JPH08501844A - 誘導機能付き掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気、ガス、水道などの公共設備の導管を設置するための一般的に水平な地下通路（１０）を形成するための掘削装置であって、この装置は、基部（２６）と、この基部に取り付けられたノーズ部（２８）を有するツールヘッド（２４）を含む。ノーズ部（２８）は、ツール軸に対してノーズ部表面が対称的である第１の位置と、ツール軸（５４）に対してノーズ部表面が非対称的である第２の位置との間を、基部に対して回転可能である。このため、ツール（２０）は、ノーズ部が第１の位置にあるときは直線の軌跡を描いて進み、ノーズ部が第２の位置にあるときは曲線の軌跡を描いて進む。基部にトルクを加えることにより、基部はノーズ部に対して移動し、これによりツールヘッドが非対称形状と対称形状の間を移動する。

Description

【発明の詳細な説明】 誘導機能付き掘削機 本発明は、水平な地下通路を掘るための方法及びその装置に関する。 地下通路を水平に掘る方法は、自然地形や人工の建造物を掘り起こして再度埋 め戻す方法に比して、安全に、経済的に、さらには環境に配慮した上でパイプラ インや電力分配網のような公共施設（ユーティリティー）の設置を行うことがで きる。 電気、ガスなどのケーブルやパイプを設置するための地下通路をつくる掘削方 法及び掘削装置として、さまざまなものが知られている。これら周知の技術のひ とつとして、空気衝撃穴あけ機（「モール」ともいわれる）を用いて土（岩を除 く）の中に穴をあける技術がある。この技術の場合、パイプやケーブルを横たえ るための開口溝を掘る必要がない。しかしながら、このようなモールは、短いま っすぐな線状の部分を掘る以外で用いた場合、正確性に欠ける。モールは誘導さ れない場合、土の中に岩などの一般的な異物があると、すぐコースを外れてしま う。そこで、モールの進行しているコースに関する情報を送るために追跡を可能 とするための送信機、すなわちゾンデをモールに取り付けてもよい。一部のイン パクトモールシステムは、剛体のドリルパイプの端に設けられたインパクトモー ルを含み、前記のドリルパイプはまたインパクトモールに空気を供給することに も用いられる。モール内部には、耐衝撃ゾンデが収容され、モールの位置、深さ 及び回転角に関する情報を地表にいるオペレータに送る。モールの前端部には、 前方に向いた傾斜面が形成されおり、このためにモールは前進すると、直線的な 進路からそれるような動きをする傾向がある。ところが、剛体のドリルパイプを 用いて、その前進時にドリルストリング全体とモールを回転させるので、この回 転が維持される限り前記傾斜面による偏向運動は平均され、障害物によってコー スをそらされない限りモールは名目上まっすぐに（わずかに螺旋を描いて）前進 する。モールを所望する方向に導きたい場合は、ゾンデからのデータを用いて剛 体のドリルパイプを回転させることにより傾斜面を所望の回転方向に移動すれば よい。続いて、回転させずにツールを前方に進めると、土に接した回転しない傾 斜面の動きによってツールはコースをそれる。上記の構成においては、比較的直 線的な経路を前進するときに、地中でドリルストリングを回転させるためにはか なりのトルクが必要である。すなわち、モールのインパクタに要する気圧力に加 えてツールの回転及び前進のために用いられる液圧も必要となる。 本発明の一態様によれば、公共設備用の管などを設置するための概略水平方向 の地下通路を土の中に形成する掘削装置は、基部と、この基部に取り付けられた ノーズ部とを有するツールヘッド構造体を含む。ノーズ部は基部に対して、第１ の位置と第２の位置の間を回転が可能である。第１の位置においては、ノーズ部 の表面はツール軸に対して対称となり、このためツールは直線の軌跡を描いて前 進する。第２の位置においては、ノーズ部の表面はツール軸に対して非対称であ り、ツールは曲線の軌跡を描いて前進する。