(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１気圧における泡と清水との容積比が５：１〜１：３であるように混合された泡水を用意する工程と、
管状のロッド及び該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブを準備する工程と、
前記ロッドの先端に取り付けたビットに回転力を付与して地中を掘削しながら、前記インナーチューブ内にコアを採取する工程と、
前記地中を掘削中に、前記泡水を前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過させ、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出する工程とを備えることを特徴とするコア採取方法。
【請求項２】
請求項１において、前記泡の成分はα―パラフィンスルホン酸またはその塩であることを特徴とするコア採取方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記地中を掘削する工程は、前記ビットに振動を加える工程を備えることを特徴とするコア採取方法。
【請求項４】
請求項１において、前記泡水における泡と清水との１気圧における容積比は３：１〜１：３であることを特徴とするコア採取方法。
【請求項５】
請求項１において、前記泡水における泡と清水との１気圧における容積比は３：１であることを特徴とするコア採取方法。
【請求項６】
泡を発生させるとともに、該泡を清水と混合して１気圧における泡と清水との容積比が５：１〜１：３である泡水を作成する発泡混合装置と、
先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド及び該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブを備える掘削機と、
前記泡水を前記掘削機のロッド内へ圧送する手段とを備え、
前記ロッドは、該ロッド内へ圧送された泡水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を有することを特徴とするコア採取装置。
【請求項７】
請求項６において、前記泡水は１気圧における泡と清水との容積比が３：１〜１：３であることを特徴とするコア採取装置。
【請求項８】
請求項６において、前記泡水は１気圧における泡と清水との容積比が３：１であることを特徴とするコア採取装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかにおいて、前記泡の成分はα―パラフィンスルホン酸またはその塩であることを特徴とするコア採取装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかにおいて、前記ロッドの外側には先端にケーシングビットを備えるケーシングが設けられ、前記ロッドの外面に沿って排出される経路は、前記ビットの下端面から前記ロッドの外面と前記ケーシングの内面との間に形成されていることを特徴とするコア採取装置。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれかにおいて、前記掘削機は前記ビットを回転しながら振動を加える装置と、前記インナーチューブに接続して該インナーチューブを吊り上げるためのワイヤとを備えることを特徴とするコア採取装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質調査や水分地質調査用のコアを採取するためと調査ボーリング掘削のための装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来地質調査用のコアを採取する一手法として、泥水ボーリング法が知られている。この工法は広く使用されているが、以下のような問題点がある。
【０００３】
泥水ボーリングを使用したコア採取工法では、砂の層では泥水の流量や流速の不適合により砂が流出してしまい、また砂礫層では同様に細粒分が流出することにより、礫が転動してサンプラー先端に咬み合ったり、あるいは孔壁土壌を排除する等により、試料を回収できないという問題があった。
【０００４】
またこの工法では、硬質岩の掘削やオールコア採取を行う場合には、破砕部あるいは風化帯に差し掛かると、挟在物である細粒部が流出したり、これに伴い破砕部が攪乱されるなどの理由から、良質のコア試料を高回収率で採取することができなかった。
