JP6832293B2 - 掘削土を処理するユニット及び対応する方法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削土を処理するユニット、及び対応する処理方法に関する。

本発明の処理ユニット及び処理方法は、隔壁、棒や柱など深層の土台工事に用いられるタイプ、またトンネル及び水平な方向の掘削の分野に用いられるタイプの掘削土の処理に、特に適合するものである。

掘削作業の間には、掘削孔の安定性、又は作業面の安定性を、掘削土で掘削孔を満たすことで保つ。掘削土は、掘削孔の壁に漏えいを生じない塗布層を形成する。これを「ケーキ」（ｃａｋｅ）と称することがある。地表での浸透を制限し、壁が陥没することを防止する役割をする。掘削孔の深さが所望のレベルに達したときには、この現場は、掘削孔の底部の掘削土の下から始めて、段階的にコンクリートで満たされる。

使用を続ける間に、掘削土は土壌と接触することにより品質が劣化する。その結果、使用に向かなくなることになる。掘削の間に、掘削発生土を移送するため、必然的に密度が高くなる。残念ながら、過大な密度によって、掘削の能率が制約され、掘削発生土を適宜移送することが阻まれ、掘削器具の性能を劣化させてしまう。

掘削の要件をいつも満たし続ける掘削土を保持するためには、最も大きな粒子、即ち通常は８０μｍを越える直径を有する粒子を抽出するように、これを継続的に処理することが本質的に重要である。これを、掘削土の「砂取り」（ｄｅｓｓａｂｌａｇｅ）と称する。しかしながら、その品質は２巡か３巡のサイクルの処理の後には、使用できないほど劣化してしまう。こうなると、新しい土で作業すること、また再利用できない掘削土のストックを管理することが必要になる。

環境の保護を理由にして、世界中の次第に多数となる国や領域で、規制を行うことで、もはや、液体の状態で使用済みの掘削土を処分することは、受け入れられないことになっている。従って、土をペレット利用可能（ｐｅｌｌｅｔａｂｌｅ）（即ち、振動や、剪断応力の効果のもとで、液化可能性なしに、移送可能である）にするために土を分離して脱水する方法を開発することが必要になってきている。残念ながら、掘削土は典型的には、非常に大きな安定性と均一性を有するという特徴がある。安定剤、例えば、ある種の粘土や水溶性の有機ポリマーの存在に伴って、非常に小さなサイズの粒子の組み合わせは、濾過に対する非常に大きな特有の抵抗を生じ、現実的には、固液分離に適合する適性はゼロになってしまう。特に、ベントナイトを基本とする掘削土は、その揺変性の性質に起因して、安定性と、定着・堆積への大きな抵抗を示すものである。

従って、ペレット利用可能な固形の処理生成物を得るように掘削土に分離作用を施すために、固液分離の複雑な方法がこれまで提案されている。例えば、回転ケーシングと、回転ケーシングの内部に収容され、同一方向かつ異なる速度で回転する抽出スクリューとを備えた回転デカンターを利用することが提案されている。遠心力の効果のもとでは、厚くたまった土の固形粒子は、ケーシングの壁に押し付けられ、デカンターの第１排出口に送られる。その一方液体は中心部に残り、デカンターの第２排出口に送られる。このような回転デカンターは、非常に高価で、非常にかさばるという欠点がある。

フランス特許出願公開ＦＲ２８７５４９５Ａ１では、固液分離のための液体サイクロンを利用する土処理ユニット及び土処理方法が記載されている。しかし、この文献は、アルミナ三水和物を生成するバイヤー法で得られる赤色の土を処理することに関連するが、掘削土の処理には関連していない。掘削土と同様に赤色の土は、確かに非常に細かい粒径を有するが、これは安定剤、例えば、掘削土での固液分離をかなり困難にしてしまう安定剤を含むわけではない。

