JP2010216231A

JP2010216231A - 岩石コア採取装置

Info

Publication number: JP2010216231A
Application number: JP2010035025A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Wada; 信良和田; Kiyokazu Kawakami; 清和河上
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; West Nippon Expressway Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; West Nippon Expressway Co Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP5510958B2

Abstract

【課題】ジャンボによる削孔作業と並行して、又は削孔作業の合間に効率よくコア採取ができ、従来の方法と比較して、簡便に施工できる岩石コア採取装置の提供。
【解決手段】ガイド管内に中空ロッド１１が挿入され、ガイド管の先端に筒状のアウター掘削ヘッド金具１２が装着されるとともに、中空ロッド１１の先端にアウター掘削ヘッド金具内より前方に押し出し可能にしたインナー掘削ヘッド金具が装着された二重管削孔機と、インナー掘削ヘッド金具の代わりに中空ロッド１１の先端に固定してガイド管のアウター掘削ヘッド金具１２内より前方に移動できる岩石コア採取管Ｂを使用し、アウター掘削ヘッド金具内にインナー掘削ヘッド金具を挿入して二重管削孔しつつガイド管を削孔内に挿入し、しかる後インナー掘削ヘッド金具に代えて前記岩石コア採取管を挿入してガイド管先端前方の岩石コアを採取する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主としてジャンボを使用したトンネル掘削時の切羽前方探査のために使用する岩石コア採取装置に関する。

トンネルなどの地中構造物を構築する際の地質調査方法として、ロータリーパーカッションドリルを用いた地盤調査方法がある（例えば特許文献１）。この方法はワイヤーラインロッドの先端に取り付けた掘削ヘッド金具を回転させることにより掘進し、コアを納めたインナーチューブをワイヤーラインによって回収する地質調査方法である。

また、ボーリングコア採取装置においてコアの原位置での状態を確保するために、インナーロッドからの水抜き機能を付加する技術も開発されている（例えば特許文献２）。

更に、ジャンボのドリフタにボーリングマシンを装着して切羽前方の岩石のサンプリングを行う方法が開発されている（例えば特許文献３）。

特開２００１−２３４６８６号公報特開２００２−３８８６８号公報特開２００２−１８０７８９号公報

従来のロータリーパーカッションを用いたボーリングコアのサンプリングは専用機と専門の作業員が必要で、通常のトンネル施工で用いる汎用機械での施工ができない。専用機械での地質調査はコストだけでなく、機械の入れ替えが生じる等、工期に与える影響も大きい。特に、トンネル掘削地山の地質は変化が著しいので、その都度、簡便に調査ができることが重要で、専用機械を使用した場合、大がかりな仮設備が必要になる等の問題がある。

また、大断面トンネルを掘削する際のコアサンプリングにあたっては、ジャンボによる穿孔作業が輻輳して、作業効率が著しく低下する。

更に、ロータリーパーカッション削孔水によるコアの状態を確保するためにインナーロッドに逆流する削孔水をアウターロッドと連結した連結パイプから遠心力を利用して排出する方法も提案されているが、掘削に使用した後の排出水はコアと内管の間を流れることになり、排出水による洗いだし等の影響を強く受けるという問題があった。

更に、ジャンボのドリフタにボーリングマシンを装着する従来の方法では、削岩機を取り外してボーリングマシンを装着するため、通常の発破孔あるいはロックボルト孔等の穿孔が不能になってしまう問題がある。

また、ボーリングマシンの重量を考えると、ジャンボのガイドセルにボーリングマシンを装着することで機械に大きな負荷が生じることが考えられ、ジャンボの故障や耐久性の低下につながる。

