7585156 ボーリング装置

(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】2024-11-08

(45)【発行日】2024-11-18

(54)【発明の名称】ボーリング装置

(51)【国際特許分類】

   E21B 3/02 20060101AFI20241111BHJP

   E21B 25/00 20060101ALI20241111BHJP

【ＦＩ】

E21B3/02 B

E21B25/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021123623

(22)【出願日】2021-07-28

(65)【公開番号】P2023019131

(43)【公開日】2023-02-09

【審査請求日】2023-12-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】599112113

【氏名又は名称】株式会社東亜利根ボーリング

(73)【特許権者】

【識別番号】390002233

【氏名又は名称】ケミカルグラウト株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390036504

【氏名又は名称】日特建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡山 誠

(72)【発明者】

【氏名】大内 斉

(72)【発明者】

【氏名】林 健二

(72)【発明者】

【氏名】松本 孝矢

(72)【発明者】

【氏名】山下 誠

(72)【発明者】

【氏名】中澤 宏介

(72)【発明者】

【氏名】高橋 公則

(72)【発明者】

【氏名】粂川 政則

(72)【発明者】

【氏名】三上 雄一

(72)【発明者】

【氏名】中島 雅和

(72)【発明者】

【氏名】古賀 健一郎

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２０６９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３３６７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６７７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５４－０３４３０１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｂ １／００－４９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

削孔ロッドと、
前記削孔ロッドに回転力を付加して、前記削孔ロッドを回転駆動する回転駆動機構と、
前記削孔ロッドにその軸方向に沿って送り力を付加して、前記削孔ロッドを直線駆動する直線駆動機構と、
前記削孔ロッドが直線運動する送り速度を検知する送り速度検知部と、
前記回転駆動機構及び前記直線駆動機構の作動を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記削孔ロッドが前進する前記送り速度が所定の速度基準値を下回る場合には、前記送り力を増加させるように前記直線駆動機構を制御する速度制御を行うと共に、前記削孔ロッドの前記送り力が送り力上限閾値を上回ると、前記削孔ロッドの回転数を増加させるように前記回転駆動機構を制御する回復制御を行い、
前記削孔ロッドの前記送り力に基づいて地盤の硬軟を判定し、
前記コントローラによって判定された硬軟の程度に応じて前記速度基準値及び前記送り力上限閾値の少なくとも一方が更新される、
ボーリング装置。

【請求項2】

前記コントローラは、前記削孔ロッドの前記送り速度と前記速度基準値との偏差に基づいて前記直線駆動機構をフィードバック制御することによって前記速度制御を実行する、
請求項１に記載のボーリング装置。

【請求項3】

前記削孔ロッドに取り付けられるコアバーレルと、
前記コアバーレルの先端に送水する送水ユニットと、をさらに備え、
前記コントローラは、判定した硬軟の程度に応じて前記送水ユニットの送水量を制御する、
請求項１又は２に記載のボーリング装置。

【請求項4】

削孔ロッドと、
前記削孔ロッドに回転力を付加して、前記削孔ロッドを回転駆動する回転駆動機構と、
前記削孔ロッドにその軸方向に沿って送り力を付加して、前記削孔ロッドを直線駆動する直線駆動機構と、
前記削孔ロッドが直線運動する送り速度を検知する送り速度検知部と、
前記回転駆動機構及び前記直線駆動機構の作動を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記削孔ロッドが前進する前記送り速度が所定の速度基準値を下回る場合には、前記削孔ロッドの前記送り力と回転数とを増加させるように前記直線駆動機構及び前記回転駆動機構を制御する回復制御を行い、
前記削孔ロッドの前記送り力に基づいて地盤の硬軟を判定し、
前記コントローラによって判定された硬軟の程度に応じて前記速度基準値が更新される、
ボーリング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボーリング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ボーリング装置としては、たとえば、特許文献１に開示されるものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－２７８０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されるようなボーリング装置には、作業者の技能と経験の違いによる作業効率及び精度のばらつきを抑制するために、自動化のニーズがある。特に、削孔ロッドによって地盤を削孔する送り速度を一定の範囲内で制御することが求められる。これに対し、一定の力で地盤に対して削孔したとしても、地盤の状況によって送り速度が異なってしまい、送り速度を安定させることは困難である。

