JP2018053573A - 地盤掘削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる地盤掘削装置を提供する。【解決手段】地盤掘削装置は、ブレード２２と、ビット１５と、正電極２３Ａ〜２３Ｃ及び負電極２４Ａ〜２４Ｃと、を備える。ブレード２２のカッタ２２Ａは、地盤を掘削する。ブレード２２は、ビット１５に取り付けられている。ビット１５には、正電極２３Ａ〜２３Ｃ及び負電極２４Ａ〜２４Ｃが設けられている。正電極２３Ａ〜２３Ｃ及び負電極２４Ａ〜２４Ｃは、地盤に電気パルスを供給する。【選択図】図３

Description

本発明は、地盤掘削装置に関する。

近年地球探査は地球の深部に及ぶようになってきている。地球の深部を探査する地球深部探査では、地盤を掘削した掘削調査が行われることも多い。また、海底は、地上と比べて地殻が薄いことから、海底は、地球深部探査に適した場所とされている。そこで、海洋に浮かべた船舶から海中にビットを投入し、ビットによって海底地盤を掘削する海底孔井掘削方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１６９３５１号公報

しかし、上記特許文献１に開示された海底孔井掘削方法では、ビットによる地盤の破砕力のみによって地盤の掘削を行っている。このため、地盤の掘削力をあまり大きくすることができなかった。特に、地盤が堅固である場合には、地盤の掘削に長時間を費やしてしまうおそれがあった。

本発明が解決しようとする課題は、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる地盤掘削装置を提供することである。

上記の課題を解決した本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置は、地盤を掘削する地盤掘削装置であって、地盤を掘削するカッタと、前記カッタが取り付けられたビットと、地盤に電気パルスを供給する電気パルス供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置においては、地盤を掘削するカッタのほかに、地盤に電気パルスを供給する電気パルス供給部が設けられている。このため、電気パルス供給部で電気パルスを地盤に供給した後、カッタで地盤を掘削できる。地盤に電気パルスを供給すると、堅固な地盤であっても、クラックなどを入れることができる。カッタは、このクラックをきっかけとして掘削を行う。したがって、効率よく地盤の掘削を行うことができる。よって、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置によれば、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、前記電気パルス供給部は、前記ビットに設けられていてもよい。

このように、電気パルス供給部がビットに設けられていることにより、カッタで掘削する地盤に対して電気パルスを容易に供給することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、カッタは導電体を備えて構成され、前記電気パルス供給部は、一対の電極を備えており、前記一対の電極同士の間の距離が、前記一対の電極のうちの一方の電極と前記カッタとの間の距離よりも短くされていてもよい。

このように、電気パルス供給部が一対の電極を備える場合、一方の電極から他方の電極に向けて電気パルスを供給することで、地盤にも電気パルスが供給される。ここで、電極同士の距離よりも一方の電極とカッタとの間の距離が短いと、電気パルスが発生する方向が地盤の方向に向かず、地盤の掘削に力が働きにくくなり、さらには、ビットの他の構造物を損傷させてしまうおそれが生じる。この点、一対の電極同士の間の距離は、一方の電極とカッタとの間の距離よりも短くされている。このため、電気パルスを地盤の方向に向かわせることができ、地盤の掘削に力が働きやすくするとともに、ビットの他の構造物の損傷を抑制することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、前記電気パルス供給部は、前記一対の電極として正極と負極とを備えており、前記一方の電極は前記正極であってもよい。

このように、一方の電極が正極であることにより、直流電流による電気パルスを供給する場合に、地盤に確実に電気パルスを供給することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、前記電気パルス供給部を押圧して地盤に接触させる押圧部を備えていてもよい。

このように、押圧部によって電気パルス供給部を押圧して地盤に接触させることにより、地盤に対して電気パルスをさらに確実に供給することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、前記押圧部は、前記電気パルス供給部を地盤方向に付勢する付勢部を備えていてもよい。

このように、押圧部が電気パルス供給部を地盤方向に付勢する付勢部を備えていることにより、電気パルス供給部を地盤に接触させ、または地盤に対して１〜２ｃｍ離れた地盤の近傍に位置させた状態を維持しやすくできる。その結果、地盤に対して確実に電気パルスを供給することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置において、前記押圧部は、流体圧によって前記電気供給部を地盤方向に押圧する流体押圧部を備えていてもよい。

このように、押圧部が流体圧によって電気パルス供給部を地盤方向に押圧する流体押圧部を備えることにより、電気パルス供給部を地盤に接触させた状態を維持しやすくできる。その結果、地盤に対して確実に電気パルスを供給することができる。

