JP6066133B2 - 地盤に空洞を形成又は掘削する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤に空洞を形成又は掘削する方法及び装置に関し、該方法及び装置では、前記空洞の前面に露出する岩石を熱により溶解させ、ガス状の搬送媒体によって前記空洞から排出し、岩石の溶解のために必要な熱は少なくとも１つの電気プラズマ発生機により準備し、該プラズマ発生機には、掘進ヘッドが配設されており、該掘進ヘッドは、前記空洞内へと挿入可能な供給装置の前方に位置している、方法及び装置に関する。この場合、地盤に設ける空洞とは、縦穴、縦坑、坑道、トンネル、室等、あらゆる種類の空洞を意味する。

このような形式の方法及び対応する装置は米国特許第３４６７２０６号明細書により公知である。この先行技術により公知の方法では、掘進ヘッドの前方に、空洞の軸線を中心として回転可能な、ローラによって空洞の前面に支持された、プラズマバーナ用のホルダが設けられていて、プラズマバーナのプラズマジェットは、空洞の前面及び壁に対して角度を成して向けられていて、前記ホルダが回転する際に、空洞の前面を連続的に溶解させる。溶解された岩石は、ガス状の搬送媒体によって排出されるべきである。このためにはガス状の搬送媒体の相応に強力な流れが、空洞の前面に方向付けられている。掘進ヘッドへの電気エネルギ及びガス状の搬送媒体の供給はこの場合、掘進ヘッドに接続されている可撓的なケーブルを介して行われる。溶解を加速するために、この場合付加的にさらに１種の適当な粉末化された融剤が溶解区域に吹き込まれる。

この公知の方法及び対応する装置は、調査できた範囲では実用化できていない。恐らく、常に大量の搬送媒体に接触している溶解区域において、岩石の溶解のために必要なエネルギ密度を発生させるのが不可能なのであろう。エネルギ密度を所望のように高めることに対する阻害要件はとりわけ、溶解区域の領域に、例えば、回転運動するプラズマバーナの支持体、支持ローラ及びその軸受等のような回転運動可能な部分が配置されていることにあった。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法及び装置を改良して、溶解区域の領域に著しく高いエネルギ密度を形成することができ、溶解区域の領域では回転運動可能な部材を省くことができるようにすることである。

この課題を解決するために、冒頭で述べた形式の方法を起点として本発明によれば、
掘進ヘッドが前方に熱シールドを有していて、該熱シールドは、周方向に延在するギャップを除いて空洞の前面を覆っていて、前記空洞の前面と共に、動圧空間を形成しており、
前記熱シールドと、前記空洞の前面との間に位置する前記動圧空間に、プラズマ発生機によって加熱されたガス状の搬送媒体の部分流を供給し、
空洞の前面に露出する岩石を溶解させ、その全てを又は一部を気化させた前記ガス状の搬送媒体の部分流を、周方向の前記ギャップを介して前記動圧空間から排出させ、前記ガス状の搬送媒体の主流に取り込むことが提案されている。

本発明による方法では初めて、空洞の前面の面全体にわたって、露出した岩石を問題なく溶解させ、付加的にその全てを又は一部を気化させるのに十分な極めて大きなエネルギ密度（温度及び圧力）を空洞の前面に形成することが可能となり、次いでガス状の搬送媒体によって排出することができるようになった。この場合、特に好適には、溶解区域では、熱シールドの下方に可動部分は不要である。

本発明による方法の好適な実施態様では、熱シールドと空洞の前面との間の動圧空間内に、２ｂａｒよりも高い動圧と、少なくとも２０００℃の、好適には２９００℃よりも高い温度が生じるようになっている。高温は迅速な掘進を保証する。圧力は、溶解され、完全に又は部分的に気化された岩石を十分迅速に、動圧空間の周囲ギャップを介して排出し、搬送媒体の主流に加えるのに十分である程度に高く調節される。

さらに、熱シールドを、空洞の前面とは反対側の面で冷却することが考えられている。これにより熱シールドの背面が、特に熱シールドの後方に位置する掘進ヘッドの部分が、過熱及びこれにより生じる破壊から保護されることが保証される。

熱シールドのこのような冷却は好適には、掘進ヘッドに配設された圧力容器内に十分な量準備されていて、必要に応じて、供給されたガス状の搬送媒体との適当な熱交換によって低温に維持される流体の冷却媒体によって行われる。

ガス状の搬送媒体は好適には窒素である。窒素は特に安価に調達でき、化学的挙動もほぼ不活性である。勿論別の不活性ガス又はガス混合物、例えばアルゴン又は別の適当な希ガスを搬送媒体として使用することもできる。