【0005】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、削孔ロッドの送り速度を精度よく制御可能なボーリング装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、ボーリング装置であって、削孔ロッドと、削孔ロッドに回転力を付加して、削孔ロッドを回転駆動する回転駆動機構と、削孔ロッドにその軸方向に沿って送り力を付加して、削孔ロッドを直線駆動する直線駆動機構と、削孔ロッドが直線運動する送り速度を検知する送り速度検知部と、回転駆動機構及び直線駆動機構の作動を制御するコントローラと、を備え、コントローラは、削孔ロッドが前進する送り速度が所定の速度基準値を下回る場合には、送り力を増加させるように直線駆動機構を制御する速度制御を行うと共に、削孔ロッドの送り力が送り力上限閾値を上回ると、削孔ロッドの回転数を増加させるように回転駆動機構を制御する回復制御を行い、削孔ロッドの送り力に基づいて地盤の硬軟を判定し、コントローラによって判定された硬軟の程度に応じて速度基準値及び送り力上限閾値の少なくとも一方が更新されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、削孔ロッドの送り速度を精度よく制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係るボーリング装置の構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係るボーリング装置の各構成を示すブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係るボーリング装置の制御を説明するためのフローチャート図である。

【図4】本発明の実施形態に係るボーリング装置の再削孔制御を説明するためのフローチャート図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態に係るボーリング装置１００について、図面を参照して説明する。ボーリング装置１００は、試料（コア）の回収を行わずに地盤Ｇを削孔するノンコアボーリングを行う装置である。なお、ボーリング装置１００は、ノンコアボーリングを行うものに限られず、試料を採取するコアボーリング（オールコアボーリング）を行う装置でもよい。

【0010】

ボーリング装置１００は、図１及び図２に示すように、地盤Ｇを削孔する削孔ロッド１０と、削孔ロッド１０を回転駆動する回転駆動機構３０と、削孔ロッド１０をその軸方向に沿って直線駆動する直線駆動機構４０と、削孔ロッド１０の先端に対して送水するための送水ユニット５０と、ボーリング装置１００の作動を制御するコントローラ６０と、ボーリング装置１００の作動のために作業者によって操作される操作器７０と、を備える。

【0011】

削孔ロッド１０は、中空部を有する筒状であり、複数のロッド部材が軸方向に連結されることにより構成される。図１に示すように、削孔ロッド１０は、その上部がチャック１２によって把持され、チャック１２を介して回転駆動機構３０に連結される。削孔ロッド１０の下部には、コアバーレル１４が取り付けられる。コアバーレル１４の下端には、地盤Ｇを掘削するビット１６が設けられる。

【0012】

回転駆動機構３０は、原動機としての電動モータ３１と、電動モータ３１によって回転駆動されるスピンドル３２と、を有する。スピンドル３２は、チャック１２を介して削孔ロッド１０と共に回転するように削孔ロッド１０に連結される。

【0013】

電動モータ３１は、コントローラ６０から送信される制御指令信号（電流値、電圧値、周波数）によって回転数や回転力（トルク）等の作動が制御される。電動モータ３１の回転は、図示しない伝達機構を介してスピンドル３２に伝達される。よって、チャック１２によってスピンドル３２に連結される削孔ロッド１０は、スピンドル３２を介して電動モータ３１により回転駆動される。なお、原動機は、電動モータ３１に限定されず、油圧モータ等の他のモータや、エンジンなどであってもよい。

【0014】

直線駆動機構４０は、スピンドル３２、回転駆動機構３０及び削孔ロッド１０を鉛直上下方向に沿って直線移動する油圧シリンダ４１（直線駆動部）を有する。なお、直線駆動部は、油圧シリンダ４１に限定されず、その他の流体圧シリンダ、電動モータ３１とボールねじとを有する直動機構、又はリニアアクチュエータ等であってもよい。

【0015】

油圧シリンダ４１は、油圧制御装置（図示省略）の油圧ポンプから供給される油圧によって駆動される。油圧制御装置は、コントローラ６０からの制御指令信号によって削孔ロッド１０（及びビット１６）に付加される荷重（送り力Ｆ）等の作動が制御される。油圧シリンダ４１は、ブラケット部材４５を介して回転駆動機構３０及び削孔ロッド１０を鉛直上下方向に沿って移動させる。

【0016】

送水ユニット５０は、削孔ロッド１０の先端に送水する送水ポンプ５１と、送水ポンプ５１が吐出する水を削孔ロッド１０の先端に導く送水ライン５２と、送水ポンプ５１が送水する水を貯留するタンク５３と、削孔ロッド１０の先端からビット１６を介して排出された削孔水と削孔スライムとを排水ライン５６を通じて回収する排水ポンプ５５と、排出された削孔水と削孔スライムを回収して貯留する排水タンク５７と、を有する。

【0017】

詳細な図示は省略するが、送水ライン５２は、配管パイプ又はホースによって構成され、削孔ロッド１０の中空部に挿入されて削孔ロッド１０の先端に臨んで設けられる。送水ポンプ５１から吐出された水は、送水ライン５２を通じてコアバーレル１４の先端に供給される。

