JP2008069594A - 井戸掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない工程、短い施工距離で構造物直下などに井戸を設置することのできる井戸掘削装置を実現する。
【解決手段】先端部に斜め向きの掘削手段を有する掘進ヘッド１と、その後方に接続され、掘進ヘッド１を前進および回転させる可撓性のロッド２と、掘進ヘッド１の後方に回転継手３を介して接続される可撓性の管体４と、ロッド２の末端部分を前進および回転させる掘進機５とで井戸掘削装置を構成する。管体４の一部を有孔管４Ａとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の下部等に屈曲形状を含む任意の形状で管体を埋設し、管体の一部を有孔管とすることにより井戸を形成する井戸掘削装置に関する。
以下本明細書では、「井戸」とは一部を有孔管とした管体を地盤内に埋設したものをいい、地下水を汲み上げる機能に留まらず、有孔管部分から地盤内に液体や気体を出入させることが可能である。

例えば構造物の直下の地下水を汲み上げたり、構造物の直下の土壌や地下水を浄化、修復したりするため、構造物の下部に汲み上げ口もしくは注入口を有する井戸を掘削することが必要な場合がある。このような井戸の掘削には、従来は、例えば特許文献１に記載があるように、構造物の外側に１か所または２か所の立坑を設け、この間で水平方向にボーリングするなどの手段が取られていた。しかし近年、米国において進行方向を自在に制御できる掘進ヘッドが開発され、これを使用することによって立坑を設けることなく屈曲部を含む任意の形状で管路を埋設することが可能となった。特許文献２にはこのような掘進装置ならびにこれを使用する掘進工法が記載されている。

なお、公知文献にはこのような構造物直下における「井戸の掘削や設置」を内容とするものや、土壌や地下水の浄化、修復を内容とするものがあまり見られないため、以下、同様の技術ではあるが「地盤の強度的な改良」を目的としたもので説明する。
図６はこのような掘進機５を使用して構造物Ｓの下部の地盤改良を行う場合の概念図で、構造物Ｓの脇の地上から斜めにボーリングを開始し、所定の深さに到達したら掘進ヘッド１の向きを水平方向に変え、以後は水平にボーリングするのである。掘進ヘッド１の後方には可撓性のロッド２が次々に連結される。破線で囲んだ部分Ｚが地盤改良の対象となるエリアである。

図７は特許文献２に記載の掘進ヘッド１の実施例の断面図で、１２はジェットノズル、１３は高圧流体の供給される流体経路である。ジェットノズル１２は掘進ヘッド１に対して約５度斜め方向を向いている。したがって掘進ヘッド１に回転を与えながら前進させれば直線方向（ヘッド方向）に進むが、回転を与えずに前進させればジェットノズル１２にしたがって斜め方向（ノズル方向）に進む。

図８は同じく特許文献２に記載された掘進機５の外観図で、５１はベース、５２はその上を移動する前進フレーム、５３は回転用モータ、５４はチェーン、５５は前進用モータ、２は掘進ヘッド前進用のロッドである。前進フレーム５２にはロッド２の末端部分を固定するクランプとロッド２の末端部分を把持して回転させるチャックが備えられており、これに前進機構を組み合わせると連結ロッド２を回転させずに前進させたり、回転させながら前進させることができる。

特許文献２には、掘進ヘッド１に無線送信機および指向性アンテナを装備することにより、受信機によって掘進ヘッドの現在位置を検出することができることも記載されており、また掘進ヘッド１の現在の傾度の検出については電解トランスジューサが組み込まれている、と記載されている。
特許文献３には、特許文献２に記載された掘進ヘッドを使用し、構造物直下の地盤を改良する工法が記載されている。図６によりこれを簡単に説明すると、掘進ヘッド１、これに接続されるロッド２、掘進機５により改良対象となるエリアの終端部まで削孔を行い、ロッド２の先端部から充填材を地盤内に注入した後、ロッド２を所定距離引き戻してその位置で再び充填材の地盤内注入を行い、これをくり返してエリアＺ内の全域に充填材を注入した後、ロッド２を引き抜く。以下これを「片押し工法」と呼ぶ。

特許文献４には、特許文献２に記載された掘進ヘッドを使用し、第１の工程で構造物直下の地盤内にドリルヘッドを推進して反対側の地表までパイロット孔を形成した後、ドリルヘッドをバックリーマに換装して発進側に引き戻すことでパイロット孔を拡径し、拡径した本孔内に薬液注入管を引き込んで地盤改良を行うことが記載されている。以下これを「引き込み工法」と呼ぶ。
特開２００５−２７０７８６号公報 特開昭６１−２５７５０１号公報 特開２００３−３４５９号公報 特開２００１−１９３０５０号公報

