JP2018127818A - ミキシングユニット及びグラウト充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ液及びＢ液を簡単な構造で均一に混合することができるミキシングユニットを提供する。【解決手段】グラウト充填に用いるＡ液が供給される第１管部３１と、可塑剤であるＢ液が供給される第２管部３２と、第１管部３１及び第２管部３２の合流部分から延びてＡ液とＢ液との混合液を流出させる第３管部３３とによってＹ字状に形成されたミキシングユニット本体３と、Ｂ液が供給されると共に供給されたＢ液をＡ液との合流部分に放射状に拡散して噴出させる噴出ノズル２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主材（以下、Ａ液）と可塑剤（以下、Ｂ液）とを混合するためのミキシングユニット及びこのミキシングユニットを組み込むことによりグラウトを施工現場で作製可能としたグラウト充填方法に関する。

トンネル覆工背面の空洞、地山と構造物との隙間、床下の地盤沈下における空洞、護岸の浸食等に対しては、発生している隙間や空洞などを埋めるためにグラウト材を注入して充填することが行われる。このグラウト材充填の施工においては、Ａ液の材料となる生モルタルをセメント及び砂等の混和材と水から作製し、これをミキサー車によって施工現場まで運搬し、施工現場でＡ液は生モルタルに気泡を混合してエアモルタルとし、Ｂ液となる可塑剤を混合して注入作業を行うのが一般的である。これ以外の方法として、エアモルタルを圧送パイプによって施工現場の注入箇所に圧送することもなされるが、エアモルタルは流動性等の理由によって要求されるだけの長距離圧送ができないものとなっている。

施工現場の注入箇所にＡ液を圧送後に注入場所でＢ液との混合を行う場合、これらの混合を行うミキシングユニットが用いられる。例えば、特許文献１には、ミキシングユニットとして、以下の構造が開示されている。
（１）Ａ液のパイプ内にＢ液のパイプを平行に挿入し、Ａ液のパイプ内でＡ液、Ｂ液を混合する構造
（２）Ａ液のパイプにＢ液のパイプを挿入する際に、Ｂ液のパイプの先端部分をゴムスリーブで覆い、供給するＢ液によってゴムスリーブを膨張させ、ゴムスリーブとＢ液パイプとの間に生じた隙間からＢ液を噴射して混合する構造
（３）Ｙ字管によってＡ液及びＢ液を混合する構造
（４）直角に交わる直交管によってＡ液及びＢ液を混合する構造

特開平８−１３９８５号公報

従来のミキシングユニットでは、いずれもＡ液及びＢ液を均一に混合することができない問題がある。これに対しては、Ａ液とＢ液の混合比および流速の違いによる均一な混合不足、Ａ液とＢ液とを混合するための運動エネルギーが不足する等の種々の要因が考えられるが、結果として良好な混合ができないことから実用性に乏しいものとなっている。特に、長距離圧送を可能としたＡ液にあっては、流速の低さから運動エネルギーの不足が顕著で、Ｂ液との均一な混合が出来にくくなり、混合の際の多くの問題が発生している。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、Ａ液及びＢ液を簡単な構造で均一に混合することができるミキシングユニットを提供することを目的とする。又、本発明は、このミキシングユニットを使用したグラウト充填方法を提供することを目的とする。

本発明のミキシングユニットは、グラウト充填に用いる主材であるＡ液が供給される第１管部と、可塑材であるＢ液が供給される第２管部と、前記第１管部及び第２管部の合流部分から延びて前記Ａ液とＢ液との混合液を流出させる第３管部とによってＹ字状に形成されたミキシングユニット本体と、前記第２管部の内部に配置され、前記Ｂ液が供給されると共に供給されたＢ液を前記Ａ液との合流部分に放射状に拡散して噴出させる噴出ノズルとを備えていることを特徴とする。

本発明において、前記噴出ノズルは、先端部が閉じた液通路及び液通路の先端側に径方向に向けて形成された複数の噴出孔を有するノズル本体と、前記噴出孔の形成領域を覆うように前記ノズル本体に被せられた可撓性材料からなる逆流防止チューブと、前記ノズル本体における前記逆流防止チューブよりも先端側の外面の全周に突出状に設けられ、ノズル本体と逆流防止チューブとの間を流れたＢ液を放射状に拡散した噴出流とする方向変換部材とを有している。

