JP5946360B2 - 高圧噴射装置の噴射構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧噴射装置の噴射構造及びその製造方法に関する。

地盤貫入用のロッドを有し、このロッドの下端付近の噴射口から水平方向にセメントスラリー（以下、「固化材スラリー」という。）を噴射して、地盤を改良するための高圧噴射装置が、知られている。
この高圧噴射装置の地盤の切削能力は、地盤貫入用のロッドの下端付近に形成されている噴射構造の内部の流路の形状や、噴射ノズルの構造等によって、変化する。
高圧噴射装置の噴射構造としては、従来より、種々のものが提案されている。

一例として、地中に穿設したガイド孔内に挿入したパイプの先端に設けられ半径方向外方に高圧噴射液を噴射するノズルを備えた固結剤注入装置において、前記高圧噴射液を噴射するノズル（16）の噴射方向を水平方向から下向きに15°〜45°の範囲で傾斜されており、前記ノズル（16）は彎曲部（14）を介して前記パイプ内の管路（11）の垂直部（12）と接続され、前記彎曲部（14）の曲率半径は充分に大きく、動力損失が小さく層流の大流量のジェットが形成されることを特徴とする大口径地盤改良用固結剤注入装置が提案されている（特許文献１）。

特公平６−９４６５２号公報

上述の文献にも記載されているように、従来、高圧噴射液を流通させるための湾曲した流路は、管路として形成させていた。
しかし、湾曲した流路を管路として形成することには、以下の問題がある。
第一に、硬い微粒子を有するセメントスラリー等の流体を高圧流で噴射させる場合、管路の内壁面には、圧力２０〜５０ＭＰａ程度が作用するのが一般的である。このため、管路を流れる高速流による損失水頭を極限まで低減させるために、管路体の屈折を避けて管路体を大きく湾曲させた場合、高圧力及び高速流の流体によって管路体の湾曲部分に１６〜３０ｍ／秒程度にも達する高速流による応力が作用し、管路体内面のセメントスラリー流体による磨耗により管路体の肉厚が研磨され、管路体が損傷する可能性がある。しかしながら、管路体の湾曲加工形状の程度には、内径７０〜１００ｍｍ程度の限られた管体内空間内に、高圧力に耐えうる筒状の鋼材として、セメントスラリー等の粒子による磨耗に耐える必要肉厚を有し、また硬度の高い材質等を有するものを用いざるを得ず、曲線加工するのは限界があった。

第二に、管路体を物理的な力で湾曲させて曲線状に加工する場合、所望の形状になるように高精度で管路体を加工することは、困難である。例えば、内径１５〜２０ｍｍの管路体の軸線を所望の曲線状の形状に高精度で湾曲させることは、極めて困難である。また、加工目的からして、管路体には、肉厚のある硬質の鋼材を小さな曲率半径で曲線状に加工する時に、管路体に加える曲げ力や熱によってひずみが生じ、管路体の円形の断面形状は、通常、偏平状に変形して円形を保ちにくい。特に、湾曲の程度が大きい場合には、管路体が円形を保てずに潰れることもあり、管路体形状を自在に加工することができない。

本発明は、上述の事情に鑑みて、設計通りに小さな曲率半径で高精度に湾曲した流路を有し、かつ、流路の湾曲の形状が自在で、流路を構成する部材の流路形状が均等の円形状を保ち、高圧かつ高速の液体が、湾曲部であってもスムーズに高流速で流下し、管路体の損傷が生じない高圧噴射装置の噴射構造を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、湾曲した流路の内壁面の一部を形成するための凹部を有する接合面を備えている第一の部材と、湾曲した流路の内壁面の残部を形成するための凹部を有する接合面を備えている第一の部材と鏡映対称関係にある第二の部材を、これらの接合面同士を当接して固着させてなる噴射構造によれば、曲率半径が小さくても自在に流路の形状加工が可能なので、設計通りに高精度の曲率を有する円形断面流路を実現することができ、かつ、流路を構成する部材が、高圧かつ高速の流体によって損傷しないことを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［７］を提供するものである。
［１］ 流体（例えば、固化材スラリー）が流通する湾曲した流路を有する、上記流体を噴射するための高圧噴射装置の噴射構造であって、上記湾曲した流路の内壁面の一部を形成するための凹部（例えば、断面が半円状のもの）を有する接合面を備えている第一の部材と、上記湾曲した流路の内壁面の残部を形成するための凹部（例えば、断面が半円状のもの）を有する接合面を備えている第二の部材を、これらの接合面同士を当接して固着させてなることを特徴とする高圧噴射装置の噴射構造。
［２］ 上記第一の部材と上記第二の部材が、鏡映対称関係にある上記［１］に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
［３］ 円柱状のロッド体を、該円柱状のロッド体の軸線を通る面で切断して２つに分割したような、半円状の断面形状を有する２つの部材の組み合わせとして作製されている上記［１］又は［２］に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
［４］ 上記第一の部材の凹部及び上記第二の部材の凹部は、各々、上記流体の流通方向に対して垂直な方向の切断面が半円状になるように形成されている上記［１］〜［３］のいずれかに記載の高圧噴射装置の噴射構造。

