JP4566948B2

JP4566948B2 - 地質ボーリング調査における試料採取装置および試料採取方法

Info

Publication number: JP4566948B2
Application number: JP2006142972A
Authority: JP
Inventors: 次男吉田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007314954A

Description

本発明は、地質ボーリング調査における試料採取装置および試料採取方法に係り、特に、硬岩、軟岩および砂質土のいずれの地質でも単一の試料採取装置によりビットを適正に冷却しつつ不撹乱試料を採取可能な試料採取装置および試料採取方法に関する。

従来の地質ボーリング装置の概略を図５に示す。同図で１はウォーターウェイ（ビットの刃部相互間凹所）、２はビット、３はアウターチューブ、４はインナーチューブ、５はロッド、６は試料、７はポンプ、８はデリバリーホース、９はサクションホース、１０はウォータースイベル、１１はスイベルヘッド、１２は巻上機、１３は変速装置・操縦装置、１４はオイルタンク、１５はオイルポンプ、１６は伝動装置、１７は原動機である。

地盤をボーリングする際、原動機１７の回転力が伝導装置１６と変速装置・操縦装置１３を介してスイベルヘッド１１に伝わりロッド５を回転させる。ロッド５の下端にアウターチューブ３とインナーチューブ４が連結されており、これらアウターチューブ３とインナーチューブ４がロッド５と一体に回転する。アウターチューブ３の下端にビット２が取り付けられていて、このビット２で地盤を円筒状に掘削する。ビット２は複数の刃部を周方向等間隔に備え、刃部相互間に削孔水やスライムを流し出すウォーターウェイ１（凹所）が形成される。

ビットによる掘削中、ビットの冷却や削孔により発生したスライムを地上に排出するために、ウォーターウェイ１から削孔水を流出させる必要がある。削孔水は、サクションホース９、ポンプ７、デリバリーホース８、ウォータースイベル１０、ロッド５内部を介して、アウターチューブ３とインナーチューブ４との間の筒状水路に供給される。この筒状水路の下端はビットの刃部相互間に向けて開口しており、削孔水によってビットの刃部を冷却するとともに、掘削により生じたスライムを削孔水と共にアウターチューブ３の外側に排出する。ビット２により円筒状に掘削した内側のコア部分が、試料６としてインナーチューブ４の内側に収受される。試料６は巻上機１２によりロッド５を地上に引き上げた後に回収する。

従来の地質ボーリング調査では、ウォーターウェイ１から流出する削孔水はビットの冷却やスライムの除去を主な目的としている。このため、削孔水はその水量にかかわらず下向きに流出するようになっている。従って、軟岩や砂質土をボ−リングする際に、削孔水によって試料６が洗掘されやすいという問題がある。

このような試料の洗掘を防止すべく、ウォーターウェイの形状に工夫を加えた試料採取装置として、特許文献１の「軟岩試料採取装置と軟岩の簡易試料採取装置」がある。この装置は、アウターチューブ・ビット内周面とインナーチューブ外周面との間の水路の下端部において、インナーチューブ先端外周面を先細り状のテーパ面に形成して前記水路に連なる斜内向き水路を形成し、かつ、前記水路からビットの刃部相互間の凹所に連通する導出水路を刻設したものである。
特開平１０−３２５１３５号公報

しかし、この特許文献１の装置は軟岩専用のものであり、砂質土を対象とした少量の削孔水でボーリングする場合や、硬岩を対象とした大量の削孔水が必要な場合は考慮されていない。このため、砂質土をボーリングする場合は試料が洗掘されて乱れを生じ、逆に硬岩をボーリングする場合はビットが十分に冷却されないなどの不都合がある。

一方、水路の改良以外の工夫により試料の乱れを抑制する手法として、削孔水に懸濁気水を用いた気泡式ボーリングエ法などがある。しかし、この工法は特別な装置や技術が必要でコストがかかる。

