JP6743197B2

JP6743197B2 - 掘削方法及び掘削装置

Info

Publication number: JP6743197B2
Application number: JP2019001869A
Authority: JP
Inventors: 田和夫柴; 広晃森; 山昌市青; 川祐紀谷
Original assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Current assignee: Koken Boring Machine Co Ltd
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: JP2020111900A

Description

本発明は、地中熱交換器設置用井戸等の掘削に用いるため、高速且つ良好なエネルギー効率で地盤削孔を行なうことを可能とする掘削方法及び掘削装置に関する。

高速での削孔を行なうため、回転力に加えてドリルヘッドに打撃力を作用させる掘削が行われる。この掘削ではドリルヘッド上部に油圧ハンマを取り付けることによりドリルヘッドを介してロッドに打撃力を加える構造となっているが、この掘削では、激しい騒音が発生するため周囲環境及び作業環境が悪化する問題がある。
これに対し、ドリルヘッドに縦方向（掘削方向）への小刻みな振動を作用させることによりロッドを小刻みに振動させて掘削する削孔が行われている（例えば、特許文献１参照）。この掘削を行なうことにより削孔速度を向上させることができる。

縦振動を加える掘削においては、ロッドの固有振動数に基づいた値で振動エネルギーをビットに伝えるのが良好であることの理論に基づき、従来では、ロッドの固有振動数の高調波による加振も可能とするため、ロッドの固有振動数に基づく値として５０〜１６０Ｈｚの高帯域の振動数で振動させている。

このような高帯域の振動数では、ロッドや掘削装置の駆動部分等の部品の損耗が激しい問題がある。そして振動数を高く設定した場合、図７に示すように低振動数帯域における発振エネルギーが低くなり、削孔効率が低下する問題がある。
また、削孔の継続に伴うロッドの継ぎ足しにより、ロッド全長の固有振動数が変化するが、従来では、ロッドを５０〜１６０Ｈｚの高帯域の振動数で振動させるため、１次の固有振動数の変化に柔軟に対応することができない問題がある。特に、固有振動数はロッドの継ぎ足しによってロッド全長が長くなるのにつれて低くなるため、高帯域に設定された振動数が固有振動数から大きくかけ離れた値となり、省エネルギーで高効率で削孔できるという固有振動数のメリットを得られない問題がある。

特開平１１−６１８０２号公報

本発明は、以上の従来の問題点を考慮してなされたものであり、ロッドの継ぎ足しによってロッド全長が変化した場合であっても、広範囲にわたってロッドの振動数をロッド全長の固有振動数に対応させることができ、省エネルギーで高効率の削孔ができ、部品の損耗も低減させることが可能な掘削方法及び掘削装置を提供することを目的とする。

本発明の掘削方法は、掘削の削孔深度を検出し、掘削に用いているロッドの全長を前記削孔深度に基づいて算出する第１ステップと、算出したロッドの全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する第２ステップと、前記ロッドを回転及び給進させるドリルヘッドが前記固有振動数の整数倍の振動数で前記削孔方向に沿って振動するように制御する第３ステップと、を備えていることを特徴とする。

この場合、前記第３ステップでは、前記固有振動数が所定範囲内のとき、前記ドリルヘッドが前記ロッド全長の１次固有振動数で振動するように制御し、所定範囲を下回ったとき、ドリルヘッドが前記ロッド全長の２次固有振動数で振動するように制御することを特徴とする。

本発明の掘削装置は、ロッドを継ぎ足しながら削孔する掘削装置であって、前記ロッドを回転及び給進させるドリルヘッドを前記削孔方向に沿って振動させるバイブロヘッドと、掘削に用いているロッドの全長を前記削孔の深度に基づいて算出するロッド長算出手段と、算出したロッドの全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する振動数算出手段と、算出した固有振動数の整数倍の振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動する振動数制御手段と、を備えていることを特徴とする。

この場合、前記振動数制御手段は、前記固有振動数が所定範囲内にあるとき、ロッド全長の１次固有振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動し、前記固有振動数が所定範囲を下回ったとき、ロッド全長の２次固有振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、削孔時の振動数をロッド全長の固有振動数に対応させることができ、省エネルギーで高効率で削孔でき、部品の損耗も低減させることが可能となる。

本発明の一実施形態の掘削装置を示す側面図である。本発明の一実施形態の掘削装置を示す正面図である。掘削装置の主要動作を行なうための構成部材のブロック図である。図３をさらに具体的に説明するブロック図である。ロッドの固有振動数の設定及び振動数制御のフローチャートである。本発明の一実施形態の掘削方法を従来方法と比較して示すグラフである。ロッドの固有振動数と発振エネルギーとの関係を示す特性図である。

図１及び図２は、本発明の一実施形態の掘削装置１を示す。
掘削装置１は、クローラ３を備えた掘削機本体２と、掘削機本体２に油圧シリンダ４を介して支持されたガイドセル５と、ガイドセル５に上下動可能に取り付けられたドリルヘッド６とを備えている。ガイドセル５は油圧シリンダ４が伸縮動作することにより掘削機本体２に対し直立状態、傾斜状態及び伏臥状態に姿勢変更可能となっている。掘削機本体２には、油圧ユニット２２及び制御ユニット２１が搭載される。

