JP2766752B2 - 穿孔方向の制御方法及び穿孔装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として、地中に存在
する鉱物を探査するために地中見本（コア）を採取した
り、温泉や地熱を探査したり、地中に観測機器を設置す
るために地中に孔を形成したり、通信、水道用等の管埋
設用の孔を形成するための比較的小径の孔を地中に形成
する際に、その穿孔方向を制御する方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】地中に比較的小径の孔を形成するビット
としては、円筒状ビットの先端面が、ビットの中心線に
直角なものがある。このビットに、中心線を中心とする
回転を与えつつ、推進力を与えて地中を穿孔すると、地
質の異方性や、穿孔方向が水平、上向き、下向きの傾
斜、上向き、下向きの垂直等の違いにより、ビットやロ
ッドに加わる重力の影響がそれぞれ異なり、孔底の掘削
屑の溜まり具合などから、それぞれ穿孔された孔が異な
った曲がり方をする。

【０００３】このビットの進行方向の曲がりを修正する
方法として、図８に示すように、一旦ビット１及びロッ
ド２を孔５から全部抜き出し、孔底側面にテーパー状の
楔４を固着し、ビット１及びロッド２をこれに添わせて
進行方向を修正する方法がある。この方法は岩盤での施
工を対象としており、あまり軟弱地盤であると楔４の固
定が困難で、方向の修正は期待出来ない。又、楔４は対
象岩盤よりも耐摩耗性が優れていなければ、楔４が切削
されてしまったり、共回りする場合があり、目的を達し
得ない。

【０００４】図９に示すように、楔４を外管３の内面に
固着し、ビット１及びロッド２を外管３の中に挿入し、
楔４に添わせてロッド２を進行させることにより、方向
を修正する方法もある。この方法は軟質岩盤のボーリン
グ孔の修正に使用されているが、ビット１及びロッド２
を孔５から一旦全部引き抜き、楔４を固定した外管３を
挿入してビット１及びロッド２を挿入し、修正後もビッ
ト１やロッド２及び外管３を引き抜き、再び楔４を取り
外した外管３やビット１、ロッド２を挿入しなければな
らず、修正に時間がかかる。

【０００５】先端全面が閉じ中心軸に対して傾斜した傾
斜面に形成された円筒状の楔を回転しつつ地中に押し込
んで地中に孔を形成し、方向を修正する場合には、回転
を停止して曲げようとする方向に対して傾斜面を反対側
に向けて押し込み傾斜面が受ける圧力を利用して傾斜面
の反対側に穿孔方向を修正する穿孔方法が特公昭６０−
５５６７９号公報により提案されている。

【０００６】この方法は地中の土を楔の周囲に圧密して
孔を形成するので、ローム質や粘土質、砂まじり土等の
土質の場所にしか適用できない。砂礫質とか、石質層で
は堅くて楔を進行させることができない。図７に示すよ
うに、円筒状のビット１の前面を傾斜させると共に開口
させ、円筒状のロッド２に接続し、ビット１に回転と推
進を与えれば、砂礫層や石質層にも適用できるが、この
場合も、穿孔方向を修正するには、図８、図９に示した
修正方法を採用するしかない。

【０００７】掘削ロッドの先端のビットの部分が独立に
回転するようになっており、そのビットの向きを修正し
たい方向に曲げて掘削方向を修正するようにした装置も
公知であり、大部分の都市土木用の比較的大型の掘削装
置として用いられている。この装置は一応あらゆる地質
に対応できるが、掘削孔が小径の場合には適用できず、
構造が複雑で高価で故障しやすい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、比較的簡単
な装置を用いて、地質を選ばず孔径が数ｃｍ〜１００ｃ
ｍ程度の孔を形成するに適用でき、穿孔方向を任意に制
御できる穿孔方向の制御方法及びその穿孔装置を提供す
ることを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロッドの先端
に取り付けられロッド側に対して反対側が中心線に対し
て傾斜した傾斜面をなしかつ開口した円筒状のビット
を、ビットの傾斜面を曲げたい側に対して反対側に向
け、そのままビットの尖端を孔底に押し付けた後、ロッ
ドの中心線を回転中心とする回転運動と、ロッドの１回
転毎に１回後進し前進する前後運動と、推進力とをビッ
トに同時に与えてビット尖端の進行方向を調整しつつ穿
孔することを特徴とする穿孔方向の制御方法にある。

