【手続補正書】
【提出日】平成15年9月1日(2003.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】硬膜泡式掘削工法
【特許請求の範囲】
【請求項１】回転するビットによって掘削面を掘削する際に、硬膜泡を掘削面に送り込み、該硬膜泡にスライムを付着させて排出する硬膜泡式掘削工法において、界面活性ミセルを形成する起泡剤を発泡させて、界面活性ミセルによって覆われた微粒気泡を形成する第１工程、該微粒気泡を送気流体中に分散させてエアロゾル状とし、加圧して掘削面に送り込む第２工程及びビットから該微粒気泡を掘削面に噴射し、該微粒気泡を膨張させて硬膜泡を形成する第３工程を含むことを特徴とする硬膜泡式掘削工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気泡が連結したフォーム状の硬膜泡（Ｓｔｉｆｆ−Ｆｏａｍ）を用いてスライムを排出する硬膜泡式掘削工法に係り、特に、掘削面まで硬膜泡を送り込む工程に改良を施した硬膜泡式掘削工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ボーリングなど回転穿孔して地盤を掘削する工法の１つとして、掘削面に空気を送り込む空気掘削工法が知られている。空気掘削工法には、空気だけを送り込む一般的な工法（ダスト掘り）のほかに、空気と共に気泡を送り込む気泡掘削工法がある。さらに、この気泡掘削工法は、気泡をミスト状（エアロゾル状）にして送り込むミスト式と、気泡をフォーム状（ゲル状）にして送り込む硬膜泡式とに大別することができる。
【０００３】
ミスト式掘削工法とは、孔内を循環する堀削流体（ボーリング用水）の重量を軽減させることを目的として開発された工法であり、送気流体（空気）の中に起泡剤溶液をミスト状に噴射し、起泡剤溶液を堀削流体にて発泡させることを特徴としている。この工法によれば、起泡剤溶液の発泡によって堀削流体を軽くすることができるので、送気流体によって孔口まで堀削流体を容易に運搬することができる。
【０００４】
上記のミスト式掘削工法では起泡剤溶液が堀削流体にて発泡することを主眼としているので、その気泡は丈夫で消滅し難いものでなくてはならない。このため、起泡剤には高分子物質を希釈して使用されている。具体的には、溶媒物質である水に対し起泡剤を０．６％前後混入したものを起泡剤溶液としている。なお、起泡剤と水とを分散系で分類すると、起泡剤が分散質（分散相）、水が分散媒（連続相）となる。この場合、起泡剤溶液がコロイド粒子状態であるならば、Ｏ／Ｗ（Oil-in-Water emulsion ）型となる。
【０００５】
また、送気流体中に起泡剤溶液をミスト状に噴射させる際の起泡剤溶液の混合率は空気の１〜３％の範囲である。このとき、起泡剤溶液を含む送気流体は、コロイド粒子が分散した、いわゆるエアロゾル状態となる。つまり、ミスト式掘削工法ではエアロゾル状態にて起泡剤溶液を掘削面に送り込んでいるため、送気流体がある程度の流速になっても、起泡剤溶液を支障なく送り込むことが可能である。
【０００６】
しかし、以上のようなミスト式掘削工法には次のような問題点があった。すなわち、スライムが微粒であったり粘性土であったりすると、スライムが吸水して膨張する。その結果、マッドリングを形成することがあり、ジャーミング（掘り管抑留）の危険性が高かった。また、ミスト式掘削工法では孔壁崩壊・大量出水などに対する抑止力が低かった。そのため、不安定な掘削地盤には使用できないなど適用範囲が制約されることになり、一般的な普及には至らなかった。
【０００７】
ところで、上述したミスト式掘削工法は気泡掘削工法における１方法に過ぎないが、このミスト式だけが気泡掘削工法であると理解される場合がある。しかし実際には、気泡掘削工法には別の工法がある。それが以下に説明する硬膜泡式である。
【０００８】
