JP7436983B2 - 削孔ビット - Google Patents

Description

本発明は、ボーリング技術に関する。特に先端の削孔ビットに関する。

地中に掘削孔を形成する場合において、孔壁の崩落を防止することを目的として、掘削孔の削孔とともにケーシング等の筒状部材を孔内に埋設する場合がある。ケーシングは、削孔に使用した掘削手段を撤去した直後に掘削孔内に圧入するのが一般的である。ところが、削孔とケーシングの圧入とを別々に行うと、作業に手間がかかるとともに、ケーシングを圧入するまでの間に孔壁が崩落するおそれがある。
そのため、アウタービットが先端に設けられたケーシングを利用して削孔し、削孔後にケーシングを残置する方法が採用される場合がある。例えば、特許文献１のノンコア削孔装置は、アウタービットの中空部にインナービットを取り付けたいわゆる二重ビットを利用して全断面掘削を行い、削孔完了後にインナービットを回収するものである。
トンネル工事等において、切羽前方の地質や湧水区間の状況を把握することを目的として水平調査ボーリングを行う場合に、二重ビットを利用して硬岩削孔を行い、湧水区間に到達した段階でインナービットを取り外して湧水区間の地下水状況（水量や水圧等の水理特性）を計測する場合がある。この湧水区間の前方にも他の湧水区間が存在することが予想される場合には、インナービットをアウタービットに再度取り付けて、次の湧水区間に向けて削孔を再開するのが望ましい。一方、二重ビットは、アウタービットの回転トルクをインナービットに伝達させるために、アウタービットとインナービットとを嵌合させる必要があるが、掘削孔の先端部において、アウタービットにインナービットを嵌合させるのは困難であった。

特開２００１－２０７７７１号公報

本発明は、アウタービットとインナービットとを備える二重ビット構造の削孔ビットにおいて、アウタービットへのインナービットの装着が容易となる削孔ビットを提案することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、筒状のアウタービットと、前記アウタービットの中空部に設けられたインナービットとを備える削孔ビットである。前記インナービットは少なくとも先端部に多角形外周部を有している。前記アウタービットは、前記インナービットの前記多角形外周部の角部が接する内角部を有する多角形筒部と、当該多角形筒部の前記内角部に連続するガイド面が形成されたテーパー部とを備えている。なお、前記アウタービットは、前記インナービットの外周形状よりも大きな内面形状を有した円筒部をさらに備えていてもよい。また、前記テーパー部は、前記円筒部から前記多角形筒部にすり付くように、前記多角形筒部に近づくにつれて内面形状が縮小しているのが望ましい。
かかる削孔ビットによれば、アウタービットの多角形筒部とインナービットの多角形外周部とが嵌合するので、アウタービットの回転トルクがインナービットに伝達し、その結果、全断面掘削が可能となる。また、アウタービットの内周面は、多角形筒部にすり付くようにテーパー部が形成されているため、アウタービットに後方から挿入されたインナービットの多角形外周部が、アウタービットの多角形筒部に誘導される。そのため、アウタービットへインナービットを装着しやすい。

前記テーパー部の内角部の位置における軸方向の長さは、前記内角部同士の中間における長さよりも大きいのが望ましい。多角形筒部の内角部同士の中間の延長線上におけるテーパー部の軸方向の長さが他の部分よりも小さければ、インナービットの多角形外周部の角が、テーパー部にガイドされ、アウタービットの内角部に誘導される。そのため、アウタービットへのインナービットの装着がより容易である。
また、前記テーパー部は、周方向の傾斜面を有しているのが望ましい。すなわち、前記テーパー部が、多角形筒部の内角部に向かってすり付くように軸方向および周方向に傾斜していれば、多角形筒部に誘導されたインナービットの多角形外周部の角が内角部に誘導されやすくなる。
さらに、前記テーパー部の形状は、軸方向の中間における断面が弧状の凹形であり、テーパー始端部が凸形であることが望ましい。すなわち、テーパー部の軸方向中間部の断面形状が、弧状の凹部が連続して設けられていることにより波型を呈しており、テーパー部の軸方向始端部におけるアウタービットの内面形状が、弧状の凸部が連続して設けられていることにより波型を呈していれば、インナービットの多角形部分の角部がアウタービットの内面に引っ掛かり難く、アウタービットにインナービットを装着しやすい。

本発明の削孔ビットによれば、アウタービットの内面に形成されたテーパー部により、アウタービットに後方から挿入されたインナービットが自然に回転し、アウタービットへのインナービットの装着が容易になる。

