JP2005098048A - 岩盤掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬質な岩盤等に直径数ｍの縦孔を掘削する場合に、岩盤の状況に応じて、種々の中間径の掘削を繰返しながら、最終掘削径の縦孔を掘削することができる岩盤掘削装置を提供する。
【解決手段】 ケーシングチューブの下端に着脱自在に装着される刃物装置１０は複数種の掘削径に対応する拡縮刃物群４０、５０を備え、拡縮刃物群４０、５０は掘削径に応じてビット４１、５１の掘削径を拡径するスイングアーム４２、４３を備え、スイングアーム４２、４３の下端を半径方向外側に向けて移動させる移動機構７０を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地表から直径数ｍの縦孔を地中に掘削する岩盤掘削装置に関する。

地中に基礎柱体を造成したり、ウエルまたはケーソンを沈設する場合に、従来、一般にグラブバケット等を用いて地盤を掘削する技術がある。

掘削する地層が硬質砂質や硬い岩盤の場合には、ハンマーグラブやグラブバケットによる掘削は作業能率が著しく低下する。

このような問題を解決するために、ドラグビットを下端に備えたケーシングを回転圧入してグローリーホールを掘削し、次いでこのケーシングに案内させた掘削翼によりグローリーホールの外周より外側の地盤を掘削し、掘削土砂をグローリーホール内に取込んで排出する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

この技術は掘削翼をらせん状に形成し、デイスクに取付けて、ケーシング外周に外嵌し、ケーシングをグローリーホールに挿入し、ケーシングに案内させて拡径掘削する。拡径掘削部の掘削土砂は、拡径掘削部に設けられたらせん翼により中央に集められ、グローリーホール内に取込まれ、ハンマーグラブ等によりグローリーホールを経て排出される。この技術では掘削孔径が異なると孔径毎に別の掘削翼を準備する必要がある。

また、井筒を地中に沈下させる場合に、井筒の刃先下を効率よく掘削する装置もある（例えば、特許文献２参照。）。

この技術は、ドリルケーシングの下端外周部に拡径翼を取付け、ドリルケーシングの下端拡径翼の側部及び底部に掘削刃を取付け、ドリルケーシングを回転させて井筒刃先下の地盤を掘削し、井筒の沈下量を制御しながら井筒を沈下させ、掘削土砂はドリルケーシング内からハンマーグラブで排出するものである。この技術は井筒沈設法に専ら用いられるもので、水平方向に水平面内で拡縮する拡径翼を取付け、井筒の刃先下面を掘削するように拡径寸法を調整できるが硬い岩石を掘下げるのには適していない。

また、中空パイプとその下部に取付けた掘削翼とを回転させて地盤を掘削し掘削土砂をパイプ内で排土装置により地上に排出する竪孔掘削装置及び工法がある（例えば、特許文献３参照。）。

また、ケーシングパイプの下端に面板を取付け、その下面に複数の切削刃を取付けた掘削装置を備え、ケーシングパイプと面板とを回転させてケーシングパイプ内を通して掘削土砂を排出する工法及び装置がある。（例えば、特許文献４参照。）。

特許文献３、４の装置は何れも拡径掘削装置の径は決まっており、岩盤の状況に応じて種々の中間径の掘削を繰り返しながら掘削することはできない。
特許第２６７４７３４号公報（第２−４頁、図２） 特開平１０−３１７３７６号公報（第２−６頁、図１） 特許第２８６２４２８号公報（第２−３頁、図１） 特許第３４２０１１５号公報（第２−３頁、図１）

本発明は硬質な岩盤等に直径数ｍの縦孔を掘削する場合に、岩盤の状況に応じて、種々の中間径の掘削を繰返しながら、最終掘削径の縦孔を掘削することができる岩盤掘削装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、地表から直径数ｍの縦孔を地中に掘削する装置であって、中心孔を先行掘削するケーシングチューブと、該ケーシングチューブの下端に着脱自在に装着される刃物装置とから成り、該刃物装置は複数種の掘削径に対応する拡縮刃物群を備えたことを特徴とする岩盤掘削装置である。

