JP4101146B2 - グラウト注入制御方法および装置 - Google Patents
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- Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
Description
さらに詳しくは、予め水押し試験によりグラウトを注入する地盤、岩盤などの地山の性状を調査し、この調査結果に応じたグラウト注入プログラム制御ラインを設定し、この制御ラインに可能な限り一致するように、グラウトの注入圧力、注入流量を管理しながら、注入工程の進捗状況で変化する地山の検出データに応じて、グラウト濃度の濃淡を時間遅れなく可逆的に自動調整しつつ注入施工するグラウト注入制御方法および装置に関するものである。
図4(a)に示すような注入チャートと(b)に示すような作業記録からなるグラウト管理日報に基づき具体的に説明すると、グラウト注入前に透水テスト(水押し)を行う。1ステージにおいて透水が30L(リットル)/分以上のときは、配合比の濃いW/C=8/1を初期設定とし、透水が30L/分以下のときは、配合比の薄いW/C=10/1を初期設定とする。この例では、W/C=10/1を初期設定として400Lを23分で注入する。
以後、配合比W/C=6/1のグラウト400Lを21分で注入し、つぎに配合比W/C=4/1のグラウト400Lを20分で注入し、つぎに配合比W/C=2/1のグラウト800Lを48分で注入する。最後にW/C=1.5/1のグラウトをバッチ方式によって1000L生成して、1L/分に達するまで時間を設定せずに注入し(この例では2時間12分かかって644.6Lを注入)、1L/分に達したら、所定時間(たとえば30分間)のダメ押しの注入(この例では6.4Lを注入)をする。
このように、地山改良を目的としてグラウトを注入する工法においては、同一注入孔への注入であっても、注入工程の進捗状況で地山の性状は変化するので、注入のための作業時間を前もって設定することができなかった。
グラウトの注入に際しては、地山の状態を刻々と把握して注入条件を調節するべきであるが、従来の工法では作業者の経験や勘に基づいた手動操作によって注入圧力又は流量を調整する程度の方法しか行われておらず、地山の性状変化に応じた最適な注入施工は期待できなかった。
注入流量を維持するために注入圧力を増大させると、地山を破壊する恐れがある。そのため、注入するグラウトの粘度を低下させて流動性を増し、より地山に浸透し易い性状のグラウトに切り替えて注入を継続することが望ましい。しかし、従来は、注入施工中における地山の性状に変化が生じたときには、注入工事を中断してグラウトを最適な性状に変更して注入せざるを得ず、グラウトを最適な性状に連続的に変更して注入することはできなかった。
また、注入するグラウトの主要成分を成す高濃度で一定濃度、一定成分の原液グラウトを生成するとともに、この原液グラウトを希釈するための他の成分からなる1種以上の希釈液を別途に用意し、それらの液をそれぞれ独立したポンプによって圧送し、注入工程の進捗に応じて濃度、成分などが変化する最適性状のグラウト供給の要求に対応すべく、注入孔に至る直前の管路において原液グラウトと希釈液を、その混合比及び総量を地山の状態に応じて連続的に増減、自動調整しつつ、混合、均一化した注入グラウトを注入することにより、余剰グラウトを発生させることがない。
また、地山によっては、注入するグラウトの吐出位置から、グラウトの充填を必要とする地盤中の空隙の間に狭歪部が存在し、この狭歪部の注入抵抗によって注入圧力は上昇するが、注入の継続によって狭歪部が押し広げられて空隙に至る注入抵抗が低下し、急激に注入圧力が低下するなどの例もある。
本発明による工法によれば、従来は困難であったか、指示が与えられていなかった注入グラウトの濃度、成分などを、注入施工を中断することなく地山の変化に応じて常に最適状態となるよう自動調整するものである。
前記濃度による規制ラインは、流量規制ラインの降伏点と、注入終了時間として予め設定したダメ押し開始点とを結ぶ許容幅を持った略直線的なラインとする。
