JP2527674B2 - 地盤穿孔装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は地盤穿孔装置に関す
る。さらに詳細には、ボーリングロッド等の穿孔工具に
軸線方向に起振力を与えながら回転掘削する方式の地盤
穿孔装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】土木工事において、表土に水平および傾
斜の穴を掘削する工事がある。この掘削は、例えばグラ
ウトホールの削孔、アンカー孔の削孔、薬液注入孔の削
孔、発破孔の削孔、水抜き孔の削孔などを目的として行
われる。

【０００３】この種の掘削に使用されるボーリング機械
は、穿孔装置が一般に回転式のものと、衝撃式のものと
に大別される。回転式ボーリング機械は、例えばスピン
ドル型、水平ボーリング用のパワースイベル型のよう
に、ビットに回転掘削力を与えて掘削するものである。
他方、衝撃式ボーリング機械は、例えばハンマ型のよう
に、ビットに軸線方向衝撃力を与えて掘削するものであ
る。

【０００４】さらに、掘削効率を向上させるために、回
転式および衝撃式のものを組合せ、掘削ドリルに回転と
衝撃荷重を加える穿孔装置が提案されている。例えば、
特開昭６０−１４１９８７号公報には、外部パイプ系、
穿孔クラウンを支持する内部パイプ系、穿孔クラウンに
衝撃を与える衝撃手段、外部パイプ系駆動用第１回転駆
動手段、内部パイプ系駆動用第２回転駆動手段を備えた
表土類穿孔装置が開示されている。前記衝撃手段は、キ
ャリッジに固定されており、内部パイプ系の後端に衝撃
を与える液圧式ハンマードリルなどからなる。

【０００５】西ドイツ公開特許出願第２，９２４，３９
２号には、内部パイプ中に設けたダウン・ザ・ホール
（Ｄｏｗｎ Ｔｈｅ Ｈｏｌｅ）ハンマーと称される衝
撃手段を有し、穿孔クラウンに衝撃を与える穿孔装置が
記載されている。このハンマーにより穿孔クラウンは、
回転中打撃を受ける。一方、外部パイプ系は、ボアホー
ルの前進量に応じて回転して同時に前進する。

【０００６】前記した穿孔装置の提案により、高能率の
穿孔が可能になった。しかし、この穿孔装置は衝撃を発
生させながら掘削するものであるため、騒音が大きく、
特に住宅地に隣接した地域での掘削には適さないという
問題点があった。

【０００７】掘削ドリルに回転と衝撃荷重を加える穿孔
装置は、岩盤掘削が多いヨーロッパでの都市土木工事に
特に有効である。一方日本の都市土木工事においては、
通常、比較的軟弱な沖積土層を掘削対象とする場合が多
く、前記穿孔装置を使用する要求性はそれ程高くない
が、掘削の高能率化それ自体は望まれるところである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記のよ
うな従来の技術的背景に基づいてなされたものであっ
て、次の目的を達成するものである。

【０００９】この発明の目的は、回転衝撃式のものに近
い掘削効率が得られ、しかも大きな騒音を発生すること
がない地盤穿孔装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために次のような手段を採用している。

【００１１】この発明は、フレーム（４，６５）と、 このフレーム（４，６５）に設けられ、先端に穿孔工具
（１１）が接続される主軸（２１，８１）を回転自在か
つその軸線方向に移動自在に支持する主軸ハウジング
（１５，７３）を有し、前記主軸（２１，８１）に回転
力を付与するための回転駆動装置（２，６２）と、 前記主軸（２１，８１）を前記軸線方向に移動させて、
地盤に送り及びこの地盤から引抜くための送り装置（１
０，９０）と、 前記主軸（２１，８１）の前記主軸ハウジング（１５，
７３）から突出する部分に設けられ、前記主軸（２１，
８１）に前記軸線方向の起振力を往復振動力として付与
するための起振装置（３，６３）とを備えてなる地盤穿
孔装置である。