【００１０】本発明は又、ロッドの先端に取り付けられ
ロッド側に対して反対側が中心線に対して傾斜した傾斜
面をなしかつ開口した円筒状のビットと、ビットにロッ
ドの中心線を回転中心とする回転運動を与える回転装置
と、ロッドの１回毎に１回後進し前進する前後運動をビ
ットに与える前後移動装置と、ビットの推進装置とを備
えていることを特徴とする穿孔装置にある。

【００１１】本発明では、図７に示すような、円筒の一
端を斜めに切断した状態の傾斜面２２を有する円筒状の
ビット１を、ロッド２の先端に傾斜面２２を、ロッド２
側に対して反対側に位置させ、ロッド２の中心線に対し
て傾斜面２２を傾斜せしめて取り付けたものを使用する
ものである。ビット１は耐摩耗性合金で形成し、その孔
底に向かう面を鋸刃状とするか、硬質金属で形成して表
面にダイモンド粒を電着したもの等従来のビット同様の
ものが使用される。このロッド２を用いて一定方向に孔
を形成する場合には、図７に示すように、ロッド２に、
ロッド２の中心線を回転中心とする回転運動と、推進力
を与えて穿孔を行う。

【００１２】図８、図９に示すようにビット１の前面の
切削面がロッド２の中心線に対して直角な場合は、全面
で切削が行われる。これに対して図７に示すようなビッ
ト１の切削面がロッド２の中心線に対して傾斜面２２を
形成している場合は、主として尖端部分で切削が行われ
る。両者に同一の孔底に向かう圧力を加えた場合は、単
位面積当たりの掘削圧力は、ビット１の前面が傾斜して
いる方が、ロッド２の中心線に対して直角に設けられて
いるよりも大きい。掘削圧力と切削面との両者を勘案す
ると、ビット１の傾斜面２２の傾斜角は４５゜前後が良
い。

【００１３】地層見本（コア）を採取したい場合は、ビ
ット１の内側に分離されてロッド２内に侵入してくる地
層をそのままロッド２内に収容し、適当な長さに侵入し
た時点でロッド２を地上に引き上げ、コアを採取する。
孔を形成する場合においては、地層が土質や砂質の場
合、ロッド２を地上に引き抜くと、孔が崩壊する場合が
あるので、鞘管をロッド２の外周に添わせて侵入させ、
鞘管を残してロッド２を地上に引き抜く従来と同様の方
法が行われる。ロッド２内に侵入した土や砂や粘土は泥
水として地上に排出するとか、スクリューコンベヤ等を
用いて地上に排出する。地層が砂礫や岩石の場合は、コ
アとして排出するか、ロッド２内に破砕用のビットを設
けて破砕し水やスクリューコンベヤで地上に排出する。
時々、ロッド２を正逆転して穿孔方向を維持することも
行われる。

【００１４】このようにして穿孔中に方向を曲げたり、
方向を修正したりする必要が生じた時、本発明方法に従
い、ロッド２の回転と推進を停止した状態で、ビット１
の傾斜面２２を曲げたい側に対して反対側に向け、その
ままビット１の尖端を孔底に押し付けた後、ロッド２の
中心線を回転中心とする回転運動と、ロッドの１回転毎
に１回後進し前進する前後運動と、推進力とを同時に与
えてビット尖端の進行方向を曲げたり修正したりするも
のである。

