【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、岩盤に設けた孔内に挿入した鋼管膨張型ロックボルトに膨張用の高圧水を供給する等、所定の容器に高圧水を供給するための装置、およびその装置を利用して所定の容器に高圧水を供給する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、崩落し易い岩盤や地盤を固結させるために、従来の棒状ロックボルトに代わって管状の鋼管膨張型ロックボルトが使用されるようになった。
長手方向に膨張用凹部を有し、先端部が閉じられ、後端部に高圧水圧入用スリーブが被せられた鋼管製のロックボルトを岩盤に設けた孔内に挿入し、スリーブの側面に穿った高圧水圧入孔から高圧水を圧入し、鋼管を加圧・膨張させて孔と密着させることによって岩盤や地盤を鋼管で固結しようとするものである。
そして、鋼管膨張型ロックボルトを膨張させるための装置に関しても種々のものが使用されている。
本発明者等も、特願２００２−１７３３１８で、ロックボルトに被せられた高圧水圧入用スリーブを容易に保持でき、該スリーブからロックボルト内に膨張用の高圧水を供給できるロックボルト加圧・膨張用シールヘッドを提案した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロックボルトを効率的に膨張させ、脆弱な岩盤等の補強作業を手際よく行うためには、シールヘッドの改良のみでは不十分で、ロックボルトの内部に膨張用高圧水を極力高圧に、しかも短時間に供給することが要求される。一般に、所定の容器に高圧水を供給する装置としては、プランジャーポンプや歯車ポンプ，エアーコンバーター等が用いられている。
プランジャーポンプは、安定した高圧水の供給が可能であるので工場内では使いやすい装置ではある。しかしながら、ポンプサイズが大きく重量も重くなるので、移動させ難い。また、トンネルの工事現場等、粉塵が舞い、湿度が高い環境では摺動部が傷みやすいので、工場外の現場作業では使い難い。
歯車ポンプは、比較的高圧の流体を吐出するのに適した装置である。しかし、流量が少なく、また流体として水が使用できないために適用範囲に限りがある。エアーコンバーターは、軽量，コンパクトでしかも摺動部が露出していないので、トンネル内のような環境でも故障し難いという長所はある。しかし、圧力と流量の両立が困難である。すなわち、高圧の流体を供給しようとすると流量が少なくなり、流量を多く供給しようとすると供給圧力が低くなる。したがって、１台のエアーコンバーターで、容器内に高圧水を短時間で供給することは困難である。
【０００４】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、低圧大流量用のエアーコンバーターと高圧小流量用のエアーコンバーターを組み合わせて、所定の容器内に高圧水を短時間に供給できる装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の高圧水供給装置は、その目的を達成するため、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）と高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を並列に設置するとともに、両エアーコンバーターに作動用エアー供給管を接続し、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の作動用エアー供給管にシーケンス弁を直列に設置し、かつ両エアーコンバーターに接続した送水管を、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側に高圧水が逆流しないように逆止弁を設けて合流させたことを特徴とする。
【０００６】
より具体的には、エアー方向切換弁（５−１），（５−２）で分岐した高圧のエアー配管が左右一対に接続された一次側アクチュエーター（７−１），（７−２）、低圧の水タンクにつながる左右一対の給水管（１０−１），（１１−１），（１０−２），（１１−２）と容器（２０）につながる送水管（１６−１），（１６−２）とが接続された二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）、およびそれら２つのアクチュエーターを連結し摺動可能なピストンロッド（９−１），（９−２）からなるエアーコンバーターを複数台、しかも二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）の断面積が互いに異なるエアーコンバーターを複数並列に接続し、断面積を小さくした二次側水圧アクチュエーターを有する側のエアー供給管路に直列に組み込んだエアー供給ルート切り換え用シーケンス弁（４）と、複数のエアーコンバーターからの送水管（１６−１），（１６−２）を合流させた連結管（１９）を備えているものである。
【０００７】
二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）の断面積が互いに異なるエア−コンバータを複数回路中に並列に配置して、充填すべき容器中の水量，水圧レベルに応じて、使用するエアーコンバーターを順次切り換え、送給する加圧水の圧力−流量特性を適宜変えて高圧水を供給する。
そして、地盤支保用鋼管膨張型ロックボルト内の高圧水を供給して、当該鋼管膨張型ロックボルトを加圧・膨張させる際には、二次側水圧アクチュエーター（８−１）の断面積を比較的大きくした低圧大流量用エアーコンバーターと、二次側アクチュエーター（８−２）の断面積を比較的小さくした高圧小流量用エアーコンバーターとを組み合わせた高圧水供給装置を用い、前記２つのエアーコンバーターを適宜切り換えて高圧水を送給し、鋼管膨張型ロックボルトを加圧・膨張させる。
【０００８】
【実施の態様】
本発明者等は、小型軽量なエアーコンバーターを使用して所定の容器内に大量の高圧水を短時間に所定圧まで供給する方法について鋭意検討している段階で、圧力−流量特性の異なる複数のエアーコンバーターを並列に接続し、供給する容器内が低圧である段階では、低圧大流量型のエアーコンバーターを作動させて加圧水を大量に供給し、容器内がある程度の圧力になった後は、高圧小流量型のエアーコンバーターを作動させて高圧水を供給すると、所定の容器内に所定の高圧水を短時間に効率良く供給することができることを見出した。
図１に、本発明の基本的な考え方を示す。
低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）と高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を並列に設置するとともに、両エアーコンバーターに作動用エアー供給管を接続し、両エアーコンバーターに接続した送水管を、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側に高圧水が逆流しないように逆止弁を設けて合流させている。低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を作動させて所定圧にした後に高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を作動させるために、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の作動用エアー供給管にシーケンス弁を直列に設置している。
