特開 2023-49309 掘削装置及び掘削方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023049309

(43)【公開日】2023-04-10

(54)【発明の名称】掘削装置及び掘削方法

(51)【国際特許分類】

   E21B 25/08 20060101AFI20230403BHJP

【ＦＩ】

E21B25/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021158974

(22)【出願日】2021-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】506332605

【氏名又は名称】基礎地盤コンサルタンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100139114

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 貞嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100139103

【弁理士】

【氏名又は名称】小山 卓志

(74)【代理人】

【識別番号】100214260

【弁理士】

【氏名又は名称】相羽 昌孝

(74)【代理人】

【氏名又は名称】片寄 武彦

(72)【発明者】

【氏名】武政 学

(72)【発明者】

【氏名】小林 陵平

(72)【発明者】

【氏名】湯川 浩則

(57)【要約】

【課題】掘削土を浮力によって円筒管状体内を浮上させることで、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすことができる掘削装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る掘削装置２は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体３と、前記円筒管状体３内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体５と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体と、
前記円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体と、を有することを特徴とする掘削装置。

【請求項2】

前記円筒管状体の地盤に穿入される方の一方の端部側には、地盤に穿入されるシュー部材が設けられており、
前記円筒管状体の他方の端部側には、気体又は／及び流体の流路が形成されたサンプラーヘッドが設けられることを特徴とする請求項１に記載の掘削装置。

【請求項3】

前記円筒管状体の地盤に穿入される方の一方の端部側には、地盤を掘削するビット部材が設けられており、
地盤面に対して、高比重流体の液位が一定に保たれるように、高比重流体を供給する高比重流体供給部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の掘削装置。

【請求項4】

高比重流体には、低融点金属、重金属、又は低融点金属、重金属を含む化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属又は／及び化合物が少なくとも含まれ、油脂、熱可塑性樹脂からなる群から選ばれる１種以上の有機化合物が含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の掘削装置。

【請求項5】

円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体を充填する工程と、
長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、前記円筒管状体を地盤に穿入する工程と、を有することを特徴とする掘削方法。

【請求項6】

円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体を充填する工程と、
前記円筒管状体一方の端部側に設けられたビット部材により、前記円筒管状体を地盤に穿入する工程と、
地盤面に対して、高比重流体の液位が一定に保たれるように、高比重流体を供給する工程と、を有することを特徴とする掘削方法。

【請求項7】

高比重流体には、低融点金属、重金属、又は低融点金属、重金属を含む化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属又は／及び化合物が少なくとも含まれ、油脂、熱可塑性樹脂からなる群から選ばれる１種以上の有機化合物が含まれることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の掘削方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地盤材料の採取や、削孔に好適に用い得る掘削装置及び掘削方法に関する。

【背景技術】

【0002】

地震時に液状化を生じるような緩い砂地盤について、その地盤特性を評価するために地盤試料を採取する場合、一般的に地盤工学会が規定する固定ピストン式シンウォールチューブサンプラーやトリプルチューブサンプラー等のチューブサンプリング法が用いられるが、これらの手法では地盤を乱してしまうことがある。

【0003】

地盤を乱すことなく地盤試料を採取するために、例えば、特許文献１（特開昭６０－１００７３７号公報）では地盤を予め凍結させてから採取する手法が提案されている。特許文献１に開示されている手法では、地盤を広範囲に凍結させることが必要となるため、地盤試料を採取するために多大なコストを要する、という問題がある。そこで、特許文献２（特開２０２０－２００７２５号公報）において、発明者は地盤に対してセルフボーリングで凍結管を挿入し、挿入後、凍結管周囲の地盤を凍結させて凍結管とともに引き抜き回収する方法を提案した。

【特許文献1】特開昭６０－１００７３７号公報

【特許文献2】特開２０２０－２００７２５号公報

【特許文献3】特開２００４－０４５３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の特許文献２記載の従来技術では、凍結管の先端にシューと呼ばれる鋭利な円筒形の部品を取り付けた構造になっている。シューは内面にテーパー構造を有しており、凍結管を地盤に挿入した際の土砂（掘削土）は全てシューの内側に取り込まれる。シューから凍結管内に取り込まれた掘削土は、凍結管先端部の掘削流体吐出口から水流によってほぐされ、凍結管中央部の排水管１５を通じて排土される構造になっている。

