JP3449722B2 - 改良型誘導機能付き掘削装置 - Google Patents

改良型誘導機能付き掘削装置

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JP3449722B2
JP3449722B2 JP51504195A JP51504195A JP3449722B2 JP 3449722 B2 JP3449722 B2 JP 3449722B2 JP 51504195 A JP51504195 A JP 51504195A JP 51504195 A JP51504195 A JP 51504195A JP 3449722 B2 JP3449722 B2 JP 3449722B2
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水平な地下通路を掘るための方法及びその
装置に関する。
地下通路を水平に掘る方法は、自然地形や人工の建造
物を掘り起こして再度埋め戻す方法に比して、安全に、
経済的に、さらには環境に配慮した上でパイプラインや
電力分配網のような公共施設（ユーティリティー）の設
置を行うことができる。
1992年９月１日出願の米国特許出願第938,819号（米
国特許5,322,391号）には、基部と、この基部に取り付
けられたノーズ部とを有するツールヘッド構造体を含
む、公共設備用の管などを設置するための概略水平方向
の地下通路を土の中に形成する掘削装置が開示されてい
る。基部はノーズ部に対して、第１の位置と第２の位置
の間を回転が可能である。第１の位置においては、ノー
ズ部の表面はツール軸に対して対称となり、このためツ
ールはほぼ直線の軌跡を描いて前進する。第２の位置に
おいては、ノーズ部の表面はツール軸に対して非対称で
あり、ツールは曲線の軌跡を描いて前進する。上記誘導
機能付き掘削機は、好ましくは、以下の方法により、
（軸対称のツール形状を有する）直線前進掘削機の状態
を維持する。すなわち、長く延びた、ねじりに対して剛
的な空気供給ホースに連続的にわずかなトルクを与える
ことにより、回転可能なノーズ部が、ツールの対称形状
を決定するツール内部の回転止めに突き当たったままそ
の位置を維持され、その結果、掘削機は直線的に進む。
ノーズ部を、前記直線（対称）形状から、かじ取り（非
対称）形状に移動させるには、空気供給ホースによって
基部に強いトルクを与えることにより、（土に対しては
回転しにくい）ノーズ部に対して、基部を回転させる。
ところが、上記発明においては、気圧式インパクト構造
体によって掘削機が掘削動作を行う際の不規則な振動の
ために、回転可能なノーズ部の位置が本体部に対してふ
らつき、その結果、ツールが、意図しない、かつ予期し
ない方向に進んでしまうという問題があった。
本発明の一態様によれば、公共設備用の管などを設置
するための概略水平方向の地下通路を土の中に形成する
掘削装置であって、基部と、この基部に取り付けられた
ノーズ部とを有するツールヘッド構造体を含む掘削装置
が供給される。基部はノーズ部に対して、第１の位置と
第２の位置の間を回転が可能である。第１の位置におい
ては、ノーズ部の表面はツール軸に対して対称となり、
このためツールはほぼ直線の軌跡を描いて前進する。第
２の位置においては、ノーズ部の表面はツール軸に対し
て非対称であり、ツールは曲線の軌跡を描いて前進す
る。前記装置は、土との接触作用により、ノーズ部がツ
ール軸に対して第１の位置にあるときには第１の回転方
向に、また、ノーズ部がツール軸に対して第２の（非対
称）位置にあるときには第２の（反対）回転方向に、そ
れぞれトルクを発生させる構造を備える。
特定の実施形態においては、ノーズ部は基部に取り付
けられて、ツール軸からある角度傾いた傾斜軸の回りを
回転する。ノーズ部は、フランジの形状を有するリブ構
造を含む。フランジはツール軸に対して傾斜した先端部
分を有し、この先端部分が、土との接触により、ノーズ
部の軸を中心に第１の回転方向にトルクを発生させる。
