JP2003239672A - ロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイベル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダウンザホールハンマを併用する二重管掘削工
法において、種々の問題点を解決することができるクリ
ーニングスイベルを提供する。 【解決手段】ドリルヘッドに連結され、空気流路９を有
するトップサブ２、トップサブ９に固定され、その環状
隔壁部１４とトップサブ２との間に液圧シリンダ室１５
が区画されたアウタロッドサブ３、アウタロッドサブ３
内に挿入されて、その後端部が空気流路９に、中間部が
環状隔壁部１４にそれぞれ摺動自在に嵌合され、ピスト
ン１７が設けられたインナロッドサブ４、アウタロッド
サブ３からインナロッドサブ４に回転力を伝達するスプ
ライン１８，１９、内周に環状空気室２３、環状液室２
４ａ，２４ｂ及び環状カッティングス室２５を有し、外
周に環状空気室、環状液室及び環状カッティングス室と
それぞれ連通する空気流入口２６及び液入出口２７ａ，
２７ｂ及びカッティングス排出口２８を有するスイベル
ケース５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、二重管掘削装置
用クリーニングスイベルに関し、さらに詳細には、ロー
タリパーカッションドリルにダウンザホールハンマを併
用する際に好適なスイベルジョイントに関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ドリルヘッドを有するロータリパー
カッションドリルによる二重管掘削工法は、外管（アウ
タロッド）により孔壁を保護しつつ掘削できることか
ら、崩壊性のある地質条件下での工法として一般化して
いる。しかしながら、この工法にも以下のような弱点が
ある。

【０００３】崩壊性地層を掘り抜いた後、安定した硬岩
層や硬質の転石などに当たると掘削速度が低下する。ま
た、軽量小型のロータリパーカッションドリルでは、パ
ワー不足から十分な掘削能率を得にくい。掘削深度が増
すほど油圧ドリルヘッドによる打撃力は途中で減衰され
てしまう。

【０００４】このような弱点を補うために、内管（イン
ナロッド）の先端にダウンザホールハンマを取り付け
て、補助的に打撃力を発生させることがなされている
が、この場合油圧ドリルヘッドによる打撃力がインナロ
ッドを介してダウンザホールの本体に伝達されるため、
以下の問題が発生する。

【０００５】一般市販のダウンザホールハンマは、元来
油圧パーカッションによる打撃力を本体に受けることを
想定しておらず、強度的な問題がある。この強度を得る
ために本体の肉厚を大きくするなどの方法もあるが、例
えば外径側に肉厚を大きくするとアウタロッド内径との
クリアランスが小さくなり、カッティングスの排出に支
障をきたすか、あるいはもう一回り大きいアウタロッド
と組み合わせる必要が生じる。また、内径側に肉厚を大
きくすると、打撃力を発生させるピストンも小型化する
必要が生じ、掘削能力が低下する。さらに、ハンマビッ
トは油圧ドリルヘッドとダウンザホールハンマとの双方
から打撃を受けることになり、これら周波数の異なる打
撃によりどのような影響が生じるのか解析は非常に困難
であり、その予測ができない。

【０００６】そのため、一般的には油圧パーカッション
による二重管掘削が困難になった時点で、アウタロッド
をケーシングとして残したまま、その下層をダウンザホ
ールハンマのみによるシングル掘削に切り替え、油圧パ
ーカッションは作動させないという手法を採っている。
しかし、この場合以下のような問題が生じる。

【０００７】アウタロッドとインナロッドとのクリアラ
ンスを通過して排出されるカッティングスを受け止めホ
ース等によって任意の方向に排出できるクリーニングス
イベルが使えなくなるため、カッティングスの飛散が避
けられない。ダウンザホールハンマのビット径はアウタ
ロッドの内径よりも小さい必要があることから、設計仕
上げ孔径を確保するためには、一回り以上大きなアウタ
ロッド・アウタビットを必要とする。

