JP2007170087A

JP2007170087A - 掘削装置

Info

Publication number: JP2007170087A
Application number: JP2005370819A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Inazumi; 積幸久稲
Original assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Current assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】ドリルヘッドがケーシングの底部に配置され、地上部の高さが低く、ビットに打撃力と回転力と給進力が与えられて、効率よく掘削を行なう掘削装置を提供する。
【解決手段】本発明による掘削装置は、掘削孔の底部に位置する先頭ケーシング内に、センターバレルの一端に装着される掘削ビットと、センターバレルの他端に装着されたサブに組み込まれるハンマーと、サブに連結され、ハンマーにピストンによる打撃力を与えるパーカッションシリンダと、パーカッションシリンダの上部に連結されるスイベルと、スイベルの上部に連結され、掘削ビットを回転させるモータと、このモータの上部に連結され、先頭ケーシングの内周に設けられた凹部に係合するグリッパとが設けられるとともに、地上側に位置するケーシングに、ケーシングを支える挟持装置と、給進装置とが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リーダーの高さが低いロータリーパーカッションドリルタイプの掘削装置に関する。

一般のロータリーパーカッションドリルを図７に示す。図７に示すように、ロータリーパーカッションドリル５０は、クローラ４０の前方に立設されたリーダー３５に油圧モータとチェーン駆動による給進装置３０が設けられ、この給進装置３０によって上下に駆動されるスライドテーブル３１と、このスライドテーブル３１に搭載された回転装置３２及び打撃装置３３で構成されるドリルヘッド３６が取り付けられる。そして給進装置３０による給進力と、回転装置３２による回転力と、打撃装置３３による打撃力は、ロッド３７を介して先端の掘削ビット３８に伝えられ掘削を行なう。このように３つの力が与えられるので、ロータリーパーカッションドリルは、掘削速度が速い。ロータリーパーカッションドリルの掘削孔の径は、中空のロッド３７の一端に打撃を加え、ロッド３７の他端に打撃力を伝えることから、通常２００ｍｍ程度迄である。また、ロッド３７をインナーロッドとアウターロッドの２重管で構成し、インナーロッドに高圧水を供給し、インナーロッドとアウターロッドの間を通して地上側に噴出させ、ビットによって粉砕された土砂（スライム）を回収する。このように、ロータリーパーカッションドリルは、ドリルヘッドの駆動とスライム排出のための流体ラインが分離されているから、地盤状況に合わせて自在に打撃力を制御しつつ、安定してスライムを排除できる。

しかしながら、ロータリーパーカッションドリル５０の寸法は、一例をあげるなら、リーダー３５の地上面からの高さが３３００ｍｍである。ドリルヘッド３６の縦の長さは約１０００ｍｍである。ドリルヘッド３６をリーダー３５の上端に上昇させたとき、その下側には約２０００ｍｍの長さが確保される。従って、継ぎ足される延長ロッドの長さは、カップリング部分等も考慮して、例えば１５００ｍｍなどとされる。延長ロッドを１０００ｍｍとすると、リーダー３５の高さを２８００ｍｍにでき、延長ロッドを２０００ｍｍとすると、リーダー３５の高さは３８００ｍｍになる。

ロータリーパーカッションドリルにおいては、高架橋の下など空頭制限のある場所でも使用できる高さの低いタイプが望まれている。高さを低くするため延長ロッドの長さを１０００ｍｍより、さらに短くしてリーダー３５の高さを低くすることができる。しかし、延長ロッドの継ぎ足しが頻繁になる。そこで、ドリルヘッド３６を掘削孔に進行させて、高さを低くすることが考えられる。

一方、ダウンザホールドリル（エアーハンマー）は、ドリルパイプの先端（孔底側）に送った圧縮空気によりピストンを往復運動させ、先端の掘削ビットを打撃する装置として知られる。打撃機構が掘削ビットの直上にあるため、打撃エネルギーの減衰が少なく、ロータリーパーカッションドリルのようなドリルロッドの最上端に打撃装置を設けるトップハンマー方式に比べ、より硬質な岩盤の掘削に適している。

ダウンザホールドリル（エアーハンマー）自体には、回転力を発生する機構はなく、専ら地上部に置かれたボーリングマシン等に依存し、回転力はドリルパイプによって伝達される。また、上昇下降に必要な推進力もボーリングマシン等に依存している。ダウンザホールドリル（エアーハンマー）は、ストロークのあるピストンを備えた打撃機構部が孔底部にあるため、地上部は先に説明した回転力と給進力を発生させるボーリングマシン等でよく、ロータリーパーカッションドリルに比べ、地上部の機構部の高さは低いものにできる。