また、本発明の一実施形態に係る地盤掘削装置は、水底における地盤を掘削するものでもよい。また、水底は塩水底でもよいし、塩水底は海底でもよい。

このように、水底の地盤を掘削する場合であっても、電気パルス供給部から地盤に電気パルスを供給することにより、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる。特に、塩水は導電率が高いことから、地盤が塩水底または海底である場合には地盤に電気パルスを供給しにくくなるが、例えば電気パルス供給部が一対の電極を有する場合には、電極間の距離を短く、例えば５ｍｍ程度とすることにより、地盤に対して電気パルスを供給することができる。

本発明に係る地盤掘削装置によれば、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる。

第１の実施形態に係る地盤掘削装置を備える船舶の全体図である。 第１の実施形態に係る地盤の中におけるドリルパイプの側断面図である。 第１の実施形態に係るビットの斜視図である。 第１の実施形態に係るビットの底面図である。 ビットにおける電極の動作を示す側断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面の概略を示す図である。 ビットによる掘削工程の説明図である。 第２の実施形態に係るビットの斜視図である。 第２の実施形態に係るビットの底面図である。 第２の実施形態における図２のＡ−Ａ線断面相当の概略を示す図である。 第３の実施形態に係るビットにおける電極部分の側断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面の概略の変形例を示す図である。

以下、本発明の幾つかの実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１の実施形態に係る地盤掘削装置について、図面を参照して具体的に説明する。図１は、第１の実施形態に係る地盤掘削装置を備える船舶の全体図である。図１に示すように、船舶８０には、地盤掘削装置１が搭載されている。また、船舶８０には、櫓８１が搭載されている。船舶８０には、下方の海中に連通する図示しないプールが設けられている。地盤掘削装置１は、このプールを通じて海中に投入されている。

地盤掘削装置１は、ライザーパイプ１１と、噴出防止装置１２と、ケーシングパイプ１３と、ドリルパイプ１４と、ビット１５と、を備えている。ライザーパイプ１１は、船舶８０から吊り降ろされている。噴出防止装置１２は、船舶８０の下方における海底に設置されている。ライザーパイプ１１は、船舶８０と噴出防止装置１２との間を繋いでいる。

噴出防止装置１２は、ライザーパイプ１１の最下端位置に設けられている。噴出防止装置１２は、ライザーパイプ１１が船舶８０と繋がっていることにより、地盤に形成された掘削孔からの深部流体及びガスの噴出を海底で抑制し、船舶８０に上がってくることを防止している。噴出防止装置１２は、掘削孔の中の圧力制御も行っている。

ケーシングパイプ１３は、掘削孔に埋設されている。ケーシングパイプ１３は多段式となっている。ケーシングパイプ１３は、下方に行くにしたがって先細る形状となっている。ケーシングパイプ１３は、掘削孔の崩落を防止するとともに、深度によって地層圧力の異なる区間を遮断している。

図２は、地盤の中におけるドリルパイプの側断面図である。図１に示すように、ドリルパイプ１４は、船舶８０から吊下げられ、ライザーパイプ１１の内側を通って掘削孔内に進入している。ドリルパイプ１４は、掘削孔の最下端部に到達している。ビット１５は、ドリルパイプ１４の下端部に取り付けられている。ビット１５は、鉛直軸周りに回転することによって地盤を掘削する。

地盤の掘削を行うにあたり、ドリルパイプ１４の内側には、図１に示す船舶８０から泥水が供給される。ドリルパイプ１４の内側に供給された泥水は、ドリルパイプ１４内を下降して、ドリルパイプ１４の下端部に到達する。ドリルパイプ１４の下端部では、ビット１５で地盤を掘削することで発生する掘り屑と泥水とが混合される。ライザーパイプ１１とドリルパイプ１４との間には、図示しない泥水循環領域が形成されている。ビット１５で地盤を掘削して発生した掘り屑が混合された泥水は、泥水循環領域を通して船舶８０まで搬送され、船舶８０で回収される。掘り屑と泥水とは船舶８０で分類され、泥水は再利用される。