［５］ 上記第一の部材及び上記第二の部材は、各々、少なくとも、上記接合面を含む部分が鋼で形成されており、かつ、上記第一の部材と上記第二の部材は、溶接によって固着されている上記［１］〜［４］のいずれかに記載の高圧噴射装置の噴射構造。
［６］ 上記高圧噴射装置は、固化材スラリーを地盤中に噴射するための装置である上記［１］〜［５］のいずれかに記載の高圧噴射装置の噴射構造。
［７］ 上記［１］〜［６］のいずれかに記載の高圧噴射装置の噴射構造を製造するための方法であって、（Ａ）接合面となるべき面を各々有する２つの部材の当該面に対して、流体が流通する湾曲した流路の内壁面を形成するための凹部を形成すべく、切削（例えば、ＮＣ加工）を行ない、上記第一の部材及び上記第二の部材を得る工程と、（Ｂ）上記第一の部材と上記第二の部材を、上記接合面同士を当接させて固着させる工程、を含む高圧噴射装置の噴射構造の製造方法。

本発明によれば、流路を、管体によって形成させずに、流路を形成するための凹部を有する２つの部材を、当該凹部同士を対向させた状態で固着させることによって形成させているので、流路の曲率等の程度が大きくても、流路を構成する部材が、高圧の流体による研磨によって、磨耗等の損傷を受けることはない。
また、本発明の高圧噴射装置の噴射構造は、管を物理的な力で変形させて流路を形成したものではなく、切削（特に、ＮＣ加工）等によって予め形成させた凹部を有する２つの部材を合体させてなるので、設計通りの高精度の形状を有する流路を自在に形成することができる。

本発明の高圧噴射装置の噴射構造を構成する第一の部材及び第一の部材と鏡映対称関係にある第二の部材の組み合わせの一例を示す正面図である。 図１に示す第一の部材を示す正面図である。 図２に示す第一の部材の平面図である。 図２のＡ−Ａ線で切断した状態を示す断面図である。 図２に示す第一の部材の左側面図である。 図１に示す第一の部材と第二の部材を合体させてなる本発明の噴射構造を示す平面図である。 図６に示す噴射構造の左側面図である。 本発明の噴射構造を有する高圧噴射装置の一例を部分的に示す斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の高圧噴射装置の噴射構造の例を説明する。
なお、以下に説明する高圧噴射装置は、噴射される流体が、軟弱地盤等を改良するための固化材スラリーである場合の例である。ただし、本発明において、流体としては、固化材スラリーに限定されるものではなく、水、水溶液、油等の任意の流体を用いることができる。
また、以下の説明において、「鉛直方向」及び「水平方向」の語は、固化材スラリーを噴射するために地盤中に鉛直方向に貫入される本発明の円柱状の噴射構造の使用時の状態を基準として用いている。

本発明の高圧噴射装置の噴射構造１（図８参照）は、円柱状のロッド体であり、第一の部材２と第二の部材３を合体させてなるもの（図１、図６参照）である。
第一の部材２及び第二の部材３は、図１に示すように鏡映対称関係にあり、また、図６及び図７に示すように、地盤中に貫入させるための円柱状のロッド体を、該円柱状のロッド体の軸線を通る鉛直面で切断して２つに分割したような、半円状の水平断面形状を有する２つの部材の組み合わせとして作製されている。

第一の部材２は、鋼製の部材であって、図２〜図４に示すように、半円状の水平断面形状のうちの円弧部分を与えるための周面２７（図３、図４参照）と、平坦な面２１と、平坦な面２１の中に形成された凹部２２（図２〜図４参照）と、平坦な面２１の周囲に形成された切欠部２３と、固化材スラリーを供給する管体（図示せず）の接続用の孔を形成するための適宜の深さの円柱状の凹部２４（図２参照）と、ノズル（図示せず）の接続用の孔を形成するための適宜の深さの円柱状の凹部２５（図２参照）と、上端及び下端の各々に半円環状に形成させた切欠部２６を有する。
なお、切欠部２３は、第一の部材２と第二の部材３を溶接によって固着させるときに、溶接材料を盛り付けるためのものである。切欠部２６は、本発明の噴射構造１と、噴射構造１の上方及び下方に配設される他の部材（図８中の円柱状の部材１０、及び、下端形成部材１２）を溶接によって固着させるときに、溶接材料を盛り付けるためのものである。

