JP2020098143A - 砂杭造成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管内の配管など複雑な形状による反射ノイズの影響、ケーシング内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの影響を受けず、連続的に、正確な土砂の位置（砂面）を測定できる省電力、省配線が可能な非接触式砂面計を備えた砂杭造成装置を提供すること。【解決手段】中空管１内にマイクロ波を用いた電波式砂面計２を付設し、中空管１内の砂面位置を常時検出可能としたものであって、マイクロ波の伝播時間測定方式がパルス式である砂杭造成装置１０。【選択図】図１

Description

本発明は、軟弱地盤中に砂杭を造成して地盤を安定させるための中空管を備える砂杭造成装置であり、該砂杭の材料として供給された土砂の管内位置を電波式砂面計で常時検出可能にした砂杭造成装置に関するものである。

軟弱地盤中に多数の砂杭を造成して地盤を安定させるための砂杭造成装置において、該砂杭の材料として供給された土砂の管内位置を検出することは、均一で、高品質の砂杭を施工効率を高めて造成する点で重要なことである。従来、このような中空管内の土砂の管内位置を検出する方法として、導波管方式や電波方式の非接触式砂面計や、重錘方式（サウンジング方式）の接触式砂面計を使用した例が知られている。

電波方式として、例えば、特開２００３-４１５６６号公報には、中空管と、該中空管内に砂等の杭材料を供給する材料導入管を該中空管の側周面に付設してなる材料供給装置と、該中空管を地盤に貫入及び引き抜きする貫入機とからなる砂杭等の造成装置において、前記材料導入管内に開閉弁を設置し、且つ該中空管の材料導入管接合部よりも上方位置の該中空管内に高周波掃引信号を発射し、更に反射波を検出するアンテナユニット部を設置し、該中空管内の砂面位置を常時検出可能とした電波式砂面計を備えた砂杭等の造成装置が開示されている。この電波式砂面計によれば、連続波レーダ方式を採用したため、砂杭造成用中空管の異径管同士の接続があっても、ほとんど測定に悪影響しない。また、中空管内の空気を急激に排気する際、空気の膨張に伴う温度低下により、霧が発生しても、霧の影響を受けることがなく、施工を中断することがない。

導波管方式として、例えば、特開平８-４１８５４号公報には、砂杭造成用中空管に高周波信号を伝搬する同軸導波管変換器部の中心導体を砂杭造成用中空管の中心に向けて約４分の１波長で折り返して先端を砂杭造成用中空管の内壁に接続し、導波管短絡器として砂杭造成用中空管と略並行に配置された板状導体を用いた砂面位置検出装置が開示されている。この砂面位置検出装置によれば、砂杭造成用中空管の上方から投下される材料砂の降下を同軸導波管変換器部で妨げることなく、スムーズに下方へ材料砂を供給できる。

しかし、特開２００３-４１５６６号公報に示される連続波レーダ方式の砂面計は、実験レベルでの砂面レベルの測定が可能となったものの、実際には、ホッパー、スイベル、ケーシング内部からの反射ノイズの影響を受けるという問題、ケーシング内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの問題が表面化すると共に、構造が複雑であり、故障などのトラブルの発生や、取り扱いの複雑さやメンテナンス性の悪さ、コストの高さなどから、実用化には至っていない。また、マイクロ波の伝播時間測定方式が連続レーダー方式であるため、回路構成が複雑で、消費電力が大となるという問題もある。また、特開平８−４１８５４号公報に示すような導波管方式の中空管は、装置が大きくなるため、一般的な砂杭造成に用いられることの多い、直径４００ｍｍ程度のパイプの中には取り付けられず、また、測定原理上、パイプの径が途中で変化するとその対策も必要となっていた。

このように、非接触式砂面計は取り扱いが難しく、現在もワイヤーを使用した重錘方式の砂面計が主流となっている。重錘方式は、ワイヤロープで吊したおもりをモータで定期的に巻上げ巻下げし、降下中のおもりが粉粒面に接触するとワイヤロープの張力が減少するため、これを検出し、ワイヤロープの繰り出し長さから砂面のレベルを求めるものである。この砂面計はおもりを機械的に上下させるので、粉塵、ミスト、蒸気、ガス、温度、圧力、タンク形状などの影響を受けない。

