JP5715819B2 - 浚渫を最適化する方法及びシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔背景技術〕
過去１０年間で浚渫活動の量には顕著な増加が見られ、その中でも硬岩に対して行われる割合が増加している。この状況は、海洋インフラ計画及びペルシャ湾等の特定の領域の地質学的特徴によって大きな深度が必要となることで説明がつく。この増加傾向が今後１０年続くことをあらゆる予測が示している。

この展開に応答して、建設区域で作業する浚渫船のカッタヘッドはより強力なものになってきており、従来の掘削発破法と比較して低コストで高い生産速度が可能となっている。

浚渫船の最適な利用は、現場についての地質学的知識が確かであることを意味する。特に、切削に対する抵抗が最も大きい岩石地帯は、カッタの過度の磨耗及び損傷を回避するために慎重に施工（attacked）すべきであるため、その位置を把握しなければならない。

しかしながら、実際には、岩石の質及び深さは垂直方向及び水平方向の両方で頻繁に急変する。したがって、カッタヘッド４（図１）は、緩い地盤（砂）２に数メートルぶつかった後でコンクリートよりも抵抗が大きな岩石３にぶつかる可能性がある。ほとんどの場合、入札案内書に地質学的且つ地質工学的な現場（situ）特性についての表示があるが、多くの場合、これは不十分且つ不完全である。浚渫現場の面積は通常は数平方キロメートルであり、調査ボーリング孔間の距離は通常は数百メートルであるが、多くの場合、浅い岩石地帯は約１０メートルしかない。そのような硬い箇所は、カッタヘッドが衝突するまで検出されないままであることが多い。単に追加で無作為にボーリング孔を掘削するだけでは、状況は改善されない。

従来、浚渫船船長は、２つの可能な選択肢に直面する。

−生産量を最大にするために「蛮力（brute force）」の使用を試みること。ただし、破壊の危険性が高いことで計画外の修理のための頻繁な停止の危険性が高い。

−切削パワーを制限することによってポンプ浚渫船の損傷を回避すること。ただし、これは非岩石地帯で不必要に低い生産量を伴う。

〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、通常既に利用可能な低分解能情報に加えてカッタヘッド付近の材料に関する高分解能情報に基づいて、切削パラメータの具体的な調整を行うシステムを提供することによって、当該技術分野における問題を克服することを目的とする。高分解能情報は、浚渫中に取得及び更新される。その目的は、浚渫プロセス自体の間に、カッタヘッドの周辺付近及びカッタヘッドの前の地球物理学的測定によって、カッタヘッドの近くの既存の地質学的モデルを微調整することである。

〔図面の簡単な説明〕
（図１）水層１、砂層２、岩石層３、カッタヘッド４、及び海底下の浚渫深度５を示す、海底の断面の概略図である。カッタヘッド４は、回転し（７）、砂層２及び／又は岩石層３内へ前進する（６）。

〔課題を解決するための手段〕
本発明の一実施形態は、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法であって、
−浚渫対象の区域の従来の土壌情報を得るステップと、
−浚渫中にカッタヘッドの位置及びその周辺の局所土壌パラメータを測定するステップと、
−歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、従来の土壌パラメータと局所土壌パラメータとの組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを計算するステップと、
−浚渫パラメータを調整することで現在及び後続のカッタヘッド位置において最適な効率を与えるステップと、
を含む、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法である。

本発明の別の実施形態は、局所土壌パラメータが地震データを含む、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、上記地震データが、反射法地震データ及び／又は屈折法地震データ、及び／又は地震表面波データを含む、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、局所土壌パラメータが大地比抵抗（geo-resistivity）データを含む、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、局所土壌パラメータがパラメトリック音響測深データを含む、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、局所土壌パラメータが、振動データ、音データ、カッタヘッドにおける温度測定値、カッタヘッドのスイング速度のいずれかを含む、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、カッタパラメータが、横方向スイング速度、カッタヘッド回転速度、カッタヘッド回転トルク、施工層厚、及び切削当たりの幅のいずれかである、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、地質探査データが、掘削、ボーリング孔、バイブロコア（vibrocores）、ピストンサンプリング、コア貫入試験、及びウォッシュプロービング（wash probing）から得られる、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、硬い土壌又は岩石の接近が測定又は予測されると、施工される層厚及び／又は層幅、及び／又はカッタの横方向スイング速度が低減される、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、柔らかい土壌の接近が測定又は予測されると、施工される層厚及び／又は層幅、及び／又はカッタの横方向スイング速度が増加される、上述のような方法である。