硬膜泡式掘削工法の特徴は、高分子系の起泡剤溶液に対し高分子系の膜面強化剤を添加した上で、送気流体中に強制的に強く噴出し、気泡を連結させたフォーム状にして掘削面に送る点にある。フォーム状気泡の特性は、起泡剤に膜面強化剤を添加したので気泡膜が丈夫であることであり、その性状は内部に空気の微粒子を閉じこめたフォームラバーのような固体泡となっている。このような性状を有することから前記気泡を硬膜泡（Ｓｔｉｆｆ−Ｆｏａｍ）と呼んでいる。
【０００９】
このような硬膜泡式掘削工法では硬膜泡を掘削面に送り込み、この硬膜泡にスライムを付着させて排出することができる。なお、溶媒物質である水に対する混合比は通常、起泡剤が１〜３％、添加剤は種類にもよるが０．５〜１．０％である。
【００１０】
また、硬膜泡を分散系で分類すると、分散媒（連続相）がフォーム状の気泡で、分散質（分散相）が空気である。このような硬膜泡は、前述したミスト工法における気泡、つまり分散質（分散相）が起泡剤、分散媒（連続相）が水といったものとは、相当に異なると言える。
【００１１】
以上のような硬膜泡式掘削工法は、ミスト工法と比べてスライム排出能力が充分に大きいといった利点がある。そのため、スライムが微粒であったり粘性土であっても、マッドリングが発生しにくく、ジャーミングの危険性は大幅に低減する。また、地層水（地下水）が存在しても、硬膜泡はこれに溶けにくい。したがって、掘削地盤の適応範囲を拡大することができる。
【００１２】
しかしながら、上記の硬膜泡式掘削工法には次のような問題点があった。すなわち硬膜泡式掘削工法では、高分子系の起泡剤を多く混入（ミスト式の２〜５倍）し、さらに、高分子系の膜面強化剤を添加している。したがって、硬膜泡自体は相当な粘性と硬質（固体）性を持つことになり、その重量（質量）はかなり大きくなる。また、優れたスライム排出能力を確保するには送気流体量を多くして硬膜泡の流速を速くしなくてはならない。
【００１３】
粘性や重量が大きい硬膜泡を高速で送流するためには、送流パイプの断面積を大きくすることが不可欠であった。その結果、硬膜泡を送流する装置をはじめ、掘削設備全体が複雑化・大型化した。また、所定量の硬膜泡をコンスタントに送流し、且つこれを制御することは技術的にかなり難しかった。したがって、硬膜泡式掘削工法には高度な熟練度が必要であり、作業コストの増大を招いていた。
【００１４】
以上述べたように、従来の硬膜泡式掘削工法では、硬膜泡の粘性や重量が大きいため、所定量の硬膜泡を掘削面までコンスタントに送流することが難しかった。このような問題点を持つ硬膜泡式掘削工法は、大深度（ボーリング深度 1,000m 以上）の大規模掘削では使用が可能であるものの、地質調査のような小規模掘削（ボーリング深度 100m 未満がほとんど）ではその使用が非常に困難であった。さらに不安定地盤におけるサンプリングになると、従来の硬膜泡式掘削工法を用いることは実質的に不可能であった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を鑑みて提案されたものであり、その目的は、設備の複雑化・大型化や作業コストの増大を招くことなく、所定量の硬膜泡を掘削面までコンスタントに送流することにより、地質調査のような小規模掘削作業はもとより、不安定地盤における高品質なサンプリングをも可能とした優れた硬膜泡式掘削工法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の硬膜泡式掘削工法は、回転するビットによって掘削面を掘削する際に、硬膜泡を掘削面に送り込み、該硬膜泡にスライムを付着させて排出する硬膜泡式掘削工法において、界面活性ミセルを形成する起泡剤を発泡させて、界面活性ミセルによって覆われた微粒気泡を形成する第１工程、該微粒気泡を送気流体中に分散させてエアロゾル状とし、加圧して掘削面に送り込む第２工程及びビットから該微粒気泡を掘削面に噴射し、該微粒気泡を膨張させて該硬膜泡を形成する第３工程を含むことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明においては、掘削面まで送り込む微粒気泡をエアロゾル状とすることにより、この微粒気泡を高速でコンスタントに送流することができる。また、ビットから噴射した微粒気泡は界面活性ミセルにて覆われた状態のまま破裂することなく大きく膨脹し、硬膜泡となって優れたスライム排出能力を発揮することができる。しかも、微粒気泡が膨脹するときに生じる断熱変化によってビットを冷却することができ、これにより作業効率を高めることができる。