さらに、本発明においては、前記ノズル本体における前記噴出孔の形成領域の外面の全周に、前記噴出孔から流出するＢ液を前記逆流防止チューブとの間で溜める受け溝が形成されている。
ここで、前記方向変化部材は、前記ノズル本体における前記逆流防止チューブよりも先端側の外周に形成されたリング固定溝と、このリング固定溝から突出した状態でリング固定溝に嵌められたリング体とによって形成される。

本発明による、グラウト充填方法は、グラウト充填の主材であって長距離圧送可能な状態としたＡ液及び可塑材であって前記Ａ液に混合されるＢ液を個々の圧送ポンプによって圧送する段階と、前記Ａ液及びＢ液の圧送流量を個々の流量計によって計測する段階と、請求項１乃至４いずれか１項記載のミキシングユニットによって前記Ａ液とＢ液とを混合する段階と、前記ミキシングユニットから流出する混合液の圧力を圧力計によって計測する段階と、前記圧力計の計測値に基づいて前記Ａ液の圧送ポンプ及びＢ液の圧送ポンプによる圧送駆動を制御する段階と、を備えていることを特徴とする。

本発明のミキシングユニットによれば、ミキシングユニット本体の第２管部の内部に設けた噴出ノズルがＢ液を放射状に噴出するため、Ｂ液がＡ液に強力に入り込んで混合される。従って、Ａ液の物性や流速及び性状に関係なくＢ液をセメント液に均一に混合することができる。又、Ｙ字状のミキシングユニット本体とミキシングユニット本体の第２管部内に配置される噴射ノズルとの２部材によって形成されることから簡単な構造とすることができる。

本発明によれば、方向変換部材を噴射ノズルのノズル本体に設けており、この方向変換部材によってＢ液を放射状の噴出流とするため、Ｂ液を確実に放射状に噴出させることができ、Ｂ液をセメント液に均一に混合することができる。
又、受け溝を設けることにより噴出孔からのＢ液をノズル本体の全周にわたって溜めることができるため、Ｂ液をノズル本体の全周から均一に噴出させることができる。

本発明のグラウト充填方法によれば、Ａ液を長距離圧送可能な状態としても、このセメント液にＢ液を均一に混合することができる。

本発明の一実施形態のミキシングユニットを示す平面からの断面図である。 ミキシングユニットに用いるミキシングユニット本体の平面からの断面図である。 （Ａ）はミキシングユニットに用いる噴出ノズルの縦断面図、（Ｂ）はそのＥ−Ｅ穿断面図である。 ミキシングユニットにおける受け溝を示す側面からの断面図である。 噴出ノズルと逆流防止チューブとの関係を示す断面図である。 逆流防止チューブを固定するための操作を示す断面図である。 逆流防止チューブの固定状態を示す断面図である。 噴射ノズルの要部を示す断面図である。 方向変換部材の配置状態を示す断面図である。 方向変換部材の作用を示す断面図である。 本発明のグラウト充填方法に用いるシステムのブロック図である。 本発明のグラウト充填方法の作業の流れを示すフローチャートである。 図１２の作業の流れにおける他の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を図示する実施形態により具体的に説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態に用いるミキシングユニット１を示し、図３〜図１０はミキシングユニット１に用いる噴出ノズル２を示す。図１に示すように、ミキシングユニット１はミキシングユニット本体３と、噴出ノズル２とを備えている。

ミキシングユニット本体１は全体がＳＵＳ等によって形成されることにより、強度、耐酸性、防錆性、耐腐食性を有している。このミキシングユニット本体３は図１に示すように、上流側の第１管部３１及び第２管部３２と、下流側の第３管部３３とからなるＹ字状の管体によって形成される。

第１管部３１は、Ａ液が供給されるものであり、パイプ、ホース等のＡ液供給管３４に接続される。Ａ液はグラウト充填に用いる主材であり、長距離圧送可能な状態となっている。第２管部３２は噴出ノズル２を内部に備えることによりＢ液が供給される。Ｂ液はＡ液に添加する可塑材が使用される。第２管部３２の内部の噴出ノズル２はパイプ、ホース等のＢ液供給管３５に接続される。第３管部３３は第１管部３１及び第２管部３２の合流部分から延びており、第１管部３１からのＡ液及び第２管部３２からのＢ液が混合した混合液を流出させる。