【０００８】所定掘削深度の中間に油圧パーカッション
では掘削困難な地層があり、その下方にはアウタロッド
による孔壁の保護が必要な地層があるような場合、一旦
ダウンザホールハンマで芯抜きした後、アウタロッド・
アウタビットによる拡孔が必要となる。しかし、この場
合インナロッド・インナビットを再セットしなければカ
ッティングスの排出が困難であり、セットできない場
合、排出が不充分なカッティングスによってアウタビッ
トの早期摩耗や焼き付きなどの障害が発生する可能性が
高い。また、インナロッド・インナビットを再セットす
る場合もダウンザホールハンマによる芯抜き孔径がイン
ナビットよりも十分小さくないと、インナロッドは空打
撃状態となり、ねじはずれやロッド切断などの試錐事故
の原因となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目
的を達成するものである。この発明の目的は、ダウンザ
ホールハンマを併用するロータリパーカッション式二重
管掘削工法において、種々の問題点を解決することがで
きる二重管掘削装置用クリーニングスイベルを提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するために、次のような手段を採用している。すなわ
ち、この発明は、回転力及び打撃力を発生するドリルヘ
ッドと、内管及び外管からなる二重管との間を連結する
クリーニングスイベルであって、後端が前記ドリルヘッ
ドに連結され、前端に開口する軸方向部分及び外周に開
口する半径方向部分からなる空気流路を有するトップサ
ブと、このトップサブの前端部外周に後端部が固定さ
れ、その中間部内周に形成された環状隔壁部と前記トッ
プサブとの間に液圧シリンダ室が区画されたアウタロッ
ドサブと、このアウタロッドサブ内に軸方向に移動自在
に挿入されて、その後端部が前記空気流路の軸方向部分
に、中間部が前記環状隔壁部にそれぞれ摺動自在に嵌合
され、外周に前記液圧シリンダ室を摺動自在なピストン
が設けられたインナロッドサブと、前記アウタロッドサ
ブから前記インナロッドサブに回転力を伝達するための
手段と、前記トップサブ及び前記アウタロッドサブの各
外周に相対回転自在に嵌合され、内周に環状空気室、前
後２つの環状液室及び環状カッティングス室をそれぞれ
有し、また外周に前記環状空気室、前記２つの環状液室
及び前記環状カッティングス室とそれぞれ連通する空気
流入口及び２つの液入出口及びカッティングス排出口を
有するスイベルケースとを備え、前記環状空気室は前記
空気流路の半径方向部分と連通し、前記前後２つの環状
液室は前記アウタロッドサブに設けられた連通孔を介し
て前記シリンダ室の前後室とそれぞれ連通し、前記カッ
ティングス室は前記アウタロッドサブに設けられた連通
孔を介して前記アウタロッドサブと前記インナロッドサ
ブとの間の空隙に連通していることを特徴とするロータ
リパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイ
ベルにある。

【００１１】より具体的には、前記インナロッドサブの
後端部に小径部が形成され、この小径部が前記空気流路
の軸方向部分に摺動自在に嵌合されている。また、前記
アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転力を
伝達するための手段は、前記アウタロッドサブの内周及
び前記インナロッドサブの外周にそれぞれ形成されて互
いに嵌合するスプラインである。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を参
照しながら以下に説明する。図１は、この発明によるク
リーニングスイベル（スイベルジョイント）の実施形態
を示す軸方向断面図、図２は図１のＡ−Ａ線拡大断面
図、図３は分解断面図、図４はクリーニングスイベルを
油圧ドリルヘッドに接続した状態を示す断面図である。
この発明によるクリーニングスイベル１は、トップサブ
２、アウタロッドサブ３、インナロッドサブ４及びスイ
ベルケース５で構成されている。

