JPH08312283A - ボーリング孔掘削管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長いボーリング孔の掘削を高精度で作業効率
よく行う。 【構成】 ボーリング孔掘削の深度やトルク、回転速
度、ビット荷重、掘進速度から単位体積当たりの掘削エ
ネルギーに対応する指標値を計算する指標値計算手段１
２と、ボーリング孔の深度や方位角、傾斜角から計画線
とのずれ量及びずれ量予測値を計算するずれ量計算手段
１１と、ずれ量及びずれ量予測値がずれ量許容値の範囲
内にあるか否かと指標値の変化の有無を判定してボーリ
ング孔掘削の掘進／修正／微調整の情報を生成する判定
手段１３とを備え、ボーリング孔を掘削するボーリング
孔掘削装置４と位置測定装置３の各測定データに基づき
掘進の制御情報を生成する。これにより、掘進／修正／
微調整の情報により計画線からのボーリング孔のずれ量
を全延長にわたって一定の範囲内に収めることができ、
長規模のボーリング孔の掘削が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木構造物や電力施
設、特に厳しい掘削精度が求められる立坑・斜坑のボー
リング孔掘削管理装置に関し、特に、ボーリング孔掘削
の深度やトルク、回転速度、ビット荷重、掘進速度等を
測定しながらボーリング孔を掘削するボーリング孔掘削
装置とボーリング孔の深度や方位角、傾斜角を測定する
位置測定装置の各測定データに基づき掘進の制御情報を
生成するボーリング孔掘削管理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は立坑・斜坑の掘削工法の例を示す
図、図７はレイズボーリング工法を説明するための図で
ある。土木構造物や電力施設、特に厳しい掘削精度が求
められる立坑・斜坑の掘削技術としては、例えば図６
（ａ）に示すように下部坑道、パイロット孔を利用して
レイズボーラーにより下から掘削を行うレイズボーリン
グ工法や、図６（ｂ）に示すようにスカフォード、バッ
クホ、キブルを使って上から掘削する全断面切下り工
法、図６（ｃ）に示すように下部坑道からアリマックを
使用して掘削する導坑アリマック工法等がある。これら
のうち、レイズボーリング工法は、坑内作業が少なく安
全性に優れ、パイロット孔による水抜きや地質情報が得
られる等か利点であるが、パイロット孔の掘孔精度によ
り適用長さの制約を受けるという欠点がある。これに対
し、全断面切下り工法は、確実に施工できるが、工期が
長くかかり設備が大きい、導坑アリマック工法は、実績
はあるが、湧水部や不良地山部では施工が困難で切羽直
下作業のため危険が伴うという欠点があり、いずれもレ
イズボーリング工法に比べて問題が多い。

【０００３】レイズボーリング工法では、図７（ａ）に
示すようにφ３００程度のパイロット孔を掘削した後、
図７（ｂ）に示すようにφ２０００程度にレイズボーラ
による拡径を行うが、この場合のボーリングマシーンの
操作は、専任のオペレータの判断に任されており、これ
までの実績では、延長２５０ｍで延長比が約１％の掘削
精度を目標としたものが最大規模である。この場合のボ
ーリング孔曲がり測定は、磁石を用いた村田式坑井記録
傾斜儀が一般に使用されている。また、本出願人等が発
明した孔曲がり測定装置（特公平４−４７７５９号公報
参照）も使用することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のボーリ
ング孔の掘削では、孔曲がりを測定しその測定結果を専
任のオペレータが判断してボーリングマシーンを操作し
ているため、オペレータの個人的な経験や感に頼らなけ
ればならず、個人差が大きく出てしまうものであった。
そのため、所望の精度でボーリング孔を掘削しようとす
る場合には、オペレータを選ばなければならないが、同
じオペレータであっても常に安定した掘削精度が得られ
るとは限らず、出来／不出来のばらつきもオペレータに
よって大きいという問題もある。また、従来の村田式坑
井記録傾斜儀等により、例えば延長約８００ｍもの長い
ボーリング孔を所要の精度で掘削するには、以下の課題
があり、現状技術ではこれらの課題を解決することは困
難と考えられている。

【０００５】 磁気方式の方位測定であるため、ドリ
ルカラーを一旦引き上げて裸孔の状態にする必要があ
り、長いボーリング孔の孔曲がり測定では、作業効率が
極端に低下する。さらに、磁性鉱床等の地球磁場の異常
地域では、測定結果に信頼が持てない。

