JP5044682B2

JP5044682B2 - 掘削装置および土木施工方法

Info

Publication number: JP5044682B2
Application number: JP2010186767A
Authority: JP
Inventors: セバスチャンバウアー
Original assignee: バウアーマシーネンゲーエムベーハー
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: EP2295645B1; UA98532C2; BRPI1002744A2; US20110048805A1; EP2295645A1; EA017425B1; JP2011047268A; AU2010212434B2; EA201001141A1; PL2295645T3; AU2010212434A1; US8550187B2; CN102002940B; CN102002940A

Description

本発明は、特許請求の範囲請求項１の前文による土木施工のための掘削装置に関する。このようなタイプの掘削装置は、ドリルストリングを回転式に駆動する掘削駆動部と、建設材料を建設材料用ホースからドリルストリングの内部へと送り出す回転フィードスルーとを備え、回転フィードスルーは建設材料用ホースのための第一の配管連結部と、第一の配管連結部に関して回転自在の、ドリルストリングのための第二の配管連結部を有するように設計される。

本発明は、特許請求の範囲請求項１２の前文による土木施工方法にも関する。この方法では、ドリルストリングが掘削駆動部によって回転運動を起こすようになされ、また、第一の配管連結部において建設材料用ホースに連結され、第一の配管連結部に関して回転自在の第二の配管連結部においてはドリルストリングに連結される回転フィードスルーを介して、液体建設材料が少なくとも一時的に建設材料用ホースからドリルストリングの内部へと導入されるようになされている。

一般的な掘削装置は、たとえば特許文献１により知られている。特許文献１に記載されているアースドリル装置は、オーガを回転させ、地中に軸方向に挿入することができる。さらに、供給手段が設置され、これによってコンクリートをオーガの内部に導入し、形成された掘削坑を充填することができる。軸方向に移動可能なオーガの中にコンクリートを導入できるようにするために、供給手段は移動可能なホースラインを有し、このホースラインは、一方で、固定された移送地点において掘削装置に連結され、もう一方で、オーガに連結される。この移動可能なホースラインがあるために、オーガを掘削装置に関して上下に移動させることができる。走行車両に回転自在に固定される状態で連結されたホースラインは、回転フィードスルー、いわゆるフラッシュヘッド(flush head)を介して、オーガに連結される。この回転フィードスルーは、オーガの回転運動を、ホースラインに関して切り離すという目的を果たす。

しかしながら、回転フィードスルーは実際には、無摩擦の状態では動作しないため、回転フィードスルーがあっても、作業中、ごく普通にオーガからホースライン連結部にトルクが伝達される。その場合、ホースラインが折れ曲がったり、掘削駆動部の動作中にオーガや掘削駆動部に巻き付いたりするのを防止するために、ホースライン連結部を、トルクサポートによって移送地点に関して回転自在に固定される状態で取り付けることができる。

しかしながら、このようなトルクサポートは、構造的観点から見ると比較的複雑になりかねず、特に、ドリルストリングが走行車両から高くそびえ立ち、したがってドリルストリングの上端に設置された回転フィードスルーが走行車両のはるか上に位置するときには、その分の距離もトルクサポートで支持しなければならないため、複雑となる。

独国特許第１０２３８１９３Ａ１号

本発明の目的は、一般的な掘削装置と一般的な掘削方法を、ドリルストリング内部への建設材料の供給、より詳しくはコンクリートの供給を特に高い信頼性で行うことが、特に容易な方法で可能となるように改善することである。

上記の目的は、本発明によれば、特許請求の範囲請求項１の特徴を有する掘削装置と、請求項１２の特徴を有する方法によって解決される。掘削装置の好ましい実施形態は、従属請求項に記載される。

本発明による掘削装置は、回転フィードスルーが、第二の配管連結部を第一の配管連結部に関して能動的に回転させる回転装置を有することを特徴とする。

本発明の基本的アイディアは、回転フィードスルーに、回転フィードスルーの２つの連結部を相互に関して能動的に回転できるようにするための駆動手段を備える回転装置を設置する、というものである。特に、この能動的回転装置は、掘削駆動部と同期させて、ドリルストリングが回転しても建設材料用ホースのための配管連結部が常に同じ方向を向くようにすることができ、すなわち、ドリルストリングの回転運動を、本発明による回転装置によって能動的に補償することができる。その結果、建設材料用ホースが折れ曲がったり、あるいはドリルストリングや掘削駆動部に巻き付いたりすることさえ有効に防止でき、それによってコンクリートを高い信頼性で確実に供給できる。同時に、建設材料用ホース連結部の面倒なトルクサポートも不要となるが、これは、能動的回転装置によって、建設材料用ホースの配管連結部の位置を固定された移送地点に合わせることができるからである。