特開２００３-４１５６６号公報 特開平８-４１８５４号公報

しかしながら、重錘方式においては、材料砂を投入する際に、埋もれてしまわないように、投入される砂と干渉しない高さまで巻き上げ、投入後再度巻き下げが必要であり、待ち時間が発生するという問題がある。また、ワイヤーも切れてしまう可能性もあり、切れた場合、数１００ｋｇのワイヤーの巻取り装置を交換する作業は、手間も大きくなるなど、問題も多い。また、砂杭造成時、管内を圧縮空気で加圧する際、重錘方式では、ワイヤーが管内から管外の巻き取り装置に繋がっているため、気密性に欠けるという問題もある。

従って、本発明の目的は、管内の配管など複雑な形状による反射ノイズの影響、ケーシング内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの影響を受けず、連続的に、正確な土砂の位置（砂面）を測定できる省電力、省配線が可能な非接触式砂面計を備えた砂杭造成装置を提供することである。

すなわち、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、砂杭造成用中空管内にマイクロ波を用いた電波式砂面計を付設し、砂杭造成用中空管内の砂面位置を常時検出可能としたものであって、該マイクロ波の伝播時間測定方式がパルス式であることを特徴とする砂杭造成装置を提供するものである。

また、本発明は、マイクロ波を送受信するためのアンテナが、ホーンアンテナであることを特徴とする前記砂杭造成装置を提供するものである。

また、本発明は、マイクロの周波数は、２０〜１００ＧＨｚ帯であることを特徴とする前記砂杭造成装置を提供するものである。

また、本発明は、上部周側面に、材料導入管接合部を有し、材料導入管接合部よりも上方位置の該砂杭造成用中空管内にマイクロ波信号を発射し、更に反射波を検出するアンテナユニット部を設置したことを特徴とする前記砂杭造成装置を提供するものである。

また、本発明は、反射波は、設定された閾値により、不要な反射ノイズがマスキングされ、砂面からの反射波だけを識別する補正がされたものであることを特徴する前記砂杭造成装置を提供するものである。

本発明によれば、マイクロ波の伝播時間測定がパルス式であり、常にレーダ波を出力する連続式に比べて、消費電力が小さい。消費電力が小さいことで、電力線２本に電気信号を重畳することができ、配線の簡素化が図れる。また、管内の配管など複雑な形状による反射ノイズの影響、中空管内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの影響を受けず、連続的に、正確な土砂の位置（砂面）を測定できる。また、連続波式のように、周波数を可変にする装置や外付けの比較的大きなアンプなどの付属装置も不要であり、故障のリスクが軽減できる。

本発明の実施の形態における砂杭造成装置の概略図である。 図１の砂杭造成装置の部分拡大断面図である。 図１の砂杭造成装置で使用する電波式砂面計のブロック図である。 図１の砂杭造成装置で使用する電波式砂面計の測定結果とマスキング結果であり、横軸がアンテナユニット部の先端からの深度（ｍ）、縦軸が反射波の強さ（ｄＢ）を示す。 破線が中空管先端の軌跡、実線が砂面の変化の軌跡を示し、左縦軸が深度（ｍ）、右縦軸が中空管内における砂面高さ（ｍ）、横軸が時間(分)を示す。

本発明の実施の形態におけるマイクロ波を用いた電波式砂面計を備えた砂杭造成装置を図１及び図２を参照して説明する。図１において、砂杭造成装置１０は中空管１と、中空管１内に砂等の杭材料を供給する材料導入管８１を中空管１の側周面に付設してなる材料投入装置９と、中空管１を地盤に貫入及び引き抜きする昇降装置６を有する。材料導入管８１には材料供給装置８であるホッパーが付設され、外部からの材料投入を容易にしている。材料導入管８１には更に、材料投入ホッパーからの脱気を防止するため開閉弁が設置されている。図１中、符号７はオーガーモーター、５はスイベル、４１は材料砂、４２はドレーン部、４３はコンパクション部を示す。また、中空管１には、必要に応じて、圧縮空気送入管、急速排気装置を付設してもよい。