【００１５】

【作用】上記の方法により穿孔方向の修正が行われる理
由を図２ないし図６について説明する。図２ないし図６
において、ビット１の曲げ方向は紙面に沿って左斜め下
である。図はその側面断面図に相当する。図７に示すよ
うにロッド２に回転と推進力を与えて穿孔中に、穿孔方
向を曲げる必要が生じた場合、ロッド２の回転と推進を
停止した状態で、ビット１の傾斜面２２を図２に示すよ
うに、曲げたい側に対して反対側に向け、その尖端を孔
底に押し付ける。そしてビット１にロッド２の中心線を
回転中心とする回転運動と、ロッドの１回転毎に１回後
進し前進する前後運動と、ビットに尖端方向に推進する
推進力とを同時に与える。

【００１６】そうすると、ビット１の傾斜面２２が図２
から向う側に９０゜回転したときは、ビット１は回転に
伴い後退を伴っているので、図３に示すように孔底から
離れる。更に９０゜向う側に回転すると更に孔底から離
れ図４に示すようにビット１の傾斜面２２は図２とは逆
になる。この位置から９０゜向う側に回転すると同時に
前進するので、図５に示すようにビット１の尖端は孔底
に近付くと共にその傾斜面２２がこちら側に向く。更に
９０゜向う側に回転すると同時に前進するので図２の状
態に戻る。

【００１７】図２の状態に戻るときは、前後運動による
前進に加えて、推進運動により孔底側に推進されるの
で、図２の前後で掘削が行われる結果、孔底の全周の
内、図２のビット１の尖端が孔底に圧接された部分イの
みで切削されるようになり、切削が進むと孔底は図６の
ように、図２の時のビット１をちょうど囲んだ形状に形
成され、図６のｘ−ｘ方向からｙ−ｙ方向に穿孔方向が
曲げられる。

【００１８】ビット１の推進距離は１回転につき僅かで
あるから、ビット１の実質的な後退距離は前後運動によ
る後退距離から１回転する間の推進距離の１／２を差し
引いた距離となり、前進距離は同様にして前後運動によ
る前進距離に１回転する間の推進距離の１／２を加えた
距離が理論上の後退距離と前進距離となる。前後運動は
ビット１の２回転に１往復、或は３回転に１往復でも良
いが、ビット１が孔底に接触している時だけ切削が行わ
れるので、このようにすると１回転について１往復の場
合と比べて、切削能率は１／２、１／３に低下するの
で、本発明ではビット１の１回転に対してビット１を１
往復させるようにしたものである。

【００１９】このように穿孔方向を修正したのち、図７
のように回転と推進とをロッド２に与えて一定方向に穿
孔を進めるのであるが、孔底が図６のようになっている
ので、そのままではロッド２を回転できないので、一度
後退させてから回転しつつ徐々に推進させ孔底を図７に
示す状態に戻し穿孔を継続する。

【００２０】

【実施例】試験は図１に示す穿孔装置を用いて行った。
この装置は地上に固定される固定台６の上に、固定台６
の長手方向に沿い移動出来るように移動台７が乗せてあ
る。移動台７の上には、移動台７の移動方向に沿い前後
に移動できるように揺動台８が設けてある。固定台６に
は、移動台７の移動方向に平行してスクリュー軸９が、
一端に固定したハンドル１１で回転できるが、軸方向に
は移動できないように取り付けられている。スクリュー
軸９は移動台７に固定されたナット１０を貫通してお
り、ハンドル１１を回転することにより、移動台７を固
定台６に沿って移動できるようになっている。

