(57)【要約】【課題】土を分散させるようボーリング孔から加圧液体を注入するための、加圧液体を供給する液体供給手段を含むドリルストリングの端部に取り付けられるヘッドを提供する。【解決手段】ヘッドは本体と外壁とを備え、この本体には挿し込み口の径がｄで且つ軸ｘ，ｘ’に沿った少なくとも１つの注入ノズルが取り付けられ、本体はさらにダクト形成手段を有する。ダクト形成手段は、液体供給手段の下端に接続された第１端及び軸ｘ，ｘ’に対して接線方向に注入ノズルに接続された第２端を含む中心線を有する。この中心線は、連続的に変化する曲率半径を有する少なくとも１つの湾曲部により画定される。ダクト形成手段の横断面は、第１端から前記第２端までの長さの少なくとも半分以上に亘って規則的に縮小される。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土を分散させるようボーリング孔から加圧液体を注入するための、加圧液体を供給する液体供給手段を含むドリルストリングの端部に取り付けられるヘッドにおいて、
外壁と前記ドリルストリングの下端に接続される上端とを有する本体と、
前記本体に取り付けられ、挿し込み口の径がｄで且つ軸ｘ，ｘ’を有する少なくとも１つの注入ノズルと、
前記液体供給手段の下端に接続された第１端及び前記軸ｘ，ｘ’に対して接線方向に前記注入ノズルに接続された第２端を含み且つ曲率半径が連続的に変化する少なくとも１つの湾曲部により画定される中心線を有すると共に、その横断面が前記第１端から前記第２端までの長さの少なくとも半分以上に亘って規則的に縮小される、供給された液体を前記注入ノズルの挿し込み口へ導入するためのダクト形成手段とを備えていることを特徴とするヘッド。
【請求項２】
前記ダクト形成手段の中心線の第１端が、前記液体供給手段の下端の軸に対して接線方向に接続されることを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項３】
前記液体供給手段の軸が前記注入ヘッドの本体の軸とほぼ一致し、前記ダクト形成手段の中心線が、凹部が第１の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する前記第１端から中間点までの第１湾曲部と、凹部が前記第１の符号と反対の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する前記中間点から前記第２端までの第２湾曲部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項４】
前記ダクト形成手段がほぼ円形の横断面を有することを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項５】
前記ダクト形成手段が卵型の横断面を有することを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項６】
複数の注入ノズルと、それぞれ個別の注入ノズルに接続される複数のダクト形成手段を有することを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項７】
前記ダクト形成手段が前記注入ヘッドの前記本体から分離されたチューブであることを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項８】
前記注入ヘッドの本体が成形品であり、その成形中に前記ダクト形成手段が形成されることを特徴とする請求項１に記載の加圧液体注入ヘッド。
【請求項９】
土を分散させるようボーリング孔から加圧液体を注入するための、加圧液体を供給する液体供給手段を含むドリルストリングの端部に取り付けられるヘッドにおいて、
前記ドリルストリングの下端に接続される上端、下端、及び外壁を有する本体と、
前記本体に取り付けられ、挿し込み口の径がｄで且つ軸ｘ，ｘ’に沿った少なくとも１つの注入ノズルと、
前記本体の下端に取り付けられた工具と、
前記液体供給手段に接続されると共に前記本体内に亘って設けられる、前記工具に液体を送入するための送入菅と、
前記送入菅に対してほぼ接線方向に接続された第１端と前記注入ノズルに接続された第２端とを有し、送入菅に接続された前記第１端及び軸ｘ，ｘ’に対して接線方向に接続された前記第２端を含み且つ曲率半径が連続的に変化する少なくとも１つの湾曲部により画定される中心線を有すると共に、その横断面が前記第１端から前記第２端までの長さの少なくとも半分以上に亘って規則的に縮小される、ダクト形成手段とを備えていることを特徴とするヘッド。
【請求項１０】