【0018】

排水ポンプ５５は、送水ライン５２を通じてコアバーレル１４の先端に送水された水を、削孔ロッド１０の外周と削孔した孔の内周との間の環状の隙間を通じて排出する。

【0019】

図２に示すように、ボーリング装置１００は、スピンドル３２の回転速度を検出する回転速度センサ８０（回転速度検知部）と、削孔ロッド１０の移動方向（鉛直方向）における削孔ロッド１０の位置を検出する変位センサ８１（送り速度検知部）と、地盤Ｇに対して削孔ロッド１０を掘進させる力である送り力Ｆを検出する荷重センサ８２（送り力検知部）と、送水ユニット５０の送水ポンプ５１からの送水される水の送水圧を検出する圧力センサ８３（送水圧検知部）と、送水ポンプ５１からの送水量を検出する流量センサ８４（送水量検知部）と、ボーリング装置１００に生じる振動を検出する加速度センサ８５（振動検知部）と、をさらに備える。回転速度センサ８０、変位センサ８１、荷重センサ８２、圧力センサ８３、流量センサ８４、及び加速度センサ８５の検出結果は、コントローラ６０に入力される。

【0020】

コントローラ６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは接続された機器との情報の入出力に使用される。コントローラ６０は、少なくとも、本実施形態に係る制御を実行するために必要な処理を実行可能にプログラムされている。なお、コントローラ６０は一つの装置として構成されていても良いし、複数の装置に分けられ、各制御を当該複数の装置で分散処理するように構成されていてもよい。

【0021】

回転駆動機構３０、直線駆動機構４０、及び送水ユニット５０の作動は、コントローラ６０によって制御される。

【0022】

操作器７０は、作業者の操作入力を受け付ける入力部７１と、画像を表示する表示部７２と、を有する。作業者は、操作器７０の入力部７１を通じてボーリング装置１００の操作や作動条件の設定を行う。表示部７２は、設定された作動条件や、ボーリング装置１００の現在の作動状態等を表示する。

【0023】

コントローラ６０には、操作器７０を通じてボーリング装置１００による掘削条件が作業者によって入力される。掘削条件には、後述する削孔ロッド１０の目標速度Ｖｔ及び掘削の目標値である目標深度が少なくとも含まれる。なお、本実施形態では、掘削条件には、後述する送り力Ｆの上限値である送り力上限閾値Ｆｕ、送水ユニット５０による水の送水量の下限値である送水量下限閾値、水の送水圧力の上限値である送水圧上限閾値もさらに含まれる。

【0024】

コントローラ６０は、変位センサ８１の検出結果に基づいて、削孔ロッド１０の移動速度を算出する。なお、移動速度とは、削孔ロッド１０が地盤Ｇを掘進する（地盤Ｇに対して前進する）速度である送り速度と、削孔ロッド１０が地盤Ｇから引き上げられる（地盤Ｇに対して後退する）速度である引き上げ速度と、を含むものである。

【0025】

次にボーリング装置１００の作用について説明する。

【0026】

ボーリング装置１００によるノンコアボーリングでは、コアバーレル１４と共に削孔ロッド１０を回転させ、地盤Ｇに向けて移動させる。そして、送水ユニット５０の送水ポンプ５１によってコアバーレル１４の先端に水を供給しながら、コアバーレル１４の先端のビット１６によって地盤Ｇを削孔し、削孔ロッド１０を地盤Ｇに対して掘進させる。ノンコアボーリングでは、メタルクラウンもしくはシングルダイヤモンドビット等のビット１６に１．５～２．０ｍ程度のコアバーレル１４を使用して行う。ボーリング装置１００は、１ステージ（通常５ｍ）をコアバーレル１４内に充填されるサンプル（試料）の回収なしで削孔する。ノンコアボーリングでは、サンプル（試料）は粉砕され、粉砕された削孔スライムが地上部へ排出されながら削孔される。このように、ノンコアボーリングでは、サンプル（試料）の回収なしで削孔することができる。

【0027】

なお、ボーリング装置１００は、コアを採取するコアボーリングを行うものでもよい。ボーリング装置１００によるコアの採取を伴うコアボーリングでは、削孔ロッド１０の掘進に伴い、掘削された地盤Ｇの材料（地盤材料）がサンプル（試料）としてコアバーレル１４内に充填される。コアボーリングにおいても、ノンコアボーリングと同様、送水ユニット５０の送水ポンプ５１によってコアバーレル１４の先端に水を供給しながら地盤Ｇを削孔する。

