JP6388449B2 - 削孔機 - Google Patents

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Description

本発明は、削孔機に関し、例えば、発破方式によるトンネルの掘削工事において岩盤等に爆薬を装填する発破用の孔(以下、発破孔という)を削孔する削孔機に適用して有効な技術に関するものである。
発破方式によるトンネルの掘削工事においては、削孔機により掘削対象の岩盤の複数箇所に発破孔を削孔した後、各発破孔内に爆薬を仕掛けてこれを爆破することで岩盤を掘削している。発破孔の削孔に際しては、削孔機のガイドセルの先端のフードパッドを岩盤に押し当てガイドセルを固定した後、ガイドセル上に移動可能な状態で設置された削孔ロッドの先端の削孔ビットを回転させながら岩盤に押し当てることで発破孔を削孔している。なお、この種の削孔機については、例えば、特許文献1,2に記載がある。
特開平8−199960号公報 特開平9−151689号公報
しかし、現状の削孔機においては、発破孔の削孔時に削孔ビットのフィード圧を上昇させると、岩盤を押さえるフードパッドの押圧力を維持することができないので、発破孔の削孔時にフードパッドが岩盤から離れてしまいガイドセル先端の拘束力を維持することができなくなる。このため、削孔ビットの先端が岩盤に入った状態でガイドセルの位置が移動してしまう結果、削孔ビットを支持する削孔ロッドが曲がってしまい発破孔の削孔方向にずれが生じる、という問題がある。
本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、削孔機の削孔位置精度を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の本発明の削孔機は、孔を形成する削孔手段と、前記削孔手段を支持するとともに、その移動を案内する案内手段と、前記案内手段の先端に設置された治具と、前記案内手段に設けられ、前記治具を削孔面に押し付ける第1の押圧手段と、前記第1の押圧手段および前記削孔手段に押圧力を与える第1の圧力発生手段と、前記治具に設けられ、前記治具を削孔面に押し付ける第2の押圧手段と、前記第1の圧力発生手段とは独立して設けられ、前記第2の押圧手段に押圧力を与える第2の圧力発生手段と、前記案内手段を駆動可能な状態で支持するとともに、敷地内を移動するための移動手段を備える車両本体と、を備えることを特徴とする。
また、請求項2に記載の本発明は、上記請求項1記載の発明において、前記治具は、前記案内手段の先端に着脱自在の状態で設置されていることを特徴とする。
また、請求項3に記載の本発明は、上記請求項1または2記載の発明において、前記治具は、前記削孔面に接する爪体部と、前記爪体部を揺動可能な状態で支持する球座部と、前記球座部を介して前記爪体部を前記削孔面に押し付ける前記第2の押圧手段と、前記爪体部を正面に向ける爪体姿勢調整手段と、前記爪体部が正面を向いた状態で移動するのをガイドするガイド部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項4に記載の本発明は、上記請求項1、2または3記載の発明において、前記第1の圧力発生手段は、前記削孔手段および前記第1の押圧手段に圧油を供給する第1の油圧供給手段と、前記車両本体に設けられ、前記第1の油圧供給手段を駆動するとともに、前記移動手段を駆動する第1の駆動手段と、前記第1の油圧供給手段から送られた圧油を前記削孔手段または前記第1の押圧手段のいずれか一方に供給するように切り換える切換手段と、を備え、前記第2の圧力発生手段は、前記第2の押圧手段に圧油を供給する第2の油圧供給手段と、前記第1の駆動手段とは独立して設けられ、前記第2の油圧供給手段を駆動する第2の駆動手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、削孔に際して案内手段の変位を抑制または防止することができるので、削孔機の削孔位置精度を向上させるせることが可能になる。