このフランジは、ノーズ部が第２（非対称）位置にある
ときには別の突出領域を有する。この別のフランジ領域
は、前記回転方向と反対の方向にノーズ部を回転させる
方向の力を発生させる。このようなトルク発生特性によ
り、ノーズ部が第１の位置にあるときには掘削機は第１
の状態（対称状態、すなわち直線前進状態）に維持され
ることになる。一方、ノーズが第２の位置にあるとき
は、ノーズ部をその位置（非対称位置）に維持する方向
の、逆方向のトルクが発生する。このようにして、本発
明では、掘削機の正確な位置を決定するものとして、上
記それぞれの掘削状態がより確実に安定維持される。
第１の位置においては、ノーズ部は、掘削機が土の中
を直線的な軌跡を描きながら、螺旋を描くような方向の
トルクを発生させる。第２の位置においては、ノーズ部
は前記と反対方向のトルクを発生させる。第２の位置で
は、空気ホースに加わるわずかなトルクにより掘削機の
前記螺旋運動は打ち消され、ツールは所望のかじ取り方
向に保持される。掘削機の、直線形状からかじ取り形状
への移動は、ねじれに対して剛的な空気ホースによって
基部に強いトルクを与えることによって行われる。この
とき、ノーズ部は土にかみ込んでいるため、空気ホース
がしっかり固定された掘削機本体は、ツールが前進する
あいだに、ノーズ部と土に対して回転する。このような
動作が、ノーズ部の位置を移動させ、ノーズ部は回転止
めに突き当たるまで直線形状からかじ取り形状に、ある
いはかじ取り形状から直線形状に移動する。ここで、空
気供給ホースによってツールに供給されるトルクおよび
回転運動を十分に大きくし、前記ノーズ部の位置変更の
間にノーズ部がツールと同じ方向に回転する傾向を打ち
消すようにしなければならない。すなわち、ノーズ部の
位置を移動する間には、推進動作だけにより回転するノ
ーズ部よりも速くツール本体を回転しなければならな
い。特定の実施形態においては、ノーズ部の位置変更中
には、ツールに供給する空気を低減させるか、掘削機を
瞬間的に逆回転させるかの少なくともいずれかによっ
て、ツールをわずかな量だけ前進させるかもしくは全く
前進させずに、ほとんど位置を変えずに回転させること
ができる。
別の特定実施形態においては、溝の形状を有する２つ
のトルク発生傾斜面が基部に設けられている。このう
ち、一つのトルク発生傾斜面は、ノーズ部が対称位置に
あるときに露出され、掘削機が土中を前進する際に第１
の回転方向にトルクを発生させる。もう一つのトルク発
生傾斜面は、ノーズ部が非対称位置にあるときに露出さ
れ、掘削機が土中を前進する際に第２の（反対の）回転
方向にトルクを発生させる。
本発明のその他の特徴及び効果は、図面に関連して特
定の実施例を以下のように説明していくにつれ明らかに
なる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による水平掘削装置の概略図である。
図２は、図１に示した装置の掘削ヘッド部の上面図で
ある。
図３は、図２に示した掘削ヘッドの部分の左側面図で
ある。
図４は、図２に示した掘削ヘッドの右側面図である。
図５は、図２に示した掘削ヘッドの正面図である。
図６は、掘削ヘッドが第２のすなわちかじ取り位置に
ある場合の左側面図である（図３と同様の図である）。
図７は、掘削ヘッドが第２の位置にある場合の正面図
である。
図８は、掘削ヘッドが第２の位置にある場合の右側面
図である。
図９は、掘削ヘッドが第２の位置にある場合の上面図
である。
図10は、図１に示したシステムに用いられる掘削ヘッ
ドの別の実施例を示した側面概略一部切断図（図11およ
び図12の線10−10に沿って切断した図）である。
図11は、図10に示した掘削ヘッドの正面図である。
図12は、図10に示した掘削ヘッドの上面図である。
図13は、図10と同様の図であり、図10の実施形態が第
２の位置にある場合を示した図である。
図14は、図12に示した位置にある掘削ヘッドの正面図
である。
図15は、図12に示した位置にある掘削ヘッドの上面図
