JP5331567B2

JP5331567B2 - 破壊方法

Info

Publication number: JP5331567B2
Application number: JP2009114610A
Authority: JP
Inventors: 加津也佐々木; 秀昭北嶋; 幹雄田中; 良阪本
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: JP2010261272A

Description

本発明は、被破壊物を破壊する破壊方法に関する。

従来より、コンクリート構造物や岩石等の被破壊物を破壊する方法として、爆発性を有する物質を爆発させることによる衝撃力を利用したものが知られている。例えば、特許文献１では、金属細線を介して接続された一対の電極およびニトロメタンが収容された破壊容器を、被破壊物に形成された装着孔に挿入し、金属細線に電気エネルギーを短時間にて放電供給することによりニトロメタンを爆発させ、金属細線が溶融気化する際の膨張力およびニトロメタンの爆発力により被破壊物を破壊する方法が開示されている。

また、特許文献２では、金属細線を介して接続された一対の電極および水が収容された破壊容器を、被破壊物に形成された装着孔に挿入し、金属細線に電気エネルギーを短時間にて放電供給することにより水を急激に気化させ、気化の際の膨張により被破壊物を破壊する方法が開示されている。

特許第３６７２４４３号公報特許第３７７３３０５号公報

ところで、特許文献１の方法では、ニトロメタンの爆発による燃焼面の伝播速度が音速を超えて衝撃波を伴う爆轟となり、爆発から非常に短時間（例えば、数μ（マイクロ）秒）の間に爆轟による圧力がピーク圧に達する。これにより、爆薬が装填された装填孔の周囲の部位が粉砕され、爆轟により被破壊物に生じる亀裂が様々な方向へ進展するため、亀裂の進展方向を予測することが困難である。また、特許文献２の方法では、破壊力の向上に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、非破壊物が必要以上に破壊されることを防止しつつ被破壊物の破壊の際に生じる亀裂の進展方向を容易に制御することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、被破壊物を破壊する破壊方法であって、ａ）無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な破壊用物質を、被破壊物に形成された凹部内に収容する工程と、ｂ）一対の電極を接続する金属細線を前記破壊用物質の内部に位置させる工程と、ｃ）前記一対の電極に電気エネルギーを供給して前記金属細線を溶融させることにより、前記破壊用物質に、反応面の伝播速度が音速以下である燃焼反応を生じさせ、前記破壊用物質の燃焼の際の膨張により前記被破壊物を破壊する工程とを備え、前記金属細線の溶融気化により発生する衝撃圧が１ＧＰａ（ギガパスカル）未満である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の破壊方法であって、前記ｂ）工程が、容器内に前記金属細線、前記一対の電極および前記破壊用物質を収容してカートリッジを形成する工程であり、前記ａ）工程が、前記ｂ）工程と前記ｃ）工程との間にて、前記カートリッジを前記被破壊物の前記凹部内に挿入する工程である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の破壊方法であって、前記破壊用物質が液体である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の破壊方法であって、前記破壊用物質がニトロメタンである。

本発明では、被破壊物の破壊の際に生じる亀裂の進展方向を容易に制御することができる。

放電衝撃破壊装置の構成を示す図である。放電衝撃破壊装置による被破壊物の破壊の流れを示す図である。放電衝撃破壊装置と被破壊物とを示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。燃焼反応の伝播の様子を示す図である。反応開始からの時間と衝撃圧との関係を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る放電衝撃破壊装置１の構成を示す図である。図１に示すように、放電衝撃破壊装置１は、コンクリート構造物や岩石等の被破壊物に装着されるカートリッジ２、配線３を介してカートリッジ２に接続されるコンデンサ４、および、配線５を介してコンデンサ４に接続される直流電源６を備え、配線３および配線５にはそれぞれ放電スイッチ３１および充電スイッチ５１が設けられる。図１では、図の理解を容易にするためにカートリッジ２の一部を断面にて描いている。

カートリッジ２は、プラスチック等により形成された略円筒状の破壊容器２１、破壊容器２１内に充填された無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な破壊用物質２２（すなわち、自己反応性を有する物質であり、本実施の形態では、液体であるニトロメタンが使用される。）、破壊容器２１内に収容された一対の電極２３、および、一対の電極２３の先端部に接続された電極２３よりも断面積が小さい金属細線２４を備える。一対の電極２３は、金属細線２４を介して互いに接続されるとともに配線３を介してコンデンサ４に接続される。

