JP3698467B2

JP3698467B2 - 注入制御装置

Info

Publication number: JP3698467B2
Application number: JP26663295A
Authority: JP
Inventors: 一則龍頭; 義博内田; 稔関根
Original assignee: 日本基礎技術株式会社; 明昭株式会社
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JPH09111746A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダム建設工事等に伴う地盤改良工事に於けるグラウト注入工法に係わり、特に地盤中へ注入する流体を加圧制御すると共に岩盤の透水性を調べることができる注入制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ダム建設工事に伴う基礎工事として、様々な方法により地盤強化が行われている。中でもグラウトと呼ばれる注入材を地盤内部に注入し、このグラウトを凝固させることによって地盤の強化を図るグラウト注入工法が広く普及している。
【０００３】
一方、ダムの基礎岩盤からの漏水は貯水効率を低下させるだけでなく、基礎及び堤体の安全に係わる重要な問題である。すなわち、ダムの基礎岩盤は、堤体の自重及び堤体を通して伝えられる水圧に耐えられるだけの強度を有していなければならないことは勿論であるが、貯水池の水が流出しないだけの止水性も併せて有していなければならない。したがってダム建設に際しては、基礎岩盤の透水性を把握する必要があり、基礎岩盤の透水性の把握はダム基礎の調査における重要な項目の一つである。グラウト注入工法に先だって実施される透水試験用の設備、装置は透水試験専用として設けられることは希であり、通常はグラウト注入工法に使用する設備、装置を転用して透水試験を実施する。
【０００４】
ところで、通常の基礎岩盤の透水性評価を目的として実施される透水試験は、ルジオンテストと呼ばれるものである。ルジオンテストとは、ボーリング孔に水を注入する方法、すなわち透水試験における一種の圧入法で、１０ｋｇｆ／ｃｍ²の注入圧力のもとで試験孔長１ｍ当たりの毎分の注入量（ｌ／ｍｉｎ）を測定するものであり、このようにして得られた値をルジオン値という。なお、ルジオンテストにより評価された透水性等は、ダム建設位置の選定、掘削線の決定、グラウチングの計画及びグラウチングの結果の判定等に利用されている。
【０００５】
上記のルジオンテストに採用された従来の注入制御装置の一例を図面により具体的に説明する。図５は、従来の注入制御装置の一例を示す概略構成図、図６は、試験区間の注入圧力−注入量曲線、図７は、有効注入圧力における標準的な注入圧力パターンを示す図である。
【０００６】
図５に示すように、岩盤１には、清水堀等により必要な深さの試験孔（孔径は原則として６６ｍｍ）２が掘削され、この試験孔２内の下端部には試験区間Ｌ（５ｍ程度）が設定されている。試験孔２の孔口２ａから試験区間Ｌに達するように注入管３が挿入され、この注入管３の下端部外周には試験孔２の内壁との間にパッカー４が設けられ、このパッカー４により試験区間Ｌの止水が行なわれる。また、試験孔２から地上に突出する注入管３の上端には注入圧力を自記記録できる圧力計８が設けられ、さらに注入ホース１１を介して自記記録可能な流量計５と流量を調整するためのバルブ６と注入液体を圧送するための注入ポンプ７が接続されている。なおバルブ６と注入ポンプ７とを接続する注入ホース１１の途中には下方向に排水管９が接続されている。
【０００７】
以上のような構成を有する従来の透水試験装置の試験動作は以下の通りである。すなわち、注入ポンプ７を駆動し、バルブ６を開いて注入液体１０を注入管３から試験孔２の試験区間Ｌ内に注入して圧力水、すなわち注入圧力を試験区間Ｌにかけ、定水圧状態にして試験区間の透水試験を行う。この際、注入管の口元圧力（ｋｇｆ／ｃｍ²）をＰ₀、圧力計８から試験区間の中央までの標高差（ｍ）をｈ₁、地下水位から試験区間Ｌの中央までの水頭、または被圧水の場合にはそれに相当する水頭（ｍ）をｈ₂、管内抵抗による損失水頭（ｍ）をｈ₃、水の単位体積重量（１ｔｆ／ｍ³＝０．１ｋｇｆ／ｃｍ³／ｍ）をΥ_wとすると、試験区間Ｌに作用する有効注入圧力Ｐは次式によって表される。
【０００８】
【数１】