マイクロ波を用いた電波式砂面計２は、中空管内に設置されるマイクロ波パルスを発射し、更に反射波を検出するアンテナユニット部２ａと、中空管外部に設置される演算ユニット部２ｂから構成され、アンテナユニット部２ａは中空管１の材料導入管接合部８１１よりも上方位置であって、昇降装置６の直下の中空管１内中心軸上に支持板で固定されている。電波式砂面計２のアンテナユニット部２ａは当該位置に設置されるため、杭材料が降りかかることがなく、且つ砂面を直下とすることができる。

電波式砂面計２は、マイクロ波の伝播時間測定方式がパルス式である。パルス式とすることで、連続波式に比して、消費電力は小さくて済む。また、連続波式は、周波数を可変にするために、別途の外付けアンプなどの付属装置も必要となり、故障のリスクが高まると同時に操作も複雑となるが、パルス式は、これらの付属装置は不要となり、故障リスクが減り、且つ安価となる。また、パルス式とすることで、２線伝送方式が可能となる。すなわち、電力線２本にアナログ信号を重畳させることができるため、省配線化が図れる。パルス式において、測定間隔は、０．５〜２．０秒の範囲で適宜決定される。測定間隔が長い場合、多くのデータを採ることができ、精度が高まる。一方、測定時間が短い場合、採るデータが少なくなり、精度が低下する。

電波式砂面計２は、マイクロ波を送受信するためのアンテナが、ホーンアンテナである。これにより、マイクロ波発信部の直近から、圧縮空気を噴射し、ホーンアンテナ内部を螺旋状に圧縮空気で清掃することで、マイクロ波発信装置部やホーンアンテナ内部への粉塵の付着を防止することができる。また、ホーンアンテナを採用することで、設計、製造が他のアンテナに比して容易であり、指向性が高く、強い反射強度が得られ易い。

電波式砂面計２は、マイクロ波の周波数は、２０〜１００ＧＨｚ帯、２０〜３０ＧＨｚ帯、好ましくは２４〜２８ＧＨｚ、特に２６ＧＨｚのものが、指向性が高まり反射ノイズの影響をうけにくくなる点で好ましい。なお、周波数が大き過ぎると、管内の砂塵や霧の影響を受け測定が困難となる。本発明は、そのバランスを考慮すると周波数２０〜３０ＧＨｚ、特に２４〜２８ＧＨｚが好適なものである。また、周波数を高くすることで、中空管内に設置するアンテナユニット部２ａを小型化することができる。

電波式砂面計２において、マイクロ波の周波数を上記好ましい範囲とすることにより、指向性が高まり反射ノイズの影響を受け難くなる又は受けない点について、図２を参照して説明する。図２中、符号（Ｈ）は、マイクロ波発信受信点（アンテナ先端部）２１１から指向性の高いマイクロ波が配管内部の段差などの影響を受けない箇所までの長さ（以下、単に「好適指向長さ」と言う。）。符号（ｒ）はマイクロ波の径方向の広がり長さの１/２を言う。この際、（ｒ）、（θ）及び（Ｈ）は、下式（１）；
（ｒ）＝（Ｈ）×ｔａｎ（θ/２） （１）
（式中、θは、マイクロ波の広がり角度を示す。）で表される。一方、砂杭造成装置１０は、砂杭材料導入管接合部から下方に向けて、砂投入部の開口部の段差１１１、その開口部の段差近傍の第１フランジ接続部の段差１１２、第１フランジ接続部の段差１１２より下方でスイベル５より上方の第２フランジ段差１１３及びスイベル５より下方の管継ぎ目の第３フランジ段差１１４を有し、好適指向長さ（Ｈ）は、マイクロ波発信受信点２１１からスイベル５までの長さが好ましく、特にマイクロ波発信受信点２１１からスイベル５の下方で、且つ第３フランジの段差１１４より上方が好ましく（図２参照）、更に中空管の先端までの長さが好ましい。従って、（ｒ）＜Ｄ/２（Ｄは、好適指向長さ（Ｈ）の中空管の内径（最小内径））を満たせば、砂投入部の開口部の段差１１１、第１フランジ接続部の段差１１２、第２フランジ段差１１３及び第３フランジ段差１１４からの反射ノイズの影響は受けず、砂面からの反射波を主に検出することになる。なお、マイクロ波の広がり角度（θ）は、マイクロ波の周波数が２４〜２８ＧＨｚであれば、８度と高い指向性を示し、好適指向長さ（Ｈ）において、（ｒ）＝Ｄ/２となる。従って、（Ｈ）を基準とした場合、（θ）は、８度、特に５〜８度の高い指向性を示すものを選択することになる。なお、好適指向長さ（Ｈ）が適用される中空管は、図２の中空管に限定されず、スイベルの無いもの、フランジ段差が無いものであってもよい。