本発明の一実施の形態に係る削孔機の側面図である。 図1の削孔機の平面図である。 削孔時の図1の削孔機の正面図である。 図1の削孔機のガイドセルおよび削孔ユニットの拡大側面図である。 治具の要部断面図である。 図5の方向Aから見た面板の平面図である。 治具の拡大斜視図である。 図7の治具の側面を上に向けた状態で見た斜視図である。 図7の治具を裏面側から見た斜視図である。 図1の削孔機の油圧系の概略構成図である。 (a)は掘削工程中のトンネルを上方から見た断面図、(b)は図11(a)のトンネルを側面から見た断面図である。 (a),(b)は発破孔形成工程中の削孔機の説明図である。 発破孔形成工程における掘削機の油圧系の出力波形図である。 (a),(b)は図11に続く掘削工程中のトンネルを側面から見た断面図である。
以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
まず、本実施の形態の削孔機の全体構成について図1〜図4を参照して説明する。図1は本発明の一実施の形態に係る削孔機の側面図、図2は図1の削孔機の平面図、図3は削孔時の図1の削孔機の正面図、図4は図1の削孔機のガイドセルおよび削孔ユニットの拡大側面図である。
本実施の形態の削孔機1は、例えば、発破方式によるトンネルの掘削工事において岩盤等に爆薬を装填するための発破孔を削孔する装置であり、車両本体2と、ブーム3と、ガイドセル(案内手段)4と、削孔ユニット(削孔手段)5と、ケージ6とを備えている。特に限定されるものではないが、削孔機1としては、例えば、古河ロックドリルのJTH2RS−190EX(2ブーム、2ケージ)が使用されている。ただし、ここでは一例として、発破孔の削孔長を4mとするので、削孔機1のガイドセル4のフィード長を4040mmとした。
この削孔機1の車両本体2は、例えば、4つの車輪(移動手段)2aを有する四輪駆動式の車両で構成されている。これにより削孔機1は作業現場(敷地内)を自由に移動することが可能になっている。また、車両本体2の前輪の前方と後輪の後方にはそれぞれ2つ(合計4つ)の昇降ジャッキ2bが設置されている。削孔機1は、図3に示すように、削孔作業に際して昇降ジャッキ2bによって車輪2aが地面から離れる位置まで持ち上げられた状態で大地Gに固定されるようになっている。ただし、車両本体2は、四輪駆動式の車両に限定されるものではなく、例えば、キャタピラ式の車両を用いても良い。
この車両本体2の前方部(削孔機1の前進方向部分)には、例えば、2つのブーム3が上下左右方向に移動可能な状態で機械的に接続されている。ブーム3は、ガイドセル4を支持するとともに、ガイドセル4の上下方向および左右方向の角度を変える機構部である。
このブーム3には、上記したようにガイドセル4が支持されている。ガイドセル4は、削孔ユニット5を前後方向に案内する部材であり、支持体4aと、先端固定治具(以下、治具という)4bと、セル押圧装置(第1の押圧手段)4cとを備えている。
治具4bは、フィード圧作用時(削孔時)においてもガイドセル4の先端を岩盤等に押し付けて固定することが可能なようにする装置であり、支持体4aの先端に装着されている。治具4bは、通常のガイドセル4の先端に装着されているフードパットを取り外すことで通常のガイドセル4の先端に容易に装着することが可能になっている。ここでは2つのガイドセル4の先端の各々に治具4bを装着した場合について説明したが、1つのガイドセル4の先端のみに治具を装着しても良い。この治具4bの構成については後ほど詳細に説明する。
セル押圧装置4cは、フィード圧作用前にガイドセル4の先端(すなわち、治具4b)を岩盤に押し付け固定する押圧手段であり、支持体4aの下部に装着されている。セル押圧装置4cは、例えば、油圧ジャッキにより構成されており、車両本体2に設置された油圧ユニット(図1〜図4には図示せず)に機械的に接続されている。この油圧ユニットについては後ほど図10を用いて詳細に説明する。
