(57)【要約】【課題】大掛かりな機械掘削ができない場所にて、少ない労力で、無騒音、且つ確実・迅速に地中に縦孔、横孔、斜孔を掘削して穿孔する超音波振動式地中穿孔方法およびその装置を提供する。【解決手段】地中への縦孔、横孔、斜孔の掘削穿孔において、超音波振動を掘削箇所の地盤に伝えることにより、土粒子相互の接合を切断する大きな加速度とキャビテーションを発生させることにより、人力で容易に地盤内に掘削刃を圧入して穿孔する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柄体の一端部に取り付けられ、掘削土を収容する開閉可能な一対の掘削刃から成る掘削体を掘削予定箇所に向けて押し付け、前記掘削刃を超音波振動子によって超音波振動させ、該超音波振動する掘削刃により掘削箇所に惹起される大きな加速度と、地中水中のキャビテーションとによって、土粒子同士の結合を切断して、地盤を掘削する際の土の抵抗力を低減させ、前記掘削体に土が溜まったら土を廃土して掘進しながら地中に穿孔することを特徴とする超音波振動式地中穿孔方法。
【請求項２】
前記超音波振動子によって前記掘削刃を励振させる超音波振動の振幅をほぼ数１０μｍとし、振動数をほぼ数１０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動式地中穿孔方法。
【請求項３】
柄体と、該柄体の一方の端部に着脱自在に取り付けた取っ手と、柄体の他方の端部に取り付けた掘削体とを備え、該掘削体が、開閉可能で地中の土を挟み込んで収容する一対の掘削刃と、これらの掘削刃を超音波振動させる超音波振動子と、前記一対の掘削刃を開閉する開閉機構とから構成されていることを特徴とする超音波振動式地中穿孔装置。
【請求項４】
前記超音波振動子によって前記掘削刃を励振させる超音波振動の振幅をほぼ数１０μｍとし、振動数をほぼ数１０ｋＨｚとしたことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動式地中穿孔装置。
【請求項５】
前記柄体の長さを可調整としたことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動式地中穿孔装置。
【請求項６】
前記超音波振動子への給電を、前記柄体の中空胴内に通して電源装置にカプラー接続する給電ケーブルを経て行うようにしたことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動式地中穿孔装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に縦孔や横孔あるいは斜孔を掘削する土木建設工事等において適用可能な超音波振動式地中穿孔方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中への縦孔や横孔の掘削、特に横孔の掘削は、通信、ガス、水道、下水道等のライフラインの埋設工事にて行われることが多々ある。現場の状況によっては、ライフラインが輻輳して埋設されていることもあり、このような箇所に新たに地中埋設物を設置するためには、既存のライフラインを回避して横孔を掘削する必要がある。そのために、大掛かりな機械掘削でなく、人力による手掘り掘削を行わなくてはならないが、このような横孔掘削などに従事する作業員の高齢化が進んでいる現状では、作業員が少ない労力で、確実・迅速に地中を掘削できるようにすることが所望されている。
【０００３】
従来、簡便に地中へ縦孔、横孔をあける器具として、剣型スコップまたは半円型スコップに柄が付けられたものや（例えば、特許文献１参照）、角形に構成された二つのスコップ部の先端が閉じた時に、これらのスコップ部が隙間のないように当接可能にした角形複式スコップ等がある（例えば、実用文献１参照）。さらに、柄体の一方の端部に、一定振幅と打圧による打撃力を発生する打撃手段を連結し、他方の端部に、前記打撃手段から柄体を介して伝達される打撃力が与えられ、且つ開閉動作を行う一対の掘削体を取り付けた打撃式地中穿孔装置がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
前記剣型スコップや半円型スコップに柄が付けられたもの等はいずれも人力により作動させて地中を掘削するもので、深い孔を掘る場合は、その周辺が擂り鉢状に掘削されるため、必要以上に労力を要する作業となる。また、前記角型複式スコップ等により人力で縦孔を１ｍ程度掘るのは容易ではなく、また横孔の場合は、水平方向の作業となるため、作業がしづらく困難であった。そこで、前記打撃式地中穿孔装置は、これらの問題を克服するとともに、固い地盤での施工も可能であるが、打撃での掘削のため、地中埋設物を損傷する恐れがあり、さらに打撃での掘削は騒音をもたらし、地域住民から苦情がでる恐れがある。また、打撃を繰り返すことによって生じる打撃部における発熱を冷却するために、柄体の中空部を介して打撃部へ給水しなくてはならないなど手間がかかっている。さらに、施工長が２〜３ｍと短いなど問題が多い。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３３６６８７号公報（段落〔０００９〕、図１）