【0005】

しかしながら、このような水流を用いた排土の方法では過度な水圧で地盤を乱したり、逆に水圧が不足し凍結管先端部を土砂が閉塞し地盤を大きく乱したりしてしまう、という課題があった。

【0006】

水流で排土を行う際のこのような課題は、特許文献２記載のような凍結管を用いての地盤試料の採取の場合に限定されるものではない。

【0007】

例えば、特許文献３（特開２００４－０４５３０８号公報）では、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れの課題を解決するために掘削土を含む掘削流体を吸引する方式のボーリング方法が提案されている。しかしながら、吸引による排土においても、吸引の際の流速が遅い場合には粗粒な粒子の排出が困難となり粒子が管内で閉塞する可能性がある一方で、吸引力が強すぎると孔底の地下水を吸引することで、地盤を乱してしまう可能性があり、排土を行う際の掘削流体の流速制御が非常に難しい、という課題を有するものであった。

【0008】

掘削流体が地盤を乱すという課題は、チューブサンプリングの手法であるロータリー式二重管サンプラーやロータリー式三重管サンプラーにおいても共通するものである。ロータリー式サンプラーの掘削流体の送水量が過大な場合には地盤試料を乱してしまい、少なすぎる場合には洗浄能力が低下するため、掘削屑が付着したビットが地盤を乱してしまう。さらに、掘削土を排出するための掘削流体の流速が不足する場合、掘削土がサンプラー周囲に沈積することで掘削流体の流れを閉塞し、掘削流体が間欠的に噴出して地盤を乱すことがある。

【0009】

掘削流体にボーリング掘削用の増粘剤や加重剤を添加した場合でも、ある程度の流速が無ければ粗粒な粒子は排出することができないため、掘削流体の制御が困難な事には変わりはなく、逆に粘性によって管内抵抗が大きくなるため地上からの流量制御がさらに難しくなる問題もある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記のような課題を解決するために、本発明に係る掘削装置は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体と、前記円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体と、を有することを特徴とする。

【0011】

また、本発明に係る掘削装置は、前記円筒管状体の地盤に穿入される方の一方の端部側には、地盤に穿入されるシュー部材が設けられており、前記円筒管状体の他方の端部側には、気体又は／及び流体の流路が形成されたサンプラーヘッドが設けられることを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係る掘削装置は、前記円筒管状体の地盤に穿入される方の一方の端部側には、地盤を掘削するビット部材が設けられており、地盤面に対して、高比重流体の液位が一定に保たれるように、高比重流体を供給する高比重流体供給部が設けられることを特徴とする。

【0013】

また、本発明に係る掘削装置は、高比重流体には、低融点金属、重金属、又は低融点金属、重金属を含む化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属又は／及び化合物が少なくとも含まれ、油脂、熱可塑性樹脂からなる群から選ばれる１種以上の有機化合物が含まれることを特徴とする。

【0014】

また、本発明に係る掘削方法は、円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体を充填する工程と、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、前記円筒管状体を地盤に穿入する工程と、を有することを特徴とする。

【0015】

また、本発明に係る掘削方法は、円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体を充填する工程と、前記円筒管状体一方の端部側に設けられたビット部材により、前記円筒管状体を地盤に穿入する工程と、地盤面に対して、高比重流体の液位が一定に保たれるように、高比重流体を供給する工程と、を有することを特徴とする。

【0016】

また、本発明に係る掘削方法は、高比重流体には、低融点金属、重金属、又は低融点金属、重金属を含む化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属又は／及び化合物が少なくとも含まれ、油脂、熱可塑性樹脂からなる群から選ばれる１種以上の有機化合物が含まれることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る掘削装置は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体と、前記円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体と、を有しており、このような本発明に係る掘削装置においては、掘削工程で発生した掘削土を浮力によって円筒管状体内を上昇させて排土することなどが可能となるので、本発明に係る掘削装置によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。