【０００５】
更にまた泥水ボーリングを使用したコア採取工法では、試料を採取するために掘進速度を速くして試料が流失しない前にサンプラーに取り込む必要があるが、回転と給圧のみによる方式では、これが困難であった。
【０００６】
そこで泥水ボーリングの上記欠点を補う方法として、高圧ジェットで硬質の泡を作り、これをボーリング孔中に高速で圧入し、土層、未固結岩等を切削しつつ掘進してオールコア試料を採取する工法がある。しかしこの工法についても次のような幾つかの問題点がある。
【０００７】
即ち超深部に先端が位置する場合には気泡状態を維持することが困難であるため掘進深度を延長することができない。また発泡・送気機器の耐圧性を増加させる必要があるため、操業安全性の問題がある。
【０００８】
また水質と地下水量等による地下環境に起因する調査地域の制限から、山陰や北陸地方に多い古塩水を含む地層や、海水が地下水に混入している沿岸立地の地層では、泡が発生しないという問題がある。この他にも掘進速度が極めて遅く、地表から超深度に至るオールコア試料の採取には適さないという問題点もある。
【０００９】
また上記工法の他の従来工法として、先端のビットに打撃力を与えながら泥水を使用して回転掘進する、通称「ロータリーパーカッション」または「ハンマー掘進」工法が知られており、この工法により振動あるいは衝撃掘削しながらコア試料を採取することが行われていた。しかしこの工法についても以下のような問題点がある。
【００１０】
即ちこの工法ではビットに打撃力を与えるために、土壌あるいは未固結堆積岩においては、振動によるコアの緩み、あるいは締堅めが生じ、コア鑑定や物性試験のための良好なコア試料の入手が困難となる。またこの工法では泥水を使用するために、吸着性の強いベントナイトによる孔壁汚染を嫌う調査には適していない。
【００１１】
更にまたこの工法では、硬質岩や未固結岩、土壌中のいずれも場合にも、掘進中に発生するスライムの排除がスムースでなく、所定の掘進尺毎に大流量の循環水の注入とともに（また掘進装置で孔内を煽るなどにより）スライムを洗浄排除する作業を行う必要があった。極端な場合には、インナーチューブの回収時の真空作用により、周辺土壌・岩盤からの地下水導入やボイリング等の障害を引き起こし、未固結岩や土壌中の孔壁・孔底の健全性を乱す原因となっていた。また硬質岩の場合にも、破砕部、風化帯中の細粒分の流失と同時に孔壁の損傷をもたらす原因となっていた。
【００１２】
更にまたこの工法では、スライムの排除がスムースではないため、未固結岩や粘性分を含有する土壌の場合には、コア中のスライムを取り込む等により、見かけ上のコア伸びが生じ、コア鑑定、コアを使用した分析に支障を来していた。
【００１３】
更にまたこの工法による土壌や軟岩掘進・コア採取における本質的な欠点は、もともと打撃により岩盤を砕き掘進する方法を採用してるので、土壌あるいは軟岩中の礫が掘進に使用するビットの口径と同等あるいはそれ以下である場合には、それらの岩塊または礫を原位置において的確に砕くことができず、それらをビット外に押しやることにより、抵抗のより少ないビット内に取り込んでしまう。このため、見かけ上、コア伸びになるが、実際には大きく乱れたコア試料が提供されることになってしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来工法の問題点の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、地下水位の上下を問わず、堆積土や軟質岩のような広い範囲の土質と岩盤について、単一のシステムで試料を高速且つ高採取率で採取することができるコア採取装置及びコア採取方法を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本願発明のコア採取方法は、１気圧における泡と清水との容積比が５：１〜１：３であるように混合された泡水を用意する工程と、
管状のロッド及び該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブを準備する工程と、
前記ロッドの先端に取り付けたビットに回転力を付与して地中を掘削しながら、前記インナーチューブ内にコアを採取する工程と、