【実用文献１】
登録実用新案第３０２２９１４号公報（請求項１、図７）
【特許文献２】
特開平０５−３３９９５７号公報（段落〔００３３〕および〔００３４〕、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大掛かりな機械掘削ができない場所での横孔掘削も少ない労力で、無騒音、且つ確実・迅速に行うことができ、さらに従来の技術では不可能であった長さ５ｍ程度の掘削をも可能とする超音波振動式地中穿孔方法およびその装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波振動式地中穿孔方法は、柄体の一端部に取り付けられ、掘削土を収容する開閉可能な一対の掘削刃から成る掘削体を掘削予定箇所に向けて押し付け、前記掘削刃を超音波振動子によって超音波振動させ、該超音波振動する掘削刃により掘削箇所に惹起される大きな加速度と、地中水中のキャビテーションとによって、土粒子同士の結合を切断して、地盤を掘削する際の土の抵抗力を低減させ、前記掘削体に土が溜まったら土を廃土して掘進しながら地中に穿孔することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の超音波振動式地中穿孔方法は、超音波振動子によって前記掘削刃を励振させる超音波振動の振幅をほぼ数１０μｍとし、振動数をほぼ数１０ｋＨｚとすることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の超音波振動式地中穿孔装置は、柄体と、該柄体の一方の端部に着脱自在に取り付けた取っ手と、柄体の他方の端部に取り付けた掘削体とを備え、該掘削体が、開閉可能で地中の土を挟み込んで収容する一対の掘削刃と、これらの掘削刃を超音波振動させる超音波振動子と、前記一対の掘削刃を開閉する開閉機構とから構成されるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の超音波振動式地中穿孔装置は、超音波振動子によって掘削刃を励振させる超音波振動の振幅をほぼ数１０μｍとし、振動数をほぼ数１０ｋＨｚとしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の超音波振動式地中穿孔装置は、柄体の長さを可調整としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の超音波振動式地中穿孔装置は、超音波振動子への給電を、前記柄体の中空胴内に通して電源装置にカプラー接続する給電ケーブルを経て行うようにしたことを特徴とする。
【００１３】
なお、媒質の振動変位をξ、音波の周波数をｆとすると、媒質の加速度ａは、
ａ＝（２πｆ）２ξ
にて表され、超音波では一般に取り扱う周波数が高いので、加速度の値が極めて大きくなり、例えば、ξ＝１０μｍ、ｆ＝２０ｋＨｚとすれば、ａ≒１．５６ｍ／ｓ２≒１．５６ｘ１０４ｇ（ｇ：重力加速度）となり、加速度は重力加速度の１万倍以上にも達する。また、液体中に強力な超音波を放射すると、キャビテーション（空胴現象）と呼ばれる特異な現象が発生する。この現象は、固体粒子の微粒化とその液体中への分散、その他多様な作用を生じさせる。本発明は、このような大きな加速度およびキャビテーションは地中を掘削して横孔、縦孔、斜孔を穿孔するのに適用し得ると云う認識に基づいて成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明による超音波振動式地中穿孔装置の概略構成を示し、図１（ａ）はその穿孔装置の平面図、図１（ｂ）は地中へ圧入する際の穿孔装置の側面図、図１（ｃ）は廃土時における穿孔装置の側面図である。
【００１６】
超音波振動式地中穿孔装置１は、中空胴の柄体２と、この柄体の一方の端部に着脱自在に取り付けた取っ手３と、柄体２の他方の端部に取り付けた掘削体４とを備えている。掘削体４は、開閉可能で地中の土を挟み込んで収容する一対の掘削刃５と、これらの掘削刃をそれぞれ振動伝達ネジ６を介して励振させる一対の超音波振動子７と、掘削刃５を開閉するための開閉機構８とから構成されている。
【００１７】