なお、数式１における管内抵抗による損失水頭（ｈ₃）には注入管内壁の摩擦によるものと口径の増減等によるものとがある。ここで管内抵抗による損失水頭（ｈ₃）を求めるには、既に数多くの注入管による実験が実施され、注入量（ｌ／ｍｉｎ）をＱ、注入管長さ（ｍ）をｌとし、管内損失係数をα、パッカー部の損失係数をβとすると、注入管内抵抗による損失水頭（ｈ₃）は次式によって近似できることが知られている。
【０００９】
【数２】

但し、上式においてこの種の試験に一般的に利用されているＪＩＳ規格φ４０．５ｍｍのボーリングロッド（一本当たり長さ３ｍ、内径３１ｍｍ、継ぎ手長１１０ｍｍ、継ぎ手内径１７ｍｍで比較的新しいもの）を用い、流量が著しく多くない時では、α＝７×１０^-5（ｍｉｎ²／ｌ²）、β＝０（ｍｉｎ²／ｌ²）、Ｘ＝２、Ｙ＝０が提唱されている。
【００１０】
次にルジオン値の求め方について説明すると、ルジオンテストを実施する際には図７に示すように、地上から試験区間Ｌにかける注入圧力を低圧から高圧へと数段階に分けて徐々に昇圧し、最大注入圧力段階に至った後には昇圧とほぼ同様に降圧を行なう。そして各圧力段階において、その都度定水位状態に保ちつつ注入量を測定する。その結果を縦軸に注入圧力（Ｐ）、横軸に注入量（Ｑ）をとってグラフ化したものが、図６に示す注入圧力−注入量曲線（略称Ｐ−Ｑ曲線）である。ここで、注入圧力−注入量曲線が原点を通る直線に乗っていれば、その直線の圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ²のところの単位注入量を読み取った値がルジオン値Ｌ_Uとなる。一方、曲線が途中で折れ曲がる場合は、原点を通る直線の方を延長して、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ²のところの単位注入量を読み取り、それを換算ルジオン値とすることにしている。また、注入圧力−注入量曲線はルジオン値を求めるだけでなく、限界圧力を求めたり、地盤の透水特性や試験の信頼性を知る上で重要な資料となる。なお、注入圧力−注入量曲線において、注入量が急増する点、すなわち図６におけるＡ点の注入力を限界圧力と言い、これは圧力水によって地盤の割れ目を充填している細粒分が流れたり、地盤の割れ目が拡大したりする時に生じる現象であり、地盤の透水特性を知り、グラウチングの注入圧力を決定する上で重要な指標となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８は、実際のルジオンテストの結果から作成した注入圧力−注入量曲線の例を示したものである。図８からわかるように、実際の試験に基づく注入圧力−注入量曲線の中には、同じ注入圧力でも昇圧時と降圧時で注入量が異なるなど、非常に複雑な曲線になることがある。特に透水性の高い岩盤では一般的に複雑な注入圧力−注入量曲線になる。これは、試験時の注入圧力の管理は注入管の口元圧力によって行なうが、注入管の中を伝わっていくうちに圧力損失が生じたり、地山の方から地下水圧が働くといった影響を受けるためである。したがって試験区間Ｌが地下深くなる場合には、試験区間Ｌまでの深さや地下水位を考慮し、さらに注入量が多くなれば注入管の管内抵抗による損失水頭を考慮する必要がある。注入管路における損失水頭は、管内の摩擦損失水頭、縮小損失水頭、拡大損失水頭、弁類損失水頭、わん曲折曲損失水頭、分岐合流損失水頭などがあるが、ルジオンテストにおいて特に問題になるのは、摩擦損失水頭（Ｈ_c1）、縮小損失水頭（Ｈ_c2）、拡大損失水頭（Ｈ_c3）である。したがって、全損失水頭（Ｈ_c）は次式で表される。
【００１２】
【数３】

また、摩擦損失水頭（Ｈ_c1）は摩擦損失係数をｆ_c1、注入管の長さをｌ、注入管の直径をｄ、流速をｖとするとWeisbachの式と呼ばれる次式が成り立つ。
【００１３】
【数４】