図２はミキシングユニット３の具体的な形状を示す。ミキシングユニット３がＹ字状となっていることにより、第１管部３１及び第２管部が直交する構造に比べてＡ液の流速等の流動性を低下させることなくＡ液及びＢ液を混合することができる。Ｙ字状のミキシングユニット３においては、第３管部３３の中心線に対し第１管部３１は角度θ１、第２管部３２は角度θ２を有して接続されている。第１管部３１の角度θ１は混合液が第３管部３３内で緩乱流となるように設定されるものであり、このため角度θ１はミキシングユニット３内の流動抵抗が小さくなるように設定される。かかる角度θ１はＡ液の粘度、流速等の因子によって適宜変更されるものである。第２管部３２の角度θ２は第３管部３３内の混合液が均一の合流液となるように設定されるものであり、このため角度θ２は角度θ１とほぼ同角度に設定されることが良好である。

噴出ノズル２は図３に示すノズル本体１１と、図５〜図７に示す逆流防止チューブ１２と、図９及び図１０に示す方向変換部材１３とを有している。

図３に示すように、ノズル本体１１はＢ液供給管３５に接続される基端部（図１及び図３における左端部）から先端部（右端部）に向かって段状に先細りとなる外形に形成されている。噴出ノズル２の内部には、先端部が閉じた状態で軸方向に延びた液通路１４が形成されている。液通路１４にはＢ液が導入される。この液通路１４の先端側には、複数の噴出孔１５が形成されている。噴出ノズル２をミキシングユニット３に取り付けた状態において、噴出孔１５は図１に示すように、第２管部３２の先端部よりも第３管部３３側に位置するようになっている。

噴出孔１５は軸方向と直交する径方向に向けて形成されており、液通路１４に導入されたＢ液は噴出孔１５からノズル本体１１の径方向に沿って外側に流出する。この実施形態において、噴出孔１５は径方向の等分位置の４箇所に形成されている。これらの複数（４個）の噴出孔１５の断面積を合わせた合算値は液流路１４の断面積よりも小さく設定される。これによりＢ液の圧力を液流路１４内の圧力よりも高くすることができ、高くなった圧力でＢ液を噴出孔１５から流出させることができる。

図５〜図７に示すように、逆流防止チューブ１２はノズル本体１１の先端側に被せられる。逆流防止チューブ１２はノズル本体１１における噴出孔１５の形成領域を覆うようにノズル本体１１に被せられる。逆流防止チューブ１２は軟質ゴム等の可撓性材料により両端部が開口された円筒状に形成されており、その内径Ｄがノズル本体１１における噴出孔１５の形成領域の外径ＤＡに合わせて設定される（Ｄ＝ＤＡ）。従って、逆流防止チューブ１２をノズル本体１１に被せると、逆流防止チューブ１２がノズル本体１１の外面に密着し、Ａ液さらには混合液がノズル本体１１内に流れ込む（逆流）ことを防止することができる。又、内側からの圧力によって逆流防止チューブ１２が簡単に撓む（変形する）ため、噴出孔１５からのＢ液の流動を妨げることがない。これによりＢ液をノズル本体１１の外面との間から良好に流出させることができる。

かかる逆流防止チューブ１２はチューブ固定リング１６によってノズル本体１１の外面に固定される。チューブ固定リング１６はゴム、金属線材等によって形成されており、ノズル本体１１に形成されているリング溝１７に嵌め込まれることにより滑ることのないように逆流防止チューブ１２を固定する。なお、リング溝１７は噴出孔１５よりも後部側（基端部側）に位置するようにノズル本体１１に形成されるものであり、これにより上述した逆流防止チューブ１２のＢ液流出動作を円滑に確保することができる。

方向変換部材１３は逆流防止チューブ１２とノズル本体１１との間から外側に流れ出たＢ液を拡散させて放射状の噴出流４（図１０参照）とするものである。図９及び図１０に示すように、方向変換部材１３は逆流防止チューブ１２よりも先端側に設けられる。又、方向変換部材１３はこの位置でノズル本体１１の外面の全周に突出状に設けられる。このように設けられることにより、方向変換部材１３は逆流防止チューブ１２から流れ出たＢ液を方向変換して放射状に拡散した噴出流４とする。

