WO2020230289A1

WO2020230289A1 - 海底基礎構築ロボット

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Publication number: WO2020230289A1
Application number: PCT/JP2019/019292
Authority: WO
Inventors: 和男遠藤; 光盛吉田
Original assignee: 株式会社エンチ
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19

Abstract

本発明は、海洋構造物の海底における基礎構築を自動化するための海底基礎構築ロボットに関するものである。海底の岩盤に穴をあけ穴に基礎を挿入することにより、海底に基礎を構築する海底基礎構築ロボットであって、下端に切れ刃（５０）を有した多重管（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）を備え、多重管（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）を回転させるとともに上下動させて岩盤に穴をあける穴あけ機（８）と、穴に挿入される基礎を複数個収容するケーシング（７）と、穴あけ機（８）およびケーシング（７）を支持する部分であって、下部に少なくとも３本の脚（２）を有した架台（１）と、穴あけ機（８）と複数の基礎を収容したケーシング（７）とを架台（１）上で移動させる移動機構とを備えた。

Description

海底基礎構築ロボット

　本発明は、海洋構造物の海底における基礎構築を自動化するための海底基礎構築ロボットに関するものである。

　近年、世界規模でのエネルギー需要の急速な増大に伴い、これまで依存してきた化石燃料や原子力に代わるエネルギー源として、枯渇、公害および汚染の恐れのない再生可能な自然エネルギーを利用しようとする様々な研究開発が進められている。このような再生可能な自然エネルギーとしては、太陽光および風力が代表的である。風力の場合には、洋上では陸上に比べてより大きな風力が得られるため、洋上風力発電の開発が進んでいる。しかしながら、太陽光および風力は、いずれも天候や季節に左右されやすいという欠点を有している。これに対して、天候や季節に左右されないでほぼ恒常的であり、しかも豊富でエネルギー密度の高い海流を利用して電力を得る海流発電の商業性のあるレベルでの実用化が望まれている。

　また、日本近海の地層中には、大量のメタンハイドレートが存在していることが分かっており、このメタンハイドレートを採掘して新たなエネルギー源として利用することも望まれている。
　さらに、水深１０００ｍを超える深海の海底には、金、銅、鉛、亜鉛、ニッケル、コバルト、白金その他レアメタル、レアアースなどのメタル資源を有する海底鉱床が多数存在することが各種の探査により確認されている。このようなメタル資源を採掘して利用することも望まれている。
　このような海流発電、メタンハイドレートの採掘、メタル資源の採掘、洋上風力発電等を実行するためには、海洋構造物を必要とし、かつ海洋構造物を海上や海中に固定する必要がある。

　海洋構造物を固定する方法として、ごく浅い海域を除き錘や錨を使って海底・海中に固定する方法が従来から広く行われているが、この方法の問題点は、重力を利用して海洋構造物を固定しているため、台風時等には海洋構造物に掛かる力が大きくなることを想定し、錘や錨が巨大化する傾向があることである。また、海底面の凹凸や海底の表面物質の違いによる滑り等の不確定要素もあり、海洋構造物を所定の位置に恒久的に留めることが困難であった。更に、巨大化した錘や錨を据え付ける作業に大型の作業船が必要になり、工期が長くかつ高コストであるため、海洋構造物の構築にブレーキが掛かっていた。

　一方、錘や錨を避け、海底に基礎を構築して海洋構造物を固定する方法もあるが、この場合、既存技術は大型の台船に櫓を立てて、直接海底岩盤に基礎を構築する方法であるため、この方法も工期が長くかつ高コストであることが障害になっていた。近年、陸上で構築する基礎工法の掘削機を海底に降ろして穴を空け、別の機械で基礎を構築する方法が可能になっている。しかしながら、操作をするのは潜水服を着た人が操作することを前提としていて、一定の深さまでしか基礎構築は出来なかった。この方法でも工期とコストには変わりなかった。

特開昭６３－１３０８２９号公報

　深海を含む海底の一点に恒久的に動かない引き抜き力１０００ｔ程度を想定した基礎を構築する場合、海上から大型作業船を使用し海上からシャフトを繋ぎ基礎を構築する工法が一般的な工法で、外洋での作業は海象条件が影響し年間作業日数が限られると共に、大型作業船の使用コストも嵩む。最新の工法では地上で基礎を構築する方法を海底に沈めて行う方法も開発されているが、穴あけから基礎構築するまでの作業に複数の海底重機を用いて構築するもので、直接基礎工法に比較すれば改善されているが、工期とコストは依然として困難な状態を脱していない。