本発明の別の実施形態は、カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を最適化するシステムであって、
−浚渫対象の区域の従来の土壌データを得る手段と、
−浚渫中にカッタヘッドの地点（locality）の局所土壌パラメータを測定する手段と、
−歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、従来の土壌情報と局所土壌情報との組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを計算する手段と、
−浚渫パラメータを出力することにより浚渫パラメータを調整することで現在及び後続のカッタヘッド位置において最適な効率を与える手段と、
を備える、カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を最適化するシステムである。

本発明の別の実施形態は、上記方法に記載の特徴を有する上述のようなシステムである。

〔発明を実施するための形態〕
別段の定義がない限り、本明細書で用いられるすべての技術用語及び科学用語は、当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書で参照されるすべての公報が、参照により本明細書に援用される。本明細書で参照されるすべての米国特許及び特許出願が、参照により図面を含むその全体が本明細書に援用される。

冠詞「a」及び「an」は、その冠詞の文法上の対象の１つ又は２つ以上、すなわち少なくとも１つを指すために本明細書では用いられる。例として、「a sensor」は、１つのセンサ又は２つ以上のセンサを意味する。

本願全体を通して、「約」という用語は、或る値が、その値を求めるのに用いられる装置又は方法の標準誤差を含むことを意味するために使用される。

端点による数値範囲の記述は、全整数と、必要に応じてその範囲内に包含される端数とを含む（例えば、１〜５は、例えば試料の数を指す場合は１、２、３、４を含むことができ、例えば濃度を指す場合は１．５、２、２．７５、及び３．８０も含むことができる）。端点の記述は、その端点値自体も含む（例えば、１．０〜５．０は、１．０及び５．０の両方を含む）。

本発明は、土壌又は岩石の浚渫中に、以下では浚渫能力と呼ぶ水中掘削能力について示唆するパラメータを測定することが可能であるという、本発明者らの知見に関連する。これらのパラメータの１つ又は複数を従来の土壌データと組み合わせて使用し、切削現場及び後続の切削場所におけるカッタパラメータが調整される。調整され得るパラメータは、例えば、カッタ回転速度、ウィンチに対する引張力、又は歩留まりを最適化し且つ／又は摩滅及び引裂きを減らすために調整される任意の他のパラメータである。

本発明の一態様は、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法であって、
−浚渫対象の区域の従来の土壌データを得ること、
−浚渫中にカッタヘッドの地点及びその周辺の土壌パラメータを測定すること、
−歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、浚渫中に取得される地質調査データと局所土壌パラメータとの組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを計算すること、及び
−現在及び後続のカッタヘッド位置における生産量を最適化するために、カッタパラメータを調整すること、
を含む、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法に関する。

従来の土壌データは、浚渫作業から独立した従来の情報源又は調査方法を用いて土壌特性又は岩石特性に関して得られる全情報をいい、例として、地図及び刊行物からの地質データ、ボーリング孔説明書、地質工学試験報告書、地球物理調査書等が挙げられる。

局所土壌パラメータは、カッタヘッドの現在位置付近で測定されるようなパラメータである。

土壌パラメータは、任意の現場技法（例えば、屈折法地震探査、反射法地震探査、大地比抵抗探査、パラメトリック音響測深探査等）を用いて測定され、最も好ましくは、特に良好な結果が得られることが分かっている地震波速度（Ｐ波及び／又はＳ波速度）の測定値である。地震波速度は、地中における地震波の伝播の速度をいう。圧縮地震波（compressive seismic waves：疎密波）（Ｐ波）又は剪断地震波（shear seismic waves：剪断波）（Ｓ波）のいずれかが用いられ得る。対応する地震波速度が、Ｐ波速度及びＳ波速度と呼ばれる。地震波速度は、岩石又は土塊の地質工学的特性に関連する測定土壌パラメータであり、屈折法地震探査によって測定されることが好ましい。地震波速度に加えて、又は地震波速度の代わりに、１つ又は複数の他の地球物理学的技法、例えば大地比抵抗探査、反射法地震探査、地震表面波観測、パラメトリック音響測深探査等を用いて、他の土壌パラメータも測定され得る。

二次土壌関連パラメータは、より高い精度を得るために解析で用いられ得る。これらは、振動データ、音データ、カッタヘッドにおける温度測定値、及びカッタヘッドのスイング速度を含む。浚渫作業自体によって発生する地震信号を用いて土壌を研究することは、本発明の範囲内にある。概して、当該測定値は、適当なセンサによって取得される。センサは、浚渫船自体に搭載され得るか、海底上に置かれ得るか、又は適当な補助船の後ろで曳航され得る。