【００１２】前記起振装置（３）が、前記フレーム
（４）に前記軸線方向に変位自在に設けられたロータハ
ウジング（３３）と、このロータハウジング（３３）内
に収容され、所定の周波数で回転して前記起振力を発生
する複数枚の偏心ロータ（４３，４４）と、前記主軸ハ
ウジング（１５）から突出する前記主軸（２１）の後端
部を前記ロータハウジング（３３）に回転自在に結合す
るための連結手段（４８）とからなる。

【００１３】前記起振装置（６３）が、前記主軸（８
１）の前記主軸ハウジング（７３）から突出する部分に
設けられたピストン（８２）と、このピストン（８２）
を前記軸線方向に摺動自在に収容するシリンダ（８０）
と、前記ピストン（８２）によって区画され、所定の周
波数で交互に供給され、前記ピストン（８２）に前記起
振力を発生させるための作動流体が加えられる前記シリ
ンダ（８０）内の２つの室（８０ａ，８０ｂ）と、この
作動流体の前記シリンダ室内への供給を制御するための
弁（８４）とからなる。

【００１４】

【作用】主軸には回転駆動装置により回転力が、起振装
置により軸線方向の起振力がそれぞれ加えられ、主軸か
ら穿孔工具にこれらの動力が伝達される。これによって
穿孔工具は回転しながら軸線方向に振動し、振動によっ
て穿孔工具の先端の周囲の土が緩み流動化現象が生じる
ので、掘削抵抗が小さくなる。この際、穿孔工具には衝
撃を与えないので、大きな騒音は発生しない。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。

【００１６】第１実施例 この実施例は、パワースイベル型ボーリング機械の穿孔
装置にこの発明を適用した例である。図１は、穿孔装置
が搭載されたフレームの全体を示す正面図、図２は穿孔
装置を拡大して示す平面図、図３は正面図である。

【００１７】穿孔装置１は、回転駆動装置２と起振装置
３とを含んでいる。穿孔装置１は走行フレーム４を介し
て固定フレーム５に移動自在に搭載されている。すなわ
ち回転駆動装置２が走行フレーム４の上載板４ａに固定
され、走行フレーム４は複数のローラ６を介してフレー
ム５に沿って走行自在となっている（図３参照）。起振
装置３は走行フレームの上載板４ａに、複数の支持部材
７を介して支持されている。各支持部材７は頂部に球状
部材８を有し、起振装置３を支持している。すなわち、
球状部材８は起振装置３に連結されているのではなく、
起振装置３を単に支えているだけである。

【００１８】走行フレーム４は、図８に示すように、駆
動モータ（図示せず）からスプロケット９を介して駆動
伝達されるフィードチェーン１０によって走行し、これ
により穿孔装置１全体が掘進方向前後に移動し、ボーリ
ングロッド１１の地盤への送り及び引抜きが行われる。
この送り駆動機構は、フィードチェーンに代えて、油圧
シリンダを使用してもよい。

【００１９】固定フレーム５は、この実施例では、掘進
角度が可変のものが示され、リンク１２が油圧シリンダ
１３の作動で回動することによって掘進角度が変化す
る。また固定フレーム５は、掘削作業中は動かないが、
掘削準備中に油圧シリンダ１４の作動によって移動し、
地表面に対して接離自在となっている。なお、垂直に掘
削するときは、起振装置３の重量やボーリングロッドの
重さで地中に加圧されるので、フィードチェーンによる
送りをしなくても良い。ガイド１５ａは、ボーリングロ
ッド１１を支持し、案内するためのものである。

【００２０】回転駆動装置２の構造 図４は回転駆動装置２の詳細を示す横断面図である。回
転駆動装置２は主軸ハウジング１５を有し、主軸ハウジ
ング１５内に内歯１６および外歯１７を有するリングギ
ヤ１８が、ラジアルベアリング１９およびスラストベア
リング２０を介して回転自在に収容されている。主軸を
構成するシャンクロッド２１が、主軸ハウジング１５を
貫通して配置されている。シャンクロッド２１は、リン
グギヤ１８の内歯１６に嵌合するスプライン２２を有
し、軸線方向に移動自在となっている。

