JP2005320736A

JP2005320736A - 地盤の掘穿装置

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Publication number: JP2005320736A
Application number: JP2004138672A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Abe; 俊廣阿部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: JP4537113B2

Abstract

【課題】穴の距離を長く（深く）しかも穴の径を比較的大きく掘ることができる地盤の掘穿装置を提供する。
【解決手段】レーザ光１を照射し地盤Ｇを溶解して穴Ｈを掘穿するもので、掘穿される穴Ｈを密閉する密閉手段Ｍと、密閉手段Ｍによって密閉され掘穿される穴Ｈの底面Ｂに向けてレーザ光１を照射するレーザ光照射手段Ｒと、密閉された穴Ｈに挿通されレーザ光１によって溶解した溶解物を外に噴出させるパイプＰと、密閉された穴Ｈ内を加圧する加圧手段Ｋとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を照射して地盤を溶解し、穴を掘穿する地盤の掘穿装置に関する。

従来、この種の地盤の掘穿装置には、例えば、特許文献１（特開平５−１１８１８５号公報）記載の技術が知られている。
図５に示すように、この地盤の掘穿装置は、レーザ光照射手段１００により、レーザ光１０１をカッタビット１０２の前方の岩盤へ照射して、この部分を高熱部１０３及び脆化部１０４にし、中央の高熱部１０３を熱変形、膨張、気化させて、ドロス（溶融、気化した部分）１０５にし、カッタビット１０２により、これらのドロス１０５及び脆化部１０４を粉砕し、さらに図示外の圧縮空気供給手段により、圧縮空気１０６を中空ロッド１０７内を通して岩盤へ噴出させて、上記粉砕したドロス１０５等を圧縮空気１０６とともに中空ロッド１０７の外周壁１０８に沿って後方へ排出させるものである。

特開平５−１１８１８５号公報

ところで、従来の地盤の掘穿装置においては、カッタビット１０２を回転させて切削を行なっているので、カッタのための動力伝達が必要であることから、距離を長く（深く）掘ることができないという問題があった。例えば、１０００ｍもの深さになると対応ができない。
また、粉砕した岩盤と溶解物を圧縮空気１０６とともに中空ロッド１０７の外周壁１０８に沿って後方へ排出させているが、穴の径が大きい場合、例えば、直径が５ｍにもなると、圧力が低くなり溶解物を排出できず、この点でも、距離を長く（深く）掘ることができないという問題があった。

本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、穴の距離を長く（深く）しかも穴の径を比較的大きく掘ることができる地盤の掘穿装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の技術的手段は、レーザ光を照射し地盤を溶解して穴を掘穿する地盤の掘穿装置において、掘穿される穴を密閉する密閉手段と、該密閉手段によって密閉され掘穿される穴の底面に向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、上記密閉された穴に挿通されレーザ光によって溶解した溶解物を外に噴出させるパイプとを備えた構成としている。

これにより、穴を掘穿するときは、レーザ光照射手段から穴の底面に向けてレーザ光を照射すると、穴の底面の地盤が高温となり地盤の土や岩が溶解し溶解物となる。これにより、穴内は密閉されているので、この溶解物により穴内が高圧になり、そのため、パイプを通じて溶解物が外部へ押し出されていき、徐々に穴が掘穿されていく。この場合、地盤を溶解して排出するので、逐一、土や岩石を別途掘り出す必要がなく、穴の形成効率が極めてよくなる。

また、このとき、穴内が高圧になることから、掘穿された穴の側壁には、溶解物が浸透していき、穴の側面で凝固し、硬化した壁体が形成されていく。そのため、別作業で掘穿された穴の側壁を強固にする作業を行なわなくてもよくなり、穴の形成効率が極めてよくなる。また、硬化した壁体により、地下水の噴出を抑えることができるとともに、穴の壁面が崩れることが防止される。

そして、密閉された穴においてレーザ光によって溶解した溶解物を外に噴出させるので、従来のようにカッタビット等の刃がついた掘削機械を用いなくてもよいことから、容易に穴の距離を長く（深く）しかも穴の径を比較的大きく掘穿することができる。

そして、必要に応じ、上記密閉手段を、上記穴の入口に該穴と同軸に形成され開口が閉塞部材で塞がれた筒状のコンクリート製の筒状体で構成している。コンクリート製の筒状体なので、強度が高く、穴内が確実に密閉され、掘穿の際に穴の入口が崩れることが防止される。

また、必要に応じ、上記パイプを、上記閉塞部材を貫通して設けた構成としている。パイプを設置し易くなる。
更に、必要に応じ、上記閉塞部材に上記パイプをガイドするガイド管を設け、上記パイプを掘穿される穴の距離に応じて連接により延長可能にした構成としている。掘穿したい穴の距離の長さ（深さ）に応じてパイプの長さを調節できるので様々な距離の長さ（深さ）に対応できる。特に、穴の距離の長い（深い）場合に、対応が容易になる。