図２に示すように、地盤掘削装置１は、タービンモータ１６と、回生ブレーキ１７と、コンデンサユニット１８と、制御ユニット１９とを備えている。タービンモータ１６、回生ブレーキ１７、コンデンサユニット１８、及び制御ユニット１９は、いずれもドリルパイプ１４の内側に設けられている。タービンモータ１６、回生ブレーキ１７、コンデンサユニット１８、及び制御ユニット１９のうち、タービンモータ１６は、最も上方位置に設けられている。回生ブレーキ１７は、タービンモータ１６の下方に設けられており、コンデンサユニット１８は、回生ブレーキ１７の下方に設けられている。制御ユニット１９は、コンデンサユニット１８の下方に設けられている。

タービンモータ１６は、船舶８０からドリルパイプ１４の内部を通して孔底まで送られる泥水によって駆動されるモータである。回生ブレーキ１７は、孔底まで送られる泥水の流れによって回転するタービンモータ１６の駆動力を利用し、回生電流を発生する装置である。回生ブレーキ１７は、発生した電流をコンデンサユニット１８に供給する。コンデンサユニット１８は、ビット１５に設けられた後に説明する第１正電極２３Ａ〜第３正電極２３Ｃに電気を流し、電気パルスを発生させる。制御ユニット１９は、泥水の流量に基づいて、コンデンサユニット１８の電力供給を制御する。なお、以下の説明において、第１正電極２３Ａ〜第３正電極２３Ｃをまとめて正電極２３ということがある。また、第１正電極２３Ａ〜第３正電極２３Ｃの隣には、第１負電極２４Ａ〜第３負電極２４Ｃが第１正電極２３Ａ〜第３正電極２３Ｃと対になって配設されているが、第１負電極２４Ａ〜第３負電極２４Ｃをまとめて負電極２４ということがある。

図２に示すように、ドリルパイプ１４の下端部に設けられたビット１５は、図３に示すように、接続部２１と、ブレード２２と、本発明の電気パルス供給部及び正極の一例である正電極２３と、本発明の負極の一例である負電極２４と、電極取付部２５と、を備えている。

接続部２１は、ねじを備えて形成されている。また、ドリルパイプ１４の下端部には、図示しないねじ溝が形成されている。接続部２１は、ドリルパイプ１４の下端部に形成されたねじ溝にねじ込まれている。こうして、ビット１５は、ドリルパイプ１４の下端部に取り付けられている。また、接続部２１の周囲には、段差部２１Ａが形成されている。

接続部２１とブレード２２と電極取付部２５とは、一体的に成形されている。ブレード２２は、複数のカッタ２２Ａと、カッタ２２Ａが取り付けられたブレード本体２２Ｂと、を備えている。カッタ２２Ａは、例えば焼結人工ダイヤモンドで構成されている。ブレード本体２２Ｂ及び電極取付部２５は、導電体で構成されている。また、正電極２３及び負電極２４の側面は、いずれも絶縁体で保護する必要があるため、正電極２３と負電極２４の側面は、絶縁体で覆われており、ビット１５と接触する部分は絶縁処理されている。正電極２３と負電極２４は、下端部の絶縁体に覆われていない電極接点のみが非絶縁体とされている。

ビット１５は、２個から５個のブレード２２を備えている。ブレード２２が２個である場合には、２対の電極が設けられ、ブレード２２が５個である場合には、５対の電極が設けられる。これらのブレード２２は、ビット１５の周方向に略等間隔で離間して配置されている。ブレード本体２２Ｂは、ブレード２２の周方向の端部において複数のカッタ２２Ａを保持している。複数のカッタ２２Ａは、ビット１５の略半径方向に沿って整列している。

図２に示すドリルパイプ１４は、船舶８０に設けられた図示しない回転駆動機器によって鉛直軸周りに回転可能とされている。ドリルパイプ１４が取り付けられたビット１５は、ドリルパイプ１４とともに鉛直軸周りに回転可能とされている。ビット１５が回転することにより、ビット１５が地盤を掘削する。

正電極２３及び負電極２４は、電極取付部２５に取り付けられている。電極取付部２５は、ビット１５に２個〜５個設けられている。こうして、正電極２３及び負電極２４は、電極取付部２５を介してビット１５に設けられている。正電極２３及び負電極２４は、制御ユニット１９を介してコンデンサユニット１８に接続されている。制御ユニット１９は、正電極２３に電圧を印加可能とされている。

図４に示すように、正電極２３及び負電極２４は、それぞれ電極取付部２５に対して１組ずつ取り付けられている。このため、ビット１５は、２〜５組の正電極２３及び負電極２４を備えている。また、正電極２３と負電極２４とは、近い位置に配置されている。具体的な本発明の電極同士の距離の一例である正電極２３と負電極２４との離間距離は、約１０ｍｍ〜２０ｍｍとされている。正電極２３に高電圧を印加することにより、正電極２３から負電極２４に向けて電気パルスが発生する。