【００１８】
本発明の第１工程においては、起泡剤を例えば、５００ｋｍ／ｈｒの高速で発泡させる。これにより微粒気泡を均一とし、かつ、送気流体中に均等に分散させることができる。
【００１９】
本発明の第２工程においては、微粒気泡を例えば、２００ｋｍ／ｈｒの流速で送り込む。これにより微粒気泡の高速性と所定量の送流を維持することができる。
【００２０】
また、本発明の第２工程において、例えば、毎分１．２ｍ３の送気流体に対し、比重１．０の起泡剤溶液から発生する微粒起泡を例えば、１０リットル／ｈｒで送流する。このような条件下では、送気流体中の起泡剤溶液の質量はごく僅かであり、微粒気泡の質量は、送気流体とほぼ同一となる。その結果、第２工程において微粒気泡を安定して高速で送ることが可能となる。
【００２１】
微粒気泡の質量は、空気のそれとほぼ同一とするのが好ましい。これにより、空気が送気流体となるときには、第２工程において微粒気泡を安定して高速で送ることが可能となる。
【００２２】
本発明の第３工程において、微粒気泡から硬膜泡を形成するときに、気泡の粒径を１００〜１０００倍に膨張させるのが好ましい。これにより、大きな断熱変化が生じ、ビットを十分に冷却することができる。
【００２３】
硬膜泡の粘性係数は、１０〜１５ηである。この粘性係数は、摂氏２０度のグリセリンとほぼ同一であり、硬膜泡は高いセン断力を持つことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について、図１〜図３を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の硬膜泡式掘削工法を行うための掘削設備の構成図、図２は、微粒気泡の構成を示すモデル図、図３は、送気流体中の微粒気泡の分布を示すモデル図である。
【００２５】
図１により、本発明の硬膜泡式掘削工法を実施するための掘削設備について説明する。この掘削設備には、２台のコンプレッサ１、１が設けられている。これらコンプレッサ１、１の能力は、２台で毎分１．２ｍ３の空気を送り出すように設定されている。
【００２６】
コンプレッサ１、１には、エアチャンバータンク２を介して足場３上に設置された微粒気泡発生装置４が接続されている。微粒気泡発生装置４には、起泡剤溶液Ｂが貯蔵されている。起泡剤溶液Ｂは、分子量が比較的小さな植物性油を主原料とする界面活性剤をミセル化して使用し、その濃度は１０重量％である。
微粒気泡発生装置４の上部には、ラバル管５が設けられ、デリバリーホース６が連結されている。デリバリーホース６には、足場３上に設置されたボーリングマシン１１に支持されたロッド７が接続されている。
ロッド７の先端部には、内管１０を有するサンプラー８が設けられている。掘削孔径は１２０ｍｍ、サンプル径は９２ｍｍである。サンプラー８の先端部には、掘削刃であるビット９が回転自在に設けられている。
【００２７】
図１に示される掘削設備を使用して、次に示す工程を経て硬膜泡を形成する。
（１）第1工程
まず、微粒気泡発生装置４を用いて、ミセルを形成している起泡剤溶液Ｂを流速５００ｋｍ／ｈｒにて発泡させ、界面活性ミセルｍによって覆われた微粒気泡Ｃを形成する。そのモデル図が図２である。
【００２８】
（２）第２工程