【００１３】トップサブ２は後端に雌ねじ８が設けら
れ、この雌ねじ８に接続されるシャンクロッド７を介し
て油圧ドリルヘッド６に連結される（図４参照）。ま
た、トップサブ２にはその前端に開口する軸方向部分９
ａと、外周に開口する半径方向部分９ｂとからなる空気
流路９が形成されている。軸方向部分９ａには段部１０
が形成されている。

【００１４】アウタロッドサブ３は、その後端部がトッ
プサブ２の前端部外周にねじ１１を介して固定されてい
る。このアウタロッドサブ３の前端には、アウタロッド
カップリング１２を介して図示されていないアウタロッ
ドが接続される。アウタロッドサブ３には、その中間部
内周に環状隔壁部１４が形成され、この環状隔壁部１４
とトップサブ２との間に油圧シリンダ室１５が区画され
ている。

【００１５】インナロッドサブ４はアウタロッドサブ３
内に軸方向に移動自在に挿入されている。このインナロ
ッドサブ４の前端には、図示されていないインナロッド
を接続するための雌ねじ１６が設けられている。インナ
ロッドサブ４は、その中間部が環状隔壁部１４に摺動自
在に嵌合している。インナロッドサブ４の後端部には小
径部１３が形成され、この小径部１３は空気流路９の軸
方向部分９ａに摺動自在に嵌合している。さらに、イン
ナロッドサブ４の外周には油圧シリンダ室１５を摺動自
在なピストン１７が設けられ、このピストン１７によっ
て油圧シリンダ室１５は前室１５ａと後室１５ｂとに区
画されている。以上の説明から、ピストン１７を有する
インナロッドサブ４は、ピストンロッドとして機能する
ことが理解される。

【００１６】図２に示すように、アウタロッドサブ３に
おける油圧シリンダ室１５を区画する部分の内周には雌
スプライン１８が設けられている。他方、インナロッド
サブ４の外周には雌スプライン１８と嵌合する雄スプラ
イン１９が設けられている。雄スプライン１９の高さは
雌スプライン１８の深さよりも低くなっていて、この結
果これら雌雄スプライン１８，１９間に形成される周方
向の隙間が油圧シリンダ室１５の前室１５ａであり、作
動油の通過路となる。

【００１７】スイベルケース５はトップサブ２及びアウ
タロッドサブ３の各外周に相対回転自在に嵌合されてい
る。このスイベルケース５の後端には、該スイベルケー
スをトップサブ２及びアウタロッドサブ３に保持するた
めのリテーナリング２１がねじ２０によって固定されて
いる。また、スイベルケース５には共回りを防止するた
めのスイベルストッパ２２が設けられている（図４参
照）。

【００１８】スイベルケース５の内周には環状空気室２
３、軸方向に互いに間隔を置いた前後２つの環状油室２
４ａ，２４ｂ及び環状カッティングス室２５がそれぞれ
設けられている。また、スイベルケース５の外周には環
状空気室２３と連通する空気流入口２６、２つの環状油
室２４ａ，２４ｂとそれぞれ連通する２つの作動油入出
口２７ａ，２７ｂ及び環状カッティングス室２５と連通
するカッティングス排出口２８が設けられている。

【００１９】そして、環状空気室２６は空気流路９の半
径方向部分９ｂと連通している。また、２つの環状油室
２４ａ，２４ｂはアウタロッドサブ３に設けられた連通
孔２９ａ，２９ｂを介して油圧シリンダ室１５の前後室
１５ａ，１５ｂとそれぞれ連通している。さらに、環状
カッティングス室２５はアウタロッドサブ３に設けられ
た連通孔３０を介してアウタロッドサブ３とインナロッ
ドサブ４との間の空隙３１に連通している。