正電極２３及び負電極２４が地盤に当接し、または地盤から近い位置にある場合には、正電極２３が発生する電気パルスは、地盤を通過して負電極２４に到達する。地盤を通過する電気パルスによって、地盤が脆弱化され、例えばクラックが生じたり、岩盤の軽い破砕が生じたりする。

また、図５に示すように、正電極２３は、電極取付部２５に形成された第１凹部２５Ａに埋め込まれて設けられている。負電極２４は、電極取付部２５に形成された第２凹部２５Ｂに埋め込まれて設けられている。第１凹部２５Ａには、本発明の押圧部及び付勢部の一例であるスプリング２６Ａが収容されている。第２凹部２５Ｂには、本発明の押圧部及び付勢部の一例であるスプリング２６Ｂが収容されている。

第１凹部２５Ａ及び第２凹部２５Ｂには、配管２９Ａを介してシリンダ２９が接続されている。第１凹部２５Ａ、第２凹部２５Ｂ、及びシリンダ２９には、絶縁流体Ｗが充填されている。正電極２３及び負電極２４は、絶縁流体Ｗによって絶縁されている。正電極２３が第１凹部２５Ａに進入するときに、第１凹部２５Ａ内の絶縁流体Ｗがシリンダ２９内に移動する。同様に、負電極２４が第２凹部２５Ｂに進入するときに、第２凹部２５Ｂ内の絶縁流体Ｗがシリンダ２９内に移動する。また、正電極２３が第１凹部２５Ａから退出するときには、シリンダ２９内の絶縁流体Ｗが第１凹部２５Ａ内に移動する。同様に、負電極２４が第２凹部２５Ｂから退出するときには、シリンダ２９内の絶縁流体Ｗが第２凹部２５Ｂ内に移動する。こうして、正電極２３及び負電極２４を第１凹部２５Ａ及び第２凹部２５Ｂに対してスムーズに進退させることができる。また、第１凹部２５Ａ及び第２凹部２５Ｂの入口近傍には、Ｏリング２７Ａ，２７Ｂが設けられている。Ｏリング２７Ａ，２７Ｂにより第１凹部２５Ａ及び第２凹部２５Ｂへの泥水の浸入、並びに第１凹部２５Ａ及び第２凹部２５Ｂ内の絶縁流体の流出Ｗが抑制されている。

スプリング２６Ａ，２６Ｂは、いずれも圧縮スプリングである。スプリング２６Ａ，２６Ｂは、収縮したときに正電極２３及び負電極２４をそれぞれ下方に地盤方向に付勢する付勢力を備えている。正電極２３及び負電極２４は、それぞれスプリング２６Ａ，２６Ｂの付勢力により地盤に押し付けられている。こうして、スプリング２６Ａ，２６Ｂは、正電極２３及び負電極２４を押圧して地盤に接触させている。

正電極２３及び負電極２４は、接続構造を介して制御ユニット１９と電気的に接続されている。接続構造は、図６に示すように、ビット１５の段差部２１Ａに設けられた外側正電極用配線パターン３１、中間正電極用配線パターン３２、内側正電極用配線パターン３３、及び負電極用配線パターン３４を備えている。段差部２１Ａの表面には絶縁処理層が形成されており、絶縁処理層の上層に外側正電極用配線パターン３１、中間正電極用配線パターン３２、内側正電極用配線パターン３３、及び負電極用配線パターン３４が設けられている。外側正電極用配線パターン３１、中間正電極用配線パターン３２、内側正電極用配線パターン３３、及び負電極用配線パターン３４は、いずれも同心の円周状に形成されている。これらのパターンのうち、負電極用配線パターン３４が最も外側に形成されている。また、接続構造は、図２に示すように、ドリルパイプ１４に設けられた正極用接続配線３３Ｌ及び負極用接続配線３４Ｌを備えている。負電極用配線パターン３４の内側に外側正電極用配線パターン３１が形成され、外側正電極用配線パターン３１の内側に中間正電極用配線パターン３２が形成されている。さらに、中間正電極用配線パターン３２の内側に内側正電極用配線パターン３３が形成されている。内側正電極用配線パターン３３の内側には、接続部２１が配置され、接続部２１のさらに内側には泥水の流路となる送泥管２８が配置されている。

