JP2022015102A - 掘削システムおよび地盤の掘削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】密度の調整が容易で分離しない安定液を用いて効率的に地盤を掘削できる掘削システムおよび地盤の掘削方法を提供する。【解決手段】地盤１を掘削する掘削部３と、掘削部３の近傍から地盤１へ安定液１５を供給する供給ポンプ１１ｂと、安定液１５を回収する回収ピット１３と、を具備し、安定液１５にポリタングステン酸ナトリウムが含まれている掘削システム２を用いる。そして、地盤１に対して安定液１５を供給ポンプ１１ｂで供給しつつ、掘削部３で地盤１に孔２３を掘削し、掘削後の安定液１５を掘削土１７とともに回収ピット１３に回収し、安定液１５から掘削土１７を分離する。【選択図】図２

Description

本発明は、地盤を掘削する掘削システムおよび地盤の掘削方法に関するものである。

従来、掘削機を用いて地盤を削孔する際には、ベントナイト等の粘土と水とを混ぜた密度が１．１０以下の泥水を安定液として使用して、孔壁に不透水性の泥壁を造成して孔壁が崩れないように保護している。安定液は、孔底やビット付近から掘りくずを除去して清浄するとともに孔内を循環して掘りくずを地上まで運搬する役割、地層を砕く際の摩擦により発生するコアビットの熱を冷却する役割、粘土分の潤滑性を利用してケーシングパイプとボーリングロッドとの接触を防ぎパイプの摩耗を防ぐ役割などを担う。

削孔する地盤の地下水圧が高い場合などには、安定液の密度を大きくして地下に存在する石油、ガス、水などの流体が噴出しないように抑える必要がある。高密度の安定液としては、磁力によって吸着できる磁性体を混入した安定液（例えば、特許文献１参照）、カオリン鉱物の使用量を増やした安定液（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特許第５１６７１９０号公報 特許第３９３２３７７号公報

しかしながら、特許文献１では、安定液の粘度が大きいため削孔時に掘削機への負担が大きかった。また、磁性体を回収するためには、大がかりな設備が必要であった。また、特許文献２では、密度の調整幅が小さく、高密度化は困難であった。

また、特許文献１、２に記載された安定液は、いずれも、磁性体であるフェライトやカオリン鉱物などの固体の粒子を水に混濁させるため、分散安定性が低く、固体と水とが分離しやすいという問題点があった。固体と水とが分離しやすい場合、ボーリングロッドの継ぎ足しなどの目的で安定液の循環を一時的に停止したときに、掘りくずや添加材料が分離して泥水中のスライムが沈降し、孔壁の崩壊と同時にボーリングロッドが埋まってしまう可能性があった。また、孔壁保護のために造成された泥壁が厚すぎると、ボーリングロッドが泥壁に張り付いて掘削が不能となる場合があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、密度の調整が容易で分離しない安定液を用いて効率的に地盤を掘削できる掘削システムおよび地盤の掘削方法を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、地盤を掘削する掘削システムであって、地盤を掘削する掘削部と、前記掘削部の近傍から地盤へ安定液を供給するポンプと、前記安定液を回収する回収部と、を具備し、前記安定液には、ポリタングステン酸ナトリウムが含まれていることを特徴とする掘削システムである。

第１の発明では、ポリタングステン酸ナトリウム（以下ＳＰＴとする）を用いることにより安定液の密度を容易に調整することができる。ＳＰＴは無害、無臭、不燃の固体であり、ＳＰＴを水に溶かしたＳＰＴ溶液も無害であるため、環境負荷を低減でき施工時の安全性が高い。また、固体のＳＰＴは、ＳＰＴ溶液から高い回収率で回収可能である。さらに、ＳＰＴ溶液は水溶液であるため、地盤での安定液の循環を一時的に停止してもＳＰＴと水とは分離しない。

前記安定液の密度が１．８ｇ／ｃｍ^３以上３．１ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。
これにより、地下水圧が大きい環境下でも孔の壁面を安定して保護することができる。また、ＳＰＴが含まれる安定液を地盤へ供給すると、安定液の密度が大きくなるにつれて掘削部の削孔負荷が低減されるので、掘削の効率化が可能である。

前記回収部で回収された前記安定液は、掘削土と分離された後、前記ポンプによって地盤へ循環可能であることが望ましい。
ＳＰＴは高価であるが、安定液を回収して再利用することにより施工費を低減できる。