このガイドセル4には、上記したように削孔ユニット5が前後方向に移動可能な状態で支持されている。削孔ユニット5は、岩盤等に発破孔を削孔する削孔手段であり、車両本体2から離間する方向に沿って順に、ドリフタ5aと、削孔ロッド5bと、削孔ビット5cとを機械的に直列に接続した状態で備えている。
ドリフタ5aは、油圧式の駆動手段であり、削孔ロッド5bおよび削孔ビット5cに対して回転力および打撃力を与えるとともに、ガイドセル4に沿って往復運動することが可能になっている。ドリフタ5aによる回転力は、内蔵のモータにより、打撃力は、内蔵のピストンにより与えられる。また、ドリフタ5aの前進移動によりフィード圧(削孔ビット5cを岩盤に押し付ける圧力)が与えられる。ドリフタ5aを往復運動させる油圧装置は、例えば、油圧シリンダ等からなり、上記ガイドセル4のセル押圧装置4cに油圧を供給する油圧ユニット(図1〜図4には図示せず)に機械的に接続されている。この油圧ユニットについては後ほど図10を用いて詳細に説明する。特に限定されるものではないが、ドリフタ5aとしては、例えば、HD190が使用されている。また、ドリフタ5aのフィード圧は、例えば、CI級の岩盤における最大レベルと考えられる10〜12MPaを基本とされている。
削孔ロッド5bは、ドリフタ5aからの回転力と押圧力とを削孔ビット5cに伝達する部材であり、例えば、現場で一般に多用されている32六角ロッドが使用されている。削孔ビット5cは、回転した状態で岩盤等に押し付けられ岩盤等を掘削する部材であり、例えば、現場で一般に多用されているφ45のボタンビットが使用されている。
次に、上記した治具4bの構成例について図5〜図9を参照して説明する。図5は治具の要部断面図、図6は図5の方向Aから見た面板の平面図、図7は治具の拡大斜視図、図8は図7の治具の側面を上に向けた状態で見た斜視図、図9は図7の治具を裏面側から見た斜視図である。なお、図6は平面図であるが、図面を見易くするため一部にハッチングを付した。
治具4bは、爪体部10と、球座部11と、爪体押圧装置(第2の押圧手段)12と、爪体姿勢調整部13と、爪体ガイド部(ガイド部)14とを備えている。
爪体部10は、例えば、4つの爪部10aと、これらを支持する爪支持部10b,10cとを備えている。爪部10aは、削孔時に岩盤S(図7参照)に当接されて岩盤Sに対して押圧力(押し付け荷重)を伝える部材である。爪部10aは、その先端部が爪支持部10bの先端面から突出された状態で爪支持部10bの側面に接合されている。なお、爪部10aの数は4枚に限定されるものではなく種々変更可能である。
球座部11は、4つの爪部10aを岩盤に対して均等に押し付けるようにする部材であり、球体部11aと、これを支持する支持板11bとを備えている。爪体部10は、その爪支持部10b,10c内に球座部11の球体部11aの一部が設置されることで球体部11aの球面に沿って揺動可能な状態で設置されている。
爪体押圧装置12は、フィード圧作用時(削孔時)においても治具4bが岩盤を押し付ける荷重を常に一定になるようにするための押圧手段であり、例えば油圧シリンダにより構成されている。爪体押圧装置12のプランジャ12aは、球座部11の脚部裏に当接されている。爪体押圧装置12において、最大荷重は、例えば、50kN、プランジャ12aのストロークは、例えば、70mmである。この爪体押圧装置12は、配管12b,12c(図8および図9参照)を通じて、上記したセル押圧装置4cやドリフタ5aのフィード圧を設定するための油圧ユニットとは独立した他の油圧ユニットに機械的に接続されている。
爪体姿勢調整部13は、球座部11に支持された爪体部10をフリーな状態で正面に向けるための部材であり、バネ部13aと、プランジャ13bとを備えている。バネ部13aは、爪部10aが岩盤に押し付けられるまでプランジャ13bのストロークを伸ばすことにより球座部11が回転しないように支持する部材であり、例えば、圧縮コイルバネにより構成されている。プランジャ13bは力を伝達する部材であり、その一端部はバネ部13aに機械的に接続され、他端部は爪体部10の爪支持部10bに機械的に接続されている。爪体姿勢調整部13のプランジャ13bは、図6に示すように、爪体押圧装置12の周囲を取り囲むように、例えば、3箇所に配置されている。ただし、爪体姿勢調整部13の数は、3個に限定されるものではなく種々変更可能であるが、少なくとも3個あれば安定して姿勢調整が可能である。プランジャ13bのストロークは、例えば、50mmである。爪体姿勢調整部13としてバネを用いた構成としたことにより構成を簡単化することができる。ただし、爪体姿勢調整部13は、バネを用いた構造に限定されるものではなく、例えば、エアシリンダで構成しても良い。エアシリンダを用いる場合は、例えば、エアシリンダを吐出圧力が、例えば、1MPaのコンプレッサに接続する。