本発明の目的は、硬岩、軟岩、砂質土など地質が異なっても、ビットを効果的に冷却し試料の洗掘を防止可能な試料採取装置と試料採取方法を提供することにある。

すなわち、硬岩をボーリングする際には、ビットを効率的に冷却する必要があり、大量の削孔水を圧送するとともに、下向きに流出させてビットに接触させる必要がある。

また、軟岩をボーリングする際には、削孔水が試料の粘土分を洗掘し乱れを生じる恐れがある。そのため、削孔水量を硬岩と比べて抑えるとともに、削孔水と試料の接触を防ぐために、削孔水をやや外向きに流出させる必要がある。

また、砂質土は軟岩と比べて固結度がさらに低いため、削孔水が接触した場合の乱れが大きい。このため、砂質土をボーリングする際には、削孔水量は軟岩に比べてさらに抑えるとともに、やや外向きに流出させる必要がある。

従来型のウォーターウェイでは、削孔水が下向きに流出するため、軟岩や砂質土の不撹乱サンプリングが困難であり、軟岩や砂質土の不撹乱サンプリングに対応可能なウォーターウェイの開発が課題であった。さらに、地盤内の地質は、複雑な構造をなし、異なる地質が混在している場合が多い。そのため、各地質に応じて水路の形状を変えるのではなく、各地質に応じた削孔水量を送圧することで、自動的に地質に適した方向に削孔水が流出する機構を有するウォーターウェイを開発することが課題であった。

前記課題を解決するため、本発明の試料採取装置は、下端にビットが取付けられたアウターチューブの内側に、水路を介在させて、インナーチューブを嵌合してなる試料採取装置において、アウターチューブの先端内周面とインナーチューブの先端外周面との間に形成される水路の下端部を、ビットの刃部内周側に向って傾斜させた斜内向き水路とし、かつ、ビットの刃部相互間の凹所に臨むアウターチューブの下端面に、前記斜内向き水路に上端が連なる急傾斜の第一傾斜面と、前記第一傾斜面の下端から始まりアウターチューブの外周面で終わる緩傾斜の第二傾斜面を形成したことを特徴とする。

また、本発明の試料採取方法は、請求項１の試料採取装置を使用し、硬岩をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が大量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記斜内向き水路の下端部からビットの半径方向内方に直接的に放水し、軟岩をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が中量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記第一傾斜面に沿わせて急傾斜でビットの半径方向外方に向けて放水し、砂質土をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が少量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記第一傾斜面から第二傾斜面に沿わせて緩傾斜でビットの半径方向外方に向けて放水するようにしたことを特徴とする。

本発明の試料採取装置ないし試料採取方法は、アウターチューブの下端面に、斜内向き水路に上端が連なる急傾斜の第一傾斜面と、前記第一傾斜面の下端から始まりアウターチューブの外周面で終わる緩傾斜の第二傾斜面を形成したので、硬岩対応として大量の削孔水を供給すると斜内向き水路の下端部からビットの半径方向内方に直接的に削孔水が流出し、軟岩対応として中量の削孔水を供給すると斜内向き水路の下端部から前記第一傾斜面に沿って急傾斜でビットの半径方向外方に向けて削孔水が流出し、砂質土対応として少量の削孔水を供給すると斜内向き水路の下端部から第一傾斜面から第二傾斜面に沿って急傾斜でビットの半径方向外方に向けて削孔水が流出する。

このように、本発明の試料採取装置は削孔水量に応じて削孔水の流れ方向が変わるので、地質が変化しても試料採取装置を交換することなく削孔水量だけを地質に応じて増減させることでビットの効果的冷却と試料の洗掘を防止することができる。

