JP2006083552A - 海底ボーリングマシン - Google Patents

Abstract

【課題】海底地盤の掘削を行うボーリングマシンを小型化する。
【解決手段】海底に鎮座されるフレーム体３に支持されたマスト２０と、マスト上部の給進装置３２に連結され、マストに沿って上下動するドリルヘッド３０と、ロッド４１の切り離し時にロッドを把持するロッドクランプ２５と、ドリルヘッドとの間でロッドの受け渡しを行うため、複数のロッドをドリルヘッドとの近接位置で保持する回転可能なロッドコンテナ４０とを備える。ロッドコンテナは、個々のロッドを把持する複数のグリッパ５１を有し、グリッパが回転軸４５の周囲に所定間隔で配置されると共に、グリッパを作動させるアクチュエータ５４が各グリッパに設けられている。ドリルヘッドはロッドの継ぎ足し時及び回収時にロッドコンテナの上方で往復旋回するように制御され、ドリルヘッドとロッドとの接続が終了した後及びロッドが戻されたときにグリッパを開き作動するように制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、海底地盤の地質調査等のため、海底に鎮座した状態で掘削を行う海底ボーリングマシンに関する。

海底地盤の地質を行う場合には、ボーリングマシンを下ろして海底に鎮座させた後、船上からボーリングマシンを遠隔操作して地盤の掘削を行っている。このような海底地盤の掘削においては、地上での掘削と同様に、ロッドを継ぎ足して目的の深度までロッドを到達させる必要がある。このため、複数のロッドを保持するロッドコンテナが海底ボーリングマシンに組み込まれるが、地上の掘削と異なり、海底では掘削の作動スペースを広く取ることが難しいため、ロッドコンテナはロッドが掘削線と平行となるように、すなわち縦置きとなるようにロッドを保持し、この縦状態のロッドをドリルヘッドに移動させてロッドの継ぎ足しを行っている。

従来の海底ボーリングマシンでは、ドリルヘッドとロッドコンテナとの間を往復移動する搬送部材にピックアップアームを取り付けてロッドの取り出し及び搬送を行っている。ピックアップアームは、縦置き状となっているロッドを把持してロッドコンテナから取り出すものであり、搬送部材はピックアップアームがロッドを保持している状態でドリルヘッドの方向に移動してロッドをドリルヘッドに供給する。このような作動を行うため、搬送部材はドリルヘッドとは独立して駆動するアクチュエータを備えるものである。そして、ドリルヘッドに保持されたロッドは、先行しているロッドと連結されることによりロッドの継ぎ足しが行われ、これを繰り返すことにより、目的の深度までロッドを到達させている。

従来の海底ボーリングマシンでは、搬送部材がピックアップアーム及びアクチュエータを備えるため、搬送部材の構造が複雑で大型化しているばかりでなく、ロッドの取り出し作動も複雑で制御が難しい問題を有している。また、このため、ボーリングマシンが大型化するばかりでなく、船上からの遠隔操作が複雑となる問題を有している。さらに、このことは目的の深度が深くなるほど、用いるロッドの数が増えるため、さらに深刻な問題となるものである。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、ドリルヘッドと独立した駆動する搬送部材を不要とした簡単な構造とすることにより、目的深度が深くても小型化できると共に、掘削作業を簡素化することが可能な海底ボーリングマシンを提供することを目的とする。