かかる方向変換部材１３は、逆流防止チューブ１２の先端側に位置するようにノズル本体１１に形成されたリング固定溝１９と、リング固定溝１９に嵌められるリング体１８とによって形成される。リング固定溝１９は図８に示すように、窪み状となってノズル本体１１の外側の全周に形成される。リング体１８はゴム輪、金属輪等によって形成される。リング体１８はリング固定溝１９の溝深さよりも径太のもの使用される。このように径太とすることによりリング体１８をリング固定溝１９に嵌めると、リング体１８はリング固定溝１９よりも外側に突出した状態となる。このようなリング体１８はノズル本体１１の全周にわたって突出した状態となって逆流防止チューブ１２よりも先端側に位置する。そして、逆流防止チューブ１２とノズル本体１１との間から流出するＢ液を受けて径方向に拡散させる。これによりＢ液を放射状の噴出流４とすることができる。
なお、方向変換部材１３としては、逆流防止チューブ１２の先端側でノズル本体１１の全周に突出状に形成されるものであれば良く、ノズル本体１１の全周にリングを一体的に形成して方法変換部材１３とすることも可能である。

この実施形態において、ノズル本体１１には、受け溝２０が形成される（図８〜図１０参照）。受け溝２０は、噴出孔１５の形成領域の外側の全周に位置するように形成されるものである。これにより図４に示すように、噴出孔１５の出口部分と受け溝２０とが連通状態となる。又、受け溝２０は逆流防止チューブ１２の配置領域の内側に位置するように形成される。これにより受け溝２０と逆流防止チューブ１２の内側とが連通状態となる。以上により、噴出孔１５から流出するＢ液は、受け溝２０に流れ込んで一時的に受け溝２０に溜まり、受け溝２０内に充満する。Ｂ液によって受け溝２０が溢れるとＢ液が受け溝２０からノズル本体１１と逆流防止チューブ１２との間に流出する（図１０参照）。
このような構造とすることにより、径方向の複数個所の噴出孔１５から流出したＢ液は一時的に受け溝２０に溜まってノズル本体１１の全周に充満し、その後、逆流防止チューブ１２とノズル本体１１との間から流出するため、Ｂ液はノズル本体１１の全周から均一に流出することができる。このため、Ｂ液は方向変換部材１３の全周に均一に放射状に拡散する。従って、Ａ液に対してＢ液を均一に混合することができる。

以上の構造のミキシングユニット１においては、噴出ノズル２がＢ液を放射状に噴出するため、Ｂ液がＡ液に強力に入り込んで混合される。従って、Ａ液の物性や性状に関係なくＢ液をセメント液に均一に混合することができる。又、Ｙ字状のミキシングユニット本体３とミキシングユニット本体３内に配置される噴射ノズル２との２部材によって形成されることから簡単な構造とすることができる。
さらに、方向変換部材１３を噴射ノズル２のノズル本体１１に設けてＢ液を放射状の噴出流とするため、Ｂ液を確実に放射状に噴出させることができ、Ｂ液をＡ液に均一に混合することができる。又、受け溝２０を設けることにより噴出孔からのＢ液をノズル本体の全周にわたって溜めることができるため、Ｂ液をノズル本体１１の全周から均一に噴出させることができる。

図１１は、以上のミキシングユニット１を組み込むことにより構成されるグラウト充填方法のブロック図を示す。

長距離圧送可能な状態とされたＡ液を圧送するＡ液圧送ポンプ４１と、Ｂ液を圧送するＢ液圧送ポンプ４２とが別経路で設けられている。長距離圧送可能な状態のＡ液としては、例えばセメントと、微粒子骨材と、増粘材と、高性能減水材とを水に混合することにより作製される。長距離圧送可能なＡ液の性状としては、例えば、２〜４Ｍｐａの圧送圧力で１５０〜１８０リットル／ｍｉｎの流速で例えば１〜５Ｋｍ（好ましくは５Ｋｍ）の距離を圧送できる性状を選択することができる。可塑剤であるＢ液としては、例えば酸化ナトリウム、二酸化珪素等の混合によって形成される。