【００２１】ハウジング１５から突出するシャンクロッ
ド２１の先端には、ボーリングロッド１１を接続するた
めの雄ねじ２３が形成されている。主軸ハウジング１５
に複数の駆動モータ２４が固定され、各出力軸２５は主
軸ハウジング１５内に突入している。各出力軸２５に設
けたピニオン２６がリングギヤ１８の外歯１７と噛み合
い、シャンクロッド２１が回転駆動される。

【００２２】主軸ハウジング１５内の前後位置に、内周
にフランジを有する円筒部材２７ａ，２７ｂがシャンク
ロッド２１の外周を取り巻いて配置されている。さら
に、各円筒部材２７ａ，２７ｂの内周には、外周にフラ
ンジを有する環状のピストン２８ａ，２８ｂが摺動自在
に配置されている。環状のピストン２８ａ，２８ｂは、
シャンクロッド２１に摺動自在に嵌合されている。

【００２３】円筒部材２７ａ，２７ｂとピストン２８
ａ，２８ｂとによって、環状の油室２９ａ，２９ｂが形
成され、油室２９ａ，２９ｂには供給口３０から圧油が
供給される。円筒部材２７ａの後端および円筒部材２７
ｂの前端に、シャンクロッド２１に嵌合された環状のス
トッパ３１ａ，３１ｂがスプライン２２と間隔を置いて
配置されている。

【００２４】シャンクロッド２１はこのストッパ３１
ａ，３１ｂ間で起振装置３によって振動され、振幅がそ
の範囲よりも大きくなるとスプライン２２がストッパ３
１ａ，３１ｂに衝突するが、ピストン２８ａ，２８ｂが
油室２９ａ，２９ｂ内の油圧で支持されているので、一
種のダンパーの役割をしてその衝撃が緩和される。供給
口３２は、ギヤ等にグリス等の潤滑剤をを供給するため
の供給口である。

【００２５】起振装置３の構造 図５は起振装置３の横断面図、図６は縦断面図である。

【００２６】起振装置３は、ロータハウジング３３を有
している。ロータハウジング３３の下端両側にガイド４
上の上載板４ａと係合する垂下片３４，３４が設けられ
ている。起振装置３はガイド４に沿って、すなわちシャ
ンクロッド２１の軸線と平行な方向に変位自在に搭載さ
れている。ロータハウジング３３には２つの軸３５，３
６が、シャンクロッド２１の軸線と直交する方向にラジ
アルベアリング３７を介して支持されている。

【００２７】ロータハウジング３３の上面に駆動モータ
３８が設けられ、その出力軸３９は一方の軸３５に挿入
されキーで連結されている。軸３５，３６には互いに噛
み合う平歯車４０，４１がキーで連結され、駆動モータ
３８による軸３５の回転が平歯車４０，４１を介して軸
３６に伝達される。

【００２８】軸３５には、キー４２によって回り止めさ
れた略半円形の円板からなる１枚の偏心ロータ４３が保
持部材４５およびボルト４６を介して保持されている
（図５参照）。軸３６には、偏心ロータ４３と同様な２
枚の偏心ロータ４４が同様の手段により保持されてい
る。偏心ロータ４３は、偏心ロータ４４の２倍の質量を
有している。すなわち、軸３５，３６には全体として等
しい質量の偏心ロータがそれぞれ設けられている。

【００２９】偏心ロータ４３，４４は互いに逆方向に同
時に回転される。しかも、両偏心ロータ４３，４４は、
一方の偏心ロータ４３の重心Ｇとその回転中心とを結ぶ
線がシャンクロッド２１の軸線と平行になったとき、他
方の偏心ロータ４４の重心Ｇとその回転中心とを結ぶ線
もシャンクロッド２１の軸線と平行になるように軸３
５，３６に取付けられている。

【００３０】したがって、偏心ロータ４３，４４の回転
中これらに作用する遠心力は、シャンクロッド２１の軸
線方向と垂直な方向の分力が互いに打ち消され、軸線方
向と平行な分力のみが合成されるので、起振装置３は軸
線方向の起振力のみを発生する。使用する起振装置３
は、ボーリング孔径、掘進速度、対象地盤の土質によっ
て仕様が異なるが、通常、振動数５００〜２０００ｃｐ
ｍ、振幅５〜２０ｍｍの各範囲から選択される。