　本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、海洋構造物を恒久的に海上・海中に短期間かつ低コストで固定することができ、海流発電の基礎、メタンハイドレートの海底作業用の基礎、洋上風力発電設備の基礎、深度のある海底からメタル資源を採掘する場合の海底作業用の基礎、深度のある護岸工事のフロート据付の基礎、その他各種フロート海洋構造物の設置用の基礎を構築することができる海底基礎構築ロボットを提供することを目的とする。

　上述の目的を達成するため、本発明の海底基礎構築ロボットは、海底の岩盤に穴をあけ該穴に基礎を挿入することにより、海底に基礎を構築する海底基礎構築ロボットであって、下端に切れ刃を有した多重管を備え、該多重管を回転させるとともに上下動させて岩盤に穴をあける穴あけ機と、前記穴に挿入される基礎を複数個収容するケーシングと、前記穴あけ機および前記ケーシングを支持する部分であって、下部に少なくとも３本の脚を有した架台と、前記穴あけ機と前記複数の基礎を収容したケーシングとを前記架台上で移動させる移動機構とを備えたことを特徴とする。

　本発明の好ましい態様によれば、前記多重管のうち相隣接する２つの管の間に、前記切れ刃により掘削された掘削ガラを上方に搬送するための回転可能なスパイラル羽根を設けたことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様によれば、前記移動機構は、前記穴あけ機と前記ケーシングとを一体に移動させるか、前記穴あけ機と前記ケーシングとを個別に移動させることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様によれば、前記各脚を前記架台に対して上下動させるジャッキを設けたことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様によれば、前記各脚は、各脚の底部から斜め下方に突出するドリルピンを備えたことを特徴とする。

　本発明の好ましい態様によれば、前記多重管は、各管が個別に回転される回転機構に連結されていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様によれば、前記基礎は、鋼管内にＰＲＣ（プレストレストコンクリート）を充填した円柱状の鋼管合体型基礎からなることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様によれば、前記基礎は、下端に接着剤を充填したカプセルを備えることを特徴とする。

　本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）海洋構造物を恒久的に海上・海中に短期間かつ低コストで固定することができ、海流発電の基礎、メタンハイドレートの海底作業用の基礎、洋上風力発電設備の基礎、深度のある海底からメタル資源を採掘する場合の海底作業用の基礎、深度のある護岸工事のフロート据付の基礎、その他各種フロート海洋構造物の設置用の基礎を構築することができる。
（２）先行する海底岩盤掘削構築工法はセパレート方式においても複数の重機を使用するが、本発明は海底岩盤掘削から基礎構築までの作業を一基のロボットで行うと共に定点に留まって基礎構築を完了することができる。

図１は、本発明に係る海底基礎構築ロボットの構成例を示す図であり、海底基礎構築ロボットの模式的正面図である。図２は、本発明に係る海底基礎構築ロボットの構成例を示す図であり、海底基礎構築ロボットの模式的平面図である。図３は、鋼管合体型基礎を収容したケーシングと穴あけ機とを一体に架台に対して移動させる構成を示す模式的断面図である。図４は、図１のIV部の拡大図である。図５は、図１のＶ部拡大図である。

　以下、本発明に係る海底基礎構築ロボットの実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
　図１および図２は、本発明に係る海底基礎構築ロボットの構成例を示す図であり、図１は海底基礎構築ロボットの模式的正面図、図２は海底基礎構築ロボットの模式的平面図である。図１および図２に示すように、海底基礎構築ロボットは、３本の梁部材１ａ，１ｂ，１ｃを三角形状に接続することにより構築した架台１と、３本の梁部材１ａ，１ｂ，１ｃの接続点に設けられた３個の略円柱状の脚２とを備えている。各脚２の底部２ａは略円錐状に形成されており、底部２ａの中心部にドリルピン３が設けられている。各ドリルピン３は、脚２の底部２ａから斜め下方に突出できるように構成されており、各ドリルピン３を海底ＳＢの岩盤に斜めに差し込むことにより架台１を海底ＳＢに固定できるようになっている。