また、前記注入グラウト濃度の濃淡を制御しつつ注入する工程は、グラウト原液を生成する工程と、このグラウト原液を希釈する希釈液を生成する工程と、前記グラウト原液と希釈液とをそれぞれ独立して圧送して注入直前に混合し、所定の濃度のグラウトを生成する工程と、地山に注入した時の注入圧力、注入流量、注入濃度、注入時間をパラメータとしてフィードバックして、前記混合液の濃度及び/又は流量を調整する工程とによって実現することができる。
A.本発明によるシステムの概要
1.グラウト原液と希釈液を独立したポンプで圧送し、両液の吐出量を調節して混合・注入することにより、任意の濃度のグラウトを生成・注入するシステムを構成する。
2.注入過程で変化する地山の性状を、注入圧力、注入流量の変化として検知して把握し、自動的にグラウトを最適な濃度に調整して連続注入を行う。
3.注入流量又は注入圧力のプログラム曲線を注入口毎に設定し、流量、圧力が設定したプログラムに追従するように、原液ポンプ、希釈液ポンプの運転速度を調整して注入グラウト濃度を制御する。
4.所要のグラウトは、必要なときに必要な量を連続的に生成する方式であり、余剰グラウトを生成しないので、廃棄処理が不要であり、余剰グラウトの廃棄に関わる費用を排除し、かつ、環境汚染への憂慮を皆無にするシステムである。
5.地山の性状を自動的に把握し、流量、圧力、濃度を自動調節する方式であり、作業者の熟練、経験に依存しないシステムである。
6.グラウトの生成は、必要な濃度のグラウトを、その都度一定量を予め生成するバッチ方式ではなく、随時必要に応じて必要量を連続的に生成する方式であり、注入作業の中断などによる作業時間のロスを排除できる。
7.所要の能力に応じた機器の容量選定を行うのみで、同一制御システムを使用して小規模工事から大規模工事まで、幅広い適用が可能である。
8.施工データの収集、記録が容易であり、施工管理に供するとともに、関係者への説明資料として説得あるデータの蓄積が可能である。
1.一定濃度のグラウト原液(セメントミルク)と、希釈液(清水)とを用意し、それぞれ独立したポンプで圧送し、注入口の手前でラインミキサーにより均一に混合して注入グラウトを生成し、注入口へ送り込む。
2.原液と希釈液を混合した後の注入グラウトを、循環ラインなどによりリターンさせて原液濃度を変えるようなことはしない。
3.原液は、原液計量槽(調整槽)で必要量だけ生成し、随時、原液供給槽へ送り込む方式とし、余剰グラウトを生成しない。
4.原液供給槽は、原液グラウトを連続撹拌しつつ、注入運転時以外は循環させ、沈殿や成分の分離などによる濃度の変化を防止し、槽内、管路ともに均一な濃度状態を保持する。
5.注入圧力、流量ともに管理上限値を設定し、注入施工に伴う地山破壊のおそれを排除するとともに、低圧・大流量注入の状態とその継続時間を判別して漏出を把握する。
6.原液、希釈液流量の自動調整は、モータ・インバータによって駆動する各ポンプの運転速度を、独立して設けられた流量検出器の出力信号を負帰還制御することによって行う。
7.原液グラウトの生成は、任意に行うことができるので、工程進捗状況の如何に拘わらず、注入施工を中断することなく、原液供給槽の残量に応じて、随時、連続的に補充することができる。
1.地山の性質とグラウト注入方法
1−1.地山改良のためのグラウト注入は、注入圧力、流量、グラウト濃度を、そのときの地山の状態に応じて適正に管理すべきであり、それらの適正な管理値は、注入作業の進捗に応じて刻々と変化するものである。
1−2.注入圧力が過剰であれば、クラックなどの間隙を押し広げ、地山を破壊するおそれがあるので、注入圧力は、地山の性質に応じて又は岩盤変位計で計測した変位量と相俟って、適正な値以下に制限されなければならない。
1−3.注入圧が上昇せず、注入流量値だけが上昇することは、注入、改良を目的とする地山以外の部分に漏洩を生じている可能性があるので、的確にチェックし、注入を停止して検討する必要がある。
1−4.地山の性質が同じ状態であれば、同一圧力で注入した場合には、高濃度のグラウトほど注入流量は減少し、同一流量で注入した場合には高濃度のグラウトほど注入圧力は上昇する。