なお、上式は一般的に用いられるもので、注入管の絶対粗度がわかれば、あらゆる種類の管路における摩擦損失水頭の計算に適用できる。
【００１４】
ところが、従来の注入制御装置を用いた注入作業及び透水試験においては注入点及び試験点の圧力は、対象となる圧力段階の注入作業及び試験が終了した後のデータ処理段階において、流量計で検出した注入管の口元圧力に対して地下水位および管内損失水頭の補正を加えて、有効圧力としていた。すなわち注入作業及び試験終了後にデータ補正処理した後でなければ注入点及び試験点の有効圧力を把握することができなかった。
【００１５】
一方、流量計で圧力制御する場合は補正値を計算し設定圧力値をその都度変更しながら試験を実施することは不可能ではない。しかしながら、値が比較的安定している地下水位の補正値の計算は容易であるが、流速の二乗に比例する管内損失の補正値の計算は煩雑であり、また補正値を加えて圧力を設定し直すと、流量も変化し、流量を変数とする数式２で示される圧力補正値も変化する。実際の試験では、この計算、圧力設定を圧力、流量の値が安定するまで試行錯誤しながら繰り返し行うことが必要であり、この調整に手間がかかり、長時間を要したり、場合によっては再試験をする必要があるという問題があった。
【００１６】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、注入作業中及び透水試験中に注入点及び試験点の圧力すなわち有効圧力を補正することによって、再試験や予備試験を実施せずに、自動的に補正値を算出することが可能となり、その結果、岩盤内への注入材の注入作業を効率良く実施することができると共に、基礎岩盤の透水性に関する信頼性の高い試験結果を効率良く得ることができる注入制御装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の注入制御装置は、注入液体が貯溜された水槽と、前記注入液体を、岩盤に掘削した試験孔内に設けられた試験区間に供給する注入管と、前記注入液体を前記注入管に圧送するための注入ポンプと、前記注入ポンプと前記注入管を連結する注入ホースを備え、前記注入ホース途中には、前記注入液体の流量及び圧力を制御するための弁手段と、前記注入液体の流量及び圧力を検出するためグラウト流量計検出部と、前記グラウト流量計検出部で検出されたデータを記録するグラウト流量計記録部とを有する注入制御装置において、注入作業及び透水試験に必要な諸条件を設定する条件設定手段と、これらの諸条件に基づき、注入点及び試験点の圧力に対する注入点及び試験点の設定圧力についての補正値を、地下水位と注入管の管内抵抗による損失水頭との少なくとも一方に基づいて算出し、前記補正値に基づき注入点及び試験点の圧力を算出し、前記注入点及び試験点の圧力に基づき前記弁手段の制御目標値を算出する演算処理手段と、前記演算処理手段で算出された結果を表示する表示手段から成るデータレコーダーを備えたことを特徴とする。
【００１８】
以上のような構成を有する請求項１記載の発明によれば、流量及び圧力の検出から記録、補正値の算出等の演算処理までの全過程を注入作業中及び試験中に自動的に行うことができるため、再試験や予備試験を行う必要がなく、正確で迅速な注入作業及び透水試験を実施することができる。
【００１９】
請求項２記載の注入制御装置は、前記演算処理手段に、注入管の管内損失水頭による補正収束のタイミングを判定するための補正収束判定手段を備え、収束する条件を越えた場合には前補正値によって注入作業及び透水試験を行うことを特徴とする。
【００２０】
以上のような構成を有する請求項２記載の発明によれば、今回管内損失水頭と前回管内損失水頭、今回試験設定圧力、前回試験設定圧力から、管内損失補正収束のタイミングを判定することにより、岩盤の状態に拘らず、効率良く補正を行い、予定時間内に注入作業及び透水試験を終了することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による注入制御装置の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
