JP3552980B2

JP3552980B2 - 固液混合流体中の固体の大きさの測定装置及び方法

Info

Publication number: JP3552980B2
Application number: JP2000032649A
Authority: JP
Inventors: 俊光野津; 義治清水; 匡剛安本; 義雄岩井
Original assignee: Toda Corp
Current assignee: Toda Corp
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: JP2001221751A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥水シールド工事などに利用される土砂と水との混合流体中に含まれる土砂の塊の寸法などの測定に利用される固液混合流体中の固体の大きさの測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機によるトンネル工事では、掘削機の先端部分で削り取った土砂を掘削中のトンネル内から外部に排出して投棄する必要がある。この削り取った土砂をトンネル外部に排出する方法にとしては、削り取った土砂をトロッコ等でトンネル外部に排出する泥土圧シールド掘削工法と、トンネルの後方から給水管を通して供給した泥水中に削り取った土砂の塊（固結体）を混ぜて後方の地上に送り返し、ここで固結体を泥水から分離して投棄するという泥水シールド掘削工法とが従来から知られている。作業の自動化による省力化を計るためには、後者の泥水シールド掘削工法の適用が望ましい。
【０００３】
泥水シールド工法については、例えば、本出願人の先願に係わる特開平９ー１５９６２３号公報などに説明されている。すなわち、給水系統の地上部分には、地中のトンネル内に供給する泥水の密度と粘度とを調整するための調整槽が設置され、この貯水槽内の密度と粘度の調整された泥水が給水ポンプによる加圧を受けて給水管中を地中のシールド掘進機内に送られる。この加圧された泥水は、掘進機の先端部のカッターを通してこのカッターと「キリハ」（切端）との間に形成された切削中の土砂と泥水とによって満たされた空間内に吐出される。
【０００４】
この切端に向けて吐出される泥水の密度や粘度が小さすぎると、この泥水が切端の内部に容易に浸透してしまい、切端の崩落が発生する。逆に、この泥水の密度や粘度が大きすぎると、送水系統の負担が過大になる。そこで、カッターから吐出される泥水の密度や粘度を所望の値に保つように、地上に設置した調整槽中の泥水の密度と粘度とが調整される。具体的には、泥水の密度が清水槽から供給される清水の量と貯泥槽から供給される粘度の量などによって調整されると共に、この泥水の粘度が増粘剤貯蔵槽から供給されるＣＭＣなどの適宜な増粘剤の量によって調整される。
【０００５】
シールド掘進機の先端部から切端中に吐出された泥水は、カッターの先端部のビットによって切取られた土砂の固結体が混合されることにより密度が増した泥水となり、カッターを通して排水管内に流入し、排水ポンプによる加圧を受けて排水管内を地上に運ばれる。地上に運ばれた土砂は振動ふるい装置にかけられ、ある程度大きな粒径の固結体は水から分離され、土砂として投棄される。分離不能な小径の土砂を含む泥水は、排水管を通して調整槽に戻される。
【０００６】
上述のように、泥水シールド工法においては、泥水の密度の測定と管理が重要になると共に、泥水中の土砂の沈殿を防ぐために流量をある程度大きな値に保つ必要があり、この点から流量の測定と管理も重要になる。この泥水の密度と流量を測定するために、カッターの手前の給水管と排水管のそれぞれの側に電磁流量計や、γ線密度計などが設置される。
【０００７】
また、泥水と共に後方に排出される固結体の寸法は、掘削中の地山の硬さやカッターのビットをどの程度地山側に突出させるかなど地山の性質と掘削条件との組合せに応じて、１ｍｍ程度から数十ｃｍ程度までの数百倍の範囲にわたって変化する。固結体の寸法が小さくなりすぎると、泥水中への溶解量が多くなり、後方においてこれを篩にかけられなくなる。この結果、泥水との分離作業が困難になるので、固結体の寸法を所定値以上に保つ必要がある。
【０００８】
この固結体の寸法の変動は、実際に分離作業を行う後方でないと検出できないので、これを水と固結体の分離作業を行う後方からシールド掘削機の先端部分にフィードバックし、掘削機のカッタの刃のビットの突出量などの掘削条件を地山の性質の変化に応じて変化させることにより、固結体の大きさをある程度以上の値に保つことが行われる。なお、固結シルト層などの掘削時に生じる固結体は、一軸圧縮強度が数十ｋｇ／ｃｍ^２程度と石ころほどの硬さがあるため、排水管内であまり砕けたり溶けたりせず、その大きさはそれほど変化しない。