Ａ液を圧送するＡ液圧送ポンプ４１及びＢ液を圧送するＢ液圧送ポンプ４２のそれぞれには流量計４３，４４が接続されてＡ液、Ｂ液の圧送流量が計測される。流量計４３，４４の下流側には、上述したミキシングユニット１が接続され、ミキシングユニット１によってＡ液とＢ液とが混合されてグラウトが作製される。

ミキシングユニット１には、先端圧力計４５が接続され、先端圧力計４５によってミキシングユニット１からの混合液（グラウト）の圧力が計測される。その後、グラウトは施工場所の注入孔４８に充填される。

先端圧力計４５が計測したグラウトの圧力は先端制御盤４６に送出される。先端圧力計４５には、制御装置４７が通信又は配線によって接続されている。先端圧力計４５が計測したグラウトの圧力は制御装置４７に出力される。又、制御装置４７には、それぞれの流量計４３，４４が計測した圧送流量が入力される。これらのデータに基づき、制御装置４７はＡ液圧送ポンプ４１及びＢ液圧送ポンプ４２の圧送を制御する。

このような方法によれば、ミキシングユニットによって混合された混合液（グラウト）の圧力をＡ液及びＢ液のそれぞれの圧送ポンプ４１、４２にフィードバックした圧送ポンプ４１、４２を制御するため、監視や調整のための作業者を格段に削減することができ、省力化が可能となる。

図１２及び図１３は、図１１に示すシステムを用いたＡ液及びＢ液の圧送制御のフローチャートの一例を示す。Ａ液及びＢ液の圧送制御では、設定優先モード及び配合比優先モードの２つのモードを選択することができる。図１２のステップＳ１１は、このモード選択を行うステップであり、設定優先モードを設定すると図１２のフローにより処理が行われ、配合比優先モードを選択すると、ステップＳ１３に移行して図１３のフローにより処理が行われる。

設定優先モードでは、図１２に示すように、Ａ液及びＢ液の目標流量値を手動で設定する（ステップＳ１２）。設定した目標流量値は制御装置４７に記録される。そして、目標流量値を設定した後、自動運転が開始される（ステップＳ１４）。自動運転では、Ａ液圧送ポンプ４１が駆動し、この駆動によってＡ液が圧送され、圧送されるＡ液の流量を下流側の流量計４３が計測し、計測した計測値が制御装置４７に出力される。

制御装置４７では、入力された計測値と、設定時に記録された目標流量値とを比較して計測値が目標流量値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１５）。目標流量値に到達していない場合は、制御装置４７はＡ液圧送ポンプ４１の吐出量を調整し、目標流量値になるまで、判定を繰り返す。

又、Ｂ液圧送ポンプ４２が駆動してＢ液が圧送される。圧送されるＢ液の流量をＢ液側の流量計４４が計測し、計測した計測値が制御装置４７に出力される。制御装置４７では、入力された計測値と、設定時に記録された目標流量値とを比較して計測値が目標流量値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１６）。目標流量値に到達していない場合は、制御装置４７はＢ液圧送ポンプ４２の吐出量を調整し、目標流量値になるまで、判定を繰り返す。

Ａ液及びＢ液が目標流量値に到達することにより、注入孔４８へのグラウト充填が行われる。グラウト充填の終了は、手動で行われ、運転終了が設定されることにより（ステップＳ１７）、運転が終了する（ステップＳ１８）。なお、設定優先モードにおける目標流量値の判定はＡ液及びＢ液の順序を逆にしても良い。

ステップＳ１３から開始される配合比優先モードでは、図１３に示すように、Ａ液の目標流量値を手動で設定する（ステップＳ２１）。次に、Ａ液及びＢ液の配合比を手動で設定し（ステップＳ２２）、設定した配合比は制御装置４７に記録される。配合比の設定の後、自動運転が開始される（ステップＳ２３）。自動運転では、Ａ液圧送ポンプ４１が駆動し、この駆動によってＡ液が圧送され、圧送されるＡ液の流量を下流側の流量計４３が計測し、計測した計測値が制御装置４７に出力される。制御装置４７では、入力された計測値と、設定時に記録された目標流量値とを比較して計測値が目標流量値に到達したか否かを判定する（ステップＳ２４）。目標流量値に到達していない場合は、制御装置４７はＡ液圧送ポンプ４１の吐出量を調整し、目標流量値になるまで、判定を繰り返す。