【０００６】 方位と傾斜角の２データを測定する
が、１度の目盛りを目視で読み取ることから測角精度の
向上に限界がある。

【０００７】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、長いボーリング孔の掘削を高精度で作業効率よく
行うことができるボーリング孔掘削管理装置を提供する
ことを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために本発明は、ボ
ーリング孔掘削の深度やトルク、回転速度、ビット荷
重、掘進速度等を測定しながらボーリング孔を掘削する
ボーリング孔掘削装置とボーリング孔の深度や方位角、
傾斜角を測定する位置測定装置の各測定データに基づき
掘進の制御情報を生成するボーリング孔掘削管理装置で
あって、ボーリング孔掘削の深度やトルク、回転速度、
ビット荷重、掘進速度から単位体積当たりの掘削エネル
ギーに対応する指標値を計算する指標値計算手段と、ボ
ーリング孔の深度や方位角、傾斜角から計画線とのずれ
量及びずれ量予測値を計算するずれ量計算手段と、ずれ
量及びずれ量予測値がずれ量許容値の範囲内にあるか否
かと指標値の変化の有無を判定してボーリング孔掘削の
掘進／修正／微調整の情報を生成する判定手段とを備え
たことを特徴とするものである。

【０００９】また、前記判定手段は、ずれ量及びずれ量
予測値が許容値の範囲内にあって指標値の変化がある場
合並びに指標値の変化がなくてもずれ量予測値が岩盤性
状に応じた許容値以上ある場合には掘進の情報を生成
し、ずれ量及びずれ量予測値が許容値の範囲内にあって
指標値の変化がない場合には微調整として掘進高速化の
情報を生成し、ずれ量が許容値の範囲内にあるがずれ量
予測値が許容値の範囲内にない場合には、指標値の変化
があることを条件に微調整として掘進低速化の情報を生
成することを特徴とするものである。

【００１０】さらに、前記位置測定装置は、方位計とし
て容器の傾きや回転に関係なく常に一定の位置を維持で
きるように保持された回転子を持つジャイロからなるこ
とを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明のボーリング孔掘削管理装置では、ボー
リング孔掘削の深度やトルク、回転速度、ビット荷重、
掘進速度から単位体積当たりの掘削エネルギーに対応す
る指標値を計算する指標値計算手段と、ボーリング孔の
深度や方位角、傾斜角から計画線とのずれ量及びずれ量
予測値を計算するずれ量計算手段と、ずれ量及びずれ量
予測値がずれ量許容値の範囲内にあるか否かと指標値の
変化の有無を判定してボーリング孔掘削の掘進／修正／
微調整の情報を生成する判定手段とを備えたので、掘進
／修正／微調整の情報により計画線からのボーリング孔
のずれ量を全延長にわたって一定の範囲内に収めること
ができ、長規模のボーリング孔の掘削が可能になる。

【００１２】しかも、判定手段は、ずれ量及びずれ量予
測値が許容値の範囲内にあって指標値の変化がある場合
並びに指標値の変化がなくてもずれ量予測値が岩盤性状
に応じた許容値以上ある場合には掘進の情報を生成し、
ずれ量及びずれ量予測値が許容値の範囲内にあって指標
値の変化がない場合には微調整として掘進高速化の情報
を生成し、ずれ量が許容値の範囲内にあるがずれ量予測
値が許容値の範囲内にない場合には、指標値の変化があ
ることを条件に微調整として掘進低速化の情報を生成す
るので、掘進／修正／微調整の判断をオペレータに頼る
ことなく、自動的に判断しボーリング孔掘削装置の制御
を行うことができ、掘削時間の短縮と作業効率の向上を
図ることができる。

【００１３】さらに、位置測定装置は、方位計として容
器の傾きや回転に関係なく常に一定の位置を維持できる
ように保持された回転子を持つジャイロからなるので、
磁性鉱床等の地球磁場の異常地域でも、信頼性の高い方
位の測定結果を得ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明に係るボーリング孔掘削管理装置
の１実施例を示す図、図２は位置計測における測定値の
誤差評価の内容を説明するための図、図３は掘削データ
及び孔曲がりデータの例を示す図である。図中、１は中
央処理装置（ＣＰＵ）、２は入出力装置、３は位置計測
装置、４はボーリング孔掘削装置、５は制御装置、１１
は位置誤差評価演算部、１２は指標値演算部、１３は判
定処理部、１４は判定基準情報格納部を示す。