このような従来の問題に鑑み、本発明は、通常、トンネル工事で用いられるジャンボのドリフタに対して支障なく装着することができ、また、ジャンボによる削孔作業と並行して、又は削孔作業の合間に効率よくコア採取ができ、従来の方法と比較して、簡便に施工できる岩石コア採取装置の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明の特徴は、ガイド管内に中空ロッドが挿入され、該ガイド管の先端に筒状のアウター掘削ヘッド金具が装着されるとともに、前記中空ロッドの先端に前記アウター掘削ヘッド金具内より前方に押し出し可能にしたインナー掘削ヘッド金具が装着された二重管削孔機を備え、前記インナー掘削ヘッド金具の代わりに前記中空ロッドの先端に固定して前記ガイド管のアウター掘削ヘッド金具内より前方に移動できる岩石コア採取管を備え、該岩石コア採取管は、後端がロッド固定金具によって閉鎖され、先端にリング状の掘削ヘッド金具を固定した前端開放型の採取管本体と、該採取管本体内に挿入され、先端が前記掘削ヘッド金具の後端側に着脱可能に連結されるとともに後端が前記ロッド固定金具によって閉鎖された有底筒状のコアケースとを有し、且つ、該岩石コア採取管には、前記コアケースと採取管本体との間にコアケース外空隙を備え、該コアケース外空隙を前記中空ロッド内に連通させるとともに、前記掘削ヘッド金具に該コアケース外空隙に通じる掘削水供給路を備え、前記アウター掘削ヘッド金具内にインナー掘削ヘッド金具を挿入して二重管削孔しつつガイド管を削孔内に挿入し、しかる後該インナー掘削ヘッド金具に代えて前記岩石コア採取管を挿入してガイド管先端前方の岩石コアを採取できるようにしてなる岩石コア採取装置にある。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記二重管削孔機を、ジャンボのドリフタに装着自在にしたことにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１又は２の何れか１構成に加え、前記ガイド管には、円周方向に向けた複数のスリットを、スリット間周壁部を残して形成し、該スリット間周壁部を切断することによって長さ方向を複数に分割できるようにしたことにある。

請求項４に記載の発明の特徴は、請求項１〜３の何れか１の請求項の構成に加え、前記コアケースは、円周方向の少なくともコアケース軸心を中央にして対称な２箇所に、少なくとも両端部に周壁部を残して長さ方向に向けた複数のスリットを備え、該スリットの長さ方向部分に残された周壁部を切断することにより円周方向を複数分割できるようにしにしたことにある。

上述したように本発明においては、ガイド管内に中空ロッドが挿入された二重管削孔機を使用するとともに、その中空ロッドのインナー掘削ヘッドに代えて、ガイド管先端のアウター掘削ヘッド金具内より前方に移動できる岩石コア採取管を備えたことにより、二重管削孔機をもって所望の岩石コア採取深さまで削孔した後に、岩石コア採取管による岩石コアの採取ができるため、従来のボーリングマシンを切羽に設置してコアサンプリングを行う方法と比較して、簡便に施工できる上に、コスト的にも工期的にも有利である。

また、二重管削孔機は、坑口部等で用いられる注入式長尺鋼管先受工の打設システムをそのまま適用することが可能で、新たな削孔ツールも不要である。

また、本発明では、前記岩石コア採取管は、後端がロッド固定金具によって閉鎖され先端にリング状の掘削ヘッド金具を固定した前端開放型の採取管本体と、該採取管本体内に挿入され先端が前記掘削ヘッド金具の後端側に着脱可能に連結された後端側が前記ロッド固定金具によって閉鎖された有底筒状のコアケースとを有し、且つ、該岩石コア採取管には、前記コアケースと採取管本体との間にコアケース外空隙を備え、該コアケース外空隙を前記中空ロッド内に連通させるとともに、前記掘削ヘッド金具に該コアケース外空隙に通じる掘削水供給路を備えていることにより、採取した岩石コアを削孔水で乱すことがなく、且つ、サンプリングした岩石コアの取出しが容易である。

更に、本発明では、前記二重管削孔機を、ジャンボのドリフタに装着自在にしたことにより、ジャンボの１つのドリフタを使用して岩石コア採取作業を行いつつ、他のドリフタを使用した発破作業用の削孔を並行して行うことができ作業機の輻輳をなくすことができる。

また、何れかの通常トンネル工事で使用される汎用機械を用いて岩石コアのサンプリングが可能であるので、工期の延伸などの影響を与えることがなく、地山の急変にも事前に対応できるなど、施工の安全性も向上させる。また、地山試料を用いた物理試験、力学試験も実施できるので、解析的手法を用いて、トンネル掘削時の地山挙動の予測も行うこともできる。

本発明の岩石コア採取装置を構成する二重管削孔機の部分省略縦断面図である。本発明の岩石コア採取装置を構成する岩石コア採取管の部分省略縦断面図である。同岩石コア採取管の切断角度を９０度ずらせた部分省略縦断面図である。同岩石コア採取管の正面図である。図１に示す二重管削孔機をドリルジャンボに装着した削孔状態を示す側面図である。図５に示す二重管削孔機の継ぎ足し伸長状態を示す断面図である。岩石コア採取管の地山への打設状態を示す断面図である。ガイドケースのスリット部分を示す側面図である。図８中のＡ−Ａ線断面図である。岩石コア採取管に使用したコアケースの側面図である。図１０中のＢ−Ｂ線断面図である。

