JP3830460B2 - ボーリング装置および地中ボーリング穴掘削方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はボーリング装置と、ボーリング穴の掘削方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下工学において、並列ボアを地中に掘削してスロット状のボーリングチャンバを形成することを通じて、地中に囲い壁または基礎要素を構築することが知られている。このチャンバは通常、ボーリング穴が掘り下げられると同時に、完全に硬化すなわち凝固可能な懸濁材で充填される。懸濁材は、粉砕した土壌材料の少なくとも一部と混合され、その混合材料が、硬化した状態で地中に囲い壁または基礎要素を形成する。
【０００３】
ドイツ特許第６９３ ３１ ５５２ Ｔ２号および米国特許第４，９０９，６７５号に、従来のボーリング装置が開示されている。その装置は、少なくとも３つ並置される回転可能なボーリングストリングと、少なくとも１つのヨークとを有し、各ボーリングストリングは、地面側の端部に切削デバイスを含む。中央ボーリングストリングの地面側の端部は、外側ボーリングストリングに対してずらされオフセット配置されている。それらのボーリングストリングは、回転可能な状態でヨーク内に取り付けられ、互いに連結している。このようなボーリング装置では、並置されたボーリングストリングの回転駆動および同時掘り下げが可能であり、それにより特に経済的にボア壁を構築できる。
【０００４】
連続的ボア壁を構築するには通常、隣接するボーリングストリングのボーリング半径を重複させる必要がある。ボーリングストリングの個々の切削デバイスの衝突を避けるために、各ボーリングストリングの切削デバイスを、互いに軸方向にずらして配置しなければならない。特にボーリング深さが深い場合には、個々のボーリングストリングの下部を連結して固定する必要がある。それは通常、梁状の部材であるいわゆるヨークによって実施される。ヨーク内に、ボーリングストリングは回転可能な状態で取り付けられ、互いに連結される。ヨークはさらに、隣接するボーリング穴の間に残存する土壌材料の畝を剪断する機能を有することもでき、それにより土壌材料の粉砕に協力することが考えられる。
【０００５】
ビットからヨークまでの間のボーリングストリングの領域は、土壌の前処理、すなわち土壌材料の粉砕および懸濁材の供給に使用される。土壌材料の粉砕においては、土壌の破砕および剪断のためにボーリングストリングの先端に設けられた切削デバイス自体だけでなく、それに隣接するフィードスパイラルも同様に重要な役割を果たす。フィードスパイラルは、土壌材料に対して少なからぬ剪断力およびそれによる粉砕作用を発揮する。さらに、硬化可能懸濁材がヨークの下方の前記領域に供給される。
【０００６】
ヨークの上方の領域には、攪拌部材が設けられる。攪拌部材は、凝固可能懸濁材と粉砕土壌材料とを、よく攪拌し均質化させる。
【０００７】
高品質のボア壁を構築するには、ボーリング装置の前処理領域によって土壌材料を極めて均一に粉砕することが、決定的に重要である。３つのすべてのボーリングストリングの前処理領域において、土壌材料の極めて均一な粉砕を確実にするには、軸方向にずらして配置された個々のビットとヨークとの間に十分な空間を設ける必要がある。しかしながら、良好な剛性およびそれによって増すボーリング性の向上に関しては、固定ヨークを可能な限りビットに近づけることが有利である。
【０００８】
ボーリング穴構築のための他の装置および方法が、ドイツ特許第４２ １９ １５０ Ｃ１号により周知である。この周知の方法では、オーガを土壌中に螺旋状にねじ込む。所定の深さでオーガの進行を停止させると共に、回転駆動を継続することにより、土壌の剪断および粉砕が実施される。粉砕された土壌材料は、オーガに沿ってボアホール内の上部領域へ移動される。それと同時に、凝固可能懸濁材が供給されることにより、凝固可能懸濁材と粉砕土壌材料とが共に攪拌される。この攪拌作用によって、円筒形ジャケット状のフィルタケーキが、ボアホール壁に沿って周囲に形成される。これが、円筒形支持ジャケットとなり、形成される基礎支柱の強度および担持容量特性を向上させる。
【０００９】