本発明による掘削装置は、好ましくは、アースドリル装置、特にケリーバーを有するＣＦＡ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＦｌｉｇｈｔＡｕｇｅｒ）工法用掘削装置である。回転フィードスルーは、フラッシュヘッドとも呼ばれ、ドリルストリングの上側に、および／またはドリルストリングと同軸的に適当に配置される。回転フィードスルーにより、無回転建設材料用ホースの内部と回転ドリルストリングの内部との間に流体連結を構築することができる。建設材料用ホースからドリルストリングの内部へと導入される建設材料は、特にコンクリートとすることができる。掘削駆動部は、掘削軸を中心として回転式にドリルストリングを駆動する役割を果たし、この場合、回転フィードスルーは駆動軸上に有利に配置される。

掘削駆動部の回転を補償するために、回転装置は、掘削駆動部に対して正反対に同期されることが特に好ましい。これは特に、回転装置が２つの配管連結部を相互に関して、掘削駆動部の回転速度で、ただし反対方向に回転させ、掘削駆動部と回転装置の回転運動が相互に打ち消し合い、建設材料用ホースの配管連結部が、ドリルストリングの回転時でも停止した状態で外側に向かうという点で理解することができる。同期は特に、回転装置、特に関連する駆動モータを、ドリルストリングおよび／または掘削駆動部の回転速度に関するデータに応じて制御する制御手段によって行うことができる。しかしながら、原則として、機械的同期もまた想定される。

基本的に、たとえば、能動的回転装置を、掘削駆動部から供給され、たとえば柔軟シャフトによって回転装置に伝達される機械エネルギーで動作させることが可能である。しかしながら、回転装置は、第二の配管連結部を第一の配管連結部に関して能動的に回転させる少なくとも１つの駆動モータを有することが特に有利である。特に装置を小型化するために、駆動モータは、回転フィードスルーの上方、すなわち原則としてドリルストリングの上側に適切に配置される。

関係する駆動モータは、たとえば油圧モータとすることができ、これは、一般的な掘削装置では通常、いずれにしても油圧エネルギーが利用可能であるからである。しかしながら、駆動モータは、たとえば電気モータであってもよく、これは制御、したがって同期が特に容易であるからである。特に、回転装置の駆動モータとして、サーボモータを設置できる。基本的に、たとえば異なる種類のモータを直列に組み合わせることもできる。

有利な点として、本発明によれば、回転装置のための制御手段、特に電子的制御手段が設けられる。このような制御手段により、たとえば正反対の同期を特に単純な方法で実現することができる。駆動モータを設けた場合、制御手段はこの駆動モータと適切に動作的に連結され、制御手段がたとえば駆動モータの公称回転速度または目標位置を設定することが可能となる。

さらに、ドリルストリングおよび／または掘削駆動部の回転速度および／または回転方向を決定するための回転ピックアップが設置されるのが好ましく、これは制御手段と信号によって接続される。このようにして、制御手段はドリルストリングの状態に関する入力データを受信するため、回転装置をそれぞれ正反対に動作させることができる。回転装置のための制御手段はまた、他の情報源、たとえば掘削駆動部の制御手段からもドリルストリングの状態に関する情報を受け取ることができる。

本発明は、このような掘削装置において特に有利な方法で利用でき、ドリルストリングは特に、掘削駆動部の下方に位置するツール部と、少なくとも部分的に掘削駆動部の上方に位置する延長部を含む複数の部分で設計される。延長ドリルストリングを備えるこのような実施形態において、先行技術で必要とされる建設材料用ホース連結部のためのトルクサポートは、相応の高さまで延ばさなければならず、したがって、その分の作業と労力を要する。しかしながら、本発明によれば、このようなトルクサポートは不要となるため、その作業と労力も省くことができる。

有利な形として、回転フィードスルーは、延長部、特に延長部の上側に配置される。ツール部には、たとえば掘削ツール、特にオーガ、好ましくはいわゆるＣＦＡ工法用オーガを取り付けることができる。

特に、延長部が設けられている場合、ドリルストリングは、掘削深度を大きくするために、掘削駆動部に関して軸方向に移動可能に支持することができる。有利な形としては、延長範囲にわたって、ドリルストリングが掘削駆動部内に支持される。ドリルストリングを能動的に軸方向に移動させるために、適当な駆動装置を設けてもよい。