本発明の目的は、従来技術における上述した欠点を克服する、掘削土処理ユニット、及び対応する処理方法を提案することである。

特に本発明の目的は、安価であり、かつコンパクトな掘削土処理ユニット、また、安価であり、構成することが容易な掘削土処理方法を提案することである。

この目的は、掘削土処理ユニットであって、
・凝固した掘削土を供給する一次導管と、
・一次導管を流れる、凝固した掘削土を凝集するインライン凝集システムと、
・一次導管から供給がなされ、インライン凝集システムの下流に配置されている少なくとも１個の液体サイクロンとを備え、液体サイクロンは、掘削土の処理から得られた液体生成物を受ける上昇流側オリフィスと、掘削土の処理から得られた固体生成物を受ける下降流側オリフィスとを備え、上昇流側オリフィスは、上昇流側直径を有し、下降流側オリフィスは、下降流側直径を有し、下降流側直径は上昇流側直径より大きく、下降流側直径と上昇流側直径との間の比は１．１より大きい、掘削土処理ユニットによって達成される。

周知のように、液体サイクロンは、遠心力を用いて、懸濁液中の固体粒子をそのサイズに基づいて分離する装置である。液体サイクロンは本体ケーシングを備え、本体ケーシングは、円筒・円錐の形状であり、圧力のもとで接線流で供給が行われ、２個の排出口を備えている。この排出口は、最も細かい粒子と液体とを通常は排出する上昇流側オリフィスと、一層大きな粒子と少量の液体とを排出する下降流側オリフィスとからなる。既知の液体サイクロンは、通常は、掘削土から砂取りする分級装置として、又は水の処理の分野で、有機物の土を濃縮する濃縮装置として使用される。

本件の発明者の見出したところによれば、掘削土の物理化学的な凝固／凝集処理に伴って、上昇流側オリフィスの直径と下降流側オリフィスの直径との間の適正な比率は、液体サイクロンの作動を改変することを可能にし、下降流において、ペレット利用可能な掘削土から固体処理生成物を得ることができる。

本件で用いる「ペレット利用可能な固体処理生成物」とは、流出を防止するのに適切な固体の堅さを有し、ペレット利用に向いた性質である生成物を意味する。例えば、このような生成物は、ＡＰＩ（アメリカ石油協会）推奨実施法１３Ｂ−２で定義されたマーシュコーン（ファンネル）流れ試験での測定可能な流れが生じないものとする。液体サイクロンからの下降流において、固体処理生成物の固体の堅さを備えているという条件で、格子から単に重力だけで容易に分離可能な遊離水を固体処理生成物は伴っていてもよい。

逆に、掘削土の液体処理生成物は、ペレット利用のできない液体の流れを発生させる。この流れは、マーシュコーン（ファンネル）流れ試験で測定可能である。

一例として、供給用の一次導管はポンプを備え、インライン凝集システムは、凝集剤を供給する二次導管を備え、二次導管は、ポンプより下流側に位置する合流部で、一次導管に接続されていてもよい。

一例として、インライン凝集システムは、凝固した掘削土と凝集剤とを混合するインライン混合手段を備え、インライン混合手段は、合流部より下流側で一次導管内に設けられていてもよい。この手段は、凝集剤を凝固した掘削土と混合することを容易にし、液体サイクロンに供給される凝集済み掘削土を形成する。

例えば、インライン混合手段が静止混合器を備えていてもよい。この混合器は、凝固した掘削土と凝集剤との良好な混合を確実にすることで、十分に凝集することを確かにする。その一方、混合で生成された凝集物（ｆｌｏｃｓ）は保持される。

特定の態様では、凝固した掘削土と凝集剤との混合物が液体サイクロンに早く到達することを可能にするために、一次導管内でインライン混合手段は、液体サイクロンから、５ｍ未満、好ましくは２ｍ未満の距離に配置されている。