水平調査ボーリングの概要を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る削孔ビットを示す斜視図である。 （ａ）はアウタービットの斜視図、（ｂ）はインナービットの斜視図である。 アウタービットの断面斜視図である。 アウタービットの縦断面図である。 （ａ）は図５のＡ－Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ－Ｂ断面図、（ｃ）は図５のＣ－Ｃ断面図である。 水平調査ボーリングの概要を示す断面図であって、（ａ）は回収装置セット状況、（ｂ）はオーバーショットセット状況、（ｃ）はオーバーショット送り込み状況、（ｄ）はインナービット引抜状況、（ｅ）はインナービット回収状況を示している。 他の形態に係るアウタービットの縦断面図である。

本実施形態では、切羽前方に湧水帯Ｇ０の存在が予想されるトンネル工事において、事前に地山Ｇの湧水状況を把握することを目的として実施する水平調査ボーリングに使用する削孔ビット１について説明する。
はじめに、水平調査ボーリングの概要を示す図１を用いて、削孔ビット１の説明をする。地山Ｇには湧水が想定される湧水帯Ｇ０がある。本実施形態における削孔ビット１は、アウタービット３と、アウタービット３の内空部に嵌合したインナービット４で構成され、削孔ロッド２の先端に接続されている。ボーリング孔ＢＨの削孔は、図示していないボーリングマシンからの回転力については、削孔ロッド２を通じてアウタービット３とインナービット４に伝達する。削孔ロッド２を通じて伝達されるボーリングマシンからの打撃力は、アウタービット３に伝達されるとともに、インナービット４の基端に接続したインナーヘッドアッセンブリー７のラッチ７１を介してインナービット４へ伝達される。また、インナーヘッドアッセンブリー７の基端には回収用のワンタッチジョイント式の嵌合部材７２が設けられている。
ボーリング孔ＢＨの切羽部の坑口は口元保護管５を設置して充填材５１で固定されている。削孔ロッド２は、中空の筒状部材からなり、複数のロッド構成材（管材）を軸方向に連結することにより構成されている。

削孔ビット１は、図２に示すように、筒状のアウタービット３と、アウタービット３の中空部に配設されたインナービット４とを備えている。アウタービット３とインナービット４は、互いの中心軸同士が一致した状態で嵌合している。削孔ビット１（アウタービット３およびインナービット４）は、硬岩等を含む地山Ｇの切削に必要な強度を有した金属（例えば、超硬合金）により形成されている。

アウタービット３の詳細を図３（ａ）で説明する。アウタービット３の外形状は、先端に向かうに従って拡径する円錐台状部分３６と、円錐台状部分３６の後部に接続された円柱状部分３７とからなる。円錐台状部分３６の先端面には、複数の円錐状の突起３８が形成されている。突起３８の形状、数および配置は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。円柱状部分３７の外径は、円錐台状部分３６の後端の外径よりも小さい。また、円柱状部分３７の外面には、凹凸が形成されていて、削孔ロッド２の先端に嵌合可能である。なお、円柱状部分３７の形状は限定されるものではなく、削孔ロッド２との接合方式に応じて適宜決定すればよい。また、アウタービット３の外形状は限定されるものではない。例えば、アウタービット３の先端部は必ずしも円錐台状である必要はなく、円柱状であってもよい。

インナービット４は、アウタービット３に対して軸方向に着脱可能である。インナービット４の詳細を図３（ｂ）で説明する。インナービット４は、先端部４１と、先端部４１の後側に連続して形成された多角形外周部４２と、多角形外周部４２の後部に連続して形成された係止部４３と、係止部４３の後部に連続して形成されたジョイント部４４とを備えている。インナービット４は、先端部４１により先端が遮蔽された中空部材である。

先端部４１は、先端に向かうにしたがって断面形状が縮小する円錐台状部分である。先端部４１の端面および側面（テーパー状の部分）には、複数の円錐状の突起（刃）４５が形成されている。突起４５の先端は、多角形外周部４２の外周面よりも内側（中心側）に位置している。すなわち、突起４５の先端は、インナービット４を軸方向から望んだ際に、多角形外周部４２の外周面よりも外側に突出していない。なお、突起（刃）４５の形状、数および配置は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。突起４５は、例えば、三角錐状であってもよい。また、先端部４１には、削孔ロッド２を介して圧送された高圧水を噴射するための噴射孔を形成してもよい。

多角形外周部４２は、先端部４１の後端から一定の長さの区間に形成されている。本実施形態の多角形外周部４２は、断面視正八角形状を呈している。多角形外周部４２の外面は、インナービット４の中心軸と平行であり、区間内は同一の断面寸法を呈している。なお、多角形外周部４２には、部分的に凹部や溝などが形成されていてもよい。