爪体ガイド部14は、爪体部10が正面を向いた状態で前後方向に直線移動することが可能なように爪体部10の移動をガイドする部材であり、ロッド部14aと、治具4bの筐体板15aに固定された筒体部14bとを備えている。ロッド部14aは、例えば、治具4bの前後方向に延在する円柱棒状の鋼材からなり、その一端が球座部11の支持板11bに機械的に接続された状態で筒体部14b内に摺動可能な状態で挿入されている。このロッド部14aは、図6のハッチングで示すように、爪体姿勢調整部13のプランジャ13bの隣接間に位置するように、例えば、3箇所に配置されている。爪体ガイド部14の数も3個に限定されるものではなく種々変更可能であるが、少なくとも3個あれば安定した状態で爪体部10の移動をガイドすることができる。
次に、本実施の形態の削孔機1を構成する油圧系について図10を参照して説明する。図10は図1の削孔機の油圧系の概略構成図である。
図10に示すように、本実施の形態においては削孔機1が、例えば、2つの独立した油圧ユニットU1,U2と制御部MCとを有している。一方の油圧ユニット(第1の圧力発生手段)U1は、ガイドセル用のセル押圧装置4cおよびフィード圧用のドリフタ5aを往復移動させる油圧装置5dを駆動する油圧ユニットであり、他方の油圧ユニット(第2の圧力発生手段)U2は、治具4bの爪体押圧装置12を駆動する油圧ユニットである。制御部MCは、削孔機1の電気的な制御を行う装置である。
一方の油圧ユニットU1は、エンジン(第1の駆動手段)E、油圧ポンプ(第1の油圧供給手段)P1およびバルブ(切換手段)Vを備えている。エンジンEは、削孔機1の車輪2aを駆動する装置であり、車両本体2に設けられている。このエンジンEの駆動により油圧ポンプP1が作動する構成になっている。油圧ポンプP1は、エンジンEによって作動すると油圧タンク(図示せず)から作動油を吸い上げて圧油を生成する装置である。この油圧ポンプP1は、バルブVを介してセル押圧装置4cおよび油圧装置5dに機械的に接続されている。バルブVは、油圧ポンプP1で生成された圧油を、セル押圧装置4cまたは油圧装置5dのいずれか一方に供給する方向切換バルブである。バルブVの切換動作は制御部MCによって制御される。
他方の油圧ユニットU2は、電動機(第2の駆動手段)Mおよび油圧ポンプ(第2の油圧供給手段)P2を備えている。電動機Mは、油圧ポンプP2を駆動するための回転モータであり、削孔動作が開始される(すなわち、油圧ポンプP1からの圧油が油圧装置5dに流れるようにバルブVの切換動作が行われる)と制御部MCの制御によって駆動が開始されるようになっている。油圧ポンプP2は、電動機Mによって作動して、油圧ポンプP1の油圧タンクとは別の油圧タンク(図示せず)から作動油を吸い上げて圧油を生成する装置である。この油圧ポンプP2は、治具4bの爪体押圧装置12に機械的に接続されている。なお、電動機Mおよび油圧ポンプP2は、車両本体2に設けても良いし、車両本体2の外部に設けても良い。
このように本実施の形態においては、セル押圧装置4cおよび油圧装置5dに圧油を供給する油圧ユニットU1と、爪体押圧装置12に圧油を供給する油圧ユニットU2とを独立して設けたことにより、油圧ユニットU1の油圧の影響を受けることなく、油圧ユニットU2により爪体押圧装置12に対する油圧を一定に維持することができる。このため、フィード圧作用時(削孔時)に油圧ユニットU2により爪体押圧装置12の油圧を高めて治具4bにより岩盤を押し付け固定することができる。