下降流側直径と上昇流側直径との間の比は、１．１〜１．６の範囲にあってよい。

また本発明は、掘削土を処理する処理方法を提供する。少なくとも下記の引き続いたステップを備えている処理方法であって、
・凝固した掘削土を供給用の一次導管に供給するステップと、
・凝固した掘削土が一次導管を流れる間に、凝固した掘削土をインラインで凝集するステップと、
・凝固し、凝集された掘削土を液体サイクロンに導入するステップとを備え、液体サイクロンは、上昇流側直径を有する上昇流側オリフィスと、下降流側直径を有する下降流側オリフィスとを備え、下降流側直径は上昇流側直径より大きく、下降流側直径と上昇流側直径との間の比は１．１より大きく、
・下降流側オリフィスを介して掘削土の処理から得られた固体生成物を、また、上昇流側オリフィスを介して掘削土の処理から得られた液体生成物を排出するステップを備えている。

さらに、遊離水は、下降流側オリフィスを介して、固体処理生成物とともに排出されてもよい。

特に、掘削土は、安定剤、例えばスメクタイト粘土、又は水溶性の有機ポリマーを含んでいてもよい。掘削土で安定剤として使用するのに適したスメクタイト粘土は、特に、さまざまなベントナイト（天然のナトリウムベントナイト、活性化ナトリウムベントナイト、ナトリウムカルシウムベントナイト、又はカルシウムベントナイト）、セピオライト、アタパルジャイトを含む。これは掘削土で安定剤として使用するために、平均粒径が１００μｍ未満で含水量が５〜２０％の範囲にある粒子の細粉の形態で、掘削土に足し合わせてもよい。この掘削土で安定剤として使用するのに適した水溶性の有機ポリマーは、特に、変性セルロースとその誘導体（カルボキシメチルセルロース、ポリアニオン性セルロース、ヒドロキシエチルセルロース）、キサンタンガム、グアーガムを含む。さらに、多くの場合は掘削土は、平均粒径が１００μｍ未満、好ましくは８０μｍ未満、さらには２０μｍ未満である粒子の水懸濁液を用いて形成されてもよい。

一例では、固体処理生成物は、３０％を越える乾燥度、即ち、固形分の重量％の値を、有してもよい。

一例では、液体処理生成物は、１リットル当たり６００ｍｇ未満の懸濁物質を含んでいる水であってもよい。

特定の態様では、一次導管は乱流下で供給が行われてもよい。

本発明は、添付した図面を参照して、制限のない表示として与えられた下記の詳細な説明を読むことで、一層よく理解することが可能である。

掘削土処理ユニットを示す図である。 第１実施形態に係る掘削土の処理における図１の液体サイクロンの側面図である。 図２Ａの液体サイクロンの図式的な長手方向の断面図である。 第２実施形態に係る掘削土の処理における図１の液体サイクロンの側面図である。 図３Ａの液体サイクロンの図式的な長手方向の断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る掘削土処理ユニット１００を示した図である。

本実施形態では、掘削土処理ユニット１００は、
・凝固した掘削土を供給し、凝固した掘削土用の収容容器１４に接続されている一次導管１０と、
・一次導管１０を流れる、凝固した掘削土を凝集するインライン凝集システム２０と、
・一次導管１０から供給がなされ、凝集システムの下流に配置されている液体サイクロン３０とを備えている。

一次導管１０は、凝固した掘削土を収容する容器１４に、両端のうち一端で接続され、液体サイクロン３０に他端で接続されている。また、一次導管１０の両端の間に位置した、図１に符号Ｊで示される合流部で、一次導管１０は、凝集剤を供給する二次導管２２と接続されている。

二次導管２２は、一端では一次導管１０に（合流部Ｊで）接続され、他端では、凝集剤の容器５０に接続されている。

凝集剤の水溶液の制御された流れを供給するために、図１に示すように、バルブ５１，ポンプ５２，幅狭部５３，逆止弁５４が、二次導管２２の両端の間で、水溶液の流れ方向に並んで配列されている。ポンプ５２の例は、スクリューポンプであってよく、またピッグテールポンプ又はＰＣＭポンプとして知られるものであってよい。この種のポンプは、凝集剤をほとんど、又は全く剪断しないという利点があり、その品質の劣化を防止することができる。