そしてまた、必要に応じ、上記閉塞部材を透光性部材で形成し、上記レーザ光照射手段を、上記穴の外部に設けられ上記透光性部材を通してレーザ光を送光するノズルを備えた送光機で構成している。穴を密閉した状態でレーザ光の照射を確実に行なうことができる。
また、必要に応じ、上記レーザ光照射手段を、上記閉塞部材を貫通しレーザ光を送光するノズルを備えた送光機で構成している。この場合にも、穴を密閉した状態でレーザ光の照射を確実に行なうことができる。

この場合、上記ノズルを上記パイプの周囲に複数設けたことが有効である。パイプの周囲からレーザ光が照射されるので、穴の底面の地盤を均等に溶解することができるとともに、中心のパイプに溶解物を導き易くなり、確実に溶解物の排出を行なうことができる。

更に、必要に応じ、上記密閉された穴内を加圧する加圧手段を備えた構成としている。溶解物により穴内が加圧されることに加えて、加圧手段によっても積極的に加圧できるので、溶解物をパイプから確実に排出させることができ、穴の形成効率を向上させることができる。

この場合、上記加圧手段を、上記穴の外部に設置され高圧空気を送給する高圧空気送給機と、該高圧空気送給機からの高圧空気を上記穴の内部に導入する導入管とを備えて構成したことが有効である。高圧空気を送り込むだけで穴内を加圧できるので、加圧を容易に行なうことができ、装置も比較的簡易で良く、容易に設置できる。

本発明の地盤の掘穿装置によれば、穴内を密閉しレーザ光で穴の底面を溶解するので、この溶解物により穴内を高圧にして、パイプを通じて溶解物を外部へ押し出して排出できるので、逐一、土や岩石を別途掘り出す必要がなく、穴の形成効率を大幅に向上させることができる。また、密閉された穴においてレーザ光によって溶解した溶解物を外に噴出させるので、従来のようにカッタビット等の刃がついた掘削機械を用いなくてもよいことから、容易に穴の距離を長く（深く）しかも穴の径を比較的大きく掘穿することができる。
更に、穴内が高圧になることから、掘穿された穴の側壁には、溶解物が浸透していき、穴の側面で凝固し、硬化した壁体を形成することができ、そのため、別作業で掘穿された穴の側壁を強固にする作業を行なわなくてもよくなり、この点でも、穴の形成効率を向上させることができる。また、硬化した壁体により、地下水の噴出を抑えることができるとともに、穴の壁面が崩れることを防止することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る地盤の掘穿装置について詳細に説明する。
図１には、本発明の実施の形態に係る地盤の掘穿装置Ｓを示している。
この地盤の掘穿装置Ｓは、レーザ光１を照射して地盤Ｇを溶解して穴Ｈを掘穿するもので、その基本的構成は、掘穿された穴Ｈを密閉する密閉手段Ｍと、密閉され掘穿される穴Ｈの底面Ｂに向けてレーザ光１を照射するレーザ光照射手段Ｒと、密閉された穴Ｈに挿通されレーザ光１によって溶解した溶解物を外に噴出させるパイプＰと、密閉された穴Ｈ内を加圧する加圧手段Ｋとを備えてなる。

密閉手段Ｍは、穴Ｈの入口に穴Ｈと同軸に形成され、開口３が閉塞部材４で塞がれ内部に鉄筋などの補強材５が埋設された筒状のコンクリート製の筒状体６で構成されている。筒状体６内は、空洞になっている。筒状体６は、開口３が例えば直径５ｍに形成されており、下端７が地表から例えば深さ１０ｍのところに位置するように予め埋設されている。筒状体６の下端７には外向きの鍔部８が設けられ、地盤Ｇに対する安定が図られている。
また、閉塞部材４は、透光性部材で形成されている。例えば、厚さが約１．５ｍの円形の耐高温性のガラス製部材で形成され、筒状体６の開口３に嵌め込まれる。

レーザ光照射手段Ｒは、穴Ｈの外部に設けられ透光性部材からなる閉塞部材４を通してレーザ光１を送光するノズル１０を備えた送光機１１で構成されている。ノズル１０は、図２に示すように、閉塞部材４の中心軸を中心に等角度関係で複数（実施の形態では６個）設けられており、レーザ光１を穴Ｈの軸線に平行に照射する。