従来法である立坑による水平ボーリングでは、少なくとも２か所の立坑を構築しなければならず、費用ならびに日数がかかり、きわめて不経済である。また、経路を任意に曲げることもできない。多量の排土も発生する。
特許文献２に記載の片押し工法では、ロッド削孔、充填材を注入しながらのロッドの引き抜きという最低２工程を必要とする。また、地盤内には充填材しか残らないので、井戸として利用することはできない。

特許文献３に記載の引き込み工法では、パイロット孔形成、バックリーマによる拡径、薬液注入管の引き込みという最低３工程を必要とするほか、第１の工程のパイロット孔の形成においても反対側の地表まで行わなくてはならないので施工距離が大きく、作業ヤードも少なくとも２か所必要である。
本発明は、従来の技術におけるこれらの問題点を解消し、少ない工程で、かつ最低限の施工距離で目的の位置に井戸を設置することのできる井戸掘削装置を実現することを目的とする。

本発明は、地盤内に屈曲部を含む任意の形状に管体を埋設して井戸を構築する井戸掘削装置であって、先端部に軸に対して斜め向きの掘削手段を有する掘進ヘッドと、この掘進ヘッドの後方に接続され、前記掘進ヘッドを前進および回転させる可撓性のロッドと、前記掘進ヘッドの後方に回転継手を介して接続される可撓性の管体と、前記ロッドの末端部分を前進および回転させる掘進機とから構成され、前記ロッドが掘進ヘッドに対して随時着脱可能となっていることを特徴とする井戸掘削装置であり、望ましくは掘進ヘッドの後方に回転継手を介して接続される可撓性の管体の一部に通水孔が形成されており、掘削時点にはこの通水孔が水溶性フィルムでふさがれている前記の井戸掘削装置であり、さらに前記水溶性フィルムの少なくとも片面が網状体で覆われている前記の井戸掘削装置であり、また、前記掘進機をさらに前進させてロッドと管体の双方を同時に押し込む押し込み装置を付加した前記の井戸掘削装置であり、さらにまた前記ロッドが中空構造である前記の井戸掘削装置である。

本発明の井戸掘削装置を使用すれば、作業ヤードは１か所でよく、最低、掘進とロッド引き抜きの２工程で井戸を設置することができ、掘進距離も短く、容易に、かつ経済的に施工を行うことができるという、すぐれた効果を奏する。

本発明の実施例を図面により詳細に説明する。図１は実施例の井戸掘削装置を使用する井戸掘削工事の工程を示す説明図で、１は掘進ヘッド、２はその後方に接続され、掘進ヘッド１を前進および回転させる可撓性のロッド、４Ａは掘進ヘッド１の直後に接続される有孔の管体、４Ｂはさらにその後方に接続される無孔の管体、５は掘進機、Ｓは構造物である。掘進ヘッド１、ロッド２、掘進機５はいずれも前記の特許文献１に記載のものと同等品であり、地盤内に屈曲部を含む任意の形状に管体を埋設することができる。

（ａ）に示すように構造物Ｓの下部に向けて掘進ヘッド１を前進させ、有孔の管体４Ａが井戸の設置位置に到達したら、（ｂ）に示すようにロッド２のみを引き抜く。追って説明するように、ロッド２は掘進のときとは逆方向に回転させることで、簡単に掘進ヘッド１から取り外すことができる。掘進ヘッド１はあえて回収せず地盤内に放置し、残った管体４Ａ、４Ｂで井戸を形成する。

埋設された管体は、周囲の地盤から有孔の管体４Ａ内に浸入する水を汲み出すことで水汲み用の井戸となるほか、逆に有孔の管体４Ａから地盤内に薬剤を注入して土壌や地下水の浄化・修復をしたり、地盤内のガスを吸引したり、地盤内にエアを吹き込むエアスパージングなど、さまざまな目的に利用することができる。目的によっては、有孔の管体４Ａを必ずしも掘進ヘッド１の直後に配置する必要はなく、任意の位置とすることができる。また有孔の管体４Ａを１本ではなく複数本、複数箇所に配置して使用してもよい。

つづいて実施例の井戸掘削装置の構造を図面により詳細に説明する。図２は掘進ヘッド１の断面図で、１１は軸に対して斜め向きの案内板、１２は案内板１１の先端付近に設けられたジェットノズル、１３は掘進ヘッド１の内部を経由してジェットノズル１２に至る高圧水等の流体経路、２Ａは掘進ヘッド１の内部に取り付けられる先端ロッド、２１はそのさらに先端の着脱部、２２は末端の接続部、２３は中空部、３は回転継手、３１は回転継手３内のベアリング、３２はダストシール、３３は後方に向けて広がるテーパ部、３４は後方の管体と接続される接続部である。