一次導管１０内では、凝固した掘削土と合流部Ｊとの間で凝固した掘削土の流れ方向に並んで、第１バルブ６０，ポンプ１２，第２バルブ６１が配置され、合流部Ｊに向けて凝固した掘削土の制御された流れを送る。一例として、ポンプ１２は遠心ポンプであってよい。

静止混合器２４は、合流部Ｊの直接下流側で、一次導管１０内に設置され、凝集剤を、凝固した掘削土と効果的に混合することを確実にする。幅狭部６２とバルブ６３とが、静止混合器２４と液体サイクロン３０との間で一次導管１０内に、混合物の流れ方向に並んで設けられている。

図１に示す特定の構成において、一次導管１０は、凝集を遅らせることを防止したり、液体サイクロン３０に到達する前に凝集物を壊したりするために、合流部Ｊの下流側にポンプを欠いていてもよい。しかしながら、この代替例も可能である。静止混合器２４からの混合物の移送を可能な限り早くするために、静止混合器２４と液体サイクロン３０との間の一次導管１０の長さは、５ｍ未満であってもよく、それどころか２ｍ未満であってもよい。

図２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂに、液体サイクロン３０の他の実施形態を詳細に示す。各実施形態で、液体サイクロン３０は本体７０、接線流の供給導管７２、オリフィス３２，３４を備え、オリフィス３２，３４は上昇流側オリフィス３２及び下降流側オリフィス３４となっている。本体７０は中空であり、高さＨ１を有する逆円錐部７１を備えている。接線流の供給導管７２は、一次導管１０に接続され、頂部の近くで本体７０の内側に開口していて、逆円錐部７１の中心軸Ｚと実質的に直交する横断面に沿った向きであり、横方向では中心軸Ｚからずれている。これにより接線流の供給導管７２は、凝固した掘削土と凝集剤との混合物が本体７０にはいるとこれに中心軸Ｚの周りに回転運動を生じさせる。上昇流側、及び下降流側オリフィス３２，３４は、逆円錐部７１の中心軸Ｚと実質的に揃った配置になっている。上昇流側オリフィス３２は、本体７０内で、接線流の供給導管７２の高さレベルよりも低い出口から上向きに延びたものであり、上昇流側直径Ｄｏを有する。その一方下降流側オリフィス３４は、本体７０内で、逆円錐部７１の下端から下向きに延びたものであり、下降流側直径Ｄｕを有する。下降流側直径Ｄｕは上昇流側直径Ｄｏの１．１倍より大きい。これは特に、上昇流側直径Ｄｏの１．１〜１．６倍の範囲にあってよい。

図２Ａ，２Ｂに示され、「タイプ１」と称する第１実施形態の液体サイクロン３０内では、逆円錐部７１の端部が上昇流側オリフィス３２の出口と実質的に同じ高さレベルになっている。その一方、図３Ａ，３Ｂに示され、「タイプ２」と称する第２実施形態の液体サイクロン３０内では、逆円錐部７１と頂部７４との間に挟まれた円筒部７３が本体７０に設けられている。頂部７４内には接線流の供給導管７２と上昇流側オリフィス３２とが位置する。この円筒部７３は高さＨ２を有する。

再び図１を参照して述べると、上昇流側オリフィス３２は、掘削土の液体処理生成物を回復する導管８０に接続されている。導管８０は、液体タンク８１の中に開口している。格子８２まで伸びている傾斜平面８６の上方に、下降流側オリフィス３４が開口している。遊離水の復水ファネル８３が、格子８２の下方に配置され、遊離水の復水導管８４に接続されている。遊離水の復水導管８４はまた、液体タンク８１へ延びている。遊離水を液体タンク８１に流入させるために、ポンプ８５が、遊離水の復水導管８４の途中に設けられていてもよい。