【００２０】次に上記実施形態のものの作用を説明す
る。図５はダウンザホールハンマを併用して掘削する状
態を示す軸方向断面図である。掘削時において、アウタ
ロッドサブ３にはいずれも外管を構成するアウタロッド
カップリング１２、アウタロッド３２及びアウタビット
３３を有するファーストケーシング３４がそれぞれ接続
される。また、インナロッドサブ４にはいずれも内管を
構成するインナロッド３５及びスターティングロッド３
６がそれぞれ接続される。さらに、スターティングロッ
ド３６にはアダプタサブ３７を介してハンマビット３８
を有するダウンザホールハンマ３９が接続される。

【００２１】このダウンザホールハンマ３９は周知のも
ので、詳細説明は省略するが、圧縮空気で作動してハン
マビット３８に打撃力を与えるピストンが内蔵され、ハ
ンマビット３８を掘削孔底に押し付けると打撃を開始す
る（図５（ａ）の状態）。また、ハンマビット３８を掘
削孔底から離間させ、ハンマビット３８がダウンザホー
ルハンマ本体からビットストロークＳ2 だけ下降する
と、圧縮空気のほぼ全量がハンマビット３８の先端から
噴出し、この噴出空気によって掘削孔底周囲に残るカッ
ティングスを効果的に排除（フラッシング）できる構造
になっている（図５（ｂ）の状態）。

【００２２】図５（ａ）に示す掘削状態にするには、図
１に示した作動油入出口２７ｂから環状油室２４ｂ及び
連通孔２９ｂを経て油圧シリンダ後室１５ｂに所定圧力
の作動油を供給する。これにより、インナロッドサブ４
が軸方向に前進し、ダウンザホールハンマ３９のハンマ
ビット３８がファーストケーシング３４から突出する。
このとき、すなわちインナロッドサブ４がストロークエ
ンドまで前進したとき、スプライン１８，１９は最大面
積で噛み合い、この位置が標準的な掘削ポジションとな
る。

【００２３】掘削時において、油圧ドリルヘッド６で発
生した回転力及び打撃力はシャンクロッド７を介してト
ップサブ２に伝達される。トップサブ２に伝達された回
転力及び打撃力はアウタロッドサブ３、アウタロッドカ
ップリング１２、アウタロッド３２及びファーストケー
シング３４に順に伝播して、アウタビット３３に伝達さ
れる。

【００２４】他方、インナロッドサブ４に関しては、該
インナロッドサブ４がトップサブ２から離間した前進位
置にあるので、トップサブ２から打撃力は伝達されな
い。インナロッドサブ４には、アウタロッドサブ３から
スプライン１８，１９を介して回転力のみが伝達され
る。インナロッドサブ４に伝達された回転力は、インナ
ロッド３５、スターティングロッド３６、アダプタサブ
３７及びダウンザホールハンマ３９に順に伝播して、ハ
ンマビット３８に伝達される。

【００２５】また、掘削時において、図示しないエアコ
ンプレッサにより発生した圧縮空気が、図示しないライ
ンオイラによってダウンザホールハンマのための潤滑油
を付加された後、スイベルケース５の空気流入口２６を
経て環状空気室２３に流入する。なお、その際、まれに
粉塵飛散防止などの目的から、水注入ポンプによって少
量の清水を圧縮空気に混入させることがある。

【００２６】圧縮空気はさらに空気流路９に流入し、イ
ンナロッドサブ４、インナロッド３５、スターティング
ロッド３６及びアダプタサブ３７の各内部を経てダウン
ザホールハンマ３９に供給される。この圧縮空気により
ダウンザホールハンマ３９に内蔵されたピストンが作動
し、ハンマビット３８に打撃力を与える。このとき、ハ
ンマビット３８の先端から圧縮空気が断続的に噴出す
る。この噴出空気は、アウタロッド３２とインナロッド
３５との空隙を送気時と逆方向に通過して、アウタロッ
ドサブ３とインナロッドサブ４との間の空隙３１に至
る。さらに、噴出空気は連通孔３０及び環状カッティン
グス室２５を経てカッティングス排出口２８から外部に
排出され、この空気流によってカッティングスが地上に
運搬、排出される。