パイプＰは、閉塞部材４の中心を貫通して設けられている。閉塞部材４の中心には、パイプＰを摺動可能にガイドするガイド管１２が固定されている。ガイド管１２でパイプＰをガイドするのでパイプＰを設置し易くなる。パイプＰ及びガイド管１２は例えばタングステン（融点約３４００℃）からなる耐高温性の金属材料で形成されている。パイプＰは、パイプＰを掘穿される穴Ｈの距離に応じて連接により延長可能に形成されている。例えば、所定長さのパイプ単体Ｐａ（図３）を用い、各パイプ単体Ｐａを、例えばネジ手段（図示せず）を介して連結可能にしている。そして、パイプＰの周囲には、送光機１１のノズル１０が複数設けられることになる。

加圧手段Ｋは、穴Ｈの外部に設置され高圧空気を送給する高圧空気送給機１３と、高圧空気送給機１３からの高圧空気を穴Ｈの内部に導入する導入管１４とを備えて構成されている。導入管１４の出口部１４ａは、上記の筒状体６を貫通して設けられ、この出口部１４ａ側の導入管１４は筒状体６の外周部の地盤Ｇに埋設されている。符号１５は、導入管１４に設けられた逆止弁、符号１６は、導入管１４に設けられた圧力調整用の減圧弁である。高圧空気送給機１３を用いるので、装置も比較的簡易でよく容易に設置できる。

従って、この実施の形態に係る掘穿装置Ｓを用いて、例えば、地表から１０００ｍ〜３０００ｍまで、地盤Ｇを掘穿する場合には、先ず、穴Ｈを掘穿する場所に、筒状体６を構築する。この場合、地盤Ｇに約１０ｍ程度の深さの穴Ｈをブルドーザー等で掘る。この穴Ｈにコンクリート製の筒状体６を、型枠などを用いて構築する。そして、閉塞部材４で筒状体６の開口３を閉塞し、閉塞部材４にガイド管１２を設ける。また、高圧空気の導入管１４を配管する。高圧空気送給機１３を設置し、導入管１４に接続する。更に、送光機１１を設置する。
この場合、密閉手段Ｍが、コンクリート製の筒状体６により構成されるので、強度が高く、穴Ｈ内が確実に密閉され、掘穿の際に穴Ｈの入口が崩れることが防止される。

この状態で、ガイド管１２に、パイプＰを挿通し、送光機１１及び高圧空気送給機１３を駆動する。この場合、図３に示すように、送光機１１から照射されたレーザ光１は、閉塞部材４を透過して、穴Ｈの底面Ｂの地盤Ｇに作用する。これにより、穴Ｈの底面Ｂの地盤Ｇが高温となり地盤Ｇの土や岩が溶解し溶解物Ｄとなる。そして、穴Ｈ内は密閉されているので、この溶解物Ｄにより穴Ｈ内が高圧になり、また、高圧空気送給機１３から高圧空気２０が送給されていることから、これによって更に高圧になり、そのため、パイプＰを通じて溶解物Ｄが外部へ押し出されていき、徐々に穴Ｈが掘穿されていく。パイプＰの先端Ｐｂは、穴Ｈの底面Ｂの溶解物Ｄのところまで順次挿入して行く。

この場合、地盤Ｇを溶解して排出するので、逐一、土や岩石を別途掘り出す必要がなく、穴Ｈの形成効率が極めてよくなる。また、溶解物Ｄにより穴Ｈ内が加圧されることに加えて、加圧手段Ｋによっても積極的に加圧できるので、溶解物ＤをパイプＰから確実に排出させることができ、より一層穴Ｈの形成効率が向上させられる。更に、ノズル１０をパイプＰの周囲に複数設けたので、パイプＰの周囲からレーザ光１が照射されることになり、そのため、穴Ｈの底面Ｂの地盤Ｇを均等に溶解することができるとともに、中心のパイプＰに溶解物Ｄを導き易くなり、確実に溶解物Ｄの排出を行なうことができるようになる。また、高圧空気２０を送り込むだけで穴Ｈ内を加圧できるので、加圧を容易に行なうことができる。

また、このとき、穴Ｈ内が高圧になることから、掘穿された穴Ｈの側壁３０には、溶解物Ｄが浸透していき、穴Ｈの側面で凝固し、硬化した壁体３１が形成されていく。そのため、別作業によって掘穿された穴Ｈの側壁３０を強固にする作業を行なわなくてもよくなり、穴Ｈの形成効率が極めてよくなる。また、硬化した壁体３１により、地下水の噴出を抑えることができるとともに、穴Ｈの壁面が崩れることが防止される。

そして、略パイプ単体Ｐａ分の深さを掘穿したならば、次のパイプ単体Ｐａを先のパイプ単体Ｐａに接続し、パイプＰの先端Ｐｂを穴Ｈの底面Ｂの溶解物Ｄのところまで伸ばして行く。この作業を繰り返して掘穿される穴Ｈの距離を長く（深く）していく。この場合、掘穿したい穴Ｈの距離の長さ（深さ）に応じてパイプＰの長さを調節できるので様々な距離の長さ（深さ）に対応できる。特に、穴Ｈの距離の長い（深い）場合に、対応が容易になる。