しかし、ダウンザホールドリル（エアーハンマー）は、それを駆動するのに必要な圧縮空気を利用してスライムを孔外に排出する。従って、地盤がやわらかくピストンによる打撃力を減じる必要のある場合や打撃力を必要としない場合に、圧縮空気の量と圧力を抑制すると、スライムの排除が困難となり、事実上掘削が困難となる。
特開２００１−１７３３５５号公報

本発明の目的は、ドリルヘッドをケーシングの底部に設け、地上部の高さが低く、掘削ビットに打撃力と回転力と給進力を与えて効率よく掘り進むことのできる掘削装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による掘削装置は、掘削孔の底部に位置する先頭ケーシング内に、センターバレルの一端に装着される掘削ビットと、前記センターバレルの他端に装着されたサブに組み込まれるハンマーと、前記サブに連結され、前記ハンマーにピストンによる打撃力を与えるパーカッションシリンダと、前記パーカッションシリンダの上部に連結されるスイベルと、前記スイベルの上部に連結され、前記掘削ビットを回転させるモータと、前記モータの上部に連結され、前記先頭ケーシングの内周に設けられた凹部に係合するグリッパとが設けられるとともに、地上側に位置するケーシングに、前記ケーシングを支える挟持装置と、給進装置とが設けられたことを特徴とする。

前記ケーシングに搬送水が投入され、前記センターバレルに形成された前記ケーシングとの間の隙間から前記掘削孔の底部に供給されるとともに、粉砕された土砂を含む前記搬送水が、真空ポンプによって、前記掘削ビットに形成された吸込孔から前記センターバレルと前記ハンマーと前記パーカッションシリンダと前記スイベルを貫通するように形成された中央孔及び地上に至る排水管を経由して吸い上げられることが好ましい。

前記凹部は、深さが次第に深くなる傾斜部と、前記傾斜部に続いて設けられ、前記グリッパの一端を係止し、前記グリッパの回転を止める段差部とを備えることが好ましい。

本発明による請求項１の掘削装置によれば、打撃装置と回転装置からなるドリルヘッドを先頭ケーシング（外管ともいう）の内部に収納したので、ドリルヘッドに相当する長さ（その寸法にもよるが約５００〜１０００ｍｍ）分だけリーダーの高さを低くすることができる。例えば、現状が２８００ｍｍの高さのロータリーパーカッションドリルは、延長ケーシングが１０００ｍｍとして、１８００〜２３００ｍｍの高さにできる。また、掘削ビットのすぐ上に掘削ビットを駆動するドリルヘッドがあるから、長いロッドを介して打撃力と回転力を伝達するのに比較して、エネルギーの伝達ロスが少なく大きな掘削孔を掘ることができる。ケーシング内周に設けられた凹部をグリッパで押してドリルヘッドを支えるようにしたので、ケーシングがなく掘削孔の側壁である地盤を直接押して支えるのに比較して安定である。

本発明の請求項２によれば、搬送水は、ケーシング内を通すので、清水を使用できる。ボーリング掘削でよく使用されるベントナイトを混ぜた泥水を使用しなくても済む。また、搬送水がセンターバレルに形成された隙間から掘削孔の底部に供給され、粉砕された土砂を含む前記搬送水が、真空ポンプによって、掘削ビットに形成された吸込孔からセンターバレルとハンマーとパーカッションシリンダとスイベルを貫通するように形成された中央孔を経由して地上に至る排水管から吸い上げられるので効率がよい。

本発明による請求項３によれば、凹部の底部に、傾斜部と段差部を設けたので、回転する掘削ビットが地盤を掘削する際に受ける反力（掘削ビットが回転する方向とは逆の方向に働く力）を受けても、グリッパが確実にケーシングの内壁をつかみ、スイベルを含めた上部のケーブル類が回転しないようにできる。

以下、図面を参照して、本発明による掘削装置について説明する。

図１は、本発明による掘削装置のケーシングの先端部分を示す断面図である。掘削装置１００は、掘削ビットとして拡径と縮径ができるリトラクトビット１を使用している。リトラクトビット１には、打撃と回転と給進が与えられて掘削を行なう。ここで給進力は、地上側に設けられた給進装置３０で与えられ、先頭ケーシング２５に伝えられ、グリッパ１７とその下の機構部を介して、リトラクトビット１に伝達されるようになっている。

