JP3891345B2 - 地中曲線削孔装置及び該装置を使用した削孔制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば建築物の地下地盤強化のための薬液注入孔の形成や、地下へのガス、電気等の配管のための削孔等に使用する地中曲線削孔装置及び該装置の削孔制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地中に管路を敷設する場合や、地中に地盤改良剤を注入するための管路を形成する方法として、地中曲線削孔装置がある。この装置は図５に示すように、屈曲可能な鞘管１の中心に同じく屈曲可能な削孔用ロッド２を挿入し、鞘管１の先端部外に突出させた削孔用ロッドの先端に掘削ビット３を固定し、削孔用ロッド２を回転させることによって地中を掘進させ、これに追随させて鞘管１を推進させる装置である。
【０００３】
この装置による削孔は、掘削ビット３の先端に、その回転中心線に対して一定角度傾けた傾斜面３ａを形成しておき、図５に示すように掘削ビット３を削孔用ロッド２を介して回転させつつ推進させることによって直進し、掘削ビット３を回転させないで推進させることによって、図６に示すように前記傾斜面３ａに沿った方向に曲がって推進されるものであり、掘削ビット３を、その傾斜面３ａの延長方向が所望の曲げ方向に向く角度で停止させ、掘削用ロッド２を押し出すことによって曲がって推進されるようにしている（例えば特開２００２−１９４９９０号公報）。
【０００４】
このような地表からは見えない地中を推進させる際に、推進先端位置を検知する方法として次の方法がある。
１．磁波検知方式によるロケータ
削孔ロッド先端部に電磁波を発信するトランスミッタ（ゾンデ）を装備し、土中から発信される電磁波信号を地上にて受信する装置（ロケータ）で位置検知を行う方法。
２．磁気方位検出センサー
上記１．のロケータが使えない場合に使用されることが多い装置で、地球磁場方向検知センサー（アンテナ）をドリル先端部に装備し、このセンサーで磁場方位を計測し、この積分処理にて位置検知を行う方法（欧米ではステアリングッールと云われていることが多い）。
３．レートジャイロ、ジャイロコンパス等のジャイロ
回転する独楽の性質を利用したもので、自転する地球の地軸に対する方位を計測し、その積分処理によって位置検知を行う。この方式は安定な状態で水平を保たせて独楽を高速回転させる構造をもったセンサーを使用するために、従来の地中削孔先端の検出には、シールド工法などのトンネル施工において使用が可能である。
【０００５】
また、このような曲線削孔を利用して建造物下の地盤を改良する工法が開発されている（特許文献１）。この工法は、地上建造物の基礎地盤強度が地震等に対して充分でないことが判明した場合に、その地下地盤内に削孔し、削孔された穴を利用して地盤を硬化させるための薬液を注入する工法である。
【０００６】
この工法の施工には、既存の地上建造物の地下に多数の支持杭が構築又は打ち込みによって設置されている等、多くの障害物が存在していることが多いため、これらの障害物を避けながら曲線削孔する必要がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１９３０５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、建造物の基礎地盤を強化させるための薬液注入路を形成するために従来の曲線削孔装置を使用する場合において、削孔ロッド先端の位置検出を行う場合、上述した１．の磁波検知方式によるロケータを使用しようとすると、次の如き問題がある。
ａ．発信する電磁波強度は近隣の磁性体（金属）の影響を受け誤差が大きくなる。
ｂ．構造物直下地盤では地上に構造物がありロケータが機能しない。
ｃ．近くに電線（活線）などがあるとさらに誤差が大きくなる。
ｄ．計測深度が５〜８ｍ以上になると誤差が大きくなる。
【０００９】