【０００９】
図２に本発明の高圧水供給装置の基本的な機器構成態様を具体的に示す。
この態様では、圧力−流量特性の異なる２つのエアーコンバーターを備えている。すなわち、それぞれのエアーコンバーターは、エアー方向切換弁（５−１），（５−２）で分岐した高圧のエアー配管が左右一対に接続された一次側アクチュエーター（７−１），（７−２）、低圧の水タンクにつながる左右一対の給水管（１０−１），（１１−１），（１０−２），（１１−２）と容器（２０）につながる送水管（１６−１），（１６−２）とが接続された二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）、およびそれら２つのアクチュエーターを連結し摺動可能なピストンロッド（９−１），（９−２）から構成されている。そして、この態様では、二次側水圧アクチュエーター（８−１）の断面積を大きくして低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を構成するとともに、二次側水圧アクチュエーター（８−２）の断面積を小さくして高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を構成している。
【００１０】
低圧の水タンクから二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）へ水を供給する給水管（１０−１），（１１−１），（１０−２），（１１−２）には、水が戻らないように逆止弁（１２−１），（１５−１），（１２−２），（１５−２）が取り付けられている。さらに、二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）から容器（２０）につながる送水管（１６−１），（１６−２）には、二次側水圧アクチュエーター（８−１），（８−２）に高圧水が戻らないように逆止弁（１３−１），（１４−１），（１３−２），（１４−２）が取り付けられている。
【００１１】
低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）と高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）の切り換えを行うために、並列配置した一次側アクチュエーター（７−１），（７−２）への作動エアー供給管路にシーケンス弁（４）を直列に組み込んだ。シーケンス弁（４）がない状態で高圧の作動エアーが低圧大流量用と高圧小流量用の両方のエアーコンバーターに同時に供給されると、摺動抵抗の少ない高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側のピストンロッド（９−２）が優先的に作動することになって効率的でなくなる。そこで、作動エアー供給管路の圧力が所定のレベルまでは低圧大流量用エアーコンバーターを作動させるためにシーケンス弁（４）を組み込む必要がある。その設定圧力が前記所定のレベル圧力となる。
また、作動エアー供給管路のシーケンス弁（４）の上流，下流にそれぞれ減圧弁（２），（６）を取り付けることが好ましい。
【００１２】
さらに、複数のエアーコンバーターからの送水管（１６−１），（１６−２）を連結管（１９）で合流させるとともに、本態様では、エアーコンバーター（Ｌ）を低圧大流量用に構成するとともに、エアーコンバーター（Ｈ）を高圧小流量用に構成しているため、エアーコンバーター（Ｈ）側からの高圧水がエアーコンバーター（Ｌ）側に逆流しないように、エアーコンバーター（Ｌ）側の二次側水圧アクチュエーター（８−１）からの送水管（１６−１）に逆止弁（１７）を取り付けている。低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）および高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）から送出される圧力水の圧力を比較すると、高圧型から送出される圧力は数倍にもなることがある。その場合には、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）の二次側水圧アクチュエーターに設けられた逆止弁（１３−１），（１４−１）の耐圧限度を超えることになるので、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の送水管（１６−１）に逆止弁（１７）を設置することが必要となる。
本態様では、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）および高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）の２つを配置しているが、二次側水圧アクチュエーターの断面積を異にした第３、第４のエアーコンバーターをさらに並列で配置することも可能である。
【００１３】
本発明によれば、エアーコンバーター作動用のエアーとしては一種類のものの使用で十分であり、例えば昇圧しただけの工場エアーが使用できる。大型の機器を必要としないので、装置そのものが小型軽量で移動も容易である。したがって、トンネルの工事現場等、狭隘な場所にも搬入でき、作業環境の劣悪な場所でも使用できる。
また、本発明のエアーコンバーター方式の加圧装置では、一次側アクチュエーターと二次側水圧アクチュエーターの断面積を適宜変えることにより、二次側に所望圧の水圧を得ることができる。
さらに、並列で設置した複数の二次側水圧アクチュエーターの断面積を互いに異なったものとすれば、二次側に水圧の異なった高圧水を得ることができる。
二次側水圧アクチュエーターの断面積が大きいと得られる水圧は低いが大量の加圧水を供給することができる。逆に、二次側水圧アクチュエーターの断面積が小さいと高い圧力の高圧水が得られるが水量は少ない。
したがって、両者の特性を最大限生かすように、並列に複数設置したエアーコンバーターの作動エアー圧力と、それぞれの圧力で作動するエアーコンバーターの二次側水圧アクチュエーターの断面積を適宜変えれば、二次側に必要とする圧力の高圧水を短時間で効率良く供給することができる。
【００１４】
次に本発明の高圧水供給装置を使用して、所定の容器内の高圧水を供給する態様について説明する。
図示していない例えばエアーコンプレッサー等を使用して０．５〜０．８ＭＰａに昇圧された工場エアー等が、エアー配管を経由して本発明高圧水供給装置のエアー接続口（１）に供給される。
通常、エアーコンプレッサーは間歇的に運転され、かつ、上記のような工場エアーの元圧は多少の変動があるため、一般的には、入口付近の作動エアー供給管路に設けた減圧弁（２）の作用で、作動エアー供給管路内の圧力の上限値が一定（例えば０．５５ＭＰａ）になるように調整しておく。作動エアー供給管路内の圧力は、管路途中に設けた圧力計（３−１）で常時観測しておくことが好ましい。