案内板１１およびジェットノズル１２は掘進ヘッド１の軸に対して斜め向きであるから、回転を与えずに後方から押されれば斜め方向に進む。回転させながら押されれば直進する。したがって押し方次第で任意の方向に向かわせることができる。掘進ヘッド１の後方には、掘進の進行につれてロッド２（先端は先端ロッド２Ａ）および管体４（４Ａ、４Ｂ）が次々に接続されるが、先端ロッド２Ａとは着脱部２１の嵌合によって連結されるので、ロッド２が回転すれば掘進ヘッド１も回転する。しかし管体４の方は回転継手３を介して接続されるから、掘進ヘッド１が回転しても後方の管体４は回転しない。ロッド２の接続は機械継手、管体４の接続はねじ、あるいは溶接等による。ロッド２や管体４の単位長さは掘進機５のストロークに合わせて適宜決定する。管体４Ａ、４Ｂは掘進ヘッド１よりやや小径の直管である。追って説明するように、側面に孔を設けた有孔管４Ａと孔のない無孔管４Ｂとがある。先端ロッド２Ａの中空部２３には掘進ヘッド１の位置や傾度を検出して信号を発信する無線送信機が収納できる。

図３は先端ロッド２Ａの先端の着脱部２１の構造例を示す斜視図である。かぎ状の溝が設けられており、これに掘進ヘッド１側の突起が嵌合し、１方向の回転は伝達するが、逆回転をさせて引き抜くと嵌合が外れる。作業の工程の途中でロッド２を引き抜き、再度装着することも容易であり、再装着の際のガイドとして回転継手３にテーパ部３３が設けられ、テーパ部３３の先端側は先端ロッド２Ａの先端部の径よりわずか大きい程度にまで絞られている。

図４は管体４のうち有孔の管体４Ａの構造を示す説明図である。内側から、本管４１、メッシュ４２、水溶性フィルム４３、メッシュ４４、防護管４５の順に積層構造となっている。
本管４１は鋼管あるいは塩ビなどの樹脂製で可撓性の管である。全面にわたって通水孔が設けられている。管体４Ａはストレーナの機能を有するものであり、またメッシュの陥没を抑制する点からしても、通水孔の開口はあまり大きくないことが好ましい。メッシュ４２、４４はサンドイッチ構造で水溶性フィルム４３をはさみ保護する網状のフィルムで、目詰まりを抑制するフィルタの機能を持たせるため、１０〜３０メッシュ程度のステンレス金網などが好ましい。メッシュ４２、４４は場合によってはどちらか片側でもよい。また例えば本管４１に水溶性フィルム４３を直接コーティングし、外側にメッシュ４４をかぶせる構造でもよい。

防護管４５は水溶性フィルム４３やメッシュ４４が地盤内を掘進する際に異物などで損傷しないよう保護するもので、材質は特に限定しないが、開口率が高く強度もあることが必要であり、薄いパンチングメタルなどがよい。
水溶性フィルム４３は、施工中は孔をふさいで周囲の土砂が管内に侵入しないようにし、工事完了後は溶けて消失してしまうのが役目である。ある程度の強度を有し、水によって溶ける材料として、たとえば加水分解性を有するＰＶＡ（ポリビニルアルコール）フィルムなどが好ましい。なお、無孔管４Ｂは特に図示しないが、本管４１のみの管体で、孔は設けない。

掘進作業の際、掘進機５でロッド２のみを前進させるのが一般的であるが、この場合、ロッド２で掘進ヘッド１を前進させ、管体４は掘進ヘッド１に引かれて引き込まれる形となる。
しかし本発明者らの知見によると、ロッド２と管体４とを同時に押すようにすると、推力が分散されてスムーズに掘進ができることがわかった。そこでロッドと管体４の双方を同時に押し込むことのできる押し込み装置を開発した。図５は押し込み装置６の全体図で、６１はベース、６２は押し込みテーブル、６３は昇降シリンダ、６４は押し込みシリンダである。押し込みテーブル６２にはこれまで説明した掘進機５がそっくり載置される。昇降シリンダ６３で施工角度に合わせ、押し込みシリンダ６４を作動させると、ロッド２と管体４とを同時に前方へ移動させることができる。押し込み方式にすると、掘進の際の抵抗力が分散されて破損の危険性も低下し、施工がスムーズである。