【0018】

また、本発明に係る掘削方法によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る掘削装置２の概念図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る掘削装置の一例であるセルフボーリング式凍結管１を示す図である。

【図3】セルフボーリング式凍結管１におけるシュー部材３３の構成を説明する図である。

【図4】セルフボーリング式凍結管１におけるボトムキャップ部材３８の構成を説明する図である。

【図5】セルフボーリング式凍結管１におけるサンプラーヘッド４０周辺の構成の拡大図である。

【図6】凍結管３０（円筒管状体）に充填されている高比重流体５による排土の様子を示す図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９を示す図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９のメタルクラウン５０の構成を説明する図である。

【図9】本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９の掘削土排出スロープ２２の機能を説明する図である。

【図10】本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９のチェックバルブ８０の構成を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。まず、図１を参照して、本発明に係る掘削装置２の基本的な考え方について説明する。図１において、３は円筒管状体の断面を示している。この円筒管状体３は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入されることが想定されているものである。また、円筒管状体３内には、掘削土Ｐの比重より比重が重い高比重流体５を充填しておく。

【0021】

このような高比重流体５が充填された円筒管状体３を、地盤に穿入させると、掘削土Ｐが発生し高比重流体５と混じり合うが、本発明に係る掘削装置２では、比重が重い高比重流体５により、この掘削土Ｐに対して浮力が付与される。これにより、円筒管状体３内の高比重流体５中を浮上させて排土する。このような本発明に係る掘削装置２においては、従来の排土に用いていた掘削流体を用いる必要がなくなり、掘削流体による地盤の乱れなどの問題が発生することがない。

【0022】

次に、本発明に係る掘削装置の第１実施形態について説明する。図２は本発明の第１実施形態に係る掘削装置の一例であるセルフボーリング式凍結管１を示す図である。図２はセルフボーリング式凍結管１の模式的断面図を示している。

【0023】

第１実施形態に係る掘削装置においては、セルフボーリング式凍結管１を構成する凍結管３０のことを、特許請求の範囲で上位概念的に「円筒管状体」と表現している。円筒管状体である凍結管３０は、地盤試料を採取するために、長手方向が鉛直方向と略平行となるように地盤に穿入されることが想定されているものである。

【0024】

セルフボーリング式凍結管１は、事前に別途ボーリング掘削した穴に凍結管を挿入するプレボーリング式と異なり、凍結管そのものが掘削機能を有しているものである。

【0025】

セルフボーリング式凍結管１によって、地盤を凍結させる部分は液体のＮ₂やアルコール等の冷媒が通過する二重管の内壁となる金属製の凍結内管３１と外壁となる金属製の凍結外管３２によって構成され、この凍結内管３１と凍結外管３２を総合した３0を凍結管と呼称している。

【0026】

凍結管３０における凍結内管３１と凍結外管３２との間には、不図示の冷媒の流路が形成されている。この流路は、凍結管３０の上方から下方に向かう往路と、凍結管３０の下方から上方に向かう復路からなっている。

【0027】

凍結管３０の先端（鉛直下方）には凍結管３０を地盤に穿入させるためのシュー部材３３が取り付けられている。図３はセルフボーリング式凍結管１におけるシュー部材３３の構成を説明する図であり、図３（Ａ）はシュー部材３３の断面図であり、図３（Ｂ）はシュー部材３３の斜視図である。

【0028】

シュー部材３３は、チップ部材３５と、スロート部材３４と、ワイヤー部材３６とで構成されている。チップ部材３５は、セルフボーリング式凍結管１を地盤に穿入する際の最先端となる部材であり、鉛直下方に向けてより肉厚が少なくなるように構成されている。このような鋭利なチップ部材３５を利用して、セルフボーリング式凍結管１は地盤に穿入される。