作動エアー供給管路途中に組み込んだシーケンス弁（４）の作用により、管路内の圧力が設定圧（例えば０．５ＭＰａ）以下では、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を作動させるように、設定圧（例えば０．５ＭＰａ）を超えると高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を作動させるように、作動エアーの供給が切り換えられるように設定しておく。シーケンス弁（４）には、圧力をモニターする機能がないため、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）に切り換わった圧力を上記圧力計（３−１）により確認することができる。
【００１５】
エアー接続口（１）から作動エアーとして工場エアー等が供給されると、供給当初、作動エアー供給管路内のエアー圧力は低いので、作動エアーは、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を作動させるように作用する。すなわち、一次側アクチュエーター（７−１）に連結されている軸方向に摺動自在なピストンロッド（９−１）の動きによって０．５ＭＰａよりも低い圧力でピストンロッドを（図面上右から左に）移動させる。
ピストンロッド（９−１）の移動により、給水管（１１−１）から供給されている低圧水が、二次側水圧アクチュエーター（８−１）（図中左側の空間）において加圧される。加圧された高圧水は、逆止弁（１４−１）を通過した後、送水管（１６−１），逆止弁（１７），連結管（１９）を経由して容器（２０）に送給される。
【００１６】
エアー方向切換弁（５−１）が作動し、一次側アクチュエーター（７−１）のピストンロッド（９−１）が逆方向に移動する。その移動に伴って給水管（１０−１）から供給されている低圧水が、二次側水圧アクチュエーター（８−１）（図中右側の空間）において加圧される。加圧された高圧水は、逆止弁（１３−１）を通過した後、送水管（１６−１），逆止弁（１７），連結管（１９）を経由して容器（２０）に送給される。
上記行程が繰り返されて、低圧高流量用エアーコンバーター（Ｌ）の作動により、容器（２０）内に高圧水の供給が進行する。
出側の圧力、すなわち送水管（１６−１）内および容器（２０）内の水圧が高くなるにつれて、ピストンロッド（９−１）の摺動抵抗が高くなり、このピストンロッド（９−１）を作動させる、すなわち一次側アクチュエーター（７−１）を作動させるに必要なエアー圧力が高くなる。
【００１７】
上記エアー圧力、すなわち作動エアー供給管路内の圧力がシーケンス弁（４）の設定圧（本例の場合、０．５ＭＰａ）に達したとき、シーケンス弁（４）が解放され、作動エアーが高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の管路にも供給されるようになる。
この際、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の作動エアー供給管路にもエアー圧はかかっているが、実質的に低圧側のピストンロッド（９−１）は作動しない。
高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の作動エアー供給管路内は、減圧弁（６）の作用により設定圧（本例の場合、０．４ＭＰａ）以下のエアー圧となるように調整されている。すなわち、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）のエアー圧と水圧の比率に応じて、所望の水圧に対応したエアー圧の限度圧力を減圧弁の圧力として設定することになる。
【００１８】
上記低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を作動させる手順の説明と全く同様に、一次側アクチュエーター（７−２）、二次側水圧アクチュエーター（８−２）を作動させ、容器（２０）内に高圧水が供給され、容器内の圧力は増加し始める。高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）を作動させる際にも、作動エアー供給管路内の圧力は、管路途中に設けた圧力計（３−２）で常時観測しておくことが好ましい。この圧力計の表示で、得られた高圧水の圧力を確認することもできる。
【００１９】
本態様では、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の二次側水圧アクチュエーター（８−２）の断面積を、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の二次側水圧アクチュエーター（８−１）の断面積よりも小さくしている。そのため、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側の送水管（１６−２）内の水圧は、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の送水管（１６−１）内の水圧よりも高くなっている。低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の送水管（１６−１）の逆止弁（１７）を設けることにより、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）側からの高圧水が低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）側の送水管（１６−１）に逆流することはなく、容器（２０）内に供給される。
【００２０】
送水管（１６−２）内および容器（２０）内の水圧が高くなるにつれて、ピストンロッド（９−２）の摺動抵抗が高くなり、このピストンロッド（９−２）を作動させる、すなわち一次側アクチュエーター（７−２）を作動させるに必要なエアー圧力が高くなる。この必要圧力が、減圧弁（６）の設定圧（本例の場合、０．４ＭＰａ）に達したとき、ピストンロッド（９−２）の作動が停止し、容器（２０）内への高圧水の供給が完了する。
【００２１】
複数のエアーコンバーターを並列に接続し、一方のエアーコンバーターを二次側水圧アクチュエーターの断面積を大きくした低圧大流量型に、他方のエアーコンバーターを二次側水圧アクチュエーターの断面積を小さくした高圧小流量型にするとともに、シーケンス弁の圧力設定により、最初に低圧大流量型エアーコンバーターを作動させて容器内に大量の加圧水を供給し、容器内を所定圧まで高めた後、高圧小流量型エアーコンバーターを作動させて少量ながらも高圧の加圧水を所定圧まで供給すれば、所定の容器内に所定の高圧水を短時間に効率良く供給することが可能になる。
【００２２】
ところで、脆弱な岩盤等の補強作業を手際よく行うためには、岩盤内に挿入した鋼管膨張型ロックボルトの内部に膨張用高圧水を極力高圧に、しかも短時間に供給することが要求される。鋼管膨張型ロックボルトを加圧・膨張させる際に、本発明の高圧水供給装置を使用して高圧水を供給すれば、高圧の膨張用高圧水を短時間に供給することが可能になるので、岩盤等の補強作業を効率良く行うことができる。
本発明の高圧水供給装置および高圧水供給方法は、鋼管膨張型ロックボルトの加圧・膨張の他に、鋼管や高圧容器の耐圧試験等にも適用できる。
【００２３】
【実施例】
本発明高圧水供給装置を使用して、鋼管膨張型ロックボルトを加圧・膨張した例について説明する。