ロッド２は遠方の掘進ヘッド１を前進、回転させる推進力と回転力を伝達する部材であって、中空部分が掘削用の流体を流す経路となり、また、先端部の発信器を出し入れする経路としても利用できる。内部が水で満たされていると、温度の影響を受けやすい発信器などの作動が安定するので好都合である。

本発明の井戸掘削装置を使用して、操業中の工場の地下に存在する土壌・地下水汚染サイトの観測ならびに浄化・修復用の井戸を設置した。土質はガラの含まれる埋土、シルト、砂、泥岩などであって、砂層に汚染がみられる。さきの図１において、Ｚは土壌内の汚染部分（浄化対象エリア）である。この汚染は、たとえば上方の構造物Ｓから汚染物質が洩れて土壌内に蓄積したようなケースで、埋土層、シルト層を通過して、砂層の下部が泥岩層であるから浸透しないため、砂層に蓄積した場合である。したがって砂層が観測ならびに浄化・修復の対象となる。図１の管体４の中間もしくは地上端部分に揚水ポンプを設置すれば、汚染水を排出することによって浄化・修復ができるし、逆に管体の上部から薬剤を供給すれば、有孔管４Ａから対象エリアＺ内に薬剤を注入することによって浄化・修復ができる。

実施例で掘進した管体の全長は３０ｍ、掘削開始時における削孔角度αは２２度、屈曲部の曲げ半径８５ｍ、到達部はＧＬ−１１ｍである。管体は内径９５ｍｍの鋼管を基本とし、単位管長は６１０ｍｍ、有孔管の開口率は１０％で、管長６１０ｍｍの有孔管を７本使用した。

実施例の井戸掘削装置を使用する井戸掘削工事の説明図である。 実施例の掘進ヘッドを示す断面図である。 実施例の先端ロッド２Ａの先端部を示す斜視図である。 実施例の有孔の管体の構造を示す説明図である。 実施例の押し込み装置の全体図である。 構造物直下における地盤改良工事の概念図である。 本発明に係わる公知の掘進ヘッドの断面図である。 本発明に係わる公知の掘進機の斜視図である。

符号の説明

１ 掘進ヘッド
２ ロッド
２Ａ 先端ロッド
３ 回転継手
４ 管体
４Ａ 管体（有孔管）
４Ｂ 管体（無孔管）
５ 掘進機
６ 押し込み装置
１１ 案内板
１２ ジェットノズル
１３ 流体経路
２１ （先端の）着脱部
２２ 接続部
２３ 中空部
３１ ベアリング
３２ ダストシール
３３ テーパ部
３４ 管体接続部
４１ 本管
４２、４４ メッシュ（網状体）
４３ 水溶性フィルム
４５ 防護管
５１ ベース（掘進機の）
５２ 前進フレーム
５３ 回転用モータ
５４ チェーン
５５ 前進用モータ
６１ ベース（押し込み装置の）
６２ 押し込みテーブル
６３ 昇降シリンダ
６４ 押し込みシリンダ
Ｓ 構造物
Ｚ 改良対象エリア
α 削孔角度

Claims (5)

1. 地盤内に屈曲部を含む任意の形状に管体を埋設して井戸を構築する井戸掘削装置であって、先端部に軸に対して斜め向きの掘削手段を有する掘進ヘッド（１）と、この掘進ヘッド（１）の後方に接続され、前記掘進ヘッド（１）を前進および回転させる可撓性のロッド（２）と、前記掘進ヘッド（１）の後方に回転継手（３）を介して接続される可撓性の管体（４）と、前記ロッド（２）の末端部分を前進および回転させる掘進機（５）とから構成され、前記ロッド（２）が掘進ヘッド（１）に対して随時着脱可能となっていることを特徴とする井戸掘削装置。
2. 掘進ヘッド（１）の後方に回転継手（３）を介して接続される可撓性の管体（４）の一部に通水孔が形成されており、掘削時点にはこの通水孔が水溶性フィルム（４３）でふさがれている請求項１に記載の井戸掘削装置。
3. 前記水溶性フィルム（４３）の少なくとも片面が網状体（４２、４４）で覆われている請求項２に記載の井戸掘削装置。
4. 前記掘進機（５）をさらに前進させてロッド（２）と管体（４）の双方を同時に押し込む押し込み装置（６）を付加した請求項１ないし３のいずれかに記載の井戸掘削装置。
5. 前記ロッド（２）が中空構造である請求項１ないし４のいずれかに記載の井戸掘削装置。

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