　図１および図２に示すように、架台１と各脚２との間には、油圧ジャッキ４が設置されており、油圧ジャッキ４により脚２を架台１に対して上下動させることができるようになっている。これにより、海底ＳＢが傾斜していても又海底ＳＢに凹凸があっても、架台１を水平に保持できるようになっている。架台１上には、鋼管内にＰＲＣ（プレストレストコンクリート）を充填した円柱状の鋼管合体型基礎６を複数本（図示例では６本）収容することができる箱状のケーシング７が設置されている。複数本の鋼管合体型基礎６は、ケーシング７内で直立して一列に並んで収容されている。ケーシング７の一端部には、穴あけ機８が配置されている。

　前記穴あけ機８は、ケーシング７に固定された中空の鋼管からなる外筒９と、外筒９内に上下動可能に収容された複数の鋼管からなる多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの下端に固定された超硬合金からなる切れ刃５０と、外筒９の上端に設けられ、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを外筒９内で上下動させる油圧シリンダー５１とを備えている。複数本の鋼管合体型基礎６を収容したケーシング７と、ケーシング７に固定された穴あけ機８は、一体に、架台１上で矢印Ａの方向（図１参照）に往復移動可能に構成されている。ケーシング７には、ワイヤーＷが連結されており、ワイヤーＷは海上の作業船まで延びている。ワイヤーＷの途中には、誘導ロボット５が設けられており、海底基礎構築ロボットを海底ＳＢに軟着地させることができる。

　図３は、鋼管合体型基礎６を収容したケーシング７と穴あけ機８とを一体に架台１に対して移動させる構成を示す模式的断面図である。図３に示すように、架台１上に並列するレール１５，１５が設置されている。ケーシング７には、ケーシング７の下部を覆うように設けられたＵ字状部分１６ａと該Ｕ字状部分の上端から両側に延びる水平部１６ｂ，１６ｂとを備えた支持部材１６が固定されており、支持部材１６の水平部１６ｂ，１６ｂが並列するレール１５，１５上に載置されている。これにより、ケーシング７と穴あけ機８は、一体に、油圧シリンダーやモータとボールネジ等の移動機構（図示せず）により、レール１５，１５上を移動可能になっている。支持部材１６の水平部１６ｂとレール１５との間には、摩擦係数を低減させるための摺動部材１７が介装されており、ケーシング７と穴あけ機８はレール１５，１５上を滑らかに移動できる。なお、移動機構は、ケーシング７と穴あけ機８とを個別に移動させる機構であってもよい。

　図４は、図１のIV部の拡大図である。図４に示すように、多重管（図示例では三重管）１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、それぞれ歯車機構を介してモータ２０Ａ，２０Ｂに連結されており、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、それぞれ回転可能に構成されている。すなわち、最も外径が大きい大径管１０Ａの外周には大径の従動歯車２１Ａが固定されており、モータ２０Ａの駆動軸には駆動歯車２２Ａが固定されており、モータ２０Ａの回転を歯車機構２２Ａ，２１Ａを介して大径管１０Ａに伝え、大径管１０Ａを回転させるようにしている。
　また、外径が中間の中径管１０Ｂの外周には中径の従動歯車２１Ｂが固定されており、モータ２０Ｂの駆動軸には駆動歯車２２Ｂが固定されており、モータ２０Ｂの回転を歯車機構２２Ｂ，２１Ｂを介して中径管１０Ｂに伝え、中径管１０Ｂを回転させるようにしている。
　さらに、最も外径が小さい小径管１０Ｃの外周には小径の従動歯車２１Ｃが固定されており、モータ２０Ｂの駆動軸には駆動歯車２２Ｃが固定されており、モータ２０Ｂの回転を歯車機構２２Ｃ，２１Ｃを介して小径管１０Ｃに伝え、小径管１０Ｃを回転させるようにしている。