【００１５】図１において、位置計測装置３は、測角セ
ンサとこれの信号処理部を納めた測定器のプローブ、ケ
ーブルとケーブル巻取装置からなるものである。測定要
領は、ドリルカラー内にプローブを挿入し、これを深さ
方向に降ろしていきながら５乃至１０ｍ単位に、深度、
プローブの基準方向からの方位角、プローブのｘ−ｙ軸
での傾斜角の４データを連続的に測定するものである。
ボーリング孔掘削装置４は、予め定めた機械の操作デー
タに基づいてボーリングマシーンを操作し、ボーリング
孔の掘削を行うものであり、ボーリングマシーンに取り
付けられた各種センサにより、深度、トルク、回転速
度、ビット荷重、掘進速度、掘孔水圧等の測定データが
得られる。中央処理装置（ＣＰＵ）１は、測定値の誤差
評価演算部１１や指標値演算部１２、判定処理部１３、
判定基準情報格納部１４を有し、ボーリング孔掘削装置
４の制御信号を生成するものであり、その制御信号に基
づいてボーリング孔掘削装置４を制御するのが制御装置
５である。入出力装置２は、中央処理装置（ＣＰＵ）１
に対するデータの入力、指示を行い、位置計測装置３や
ボーリング孔掘削装置４から入力された測定データの出
力（表示）を行うものである。

【００１６】位置誤差評価演算部１１は、位置計測装置
３により測定された深度、方位角、傾斜角から、まず、
図２に示すように先端の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を計算し、
次に、その位置からボーリング孔の掘削計画線とのずれ
量（δｘ，δｙ）を計算し、さらにずれ量の予測値（δ
ｅｘ，δｅｙ）を計算するものである。指標値演算部１
２は、ボーリング孔掘削装置４のボーリングマシーンに
取り付けられた各種センサにより測定される深度ごと
に、トルク、回転速度、ビット荷重、掘進速度から指標
値ｓｅ（specific energy;j/cm³)を計算するものであ
る。この指標値ｓｅは、地層構造、岩盤性状の推定、把
握、評価を行うものであり、地山性状判定の指標となる
特殊エネルギー値である。判定処理部１３は、位置誤差
評価演算部１１で計算されたずれ量（δｘ，δｙ）及び
ずれ量の予測値（δｅｘ，δｅｙ）、さらには指標値演
算部１２で計算された指標値ｓｅとその変化の有無から
基準値との比較により、掘進をそのまま続行できるか、
スタビライザ編成換え／掘進の低速化／掘進の高速化の
微調整が必要か、埋め直し孔曲がり修正が必要かを判定
するものであり、その基準値を格納するのが判定基準情
報格納部１４である。判定処理部１３では、このように
地盤の性状変化を数値の変化として迅速に把握して判定
し、掘削の管理を行う。ボーリング孔掘削装置４で測定
された掘削データや、さらにそれらから求められた指標
値ｓｅ、位置計測装置３で測定された孔曲がりデータを
深さ方向にグラフ状に表して入出力装置２の画面上に出
力する例を示したのが図３である。

【００１７】図４は中央処理装置による処理の流れを説
明するための図である。中央処理装置１では、まず、位
置計測装置３から深度、方位角、傾斜角の測定データを
取り込むと共に、ボーリング孔掘削装置４から深度、ト
ルク、回転速度、ビット荷重、掘進速度の測定データを
取り込む（ステップＳ１１）。次に、位置誤差評価演算
部１１による計画線とのずれ量（δｘ，δｙ）とずれ量
の予測値（δｅｘ，δｅｙ）を計算を行い（ステップＳ
１２）、指標値演算部１２による指標値ｓｅとその変化
量Δｓｅの計算を行う（ステップＳ１３）。そして、ず
れ量（δｘ，δｙ）がずれ量許容値δａより大きいか否
かを判断し（ステップＳ１４）、ずれ量（δｘ，δｙ）
がずれ量許容値δａより大きい場合には、孔曲がり修正
の指示を出力するが（ステップＳ１５）、ずれ量許容値
δａより大きくない場合には、ずれ量の予測値（δｅ
ｘ，δｅｙ）がずれ量許容値δａより大きいか否かを判
断する（ステップＳ１６）。ここでずれ量の予測値（δ
ｅｘ，δｅｙ）がずれ量許容値δａより大きい場合に
は、指標値ｓｅの変化量Δｓｅ／Δｄが一定値か否かを
判断して（ステップＳ１７）、一定値であれば、スタビ
ライザ編成換えによる微調整の指示を出力するが（ステ
ップＳ１８）、変化している場合には掘進速度を落とさ
ないとずれ量がさらに大きくなると判断できるので、掘
進低速化の微調整の指示を出力する（ステップＳ１
９）。