外側正電極用配線パターン３１は、周方向に沿って略３等分されており、それぞれ第１外側正電極用配線パターン３１Ａ、第２外側正電極用配線パターン３１Ｂ、及び第３外側正電極用配線パターン３１Ｃとなっている。中間正電極用配線パターン３２は、周方向に沿って略３等分されており、それぞれ第１中間正電極用配線パターン３２Ａ、第２中間正電極用配線パターン３２Ｂ、及び第３中間正電極用配線パターン３２Ｃとなっている。内側正電極用配線パターン３３は、周方向に沿って略３等分されており、それぞれ第１内側正電極用配線パターン３３Ａ、第２内側正電極用配線パターン３３Ｂ、及び第３内側正電極用配線パターン３３Ｃとなっている。負電極用配線パターン３４は、周方向に沿って略３等分されており、それぞれ第１負電極用配線パターン３４Ａ、第２負電極用配線パターン３４Ｂ、及び第３負電極用配線パターン３４Ｃとなっている。

また、ドリルパイプ１４（図２参照）には、図６に示す第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃが設けられている。これらの第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃには、正極用接続配線３３Ｌが接続されている。第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃは、ドリルパイプ１４にビット１５を接合したときに、第１内側正電極用配線パターン３３Ａ、第２内側正電極用配線パターン３３Ｂ、及び第３内側正電極用配線パターン３３Ｃと重なり合う位置にそれぞれ配置されている。第１内側正電極用配線パターン３３Ａ、第２内側正電極用配線パターン３３Ｂ、及び第３内側正電極用配線パターン３３Ｃにおける隣り合う接続点同士は、ドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。また、第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃは、ドリルパイプ１４の中心点からの距離が、それぞれ第１外側正電極用配線パターン３１Ａ、第２外側正電極用配線パターン３１Ｂ、または第３外側正電極用配線パターン３１Ｃの半径と略同一とされている。

さらに、ドリルパイプ１４には、第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃが設けられている。これらの第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃには、負極用接続配線３４Ｌが接続されている。第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃにおける隣り合う接続点同士は、ドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。また、第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃは、ドリルパイプ１４の中心点からの距離が、ビット１５に設けられた負電極用配線パターン３４の半径と略同一とされている。

ビット１５をドリルパイプ１４に取り付ける際、ビット１５をドリルパイプ１４に対して相対的に回転させて接続部２１をドリルパイプ１４のねじ溝にねじ込む。このとき、外側正電極用配線パターン３１が周方向に沿って略３等分され第１外側正電極用配線パターン３１Ａ、第２外側正電極用配線パターン３１Ｂ、及び第３外側正電極用配線パターン３１Ｃとされるとともに第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃがドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。

同様に、中間正電極用配線パターン３２が周方向に沿って略３等分され第１中間正電極用配線パターン３２Ａ、第２中間正電極用配線パターン３２Ｂ、及び第３中間正電極用配線パターン３２Ｃとされるとともに第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃがドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。また、内側正電極用配線パターン３３が周方向に沿って略３等分され第１内側正電極用配線パターン３３Ａ、第２内側正電極用配線パターン３３Ｂ、及び第３内側正電極用配線パターン３３Ｃとされるとともに第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃがドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。このため、第１正電極接続点３５Ａ、第２正電極接続点３５Ｂ、及び第３正電極接続点３５Ｃのそれぞれが、外側正電極用配線パターン３１、中間正電極用配線パターン３２、及び内側正電極用配線パターン３３と接触する構造となっている。

さらに、負電極用配線パターン３４が周方向に沿って略３等分され第１負電極用配線パターン３４Ａ、第２負電極用配線パターン３４Ｂ、第３負電極用配線パターン３４Ｃとされるとともに第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃがドリルパイプ１４の周方向に等間隔で配置されている。このため、第１負電極接続点３６Ａ、第２負電極接続点３６Ｂ、及び第３負電極接続点３６Ｃのそれぞれが、負電極用配線パターン３４と接触する構造となっている。

また、第１外側正電極用配線パターン３１Ａ、第２外側正電極用配線パターン３１Ｂ、及び第３外側正電極用配線パターン３１Ｃは、それぞれ電線３７を介して第１正電極２３Ａ，第２正電極２３Ｂ、及び第３正電極２３Ｃに電気的に接続されている。さらに、第１負電極用配線パターン３４Ａ、第２負電極用配線パターン３４Ｂ、及び第３負電極用配線パターン３４Ｃは、それぞれ電線３８を介して第１負電極２４Ａ，第２負電極２４Ｂ、及び第３負電極２４Ｃに電気的に接続されている。

