(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤の表面から掘削方向に向けて穴を穿穴し、この穴の内周面側を加熱して該内周面から穴の周縁部に向けて亀裂を生じさせつつ伸展させ、内部に亀裂が伸展した岩盤に外部応力を加えながら所要の岩盤を破砕し、掘削して成る掘削工法において穿穴した穴の内周面側を加熱する際に用いられる加熱装置であって、
上側に空気供給口を有する筒状本体と、
筒状本体の下端に連通接続されて穿穴した岩盤の穴内に挿入されるノズル筒と、
ノズル筒の周面に該ノズル筒の長手方向に沿って長く、岩盤の穴の内周面側に向けて気体を放出するように開溝された複数のスリットと、
筒状本体内に設置されて、供給される気体を加熱する発熱部と、
筒状本体に空気供給口を介して圧縮気体を供給する圧縮気体供給部と、を備え、
ノズル筒のスリットより加熱気体を放出して穴の内周面側を加熱しつつ掘削すべき穴の内側部分に亀裂を生じさせることを特徴とする岩盤の掘削に用いられる加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、車両等の乗り入れが不可能な山岳地帯における岩盤の掘削に用いられる加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両等の乗り入れが不可能な山岳地帯において、岩盤や岩盤を含めた所望の地盤等を破砕して、例えば、ポールの建柱穴等を掘削する場合には、車両等に搭載した大型の掘削装置の搬入が不可能であるため、（１）岩盤を発破で破砕して掘削する。（２）作業者が小形の削岩機を操作しながら人力で削岩する。（３）岩盤に注入穴を穿穴し、これに膨張剤を注入して膨張剤の固化膨張を利用して岩盤に亀裂を入れて破砕、掘削する等して所望の穴を掘削している。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、前記（１）の岩盤を発破で破砕する工法においては、岩盤の種類で条件が異なるために熟練を要し、破砕片が飛散して人身事故を発生する危険がある。また、掘削形状を制御することが困難で、すり鉢形等に削り取られた穴を埋め戻すのに手数を要する。また、前記（２）の小形の削岩機では、岩盤の強度によって仕事量が制約され、なかには１日に深さ５０ｃｍ程度を掘削するのみで、作業能率が低い。また、前記（３）の膨張剤を注入固化させる工法においては、膨張剤が強アルカリ性であるため、注入した穴から吹き出した膨張剤で人身事故を発生する危険がある。更に、膨張剤が固化するまでに長時間を要して作業能率が低い等の問題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、岩盤に掘削方向に向けて穴を穿穴し、この穴の内周面を加熱処理して岩盤内に亀裂を生起しつつ熱劣化させることにより、岩盤を至極簡易に破砕して掘削でき、車両等が進入できない山岳地帯において、作業者が携帯可能な小形掘削機等を使用しながら岩盤やそれも含めた所望の地盤を、小形の掘削設備であっても容易、敏速に掘削できることを特徴とした掘削工法を提供することにある。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、岩盤１０の表面から掘削方向に向けて穴１２を穿穴し、この穴１２の内周面１４側を加熱して該内周面１４から穴の周縁部１６に向けて亀裂１８を生じさせつつ伸展させ、内部に亀裂１８が伸展した岩盤１０に外部応力を加えながら所要の岩盤を破砕し、掘削して成る掘削工法において穿穴した穴の内周面側を加熱する際に用いられる加熱装置であって、上側に空気供給口４４を有する筒状本体３８と、筒状本体３８の下端に連通接続されて穿穴した岩盤の穴内に挿入されるノズル筒４０と、ノズル筒４０の周面に該ノズル筒の長手方向に沿って長く、岩盤の穴の内周面側に向けて気体を放出するように開溝された複数のスリット５０と、筒状本体３８内に設置されて、供給される気体を加熱する発熱部４２と、筒状本体３８に空気供給口４４を介して圧縮気体を供給する圧縮気体供給部４６と、を備え、ノズル筒４０のスリット５０より加熱気体を放出して穴の内周面側を加熱しつつ掘削すべき穴の内側部分に亀裂を生じさせることを特徴とする岩盤の掘削に用いられる加熱装置３６から構成される。