係止部４３は、多角形外周部４２の外形よりも大きな外形を有した円柱状部分であり、削孔ロッド２の内径よりも小さな外径を有する。すなわち、係止部４３は、軸方向視で多角形外周部４２の外側に突出している。係止部４３の軸方向の長さは、多角形外周部４２に比べて小さい。係止部４３の先端側には、多角形外周部４２にすり付くテーパーが形成されており、係止部４３の後端側にはジョイント部４４にすり付くテーパーが形成されている。

ジョイント部４４は、係止部４３に繋がる円柱状部分であり、係止部４３よりも小さい径を有する。ジョイント部４４の外面には凹凸が形成されており、インナービット４を回収するためのインナーヘッドアッセンブリー７に嵌合可能あるいは螺合可能である。なお、ジョイント部４４の外面形状は限定されるものではなく、インナーヘッドアッセンブリー７の構成（形式）に応じて適宜決定すればよい。

アウタービット３の内空部の構造を図４および図５に示す。アウタービット３の内周面３１は、多角形筒部３２と、テーパー部３３、円筒部３４とを有している。
多角形筒部３２は、インナービット４の多角形外周部４２の角が接する内角部３５を有している。すなわち、多角形筒部３２は、多角形外周部４２と嵌合可能となるように、正八角形断面を呈している。多角形筒部３２の形状は、係止部４３よりも小さい。そのため、インナービット４をアウタービット３に挿入した際に、多角形筒部３２の後端（アウタービット３の内面）に係止部４３が係止して、インナービット４がアウタービット３の先端から抜け出すことが防止される。正八角形断面の多角形筒部３２の内角部３５は、アウタービット３の中心軸と平行であり、多角形筒部３２は、一定の内空断面積を有している。多角形筒部３２は、インナービット４への回転力の伝達に必要な長さを有している。

円筒部３４は、インナービット４の外周形状よりも大きな内面形状を有している。すなわち、円筒部３４は、インナービット４の係止部４３の外径よりも大きな内径を有していて、インナービット４の挿通が可能に構成されている。円筒部３４の内径は一定である。

テーパー部３３には、多角形筒部３２の内角部３５に連続するガイド面３９が形成されている。テーパー部３３は、多角形筒部３２よりも大きな内空形状を有した円筒部３４から多角形筒部３２にすり付くように、多角形筒部３２に近付くにつれて内面形状が縮小する。図５に示すように、本実施形態では、各内角部３５に対応して形成された内面視歯状の凹曲面がガイド面３９になっていて、複数のガイド面３９が周方向に連なることによりテーパー部３３が形成されている。テーパー部３３のテーパー始端部の形状は凸形である。すなわち、テーパー部３３の軸方向端部におけるアウタービット３の内面形状は、複数の弧が連続することにより波型を呈している。ガイド面３９の先端は、周方向の傾斜により内角部３５にすり付いている。こうすることで、アウタービット３に挿入されたインナービット４の多角形外周部４２の角部分が内角部３５同士の間に挿入した場合であっても、内角部３５に誘導されやすくなる。また、テーパー部３３の各ガイド面３９の後端は、内角部３５の延長線上において後方に最も突出する弧状を呈している。こうすることで、テーパー部３３の後端部において、内角部３５同士の中間部側から内角部３５側に傾斜する曲面が形成されて、インナービット４の多角形外周部４２の角部分が内角部３５に誘導されやすくなる。

アウタービット３の断面形状を図６に示す。多角形筒部３２の位置（Ａ－Ａ断面）の内空の形状は、内角部３５が明確にわかる多角形断面である。テーパー部３３の位置（Ｂ－Ｂ断面）および（Ｃ－Ｃ断面）の内空形状は、複数の断面弧状の凹形が周方向に連続していることで、波型を呈している。すなわち、テーパー部３３の各ガイド面３９は、多角形筒部３２の内角部３５にすり付くように軸方向および周方向に傾斜している。

削孔ビット１を利用した水平調査ボーリングでは、まず、図１に示すように、アウタービット３が先端に固定された削孔ロッド２を使用して切羽前方に向けてボーリング孔ＢＨを削孔する。ボーリング孔ＢＨの削孔は、アウタービット３の内空部にインナービット４を取り付けた状態で行う。本実施形態のボーリング孔ＢＨは、略水平（基端側よりも先端側が高い状態も含む）に形成する。ボーリング孔ＢＨの削孔は、削孔ロッド２により行う。削孔ロッド２が図示しないボーリングマシンの動力により中心軸を中心に回転すると、アウタービット３およびインナービット４が地山Ｇを全断面切削する。

