JP2020143548A - 掘削ロッド - Google Patents

Abstract

【課題】先端打撃方式で地山を削孔する際に適用でき、かつ、電気ケーブルとして利用することの可能な、掘削ロッドを提供する。【解決手段】掘削ビットと掘削ビットに打撃力を発生させる振動発生機構とを備える削孔機の背面側に配置される掘削ロッドであって、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体５ａと、掘削ロッド本体５ａの中空部に収納される導電棒７ａと、導電棒７ａと掘削ロッド本体５ａとの間に介装されるスペーサ９と、を備え、掘削ロッド本体５ａと導電棒７ａとの隙間に、振動発生機構の作動流体供給口と連通する作動流体流路が形成されるとともに、スペーサ９に、作動流体流路を流下する作動流体が通過する連通部が備えられる。【選択図】図３

Description

本発明は、地山を削孔する削孔装置に用いられる掘削ロッドに関する。

従来より、山岳トンネルを施工する際には、掘削対象領域を含む周辺地山に対して事前調査を行い、この調査結果に基づいてトンネルの設計及び施工計画を立案する。山岳トンネルの事前調査では、地山の地盤強度や地層境界の位置を把握する手段として弾性波探査技術が採用されるが、弾性波探査を地表から行うため、土被りの大小により探査精度に影響が生じやすい。このため、より正確に地山状況を把握するべく、山岳トンネルの施工中においても、切羽前方地山の弾性波探査を実施している。

例えば、特許文献１では、トンネル切羽から前方に向けてドリルビットによる削孔を行いつつ、切羽近傍に配置した受振器でドリルビットから地山を直接伝わってきた削孔振動を受振するとともに、ボーリングマシンに取り付けたパイロットセンサで掘削ビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振する。そして、これら２地点で受振した振動情報に基づいて、ドリルビット先端とトンネル切羽の間の領域における相似的な区間弾性波速度を得ている。

特開２０１６−１７９００号公報

特許文献１のような、地山を削孔するドリルビットを利用して切羽前方地山の状況把握を行う削孔検層によれば、ドリルビットによる削孔振動を発振源とするため、切羽近傍で実施する打撃や発破等を発振源とする速度検層と比較して、大掛かりな発振に係る作業を省略できる。

しかし、ドリルビットによる削孔振動は、上述した切羽近傍で実施する打撃や発破と比較して、その振動が微弱である。また、ドリルビットによる削孔は、掘削ロッドの後端部近傍に配置されたボーリングマシンにドリフタ―等の打撃装置を装備し、この打撃装置から掘削ロッドを介してドリルビットに打撃力を発生させる。このため、ボーリングマシンから大きな機械振動が発振されるとともに、掘削ロッドを継ぎ足しながら削孔作業を行う場合には、掘削ロッドのジョイント部で削孔振動の重複反射が生じる。

すると、ボーリングマシンに取り付けられ、ドリルビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振するパイロットセンサは、上記の削孔振動の重複反射やボーリングマシンの機械振動等のノイズを、微弱な削孔振動と併せて受振することとなり、解析結果の精度や信頼性に影響を生じやすい。

このような中、パイロットセンサが受振するノイズを減少させる方法として、掘削ビットに打撃力を発生させる打撃装置を、掘削ロッドの後端部側に配置する後端打撃方式から、掘削ロッドの先端に配置する先端打撃方式に切り替えたり、パイロットセンサの設置位置を、ボーリングマシンから掘削ビットにほど近い掘削ロッドの先端近傍に移動する等が考えられる。