（１）実施形態の構成
図１は、本発明の実施形態における注入制御装置を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す注入制御装置における機能ブロック図である。また、図３は、図１に示す注入制御装置における作業動作のフローチャートであり、図４は、図１に示す注入制御装置における管内損失水頭の補正条件を示すグラフである。なお、図５に示す従来技術と同一部分には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００２３】
図１に示すように、岩盤１には、清水堀等により必要な深さの試験孔（孔径は原則として６６ｍｍ）２が垂直に掘削され、この試験孔２内の下端部には試験区間Ｌ（５ｍ程度）が設定されている。試験孔２の孔口２ａから試験区間Ｌに達するように注入管３が挿入され、試験区間Ｌには注入管３と試験孔２の内壁との間にパッカー４が設けられている。このパッカー４は、注入管３の先端から加圧水が吐出する際に注入管３の側壁を伝って加圧水が漏れ出てくるのを防ぐために設けられる。また、試験孔２から地上に突出する注入管３の上端には圧力計８が設けられ、注入管３は注入ホース１１を介して、グラウト流量計１５に接続される。グラウト流量計１５は、図２に示すように、グラウト流量計検出部１５ａとグラウト流量計記録部１５ｂから構成され、グラウト流量計検出部１５ａは圧力検出器１４、流量検出器１３、注入液体１０の流量及び圧力を制御するための弁手段としての三方バルブ１６が注入ホース１１により接続配置されている。このグラウト流量計検出部１５ａはグラウト流量計記録部１５ｂを介してデータレコーダ１８と接続されている。データレコーダ１８には、注入作業及び透水試験に必要な諸条件を設定する条件設定部１８ａと、条件設定部１８ａで設定された条件に基づき演算処理する演算処理部１８ｂと、演算処理部１８ｂで算出された結果を表示する表示部１８ｃとから構成されている。また、三方バブル１６の他方の孔口は注入ホース１１を介して注入ポンプ７に接続され、注入ポンプ７はサクションホース１２を介して水槽１７に接続される。また、図１に示すように、三方バブル１６のリターン側は注入ホース１１を介して水槽１７に戻される。
【００２４】
（２）実施形態の作用・効果
以上のような構成を有する本実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、図３に示すように、水槽１７内の注入液体１０はサクションホース１２により注入ポンプ７に注入され、さらに注入ホース１１を介して三方バルブ１６から圧力検出器１４、流量検出器１３へと注入される。流量検出器１３で検出された流量信号と圧力検出器１４で検出された圧力信号は、グラウト流量計記録部１５ｂへ伝送され、記録される。さらに圧力信号と流量信号はグラウト流量計記録部１５ｂに接続されたデータレコーダ１８に伝送される。データレコーダ１８内の試験条件設定部において、流量計記録部１５ｂから伝送されてきた流量信号と圧力信号を取り込み、さらに地下水位、計器高さ、試験区間長、上端深度、注入管の損失係数、パッカーの損失係数、作業時間、昇降圧速度、注入点及び試験点の圧力段階等、注入作業及び透水試験に関する諸条件が設定される。次に演算処理部１８ｂにおいて、条件設定部１８ａで設定された条件に基づき注入点及び試験点の圧力の補正値が算出され、補正種類が設定される。注入点及び試験点の圧力の補正種類は（１）地下水位のみ補正、（２）管内損失のみ補正、（３）地下水位と管内損失ともに補正、の３種類から１つが選択設定される。演算処理部１８ｂにおいて、注入点及び試験点の設定圧力に補正値を加えたものが注入点及び試験点の圧力として算出される。
【００２５】
以上のように補正をした結果、注入点及び試験点の圧力（Ｐ₂）と注入点及び試験点の設定圧力（Ｐ₁）、地下水位の水頭Ｈ₁および管内損失水頭Ｈ₂の関係は次式により表される。
【００２６】
【数５】