また、上述した磁気方位検出センサーを使用する場合には次の如き問題がある。
ａ．地磁気方位検出センサーの近傍に金属（磁性体）があると、計測方位データが大きく狂う。
ｂ．土中においては削孔ロッド近傍に金属の存在が明確でない場合が多く、構造物直下地盤では使用できない。
【００１０】
更に、レートジャイロ、ジャイロコンパス等のジャイロを使用する方式においては、前述したように従来、シールド工法などのトンネル施工において使用が可能であったが、これはセンサーを収容するケーシングに強固で容易に変形しないものを使用する必要があり、これを直径数ｃｍ程度の削孔ロッド先端に設置するには、ケーシング自体を削孔ロッドの所定長さ分を受け持たせる構造とせざるを得ず、そのためにセンサー設置部分の屈曲性能が無くなり、曲線削孔を著しく制約することとなる。
【００１１】
このため掘削ビットの直後には、曲線施工の先導部分を構成させる可撓性に優れた削孔ロッドを置く必要があり、センサー収容用のケーシングは更にその後方に置かなければならない。このようすると掘削ビット先端位置は計測位置から離れて曲線移動するため、正確な曲線推進制御が困難となる。即ち、掘削ビットを曲線推進させる際には、先端の傾斜面の延長方向を予定の曲進方向に向けて押し出すのであるが、その曲進する曲率半径は土質によって異なり、削孔途上で土質が変化すると、実際の曲進と設計曲率が異なってしまい、センサー部分が先に位置していた掘削ビット位置まで推進されて初めて推進誤差が検出されることとなり、誤差を事前に制御することができないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上述のような問題に鑑み、ジャイロを使用した方位計測センサーを使用し、直径数ｃｍ程度の削孔ロッド先端の掘進制御を、より正確に行うことができる地中曲線削孔装置及び該装置を使用した削孔制御方法の提供を目的としたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための本発明に係る地中曲線削孔装置の特徴は、屈曲可能な削孔用ロッドと、中心部分に前記削孔用ロッドが挿入された屈曲可能な鞘管と、前記削孔用ロッドの先端に連結した掘削ビットとを有し、前記掘削ビットの先端に前記削孔用ロッドの中心線方向に対して一定角度に傾けた屈曲推進用の傾斜面を設け、前記削孔用ロッドを回転させないで推進させることによって前記掘削ビットが前記傾斜面の傾斜方向に推進される地中曲線削孔装置において、前記掘削用ロッドの先端部分に方位・角度計測部を設け、該方位・角度計測部の先端側に所定長さの可撓性先端ロッドを介して前記掘削ビットを固定し、前記方位・角度計測部には、そのケーシングの中心線方向の地球の地軸を基準にした水平方向の向きを計測する方位計測センサー、前記ケーシングの中心線方向の地球の重力方向に対する傾斜角度を計測する傾斜センサー及び前記ケーシングの中心線を中心にした回転方向の角度を計測する回転角度センサーを備え、前記可撓性先端ロッドにその曲りを検出する曲りセンサーを備え、前記方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーによる前記ケーシングの中心軸の三次元座標のｘ， ｙ，ｚ方向の計測データ及び削孔用ロッドの推進長さによって前記方位・角度計測部の三次元位置及び向きを割り出し、前記曲りセンサーによる計測値と合わせて掘削ビット位置を割り出すようにしたことにある（請求項１）。
【００１４】
また、本発明に係る削孔制御方法の特徴は、 屈曲可能な削孔用ロッドと、中心部分に前記削孔用ロッドが挿入された屈曲可能な鞘管と、前記削孔用ロッドの先端に連結した掘削ビットとを有し、前記掘削ビットの先端に前記削孔用ロッドの中心線方向に対して一定角度に傾けた屈曲推進用の傾斜面を設け、前記削孔用ロッドを回転させないで推進させることによって前記掘削ビットが前記傾斜面の傾斜方向に推進させるようにした地中曲線削孔装置の削孔制御方法であって、