好ましくは、基部にトルクを供給す ることにより、ノーズ部に対して基部をツール軸の回りに回転させて、ツールヘ ッドの形状を非対称形状と対称形状の間で変更させる。 本発明の別の態様によれば、公共設備用の管などを設置するための概略水平方 向の地下通路を土の中に形成する掘削装置は、ツール軸を決定し、基部と、この 基部に取り付けられたノーズ部を有するツールヘッド構造体を含む。衝突構造体 は、一連の打撃による衝撃をツールヘッド構造体に与え、これにより駆動された ツールヘッド構造体は、土をかき出すことなしに土をかき分けて進むことにより 地中を掘削する。ノーズ部は基部に対して、第１の位置と第２の位置の間を回転 できる。第１の位置においては、ノーズ部の表面の形状はツール軸に対して対称 となり、第２の位置においては、ノーズ部の表面の形状はツール軸に対して非対 称となる。この結果、インパクト構造体によりもたらされる衝撃力に応じて、ツ ールは、ノーズ部が第１の位置にあるときには直線的な進路に沿って地中を前進 し、ノーズ部が第２の位置にあるときは曲線的な進路に沿って前進する。装置は さらに、基部にねじり力を加えるための構成を含む。この構成は、基部をノーズ 部に対してツール軸の回りに回転させることにより、ノーズ部を第１の位置と第 ２の位置の間で選択的に移動さぜる。 好適な実施例においては、前記ねじり力を加える構成は、ツールヘッド構造体 に連結され、通路が形成される土の表面まで延びている、ねじりに対して剛的な 長く延びた構造体を含む。ツールヘッド構造体内部にはゾンデ構造体が設けられ 、通路が形成される土表面の上方地点にツール位置に関する情報を供給する。 特定の実施例においては、インパクト構造体は空気圧により作動され、前記の ねじりに対して剛的な構造体はこのインパクト構造体に圧縮空気を供給する空気 ホースであり、オペレータにより制御可能なトルク生成構造体は、通路が形成さ れる土の表面において空気ホースにねじり力を供給する。 一実施例においては、ノーズ部は基部に取り付けられ、ツール軸に対してある 角度ずらされた傾斜軸の回りを回転ずる。別の実施例においては、ノーズ部は円 筒型の内部表面を有するスリーブ部材であり、基部は円筒型の外側表面を有し前 記スリーブ部材内側に設置されるコア部材であり、そしてこのスリーブ部材とコ ア部材は斜面部を有し、このそれぞれの斜面部の向きは第１の位置においてはず れ、第２の位置においては一致する。第３の実施例においては、ノーズ部は基部 に取り付けられ、ツール軸に平行でかつツール軸からずれた軸の回りを回転する 。 本発明のその他の特徴及び効果は、図面に関連して特定の実施例を以下のよう に説明していくにつれ明らかになる。図において、 図１は、本発明による水平掘削装置の概略図である。 図２は、図１に示した装置の掘削ヘッド部の上面図である。 図３は、図２に示した掘削ヘッドの分解斜視図である。 図４は、図２の掘削ヘッドが第１の位置にある場合の側面図である。 図５は、図２の掘削ヘッドが第２の位置にある場合の側面図である。 図６は、第２実施例による掘削ヘッドの側面図である。 図７は、図６に示した掘削ヘッドが第２の位置にある場合の側面図である。 図８は、図１に示したシステムに用いられる掘削ヘッドの別の実施例を示した 側面概略一部切断図である。 図９は、図８に示した掘削ヘッドの第２の位置を示した図である。 実施例 図１は、発進坑（ランチピット）１４と目標坑（ターゲットピット）１６との 間に配設される電気ケーブル接続用の地下通路１０を、砂れきなど、比較的柔ら かい土壌のような地層１２中に形成するための掘削システムを概略的に示してい る。このシステムはモール２０を含み、モール２０は、打撃（インパクト）機構 ２３を含む本体部２２と、基部２６とノーズ部２８を含むヘッド部２４とを有す る。この場合、指向性ドリル及びある種のロッドプッシャーの場合に一般的であ るように、モールを「地表発進」することもできる。