本発明は以上のように、ビットの刃部相互間の凹所に臨むアウターチューブの下端面に、前記斜内向き水路に上端が連なる急傾斜の第一傾斜面と、前記第一傾斜面の下端から始まりアウターチューブの外周面で終わる緩傾斜の第二傾斜面を形成したことを特徴とするから、硬岩を試料採取する場合は単位時間当たりの供給掘削水量が大量の削孔水を供給することにより前記第一傾斜面と第二傾斜面の影響を受けることなく斜内向き水路からビットの半径方向内方に向けて直接的に削孔水を流出させることができてビットの効果的な冷却を可能にする。また、軟岩を試料採取する場合は単位時間当たりの供給掘削水量が中量の削孔水を供給することにより斜内向き水路から前記第一傾斜面に沿ってビットの半径方向外方に向けて急傾斜で削孔水を流出させることができるため、ビットに必要な冷却と効果的なスライム排出に加えて試料の洗掘防止を可能にする。また、砂質土を試料採取する場合は単位時間当たりの供給掘削水量が少量の削孔水を供給することにより斜内向き水路から前記第一傾斜面と第二傾斜面に沿ってビットの半径方向外方に向けて緩傾斜で削孔水を流出させることができるため、ビットに必要な冷却と効果的なスライム排出に加えて試料の洗掘防止を可能にする。このため、複雑な地質構造を有する地盤においても削孔水量の増減調節のみで試料採取装置を交換する必要がないから試料採取の大幅な効率向上を実現することができる。

以下に本発明の実施形態を図１〜図４Ｂに基づいて説明する。図示するように、本発明に係る試料採取装置はアウターチューブ３の下面形状を工夫している。アウターチューブ３とインナーチューブ４との間に形成される円筒状の水路Ｗ_１や、アウターチューブ３の内周面下端部とインナーチューブ４の外周面下端部をテーパ状にして形成した斜内向き水路Ｗ_２は従来のものと同様でよい。

アウターチューブ３の下面形状は、詳しくは図２のように、ビット２の６つの刃部２ａ相互間のウォーターウェイとも呼ばれる６箇所の凹所２ｂに臨むアウターチューブ３の下面を、斜内向き水路Ｗ_２の下端部に上端が連なる急傾斜の第一傾斜面１９と、この第一傾斜面１９の下端から始まりアウターチューブ３の外周面で終わる緩傾斜の第二傾斜面１８で構成している。ビット２の刃部２ａは従来同様にアウターチューブ３の下面に固定される。

第一傾斜面の傾斜角θ_１は例えば約６０°とする。第二傾斜面の傾斜角θ_２は例えば約２５°とする。傾斜角θ_１と傾斜角θ_２は、傾斜角θ_１＜傾斜角θ_２の大小関係があればよい。傾斜角θ_１やθ_２は６０°や２５°の角度に限定されるものではない。従って、傾斜角θ_１を例えば８０°、７０°、５０°のいずれかとし、傾斜角θ_２を例えば１０°、１５°、２０°のいずれかとするような組み合わせも可能である。

凹所２ｂは前述の如く削孔水が流れるところからウォーターウェイとも呼ばれる。この凹所２ｂは、図１〜図４Ａに示すように、アウターチューブの下面２１、刃部２ａの側壁２０、アウターチューブの下面の一部である第一傾斜面１９と第二傾斜面１８で構成される。第一傾斜面１９は、アウターチューブ下面２１の内側縁部に形成したＶ字状の切り込みであって、第二傾斜面１８と連続した三角錐形状を有する構造である。第一傾斜面１９の三角錐形状の頂点は、アウターチューブ３の内周面にある。第二傾斜面１８はアウターチューブ下面２１に形成した三角錐形状の切り込みであり、その頂点はアウターチューブ３の外周面２２と一致する。刃部２ａの側壁２０は鉛直面であり、かつ、側壁２０相互間が凹所２ｂの外方向に向けてややテーパー状に拡がっている。

本発明の試料採取装置は以上のように構成され、地上よりロッド５内に圧送された削孔水は、アウターチューブ３とインナーチューブ４との間の水路Ｗ_１を流れてビット２の刃部２ａ相互間凹所（ウォーターウェイ）２ｂに到達する。凹所２ｂの両側を画成する側壁２０は、前述のように外方向に向けてやや拡がっている。このように、側壁２０を外向きにやや拡げる構造とすることで、軟岩や砂質土対応の削孔水量が中程度以下の場合に、アウターチューブ３とインナーチューブ４の隙間を下向きに流れてきた削孔水が側壁２０に沿って外向きに導かれながら流出する。この際、硬岩対応で削孔水量が多い場合は、アウターチューブとインナーチ−ブの隙間を流れて凹所２ｂに到達した削孔水は、下向きの流速が大きいため側壁２０に沿って外向きに導かれにくい。このため相当量の削孔水が凹所２ｂから下向きに流出してビット２の刃部２ａを効果的に冷却する。