次に本発明に係る岩石コア採取装置の実施の形態を図面に示した実施例に基づいて説明する。本発明に係る岩石コア採取装置は、図１に示す二重管削孔機Ａと、図２〜図４に示す岩石コア採取管Ｂとから構成され、図５に示すようにドリルジャンボ１のドリルブーム２に搭載して使用する。

図５において符号３はドリルジャンボ１のドリルブームに２に支持させたガイドセルである。４はガイドセル３上にスライド自在に支持させた削岩機である。削岩機４のドリルヘッド５に二重管削孔機Ａが装着されるようになっている。

二重管削孔機Ａは、図１に示すように、円筒状のガイド管１０とその中心に挿通された中空ロッド１１とを有し、ガイド管１０の先端にはアウター掘削ヘッド金具１２が固定されているとともに、中空ロッド１１の先端にはインナー掘削ヘッド金具１３が固定されている。

アウター掘削ヘッド金具１２は、円筒状をなし、その先端面に多数の掘削ビット１２ａ，１２ａ......が突設されている。インナー掘削ヘッド金具１３は円柱状をなし、その先端面に多数の掘削ビット１３ａ，１３ａ......が突設されている。

インナー掘削ヘッド金具１３は、ガイド管１０側からアウター掘削ヘッド金具１２内に挿入され、その先端がアウター掘削ヘッド金具１２の先端より稍前方に突出した位置でアウター掘削ヘッド金具１２の内面との間の嵌合機構によって相互間の回転方向の相対動作が不能となり、且つインナー掘削ヘッド金具１３の押し出しにより同時にアウター掘削ヘッド金具１２が押し出されるように嵌合されている。

即ち、インナー掘削ヘッド金具１３は、その先端側を細径とし、後端側を太径として中間部分に段部１４が形成され、アウター掘削ヘッド金具１２の内面には、インナー掘削ヘッド金具１３の外径と対応した細径部と太径部があり、その境界に段部１５が形成されており、インナー掘削ヘッド金具１３の段部１４がアウター掘削ヘッド金具１２の段部１５に当接することによってアウター掘削ヘッド金具１２かインナー掘削ヘッド金具１３の押し出しとともに押し出され、また、両者間には互いに嵌り合うスプライン１６が形成され、前記段部１４，１５が当接した状態のときに互いに嵌り合って相互間の回転方向の相対動作が不能となるようにしている。

ガイド管１０は、図６、図７に示すように先端にアウター掘削ヘッド金具１２を一体に有する先頭管１０ａとその後方に順次連結される後続管１０ｂ，１０ｂとから構成されており、後端側がドリルジャンボ１のガイドセル４に上に備えたガイド管ガイド７にガイドされている。

このガイド管１０を構成している先頭管１０ａ及び後続管１０ｂの長さは、それぞれ３〜３．５ｍ程度とすることが好ましい。また、各管１０ａ，１０ｂには、一定長さ毎（本例では各管の全長の１／３の長さ毎）に、図８、図９に示すようにスリット間周壁部１７ａを隔てて円周方向に向けたスリット１７が形成され、このスリット間周壁部１７ａをサンダーによって切断することによって、スリット位置で長さ方向に複数分割できるようになっている。尚図中１８は、先頭管１０ａと後続管１０ｂ間及び後続管１０ｂ相互間のジョイントであり、このジョイントにはねじ込み型及びワンタッチ型のものが使用できる。

中空ロッド１１は、先端にインナー掘削ヘッド金具１３を一体に有する先頭ロッド１１ａとその後方に順次連結される後続ロッド１１ｂ，１１ｂとから構成されており、後端側がドリルジャンボ１のガイドセル３に上に備えた削岩機４のドリルヘッド５に固定されている。ドリルヘッド５には給水孔５ａが形成されており、中空ロッド１１内へ掘削屑洗い出し用の水が供給され、この水がインナー掘削ヘッド金具１３に形成した給水孔１３ｂを通して掘削切羽に供給されるようになっている。先頭ロッド１１ａ及び後続ロッド１１ｂの長さは、ガイド管と同じく３〜３．５ｍ程度とする。