ところで管内損失水頭Ｈ₂の補正は１０秒ごとのサンプリングによって得られた平均流速をもとに、設定圧力に対して注入ホース１１及び注入管３に生ずる管内損失水頭分の補正を加えながら試験を行なう。なお補正は注入作業及び試験中のみならず昇圧中及び降圧中の圧力調整時も行なっているため注入作業及び試験に入っても設定圧力の補正による急変がなく、安定した状態で作業及び試験が実施できる。ところが、管内損失水頭補正を加えた場合、岩盤の状態によっては、補正により注入点及び試験点の設定圧力を上昇させても、流速による管内損失水頭が上回ってしまうため、再度管内損失水頭に補正を加えなければならず、圧力の設定が収束しない場合がある。このような場合は、その時点で管内損失水頭の補正を中断して、前回の補正値により注入作業及び透水試験を行なう。すなわち補正収束の条件は次式で表される。
【００２７】
【数６】

ここで、今回管内損失水頭−前回管内損失水頭を△Ｈ₃、
今回注入点及び試験点設定圧力−前回注入点及び試験点設定圧力を△Ｐとすると数式６は次式により表される。
【００２８】
【数７】

すなわち、補正種類の選択設定段階において、（２）管内損失のみ補正、または（３）地下水位と管内損失ともに補正が選択されると、自動的に補正収束判定器１８ｄが作動し、上記の式の条件を満たす範囲、すなわち図４における斜線部分であれば管内損失の補正は収束するが、範囲外であれば収束せずに補正が繰り返される。
【００２９】
上記のように決定された注入点及び試験点の圧力に合わせて、データレコーダ１８内の演算処理部１８ｂにおいて、グラウト流量計のバルブ制御目標値が自動計算され、計算の結果算出されたバルブの制御信号が、グラウト流量計記録部１５ｂを経てグラウト流量計検出部１５ａに伝送される。グラウト流量計検出部１５ａに伝送されたバルブ制御目標値に基づき、三方バルブ１６によって注入流量と注入圧力が制御される。また、データレコーダ１８の表示部１８ｃには、試験中、試験後を通じて演算処理部１８ｂで算出された結果や、注入圧力−注入量曲線、時間を横軸に取った流速と圧力の記録であるチャート図等が表示される。
【００３０】
以上のように、本発明の実施形態によれば、地下水位や管内損失水頭等の補正を常時行ないながら注入作業及び透水試験を実施することにより、注入点及び試験点の圧力が作業及び試験を行いながら把握できるため、再試験や予備試験をする必要がなく、しかも補正値はコンピュータにより算出されるため信頼性が高く、そのため極めて正確かつ効率的な注入作業及び透水試験を行うことができる。また、管内損失補正の収束判断機能を備えているため、補正によって圧力の設定が収束しないような状態の試験では、限界圧力以上とみなし、管内損失の補正を途中で中止して、前補正値で作業を行なうため注入作業及び透水試験の自動化が可能であり、注入作業及び透水試験を予定時間に終了させることができる。
【００３１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、具体的な構成は適宜選択可能である。たとえば、前記実施形態ではパッカー４は試験区間の上端部のみのシングルパッカーを用いたが、上端部及び下端部の二箇所にセットするダブルパッカーを用いても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明によれば、地下水位や管内損失水頭等の補正を常時行ないながら注入作業及び透水試験を実施することにより、試験者みずからが電卓等で補正計算を行った後でしか知り得なかった注入点及び試験点の、試験者による人手を介した、補正計算→圧力調整→補正再計算→圧力再調整の試行錯誤的繰り返し作業の必要がなく、作業及び試験を予定時間に終了させることができる。しかも補正値の算出等演算処理はコンピュータにより行われるため信頼性が高く、効率的かつ極めて正確な注入作業及び透水試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の注入制御装置を示す概略構成図。
【図２】図１に示す注入制御装置における機能ブロック図。
【図３】図１に示す注入制御装置における試験動作のフローチャート。
【図４】管内損失水頭の補正条件を示すグラフ。
【図５】従来の注入制御装置の一例を示す概略構成図。
【図６】試験区間の注入圧力−注入量曲線。
【図７】有効注入圧力における標準的な注入圧力パターンを示す図。
【図８】実際の注入制御装置に基づく注入圧力−注入量曲線の例を示す図。
【符号の説明】
１…岩盤
２…試験孔
２ａ…試験孔口
３…注入管
４…パッカー
５…流量計
６…バルブ
７…注入ポンプ
８…圧力計
９…排水管
１０…注入液体
１１…注入ホース
１２…サクションホース
１３…流量検出器
１４…圧力検出器
１５…グラウト流量計
１５ａ…グラウト流量計検出部
１５ｂ…グラウト流量計記録部
１６…三方バルブ
１７…水槽
１８…データレコーダ
１８ａ…条件設定部
１８ｂ…演算処理部
１８ｃ…表示部
１８ｄ…補正収束判定器

Claims

注入液体が貯溜された水槽と、
前記注入液体を、岩盤に掘削した試験孔内に設けられた試験区間に供給する注入管と、
前記注入液体を前記注入管に圧送するための注入ポンプと、
前記注入ポンプと前記注入管を連結する注入ホースを備え、
前記注入ホース途中には、前記注入液体の流量及び圧力を制御するための弁手段と、
前記注入液体の流量及び圧力を検出するためグラウト流量計検出部と、
前記グラウト流量計検出部で検出されたデータを記録するグラウト流量計記録部とを有する注入制御装置において、
注入作業及び透水試験に必要な諸条件を設定する条件設定手段と、
これらの諸条件に基づき、注入点及び試験点の圧力に対する注入点及び試験点の設定圧力についての補正値を、地下水位と注入管の管内抵抗による損失水頭との少なくとも一方に基づいて算出し、前記補正値に基づき注入点及び試験点の圧力を算出し、前記注入点及び試験点の圧力に基づき前記弁手段の制御目標値を算出する演算処理手段と、前記演算処理手段で算出された結果を表示する表示手段から成るデータレコーダーを備えたことを特徴とする注入制御装置。
前記演算処理手段に、注入管の管内損失水頭による補正収束のタイミングを判定するための補正収束判定手段を備え、収束する条件を越えた場合には前補正値によって注入作業及び透水試験を行うことを特徴とする請求項１記載の注入制御装置。