さらに、溶解されたかつ／又は気化させた岩石を、空洞から確実に搬送することを保証するために、空洞の壁と、掘進ヘッド若しくは送り・供給装置との間の環状室に、該環状室内全体に、１０ｍ／秒よりも高い、好適には２０ｍ／秒よりも高い流れ速度が生じる程度に多くのガス状の搬送媒体を吹き込むことが考えられている。この速度は、溶解されたかつ／又は気化された岩石を空洞から確実に排出し、この岩石が再結合又は凝固して空洞の壁や掘進ヘッド又は送り・供給装置に付着するのを阻止するのに十分である。

プラズマ発生機を３０ｋＷ〜１０００ｋＷの電気出力で作動させ、この電気出力を、供給装置を介して供給し、空洞の外側で所要の熱に応じて制御する。

空洞の壁の安定化のために、動圧空間の周囲から流出する加熱された搬送媒体によって、周囲に位置する岩石を溶解させる（ガラス化させる）ことが考えられている。このような形式で安定化された壁は、場合によっては、その後、支持フレームや管材によって支持する必要はない。

さらに本発明の対象は、空洞の前面に露出した岩石を溶解させるかつ／又は気化させる少なくとも１つの電気プラズマ発生機と、ガス状の搬送媒体用のガイド装置とを有した、送り・供給装置に取り付けられた掘進ヘッドを備えた、上記方法を実行する装置であって、この装置は、掘進ヘッドの前方に熱シールドが設けられていて、該熱シールドは、周方向に延在するギャップを除いて空洞の前面を覆っていて、空洞の前面と共に動圧空間を形成し、該動圧空間にはガス状の搬送媒体の部分流が供給され、動圧空間は、前記熱シールドに配設された電気プラズマ発生機によって岩石の気化温度まで加熱され、溶解されかつ少なくとも部分的に気化された岩石は、周囲のギャップを介して動圧空間から排出され、ガス状の搬送媒体の主流に取り込まれることを特徴としている。

この装置の第１の実施態様によれば、熱シールドは、耐高温性の材料、特に炭化タンタルから成るコンパクトなブロックとして形成されていて、該熱シールドには前方に、圧力空間を取り囲む周方向に延在する突起が設けられており、前記熱シールドの体積内には複数のプラズマ発生機が含まれており、該プラズマ発生機の加熱プラズマは、前記ブロック内に配置された複数のプラズマ通路を介して、前記突起によって取り囲まれた前記動圧空間内に案内され、前記空洞の前面に向かって案内される。熱シールドのこのような構成は、プラズマ発生機が、熱シールドの内部に保護されて配置されていて、溶解されたかつ／又は気化された岩石に直接接触することはないという特別な利点を有している。溶解されかつ気化された岩石を排出するガス状の搬送媒体の部分流はこの場合、プラズマ発生機を介して供給されたプラズマガスから成っている。

本発明による装置の選択的な実施態様では、熱シールドは、耐熱性の高い材料、特に炭化タンタルから成る、下方に向かって開かれたハウジングから成っていて、このハウジングの開かれた前面は空洞の前面に接していて、このハウジングの背面にはプラズマ発生機が装備されていて、プラズマ発生機のプラズマジェットは、空洞の前面に直接向けられている。この場合、ハウジングの内室を充填するためにより多くのガス状の搬送媒体が必要であるので、プラズマ発生機によって供給されたガスに加えて付加的にさらに、搬送媒体の部分流が、動圧空間へと吹き込まれる。

上述した熱シールドの両実施態様では、熱シールドの背面に、冷却媒体、例えば水によって貫流される冷却装置が設けられている。

同様に、過熱を回避するために、電気プラズマ発生機は、循環路内で案内される冷却媒体、例えば水によって冷却される。冷却媒体循環路は、必要であれば熱交換機を介して、新たに供給された搬送媒体によって冷却される。

本発明による装置の特に好適な構成では、供給装置は、互いにねじ固定可能な二重管区分から成る二重管リンク装置を有していて、該二重管リンク装置は、導電性材料から成る１つの内管と、該内管を所定の間隔を置いて取り囲み、該内管に対して電気的に絶縁されている、導電性材料から成る１つの外管とから成っており、前記内管の自由横断面は、プラズマを発生させるための前記搬送媒体の部分流を供給するために使用され、内管と外管との間の環状室は、前記搬送媒体の主流を供給するために使用され、内管と外管の導電的な横断面は、電流供給のための導電体として、及びデータ転送導体として使用される。このような形式で形成された二重管リンク装置により、送り・供給装置によって簡単に、掘進ヘッドに、必要な全ての媒体及び情報を供給することができるようになる。