【００１８】また、ステップＳ１６でずれ量の予測値
（δｅｘ，δｅｙ）がずれ量許容値δａより大きくない
と判断された場合にも、まず、指標値ｓｅの変化量Δｓ
ｅ／Δｄが一定値か否かを判断して（ステップＳ２
０）、一定値であればさらにずれ量の予測値（δｅｘ，
δｅｙ）がずれ量許容値δａを定数Ｐで除した値より大
きいか否かを判断する（ステップＳ２１）。ここで、定
数Ｐは、例えば岩盤性状に依存する値であり、硬岩より
軟岩の方が大きい値となる。つまり、軟岩になるほど見
かけ上の許容値が小さくなる。ステップＳ２１でずれ量
の予測値（δｅｘ，δｅｙ）の方が大きくないと判断さ
れた場合には、掘進速度を上げてもよいと判断できるの
で、掘進高速化の微調整の指示を出力する（ステップＳ
２２）。しかし、ステップＳ２１でずれ量の予測値（δ
ｅｘ，δｅｙ）の方が大きいと判断された場合、及びス
テップＳ２０で指標値ｓｅの変化量Δｓｅ／Δｄが変化
しているは判断された場合には、そのまま掘進を継続し
てもよい状態であると判断できるので、掘進の継続指示
を出力する（ステップＳ２３）。

【００１９】上記の処理を行って各指示を生成すること
により、制御装置５でボーリング孔掘削装置４の掘進／
停止／微調整の制御に用いることができる。したがっ
て、これらの指示と測定データをデータベースに蓄積す
ることにより、指標値と孔曲がりの関連性や指標値と孔
曲がり修正の関連性を学習することができる。

【００２０】図５は本発明に係るボーリング孔掘削管理
装置に使用される位置計測装置の例を示す図であり、１
１は耐圧容器、１２はジャイロ、１３は傾斜計、１４は
アナログ基板、１５はデジタル基板、１６は滑車、１７
はロータリーエンコーダ、１８はケーブル巻き取り装
置、１９はインタフェース装置を示す。

【００２１】図５において、ジャイロ１２は、耐圧容器
１１が回転したり傾いたりしても常に一定の位置を維持
できるように回転子を保持して方位を測定する機械式フ
リージャイロであり、このような回転子保持機構を採用
することにより磁場の影響を全く受けないようにしてい
る。傾斜計１３は、耐圧容器１１のＸ軸、Ｙ軸方向の傾
斜、つまりボアホールの傾斜方向を測定するものであ
る。アナログ基板１４は、ジャイロ１２、傾斜計１３の
アナログ信号を処理し、それらをデジタル信号に変換す
るのがデジタル基板１５である。耐圧容器１１は、滑車
１６を介してケーブルで吊り下げられ、そのケーブルを
ケーブル巻き取り装置１８で巻き取っている。このケー
ブルを利用してデジタル基板１５からの測定信号が伝送
され、ケーブル巻き取り装置１８のスリップリングから
インタフェース装置１９に取り出される。滑車１６に取
り付けられたロータリーエンコーダ１７は、滑車１６か
らのケーブルの繰り出し長さを測定するものであり、こ
の繰り出し長さと傾斜と方位が測定信号として処理され
る。

【００２２】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、ジャイロを使った位置計測装置を採用し
ているが、本出願人が既に提案している他の孔曲がり測
定装置を採用してもよいことは勿論である。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ボーリング孔掘削の深度やトルク、回転速
度、ビット荷重、掘進速度から単位体積当たりの掘削エ
ネルギーに対応する指標値を計算すると共に、ボーリン
グ孔の深度や方位角、傾斜角から計画線とのずれ量及び
ずれ量予測値を計算し、ずれ量及びずれ量予測値がずれ
量許容値の範囲内にあるか否かと指標値の変化の有無を
判定してボーリング孔掘削の掘進／修正／微調整の情報
を生成するので、掘進／修正／微調整の情報により計画
線からのボーリング孔のずれ量を全延長にわたって一定
の範囲内に収めることができ、長規模のボーリング孔の
掘削が可能になる。