である。
特定実施形態の説明 図１は、発進坑（ランチピット）14と目標坑（ターゲ
ットピット）16との間に配設される電気ケーブル接続用
の地下通路10を、砂れきなど、比較的柔らかい土壌のよ
うな地層12中に形成するための掘削システムを概略的に
示している。このシステムはモール20を含み、モール20
は、打撃（インパクト）機構18を含む本体部22と、基部
26とノーズ部28とを含むヘッド部24とを有する。モール
20には、ねじれに対して剛的な空気ホース30が結合され
ている。ホース30はモール20に追従して開口通路10に進
入するため、開口通路10の所期の長さよりもわずかに長
くなくてはならない。トルクコントローラ32は、モール
20が開口通路10内を進むにつれて移動しなくてもすむよ
うに発進地点の近くに設置するのがよい。トルクコント
ローラ32は、当業者にはよく知られた空気圧制御装置を
含む。また、トルクコントローラ32は、出力シャフトが
空気供給ホース30にきつく固定された、双方向（時計回
り／反時計回り）羽根型エアモータ34を備えてもよい。
このエアモータのシャフトは中空であり、供給された空
気は、コントローラ32の吸入口40から空気モータ34を通
過してホース30内に送られる。オペレータ38は、適当な
バルブ調整によって、モール20のインパクト機構18を作
動させたり停止させたりする目的で、羽根型エアモータ
34およびオン／オフ空気供給バルブを調節することがで
きる。空気圧縮機42は空気供給ホース全体に空気を供給
する。モールによる掘削動作の間は、空気供給ホース44
は地面に単に置かれ、回転せずにすむように、ホース回
り継手46が取り付けられている。モール20は、さらに送
信機48を備えている。掘削装置の更なる詳細について
は、米国出願第938,819号（1992年９月１日出願、発明
の名称：「誘導機能付き掘削機」、その開示内容は参考
として本出願に組み込まれている）を参照されたい。
次に図２から図５を参照して説明する。モールヘッド
は、基部26とノーズ部28とを含む。ノーズ部と基部の間
の境界面（すなわち、ノーズ部28の表面50と基部26の表
面52）は傾斜平面54を形成し、この傾斜平面54は、基部
26の軸58に対して15度の角度に位置する傾斜軸56を決定
する。基部26とノーズ部28との相互係合に関する更なる
詳細については、前出の係属米国特許出願第938,819号
を参照のこと。
ノーズピース28は概略的に円錐形で、リブ70、76を有
する。このリブ70および76は傾斜軸56から15度傾けてあ
る。リブ70は、図３中その下面側に傾斜先端面72を有
し、側端面74はノーズ部28の側壁とほぼ平行である。リ
ブ76は、図４中その上面側に傾斜面80を有し、その側壁
面82は軸58とほぼ平行に延びている。
図２から図５は、直線掘削時の基部26およびノーズ部
28の外形を示している。図６から図９は、かじ取り時、
すなわち非対称である第２のモール外形を示す、図２か
ら図５に対応する図である。図２から図５に示されてい
る直線掘削形状では、リブ70および76はツール軸58と一
直線上に並び、傾斜面72および80は、モール20が土中を
前進する際に、土との接触で生じる力により、ノーズ部
28に図５に示されている時計回り方向のトルクを加え
る。
モールの形状を、図６から図９に示されている、非対
称すなわちかじ取り形状に、（本体部26を１つの回転止
めの位置から第２の回転止め位置までノーズ部28に対し
て180度回転させることにより）変更された時には、ノ
ーズ部28の向きは、ノーズ部のリブ70および76とツール
軸58との間の角度が、ツール軸58と傾斜軸56との間の角
度の２倍になるように変更される。この位置において
は、先端部60はツール軸58からずれ、ノーズ部の上部表
面62（図６参照）が軸58と平行になり、下部表面64（図
６参照）は約45度傾き、リブ70および76の表面はツール
軸58に対して約30度（傾斜角の２倍）傾く。このような