このように、密閉された穴Ｈにおいてレーザ光１によって溶解した溶解物Ｄを外に噴出させるので、従来のようにカッタビット等の刃がついた掘削機械を用いなくてもよいことから、容易に距離を長く（深く）しかも穴Ｈの径を比較的大きく掘穿することができる。また、穴Ｈ内が密閉されているので穴Ｈ内が加圧されることから溶解物Ｄを容易に排出することができ、そのため、この点でも容易に距離を長く（深く）しかも穴Ｈの径を比較的大きく掘穿することができる。

また、外部に排出された溶解物Ｄは、例えば、以下の用に供することができる。例えば、建築用のブロックに成形する。成形は、金型等を用いる。この際に、金型等を冷却水で冷却し、この熱交換により加熱された冷却水を用いて、種々に熱利用を図ることができる。

次に、本発明の別の実施の形態を示す。図４に示すように、これは、上記実施の形態と異なって、レーザ光照射手段Ｒを、閉塞部材４を貫通しレーザ光１を送光するノズル１０を備えた送光機１１で構成している。閉塞部材４はコンクリートで形成されている。ノズル１０は、閉塞部材４の中心軸を中心に等角度関係で複数（実施の形態では６個）設けられており、レーザ光１を穴Ｈの軸線に平行に照射する。従って、この実施の形態に係る掘穿装置Ｓによっても、上記と同様の作用，効果を奏する。尚、ノズル１０は、パイプＰの先端Ｐｂの近傍に延長可能に構成してもよい。

本発明によれば、距離を長く（深く）しかも穴の径を比較的大きく掘ることができるので、例えば、地熱を取り出す穴として利用できる。この場合、例えば、地上から水を注入し、地下（例えば１０００〜３０００ｍ）において加熱し、これを取り出して、所謂地熱発電の用に供することができる。また、各種トンネルとして、あるいは各種構造物の柱のための穴等種々の穴として応用できることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る地盤の掘穿装置を示す図である。本発明の実施の形態に係る地盤の掘穿装置のレーザ光照射手段を示す平面図である。本発明の実施の形態に係る地盤の掘穿装置の掘穿の状態を示す断面図である。本発明の別の実施の形態に係る地盤の掘穿装置を示す図である。従来の地盤の掘穿装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ｓ掘穿装置
Ｇ地盤
Ｈ穴
Ｍ密閉手段
Ｒレーザ光照射手段
Ｋ加圧手段
Ｐパイプ
Ｐａパイプ単体
Ｐｂ先端
１レーザ光
３開口
４閉塞部材
５補強材
６筒状体
７下端
８鍔部
１０ノズル
１１送光機
１２ガイド管
１３高圧空気送給機
１４導入管
１４ａ出口部
１５逆止弁
１６減圧弁
Ｄ溶解物
２０高圧空気
３０側壁
３１壁体

Claims

レーザ光を照射し地盤を溶解して穴を掘穿する地盤の掘穿装置において、
掘穿される穴を密閉する密閉手段と、
該密閉手段によって密閉され掘穿される穴の底面に向けてレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
上記密閉された穴に挿通されレーザ光によって溶解した溶解物を外に噴出させるパイプとを備えたことを特徴とする地盤の掘穿装置。
上記密閉手段を、上記穴の入口に該穴と同軸に形成され開口が閉塞部材で塞がれた筒状のコンクリート製の筒状体で構成したことを特徴とする請求項１記載の地盤の掘穿装置。
上記パイプを、上記閉塞部材を貫通して設けたことを特徴とする請求項２記載の地盤の掘穿装置。
上記閉塞部材に上記パイプをガイドするガイド管を設け、上記パイプを掘穿される穴の距離に応じて連接により延長可能にしたことを特徴とする請求項３記載の地盤の掘穿装置。
上記閉塞部材を透光性部材で形成し、上記レーザ光照射手段を、上記穴の外部に設けられ上記透光性部材を通してレーザ光を送光するノズルを備えた送光機で構成したことを特徴とする請求項２，３または４記載の地盤の掘穿装置。
上記レーザ光照射手段を、上記閉塞部材を貫通しレーザ光を送光するノズルを備えた送光機で構成したことを特徴とする請求項２，３または４記載の地盤の掘穿装置。
上記ノズルを上記パイプの周囲に複数設けたことを特徴とする請求項５または６記載の地盤の掘穿装置。
上記密閉された穴内を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または７記載の地盤の掘穿装置。
上記加圧手段を、上記穴の外部に設置され高圧空気を送給する高圧空気送給機と、該高圧空気送給機からの高圧空気を上記穴の内部に導入する導入管とを備えて構成したことを特徴とする請求項８記載の地盤の掘穿装置。