岩石コア採取管Ｂは、図２〜図４に示すように、前端側が開放された有底円筒状をした採取管本体２０と、その内部に収容されたコアケース２１とから構成されている。

採取管本体２０は、胴部円筒管２２と、その前端に固定された円筒状の掘削ヘッド金具２３と、胴部円筒管２２の後端にこれを閉鎖する状態に固定されたロッド固定金具２４とから構成されている。掘削ヘッド金具２３の前端には、多数の掘削ビット２３ａが突設されている。

採取管本体２０は、胴部円筒管２２と、その前端の掘削ヘッド金具２３及び後端のロッド固定金具２４の外径が略同径に形成され、胴部円筒管２２の前端内に、掘削ヘッド金具２３外周の雄ねじが螺合され、後端内にロッド固定金具２４外周の雄ねじが螺合されて組み立てられている。

コアケース２１は、円筒形をした管体であり、その外径が採取管本体２０の胴部円筒管２２の内径より小さく形成されており、両者の間に隙間２９が形成されている。このコアケース２１は、その前端が採取管本体２０の掘削ヘッド金具２３の後端部内周に形成したコアケース嵌合用の拡径部２５内に嵌合されている。図中２５ａは、拡径部２５と同心配置にコアケース２１を嵌合させるためのスペーサである。

一方、ロッド固定金具２４の前端には、前記胴部円筒管２２の内径より小さい小径部２６が形成されており、その先端部外周に更に小径のコアケース嵌合部２７が形成され、該小径部２７の外周にコアケース２１の後端が嵌合されている。

このコアケース２１は、掘削ヘッド金具２３又はロッド固定金具２４を胴部円筒管２２から外すことによって採取管本体２０に対する取り出し及び挿入がなされるようになっている。コアケース２１の長さは１ｍ程度の鋼管あるいはアクリル樹脂管により構成され、長さ方向に向けで分割用のスリット２８が形成されている。

このスリット２８は、図１０、図１１に示すように、円周の１８０度毎の対称位置にコアケース長さ方向に向けて形成されており、そのコアケース両端とその全長の１／３長さ毎の位置に、スリットの長さ方向部分に残された周壁部２８ａを残して形成されている。このスリット間周壁部２８ａをサンダーによって切断することによってコアケースが半円筒状に２分割できるようになっている。

ロッド固定金具２４は、その後端に前述した二重管削孔機Ａの中空ロッド１１の先端が螺合される雌ねじ穴３０が形成され、中空ロッド１１に対し、インナー掘削ヘッド金具１３と取り換えて装着することができるようになっている。

採取管本体２０には、図２〜図４に示すようにその前端の掘削ヘッド金具２４の先端より掘削水が吐出される掘削水供給路が形成されている。この掘削水供給路は、ロッド固定金具２４の雌ねじ穴３０の中央より、小径部２６外周に連通開口された通水孔３１、胴部円筒管２２とコアケース２１との隙間２９、この隙間２９に通じるように掘削ヘッド金具２３の肉厚内に前後に貫通開口させた給水ノズル３２によって構成され、中空ロッド１１を通して給水することによって掘削ビット２３間に掘削水が供給されるようになっている。

尚、掘削ヘッド金具２３には、地山状況に応じてボタン掘削ヘッド金具、片刃掘削ヘッド金具、両刃掘削ヘッド金具等の各タイプのものを取り換え使用する。これらを選択使用することにより、軟質地山から硬岩地山への急変、硬質地山から軟質地山への急変にも対応でき、地山の硬軟に左右されることなくコアをサンプリングすることができる。

このように構成される岩石コア採取装置の使用に際しては、図５に示すようにドリルジャンボ１のドリルブーム２に支持されているガイドセル３上に二重管削孔機Ａを装着する。この装着は、ガイドセル３上にガイド棹１０を支持させ、中空ロッド１１の基端側を削岩機４のドリルヘッド５に固定する。

この状態で、ガイドセル３を切羽鏡部３３にセットし、削岩機４を作動させ、中空ロッド１１より掘削水を供給させつつ削孔し、ガイド管１０を削孔内に挿入する。この作業は、後続管１０ｂ及び後続ロッド１１ｂを継ぎ足しながら所望の深さまで削孔し、ガイド管１０をその内部に挿入する。

