Underground boring hole drilling method and the wet boring tool

本発明は、地中ボーリング穴掘削方法と、ウェットボーリングまたはドリル工具と、ボーリングまたはドリル装置とに関する。

杭打作業などのボーリング作業でのボーリングは基本的に、ドライおよびウェットボーリングの２つの方法に区別される。

ウェットボーリング法は、現場で必要とされる設備と、ボーリング装置の移動性の制限とによって、より多くの経費がかかるため、可能な限りドライボーリング法が使用される。 ドライボーリング法では、カタピラ状のキャリヤまたは支持体上に設けられたボーリング設備が用いられる。 しかし、特に硬質な地質に当たった場合、ドライボーリング法にも不利な点がある。 ウェットボーリングに比べて、ボーリング体積（boring capacity）と、ボーリング工具の摩滅とが、かなり大きくなる。

ドライボーリングのボーリング速度は、非岩石質の基質においては良好であるが、杭ボア壁をたとえば岩中に設けなければならない場合には、通常の速度の数分の１にまで減少してしまう。 さらに、摩滅もかなり発生してしまう。 ドライボーリングをウェットボーリングに切り換えることが可能であるケースは、非常にまれである。 その理由は、ウェットボーリング装置を的確に設置するための設備および人員の両方が、ドライボーリングの現場には存在しないからである。

下記特許文献１には、関連の従来技術が開示されている。 コアビットには、空気、あるいは、ボーリングまたは掘穿泥水が流し込まれる。 下記特許文献１は、ボーリング穴の外に位置する貯蔵部からパイプを通じて、ボーリング泥水をコアビットに供給することを教示している。 流体のフローは、ホースポンプによって生成される。

このような既知の装置は、ボーリング穴の内部および外部において、パイプ、ポンプ、および流体貯蔵部の、比較的複雑な配置構成を必要とする。

独国特許出願公開第１９７０２５３３Ａ１号明細書

本発明の目的は、ウェットボーリング法の簡単な実施を可能にする、地中ボーリング穴掘削方法と、ウェットボーリング工具と、ボーリング装置とを提供することである。

本発明によれば、ボーリング穴掘削方法と、ウェットボーリング工具と、ボーリング装置とによって、上記目的が達成される。 従属項に、本発明の好適な実施態様を記載する。

本発明によるボーリング方法は、ウェットボーリング工具がポンピング機構を有することを特徴とする。 そのポンピング機構を通じて、充填領域からの流体を流し、発生したボア堀屑または破片を回収容器に搬出することができる。

本発明の基本概念は、ウェットボーリング法に必要な流体フローを、ボーリング穴内において、ボーリング工具自体で生成することである。 ウェットボーリング工具は、その目的のために、独立したポンピング機構を有する。 そのポンピング機構は、ボーリング穴内の流体を吸引するか、またはその流体が除去領域の周囲を回って流れるようにフローを生成し、ボーリング工具に設けられた回収容器にボア破片を送出する。 好ましくは、ボーリングロッドの回転および／または引上げ運動によって、ポンピングエネルギをボーリング工具へ伝達する。

それにより、ウェットボーリング法の実施において、ボーリング穴の内部および外部で多くのホースラインまたはパイプを用いる高額な現場設備は、不要になる。 したがって、ウェットボーリングがより安価に実施でき、さらに、取扱いが簡単であるため、よりフレキシブルに使用することができる。

本発明による方法の好適な実施態様では、流体フローは、充填領域内に位置する作動領域の体積の変化によって生成され、詳細には作動領域は、ウェットボーリング工具によって少なくとも部分的に囲まれている。 このような構成において、所定の作動領域内の体積変化の結果として、ボーリング穴内の液体を計画的に押し出すフローが生成される。

フローを特に精密に設定するには、作動領域を、ウェットボーリング工具と、その工具（特にコア）における土壌材料との間に設けることが好ましい。

ボーリングロッドとして、たとえば伸縮可能なケリーロッドまたはリフティングシリンダなどの、入れ子式ロッドを使用する場合は、本発明によれば、作動領域の体積変化は、ボーリング穴におけるウェットボーリング工具の引上げ運動によって実施される。