【００２１】揺動台８の上にはモータ１２が固定してあ
り、モータ１２の回転軸と連結した回転軸１４が、揺動
台８に固定した軸受１３に支持されて移動台７の移動方
向と平行に外方に延長してある。回転軸１４には、軸受
１３内に軸方向に移動できるように傘歯車１５が嵌合さ
れている。揺動台８には回転軸１４と直角に駆動軸１６
が保持されており、回転軸１４側の一端には傘歯車１５
と噛み合うように傘歯車１７が固定してある。傘歯車１
５と傘歯車１７との歯車比は１：１である。駆動軸１６
の他端には偏心カム１８が固定してある。一端を偏心カ
ム１８に嵌合した連結棒２０の他端が移動台７に固定し
た固定ピン１９に揺動可能に嵌合されている。ビット１
を先端に固定したロッド２はカップリング２１によって
回転軸１４に対して着脱可能に連結されるようになって
いる。

【００２２】従って、モータ１２を回転させるとロッド
２がその中心線を中心として回転される。そこでハンド
ル１１を廻して移動台７をロッド２の先端方向に推進す
ると、ビット１に回転と推進を与えることができる。傘
歯車１５を傘歯車１７と噛み合わせると、偏心カム１８
の作用により揺動台８を移動台７の上で前後運動させる
ことが出来るので、ビット１にロッド２の中心線を中心
とする回転と、前後運動と、ハンドル１１による推進と
を与えることができる。

【００２３】上記のビット１として、外径１５ｍｍ、内
径１４ｍｍ、長さ５０ｍｍの鋼管の一端を斜めに５１゜
に切断しその傾斜面を鋸刃状に形成してビット１とし、
これを外径６ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ７００ｍｍのステ
ンレスパイプからなるロッド２の先端に接続したものを
使用した。

【００２４】実施例１ 模擬地盤として厚さ２００ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ６
００ｍｍの氷のブロックを用いた。傘歯車１５と傘歯車
１７の係合を解いて揺動台８を最前進位置に移動し、ビ
ット１の傾斜面２２を真上に向け、ハンドル１１を廻し
てロッド２を前進させ、氷のブロックの端面にビット１
の尖端を押し付けた。この状態からビット１が回転と同
時に後退を始め、１回転の終了時に最初の位置に前進す
る前後運動と、回転運動と推進とを同時に与えて鉛直方
向に次第に下降して行く曲げ穿孔試験を氷のブロックの
長さ方向に向けて行った。

【００２５】前後運動の片道距離を約１２ｍｍとし、回
転数は２５０〜３００ｒｐｍとし、推進は回転速度が低
下しない範囲でハンドル１１を回して推進させた。その
結果３００ｍｍ穿孔した時の、孔底の位置は、氷の端面
にビット１を押し付けた位置から８ｍｍ真下に下降した
位置になり、横方向への変位は生じていなかった。平均
の穿孔速度は１５ｍｍ／分であった。又この穿孔途中の
孔底の形状を側面から観察したところ図６と同じ形状と
なっていた。

【００２６】又、ビット１の傾斜面２２を左水平方向に
向け、同様にして３５０ｍｍ穿孔した結果では、孔底の
先端が右水平方向へ１０ｍｍ移動した位置になり、上下
方向への変位は認められなかった。

【００２７】実施例２ 細砂を糊で厚さ１５０ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ５００
ｍｍのブロックに固めたものを模擬地盤として用いた。
このブロックの一端面に、ビット１の傾斜面２２を真上
に向け、実施例１と同様条件でブロックの長さ方向に貫
通するまで同様にして穿孔した。その結果ブロックの他
端面での開口位置は、一端面での位置より３０ｍｍ下降
し、かつ時計廻りに５〜８゜回転した位置となってい
た。平均の穿孔速度は５０ｍｍ／分であった。

【００２８】ビット１の傾斜面２２を右水平方向に向
け、同様に試験した結果では、他端面の開口位置は一端
面の位置から４０ｍｍ左に移動し、かつ時計廻りに５〜
８゜回転した位置となっていた。

【００２９】同様にしてビット１の傾斜面２２を、ブロ
ックの一端面で左水平方向に向けて穿孔し、２５０ｍｍ
穿孔した時点で、傾斜面２２を反対側に向けて穿孔を行
ない、途中で反対側に曲げ方向を変更した。その結果、
ブロックの他端面の開口位置は、最初の位置から右に１
０ｍｍ移動していた。この時は右にも左にも回転は生じ
ていなかった。