リトラクトビット１の打撃力は、パーカッションシリンダ８のピストン９が上下に動くことによって作り出される。ピストン９がハンマー６を打つと、打撃力がセンターバレル２を介してリトラクトビット１に伝えられる。ピストン９を上下に動かすため、油圧のピストン駆動用パイプ２７ａ、２７ｂが設けられる。ピストン駆動用パイプ２７ａ、２７ｂは、パーカッションシリンダ８のピストン９が仕切る２つの部屋にそれぞれ接続され、圧力のかかった油が一方の部屋に送られ、他方の部屋からは油が回収されることによって、ピストン９が上方または下方に動く。ピストン駆動用パイプ２７ａ、２７ｂはスイベル１０を介してパーカッションシリンダ８に接続される。スイベル１０は継ぎ手の１種で、静止したパイプ側から駆動用の油を、回転するパーカッションシリンダ８に送ることができる。

リトラクトビット１の回転は、モータ１３のロータの回転により作り出される。この回転が減速機１２で減速された後、パーカッションシリンダ８及びセンターバレル２に伝えられ、パーカッションシリンダ８及びセンターバレル２が回転することにより、リトラクトビット１が回転する。モータ１３を回すため、油圧のモータ駆動用パイプ２８ａ、２８ｂがモータ１３に接続される。

モータ１３の枠体上部にはグリッパ１７が連結される。グリッパ１７は先頭ケーシング２５の内周に形成された凹部１５にはめ込まれ、先頭ケーシング２５の側壁を押す。これにより、給進力を掘削ビットに伝え、地盤を掘削する時の回転と打撃の反力を受けることができる。なお、グリッパ１７のシリンダを駆動するため、油圧のグリッパ駆動用パイプ２９ａ、２９ｂが接続される。

凹部１５は、先頭ケーシング２５の内側にリング状に形成される。グリッパ１７が、凹部１５の側壁を押した状態では、凹部１５の上下の縁にグリッパ１７が当接して、給進力をリトラクトビット１に伝達する。また、掘削ビットが地盤を打撃した時の地盤の反力を受け止めることができる。また、リトラクトビット１の回転により地盤を掘削した時の、地盤の反力も受け止めることができる。

地上側から投入されたスライム搬送用の清水は、先頭ケーシング２５の底部に達して、センターバレル２と先頭ケーシング２５との隙間３９ａ及びリトラクトビット１と先頭ケーシング２５との隙間３９ｂから掘削孔の底部に供給される。リトラクトビット１によって粉砕された土砂を含む搬送水は、リトラクトビット１の吸込孔１８から、センターバレル２とハンマー６とパーカッションシリンダ８とスイベル１０を貫通する中央孔２３を経由して排水管１４に導かれる。地上側の排水管１４の出口には真空ポンプ（図示せず）が設けられ、スライムを含む搬送水が吸い上げられる。濾過器でスライムが分離された清水は、再びケーシングに投入され循環される。このような循環はリバースサーキュレーションと呼ばれる。真空ポンプは、羽根車を有する主ポンプに真空ポンプが組み合わされたポンプで、泥水、土砂を吸い上げるリバースサーキュレーションに適したポンプである。なお、ケーシングを使用するから、ほとんどの地層条件で搬送水にベントナイト泥水など掘削孔の側壁安定液を使用する必要がないので、その廃棄コストが削減できる。

センターバレルの上側は、ビットサブ３とドライブサブ４がスプリットリング５を介して連結され、さらにハンマーサブ７とパーカッションシリンダ８が連結される。特にハンマーサブ７は、ハンマー６を囲む構造としたので、ハンマー６とピストン９の接触部に、搬送水や油が浸入することがないようにしている。

図２は、図１のＡ側から見たリトラクトビットの正面図である。図２（ａ）はリトラクトビットが縮径した場合の正面図である。図２（ｂ）はリトラクトビットが拡径した場合の正面図である。図２に示すように、リトラクトビット１は、３つの分割体からなるものを使用した。各分割体には吸込孔１８が設けられる。そのため、センターバレル２の中央孔２３は、３つの分岐孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃが形成される（図１参照）。図２に示すように、リトラクトビット１は、時計回りで縮径され、反時計回りで拡径される。リトラクトビット１を時計回りに回転させ、先頭ケーシング２５の内径より小さくし、グリッパ１７をシリンダの底壁２２ａから離すことにより、先頭ケーシング２５内のドリルヘッド機構全体をアイプレート１６に掛けたワイヤで地上側に引き抜いたり、地上側から降ろしたりできる。なお、モータ１３は、リトラクトビット１に対応して、正回転と逆回転が可能なものが使用される。