【0028】

削孔ロッド１０を掘進させてコアバーレル１４内に掘削された地盤材料のサンプル（試料）が充填されたら、コアバーレル１４と共に削孔ロッド１０を後進させて地上に引き上げて、コアバーレル１４内のコアを採取する。コアを採取した後は、削孔ロッド１０を継ぎ足してさらに深い深度まで掘進して、コアを採取する。これらの工程を所定の深度までのコアが採取されるまで繰り返し実行する。以上により、掘削された地盤材料がサンプル（試料）として採取される。

【0029】

次に、ボーリング装置１００の作動の制御について説明する。

【0030】

ボーリング装置１００では、削孔ロッド１０（及びビット１６）が、自動で継続して地盤Ｇを掘進できるように、速度制御、回復制御、負荷制御、及び再削孔制御の４つの制御がコントローラ６０によって実行される。速度制御及び再削孔制御は、直線駆動機構４０に対する制御である。回復制御は、直線駆動機構４０が速度制御によって制御されている状態において、回転駆動機構３０に対して実行される制御である。負荷制御は、直線駆動機構４０及び回転駆動機構３０に対して実行される制御である。

【0031】

速度制御は、削孔ロッド１０の送り速度が所定の速度基準値によって掘進するように直線駆動機構４０を制御するものである。速度制御では、削孔ロッド１０が地盤Ｇに対して前進する速度（以下、「送り速度Ｖ」と称する。）が所定の速度基準値を下回る場合には、送り力Ｆを増加させるように直線駆動機構４０が制御される。反対に、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが速度基準値を上回る場合には、送り力Ｆを低下させるように直線駆動機構４０が制御される。

【0032】

本実施形態では、速度制御は、目標速度Ｖｔを速度基準値とし、削孔ロッド１０の送り速度Ｖと目標速度Ｖｔとの偏差に基づいて直線駆動機構４０を制御するフィードバック制御によって実行される。直線駆動機構４０のフィードバック制御は、ＰＩＤ制御によって実行される。ＰＩＤ制御は、周知の技術を採用できるため、本明細書では、詳細な説明は省略する。

【0033】

回復制御とは、直線駆動機構４０によって発揮される削孔ロッド１０の送り力Ｆが所定の送り力上限閾値Ｆｕを上回った場合に、削孔ロッド１０の回転数Ｒを増加させる制御である。速度制御によって送り力Ｆをそれ以上増加できないような場合であっても、回復制御によって回転数Ｒを増加させることで、地盤Ｇを掘削しやすくなる。このように、速度制御と共に回復制御を実行することで、削孔ロッド１０の送り速度Ｖを容易かつ精度よく目標速度Ｖｔに制御することができる。

【0034】

負荷制御とは、加速度センサ８５によって検出されるボーリング装置１００の振動が所定の大きさ以上となった場合に、振動を抑制するように削孔ロッド１０の送り力Ｆ及び／又は回転数Ｒを制御するものである。このような負荷制御を実行することで、ボーリング装置１００に過剰な負荷がかかることを抑制して、設備を保護することができる。

【0035】

再削孔制御とは、速度制御の実行中において、コア詰まりと呼ばれる現象の発生を検知した場合に実行される制御であって、コア詰まりを解消するような特殊な掘進動作である再削孔動作を行うように削孔ロッド１０の作動を制御するものである。

【0036】

図３及び図４は、コントローラ６０によるボーリング装置１００の制御の手順を示すフローチャートである。以下、図３及び図４を参照して、ボーリング装置１００の制御を具体的に説明する。コントローラ６０は、図３に示す処理を所定の時間間隔によって繰り返し実行する。

【0037】

図３に示すステップＳ１１～Ｓ１３が速度制御に対応する。図３に示すステップＳ１４及びＳ１５が回復制御に対応する。図３に示すステップＳ２０からＳ２５が負荷制御に対応する。図３に示すステップＳ３０及び図４に示すステップＳ３１からステップＳ３３が再削孔制御に対応する。

【0038】

ステップＳ１０では、ボーリング装置１００の作動条件が、制御継続条件を満たしているかを判定する。制御継続条件を満たしている場合は、ステップＳ１０からステップＳ１１に進んで、直線駆動機構４０に対して速度制御を実行する。制御継続条件を満たしていない場合には、ステップＳ１０からステップＳ３０に進んで、直線駆動機構４０に対して再削孔制御を実行する。制御継続条件については、後に説明する。

【0039】

ステップＳ１１では、変位センサ８１から取得した削孔ロッド１０の送り速度Ｖと掘削条件として取得した目標速度Ｖｔとの偏差（送り速度Ｖ－目標速度Ｖｔ）を算出し、偏差の正負を判定する。