【0029】

チップ部材３５に連設されているスロート部材３４は、チップ部材３５を通過した地盤材料（掘削土）を凍結管３０内へと導くためのものである。チップ部材３５の対向する内壁面間には、一本のワイヤー部材３６が取り付けられている。このワイヤー部材３６は、地盤材料がチップ部材３５内へと取り込まれる際に、地盤材料を細砕片状に細かくほぐす役割を果たす。本実施形態では、チップ部材３５内に一本のワイヤー部材３６が設けられているが、このようなワイヤー部材３６を二本以上設けるようにしてもよい。また、ワイヤー部材３６に代えて、金属製の棒材を設けるようにしてもよい。

【0030】

ボトムキャップ部材３８は逆円錐台状のコーン部材３９と、コーン部材３９と密着する傾斜を有し、半リング状の２つのリング部材３７とで構成される。図４はセルフボーリング式凍結管１におけるボトムキャップ部材３８の構成を説明する図であり、図４（Ａ）はボトムキャップ部材３８の断面図であり、図４（Ｂ）はボトムキャップ部材３８の斜視図である。

【0031】

リング部材３７は、リング状の部材を縦に２つに分割したような部品から成っている。コーン部材３９は金属材料または樹脂材料または弾性材料により構成することができる。また、リング部材３７は弾性材料により構成することができる。

【0032】

ボトムキャップ部材３８を凍結管３０内にとりつける際には、逆円錐台状のコーン部材３９の小内径側を下向きにして、２つのリング部材３７の上に載せて、一体のボトムキャップ部材３８となす。次に、逆円錐台状のコーン部材３９の大内径側から、ボトムキャップ部材３８を凍結管３０の下方開口から挿入し内嵌させて、凍結内管３１内に固定する。ボトムキャップ部材３７は凍結管３０内に挿入されたコーン部材３９の落下防止の役割も兼ねている。

【0033】

次に、凍結管３０のシュー部材３３が設けられ得ていない方の、上方側の端部について構成について説明する。凍結管３０の上方側の端部においては、サンプラーヘッド４０が設けられている。図５はセルフボーリング式凍結管１におけるサンプラーヘッド４０周辺の構成の拡大図である。サンプラーヘッド４０は、サンプラーヘッド下部４１とサンプラーヘッド上部４２とから構成されている。

【0034】

凍結管３０上端にはサンプラーヘッド下部４１が連結するようにして取り付けられている。サンプラーヘッド下部４１には貫通した縦孔があり、縦孔の上半分は拡孔されており、拡孔底部４４を形成している。拡孔底部４４はテーパー状とされ、下半分の貫通孔４３に連接している。

【0035】

この貫通孔４３は、サンプラーヘッド下部４１を凍結管３０に接続した際には凍結内管３１内に、高比重流体５を注入するための空間として機能する。高比重流体５を注入した後には拡孔底部４４にはチェックボール４５が載置され、サンプラーヘッド上部４２が取り付けられることにより逆止弁４９として機能する。

【0036】

逆止弁４９はセルフボーリング式凍結管１が地盤材料（掘削土）を取り込んだ際に凍結内管３１内の空気や、地下水を排出するための流路４６からボーリング孔内の流体が凍結内管３１内に逆流することを防ぐためのものである。

【0037】

セルフボーリング式凍結管１の凍結機能について説明する。不図示の冷媒生成装置から、ロッドヘッド１６に設けられた冷媒注入口１７より注入された冷媒は、二重管ロッド１５を通過してサンプラーヘッド上部４２に至る。

【0038】

二重管ロッド１５は二重管構造をなしており、注入された冷媒は二重管構造の内空を通過する。二重管ロッド１５を通過した冷媒はサンプラーヘッド上部４２からは冷媒往路中継ホース９を介して冷媒往路接続ブロック１０に供給される。冷媒往路接続ブロック１０から、冷媒は凍結内管３１と凍結外管３２との間隙に注入される。

【0039】

凍結内管３１と凍結外管３２とのの間隙に設けられた流路（不図示）を循環した冷媒は、冷媒復路接続ブロック１１に達し、冷媒復路中継ホース１２を介してサンプラーヘッド上部４２に至る。サンプラーヘッド上部４２から二重管ロッド１５の外空部を通過し、冷媒排出口１８から排出される。