　図４に示すように、中径管１０Ｂの外周側には、切れ刃５０（図１参照）により掘削された掘削ズリを搬送するためのスパイラル羽根２５Ｓを備えた鋼管２５が設けられている。また、小径管１０Ｃの外周側には、切れ刃５０（図１参照）により掘削された掘削ズリを搬送するためのスパイラル羽根２７Ｓを備えた鋼管２７が設けられている。鋼管２５および鋼管２７は、それぞれ歯車機構を介してモータ２０Ｃに連結されており、スパイラル羽根２５Ｓを有した鋼管２５およびスパイラル羽根２７Ｓを有した鋼管２７は、それぞれ回転可能に構成されている。すなわち、スパイラル羽根２５Ｓを有した鋼管２５の外周には大径の従動歯車２１Ｆが固定されており、モータ２０Ｃの駆動軸には駆動歯車２２Ｆが固定されており、モータ２０Ｃの回転を歯車機構２２Ｆ，２１Ｆを介して鋼管２５に伝え、鋼管２５およびスパイラル羽根２５Ｓを回転させるようにしている。また、スパイラル羽根２７Ｓを有した鋼管２７の外周には小径の従動歯車２６Ｆが固定されており、モータ２０Ｃの駆動軸には駆動歯車２３Ｆが固定されており、モータ２０Ｃの回転を駆動歯車２３Ｆから中間歯車２４Ｆ，２５Ｆを介して従動歯車２６Ｆに伝え、鋼管２７およびスパイラル羽根２７Ｓを回転させるようにしている。

　図５は、図１のＶ部拡大図である。図５に示すように、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの下端には、それぞれ、超硬合金からなる切れ刃５０が固定されている。多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのうち、中径管１０Ｂと小径管１０Ｃにはテーパー部ＴＰが形成されており、切れ刃５０により掘削されたドーナツ状の岩盤Ｒをテーパー部ＴＰで押し広げて小割するようになっている。中径管１０Ｂの外周側には、切れ刃５０により掘削された掘削ガラを上方に搬送するためのスパイラル羽根２５Ｓを備えた鋼管２５が設けられている。また、小径管１０Ｃの外周側には、切れ刃５０により掘削された掘削ガラを上方に搬送するためのスパイラル羽根２７Ｓを備えた鋼管２７が設けられている。
　穴あけ機８を稼働して切れ刃５０により岩盤を削ると粉塵が発生し、その粉塵が穴底に沈下し、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの回転を阻害することから、常に海水を海底に吹く装置が必要になる。そのため、図１に示すように海上からの耐圧ホースＨと、図５に示すように小径管１０Ｃの中央部に形成された海水噴射用孔ｈとが設けられており、耐圧ホースＨと海水噴射用孔ｈとは接続されている。

　図５に示すように、架台１の下端には、複数のリング６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを入子式に組み合わせた入子式隔壁６０が設置されており、入子式隔壁６０の内部に外部から仕切られた空間を形成するようになっている。これにより、スパイラル羽根２５Ｓ，２７Ｓにより自動搬出された掘削ガラは、穴あけ機８により空けた穴に落下することがない。複数のリング６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃにより入子式隔壁６０を構成することにより、海底ＳＢの段差を解消させるようにしている。

　次に、図１乃至図５に示すように構成された海底基礎構築ロボットの全体の動作を説明する。
　まず、海上の作業船からワイヤーＷを伸ばすとともに誘導ロボット５を稼働させ、海底基礎構築ロボットを海底ＳＢに軟着地させる。その後、３点の脚２を油圧ジャッキ４で上下させることにより、架台１が海底ＳＢ上で水平姿勢をとるようにする。架台１の水平姿勢が確立されたときに、各脚２に設けられたドリルピン３を海底ＳＢの岩盤に斜めに差し込む。これにより、架台１を海底ＳＢに固定する。これらドリルピン３により、穴あけ機８による穴あけ時に架台１に加わる回転力に抵抗することができ、架台１の移動を防ぐことができる。

　次に、ケーシング７と穴あけ機８とを、一体に、油圧シリンダーやモータとボールネジ等の移動機構（図示せず）により、レール１５，１５上を移動させ、穴あけ機８が穴あけ位置に到達したら、その位置でケーシング７と穴あけ機８とを停止させる。そして、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを回転させるとともに穴あけ機８を下降させて穴あけ作業を行う。このとき、切れ刃５０により掘削されたドーナツ状の岩盤Ｒは、中径管１０Ｂと小径管１０Ｃのテーパー部ＴＰで押し広げられて小割される。そして、スパイラル羽根２５Ｓ，２７Ｓをゆっくり回転させ、掘削ガラを自動搬送する。このとき、入子式隔壁６０は、自動搬送された掘削ガラが岩盤に空けられた穴に落下することを防止する。