形状では、本体26が回転しなければツールがインパクト
機構18によって推進されると、ツール20は土中を曲線の
軌跡を描いて前進する。
リブ70と76がこのように傾斜した（非対称の）位置に
ある場合、大きい方のリブ76が土との接触により受ける
反作用は、小さい方のリブ70が土との接触により受ける
反作用より大きく、この結果生じる土からの力は、ノー
ズ部を図７に示されているような反時計回りに回転させ
ようとする。すなわち、リブ76のより大きい領域は、リ
ブ70のより小さい領域と傾斜面72とを組み合わせた効果
より大きい効果を有する。
別の実施例において（図10から図15）は、ノーズエレ
メント80（これは円錐形でも、円筒形でも、図のような
階段状でもよい）がスタブ軸82に取り付けられている。
このスタブ軸82は、モール軸58'からずらされた回転軸8
4を有する。基部86には、トルク生成傾斜溝90（反時計
回りのトルクを発生させる溝）および92（時計回りのト
ルクを発生させる溝）が形成されている。ノーズ部80
は、その周面に沿って間隔をあけて設けられた３つのく
ぼみ94と、それぞれのくぼみ94の間に形成された円形突
出部96を有する。図２から図９に示した実施例と同様
に、直進掘削が所望される場合は、空気ホース30'にね
じり力を供給することにより、ノーズ部材80（これが土
12にかみ込んでいる）に対してモール本体22'と基部86
が一体となって回転する。そして回転止めに到達する
と、ヘッドの形状は図11に示すようになる（つまり、ノ
ーズ軸98がツール軸58'に一致する）。この結果、モー
ル20'はまっすぐに前進する。ここでは、傾斜溝90がく
ぼみ94Bによって土にさらされ、それにより反時計方向
の十分なトルクを基部86上に発生させて、基部86とノー
ズ部80を回転止めに突き当たる位置に保持する。かじ取
りモードへの切り替えは、空気ホース30'に反対方向の
ねじり力を加えて、ノーズ80に対して基部86を図13から
図15に示す位置まで180度回転させることによって行わ
れる。この位置においては、ノーズ軸98はツール軸58'
から平行に離れた位置にあり、ノーズ80は本体22'及び
ツール軸58に対して非対称の形状にある。この位置で
は、傾斜溝92が土にさらされ、モールが土中を前進する
際に時計方向のトルクが発生する。このとき、傾斜溝90
は、ノーズエレメント80の円形突出部96Aの後方に覆わ
れている。直進モードと曲がり進行モードとの切り替え
を簡単にするために、スリーブ92上にリブを用いてもよ
い。また、傾斜溝もしくは同様の構成を必要に応じてさ
らに基部86上に形成することもできる。
これまで、本発明の特定の実施例を示して説明してき
たが、当業者にはその他の実施例も明かである。したが
って、本発明は開示された実施例またはその詳細に限ら
れるものではなく、本発明の範囲内でその変更及び修正
が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マン トーマス エイチ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 リトルトン ワシントン ドライブ ４ (56)参考文献 米国特許3712391（ＵＳ，Ａ) 米国特許4396073（ＵＳ，Ａ) 米国特許4834193（ＵＳ，Ａ) 米国特許5163520（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) E21B 1/02 E21B 7/04 E21D 9/06 311 F16L 1/024

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気や水道などの公共設備（ユーティリテ
    ィー）に用いる導管を設置するための概略的に水平方向
    の地下通路を地中に形成する掘削装置であり、 前記掘削装置は、 ツール軸を決定し、基部と、この基部に取り付けられた
    ノーズ部とを含むツールヘッド構造体を含み、 前記基部は、前記ノーズ部表面が前記ツール軸に関して