【0040】

ここで、凍結内管３１内にされる充填される高比重流体５について説明する。本明細書においては、高比重流体５は地盤の掘削土の比重より、大きい比重を有する流体として定義する。本発明においては、掘削土の比重より高比重流体５を用いることで、高比重流体５内において掘削土に浮力を付与することで、掘削土を上方に浮上させる。

【0041】

一般的に、掘削土の粒子の比重は、２．５前後であるために、高比重流体５は３より比重が大きい流体とすることが好ましい。このような高比重流体５には、低融点金属（鉛（融点３２７．５℃）およびそれ以下の融点をもつ金属）、重金属（比重が４以上の金属）、又は前記低融点金属、前記重金属を含む化合物からなる群から選ばれる１種以上の金属又は／及び化合物が少なくとも含まれ、油脂（グリセリン、食用油等）、熱可塑性樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン等のプラスチック）からなる群から選ばれる１種以上の有機化合物が含まれるようにすることができる。

【0042】

高比重流体５に用いる低融点金属や重金属の例としては、錫、鉛などがあり得る。高比重流体５に用いる重金属を含む化合物としては、錫と鉛の合金であるはんだを挙げることができる。また、高比重流体５に用いる重金属を含む化合物としては、ポリタングステン酸ナトリウムなどが好適であるが、これに限定されるものではない。

【0043】

上記のような高比重流体５が、凍結管３０（円筒管状体）に充填される効果について説明する。図６は凍結管３０（円筒管状体）に充填されている高比重流体５による排土の様子を示す図である。凍結管３０におけるシュー部材３３が地盤に穿入されると、地盤が掘削されることにより生じる掘削土Ｐがシュー部材３３内へと取り込まれる。シュー部材３３内に取り込まれた掘削土Ｐは、高比重流体５に取り込まれる。掘削土Ｐの比重は、高比重流体５の比重より軽いため、掘削土Ｐに浮力が発生し、高比重流体５中を上昇していく。このように、本発明に係る掘削装置においては、凍結管３０（円筒管状体）内に高比重流体５が充填されているために、掘削土Ｐを浮力によって排土することが可能となる。

【0044】

次に、以上のように構成されるセルフボーリング式凍結管１による地盤試料の採取について説明する。

【0045】

セルフボーリング式凍結管１を用いた採取工程では、まず地盤材料を採取する直上までボーリング孔を掘削し、セルフボーリング式凍結管１を挿入できる状態にする。そこに高比重流体５を封入済みのセルフボーリング式凍結管１に二重管ロッド１５を接続してボーリングマシンなどを用いて静かに孔底直前まで降ろした後、ボトムキャップ部材３８の上端まで孔底に穿入する深度までセルフボーリング式凍結管１を押し込む。

【0046】

この押し込みにより、セルフボーリング式凍結管１から取り込んだ地盤材料がボトムキャップ部材３８のコーン部材３９を押し上げ、ボトムキャップ部材３８が分解して高比重流体５がセルフボーリング式凍結管１内で流下する。流下した高比重流体５が地盤材料と接すると、地盤材料（掘削土）は浮力によって浮上し、凍結内管３１内にとりこまれる。高比重流体５は高い粘性を有するため、地盤材料が含む地下水は高比重流体５と混和し難く、地盤材料の土粒子よりも比重が小さいため、地盤材料の上位に浮上して分離する。

【0047】

セルフボーリング式凍結管１の地盤への挿入が進むにつれて凍結内管３１内の上部の空間Ｓに地盤材料と地下水が溜まり、凍結内管３１内の空気を圧縮し、サンプラーヘッド４０における流路４６から排出される。

【0048】

セルフボーリング式凍結管１を所定の深度まで挿入した後、二重管ロッド１５の上端に凍結内管３１を接地し、冷媒注入口１７から冷媒を注入し凍結管３０周囲の地盤材料を凍結させる。