これらの方法を採用するには、掘削ロッドの先端に配置する打撃装置に作動流体を供給するための供給管や、パイロットセンサで受振したビット振動情報を伝送するための電気ケーブル等が必要となる。しかし、これら供給管や電気ケーブルを掘削ロッドに収納しようとすると、断面径の大きい掘削ロッドを使用せざるを得ず、ひいては削孔径を大きく取る必要が生じるため、合理的とは言えない。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、先端打撃方式で地山を削孔する際に適用でき、かつ、電気ケーブルとして利用することの可能な、掘削ロッドを提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の掘削ロッドは、掘削ビットと該掘削ビットに打撃力を発生させる振動発生機構とを備える削孔機の背面側に配置される掘削ロッドであって、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体と、該掘削ロッド本体の中空部に収納される導電棒と、該導電棒と前記掘削ロッド本体との間に介装されるスペーサと、を備え、前記スペーサに、前記掘削ロッド本体の軸線方向に連通する連通部が備えられることを特徴とする。

また、本発明の掘削ロッドは、前記導電棒が、複数の導電棒一般部を接続して構成され、前記導電棒一般部の両端部にオス電極部もしくはメス電極部が設けられるとともに、前記掘削ロッド本体が、前記導電棒一般部を収納する複数の掘削ロッド本体一般部を接続して構成され、前記掘削ロッド本体一般部の両端部に互いに嵌合するオス継手もしくはメス継手が設けられることを特徴とする。

本発明の掘削ロッドによれば、掘削ロッド本体をマイナス配線と見做し、導電棒をプラス配線と見做した２芯の電気ケーブルとして機能させつつ、掘削ロッド本体と導電棒の隙間を、掘削ロッド本体の先端側に位置する削孔機の振動発生機構を作動させる作動流体の流路として利用でき、作動流体の流下を妨げることなく、掘削ロッドの先端部近傍に掘削ビットから発生されるビット振動を受振する受振器等の電子部品を配置し、伝送や給電を行うことが可能となる。

また、掘削ロッドが、作動流体を流下させる機能と電気ケーブルとしての機能を併せ持つことにより、別途作動流体の供給管や電気ケーブルを準備する必要が無いため、これらを掘削ロッドに収納する場合と比較して、掘削ロッドの径を小さくでき、ひいては削孔径を小さくすることが可能となる。

本発明の掘削ロッドは、前記導電棒が、前記スペーサを介して前記掘削ロッド本体に着脱自在に収納されることを特徴とする。

本発明の掘削ロッドによれば、導電棒を掘削ロッド本体から容易に取り外しできることから、掘削ロッド本体内の清掃や導電棒の取り換え等、掘削ロッドのメンテナンス作業を容易に実施することが可能となる。

本発明によれば、掘削ロッドを構成する掘削ロッド本体と導電棒を２芯の電気ケーブルとして機能させつつ、掘削ロッドをその前方に位置する削孔機の振動発生機構を作動させる作動流体の流路として利用でき、作動流体の流下を妨げることなく、掘削ロッドの先端部近傍に電子部品を配置し、伝送や給電を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態における掘削ロッドを備えた削孔装置を削孔検層に採用する場合の概略を示す図である。 本発明の実施の形態における掘削ロッドの詳細を示す図である。 本発明の実施の形態における掘削ロッドを分割した掘削ロッド一般部を示す図である。 本発明の実施の形態における導電棒の詳細を示す図である。

本発明の掘削ロッドは、地山を削孔する削孔装置に用いるものであって、特に、削孔機を掘削ロッドの先端部に装着して地山を削孔する先端打撃方式の削孔装置に好適な掘削ロッドである。

以下に、掘削ロッドを、削孔検層に用いる削孔装置に適用する場合を事例とし、図１〜４を用いてその詳細を説明するが、これに先立ち、掘削ロッドが用いられる削孔装置の概略を説明する。

本実施の形態における削孔装置Ｍは、図１（ａ）で示すように、トンネルＴの切羽前方地山を掘削ビット２１により削孔しつつ、掘削ビット２１から発生するビット振動を、切羽近傍に設置した受振器Ａおよび掘削ビット２１の背面側近傍に配置されたパイロットセンサ１０の２地点で連続的に受振し、受振した情報から羽前前方の地山状況を把握する削孔検層に用いられるトンネル切羽前方探査システムＳに採用されるものである。

