JP5170821B2 - 乾式吹付け工法における加水制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート、モルタルその他の吹付け物を乾式吹付け工法で吹き付ける際に用いられる加水制御システム及び方法に関する。

コンクリートやモルタルを施工面に吹き付ける吹付け工法は、広範囲にわたる短時間施工が可能であることから、例えば山岳トンネル工法におけるトンネルの一次覆工や、斜面の崩落を防止するための法面防護に広く採用されており、混合方式の違いによって、湿式吹付け工法と乾式吹付け工法とに大別される。

ここで、湿式吹付け工法は、骨材やセメントを最初から水と練り混ぜ、これを圧縮空気やポンプで圧送して吹付けノズルから吐出させるものであって、コンクリートやモルタルの品質が安定しているという利点からさまざまな用途に広く採用されている。

一方、乾式吹付け工法は、圧送負荷が小さいため、圧送距離が長い場合に採用されることが多い。

特開２０００−３２９７８１ 特開２００１−８１７６１

しかしながら、吹付け工法においては、吹付けノズルから噴出されるコンクリート、モルタルといった吹付け物が施工部位にきちんと付着あるいは充填されているか、あるいは過剰なリバウンドが生じていないか、密度は適正かといった点を確認しながら、加水量を調整する必要があるところ、乾式吹付け工法では、かかる加水量の調整を作業員の判断に委ねているのが現状である。

そのため、作業員の経験や能力によって、吹付けコンクリートや吹付けモルタルの品質に変動が生じるという問題を生じていた。

また、加水量が適正に調整されていない場合、吹きムラの発生や含水比のばらつきあるいはそれらに起因した密度不足が生じて吹付けコンクリートや吹付けモルタルの品質が低下するという問題や、作業中に吹付けノズルやホースが閉塞する、あるいはリバウンドが多くなって作業性が悪くなるといった問題を生じていた。

かかる問題は、ベントナイト混合土を埋め戻し材として用いる場合であって該ベントナイト混合土を吹き付ける際にも同様に生じるとともに、放射性廃棄物の埋設処分施設に用いるような場合には、精度の高い加水管理が要求されるため、作業員の判断に頼る従来方法では到底対応することができないという問題も生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、コンクリート、モルタル、ベントナイト混合土等の吹付け物を乾式工法で吹き付けるにあたり、作業員の経験や能力とは関係なく良好な付着状態を確保するとともに、吹付けノズルやホース内での閉塞を防止し、かつ吹付け物の品質を確保することが可能な乾式吹付け工法における加水制御システム及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加水制御システムは請求項１に記載したように、流入側が給水手段に連通接続され流出側が混練物圧送ラインに合流接続された流量制御バルブと、前記混練物圧送ライン上であって前記流量制御バルブとの接続位置よりも下流側に設けられた流量計と、前記流量制御バルブを制御する演算処理部とを備えてなり、該演算処理部は、前記流量計で計測された流量から加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて前記流量制御バルブを制御することにより加水前混練物への加水量を調整するようになっているものである。

また、本発明に係る加水制御システムは、前記演算処理部を、前記流量を重量換算して前記加水後混練物の重量を算出し、前記流量制御バルブから取得した前記混練物圧送ラインへの水の供給量を用いて前記加水後混練物の重量から無加水混練物の重量を算出し、前記加水後混練物の重量及び前記無加水混練物の重量から実際の含水比を算出することで前記加水後混練物の含水比を推定するように構成するとともに、該推定された含水比が設計含水比と等しくなるように前記補正水量を算出するように構成したものである。
また、本発明に係る加水制御方法は請求項３に記載したように、加水前混練物が圧送される混練物圧送ラインに水を供給することで該加水前混練物に加水して加水後混練物とする乾式吹付け工法における加水制御方法において、
前記加水後混練物の流量を計測し、該流量から前記加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて前記混練物圧送ラインへの水の供給量を制御することにより前記加水前混練物への加水量を調整するものである。
また、本発明に係る加水制御方法は、前記含水比の推定工程は、前記加水後混練物の流量を重量換算して前記加水後混練物の重量を算出し、前記混練物圧送ラインへの水の供給量を用いて前記加水後混練物の重量から無加水混練物の重量を算出し、前記加水後混練物の重量及び前記無加水混練物の重量から実際の含水比を算出する一連の工程からなり、前記補正水量の算出工程は、前記推定された含水比が設計含水比と等しくなるように前記補正水量を算出する工程からなるものである。