前記送入菅の軸が前記注入ヘッドの本体の軸とほぼ一致し、前記ダクト形成手段の中心線が、凹部が第１の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する前記第１端から中間点までの第１湾曲部と、凹部が前記第１の符号と反対の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する前記中間点から前記第２端までの第２湾曲部とを備えていることを特徴とする請求項９に記載の加圧液体注入ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤掘削用加圧液体注入ヘッド、特に“ジェットグラウティング”として知られている技術を履行するための注入ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェットグラウティングの技術は、ボーリング孔内で履行される非常に大きな運動エネルギーを有する液体噴出によって土を分散させることにあり、液体の噴出によって掘削を行うべき地盤を侵食するものである。液体を噴出させるには、ドリルストリングの端部に固定されたノズルを用い、ドリルストリングのロッドで、ノズルに高圧液体を運搬すると同時に、土壌内でノズルを漸進的に平行移動させる。より正確には、１又は複数のノズルを、ドリルストリングの下端に取り付けられ一般に“モニター”又は“注入ヘッド”と称される部材に固定し、そのモニター自体の下端を機械的なボーリング用工具と任意に嵌合させる。また公知のように、液体としては、ボーリングの後に土壌内の所定位置に流し込まれるセメント要素を形成するセメントベースのスラリーが用いられるのが一般である。
【０００３】
ドリルストリングにより運搬される液体は、１０から数１０メガパスカル（ＭＰａ）の圧力下において、ポンプによって地表から配送される。液体を運搬するドリルストリングの内径は、そのドリルストリング内におけるヘッドロスが最小限となる程度に、十分大きい必要がある。概して、この内径は２０ミリメートル（ｍｍ）から５０ｍｍとしてよい。一方、ノズルからの出口の内径は、そのノズルから出射される液体の噴出によって遠隔での土壌侵食が可能な速度を得られる程度に、十分小さい必要がある。概して、ノズルの出口の内径は２ｍｍから５ｍｍであり、ノズルから出射される液体の速度は毎秒１００から数１００メートル（ｍ／ｓ）である。
【０００４】
噴出を良質なものとするためには、ノズルから土壌に向けて液体を運搬する際に液体の噴出ができるだけ大きな速度に維持されるよう、ノズルの内側形状を最適化するのが望ましく、これにより、最小限の運動エネルギーを用いてできるだけ多くの土壌を侵食できるようになる。この要求を満たすよう最適化されたノズルの形状は、広範囲で使用される。
【０００５】
しかしながら、このようなノズルを用いても、液体噴出による土壌侵食効果はすぐに失われることがわかっており、この場合、ドリルストリングが平行に且つ任意に回転しながら移動する際に、ノズルから例えば数デシメートル（ｄｍ）というかなり離れた距離において土壌を侵食するためには、相当なレベルの運動エネルギーが必要となる。また、円柱、扇状柱、又は平面要素を形成するための加圧液体噴出の活性径は、履行する方法、土壌の性質、及び与えられるエネルギーによるが、概して数デシメートルから１メートル（ｍ）又は２ｍという範囲で、不充分なままとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
噴出作用を高めるという目的で、特に米国特許５２２８８０９号公報において、注入ヘッド又はモニターに対して噴出特性を改善するという要求を満足させるような提案がなされている。
【０００７】
添付された図１には、上記特許発明における注入ヘッドが示されている。注入ヘッド１０は、内側空間を画定する側壁１４を有する本体１２を備えている。加圧液体を注入するためのノズル１６は、モニターの外壁１４内に取り付けられている。また、この図には、ドリルストリングに接続される要素１８、及び、加圧液体のパイプに接続され、且つ、注入ノズルに液体を導入すると同時に環状ノズルに空気を供給することができるようドリルストリングに沿って配置された環状空気パイプに接続される要素２０，２２が示されている。この特許発明によると、加圧液体を供給するためのパイプ２２から、モニター１０の本体に形成された通路２４及びこの通路の端部と注入ノズル１６の挿し込み口とを接続するチューブ２６を介して、注入ノズル１６に液体が導入される。チューブ２６は、ドリルストリングと注入ノズル１６自体との間において生じる加圧液体の乱れが制限されるよう、一定の断面及び規則的に変化する曲率を有している。しかしながら、説明したように、注入ノズルの径は、ドリルストリングに沿って配置された加圧液体を供給するパイプの径に比べると、非常に小さいものとなる。したがって、上記の米国特許発明において示された解決法は、完全に満足されるものでない。
【０００８】