超音波振動子７には電源装置９から、柄体２の中空胴部に通した給電ケーブル１０を経て給電される。給電ケーブル１０は、柄体２の長さを掘削距離に応じて調整するために電源装置９にカプラー接続するのが好適である。取っ手３は柄体２の端部における接続部１１に、例えばネジ接続により着脱自在に取り付けられる。柄体２は接続部１２にて２つの中空柄材２ａと２ｂを互いにネジ接続して構成することができる。この柄体２の長さは、掘削距離に応じ、カプラー接続されている給電ケーブル１０を電源装置９から外し、ネジ接続部１１から取っ手３を取り外し、そこに追加の柄材を継ぎ足すなど、調整自在とすることができる。掘削刃５の開閉機構８は、機械的または電気的に構成することができ、この開閉機構の制御を取っ手３の箇所にて行えるようにするのが好適である。
【００１８】
次いで、本発明の実施の形態に係る超音波振動式地中穿孔装置１により実際に地中にて横孔を掘削する方法につき図２および図３を参照して説明する。なお、図２および図３において、図１に示したものと同じ部分を示すものには同じ参照番号を付して示してある。
【００１９】
図２は、地面２０に構築した立坑２１内に作業員２２が入って、そこから掘削予定箇所に超音波振動式地中穿孔装置１により横孔を図に矢印ｈにて示す水平方向に掘削して穿孔する方法を示した説明図である。
【００２０】
先ず、作業員２２は図２に示した状態で柄体２と取っ手３を持って掘削予定箇所に掘削体４の掘削刃５を向ける。そして、電源装置９の電源を入れることにより、超音波振動子７を、例えば、振幅：ほぼ数１０μｍ、振動数：ほぼ数１０ｋＨｚで超音波振動させる。超音波振動子７の励振が振動伝達ネジ６を介して掘削刃５に伝わることにより、掘削刃５が超音波振動する。この超音波音波振動によって惹起される重力加速度の数万倍レベルの大きな加速度と、地中水中のキャビテーションとによって、土砂の土粒子同士の結合が切断され、地盤を掘削する際の土の抵抗力が低減されるため、人力によっても容易に穿孔することが可能になる。さらに、穿孔装置１が過負荷となる状況も回避できるため、掘削刃５が発熱することがなくなり、従って冷却水が不要となり、作業準備の手間が省略できる。
【００２１】
作業員は柄体２と取っ手３を持ちながら穿孔装置１をゆっくりと水平方向に押して掘進し、しばらくして掘削体４の内部に土が溜まったら、図１（ｃ）のように掘削体４の一対の掘削刃５を開閉機構８によって閉じて、土を挟み込んでから、穿孔装置１を孔から引き抜いて廃土する。掘進途中で穿孔装置１を前進させることができなくなったら、その原因が地中埋設物なのか、石やガラなのか調べて、地中埋設物の損傷を予防する。このようにして掘進する横孔が長くなるにつれて、図３のように追加の柄部材２ｃを継ぎ足していけば、無騒音で５ｍ程度の横孔を掘削することができる。また、縦孔、斜孔も同様にして、簡単、確実、迅速に地中埋設物を破損することなく掘削することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、従来の手掘り作業に比べ、掘削刃の超音波振動により発生する重力加速度の数万倍レベルの大きな加速度と、キャビテーション効果とによって、土粒子同士の結合が切断され、地盤を掘削する際の土の抵抗力が低減されるので、作業員の労働負担が大幅に軽減される。
【００２３】
また穿孔装置が過負荷となる状況が回避できるため、冷却水は不要となり、作業準備の手間が省ける。人力での圧入なので、穿孔装置が進まなくなれば直ぐに気づいて、地中埋設物なのか、石やガラなのか調べて、地中埋設物を損傷させることなく、安心して掘削できる。
【００２４】
さらに、超音波振動を利用するため、騒音を立てることがないために地域住民から苦情がでることもなく、夜間作業も可能となる。廃土も、地中へ圧入した一対の掘削刃により土を挟み込んで容易に行うことができる。このようにして、５ｍ程度の縦孔、横孔、斜孔を簡単、確実、迅速に掘削することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波振動式地中穿孔装置の概略構成図である。
【図２】本発明による超音波振動式地中穿孔装置により掘削予定箇所に横孔を掘削して穿孔する方法を示した説明図である。
【図３】本発明による超音波振動式地中穿孔装置により横孔を掘進し続けた状態を示した説明図である。
【符号の説明】
１  超音波振動式地中穿孔装置
２  柄体
３  取っ手
４  掘削体
５  掘削刃
６  振動伝達ネジ
７  超音波振動子
８  掘削刃開閉機構
９  電源装置
１０  給電ケーブル
１１，１２  ネジ接続部
２０  地面
２１  立坑
２２  作業員
【図１】
2004162461.tif 000003
【図２】
2004162461.tif 000004
【図３】
2004162461.tif 000005