回収された前記安定液から、固形のポリタングステン酸ナトリウムを抽出し、再度溶液化することで新たに前記安定液を得て、得られた前記安定液を前記ポンプによって地盤へ循環可能であってもよい。
これにより、再利用する際に安定液の密度を容易に調整することができる。

第２の発明は、地盤に対して安定液をポンプで供給しつつ、掘削部で地盤の掘削を行う地盤の掘削方法であって、前記安定液には、ポリタングステン酸ナトリウムが含まれており、掘削後の前記安定液を掘削土と分離して回収することを特徴とする地盤の掘削方法である。

第２の発明では、ＳＰＴが含まれる安定液を用いることにより、重液分離の効果で掘削土を地上まで運搬しやすくなり、従来よりも掘削時の削孔負荷が低下し、掘削効率が向上する。また、安定液を掘削土と分離して回収して繰り返し再利用することにより、施工費を低減することができる。

第２の発明では、例えば、前記地盤の掘削が、ボーリング削孔であり、前記掘削部によって前記地盤に対して略鉛直方向に削孔する。前記地盤が、水中の水底であり、前記掘削部の上方に配置した管体によって、掘削後の前記安定液と掘削土を回収してもよい。
これにより、地上や水底の地盤に略鉛直方向に孔を効率的に掘削できる。

また、前記地盤の掘削が、シールド機による削孔であり、前記掘削部によって前記地盤に対して略水平方向に削孔してもよい。
これにより、地盤に略水平方向に孔を効率的に掘削できる。

本発明によれば、密度の調整が容易で分離しない安定液を用いて効率的に地盤を掘削できる掘削システムおよび地盤の掘削方法を提供できる。

掘削システム２を用いて孔２３を掘削している状態を示す図。 掘削手順を示す図。 安定液の密度とトルク値との関係を示す図。 掘削システム２ａを用いて孔２３を掘削している状態を示す図。 掘削システム２ｂを用いて孔２３ａを掘削している状態を示す図。

以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。
図１は、掘削システム２を用いて孔２３を掘削している状態を示す図である。図１に示すように、掘削システム２は、地盤１上のボーリングマシン９に保持されたロッド５の先端に設けられた掘削部３、地盤１に形成された回収ピット１３、調整部１４に内蔵された供給ポンプ１１ｂ等からなる。第１の実施形態では、掘削システム２を用いて地盤１に略鉛直方向に孔２３を掘削する。

図２は、孔２３の掘削手順を示す図である。孔２３を掘削するには、まずＳＰＴが含まれる安定液１５を作製する（Ｓ１０１）。Ｓ１０１では、調整部１４において、水に固形のＳＰＴを溶解させて安定液１５を作製する。ＳＰＴは、無害、無臭の不燃の固体であり、ＳＰＴを水に溶かしたＳＰＴ溶液も無害である。安定液１５の密度は掘削する地盤１の条件に合わせて決定するが、１．８ｇ／ｃｍ^３以上３．１ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましく、２．７ｇ／ｃｍ^３以上であることが特に望ましい。

次に、安定液１５が所定の密度以上かを確認する（Ｓ１０２）。そして、所定の密度に満たなければ、Ｓ１０１に戻って安定液１５の密度を調整する。

ＳＰＴ溶液が所定の密度以上であれば、安定液１５を供給しつつ地盤１を掘削する（Ｓ１０３）。Ｓ１０３では、地盤１の掘削位置に設置したケーシングパイプ７の内側から、ロッド５の先端の掘削部３をボーリングマシン９で回転させつつ下降させて、地盤１に略鉛直方向の孔２３を削孔していく。孔２３の削孔中は、供給ポンプ１１ｂを稼働させて、調整部１４から供給管２１を介して安定液１５を掘削部３に送り、掘削部３の近傍から地盤１に安定液１５を供給する。安定液１５は、孔２３の底部や掘削部３付近から掘削土１７を除去して清浄するとともに、掘削土１７を地上付近まで運搬する。また、孔２３内に満たされて孔壁２５の崩壊を防止する。