前記地中を掘削中に、前記泡水を前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過させ、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出する工程とを備えることを特徴とする。
【００１６】
上記発明において、前記泡の成分はα―パラフィンスルホン酸またはその塩であってもよい。
また上記発明において、前記地中を掘削する工程は、前記ビットに振動を加える工程を備えていてもよい。
【００１７】
また上記発明において、前記泡水における泡と清水との１気圧における容積比は３：１〜１：３であってもよい。
また上記発明において、前記泡水における泡と清水との１気圧における容積比は３：１であってもよい。
【００１８】
また本発明のコア採取装置は、泡を発生させるとともに、該泡を清水と混合して１気圧における泡と清水との容積比が５：１〜１：３である泡水を作成する発泡混合装置と、
先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド及び該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブを備える掘削機と、
前記泡水を前記掘削機のロッド内へ圧送する手段とを備え、
前記ロッドは、該ロッド内へ圧送された泡水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を有することを特徴とするものである。
【００１９】
上記発明において、前記泡水は１気圧における泡と清水との容積比が３：１〜１：３であってもよい。
また上記発明において、前記泡水は１気圧における泡と清水との容積比が３：１であってもよい。
【００２０】
また上記発明において、前記泡の成分はα―パラフィンスルホン酸またはその塩であってもよい。
また上記発明において、前記ロッドの外側には先端にケーシングビットを備えるケーシングが設けられ、前記ロッドの外面に沿って排出される経路は、前記ビットの下端面から前記ロッドの外面と前記ケーシングの内面との間に形成されていてもよい。
【００２１】
また上記発明において、前記掘削機は前記ビットを回転しながら振動を加える装置と、前記インナーチューブに接続して該インナーチューブを吊り上げるためのワイヤとを備えていてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るコア採取装置１を示し、該コア採取装置１は発泡混合装置３と掘削機５とを主部材として備えている。以下これら各構成要素について説明する。
【００２３】
図２に示すように、発泡混合装置３は各々３０Ｌ容量の２つの気泡剤タンク９を備え、その下流側には発泡液供給ポンプ７が接続されている。
発泡液供給ポンプ７の下流には発泡液流量計１３を介して発泡ガン１５が接続している。また該発泡ガン１５はコンプレッサ１７にも接続されており、ドライフィルタ１９、圧力調整弁２１、電磁弁２３、フローメータ２５、流量調節バルブ２７及び電磁流量計２９を介して、制御盤３１で設定した所定の圧力と空気量とを発泡ガン１５に付与できるようになっている。そして発泡ガン１５で発生した泡は、スタテックミキサ３３において清水タンク３２から供給される清水と混合されて泡水となり、泡水供給ポンプ３５により掘削機５の泡水供給ノズル５５に送られるようになっている。
【００２４】
ここで泡と清水との混合比について説明する。本発明ではスタテックミキサ３３に入る前の泡の１気圧での容積と、スタテックミキサ３３によって泡と混合される清水の容積との１気圧での比は５：１〜１：３とする。この容積比は、掘削深度、地質に応じてあるいは泡水の密度を調整するために、この範囲で適宜変えることができる。図６は地質と、該地質に適した泡及び清水の混合比とを示す。
【００２５】
なお、図６において、例えば沖積層の深度５０ｍ付近にラインが描かれているが、これは沖積層における粘度、砂、砂礫が深度５０ｍ以上で見られることが多いために一応の目安としてラインを描いたに過ぎない。沖積層は実際にはこれ以外の深度に存在することもあり得るため、このラインが本発明を限定的に解釈するために描かれているわけではない。このラインは洪積層、三紀層、破砕帯、硬岩にも描かれているが、上記同様に本発明を限定的に解釈するためではない。
【００２６】