本発明による代替案としては、作動領域の体積変化は、ウェットボーリング工具に配置されたボーリングロッドを、ウェットボーリング工具に対して回転させる回転運動によってもたらされる。 対応するねじ切り機構を用いて、押しのけピストンの一種を、回転運動によって移動させることができる。 その回転運動は、ボーリング作業時の回転とは逆であることが好ましい。

本発明によるボーリング方法は、厳密にウェットボーリングである必要はない。 本発明では実際には、地中にボーリング穴を形成するためにまずは、ドライボーリング工具を用いてドライボーリング法でボーリングを実施する。 より硬度の高い岩に当たった時点で、ドライボーリング工具をボーリング穴から取り出した後、ボーリング穴を少なくとも部分的に流体で充填した上で、ウェットボーリング工具を用いてウェットボーリング法でボーリングをさらに実施する。

このように本方法では、対処すべき土壌の地質に従って、常に最適なボーリング方法で作業することが可能である。 原理的には、ウェットボーリング工具を構築して、それをドライボーリング工具として使用し、ボーリング穴内に液体を供給した後のみにウェットボーリング作業を実施することが可能である。

しかし本発明によれば、別個のドライボーリング工具と、別個のウェットボーリング工具とを使用することが特に好適である。 ドライボーリング工具とウェットボーリング工具との両方が、交換自在に同じボーリングロッドに取り付けられて駆動される。 硬質の岩層に当たった時点で、ドライボーリング工具が取り付けられたボーリングロッドをボーリング穴から取り出し、ウェットボーリング工具に取り替える。

本発明によるウェットボーリング工具は、ボーリング穴の充填領域からの流体を流動させることで、発生したボア堀屑または破片を回収容器に送出させるポンピング機構を有することを特徴とする。

本発明によるウェットボーリング工具は、上述のウェットボーリング方法に使用でき、それによって上述の利点が得られる。

本発明の実施形態の１つによれば、ジャケット管が備えられ、その下面に、詳細には除去デバイスの形態であるコアビットが位置する。 ジャケット管の上面には、流体が通過できる少なくとも１つの流路デバイスを含むカバーが配置される。 そのカバーおよびジャケット管が、内部領域を囲む。

本発明によればカバーには、ボーリング穴の外部に位置する領域からウェットボーリング工具の内部領域へ、流体を通過させる流路デバイスが設けられる。 流路デバイスは、内部領域内方向への流体フローのみを許可するように、弁部材を貫通する形態に設計されることが考えられる。 流体フロー方向が変更した場合に、弁部材が自動的に閉鎖する。

少なくとも部分的に流体で充填されたボーリング穴内では、本発明による上述のような構成によって、流体の循環が生成される。 その循環において流体は、ウェットボーリング工具の外部領域から内部領域に流入する。 ウェットボーリング工具の内部領域では、フローがコアビットに向かって下方に流れる場合は、コアビットの周囲を回って流れた後、ウェットボーリング工具の外側を上方に流れる。 この循環フローによって、コアビットで発生したドリル堀屑は、そこから上方向へ運び出されて回収容器に送出される。

弁部材は、除去領域に位置するコアビットから内部領域への流体フローが生じないことを確実にし、それにより、内部領域にボア破片が蓄積することを防止する。 循環流体フローによって維持されるポンピング動作は、ボーリング作業におけるウェットボーリング工具の回転運動および引上げ運動のどちらかのみ、または両方によって生成されることが可能である。 本発明のボーリング工具では、ボーリング穴の外部にポンプまたは貯蔵部を設ける必要がなく、極めて簡素かつ安価なボーリングを実施できる。

使用する流体は、水であることが好ましいが、他のフラッシング可能な流体および懸濁材を用いることも基本的には可能である。 本発明によるボーリング工具は、鉛直方向のボーリング穴にも使用できるし、ボーリング工具が液体で囲まれることを条件に、鉛直線に対して傾斜したボーリング穴にも同様に使用できる。

流路デバイスは、カバー中の単純な穴として構成されることが基本的に可能である。 ただし、流路デバイスが管状ドームを含むことが好ましい。 管状ドームを備えることによって、内部領域内へ流体を供給するための取入口を、カバーから離れた位置に設けることが可能になる。

詳細には、内部領域内へ流れる流体フローがボーリング穴から離され、ボア破片による流体中の汚染が発生しにくくなるような位置に、取入口を設けることが考えられる。 流体中にボア破片が堆積することによる流体の汚染は一般的に、ボーリング穴内における取入口の位置が高くなるにつれて減少するので、取入口は、ジャケット管およびカバーから離して配置することが好ましい。 管状ドームの側面に、少なくとも１つの取入口が備えられると有利である。