前記掘削用ロッドの先端部分に方位・角度計測部を設け、該方位・角度計測部の先端側に所定長さの可撓性先端ロッドを介して前記掘削ビットを固定し、前記方位・角度計測部には、そのケーシングの中心線方向の地球の地軸を基準にした水平方向の向きを計測する方位計測センサー、前記ケーシングの中心線方向の地球の重力方向に対する傾斜角度を計測する傾斜センサー及び前記ケーシングの中心線を中心にした回転方向の角度を計測する回転角度センサーを備え、前記可撓性先端ロッドにその曲りを検出する曲りセンサーを備え、前記方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーによる前記ケーシングの中心軸の三次元座標のｘ，ｙ，ｚ方向の計測データ及び削孔用ロッドの推進長さによって前記方位・角度計測部の三次元位置及び向きを割り出すとともに、該三次元位置と前記曲りセンサーによる計測値と合わせて掘削ビット位置を割り出し、１又は数回の削孔及び計測を繰り返すことによって得られる可撓性先端ロッドの曲りデータと方位・角度計測部曲り軌跡との関係に基づいて次の曲線削孔の施工調整を行うことにある（請求項５）。
尚、前記方位・角度計測部は掘削用ロッド先端部分に備えた容易に変形しないケーシングを有し、該ケーシング内に前記内に方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーを収容すること、方位計測センサーにはジャイロを使用すること、及び方位・角度計測部と可撓性先端ロッドとの間に、該可撓性先端ロッドと同様の可撓性を有する調整ロッドを介在させることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面について説明する。
【００１６】
図１〜図３は本発明に係る地中曲線削孔装置の一例を示しており、図中符号１は鞘管、２は削孔用ロッド、３は掘削ビット、３ａは掘削ビット先端の傾斜面である。これらの構成は前述した図５、図６に示す従来の曲線削孔装置と同様であり、地上の支援装置４によって削孔用ロッド２の押し出し及び回転、それに伴う鞘管１の推進、削孔液の注入を行いつつ曲線削孔ができるようになっている。
【００１７】
この装置では、掘削用ロッド２先端に方位・角度計測部を構成する円筒形のケーシング１０が連結され、その先端側に調整ロッド１１を介して可撓性先端ロッド１２が連結され、その先端に掘削ビット３が固定されている。
【００１８】
鞘管１の先端にはリング状ビット５が固定されており、このリング状ビット５に噛み合う係合突部６が掘削ビット３の後端面に形成されており、リング状ビット５に係合突部６を噛合させ削孔用ロッド２を逆転させることにより掘削ビット３が可撓性先端ロッド１２から外れるようになっている。
【００１９】
ケーシング１０は内部に後述する各種のセンサーを設置するためのものであり、容易に変形しない剛性材料によって円筒形に成形されている。その内部には方位計測用センサー１５、傾斜センサー１６及び回転角度センサー１７が設置されている。
【００２０】
方位計測用センサー１５にはジャイロを使用した方位計測装置が使用され、ケーシング１０の中心線方向の方位、即ち水平方向の向きが、地球の地軸を基準にして計測させるようにしている。
【００２１】
また、傾斜センサー１６はケーシング１０の中心線の上下方向の角度、即ち地球の重力の方向に対する傾斜角度が計測できる装置が使用されている。更に回転角度センサー１７は、ケーシング１０がその中心線を中心にした回転方向の角度、即ち水平方向に対して何度回転方向に傾いているかが計測できる装置が使用されている。
【００２２】
この方位・角度計測部では、方位計測用センサー１５を使用してケーシング１０の水平方向の向き（三次元座標のｘ，ｙ方向）を計測し、傾斜センサー１６を使用して同じく上下方向の向き（三次元座標のｚ方向）を計測し、これを合成することによってケーシング１０の中心線の三次元方向を割り出すようにしている。
【００２３】