カッタヘッドは、概して、浚渫船の下に吊下されるラダーによって回転軸に取り付けられるホイール又は球である。ラダーの方向は、その掃過範囲内で３次元で調整可能であるため、下方、前方、及び横方向に切削することができる。本システムによって計算される浚渫パラメータを用いて、浚渫プロセスの切削特性（カッタパラメータ）の１つ又は複数、例えば、横方向スイング速度、カッタヘッド回転速度、カッタヘッド回転トルク、施工層厚、及び切削当たりの幅を調整することができる。カッタの歯は、一般的には双方向だが、一方の横方向スイング方向（いわゆるオーバーカッティングスイング方向）の切削作用が他方（いわゆるアンダーカッティングスイング方向）と比較して小さい。横方向スイング方法は、例えば、衝撃の小さいオーバーカッティング方向では砂及び軟弱粘土をほぐすように、衝撃の大きなアンダーカッティング方向では岩石を切削するように調整することができる。

地質調査データは、当業者に一般的に既知の方法によって得られる任意のものであり得る。例えば、これは、地質画像集から又は特定現場掘削から得られるものであり得る。

本方法は、Ｓｏｉｌ Ｖｉｅｗｅｒコンピュータディスプレイを介して浚渫船船長によって利用可能となる土壌画像を提供し得る。この情報に基づいて全自動浚渫モードで、いわゆる自己学習プロセスで浚渫船の性能を最大にするためにこの地質情報を最適な浚渫パラメータに変換するのは、浚渫船コンピュータ自体である。

本発明の一態様は、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化するシステムであって、
−浚渫対象の区域の従来の土壌情報を得る手段と、
−浚渫中にカッタヘッドの地点の局所土壌パラメータを測定する手段と、
−歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、従来の土壌情報と局所土壌情報との組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを最適化する手段と、
−カッタパラメータを出力することによりカッタパラメータを調整することで現在及び後続のカッタヘッド位置において最適な効率を与える手段と、
を備える、カッタサクションヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化するシステムである。

本方法に関して上述の特徴は、本システムにも当てはまる。

本発明の一態様によれば、浚渫パラメータは、カッタの現在位置を示す地図の表示上に出力される。地図には、最適な切削パラメータを示すレベル（例えば、色、輪郭線等）が設けられ得る。これは、切削プロセス中の１つ又は複数の測定された地球物理学的パラメータの関数であり得る。浚渫船船長は、この表示から手動浚渫モードで、浚渫を最適化するのに最も適当なカッタパラメータを決定することができる。カッタヘッドが硬質地帯（例えば、高地震波速度及び／又は高比抵抗）に接近するにつれて、浚渫船船長は、硬い箇所に慎重に接近するために、サイドウィンチに対する引張力を小さくすることで横方向スイング速度を低下させることができる。硬質地帯を通過したらすぐに、最大生産量に戻すために引張力を大きくすることで横方向スイング速度を上昇させる。自動浚渫モードの場合、ポンプ浚渫船に搭載のカッタコンピュータ自体が、収集した地質情報を最適な浚渫パラメータに変換する。特定の浚渫計画で正当化され得るように、本発明は、地震波速度又は大地比抵抗の使用にも、任意の他のパラメータ又はパラメータの組み合わせにも限定されない。

本発明は、微制御及び最適な磨耗及び歩留まりパラメータを可能にするには分解能が低すぎる測量図又はボーリング孔に依存して最適な浚渫方式を決定する手段を提供することが有利である。特に、地球物理データの使用が、歩留まり及び効率を高めることが分かっている。現在、建設現場における骨材生産量の利益は１０％であると見積もられている。本システムは、地図の作成にデータを用いることができる土壌の精細且つ迅速な地質調査を可能にする。

〔実施例〕
実施例１−土壌パラメータを測定する技法の決定
浚渫船の利用を最適化するために、土壌パラメータを得る方法を最適化する必要があった。非破壊地球物理探査が、迅速に且つ妥当なコストで数平方キロメートルの適用範囲を可能にする主要な技法である。最初に、海上で適用可能な地球物理探査法の一覧を作った。一部のものは、浚渫用でない海洋探査に毎日用いられるが、直接利用可能な力学特性を示すものではない。有用なパラメータを提供するが、海上ではほとんど用いられないものもあった。特に有用だったのは、
−高分解能海洋反射法地震探査、
−海洋大地比抵抗探査、
−海洋屈折法地震探査、
−海洋地震表面波探査、
である。