削孔装置Ｍは、削孔機２と、掘削ロッド３と、掘削ロッド３を把持して回転力と推進力を付与するボーリングマシンＢを備える。削孔機２は、地山を削孔する掘削ビット２１と、掘削ビット２１の背面側に位置して打撃を付与する振動発生機構２２とを備え、本実施の形態では、振動発生機構２２として、作動流体Ｗに高圧水を使用する水圧ハンマーを採用している。

掘削ロッド３は、先端部にパイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１が接続され、その前方に上記の削孔機２が配置されている。また、掘削ロッド３はその後端部が、ボーリングマシンＢに備えられたロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して、データ処理装置４及び高圧水供給パイプＰに連結されている。

データ処理装置４は、データ収録システム４１と、データ解析装置４２とを備え、データ収録システム４１は、いわゆるデータロガーであり、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０が受振したビット振動に係る情報を読み取り、データ解析装置４２に出力する。

受振器Ａには、弾性波探査で一般に用いられる３成分加速度計を採用している。また、パイロットセンサ１０にも同様の３成分加速度計を採用できるが、本実施の形態では、パイロットセンサ１０に求められる精度や配置スペース等を考慮し、１成分加速度計を採用している。なお、振動センサ機構１については、後述する。

上記のように、振動センサ機構１を介して削孔機２の背面側に配置される掘削ロッド３は、図１（ａ）で示すように、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体５と、導電材料で形成された高導電性金属棒であり、掘削ロッド本体５より十分小さい断面径を有する導電棒７と、掘削ロッド本体５と導電棒７との間に介装されるスペーサ９と、を備えている。

スペーサ９は、図１（ｂ）で示すように、導電棒７を把持する把持部９１と、把持部９１の外縁より突出し、突出端部が掘削ロッド本体５の内周面に当接する導電棒支持部９２と、を有する。また、スペーサ９は、導電棒７を把持した状態で掘削ロッド本体５へ挿入した際に、掘削ロッド本体５の中空部を閉塞することのないよう、掘削ロッド本体５の軸線方向に延びる切欠きや通し孔等により形成される連通部９３を備えている。

これら、把持部９１、導電棒支持部９２及び連通部９３は、いずれの形状を有するものでもよいが、本実施の形態では、把持部９１が導電棒７を包持するようリング形状に形成され、導電棒支持部９２は把持部９１の外縁より放射方向に３体突出し、隣り合う導電棒支持部９２の間に連通部９３が設けられている。

掘削ロッド３は、このような構成のスペーサ９を長手方向に間隔を設けて複数取り付けた導電棒７を掘削ロッド本体５に挿入することで、導電棒７と掘削ロッド本体５との間に確保した隙間を、作動流体Ｗが流下する作動流体流路Ｌ１として機能させている。なお、スペーサ９には連通部９３が設けられているため、作動流体Ｗは連通部９３を通過でき、掘削ロッド３内をスムーズに流下することが可能となっている。

さらに、図１（ａ）で示すように、掘削ロッド３の先端部に接続される振動センサ機構１に、掘削ロッド３の作動流体流路Ｌ１と削孔機２の振動発生機構２２に連通する作動流体流路Ｌ２を設けることにより、別途作動流体Ｗの供給管を掘削ロッド３に内装させることなく、振動発生機構２２を作動させることが可能となる。

また、掘削ロッド３は、金属製の掘削ロッド本体５をマイナス配線と見做すとともに、導電棒７をプラス配線と見做して２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。

したがって、図１（ａ）で示すように、掘削ロッド３の先端部に接続される振動センサ機構１に、掘削ロッド本体５と接続可能なマイナス配線および導電棒７と接続可能なプラス配線を設けることにより、掘削ロッド３を介して振動センサ機構１に備えたパイロットセンサ１０で受振したビット振動に関する情報を伝送できるとともに、パイロットセンサ１０に給電することも可能となる。