掘削駆動部を支持構造の上に配置し、支持構造の上に、建設材料用ホースの移送連結部を好ましくは回転自在に固定される方法で配置することが特に有利である。したがって、本実施形態によれば、掘削駆動部と建設材料用ホースの移送連結部は、同じ構造の上に配置され、これによって、建設材料用ホース上の掘削駆動部の回転運動の補償が特に単純な方法で行うことが可能となる。関係する支持構造は、たとえばマストキャリッジとすることができる。このようなマストキャリッジは、マスト上に縦方向に調整可能に支持されることが有利である。場合に応じて、マストを前記支持構造とみなしてもよい。移送連結部は、特に受け継ぎ地点と理解してもよく、この地点で建設材料を建設材料用配管に導入でき、すなわち、建設材料用ホースを建設材料供給装置、特に関連する供給配管に連結できる。

本発明の別の有利な実施形態は、建設材料用ホースのための配管連結部において、回転フィードスルーが肘継手を有することにある。その結果、回転フィードスルーが取り付けられている場合、必ず建設材料用ホースのための配管連結部が地面に面する、あるいは少なくとも、建設材料用ホースが折れ曲がらずに配管連結部から自由に垂れ下がることができる側に向かう。特に、建設材料用ホースのための配管連結部は、ドリルストリングのための配管連結部に対して軸方向に平行に配置されることが有利であり、これによって、特に信頼性の高い方法で利用できる回転フィードスルーが得られる。このために、肘継手の弧の角度は少なくとも約１８０°であることが好ましい。

さらに、建設材料用ホースは、建設材料用ホースのための配管連結部から、および／または移送連結部から自由に垂れ下がることが特に有利である。さらに、建設材料用ホースは、単純に建設材料用ホース端部に固定され、２つの端部の間の領域で保持および／または支持されないように、すなわち自由に垂れ下がるようにすることができる。本発明によれば、能動的回転フィードスルーにより、回転フィードスルーの建設材料用ホース配管連結部は常に移送連結部に関して同じ角度位置に位置付けられることから、建設材料用ホースの両端の間の建設材料用ホースの支持、より詳しくはトルクサポートが不要となる。

さらに、駆動モータは、回転フィードスルーの上のドリルストリングのための配管連結部の上方に好ましく配置されることが有益である。その結果、装置を特に小型化できる。たとえば、駆動モータの駆動シャフトが、ドリルストリングと掘削軸に対して少なくとも略平行に配置されるようにすることができる。

本発明の別の好ましい実施形態は、第一の配管連結部、すなわち建設材料用ホースのための連結部の上、あるいは第二の配管連結部、すなわちドリルストリングのための連結部の上に、別の回転フィードスルーを連結することにある。このような第二の回転フィードスルーにより、たとえば故障した場合等に、第一の能動的回転フィードスルーを十分な精度で能動的に同期させることができないときでも、建設材料用ホースが過負荷の状態にならないようにすることができる。したがって、意図的か意図的でないかを問わず、ドリルストリングの回転が第一の回転フィードスルーによって一部しか補償されない場合、回転するドリルストリングと回転しない建設材料用ホースの配管連結部の間に残る回転のずれは、第二の回転フィードスルーによって解消される。好ましくは、別の回転フィードスルーは受動的に設計され、第一の回転フィードスルーと異なり、能動的回転装置を持たない。特に、２つの回転フィードスルーは、同軸的に配置することができる。別の回転フィードスルーを設ける代わりに、またはそれに加えて、第一の能動的回転フィードスルーには、建設材料用ホースを保護するために、２つの配管連結部の間にスリップカプリングを設けてもよい。

本発明による方法は、特に、本発明による掘削装置によって実行することができる。この方法は、第二の配管連結部を第一の配管連結部に関して能動的に回転させる回転装置が設置され、これによって、回転装置が掘削駆動部と正反対に同期して動作されることを特徴とする。その結果、ドリルストリングの回転は建設材料用ホース配管連結部において補償される。

以下に、本発明を、添付の図面に概略的に描かれた好ましい実施形態によって詳細に説明する。図１−３は、本発明による掘削装置の実施形態を示す。

土木施工を行うための掘削装置において、簡便な構成でドリルストリング内部への建設材料の供給を高い信頼性で行うことができる。

本発明による掘削装置の側面図である。図１の掘削装置の、反対側から見た回転フィードスルー部分の詳細図である。図１の掘削装置の、前面から見た回転フィードスルー部分の詳細図である。

図１に示されるように、アースオーガとして設計された掘削装置は、無限軌道走行台車として設計された車台７１を有する。車台７１の前部に、マスト７２が配置され、これは、少なくとも掘削作業中、通常、少なくとも略鉛直に移動する。マスト７２に、マストキャリッジ４０が縦方向に移動可能に支持される。このマストキャリッジ４０には、ドリルストリング１を回転式に駆動する掘削駆動部１０が設置される。