凹部２２は、固化材スラリーを流通させるための湾曲した流路の内壁面の一部を形成するためのものであり、固化材スラリーの流通方向に対して垂直な方向の切断面が半円状（図３、図４参照）になるように形成されている。
固化材スラリーを流通させるための湾曲した流路の形状は、固化材スラリーの所望の噴射の形態を得るために適宜定めることができ、特に限定されないが、例えば、図２に示すように、第一の部材２の半円状の上面における円の中心から、下方に向かって、湾曲して形成された後、その下端から下方に向かって、鉛直方向に適宜の距離だけ延び、次いで、その下端から、下方に向かって、下方に膨湾するように湾曲しながら延び、最後に、上記鉛直方向に延びる流路が位置する側（図２中の左側）の反対側（図２中の右側）に形成されている凹部２５に対して固化材スラリーを水平方向に供給しうるように形成することができる。

第一の部材２に形成されている凹部２２の長さ（流路の軸線の長さ）は、特に限定されないが、例えば、１５０〜４００ｍｍである。
凹部２２の中の湾曲部分の軸線の半径は、特に限定されないが、例えば、３０〜１００ｍｍである。
なお、凹部２２に関し、軸線の形状及び長さ、及び、湾曲部分の半径は、所望の噴射状態を得るために適宜定めることができる。
第一の部材２の半円状の水平断面の直径は、特に限定されないが、例えば、７０〜１５０ｍｍである。
第一の部材２の鉛直方向の長さは、特に限定されないが、例えば、２００〜５００ｍｍである。

第二の部材３は、第一の部材２と接合面同士を当接させた状態において、第一の部材２の形状に対して鏡映対称関係の形状を有するように形成されている。すなわち、第二の部材３は、第一の部材２の平坦な面２１、凹部２２、切欠部２３、凹部２４、凹部２５、切欠部２６、周面２７に対して、鏡映対称関係（接合面を境にして対称の関係）にある各部（平坦な面３１、凹部３２、切欠部３３、凹部３４、凹部３５、切欠部３６、周面３７；図１及び図６参照）を有し、第一の部材２と組み合わせることによって、内部に固化材スラリーの円形状断面の流路を有する円柱状のロッド体を形成することができる。
図６中、第二の部材３の凹部３２は、第一の部材２の凹部２２と共に、流路を形成している。第二の部材３の周面３７は、第一の部材２の周面２７と共に、円柱状のロッド体の外周面を形成している。
本発明の噴射構造１は、図６〜図８に示すように、第一の部材２、第二の部材３、及び溶接材料４、５によって、全体として円柱状のロッド体に形成されている。なお、図６中、溶接材料４、５は、点状に示している。

次に、本発明の噴射構造の製造方法について説明する。
本発明の噴射構造１の製造方法は、（Ａ）接合面となるべき面（例えば、平坦な面）を各々有する２つの部材（第一の部材２及び第二の部材３となるべき２つの部材）の当該面に対して、固化材スラリーが流通する湾曲した流路の内壁面を形成するための凹部（例えば、第一の部材１における凹部２２）を形成すべく、切削（例えば、ＮＣ加工）を行ない、第一の部材２及び第二の部材３を得る工程と、（Ｂ）第一の部材２と第二の部材３を、接合面同士を当接させて、溶接等の方法で固着させる工程、を含むものである。

工程（Ａ）における切削は、第一の部材２を作製する場合を例にとると、例えば、以下のようにＮＣ加工によって行うことができる。
まず、凹部２２の形状を得るために、加工プログラムを作成する。次に、この加工プログラムを記憶したコンピュータからの指令によって数値制御装置を作動させ、この数値制御装置に接続しているＮＣ加工機本体によって、被加工体である部材（具体的には、凹部２２を有しない以外は図２に示す第一の部材２と同様の形状を有するもの）を切削する。切削によって、凹部２２が形成される。

ＮＣ加工における切削の具体的な方法としては、例えば、ＮＣ加工機本体において、基台上のレールに沿ってＸ方向（水平な一方向）に移動可能なテーブル上に固定して配置させた被加工体を、加工プログラムに従ってＸ方向に移動させ、かつ、被加工体の上方に配設させた切削工具を、加工プログラムに従って、Ｘ方向と垂直なＹ方向（水平な他の方向）に移動させながら鉛直方向（Ｚ方向）に上下動させることによって、三次元（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の所望の形状を有する凹部（例えば、図２の凹部２２）を形成させる方法が挙げられる。
なお、数値制御装置とＮＣ加工機本体を含むシステム全体は、ＮＣ加工機と称される。
また、「ＮＣ」は、「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ」（数値制御）の略である。コンピュータによるＮＣ加工は、ＣＮＣ加工（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と称される。