【特許文献１】
独国第６９３３１５５２Ｔ２号明細書
【特許文献２】
米国特許４９０９６７５号明細書
【特許文献３】
独国特許発明第４２１９１５０号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特に経済的に、かつ高い方向安定性をもって、地中にボーリング穴を掘り下げることができる、ボーリング装置および方法を提供することである。
【００１１】
【発明の概要】
上記目的は、請求項１の特徴を有する装置および請求項７の特徴を有する方法によって達成される。
【００１２】
本発明によるボーリング装置は、ヨークが、オフセット配置された中央ボーリングストリング付近にて、そのオフセット方向に向く角度をつけられた角度変位部（angular displacement）を有することを特徴とする。したがってヨークは、直線の梁としてではなく、中央ボーリングストリングのオフセットに対応した角度変位部を有するよう構成される。それにより、ヨークをビットの比較的近くに配置することが可能になり、個々のボーリングストリングにおいて最大トルクが作用する切削デバイス付近にて、ボーリングストリングを良好に共通に固定できる。同時に、ボーリングストリングが互いに軸方向にオフセットされているにもかかわらず、土壌材料の最適な均一粉砕のために必要な前処理領域として十分な空間が、ボーリングストリングのオフセット領域に設けられる。従来の直線梁ヨークと比較すると、本実施の形態による角度変位部によって、前処理領域におけるボーリングストリングの長さの差は、完全または少なくとも部分的に補正される。個々のボーリングストリングの軸方向オフセットにもかかわらず、このようにして、ビットからヨークまでの距離を均等もしくは少なくともほぼ均等にできる。
【００１３】
ヨークの下方の前処理領域におけるボーリングストリングの動作長さがより均一になった結果、個々のボーリングストリングのトルク負荷および工具摩損が均一になり、メンテナンスコストにおいてプラスの効果が得られる。
【００１４】
本発明による構成として、４つ、５つ、またはそれ以上のボーリングストリングを有するボーリング装置にも使用できる。その場合は、単数または複数の中央ボーリングストリングは、外側ボーリングストリングより軸方向に長くまたは短くオフセット配置されることが可能である。
【００１５】
また、本発明によれば、隣接するボーリングストリングの切削デバイスのボーリング半径が重複することが好ましい。個々のボーリングストリングの中心軸の間隔は、当該切削デバイスのボーリング穴直径より小さい。重複の度合いが大きいほど、ボーリング穴の壁の厚さパターンがより平坦になる。ただし、ボーリング半径が全くあるいはわずかしか重複しない場合であっても、ヨークに工具ビットまたは切削プレートを設けることで、極めて一定のボア壁幅を確保することが可能である。
【００１６】
ボア壁または基礎要素を特に経済的に構築するためには、本発明によれば、完全に硬化または凝固可能な懸濁材の供給を、少なくとも１台のボーリングストリングを通じて実施することが好適である。懸濁材の供給は好ましくは、他のボーリングストリングに比べて特に後退して設置される中央ボーリングストリングを通じて実施される。その供給は、送出口がビットあるいはその付近に位置する管状ボーリングストリングを用いたポンプ機構によって実行される。
【００１７】
本発明によれば、ヨークの上方にボーリングストリングに沿って、攪拌領域を形成する攪拌部材を設けることがさらに好適である。攪拌部材は、ボーリングストリングから実質的に半径方向に突出する攪拌またはフィードパドルであってもよい。それらの部材によって、導入された懸濁材が粉砕土壌材料の一部と混合され、実質的に均質化される。
【００１８】
本発明によれば、土壌材料の良好な粉砕のために、切削デバイスへと続くフィードスパイラルがボーリングストリング上に設けられ、ヨークの下方に前処理領域を形成する。ウォーム状のフィードスパイラルは、粉砕土壌材料を切削デバイスから遠ざけるよう移動させると同時に、切削された材料をさらに粉砕する。また同時に、懸濁材が供給されることによって、初期混合、すなわち土壌材料と懸濁材との混合前処理が実施される。
【００１９】