ドリルストリング１は、掘削駆動部１０の下に延びるツール部２を有し、そこにオーガ９がツールとして配置される。ドリルストリングは、ツール部２の上方に延長部３を有する。この延長部３の範囲にわたり、ドリルストリング１は掘削駆動部１０を通じて案内される。延長部３はいわゆるケリーバーとして設計され、その外部にドリルストリング１の縦方向に延びる側面ストリップ(profile strip)７５が配置されている。これらの側面ストリップ７５により、掘削駆動部１０からドリルストリング１の延長部３まで、フォームロッキング方式にトルクが伝達され、その際、同時にドリルストリング１も掘削駆動部１０に関して縦方向に移動できる。

さらに、この掘削装置は建設材料用ホース６を備え、これを用いて、建設材料、特にコンクリート等の硬化性建設材料をドリルストリング１の内部に導入することができる。建設材料は、ドリルストリングの内部から、ドリルストリング１の底に配置された少なくとも１つの開口部７９を通じて排出される。この装置により、ドリルストリング１で地中に形成される掘削坑に、建設材料を充填することができる。

建設材料用ホース６は、その一端で移送連結部５０に連結される。この地点で、建設材料を、たとえば輸送装置から建設材料用ホース６の中に移送することができる。移送連結部５０は、マストキャリッジ４０に回転自在に固定され、軸方向に固定されるように設置される。これと反対側の上端において、建設材料用ホース６は、ドリルストリング１の上端に配置された配管連結部２１に連結される。この地点で、建設材料を建設材料用ホース６からドリルストリングの内部に導入することができる。

移送連結部５０は、マストキャリッジ４０の上に少なくとも略鉛直に延びる支柱５１を介して保持される、略水平に延びる供給管部品(feed pipe piece)５３の端に設けられように設計される。供給管部品５３とその移送連結部５０は、支柱５１を介して、マストキャリッジ４０に回転自在に固定され、軸方向に固定されるように結合される。供給管部品５３とその移送連結部５０は、マストキャリッジ４０の上方および掘削駆動部１０の上方に位置付けられる。供給管部品５３の、移送連結部５０と反対側の端には別の連結部５４があり、ここに、たとえば供給ホースまたは硬質供給管を連結でき、それが建設材料ポンプに結合される。

建設材料用ホース６の移送連結部５０、建設材料用ホース６の配管連結部２１、および別の連結部５４は下向き、すなわち地面に向かう掘削軸の方向に面し、建設材料用ホースを折り曲げずにそこに連結することができる。

建設材料用ホース６を柔軟に設計することにより、ドリルストリング１が掘削駆動部１０および、したがってマストキャリッジ４０に関して移動する間の配管連結部２１と移送連結部５０との距離の変化を補償することが可能となる。

建設材料用ホース６は、本発明によれば、回転フィードスルー２０を介してドリルストリング１に結合され、これを図２，３に詳細に示す。回転フィードスルー２０は、ドリルストリング１の上端に配置され、その回転軸は、掘削軸と同軸方向、すなわち、ドリルストリング１と同軸方向に延びる。

図２，３に具体的に示されるように、本発明による回転フィードスルー２０は、能動的回転装置３０を備える能動的回転フィードスルーとして設計され、この場合、回転装置３０は、駆動モータ３２と、駆動モータ３２により作動可能な歯車伝動装置３３を有する。駆動モータ３２およびこれに関連づけられる歯車伝動装置３３により、建設材料用ホース６が回転自在に固定されるように配置されている第一の配管連結部２１を、掘削軸を中心として、回転フィードスルー２０が特に回転自在に固定されるように連結されている第二の配管連結部２２に関して回転させることができる。

特に小型の装置とするために、駆動モータ３２を、ドリルストリング１の配管連結部２２の上方かつ歯車伝動装置３３の上方に配置する。駆動モータ３２には操作および制御管３５が接続され、これらが車台７１に至る。

本発明による方法において、回転フィードスルー２０は、掘削駆動部１０に関して反対に同期して作動される。その中で、駆動モータ３２は、２つの配管連結部２１，２２の相互に対する相対的回転運動を能動的に起こさせ、その回転は掘削駆動部１０と比べて、回転速度は同じであるが、回転方向は逆である。したがって、回転フィードスルー２０は掘削駆動部１０によって起されるドリルストリング１の回転を補償するため、建設材料用ホース６の配管連結部２１は常に同じ方向を向き、掘削駆動部１０がドリルストリング１および、したがって第二の配管連結部２２を回転式に動作させたとしても回転しない。