所望の深さ、即ち、所望の岩石コア採取深さまで二重管削孔機Ａによって削孔した後、岩石コア採取作業を行う。この採取作業は、ガイド管１０を削孔内に残し、中空ロッド１１とともにインナー掘削ヘッド金具１３を抜き取る。この金具１３の代わりに岩石コア採取管Ｂを中空ロッド１１の先端に固定し、後続ロッド１１ｂを継ぎ足しながらガイド管１０内に挿入する。掘削ヘッド金具２３が削孔の最奥部に達した状態で、中空ロッド１１を削岩機４のドリルヘッド５に固定し、中空ロッド１１から掘削水を供給しつつ削岩機４を作動させ、図７に示すように岩石コア採取管Ｂを、ガイド管１０の前端前方の地山に打設し、コアケース２１内に、掘削ヘッド金具１３によって円柱状に切り取られた岩石コアを収容する。

このようにして最長、コアケース長さまでの岩石コアを採取した後、中空ロッド１１とともに岩石コア採取管Ｂを引き抜き、コアケース２１を岩石コア採取管Ｂから取り出し、内部の岩石コアを取り出す。

Ａ二重管削孔機
Ｂ岩石コア採取管
１ドリルジャンボ
２ドリルブーム
３ガイドセル
４削岩機
５ドリルヘッド
５ａ給水孔
１０ガイド管
１０ａ先頭管
１０ｂ後続管
１１中空ロッド
１１ａ先頭ロッド
１１ｂ後続ロッド
１２アウター掘削ヘッド金具
１２ａ掘削ビット
１３インナー掘削ヘッド金具
１３ａ掘削ビット
１３ｂ給水孔
１４段部
１５段部
１７スリット
１７ａスリット間周壁部
１８ジョイント
２０採取管本体
２１コアケース
２２胴部円筒管
２３掘削ヘッド金具
２３ａ掘削ビット
２４ロッド固定金具
２５拡径部
２６小径部
２７コアケース嵌合部
２８スリット
２８ａ周壁部
２９隙間
３０雌ねじ穴
３１通水孔
３２給水ノズル
３３切羽鏡部

Claims

ガイド管内に中空ロッドが挿入され、該ガイド管の先端に筒状のアウター掘削ヘッド金具が装着されるとともに、前記中空ロッドの先端に前記アウター掘削ヘッド金具内より前方に押し出し可能にしたインナー掘削ヘッド金具が装着された二重管削孔機を備え、
前記インナー掘削ヘッド金具の代わりに前記中空ロッドの先端に固定して前記ガイド管のアウター掘削ヘッド金具内より前方に移動できる岩石コア採取管を備え、
該岩石コア採取管は、後端がロッド固定金具によって閉鎖され、先端にリング状の掘削ヘッド金具を固定した前端開放型の採取管本体と、該採取管本体内に挿入され、先端が前記掘削ヘッド金具の後端側に着脱可能に連結されるとともに後端が前記ロッド固定金具によって閉鎖された有底筒状のコアケースとを有し、
且つ、該岩石コア採取管には、前記コアケースと採取管本体との間にコアケース外空隙を備え、該コアケース外空隙を前記中空ロッド内に連通させるとともに、前記掘削ヘッド金具に該コアケース外空隙に通じる掘削水供給路を備え、
前記アウター掘削ヘッド金具内にインナー掘削ヘッド金具を挿入して二重管削孔しつつガイド管を削孔内に挿入し、しかる後該インナー掘削ヘッド金具に代えて前記岩石コア採取管を挿入してガイド管先端前方の岩石コアを採取できるようにしてなる岩石コア採取装置。
前記二重管削孔機を、ジャンボのドリフタに装着自在にしてなる請求項１に記載の岩石コア採取装置。
前記ガイド管には、円周方向に向けた複数のスリットを、スリット間周壁部を残して形成し、該スリット間周壁部を切断することによって長さ方向を複数に分割できるようにしてなる請求項１又は２何れか１に記載の岩石コア採取装置。
前記コアケースは、円周方向の少なくともコアケース軸心を中央にして対称な２箇所に、少なくとも両端部に周壁部を残して長さ方向に向けた複数のスリットを備え、該スリットの長さ方向部分に残された周壁部を切断することにより円周方向を複数分割できるようにしにしてなる請求項１〜３の何れか１に記載の岩石コア採取装置。