本発明の装置を使用するに当っては、ケーシングチューブは例えば直径１〜２ｍφの中心孔（パイロットホール）を先行掘削する。このケーシングチューブは、地上に軸回転装置を備えている。そして、ケーシングチューブの下端に刃物装置を取りつけ、ケーシングチューブ内をハンマーグラブが上下に往復して掘削土砂を排出するものである。

拡縮刃物群は掘削径に応じてビットの掘削径を拡径するスイングアームを備え、このスイングアームの下端をケーシングチューブの半径方向外側に向けて移動させる移動機構を備えたものとすればよい。

さらに、前記ビットの掘削位置における地盤に対する掘削姿勢を常に一定にする姿勢制御機構を備え、拡縮位置に拘らず地盤を正常に掘削できるようにすると掘削能率の向上、掘削ビットの損傷防止に寄与し、好ましい。

ケーシングチューブ下端にケーシングチューブと同径の着脱自在な中心円筒を備え、この中心円筒の外周に拡縮刃物群を固定し、岩盤の硬さに応じてこの拡縮刃物群の拡径寸法を調整してケーシングチューブの外径より大きい第２段、第３段の内径の中間径の孔を掘削する。最後に最終段の内径の孔を掘削する。

スイングアームは例えば同一拡径寸法を有するアームを３本１組とし、中心円筒の外周に中心角１２０度ごとに配置する。これと拡径寸法の異なる別の組の３本も中心円筒の外周の別の位置に中心角１２０度ごとに配置する。これらの拡径ビットが拡径したとき、各ビットの刃先が上向に広がった円錐面上に位置するようにするとよい。掘削土砂が順次中央に寄せられ、中心円筒の下端には掘削土砂を先行中心孔に進入させる切欠を設ける。

掘削土が中央に集まるように刃物面を中央寄りが低くなるように傾斜をつける。

本発明によれば、硬質な岩盤等に直径数ｍの縦孔を掘削する場合に、岩盤の状況に応じて、種々の中間径の掘削を繰返しながら、最終掘削径の縦孔を掘削することができるという優れた効果を奏する。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１４に本発明装置の性能試験用の装置の全体図を示した。地中に形成したコンクリート３１０を硬い岩盤に見立て、地上に作業用やぐら３００を組み立て、このやぐら３００上に回転駆動装置９０を載置する。先行中心孔３２０を掘削するためのケーシングチューブ８０が回転装置９０を上下に貫通して挿通されている。岩盤（岩盤に見立てたコンクリート３１０）中に先行中心孔３２０を掘削した後、図１４に示すように、ケーシングチューブ８０の下端に刃物装置１０を装着し、拡径された掘削孔２１を掘削する。

本発明の岩盤掘削装置１は、中心孔を先行掘削するケーシングチューブ８０と、このケーシングチューブ８０の下端に装着される刃物装置１０とから構成されている。刃物装置１０は刃物装置の中心円筒２０と、その外周に取付けられている拡縮刃物群とを主要構成体として構成されている。刃物装置の中心円筒２０はケーシングチューブ８０とほぼ同径の鋼管で、ケーシングチューブ８０の下端に着脱自在に装着される。刃物装置１０は複数種の掘削径に対応する拡縮刃物群を備えている。回転駆動装置９０はケーシングチューブ８０の外周を掴持してケーシングチューブ８０をその中心軸まわりに回転させる。

ケーシングチューブ８０の下端に刃物装置の中心円筒２０が取付けられている。この中心円筒２０はケーシングチューブ８０の下端に嵌め込み固定される。そしてその外周に、岩盤の硬さに応じて掘削すべき孔径に対応して拡縮する拡縮自在なアームから成る複数種の拡縮刃物群が装着されている。

図１は本発明の実施例の岩盤掘削装置の刃物装置１０の側面図である。図２は図１の底面図（図１のＡ−Ａ矢視図）、図３は図１の上面図（図１のＢ−Ｂ矢視図）、図４は図３のＤ−Ｄ矢視側面図である。ビット４１を下端に取付けた第１のスイングアーム４２、ビット５１を下端に取付けた第２のスイングアーム５２はそれぞれ拡縮刃物群４０、５０の拡径した状態を示している。ビット６１を下端に取付けた固定刃物群６０は刃物装置１０の中心円筒２０に固定されている。