本発明の目的は、ドリルストリングの下端に取り付けられた注入ヘッドのノズルからの噴出特性をさらに改善することが可能な注入ヘッド、特にジェットグラウティングを履行するための注入ヘッドを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、土を分散させるようボーリング孔から加圧液体を注入するための、加圧液体を供給する液体供給手段を含むドリルストリングの端部に取り付けられるヘッドにおいて、外壁と前記ドリルストリングの下端に接続される上端とを有する本体と、前記本体に取り付けられ、挿し込み口の径がｄで且つ軸ｘ，ｘ’に沿った少なくとも１つの注入ノズルと、前記液体供給手段の下端に接続された第１端及び前記軸ｘ，ｘ’に対して接線方向に前記ノズルに接続された第２端を含み且つ曲率半径が連続的に変化する少なくとも１つの湾曲部により画定される中心線を有すると共に、その横断面が前記第１端から前記第２端までの長さの少なくとも半分以上に亘って規則的に縮小される、供給された液体を前記ノズルの挿し込み口へ導入するためのダクト形成手段とを備えていることを特徴とするヘッドを提供する。
【００１０】
例えばチューブなどのダクト形成手段の横断面が、加圧液体を供給するためのパイプに接続される端部から注入ノズルの挿し込みオリフィスへの連結部までの長さの少なくとも半分以上に亘って、漸進的且つ規則的に縮小されることにより、注入ノズルからの噴出の特性及び方向がほぼ改善されるのが理解されるであろう。またさらに、ダクト形成手段の中心線が規則的に変化する曲率半径を有するという特徴を付加することによって、チューブ内で生じる液体の流れの乱れを最小限に抑えることが可能になると共に、注入ノズルから土壌内への最大距離まで維持される侵食力を持つ最大エネルギーでの噴出が実現される。
【００１１】
第１の実施形態では、液体供給手段の軸は注入ヘッドの本体の軸とほぼ一致し、ダクト形成手段の中心線は、凹部が第１の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する第１端から中間点までの第１湾曲部と、凹部が第１の符号と反対の符号を持ち且つ規則的に変化する曲率を有する中間点から第２端までの第２湾曲部とを備えている。
【００１２】
例えばチューブなどのダクト形成手段が上記のように２つの湾曲部を持つという特別な形状であることから、注入ヘッドの所定の外径に対して、チューブの長さを長くし且つチューブにおける注入ノズルに直接接続される大きい曲率半径を呈する部分の長さを長くすることが可能になることが理解されるであろう。
【００１３】
第２の実施形態では、液体を送入するための送入菅が注入ヘッド内に亘って設けられ、ダクト形成手段の第１端が、この送入菅に対してほぼ接線方向にある、送入菅の側枝である。
【００１４】
非制限例として以下に示される本発明の様々な実施形態によって、本発明の他の特徴や効果はより明確となるであろう。以下の記述については、添付図面を参照されたい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２に示されている注入ヘッド３０は、円筒状の側壁３４と、例えばネジ山３８のような、機械的なボーリング用工具を固定する手段を含む下端３６と、上端４０とから構成される本体３２を備えている。上端４０は、ドリルストリング４４の下端と接続するためのネジ山４２と、上述したように一般にスラリーから構成される液体を加圧して運搬するためドリルストリング４４の内側に設けられたパイプ４８に接続するための内側スリーブ４６との両方を有している。ここで特に示されている実施形態においては、ドリルストリング４４とパイプ４８との間にある環状空間５０が加圧空気を運搬するのに用いられる。しかしながら、他の実施形態においてこの環状空間を省略してよいのは当然である。
【００１６】
下端３６の上方には、ｘ，ｘ’軸に沿った注入ノズル５０を備えた、注入ヘッドの側壁３４がある。ここで示されている実施形態において、注入ノズル５０のｘ，ｘ’軸は鉛直軸ｚ，ｚ’に対してほぼ直交しているが、他の実施形態においてこの軸は水平軸に対して例えば＋１５°〜−１５°の範囲にあってよい。また、図４及び図５に示すように、注入ノズルは、モニターの外壁に対して直交してもよいし（図４の注入ノズル５０’）、モニターの外壁にほぼ接してもよいし（図５の注入ノズル５０”）、さらに、ｘ，ｘ’軸がそれらの間のどの方向であってもよい。注入ヘッド本体の空洞５２の内側には、加圧液体の導入口４６と注入ノズル５０の挿し込み口５０とを接続するチューブ５４がある。加圧液体を導入するためのパイプ４６の横断面がＳ１と書かれており、また、注入ノズル５０の挿し込み口の横断面がｓ１と書かれている。中心線Ｌを有するチューブ５４は、パイプ４６に接続される第１端５６と、注入ノズルに接続される第２端５８とを有する。チューブ５４の第１端５６は、横断面Ｓ１と同一の横断面Ｓ’１を有し、第２端は注入ノズルの横断面ｓ１と同一の横断面ｓ’１を有する。さらに、チューブ５４の横断面、即ち中心線Ｌに直交する平面におけるチューブの横断面は、Ｓ’１からｓ’１へと規則的な割合で縮小されている。なお、チューブ５４は非常に短い円筒部を含んでよい。
【００１７】