【0040】

偏差が正である場合には、ステップＳ１１からステップＳ１２に進み、偏差の大きさ（絶対値）に応じて削孔ロッド１０に付加する送り力Ｆを減少させる。具体的には、直線駆動機構４０への制御指令である電流値の大きさを偏差の大きさに応じて変化させて、直線駆動機構４０により発揮される削孔ロッド１０の送り力Ｆを減少させる。

【0041】

反対に、偏差が負である場合には、ステップＳ１１からステップＳ１３に進み、偏差の大きさに応じて削孔ロッド１０への送り力Ｆを増加させる。具体的には、偏差が正である場合と同様に、直線駆動機構４０への制御指令である電流値の大きさを偏差の大きさに応じて変化させて、直線駆動機構４０により発揮される削孔ロッド１０の送り力Ｆを増加させる。

【0042】

このように、ステップＳ１１からＳ１３にて、フィードバック制御による速度制御が実行されることで、削孔ロッド１０の送り速度Ｖは、目標速度Ｖｔに制御される。

【0043】

速度制御では、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが目標速度Ｖｔを下回ると、送り力Ｆを増加するように直線駆動機構４０が制御されるが、直線駆動機構４０が発揮できる送り力Ｆには限界がある。そこで、送り力Ｆが所定の送り力上限閾値Ｆｕを上回った場合には、削孔ロッド１０の回転数Ｒを増加させるように回転駆動機構３０を制御する回復制御が実行される。これにより、直線駆動機構４０の送り力Ｆをそれ以上増加できない状態でも、送り速度Ｖを増加させて目標速度Ｖｔに近づけることができる。

【0044】

具体的には、ステップＳ１３で送り力Ｆを増加させると、ステップＳ１４にて送り力Ｆが送り力上限閾値Ｆｕを上回っていないかが判定される。送り力Ｆが送り力上限閾値Ｆｕ以下の場合には、後述する負荷制御のステップＳ２０に進む。送り力Ｆが送り力上限閾値Ｆｕを上回っている場合には、ステップＳ１５に進み、回転数Ｒを増加させる回復制御を実行して、ステップＳ２０に進む。

【0045】

このようにして速度制御及び回復制御によって削孔ロッド１０を所望の送り速度で掘進させたとしても、ボーリング装置１００には過剰な負荷が作用している場合があり、この状態で掘進を継続すると設備の耐久性が低下するおそれがある。このため、ボーリング装置１００では、ボーリング装置１００に生じる振動を監視して、振動に応じて設備の負荷を低減する負荷制御が実行される。

【0046】

具体的には、ステップＳ２０において、加速度センサ８５の出力値である加速度ａが、予め定められる加速度閾値ａｔ以上であるかを判定する。加速度ａが加速度閾値ａｔよりも小さい場合には、ボーリング装置１００の負荷は許容範囲内であるとして、そのまま処理を終了する。ステップＳ２０において加速度ａが加速度閾値ａｔ以上であると判定されると、ステップＳ２１に進み、送り力Ｆを所定の大きさ又は割合で減少させるように直線駆動機構４０を制御する。そして再びステップＳ２２において、加速度ａが加速度閾値ａｔ以上であるかを判定する。

【0047】

ステップＳ２２において加速度ａが加速度閾値ａｔよりも小さいと判定されると、そのまま処理を終了する。ステップＳ２２において加速度ａが加速度閾値ａｔ以上であると判定されると、ステップＳ２３進み、回転数Ｒを所定の大きさ又は割合で減少させるように回転駆動機構３０を制御する。そして再びステップＳ２４において、加速度ａが加速度閾値ａｔ以上であるかを判定する。

【0048】

ステップＳ２４において加速度ａが加速度閾値ａｔよりも小さいと判定されると、そのまま処理を終了する。ステップＳ２４において加速度ａが加速度閾値ａｔ以上であると判定されると、ステップＳ２５において削孔ロッド１０の回転を停止するように回転駆動機構３０を制御し、処理を終了する。

【0049】

このように、加速度ａが加速度閾値ａｔよりも大きく、ボーリング装置１００の負荷が大きい場合には、振動を低減するように送り力Ｆ及び回転数Ｒを減少させ、ボーリング装置１００の負荷を低減させる。削孔ロッド１０の送り力Ｆ及び回転数Ｒを減少させても加速度ａが加速度閾値ａｔを下回らない場合には、削孔ロッド１０の回転を一旦停止して削孔を停止させることで、より確実に設備保護が図られる。このようにして削孔ロッド１０の回転を停止した場合には、例えば、回転が停止されたことを作業者に報知し、作業者が作業条件の見直し等を行ってもよい。以上のようにして、設備を保護する負荷制御が実行される。