請求項１記載の海底ボーリングマシンは、海底に鎮座されるフレーム体に上下方向に延びるように支持されたマストと、ロッドを連結してロッドを回転させるスピンドルを有しており、マスト上部に取り付けられた給進装置に連結され、給進装置の駆動によってマストに沿って上下動するドリルヘッドと、マスト下部に取り付けられ、ロッドの切り離し時にロッドを把持するロッドクランプと、ドリルヘッドとの間でロッドの受け渡しを行うため、複数のロッドをドリルヘッドとの近接位置で保持する回転可能なロッドコンテナとを備え、前記ロッドコンテナは、ドリルヘッドによる掘削線と略平行となるように個々のロッドを把持する複数のグリッパを有し、このグリッパが回転軸の周囲に所定間隔で配置されると共に、グリッパを開き作動させるアクチュエータが各グリッパに設けられており、前記ドリルヘッドはロッドの継ぎ足し時及び回収時にロッドコンテナの上方で同コンテナの方向に往復旋回するように制御され、前記アクチュエータはドリルヘッドとロッドとの接続が終了した後及びドリルヘッドからロッドが戻されたときに前記グリッパを開き作動させるように制御されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の海底ボーリングマシンであって、前記ロッドコンテナは、回転軸の周囲で所定間隔でロッドを把持する第１の複数のグリッパと、回転軸の周囲における第１の複数のグリッパと異なった位置でロッドを把持する第２の複数のグリッパとを少なくとも備えていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の海底ボーリングマシンであって、ロッドの継ぎ足し時において、前記ドリルヘッドは、ロッドコンテナの方向に旋回した後、スピンドルとロッドとの芯合わせがなされ、その後、スピンドルとロッドとの接続を行うように制御されることを特徴とする。

本発明によれば、ロッドコンテナに対してドリルヘッドが旋回することによりロッドコンテントの間でロッドの受け渡しを行うため、ロッドを搬送する搬送部材が不要となり、搬送部材を駆動するための駆動系も不要となる。このため、構造を簡単とすることができると共に、小型化することができる。しかも、ロッドの受け渡しを簡単に行うことができるため、掘削作業を簡素化することができる。

以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。図１は本発明の一実施の形態における海底ボーリングマシン１の全体正面図、図２は平面図、図３はベースの平面図、図４はドリルヘッド及びロッドコンテナの配置関係を示す正面図、図５は図４の平面図、図６は掘削を示す工程図である。

図１及び図２に示すように、海底ボーリングマシン１はベース２上に立体状となって組み付けられたフレーム体３を備え、このフレーム体３に掘削及びロッドの継ぎ足しや回収を行う各種機構が配置されている。

海底ボーリングマシン１（ボーリングマシン１）は、母船から海底に吊り降ろされて海底上に鎮座した状態で海底地盤の掘削を行うものであり、フレーム体３の周囲における３箇所にはアウトリガーからなる伸縮自在の脚体４が配置されている。脚体４を伸縮させることによりボーリングマシン１の水平度や垂直度を調整することができる。

フレーム体３には、図１に示すように、水中照明器７、水中カメラ８やスラスタ９、その他の掘削に必要な部材が配置されている。図２及び図３において、１０は電源容器、１１は電気機器容器、１３は変圧器、１４はバルブマニホールドであり、いずれも耐圧性の密閉箱体内に封入された状態となってベース２上に設置されている。さらに、図３に示すように、ベース２には絶縁油が封入された圧力バランス装置１５及び作動油が封入された圧力ばね装置１６が取り付けられている。

このようなボーリングマシン１は、ケーブルを介して母船から電力が供給されて掘削作動する。掘削作動はシーケンスプログラムに基づいた自動掘削により行うことができる。この場合、ボーリングマシン１と母船との間を光ファイバケーブルによって接続することにより相互の通信を可能としても良い。この通信により、海底での掘削作業を水中カメラ８でモニタリングすることができ、母船からの遠隔操作も可能となる。

ボーリングマシン１は、マスト２０、ドリルヘッド３０及びロッドコンテナ４０を備えている。マスト２０は、フレーム体３に支持されることによりフレーム体３内で上下方向に延びている。これにより、マスト２０は掘削時のガイドを行うようになっている。

ドリルヘッド３０は、マスト２０に沿って上下動するものであり、図４に示すように、マスト２０に設けたレール２１を往復走行する移動台３１に取り付けられている。移動台３１は、マスト２０の上部に取り付けられた給進装置３２に連結されており、給進装置３２の駆動によりレール２１に沿って往復走行する。これにより、ドリルヘッド３０がマスト２０に沿って上下動する。