図３に示すように、ロックボルト（２１）に被着されたスリーブ（２２）を嵌着・保持する複数のロックボルト加圧・膨張用シールヘッド（２３）の、個々のシールヘッドハウジングに取り付けられた高圧水注入用口金に高圧水供給管を別々に接続する。それぞれがロックボルト加圧・膨張用シールヘッドの高圧水注入口に接続された複数の高圧水供給管をジョイントブロック（２４）の排出口に接続する。高圧水供給管には、ジョイントブロック（２４）近傍およびロックボルト加圧・膨張用シールヘッドとの接続金具近傍に送水バルブ（２５）が取り付けられ、適宜使い分け可能にされている。このジョイントブロック（２４）が本発明高圧水供給装置（２６）の連結管（１９）に接続される。
【００２４】
まず、本実施例では、４００Ｎ／ｍｍ２級の素材で製造された、異形管の相当外径３６ｍｍ，板厚３ｍｍのロックボルト１本を加圧・膨張させた。
図２に示された高圧水供給装置であって、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）としてエアー圧と水圧の比が１：４０のものを、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）としてエアー圧と水圧の比が１：７５のものを使用し、シーケンス弁（４）の設定圧を０．５ＭＰａに、減圧弁（６）の設定圧を０．４ＭＰａ調整した。
この高圧水供給装置に０．５５ＭＰａに調節した作動エアーを供給して、低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）を作動させた。低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）の出側の圧力を２０ＭＰａに設定しているので、水圧計（１８）で表示される送水管（１６−１）内、すなわちロックボルト内の圧力が２０ＭＰａになった時点で低圧大流量用エアーコンバーター（Ｌ）のピストンロッド（９−１）が作動しなくなり、０．５ＭＰａに設定しておいたシーケンス弁（４）が切り換わって高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）の作動が始まった。このときまでに３８秒を要していた。
そして、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）の作動により、水圧計（１８）で表示される送水管（１６−２）内、すなわちロックボルト内の圧力が設定圧である３０ＭＰａに達したとき、高圧小流量用エアーコンバーター（Ｈ）の作動が止まり、ロックボルトの加圧・膨張作業を終えた。これまでに要する時間は４５秒であった。
【００２５】
これに対して、同一のロックボルトをエアー圧と水圧の比を１：７５に設定したエアーコンバーターに、エアー圧０．４ＭＰａを負荷して圧力水を供給したところ、３０ＭＰａに達するまでに６０秒を要していた。
両者でのロックボルト内の高圧水充填率の変化を見ると図４に示すように、本発明の２段階加圧法が有効であることが良く理解できる。なお、図４からは、本実施例で使用したロックボルトの凹部の拡張変形が１８ＭＰａの水圧域で開始し、１０ＭＰａ圧で変形が進行して行くこともわかる。
【００２６】
次に、上記実施例と同一のロックボルト３本を、本発明の高圧水供給装置を使用して同時に加圧・膨張させた。３０ＭＰａの圧力に達するまでに１３５秒を要した。この時間は１本のロックボルトを加圧・膨張させたときの所要時間の本数倍である。
トンネル内等、ロックボルトの加圧・膨張による岩盤補強作業は、通常、岩盤掘削穴へのロックボルトの挿入、ロックボルトに取り付けたスリーブへのシールヘッドの嵌合、高圧水の供給・注入、シールヘッドの取り外し等の手順で行われる。個々のロックボルトへのシールヘッドの嵌合作業を予め複数のロックボルトに対して行っておき、大量の高圧水を短時間で供給することが可能な本発明高圧水供給装置を使用して複数のロックボルトを同時に加圧・膨張させると、例えば岩盤の部分的な軟弱部の補強作業が極めて短時間で効率良くことができる。岩盤補強作業が数割の割合で時間短縮される。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の高圧水供給装置では、圧力−流量特性の異なる複数のエアーコンバーターとを組み合わせたことにより、供給しようとする容器内の圧力が低い段階では低圧大流量用エアーコンバーターを作動させて大量の加圧水を供給し、所定圧以上になった時点で高圧小流量用エアーコンバーターを作動させて高圧水を供給できるので、容器内の所定の圧力水を短時間に供給することが可能になった。また、この装置は電源を使用しておらず、小型軽量に構成できるので、トンネル等の作業現場に搬入しやすいという利点も有している。
したがって、地盤支保用鋼管膨張型ロックボルト内の高圧水を供給して、当該鋼管膨張型ロックボルトを加圧・膨張させる際に、高圧水供給装置を用いた高圧水供給方法を採ると、岩盤補強作業が短時間に効率的に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的考え方である多段加圧システムを説明する図
【図２】本発明高圧水供給装置を構成する機器の配置状況を説明する図
【図３】複数のロックボルトを同時に加圧・膨張させる態様を説明する図
【図４】本発明方法を採用してロックボルトを２段階加圧した場合と、従来の１段階加圧した場合の、充填状況の違いを説明する図
【符号の説明】
Ｌ：低圧大流量用エアーコンバーター Ｈ：高圧小流量用エアーコンバーター１：エアー接続口 ２：減圧弁 ３−１，３−２：圧力計 ４：シーケンス弁 ５−１，５−２：エアー方向切換弁 ６：減圧弁 ７−１，７−２：一次側アクチュエーター ８−１，８−２：二次側水圧アクチュエーター ９−１，９−２：ピストンロッド １０−１，１０−２，１１−１，１１−２：給水管 １２−１，１２−２，１３−１，１３−２，１４−１，１４−２，１５−１，１５−２：逆止弁 １６−１，１６−２：送水管 １７：逆止弁 １８：水圧計 １９：連結管 ２０：容器 ２１：ロックボルト ２２：スリーブ ２３：ロックボルト加圧・膨張用シールヘッド ２４：ジョイントブロック ２５：送水弁 ２６：高圧水供給装置[0001]
[Industrial applications]
The present invention provides an apparatus for supplying high-pressure water to a predetermined container, such as supplying high-pressure water for expansion to a steel pipe expansion-type lock bolt inserted into a hole provided in a rock, and a predetermined apparatus using the apparatus. And a method for supplying high-pressure water to the container.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to solidify rocks and ground that are easily collapsed, tubular steel pipe expansion-type lock bolts have been used instead of conventional rod-shaped lock bolts.