【００２４】しかも、ずれ量及びずれ量予測値が許容値
の範囲内にあって指標値の変化がある場合並びに指標値
の変化がなくてもずれ量予測値が岩盤性状に応じた許容
値以上ある場合には掘進の情報を生成し、ずれ量及びず
れ量予測値が許容値の範囲内にあって指標値の変化がな
い場合には微調整として掘進高速化の情報を生成し、ず
れ量が許容値の範囲内にあるがずれ量予測値が許容値の
範囲内にない場合には、指標値の変化があることを条件
に微調整として掘進低速化の情報を生成するので、掘進
／修正／微調整の判断をオペレータに頼ることなく、自
動的に判断しボーリング孔掘削装置の制御を行うことが
でき、掘削時間の短縮と作業効率の向上を図ることがで
きる。さらに、位置測定装置は、方位計として容器の傾
きや回転に関係なく常に一定の位置を維持できるように
保持された回転子を持つジャイロからなるので、磁性鉱
床等の地球磁場の異常地域でも、信頼性の高い方位の測
定結果を得ることができる。

【００２５】したがって、例えば延長約８００ｍもの長
いボーリング孔の掘削でも、掘削データやこれからの指
標値と孔曲がりとの関連性を評価しながらのボーリング
マシーン操作を行うことができ、このような掘削管理を
することによりボーリング孔の直進性が確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るボーリング孔掘削管理装置の１
実施例を示す図である。

【図２】 位置計測における測定値の誤差評価の内容を
説明するための図である。

【図３】 掘削データ及び孔曲がりデータの例を示す図
である。

【図４】 中央処理装置による処理の流れを説明するた
めの図である。

【図５】 本発明に係るボーリング孔掘削管理装置に使
用される位置計測装置の例を示す図である。

【図６】 立坑・斜坑の掘削工法の例を示す図である。

【図７】 レイズボーリング工法を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…中央処理装置（ＣＰＵ）、２…入出力装置、３…位
置計測装置、４…ボーリング孔掘削装置、５…制御装
置、１１…位置誤差評価演算部、１２…指標値演算部、
１３…判定処理部、１４…判定基準情報格納部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 一夫 東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株 式会社内 (72)発明者 木内 勉 東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株 式会社内 (72)発明者 新宅 正道 東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株 式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボーリング孔掘削の深度やトルク、回転
   速度、ビット荷重、掘進速度等を測定しながらボーリン
   グ孔を掘削するボーリング孔掘削装置とボーリング孔の
   深度や方位角、傾斜角を測定する位置測定装置の各測定
   データに基づき掘進の制御情報を生成するボーリング孔
   掘削管理装置であって、 ボーリング孔掘削の深度やトルク、回転速度、ビット荷
   重、掘進速度から単位体積当たりの掘削エネルギーに対
   応する指標値を計算する指標値計算手段と、 ボーリング孔の深度や方位角、傾斜角から計画線とのず
   れ量及びずれ量予測値を計算するずれ量計算手段と、 ずれ量及びずれ量予測値がずれ量許容値の範囲内にある
   か否かと指標値の変化の有無を判定してボーリング孔掘
   削の掘進／修正／微調整の情報を生成する判定手段とを
   備えたことを特徴とするボーリング孔掘削管理装置。
2. 【請求項２】 前記判定手段は、ずれ量及びずれ量予測
   値が許容値の範囲内にあって指標値の変化がある場合並
   びに指標値の変化がなくてもずれ量予測値が岩盤性状に
   応じた許容値以上ある場合には掘進の情報を生成するこ
   とを特徴とする請求項１記載のボーリング孔掘削管理装
   置。
3. 【請求項３】 前記判定手段は、ずれ量及びずれ量予測
   値が許容値の範囲内にあって指標値の変化がない場合に
   は微調整として掘進高速化の情報を生成することを特徴
   とする請求項１記載のボーリング孔掘削管理装置。
4. 【請求項４】 前記判定手段は、ずれ量が許容値の範囲
   内にあるがずれ量予測値が許容値の範囲内にない場合に
   は、指標値の変化があることを条件に微調整として掘進
   低速化の情報を生成することを特徴とする請求項１記載
   のボーリング孔掘削管理装置。
5. 【請求項５】 前記位置測定装置は、方位計として容器
   の傾きや回転に関係なく常に一定の位置を維持できるよ
   うに保持された回転子を持つジャイロからなることを特
   徴とする請求項１記載のボーリング孔掘削管理装置。