また、第１正電極２３Ａ，第２正電極２３Ｂ、及び第３正電極２３Ｃと第１負電極２４Ａ，第２負電極２４Ｂ、及び第３負電極２４Ｃとは、いずれも対となって形成されている。一対の正電極２３及び負電極２４において、正電極２３と負電極２４との間の離間距離は、正電極２３から最も近いブレード２２と正電極２３との間の離間距離よりも短くされている。

次に、上記の地盤掘削装置１を用いた地盤の掘削手順について説明する。図７は、地盤掘削装置における掘削の手順を示す説明図である。地盤掘削装置１による掘削を行う際には、まず、船舶８０から泥水をドリルパイプ１４の内部を通して孔底まで送ることにより、タービンモータ１６を駆動させ、回生ブレーキ１７を作動させて回生電流を発生させ、コンデンサユニット１８に蓄電する。制御ユニット１９は、蓄電されたコンデンサユニット１８から正電極２３に対して電圧を印加する。正電極２３に電圧が印加されると、図７（ａ）に示すように、正電極２３から電気パルス９１が発生する。正電極２３から発生した電気パルスは、地盤９０を介して負電極２４に向かう。また、負電極２４に向かう過程において、地盤９０に対しても向かうこととなる。

発生した電気パルス９１が地盤９０に向かうと、電気パルス９１が地盤９０を脆弱化させる。電気パルス９１が向かった地盤９０は、図７（ｂ）に示すように、通常部９０Ａと、通常部９０Ａが脆弱化された脆弱部９０Ｂとなる。このため、例えば地盤９０が堅固な岩盤等である場合であっても、電気パルスが供給されることでその表面がもろくなった脆弱部９０Ｂとなって削りやすくなる。

地盤に電気パルスを向かわせるにあたり、正電極２３及び負電極２４は、いずれもスプリング２６Ａ，２６Ｂによって地盤に押し付けられている。このため、正電極２３からの電気パルスを地盤９０に確実に向かわせることができる。したがって、地盤９０の脆弱化を効率的に行うことができる。

この状態でビット１５を回転させると、図７（ｃ）に示すように、ビット１５におけるブレード２２のカッタ２２Ａが地盤９０を掘削する。例えば、地盤が堅固な岩盤等である場合、カッタ２２Ａの掘削力では、掘削に長時間を要してしまい、掘削が滞ることがある。この点、上記の地盤掘削装置１では、電気パルスを地盤９０に向かわせて地盤９０を脆弱化させた後にカッタ２２Ａによる掘削を行っている。このため、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる。なお、図７（ｃ）では、カッタ２２Ａを見やすくするために正電極２３及び負電極２４を上昇させた位置に描いているが、実際には正電極２３及び負電極２４の下端部は地盤に当接している。

カッタ２２Ａによる掘削を行っている間、船舶８０からは、ドリルパイプ１４の内側を介してビット１５に泥水を供給している。ビット１５では、供給された泥水に掘削した掘り屑が混合する。掘り屑が混合された泥水は、ドリルパイプ１４の外側を伝って搬送される。こうして、地盤９０の掘削が行われる。

このように、上記の地盤掘削装置１においては、ブレード２２のカッタ２２Ａによる地盤の掘削を行うにあたり、正電極２３から地盤９０に対して電気パルスを供給している。電気パルスを供給された地盤９０は、電気パルスによって脆弱化される。このように、地盤９０が脆弱化された後にブレード２２のカッタ２２Ａによって地盤を掘削するので、堅固な地盤であっても、短時間で掘削を行うことができる。

また、正電極２３及び負電極２４は、ビット１５に設けられている。このため、ビット１５による掘削の際に地盤９０に電気パルスを供給できるので、効率よく地盤９０を脆弱化させることができる。また、ビット１５には、一対の正電極２３及び負電極２４が２から５組設けられている。一対の正電極２３及び負電極２４の離間距離は、正電極２３とブレード２２のブレード本体２２Ｂとの離間距離よりも短くされている。このため、正電極２３から供給された電気パルスは、ブレード本体２２Ｂなどの他の構造物ではなく負電極２４に向かうこととなる。したがって、正電極２３から電気パルスを確実に発生させることができる。

ところで、海水は導電率が高いことから、海中では電気パルスが発散してしまい、海中において電気パルスを発生させることは難しいと考えられた。ところが、電気パルスを発生させるための電極を近接させることにより、導電率が高い海中であっても、電気パルスを発生させられることがわかった。電気パルスを発生させるための正電極２３と負電極２４との間の距離は、１０〜２０ｍｍ程度とするのが好適である。ただし、正電極２３と負電極２４との間の距離は、１０ｍｍ未満でもよいし、２０ｍｍを超えてもよい。