この実施の形態において、図５に示すように、ドリルヘッド３０はヒンジプレート３３を介して移動台３１に取り付けられている。ヒンジプレート３３は図示を省略した回転アクチュエータに連結されており、回転アクチュエータの駆動によってロッドコンテナ４０の方向に往復旋回する。これにより、ドリルヘッド３０の全体がロッドコンテナ４０の方向に対して往復旋回するようになっている。さらに、ドリルヘッド３０には、回転駆動するスピンドル３５が下端部に設けられており、スピンドル３５にロッド４１を連結した状態で、スピンドル３５が回転しながらドリルヘッド３０が下方向に移動することにより、ロッド４１による海底地盤の掘削が行われる。図４において、Ｋはドリルヘッド３０による掘削線である。

ロッドコンテナ４０は、図４及び図５に示すように、複数のロッド４１を保持した状態でドリルヘッド３０との近接位置に配置されている。ロッドコンテナ４０は、上下方向に延びる複数のポスト４２と、複数のポスト４２の上下端部を連結する上下の連結プレート４３，４４とからなる固定側部材を有し、この固定側部材がフレーム体３に固定的に支持されている。

上下の連結プレート４３，４４の略中心部分には、上下方向に延びる回転軸４５の上下端部が回転可能に支持されている。回転軸４５の上端部には、上側連結プレート４３から上方に抜き出たロータリージョイント４５ａが取り付けられていると共に、回転軸４５の下端部には、オイルモータ４６が連結されており、オイルモータ４６の駆動により回転軸４５が正逆方向に回転するようになっている。ロータリージョイント４５ａは、ロッドコンテナ４０が回転しても回転軸４５内に圧油を供給することが可能な機構を備えている。なお、下側連結プレート４４における回転軸４５の下端部に対応した部位には位置検出器４７が取り付けられている。

回転軸４５には、グリッパブロック５０が長さ方向の上下２箇所に固定されており、それぞれが回転軸４５と一体となって回転するようになっている。なお、図４では、上段のグリッパブロック５０のみを示し、下段のグリッパブロックは省略してある。各グリッパブロック５０には、回転軸４５を中心とした円周上にグリッパ５１が等間隔に取り付けられている。各グリッパ５１は、開閉作動可能な左右一対のチャック５２と、チャック５２を閉じるように付勢するリターンスプリング５３と、リターンスプリング５３の付勢力に抗してチャック５２を開き作動させるシリンダー等のアクチュエータ５４とを組み付けることにより構成されており、左右一対のチャック５２によってロッド４１を把持するようになっている。このように、回転軸４５の長さ方向に沿ってグリッパブロック５０を配置し、グリッパブロック５０の各グリッパ５１によってロッド４１を把持することにより、ロッド４１はドリルヘッド３０の掘削線Ｋと略平行となった状態で保持される。アクチュエータ５４は回転軸４５を通じて圧油が供給されることによりチャック５２を開き作動させることが可能となっている。

この実施の形態において、上下２箇所のグリッパブロック５０には、円周上で異なった位置となるようにグリッパ５１がそれぞれ取り付けられている。すなわち、上段のグリッパブロック５０における複数のグリッパ５１を第１のグリッパとし、下段のグリッパブロックにおける複数のグリッパ５１（図４では図示省略）を第２のグリッパとした場合、第１のグリッパに対し、第２のグリッパは回転軸４５の円周上の異なった位置でロッド４１を把持するものである。これにより、図５に示すように、第１のグリッパ及び第２のグリッパにより把持されるロッド４１が回転軸４５の円周上で交互に位置することとなる。このような構造では、回転軸４５の円周上で多数のロッド４１を把持することができるため、小スペース内におけるロッド４１の数を多くすることが可能となる。これにより、継ぎ足すべきロッド４１が多くなるため、深い深度まで掘削を行うことが可能となる。