この三次元方向の向きを削孔用ロッド２の一定推進長さごとに割り出し、積分処理することによって方位・角度計測部の推進軌跡を割り出すようにしている。
【００２４】
尚、回転角度センサー１７は、曲線削孔時の削孔方向設定を行う際に使用するものであり、掘削ビット３先端の傾斜面の回転中心線を中心にしたローリング角度を計測しつつ削孔用ロッド２を回転させて削孔方向を所望の向きに設定するようにしている。
【００２５】
調整ロッド１０及び可撓性先端ロッド１２は所定の弾性係数を有する鋼製のロッドからなり、この両ロッドによって曲線削孔を容易にし、方位・角度計測部の数メートル先に先導孔を形成するものであり、調整ロッド１１の長さを変更することにより曲線施工特性を変化させるようにしている。即ち可撓性先端ロッドと１２と調整ロッド１１とからなる先導部分の長さが長いと曲線削孔の曲率半径をより小さいものとすることができ、逆に短くすることによって曲率半径の大きい曲線施工しかできなくなる。もちろん急角度曲線施工が不要な場合は、調整ロッドを使用せずに施工することも可能である。
【００２６】
可撓性先端ロッド１２の周囲の四箇所に歪みゲージ２０，２０……が固定され、これによって曲がりセンサーが構成されている。この四箇所の歪みゲージ２０から得られる歪み値によって、可撓性先端ロッド１２の曲り方向と曲率を計測するようになっている。この曲りデータと可撓性先端ロッド１２の長さ値によって方位・角度計測部の位置（方位・角度計測部に任意に定めた測定点をいう。以下同じ）に対する掘削ビット３の位置（掘削ビットに任意に定めた測定点をいう。以下同じ）を割り出すようにしている。
【００２７】
尚、上述した方向及び位置の割り出しは、図示しないが地上の支援装置に設けたコンピュータにより、予め設定した計算式に基づいて自動的に算出する事により行わせ、これによって割り出された現実の削孔形状をモニターに表示させる。一方モニターには予め削孔計画線を表示しておき、これに重ねて前述した現実の削孔形状を表示させ、その削孔計画線に対するずれを目視しつつ削孔方向をコントロールできるようになっている。
【００２８】
尚、図中２１は歪みゲージの検出結果を増幅するアンプ部であり、２２は削孔ロッドの中間に備えた通信制御部である。この通信制御部２２で各種センサーによる検出結果を送信信号化して地上の支援装置に送信するようにしている。
【００２９】
次に上述した装置を使用した削孔制御方法について説明する。
【００３０】
この装置による削孔は前述した従来例と同様に、掘削ビット３を削孔用ロッド２とともに回転させつつ推進させることによって、掘削ビット３は直進し、真っ直ぐに削孔される。一方、掘削ビット３を回転させないで推進させることによって、図５に示すように前記傾斜面３ａに沿った方向に曲がって推進され、曲線削孔がなされる。このとき、削孔ビット３に先導されて可撓性先端ロッド３及び調整ロッド１１が湾曲されて押し出され、これによって先導孔が形成され、これに追随して方位・角度計測部のケーシング１０及び削孔用ロッド２が曲進される。
【００３１】
このようにして一定長さ推進させた後、各種センサーを作動させて、方位・角度計測部の三次元方向の向き及び位置を割り出す共に、可撓性先端ロッド３の曲率及び曲がり方向を四つの歪みゲージからなる曲がりセンサーによって検出し、これによって掘削ビット３の位置（座標）を割り出す。
【００３２】
このようにして一定長さずつ推進させつつ各位置及び向きの計測を繰り返し、前１回又は数回の推進に際しての方位・角度計測部に対する掘削ビット３の変位と、実際の方位・角度計測部の推進軌跡によって、掘削ビット３の回転方向の角度及び推進量を調節して方位・角度計測部が所望の計画曲線に沿うようにコントロールする。
【００３３】