【００３０】実施例３ 厚さ２００ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ４００ｍｍの軽量
気泡コンクリートのブロックを模擬地盤として試験を行
った。このブロックの一端面に、ビット１の傾斜面２２
を真上に向け実施例１と同一条件でブロックの長さ方向
に貫通するまで穿孔した。その結果、他端面の開口は、
２５ｍｍ下方に下降した位置で時計廻りに２〜５°回転
した位置となっていた。平均の穿孔速度は２０ｍｍ／分
であった。

【００３１】ビット１の傾斜面２２を最初は左水平方向
に向けて穿孔し、２００ｍｍ穿孔した位置で反対に向け
て貫通するまで穿孔した。その結果ブロックの他端面で
の開口位置は、右に５ｍｍ移動しかつ、時計廻りに０〜
３゜回転した位置となっていた。この廻りを無くするに
は、予めビット１の傾斜面２２をその廻る方向と反対側
に傾けて修正することが考えられる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、比較的簡単な装置を用
いて、地質を選ばず孔径が数ｃｍ〜１００ｃｍ程度の孔
を形成するに適用でき、穿孔方向を任意に制御できる穿
孔方向の制御方法及びその穿孔装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例の側面図である。

【図２】本発明方法の穿孔方向を変更する際のビット１
の最初の状態の説明図である。

【図３】穿孔方向を変更するときのビット１が最初から
９０゜回転すると同時に後退工程の半分を後退した状態
を示す説明図である。

【図４】穿孔方向を変更するときのビット１が最初から
１８０゜回転すると同時に後退工程を最後まで後退した
状態を示す説明図である。

【図５】穿孔方向を変更するときのビット１が最初から
２７０゜回転すると同時に最後退位置から半分前進した
状態を示す説明図である。

【図６】穿孔方向が変更されつつある時の、孔底の状態
を示した説明図である。

【図７】ビット１により一定方向に穿孔中の孔底の状態
を示した説明図である。

【図８】先端が中心線に直角に形成されたビット１を用
いて穿孔中に穿孔方向を変更する従来方法の説明図であ
る。

【図９】先端が中心線に直角に形成されたビット１を用
いて穿孔中に穿孔方向を変更する図８と別の従来方法の
説明図である。

【符号の説明】

１ ビット ２ ロッド ３ 外管 ４ 楔 ５ 孔 ６ 固定台 ７ 移動台 ８ 揺動台 ９ スクリュー軸 １０ ナット １１ ハンドル １２ モータ １３ 軸受 １４ 回転軸 １５ 傘歯車 １６ 駆動軸 １７ 傘歯車 １８ 偏心カム １９ 固定ピン ２０ 連結棒 ２１ カップリング ２２ 傾斜面

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロッドの先端に取り付けられロッド側に
   対して反対側が中心線に対して傾斜した傾斜面をなしか
   つ開口した円筒状のビットを、ビットの傾斜面を曲げた
   い側に対して反対側に向け、そのままビットの尖端を孔
   底に押し付けた後、ロッドの中心線を回転中心とする回
   転運動と、ロッドの１回転毎に１回後進し前進する前後
   運動と、推進力とをビットに同時に与えてビット尖端の
   進行方向を調整しつつ穿孔することを特徴とする穿孔方
   向の制御方法。
2. 【請求項２】 ロッドの先端に取り付けられロッド側に
   対して反対側が中心線に対して傾斜した傾斜面をなしか
   つ開口した円筒状のビットと、ビットにロッドの中心線
   を回転中心とする回転運動を与える回転装置と、ロッド
   の１回転毎に１回後進し前進する前後運動をビットに与
   える前後移動装置と、ビットの推進装置とを備えている
   ことを特徴とする穿孔装置。