【０００９】
上記シールド掘削作業においては、掘削作業の進行に伴ってトンネルの長さが増加してゆき、シールド掘進機の先端部と後方の土砂の分離箇所との距離が２〜３ｋｍにも達する場合がある。上記固結体の寸法の制御方式では、掘削部分と後方の分離箇所との距離が数ｋｍも長くなると、後方から掘削箇所へのフィードバックの時間の遅れが大きくなって制御系の安定性が低下し、この結果、固結体の寸法が過小になったり必要以上に大きくなるという問題が生ずる。
【００１０】
上記本出願人の先願に係わる特開平９ー１５９６２３号公報には、掘削箇所の近傍において泥水が流れる管路内に一定の振幅の電波を放射し、この泥水中を伝播した電波を受信し、この受信電波の振幅（電波の伝播損失）から泥水に含まれる固結体などの固体の大きさを検出するという測定方法が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願に係わる固体の大きさの検出方法は、ゴムを素材とする立方体形状の角体によって固結体を模擬した場合には、角体の寸法の増加につれて電波の伝播損失が単調に増大するという期待通りの結果が得られた。
【００１２】
しかしながら、固結体を含む実際の泥水について測定してみると、固結体の寸法が変化しても電波の伝播損失は予想したほどには変化しないという結果が得られた。これは、固結体の表面部分が水を吸収することによって固結体と水との物理的な界面がぼやけてしまい、この結果、界面が比誘電率や導電率などの電気的特性の階段状の不連続面でなくなり、界面での電波の反射が生じにくくなっているためと考えられる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、電波の電波損失それ自体とは異なる新たな物理量を見いだし、この物理量を利用して泥水中の固結体の寸法を高確度で検出する新規な方法を提供することにある。
【００１４】
【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本発明に係わる固液混合流体中の固体の大きさを測定する装置は、固液混合流体が流れる管路内に電波を送信しこの固液混合流体中を伝播した電波を受信する電波の送受信手段と、この電波の送受信手段が受信した電波の受信レベル又はこの電波の伝播損失の時間的な変化の様子に基づきこの固液混合流体中の固体の大きさを算定する手段とを備えている。
【００１５】
そして、上記本発明の測定装置は、上記電波の受信レベルや伝播減衰量の時間的な変化の様子としてその変化の周期に着目し、この変化の周期に基づき固液混合流体中の固体の平均的な寸法を測定するように構成されている。
【００１６】
また、本発明に係わる固液混合流体中の固体の大きさを測定する方法は、固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、この管路内を流れる固液混合流体中を伝播した電波を受信し、この電波の受信レベル又は伝播損失の時間的変化の様子からこの固液混合流体中の固体の大きさを算定するように構成されている。
【００１７】
そして、上記本発明の測定方法は、上記電波の受信レベルや伝播減衰量の時間的な変化の様子としてその変化の周期に着目し、この変化の周期に基づき固液混合流体中の固体の平均的な寸法を測定するように構成されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な実施の形態によれば、上記受信レベル又は伝播損失の変化の周期は上記固液混合流体の流速で規格化されるように構成されている。
【００１９】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、固液混合流体中の固体の空間密度を測定する密度計を更に備え、この固体の空間密度はほぼ一定値に保たれる。
【００２０】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記電波の送受信手段は、上記管路の外周面に沿って複数対設置されることにより、測定結果について管路の断面にわたる空間的な平均化が行われるように構成されている。
【００２１】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記固液混合流体は、シールド掘進機の先端部分で削り取られた土砂の固結体と、この固結体を後方の地上部分まで搬送するための泥水とから成り、この土砂の固結体の平均的な寸法を所定の範囲に保つように、掘削又は泥水の給排水の状態が変更されるように構成されている。
【００２２】
【実施例】