チューブの横断面は円形であってよいが、卵形、楕円形などであってもよい。終端５６，５８の横断面は一般に円形であるが、これらも楕円形であってよい。チューブ５４の中心線Ｌは、一定ではなく規則的に変化する曲率を有する。図２に示す実施形態において、チューブ５４の中心線Ｌは、第１端５６から中間点Ａまでの第１湾曲部Ｌ１、及び、中間点Ａから第２端５８までの第２湾曲部Ｌ２を備えている。第１湾曲部Ｌ１の曲率半径は同じ符号を保つと共に、第２湾曲部Ｌ２の曲率半径も同様に同じ符号を保っているが、第２湾曲部Ｌ２における曲率半径の符号と第１湾曲部Ｌ１における曲率半径の符号とは反対になっている。つまり、第１湾曲部Ｌ１及び第２湾曲部Ｌ２は、中心線Ｌの変曲点である中間点Ａにおいて接するよう連結されている。
【００１８】
本実施形態では、特に中心線の第２湾曲部Ｌ２、つまりチューブに対応する部分によって、チューブにおける注入ノズルと接続される領域で大きい曲率半径を呈する部分の長さを長くすることが可能になる。またこのような構成により、注入ノズル５０近傍におけるチューブ５４内の加圧液体の流れをさらに安定させることが可能になる。
【００１９】
もちろんチューブ５４は、その中心線が規則的に変化する曲率を有すると共にその横断面が第１端５６から注入ノズルと結合する第２端５８までほぼ規則的に縮小されるという条件において、他の形状であってよい。チューブは曲率半径を１つのみ有する必要があるが、その中心線は一平面内になく、螺旋形、即ち３次元の曲線を形成してよい。
【００２０】
注入ヘッドが複数のノズルを有することは明らかに本発明の主旨を逸脱しないものであり、このような注入ヘッドにおいては、チューブ５４と同様のチューブを複数有すると共にそのそれぞれがドリルストリング内に含まれ且つ加圧された液体を導入するパイプと個別に結合される構成となる。
【００２１】
チューブ５４を図２に示すような形状にすると、注入ヘッドの作動部分の外形寸法を径Ｄ１及び高さＨ１に相当する小さな値以内にすることが可能になると共に、このチューブの中心線Ｌの全長を長くすることが可能になることに注目されたい。そしてチューブ５４の長さを長くすることで、チューブの２つの端部における所定の横断面に対して、より漸進的に横断面を縮小することが可能になる。示された実施形態において、径Ｄ１は１５センチメートル（ｃｍ）未満であり、注入ヘッドの活性高さＨ１は５０ｃｍ未満である。
【００２２】
図３は、本発明に係るモニターについての第２の実施形態を示す。このモニターは、加圧された液体を導入するためのパイプ４８が、ネジ立て付きスリーブ３８内に取り付け可能な機械的工具に液体を送入するためのパイプ７０によって、モニター内に延長されている点において、本質的に異なっている。機械的工具を取り付けると、制御可能な弁７２を介して、パイプ７０により、機械的工具に液体が送入される。このような場合、チューブ５４’の第１端５６’はパイプ７０の側枝となる。この側枝は、パイプ７０の壁部に対してほぼ接線方向であるのが好ましい。
【００２３】
上述した本実施形態においては、チューブ５４’の中心線Ｌ’が３次元の曲線であるのが理解されるであろう。チューブ５４’は、側枝５６’から注入ノズル５０の挿し込み口まで至るよう、パイプ７０の周囲に“巻きついている”。
【００２４】
上述の説明では、チューブ５４は注入ヘッドの本体内部に取り付けられたパイプから分離された部分となっている。しかしながら、注入ヘッドの本体を成形品とし、その成形中に適切な技術によってチューブ５４が形成される場合でも、本発明の主旨を逸脱するものではない。このような場合、注入ヘッドの本体は、その内部に形成された空洞によりチューブ５４が構成されて中実品であってよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の注入ヘッドを示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る注入ヘッド又はモニターの第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る注入ヘッドの第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る注入ノズルにおける埋め込み例を示す部分横断面図である。
【図５】本発明に係る注入ノズルにおける別の埋め込み例を示す部分横断面図である。
【符号の説明】
３０　注入ヘッド
３２　本体
ｚ’　注入ヘッド本体の軸
３４　側壁（外壁）
３６　下端
４０　上端
４４　ドリルストリング
４８　パイプ（液体供給手段）
ｚ　パイプ（液体供給手段）の軸
５０，５０’，５０’’　注入ノズル（モニター）
５４，５４’　チューブ（ダクト形成手段）
５６，５６’　第１端
５８　第２端
Ｌ　チューブ（ダクト形成手段）の中心線
Ｌ１　第１湾曲部
Ｌ２　第２湾曲部
Ａ　中間点
７０　パイプ（送入菅）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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