【0050】

また、ボーリング装置１００による削孔では、上記の速度制御及び回復制御によっても削孔ロッド１０を目標速度Ｖｔにすることができない場合がある。その原因の一つとして、いわゆる「コア詰まり」という現象がある。コア詰まりとは、ビット１６の先端、若しくはコアバーレル１４内に地盤Ｇを掘削した地盤材料が噛み掘進ができなくなる状態である。コア詰まりが発生すると、削孔ロッド１０及びビット１６が予め定められた目標速度Ｖｔや適性速度範囲で掘削を継続することが困難となるので、作業効率の低下を招く。このため、削孔ロッド１０による掘進速度を目標速度Ｖｔに維持して継続させるためには、コア詰まりの発生を事前に検知して、回避する必要がある。

【0051】

そこで、ボーリング装置１００では、コア詰まりの発生を検知すると、削孔ロッド１０の動作の制御（直線駆動機構４０の制御）が、速度制御から、コア詰まりを解消するための再削孔動作を行う再削孔制御へと切り換えられる。

【0052】

具体的には、ステップＳ１０においてコア詰まりの発生が検知される。つまり、ステップＳ１０における制御継続条件は、コア詰まりの発生を検知するための判定条件であり、制御継続条件を充足しない場合にコア詰まりが発生したと判断される。

【0053】

コア詰まりが発生した場合、削孔ロッド１０が掘進できなくなると共に、送水ポンプ５１から削孔ロッド１０の先端へ充分に送水ができなくなる。そこで、本実施形態では、制御継続条件が充足されない状態として、（１）削孔ロッド１０の送り速度Ｖが所定の速度下限閾値を下回る状態が所定時間を超えて継続されている、（２）送水ポンプ５１の送水圧が所定の送水圧上限閾値を上回る状態が所定時間を超えて継続されている、（３）送水ポンプ５１の送水量が所定の送水量下限閾値を下回る状態が所定時間を超えて継続されている、（４）送水ポンプ５１の送水圧が送水圧上限閾値を上回り、かつ、送水ポンプ５１の送水量が送水量下限閾値を下回る状態が、所定時間を超えて継続されている、といった４つの状態が設定される。これらの状態（１）、状態（２）、状態（３）、及び状態（４）のいずれかが検知されると、ボーリング装置１００の制御は、速度制御から再削孔制御に切り換えられ、コア詰まりの解消が図られる。上記の４つの状態のいずれにも該当しない状態が、制御継続条件を充足した状態である。

【0054】

なお、状態（４）を判定する所定時間は、例えば状態（２）及び状態（３）における所定時間より短く設定してもよい。また、状態（４）における送水圧上限閾値及び送水量下限閾値は、それぞれ状態（２）及び状態（３）での値とは異なる値に設定されてもよい。状態（４）は、状態（２）及び状態（３）を満たさないコア詰まりを検知できるように、閾値や判定する所定時間の少なくとも一部を状態（２）や状態（３）とは異なるように設定することが望ましい。

【0055】

以下、図４を参照して、再削孔制御について説明する。

【0056】

図４に示すように、再削孔制御では、まず、ステップＳ３１において切換位置がコントローラ６０に記憶される。切換位置とは、制御継続条件を充足しないと判定されコア詰まりが検知された際の削孔ロッド１０の位置、言い換えると、ボーリング装置１００の制御が速度制御から再削孔制御に切り換えられる際の削孔ロッド１０の位置である。

【0057】

次に、ステップＳ３２において、再削孔動作を行うように直線駆動機構４０を制御する。再削孔動作とは、地盤Ｇに対する削孔ロッド１０の掘進を一旦停止し、短時間の間に所定量だけ後進させて再び掘進させる動作のことである。

【0058】

以下、再削孔動作について具体的に説明する。まず、コア詰まりが検知されると、所定の後進速度によって所定の移動量だけ削孔ロッド１０が切換位置から後進するように直線駆動機構４０が制御される。なお、切換位置から所定の移動量だけ後進した削孔ロッド１０の位置を退避位置とする。次に、削孔ロッド１０を退避位置にて所定時間だけ待機させる。そして、退避位置から所定の再削孔送り力によって削孔ロッド１０を再び前進させる。このような一連の動作が、再削孔動作である。なお、再削孔動作では、退避位置における待機は必須ではなく、退避位置に達すると直ちに削孔ロッド１０を前進させるものでもよい。再削孔動作において、切換位置から後進する速度、後進する移動量、退避位置にて待機する時間、及び再削孔送り力は、操作器７０によって予め設定されるものである。