図２は、本発明の一実施例に係わる泥水シールド掘進機の泥水中の固結体の大きさの測定装置の構成を示す機能ブロック図であり、Ｔ１〜Ｔ４は送信アンテナ、Ｒ１〜Ｒ４は受信アンテナ、１１はデータプロセッサ、１２は送信器、１３は送信スイッチ回路、１４は受信スイッチ回路、１５は受信器、１６はタイミング制御回路、１７は表示・記録回路、１８はキー入力回路、１９はＡ／Ｄ変換回路である。
【００２３】
この実施例の固体の寸法の測定装置は、この固体を含む泥水の密度を測定するためのγ線密度計や電磁流量計などで構成される適宜な形式の密度計と共に、シールド掘削機内や、その手前のトンネル内などの掘削現場の近くの泥水の管路の途中に設置される。掘削現場では、測定された泥水の密度と、本実施例の測定装置で測定された固結体の寸法が所望の値に接近するように、カッターのビットの伸縮長やカッターの回転速度などの掘削条件や泥水の給排水の条件などが変更される。
【００２４】
送信アンテナＴ１〜Ｔ４と、受信アンテナＲ１〜Ｒ４とは、泥水が流れる電気絶縁性の管路の外周面に９０°ずつずれた間隔で、それぞれがこの管路の中心をはさんで対向する送受信アンテナの対を形成しながら、接着などによって取付けられている。この送受信アンテナが取付けられる電気絶縁性の管路は、土砂の固結体を含む水が流れる鋼管の途中に、強化プラスチックなどを素材とする円筒形状の管路として接合されている。この鋼管は、前述した給排水系統においてシールド掘進機内に延長される排水管や、給水管に該当する。
【００２５】
送信アンテナＴ１〜Ｔ４と、受信アンテナＲ１〜Ｒ４のそれぞれは、同一の構造を有している。すなわち、４弗化エチレン（ＴＦＥ）などを素材する誘電体基板の上に、銅などの金属を素材とする２等辺三角形の２枚の金属平板がそれぞれの頂点を対向させながら貼着されたダブレットアンテナの構造を呈している。誘電体基板は、絶縁性の管路の外周面上に間隙を形成することなく接着固定されるように、この外周面と同一の曲率半径で湾曲している。各送受信アンテナは、それぞれの誘電体基板の短辺側を絶縁性の管路の円周方向に沿って配列させながらその外周面上に固定される。
【００２６】
各送受信アンテナを構成する２枚の金属平板のそれぞれは、誘電体基板内に形成された開口内を通過するフィーダ（給電線）を介して、図２の送信スイッチ回路１３に接続される。このダブレットアンテナの更なる詳細については、必要に応じて、本出願人が先に出願した実用新案登録願の明細書（実公平３ー１４８０７号公報、実公平４ー１１３７５号公報）などを参照されたい。
【００２７】
図２を参照すれば、データプロセッサ１１は、計測の開始に際して、タイミング制御回路１６を起動する。起動されたタイミング制御回路１６は、図３（Ａ）の波形で例示するような一定周期Ｔの送信タイミング信号ｔを送信器１２に供給する。タイミング制御回路１６は、上記送信タイミング信号ｔの供給に先行して、送信スイッチ回路１３と受信スイッチ回路１４とに送受信アンテナ対の選択指令を発することにより、４個の送受信アンテナの対を、（Ｔ１，Ｒ１）→（Ｔ２，Ｒ２）→（Ｔ３，Ｒ３）→（Ｔ４，Ｒ４）→（Ｔ１，Ｒ１）→（Ｔ２，Ｒ２）→・・・という具合に、ＴとＲに付加した添字１〜４の昇順に循環的に変更させる。
【００２８】
送信器１２からは、図３（Ｂ）の波形で例示するように、ピークレベルが一定で、半値幅３ｎｓｅｃ程度の鋭い単峰性の送信パルスが送信タイミング信号に同期して出力される。この送信パルスは、送信アンテナＴ１〜Ｔ４から電気絶縁性の管路Ｐ内に放射され、泥水中を伝播したのち、対向して設置されている対応の受信アンテナＲ１〜Ｒ４に受信される。
【００２９】
この受信パルスは、図３（Ｃ）の波形に例示するように、単峰性が崩れた多峰性の波形となっている。この受信パルスは、受信スイッチ回路１４を通して受信器１５に供給され、Ａ／Ｄ変換回路１９においてディジタル信号に変換されて、データプロセッサ１１に供給される。
【００３０】
データプロセッサ１１は、Ａ／Ｄ変換された受信パルスを受け取るたびに、この受信パルスの振幅Ｖを検出する。この振幅Ｖは、図３（Ｄ）に拡大して例示するように、負側のピーク値Ｖ₋と正側のピーク値Ｖ_＋との和、Ｖ＝Ｖ₋＋Ｖ_＋と定義される。データプロセッサ１１は、４個の送受信アンテナ対によって得られた受信パルスの振幅を平均したものを平均値Ｖｍｅａｎとして検出する。すなわち、この受信パルスの振幅Ｖの検出に際しては、４対の送受信アンテナを用いることにより、互いに９０ ^ｏ，１８０ ^ｏ，２７０^ｏの角度を保って交差する４種類の伝播経路について得られた受信パルスの振幅について空間的な平均処理が行われる。
【００３１】
データプロセッサ１１は、このようにして検出した受信パルスの空間平均的な振幅Ｖｍｅａｎを表示・記録部１７に転送する。表示・記録部１７は、データプロセッサから転送されてきた振幅Ｖｍｅａｎをディジタルデータとして内蔵のメモリに記憶すると共に、このディジタルデータを低域通過濾波器に通すことによってアナログ信号に変換し、このアナログ信号を液晶パネルやブラウン管などで構成される表示装置に表示する。