1−5.一般的グラウト注入における注入開始時には、注入点から離れた、間隙の狭いクラックなどの注入抵抗の大きい地山の不安定部から改良すべく、粘度が高く、注入抵抗の少ない低濃度グラウトを注入し、次第にグラウト濃度を高くして、間隙の大きい不安定部に圧送・充填してゆく。
グラウトを注入抵抗の大きい高濃度にして、同じ流量での注入を継続すれば、グラウト及び地山の注入抵抗がともに上昇し、注入圧力が上昇してくるので、自然と注入流量が低下する。
1−6.グラウト注入の最終工程においては、それまでに注入したグラウトが地山の微細な間隙にまで十分浸透するよう任意の濃度で、かつ、管理圧力値で注入流量がゼロ又はそれに近い状態になるまで「ダメ押し」を行う。
1−7.以上により、注入に当たり、流量、圧力、グラウト濃度を監視しつつ、適切な注入方法を、プログラム注入及び手動注入によって行う。
2−1.高濃度のグラウト原液と希釈液を用意し、それぞれ流量制御をしつつ独立したポンプによって圧送し、吐出側で混合して任意濃度の注入グラウトを得る。
2−2.グラウト原液の濃度は、W/C=0.75/1又は1.0/1のいずれかを選択し、グラウト原液を調整し、生成するとともに、注入運転開始に先立って演算定数としての原液W/Cを設定し入力する。希釈液は、清水とし、計算比重は、ρw=1.0[kg/L]とする。
2−3.起動時及び運転中において、生成すべき注入グラウトの吐出流量とW/Cが与えられれば、グラウト原液流量と希釈液流量とをそれぞれ独立して流量制御を行う。
このとき、グラウト原液流量と希釈液流量の和が吐出流量となり、かつ、注入する混合・生成グラウトのW/Cが与えられた値になるように演算して求めて設定流量値とする。
2−4.流量設定値をプログラム又はマニュアル設定する注入グラウトの流量制御を優先とし、注入グラウトの吐出圧力が、圧力設定上限値より上昇すれば注入グラウト濃度を低下させ、設定圧力下限値より低下すれば注入グラウト濃度を上昇させるようにW/Cを自動変更する。
このとき、変更したW/Cの値に応じて、グラウト原液と希釈液の所要流量を自動演算して流量設定値として与え、それぞれ独立した流量制御を行うが、濃度変更の効果が現れる猶予時間を待って、さらに濃度変化するか否かを自動判断する。
2−5.注入グラウトの吐出圧力の増減に応じて、グラウト濃度、W/Cを自動的に減増させる流量制御において、注入グラウトの吐出圧力が圧力設定した上限値に至れば、流量設定値の如何に関わらず、圧力設定中心値に戻るまで流量設定値を強制低減させる。
3−1.グラウト注入の一つの注入口について、注入開始から最終段階のダメ押しまで注入流量をプログラム化する(図1(a))。
3−2.グラウト注入は、低濃度グラウト(グラウト原液+希釈液)の注入で開始し、注入開始後から一定時間まで、管理上限値内で、グラウトが地盤内に注入される。
時間の経過とともに、充填率が充足され、次第に流量値が逓減され、最終的には、流量は、ゼロ又はそれに近い状態となる。
3−3.プログラム流量制御によって注入を開始した後、注入圧力が設定上限値に達したら、圧力が上限値を超えないようにポンプの回転数を下げ、圧力を低下させる。流量値がプログラム上限管理線を越えたときは、ポンプの回転でセメント・水比を上げ、グラウト濃度を濃くする。濃くすれば、当然、流量が減少する。減少しすぎると、プログラム下限管理線を越えるので、そのときは、ポンプでセメント・水比を下げ、グラウト濃度を薄くする。
このように、管理線の上下2本の間に収まるように濃度管理制御を行なう。
3−4.注入開始後、流量が大きいにも拘らず、圧力が設定下限値以下の場合は、警報を発してマニュアル検討を指示する(図1(c))。
前記濃度による規制ラインL2は、流量規制ラインL1の降伏点QKと、注入終了時間として予め設定したダメ押し開始点Bとを結ぶ許容幅を持った略直線的なラインとする。
これらのQ0、P0、QH、PH、A0、A1、B、C、L1、L2、L3、P1、P2の各点は、事前に行われる水押し試験、ボーリング等の当該地山の予備調査に基づいて設定される。
