JP2884272B2 - 地盤改良の混合処理工法における安定材の自動注入制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、海底、湖沼、河川な
どに堆積した軟弱土、又は陸上、干潟等の軟弱地盤を改
良、強化（又は固化、安定化）して各種構造物の基礎を
造成する地盤改良の混合処理工法に実施される、安定材
の自動注入制御方法に係り、さらに云えば、２軸以上多
軸の攪拌翼による多様な改良設計の地盤改良に好適に実
施される安定材の自動注入制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】軟弱地盤の改良に適用される混合処理工
法（又は深層混合処理工法とも呼ばれる）は、昭和５０
年前後から開発が進められ、昭和５１年以来地盤改良の
実績も重ねられ、改良効果の優秀性や工期の短縮などの
効果が広く認められている。図１は混合処理工法の施工
図と制御管理システムの概念図を示したもので、処理機
はベースマシン１によって垂直に立てられたリーダー及
びガイドパイプに沿って電動機ユニット２が昇降するも
のとされ、前記電動機ユニット２で回転駆動される長い
攪拌軸４の先端部に攪拌翼３を取付けた構成である。攪
拌翼３によって地盤を回転掘削しながら、又は掘削土を
攪拌しながら、攪拌翼３の先端部からスラリー状のセメ
ント系硬化材の如き安定材を掘削土中に注入して攪拌混
合処理を行ない、セメントの水和反応、ポゾラン反応に
よって原位置で軟弱地盤の改良、強化（又は固化、安定
化）が実施される。攪拌翼３の掘削貫入の速度及び施工
深度は、リーダーの下端部に設置した速度計、深度計１
１で計測し、その計測値はＡ／Ｄ変換部を経て自動注入
制御装置８の中央制御装置（ＣＰＵ）１０へ入力され
る。安定材は安定材供給プラント１２で作り、これをス
ラリーポンプ５で攪拌翼３へ送り注入する。その輸送管
の途中に設置した流量計６で安定材の注入量を計測し、
その計測値はやはりＡ／Ｄ変換部を経て自動注入制御装
置８の中央制御装置１０へ入力される。中央制御装置１
０は、前記３種の計測値と、予め設定された設計上決め
られている安定材の注入量とに基づいて演算処理を行な
い、最適の注入量を算出してその結果を自動注入制御操
作盤９へ送り、スラリーポンプ５の出力（吐出量）が制
御される。

【０００３】ところで、地盤改良の混合処理工法におけ
る安定材の注入量は、土質調査や室内配合試験及び現地
試験等の結果から、改良対象土単位体積当たりの注入量
として設計上決められる。その注入管理のやり方は、攪
拌翼３の施工深度データ及び掘削貫入の速度データに基
づき、貫入速度に応じた設計注入量を注入する制御方法
が採用されている。この場合、常に設計注入量以上の安
定材を注入する制御を行なえば管理目標は達成される。
しかし、必要以上に多量の安定材を注入するとランニン
グコストが高くなるので、経済性を考慮すれば、前記設
計注入量を制御目標値として高精度な制御を行なう必要
がある。

【０００４】従来一般の自動注入制御方法は、図８のよ
うな閉鎖型のフィードバック制御を採用して実施されて
いる。貫入速度データ１１ａに基づいて制御装置８は設
定値と比較演算を行ない、貫入速度に応じた設計注入量
の目標値を算出してスラリーポンプ５の最適な吐出量を
指示し、その制御結果は流量計６により安定材の注入量
として把握される。そして、流量計６の計測値はフィー
ドバック要素１３により自動注入制御装置８へフィード
バックさせ、目標値と比較して注入量が目標値に一致す
るまで修正動作を行なう。ところが、処理機の掘削貫入
の速度は常に一定の目標値（施工上は１ｍ／min 程度が
好ましい）に固定するように努めて制御する。しかし、
貫入速度は攪拌翼３の自重量に基づく押込力に支配さ
れ、これに対する地盤の抵抗の大小などにより刻々と大
幅、小幅に変化する。このように貫入速度の目標値が刻
々と大幅、小幅に変化する場合、前述したフィードバッ
ク制御では制御量が激しく変化し、制御されるスラリー
ポンプ５の能力が追従できず、非常に不安定な注入制御
になる。また、スラリーポンプ５の制御と、該ポンプに
よって発生する吐出量の変化（注入量）を計測してフィ
ードバック制御する間に、既に攪拌翼３の貫入速度が変
化していて所謂タイムラグを生じ、注入量の過不足を発
生するのが実情であり、制御の精度、信頼性を確保でき
ない、という問題があった。