「地表発進」モードでは、 モール２０は地表から発進坑１４まで曲線状の通路を通っていき、発進坑１４に おいて通路穴１０における所望方向に合わせてモール２０を再び位置合わせする ことができる。「地表発進」のモールの場合、空気ホース３０の曲がりに適合さ せるためのスロット１８が不要なので、発進坑１４の大きさを小さくすることが できる。 空気ホース３０にはトルクコントローラ３２が結合されている。このトルクコ ントローラ３２は回転アクチュエータ３４を含み、これがモール２０に空気を送 る、ねじりに対し剛的な空気ホース３０に接続されている。ホース３０はモール ２０に追従して開口通路１０に進入するため、少なくとも開口通路１０の所期の 長さよりもわずかに長くなくてはならない。トルクコントローラ３２は、モール ２０が開口通路１０内を進むにつれて移動しなくてもすむように発進地点の近く に設置するのがよい。好ましくは、地表に長くぎで固定したり、底面が拡がった 脚３６などを取り付けることにより、回転アクチュエータ３４がホースに加える トルクの反力に抗することができる。コントローラ３２の吸入口４０と空気圧縮 機４２の間にホース回り継手３８が取り付けられており、モールによる掘削動作 の間は、エアコンプレッサから延びる空気供給ホース４４は地面に単に置かれ、 回転せずにすむ。 トルクコントローラ３２は、概略的に符号４６で示されるコントロールバルブ を含んでおり、オペレータ８０は、変化する状況で最適に動作するために、時計 回りか反時計回りかのホーストルクの向き、回転スピード、及びトルク値を選択 して、ホース３０を介してモール２０に空気が供給されるのと同様に、同じ空気 供給源４２からその空気動力を導き出す。空気ホース３０に加えるトルクを制御 するために、その他の便利な手段が供給されることも好ましい。例えば、ホース にトルクを加えるトルク付与装置を発進点の近くに配置し、このトルク付与装置 の内部を空気ホース３０が通過するように取り付けて、トルク付与装置が空気ホ ースの外表面をつかむことにより所望のトルクが与えられる。また、トルク付与 装置はくぼみにおいて往復運動をすることにより、モール２０と空気ホース３０ の前進運動に適応することができる。 次に図２から図５について説明する。モールヘッド２４は、その向きを送信可 能なゾンデ５０が設けられた基部２６と、この基部２６に回転可能に取り付けら れたノーズ部２８を含む。ノーズ部と基部の間の境界面（すなわち、ノーズ部２ ８の表面６８と基部２６の表面６６）は傾斜平面４８を形成し、この傾斜曲４８ は、基部２６の軸５４に対して１５度の角度に位置する傾斜軸５２を決定する。 ノーズ部２８は、基部２６に設けられた穴５８に嵌合する軸５６によって基部に 連結される（図４）。制限ピン６０は、円弧状の長溝６２に嵌合する。スロット ６２の両端部６１及び６３は基部２６のノーズ部２８に対する回転運動を制限す るための回転止めの役割をする。 ナットもしくは保持リング構造体などの適当な固定具６４により、ツール部全 体が一体に連結される。長溝すなわち案内溝６２により、図４に示される第１の 位置（前方直進方向）と図５に示される第２の位置（曲線掘削）の間におけるノ ーズピース２８の回転が制限される。回転止めの構造はさまざまな形が考えられ 、例えば、２６、２８のいずれかの部材に設けられ、他方の部材の曲線形の溝６ ２に挿入されてこの溝を移動するピン６０でもよいし、また、円弧状のキー溝に 挿入されるキー部材でもよい。 図２から図５に示されるように、ノーズピース２８は概略的に円錐系で、リブ ７０を有する。このリブ７０はノーズピース軸５６の軸である傾斜軸５２から１ ５度傾けてあり、図４に示されるモールの直進前進位置（すなわち制限ピン６０ が回転ステップ６１に係合した位置）において、リブ７０はツールの軸５４と一 致し、実質的にこれと平行になる。この位置においては、ノーズチップ７２はツ ール軸５４上に位置し、土に接触する上部面７４と下部面７６は、ツール軸５４ を中心に反対方向に同じ角度で位置する。