　穴あけ機８による穴あけ作業が終了したら、多重管１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを上昇させる。その後、ケーシング７と穴あけ機８とを一体に前進させ、ケーシング７内に収容された先端の鋼管合体型基礎６が岩盤に空けられた穴の上方に到達したときに、ケーシング７と穴あけ機８とを停止させる。ケーシング７の内部で鋼管合体型基礎６を保持している保持部（図示せず）の保持を解除し、鋼管合体型基礎６を岩盤に空けられた穴に挿入する。鋼管合体型基礎６の下端には、鋼管合体型基礎６を岩盤に定着させるための特殊接着剤を封入したカプセル６ａが装着されている。そのため、鋼管合体型基礎６を穴に挿入するとカプセル６ａが破裂し、特殊接着剤が鋼管合体型基礎６と穴の隙間に充満し、岩盤と鋼管合体型基礎６とを一体化する。鋼管合体型基礎６の想定引き抜き強度は１０００ｔ以上が確保できるように、特殊接着剤の接着力を設定している。なお、耐圧ホースＨと海水噴射用孔ｈを利用し、海上からセメント系接着剤を加圧充填することもできる。基礎完成後、次の基礎を構築するために、ケーシング７と穴あけ機８を元の位置に戻し、３点の脚２のドリルピン３を岩盤から引き抜く。

　海底基礎構築ロボットのケーシング７には、複数の鋼管合体型基礎６が収容されているため、海底基礎構築ロボットの海上への浮上を減らし、作業効率を向上させることができる。

　これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

　本発明は、海洋構造物の海底における基礎構築を自動化するための海底基礎構築ロボットに利用可能である。

　１　　　架台
　２　　　脚
　３　　　ドリルピン
　４　　　油圧ジャッキ
　６　　　鋼管合体型基礎
　６ａ　　カプセル
　７　　　ケーシング
　８　　　穴あけ機
　９　　　外筒
　１０Ａ　大径管
　１０Ｂ　中径管
　１０Ｃ　小径管
　１５　　レール
　１６　　支持部材
　１６ａ　Ｕ字状部分
　１６ｂ　水平部
　１７　　摺動部材
　２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ　　モータ
　２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｆ，２６Ｆ　　従動歯車
　２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｆ，２３Ｆ　　駆動歯車
　２４Ｆ，２５Ｆ　　中間歯車
　２５，２７　　鋼管
　２５Ｓ，２７Ｓ　　スパイラル羽根
　５０　　切れ刃
　５１　　油圧シリンダー
　６０　　入子式隔壁
　６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ　　リング
　Ｈ　　　耐圧ホース
　ｈ　　　海水噴射用孔

Claims

　海底の岩盤に穴をあけ該穴に基礎を挿入することにより、海底に基礎を構築する海底基礎構築ロボットであって、
　下端に切れ刃を有した多重管を備え、該多重管を回転させるとともに上下動させて岩盤に穴をあける穴あけ機と、
　前記穴に挿入される基礎を複数個収容するケーシングと、
　前記穴あけ機および前記ケーシングを支持する部分であって、下部に少なくとも３本の脚を有した架台と、
　前記穴あけ機と前記複数の基礎を収容したケーシングとを前記架台上で移動させる移動機構とを備えたことを特徴とする海底基礎構築ロボット。
　前記多重管のうち相隣接する２つの管の間に、前記切れ刃により掘削された掘削ガラを上方に搬送するための回転可能なスパイラル羽根を設けたことを特徴とする請求項１記載の海底基礎構築ロボット。
　前記移動機構は、前記穴あけ機と前記ケーシングとを一体に移動させるか、前記穴あけ機と前記ケーシングとを個別に移動させることを特徴とする請求項１または２記載の海底基礎構築ロボット。
　前記少なくとも３本の脚の各脚を前記架台に対して上下動させるジャッキを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の海底基礎構築ロボット。
　前記少なくとも３本の脚は、各脚の底部から斜め下方に突出するドリルピンを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の海底基礎構築ロボット。
　前記多重管は、各管が個別に回転される回転機構に連結されていることを特徴とする請求項１または２記載の海底基礎構築ロボット。
　前記基礎は、鋼管内にＰＲＣ（プレストレストコンクリート）を充填した円柱状の鋼管合体型基礎からなることを特徴とする請求項１または２記載の海底基礎構築ロボット。
　前記基礎は、下端に接着剤を充填したカプセルを備えることを特徴とする請求項７記載の海底基礎構築ロボット。