ＳＰＴが含まれる安定液１５はベントナイト溶液等の泥水よりも密度が大きい重液である。そのため、安定液１５内では重液分離の効果により掘削土１７が浮遊しやすい。掘削土１７は安定液１５が満たされた孔２３内を上昇し、安定液１５とともにケーシングパイプ７の分岐管７１から回収ピット１３に流れ込む。回収ピット１３では、安定液１５より密度の小さい掘削土１７ａが安定液１５から分離して上方に浮遊する。安定液１５より密度の大きい掘削土１７ｂが混ざっている場合は回収ピット１３の底に沈む。

なお、図１に示す例では、ケーシングパイプ７に設けた分岐管７１から回収ピット１３に安定液１５および掘削土１７を回収したが、回収方法はこれに限らない。ポンプを用いてケーシングパイプ７内から回収ピット１３に安定液１５および掘削土１７を回収してもよい。

ここで、安定液１５の密度と掘削部３での削孔負荷について述べる。図３は、安定液１５の密度とトルク値との関係を示す図である。図３の点線２７は砂単体を直接掘削した場合のトルク値であり、点線２８は一般的に用いられるベントナイト泥水と砂を混合した場合のトルク値を示す。黒丸は、ＳＰＴが含まれる安定液１５と砂礫土とを混合したものについて安定液１５の密度を変化させて室内ベーンせん断試験を実施したときの、安定液１５の密度とベーンせん断強さから算出した削孔時のトルク値との関係を示す。

図３から、ＳＰＴが含まれる安定液１５を用いた場合、安定液１５の密度が大きくなるにつれてトルク値が小さくなって削孔負荷が低減することが確認できる。安定液１５の密度を上記の望ましい値である１．８ｇ／ｃｍ^３以上とすれば一般的なベントナイト泥水を用いた場合よりもトルク値を低減することができる。また、特に望ましい値である２．７ｇ／ｃｍ^３以上とすればトルク値を大きく低減することができる。これは密度の大きい安定液１５を用いると、密度が２．７ｇ／ｃｍ^３程度の砂も上方に浮遊しやすくなるためと考えられる。

Ｓ１０３でボーリング削孔を行ったら、安定液１５を回収し掘削土１７を、例えば濾過や分離装置等によって分離する（Ｓ１０４）。Ｓ１０４では、調整部１４に内蔵された回収ポンプ１１ａを稼働させて、回収ピット１３から回収管１９を介して安定液１５を回収する。これにより、回収ピット１３内で掘削土１７ａ、１７ｂと分離された安定液１５が調整部１４に貯留される。調整部１４では、安定液１５から掘削土１７をより確実に分離するために、回収した安定液１５をさらに濾過してもよい。なお、回収ピット１３内の掘削土１７ａ、掘削土１７ｂは適宜掬い出して処理する。

次に、孔２３を所定の深さまで削孔したかを確認する（Ｓ１０５）。所定の深さまで削孔したことを確認したら、削孔を終了する。

所定の深さまで削孔していない場合は、ＳＰＴが含まれる安定液１５を作製する（Ｓ１０１）。なお、Ｓ１０１の前に、回収した安定液１５からＳＰＴを抽出してもよい（Ｓ１０６）。Ｓ１０６を実施する場合は、調整部１４において安定液１５を蒸留して固形のＳＰＴを抽出する。

２度目以降のＳ１０１では、調整部１４において、回収した安定液１５から水分を蒸発させて濃縮し、新たに安定液１５を作製する。あるいは、Ｓ１０６で抽出した固形のＳＰＴを再度溶液化して新たに安定液１５を作製してもよい。また、２度目以降は、掘削土を分離した安定液の密度調整を行うのみで、安定液１５をそのまま循環させてもよい。

孔２３の削孔時には、図２に示す各ステップを並行して実施する。すなわち、地盤１に対して安定液１５を供給しつつ掘削部３で孔２３を削孔し、同時に地盤１に供給した安定液１５を回収して掘削土１７と分離し、安定液１５の密度を再調整する。

第１の実施形態では、ＳＰＴを用いることにより安定液１５の密度を容易に調整することができる。ＳＰＴは高価であるが溶液からの回収効率が良いので、安定液１５を掘削土１７と分離して回収し再利用することにより、掘削のコストを低減することができる。また、ＳＰＴが含まれる安定液１５は密度が大きいため、地下水圧が大きい環境下でも孔壁２５を安定して保護することができる。さらに、ＳＰＴが含まれる安定液１５を用いると、安定液１５の密度が大きくなるにつれて削孔負荷が低減され、掘削の効率化が可能である。