本実施形態では、切羽に口元保護管５を設置した状態で、ボーリング孔ＢＨの削孔を行う。口元保護管５は、ボーリング孔ＢＨの孔口部分を保護する管材であって、ボーリング孔ＢＨの孔口部分に先端部分が挿入されているとともに、基端部が当該ボーリング孔ＢＨから突出している。口元保護管５は、削孔ロッド２を挿入可能な内径を具備したケーシングであって、ボーリング孔ＢＨと連通している。口元保護管５とボーリング孔ＢＨとの隙間には、充填材５１を充填する。なお、充填材５１を構成する材料は限定されるものではないが、例えばセメント系材料を使用すればよい。削孔ロッド２は、孔口に取り付けられた口元保護管５に挿通する。削孔ロッド２が図示しないボーリングマシンの動力により中心軸を中心に回転すると、アウタービット３およびインナービット４が地山Ｇを切削する。

所定の深さのボーリング孔ＢＨを削孔したら、インナービット４をアウタービット３から取り外して回収する。インナービット４の回収方法を図７で説明する。インナービット４の回収は、回収装置６を利用して行う。回収装置６は、図７（ａ）に示すように、削孔ロッド２の端部（孔口側端部）に取り付ける。回収装置６は、削孔ロッド２に連結されたピンチバルブ６１と、ピンチバルブ６１に連結された回収鋼管６２と、回収鋼管６２に連結されたウォータースイベル６３と、ウォータースイベル６３に連結されたプリペンダー６４とを備えている。

回収装置６の設置に伴い、図７（ｂ）に示すように、ワイヤー６５が接続されたオーバーショット６６を回収鋼管６２内に配設する。次に、図７（ｃ）に示すように、ピンチバルブ６１を開いて、オーバーショット６６を削孔ロッド２内に挿入する。オーバーショット６６は、ウォータースイベル６３を介して圧入された水Ｗ２の圧力により、削孔ロッド２の先端側に送り込む。オーバーショット６６は、削孔ロッド２内において、インナービット４に接続される。オーバーショット６６の先端には、インナーヘッドアッセンブリー７の基端に形成されたワンタッチジョイント式の嵌合部材７２と嵌合する嵌合部材が形成されており、オーバーショット６６とインナーヘッドアッセンブリー７の嵌合部材同士を嵌合することにより、オーバーショット６６とインナービット４がインナーヘッドアッセンブリー７を介して接続される。オーバーショット６６をインナービット４に接続したら、図７（ｄ）に示すように、図示しないウィンチ等によりワイヤー６５を巻き上げることで、オーバーショット６６およびインナービット４を引き抜く。インナービット４を回収鋼管６２内に引き込んだら、図７（ｅ）に示すように、ピンチバルブ６１を閉じた状態で、回収鋼管６２からウォータースイベル６３を取り外し、インナービット４を回収装置６から取り出す。

インナービット４を回収したら、削孔ロッド２を介して流出した地下水の量や圧力を測定する。
湧水状況の測定後、削孔ロッド２にインナービット４を挿入し、アウタービット３にインナービット４を再度取り付ける。このとき、インナービット４は、ウォータースイベル６３を介して圧入された水Ｗ２の圧力により、削孔ロッド２の先端側に送り込み、アウタービット３に嵌合させる。アウタービット３の内部に送り込まれたインナービット４は、アウタービット３の内周面３１に沿って回転することで、中心軸がアウタービット３の中心軸と一致するように移動しつつ多角形筒部３２の内角部３５と多角形外周部４２の角とが嵌め合わされた状態で、アウタービット３に取り付けられる（図１参照）。アウタービット３にインナービット４を取り付けたら、ボーリング孔ＢＨの削孔を再開する。