図４は上述した曲線削孔をした際に、可撓性先端ロッド１２の曲げ制御量（角度）とその後（数ｍ後方）に配置した方位・角度計測部位置において、１．５ｍピッチで方位用計測センサー及び傾斜センサーの変化を曲率半径で表した値の相関例である。この可撓性先端ロッド及び調整ロッドの組み合わせからなるロッド構成の場合、曲線施工を目的として方位・角度計測部の推進曲率半径３０ｍを達成したいとき、先端ロッドがこの部分を通過する数ｍ前の削孔制御において先端ロッド曲げ角度を約４°程度になるようにコントロールする。制御結果の確認は、その後数ｍ削孔しジャイロ・傾斜計測した位置で達成度が判断できる。
【００３４】
このようにして、制御量の過不足を数回の削孔、計測の繰り返しによって判断し、その結果に基づいて次の削孔推進時の微調整制御を行う。このようにすることにより、土質変化やロッド構成の変化による曲線削孔特性変化を容易に把握することができ、また、オペレータは制御効果を見ながら正しい判断で次操作を繰り返し、より正確に削孔予定曲線にあった削孔が可能となる。
【００３５】
また、使用するロッド構成の曲げ角度眼界値を事前に実験等で把握しておくことにより、削孔中に可撓性先端ロッドや調整ロッドを破損し削孔不能に陥るといった重大なトラブルを防止することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
上述のように、本発明においては、掘削ビットの先端に中心線方向に対して一定角度に傾けた屈曲推進用の傾斜面を設け、回転させないで推進させることによって掘削ビットが前記傾斜面の傾斜方向に推進されるようにした地中曲線削孔装置において、掘削用ロッドの先端部分に方位・角度計測部を設け、該方位・角度計測部の先端側に所定長さの可撓性先端ロッドを介して前記掘削ビットを固定し、可撓性先端ロッドに曲がりセンサーを備えることにより、方位・角度計測部の前方に位置する掘削ビット位置も正確に把握することができ、可撓性先端ロッドを先導させて削孔予定曲線に合わせた曲線削孔ができる。
【００３７】
また、これによって方位・角度計測部を容易に変形しない剛性構造とする場合においても先導する可撓性先端ロッドの存在により、曲線削孔性能を低下させることなく削孔制御が可能となる。
【００３８】
更に、方位計測にジャイロと傾斜センサーを使用することにより、電磁波探知方式や磁気方位センサーを使用した場合のように、土中において各種金属（磁性体）の影響を受けないで方位・位置の検出ができ、定期的に削孔用ロッドを停止させて、真北からの方位および水平傾斜を計測し、高い精度で位置検知できる。
【００３９】
更に、可撓性先端ロッドと方位・角度計測部との間に調整ロッドを介在させることにより、先端ロッドの曲がり特性を変えることができ、使用する調整ロッドの長さと材質により、事前に曲がり性能を特性データとして把握しておくことで、削孔中のロッド先端位置を予測し運転支援装置に予測表示することができる。
【００４０】
更に、１又は数回の削孔及び計測を繰り返すことによって得られる可撓性先端ロッドの曲りデータと方位・角度計測部曲り軌跡との関係に基づいて次の曲線施工調整を行うことにより、削孔推進中に土質の性状が変化した場合であっても、その土質に合わせて削孔作業の調整ができ、より正確に予定削孔曲線に合わせた削孔が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地中曲線削孔装置の概略を示す側面図である。
【図２】図１に示す装置の削孔ロッド先端部を示す側面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図１に示す装置の可撓性先端ロッドの曲げ制御量と曲線削孔の曲り達成量の関係を測定したグラフである。
【図５】従来の曲線削孔装置の削孔ロッド先端部を示す側面図である。
【図６】同上の曲線削孔状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 鞘管
２ 削孔用ロッド
３ 掘削ビット
３ａ 掘削ビット先端の傾斜面
４ 支援装置
５ リング状ビット
６ 係合突部
１０ ケーシング
１１ 調整ロッド
１２ 可撓性先端ロッド
１５ 方位計測用センサー
１６ 傾斜センサー