本出願人は、加水量の調整を作業員の判断に委ねているために吹付け物の品質に変動が生じるという乾式特有の課題を解決すべく研究開発を重ねた結果、加水後混練物の流量と含水比との間には相関関係があって、含水比が小さい場合には流量が小さくなり、含水比が大きい場合には流量が大きくなる点に着眼し、加水後混練物の流量を用いて流量制御バルブを制御することにより、加水後混練物の含水比を一定に維持して吹付け物の品質を確保するとともに、ホース内の閉塞や過剰なリバウンドの発生を未然に防止することに成功したものである。

すなわち、従来の乾式吹付け工法と同様、吹付け物の原材料のうち、固形物だけを空練りして加水前混練物とし、これを混練物圧送ラインで圧送するとともに、圧送途中で加水して加水後混練物とした上、該加水後混練物を混練物圧送ラインの末端に設けられた吹付けノズルから吹付け物として吐出するが、本発明においては、加水後混練物の流量を計測する流量計をあらたに備えるとともに、該流量計で流量を計測し、次いで、計測された流量から加水後混練物の含水比を推定し、次いで、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、次いで、該補正水量を用いて流量制御バルブを制御することにより加水量を調整する。

このようにすると、加水量を変えるタイミングや加水量の増減量をより客観的に行うことが可能となり、従来のように作業員の経験や能力によって吹付け物の品質が変動するといった懸念がなくなるとともに、加水後混練物の流量と含水比との相関関係に基づいて加水量を調整するため、加水後混練物の含水比が設計含水比から大きく変動してしまうのを防止することが可能となり、その結果、吹付け物の品質低下、吹付けノズルやホース内での閉塞あるいは過度なリバウンドを未然に防止することができる。

演算処理部は、流量計で計測された流量から加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて前記流量制御バルブを制御することにより加水量を調整する限り、具体的な演算処理構成については任意であり、特に、加水後混練物の含水比を推定する手法についてはさまざまな方法を採用することができる。

例えば、流量を重量換算して加水後混練物の重量を算出し、次いで、流量制御バルブから取得した前記混練物圧送ラインへの水の供給量を用いて、加水後混練物の重量から無加水混練物の重量を算出し、次いで、加水後混練物の重量及び無加水混練物の重量から実際の含水比を算出することで加水後混練物の含水比を推定するとともに、該推定された含水比が設計含水比と等しくなるように補正水量を算出することが可能である。

なお、本発明が適用される施工部位は、乾式吹付け工法を採用してコンクリートやモルタルあるいはベントナイト混合土を吹き付けることができる部位であればどのような部位でもよく、例えば山岳トンネル工法における１次覆工部位や法面被覆される傾斜地以外にも、放射性廃棄物処分施設の狭隘部への埋め戻し部位に適用可能である。

以下、本発明に係る乾式吹付け工法における加水制御システム及び方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る乾式吹付け工法における加水制御システムを示した略図である。同図でわかるように、本実施形態に係る加水制御システム１は、流出側が混練物圧送ライン２に合流接続された流量制御バルブ３と、混練物圧送ライン２上であって流量制御バルブ３との合流位置よりも下流側に設けられた流量計４と、流量制御バルブ３を制御する演算処理部５とを備えており、例えばトンネル用吹付機をベースとして構成することが可能である。

混練物圧送ライン２の開始点には混練ミキサー７を設置してあり、ベントナイト混合土の原材料であるベントナイト、砂及び礫を攪拌混合して加水前混練物を生成するようになっている。