【０００５】そこで発明者らは図２に示した制御系モデ
ルのように、貫入速度データ１１ａに対する設計注入量
を注入制御装置８の演算処理によって割出し、得られた
出力でスラリーポンプ５の吐出量を制御し、流量計６に
よって制御量（注入量）を確認だけしてフィードバック
は行なわない、云わば開放型のシーケンス制御による自
動注入制御方法を発明し出願している（特願平３−９６
６７７号）。より具体的には、処理機の掘削貫入の速
度、又は施工深度及び掘削貫入の速度に応じて、設計上
決められている安定材の注入量に不足しないことを限度
として安定材の注入量を前記処理機の掘削貫入速度のバ
ラつきに応じたブロック分けを行ない、処理機は施工上
有利な一定の掘削貫入速度を目標に制御し、刻々変化す
る掘削貫入速度及び施工深度を常時計測して制御装置へ
入力し、制御装置では入力された前記掘削貫入速度を深
度パターン毎に前記ブロック分けした速度領域と照合し
て該当する注入量を求める演算処理を行い、その演算結
果に基づいて該当注入量の安定材を注入することを内容
とする。この開放型シーケンス制御による自動注入制御
方法によれば、従来のフィードバック制御型の自動注入
制御方法で問題になった制御の精度、信頼性の向上に大
きな効果がある。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】上記特願平３−９６
６７７号に係る先願発明の場合は、制御装置の演算処理
によって掘削貫入速度に対応する注入量を求めても、そ
の注入量は所謂デジタル値（毎分当りのリットル値）に
なっているので、例えば図５に示したようなスラリーポ
ンプの特性に基づいて前記注入量（リットル値）を比例
換算（又は積算）し、それをスラリーポンプに指示して
制御しなければならない。制御装置における前記の比例
換算の処理は大変に複雑で面倒である。

【０００７】その上、通常の地盤改良は施工能率を高め
るため図６のように左右２軸（又は３軸〜６軸程度の多
軸）の攪拌翼をもつ処理機で施工するのが一般的であ
る。また、各軸別々の改良、例えば図６のように１軸側
の攪拌翼は毎分当り注入量１００リットルの改良部と、
毎分当り注入量２００リットルの改良部とを形成し、２
軸側の攪拌翼は毎分当り注入量５０リットルの改良部
と、毎分当り注入量１００リットルの改良部、及び毎分
当り注入量２００リットルの改良部を形成する、左右非
対称の改良設計が必要となる場合がある。あるいは図７
のように着底部ａは毎分当り注入量２００リットルの改
良部で、そのすぐ上の部分は毎分当り注入量１００リッ
トルの改良部で、上層には毎分当り注入量５０リットル
の改良部が一定の勾配でその深さを変える傾斜の改良設
計を行なう場合がある。いずれにしても、上記先願発明
のように注入量をデジタル値で求め、そのデジタル値の
出力をスラリーポンプに指示して出力を制御する方式で
は、攪拌軸毎に異なる注入量を設定することが困難であ
るため、各軸別々の非対称な注入量制御は不可能に近
く、施工上のネックになっており、解決すべき課題にな
っている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するための手段として、この発明に係る地盤改良の混
合処理工法における安定材の自動注入制御方法は、処理
機によって地盤を回転掘削しながら、又は掘削土を攪拌
しながら安定材を注入し掘削土と攪拌混合処理して地盤
改良を行なう混合処理工法において、処理機の掘削貫入
の速度に応じて、又は施工深度及び掘削貫入速度に応じ
て、設計上決められている安定材の注入量に不足しない
ことを限度に安定材の注入量を前記処理機の掘削貫入速
度のバラつきに応じたブロック分けを行なうと共に各々
の注入量は基準設計量に対する百分率で特定し、処理機
は施工上有利な一定の掘削貫入速度を目標に制御し、刻
々変化する掘削貫入速度及び施工深度を常時計測して制
御装置８へ入力し、制御装置８では入力された前記掘削
貫入速度を前記ブロック分けされた速度領域と照合し、
さらに深度パターン毎に該当する注入量を求める演算処
理を行ない、その演算結果に基づいてスラリーポンプ５
の出力を基準設計注入量の百分率の増減として制御し該
当注入量の安定材を注入することを特徴とする。