【0049】

凍結土塊の直径が１０ｃｍ程度になった時点で冷媒の注入を中断し、凍結管３０に凍着した凍結土塊ごとセルフボーリング式凍結管１を回収する。このセルフボーリング式凍結管１と併せて回収した凍結土塊が地盤工学的な試験を行うための試料である。冷媒による凍結工程において、凍結内管３１内の二重管ロッド１５および取り込んだ地盤材料や地下水も凍結され、セルフボーリング式凍結管１とともに回収することができる。回収した高比重流体５は、濾過や比重の再調整を行うことで再利用することができる。

【0050】

以上のような本発明に係る掘削装置（セルフボーリング式凍結管１）は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体（凍結管３０）と、前記円筒管状体（凍結管３０）内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体５と、を有しており、このような本発明に係る掘削装置（セルフボーリング式凍結管１）においては、掘削工程で発生した掘削土を浮力によって円筒管状体（凍結管３０）内を上昇させて排土することなどが可能となるので、本発明に係る掘削装置（セルフボーリング式凍結管１）によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。

【0051】

また、本発明に係る掘削方法によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。

【0052】

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９を示す図である。図７は第２実施形態に係る掘削装置１９の模式的断面図を示している。

【0053】

第２実施形態に係る掘削装置１９においては、掘削ロッド２１のことを、特許請求の範囲で上位概念的に「円筒管状体」と表現している。円筒管状体である掘削ロッド２１は、地盤に穴を掘るために、長手方向が鉛直方向と略平行となるように地盤に穿入されることが想定されているものである。

【0054】

第２実施形態に係る掘削装置１９に、先の実施形態で使用した高比重流体５を用いることで、掘削土に浮力を付与し浮上させて、排土することを特徴としている。第１実施形態に係る掘削装置であるセルフボーリング式凍結管１は円筒管状体（凍結管３０）の周囲の地盤材料を採取することを目的としていた。一方、第２実施形態に係る掘削装置１９は、地盤試料採取の有無に関わらない地盤への削孔を目的とした装置である。

【0055】

掘削装置１９は、地盤を掘削するメタルクラウン５０と、メタルクラウン５０において掘削された掘削土を排土するために用いられる高比重流体５が充填される掘削ロッド２１と、高比重流体５を掘削ロッド２１に供給する高比重流体供給部７０とを有している。掘削動力部９０は不図示の機構により、掘削ロッド２１に回転力と鉛直下方への押し込み力を付与する。

【0056】

図８を参照し、地盤を掘削する先端部であるメタルクラウン５０の構成について説明する。メタルクラウン５０はブレード５１及びビットパイプ５２（ビット部材）から構成されている。 図８（Ａ）はブレード５１を示しており、図８（Ｂ）はビットパイプ５２を示しており、図８（Ｃ）はブレード５１とビットパイプ５２とを一体化してメタルクラウン５０となしたものを示している。いずれの図においても、上方の図は側方より各部材を見たものであり、下方の図は下面より各部材を見たものである。

【0057】

ブレード５１は下面から見ると十字状をなす部材であり、4つの端部５５と、対向する端部５５との間に形成されている凹凸部５４とを有している。ブレード５１は地盤を掘削する先端部分にあたる。ビットパイプ５２は円形断面の孔を掘削する役割を有している。また、メタルクラウン５０を構成するブレード５１はビットパイプ５２による円形断面内の地盤材料を掘削し、高比重流体５と混合させる役割を有する。

【0058】

ビットパイプ５２は下面で見て９０°毎に切り欠き部５６が設けられており、これらの切り欠き部５６にブレード５１の端部が嵌合することにより、図８（Ｃ）に示すメタルクラウン５０となる。また、ビットパイプ５２先端部には、縦方向の複数のスリットを設け、これら複数のスリットには、ビットパイプ５２とは異なる硬度を有する板状の切削チップ５３を取り付ける。