フィードスパイラルは、ランダムな長さであることが可能であり、また異なるピッチおよび直径を有するセグメントを含むことができる。本発明によれば、フィードスパイラルが１ピッチ以下のピッチを有することによって、特にコンパクトな構成が得られる。０．５から１ピッチのフィードスパイラルによって、土壌材料の確実な移動と、好ましい追加粉砕効果とが実現される。
【００２０】
本発明による方法は、個々のボーリングストリングにおけるヨークの下方の前処理領域が、中央ボーリングストリングのオフセット方向に沿ったヨークの角度変位部によって、少なくとも部分的に互いに補うことを特徴とする。それにより、ボア壁の構築において決定的に有利である、土壌材料の特に均一な粉砕が実施できる。同時に、ヨークをビットに極めて近づけて配置できるため、良好な固定が得られ、ボーリング穴の掘削において高い方向安定性が実現できる。
【００２１】
本発明によれば、極めて均一な幅のボア壁を構築するために、ボーリングストリングによって形成されるボアホールには重複部分が設けることができる。
【００２２】
本発明ではさらに、ヨークの下方の前処理領域およびヨークの上方の攪拌領域において土壌材料を粉砕し、攪拌部材を用いて粉砕土壌材料を、供給された懸濁材と共に攪拌することができる。ヨークは、土壌材料の粉砕において決定的な役割を果たす下方の前処理領域と、材料混合物が生成され均質化される攪拌領域とを分割する。
【００２３】
ボーリング装置のトルク動作を補正するために、本発明によれば、２つの外側ボーリングストリングを互いに反対の回転方向に駆動することができる。本発明では、極めて均質なボア壁の塊を構築するために、中央ボーリングストリングを通じて懸濁材を供給することが好適である。
【００２４】
本発明によれば、ボーリングストリングを引き上げる際に、砂または他の材料をボーリング穴内に吹き込む。その材料は、攪拌工程中およびボーリング穴壁の特別ライニングの形成時には供給することが好ましくない、微粒材料または支柱強度を増大させる他の材料であることが可能である。吹き込みは、ボーリングストリングの一つ、特に懸濁材の供給に使用されるボーリングストリングを通じて実施可能である。
【００２５】
本発明による方法では、ボーリングストリングによる掘削は、一定速度で実施できる。基礎要素を形成する凝固可能懸濁材の均一性（consistency）を向上させるために、本発明によれば、攪拌する目的で所定の時間間隔にてボーリングストリングを上昇させたのち再度下降させることが好適である。しかしながら、掘り下げている間、本発明によるボーリング装置の特定の構成によって粉砕土壌材料がすでに攪拌されるので、掘削を一定かつ連続的に実施できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明およびそれによって達成される利点を、好適な実施形態および添付の概略図に関連してより詳細に説明する。
【００２７】
図１および図２は、モルタル柱を構築するためのボーリング作業機１を示す。また、図１は、図２の右側方から、ボールストリングおよびこれに関連する部材を見た状態を示す図である。鉛直軸を含む２つの平面内で旋回可能な直立デリック２に、ボーリング装置３が取り付けられている。デリック２に沿って移動可能なスライド４上に、３つの回転駆動機５（５ａ，５ｂ，５ｃ）が配置され、その各駆動機は駆動機構６（６ａ，６ｂ，６ｃ）を有する。３つの回転駆動機５ａ，５ｂ，５ｃは、共通のスライド４に固定されており、一体となってのみデリック２に沿って移動できる。
【００２８】
各駆動機構６ａ，６ｂ，６ｃには、ボーリングストリング７（７ａ，７ｂ，７ｃ）が設けられている。各ボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃは、実質的に管状の部材であり、ボアホール８に対面する下端部にビット９（９ａ，９ｂ，９ｃ）と、土壌を切削するための切削デバイス１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）とを含む。切削デバイス１０ａ，１０ｂ，１０ｃには、多くて１から３ピッチのフィードスパイラル１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が連結されている。２つのボーリングストリング７ａ，７ｂのフィードスパイラル１１ａ，１１ｂは、先端領域において、中央ボーリングストリング７ｃにほぼ完全に重複する。２つの外側ボーリングストリング７ａ，７ｂは、中央ボーリングストリング７ｃのフィードスパイラル１１ｃと水平な位置にて、外径の小さいスパイラルを有し、それにより、切削デバイス１０ａ，１０ｂの切削領域からボーリングによって得られた材料を移動させる。２つの外側ボーリングストリング７ａ，７ｂは互いに反対方向に回転するため、フィードスパイラル１１ａ，１１ｂも反対の回転方向を有する。