図1(b)は、圧力逓増ラインP1が注入開始のS時からA1時に達する前のD点でP0に達した例を示している。地山中の空隙の間に存在している狭歪部の注入抵抗が予測以上に大きいために注入圧力が急激に上昇しているような場合である。
図1(c)は、注入開始のS時からA1時までの、注入開始後、一定大流量を注入しても予定外の箇所へ漏出して注入圧力が上昇しないため、D点で注入を停止したような場合を示している。
注入開始前に原液圧送ポンプ(13)を運転してグラウト原液(10)を循環させるのは、注入に先立ち、グラウト原液(10)が成分分離したり、沈殿したりすることを防止して、原液全体を常に均一な状態に保持することが目的である。
前記スタテイツクミキサーは、駆動部を有しない管形の混合器で、円形の管路内に混合素子を設置したものである。この混合素子の形状は、長方形の板を左右逆方向に180度ひねったもので、それらを左右交互にそれぞれ直交するように配列したものである。
さらに、循環、注入を切り替える切り替え弁(14)、(24)は、速い切り替え速度が要求されるために空気駆動方式が望ましく、両液の流量検出器(15)、(25)は電磁流量計が適当である。
注入を開始するS点から、水押し試験で設定された初期設定濃度に基づくグラウト原液(10)と希釈液(20)の流量値が自動演算され、その結果によってグラウト原液ポンプ(13)と希釈液ポンプ(23)の速度が与えられ、初期設定濃度のグラウト注入が開始される。一定大流量を注入する流量規制ラインL1では、プログラム設定された注入流量Q0まで達すると、流量制御が開始される。
低濃度である初期設定濃度のグラウトが地山に注入され、次第に地山の注入抵抗が増加するに従い、注入流量Qを制御値に維持する結果、注入圧力PはP1のように、次第に上昇する。A0点までの流量規制ラインL1では、少しずつ濃度を上げていっても良いし、ある程度の濃度になったら一定値にしてもよい。
ここで、注入圧力をP2のように制限値P0内に維持しつつ、プログラムによって与えられる流量値に制御しようとするためには、注入抵抗が低下するよう、注入グラウトの粘度を低下させればよい。それには、希釈液(20)の流量に対するグラウト原液(10)の流量比率を自動的に低下させて濃度を下げて対処する。
注入圧力P2が上昇した場合にはグラウト原液(10)に対する希釈液(20)の供給比率を増やして注入グラウトの濃度を低下させ、注入圧力P2が低下した場合には注入グラウトの濃度を上昇させる自動調整を行う。
このような場合には、注入したグラウトが地山内で予定外の範囲に漏出している可能性があり、注入を継続すると予想し得ない箇所へグラウトが噴出し、環境汚染に至る可能性もあり、ここでは注入を開始してからT時間後、E点において注入を自動的に停止する例を示している。
このような場合には、注入工程の進捗に従って次第に濃度を上昇させる一般的な場合とは逆に、注入するグラウトの濃度を低下させるか又は増粘剤を添加して粘度を上げたグラウトを注入し、それ以降の圧力変動と時間によって地山の状況を把握し、注入を継続するべきか、中断すべきかの判断を行うべきであるが、この判断過程をプログラム化して自動的に行うことも可能である。
濃度の高いグラウト原液として水に対するセメントの質量比を1/1、即ち、W/C=1/1であるセメントミルクを準備し、希釈液として清水を用いるものとした場合、両者を混合して得られる注入グラウトの濃度W/Cは、グラウト原液と希釈液の流量比に応じて次のごとく得られる。
グラウト原液の流量をQg[L]、希釈液の流量をQw=k×QgとするときW/C=1/1のセメントミルクの比重は、ρ=1.52であるので、グラウト原液中の水の量Gwとセメントの質量Gcは同量であり、
Gw=Gc=(1/2)×1.52×Qg [kg]
希釈液の比重は1.0であり、グラウト原液と希釈液を混合した注入グラウト中の水の量Gwlとセメントの量Gclは Gwl=1.0×[(1/2)×1.52×Qg+k×Qg]
=(0.76+k)×Qg
Gcl=Gc=0.76×Qg 従って、混合生成される注入グラウトは
W/C=0.76+k/0.76
となる。
Claims (6)