上記のような反対の同期を実現するために、図１に概略が示される制御手段３９が設けられ、これは回転装置３０および、特にその駆動モータ３２またはその歯車伝動装置３３に動作的に接続される。さらに、この制御手段３９は回転ピックアップ３８と信号によって接続されており、この回転ピックアップ３８はマストキャリッジ４０に関する、したがって車台７１に関するドリルストリング１の回転を検出する。回転ピックアップ３８は、制御手段３９のための入力値を供給する。

ドリルストリング１の配管連結部２２の範囲にわたり、別の回転フィードスルー７０を設け、その時点で残っているドリルストリング１と建設材料用ホース６の回転位置のずれを解消できるようにすることができる。

回転フィードスルー２０は肘継手６０を有し、これによって管は約１８０°屈曲する。この肘継手６０の端に、建設材料用ホース６の配管連結部２１が設けられる。肘継手によって、建設材料用ホース６の配管連結部２１は、下向きになるように配置されるため、連結される建設材料用ホース６がこの地点で折れ曲がらず延びることができる。

１ドリルストリング、２ツール部、３延長部、６建設材料用ホース、９オーガ、１０掘削駆動部、２０回転フィードスルー、２１，２２配管連結部、３０回転装置、３２駆動モータ、３３歯車伝動装置、３５制御管、３８回転ピックアップ、３９制御手段、４０マストキャリッジ、５０移送連結部、５１支柱、５３供給管部品、５４連結部、６０肘継手、７０回転フィードスルー、７１車台、７２マスト、７５側面ストリップ、７９開口部。

Claims

ドリルストリングを回転式に駆動する掘削駆動部と、
建設材料を建設材料用ホースから前記ドリルストリングの内部に送り出す回転フィードスルーであって、前記建設材料用ホースのための第一の配管連結部と、前記第一の配管連結部に関して回転自在の、前記ドリルストリングのための第二の配管連結部を有する回転フィードスルーと、
を備える土木施工のための掘削装置において、
前記回転フィードスルーは、前記第二の配管連結部を前記第一の配管連結部に関して能動的に回転させるための回転装置を有することを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記掘削駆動部の回転を補償するために、前記回転装置は、前記掘削駆動部の正反対に同期されることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記回転装置は、前記第二の配管連結部を、前記第一の配管連結部に関して能動的に回転させるための少なくとも１つの駆動モータを有することを特徴とする掘削装置。
請求項３に記載の掘削装置であって、
前記駆動モータは電気モータまたは油圧モータであることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記回転装置のための制御手段が設置され、
前記ドリルストリングの回転速度および／または回転方向を決定するための、前記制御手段に信号で接続される回転ピックアップが設置されていることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記ドリルストリングは、前記掘削駆動部の下方に延びるツール部と、少なくとも一部が前記掘削駆動部の上方に延びる延長部を有するように設計され、
前記回転フィードスルーは、前記延長部に配置され、
前記ツール部にオーガが設置されていることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記掘削駆動部は、支持構造、特にマストキャリッジの上に配置され、前記支持構造の上に前記建設材料用ホースのための移送連結部が配置されていることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記建設材料用ホースのための前記配管連結部の上で、前記回転フィードスルーが肘継手を有し、
前記建設材料用ホースのための前記配管連結部は、前記ドリルストリングのための前記配管連部に対して軸方向に平行に配置されることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記建設材料用ホースが、前記建設材料用ホースのための前記配管連結部から自由に垂れ下がることを特徴とする掘削装置
請求項３に記載の掘削装置であって、
前記駆動モータは、前記回転フィードスルーに取り付けられた前記ドリルストリングのための前記配管連結部の上方に配置されることを特徴とする掘削装置。
請求項１に記載の掘削装置であって、
前記第一の配管連結部または前記第二の配管連結部の上に、別の回転フィードスルーが連結され、および／または
前記回転フィードスルーは、前記２つの配管連結部の間にスリップカプリングを有することを特徴とする掘削装置。
特に請求項１による掘削装置によって土木施工を行う方法であって、
ドリルストリングは、掘削駆動部によって回転運動され、
第一の配管連結部において建設材料用ホースに連結され、第二の配管連結部において、前記第一の配管連結部に関して回転自在に前記ドリルストリングに連結された回転フィードスルーを介して、液体建設材料が、少なくとも一時的に前記建設材料用ホースから前記ドリルストリングの内部に導入され、
前記第二の配管連結部を、前記第一の配管連結部に関して能動的に回転させる回転装置が設置され、
前記回転装置は前記掘削駆動部と正反対に同期して作動される
ことを特徴とする方法。