なお、本実施の形態において振動センサ機構１は、図２（ａ）（ｂ）で示すように、パイロットセンサ１０と、パイロットセンサ１０が固定される固定台１１と、固定台１１に固定された状態のパイロットセンサ１０が挿入されるセンサケース１２とを備える。さらに、センサケース１２に内装した接続端子（図示せず）に一端が接続されるセンサ側導電棒１３と、センサ側導電棒１３およびセンサケース１２が挿入されるケースロッド１４とを備える。なお、センサ側導電棒１３は、掘削ロッド３の導電棒７と同様の高導電性金属棒よりなる。

そして、固定台１１、センサケース１２及びケースロッド１４は、いずれも金属製の部材により製作されており、これらをマイナス配線と見做し、センサ側導電棒１３をプラス配線と見做して２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。したがって、パイロットセンサ１０のマイナス配線を固定台１１を介してセンサケース１２及びケースロッド１４に接続し、プラス配線をセンサケース１２に内装した接続端子（図示せず）を介してセンサ側導電棒１３に接続する。

そのうえで、掘削ロッド３の掘削ロッド本体５と振動センサ機構１のケースロッド１４を接続し、掘削ロッド３の導電棒７と振動センサ機構１のセンサ側導電棒１３を接続する。さらに、図１で示すように、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して掘削ロッド３をデータ処理装置４のデータ収録システム４１に接続する。

これにより、データ収録システム４１から掘削ロッド３および振動センサ機構１を介して、パイロットセンサ１０に電力が自動供給され、パイロットセンサ１０で受振したビット振動情報はデータ収録システム４１に伝送される。

また、図２（ａ）（ｂ）で示すように、振動センサ機構１のセンサ側導電棒１３には、導電棒７と同様にスペーサ９が設置されており、スペーサ９の連通部９３により、センサ側導電棒１３とケースロッド１４との間に隙間が形成されている。また、センサケース１２にはその外周面に、ケースロッド１４の軸線方向に延びる切欠き１２３が設けられており、センサケース１２とケースロッド１４との間に隙間が設けられている。

これらケースロッド１４とセンサ側導電棒１３の隙間と、センサケース１２とケースロッド１４の隙間とは連通しており、振動発生機構２２に供給する作動流体Ｗが流下する作動流体流路Ｌ２として機能する。そして、ケースロッド１４は、掘削ロッド３の掘削ロッド本体５及び振動発生機構２２と連通状態で接続可能に構成されている。

これにより、図１で示すように、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介して掘削ロッド３の後端部から高圧水給水パイプＰより高圧水を注入することで、高圧水が掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２を介して振動発生機構２２に供給され、振動発生機構２２に採用した水圧ハンマーを作動させることが可能となる。

このように、掘削ロッド３は、掘削ロッド本体５をマイナス配線と見做し、導電棒７をプラス配線と見做した２芯の電気ケーブルとして機能させつつ、掘削ロッド本体５と導電棒７の隙間を、作動流体流路Ｌ１として利用でき、作動流体Ｗの流下を妨げることなく、掘削ロッド３の先端部にパイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１を設置し、パイロットセンサ１０が受振したビット振動に係る情報の伝送やパイロットセンサ１０への給電を行うことが可能となる。

また、別途作動流体Ｗの供給管や電気ケーブルを準備する必要が無いため、これらを掘削ロッド３に収納する場合と比較して、掘削ロッド３の径を小さくでき、ひいては削孔径を小さくすることが可能となる。

さらに、スペーサ９を設置した導電棒７は掘削ロッド本体５に挿入するのみであり、着脱自在に収納されることから、掘削ロッド本体５内の清掃や導電棒７の取り換え等、掘削ロッド３のメンテナンス作業を容易に実施することが可能となる。

このような構成の掘削ロッド３は、地山削孔が進行するにつれてその長さを伸長させるものである。このため、掘削ロッド３は、図２で示すように、複数の掘削ロッド一般部３ａにより構成されるとともに、掘削ロッド一般部３ａは長手方向に継ぎ足し自在な構成を有している。

