置の詳細を示す断面図。

【図４】キーを示す図２のａ−ａ断面図。

【図５】制御ウエッジを示す図２のｂ−ｂ断面図。

【図６】制御ウエッジの他の実施形態を示す断面図。

【図７】計測画面の一例を示す図。

【図８】直線掘削時を説明する図。

【図９】方向修正時に内管を引き込んだ状態を説明する
図。

【図１０】外管を回しウエッジの位置を変えた状態を説
明する図。

【図１１】内管を回動しキーを合わせ外管から押し出す
状態を説明する図。

【図１２】クラッチを切って内管を回転しジャイロ計測
範囲に入れる状態を説明する図。

【図１３】ビットを駆動し軌道修正をしている状態を説
明する図。

【図１４】本発明と組み合わせて用いられる掘削位置検
出方法の計測・制御フローチャートを示す図。

【図１５】本発明と組み合わせて用いられる掘削位置検
出装置の全体構成図。

【図１６】掘削ビットを含む多重管の概要図であって、
掘削抵抗により外管に捩れが生じていない場合の状態
図。

【図１７】図１６のＸ１-Ｘ１断面図。

【図１８】掘削ビットを含む多重管の概要図であって、
掘削抵抗により外管に捩れが生じている場合の状態図。

【図１９】図１８のＸ２-Ｘ２断面図。

【図２０】掘削ビットを含む多重管の概要図であって、
ジャイロ修正時の状態図。

【図２１】図２０のＸ３-Ｘ３断面図。

【図２２】回転方向の座標を補正する手順を示す図。

【図２３】本発明と組み合わせて用いられる掘削位置検
出装置のダンパ部の部分断面詳細図。

【図２４】ダンパ部の構成部品であるスプリングシート
の断面詳細図。

【図２５】ダンパ部の構成部品である第一のフランジ付
き緩衝材シートの断面詳細図。

【図２６】ダンパ部の構成部品である第二のフランジ付
き緩衝材シートの断面詳細図。

【図２７】ダンパ部の構成部品である第三のフランジ付
き緩衝材シートの断面詳細図。

【図２８】ダンパ部の構成部品である連続付き合わせ管
状体の断面詳細図。

【符号の説明】

１・・・掘削ビット ２・・・モータ ３・・・ダンパ部 ４・・・クラッチ部 ５・・・ジャイロ収納部 ６・・・伝送部 ７・・・外管 ８・・・制御ウエッジ１０・・・掘削装置 ２０・・・ボーリングマシン ３０・・・制御ユニット ３１・・・中央制御盤 ３２・・・操作ユニット ３３・・・コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 593024782 住鉱コンサルタント株式会社 東京都新宿区歌舞伎町２−16−９ (72)発明者 北 川 修 三 東京都千代田区永田町二丁目14番２号 日 本鉄道建設公団内 (72)発明者 上 村 隆 三 東京都千代田区三崎町二丁目５番３号 鉄 建建設株式会社内 (72)発明者 宮 崎 亮 司 東京都千代田区三崎町二丁目５番３号 鉄 建建設株式会社内 (72)発明者 山 崎 多賀一 東京都千代田区三崎町二丁目５番３号 鉄 建建設株式会社内 (72)発明者 佐 藤 知 則 東京都港区元赤坂一丁目６番４号 ケミカ ルグラウト株式会社内 (72)発明者 根 本 徹 東京都新宿区歌舞伎町二丁目16番９号 住 鉱コンサルタント株式会社内 (72)発明者 川 西 繁 東京都新宿区歌舞伎町二丁目16番９号 住 鉱コンサルタント株式会社内 Ｆターム(参考） 2D029 DA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジャイロスコープを利用して掘進方向を
   検出し、掘削位置を計測してボーリングを行う水平ボー
   リング工法において、少なくとも内管と外管とからなる
   ２重以上の多重管で構成し、その内管を外管に対して軸
   方向の相対移動可能でかつ回転方向の相対回転不可に追
   従用キーを介して係合し、外管の先端内径部に内管を偏
   心させるウエッジを突設し、内管の先端部に掘削ビット
   を駆動する駆動装置を取り付けて、その掘削ビットを駆
   動して掘進し、内管の前記駆動装置の後方にクラッチを
   介して姿勢変化を検出するジャイロスコープを取り付
   け、そのジャイロスコープの姿勢検出信号と挿入量とか
   ら掘削位置をリアルタイムで測定し、掘削位置が所定範
   囲から外れたら内管を引き戻し追従用キーによる外管と
   の係止を解除し、クラッチを切って外管と内管とをそれ
   ぞれ回動して内管を押し出し、掘削ビットを前記外管先
   端部のウエッジによって偏心させて内管と外管とを係合
   し、軌道を修正して掘削を行うことを特徴とする水平コ
   ントロールボーリング工法。
2. 【請求項２】 ジャイロスコープを利用して掘進方向を
   検出し、掘削位置を計測してボーリングを行う水平ボー
   リング装置において、少なくとも内管と外管とからなる
   ２重以上の多重管で構成し、その内管は外管に対して軸
   方向の相対移動可能でかつ回転方向の相対回動不可に追
   従用キーを介装して係合し、外管の先端内径部には内管
   を偏心させるウエッジを突設し、そして内管の先端部に
   掘削ビットを駆動する駆動装置を取り付け、その駆動装
   置の後方にクラッチを介装して姿勢変化を検出するジャ
   イロスコープを取り付け、そのジャイロスコープの姿勢
   検出信号と挿入量とから掘削位置をリアルタイムで測定
   する掘削位置測定手段と、掘削位置が所定範囲から外れ
   たら内管を引き戻して追従用キーによる外管との係合を
   解除し、クラッチを切って外管と内管とをそれぞれ回動
   し、内管を再び押し出して内管を前記ウエッジで偏心さ
   せて前記キーで外管に係合する軌道修正手段とを設けて
   いることを特徴とする水平コントロールボーリング装
   置。
3. 【請求項３】 前記駆動装置とクラッチとの間に多数の
   弾性体と樹脂材とを積層して構成された緩衝部材を設け
   ている請求項２の水平コントロールボーリング装置。