【００３１】シャンクロッド２１と起振装置３との連結
構造 図７はシャンクロッド２１と起振装置３との連結構造を
示す断面図である。シャンクロッド２１は、連結ロッド
４７およびカップリング４８を介して起振装置３に連結
されている。連結ロッド４７の先端にはねじ孔４９が形
成され、このねじ孔４９にシャンクロッド２１の後端が
ねじ込まれて結合されている。

【００３２】カップリング４８は円筒形のカップリング
本体５０を有し、その後端に形成されたフランジ５１が
起振装置３の取付板５２にボルト５３によって固定され
ている。連結ロッド４７の後端にはフランジ５４が形成
され、このフランジ５４はカップリング本体５０に受け
入れられている。フランジ５４の前面側にスラスト軸受
５５が、後面側にアキシャル軸受５６がそれぞれ配置さ
れ、連結ロッド４７はカップリング本体５０に対し回転
自在となっている。

【００３３】起振装置３が発生した起振力は、フランジ
５４、スラスト軸受５５および連結ロッド４７を介して
シャンクロッド２１に伝達される。連結ロッド４７に設
けられた孔５７およびこれに連通して設けられた短管５
８は、ボーリングロッド内の孔にボーリング水を供給す
るためのものである。

【００３４】使用状態 孔の掘削時には、シャンクロッド２１の先端にボーリン
グロッド１１が順次接続される。回転駆動装置２の作動
によりシャンクロッド２１を介してボーリングロッド１
１が回転し、また、フィードチェーン１０によりボーリ
ングロッド１１が地中に押込まれ、先端のビットによっ
て表土が掘削される。同時に、起振装置３によって起振
力がシャンクロッド２１を介してボーリングロッド１１
に伝達され、ボーリングロッド１１が振動する。

【００３５】ボーリングロッド１１の振動はその周囲の
土に流動化現象を生じさせ、土が緩むので掘削抵抗が減
少し、先端ビットによる掘削効率が高められる。しか
も、従来のように打撃力を与えるものではないので大き
な騒音を発生しない。

【００３６】第２実施例 この実施例は、スピンドル型ボーリング機械の穿孔装置
にこの発明を適用した例である。図９は、スピンドル型
ボーリング機械の全体を示す正面図、図１０は側面図で
ある。

【００３７】スライドベース６０上にフレーム６５が搭
載され、このフレーム６５の正面にスイベルヘッドであ
る穿孔装置６１が設けられている。穿孔装置６１を除
き、フレーム６５に設けられた各種機器は周知であるの
で、これらに関しては簡単に説明する。原動機６４の動
力は、プーリ６４ａ等の伝動装置を介して穿孔装置６
１、ホイストドラム６７や図示しない油圧モータ等に伝
達され、これらの装置が作動する。

【００３８】ホイストドラム６７は、ボーリングロッド
やケーシング等の長尺物を昇降させるためのものであ
る。メインクラッチレバー６８の操作により、ボーリン
グ機械全体の始動、停止が行われる。チェンジレバー６
９の操作により、穿孔装置６１のスピンドル８１の回転
数とドラム６７の巻上速度が選択される。ドラムギヤシ
フトレバー７０の操作により、図示しない変速装置の回
転がドラム６７に伝達され、また停止される。ホイスチ
ングレバー７１、ブレーキレバー７２の操作により、巻
上げ、ブレーキ制動が行われる。

【００３９】図１１は穿孔装置６１の断面図である。ボ
ーリングロッドを地盤に押し込み等するための送りシリ
ンダ９０は一対設けられているが、図１１においては一
方の送りシリンダ９０のみが示されている。

【００４０】穿孔装置６１は、回転駆動装置６２と起振
装置６３とを含んでいる。

【００４１】回転駆動装置６２の構造 回転駆動装置６２はフレーム６５に設けられた主軸ハウ
ジング７３を有し、この主軸ハウジング７３にギヤブッ
シュ７４がボールベアリング７５，７５を介して回転自
在に支持されている。スピンドル８１は、このギヤブッ
シュ７４内にキー７６を介して相対回転は不可能である
が、軸線方向に移動自在に挿入されている。