最後に、空洞の前面に作用するプラズマの強度を高めるために、それぞれ２つのプラズマ発生機の間に付加的な陽極を配置し、この陽極は、空洞の前面に向かう方向で摺動可能に配置されていることが考えられている。このようにして、プラズマ発生機のプラズマアークを、空洞の前面のすぐ近くまで移動させ、これにより装置の効率を著しく高めることができる。

次に本発明の装置の実施態様を、以下に図面につき詳しく説明する。

本発明の掘削装置を示す原理図である。 第１の実施態様における掘進ヘッドと熱シールドとを示す軸方向断面図である。 第２の実施態様における掘進ヘッドと熱シールドとを示す軸方向断面図である。 第３の実施態様における掘進ヘッドと熱シールドと供給装置とを示す軸方向断面図である。 第４の実施態様における掘進ヘッドと熱シールドと供給装置とを示す軸方向断面図である。 ２つのプラズマ発生機の間における摺動可能な陽極の配置を概略的に示した図である。

図１には、地面上に設置された掘削フレームが符号１で示されている。この掘削フレーム１には、形成すべき空洞２内に配置された掘進ヘッド４を前進させかつ掘進ヘッド４に供給するために働く、送り・供給装置３を導入するための通常の装置が設けられている。掘進ヘッド４には、空洞２の前面に面した側で熱シールド５が設けられていて、この熱シールド５は、周方向に延在するギャップ６を除いて空洞２の前面を覆って、空洞２の前面と共に、動圧空間７を形成する。

熱シールド５には、プラズマバーナの形の複数の電気的なプラズマ発生機８が配置されていて、プラズマ発生機８の熱により、空洞２の前面で露出している岩石は溶解若しくは気化される。

空洞２の前面で溶解されたかつ／又は気化された岩石は、矢印９で示されたガス状の搬送媒体によって空洞２から排出される。このガス状の搬送媒体９は窒素であって、圧縮装置１０から供給され、送り・供給装置３として働くリンク装置を介して掘進ヘッド４へと供給される。溶解されたかつ／又は気化された岩石を含まされた搬送媒体９は、空洞壁と送り・供給装置３との間の環状空間を介して排出され、分離装置１１において岩石から分離される。

電気的なプラズマ発生機８への電気エネルギの供給は、３０ｋＷ〜１０００ｋＷの電気出力を有した直流発電機１２によって、電気導線１３と、適当な電気的な伝達手段が設けられた送り・供給装置３とを介して行われる。

熱シールド５は背面で、掘進ヘッド４内の適当な水タンク４ａ又は地表面に配置された貯水タンク１４内に貯められ、適当な管路及び弁を介して制御されて熱シールド５へと供給される水によって冷却される。

同じ冷却媒体によってプラズマ発生機８も背面から冷却され、ここでも過熱現象が生じないようにされている。

搬送媒体９、電気出力、冷却媒体の供給はコンピュータ１５によって制御される。このコンピュータ１５は対応するデータライン１６を介して直流発電機１２と、搬送媒体９及び窒素のための制御弁とに接続されている。

図２の実施例では、熱シールド５は、耐熱性が極めて高い材料、例えば炭化タンタルから成るコンパクトなブロックから成っていて、その下面には、動圧空間７を取り囲む環状の突起１７が設けられている。この場合、プラズマ発生機８は、炭化タンタルから成るコンパクトなブロックの本体内に配置されていて、空洞２の前面に向けられたプラズマ通路８ａを介して動圧空間７に接続されている。プラズマ通路８ａを介して供給されたプラズマガス（窒素）は同時に、動圧空間７の周囲に突起１７と空洞２の前面との間に残されたギャップ６を介して動圧空間７から、溶解されたかつ／又は気化された岩石を排出するための搬送媒体としても利用される。搬送媒体９のここを通る部分流９ａは同時に、空洞２の壁を溶かしてガラス化させ、これにより安定化させる。従って、この空洞２の壁は通常、支持フレームや管材によって支持する必要はない。

熱シールド５として用いられるブロックの背面の冷却は、掘進ヘッド４の水タンク４ａ内に準備された水によって行われる。この水は時々、地面上に配置された貯水タンク１４から補充することができる。熱シールド５と同様に、熱シールド５内に保持されるプラズマ発生機８も水によって冷却される。

図３の実施例では、熱シールド５は、耐熱性の高い材料、特に炭化タンタルから成る、前方に向かって開かれたハウジングから成っている。この開かれた前面は空洞２の前面に接していて、その背面にはプラズマ発生機８が装備されている。プラズマ発生機８のプラズマジェットは、空洞２の前面に直接向けられている。この場合、動圧空間７は、ハウジングの内室によって形成される。