刃物装置１０は、ケーシングチューブ８０（図１４参照）の下端に挿入固定されるオスカラー２１を上端に備えた中心円筒２０を有し、この中心円筒２０の外周にブラケット３０が取付けられ、このブラケット３０に拡径刃物群４０、５０が取付けられている。ケーシングチューブ８０を軸中心に回転させると刃物装置１０の中心円筒２０も同時に回転し、刃物装置１０は回転して岩盤を掘削する。岩盤の硬さに応じて、拡径刃物群４０、５０を拡径して最も適切な径の拡径刃物群４０、５０又は固定刃物６０で掘削することができる。

拡径刃物群はケーシングチューブ８０の外径より大きい中間径を掘削する。図１に示す実施例では、
（１）最大径（例えば５０５０φ）の孔を掘削する第１の拡縮刃物群４０
（２）第１の中間径（例えば４３４０φ）の孔を掘削する第２の拡縮刃物群５０
（３）第２の中間径（例えば３３００φ）を掘削する固定刃物群６０
が装着されている。各拡径刃物群４０、５０及び固定刃物群６０はそれぞれアーム３本で１セットとなっており、各セットは刃物装置１０の中心円筒２０の外周に中心角１２０度ごとにそれぞれ配置されている。

前記拡縮刃物群４０、５０は掘削径に応じてビット４１、５１の掘削径を拡径するスイングアーム４２、５２を備え、スイングアーム４２、５２の下端をケーシングチューブの半径方向外側に向けて移動させる移動機構７０を備えている。刃物装置１０の中心円筒２０の下端にはビット２２が取付けられており、また切欠２３を備えている。刃物群４０、５０、６０のビット４１、５１、６１は岩盤をすり鉢状に掘削するように配置されており、その掘削土砂は中央に寄せ集められて切欠２３から刃物装置の中心円筒２０内に導かれ、予め掘削されている先行中心孔３２０（図１４参照）内に落下する。そしてこの掘削土砂はケーシングチューブ８０内を通って上下するハンマーグラブによって地上に排出される。

図６は例えば上記第２の中間径（最小径）（例えば３３００φ）の掘削を行うときの刃物装置１０の側面図、図５はその底面図である。拡縮刃物群４０、５０は縮径したままで、掘削を行なわず、固定刃物群６０のみで掘削する。

図８は上記第１の中間径（例えば４３４０φ）の掘削を行うときの刃物装置１０の側面図、図７はその底面図である。第１の拡径刃物群４０は縮径したままで第２の拡径刃物群５０が拡径されて第２の拡径刃物群５０と固定刃物群６０が掘削を行う。

図１０は最大径（例えば５０５０φ）の掘削を行うときの刃物装置１０の側面図、図９はその底面図である。第２及び第１の拡径刃物群４０、５０が拡径されており、第１の拡径刃物群４０、第２の拡径刃物群５０、固定刃物群６０が掘削を行う。

図１１はスイングアーム４０の拡径動作を示す説明図である。図１２は図１１のＥ−Ｅ矢視図、図１３は図１１のＦ−Ｆ矢視図である。

図１１〜図１３に示すように、刃物装置の中心円筒２０の外周にブラケット３０が取付けられている。ブラケット３０は刃物装置の中心円筒２０から外方に張出す一双の縦板から成り、横につなぐリブ３１によって補強されている。ブラケット３０の一双の縦板の間に拡縮刃物群のスイングアーム４２、５２が位置している。