【００２９】
３つのボーリングストリング７のフィードスパイラル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上方には、３つのボーリングストリングに共通のガイド１３が設けられる。共通ガイド１３の上方において、ボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃにパドルまたは攪拌部材１４が取り付けられており、ボーリングによって得られた材料を徹底的に攪拌する。これらの攪拌部材１４はそれぞれ、異なる高さに設けられ、動作領域が重複するような突出部を有する。また、動作領域を拡大するために、パドルまたは攪拌部材１４は水平面に対して所定の角度をもって配置される。それにより、重複するモルタル支柱によって壁を形成することが可能になる。
【００３０】
ボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃの攪拌領域の長さは、ボーリングストリングの全長に対して小さい割合を占めるため、土壌の徹底的な攪拌のための十分なトルクを作用させることができる。パドル構造の上方には、３つのボーリングストリングのためのもう一つの共通ガイド１５が配置される。ガイド１５は、移動可能な状態でボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃに取り付けられ、３つのストリングの残り範囲に沿って移動できる。移動可能ガイド１５は、じょうご形突起部１６を有し、ボーリングを実施する際にそれがじょうご形収容部１７内でボーリングストリングに係合し、デリック２の下端部に強固に固定される。したがって、ボーリング工程中にわたって、３つのボーリングストリングは案内され、意図するボーリング方向から逸脱しなくなる。
【００３１】
懸濁材は、中央ボーリングストリング７ｃあるいは３つのすべてのボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃを通じて供給される。ビット９ａ，９ｂ，９ｃ付近にて、ボーリングによって得られた材料に懸濁材が供給される。懸濁材送出ポートは、中央ボーリングストリング７ｃの下部領域に位置する。すべての送出口は、ボーリング作業中にボーリングによって得られた材料によって塞がれないよう保護されており、該材料を回避できるエリアに配置される。
【００３２】
図３の拡大詳細図に、中央ボーリングストリング７ｃを２つの外側ボーリングストリング７ａ，７ｂに対してずらして配置した構成を、より詳細に示す。３つのすべてのボーリングストリング７は、同一に構成された切削デバイス１０と、それに連結する約１ピッチのフィードスパイラル１１とを、地面側の端部に有する。ボーリング半径を重複させるために、中央ボーリングストリング７ｃは、フィードスパイラル１１の約１ピッチ分だけ後退して配置される。中央ボーリングストリング７ｃのフィードスパイラル１１ｃと同じ高さにおいて、２つの外側ボーリングストリング７ａ，７ｂ上には、より小さい直径のフィードスパイラル１８（１８ａ，１８ｂ）が設けられ、個々のボーリングストリング７が衝突せずに回転駆動できるようになっている。
【００３３】