この場合も、図２の実施例の場合と同様に、空洞２の前面に露出している岩石は溶解され、少なくとも部分的に気化し、搬送媒体９の部分流９ａによって、動圧空間７の周囲に存在しているギャップ６を介して排出され、搬送媒体９の主流に取り込まれる。この場合も、空洞２の壁は溶解し、これにより安定化する。

この場合も、プラズマ発生機８及び熱シールド５は、熱シールド５の背面から、水タンク４ａ内に準備された水によって冷却される。

図４に示された装置は、図２の装置にほぼ相当するので、互いに対応する部分については同じ符号を用いることができる。

付加的に図４には特に、送り・供給装置３の詳細が示されている。送り・供給装置３は二重管リンク装置を有しており、この二重管リンク装置は、互いに螺合される複数の管区分２０から成っている。各管区分２０は１つの金属製の内管２１と、該内管２１を間隔を置いて取り囲む１つの金属製の外管２２とを有している。内管２１と外管２２とは絶縁スリーブ２３によって互いに電気的に絶縁されているので、これらは掘進ヘッド４に電気エネルギを供給する金属製の導電体として使用することができる。同時に、互いに絶縁された両管は、データ転送用の導電体として使用することができる。

内管２１の自由横断面は、プラズマ発生機８を通って案内される、搬送媒体の部分流２４用の供給通路として利用される。これに対して、内管２１と外管２２との間の環状室を通って、溶解されたかつ／又は気化された岩石を排出するために働く搬送ガスの部分流２５が案内される。この部分流２５からは、掘進ヘッド４の内側で部分流が分岐し、この部分流は熱交換機２６を通って案内される。熱交換機２６によって、冷却水タンク４ａ及びこれに所属の冷却循環路内の冷却水が低温に維持される。この目的で、環状室に導入する前に部分流２５を、例えば付加的に液体窒素を導入することにより予め冷却することができる。部分流２４と２５は場合によっては、管区分の端部に設けられた弁２７と２８によって制御することができる。

図５に示された装置は、図３の装置にほぼ相当するので、ここでも互いに対応する部分については同じ符号を用いることができる。

付加的に図５には、送り・供給装置３の詳細が示されているが、これは原則的には、図４につき説明したものと同様に形成されている。それについても、上記説明を参照することができる。

最後に、図６には、溶解させたい岩石前面３０の上方に位置する２つのプラズマ発生機３１の特別な配置が示されている。これら両プラズマ発生機３１には、摺動可能な１つの陽極３２が配設されており、この陽極３２は、両方向矢印３３で示されたように、岩石前面３０対して狭い距離となるように所望のように調節することができる。これにより、両プラズマ発生機３１とこの陽極３２との間には極めて強力に作用する２つのアークが発生し、これらのアークは、この岩石前面３０の近傍に位置しているので、岩石前面３０の溶解及び気化を著しく加速することができる。

図６に示したプラズマ発生機３１と摺動可能な陽極３２の特別な配置は、前述した掘進ヘッドの全ての実施態様において使用することができる。

Claims (13)