このような対称形状では、ツール２０ 全体は、モール２０を連続的に回転させなくとも、インパクタ２３の推進力のも とで直線の軌跡を描いて土の中を突き進む。 基部２６をツール軸５４の回りに（ノーズピース２８を回転させることなく） １８０度回転させると、ノーズピース２８の角度方向が変わり、ノーズピースリ ブ７０とツール軸５４の間の角度は、ツール軸５４と傾斜軸５２の間の角度の２ 倍になる。この位置（図５）においては、ピン６０は回転止め６３に係合し、か じ取りヘッド２８はツール軸５４に対して非対称形状にある（すなわち、リブ７ ０はツール軸５４に対して傾斜軸５２のなす角度の２倍の角度をなし、チップ７ ２はツール軸５４からずれ、面７６は軸５４と平行になり、リブ７０はツール軸 ５４に対して３０度（傾斜角の２倍）をなし、面７４はツール軸５４に対してさ らに大きい角度をなしている）。このような状態のツール２０は、インバクタ２ ３によって回転させられることなく駆動されると、曲線の軌跡を描いて土１２中 を移動する。 動作について説明する。ノーズピース２８は、空気ホース３０及び本体２２を 介して基部２６に加えられるねじり力によって、直線位置とかじ取り位置との間 を動く。ピン６０もしくはキーがその回転止めに到達した後は、ねじり力を減少 させ、引き続きこれが供給され、ノーズピース２８は所望の形状（対称もしくは 非対称形状）に維持される。 ゾンデ５０がモールの前端部に設けられており、トラッカー（移動目標の経路 を捕捉する器械）のオペレータ８２はモール２０の移動に追従することができる 。特定の応用によっては、向きを送信することのできない標準的なゾンデを誘導 されるモール２０のヘッド部２４に設け、向きを送信可能な第２ゾンデ５０（図 １）をモール２０の本体２２の空気ホース３０との接続部もしくはその近傍に設 けることもできる。この第２ゾンデ５０は回転角度データを送るが、位置及び深 さ、つまり所望の高さについての信号をこの第２ゾンデによって送信することも できる。 好ましくは、回転信号は、例えば空気ホース３０に沿って送られ、モールオペ レータ８０が通常位置する発進坑１４の領域もしくはトルクコントローラ３２に おいて表示される。この回転信号によって、モールオペレータはモールの現在の 状態を直ちに知ることができ、同時に、トラッカーオペレータ８２はゾンデ７８ を探知することによりモニターされたモール２０の位置及び深さに注意を向ける ことができる。この結果、トラッカーオペレータ８２によってモール操作の訂正 が要求されると、モールオペレータ８０はモール２０の現在の回転角度を認識し た上でモール２０を回転させ、ノーズ２８を所望の角度位置に移動して操作モー ドを所望するように切り替えることができる。 別の実施例による可動ヘッドが図６及び図７に示される。この可動ヘッドは、 傾斜面８６（軸５４’に対して４５度を形成する）を有する中心コア部材８４と 傾斜面９０（同じく軸５４’に対して４５度を形成するが、面８６とは向きが反 対である）を有する外側スリーブ８８とを含む。スリーブ８８はコア８４に対し て、ノーズピース２８の基部２６に対する回転と同様に、回転可能であり、図６ に示される対称位置と図７に示される傾斜面８６と９０が一致するかじ取りモー ド位置との間を回転する。 図１から図５に示される実施例と同様に、直進掘削が所望される場合は、空気 ホース３０’に時計回りのねじり運動を与えることによって、モール本体２２’ とコア８４は一体となって、スリーブ８８（土１２にかみ込んでいる）に対して 回転する。そして回転止めに到達すると、ヘッドは図６に示すように傾斜面８６ と９０が反対向きの同傾斜角度をなす形状となる。これにより、これら２つの傾 斜面のかじ取り効果は互いに対抗して打ち消しあい、スリーブ８８と中央コア８ ４がこれらの回転止めにつきあたるような十分なトルクが供給されている限りは モール２０’はまっすぐ前進する。