次に、発破方式によるトンネルの掘削方法の一例について図11〜14を参照して説明する。図11(a)は掘削工程中のトンネルを上方から見た断面図、図11(b)は図11(a)のトンネルを側面から見た断面図、図12(a),(b)は発破孔形成工程中の削孔機の説明図、図13は発破孔形成工程における掘削機の油圧系の出力波形図、図14(a),(b)は図11に続く掘削工程中のトンネルを側面から見た断面図である。なお、図13において、符号t1は、フィード圧の作用開始(削孔開始)の時刻である。また、符号W1はガイドセル4のセル押圧装置4cの出力波形、符号W2は油圧装置5dの出力波形、符号W2は爪体押圧装置12の出力波形である。
まず、図11に示すように、削孔機1をトンネルT内の切羽の岩盤S1の近くまで走行させた後、削孔機1の昇降ジャッキ2bを伸ばして削孔機1を固定する。続いて、削孔機1のブーム3の角度や伸びを調節することにより、ガイドセル4を所定の位置に移動する。
次いで、図12(a)および図13の波形W1に示すように、削孔機1の油圧ユニットU1からガイドセル4の下部のセル押圧装置4cに圧油を供給することによりセル押圧装置4cを伸ばしてガイドセル4の先端の治具4bの爪部10aを切羽の岩盤S1に押し当てる。すなわち、図12(a)に示すように、セル押圧装置4cからの圧力F1でガイドセル4の先端の治具4bを岩盤S1に押し付けて固定する。この際、セル押圧装置4cの圧力を、例えば、20MPa(削孔機1の最大値)までに上昇させる。なお、この際のブーム3およびガイドセル4の位置をトータルステーションで計測する。
続いて、図12(b)および図13の時刻t1の波形W1,W2に示すように、発破孔の削孔のために、油圧ユニットU1からのセル押圧装置4cに対する油圧回路を閉じる(バルブVによりセル押圧装置4cに対する圧油の供給を閉じる)とともに、油圧ユニットU1からの油圧装置5dに対する油圧回路を開く(バルブVにより油圧装置5dに対する圧油を供給する)ことにより、削孔ビット5cを所定のフィード圧で岩盤S1に押し当てて岩盤S1に発破孔Hを削孔する。
ここで、セル押圧装置4cに対する油圧の供給を閉じると、油圧が2MPa程度まで低下するため、ガイドセル4の先端が岩盤S1から離れて拘束力が無くなるため、削孔ビット5cが削孔位置に拘束された状態でガイドセル4が左右または上下に動いてしまう結果、削孔ビット5cを支持する削孔ロッド5bが曲がり、発破孔の削孔位置が目標位置からずれてしまう、という課題があることが本発明者によって初めて見出された。
そこで、本実施の形態においては、ガイドセル4のセル押圧装置4cの油圧回路を閉じるとともに、図12(b)および図13の時刻t1の波形W3に示すように、油圧ユニットU1とは独立した油圧ユニットU2から治具4bの爪体押圧装置12に対して圧油を供給し、爪体押圧装置12の油圧を、例えば、20MPaまで増加させて治具4bの爪部10aを切羽の岩盤S1に押し当てる。すなわち、図12(b)に示すように、治具4bの爪体押圧装置12からの圧力F2でガイドセル4の先端の治具4bを岩盤S1に押し付けて固定する。これにより、削孔時にガイドセル4の治具4bの位置を固定することができるので、削孔時におけるガイドセル4の変位を抑制または防止することができる。このため、発破孔の削孔位置精度を向上させることができる。本発明者の実験によれば、削孔時のガイドセル4の変位量を、数mm程度、孔曲りを、30mm程度に抑制することができ、充分な削孔位置精度を確保することができた。なお、この際のブーム3およびガイドセル4の位置をトータルステーションで計測する。
また、発破孔の削孔のために削孔ビット5cのフィード圧を増加させるとガイドセル4が後方に移動して、治具4bの爪体押圧装置12の押圧力が低下する場合がある。その場合も油圧ユニットU2から瞬時に治具4bの爪体押圧装置12に対して圧油を送り、爪体押圧装置12のプランジャ12aのストロークを伸ばすことにより、ガイドセル4の先端の固定状態を維持することができる。