図３は、図１の凹部のＢ−Ｂ断面図でＡ側から見た図である。凹部１５の底部は、一定の深さではなく、深さが次第に深くなる傾斜部４２を設けている。また、傾斜部４２の深さが一番深い部分に段差部４３を設けている。傾斜部４２と段差部４３を円周方向に沿って３組を設けている。段差部４３は、図２（ｂ）のリトラクトビット１の掘削時の回転方向とは逆の方向にグリッパ１７が回転することを防止できる。すなわち、リトラクトビット１が地盤から掘削の反力を受けても、グリッパ１７でスイベル１０を含む上部の機構が回転しないように支えている。

凹部１５とグリッパ１７との係合は、原則として掘削前に地上部で行なわれる。何らかの理由で掘削途中に、この係合の解除と再結合が必要になった場合、一度地上部に引き上げて、所定の位置（深さ）になるように、吊り上げワイヤの繰り出し量を計測して、ドリルヘッドを含む機構部をケーシング内に降ろす。そして、グリッパを半開きの状態として、モータ１３を低出力で間欠的に、掘削ビットの掘削時の回転方向と同じ方向に回転させる。グリッパ１７は、回転方向とは逆の方向にホース束をわずかにねじりながら段差部４３にかかる。これによりドリルヘッドを含む機構部が停止する。この状態を確認して、モータ１３が発生させる回転力に抗するため、グリッパ１７を完全に開いた状態とする。以上から、モータ１３、グリッパ１７は、作動力を制御できるものが好ましい。また、凹部１５の軸方向の長さは、グリッパ１７の押圧部の長さよりやや長くして、係合を容易にすることが好ましい。この場合、吊り上げワイヤの伸びやたわみがあっても再セットが容易となる。

図４は、本発明による掘削装置にリングビットを使用した場合のケーシングの先端部分を示す断面図である。リングビット２０は、先頭ケーシング２５の先端の開口部に設けられた口金２１に回動可能に取り付けられる。リングビット２０にセンターバレル２のスプライン１９が嵌め込まれる。従って、地上側から、センターバレル２を含む機構部を引き上げ、また引き下ろすことができるが、リングビット２０はケーシングと一体で、ドリルヘッドの機構部と一緒の上げ下げはできない。ケーシングを掘削孔に残す場合は、リングビット２０も地中に残ることになる。リングビット２０は、打撃と回転と給進が与えられて掘削を行なう。ここで給進力は地上側に設けられた給進装置３０で与えられ、先頭ケーシング２５に伝えられ、グリッパ１７を介して、リングビット２０に伝達される。

図５は、図４のＣ−Ｃ断面図である。センターバレル２の連結軸４１の外周には、上下方向に延びた歯と溝からなるスプライン１９が設けられる。リングビット２０は、スプライン１９に噛合され取り付けられる。リングビット２０の吸込孔１８は分岐孔２３ａ、２３ｂに通じる。センターバレル２の外周に形成された３つの平坦面は、先頭ケーシング２５と間に隙間３９ａを形成する。なお、分岐孔２３ａ、２３ｂは、その上部でセンターバレル２の中央孔２３に合流する。

図４において、地上側から投入されたスライム搬送用の清水は、先頭ケーシング２５の底部に達して、センターバレル２と先頭ケーシング２５との隙間３９ａ及びリングビット２０と先頭ケーシング２５との隙間３９ｂから掘削孔の底部に供給される。リングビット２０によって粉砕された土砂を含む搬送水は、リングビット２０の吸込孔１８から、センターバレル２とハンマー６とパーカッションシリンダ８とスイベル１０を貫通する中央孔２３を経由して排水管１４に導かれる。地上側の排水管１４の出口には真空ポンプが設けられ、スライムを含む搬送水が吸い上げられる。その他の機構は、図１の説明に同じである。

図６は、掘削装置の全体構成図である。掘削装置１００は、クローラ４０の前方に立設されたリーダー３５に油圧モータとチェーン駆動による給進装置３０が設けられ、この給進装置３０によって上下に駆動されるスライドテーブル３１と、このスライドテーブル３１に搭載された挟持装置３４が取り付けられる。先頭ケーシング２５に、ドリルヘッド機構全体が収納される。先頭ケーシング２５による掘削が進むと、先頭ケーシング２５に延長ケーシング２６がカップリング部２４で継ぎ足される。カップリング部２４は、溶接やネジによる連結などがある。ケーシングにはロータリーパーカッションのロッドのような回転が加わらないので、その分、カップリング部を簡単にできる。