図２に示すように、電波式砂面計２のアンテナユニット２ａにおいて、先ず、トリガー回路２４では、マイクロ波パルスを生成するタイミングを制御するためのトリガー信号を生成する。生成されたトリガー信号３１は、発信回路２５と信号処理回路２７に入力される。距離計測の原理として、トリガー信号３１が信号処理回路２７に入力されてから、ＩＦ信号（中間信号）３６が信号処理回路２７に入力されるまでの時間を、距離に換算することになる。

発信回路２５にトリガー信号３１が入力されると、発信回路２５でマイクロ波パルスが２種類生成される。生成された２種類のマイクロ波パルス３２、３５は、ＨＹＢ（ハイブリッド）（アナログ信号分岐装置）２６とミキシング回路２８にそれぞれ入力される。ＨＹＢに入力されたマイクロ波パルス３２は、同軸導波変換器を通って、ホーンアンテナ２９から放射される。

放射されたマイクロ波が測定対象である砂面に反射して、ホーンアンテナ２９が反射波を受信すると、再びＨＹＢ２６を通り、今度はミキシング回路２８へ入力される。ここで、マイクロ波は周波数が高く、そのままでは信号処理が出来ないため、ミキシング回路２８で信号処理が可能な周波数まで信号変換を行う。発信回路２５で生成されたマイクロ波パルス３５と、ミキシング回路２８へ入力されたマイクロ波パルスから信号処理が可能な周波数まで落としたＩＦ信号（中間周波数）を生成する。ミキシング回路２８は、周波数変換回路とも言われる。ミキシング回路２８から出力されたＩＦ信号が、信号処理回路２７に入力される。信号処理回路２７において、トリガー信号３１が信号処理回路２７に入力（と同時に、マイクロ波が生成）されてから、ＩＦ信号が信号処理回路２７に入力されるまでの時間を計測し、この時間（ｔ）から距離を算出する。

距離の換算式としては、下記式（２）；
Ｌ =Ｃ・ｔ／２ （２）
（式（２）中、Ｌは空間距離、Ｃは伝搬速度（光速）、ｔは伝搬時間（往復）を示す。）
により、上記の計測した時間（ｔ）を測定し、この時間から距離換算する。

生成されたマイクロ波がＨＹＢ２６にくると、ミキシング回路２８には通さず、ホーンアンテナ２９へ通し、ホーンアンテナ２９からの受信マイクロ波がＨＹＢにくると、発信回路２５には通さずにミキシング回路２８へ通す。演算ユニット部２ｂの信号変換器２２には、信号処理回路２７から計測アナログ信号４〜２０ｍＡが送られる。信号変換器２２により変換された信号は、施工モニターである品質管理装置２３ａと、調整時のみ使用するパソコン２３ｂに送られる。得られた反射波は、設定された閾値により、反射ノイズをマスキングすれば、素早く正確な結果を得ることができる。マスキングは、実際に計測された反射波から、不要な反射波を覆い隠し、砂面からの反射波だけを識別できるようにする補正手法である。