このようにして岩盤S1に発破孔Hを削孔した後、その発破孔H内に爆薬を仕掛けた後、図14(a)に示すように、爆薬を爆破することにより、図13(b)に示すように、トンネルTを掘削する。この際、本実施の形態によれば、発破孔の削孔位置精度を向上させることができるので、削孔位置精度の確保が難しい長孔発破であっても安定した発破を実現することができる。このため、例えば、B〜CI級相当の硬い岩盤であっても効率的にトンネルTを掘削することができるので、トンネルTの掘削工期を短縮することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。
例えば、前記実施の形態においては、2ブーム、2ケージの削孔機を用いた場合について説明したが、ブームの数やケージの数は、これに限定されるものではなく種々変更可能である。
以上のように、前記実施の形態においては、本発明に係る削孔機を、発破孔の削孔機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく種々適用可能であり、例えば、アンカー打設用の孔を削孔する削孔機にも適用することができる。
1 削孔機
2 車両本体
3 ブーム
4 ガイドセル
4a 支持体
4b 先端固定治具
4c セル押圧装置
5 削孔ユニット
5a ドリフタ
5b 削孔ロッド
5c 削孔ビット
6 ケージ
10 爪体部
10a 爪部
10b 爪支持部
11 球座部
11a 球体部
11b 支持板
12 爪体押圧装置
12a プランジャ
12b,12c 配管
13 爪体姿勢調整部
13a バネ部
13b プランジャ
14 爪体ガイド部
14a ロッド部
14b 筒体部
15a 筐体板
G 大地
S,S1 岩盤
U1,U2 油圧ユニット
E エンジン
M 電動機
P1,P2 油圧ポンプ
V バルブ

Claims (4)

  1. 孔を形成する削孔手段と、
    前記削孔手段を支持するとともに、その移動を案内する案内手段と、
    前記案内手段の先端に設置された治具と、
    前記案内手段に設けられ、前記治具を削孔面に押し付ける第1の押圧手段と、
    前記第1の押圧手段および前記削孔手段に押圧力を与える第1の圧力発生手段と、
    前記治具に設けられ、前記治具を削孔面に押し付ける第2の押圧手段と、
    前記第1の圧力発生手段とは独立して設けられ、前記第2の押圧手段に押圧力を与える第2の圧力発生手段と、
    前記案内手段を駆動可能な状態で支持するとともに、敷地内を移動するための移動手段を備える車両本体と、
    を備えることを特徴とする削孔機。
  2. 前記治具は、前記案内手段の先端に着脱自在の状態で設置されていることを特徴とする請求項1記載の削孔機。
  3. 前記治具は、
    前記削孔面に接する爪体部と、
    前記爪体部を揺動可能な状態で支持する球座部と、
    前記球座部を介して前記爪体部を前記削孔面に押し付ける前記第2の押圧手段と、
    前記爪体部を正面に向ける爪体姿勢調整手段と、
    前記爪体部が正面を向いた状態で移動するのをガイドするガイド部と、
    を備えることを特徴とする請求項1または2記載の削孔機。
  4. 前記第1の圧力発生手段は、
    前記削孔手段および前記第1の押圧手段に圧油を供給する第1の油圧供給手段と、
    前記車両本体に設けられ、前記第1の油圧供給手段を駆動するとともに、前記移動手段を駆動する第1の駆動手段と、
    前記第1の油圧供給手段から送られた圧油を前記削孔手段または前記第1の押圧手段のいずれか一方に供給するように切り換える切換手段と、
    を備え、
    前記第2の圧力発生手段は、
    前記第2の押圧手段に圧油を供給する第2の油圧供給手段と、
    前記第1の駆動手段とは独立して設けられ、前記第2の油圧供給手段を駆動する第2の駆動手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1、2または3記載の削孔機。
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