混練物圧送ライン２は、混練ミキサー７で空練りされた加水前混練物を図示しないコンプレッサーからの圧縮空気によってホース内を圧送するようになっており、該ホースの先端には吹付けノズル８を取り付けてある。

流量制御バルブ３は、その流入側を圧送ポンプ９を介して給水手段である貯水タンク６に連通接続してあり、該貯水タンク内の水を混練物圧送ライン２に供給することで、圧送途中の加水前混練物に加水できるようになっている。

混練物圧送ライン２上であって流量制御バルブ３との接続位置と吹付けノズル８との間には流量計４を設けてあり、該流量計で加水後混練物の流量を計測することができるようになっている。流量計４は、砂や礫といった固形物を含んだ流体であっても計測可能なものを市販品から適宜選択すればよい。

例えば、株式会社松島機械研究所から市販されている粉体流量計（マイクロ波方式、静電容量方式）、株式会社山武から市販されている楕円スロート流量計（絞り式差圧流量計）、愛知時計電機株式会社から市販されている非満水電磁流量計、東京計装株式会社から市販されている静電容量式電磁流量計、富士電機システムズ株式会社から市販されている高精度ハイブリッド超音波流量計などが採用対象となる。

演算処理部５は、流量計４で計測された流量から加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて流量制御バルブ３を制御することにより、加水前混練物への加水量を調整できるように構成してある。

なお、演算処理部５は、吹付け機械の付属設備として又は吹付け機械とは別にパソコンや加水制御ユニットで構成することができる。

図２は、本実施形態に係る乾式吹付け工法における加水制御システム１を用いてベントナイト混合土の加水量を制御する手順を示したフローチャートである。同図に示すように、本実施形態に係る加水制御システム１を用いて加水量を制御するには、まず、混練ミキサー７にベントナイト、砂及び礫を、例えば１５％、３５％、５０％の重量比で投入し、これを攪拌混合して加水前混練物とする。

次に、加水前混練物を混練物圧送ライン２に沿ってホース内を圧送するとともに、貯水タンク６内の水を圧送ポンプ９で混練物圧送ライン２に供給し、加水前混練物に加水し、加水後混練物とする。

次に、吹付けノズル８の手前に設けられた流量計４で加水後混練物の流量Vsを計測する（ステップ１０１）。

次に、演算処理部５で流量Vsを重量換算し、加水後混練物の重量Wsを算出する（ステップ１０２）。かかる換算を行うにあたっては、予め吹付け試験を行うことにより、流量Vsと重量Wsとの関係式Ws=ｆ(Vs)を求めておく。ｆ(Vs)は、例えば最小二乗法で評価された任意次数の近似式とすることができる。

一方、流量制御バルブ３から混練物圧送ライン２への水の供給量Wwを取得する（ステップ１０３）。

次に、供給量Wwを用いて加水後混練物の重量Wsから無加水混練物の重量（Ws−Ww）を演算処理部５で算出する（ステップ１０４）。

次に、加水後混練物の重量Ws及び無加水混練物の重量（Ws−Ww）から次式を用いて実際の含水比Ｒを演算処理部５で算出する（ステップ１０５）。

R＝Ww／（Ws−Ww）×１００ ［%］ （１）

次に、含水比Ｒが設計含水比Ｒdと等しくなるように演算処理部５で補正水量を算出する（ステップ１０６）。

次に、補正水量を用いて流量制御バルブ３の開度を演算処理部５で制御する（ステップ１０７）。補正水量は、増減量（差分値）でもかまわないし、増減された供給量でもかまわない。