【００４２】ギヤブッシュ７４の外周にはベベルギヤ７
７がキー７８を介して設けられ、このベベルギヤ７７に
原動機６４の動力が図示しない他の伝動装置を介して伝
達され、スピンドル８１が回転する。スピンドル８１の
下端には、ボーリングロッドを固定するための油圧チャ
ック７９が設けられている。ベベルギヤ７７ａはスピン
ドル８１の回転数を変化させるためのギヤである。

【００４３】送りシリンダ９０は、スピンドル８１の軸
線と平行に主軸ハウジング７３に設けられている。送り
シリンダ９０から突出しているピストンロッド９１の上
端には筒状のスピンドルブラケット８０が固定されてい
る。主軸ハウジング７３から突出しているスピンドル８
１の上端は、スピンドルブラケット８０に回転自在に支
持され、送りシリンダ９０の作動によりスピンドル８１
が昇降し、ボーリングロッドの地盤への送り及び引き上
げがなされる。

【００４４】起振装置６３の構造 起振装置６３は、スピンドルブラケット８０によって形
成される起振シリンダを有している。この起振シリンダ
８０内に、スピンドル８１の上端に設けられたピストン
８２が摺動自在に収容されている。ピストン８２によっ
て区画された２つのシリンダ室８０ａ，８０ｂに、ポー
ト８３ａ，８３ｂを経て圧油が所定の周波数で交互に供
給され、これによりスピンドル８１がその周波数で軸線
方向に振動する。

【００４５】スピンドル８１は、後述するように起振力
を受けながら、地盤に押し込まれる。このため、送りシ
リンダ９０の押込力は、起振シリンダの起振力よりも大
きく設定されている。

【００４６】シリンダ室８０ａ，８０ｂへの圧油の供給
制御は、方向切換弁８４によってなされる。方向切換弁
８４は、ロータリー式の弁であり、例えばドイツ国ＳＩ
ＲＥＸ社製のロータリー式インパルス発生機が用いられ
る。図１２は、この方向切換弁８４による振動発生の原
理を示している。

【００４７】油圧ポンプ（図示せず）から送られた圧油
は、ケーシング８５のＰポートからロータ８６の中央に
設けられたリング状溝８７に入り、さらにリング状溝８
７から左右に延びている往きのスロット８８，８９に流
れる。そして、左のスロット８８がＡポートと一致した
ときに、圧油はＡポートからシリンダ室８０ａ側に流れ
込む。同時にシリンダ室８０ｂ側から押出された圧油は
Ｂポートから戻りのスロット９２を通りＴ₁ ポートを経
てタンク（図示せず）に戻る。このとき、ピストン８２
は右側に移動する（図１２（ａ））。ロータ８６の回転
が進むと、ポンプからの圧油は右のスロット８９を通り
Ｂポートからシリンダ室８０ｂ側に入り、押出されたシ
リンダ室８０ａ側の圧油はＡポート、帰りのスロット９
３、Ｔ₂ポートを経てタンクへ戻り、このときピストン
８２は左側に移動する（図１２（ｂ））。

【００４８】このように、ロータ８６の回転により交互
に流路を切換えてピストン８２を左右に移動させ振動を
発生させる。この場合、振動数はロータ８６に設けられ
たスロットの数とロータの回転数の積で決まる。

【００４９】なお、使用する起振装置６３は、前記実施
例と同様にボーリング孔径、掘進速度、対象地盤の土質
によって仕様が異なるが、油圧Ｐ＝１４０ｋｇｆ／ｃｍ
² 、振動数５００〜２０００ｃｐｍ、振幅５〜２０ｍｍ
の各範囲から選択される。