本発明の特に好適な発展形態では、管状ドームはカバー上に、ジャケット管と同心に配置され、ドームの上側には、ボーリングロッドを取り付けるためのロッド連結部が備えられる。 本実施形態ではドームは、流体の供給と、ボーリングロッドからウェットボーリング工具へのトルクの伝達との両方のために使用される。 それにより、特にコスト効果の高いボーリング工具の構築が可能になる。

弁部材は基本的に、既知のいずれの逆止部材の形態として形成されてもよい。 ただし特に好適な実施形態では、弁部材は、バネおよび／または浮力体によって作動されるフラップを有し、それによって特にコスト効果の高い設計および構造が実現される。 浮力部材に、流体より軽い空気または他の媒体を充填してもよい。 それにより、確実な閉鎖が実施でき、内部領域から外への流体フローが生じた場合に、フラップによる良好な遮断動作が実施される。

ばね作動式フラップは、特定の流体圧力によってばね荷重状態で開放し、その流体圧力が低下した時点で、ばねが予め有する張力に起因して自動的に再度閉鎖する。

ドームにおいて弁部材を任意の箇所に配置することが、基本的に可能である。 詳細には、弁部材を管状ドームの取入口に設けることが考えられる。 ただし、弁部材をドームの断面内に設けることが、特に有利である。 その結果、弁部材を、特に単純かつ確実に遮断する形態に構成できる。

弁部材は好ましくは、ドームの下面に設けられる。 その箇所であれば特に、取付時および保守時に弁部材に簡単にアクセスできる。 ただし本発明によれば、数個の弁部材を設けてもよい。 詳細には、１つの弁部材をドームの断面内に設け、少なくとも１つの追加の弁部材を取入口内に設けることが可能である。 数個の取入口を用いる場合は、弁部材を各取入口に配置することが好ましい。 数個の取入口を用いた構造では、特に確実な流体循環フローを維持することが可能になる。

流体において強力なポンピング動作を生成するには、ロッド連結部に、ドーム内で変位可能なピストン要素を設けることが有利である。 ピストン要素は、ドームの内側断面形状に相当する断面形状を有することが好ましい。 ドームは好ましくは、内側断面が円形であり、同じく外側断面も円形である。 ピストン要素は、ドームの長手方向に沿って変位可能であると有利である。

本発明の特に好適な発展形態では、ピストン要素は、ボーリングロッドを回転することによってドーム内で変位可能である。 より詳細には、ピストン要素の変位は、ボーリングロッドの回転方向とは逆方向の回転によって実施される。

コアドリルを前進させるために、ボーリングロッドのボーリング回転を実施することが有利である。 それに続いて、ボーリング回転の方向とは逆方向へボーリングロッドを回転させることによって、下方および／または内部領域に向けてピストン要素が好適に移動される。 次に、ボーリングロッドをさらにボーリング回転方向に回転させると、ピストン要素を初期位置に戻す逆移動が好適に実施される。 その後に、コアドリルを再度回転させる。

変位可能なピストン要素を用いる場合は、ドーム断面内および取入口内の両方に弁部材を設けることが有利であると考えられる。 それによって、特に確実なポンピング動作が実施できる。 ピストン要素によってもたらされたポンピング動作は、除去領域への液体フローを生成することで、ボーリング箇所をフラッシングし、ボア破片を搬出させる。

本発明の特に好適な発展形態では、ボーリングロッドは、伸縮自在のケリーロッドの形態である。 ドームは、円筒形部材として設計されることが適切である。

ポンピング動作の生成のためには、ドームがジャケット管内へ引き込み、そこから伸長できるようになっていることが有利であると考えられる。 ジャケット管に対するドームのそのような進入および離脱は、詳細には、ボーリングロッドの回転によってもたらされることが可能であり、その進入および離脱は、ボーリングロッドをボーリング回転方向とは逆方向に回転させることで実施することが好適である。 そのような構成においては、弁部材がジャケット管に対して固定されていることが適切である。 また、さらなる弁部材が、取入口内に適切に配置される。 ジャケット管に対するドームの進入および離脱は、ドームの軸線方向に沿って実施されることが好ましい。