ドリルヘッド６は削孔に用いるロッド７（図３参照）が取り付けられてロッド７を給進及び回転させる。ロッド７はドリルヘッド６から伸びる駆動ロッド８（図１及び図２参照）に取り付けられる。掘削装置１では、ロッド７を継ぎ足しながら削孔が継続される。最下段のロッド７には、掘削を行なうビットが取り付けられる。ドリルヘッド６にはバイブロヘッド９が内蔵されており、バイブロヘッド９の駆動によって削孔方向（上下）に振動する。これによりロッド７が削孔方向に振動する。バイブロヘッド９には振動を起振させる部材、例えば偏心おもりが設けられており、偏心おもりが回転することにより同ヘッド９が削孔方向に振動する。

図３は掘削装置１の主要動作を行なう構成部材を簡略化して示すブロック図、図４は図３の構成をさらに具体的に示すブロック図である。
これらの図において、符号１０は、上下一対のスプロケット１１、１２にチェーン１３が無端状に掛け渡された深度検出器であり、ガイドセル５の長さ方向に沿って配置されており、この検出器１０のチェーン１３にバイブロヘッド９が連結される。深度検出器１０は一方のスプロケット１１に回転角度を検出するロータリーエンコーダ等のセンサー１０ａ（図３参照）を備えており、バイブロヘッド９の上下方向移動量がセンサー１０ａによって検出され、この検出値から削孔深度を算出する。

図３において、符号１４はロッド長算出手段であり、深度検出器１０が算出した削孔深度から掘削に用いているロッド７の全長を算出する。符号１５は振動数算出手段であり、ロッド長算出手段１４が算出したロッド７の全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する。符号１６はバイブロヘッド９の振動を制御する振動数制御手段である。振動数制御手段１６は振動数算出手段１５が算出したロッド全長の固有振動数に関連付けた振動数でドリルヘッド６が振動するようにバイブロヘッド９の駆動を制御する。
この実施形態では、削孔深度が所定範囲内（例えば３０〜７０ｍの範囲）のとき、ロッド全長の固有振動数が所定範囲内にあれば、ロッド全長の１次固有振動数でドリルヘッド６が振動するようにバイブロヘッド９を制御し、削孔深度が所定範囲（例えば、７０ｍ）を超えてロッド全長の固有振動数が低くなってその固有振動数が所定範囲を下回ったとき、ロッド全長の２次固有振動数でドリルヘッド６が振動するようにバイブロヘッド９を制御する。このようなバイブロヘッド９を介したドリルヘッド６への振動制御により、ドリルヘッド６に取り付けられているロッド全長が１次固有振動数又は２次固有振動数で振動しながら削孔が継続される。
図３における表示手段１７は例えば、モニターであり、算出したロッド長や算出した振動数を可視表示する。

図４において、振動周波数検出器１８は起振装置としてのバイブロヘッド９の振動数を検出する。振動圧力検出器１９は起振装置としてのバイブロヘッド９の作動圧力を検出する。給進圧力検出器２０はロッド７の給進圧力を検出して地盤の反力を検出し、この検出に基づいて、ビットが地盤に接地しているか、接地していないかのビットの接地状態を検出する。制御ユニット２１は計測信号を受信し振動周波数の共振状態を維持するように制御する。油圧ユニット２２はバイブロヘッド９への作動油圧を発生させる。

図５はロッド７の固有振動数の設定及び振動数制御のフローチャートを示す。
削孔はロッド７を継ぎ足しながら継続される。Ｓ１では、次のロッド７の継ぎ足しが完了して掘削が開始される。Ｓ１に続くＳ２では、ロッド長算出手段１４が式（１）によってロッド７の全長Ｌｏを算出する。式１において、Ｄｘは削孔深度、Ｌｘはロッド１本の長さ（例えば３ｍ）である。
Ｌｏ＝（（Ｄｘ／Ｌｘ）＋１）×Ｌｘ・・・式（１）

Ｓ３では、算出したロッド全長Ｌｏに基づいて振動数算出手段１５がロッド全長の固有振動数ｆｎを式（２）によって算出する。式（２）において、Ｋ＝λｎ／２πであり、λｎは後述するようにπ〜π／２の間で掘削地盤によって決められる無次元定数、Ｃは伝搬速度である。伝搬速度Ｃはロッドの物性が一定であることから定数となる。
λｎは、ロッド７の両端の状態により設定される定数であり、両端固定の場合はπ、片端のみが固定の場合はπ／２となる。両端固定はロッド下端（ビット）が地盤に接地している状態、片端固定はロッド下端（ビット）が地盤から離れている状態であり、掘削の実際では、ロッドの片端（上端）はドリルヘッド６に固定されており、他の片端（下端）は給進力により地盤に押し付けられながら掘進していることからπとπ／２の間の定数となる。
ｆｎ＝（Ｋ／Ｌｏ）×Ｃ・・・式（２）