【００５０】使用状態 孔の掘削時には、スピンドル８１の下端にボーリングロ
ッドが順次接続される。回転駆動装置６２の作動により
スピンドル８１を介してボーリングロッドが回転し、ま
た、送りシリンダ９０によりボーリングロッドが地中に
押込まれ、先端のビットによって表土が掘削される。同
時に、起振装置６３によって起振力がスピンドル８１を
介してボーリングロッドに伝達され、ボーリングロッド
が振動する。ボーリングロッドの振動が、土に与える作
用は前記実施例と同様である。

【００５１】他の実施例 上記実施例では、穿孔工具として、ボーリングロッドを
用いた穿孔装置について説明した。しかし、この発明は
オーガースクリュー等種々の穿孔工具を用いる穿孔装置
にも適用できる。

【００５２】さらに、単に地盤を穿孔するだけでなく、
穿孔しつつ破砕するための工具を備えた穿孔装置にもこ
の発明を適用できる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、ボーリングロッドをこれに軸線方向の振動を与えつ
つ、回転させて掘削するものであるので、大きな騒音を
発生させることなく、掘削効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の第１実施例を示し、穿孔装
置が適用されるパワースイベル型ボーリング機械の正面
図である。

【図２】図２は、穿孔装置を拡大して示す平面図であ
る。

【図３】図３は、穿孔装置を拡大して示す正面図であ
る。

【図４】図４は、回転駆動装置の横断面図である。

【図５】図５は、起振装置の横断面図である。

【図６】図６は、起振装置の縦断面図である。

【図７】図７は、回転駆動装置と起振装置の連結部の断
面図である。

【図８】図８は、ボーリングロッドの供給、押込みのた
めのフィードチェーンを示す正面図である。

【図９】図９は、この発明の第２実施例を示し、穿孔装
置が適用されるスピンドル型ボーリング機械の正面図で
ある。

【図１０】図１０は、図９に示されたボーリング機械の
側面図である。

【図１１】図１１は、穿孔装置の断面図である。

【図１２】図１２は、方向制御弁による振動発生原理を
説明するための図である。

【符号の説明】

１…穿孔装置 ２…回転駆動装置 ３…起振装置 ４…走行フレーム １０…フィードチェーン １１…ボーリングロッド １５…主軸ハウジング ２１…シャンクロッド ２２…スプライン ２４…駆動モータ ４８…カップリング

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フレーム（４，６５）と、 このフレーム（４，６５）に設けられ、先端に穿孔工具
   （１１）が接続される主軸（２１，８１）を回転自在か
   つその軸線方向に移動自在に支持する主軸ハウジング
   （１５，７３）を有し、前記主軸（２１，８１）に回転
   力を付与するための回転駆動装置（２，６２）と、 前記主軸（２１，８１）を前記軸線方向に移動させて、
   地盤に送り及びこの地盤から引抜くための送り装置（１
   ０，９０）と、 前記主軸（２１，８１）の前記主軸ハウジング（１５，
   ７３）から突出する部分に設けられ、前記主軸（２１，
   ８１）に前記軸線方向の起振力を往復振動力として付与
   するための起振装置（３，６３）とを備えてなる地盤穿
   孔装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記起振装置（３）が、前記フレーム（４）に前記軸線
   方向に変位自在に設けられたロータハウジング（３３）
   と、 このロータハウジング（３３）内に収容され、所定の周
   波数で回転して前記起振力を発生する複数枚の偏心ロー
   タ（４３，４４）と、 前記主軸ハウジング（１５）から突出する前記主軸（２
   １）の後端部を前記ロータハウジング（３３）に回転自
   在に結合するための連結手段（４８）とからなる地盤穿
   孔装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記起振装置（６３）が、前記主軸（８１）の前記主軸
   ハウジング（７３）から突出する部分に設けられたピス
   トン（８２）と、 このピストン（８２）を前記軸線方向に摺動自在に収容
   するシリンダ（８０）と、 前記ピストン（８２）によって区画され、所定の周波数
   で交互に供給され、前記ピストン（８２）に前記起振力
   を発生させるための作動流体が加えられる前記シリンダ
   （８０）内の２つの室（８０ａ，８０ｂ）と、 この作動流体の前記シリンダ室内への供給を制御するた
   めの弁（８４）とからなる地盤穿孔装置。