図６において、例えば沖積層の砂礫の欄に３：１の表示があるのは、沖積層の砂礫においては泡と清水との混合比が３：１であることが好ましいということを意味する。もちろん、この比の数字は限定的に解釈すべきではなく、一定の幅をもって解釈されるべきである。ここでは、図６の地質の各欄に泡と清水との混合比を示したことにより、各地質での泡と清水との混合比が本明細書に開示されたものとみなす。
【００２７】
本発明は、従来コアの採取が困難であった沖積層と洪積層の砂礫、三紀層の礫岩及び破砕帯において、図６に示すような混合比の泡と清水を使用することにより、良好なコアを採取することができる点で特に大きな意義がある。即ち沖積層と洪積層の砂礫及び破砕帯では泡と清水との混合比３：１の泡水を使用し、三紀層の礫岩では泡と清水との混合比２：１〜３：１の泡水を使用することが好ましい。
【００２８】
泡と清水とが混合比５：１〜１：３で混合された泡水は柔らかく小さな泡を含むため、従来の泡ボーリングにおける強固な泡と異なり以下の点で有利である。
（１）従来の泡ボーリングでは水を空気と一緒に汲み上げてしまうため、砂粒分も一緒に汲み上げ、孔を壊してしまうことがあったが、上記混合比の泡と清水との泡水は孔壁、孔底でのボイリングがなく、このためコア試料の流出や孔を壊すなどの弊害もない。
（２）従来の泡ボーリングでは地下水脈の流水が多いと泡が消えてしまったが、上記混合比の泡と清水との泡水では泡が消えることがない。
（３）従来の泡ボーリングでは、泡が上昇してくるときに急激に膨張するため穴の壁を壊すことがあったが、上記混合比の泡と清水との泡水はこのようなことがない。
（４）本発明で使用する泡水は柔らかく小さな泡を含むため、微圧を掛けて圧入するだけでビット周辺まで容易に導くことができる。また泡水の潤滑性により、円滑な掘進が可能となり、後述するビット先端部において適度の気泡を発生し、ビットを冷却するとともに、掘削に伴い発生するスライムを気泡に付着させて排出することが可能となる。
（５）泡水は少量の泡を含むので、作業終了後孔内を水洗することにより、極めて容易に孔壁から泡成分を除去することができる。因みに洗浄排水の発泡性を確認することで泡成分の除去を確認することができる。
【００２９】
泡と清水との混合比が１：３以下であると、発泡剤としての潤滑作用は期待できるが、顕著なスライム排除効果を得にくい。また泡と清水との混合比が５：１以上（例えば１０：１程度）になると、地下深部（６０ｍ以深程度）における高圧化、坑壁破壊、極端な揚水などの従来の泡ボーリングで生じていた問題点が生じてしまう。
【００３０】
また上記泡の成分は、従来既知の発泡剤を使用することもできるが、α―パラフィンスルホン酸またはその塩であることが好ましい。ここでα―パラフィンは、発泡剤の主成分の１分子中に炭素を８〜１４含むもので、塩を構成する陽イオンが１価または２価の陽イオンであるものが好ましく、発泡剤主成分の１分子中に炭素を１０〜１２含むナトリウム塩が最も好ましい。
【００３１】
本発明では泡の成分としてα―パラフィンスルホン酸またはその塩を使用することにより、従来のアルキルカルボン酸系の発泡剤のように硬水あるいは古海水のような塩水の存在下で金属石鹸を作ることがないので円滑な発泡を持続することができる。従って、例えば沿岸立地のような地下環境であっても泡が消失することなく、良質なコアを採取することが可能となる。またアルキルエーテルスルホン酸系の発泡剤のようにアルカリ性地層や酸性地層中でエーテル結合の加水分解を起こすおそれがなく安定した使用が可能であり、使用終了後の消泡が容易であるという利点もある。
【００３２】
次に掘削機５について説明する。本実施の形態における掘削機５は、図３（ａ）または図３（ｂ）に示す構造を備えている。図３（ａ）に示す３重管式を適用した掘削機は自走式車両３６に対して、先端にビット３７を有するインナーロッド３９と、該インナーロッド３９の外側に位置し先端にケーシングビット３８を備えるケーシング４１と、インナーロッド３９の内側に設けられ、その内側にコアを収納することができるインナーチューブ４３とを備えている。
【００３３】
インナーロッド３９及びケーシング４１には駆動部４５が接続されており、該駆動部４５はインナーロッド３９及びケーシング４１を回転駆動する作用とともに、必要に応じてビット３７、ケーシングビット３８に振動を付与する作用を併せ持つ。このような構造により無振動型高速回転でインナーロッド３９及びケーシング４１を駆動することができるとともに、一方ではビット３７に振動を加えながらインナーロッド３９及びケーシング４１を回転駆動することもできる。この場合、ビットの回転数を変更する工程を備えるようにしてもよい。