安定液１５は重液効果により掘削土１７を浮遊させやすく、水溶性のＳＰＴは安定液１５中で水と分離しにくい。そのため、従来のように、固体を混濁させた安定液と比較して、ロッド５の継ぎ足しなどのために安定液１５の循環を一時的に停止しても、安定液１５中の掘削土１７やＳＰＴが沈降して孔壁２５が崩壊したり掘削部３が埋まったりすることはない。また、孔壁２５に厚い泥壁が造成されてロッド５が張り付いたり、掘削部３が摩耗したりすることもない。

なお、安定液１５は、ベントナイト溶液などの泥水にＳＰＴを溶解させて作製してもよい。これにより安定液１５の密度を大きくする際の材料費を低減できる。

また、図２に示すＳ１０２では安定液１５の管理基準として密度を使用したが、密度の代わりに粘度を用いて安定液１５を管理してもよい。この場合、例えばあらかじめ密度と粘度との関係を取得しておけばよい。

以下、本発明の別の例について、第２、第３の実施形態として説明する。各実施形態はそれまでに説明した実施形態と異なる点について説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。また、第１の実施形態も含め、各実施形態で説明する構成は必要に応じて組み合わせることができる。

まず、第２の実施形態について説明する。図４は、掘削システム２ａを用いて孔２３を掘削している状態を示す図である。第２の実施形態は、孔２３を水底の地盤１に掘削する点で第１の実施形態と主に異なる。第２の実施形態は、例えば、洋上風力発電の支持基礎（モノパイル式、ジャケット式、トライポッド式、トリパイル式）等の削孔に適用可能である。

掘削システム２ａでは、回収ピット１３および調整部１４が設けられず、回収調整部１６が設けられる。回収調整部１６は、回収管１９が接続された回収ポンプ１１ａ、供給管２１が接続された供給ポンプ１１ｂなどが内蔵される。

第２の実施形態においても、図２に示す手順で地盤１に孔２３を掘削する。第２の実施形態では、Ｓ１０１で、水上の作業台３７上に設置された回収調整部１６において、水に固形のＳＰＴを溶解させて安定液１５を作製する。

Ｓ１０３では、ロッド５の先端の掘削部３を作業台３７上のボーリングマシン９で回転させつつ下降させて、水底の地盤１に略鉛直方向に孔２３を削孔していく。孔２３の削孔中は、供給ポンプ１１ｂを稼働させて、回収調整部１６から供給管２１を介して掘削部３に安定液１５を送り、掘削部３の近傍から地盤１に安定液１５を供給する。掘削土は孔２３に満たされた安定液１５中を上昇する。安定液１５は海水等よりも密度が大きいため、孔２３内の安定液１５は容易に海水等と置換されることなく孔壁２５を保護する。

Ｓ１０４では、回収ポンプ１１ａを稼働させて、掘削部３の上方に端部が配置された回収管１９を介して、安定液１５を回収調整部１６に回収する。回収した安定液１５は掘削土を含むので、回収調整部１６において濾過するなどして安定液１５から掘削土１７を分離する。

２度目以降のＳ１０１では、回収調整部１６において、回収した安定液１５から水分を蒸発させて濃縮し、新たに安定液１５を作製する。あるいは、Ｓ１０６で抽出した固形のＳＰＴを再度溶液化して新たに安定液１５を作製してもよい。また、掘削土を分離して、密度調整にのみを行ってそのまま循環させてもよい。

第２の実施形態においても、ＳＰＴを用いて安定液１５を作製すること、ＳＰＴが含まれる安定液１５を用いて孔２３を掘削することにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、回収管１９の端部を孔２３の深い位置（掘削部３に近い位置）に配置したが、回収管１９の端部は掘削部３の上方に且つ地盤１の表層付近よりある程度深い位置に配置されればよい。このような位置に回収管１９の端部を配置すれば、回収した安定液１５への海水等の混入を防ぐことができる。

次に、第３の実施形態について説明する。図５は、掘削システム２ｂを用いて孔２３ａを掘削している状態を示す図である。第３の実施形態は、孔２３ａを地盤１に略水平方向に掘削する点で第１の実施形態と主に異なる。