図１１は拡縮刃物群４０のスイングアーム４２の拡径動作について示している。スイングアーム４２のスイング中心は、ブラケット３０の一双の縦板の間に設けられている移動中心ピン４３によって支持されている。一方、ブラケット３０上に設けられている移動機構７０は、ブラケット３０に設けられた移動装置用ピン７２に一端を支持され、他端をスイングアーム４０の偏心ピン７３に結合された汕圧ジャッキ７１を備えている。スイングアーム４２の上記移動中心ピン４３（ブラケットに固定されたピン）と移動装置用ピン７２（油圧ジャッキに結合されたピン）とは偏倚した位置に設けられている。従って、油圧ジャッキ７１が伸縮するとスイングアーム４２は移動中心ピン４３を中心に矢印７５で示すように移動する。油圧ジャッキ７１の伸縮量によってスイングアーム４２の移動角度を調整することができ、拡径量を調整することができる。

スイングアーム開閉用油圧ジャッキ７１の作動により、スイングアーム４２は移動中心ピン４３を中心に矢印７５方向に移動し、スイングアーム４２の下端に設けられた掘削ビット４１の作動半径を拡縮する。

図１１では、スイングアーム４２の先端に、掘削ビット４１を取付けたビットホルダ４５がピン４６で結合されている。このビットホルダ４５の結合ピン４６から偏心した位置に、平行リンク７６の一端がピン７７によって取付けられている。平行リンク７６の他端は本体ブラケット３０に設けた平行リンク固定ピン７８に取付けられている。これらの移動中心ピン４３、平行リンク固定ピン７８、結合ピン４６及びピン７７の関係位置を適切に配置することによって、スイングアーム４２の拡径位置に拘らず、平行リンク７６はビット４１の刃物勾配が地盤に対して常に一定になるように保持する。

図１５〜図２２は本発明装置の使用時の工程の例を示す工程図である。
図１５は、地表２１０から地中にウエル１２０等を沈下させて縦孔を形成する状況を示しているが、未だ岩盤２２０に達しない間の地盤２４１を掘削する従来の掘削工程を示している。掘削すべき縦孔を中心として、縦孔の周囲外側に地表２１０から杭２１１を打ち込み、この杭２１１上にやぐら１１０を構築する。一方、ウエル１２０の沈下時にやぐら１０にかかる押込荷重の反力を支持するグラウンドアンカー１３０を地中に形成する。そして、クレーン２００から吊具２０１を介してハンマーグラブ２４０を吊下げ、地中を掘削しウエル１２０を沈下させる。

図１６は、ウエル１２０の下端が岩盤２２０に到達し、ハンマーグラブ２４０では能率のよい掘削ができなくなった後、本発明装置を使用する前段階の工程を示している。やぐら１１０上にケーシングチューブ８０を回転させる回転駆動装置９０を載置する。ケーシングチューブ８０は例えば直径２ｍ程度の鋼管であって、回転駆動装置９０を挿通して鉛直に垂下される。ケーシングチューブ８０の下端に刃物を取付け、これを岩盤２２０中に回転進入させる。ケーシングチューブ８０内の掘削土砂はハンマーグラブ２４０で地上に排出する。

図１７に示すように、ケーシングチューブ８０により岩盤２２０中に先行中心孔２３０を掘削した後、ケーシングチューブ８０の下端に刃物装置１０を取付け先行中心孔２３０の外周の岩盤２２０を掘削する。

図１８は、刃物装置１０が固定刃物群６０のみで第２の中間径（最小径）の拡大孔を掘削している状況を示し、ハンマーグラブ２４０は先行中心孔２３０の下底部に落下した掘削土砂２３１を地上に排出する。刃物装置１０は図５、図６に示した状態、すなわち、第２の中間径（最小径）の拡大孔を固定刃物群６０のみで掘削する状態になっている。

図１９は、刃物装置１０が拡径刃物群５０を拡径した状態（図７、図８に示した状態）で拡径掘削している状況を示している。

図２０は、刃物装置１０が拡径刃物群４０、５０を拡径した状態（図９、図１０に示した状態）で拡径掘削している工程を示している。

図２１は、図２０に示す拡孔掘削を行いながらウエル１２０をコントロールしながら沈下させている状況を示している。

図１８〜図２０は拡孔径を順次大きくしながら掘削する工程を示しているが、岩盤２２０の状況に応じてこれらの中から適切な掘削工程を選択して掘削を行えばよく、例えば、図２０に示す最大掘削拡孔径で始めから掘削してもよい。