１７ 回転角度センサー
２０ 歪みゲージ
２１ アンプ部
２２ 通信制御部

Claims (6)

1. 屈曲可能な削孔用ロッドと、中心部分に前記削孔用ロッドが挿入された屈曲可能な鞘管と、前記削孔用ロッドの先端に連結した掘削ビットとを有し、前記掘削ビットの先端に前記削孔用ロッドの中心線方向に対して一定角度に傾けた屈曲推進用の傾斜面を設け、前記削孔用ロッドを回転させないで推進させることによって前記掘削ビットが前記傾斜面の傾斜方向に推進される地中曲線削孔装置において、
   前記掘削用ロッドの先端部分に方位・角度計測部を設け、該方位・角度計測部の先端側に所定長さの可撓性先端ロッドを介して前記掘削ビットを固定し、前記方位・角度計測部には、そのケーシングの中心線方向の地球の地軸を基準にした水平方向の向きを計測する方位計測センサー、前記ケーシングの中心線方向の地球の重力方向に対する傾斜角度を計測する傾斜センサー及び前記ケーシングの中心線を中心にした回転方向の角度を計測する回転角度センサーを備え、前記可撓性先端ロッドにその曲りを検出する曲りセンサーを備え、前記方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーによる前記ケーシングの中心軸の三次元座標のｘ，ｙ，ｚ方向の計測データ及び削孔用ロッドの推進長さによって前記方位・角度計測部の三次元位置及び向きを割り出し、前記曲りセンサーによる計測値と合わせて掘削ビット位置を割り出すようにしたことを特徴としてなる地中曲線削孔装置。
2. 前記方位・角度計測部は掘削用ロッド先端部分に備えた容易に変形しないケーシングを有し、該ケーシング内に前記内に方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーを収容してなる請求項１に記載の地中曲線削孔装置。
3. 方位計測センサーにはジャイロを使用する請求項１又は２に記載の地中曲線削孔装置。
4. 方位・角度計測部と可撓性先端ロッドとの間に、該可撓性先端ロッドと同様の可撓性を有する調整ロッドを介在させてなる請求項１，２又は３に記載の地中曲線削孔装置。
5. 屈曲可能な削孔用ロッドと、中心部分に前記削孔用ロッドが挿入された屈曲可能な鞘管と、前記削孔用ロッドの先端に連結した掘削ビットとを有し、前記掘削ビットの先端に前記削孔用ロッドの中心線方向に対して一定角度に傾けた屈曲推進用の傾斜面を設け、前記削孔用ロッドを回転させないで推進させることによって前記掘削ビットが前記傾斜面の傾斜方向に推進させるようにした地中曲線削孔装置の削孔制御方法であって、
   前記掘削用ロッドの先端部分に方位・角度計測部を設け、該方位・角度計測部の先端側に所定長さの可撓性先端ロッドを介して前記掘削ビットを固定し、前記方位・角度計測部には、そのケーシングの中心線方向の地球の地軸を基準にした水平方向の向きを計測する方位計測センサー、前記ケーシングの中心線方向の地球の重力方向に対する傾斜角度を計測する傾斜センサー及び前記ケーシングの中心線を中心にした回転方向の角度を計測する回転角度センサーを備え、前記可撓性先端ロッドにその曲りを検出する曲りセンサーを備え、前記方位計測センサー、傾斜センサー及び回転角度センサーによる前記ケーシングの中心軸の三次元座標のｘ，ｙ，ｚ方向の計測データ及び削孔用ロッドの推進長さによって前記方位・角度計測部の三次元位置及び向きを割り出すとともに、該三次元位置と前記曲りセンサーによる計測値と合わせて掘削ビット位置を割り出し、１又は数回の削孔及び計測を繰り返すことによって得られる可撓性先端ロッドの曲りデータと方位・角度計測部曲り軌跡との関係に基づいて次の曲線削孔の施工調整を行うことを特徴としてなる地中曲線削孔装置の削孔制御方法。
6. 方位計測センサーにはジャイロを使用した装置を使用する請求項５に記載の地中曲線削孔装置の削孔制御方法。

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