３つのボーリングストリング７の配置を固定するために、剛性の高い梁状ヨーク２０が、切削力にさらされる側のボーリングストリング端部付近に設けられる。ヨークは、３つのボーリングストリング７の各々のための軸受領域２６を有する。軸受領域２６にて各ボーリングストリングは、回転可能に、また軸に沿っては固定されて支持される。中央ボーリングストリング７ｃの後退配置にもかかわらず、本実施形態によって、フィードスパイラル１１ｃに十分な空間が確保される。本実施形態では、ヨーク２０の中央領域に角度変位部２２が設けられている。角度変位部２２は、角度をもって配置された２個リッジ部から成り、２つの外側軸受領域２６と中央軸受領域２６とを連結する。それにより、いわゆる前処理領域を構成する、ヨーク２０の下方のボーリングストリング７の作業領域が、少なくとも部分的に補われる。前処理領域は、土壌の切削および粉砕、ならびに粉砕土壌材料と懸濁材との初期の徹底的な攪拌において、非常に重要な役割を果たす。ヨーク２０に本実施形態の角度変位部２２が設けられた結果、前処理領域における粉砕土壌の前処理は、３つのすべてのボーリングストリング７において実質的に均一に実施できる。均一な前処理は、均一で高品質の基礎支柱または壁を形成するうえで有利である。本発明はまた、３つのすべてのボーリングストリングにおいて、より均一なトルク負荷および工具摩損を生じさせる。
【００３４】
ヨーク２０の角度変位部２２には、その角度変位に合わせて、ボーリングストリング軸に対して４５°の角を成すエッジ２４が形成されている。このように角度を成すエッジ構成は、並列するボーリング穴の間に残存する土壌材料の畝を剪断するのに有用である。角度をもって配置されたエッジ２４は、残存する土壌材料の畝の剪断を促進し、それによりボーリング装置の掘削を促進する。
【００３５】
ヨーク２０の上方には、一部分のみ図示する攪拌領域が連結している。攪拌領域は、ボーリングストリング７上に設けられるパドル状の攪拌部材を有する。ヨーク２０の角度変位２２を補償するために、２つの外側ボーリングストリング７ａ，７ｂにはそれぞれ、ヨーク２０に隣接して、約１ピッチの追加のフィードスパイラル１９ａ，１９ｂが設けられる。ヨーク２０および個々のボーリングストリング７の下端部を含むボーリング装置下部を、別個のパーツとして構築することも可能である。その場合の別個のパートは、略図で示すシャフト−ハブ接続部２８を介して、ボーリングストリング７上に軸に沿ってかみ合い、それと共に回転するよう接続される。
【００３６】
本発明は、たとえばモルタル支柱などの、重複ボーリングによるパイル壁の構築方法に関する。まず、事前に掘削される溝を形成する。本発明による装置を用いて、所定深さにボーリングする。ボーリングは、フィードスパイラル１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、攪拌部材１４が設けられたボーリングストリング７ａ，７ｂ，７ｃ部分との長手方向に沿って、だいたい方向付けられる。土壌の搬送を行わない状態で、ボーリングを実施する。同時あるいはその後に懸濁材を、３つのボーリングストリングの先端部に、あるいは中央ボーリングストリング７ｃの先端部のみに供給し、ストリング７ａ，７ｂ，７ｃを回転させながらボーリング装置３を引き上げる。続いて、該所定深さまで再度ボーリングする。懸濁材は、自己凝固型の水−結合材混合物である。以上の工程を数回繰り返すことにより、土壌が懸濁材によって確実に液化される。懸濁材は、土壌の細孔容積にちょうど収容されるだけの量にて添加する。事前掘削溝内で懸濁材が流れるようになるまで（until suspension passes out）、攪拌工程を続ける。所望の最終的深さに至るまで、以上の工程を次の深さ領域において繰り返す。それにより、連続したボーリングおよび攪拌工程が実施される。ボーリング工具を引き上げる際に、砂または他の材料を吹き込み、基礎支柱の比強度を向上させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるボーリング装置を示す概略部分正面図である。
【図２】 本発明によるボーリング装置を、関連運搬装置を含めた状態で示す側面図である。
【図３】 本発明による、角度を変位されたヨークを含むボーリング装置を示す拡大詳細図である。
【符号の説明】
７ ボーリングストリング、７ａ，７ｂ 外側ボーリングストリング、７ｃ 中央ボーリングストリング、９ ビット、１０ 切削デバイス、１１ フィードスパイラル、１４ 攪拌部材、２０ ヨーク、２２ 角度変位部。

Claims (10)