また、正電極２３及び負電極２４は、スプリング２６Ａ，２６Ｂによって地盤９０に押し付けられている。このため、ビット１５による掘削を行っているときでも、正電極２３及び負電極２４を地盤９０に接触した状態を維持させることができる。したがって、地盤
９０に対して電気パルスを確実に供給することができる。なお、正電極２３及び負電極２４を地盤９０に押圧させる部材として、付勢力のあるスプリング２６Ａ，２６Ｂを用いているが、他の部材を用いてもよい。例えば、水圧によって正電極２３及び負電極２４を押圧する油圧シリンダまたは水圧シリンダなどの流体押圧部であってもよいし、水圧以外の流体圧である気圧で正電極２３及び負電極２４を押圧するエアシリンダであってもよい。

また、上記の例では、海底の地盤を掘削する例について説明したが、他の地盤を掘削するものでもよい。例えば、川又は湖などの淡水の水底の地盤を掘削するものでもよいし、塩水の湖沼の底である塩水底の地盤を掘削するものであってもよい。また、水中ではなく、地上における地盤を掘削するものであってもよい。

また、上記の例では、正電極２３及び負電極２４に直流電流を供給して電気パルスを発生させているが、交流電流を２つの電極に供給して電気パルスを発生させてもよい。この場合、正電極と負電極とが入れ替わることとなる。したがって、２つの電極の間の距離は、いずれかの電極から最も近いブレード２２と当該電極との間の離間距離よりも短くされていればよい。

（第２実施形態）
次に、第２の実施形態に係る地盤掘削装置について、図面を参照して具体的に説明する。本実施形態では、上記第１の実施形態と比較して、カッタの構造が主に異なっている。以下、本実施形態について、上記第１の実施形態と異なる点を中心として説明する。図８は、第２の実施形態に係るビットの斜視図、図９は、第２の実施形態に係るビットの底面図である。

図８及び図９に示すように、ビット４０は、接続部４１と、ブレード４２と、本発明の電気パルス供給部の一例である正電極４３と、負電極４４と、電極取付部４５と、を備えている。接続部４１及びブレード４２は、上記第１の実施形態における接続部２１及びブレード２２と共通の構成を有している。ブレード４２は、複数のカッタ４２Ａが取り付けられたブレード本体４２Ｂを３個備えている。

正電極４３及び負電極４４は、電極取付部４５に取り付けられている。電極取付部４５は、ビット４０に２〜５個設けられている。図９に示すように、正電極４３及び負電極４４は、それぞれ電極取付部４５に対して複数組、ここでは５組ずつ取り付けられている。また、正電極４３と負電極４４とは、近い位置に配置されている。また、第１実施形態に示した制御ユニット１９は、本実施形態では、電極取付部４５の内側に設けられている。

また、上記の第１実施形態では、正電極用の配線パターンとして、外側正電極用配線パターン３１、中間正電極用配線パターン３２、内側正電極用配線パターン３３の３本の配線パターンが設けられていた。これに対して、本実施形態のビット４０では、図１０に示すように、正電極用の配線パターンとして、正電極配線パターン７０の一本を設けるようにした。このため、配線パターンの構造が簡素化されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る地盤掘削装置では、上記第１の実施形態に係る地盤掘削装置１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る地盤掘削装置では、電極取付部４５に複数の正電極４３及び負電極４４が対となって設けられている。このため、電極から電気パルスを確実に発生させることができる。したがって、地盤の掘削をさらに迅速に行うことができる。また、多数の正電極４３及び負電極４４が設けられているので、一部に地盤との接触状態が良くない電極があったとしても、地盤の脆弱化を好適に行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３の実施形態に係る地盤掘削装置について、図面を参照して具体的に説明する。本実施形態では、上記第１の実施形態と比較して、電極の構造が主に異なっている。以下、本実施形態について、上記第１の実施形態と異なる点を中心として説明する。図１１は、第３の実施形態に係るビットにおける電極部分の側断面図である。

本実施形態に係る地盤掘削装置におけるビットには、図１１に示す電極ケース５０が取り付けられている。電極ケース５０は、図３に示す正電極２３または負電極２４に代えて取り付けられる。上記第１の実施形態では、正電極２３又は負電極２４のいずれかが設けられていたところに、本実施形態では、正電極及び負電極が設けられる。