【００２７】なお、図１に示すように、インナロッドサ
ブ４の小径部１３はシールリング４０を介して空気流路
９の軸方向部分９ａに常に嵌合保持される長さを有して
いるので、インナロッドサブ４がストローク（図１にＳ
1 で示される）一杯に前進しても、小径部１３が軸方向
部分９ａから抜け出すことはない。

【００２８】図５（ｂ）のフラッシング状態にするに
は、作動油入出口２７ａより環状油室２４ａ及び連通孔
２９ａを経て油圧シリンダ前室１５ａに所定圧力の作動
油を供給する。これにより、インナロッドサブ４が後退
し、ダウンザホールハンマ３９のハンマビット３８が掘
削孔底から離間して、ハンマビット３８がビットストロ
ークＳ2 分下降し、圧縮空気の全量が噴出する。この噴
出空気流により、掘削孔底に残るカッティングスが効果
的に排除され、カッティングスは掘削時におけると同様
の経路を通って地上に運搬、排出される。

【００２９】なお、アウタロッドサブ３に設けた環状隔
壁部１４は、その軸方向長さがインナロッドサブ４のス
トローク量よりも長くなっている。このため、万一イン
ナロッドサブ４に設けたダストシール４１が摩耗し、イ
ンナロッドサブ４の外周にカッティングスや泥が付着し
た状態でインナロッドサブ４をストロークエンドまで後
退させても、これらが直接油圧シリンダ前室１５ａに引
き込まれることはない。

【００３０】上記実施形態によれば次のような作用効果
がもたらされる。 (1) インナロッド３５は掘削ポジションである前進位置
で油圧ドリルヘッドによる打撃を直接受けない構造にな
っているため、インナロッド先端に取り付けたダウンザ
ホールハンマも打撃を受けることがなく、特別な補強を
必要としない。 (2) ハンマビット３８はダウンザホールハンマによる打
撃力のみを受けるので、これとは周波数が異なる油圧ド
リルヘッドによる打撃力も受ける従来のような影響を考
慮する必要がない。

【００３１】(3) インナロッドサブ４は油圧力によって
必要時にいつでも前進・後退させることができるので、
油圧ドリルヘッドによるアウタロッドサブへの打撃を停
止することなく、フラッシング操作をすることができ
る。 (4) インナロッドサブ４のストローク量をフラッシング
操作に必要なストロークよりも十分大きくとることによ
り、アウタビットとハンマビットとの軸方向の前後位置
関係を微調整することができるようになるので、地質条
件に合わせた掘削ができる。

【００３２】(5) この発明によるクリーニングスイベル
は、カッティングス排出に関し、ロータリパーカッショ
ンドリルによる二重管掘削工法に必ず使われるクリーニ
ングスイベルと同等の機能を有しているため、ダウンザ
ホールハンマを併用してもカッティングスの飛散がな
い。 (6) 従来のロータリパーカッションドリルによる二重管
掘削工法では油圧ドリルヘッドによる打撃力はアウタビ
ット及びインナビットの双方に分散して伝達される。こ
れに対し、この発明によるクリーニングスイベルを使用
した場合、油圧ドリルヘッドによる打撃力はアウタビッ
トにのみ伝達されるので、アウタ側の掘削効率が向上す
る。

【００３３】(7) この発明によるクリーニングスイベル
は、ロータリパーカッションドリルによる二重管掘削工
法に必ず使われるクリーニングスイベルと交換して使用
することができ、したがって既存の掘削機をそのまま使
用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、内管
の先端にダウンザホールハンマを取り付けて掘削するロ
ータリパーカッション式二重管掘削工法において、ドリ
ルヘッドの打撃力が内管には伝達されないので、ダウン
ザホールハンマが受ける種々の影響を回避することがで
きる。また、外管への打撃を停止することなく、フラッ
シング操作をすることができるので、掘削効率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるクリーニングスイベルの実施形
態を示す軸方向断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。