挟持装置３４は、グリッパ１７によって先頭ケーシング２５に伝達された掘削ビットの打撃の反力や掘削ビットの回転の反力を抑えるように機能する。給進装置３０は、リトラクトビット１やリングビット２０等の掘削ビットに、ケーシング及びグリッパ１７を介して給進力を与える。給進装置３０のモータを逆転させることにより、スライドテーブル３１を上方に動かし、先頭ケーシング２５及び延長ケーシング２６を地中から引き抜くこともできる。先頭ケーシング２５と延長ケーシング２６を地中に残して、ドリルヘッドを含む機構部を回収してもよい。

図６に示すように、延長ケーシング２６の頂部から内部に、排水管１４、ピストン駆動用パイプ２７ａ、２７ｂ、モータ駆動用パイプ２８ａ、２８ｂ、グリッパ駆動用パイプ２９ａ、２９ｂ等が挿入される。また、給水管１１により清水が供給される。延長ケーシング２６が追加される場合、これらの給排水管や駆動用パイプの延長部材が用意されて、延長ケーシング２６の内部に通しておき、クイックジョイントなどによる接続が行なわれることになる。なお、ジョイントによる接続を行なわず、あらかじめ掘削孔の深さに対応した長さの排水管や駆動用パイプを使用し、リトラクトビットを含むドリルヘッドの機構部を一度地上側に引き上げ、延長ケーシング２６を連結し、ドリルヘッドを含む機構部を再び延長ケーシング２６の上部から挿入し、先頭ケーシング２５の底部にセットしてもよい。

本発明による掘削装置は、空頭制限のある場所での掘削、軟質地盤の掘削、掘削孔の孔径が大きい掘削、工事期間の短い掘削などに好適である。

本発明による掘削装置の先端部分の断面図である。（実施例１）図１のＡ側から見たリトラクトビットの正面図である。（ａ）はリトラクトビットが縮径した場合の正面図である。（ｂ）はリトラクトビットが拡径した場合の正面図である。図１の凹部のＢ−Ｂ断面図で、Ａ側から見た図である。本発明による掘削装置の掘削ビットに、リングビットを使用した場合のケーシングの先端部分を示す断面図である。図４のＣ−Ｃ断面図である。本発明による掘削装置の全体構成図である。従来のロータリーパーカッションドリルの構成図である。

符号の説明

１リトラクトビット
２センターバレル
３ビットサブ
４ドライブサブ
５スプリットリング
６ハンマー
７ハンマーサブ
８パーカッションシリンダ
９ピストン
１０スイベル
１１給水管
１２減速機
１３モータ
１４排水管
１５凹部
１６アイプレート
１７グリッパ
１８吸込孔
１９スプライン
２０リングビット
２１口金
２３中央孔
２３ａ、２３ｂ中央孔の分岐孔
２４カップリング部
２５先頭ケーシング
２６延長ケーシング
２７ａ、２７ｂピストン駆動用パイプ
２８ａ、２８ｂモータ駆動用パイプ
２９ａ、２９ｂグリッパ駆動用パイプ
３０給進装置
３１スライドテーブル
３２回転装置
３３打撃装置
３４挟持装置
３５リーダー
３６ドリルヘッド
３７ロッド
３８掘削ビット
３９ａ、３９ｂ隙間
４０クローラ
４１連結軸
４２傾斜部
４３段差部
５０ロータリーパーカッションドリル
１００掘削装置

Claims

掘削孔の底部に位置する先頭ケーシング内に、
センターバレルの一端に装着される掘削ビットと、
前記センターバレルの他端に装着されたサブに組み込まれるハンマーと、
前記サブに連結され、前記ハンマーにピストンによる打撃力を与えるパーカッションシリンダと、
前記パーカッションシリンダの上部に連結されるスイベルと、
前記スイベルの上部に連結され、前記掘削ビットを回転させるモータと、
前記モータの上部に連結され、前記先頭ケーシングの内周に設けられた凹部に係合するグリッパとが設けられるとともに、
地上側に位置するケーシングに、前記ケーシングを支える挟持装置と、給進装置とが設けられたことを特徴とする掘削装置。
前記ケーシングに搬送水が投入され、前記センターバレルに形成された前記ケーシングとの間の隙間から前記掘削孔の底部に供給されるとともに、粉砕された土砂を含む前記搬送水が、真空ポンプによって、前記掘削ビットに形成された吸込孔から前記センターバレルと前記ハンマーと前記パーカッションシリンダと前記スイベルを貫通するように形成された中央孔及び地上に至る排水管を経由して吸い上げられることを特徴とする請求項１の掘削装置。
前記凹部は、深さが次第に深くなる傾斜部と、前記傾斜部に続いて設けられ、前記グリッパの一端を係止し、前記グリッパの回転を止める段差部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の掘削装置。