本発明によれば、ポンピング動作の生成のために、ジャケット管の内側断面形状に相当する外側断面形状を有するピストン表面を、ドーム下面に設けることが考えられる。 それによって、特に大きなポンピング体積が得られる。 この形態ではドームは、流体供給部および流出口を有するピストンロッドとして構成されうる。 前記の場合と同様に、ドームは、ボーリングロッドを回転することによって、ジャケット管に対して適切に挿入され且つ引き出されることができる。 ジャケット管に弁部材を配置することが適切であり、またさらなる弁部材を設けると有利である。

本発明の特に好適な発展形態では、カバーの上面に、ボア破片を収容する回収容器が設けられる。 回収容器は、カバーまたは底部と、管状壁とによって形成されるカップ形であることが考えられる。

コアビットからのボア破片混じりの流体のフローは、ジャケット管とボーリング穴の壁との間に設けることが基本的には可能である。 ただし、ボーリング工具に、ボア破片混じりの流体を通過させるための少なくとも１つのフローチャネルを設けることが有利である。 そのようなフローチャネルはたとえば、追加の管をジャケット管と同心に配置することで形成することができる。 それによりフローチャネルは、ジャケット管と追加の管との間に形成される。 追加の管の直径は、ジャケット管の直径より大きくても小さくてもよい。

管状ドームの上記少なくとも１つの取入口は、回収容器の外側に配置されることが有利であり、特に回収容器の上方に配置されると有利である。 それにより、取入口に流入する流体に、ボア破片が実質的に含まれないようにできる。 その少なくとも１つの取入口には、ボア破片の通過を防止する粒子フィルタを設けることが適切である。

本発明の特に好適な発展形態では、ボーリング工程の際にウェットボーリング工具の引上げ運動を生成するための掘削機の上下動は、時間依存で自動的に実施されるか、あるいは操作者によって開始される。 掘削機の回転は、必要に応じて、上下動中に維持しても停止してもよい。

本発明によるボーリング装置は、上述のウェットボーリング工具をボーリング工具として使用することを特徴とする。

以下、好適な実施形態および添付の図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。

本発明によるウェットボーリング工具１０の第１の実施形態を、図１および図２に示す。 ウェットボーリング工具１０は、円筒形ジャケット管１５を有する。 ジャケット管１５の下端部には、コアビット８が設けられ、それが除去領域１７を形成する。 本実施形態ではコアビット８は、環状に配列された５つのローラビット１８を含む。

ジャケット管１５の上部表面は、環状カバー１１で終端処理されている。 環状カバー１１の中央に、ドーム２０が配置される。 ドーム２０は円筒形であり、その下部は、カバー１１を貫通してウェットボーリング工具１０の内部領域３内へ延伸する。 ドーム２０の上部にはロッド連結部２８が備えられ、それによって、ボーリングロッド（図示せず）との回転可能状態での連結が実現される。

カバー１１の上面には、掘り出したボア堀屑または破片を収容する回収容器６が位置する。 回収容器６は、カバー１１と、ドーム２０と、ジャケット管１５の円筒形伸長部１６とによって形成されており、環状の断面を有するカップ形である。 略長方形の取入口２１が、ドーム２０の側面に設けられている。 取入口２１を通じて、ドーム２０内に流体を流入させて、それをさらにウェットボーリング工具１０の内部領域３に流入させることができる。 取入口２１は、回収容器６より上方に形成される。

ドーム２０の下面には、フラップ２５が備えられる。 フラップ２５は、図１では開放状態であり、図２では閉鎖状態である。 フラップ２５は逆止部材であって、ドーム２０を通過して内部領域３に流入する流体の移動は許可するが、逆方向の流体フローは阻止する。 この目的のためにフラップ２５は、円形プレートとして形成され、ドーム２０の片側にヒンジで連接されている。 フラップ２５は、閉鎖状態ではドーム２０の開口下面を完全に覆うが、開放状態ではウェットボーリング工具１０の内部領域３内に向かって傾く。 フラップ２５の上部には、浮力部材２４が設けられている。