- 水押し試験等の地山の予備調査を行なう工程と、
この予備調査工程に基づいて、注入開始からの注入を一定流量に規制するために予め設定されたグラウト注入工程初期の流量規制ラインと、この流量規制ラインに沿って一定流量を注入し、所定の積算量を注入した後に、注入圧力の上昇に伴い注入流量が低下を開始する降伏点と、注入終了時間として予め設定したダメ押し開始点とを結ぶ許容幅を持った略直線的なラインをもって注入流量を濃度の制御によって逓減する濃度による規制ラインとからなるグラウト注入プログラム制御ラインを設定する工程と、
この工程で得られたグラウト注入プログラム制御ラインのうちの少なくとも前記濃度による規制ラインの許容幅内に追随するような注入流量値を保持するために、グラウト原液に対する希釈液の比率を、注入圧力が上昇したときに増やしてグラウトの濃度を低下させ、注入圧力が低下したときに減らしてグラウトの濃度を上昇させるように、注入流量制限値と注入圧力制限値を監視しながら、注入施工開始後の注入工程の進捗に伴う当該地山の性状変化に応じて注入グラウト濃度の濃淡を制御しつつ注入する工程と
からなることを特徴とするグラウト注入制御方法。 - グラウト注入プログラム制御ラインを設定する工程は、流量規制ラインと、濃度による規制ラインの他に、ダメ押し開始点からダメ押し終了点までのダメ押しラインと、注入開始から注入圧力が制限値に至るまでの圧力逓増ラインと、注入圧力が制限値に至ったときからダメ押し終了点までの圧力規制ラインとで構成したことを特徴とする請求項1記載のグラウト注入制御方法。
- 注入グラウト濃度の濃淡を制御しつつ注入する工程は、グラウト原液を生成する工程と、このグラウト原液を希釈する希釈液を生成する工程と、前記グラウト原液と希釈液とをそれぞれ独立して圧送して混合し、注入直前に所定の濃度のグラウトを生成する工程と、地山に注入した時の注入圧力、注入流量、注入濃度、注入時間をパラメータとしてフィードバックし、前記混合液の濃度及び/又は流量を可逆調整する工程とからなることを特徴とする請求項1又は2記載のグラウト注入制御方法。
- 注入グラウト濃度の濃淡を制御しつつ注入する工程における所定の濃度の混合液を生成する工程は、グラウトの主成分を含む1種類以上のグラウト原液と、このグラウト原液と混合して生成する混合液の濃度をグラウト原液より低下せしむる1種類以上の希釈液とを、それぞれ独立したポンプを使用して圧送し、地山に注入する注入管流路に至る前段階で混合してなり、この吐出する混合液の吐出圧力値及び流量値の変化に応じてグラウト原液と希釈液の混合比率を連続、自動的に可逆調整することを特徴とする請求項3記載のグラウト注入制御方法。
- 注入グラウト濃度の濃淡を制御しつつ注入する工程における所定の濃度の混合液を生成する工程は、地山に注入する混合液の吐出圧力値及び流量値の変化に応じて、グラウトの凝固を促進する凝固促進剤又は粘度を増加させる増粘剤を添加して注入するグラウトの性状を変化させることを特徴とする請求項3又は4記載のグラウト注入制御方法。
- グラウト原液を投入したグラウト原液槽と、このグラウト原液槽に結合された原液圧送ポンプと、この原液圧送ポンプによる吐出量を検出する流量検出器と、希釈液を投入した希釈液槽と、この希釈液槽に結合された希釈液圧送ポンプと、この希釈液圧送ポンプによる吐出量を検出する流量検出器と、前記原液圧送ポンプと希釈液圧送ポンプとから吐出されたグラウト原液と希釈液とを混合するラインミキサーと、このラインミキサーの吐出側に連結された注入管と、この注入管の吐出圧力を検出する圧力検出器と、混合液の吐出圧力値及び流量値の変化に応じて原液と希釈液の混合比率を連続、自動的に可逆調整してコンピュータに請求項1又は2記載のグラウト注入制御方法を実現させるためのプログラムを記憶した制御回路とからなり、地山に注入した時の注入圧力、注入流量、注入濃度、注入時間をフィードバックして前記混合液の濃度及び/又は流量を可逆的に調整するようにしたことを特徴とするグラウト注入制御装置。
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