【００３２】
この実施例では、送信アンテナＴ１〜Ｔ４のアンテナ利得がそれぞれ等しく、受信アンテナＲ１〜Ｒ４のアンテナ利得もそれぞれ等しく、かつ送信アンテナＴ１〜Ｔ４に同一振幅の送信パルスが供給されるので、上記振幅Ｖｍｅａｎは、泥水中の電波の伝播損失も示すことになる。
【００３３】
このメモリに記憶される受信信号の振幅ｍｅａｎの時間変化の様子や、アナログ信号に変換されて表示される信号波形は、管路Ｐ内を流れるほぼ一定の密度の泥水に含まれる固結体の寸法に関する情報を含む。
【００３４】
すなわち、まず、図１（Ａ）に例示するように、ほぼ一定の密度の泥水に含まれる固結体の平均的な寸法が小さい場合には、固結体は流れの方向に沿ってほぼ連続的に分布し、受信信号の振幅Ｖは、図１（ａ）の波形によって例示するように、時間的にあまり変動しない。これに対して、図１（Ｂ）に例示するように、同じ密度の泥水に含まれる固結体の平均的な寸法がこれよりも大きくなると、固結体は流れの方向に沿って不連続的に分布し、図１（ｂ）の波形に例示するように、受信信号の波形に脈動が生じ始める。更に、図１（Ｃ）に例示するように、同じ密度の泥水に含まれる固結体の平均的な寸法が一層増大すると、固結体どうしの平均的な間隔が増大し、図１（ｃ）の波形に例示するように、脈動が一層増大する。
【００３５】
すなわち、泥水中に含まれる固結体の密度が一定という条件下では、固結体の平均的な寸法の増加につれて固結体の平均的な間隔は増大する。そして、固結体の平均的な間隔が増大すると、固結体と固結体との間に固結体に比べて電波の伝播損失が小さな水を主体とする空間が形成される。この結果、送受信アンテナの間の電波の伝播路上に固結体が存在する場合と、存在しない場合とでは伝播損失が異なり、受信レベルの変動が一層大きくなる。従って、このような受信レベルの変動の大きさから固結体の平均的な寸法を検出することができる。
【００３６】
すなわち、図４に示すように、受信信号のレベルの変動幅ΔＬと、泥水中に含まれる固結体の平均的な寸法Ｓとの関係については、例えば、直線α、曲線βやγが得られる。この受信信号のレベルの変動幅ΔＬと、固結体の寸法Ｓとの関係は、予め実験的に求められる。また、必要に応じて、投棄対象の土砂を水から分離する地上の作業現場において土砂の固結体の直径などの平均的な寸法が実測され、予め求められた図４の曲線に対する較正がこの実測値を用いて行われる。
【００３７】
また、受信信号のレベルの変動幅に合わせて、あるいは、このレベルの変動幅の代わりに、この受信信号のレベルの変化の周期に基づいて固結体の平均的な寸法Ｓを検出する構成を採用することもできる。すなわち、図１に例示されるように、固結体の寸法Ｓの増加につれて固結体どうしの平均的な間隔が増大し、変化の周期が増大する。
【００３８】
ただし、この変化の周期は、固結体どうしの平均的な距離が一定であっても固液混合流体の流速の増大につれて短縮される。そこで、流速に依存しない固結体どうしの平均的な距離として検出するために、周期を流速で規格化し、この規格化された周期に基づいて固結体の平均的な寸法を算定する構成を採用することもできる。このような規格化された周期を使用すれば、流速が変化する場合にも対応できる。
【００３９】
なお、管路の曲がりの部分などにおいて固結体が管路の内壁に衝突してそこに付着する現象が起きにくくなるように、流動する泥水に旋回を生じさせることによって、図１（Ａ）〜（Ｃ）に例示するように、固結体を管路Ｐの中心付近に寄せるような配慮がなされている。しかしながら、そのような配慮がなされておらず、固結体が管路Ｐの中心から離れた管壁の近くに存在する場合でも、上述したと同様の固結体の寸法に応じた受信レベルの変動が生ずる。
【００４０】
また、上述した土砂の固結体の密度の測定は、管路内を流れる泥水と固結体とが混在した固液混合流体にガンマ線や中性子線などの放射線を照射し、その反射量や透過量を測定することなどによって実現できる。この放射線を利用した密度の測定方法については、必要に応じて、平成４年６月に開催された第２７回土質工学研究発表会において講演番号７９９，８００として発表された「土の締固め管理のための非破壊試験方法（その１１）、（その１２）」と題する田中貢氏らの研究論文や、土木技術資料３４ー１１（１９９２）のｐｐ２０〜２１に掲載された「建設技術Ｑ＆Ａ」の内容などを参照されたい。
【００４１】
以上、パルスレーダの場合を例示したが、これに限定されず、受信電波のレベルを測定できるものでありさえすれば、正弦波をバースト状あるいは連続的に送受信するようなものであってもよい。