【０００６】
【作用】
本発明に係る岩盤の掘削工法によれば、岩盤の掘削部の表面から掘削方向に向けて、掘削部の深さと同じ程度の深さに穴を穿穴し、この穴の内周面側を高温度に加熱する。この加熱により、穴の内周面側において岩盤結晶粒子は各々熱膨張係数が異なるため、結晶粒子相互で力を及ぼし合いながら部分的に崩壊して強度が低下し、同時に、微細な亀裂が穴の内周面から周縁部の岩盤に向けて伸展して穴の周縁部の岩盤は劣化した状態となる。
【０００７】
この内部に亀裂が伸展し、強度が低下して劣化した岩盤は、その穴の内周面側や上面側から小形掘削機の振動ピック等で外部応力を加えるだけで、亀裂部分等に応力が集中して脆性破壊が誘導され、穴の周縁部の岩盤を簡単に破砕しながら所要の穴等を掘削できる。従って、車両等が進入できない山岳地帯等において、作業者が携帯可能な小形掘削機等を使用しながら所要の岩盤を破砕し、岩盤やそれも含めた所望の地盤を小さな掘削設備であっても容易、敏速に掘削できる。
【０００８】
【実施例】
以下添付図面により本発明の好適な実施例を説明する。図１ないし図６には、本発明の実施例に係る岩盤の掘削に用いられる加熱装置が適用される岩盤の掘削工法が示されている。図より明らかな様に、前記岩盤の掘削工法は、岩盤１０を掘削する予定の掘削部の略中心位置に、表面から掘削方向に向けて穴１２を穿穴し、この穴の内周面１４側を加熱して該内周面１４から穴１２の周縁部１６に向けて亀裂１８を生じさせつつ伸展させ、内部に亀裂が伸展した岩盤１０に外部応力を加えながら所要の岩盤１０を破砕し、掘削して成るものである。
【０００９】
実施例において穴１２は、略直径５０ｍｍ程度で、掘削部と略同一深さになる様に穿穴するもので、図１２に示す様な、山岳地帯等に移動可能な小形削岩装置２０に回転自在に軸支したロッド２２の先端のビット２４を利用して穿穴する。例えば、予定の掘削部が、径が３００ｍｍで深さ３ｍ程度のポール建柱穴の場合には、深さ３ｍ程度に穴１２を穿穴する。なお、１ｍ程度の深さに穿穴して所定の処理作業を行いながら順次穿穴してもよい。
【００１０】
次に、掘削した該穴１２の内周面１４を高温度に加熱すると、岩石結晶粒子は各々熱膨張係数が異なるため、結晶粒子相互で力を及ぼし合いながら部分的に崩壊して強度の低下と、微細な亀裂１８が穴１２の内周面１４から周縁部１６の岩盤に向けて伸展し、穴１２の周縁部の岩盤１０は劣化した状態となる。この内部に亀裂１８が伸展し、強度が低下して劣化した岩盤１０は、その穴１２の内周面１４側や上面側から小形掘削機の振動ピック等で外部応力を加えると、亀裂１８部分等に応力が集中して脆性破壊が誘導され、穴１２の周縁部１６の岩石を簡単に破砕しながら掘削できることとなる。例えば、図１１に示す様なコンクリートポール２６の建柱のための掘削穴２８等を容易に、しかも敏速に掘削できることとなる。
【００１１】
掘削部が径の小さな掘削穴２８の場合は、１個の穴１２を穿穴して加熱処理するだけで破砕、掘削できる。しかし、掘削部が、径が大きな掘削穴や、或は岩盤を広い範囲で掘削する場合には、図１、図２に示す様に、中心の穴１２の他に点線で示す複数の穴１２を岩盤１０に穿穴して加熱処理することにより、岩盤１０の広い範囲を破砕し、掘削できる。また、各穴１２の内周面や上面側に負荷する外部応力も小さなものでよく、小形掘削機を使用しながら短時間で、効率的な掘削ができることとなる。
【００１２】
図に示す様に、岩盤１０に形成した穴１２の周縁部１６には、穿穴した穴１２の内周面１４を加熱するときに、内周面１４から掘削部の範囲外へ亀裂１８が伸展したり、或は、内部に亀裂１８が伸展し、穴１２内の内周面１４に小形掘削機の振動ピック等で外部応力を加えて脆性破壊が誘導されながらこの破壊が掘削部の範囲外に及んだりするのを防止するための亀裂遮断部３０が設けられている。これにより、亀裂遮断部３０で周囲された穴１２の周縁部１６内のみに亀裂１８が伸展して掘削部を限定的に、かつ効率よく掘削できる。また、岩盤１０の破砕、掘削中において、亀裂遮断部３０が掘削部の壁面となり、掘削中の壁面崩落等を防止できる。