反射法地震探査は、海上における従来法である。これは、良好な海底下画像を得ることを可能にするが、土壌の力学特性に関する情報を欠いている。

屈折法地震探査によって得られる地震波速度は、土壌の力学特性に関する情報を提供する。屈折法地震探査機器は、迅速なパッキング及び軽量船での使用を可能にするために総重量を制限しつつ海洋での効果的な実施を可能にするように改良した。

屈折法地震探査及び大地比抵抗探査の正しい利用には、測定パラメータの意義を明確にするために短期試験が必要であった。大地比抵抗探査によって測定した電気抵抗率は、地震波速度を介して得た情報と比較して土壌の力学特性に関する補足情報を提供することが分かった。

得られた結果
フィードバック解析が、測定土壌パラメータと生産量との相関を示した。これらの相関は、考慮した岩石のタイプ及び浚渫船に応じても変わる。現場特有の従来の土壌情報と局所測定の結果との組み合わせ自体が、最善の情報を提供する。

得られる情報は、リアルタイムで浚渫船船長によって利用可能となり、ぶつかる岩石の抵抗に従って浚渫船船長が浚渫パラメータを調整することを可能にする。このツールにより、あまり抵抗が大きくない地帯では良好な生産速度を維持する一方で、より硬い岩石における破壊及び磨耗に起因した連続的な修理時間を減らすことが可能になる。大型ポンプ浚渫船ｄ’Ａｒｔａｇｎａｎからの経験フィードバックは、乗組員がこのタイプのツールに非常に確信を持っていることを示している。現在、建設現場における骨材生産量の利益は１０％であると見積もられている。

水層１、砂層２、岩石層３、カッタヘッド４、及び海底下の浚渫深度５を示す、海底の断面の概略図である。

Claims (9)

1. カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法であって、
   −浚渫作業から独立した地質探査データにより得られる、浚渫対象の該区域の従来の土壌情報を得るステップと、
   −浚渫中に該カッタヘッドの位置及びその周辺の局所土壌パラメータを測定するステップであって、上記局所土壌パラメータは、浚渫作業自体によって発生する地震信号を含むステップと、
   −歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、従来の土壌情報と局所土壌パラメータとの組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを計算するステップと、
   −カッタパラメータを調整することで現在及び後続のカッタヘッド位置において最適な効率を与えるように、こうして得られた該浚渫パラメータを用いるステップと、
   を含み、
   硬い土壌又は岩石の接近が測定又は予測されると、施工される層厚及び／又は層幅、及び／又は該カッタの横方向スイング速度が低減され、
   柔らかい土壌の接近が測定又は予測されると、施工される層厚及び／又は層幅、及び／又は該カッタの横方向スイング速度が増加される、カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を、浚渫中に最適化する方法。
2. 該局所土壌パラメータを測定することは地震データを得ることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記地震データは、反射法地震データ及び／又は屈折法地震データ、及び／又は地震表面波データを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記局所土壌パラメータは大地比抵抗データを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記局所土壌パラメータを測定することはパラメトリック音響測深データを得ることを含む、請求項１に記載の方法。
6. 該局所土壌パラメータを測定することは、該カッタヘッドによって発生する振動データ、該カッタヘッドによって発生する音データ、該カッタヘッドにおける温度測定値、該カッタヘッドのスイング速度のいずれかを得ることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 該カッタパラメータは、横方向スイング速度、カッタヘッド回転速度、カッタヘッド回転トルク、施工層厚、及び切削当たりの幅のいずれかである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 該地質探査データが、掘削、ボーリング孔、バイブロコア、ピストンサンプリング、コア貫入試験、及びウォッシュプロービングから得られる、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を最適化するシステムであって、
   −浚渫作業から独立した地質探査データにより得られる、浚渫対象の該区域の従来の土壌情報を得る手段と、
   −浚渫中に該カッタヘッドの地点の局所土壌パラメータを測定する手段であって、上記局所土壌パラメータは、浚渫作業自体によって発生する地震信号を含む手段と、
   −歩留まり及びカッタ磨耗を最適化するように、従来の土壌情報と局所土壌パラメータとの組み合わせに基づいて、現在及び後続のカッタヘッド位置に関する浚渫パラメータを最適化する手段と、
   −浚渫パラメータを出力し、それにより該浚渫パラメータに基づいてカッタパラメータを調整することで現在及び後続のカッタヘッド位置において最適な効率を与える手段と、を備え、
   請求項２ないし８のいずれか１項に記載の方法を実施する手段を有する、カッタヘッドが設けられている浚渫船による一区域の浚渫を最適化するシステム。
   

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