上述した上下の連結プレート４３，４４の内、少なくとも上側連結プレート４３におけるドリルヘッド３０との対向部分には、切欠部４３ａが形成されており、この切欠部４３ａを通じてドリルヘッド３０がグリッパ５１側に侵入することが可能となっている。

上述したマスト２０の下端部には、ロッドクランプ２５及びロッドブレーカ２６が対向するように取り付けられている。ロッドクランプ２５は、ロッドを相互に切り離す際にロッドを把持するものである。

次に、この実施の形態による掘削を説明する。海底地盤の地質調査を行う場合には、先端に掘削ヘッドを有して地盤を掘削する掘削ロッドと、掘削ロッドに継ぎ足されるドリルロッドに加えて、地盤を採取するコアチューブが用いられる。これらの掘削ロッド、ドリルロッド及びコアチューブは、この実施の形態におけるロッドを構成するものであり、ロッドコンテナ４０における適宜の設定位置に配置された状態で保持される。設定位置へのロッドの配置は、コンピュータの記憶装置に格納されており、コンピュータ内のシーケンスプログラムにより必要なロッドがドリルヘッド３０に取り出されるように制御されている。図４において、４１ａは掘削ロッド、図６において、４１ｂはドリルロッド、４１ｃはコアチューブである。

図６は、地質調査のために海底地盤からコアを採取する場合の掘削手順を示す。海底地盤は、調査対象となる基盤岩Ｎと、基盤岩Ｎ上に堆積した堆積層Ｍとからなるため、基盤岩Ｎに到達するまで掘削する必要がある。

まず、ロッドコンテナ４０に保持されている掘削ロッド４１ａをドリルヘッド３０に装着する。そして、図６（ａ）に示すように、ドリルヘッド３０に掘削ロッド４１ａを装着し、スピンドル３５を回転させながらドリルヘッド３０をマスト２０に沿って下降させることにより同図（ｂ）に示すように掘削を開始する。所定深さまで掘削した後、掘削ロッド４１ａをドリルヘッド３０から切り離し、ロッドコンテナ４０に保持されているドリルロッド４１ｂをドリルヘッド３０に装着する（同図（ｃ））。その後、ドリルロッド４１ｂの継ぎ足しを行うことにより、同図（ｄ）に示すように基盤岩Ｎまで到達させる。

基盤岩Ｎに到達した後には、ドリルロッド４１ｂを順次引き上げながら切り離しを行い、最終的に掘削ロッド４１ａを引き上げて切り離す（同図（ｅ））。同図（ｆ）は、コアを採取する状態を示す。この場合には、コアチューブ４１ｃをロッドコンテナ４０から取り出してドリルヘッド３０に装着する。このコアチューブ４１ｃを先行させながらドリルロッド４１ｂの継ぎ足しを行うことにより、コアチューブ４１ｃによる基盤岩Ｎの掘削を行い、基盤岩Ｎのコアを採取する。その後は、ドリルロッド４１ｂ及びコアチューブ４１ｃを切り離しながら引き上げて掘削が終了する。

図５は以上の掘削におけるロッド４１の継ぎ足し作動を示す。ロッドコンテナ４０の回転軸４５を回転させることにより、継ぎ足しに必要なロッド４１を切欠部４３ａに位置させる。この位置決めは、回転軸４５下端部分の位置検出器４７の制御により行う。

その後、ヒンジプレート３３が旋回することにより、ドリルヘッド３０がロッドコンテナ４０の方向に旋回する。この旋回は、ロッドコンテナ４０の上方で行われる。旋回によってドリルヘッド３０のスピンドル３５と、ロッドコンテナ４０のロッド４１との芯合わせを行い、その後、ドリルヘッド３０が下降し、スピンドル３５が回転してスピンドル３５とロッド４１とが接続される。このとき、ロッド４１はグリッパ５１に把持されているため、連れ回りすることがなく、スピンドル３５との接続を確実に行うことができる。