掘削システム２ｂでは、回収ピット１３および調整部１４が設けられず、回収調整部１６が設けられる。回収調整部１６の回収ポンプ１１ａには排泥管１９ａが接続され、供給ポンプ１１ｂには供給管２１ａが接続される。また、掘削システム２ｂでは、ボーリングマシン９に保持されたロッド５の先端に設けられた掘削部３が設けられず、シールド機２９の先端に掘削部３ａが設けられる。

第３の実施形態においても、図２に示す手順で地盤１に孔２３ａを掘削する。第３の実施形態では、Ｓ１０１で、地盤１上に設置された回収調整部１６において、水に固形のＳＰＴを溶解させて安定液１５を作製する。

Ｓ１０３では、地盤１に構築した立坑３０内からシールド機２９を発進させて、シールド機２９の先端の掘削部３ａで地盤１に略水平方向に孔２３ａを削孔していく。シールド機２９は、本体３３内で孔２３ａの覆工セグメントを組み立ててシールドトンネル３５を構築する。孔２３ａの削孔中は、供給ポンプ１１ｂを稼働させて、回収調整部１６から供給管２１ａを介してシールド機２９のチャンバ３１に安定液１５を送る。チャンバ３１内の安定液１５は、従来使用されている泥水と同様に機能する。

Ｓ１０４では、回収ポンプ１１ａを稼働させて、チャンバ３１内に端部が配置された排泥管１９ａを介して、安定液１５と掘削土とを回収調整部１６に回収する。そして、回収調整部１６において濾過するなどして安定液１５から掘削土を分離する。

２度目以降のＳ１０１では、回収調整部１６において、回収した安定液１５から水分を蒸発させて濃縮し、新たに安定液１５を作製する。あるいは、Ｓ１０６で抽出した固形のＳＰＴを再度溶液化して新たに安定液１５を作製してもよい。また、掘削土を分離して密度調整のみをおこなって、そのまま循環させてもよい。

第３の実施形態においても、ＳＰＴを用いて安定液１５を作製することにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。水溶性のＳＰＴは安定液１５中で水と分離しにくいので、シールド機２９の掘進を一時的に停止してもチャンバ３１内で安定液１５が分離することがない。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………地盤
３、３ａ………掘削部
５………ロッド
７………ケーシングパイプ
９………ボーリングマシン
１１ａ………回収ポンプ
１１ｂ………供給ポンプ
１３………回収ピット
１４………調整部
１５………安定液
１６………回収調整部
１７、１７ａ、１７ｂ………掘削土
１９………回収管
１９ａ………排泥管
２１、２１ａ………供給管
２３、２３ａ………孔
２５………孔壁
２７、２８………点線
２９………シールド機
３０………立坑
３１………チャンバ
３３………本体
３５………シールドトンネル
３７………作業台
７１………分岐管

Claims (8)

1. 地盤を掘削する掘削システムであって、
   地盤を掘削する掘削部と、
   前記掘削部の近傍から地盤へ安定液を供給するポンプと、
   前記安定液を回収する回収部と、
   を具備し、
   前記安定液には、ポリタングステン酸ナトリウムが含まれていることを特徴とする掘削システム。
2. 前記安定液の密度が１．８ｇ／ｃｍ^３以上３．１ｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１記載の掘削システム。
3. 前記回収部で回収された前記安定液は、掘削土と分離された後、前記ポンプによって地盤へ循環可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の掘削システム。
4. 回収された前記安定液から、固形のポリタングステン酸ナトリウムを抽出し、再度溶液化することで新たに前記安定液を得て、得られた前記安定液を前記ポンプによって地盤へ循環可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の掘削システム。
5. 地盤に対して安定液をポンプで供給しつつ、掘削部で地盤の掘削を行う地盤の掘削方法であって、
   前記安定液には、ポリタングステン酸ナトリウムが含まれており、
   掘削後の前記安定液を掘削土と分離して回収することを特徴とする地盤の掘削方法。
6. 前記地盤の掘削が、ボーリング削孔であり、
   前記掘削部によって前記地盤に対して略鉛直方向に削孔することを特徴とする請求項５記載の地盤の掘削方法。
7. 前記地盤が、水中の水底であり、
   前記掘削部の上方に配置した管体によって、掘削後の前記安定液と掘削土を回収することを特徴とする請求項６記載の地盤の掘削方法。
8. 前記地盤の掘削が、シールド機による削孔であり、
   前記掘削部によって前記地盤に対して略水平方向に削孔することを特徴とする請求項５記載の地盤の掘削方法。

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