【００３４】
従来、後者の方法でコアサンプリングしようとすると、振動によりコアの緩みや締堅めが生じ、コア鑑定や物性試験のための良好なコアサンプルを入手することが困難であったが、本発明では上述したような泡水をインナーロッド３９とインナーチューブ４３との間からビット３７に導入するため、泡水の潤滑性によりコアの緩みや締堅めが生じず、良好なコアサンプルを採取することが可能となる。図４にビット先端部（ボーリング孔底面）に泡水を供給しているときの様子を示すビット周辺の拡大図を示す。なお図４（ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる形態のビットである。
【００３５】
一方、図３（ｂ）に示す２重管式の構造を備えた掘削機では、ケーシング４１に相当する部材が存在せず、ロッド４０及びその内側のインナーチューブ４３を備えている。２重管式の場合にはロッド４０が駆動部４５に接続されており、３重管の場合同様に、該駆動部４５によりロッド４０は回転駆動するとともに、必要に応じてビット３７に振動を付与させることができる。
【００３６】
３重管式は沖積層のように孔壁が自立しない場合に使用され、２重管式は孔壁が自立する深度以深で使用するのが一般的である。また地表より洪積層や三紀層が出現するような場合には２重管式を適用した掘削機を使用する。
【００３７】
２重管式を適用した掘削機を示す図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、インナーチューブ４３の上端にはヘッド４７が形成されており、該ヘッド４７には把持部４９が形成されている。掘削機５に設けられた懸吊機構５１から延びるワイヤ５３の先端に接続されたラッチ４８で把持部４９を把持することで、コアの入ったインナーチューブ４３を吊り上げて採取することができる。
【００３８】
以下本発明のコア採取装置１を使用したコア採取方法について説明する。図１の掘削機は軟弱地層では３重管式で掘削を行い、次いで孔壁が自立するような地層では２重管式で掘削するなど、両方式を適宜併用できる。即ち地山が表層で軟柔な場合には３重管式から２重管式へ移行し、地山がしっかりしている部位では２重管式を適用する。
【００３９】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、２重管式を適用してコアサンプルを採取する様子を段階的に示している。まず図５（ａ）に示すように、従来の方法によりロッド４０を回転させることによりビット３７の掘削作用により所定深さの孔を掘削する。サンプリングする深さまで掘削したら、インナーチューブ４３をロッド４０内に入れ込み、図５（ｂ）に示すようにロッド４０を継ぎ足して、その上端に駆動部４５を接続する。
【００４０】
この状態でインナーチューブ４３を再び駆動させて更に深く掘削する。このとき混合水供給ポンプ３５により上記泡水を圧力を掛けた状態で泡水供給ノズル５５からロッド４０内に供給する。図３（ｂ）中、矢印で示すように、泡水はロッド４０の上端に接続された泡水供給ノズル５５からロッド４０内に供給され、インナーチューブ４３とロッド４０の内壁との間を通った後、ビット３７を介してロッド４０の外側へ回り込み、ロッド４０の外面に沿って上昇し、最終的に地上へ排出される。
【００４１】
このため泡水の潤滑性により円滑な掘進が可能となるとともに、図４に示すようにビット先端部において適度の気泡を発生して、ビットを冷却する。また掘削とともに発生するスライムを気泡に付着させて排出することも可能となる。なお、以上の掘削時には、作業性を向上させるためビット３７に振動を付与するようにしてもよい。
【００４２】
この掘削中に、インナーチューブ４３内にはコアが入り込む。次に図５（Ｃ）に示すように、インナーチューブ４３の把持部４９をワイヤ５３の先端に設けられたラッチ４８で把持し、インナーチューブ４３を吊り上げてコアを回収する。
【００４３】
以上は２重管式を適用した場合の説明であるが、３重管式を適用した場合には、泡水はインナーロッド３９の上端に接続された泡水供給ノズル５５からインナーロッド３９内へ圧入され、インナーチューブ４３とインナーロッド３９の内壁との間を通った後、ビット３７を介してインナーロッド３９の外面とケーシング４１の外面との間を通って上昇し、最終的に地上へ排出される。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１または請求項６に記載の発明によれば、泡水による孔壁、孔底でのボイリングがなく、このためコア試料の流出や孔を壊すなどの弊害もない。また地下水脈の流水が多い場所でも泡水の泡が消えることがなく、該泡水の泡が上昇してくるときに急激に膨張して孔の壁を壊すこともない。