このよう互いに向きが反対のかじ取り力を釣 り合わせるためには、傾斜面８６及び９０の正面領域を適当に調整しなければな らない。例えば、スリーブ８８の軸をモールの回転軸５４’からずらしてもよい し、または外側スリーブ８８の先端を鈍角に形成するなどの修正を加えてもよい 。移動モードへの切り替えは、ねじれ力を反対方向に供給してスリーブ８８に対 してコア８４を図７に示す位置に回転させることによって行われる。この位置に おいては、傾斜面８６及び９０は非対称の形状を構成する。直進モードと曲がり 進行モードとの切り替えを簡単にするために、スリーブ８８上にリブを用いても よい。 別の実施例において（図８及び図９）は、ノーズエレメント９２（これは円錐 形でも、円筒形でも、図のような階段状でもよい）がスタブ軸９４に取り付けら れている。このスタブ軸９４は、モール軸５４’’からずらされた回転軸９６を 有する。図１から図７に示した実施例と同様に、直進掘削が所望される場合は、 空気ホース３０’’にねじれ運動を供給することにより、ノーズ部材９２（これ が土１２にかみ込んでいる）に対してモール本体２２’’と基部９８が一体とな って回転する。そして回転止めに到達すると、ヘッドの形状は図８に示すように なる（つまり、ノーズ軸１００がツール軸５４’’に一致する）。この結果、本 体９８とノーズ９２がそれぞれの回転止めに突あたるような十分なトルクが加え られてる間は、モール２０’’はまっすぐに前進する。かじ取りモードへの切り 替えは、ねじり力を反対方向に加えて、ノーズ９２に対して本体９８を図９に示 す位置に回転させることによって行われる。この位置においては、ノーズ軸１０ ０はツール軸５４’’から平行に離れた位置にあり、ノーズ９２は本体９４及び ツール軸５４に対して非対称の形状にある。直進モードと曲がり進行モードとの 切り替えを簡単にするために、スリーブ９２上にリブを用いてもよい。 これまで、本発明の特定の実施例を示して説明してきたが、当業者にはその他 の実施例も明かである。したがって、本発明は開示された実施例またはその詳細 に限られるものではなく、本発明の範囲内でその変更及び修正が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気や水道などの公共設備（ユーティリティー）に用いる導管を設置するた めの概略的に水平方向の地下通路を地中に形成する掘削装置であり、 前記掘削装置は、 ツール軸を決定し、基部と、この基部に取り付けられたノーズ部とを含むツー ルヘッド構造体と、 前記ツールヘッド構造体に連続する打撃衝撃を与え、土をかき出すことなくか き分け移して、ツールヘッド構造体を地中にて駆動する衝撃（インパクト）構造 体と、 を含み、 前記ノーズ部は、前記ノーズ部表面が前記ツール軸に関して対称形状となる第 １の位置と、前記ノーズ部表面が前記ツール軸に関して非対称形状となる第２の 位置の間で前記基部に対して回転可能であり、前記ツールは、前記インバクト構 造体によって生成される衝撃力に応じて、前記ノーズ部が前記第１の位置にある ときは、地中を直線の軌跡を描いて進み、前記ノーズ部が前記第２の位置にある ときは、曲線の軌跡を描いて進み、 さらに、前記基部にねじり力を供給して、前記ノーズ部に対して基部を前記ツ ール軸の回りに回転させ、ノーズ部を前記第１の位置と前記第２の位置の間で選 択的に移動させる構造と、 を含む。 ２． 請求項１記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ、 前記ツール軸からある角度傾いた傾斜軸の回りを回転する。 ３． 請求項１記載の装置において、前記ノーズ部は円筒形の内側面を有するス リーブ部材を含み、前記基部は円筒形の外側面を有し、前記スリーブ部材の内側 に配置されるコア部材を含み、前記スリーブ部材とコア部材は、前記第１の位置 においては向きがずれ、前記第２の位置においては向きの一致する正面部分を有 する。 ４． 