以下、ステップ１０１〜ステップ１０７を例えば数秒〜数分単位で繰り返しながら、加水後混練物を吹付け物として吹付けノズル８から施工部位に吹き付ける。

なお、このように加水制御されたベントナイト混合土は、例えば埋戻し材として吹き付けることが可能であり、具体例には図１に示すように、廃棄物処分施設の埋戻し箇所である狭隘部１０に吹き付けて該狭隘部を埋め戻すことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る乾式吹付け工法における加水制御システム１によれば、加水量を変えるタイミングや加水量の増減量をより客観的に行うことが可能となり、従来のように作業員の経験や能力によって吹付け物の品質が変動するといった懸念がなくなるとともに、吹付けノズルやホース内での閉塞あるいは過度なリバウンドを未然に防止することができる。

また、ベントナイト混合土の流量と含水比との相関関係に基づいて加水量を調整するようにしたので、ベントナイト混合土の含水比が設計含水比から大きく変動してしまうのを防止するとともに、その結果として、より均一な密度でベントナイト混合土を吹き付けることが可能となる。

そのため、ベントナイト混合土を高い品質で吹付け施工することが可能となり、例えば廃棄物処分施設、特に高品質が要求される放射性廃棄物処分施設の埋戻し材としてベントナイト混合土を用いる場合に有用なきわめて有効な手段となる。

本実施形態では、流量計４を吹付けノズル８の手前に配置するようにしたが、本発明に係る流量計は、混練物圧送ライン上であって流量制御バルブとの接続位置よりも下流側に設けられる限り、その場所は任意である。例えば吹付けノズル内に設けるようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、吹付け物がベントナイト混合土である場合について説明したが、吹付け物はかかる構成に限定されるものではなく、コンクリートやモルタルに広く適用することができる。

本実施形態に係る加水制御システムの略図。 本実施形態に係る加水制御システムを用いて加水制御を行う手順を示したフローチャート。

符号の説明

１ 乾式吹付け工法における加水制御システム
２ 混練物圧送ライン
３ 流量制御バルブ
４ 流量計
５ 演算処理部
６ 貯水タンク（給水手段）
７ 混練ミキサー
８ 吹付けノズル

Claims (4)

1. 流入側が給水手段に連通接続され流出側が混練物圧送ラインに合流接続された流量制御バルブと、前記混練物圧送ライン上であって前記流量制御バルブとの接続位置よりも下流側に設けられた流量計と、前記流量制御バルブを制御する演算処理部とを備えてなり、該演算処理部は、前記流量計で計測された流量から加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて前記流量制御バルブを制御することにより加水前混練物への加水量を調整するようになっていることを特徴とする乾式吹付け工法における加水制御システム。
2. 前記演算処理部は、前記流量を重量換算して前記加水後混練物の重量を算出し、前記流量制御バルブから取得した前記混練物圧送ラインへの水の供給量を用いて前記加水後混練物の重量から無加水混練物の重量を算出し、前記加水後混練物の重量及び前記無加水混練物の重量から実際の含水比を算出することで前記加水後混練物の含水比を推定するようになっているとともに、該推定された含水比が設計含水比と等しくなるように前記補正水量を算出するようになっている請求項１記載の乾式吹付け工法における加水制御システム。
3. 加水前混練物が圧送される混練物圧送ラインに水を供給することで該加水前混練物に加水して加水後混練物とする乾式吹付け工法における加水制御方法において、
   前記加水後混練物の流量を計測し、該流量から前記加水後混練物の含水比を推定し、推定された含水比と設計含水比とを比較して補正水量を算出し、該補正水量を用いて前記混練物圧送ラインへの水の供給量を制御することにより前記加水前混練物への加水量を調整することを特徴とする乾式吹付け工法における加水制御方法。
4. 前記含水比の推定工程は、前記加水後混練物の流量を重量換算して前記加水後混練物の重量を算出し、前記混練物圧送ラインへの水の供給量を用いて前記加水後混練物の重量から無加水混練物の重量を算出し、前記加水後混練物の重量及び前記無加水混練物の重量から実際の含水比を算出する一連の工程からなり、前記補正水量の算出工程は、前記推定された含水比が設計含水比と等しくなるように前記補正水量を算出する工程からなる請求項３記載の乾式吹付け工法における加水制御方法。

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