A steel pipe lock bolt having a longitudinally extending indentation, a closed top end, and a high-pressure water press-fit sleeve at the rear end is inserted into a hole provided in the rock and drilled on the side of the sleeve. High-pressure water is injected from the high-pressure water injection hole, and the steel pipe is pressurized and expanded to adhere to the hole, thereby trying to solidify rock or ground with the steel pipe.
Various devices have been used for expanding a steel pipe expansion type lock bolt.
In Japanese Patent Application No. 2002-173318, the present inventors can easily hold the high-pressure water press-fit sleeve covered by the lock bolt, and supply the high-pressure water for expansion into the lock bolt from the sleeve. A seal head for inflation was proposed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to expand the lock bolt efficiently and to perform the reinforcement work of the fragile rock etc. efficiently, improvement of the seal head alone is not enough. In addition, it is required to supply in a short time. Generally, a plunger pump, a gear pump, an air converter and the like are used as a device for supplying high-pressure water to a predetermined container.
The plunger pump is an easy-to-use device in a factory because it can supply stable high-pressure water. However, since the pump size is large and the weight is heavy, it is difficult to move the pump. Also, in dusty and high humidity environments such as tunnel construction sites, the sliding parts are easily damaged, making it difficult to use on-site work outside the factory.
Gear pumps are devices suitable for discharging relatively high pressure fluids. However, since the flow rate is small and water cannot be used as a fluid, the applicable range is limited. The air converter has the advantages that it is lightweight, compact and has no sliding parts exposed, so that it does not easily break down even in an environment such as a tunnel. However, it is difficult to balance pressure and flow rate. That is, the flow rate decreases when a high-pressure fluid is supplied, and the supply pressure decreases when a high flow rate is supplied. Therefore, it is difficult to supply high-pressure water into the container in a short time with one air converter.
[0004]
The present invention has been devised to solve such a problem, and combines an air converter for low pressure and large flow rate with an air converter for high pressure and small flow rate to supply high-pressure water in a predetermined container in a short time. It is an object to provide a device that can supply.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, the high-pressure water supply device of the present invention is provided with a low-pressure large-flow air converter (L) and a high-pressure small-flow air converter (H) in parallel with each other. Connect the pipes, install a sequence valve in series on the operating air supply pipe on the high-pressure, small-flow air converter (H) side, and connect the water pipes connected to both air converters to the low-pressure, large-flow air converter (L). A check valve is provided so that high-pressure water does not flow backward on the side, and they are joined.
[0006]
More specifically, primary-side actuators (7-1), (7-2) in which high-pressure air pipes branched by the air direction switching valves (5-1), (5-2) are connected to a pair of left and right sides, A pair of left and right water supply pipes (10-1), (11-1), (10-2), (11-2) connected to the low-pressure water tank and water supply pipes (16-1) connected to the container (20), ( 16-2) are connected to the secondary hydraulic actuators (8-1) and (8-2), and the two actuators are connected and slidable by piston rods (9-1) and (9-2). ), And a plurality of air converters having different cross-sectional areas of the secondary hydraulic actuators (8-1) and (8-2) are connected in parallel to reduce the secondary hydraulic pressure. Air supply on the side with actuator An air supply route switching sequence valve (4) incorporated in series in a path and a connecting pipe (19) in which water supply pipes (16-1) and (16-2) from a plurality of air converters are combined. Things.
[0007]
Air converters having different cross-sectional areas of the secondary-side hydraulic actuators (8-1) and (8-2) are arranged in parallel in a plurality of circuits, and depending on the amount of water in the container to be filled and the water pressure level, The air converter to be used is sequentially switched, and the high-pressure water is supplied by appropriately changing the pressure-flow rate characteristics of the supplied pressurized water.
Then, when supplying high-pressure water in the steel pipe expansion-type lock bolt for ground support and pressurizing and expanding the steel pipe expansion-type lock bolt, the sectional area of the secondary-side hydraulic actuator (8-1) is compared. The two air converters using a high-pressure water supply device that combines a low-pressure, large-flow air converter with a relatively large cross-section and a high-pressure, small-flow air converter with a relatively small cross-sectional area of the secondary actuator (8-2). Is appropriately switched to supply high-pressure water to pressurize and expand the steel pipe expansion type lock bolt.
[0008]
Embodiment
The present inventors have been studying a method of supplying a large amount of high-pressure water to a predetermined container to a predetermined pressure in a short time by using a small and light air converter, and at the stage of performing a plurality of tests with different pressure-flow characteristics. In the stage where the air converter is connected in parallel and the inside of the container to be supplied is at low pressure, the low pressure and large flow type air converter is operated to supply a large amount of pressurized water, and after the inside of the container reaches a certain pressure, It has been found that when a high-pressure small-flow type air converter is operated to supply high-pressure water, predetermined high-pressure water can be efficiently supplied to a predetermined container in a short time.
FIG. 1 shows the basic concept of the present invention.
A low-pressure large-flow air converter (L) and a high-pressure small-flow air converter (H) are installed in parallel, and an air supply pipe is connected to both air converters. A check valve is provided so as to prevent the high-pressure water from flowing back to the large flow rate air converter (L) side so as to join them. After operating the low-pressure large-flow air converter (L) to a predetermined pressure and then operating the high-pressure small-flow air converter (H), the operation air supply pipe on the high-pressure small-flow air converter (H) side must be connected. Sequence valves are installed in series.
[0009]
FIG. 2 specifically shows the basic equipment configuration of the high-pressure water supply device of the present invention.