本実施形態の削孔ビット１によれば、アウタービット３の内空が多角形（八角形）断面であり、インナービット４の外形がアウタービット３の内空に嵌合可能な多角形（八角形）断面であるため、アウタービット３とインナービット４とが嵌合し、削孔時の回転力がアウタービット３からインナービット４に伝達され、効率的な全断面削孔が可能となる。したがって、削孔ビット１によれば、硬岩掘削も可能である。
また、インナービット４の取り外しが容易で、かつ、ボーリング掘削を再開する際にはアウタービット３にインナービット４を容易に取り付けることができる。
アウタービット３の内周面３１には、多角形筒部３２の内角部３５にすり付く傾斜面（テーパー部３３）が形成されているため（図４，図５参照）、アウタービット３に挿入されたインナービット４は、多角形外周部４２のりょう線（角）が多角形筒部３２の内角部３５に一致するように誘導される。そのため、インナービット４の取り付け作業が容易となり、早期施工を図ることが可能となる。
アウタービット３の円筒部３４の内面形状は、インナービット４の外周形状よりも大きいため、インナービット４をアウタービット３に挿入しやすい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
前記実施形態では、アウタービット３の内空部の断面形状およびインナービット４の断面形状が八角形状である場合について説明したが、アウタービット３の内空部およびインナービット４の外形は、互いに嵌合可能な多角形であれば、八角形状に限定されるものではない。アウタービット３の内空部およびインナービット４の外形は、例えば、八角形以外の多角形状（三角形、四角形、…等）であってもよい。また、アウタービット３の内空部とインナービット４の外形は、嵌合可能であれば必ずしも同形状である必要はない。なお、アウタービット３の内空部の断面形状は、他の部材（例えば、取水時に使用するパッカー装置等）を挿通する断面形状をなるべく大きく確保できるとともに、アウタービット３とインナービット４との連結部の凹凸をなるべく多く確保できる形状として、円形に近い多角形状であるのが望ましい。

テーパー部３３の形状は内角部３５にすり付くように形成されていれば限定されるものではなく、適宜決定すればよい。例えば、テーパー部３３の端部は、必ずしも弧状である必要はなく、図８に示すように、先端部が多角形筒部３２の内角部３５を頂点とした三角波状であってもよい。このとき、内角部３５の位置におけるテーパー部３３の軸方向の長さが内角部３５同士の中間の位置における長さよりも大きく、周方向の傾斜面を有している。このようにすれば、インナービット４の多角形外周部４２の角がテーパー部３３の先端形状に沿って内角部３５に誘導される。
インナービット４をアウタービット３に取り付ける際は、水圧で押し込む場合に限定されるものではなく、例えば、ロッド等により押し込んでもよい。
また、削孔ビット１の用途は、水平調査ボーリングに限定されるものではなく、例えば、鉛直方向や斜め方向に削孔するボーリングや、杭等の地下構造物の施工のための掘削孔の削孔等に使用してもよい。

１ 削孔ビット
２ 削孔ロッド
３ アウタービット
３２ 多角形筒部
３３ テーパー部
３４ 円筒部
３５ 内角部
４ インナービット
４１ 先端部
４２ 多角形外周部
４３ 係止部
４４ ジョイント部
ＢＨ ボーリング孔
Ｇ 地山
Ｇ０ 湧水帯

Claims (4)

1. 筒状のアウタービットと、前記アウタービットの中空部に設けられたインナービットとを備える削孔ビットであって、
   前記インナービットは、少なくとも先端部に多角形外周部を有し、
   前記アウタービットは、前記インナービットの前記多角形外周部の角部が接する内角部を有する多角形筒部と、当該多角形筒部の前記内角部に連続するガイド面が形成されたテーパー部と、前記インナービットの外周形状よりも大きな内面形状を有した円筒部と、を備えていて、
   前記テーパー部は、前記円筒部から前記多角形筒部にすり付くように、前記多角形筒部に近づくにつれて内面形状が縮小していることを特徴とする、削孔ビット。
2. 筒状のアウタービットと、前記アウタービットの中空部に設けられたインナービットとを備える削孔ビットであって、
   前記インナービットは、少なくとも先端部に多角形外周部を有し、
   前記アウタービットは、前記インナービットの前記多角形外周部の角部が接する内角部を有する多角形筒部と、当該多角形筒部の前記内角部に連続するガイド面が形成されたテーパー部と、を備えていて、
   前記テーパー部の内角部の位置における軸方向の長さは、内角部同士の中間におけるテーパー長さよりも大きいことを特徴とする、削孔ビット。
3. 前記テーパー部は、周方向の傾斜面を有していることを特徴とする、請求項２に記載の削孔ビット。
4. 筒状のアウタービットと、前記アウタービットの中空部に設けられたインナービットとを備える削孔ビットであって、
   前記インナービットは、少なくとも先端部に多角形外周部を有し、
   前記アウタービットは、前記インナービットの前記多角形外周部の角部が接する内角部を有する多角形筒部と、当該多角形筒部の前記内角部に連続するガイド面が形成されたテーパー部と、を備えていて、
   前記テーパー部の形状は、軸方向の中間における断面が弧状の凹形であり、テーパー始端部が凸形であることを特徴とする、削孔ビット。

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