続いて、微粒気泡発生装置４の上部に設けられたラバル管５、これを介して連結されたデリバリーホース６内の空気Ａ中に、第１工程で形成された微粒気泡Ｃを分散させてエアロゾル状とし、これに所定の圧力をかけて流速２００ｋｍ／ｈｒで、ロッド７及びサンプラー８を通過させてビット９まで送り込む。このとき、微粒気泡Ｃの送流量は毎分１．２ｍ３の空気Ａに対し１０リットル／ｈｒとする。
【００２９】
（３）第３工程
ビット９は、微粒気泡Ｃを掘削面に噴射し、これによって微粒気泡Ｃは、１００〜１０００倍に膨張して、粘性係数１０〜１５ηの硬膜泡Ｄを形成する。
【００３０】
以上のような本実施の形態においては、微粒気泡Ｃをエアロゾル状としているため、微粒気泡Ｃは、２００ｋｍ／ｈｒのような高流速で、ラバル管５からビット９に至るまでの急激な断面形状の変化にも十分に対応しながら、デリバリーホース６内やロッド７内をスムーズに通過することができる。しかも、起泡剤溶液Ｂを５００ｋｍ／ｈｒのような極めて大きな流速で発泡させるので、均一な微粒起泡Ｃを空気Ａ中に均等に分散させることができる。図３は、送気流体中の微粒気泡の分布を示すモデル図である。
【００３１】
濃度が１０重量％である起泡剤溶液Ｂの比重は、ほぼ１．０であり、このような起泡剤溶液から作る微粒起泡Ｃを、毎分１．２ｍ３の空気Ａ中に１０リットル／ｈｒの流速で送流する場合、起泡剤溶液Ｂの質量は、空気の１０％程度となり、微粒起泡Ｃの質量は、実質的に空気Ａとほぼ同一である。したがって、微量起泡Ｃを安定して高速で送り込むことが可能となる。
【００３２】
さらに、ビット９から噴射された微粒起泡Ｃは、界面活性ミセルｍ（図２参照）にて覆われた状態のままを維持して破裂することなく、粒径が１００〜１０００倍にまで膨張するため、体積膨張により大きな断熱変化が生じ、周囲の温度は大きく低下する。これにより、回転中のビット９を冷却することができ、作業効率を高めることができる。
【００３３】
また、フォーム状となった硬膜泡Ｄは、スライムのほとんどと、ある程度の地層水（地下水）であればこの地層水をも、同時に気泡内に閉じ込めたり、気泡膜に付着させることができ、一気に孔口まで運搬して孔外に排出させることが可能である。しかも、硬膜泡Ｄは、粘性係数が１０〜１５ηであるため、優れたセン断応力を有している。
【００３４】
以上、本発明の硬膜泡式掘削工法を最適の条件下で実施する場合の実施の形態について説明したが、これに限定されるものではなく、起泡剤の種類や濃度、さらには微粒気泡の流速や送流量などは、適宜変更することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の硬膜泡式掘削工法によれば、微粒気泡を送気流体中に分散させてエアロゾル状として掘削面まで送り込むことにより、この微粒気泡を高速で安定して送流することができる。またビットから噴射した微粒気泡は、界面活性ミセルによって覆われた状態のまま破裂することなく大きく膨張し、硬膜泡を形成して優れたスライム排出能力を発揮することができる。しかも、微粒気泡が膨張するときに生じる断熱変化によりビットを冷却することができ、作業効率を高めることが可能となる。かくして、本発明の硬膜泡式掘削工法を採用することにより、設備の複雑化、大型化や作業コストの増大を招くことなく、所定量の硬膜泡を掘削面まで安定に送流することができ、地質調査のような小規模掘削作業を始めとして、特に不安定地盤における高品質のサンプリングも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬膜泡式掘削工法を行うための掘削設備の構成図である。
【図２】微粒気泡の構成を示すモデル図である。
【図３】送気流体中の微粒気泡の分布を示すモデル図である。
【符号の説明】
１  コンプレッサ
２  エアチャンバータンク
３  足場
４  微粒気泡発生装置
５  ラバル管
６  デリバリーホース
７  ロッド
８  サンプラー
９  ビット
１０  内管
１１  ボーリングマシン
Ａ  空気
Ｂ  起泡剤溶液
Ｃ  微粒気泡
Ｄ  硬膜泡
ｍ  界面活性ミセル