【０００９】本発明はまた、２軸以上多軸の攪拌翼をも
つ処理機によって地盤を回転掘削しながら、又は掘削土
を攪拌しながら安定材を注入し掘削土と攪拌混合処理し
て地盤改良を行なう混合処理工法において、制御装置８
では入力された掘削貫入速度をブロック分けされた速度
領域と照合し、さらに深度パターン毎に該当する注入量
を求める演算処理を各攪拌翼毎に行ない、その演算結果
に基づいて各攪拌翼のスラリーポンプ５毎にその出力を
基準設計注入量の百分率の増減として制御し、各攪拌翼
毎に独立して該当注入量の安定材を注入することも特徴
とする。

【００１０】

【作用】貫入速度データ１１ａに対する設計注入量は、
基準設計注入量に対する百分率になっているから、注入
量の変化は、スラリーポンプ５の出力（吐出量）を基準
設計注入量の百分率の増減として制御を行なえる。この
制御は比較的に簡単であるため、各軸別々の制御を容易
に行なえ、左右非対称の改良設計又は傾斜の改良設計な
どの実施が容易に可能である。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。最近の混
合処理工法では、地盤改良部分でも施工深度別に安定材
の最適注入量（設計注入量）を変化させる傾向がある。
施工深度対応の安定材注入量のパターン（以下、深度パ
ターンと言う）の一例を示すと、図３のようである。図
３の例によれば、地下５ｍまでは空打部で注入量は零で
ある。５〜１０ｍの範囲では毎分当たり１００リットル
の注入量とし、１０〜２０ｍの範囲では毎分当り１５６
リットルの注入量とする。しかし、２０〜３０ｍの範囲
は未改良部として注入量を零とし、３０〜３５ｍの範囲
では毎分当り１８０リットルの注入量として設計されて
いる。図３の深度パターンにおいて、例えば５〜１０ｍ
の範囲は毎分当り１００リットルが設計注入量であるこ
とを前提とし、この１００リットルを基準設計量の１０
０％とする。従って、１０〜２０メートルの範囲は毎分
当り１５６リットルの注入量なので、深度パターン注入
量設定は１５６％となる。２０〜３０ｍの範囲は未改良
部として深度パターン注入量設定は０％とする。３０〜
３５ｍの範囲では１８０リットルの注入量が１８０％と
設定される。この様に予め深度パターン設定をすること
により、深度信号を読み取りながら、それぞれ設定され
た範囲に注入量を変化させながら施工することが可能に
なる。深層混合処理工法の場合、多軸による施工が一般
的であるが実施例は２軸での使用例を示す。

【００１２】次に、上記図３の深度パターンにおいて、
例えば深度５〜１０ｍの範囲では設計注入量が毎分当た
り１００リットルであることを前提とし、貫入速度対応
の安定材注入量が、次のような貫入速度のバラつきに応
じたブロック分け（以下、速度パターンと言う）により
設定される。まず実際の施工性の良さを考慮して、毎分
当りの貫入速度０．５〜１．１ｍの範囲が実用範囲とし
て設定され、この実用範囲の速度領域が段階的に６ブロ
ックに区分されている。勿論、ブロックの区分数及び領
域の広狭は、地盤改良の設計的思想と手法とに基づいて
任意に設定される。図４の実施例の場合、第１ブロック
は貫入速度０〜０．４ｍ／min の範囲で、注入量が毎分
当り４０リットルとされている。第２ブロックは貫入速
度０．４〜０．５ｍ／min の範囲で、注入量が５０リッ
トル／min とされている。第３ブロックは貫入速度０.
５〜０．７ｍ／min の範囲で、注入量は７０リットル／
min とされている。第４ブロックは貫入速度０．７〜
０．９ｍ／min の範囲で、注入量が９０リットル／min
とされている。第５ブロックは貫入速度０．９〜１．０
ｍ／min の範囲で、注入量は１００リットル／min とさ
れている。そして、第６ブロックは貫入速度１．０ｍ／
min 以上の範囲で、注入量は１１０リットル／min に設
定されている。ちなみに、前記の各貫入速度ブロックに
対応する安定材注入量の設定値は、最大吐出能力が３０
０リットル／min のスラリーポンプ５の吐出量と貫入速
度とが図５のように比例する関係から求められている。