【0059】

掘削ロッド２１には高比重流体５が充填され、メタルクラウン５０で掘削された掘削土を上方に導く役割も有する。掘削ロッド２１は、削孔される孔の深度に応じて適宜連結されて利用される。また、掘削ロッド２１は、掘削動力部９０から伝達される回転と給圧によって、メタルクラウン５０に対して、メタルクラウン５０を地盤に押し込む力を伝達する。

【0060】

最上部の掘削ロッド２１の上に連結されている掘削土排出スロープ２２は、浮力によって掘削ロッド２１内を上昇してきた掘削土を排出する部位である。図９は本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９の掘削土排出スロープ２２の機能を説明する図である。掘削土排出スロープ２２は、周方向に向かうに従って低くなるような傾斜を有している。高比重流体５との比重差により浮力を得て、高比重流体５内を浮上した掘削土Ｐは、図に示すように、掘削土排出スロープ２２から順次排出されていく。

【0061】

高比重流体供給部７０は、掘削ロッド２１に対して高比重流体５を供給する構成である。高比重流体供給部７０は、高比重流体５が貯溜されるファンネル７１を有している。このファンネル７１に貯溜されている高比重流体５が掘削ロッド２１内に供給される。ファンネル７１の下部には、高比重流体供給パイプ７２が内通するように連結されている。また、高比重流体供給パイプ７２の再下端部にはチェックバルブ８０が設けられている。ファンネル７１及び高比重流体供給パイプ７２に取り付けられているヒーター７３は、高比重流体５が流動性を発揮する温度に調整するために加熱するためのものである。

【0062】

ファンネル７１に貯溜されている高比重流体５は、高比重流体供給パイプ７２を通って、チェックバルブ８０から掘削ロッド２１に供給される。図１０は本発明の第２実施形態に係る掘削装置１９のチェックバルブ８０の構成を説明する図である。

【0063】

チェックバルブ８０は、円筒部８２内の空間に高比重流体５よりも低比重な材質によるチェックボール８１とチェックボール８１を付勢するスプリング８５とを有している。また、円筒部８２には、貫通孔８３がいくつか設けられており、円筒部８２内の空間と、円筒部８２外の空間とを連通している。円筒部８２の上方の空間で、高比重流体供給パイプ７２と連通している箇所には、当接面８４が設けられている。この当接面８４には、チェックボール８１が当接・離間して、バルブとして機能することが想定されている。

【0064】

チェックバルブ８０は、掘削ロッド２１内に注入された高比重流体５の液位がチェックバルブ８０に達した場合にチェックボール８１の浮力によって、高比重流体５の供給が停止する構造となっている。図１０（Ａ）は高比重流体５から浮力を受けたチェックボール８１が当接面８４に当接し、チェックバルブ８０が閉じた状態を示している。また、図１０（Ｂ）はチェックボール８１が当接面８４から離間し、高比重流体供給パイプ７２から高比重流体５が流下する、チェックバルブ８０が開いた状態を示している。図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すような２態をチェックバルブ８０がとり得るように、チェックボール８１の比重や、スプリング８５によるチェックボール８１の付勢力・付勢方向が決められる。

【0065】

仮に、高比重流体５を浮上した掘削土の上方から流下すると、掘削土の浮力を低下させ、さらに掘削土とともに流下した高比重流体５が排出されてしまう。そこで、本実施形態においては、ファンネル７１に貯溜された高比重流体５を高比重流体供給パイプ７２によって、掘削ロッド２１内部に供給する構造としている。高比重流体供給パイプ７２の下端に設けられるチェックバルブ８０は、内蔵するチェックボール８１によるバルブによって高比重流体５の液位が常にチェックバルブ８０と略同位となるよう調整する構造となっており、効率的に掘削土を排土することが可能となる。

【0066】

次に、以上のように構成される第２実施形態に係る掘削装置１９による削孔工程について説明する。第２実施形態に係る掘削装置１９を用いた削孔工程では、まずメタルクラウン５０が取り付けられた掘削ロッド２１を地盤に回転穿入させた後に、高比重流体供給部７０から掘削ロッド２１内に高比重流体５を供給し、高比重流体５の液面がチェックバルブ８０と略同位になるまで充填する。