図２及び図３で示すように、掘削ロッド一般部３ａは、掘削ロッド本体５の分割体の一部である掘削ロッド本体一般部５ａと、導電棒７の分割体の一部である導電棒一般部７ａと、掘削ロッド本体一般部５ａと導電棒一般部７ａとの間に介装されるスペーサ９と、を備えている。

掘削ロッド本体一般部５ａは、一方の端部にメス継手６１が設けられるとともに、このメス継手６１に嵌合するオス継手６２が他方の端部に設けられている。なお、オス継手６２とメス継手６１とからなる継手構造の種類は、着脱自在な構造であればいずれの継手構造を採用してもよい。

また、オス継手６２には、例えばＯリング等の止水部材（図示せず）が備えられており、掘削ロッド本体一般部５ａを長手方向に複数継ぎ足すべくオス継手６２にメス継手６１を嵌合した際に、止水性能を有する継手構造が形成される。

図３及び図４で示すように、掘削ロッド本体一般部５ａに収納される導電棒一般部７ａは、一方の端部にオス電極部８１が設けられるとともに、このオス電極部８１に嵌合するメス電極部８２が他方の端部に形成されている。なお、メス電極部８２は、導電棒一般部７ａに接続するセンサ側導電棒１３の他方の端部にも設置されている。

掘削ロッド本体一般部５ａにおける導電棒一般部７ａのオス電極部８１とメス電極部８２の配置位置は、図２で示すように、隣り合う掘削ロッド一般部３ａどうしを接続する際、一方の掘削ロッド本体一般部５ａのオス継手６２を他方の掘削ロッド本体一般部５ａのメス継手６１に嵌合させることにより、隣り合う導電棒一般部７ａのオス電極部８１とメス電極部８２が、自動的に差し込まれる位置に配置されている。

また、図４（ａ）（ｂ）で示すように、導電棒一般部７ａに装着されるスペーサ９は、前述した把持部９１、導電棒支持部９２、連通部９３に加えてさらに、導電棒支持部９２の各々に押圧部９４を設置してもよい。

板バネよりなる押圧部９４はその基端部が、導電棒支持部９２の導電棒一般部７ａの軸線と直交する面に固定され、導電棒７と離間する方向に向けて延在し、導電棒支持部９２の突出端部より導電棒一般部７ａの軸線直交方向に張り出したところで、先端部が内巻きに加工処理されている。

このような構成の押圧部９４をスペーサ９に備えると、３体の導電棒支持部９２各々に設けられた３体の押圧部９４が、図３で示すように掘削ロッド本体一般部５ａの内周面を強固に押圧することから、着脱自在でありながら導電棒一般部７ａを掘削ロッド本体一般部５ａに対して強固に固定することができる。

したがって、掘削ロッド一般部３ａは、導電棒一般部７ａと掘削ロッド本体一般部５ａとの間に、掘削ロッド本体一般部５ａの長手方向に連通する作動流体流路Ｌ１を確保しつつ、導電棒一般部７ａを掘削ロッド本体一般部５ａの略軸線上に配置することができる。

上記のとおり、掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２には、作動流体Ｗである高圧水が流下する。このため、掘削ロッド３の導電棒７及び振動センサ機構１のセンサ側導電棒１３はそれぞれ、図２で示すように、高圧水が直接触れることのないよう電気絶縁材料よりなる絶縁部材Ｅにより被覆され、漏電対策が講じられている。

また、導電棒７を構成する導電棒一般部７ａ及びセンサ側導電棒１３に備えられるメス電極部８２は、その外周部が絶縁部材（図示せず）により形成されており、オス電極８１が差し込まれると絶縁が確保されるキャップ状に形成されている。また、内周面には止水ゴムとして一般に広く用いられているＯリング（図示せず）が設置されており、オス電極部８１が嵌合して形成される接続部は、水密構造となっている。さらに、掘削ロッド３及び振動センサ機構１の両者に用いられているスペーサ９も、電気絶縁材料により形成されている。