（実施例）
次に、本発明の砂杭造成装置を使用した締固め砂杭造成工法について、図４及び図５を参照して説明する。使用した電波式砂面計は、マイクロ波を送受信するためのアンテナがホーンアンテナであり、マイクロの周波数が２６ＧＨｚ（θ＝８度）であり、マイクロ波の伝播時間測定方式が２．０秒毎に測定するパルス式である。先ず、図４のマスキング結果について説明する。図４中、横軸「０ｍ」は、アンテナユニット部の先端を意味する。先ず、事前に巻き尺などの機械式測定器で、図１及び図２の砂杭造成装置の中空管内にアンテナ先端から１７．７ｍに砂面が存在することを確認した。また、管継手のフランジなどの段差も、同様に測定し、３.５ｍ、１０ｍ、１７ｍにその存在を確認した。次いで、この状態において、マイクロ波を発信して測定した。計測された波形が符号５２であり、事前測定結果から、符号５２１が砂面からの反射波、符号５２２〜５２４の波形が、内壁の段差による反射ノイズであることが判った。次いで、不要な反射波５２２〜５２４を覆い隠し、砂面の反射波５２１を覆わないように、マスキングをした。その波形が符号５１である。実際のマスキング作業では、事前の機械式計測とマイクロ波での計測を比較し、マスキングを行う作業を１セットとし、これを砂面高さを変えて数セット行い、最終的なマスキングのラインを設定した。このように、電波式砂面計２によれば、材料導入管の継ぎ目凹凸、スイベルの継ぎ目凹凸、ジェット配管、中空管の長さ管同士の溶接継ぎ目などの複雑な凹凸の反射ノイズは検出されるものの、砂面の反射波に比して小さく、ほとんど影響されずに、砂面を測定することができた。このため、砂杭の材料として供給された土砂の管内位置を検出でき、中空管から出される砂杭材料の体積が判り、均一で、高品質の砂杭を施工効率を高めて造成することができる。また、実測値に対して、マスキングをすることで、砂面からの反射波のみを計測することができる。

次に、実際の締固め砂杭造成工法を実施し、砂面の測定を行った。その結果を、図５に示す。図５中、右縦軸（ｍ）は、中空管内の砂面の高さを示し、「０ｍ」は中空管内の砂が無しの状態を示し、「１０ｍ」は、中空管の先端から１０ｍまで砂が入っている状態を示す。先ず、中空管を所定の深度まで貫入した。この状態において、電波式砂面計２はＯＮ状態であった。その後、中空管１を適宜の長さ引き抜き、該引き抜き跡にホッパーから投入された中空管１内の砂杭材料を排出する引き抜き工程と、中空管１を再貫入する工程とを順次、地表に至るまで繰り返して、軟弱地盤中に締固め砂杭を造成した。引き抜き工程において、中空管１の上方から供給される圧縮空気で砂杭材料を地中に排出した。

このような締固め砂杭造成工法において、中空管１内は、加圧と減圧を繰り返すため、水蒸気等が発生し、また、砂杭材料を投入する際、粉塵などが巻き上がる。また、中空管１内は、材料導入管の継ぎ目凹凸、スイベルの継ぎ目凹凸、貫入補助用のジェット配管、中空管の長さ管同士の溶接継ぎ目などの複雑な凹凸が存在している。

図５において、実線５４が電波式砂面計２で測定された中空管１内における砂面位置（右縦軸に対応）の結果及び時間経過に伴う変化（軌跡）を示し、破線５３は中空管１の先端位置（左縦軸）の変化（軌跡）を示す。図５中、先ず、先端（下端）から６ｍまで砂杭材料が入っている中空管１を、地表から深さ４ｍまで貫入した。次いで、Ｘ領域において、中空管１の引き抜きと貫入が都合４回、繰り返された。引き抜き時に、砂杭材料は中空管１の先端から吐出されるため、中空管１の砂杭材料は、先端から約２ｍとなるまで減った。これにより、中空管長さ４ｍ分の砂杭材料が、中空管から吐出されたことが判った。符号５５の時点で、ホッパー８から砂杭材料を投入し、中空管１の砂杭材料は、先端から約８ｍとなるまで増えた。次いで、Ｙ領域において、中空管１の引き抜きと貫入が都合６回、繰り返された。同様に、引き抜き時、砂杭材料は中空管１の先端から吐出されるため、中空管１の砂杭材料は、先端から約２ｍとなるまで減った。これにより、中空管長さ約６．０ｍ分の砂杭材料が、中空管から吐出されたことが判った。若干の砂杭材料投入待ちの状態が続き、その後、符号５６の時点で、ホッパー８から砂杭材料が投入され、中空管１の砂杭材料は、先端から約８ｍとなるまで増えた。次いで、Ｚ領域において、中空管１の引き抜きと貫入が都合６回、繰り返された。同様に、引き抜き時、砂杭材料は中空管１の先端から吐出されるため、中空管１の砂杭材料は、先端から約２ｍとなるまで減った。これにより、中空管長さ約６ｍ分の砂杭材料が、中空管から吐出されたことが判った。