【００４５】
また本発明で使用する泡水は柔らかく小さな泡を含むため、微圧を掛けて圧入するだけでビット周辺まで容易に導くことができる。また泡水の潤滑性により、円滑な掘進が可能となり、ビット先端部において適度の気泡を発生し、ビットを冷却するとともに、掘削に伴い発生するスライムを気泡に付着させて排出することが可能となる。更にまた泡水は少量の泡を含むので、作業終了後孔内を水洗することにより、極めて容易に孔壁から泡成分を除去することができる。
【００４６】
更に通常は健全なコア採取が困難である軟質な沖積層の地下水位以下でも健全なコアを採取することが可能となる。また通常はスライム（破砕岩片、破砕岩粉）の排除が困難な地下深部５０ｍより深い数百メートルにおいても、健全なコアを採取することが可能となる。
【００４７】
また請求項２または請求項９に記載の発明によれば、従来のアルキルカルボン酸系の発泡剤のように硬水あるいは古海水のような塩水の存在下で金属石鹸を作ることがないので円滑な発泡を持続することができる。従って、例えば沿岸立地あるいは古塩水（硬水）を含む地層のような地下環境であっても泡が消失することなく、良質なコアを採取することが可能となる。
【００４８】
また請求項３に記載の発明によれば、高速で効率の良い、コアサンプリングが実現できる。
また請求項４、５、７または８に記載の発明によれば、従来コアの採取が困難でであった沖積層の砂礫、洪積層の砂礫、三紀層の礫岩及び破砕帯においても良好なコアを採取することが可能となる。
【００４９】
また請求項１０に記載の発明によれば、ロッドの外面とケーシングの内面との間に泡水の排出経路が確保されているため、泡水の循環がスムースになり、掘削がより円滑になったりスライムの排除がより容易に行えるようになる。
【００５０】
また請求項１１に記載の発明によれば、ビットに振動が加わることにより掘進速度が速くなり、また固い岩盤も比較的容易に破壊しながら掘削することができるようになる。またインナーチューブを吊り上げるためのワイヤを備えることにより、インナーチューブでコアを採取したのち、インナーチューブをワイヤで吊り上げるだけで容易にコアを入手することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコア採取装置の全体を示す模式図である。
【図２】発泡混合装置を示す流れ図である。
【図３】（ａ）は３重管式を適用した場合の泡水の流通経路を示す説明図であり、（ｂ）は２重管式を適用した場合の泡水の流通経路を示す説明図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、本発明で使用可能なビットの例で、ビット先端部（ボーリング孔底面）を経て供給、排出される泡水の流路構造示すビット周辺の拡大図である。
【図５】２重管式を適用してコアを採取する工程を段階的に示す説明図である。
【図６】地質に応じた１気圧での泡と清水との混合比を示す表である。
【符号の説明】
１  コア採取装置
３  発泡混合装置
５  掘削機
７  発泡液供給ポンプ
９  気泡剤タンク
１１  水タンク
１３  発泡液流量計
１５  発泡ガン
１７  コンプレッサ
１９  ドライフィルタ
２１  圧力調整弁
２３  電磁弁
２５  フローメータ
２７  流量調節バルブ
２９  電磁流量計
３１  制御盤
３２  清水タンク
３３  スタテックミキサ
３５  混合水供給ポンプ
３６  自走式車両
３７  ビット
３８  ケーシングビット
３９  インナーロッド
４０  ロッド
４１  ケーシング
４３  インナーチューブ
４５  駆動部
４７  ヘッド
４８  ラッチ
４９  把持部
５１  ワイヤ懸吊機構
５３  ワイヤ
５５  泡水供給ノズル
【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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【図６】
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