ステップＳ２４でＡ液が目標流量値に到達したとき、ステップＳ２５に移行する。ステップＳ２５では、制御装置４７がＡ液の現在流量値からＢ液の目標流量値を算出する。

Ｂ液圧送ポンプ４２が駆動してＢ液が圧送され、圧送されるＢ液の流量をＢ液側の流量計４４が計測し、計測した計測値が制御装置４７に出力され、制御装置４７では、計測値と目標流量値とを比較して計測値が目標流量値に到達したか否かを判定する（ステップＳ２６）。目標流量値に到達していない場合は、制御装置４７はＢ液圧送ポンプ４２の吐出量を調整し、目標流量値になるまで、判定を繰り返す。

Ａ液及びＢ液が目標流量値に到達することにより、注入孔４８へのグラウト充填が行われる。グラウト充填の終了は、手動で行われ、運転終了が設定されることにより（ステップＳ２７）、運転が終了する（ステップＳ２８）。以上のような配合比設定モードはＡ液、Ｂ液の混合における配合比率が重要な場合に有効なモードである。

１ ミキシングユニット
２ 噴出ノズル
３ 噴出流
１１ ノズル本体
１２ 逆流防止チューブ
１３ 方向変換部材
１４ 噴出孔
１５ リング溝
１６ リング体
１７ リング固定溝
２０ 受け溝
３１ 第１管部
３２ 第２管部
３３ 第３管部

Claims (5)

1. グラウト充填に用いる主材であるＡ液が供給される第１管部と、可塑材であるＢ液が供給される第２管部と、前記第１管部及び第２管部の合流部分から延びて前記Ａ液とＢ液との混合液を流出させる第３管部とによってＹ字状に形成されたミキシングユニット本体と、
   前記第２管部の内部に配置され、前記Ｂ液が供給されると共に供給されたＢ液を前記Ａ液との合流部分に放射状に拡散して噴出させる噴出ノズルとを備えていることを特徴とするミキシングユニット。
2. 請求項１記載のミキシングユニットであって、
   前記噴出ノズルは、先端部が閉じた液通路及び液通路の先端側に径方向に向けて形成された複数の噴出孔を有するノズル本体と、前記噴出孔の形成領域を覆うように前記ノズル本体に被せられた可撓性材料からなる逆流防止チューブと、前記ノズル本体における前記逆流防止チューブよりも先端側の外面の全周に突出状に設けられ、ノズル本体と逆流防止チューブとの間を流れたＢ液を放射状に拡散した噴出流とする方向変換部材とを有していることを特徴とするミキシングユニット。
3. 請求項２記載のミキシングユニットであって、
   前記ノズル本体における前記噴出孔の形成領域の外面の全周に、前記噴出孔から流出するＢ液を前記逆流防止チューブとの間で溜める受け溝が形成されていることを特徴とするミキシングユニット。
4. 請求項２記載のミキシングユニットであって、
   前記方向変化部材は、前記ノズル本体における前記逆流防止チューブよりも先端側の外周に形成されたリング固定溝と、このリング固定溝から突出した状態でリング固定溝に嵌められたリング体とによって形成されていることを特徴とするミキシングユニット。
5. グラウト充填の主材であって長距離圧送可能な状態としたＡ液及び可塑材であって前記Ａ液に混合されるＢ液を個々の圧送ポンプによって圧送する段階と、
   前記Ａ液及びＢ液の圧送流量を個々の流量計によって計測する段階と、
   請求項１乃至４いずれか１項記載のミキシングユニットによって前記Ａ液とＢ液とを混合する段階と、
   前記ミキシングユニットから流出する混合液の圧力を圧力計によって計測する段階と、
   前記圧力計の計測値に基づいて前記Ａ液の圧送ポンプ及びＢ液の圧送ポンプによる圧送駆動を制御する段階と、を備えていることを特徴とするグラウト充填方法。

Images