破壊容器２１は、上部に開口を有する容器本体２１１、および、容器本体２１１の開口を閉塞して容器本体２１１の内部を密閉する蓋部２１２を備える。一対の電極２３は、破壊容器２１の蓋部２１２を貫通するとともに蓋部２１２に固定された配線３により破壊容器２１に固定されており、電極２３および金属細線２４は破壊容器２１内にて破壊用物質２２の内部に位置する。

図２は、放電衝撃破壊装置１による被破壊物の破壊の流れを示す図である。放電衝撃破壊装置１により被破壊物の破壊が行われる際には、まず、図３に示すように、ドリル等により被破壊物９に凹部９１が形成される（ステップＳ１１）。本実施の形態では、凹部９１は深孔状の装填孔とされ、凹部９１の深さ方向に垂直な断面は略円形とされる。なお、図３では、図の理解を容易にするために被破壊物９を断面にて描いている。

続いて、図１に示すように、破壊容器２１の容器本体２１１内に破壊用物質２２が充填され、電極２３および金属細線２４が固定された蓋部２１２を容器本体２１１に取り付けることにより、電極２３、金属細線２４および破壊用物質２２が破壊容器２１内に収容されて（すなわち、電極２３および金属細線２４を破壊用物質２２の内部に位置させて）カートリッジ２が形成される（ステップＳ１２）。破壊容器２１内に充填される破壊用物質２２は、好ましくは５ｍｌ（ミリリットル）以上５０ｍｌ以下とされ、本実施の形態では、２５ｍｌとされる。なお、予め形成されたカートリッジ２が準備されていてもよい。

カートリッジ２が形成されると、図３に示すように、カートリッジ２が配線３を介してコンデンサ４に接続されるとともに、被破壊物９の凹部９１内に挿入されることにより、破壊用物質２２が凹部９１内に収容される（ステップＳ１３）。次に、被破壊物９の凹部９１内に砂等が充填されて突き固められ（いわゆる、タンピングが行われ）、放電衝撃破壊装置１の放電スイッチ３１がＯＦＦとされた状態で充電スイッチ５１がＯＮとされることにより、直流電源６からコンデンサ４に電気エネルギーが蓄積される。

その後、充電スイッチ５１がＯＦＦとされ、放電スイッチ３１がＯＮとされることにより、コンデンサ４に蓄積された電気エネルギーが、カートリッジ２の一対の電極２３に供給されて金属細線２４が溶融気化する。本実施の形態では、電圧が１ｋＶ以上６ｋＶ以下、電流の最大値が１ｋＡ以上５０ｋＡ以下、かつ、供給時間が１秒以下の条件下にて、電気エネルギーが一対の電極２３に供給される。溶融気化された金属細線２４は数千度の金属ガスとなり、コンデンサ４からの電気エネルギーが当該金属ガスにさらに供給されることによりプラズマが発生する。

そして、金属細線２４の溶融気化およびプラズマ化により発生する高温により、プラズマの周囲にて破壊用物質２２の燃焼反応が開始され、燃焼反応が破壊容器２１内において破壊用物質２２を伝播して拡がる。図４．Ａないし図４．Ｈは、破壊容器２１内における燃焼反応の伝播の様子を示す図であり、各図の中央近傍の白い部位が破壊用物質２２の燃焼部位を示す。図４．Ａないし図４．Ｈではそれぞれ、燃焼反応の開始から１０μ（マイクロ）秒後ないし８０μ秒後の様子を１０μ秒毎に示している。燃焼反応の反応面（すなわち、燃焼面）の破壊用物質２２の内部における伝播速度は、破壊用物質２２の標準状態（例えば、カートリッジ２内に液体として充填された状態）における音速以下（本実施の形態では、秒速約５００ｍ）とされる。

金属細線２４の溶融気化により発生する衝撃圧は、０．０５ＧＰａ（ギガパスカル）以上７ＧＰａ未満（より好ましくは、１ＧＰａ未満）とされる。放電衝撃破壊装置１では、破壊用物質２２に燃焼反応を生じさせ、破壊用物質２２の燃焼の際の膨張により生じる衝撃力（すなわち、放電衝撃力）により被破壊物９が破壊される（ステップＳ１４）。

以上に説明したように、上述の破壊方法では、破壊用物質２２の燃焼反応における反応面の伝播速度が音速以下とされることにより、衝撃波を伴う爆轟を生じさせることなく、破壊用物質２２を燃焼させることができ、破壊用物質２２の燃焼による衝撃圧がピーク圧に達するまでの時間を爆轟時に比べて長くすることができる。本実施の形態では、図５に示すように、反応開始から衝撃圧がピーク圧に達するまでの時間は約２５０μ秒とされる。