In this embodiment, two air converters having different pressure-flow characteristics are provided. That is, each air converter is composed of primary actuators (7-1) and (7-2) in which high-pressure air pipes branched by the air direction switching valves (5-1) and (5-2) are connected in a pair of right and left. ), A pair of left and right water supply pipes (10-1), (11-1), (10-2), (11-2) connected to a low-pressure water tank and a water supply pipe (16-1) connected to the container (20). , (16-2) are connected to the secondary-side hydraulic actuators (8-1) and (8-2), and the two actuators are connected to and slidable piston rods (9-1) and (9-2). -2). In this aspect, the cross-sectional area of the secondary-side hydraulic actuator (8-1) is increased to configure the low-pressure / large-flow air converter (L), and the cross-sectional area of the secondary-side hydraulic actuator (8-2) is increased. To make the high-pressure small-flow air converter (H).
[0010]
Water supply pipes (10-1), (11-1), (10-2), (11-2) for supplying water from the low-pressure water tank to the secondary-side hydraulic actuators (8-1), (8-2). ) Are provided with check valves (12-1), (15-1), (12-2) and (15-2) so that water does not return. Further, the water supply pipes (16-1) and (16-2) connected from the secondary-side hydraulic actuators (8-1) and (8-2) to the container (20) have secondary-side hydraulic actuators (8-1). ) And (8-2) are provided with check valves (13-1), (14-1), (13-2) and (14-2) so that high-pressure water does not return.
[0011]
In order to switch between the low-pressure large-flow air converter (L) and the high-pressure small-flow air converter (H), the working air supply pipeline to the primary-side actuators (7-1) and (7-2) arranged in parallel The sequence valve (4) was incorporated in series. If high-pressure working air is supplied to both the low-pressure large-flow and high-pressure small-flow air converters simultaneously without the sequence valve (4), the high-pressure small-flow air converter (H) with less sliding resistance Of the piston rod (9-2) is preferentially operated, which is not efficient. Therefore, it is necessary to incorporate the sequence valve (4) in order to operate the low-pressure and large-flow air converter until the pressure of the working air supply line reaches a predetermined level. The set pressure becomes the predetermined level pressure.
Further, it is preferable to install pressure reducing valves (2) and (6) upstream and downstream of the sequence valve (4) in the working air supply pipe, respectively.
[0012]
Further, the water pipes (16-1) and (16-2) from the plurality of air converters are joined by the connecting pipe (19), and in this embodiment, the air converter (L) is configured for low pressure and large flow rate. Since the air converter (H) is configured for the high pressure and small flow rate, the secondary side of the air converter (L) side prevents the high pressure water from the air converter (H) side from flowing back to the air converter (L) side. A check valve (17) is attached to the water pipe (16-1) from the side water pressure actuator (8-1). Comparing the pressure of the pressurized water sent from the low-pressure large-flow air converter (L) and the high-pressure small-flow air converter (H), the pressure sent from the high-pressure type may be several times as large. In this case, the pressure limit of the check valves (13-1) and (14-1) provided on the secondary-side hydraulic actuator of the low-pressure large-flow air converter (L) is exceeded. It is necessary to install a check valve (17) in the water pipe (16-1) on the flow rate air converter (L) side.
In this embodiment, the two air converters (L) for low pressure and large flow and the air converter (H) for high pressure and small flow are arranged. It is also possible to further arrange the air converters in parallel.
[0013]
According to the present invention, it is sufficient to use one type of air for operating the air converter, and for example, factory air that has just been pressurized can be used. Since a large device is not required, the device itself is small and light and easy to move. Therefore, it can be carried into a narrow place such as a tunnel construction site, and can be used even in a place where the working environment is poor.
In the air converter type pressurizing device of the present invention, a desired hydraulic pressure can be obtained on the secondary side by appropriately changing the cross-sectional areas of the primary-side actuator and the secondary-side hydraulic actuator.
Furthermore, if the cross-sectional areas of the plurality of secondary-side hydraulic actuators installed in parallel are different from each other, high-pressure water with different hydraulic pressures can be obtained on the secondary side.
When the cross-sectional area of the secondary hydraulic actuator is large, the obtained hydraulic pressure is low, but a large amount of pressurized water can be supplied. Conversely, if the cross-sectional area of the secondary-side hydraulic actuator is small, high-pressure high-pressure water can be obtained, but the amount of water is small.
Therefore, if the working air pressure of the air converters installed in parallel and the cross-sectional area of the secondary-side hydraulic actuator of the air converter operating at each pressure are appropriately changed in order to make the best use of both characteristics, , High-pressure water at a pressure required for the above can be efficiently supplied in a short time.
[0014]
Next, a mode for supplying high-pressure water in a predetermined container using the high-pressure water supply device of the present invention will be described.
Factory air or the like, which is pressurized to 0.5 to 0.8 MPa using an air compressor or the like (not shown), is supplied to the air connection port (1) of the high-pressure water supply device of the present invention via an air pipe. You.
Normally, the air compressor is operated intermittently, and the source pressure of the factory air as described above fluctuates slightly. Therefore, in general, a pressure reducing valve (2) provided in the working air supply pipe near the inlet is used. ), The upper limit of the pressure in the working air supply pipe is adjusted to be constant (for example, 0.55 MPa). It is preferable that the pressure in the working air supply pipe is constantly monitored by a pressure gauge (3-1) provided in the middle of the pipe.
By the action of the sequence valve (4) incorporated in the middle of the working air supply pipe, when the pressure in the pipe is equal to or lower than the set pressure (for example, 0.5 MPa), the low-pressure large-flow air converter (L) is operated. When the pressure exceeds a set pressure (for example, 0.5 MPa), the supply of the working air is set to be switched so that the high-pressure small-flow air converter (H) is operated. Since the sequence valve (4) has no function of monitoring the pressure, the pressure switched to the high-pressure small-flow air converter (H) can be confirmed by the pressure gauge (3-1).