締固め砂杭造成工法で使用する中空管内においては、加圧と減圧を繰り返すため、水蒸気等が発生し、また、砂杭材料を投入する際、粉塵などが巻き上がるものの、これらの影響を受けず砂面を測定できた。また、中空管内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの影響を受けず砂面を測定できた。

本発明の砂杭造成装置で使用する電波式砂面計は、マイクロ波の伝播時間測定がパルス式であり、常にレーダ波を出力する連続式に比べて、消費電力が小さい。消費電力が小さいことで、電力線２本に電気信号を重畳することができ、配線の簡素化が図れる。また、管内の配管など複雑な形状による反射ノイズの影響、ケーシング内部への砂の付着による反射レベルの減衰などの影響を受けず、連続的に、正確な土砂の位置（砂面）を測定できる。また、連続波式のように、周波数を可変にするための別途アンプなどの付属装置も不要であり、故障のリスクが軽減できる。

また、本発明で使用する電波式砂面計は、マイクロの周波数が２０〜３０ＧＨｚ帯であり、指向性が高まり反射ノイズの影響をうけ難い。また、周波数を３０ＧＨｚを超えると、管内の砂塵や霧の影響を受け測定が困難となるが、その悪影響もない。また、周波数が高いため、中空管内に設置するアンテナユニット部２ａを小型化することができる。

また、本発明で使用する電波式砂面計は、現在主流の重錘式に比べて、１００ｋｇのようなワイヤー巻取り装置や取付台が不要であり、軽量化が図れる。また、重錘式は、ワイヤー導入穴が不要であり、気密性が確保できる。また、中空管の高所に重量物がないため、施工機の安定性が高まる。

本発明によれば、軟弱地盤中に多数の砂杭を造成して地盤を安定させるための砂杭造成装置において、砂杭の材料として供給された土砂の管内位置を正確に素早く検出でき、均一で、高品質の砂杭を施工効率を高めて造成することができる。

１ 中空管
２ マイクロ波を用いた電波式砂面計
２ａ アンテナユニット部
２ｂ 演算ユニット部
５ スイベル
６ 昇降装置
７ オーガーモーター
８ 材料供給装置（ホッパー）
９ 材料投入装置
１０ 砂杭造成装置
８１ 材料導入管
８１１ 材料導入管接合部

Claims (5)

1. 砂杭造成用中空管内にマイクロ波を用いた電波式砂面計を付設し、砂杭造成用中空管内の砂面位置を常時検出可能としたものであって、該マイクロ波の伝播時間測定方式がパルス式であることを特徴とする砂杭造成装置。
2. マイクロ波を送受信するためのアンテナが、ホーンアンテナであることを特徴とする請求項１記載の砂杭造成装置。
3. マイクロの周波数は、２０〜１００ＧＨｚ帯であることを特徴とする請求項１又は２記載の砂杭造成装置。
4. 上部周側面に、材料導入管接合部を有し、材料導入管接合部よりも上方位置の該砂杭造成用中空管内にマイクロ波信号を発射し、更に反射波を検出するアンテナユニット部を設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の砂杭造成装置。
5. 反射波は、設定された閾値により、不要な反射ノイズがマスキングされ、砂面からの反射波だけを識別する補正がされたものであることを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の砂杭造成装置。