【0059】

ステップＳ３３において削孔ロッド１０が切換位置を超えて前進したと判定されるまでステップＳ３２の再削孔動作が繰り返し実行される。ステップＳ３３において削孔ロッド１０が切換位置を超えて前進したと判定されると、図４に示す再削孔制御の処理を終了する。つまり、再削孔動作によって削孔ロッド１０が切換位置を超えて地盤Ｇを掘進すると、コア詰まりが解消されたとして、ボーリング装置１００の制御が、再削孔制御から再び速度制御に切り換えられる。

【0060】

このように、所定の再削孔動作によって削孔ロッド１０を移動させることで、コア詰まりした地盤材料を衝撃で振るい落すことができるので、効率的にコア詰まりを解消することができる。衝撃でふるい落とされた地盤材料（サンプルまたは試料）は、ビット１６によって切削され、切削により粉砕された削孔スライムを地上部へ排出しながら再び削孔が行われる。

【0061】

以上のように動作が制御されることによって、ボーリング装置１００は、自動で地盤Ｇを掘進することができる。

【0062】

次に、地盤Ｇの硬軟判定について説明する。コントローラ６０は、直線駆動機構４０を速度制御している状態において、掘進する地盤Ｇの硬軟を削孔ロッド１０の動作に基づいて判定する。判定された硬軟の程度は、コントローラ６０に記憶されると共に、掘削条件の更新に利用される。

【0063】

地盤Ｇの硬軟判定は、削孔ロッド１０の送り力Ｆに基づいて行われる。削孔ロッド１０の送り速度Ｖは、フィードバック制御によって実行される速度制御により、目標速度Ｖｔとなるように制御される。このため、目標速度Ｖｔにするために必要な送り力Ｆを評価することで、掘進する地盤Ｇの硬軟を判定することができる。

【0064】

コントローラ６０は、例えば、図３に示す一連の処理が完了する毎などの所定のタイミングで、削孔ロッド１０の送り力Ｆを取得する。コントローラ６０には、送り力Ｆと地盤Ｇの硬軟の程度との関係が目標速度Ｖｔに応じてマップや関数といった形式で予め記憶される。コントローラ６０は、取得した送り力Ｆと現在の目標速度Ｖｔとの関係から、掘進する地盤Ｇの硬軟の程度を判定する。判定した地盤Ｇの硬軟は、掘削条件等と共にコントローラ６０に記憶される。

【0065】

地盤Ｇの硬軟に応じて更新される掘削条件としては、例えば、速度制御における目標速度Ｖｔ、回復制御における送り力上限閾値Ｆｕ、送水ユニット５０による送水量などがある。地盤Ｇの硬軟に応じて目標速度Ｖｔと送り力上限閾値Ｆｕとの少なくとも一方を更新することで、作業効率を向上させることができる。また、ノンコアボーリング及びコアボーリングのいずれにおいても硬軟判定が行われてもよいが、コアボーリングでは、地盤Ｇの硬軟に応じて送水ユニット５０の送水量を更新することで、コア詰まりの発生を防止すると共にコアの採取率を向上させることができる。このように、地盤Ｇの硬軟の程度に応じて掘削条件を更新することで、掘削する地盤Ｇに対する掘削条件を最適化して作業効率を向上させることができる。

【0066】

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

【0067】

ボーリング装置１００では、送り速度Ｖが目標速度Ｖｔを下回ると送り力Ｆを増加するように直線駆動機構４０が制御されるため、送り速度Ｖを目標速度Ｖｔに近づけることができる。また、送り力Ｆが送り力上限閾値Ｆｕを上回るまで増加すると、削孔ロッド１０の回転数Ｒが増加される。削孔ロッド１０の回転数Ｒを増加させることで、送り力Ｆをそれ以上増加させることが困難になった場合であっても、削孔ロッド１０の掘進量を増加させて送り速度Ｖを増加させることができる。これにより、送り速度Ｖが速度基準値を下回る一方で送り力Ｆを増加させることが困難な場合でも、送り速度Ｖを速度基準値に近づけることができる。したがって、ボーリング装置１００の削孔ロッド１０の送り速度Ｖを精度よく制御することができる。

【0068】

また、ボーリング装置１００では、送り速度Ｖと目標速度Ｖｔとの偏差に基づいて直線駆動機構４０をフィードバック制御することで、速度制御が実行されると共に、削孔ロッド１０の送り力Ｆに基づいて地盤Ｇの硬軟が判定される。このように、削孔ロッド１０は速度制御によって目標速度Ｖｔに制御された状態であるから、削孔ロッド１０の送り力Ｆのみによって地盤Ｇの硬軟を容易に判定することができる。