なお、図３（ａ）（ｂ）で示すようにスペーサ９は、導電棒一般部７ａの長手方向に複数設置するが、例えば、作動液体流路Ｌ１を流下する作動液体Ｗの液圧が小さく、導電棒一般部７ａが掘削ロッド本体一般部５ａ内で揺動する恐れがない場合には、押圧部９４は必ずしも設置したすべてのスペーサ９に設けなくてもよい。

さらに、スペーサ９は、導電棒一般部７ａの長手方向中間部だけでなく、導電棒一般部７ａの両端部に設けられるオス電極部８１とメス電極部８２各々の近傍にも設置するとよい。

本発明の掘削ロッド３は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、掘削ビット２１に打撃力を発生させる振動発生機構２２として水圧ハンマーを採用し、掘削ロッド３の作動流体流路Ｌ１に作動流体Ｗとして高圧水を流下させたが、流下させる作動流体Ｗは、必ずしも高圧水でなくても採用可能である。

また、本実施の形態では、掘削ロッド３の先端部にパイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１を設置する場合を事例としたが、必ずしもこれに限定されるものでない。掘削ロッド３の先端部に配置可能な電子部品であれば、いずれを採用しても掘削ロッド３を２芯の電気ケーブルとして利用し、給電や伝送を行うとが可能である。

１ 振動センサ機構
２ 削孔機
２１ 掘削ビット
２２ 振動発生機構
３ 掘削ロッド
３ａ 掘削ロッド一般部
３ｂ 掘削ロッド先端部
４ データ処理装置
４１ データ収録システム
４２ データ解析装置
３ 掘削ロッド
５ 掘削ロッド本体
５ａ 掘削ロッド本体一般部
５ｂ 掘削ロッド本体先端部
６１ メス継手
６２ オス継手
６３ 受け口
７ 導電棒
７ａ 導電棒一般部
８１ オス電極部
８２ メス電極部
９ スペーサ
９１ 把持部
９２ 導電棒支持部
９３ 連通部
９４ 押圧部
１０ パイロットセンサ
１１ 固定台
１２ センサケース
１２３ 切欠き部
１３ センサ側導電棒
１４ ケースロッド
１５ ロータリージョイント付き高圧スイベル

Ａ 受振器
Ｂ ボーリングマシン
Ｅ 絶縁部材
Ｌ１ 作動流体流路
Ｌ２ 作動流体流路
Ｍ 削孔装置
Ｐ 高圧水給水パイプ
Ｓ トンネル切羽前方探査システム
Ｗ 作動流体（高圧水）

Claims (3)

1. 掘削ビットと該掘削ビットに打撃力を発生させる振動発生機構とを備える削孔機の背面側に配置される掘削ロッドであって、
   金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体と、
   該掘削ロッド本体の中空部に収納される導電棒と、
   該導電棒と前記掘削ロッド本体との間に介装されるスペーサと、を備え、
   前記スペーサに、前記掘削ロッド本体の軸線方向に連通する連通部が備えられることを特徴とする掘削ロッド。
2. 請求項１に記載の掘削ロッドにおいて、
   前記導電棒が、複数の導電棒一般部を接続して構成され、前記導電棒一般部の両端部にオス電極部もしくはメス電極部が設けられるとともに、
   前記掘削ロッド本体が、前記導電棒一般部を収納する複数の掘削ロッド本体一般部を接続して構成され、前記掘削ロッド本体一般部の両端部に互いに嵌合するオス継手もしくはメス継手が設けられることを特徴とする掘削ロッド。
3. 請求項１または２に記載の掘削ロッドにおいて、
   前記導電棒は、前記スペーサを介して前記掘削ロッド本体に着脱自在に収納されることを特徴とする掘削ロッド。