【0067】

高比重流体５の液面がチェックバルブ８０と略同位となると、チェックバルブ８０が閉じてファンネル７１内からの高比重流体５の流下が止まる。これに伴い、ファンネル７１における高比重流体５の液面の低下が停止するが、これを確認した後、掘削動力部９０を再び作動させメタルクラウン５０を回転させて掘削ロッド２１をより深い深度へと穿入させていく。

【0068】

メタルクラウン５０によって削剥された地盤材料は掘削土Ｐ（図７）となり、高比重流体５と混じり合い、浮力によって高比重流体５の液面付近に浮上する。浮上した掘削土が蓄積すると掘削土排出スロープ２２から掘削装置１９外へと排出される（図９）。

【0069】

長深度を掘削するために掘削ロッド２１を継ぎ足す必要がある場合には、掘削動力部９０を停止した後に、掘削土排出スロープ２２と高比重流体供給部７０を一旦とりはずし、掘削ロッド２１を継ぎ足した後に、掘削土排出スロープ２２と高比重流体供給部７０を再設置し、掘削動力部９０を作動させて掘進を継続する。

【0070】

以上、本発明に係る掘削装置は、長手方向が、鉛直方向と略平行となるように、地盤に穿入される円筒管状体と、前記円筒管状体内に充填され、地盤の掘削土の比重より比重が大きい高比重流体と、を有しており、このような本発明に係る掘削装置においては、掘削工程で発生した掘削土を浮力によって円筒管状体内を上昇させて排土することなどが可能となるので、本発明に係る掘削装置によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。

【0071】

また、本発明に係る掘削方法によれば、排土に用いる掘削流体による地盤の乱れをなくすと共に、排土を行う際の掘削流体の流速制御なども不要となる。さらに、高比重流体として低融点金属を用いれば、引力が作用する天体であれば真空や高温環境下でも地盤掘削が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明に係る掘削装置及び掘削方法は、地盤を乱すことなく、地盤材料を取得することなどが可能となり、高いレベルで耐震設計を必要とする重要構造物の地盤調査や、従来採取できなかった脆弱な粒状体を攪乱せずに採取することができ、産業上の利用可能性が大きい。また、本発明に係る掘削方法は真空や高温条件での地盤掘削に応用でき、宇宙産業での利用可能性も考えられる。

【符号の説明】

【0073】

１・・・セルフボーリング式凍結管，２・・・掘削装置，３・・・円筒管状体，５・・・高比重流体，９・・・冷媒往路中継ホース，１０・・・冷媒往路接続ブロック，１１・・・冷媒復路接続ブロック，１２・・・冷媒復路中継ホース，１５・・・二重管ロッド，１６・・・ロッドヘッド，１７・・・冷媒注入口，１８・・・冷媒排出口，１９・・・掘削装置，２１・・・掘削ロッド，２２・・・掘削土排出スロープ，３０・・・凍結管，３１・・・凍結内管，３２・・・凍結外管，３３・・・シュー部材，３４・・・スロート部材，３５・・・チップ部材，３６・・ワイヤー部材，３７・・・リング部材，３８・・・ボトムキャップ部材，３９・・・コーン部材，４０・・・サンプラーヘッド，４１・・・サンプラーヘッド下部，４２・・・サンプラーヘッド上部，４３・・・貫通孔，４４・・・拡孔部，４５・・・チェックボール，４６・・・流路，４９・・・逆止弁，５０・・・メタルクラウン，５１・・・ブレード，５２・・・ビットパイプ，５３・・・切削チップ，５４・・・凹凸部，５５・・・端部，５６・・・切り欠き部，７０・・・高比重流体供給部，７１・・・ファンネル，７２・・・高比重流体供給パイプ，７３・・・ヒーター，８０・・・チェックバルブ，８１・・・チェックボール，８２・・・円筒部，８３・・・貫通孔，８４・・・当接面，８５・・・スプリング，９０・・・掘削動力部，Ｓ・・・空間，Ｐ・・・掘削土

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】