【００１３】上述のように深度パターン（図３）及び速
度パターン（図４）を設定した上で、図１の混合処理工
法が実施される。その場合、処理機の貫入速度は１．０
ｍ／min を目標として運転される。そして、深度計が５
〜１０ｍを計測している間は、自動注入制御装置８の設
定値として、図３の深度パターンが採用される。前記の
実施例で貫入速度計が０．９ｍ／min を計測した場合
は、自動注入制御装置８においては図４の速度パターン
の中から第５ブロックが選択され、その注入量１００リ
ットル／min を指示する演算処理が行なわれ、その指示
量が自動注入制御操作盤９を通じてスラリーポンプ５に
送られる注入制御が実行される。この場合、貫入速度は
刻々と変化するはずであるが、その変化の幅が０．９〜
１．０ｍ／min の領域に納まっているかぎり、スラリー
ポンプ５の出力は１００リットル／min に維持される。
深度計が１０〜２０ｍを計測している時は注入量が１５
６リットルになり、図４の速度パターンの中では該当す
る注入量の速度ブロックが存在しないが、基準設計量を
１００％に設定してそれぞれ深度毎に変更する注入量が
次のように設定される。

【００１４】例えば深度が１０〜２０ｍの注入量に対す
る深度パターン設定値は、既に５ｍ〜１０ｍの設計注入
量が１００リットル／min となっているので、その１０
０リットル／min を基準設計注入量の１００％と定め、
次の数１のように算定される。

【００１５】

【数１】

【００１６】この様に設定を各深度パターンの注入量に
対して設定すると、２０〜３０ｍの間は０リットルなの
で０％、３０〜３５ｍの範囲は１８０リットルなので１
８０％、のようになる。深度毎に設定された数値により
深度によって設定注入量が変化しても、基準となる設定
された注入量を基に増減量の制御を行ない、速度パター
ンの領域ブロックを異ならせるほど貫入速度が変化する
と該当の領域ブロックを選択しながら注入制御を実行す
る。例えば１０〜２０ｍの深度パターンで施工している
とき、貫入速度が０．８ｍ／min を計測した場合は、図
４の速度パターンの中から第４ブロックが選択され、９
０リットル／min を指示すると同時に１５６％増の演算
処理が行なわれ、吐出量は１４０．４リットルに制御す
ることになる。貫入速度が０．９９ｍ／min にもどれ
ば、速度パターンの第５ブロックが選択され、１００リ
ットルに対して１５６％増の１５６リットル／min を指
示する制御が実行される。以下同様に各深度パターンで
設定された範囲毎に注入量を制御していく。深度パター
ンの設定は、２軸の場合は２軸それぞれに異なった深度
パターンを設定できる。

【００１７】以下同様にして、図３のような深度パター
ンと、それに基づく図４のような速度パターンとに基づ
いて、貫入速度の刻々の変化にバタバタと惑わされるこ
とのない、言わば誤操作、見落し、操作遅れのない、落
着いて安定した注入制御が実行され、精度及び信頼性の
高い注入が行なわれるのである。処理機が２軸又は２軸
以上の攪拌翼をもつ多軸処理機であっても、各軸のスラ
リーポンプ５はポンプ出力を基準設計注入量の百分率の
増減として単純に制御できるので、左右非対称の注入制
御（図６）、又は図７のような傾斜のある改良設計でも
容易に実施できるのである。

【００１８】

【本発明が奏する効果】本発明に係る地盤改良の混合処
理工法における自動注入制御方法は、貫入速度の多少の
ブレ及び地盤の硬さによる貫入速度の変化に追従するこ
とのできる安定した注入管理が可能で、施工性と品質の
向上を期待できる。また、設計注入量に対する注入過多
が少なくなり、ランニングコストの低減が図れる。そし
て、施工深度データと貫入速度データとに基づくシーケ
ンス型の自動制御を行なうから、貫入時のみならず、引
抜き時の注入制御にも全く同様に適用でき便利である。
その上、注入量の制御はスラリーポンプ５の出力を基準
設計注入量の百分率の増減として制御されるから、極め
て単純である。特に多軸処理機による施工においては、
左右非対称の注入制御、又は傾斜のある改良設計の注入
制御が容易に可能であり、地盤改良の改良設計の多様性
にフレキシブルに適応し実施できるのである。その他、
下記の効果を奏する。 (1) 地盤改良工事に於いて、各軸別々に深度に対応し
て安定材を注入することが可能である為、改良設計によ
り改良境界が平面的、垂直断面的に対応が可能である。 (2) 深さ方向に傾斜が必要な地盤改良でも、傾斜に必
要な段差を設けることが可能で、余分な安定材を注入す
ることがなく、低コストの施工が可能になる。 (3) 安定材注入ポンプは同規格、同能力仕様でも直線
的な比例吐出を得られないが、本発明の制御方法によれ
ば、１台毎に補正することが可能で有る。極端な例を挙
げれば、全く別の能力、仕様のポンプを組み合わせて制
御することさえも可能である。従って、自動注入制御を
実施する上で現在使用している市販のポンプがほとんど
同一の形式、能力のポンプでも吐出量に差があって問題
となっていた従来の課題は解決したことになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】地盤改良の混合処理工法の実施要領図である。

