(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-14
(45)【発行日】2024-02-22
(54)【発明の名称】削孔ビット
(51)【国際特許分類】
E21B 10/02 20060101AFI20240215BHJP
【FI】
E21B10/02
(21)【出願番号】P 2020044935
(22)【出願日】2020-03-16
【審査請求日】2023-02-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000168506
【氏名又は名称】鉱研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】増岡 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】山本 肇
(72)【発明者】
【氏名】平塚 裕介
(72)【発明者】
【氏名】久我 俊充
(72)【発明者】
【氏名】奥津 健太郎
【審査官】小林 謙仁
(56)【参考文献】
【文献】特開2001-207771(JP,A)
【文献】実開昭58-036074(JP,U)
【文献】特開2004-084390(JP,A)
【文献】特開2003-172088(JP,A)
【文献】特開2001-288976(JP,A)
【文献】実開平05-087323(JP,U)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
E21B 1/00-49/10
E02D 5/22-5/80
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。
【発明の効果】
【0007】
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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】水平調査ボーリングの概要を示す断面図である。
【
図2】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。
【
図3】(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。
【
図6】(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。
【
図7】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。
【
図8】他の形態に係るアウタービットの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【符号の説明】
【0029】
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