    対称形状となる第１の位置と、前記ノーズ部表面が前記
    ツール軸に関して非対称形状となる第２の位置の間で前
    記ノーズ部に対して回転可能であり、この結果前記ツー
    ルは、ツールヘッド構造体に付与される推進力に応じ
    て、前記ノーズ部が前記第１の位置にあるときは、地中
    をほぼ直線の軌跡を描いて進み、前記ノーズ部が前記第
    ２の位置にあるときは、曲線の軌跡を描いて進むツール
    ヘッド構造体であって、 更に掘削装置は、前記ツールヘッド構造体が埋められて
    いる土と相互作用を発生させ、前記ノーズ部が前記第１
    の位置にあるときに第１の回転方向に前記ツール軸を中
    心としたトルクを発生させる第１の表面構造と、前記ノ
    ーズ部が前記第２の位置にあるときに、土と相互作用に
    よって反対の回転方向にトルクを発生させる第２の表面
    構造と、 を含む。
  2. 【請求項２】請求の範囲１に記載の装置において、前記
    第１および第２の表面構造は前記ノーズ部に設けられて
    いる掘削装置。
  3. 【請求項３】請求の範囲１に記載の装置において、前記
    第１および第２の表面構造は前記基部に設けられている
    掘削装置。
  4. 【請求項４】請求の範囲１に記載の装置において、前記
    第１および第２の表面構造は、前記ノーズ部に設けられ
    たフランジ構造を含み、前記フランジ構造は、前記ノー
    ズ部と基部が前記第１の位置にあるときに土との相互作
    用によって第１の回転方向にトルクを発生させる、前記
    ツール軸に対して傾いた先端部分を有し、前記ノーズ部
    と基部が前記第２の位置にあるときには、反対の回転方
    向にトルクを発生させる別の突出領域とを有する掘削装
    置。
  5. 【請求項５】請求の範囲１に記載の装置において、前記
    第１および第２の表面構造は、前記基部に形成された第
    １および第２のトルク生成傾斜面の組を含み、前記ノー
    ズ部は、前記第１の位置においては前記第１組のトルク
    生成傾斜面を遮断するとともに前記第２組のトルク生成
    傾斜面を露出する構造と、前記第２の位置においては前
    記第２組のトルク生成傾斜面を遮断するとともに前記第
    １組のトルク生成傾斜面を露出する構造とを有する掘削
    装置。
  6. 【請求項６】請求の範囲５に記載の装置において、前記
    トルク生成傾斜面は溝である掘削装置。
  7. 【請求項７】請求の範囲５に記載の装置において、前記
    トルク生成傾斜面のそれぞれの組は１つの傾斜面を含む
    掘削装置。
  8. 【請求項８】請求の範囲１に記載の装置において、前記
    ノーズ部は前記基部に取り付けられ、前記ツール軸から
    ある角度傾いた傾斜軸の回りを回転する掘削装置。
  9. 【請求項９】請求の範囲８に記載の装置において、前記
    第１および第２の表面構造は、前記ノーズ部に設けられ
    たフランジ構造を含み、前記フランジ構造は、前記ノー
    ズ部と基部が前記第１の位置にあるときに土との相互作
    用によって第１の回転方向にトルクを発生させる、前記
    ツール軸に対して傾いた先端部分を有し、前記ノーズ部
    と基部が前記第２の位置にあるときには、反対の回転方
    向にトルクを発生させる別の突出領域とを有する掘削装
    置。
  10. 【請求項１０】請求の範囲１に記載の装置において、前
    記ノーズ部は前記基部に取り付けられ、前記ツール軸に
    平行でかつこれからずれた軸の回りを回転する掘削装
    置。
  11. 【請求項１１】請求の範囲10に記載の装置において、前
    記第１および第２の表面構造は、前記基部に形成された
    第１および第２のトルク生成傾斜面の組を含み、前記ノ
    ーズ部は、前記第１の位置においては前記第１組のトル