ロッド４１の接続が終了した後は、グリッパ５１におけるアクチュエータ５４の駆動によってチャック５２が開くため、ロッド４１がロッドコンテナ４０から切り離される。その後、ドリルヘッド３０が反対方向に旋回し、ロッド４１を掘削線Ｋ上に一致させる。

一方、ロッドクランプ２５には先行しているロッド４１が保持されており、ドリルヘッド３０が下降することにより、先行しているロッド４１とドリルヘッド３０が保持しているロッド４１とが突き合わされる。この状態でスピンドル３５を回転させることにより、ロッドと先行しているロッドとを接続する。その後、ロッドクランプ２５は、ロッド保持を開放するため、掘削を行うことができる。

掘削に用いたロッドの切り離し及び回収は、以上の作動と反対に行うことにより可能となる。この場合、グリッパ５１のチャック５２は、ドリルヘッド３０が旋回してロッドコンテナ４０上に達したときに開き作動するものであり、これにより、ロッド４１の受け入れが可能となる。

このような実施の形態では、掘削線Ｋと略平行となるようにロッドコンテナ４０がロッド４１を保持しており、このロッドコンテナ４０に対してドリルヘッド３０が旋回してロッドコンテナ４０に接近してロッド４１の受け渡しを行うため、ロッド４１の姿勢を変更する必要がなく、姿勢変更のための機構が不要となる。また、ロッド４１の受け渡し作動を簡単とすることができるため、これらによって、簡単な構造となり、小型化することができ、しかも掘削作業を簡素化することが可能となる。

本発明の一実施の形態における海底ボーリングマシンの全体正面図である。 海底ボーリングマシンの平面図である。 海底ボーリングマシンのベース部分を示す平面図である。 ドリルヘッドとロッドコンテナとの配置関係を示す正面図である。 ロッドを取り出す状態を示す平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は掘削の一例の手順を示す断面図である。

符号の説明

１ 海底ボーリングマシン
２ ベース
３ フレーム体
２０ マスト
２５ ロッドクランプ
３０ ドリルヘッド
３２ 給進装置
３５ スピンドル
４０ ロッドコンテナ
４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ ロッド
５１ グリッパ
５２ チャック
５３ リターンスプリング
５４ アクチュエータ
Ｋ 掘削線

Claims (3)

1. 海底に鎮座されるフレーム体に上下方向に延びるように支持されたマストと、
   ロッドを連結してロッドを回転させるスピンドルを有しており、マスト上部に取り付けられた給進装置に連結され、給進装置の駆動によってマストに沿って上下動するドリルヘッドと、
   マスト下部に取り付けられ、ロッドの切り離し時にロッドを把持するロッドクランプと、
   ドリルヘッドとの間でロッドの受け渡しを行うため、複数のロッドをドリルヘッドとの近接位置で保持する回転可能なロッドコンテナとを備え、
   前記ロッドコンテナは、ドリルヘッドによる掘削線と略平行となるように個々のロッドを把持する複数のグリッパを有し、このグリッパが回転軸の周囲に所定間隔で配置されると共に、グリッパを開き作動させるアクチュエータが各グリッパに設けられており、
   前記ドリルヘッドはロッドの継ぎ足し時及び回収時にロッドコンテナの上方で同コンテナの方向に往復旋回するように制御され、前記アクチュエータはドリルヘッドとロッドとの接続が終了した後及びドリルヘッドからロッドが戻されたときに前記グリッパを開き作動させるように制御されることを特徴とする海底ボーリングマシン。
2. 前記ロッドコンテナは、回転軸の周囲で所定間隔でロッドを把持する第１の複数のグリッパと、回転軸の周囲における第１の複数のグリッパと異なった位置でロッドを把持する第２の複数のグリッパとを少なくとも備えていることを特徴とする請求項１記載の海底ボーリングマシン。
3. ロッドの継ぎ足し時において、前記ドリルヘッドは、ロッドコンテナの方向に旋回した後、スピンドルとロッドとの芯合わせがなされ、その後、スピンドルとロッドとの接続を行うように制御されることを特徴とする請求項１記載の海底ボーリングマシン。

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