これにより、被破壊物９の凹部９１の周囲の部位が粉砕（すなわち、圧砕）されることなく、被破壊物９に亀裂を生じさせて破壊することができる。換言すれば、被破壊物９が必要以上に破壊されることが防止される。また、破壊用物質２２の燃焼反応の伝播速度が、被破壊物９の弾性波速度（例えば、被破壊物９がコンクリートの場合は秒速約３０００ｍ）よりも小さくされることにより、被破壊物９の破壊が静的な破壊に近い状態となる。その結果、被破壊物９の自由面（すなわち、応力が開放された面であり、空気中等に露出している面）の大きさやカートリッジ２と自由面との間の距離に基づいて亀裂の進展方向を容易に予測することができ、カートリッジ２を挿入する凹部９１の位置を調整することにより、被破壊物９の破壊の際に生じる亀裂の進展方向を容易に制御して所望の破壊態様を得ることができる。

上記破壊方法では、破壊用物質２２が被破壊物９の凹部９１に直接充填されることなく、破壊容器２１内に収容した状態で凹部９１に挿入される。したがって、当該破壊方法は、破壊用物質２２が液体である場合に特に適している。また、放電衝撃破壊装置１では、破壊用物質２２が液体とされることにより、破壊用物質２２の内部における燃焼反応の伝播が均一に行われる。

放電衝撃破壊装置１では、金属細線２４の溶融気化により発生する衝撃圧が７ＧＰａ未満とされることにより、破壊用物質２２であるニトロメタンの爆轟を防止することができる。また、上記衝撃圧が１ＧＰａ未満とされることにより、ニトロメタンに気泡等が含まれている場合であっても、ニトロメタンの爆轟を確実に防止することができる。なお、破壊用物質２２の燃焼により被破壊物９の破壊に必要な衝撃力を得るという観点からは、金属細線２４の溶融気化により発生する衝撃圧は、０．０５ＧＰａ以上とされることが好ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、破壊用物質２２は必ずしもニトロメタンには限定されず、液体にも限定されない。上述の放電衝撃破壊装置１による破壊方法では、無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な（すなわち、自己反応性を有する）様々な破壊用物質が利用されてよい。

また、上述の破壊方法では、必ずしもカートリッジ２が使用される必要はない。カートリッジ２を使用しない場合は、ステップＳ１２およびステップＳ１３に代えて、被破壊物９に形成された凹部９１内に破壊用物質２２を直接収容する工程、および、電極２３および金属細線２４を凹部９１内の破壊用物質２２の内部に位置させる工程とがこの順序にて行われる。

上記実施の形態では、凹部９１は被破壊物９に形成された孔であるが、放電衝撃破壊装置１に形成された溝部が凹部９１として利用されてもよい。また、上述の放電衝撃破壊装置１は、例えば、トンネルにおける仕上げ破壊作業やコンクリート構造物の解体作業、水中における破壊作業、その他、発破作業が制限される破壊・解体作業に利用することができる。

２カートリッジ
９被破壊物
２１破壊容器
２２破壊用物質
２３電極
２４金属細線
９１凹部
Ｓ１１〜Ｓ１４ステップ

Claims

被破壊物を破壊する破壊方法であって、
ａ）無酸素環境下または低酸素環境下にて燃焼可能な破壊用物質を、被破壊物に形成された凹部内に収容する工程と、
ｂ）一対の電極を接続する金属細線を前記破壊用物質の内部に位置させる工程と、
ｃ）前記一対の電極に電気エネルギーを供給して前記金属細線を溶融させることにより、前記破壊用物質に、反応面の伝播速度が音速以下である燃焼反応を生じさせ、前記破壊用物質の燃焼の際の膨張により前記被破壊物を破壊する工程と、
を備え、
前記金属細線の溶融気化により発生する衝撃圧が１ＧＰａ（ギガパスカル）未満であることを特徴とする破壊方法。
請求項１に記載の破壊方法であって、
前記ｂ）工程が、容器内に前記金属細線、前記一対の電極および前記破壊用物質を収容してカートリッジを形成する工程であり、
前記ａ）工程が、前記ｂ）工程と前記ｃ）工程との間にて、前記カートリッジを前記被破壊物の前記凹部内に挿入する工程であることを特徴とする破壊方法。
請求項２に記載の破壊方法であって、
前記破壊用物質が液体であることを特徴とする破壊方法。
請求項３に記載の破壊方法であって、
前記破壊用物質がニトロメタンであることを特徴とする破壊方法。