図４Ａ〜図４Ｃは、硬岩、軟岩および砂質土の地盤を本発明装置で掘削する際の削孔水の流れを模式的に示したものである。図４Ａに示すように、硬岩をボーリングして試料採取する際の削孔水（水量大）の流れ方向は、斜内向き水路Ｗ_２の延長線方向、すなわちビット２の半径方向内方にやや傾斜した下向き方向である。図４Ｂは軟岩をボーリングして試料採取する際の削孔水（水量中）の流れ方向を示し、第一傾斜面１９に沿った流れとなる。図４Ｃは砂質土をボーリングして試料採取する際の削孔水（水量少）の流れ方向を示し、第一傾斜面１９から第二傾斜面１８に沿った流れとなる。従って、削孔水量の増減調節のみでビットの冷却、スライムの排出および試料の洗掘防止を可能にし、複雑な地質構造を有する地盤においても効率的に試料採取を行うことができる。なお、硬岩、軟岩および砂質土に対する具体的な削孔水量は、試料採取装置の大きさ等の設計条件や地盤の状態を勘案して決定する。例えば、硬岩：１０リットル／分、軟岩：５リットル／分および砂質土：２〜３リットル／分の削孔水量とすることができる。

本発明に係る試料採取装置の縦断面図。本発明に係る試料採取装置の下面図。図２のIII−III線矢視側面図。硬岩をボーリングする際の削孔水流れを示す試料採取装置の縦断面図。軟岩をボーリングする際の削孔水流れを示す試料採取装置の縦断面図。砂質土をボーリングする際の削孔水流れを示す試料採取装置の縦断面図。従来のボーリング装置の概略側面図。

符号の説明

１ウォーターウェイ（ビット凹所）
２ビット
２ａ刃部
２ｂ凹所
３アウターチューブ
４インナーチューブ
５ロッド
６試料
７ポンプ
８デリバリーホース
９サクションホース
１０ウォータースイベル
１１スイベルヘッド
１２巻上機
１３変速装置・操縦装置
１６伝導装置
１７原動機
１８第二傾斜面
１９第一傾斜面
２０ビット刃部側壁
２１アウターチューブ下面
２２アウターチューブ外周面
Ｗ_１水路
Ｗ_２斜内向き水路
θ_１第一傾斜面の傾斜角
θ_２第二傾斜面の傾斜角

Claims

下端にビットが取付けられたアウターチューブの内側に、水路を介在させて、インナーチューブを嵌合してなる試料採取装置において、アウターチューブの先端内周面とインナーチューブの先端外周面との間に形成される水路の下端部を、ビットの刃部内周側に向って傾斜させた斜内向き水路とし、かつ、ビットの刃部相互間の凹所に臨むアウターチューブの下端面に、前記斜内向き水路に上端が連なる急傾斜の第一傾斜面と、前記第一傾斜面の下端から始まりアウターチューブの外周面で終わる緩傾斜の第二傾斜面を形成したことを特徴とする地質ボーリング調査における試料採取装置。
請求項１の試料採取装置を使用し、硬岩をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が大量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記斜内向き水路の下端部からビットの半径方向内方に直接的に放水し、軟岩をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が中量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記第一傾斜面に沿わせて急傾斜でビットの半径方向外方に向けて放水し、砂質土をボーリングする場合は単位時間当たりの供給掘削水量が少量の削孔水を前記斜内向き水路に供給して前記第一傾斜面から第二傾斜面に沿わせて緩傾斜でビットの半径方向外方に向けて放水するようにしたことを特徴とするボーリング調査における試料採取方法。