図１および図２に示す実施形態は、ジャケット管１５の長手方向にウェットボーリング工具１０を引上げる動作の際に、ボア破片を除去領域１７から回収容器６に送出させる流体フローを生成するのに適している。 ウェットボーリング工具１０の内部領域３は、ポンピング機構の作動領域を形成する。 内部領域３に入り込むコア（図示せず）は、ピストン要素として作用し、流体で充填された内部領域３の体積を変化させる。

ウェットボーリング工具１０をジャケット管１５の長手方向に引上げる際には、内部領域３からコア（図示せず）が引き出される。 その結果として内部領域３に生じる圧力低下によって、フラップ２５が開き、取入口２１からドーム２０内へ、さらには内部領域３へ流体が流入する。 その後にウェットボーリング工具１０を下降させる際には、コア（図示せず）が内部領域３に再度入り、内部領域３における流体圧力が上昇する。 その結果、フラップ２５は閉鎖する。 入り込んできたコアによって内部領域３から押し出された流体は、コアを通過してコアビット８に至る。 コアビット８からは、ボア破片が、ジャケット管１５に沿って運ばれて回収容器６に至る。

本発明によるウェットボーリング工具１０のさらなる実施形態を、図３および図４に示す。 図１および図２中の部材と同じ機能を有する部材には、同じ符号を付し、説明は省略する。 図３の実施形態において上述の実施形態と異なる点は、ドーム２０が、ウェットボーリング工具１０の内部領域３内へ伸縮自在であることである。 その特徴のために、カバー１１の中央に、ねじ付きスリーブ３６が設けられる。 ねじ付きスリーブ３６の内側にはねじ山が設けられ、それはドーム２０の外側に形成されたねじ山にかみ合う。 カバー１１およびジャケット管１５に対してドーム２０を回転させることで、ドーム２０をカバー１１に対して、ジャケット管１５の長手方向に沿って移動させることが可能である。 ドーム２０の引き込みは、上部環状ストップ３７によって制限され、ドーム２０の伸長は、下部環状ストップ３８によって制限される。 ドーム２０の回転は、ロッド連結部２８を通じてドームに連結するボーリングロッド（図示せず）によって実施される。

図３に示すウェットボーリング工具１０の実施形態では、内部領域３内の作動領域の体積を変更することが可能であり、それにより、ボーリングロッド（図示せず）の回転運動による流体のためのポンプ動作を変更させることが可能である。 下部にフラップ２５を有するドーム２０は、ピストン要素として機能する。

図４に示すウェットボーリング工具１０において図３の実施形態と異なる点は、環状ピストン表面３１がドーム２０の下部に設けられていることである。 環状ピストン表面３１の内周は、円筒形ドーム２０の外周に相当する。 ピストン表面３１の外周には、円筒形内部管１４にかみ合う円筒形リング要素３２が設けられる。 内部管１４は、ジャケット管１５内に、管１５と同心に配置される。 図４の実施形態には、下部ストップ３８は設けられず、その機能はピストン表面３１によって代替される。

図４に示す実施形態では、内部管１４の内側に作動領域が形成される。 ジャケット管１５に対してドーム２０を回転させることで、回転方向に応じてドーム２０を上方または下方に移動させることができ、それにより、ドーム２０に設けられたピストン表面３１を内部領域３に対して上下動させることが可能である。 その結果、作動領域の体積を変更してポンプ動作を変更させることができる。 内部管１４とジャケット管１５との間には、ボア破片混じりの流体が除去領域１７から回収容器６へ流れるフローのための、フローチャネルが形成される。

本発明によるウェットボーリング工具の第１実施形態を、フラップ開放状態で示す、部分断面側面線図である。

図１のウェットボーリング工具をフラップ閉鎖状態で示す、部分断面側面線図である。

ジャケット管に対して伸縮自在なドームを有する、本発明によるウェットボーリング工具のさらなる実施形態を示す、縦断面線図である。

下面がピストン面になっている伸縮自在なドームを有する、本発明によるウェットボーリング工具の別の実施形態を示す、縦断面線図である。

符号の説明

３ 内部領域、６ 回収容器、８ コアビット、１０ ウェットボーリング工具、１１ カバー、１４ 内部管、１５ ジャケット管、１７ 除去領域、１８ ローラビット、２０ ドーム、２１ 取入口、２４ 浮力部材、２５ フラップ、２８ ロッド連結部、３１ ピストン表面、３２ リング要素、３６ ねじ付きスリーブ、３７，３８ ストップ。