図２１に示すように、刃物装置１０で掘削し、予定深度まで掘削したら、回転駆動装置９０をクレーン２００で取外す。次いで図２２に示すように、刃物装置１０のスイングアームを縮小し、ケーシングチューブ８０と共にクレーン２００にて引上げ、作業を終了する。

図１４に示す本発明の実施例装置を用いて掘削試験を行った。
地上に作業用やぐら３００を組み、その上に回転駆動装置９０を載置する。駆動装置９０は上下に貫通しているケーシングチューブ８０を軸中心に回転させケーシングチューブを地中に圧入し、先行中心孔３２０を形成した。ケーシングチューブ８０は下端に刃物を備え２０００φの孔を掘削した。掘削トルクは例えば最大２０４９ｋＮ−ｍ、掘削用回転数は最大２．５ｒｐｍ、ケーシング引抜ストロークは１０００ｍｍとした。試験は極めて順調に推移した。

本発明の掘削装置は、対応する岩盤強度は最大５０Ｎ／ｍ^２とし、掘削速度は、例えば、岩盤強度が２０Ｎ／ｍ^２のとき３０ｃｍ／ｈで掘削を行うことができる。

実施例の刃物装置の側面図（図２のＣ−Ｃ矢視図）である。 実施例の刃物装置の底面図（図１のＡ−Ａ矢視図）である。 実施例の刃物装置の上面図（図１のＢ−Ｂ矢視図）である。 実施例の刃物装置の側面図（図２のＤ−Ｄ矢視図）である。 実施例の刃物装置の底面図（縮小状態）である。 実施例の刃物装置の側面図（縮小状態）である。 実施例の刃物装置の底面図である。 実施例の刃物装置の側面図である。 実施例の刃物装置の底面図である。 実施例の刃物装置の側面図である。 実施例の刃物装置の拡縮機構説明図である。 図１１のＡ−Ａ矢視図である。 図１１のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明装置の全体側面図である。 実施例の使用説明図で、従来例を示している。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。 実施例の使用説明図である。

符号の説明

１ 岩盤掘削装置
１０ 刃物装置
２０ 刃物装置の中心円筒
２１ オスカラー
２２ ビット
３０ ブラケット
３１ リブ
４０ 拡縮刃物群
４１ ビット
４２ スイングアーム
４３ 移動中心ピン
４５ ビットホルダ
５０ 拡縮刃物群
５１ ビット
５２ スイングアーム
６０ 刃物群（固定）
６１ ビット
７０ 移動機構
７１ 油圧ジャッキ
７２ 移動装置用ピン
７３ 偏心ピン
７５ 矢印
７６ 平行リンク
８０ ケーシングチューブ
９０ 回転駆動装置
１００ クレーン
１１０ やぐら
１２０ ウエル
１３０ グラウンドアンカー
２００ クレーン
２０１ 吊具
２１０ 地表
２１１ 杭
２２０ 岩盤
２３０ 先行中心孔
２３１ 掘削土砂
２４０ ハンマーグラブ
２４１ 地盤
３１０ コンクリート
３２０ 先行中心孔
３２１ 拡径された掘削孔

Claims (3)

1. 地表から直径数ｍの縦孔を地中に掘削する装置であって、中心孔を先行掘削するケーシングチューブと、該ケーシングチューブの下端に着脱自在に装着される刃物装置とから成り、該刃物装置は複数種の掘削径に対応する拡縮刃物群を備えたことを特徴とする岩盤掘削装置。
2. 前記拡縮刃物群は掘削径に応じてビットの掘削径を拡径するスイングアームを備え、該スイングアームの下端をケーシングチューブの半径方向外側に向けて移動させる移動機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の岩盤掘削装置。
3. 前記ビットの掘削位置における地盤に対する掘削姿勢を常に一定にする姿勢制御機構を備えたことを特徴とする請求項２記載の岩盤掘削装置。

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