[0015]
When factory air is supplied as working air from the air connection port (1), the air pressure in the working air supply pipe is low at the beginning of supply, so the working air operates the low-pressure, large-flow air converter (L). Acts to let. That is, the piston rod (9-1) which is slidable in the axial direction connected to the primary actuator (7-1) is moved at a pressure lower than 0.5 MPa (from right to left in the drawing). ) Move.
By the movement of the piston rod (9-1), the low-pressure water supplied from the water supply pipe (11-1) is pressurized in the secondary-side hydraulic actuator (8-1) (the left space in the figure). The pressurized high-pressure water passes through the check valve (14-1), and then passes through the water pipe (16-1), the check valve (17), and the connecting pipe (19) to the container (20). Will be sent.
[0016]
The air direction switching valve (5-1) is operated, and the piston rod (9-1) of the primary actuator (7-1) moves in the opposite direction. With this movement, the low-pressure water supplied from the water supply pipe (10-1) is pressurized in the secondary-side hydraulic actuator (8-1) (the space on the right side in the figure). After passing through the check valve (13-1), the pressurized high-pressure water passes through the water pipe (16-1), the check valve (17), and the connecting pipe (19) to the container (20). Will be sent.
The above process is repeated, and the supply of high-pressure water into the container (20) proceeds by the operation of the low-pressure / high-flow air converter (L).
As the pressure on the outlet side, that is, the water pressure in the water pipe (16-1) and the vessel (20) increases, the sliding resistance of the piston rod (9-1) increases, and this piston rod (9-1) , That is, the air pressure required to operate the primary actuator (7-1) increases.
[0017]
When the air pressure, that is, the pressure in the working air supply pipe reaches the set pressure of the sequence valve (4) (in this example, 0.5 MPa), the sequence valve (4) is released, and the working air becomes high pressure. It is also supplied to the pipeline on the small flow rate air converter (H) side.
At this time, although the air pressure is also applied to the working air supply pipe on the side of the low-pressure large-flow air converter (L), the piston rod (9-1) on the low-pressure side does not substantially operate.
The inside of the working air supply line on the side of the high-pressure small-flow air converter (H) is adjusted to an air pressure of a set pressure (0.4 MPa in this example) or less by the action of the pressure reducing valve (6). I have. That is, the limit pressure of the air pressure corresponding to the desired water pressure is set as the pressure of the pressure reducing valve according to the ratio of the air pressure to the water pressure of the high-pressure small-flow air converter (H).
[0018]
The primary-side actuator (7-2) and the secondary-side hydraulic actuator (8-2) are operated in the same manner as in the description of the procedure for operating the low-pressure and large-flow air converter (L), and the High pressure water is supplied and the pressure in the vessel starts to increase. Even when the high-pressure small-flow air converter (H) is operated, it is preferable that the pressure in the working air supply pipe is always monitored by a pressure gauge (3-2) provided in the middle of the pipe. The pressure of the obtained high-pressure water can be confirmed on the display of the pressure gauge.
[0019]
In this embodiment, the cross-sectional area of the secondary-side hydraulic actuator (8-2) on the high-pressure small-flow air converter (H) side is changed to the secondary-side hydraulic actuator (8-1) on the low-pressure large-flow air converter (L) side. ) Is smaller than the cross-sectional area. Therefore, the water pressure in the water supply pipe (16-2) on the high-pressure small-flow air converter (H) side is higher than the water pressure in the water supply pipe (16-1) on the low-pressure large-flow air converter (L) side. ing. By providing the check valve (17) of the water pipe (16-1) on the low-pressure large-flow air converter (L) side, the high-pressure water from the high-pressure small-flow air converter (H) side can be used for the low-pressure large-flow air. It does not flow backward to the water pipe (16-1) on the converter (L) side, but is supplied into the container (20).
[0020]
As the water pressure in the water pipe (16-2) and the container (20) increases, the sliding resistance of the piston rod (9-2) increases, and the piston rod (9-2) is operated, that is, the primary resistance is increased. The air pressure required to operate the side actuator (7-2) increases. When the required pressure reaches the set pressure of the pressure reducing valve (6) (0.4 MPa in this example), the operation of the piston rod (9-2) stops, and the high-pressure water flows into the container (20). Is completed.
[0021]
Multiple air converters are connected in parallel, one air converter is a low-pressure large-flow type with a large cross-sectional area of the secondary hydraulic actuator, and the other air converter is a high-pressure small-type with a small cross-sectional area of the secondary hydraulic actuator. In addition to the flow type, by setting the pressure of the sequence valve, the low pressure large flow type air converter is first operated to supply a large amount of pressurized water into the container, and the inside of the container is raised to a predetermined pressure, and then the high pressure small flow type air If the converter is operated to supply a small amount of high-pressure water to a predetermined pressure, it is possible to efficiently supply the predetermined high-pressure water to a predetermined container in a short time.
[0022]
By the way, in order to perform stiffening work for fragile rock etc., it is necessary to supply high-pressure water for expansion to the inside of the steel pipe expansion type lock bolt inserted into the rock as high as possible and in a short time. . If high pressure water is supplied using the high pressure water supply device of the present invention when pressurizing and expanding the steel pipe expansion type lock bolt, it becomes possible to supply high pressure high pressure water for expansion in a short time. The reinforcement work of rocks and the like can be performed efficiently.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The high-pressure water supply device and the high-pressure water supply method of the present invention can be applied to a pressure test and the like of a steel pipe and a high-pressure vessel in addition to pressurization and expansion of a steel pipe expansion type lock bolt.
[0023]
【Example】
An example in which a steel pipe expansion type lock bolt is pressurized and expanded using the high-pressure water supply device of the present invention will be described.