【図３】同クリーニングスイベルの分解断面図である。

【図４】クリーニングスイベルを油圧ドリルヘッドに接
続した状態を示す断面図である。

【図５】ダウンザホールハンマを併用して掘削する状態
を示す軸方向断面図である。

【符号の説明】

１：クリーニングスイベル ２：トップサブ ３：アウタロッドサブ ４：インナロッドサブ ５：スイベルケース ６：油圧ドリルヘッド ７：シャンクロッド ９：空気流路 ９ａ：軸方向部分 ９ｂ：半径方向部分 １２：アウタロッドカップリング １３：小径部 １４：環状隔壁部 １５：油圧シリンダ室 １５ａ：油圧シリンダ前室 １５ｂ：油圧シリンダ後室 １７：ピストン １８：雌スプライン １９：雄スプライン ２３：環状空気室 ２４ａ：環状油室 ２４ｂ：環状油室 ２５：環状カッティングス室 ２６：環状空気室 ２６：空気流入口 ２７ａ：作動油入出口 ２７ｂ：作動油入出口 ２８：カッティングス排出口 ２９ａ：連通孔 ２９ｂ：連通孔 ３０：連通孔 ３１：空隙 ３２：アウタロッド ３３：アウタビット ３４：ファーストケーシング ３５：インナロッド ３６：スターティングロッド ３８：ハンマビット ３９：ダウンザホールハンマ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転力及び打撃力を発生するドリルヘッド
   と、内管及び外管からなる二重管との間を連結するクリ
   ーニングスイベルであって、 後端が前記ドリルヘッドに連結され、前端に開口する軸
   方向部分及び外周に開口する半径方向部分からなる空気
   流路を有するトップサブと、 このトップサブの前端部外周に後端部が固定され、その
   中間部内周に形成された環状隔壁部と前記トップサブと
   の間に液圧シリンダ室が区画されたアウタロッドサブ
   と、 このアウタロッドサブ内に軸方向に移動自在に挿入され
   て、その後端部が前記空気流路の軸方向部分に、中間部
   が前記環状隔壁部にそれぞれ摺動自在に嵌合され、外周
   に前記液圧シリンダ室を摺動自在なピストンが設けられ
   たインナロッドサブと、 前記アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転
   力を伝達するための手段と、 前記トップサブ及び前記アウタロッドサブの各外周に相
   対回転自在に嵌合され、内周に環状空気室、前後２つの
   環状液室及び環状カッティングス室をそれぞれ有し、ま
   た外周に前記環状空気室、前記２つの環状液室及び前記
   環状カッティングス室とそれぞれ連通する空気流入口及
   び２つの液入出口及びカッティングス排出口を有するス
   イベルケースとを備え、 前記環状空気室は前記空気流路の半径方向部分と連通
   し、前記前後２つの環状液室は前記アウタロッドサブに
   設けられた連通孔を介して前記シリンダ室の前後室とそ
   れぞれ連通し、前記カッティングス室は前記アウタロッ
   ドサブに設けられた連通孔を介して前記アウタロッドサ
   ブと前記インナロッドサブとの間の空隙に連通している
   ことを特徴とするロータリパーカッション式二重管掘削
   装置用クリーニングスイベル。
2. 【請求項２】前記インナロッドサブの後端部に小径部が
   形成され、この小径部が前記空気流路の軸方向部分に摺
   動自在に嵌合されていることを特徴とする請求項１記載
   のロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニ
   ングスイベル。
3. 【請求項３】前記アウタロッドサブから前記インナロッ
   ドサブに回転力を伝達するための手段は、前記アウタロ
   ッドサブの内周及び前記インナロッドサブの外周にそれ
   ぞれ形成されて互いに嵌合するスプラインであることを
   特徴とする請求項１又は２記載のロータリパーカッショ
   ン式二重管掘削装置用クリーニングスイベル。