【００１３】
図１、図３に示す様に、亀裂遮断部３０は、たとえば穴１２の周縁部１６側の岩盤１０を連通周回した周回溝３２から構成する。この周回溝３２は、掘削部の略中心位置の穴１２を穿穴した小形削岩装置１４のビット１８で掘削予定の掘削部の周縁に沿って連通周回状に穴１２と略同一深さに穿溝するものである。これにより、穴１２の内周面１４の加熱により岩盤１０内に伸展する亀裂１８は、周回溝２４の外部へ伸展することなく、周回溝３２によって岩盤１０における掘削範囲を設定できる。実施例図において、周回溝３２は平面視円形を示しているが、必ずしも円形に限ることなく、例えば、平面視四角、三角、多角形等の周回溝に実施してもよい。
【００１４】
また、図２、図４に示す様に、亀裂遮断部３０は、穴１２の周縁部１６側の岩盤１０を周回し、間隔をおいて穿穴された複数の遮断穴３４から構成してもよい。この遮断穴３４は、掘削部の略中心位置の穴１２を穿穴した小形削岩装置１４のビット１８で、掘削部の周縁に沿って間隔をおいて穴１２と略同一深さに穿穴するものである。
【００１５】
この遮断穴３４においても、穴１２の内周面１４の加熱により岩盤１２内に伸展する亀裂１８は、各遮断穴３４の近傍位置では遮断穴３４へ向けて伸展し、遮断穴３４の位置から外部へ伸展することなく、この複数の遮断穴３４によって、岩盤１０における掘削範囲を設定できる。また、岩盤１０やその周囲の所望の掘削範囲に、間隔をおいて点状の遮断穴３４を穿穴するだけでよいから、連通周回した周回溝３２に比べ手数を要することなく、短時間で穿穴しながら掘削範囲を設定できる。また、遮断穴を穿穴する専用の装置を備える必要もなく、通常の削岩装置を利用できる。
【００１６】
岩盤１０に穿穴した穴１２の内周面１４には、加熱媒体を供給して内周面１４側を間接的に加熱しても良い。この加熱媒体による放射熱で間接加熱することにより、内周面１４を略均一に加熱しながら岩石結晶粒子を膨張させ、各粒子の熱膨張係数の違いによって岩石結晶粒子は部分的に崩壊されて強度が低下するとともに、微細な亀裂１８が穴１２の内周面１４から周縁部１６に向けて伸展する。これにより、穴１２の周縁部１６の岩石は劣化して簡易に破砕、掘削できることとなる。
【００１７】
この加熱媒体としてはたとえば加熱気体を利用する。図７には、実施形態に係る岩盤の掘削に用いられる加熱装置が示されており、加熱空気を加熱媒体として利用する携帯可能な気体加熱装置３６が示されている。図において、気体加熱装置３６は、穿穴した穴１２内に挿入可能に形成された筒状本体３８と、この筒状本体３８の下端に連通されたノズル筒４０とを備え、筒状本体３８内には電熱ヒータ等の発熱部４２が設置され、更に、筒状本体３８に設けた空気供給口４４に空気圧縮機等の圧縮気体供給部４６が高圧ホース４８で連通されている。また、前記ノズル筒４０には、熱風を放出する複数のスリット５０が開溝されている。
【００１８】
この気体加熱装置３６を岩盤１０に穿穴した穴１２内に挿入し、発熱部４２の電熱ヒータを携帯発電機に接続して発熱させる。同時に圧縮気体供給部４６で圧縮した圧縮空気を筒状本体３８内に供給し、発熱部４２で高温度に加熱しながらノズル筒４９のスリット５０から穴１２の内周面１４へ向け高温度に加熱された加熱空気を放出して穴１２の内周面１４を加熱するものである。加熱空気の他に加熱蒸気を放出してもよい。これにより、発熱部４２や圧縮気体供給部４６を備えた気体加熱装置３６で加熱気体を岩盤の穴１２内に敏速に供給しながら岩盤の破砕、掘削作業を能率化できることとなる。
【００１９】
なお、図８ないし図１０は、岩盤の掘削に用いられる加熱装置の参考例を示している。図８には、この加熱液体を加熱媒体として利用する携帯可能な液体加熱装置５２が示されている。図において、液体加熱装置５２は、基板５４に螺旋状に垂設された循環式放熱管５６と、液体加熱部５８と、この液体加熱部５８の吐出口と循環式放熱管５６の流入口とに連通されたポンプ６０とを備えている。この液体加熱部５８の吐出口からポンプ６０を経由して循環式放熱管５６の流入口へ耐熱ホース６２が連通され、更に、循環式放熱管５６の排出口と液体加熱部５８の流入口とに耐熱ホース６４が連通されている。