請求項１記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ、 前記ツール軸に平行でかつこれからずれた軸の回りを回転する。 ５． 請求項１記載の装置において、前記ねじり力を加える構造体は、前記ツー ルヘッド構造に連結され、前記通路が形成される土の表面まで延びるように調整 された長く延びたねじりに関して剛的である構造体を含む。 ６． 請求項５記載の装置において、前記インパクト構造体は気体により作動さ れ、前記ねじりに関して剛的である構造体は、前記インパクト構造体に圧縮空気 を供給するための空気ホースである。 ７． 請求項６記載の装置において、さらに、前記通路が形成される土の表面に 設置され、前記空気ホースにねじり力を加え、オペレータにより制御可能なトル ク生成構造体を含む。 ８． 請求項１記載の装置において、さらに、前記ツールヘッド内に、前記通路 が形成される土の表面上方の地点に位置情報を提供するためのゾンデ構造体を含 む。 ９． 請求項８記載の装置において、前記ねじり力を加える構造体は、前記ツー ルヘッド構造体に接続され、前記通路が形成される土の表面まで延びるように調 整された長く延びたねじりに関して剛的である構造体を含む。 １０．請求項９記載の装置において、前記インパクト構造体は気体により作動さ れ、前記ねじりに関して剛的である構造体は圧縮空気を前記インパクト構造体に 供給する空気ホースである。 １１．請求項１０記載の装置において、前記通路が形成される土の表面において 、前記空気ホースにねじり力を加え、オペレータにより制御可能なトルク生成構 造体をさらに含む。 １２．請求項１１記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ 、前記ツール軸からある角度傾いた傾斜軸の回りを回転する。 １３．請求項１１記載の装置において、前記ノーズ部は円筒形の内側面を有する スリーブ部材を含み、前記基部は円筒形の外側面を有し、前記スリーブ部材の内 側に配置されるコア部材を含み、前記スリーブ部材とコア部材は、前記第１の位 置においては向きがずれ、前記第２の位置においては向きが一致する正面部分を 有する。 １４．請求項１１記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ 、前記ツール軸に平行で、かつこれからずれた軸の回りを回転する。 １５．電気や水道などの公共設備に用いる導管を設置する概略的に水平方向の地 下通路を土の中に形成する掘削装置であり、 前記掘削装置は、 ツール軸を決定し、基部と、この基部に取り付けられたノーズ部とを含むツー ルヘッド構造体と、 を含み、 前記ツールは前記インバクト構造体によって生成される衝撃力に応じて、前記 ノーズ部が前記第１の位置にあるときは、地中を直線の軌跡を描いて進み、前記 ノーズ部が前記第２の位置にあるときは、曲線の軌跡を描いて進むものである。 １６．請求項１５記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ 、前記ツール軸からある角度傾いた傾斜軸の回りを回転する。 １７．請求項１５記載の装置において、前記ノーズ部は円筒形の内側面を有する スリーブ部材を含み、前記基部は円筒形の外側面を有し、前記スリーブ部材の内 側に配置されるコア部材を含み、前記スリーブ部材とコア部材は、前記第１の位 置においては向きがずれ、前記第２の位置においては向きが一致する正面部分を 有する。 １８．請求項１７記載の装置において、前記正面部分は前記ツール軸に対して斜 めの角度で位置する平面を含む。 １９．請求項１５記載の装置において、前記ノーズ部は前記基部に取り付けられ 、前記ツール軸に平行で、かつこれからずれた軸の回りを回転する。 ２０．請求項１５記載の装置において、さらに、前記ツールヘッド内に前記通路 が形成される土の表面上方の地点に位置情報を提供するためのゾンデ構造を含む 。