【0069】

また、ボーリング装置１００では、速度制御によって削孔ロッド１０の送り速度Ｖを目標速度Ｖｔとするように直線駆動機構４０を制御しつつ、コア詰まりが検知されると、コア詰まりを解消するために、直線駆動機構４０の制御が速度制御から再削孔制御に切り換えられる。これにより、ボーリング装置１００によって、自動で継続して地盤Ｇを掘進することができる。

【0070】

次に、上記実施形態の変形例について説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の各実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。また、上記実施形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を適宜省略する。

【0071】

上記実施形態では、速度制御は、削孔ロッド１０の送り速度Ｖと目標速度Ｖｔとの偏差に基づいて直線駆動機構４０をフィードバック制御することによって実行される。これに対し、速度制御は、上記実施形態のようなフィードバック制御に限定されない。速度制御は、少なくとも、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが速度基準値を下回ると、送り速度Ｖを増加するように直線駆動機構４０が制御されるものであればよい。

【0072】

例えば、速度制御は、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが速度基準値を下回ると、所定の量又は割合によって送り速度Ｖが増加するように直線駆動機構４０が制御されるものでもよい。送り力Ｆの変更の度合い（増減量）は、例えば、関数やマップ等の形式によって規定されて予めコントローラ６０に記憶されるように構成すればよい。

【0073】

また、上記実施形態では、速度制御において一つの目標速度Ｖｔを速度基準値として設定したが、これに代えて、例えば、速度基準値として上限速度基準値と下限速度基準値とを設定してもよい。この場合、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが下限速度基準値を下回ると送り速度Ｖを増加させるように、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが上限速度基準値を上回ると送り速度Ｖを減少させるようにして、直線駆動機構４０を制御してもよい。これによれば、削孔ロッド１０の送り速度Ｖは、上限速度基準値と下限速度基準値との間の範囲内となるように制御される。

【0074】

また、上記実施形態では、送り力Ｆが送り力上限閾値Ｆｕを上回ると、削孔ロッド１０の回転数Ｒを増加させる回復制御が実行される。これに対し、送り力下限閾値を設定し、送り力Ｆが送り力下限閾値を下回ると、削孔ロッド１０の回転数Ｒを減少させる回復制御を実行してもよい。

【0075】

また、回復制御は、送り力Ｆと送り力上限閾値Ｆｕ又は送り力下限閾値との大小関係を判定して行うのではなく、速度制御において送り力Ｆを増加又は減少させるのと同時に行ってもよい。つまり、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが速度基準値を下回る場合には、削孔ロッド１０の送り力Ｆと回転数Ｒとを増加させるように直線駆動機構４０及び回転駆動機構３０を制御する速度回復制御を行ってもよい。同様に、削孔ロッド１０の送り速度Ｖが速度基準値を上回る場合には、削孔ロッド１０の送り力Ｆと回転数Ｒとを減少させるように直線駆動機構４０及び回転駆動機構３０を制御する速度回復制御を行ってもよい。

【0076】

また、フィードバック制御による速度制御では、偏差の大きさによって、偏差に対する制御指令の変化の割合（偏差に対する制御指令の感度）が異なるように設定してもよい。例えば、削孔ロッド１０の送り速度Ｖと目標速度Ｖｔとの偏差を、偏差の絶対値が第１偏差量以下であるスロー範囲、絶対値が第１偏差量よりも大きく第２偏差量以下であるミドル範囲、及び絶対値が第２偏差量よりも大きい通常制御範囲の３つに分ける。そして、通常制御範囲における偏差に対する制御指令の割合（単位偏差量当たりの制御指令値の変化量）を基準（１００％）とすると、ミドル範囲ではその割合が１００％よりも小さいＰ１（０％＜Ｐ１＜１００％）、スロー範囲ではその割合がＰ１％よりも小さいＰ２（０％＜Ｐ２＜Ｐ１）とする。つまり、この変形例では、実速度が目標速度Ｖｔに近づくにつれて、速度の変化が緩やかになるように（偏差に対する速度の感度が小さくなるように）制御される。このような変形例によれば、実速度が目標速度Ｖｔを超えて速度変化する、いわゆるオーバシュートの発生を抑制できる。

【0077】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0078】

１００ ボーリング装置
１０ 削孔ロッド
１４ コアバーレル
３０ 回転駆動機構
４０ 直線駆動機構
５１ 送水ポンプ
６０ コントローラ
８０ 回転速度センサ（回転速度検知部）
８１ 変位センサ（送り速度検知部）
８２ 荷重センサ（送り力検知部）
８３ 圧力センサ（送水圧検知部）
８４ 流量センサ（送水量検知部）
８５ 加速度センサ（振動検知部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】