【図２】本発明に係る制御系モデルを表わしたブロック
線図である。

【図３】各施工深度における設計注入量の変化の一例を
表わした深度パターンの図である。

【図４】ある施工深度の設計注入量を貫入速度に基づい
てブロック分けした速度パターンの一例を示した図表で
ある。

【図５】貫入速度と注入量の関係を示したグラフであ
る。

【図６】左右非対称の改良設計のモデル図である。

【図７】傾斜のある改良設計のモデル図である。

【図８】従来の制御系モデルを表わしたブロック線図で
ある。

【符号の説明】

１ ベースマシン ３ 攪拌翼 ５ スラリーポンプ ６ 流量計 ８ 自動注入制御装置 11 速度、深度計

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理機によって地盤を回転掘削しなが
   ら、又は掘削土を攪拌しながら安定材を注入し掘削土と
   攪拌混合処理して地盤改良を行なう混合処理工法におい
   て、 処理機の掘削貫入の速度に応じて、設計上決められてい
   る安定材の注入量に不足しないことを限度に安定材の注
   入量を前記処理機の掘削貫入速度のバラつきに応じたブ
   ロック分けを行なうと共に各々の注入量は基準設計量に
   対する百分率で特定し、処理機は施工上有利な一定の掘
   削貫入速度を目標に制御し、刻々変化する掘削貫入速度
   を常時計測して制御装置へ入力し、制御装置では入力さ
   れた前記掘削貫入速度を前記ブロック分けされた速度領
   域と照合し、さらに深度パターン毎に該当する注入量を
   求める演算処理を行ない、その演算結果は各攪拌翼のス
   ラリーポンプの出力を基準設計注入量の百分率の増減と
   して制御し該当注入量の安定材を注入することを特徴と
   する、地盤改良の混合処理工法における安定材の自動注
   入制御方法。
2. 【請求項２】 処理機によって地盤を回転掘削しなが
   ら、又は掘削土を攪拌しながら安定材を注入し掘削土と
   攪拌混合処理して地盤改良を行なう混合処理工法におい
   て、 処理機の施工深度及び掘削貫入の速度に応じて、設計上
   決められている安定材の注入量に不足しないことを限度
   に安定材の注入量を前記処理機の掘削貫入速度のバラつ
   きに応じたブロック分けを行なうと共に各々の注入量は
   基準設計量に対する百分率で特定し、処理機は施工上有
   利な一定の掘削貫入速度を目標に制御し、刻々変化する
   掘削貫入速度及び施工深度を常時計測して制御装置へ入
   力し、制御装置では入力された前記掘削貫入速度を前記
   ブロック分けされた速度領域と照合し、さらに深度パタ
   ーン毎に該当する注入量を求める演算処理を行い、その
   演算結果は各攪拌翼のスラリーポンプの出力を基準設計
   注入量の百分率の増減として制御し該当注入量の安定材
   を注入することを特徴とする、地盤改良の混合処理工法
   における安定材の自動注入制御方法。
3. 【請求項３】 ２軸以上多軸の攪拌翼をもつ処理機によ
   って地盤を回転掘削しながら、又は掘削土を攪拌しなが
   ら安定材を注入し掘削土と攪拌混合処理して地盤改良を
   行なう混合処理工法において、 制御装置では入力された掘削貫入速度を深度パターン毎
   にブロック分けされた速度領域と照合し、さらに深度パ
   ターン毎に該当する注入量を求める演算処理は各攪拌翼
   毎に行ない、その演算結果は各攪拌翼のスラリーポンプ
   毎にその出力を基準設計注入量の百分率の増減として制
   御し、各攪拌翼毎に独立して該当注入量の安定材を注入
   することを特徴とする、請求項１又は２に記載した地盤
   改良の混合処理工法における安定材の自動注入制御方
   法。