【００４２】
また、絶縁管路の外周面にそって４対の送受信アンテナを配置する構成を例示したが、この対数としては、３対、２対、１対などこれよりも少ない個数、あるいは４対よりも多い適宜な個数を選択できる。
【００４３】
更に、送受信アンテナとして広帯域なダブレットアンテナを使用する構成を例示したが、これに替えて、他の適宜な形態の送受信アンテナを適用できる。
【００４４】
また、シールド掘進機の泥水中の土砂の固結体の大きさを測定する場合を例にとって、本発明の測定方法と装置とを説明した。しかしながら、本発明に係わる固液混合流体の固体の大きさの測定装置と方法は、製造プラント内や廃液処理場内などの管路中を流れる種々の固液混合流体中の固体の大きさの測定などにも適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる固液混合流体中の固体の大きさの測定装置と方法は、管路内を流れる固液混合流体中に電波を伝播させ、この伝播損失の時間変化の様子から固体の大きさを測定する構成であるから、目視では困難な混合された固体の大きさの検出を的確に行うことができるという効果が奏される。
【００４６】
特に、本発明の方法と装置とをシールド工法に適用した場合、掘進機の内部やその後方のトンネル内など掘削現場に極く近い管路の途中に設置でき、測定結果が短時間のうちに掘削現場にフィードバックされることにより安定なフィードバック系が形成されるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わるシールド掘進機の泥水中の土砂の固結体の大きさの測定装置の動作原理を説明するための概念図である。
【図２】上記実施例の測定装置の機能上の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】上記実施例の測定装置の動作を説明する波形図である。
【図４】上記実施例の測定装置の原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
Ｔ，Ｔ１〜Ｔ４送信アンテナ
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ４受信アンテナ
Ｐ絶縁管
１１データプロセッサ
１２送信器
１３送信スイッチ回路
１４受信スイッチ回路
１５受信器
１６タイミング制御回路

Claims

固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を送信し、前記固液混合流体中を伝播した電波を受信する電波の送受信手段と、
この電波の送受信手段が受信した電波の受信レベルの変化の周期又はこの電波の伝播減衰量の変化の周期に基づき前記固液混合流体中の固体の平均的な寸法を測定する手段と
を備えたことを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
請求項１において、前記電波の受信レベルの変化の周期又はこの電波の伝播減衰量の変化の周期は前記固液混合流体の流速で規格化されることを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
請求項１又は２において、
前記固液混合流体中の固体の空間密度を測定する密度計を更に備えたことを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記固液混合流体中の固体の空間密度はほぼ一定値に保たれることを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
請求項１乃至４のいずれかにおいて
前記電波の送受信手段は、前記管路の外周面に沿って複数対設置されることにより、前記測定結果に関し流路の断面にわたる空間的な平均化が行われることを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記固液混合流体は、シールド掘進機の先端部分で削り取られた土砂の固結体と、この固結体を後方の地上部分まで搬送するための泥水とから成り、この土砂の固結体の平均的な寸法を所定の範囲に保つように、掘削又は泥水の給排水の状態が変更されることを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定装置。
固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、この管路内を流れる固液混合流体中を伝播した電波を受信し、この電波の受信レベルの変化の周期又はこの電波の伝播減衰量の変化の周期からこの固液混合流体中の固体の平均的な寸法を測定することを特徴とする固液混合流体中の固体の大きさの測定方法。