1. 地盤に空洞（２）を形成又は掘削する方法であって、前記空洞（２）の前面に露出する岩石を熱により溶解させ、ガス状の搬送媒体（９）によって前記空洞（２）から排出し、岩石の溶解のために必要な熱は少なくとも１つの電気プラズマ発生機（８）により準備し、該プラズマ発生機には、掘進ヘッド（４）が配設されており、該掘進ヘッドは、前記空洞（２）内へと挿入可能な送り・供給装置（３）の前方に位置している、方法において、
   前記掘進ヘッド（４）は前方に熱シールド（５）を有していて、該熱シールド（５）は、周方向に延在するギャップ（６）を除いて前記空洞（２）の前面を覆っていて、前記空洞（２）の前面と共に、動圧空間（７）を形成しており、
   前記熱シールド（５）と、前記空洞（２）の前面との間に位置する前記動圧空間（７）に、前記プラズマ発生機（８）によって加熱された、前記ガス状の搬送媒体（９）の部分流（９ａ）を供給し、
   前記空洞（２）の前面に露出する岩石を溶解させ、その全てを又は一部を気化させた前記ガス状の搬送媒体（９）の前記部分流（９ａ）を、周方向の前記ギャップ（６）を介して前記動圧空間（７）から排出させ、前記ガス状の搬送媒体（９）の主流に取り込むことを特徴とする、地盤に空洞を形成又は掘削する方法。
2. 前記熱シールド（５）と前記空洞（２）の前面との間の前記動圧空間（７）内に、２ｂａｒよりも高い動圧と、少なくとも２０００℃の、好適には２９００℃よりも高い温度を発生させる、請求項１記載の方法。
3. 前記熱シールド（５）を、前記空洞（２）の前面とは反対側で冷却する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記熱シールド（５）の冷却を、冷却液、特に水によって行う、請求項３記載の方法。
5. プラズマを発生させるために、ガス状の搬送媒体として窒素を使用する、請求項１記載の方法。
6. 前記空洞（２）の壁と、前記掘進ヘッド（４）若しくは該掘進ヘッドの送り・供給装置（３）との間の環状室に、該環状室内全体に、１０ｍ／秒よりも高い、好適には２０ｍ／秒よりも高い流れ速度が生じる程度に多くのガス状の搬送媒体（９）を吹き込む、請求項１記載の方法。
7. 前記プラズマ発生機（８）を３０〜１０００ｋＷの電気出力で作動させ、この電気出力を、前記送り・供給装置（３）を介して供給し、前記空洞（２）の外側で所要の熱に応じて制御する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記動圧空間（７）の周囲に流出する加熱された前記搬送媒体（９）によって、周りに位置する露出した岩石を溶解させ（ガラス化し）、このようにして前記空洞（２）の壁を安定化させる、請求項１記載の方法。
9. 前記空洞（２）の前面に露出した岩石を溶解させ気化させる少なくとも１つの電気プラズマ発生機（８）と、ガス状の搬送媒体（９）用のガイド装置とを有した、供給装置（３）に取り付けられた掘進ヘッド（４）を備えた、請求項１記載の方法を実行する装置であって、
   前記掘進ヘッド（４）の前方に熱シールド（５）が設けられていて、該熱シールド（５）は、周方向に延在するギャップ（６）を除いて前記空洞（２）の前面を覆っていて、前記空洞（２）の前面と共に動圧空間（７）を形成し、該動圧空間（７）には前記ガス状の搬送媒体（９）の部分流が供給され、前記動圧空間（７）は、前記熱シールドに配設された電気プラズマ発生機によって岩石の気化温度まで加熱され、溶解されかつその全てが又は一部が気化された岩石は、周囲のギャップ（６）を介して前記動圧空間（７）から排出され、前記ガス状の搬送媒体（９）の主流に取り込まれることを特徴とする、請求項１記載の方法を実行する装置。
10. 前記熱シールド（５）は、高温で融解する材料、特に炭化タンタルから成るコンパクトなブロックとして形成されていて、該熱シールド（５）には前方に、前記動圧空間（７）を取り囲む周方向に延在する突起（１７）が設けられており、前記熱シールド（５）の内部には複数のプラズマ発生機（８）が含まれており、該プラズマ発生機（８）の加熱プラズマは、前記コンパクトなブロック内に配置された複数のプラズマ通路（８ａ）を介して、前記突起（１７）によって取り囲まれた前記動圧空間（７）内に案内され、前記空洞（２）の前面に向かって案内される、請求項９記載の装置。
11. 前記熱シールド（５）は、耐熱性の高い材料、特に炭化タンタルから成る、前方に向かって開かれたハウジングとして形成されていて、該ハウジングの開かれた前面は空洞（２）の前面に接しており、前記ハウジングの背面には電気プラズマ発生機（８）が装備されていて、該プラズマ発生機（８）のプラズマジェットは、前記空洞（２）の前面に直接向けられている、請求項９記載の装置。
12. 前記送り・供給装置（３）は、互いにねじ固定可能な二重管区分（２０）から成る二重管リンク装置を有していて、該二重管リンク装置は、導電性材料から成る１つの内管（２１）と、該内管（２１）を所定の間隔を置いて取り囲み、該内管（２１）に対して電気的に絶縁されている、導電性材料から成る１つの外管（２２）とから成っており、
    前記内管（２１）の自由横断面は、プラズマを発生させるための前記搬送媒体の部分流を供給するために使用され、
    前記内管（２１）と前記外管（２２）との間の環状室は、前記搬送媒体の主流を供給するために使用され、
    前記内管（２１）と前記外管（２２）の導電的な横断面は、電流供給のための導電体として、及びデータ転送導体として使用される、請求項９記載の装置。
13. それぞれ２つのプラズマ発生機（３１）の間に配置された付加的な陽極（３２）が設けられており、該陽極は、前記空洞（２）の前面（３０）に向かう方向で摺動可能に配置されている、請求項９記載の装置。

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