【００２０】
この液体加熱装置５２においては、岩盤１０の穴１２内に循環式放熱管５６を挿入して穴１２上面に基板５４を配置し、例えば油等の液体を液体加熱装置５２内に貯留して高温度に加熱し、ポンプ６０で加熱液体を循環式放熱管５６内に強制循環させながら放熱させ、この放射熱によって穴１２の内周面１４を高温度に加熱する。これにより、油等を加熱した加熱液体は、加熱気体に比べ熱容量が高く、穴１２の内周面を短時間で高温度に加熱できる。
【００２１】
また、岩盤１０の穴１２内に、加熱源を配置して内周面側を直接加熱してもよい。この直接加熱により、穴１２の内周面１４の加熱効率が高くなり岩盤内における亀裂の発生を促進させることができる。
【００２２】
実施例においてこの加熱源は、電気発熱体６６で構成されている。図９には、この電気発熱体６６を利用した携帯可能な電気発熱装置６８が示されている。図において、電気発熱装置６８は、例えば、抵抗発熱体、高周波発熱体、セラミック発熱体等の発熱体７０から成る電極棒、或は前記発熱体７０をセラミック（炭化物系）内に埋設して任意径、高さに成型した電極棒７２と、携帯式発電機７４とを備えている。そして、電極棒７２を穴１２内に挿入し、電極棒７２の上端に設けた端子に携帯式発電機７４を接続して電力を供給しながら発熱体７０を発熱させ、電極棒７２を高温度に加熱放熱させて穴１２の内周面１４を高温度に加熱し、内周面１４から岩盤へ向う亀裂１８の発生を促進させることとなる。また、電気発熱装置６８は、小形、軽量に形成できて山岳地帯等へ簡易に携帯できる。
【００２３】
また、前記加熱源は、バーナ燃焼体７６で構成してもよい。図１０には、このバーナ燃焼体７６を利用した携帯可能なバーナ燃焼発熱装置７８が示されている。図において、バーナ燃焼発熱装置７８は、外周面に多数の火炎孔８０が開孔された燃焼筒８２と、この燃焼筒８２の上端口に連通された燃料供給管８４と、空気供給管８６と、を備えている。
【００２４】
このバーナ燃焼発熱装置７８においても、岩盤１０の穴１２内に燃焼筒８２を挿入し、燃料供給管８４から気化ガスを供給すると共に空気供給管８６から圧縮空気を供給して燃焼筒８２内で燃焼させ、燃焼筒８２の外周面の火炎孔８０から燃焼火炎を噴射して穴１２の内周面１４を高温度に加熱するものである。これにより、穴１２の内周面１４から岩盤へ向う亀裂１８の発生を促進できる。また、バーナ燃焼発熱装置７８も、電気発熱装置６８と同様に小形、軽量に形成できて山岳地帯等へ簡易に携帯できることとなる。
【００２５】
前記気体加熱装置３６、液体加熱装置５２、電気発熱装置６８、バーナ燃焼発熱装置７８等は、作業者が携帯できる程度の小形、軽量に形成でき、大型の掘削装置等を搭載した車両が進入できない山岳地帯であっても容易に搬入しながら、たとえば現場に露出した岩盤１０に穴１２を穿穴し、この穴１２内に前記各加熱装置を挿入して内周面１４を加熱する。
【００２６】
この穴１２の内周面１４の加熱においては、少なくとも４００℃以上の温度で加熱することが好適である。これにより、穴１２の内周面１２の岩石結晶粒子は熱膨張係数の違いにより、相互の岩石結晶粒子の連結力が破壊されて強度が低下し、更に、微細な亀裂１８が穴１２の内周面１４から周縁部に設けた亀裂遮断部３０の周回溝３２や遮断穴３４へ向け伸展する。温度そのものは４００℃以下であってもよい。
【００２７】
この強度が低下し、亀裂を生起させた岩盤１０は、穴１２の内面や周縁部１６上面側に掘削機の振動ピック等で外部応力を加えるだけで脆性破壊を起こしながら一気に破砕され、破砕された岩石片をスコップ等で掘り取ることにより至極簡易に所要の掘削穴２８等を掘削できることとなる。また、地盤の掘削中に岩盤１０が内部に露呈した場合においても、この岩盤１０に穴１２を穿穴して加熱処理しながら簡易に破砕でき、地盤の掘削を障害もなく遂行できることとなる。