1. 並置される３つの回転駆動可能なボーリングストリング（７）であって、各ボーリングストリングが地面側の端部に切削デバイス（１０）を有し、中央ボーリングストリング（７ｃ）の地面側の端部が外側ボーリングストリング（７ａ，７ｂ）に対して後退した位置にオフセット配置され、隣接するボーリングストリングス（７）の切削デバイス（１０）のボーリング半径が重複する、ボーリングストリング（７）と、
   ボーリングストリング（７）が回転可能な状態で取り付けられ、これらを互いに連結する、少なくとも１つのヨーク（２０）と、
   を有し、切削デバイス（１０）に続くフィードスパイラル（１１）がボーリングストリング（７）に配置され、ヨーク（２０）の下方に前処理領域が形成された、ボーリング装置において、
   両側の外側ボーリングストリング（７）のフィードスパイラル（１１）が、中央ボーリングストリングス（７）のフィードスパイラル（１１）と同じ高さの位置において、地面側の端部より小さい直径に設計され、
   ヨーク（２０）が、オフセット配置された中央ボーリングストリング（７ｃ）付近にて、その前記オフセットの方向に向けて斜めに配置された角度変位部（２２）を有する、
   ボーリング装置。
2. 請求項１に記載のボーリング装置であって、凝固可能な懸濁材が、少なくとも１つのボーリングストリング（７）に供給されることを特徴とする、ボーリング装置。
3. 請求項１に記載のボーリング装置であって、攪拌領域を構成する攪拌部材（１４）が、ボーリングストリング（７）に沿ってヨーク（２０）の上方に配置されることを特徴とする、ボーリング装置。
4. 請求項１に記載のボーリング装置であって、フィードスパイラル（１１）が１ピッチ以下のピッチを有することを特徴とする、ボーリング装置。
5. 並置される３つのボーリングストリング（７）の回転駆動および同時下降によって地中にボーリング穴を構築する方法であって、各ボーリングストリング（７）がそれらの地面側の端部に切削デバイス（１０）を有し、中央ボーリングストリング（７ｃ）の地面側の端部が外側ボーリングストリング（７ａ，７ｂ）に対して後退した位置にオフセット配置され、隣接するボーリングストリング（７）の切削デバイス（１０）のボーリング半径が重複し、少なくとも１つのヨーク（２０）によってボーリングストリング（７）が互いに連結され、ボーリングストリング（７）がヨーク（２０）に回転可能な状態で取り付けられ、切削デバイス（１０）へと続くフィードスパイラル（１１）がボールストリング（７）に配置され、ヨーク（２０）の下方に前処理領域が形成されている、ボーリング穴を構築する方法において、
   両側の外側ボーリングストリング（７）のフィードスパイラル（１１）が、中央ボーリングストリング（７）のフィードスパイラル（１１）と同じ高さの位置において、地面側の端部より小さい直径となるように設計され、
   個々のボーリングストリング（７）に沿ってヨーク（２０）の下方に設けられるそれぞれの前処理領域が、中央ボーリングストリング（７ｃ）の前記オフセットの方向に向けて斜めに配置された、ヨーク（２０）の角度変位部（２２）によって、少なくとも部分的に互いに補っている、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、ヨーク（２０）の下方の前処理領域で土壌材料を粉砕し、ヨーク（２０）の上方の攪拌領域で、粉砕土壌材料と、供給される懸濁材とを、攪拌部材（１４）を用いて攪拌することを特徴とする、方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、２つの外側ボーリングストリング（７ａ，７ｂ）を互いに反対の回転方向に駆動することを特徴とする、方法。
8. 請求項５に記載の方法であって、中央ボーリングストリング（７ｃ）を通じて前記懸濁材を供給することを特徴とする、方法。
9. 請求項５に記載の方法であって、攪拌する目的で、所定時間間隔でボーリングストリング（７）を上昇させたのち再度下降させることを特徴とする、方法。
10. 請求項５に記載の方法であって、ボーリングストリング（７）を引き上げる際に、砂または他の材料をボーリング穴に吹き込むことを特徴とする、方法。

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