工程（Ｂ）における固着の方法としては、例えば、第一の部材２及び第二の部材３の各々の平坦な面（接合面）に接着剤を塗布した後、これらの平坦な面（接合面）同士を当接させ、次いで、接合面の周囲の切欠部２３、３３に溶接棒を当てて溶接し、溶接材料４、５（図６及び図７参照）を盛り付ける方法が挙げられる。
固着の方法が溶接を含む場合、第一の部材２及び第二の部材３の好ましい材質としては、鋼等が挙げられる。

本発明の噴射構造１を含む高圧噴射装置の例を、図８に示す。
図８中、高圧噴射装置４０は、本発明の噴射構造１と、噴射構造１の凹部２５、３５（図１参照）の中に取り付けられた噴射ノズル１１と、溶接材料６を介して噴射構造１の上方に配設された円柱状の部材１０と、溶接材料７を介して噴射構造１の下方に配設された下端形成部材１２を含む。
なお、円柱状の部材１０の上方には、さらに、他の円柱状の部材が配設されており、これら複数の円柱状の部材を連結してなる長尺のロッド体全体は、ボーリングマシンや上方の吊り下げ機（クレーン等）によって、鉛直方向（上または下）に移動可能であるとともに、回転可能に構成されている。また、下端形成部材１２には、地盤撹拌翼（図示せず）を取り付けることもできる。

図１〜図８に示す噴射構造１を作製して、固化材スラリーを地盤中に噴射させる実験を行った。噴射構造１の寸法は、直径が１００ｍｍ、長さが３１０ｍｍであった。また、噴射構造１中の流路の形状及び寸法（図２参照）は、上端から下方に向かって順に、下方に膨湾する半径５０ｍｍの湾曲部分、上方に膨湾する半径５０ｍｍの湾曲部分（以上の鉛直方向の長さの合計：７８ｍｍ）、１０５ｍｍの直線状の部分、下方に膨湾する曲率半径４７ｍｍの湾曲部分（当該湾曲部分の円弧に対する中心角：９０度）であった。
その結果、噴射構造１にスラリー漏れや接合面のはく離は全く見られなかった。また、溶接された噴射構造を溶接面に沿って割るなどして、第一の部材２と第二の部材３を分離したところ、これらの部材２、３の平坦な接合面には、固化材スラリーの浸入等は見られなかった。
このように、本発明の噴射構造１が実用可能であることが確認された。

１ 本発明の噴射構造
２ 第一の部材
３ 第二の部材
４〜７ 溶接材料
１０ 円柱状の部材
１１ 噴射ノズル
１２ 下端形成部材
２１，３１ 平坦な面
２２，３２ 流路の内壁面を形成するための凹部
２３，３３ 溶接材料を盛り付けるための切欠部
２４，３４ 固化材スラリーを供給する管体の接続用の孔を形成するための凹部
２５，３５ 噴射ノズルの取り付け用の孔を形成するための凹部
２６，３６ 溶接材料を盛り付けるための切欠部
２７，３７ 周面
４０ 高圧噴射装置

Claims (7)

1. 流体が流通する湾曲した流路を有する、上記流体を噴射するための高圧噴射装置の噴射構造であって、
   上記湾曲した流路の内壁面の一部を形成するための凹部を有する接合面を備えている第一の部材と、上記湾曲した流路の内壁面の残部を形成するための凹部を有する接合面を備えている第二の部材を、これらの接合面同士を当接して固着させてなることを特徴とする高圧噴射装置の噴射構造。
2. 上記第一の部材と上記第二の部材が、鏡映対称関係にある請求項１に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
3. 上記第一の部材及び上記第二の部材は、円柱状のロッド体を、該円柱状のロッド体の軸線を通る面で切断して２つに分割したような、半円状の断面形状を有する２つの部材の組み合わせとして作製されている請求項１又は２に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
4. 上記第一の部材の凹部及び上記第二の部材の凹部は、各々、上記流体の流通方向に対して垂直な方向の切断面が半円状になるように形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
5. 上記第一の部材及び上記第二の部材は、各々、少なくとも、上記接合面を含む部分が鋼で形成されており、かつ、上記第一の部材と上記第二の部材は、溶接によって固着されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
6. 上記高圧噴射装置は、固化材スラリーを地盤中に噴射するための装置である請求項１〜５のいずれか１項に記載の高圧噴射装置の噴射構造。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の高圧噴射装置の噴射構造を製造するための方法であって、
   （Ａ）接合面となるべき面を各々有する２つの部材の当該面に対して、流体が流通する湾曲した流路の内壁面を形成するための凹部を形成すべく、切削を行ない、上記第一の部材及び上記第二の部材を得る工程と、
   （Ｂ）上記第一の部材と上記第二の部材を、上記接合面同士を当接させて固着させる工程、
   を含む高圧噴射装置の噴射構造の製造方法。

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