Ｓ４では、ｆｎをバイブロヘッド９に予め設定した周波数Ｆｋと比較し、Ｆｋよりも小さい場合はＳ５に移行して振動周波数の目標値ｆｍを２×ｆｎに設定し、Ｆｋよりも大きい場合はＳ６に移行して振動周波数の目標値ｆｍをｆｎに設定する。

これらの振動周波数の設定の後、Ｓ７に移行し手動スイッチを操作して振動をオンとする。Ｓ８では、振動調整弁をオンとして初期値を設定し、Ｓ９では、振動周波数を計測する。そして、Ｓ１０では計測した振動周波数を目標値ｆｍと比較し、設定した値と異なる場合は、振動調整弁の制御量を増減調整する（Ｓ１２）。

本発明の掘削方法は、掘削の削孔深度を検出し、掘削に用いているロッド７の全長を削孔深度に基づいて算出する第１ステップと、算出したロッド７の全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する第２ステップと、ロッド７を回転及び給進させるドリルヘッド６が固有振動数の整数倍の振動数で削孔方向に沿って振動するように制御する第３ステップと、を備えている。
そして、第３ステップでは、ロッド全長の固有振動数が所定範囲内のとき、ドリルヘッド６がロッド全長の１次固有振動数で振動するように制御し、ロッド全長の固有振動数が所定範囲を下回ったとき、ドリルヘッド６がロッド全長の２次固有振動数で振動するように制御するものである。

図６は以上の本発明の掘削方法を採用した場合と、採用しない従来方法の掘削とを対比して示すグラフである。特性曲線Ａは図５の手順によって算出した削孔深度によるロッド全長の固有振動数の変化を示す曲線、特性曲線Ｂは全工程を既存の高振動数掘削機（１５０Ｈｚ）で掘削した場合のロッド１本が掘削に要する作業時間の変化を示す曲線、特性曲線Ｃは本発明の実施形態の掘削方法によって掘削した場合のロッド１本が掘削に要する作業時間の変化を示す曲線である。図６において、左側の縦軸が作業時間、右側の縦軸が振動周波数、横軸が削孔深度である。

図６の特性曲線Ｃに示す実施形態においては、３０ｍの削孔深度までは最大振動数（６６Ｈｚ）で掘削し、３０ｍ〜７０ｍの削孔深度の範囲では、ロッド全長の１次固有振動数に同調させて掘削し、７０ｍ以上ではロッド全長の２次固有振動数に同調させて掘削している。すなわち、削孔深度３０ｍまでは、ロッド全長の固有振動数である６６Ｈｚの振動数で掘削し、これに続く３０〜７０ｍの範囲では、その削孔深度に対応したロッド全長の１次固有振動数でドリルヘッド６が振動するようにバイブロヘッド９の振動を制御する。７０ｍ以上の範囲では、その削孔深度に対応したロッド全長の２次固有振動数でドリルヘッド６が振動するようにバイブロヘッド９の振動を制御する。
図６から明らかなように、この実施形態の掘削では、従来方法での掘削に比べて作業時間が短くなっている。

このような本発明では、ロッド全長の固有振動数に合わせてドリルヘッドすなわちロッドを振動させるため、省エネルギーで高効率での急速削孔が可能となる。又、低振動数帯で最大エネルギーを発振するため、ロッドやドリルヘッド、その他の機材の損耗を抑制することができる。

１掘削装置
６ドリルヘッド
７ロッド
９バイブロヘッド
１０深度検出器
１４ロッド長算出手段
１５振動数算出手段
１６振動数制御手段

Claims

掘削の削孔深度を検出し、掘削に用いているロッドの全長を前記削孔深度に基づいて算出する第１ステップと、
算出したロッドの全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する第２ステップと、
前記ロッドを回転及び給進させるドリルヘッドが前記固有振動数の整数倍の振動数で前記ロッドの削孔方向に沿って振動するように制御する第３ステップと、を備えていることを特徴とする掘削方法。
前記第３ステップでは、前記固有振動数が所定範囲内のとき、前記ドリルヘッドが前記ロッド全長の１次固有振動数で振動するように制御し、所定範囲を下回ったとき、ドリルヘッドが前記ロッド全長の２次固有振動数で振動するように制御することを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
ロッドを継ぎ足しながら削孔する掘削装置であって、
前記ロッドを回転及び給進させるドリルヘッドを前記削孔方向に沿って振動させるバイブロヘッドと、
掘削に用いているロッドの全長を前記削孔の深度に基づいて算出するロッド長算出手段と、
算出したロッドの全長に基づいてロッド全長の固有振動数を算出する振動数算出手段と、
算出した固有振動数の整数倍の振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動する振動数制御手段と、を備えていることを特徴とする掘削装置。
前記振動数制御手段は、前記固有振動数が所定範囲内にあるとき、ロッド全長の１次固有振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動し、前記固有振動数が所定範囲を下回ったとき、ロッド全長の２次固有振動数で前記ドリルヘッドが振動するように前記バイブロヘッドを駆動することを特徴とする請求項３記載の掘削装置。