As shown in FIG. 3, a plurality of lock bolt pressurizing / expanding seal heads (23) for fitting and holding a sleeve (22) attached to the lock bolt (21) are attached to individual seal head housings. The high-pressure water supply pipes are separately connected to the high-pressure water injection base thus obtained. A plurality of high-pressure water supply pipes, each connected to a high-pressure water inlet of the seal head for lock bolt pressurization / expansion, are connected to an outlet of the joint block (24). A water supply valve (25) is attached to the high pressure water supply pipe in the vicinity of the joint block (24) and in the vicinity of the connection fitting with the seal head for lock bolt pressurization / expansion, so that the water supply valve (25) can be appropriately used. This joint block (24) is connected to the connecting pipe (19) of the high-pressure water supply device (26) of the present invention.
[0024]
First, in this embodiment, one lock bolt having an equivalent outer diameter of 36 mm and a plate thickness of 3 mm made of a 400 N / mm 2 class material was pressurized and expanded.
The high-pressure water supply device shown in FIG. 2 is a low-pressure large-flow air converter (L) having a ratio of air pressure to water pressure of 1:40, and a high-pressure small-flow air converter (H) having an air pressure (H). The pressure of the sequence valve (4) was adjusted to 0.5 MPa and the set pressure of the pressure reducing valve (6) was adjusted to 0.4 MPa.
Operating air adjusted to 0.55 MPa was supplied to the high-pressure water supply device to operate the low-pressure large-flow air converter (L). Since the outlet pressure of the low-pressure large-flow air converter (L) is set to 20 MPa, the pressure in the water pipe (16-1) indicated by the water pressure gauge (18), that is, the pressure in the lock bolt becomes 20 MPa. At this point, the piston rod (9-1) of the low-pressure, large-flow air converter (L) does not operate, and the sequence valve (4) set to 0.5 MPa is switched to the high-pressure, small-flow air converter. (H) operation has begun. It took 38 seconds by this time.
When the pressure in the water pipe (16-2) indicated by the water pressure gauge (18), that is, in the lock bolt reaches the set pressure of 30 MPa by the operation of the high-pressure small-flow air converter (H), The operation of the high-pressure small-flow air converter (H) was stopped, and the work of pressurizing and expanding the lock bolt was completed. The time required so far was 45 seconds.
[0025]
On the other hand, when the same lock bolt was supplied to the air converter in which the ratio of the air pressure to the water pressure was set to 1:75 and the pressure water was supplied at an air pressure of 0.4 MPa, it took 60 seconds to reach 30 MPa. Was required.
Looking at the change in the high-pressure water filling rate in the lock bolt in both cases, it can be clearly understood that the two-stage pressurization method of the present invention is effective, as shown in FIG. FIG. 4 also shows that the expansion deformation of the concave portion of the lock bolt used in the present embodiment starts in a water pressure range of 18 MPa, and the deformation proceeds at a pressure of 10 MPa.
[0026]
Next, the same three lock bolts as in the above embodiment were simultaneously pressurized and expanded using the high-pressure water supply device of the present invention. It took 135 seconds to reach a pressure of 30 MPa. This time is a multiple of the required time when one lock bolt is pressurized and expanded.
Rock reinforcement work by pressurizing and expanding rock bolts, such as in tunnels, usually involves inserting rock bolts into rock drilling holes, fitting seal heads to sleeves attached to rock bolts, supplying and injecting high-pressure water, This is performed by a procedure such as removal of the seal head. The work of fitting the seal head to each lock bolt is performed in advance on a plurality of lock bolts, and a plurality of lock bolts are supplied using the high-pressure water supply device of the present invention which can supply a large amount of high-pressure water in a short time. When the rock bolts are simultaneously pressed and expanded, for example, the work of reinforcing a partially soft part of the rock can be efficiently performed in a very short time. Rock reinforcement work is shortened by a few percent.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, in the high-pressure water supply device of the present invention, by combining a plurality of air converters having different pressure-flow characteristics, when the pressure in the container to be supplied is low, the low-pressure large-flow air A large amount of pressurized water is supplied by operating the converter, and when the pressure exceeds a predetermined pressure, the high-pressure small-flow air converter can be operated to supply high-pressure water, so the predetermined pressure water in the container is supplied in a short time It became possible. Further, since this device does not use a power source and can be configured to be small and lightweight, it has an advantage that it can be easily carried into a work site such as a tunnel.
Therefore, when the high pressure water in the steel pipe expansion type lock bolt for ground support is supplied to pressurize and expand the steel pipe expansion type lock bolt, the high pressure water supply method using the high pressure water supply device is adopted. Reinforcement work can be performed efficiently in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a multi-stage pressurization system which is a basic concept of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement state of devices constituting a high-pressure water supply device of the present invention. FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining an aspect of simultaneously pressurizing and expanding. FIG. 4 illustrates a difference in filling state between a case where a lock bolt is pressurized in two stages by employing the method of the present invention and a case where conventional one-stage pressurization is performed. Figure [Explanation of symbols]
L: air converter for low pressure and large flow H: air converter for high pressure and small flow 1: air connection port 2: pressure reducing valve 3-1 and 3-2: pressure gauge 4: sequence valve 5-1 and 5-2: air direction switching Valve 6: Pressure reducing valve 7-1, 7-2: Primary actuator 8-1, 8-2: Secondary hydraulic actuator 9-1, 9-2: Piston rod 10-1, 10-2, 11-1 , 11-2: Water supply pipes 12-1, 12-2, 13-1, 13-2, 14-1, 14-2, 15-1, 15-2: Check valves 16-1, 16-2: Water supply pipe 17: Check valve 18: Water pressure gauge 19: Connecting pipe 20: Container 21: Lock bolt 22: Sleeve 23: Seal head for lock bolt pressurization / expansion 24: Joint block 25: Water supply valve 26: High pressure water supply device