    ク生成傾斜面を遮断するとともに前記第２組のトルク生
    成傾斜面を露出する構造と、前記第２の位置においては
    前記第２組のトルク生成傾斜面を遮断するとともに前記
    第１組のトルク生成傾斜面を露出する構造とを有する掘
    削装置。
  12. 【請求項１２】請求の範囲１に記載の装置において、前
    記ツールヘッド構造体に連結され、前記通路が形成され
    る土の表面まで延びるように調整された長く延びたねじ
    りに関して剛的である構造体からなるねじり力を加える
    構造体をさらに備える掘削装置。
  13. 【請求項１３】請求の範囲12に記載の装置において、気
    体により作動されるインパクト構造体をさらに備え、前
    記ねじりに関して剛的である構造体は、前記インパクト
    構造体に圧縮空気を供給するための空気ホースである掘
    削装置。
  14. 【請求項１４】請求の範囲13記載の装置において、前記
    通路が形成される土の表面に設置され、前記空気ホース
    にねじり力を加え、オペレータにより制御可能なトルク
    生成構造体をさらに備える掘削装置。
  15. 【請求項１５】請求の範囲１に記載の装置において、前
    記通路が形成される土の表面上方の地点に位置情報を提
    供するための送信機構造体をさらに備える掘削装置。
  16. 【請求項１６】請求の範囲15記載の装置において、前記
    ノーズ部は前記基部に取り付けられ、前記ツール軸から
    ある角度傾いた傾斜軸の回りを回転し、前記第１および
    第２の表面構造は、前記ノーズ部に設けられたフランジ
    構造を含み、前記フランジ構造は、前記ノーズ部と基部
    が前記第１の位置にあるときに土との相互作用によって
    第１の回転方向にトルクを発生させる、前記ツール軸に
    対して傾いた先端部分を有し、前記ノーズ部と基部が前
    記第２の位置にあるときには、反対の回転方向にトルク
    を発生させる別の突出領域とを有する掘削装置。
  17. 【請求項１７】請求の範囲16に記載の装置において、さ
    らに、前記ツールヘッド構造に連結され、前記通路が形
    成される土の表面まで延びるように調整されたねじりに
    関して剛的である空気ホースを含むねじり力を加える構
    造体と、前記空気ホースによって圧縮空気を供給され
    る、気体により作動されるインパクト構造体と、前記通
    路が形成される土の表面に設置され、前記空気ホースに
    ねじり力を加え、オペレータにより制御可能なトルク生
    成構造体とを備える掘削装置。
  18. 【請求項１８】請求の範囲15に記載の装置において、前
    記ノーズ部は前記基部に取り付けられ、前記ツール軸に
    平行で、かつこれからずれた軸の回りを回転し、前記第
    １および第２の表面構造は前記基部に形成された第１お
    よび第２の溝構造を含み、前記ノーズ部は、前記第１の
    位置においては前記第１組のトルク生成傾斜面を遮断す
    るとともに前記第２組のトルク生成傾斜面を露出する構
    造と、前記第２の位置においては前記第２組のトルク生
    成傾斜面を遮断するとともに前記第１組のトルク生成傾
    斜面を露出する構造とを有する掘削装置。
  19. 【請求項１９】請求の範囲18に記載の装置において、さ
    らに、前記ツールヘッド構造に連結され、前記通路が形
    成される土の表面まで延びるように調整されたねじりに
    関して剛的である空気ホースを含むねじり力を加える構
    造体と、前記空気ホースによって圧縮空気を供給され
    る、気体により作動されるインパクト構造体と、前記通
    路が形成される土の表面に設置され、前記空気ホースに
    ねじり力を加え、オペレータにより制御可能なトルク生
    成構造体とを備える掘削装置。
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