図１１に示すように、電極ケース５０には、正電極５１及び負電極５２が設けられている。正電極５１と負電極５２との間の距離は、例えば約５ｍｍ〜３０ｍｍとされている。正電極５１は、電極ケース５０に形成された第１凹部５０Ａに収容されている。負電極５２は、電極ケース５０に形成された第２凹部５０Ｂに収容されている。

第１凹部５０Ａには、第１スプリング５３Ａが設けられている。第１スプリング５３Ａは、圧縮スプリングであり、第１凹部５０Ａに収容された正電極５１を地盤の方向に付勢する。同様に、第２凹部５０Ｂには、第２スプリング５３Ｂが設けられている。第２スプリング５３Ｂは、圧縮スプリングであり、第２凹部５０Ｂに収容された負電極５２を地盤の方向に付勢する。また、第１凹部５０Ａ及び第２凹部５０Ｂの入口近傍には、第１Ｏリング５４Ａ及び第２Ｏリング５４Ｂがそれぞれ設けられている。第１Ｏリング５４Ａ及び第２Ｏリング５４Ｂにより、第１凹部５０Ａ及び第２凹部５０Ｂへの海水の浸入が抑制されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る盤掘削装置では、上記第１の実施形態に係る地盤掘削装置１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る地盤掘削装置では、電極ケース５０に正電極５１及び負電極５２が収容されている。このため、正電極５１及び負電極５２を容易に近くに配置することができる。したがって、電気パルスを発生させるために、正電極５１と負電極５２とを近くに配置することが容易となる。

（配線パターンの変形例）
図６に示す配線パターンに代えて、図１２に示すように、３本の第１正極用配線パターン３１Ｘ、第２正極用配線パターン３２Ｘ、第３正極用配線パターン３３Ｘと、１本の負極用配線パターン３４Ｘが設けられた態様としてもよい。この配線パターンでは、例えば、第１正極用配線パターン３１Ｘが第１正電極２３Ａ（図３参照）に接続され、第２正極用配線パターン３２Ｘが第２正電極２３Ｂ（図３参照）に接続され、第３正極用配線パターン３３Ｘが第３正電極２３Ｃ（図３参照）に接続されていればよい。また、負極用配線パターン３４Ｘに第１負電極２４Ａ，第２負電極２４Ｂ、及び第３負電極２４Ｃ（図３参照）が接続されていればよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…地盤掘削装置
１１…ライザーパイプ
１２…噴出防止装置
１３…ケーシングパイプ
１４…ドリルパイプ
１５，４０…ビット
１６…タービンモータ
１７…回生ブレーキ
１８…コンデンサユニット
１９…制御ユニット
２１，４１…接続部
２２，４２…ブレード
２２Ａ，４２Ａ…カッタ
２２Ｂ，４２Ｂ…ブレード本体
２３，４３，５１…正電極
２４，４４，５２…負電極
２６Ａ，２６Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ…スプリング
５０…電極ケース
８０…船舶
９０…地盤
９０Ａ…通常部
９０Ｂ…脆弱部
９１…電気パルス

Claims (10)

1. 地盤を掘削する地盤掘削装置であって、
   地盤を掘削するカッタと、
   前記カッタが取り付けられたビットと、
   地盤に電気パルスを供給する電気パルス供給部と、
   を備えることを特徴とする地盤掘削装置。
2. 前記電気パルス供給部は、前記ビットに設けられている請求項１に記載の地盤掘削装置。
3. 前記カッタは導電体を備えて構成され、
   前記電気パルス供給部は、一対の電極を備えており、
   前記一対の電極同士の間の距離が、前記一対の電極のうちの一方の電極と前記カッタとの間の距離よりも短くされている請求項１または２に記載の地盤掘削装置。
4. 前記電気パルス供給部は、前記一対の電極として正極と負極とを備えており、
   前記一方の電極は前記正極である請求項３に記載の地盤掘削装置。
5. 前記電気パルス供給部を押圧して地盤に接触させる押圧部を備える請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の地盤掘削装置。
6. 前記押圧部は、前記電気パルス供給部を地盤方向に付勢する付勢部を備える請求項５に記載の地盤掘削装置。
7. 前記押圧部は、流体圧によって前記電気パルス供給部を地盤方向に押圧する流体押圧部を備える請求項５に記載の地盤掘削装置。
8. 水底における地盤を掘削する請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の地盤掘削装置。
9. 前記水底は塩水底である請求項８に記載の地盤掘削装置。
10. 前記塩水底は海底である請求項９に記載の地盤掘削装置。

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