【００２８】
また、本発明の岩盤の掘削に用いられる加熱装置が適用される掘削工法においては、岩盤の穴１２の内周面を加熱し、更に、冷却媒体を穴１２内に供給して冷却してもよい。該冷却媒体で冷却することによって、加熱により膨張していた岩盤結晶粒子が急速に収縮して亀裂１８の発生を促進させることができる。
【００２９】
前記冷却媒体としては、大気温度のエアーを穴１２内に直接送風しても良いが、好ましくは熱交換機を通過させて常温以下に冷却させた冷風の様な冷却気体を穴１２内に直接送風して冷却したり、或は水の様な冷却液体を穴１２内に充填してもよい。これにより、例えば、４００℃程度に加熱された穴１２の内周面１４を、１００℃以下に急速に冷却し、加熱処理した岩盤の劣化をより以上に促進でき、機械力を十分使用できない山岳地帯や山間僻地において、作業者が携帯可能な小形掘削機等を使用しながら岩盤やそれも含めた所望の地盤を、小形の掘削設備であっても容易に、しかも敏速に掘削できることとなる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の岩盤の掘削に用いられる加熱装置によれば、岩盤の表面から掘削方向に向けて穴を穿穴し、この穴の内周面側を加熱して該内周面から穴の周縁部に向けて亀裂を生じさせつつ伸展させ、内部に亀裂が伸展した岩盤に外部応力を加えながら所要の岩盤を破砕し、掘削して成る掘削工法において穿穴した穴の内周面側を加熱する際に用いられる加熱装置であって、上側に空気供給口を有する筒状本体と、筒状本体の下端に連通接続されて穿穴した岩盤の穴内に挿入されるノズル筒と、ノズル筒の周面に該ノズル筒の長手方向に沿って長く、岩盤の穴の内周面側に向けて気体を放出するように開溝された複数のスリットと、筒状本体内に設置されて、供給される気体を加熱する発熱部と、筒状本体に空気供給口を介して圧縮気体を供給する圧縮気体供給部と、を備え、ノズル筒のスリットより加熱気体を放出して穴の内周面側を加熱しつつ掘削すべき穴の内側部分に亀裂を生じさせる構成とすることにより、簡略な機構で、加熱気体を岩盤の穴内に敏速に供給しながら岩盤の破砕、掘削作業を能率化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例に係る岩盤の掘削工法で岩盤を掘削するため、掘削部の略中心部に穴を穿穴し、周縁部に周回溝を穿溝した岩盤の平面図である。
【図２】  同じく略中心部に穴を穿穴し、周縁部に間隔をおいて遮断穴を穿穴した岩盤の平面図である。
【図３】  図１のＡ−Ａ線断面斜視図である。
【図４】  図２のＢ−Ｂ線断面斜視図である。
【図５】  中心部の穴に気体加熱装置を挿入して穴の内周面を加熱する状態を示した断面説明図である。
【図６】  中心部の穴の内周面の加熱により周縁部へ向け亀裂が伸展した状態を示した断面説明図である。
【図７】  気体加熱装置で穴内面を加熱する状態を示した斜視説明図である。
【図８】  参考例に係る液体加熱装置で穴内面を加熱する状態を示した斜視説明図である。
【図９】  参考例に係る電気発熱装置で穴内面を加熱する状態を示した斜視説明図である。
【図１０】  参考例に係るバーナ燃焼発熱装置で穴内面を加熱する状態を示した斜視説明図である。
【図１１】  岩盤に掘削したポール建柱穴にポールを立て込んだ状態の説明図である。
【図１２】  小形掘削装置で岩盤に穴を施工する状態の説明図である。
【符号の説明】
１０  岩盤
１２  穴
１４  内周面
１６  周縁部
１８  亀裂
３０  亀裂遮断部
３２  円周溝
３４  遮断穴
３６  気体加熱装置
４２  発熱部
４６  圧縮気体加熱装置
５２  液体加熱装置
６６  電気発熱体
６８  電気発熱装置
７６  バーナ発熱体
７８  バーナ発熱装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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