掘削土処理ユニット１００が作動すると、容器１４から一次導管１０を介して、凝固した液体鉱物の掘削土が送り出される。一例として、凝固した液体鉱物の掘削土は、液体鉱物の掘削土を、鉄及び／又はアルミニウムの塩とカチオン性ポリマーとから選択された凝固剤に、予め混合した混合物であってよい。この処理方法は、１ｄｍ^３当たり１．５ｋｇ（ｋｇ／ｄｍ^３）未満の密度を有し、１ミリパスカル秒（ｍＰａ．ｓ）を越える粘度を有し、かつ少なくとも８０重量％の固形分が無機物からなる、劣化した掘削土に対して、特に優れた利点を有する。凝固剤は特に、掘削土１ｍ^３当たり塩化鉄４１体積％を含む水溶液を、６ｄｍ^３以下の比率で液体鉱物の掘削土に添加した塩化鉄であってよい。

掘削土が一次導管１０の中を乱流で流れることを確実にするように、一次導管１０の直径は、凝固した液体鉱物の掘削土の流量、粘度及び密度の関数として選択されてよい。この目的のために、一次導管１０の直径は、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上となるように選択することが可能である。

合流部Ｊから、特に静止混合器２４内で、凝集剤の容器５０から二次導管２２を介して同時に抽出された凝集剤の水溶液と、凝固した掘削土は混合される。例として、凝集剤は、アニオン系、及び／又はカチオン系ポリアクリルアミドから選択されてよく、かつ特に、大きな分子量、又は非常に大きな分子量を有し、直鎖、分枝、又は架橋結合となっている化合物であってよい。アニオン系ポリアクリルアミドに関し「大きな」分子量という用語は、１００００〜１５０００ｋｇ／ｍｏｌの範囲の分子量を意味し、「非常に大きな」分子量という用語は、１５０００〜２００００ｋｇ／ｍｏｌの範囲の分子量を意味する。カチオン系ポリアクリルアミドに関し「大きな」分子量という用語は、５０００〜１００００ｋｇ／ｍｏｌの範囲の分子量を意味し、「非常に大きな」分子量という用語は、１００００ｋｇ／ｍｏｌを越える分子量を意味する。凝集剤の水溶液の濃縮は、例えば、１ｍ^３当たり凝集剤を１〜３ｋｇとするものであってよい。これを掘削土と混合する体積比は、凝固した掘削土３体積部に対し凝集剤の水溶液２体積部の割合から、凝固した掘削土９体積部に対し凝集剤の水溶液１体積部の割合までの範囲であってよい。

液体サイクロン３０に到達すると、接線流の効果によって、凝固した掘削土と凝集剤との混合物は、回転運動で処理され、遠心分離が施される。掘削土の処理から得られた固体生成物は、本体７０の外壁に向けて移動し、下降流によって除去される。その一方、処理から得られた液体生成物は、本体７０の中心に集められ、上昇流によって除去される。

下降流側オリフィス３４から出た固体処理生成物は、傾斜平面８６に落下する。これは格子８２に達して、遊離水から分離される。遊離水は、やはり下降流側オリフィス３４から流出する。遊離水は遊離水の復水導管８４によって除去され、液体タンク８１に達する。また液体処理生成物は、導管８０を通って、液体タンク８１に向けて除去される。掘削土処理ユニット１００でのこの処理方法は、液体鉱物の掘削土に基づいて、３０％を越える乾燥度も可能な固体処理生成物を生成できるようにする。特に、埋め立て現場に送ることを可能にするようなペレット利用可能な堅さが実現される。

下記の表１はこの方法の二つの構成を示す。同一の液体鉱物の掘削土に基づき、異なる処理パラメーターとタイプ１，２の液体サイクロンとを用い、各例で、ペレット利用ができる固体処理生成物を得たものである。

この両方の場合で、液体サイクロン３０の下降流側で出た固体処理生成物は、遊離水を伴って、マーシュコーン（ファンネル）流れ試験、例えばＡＰＩ（アメリカ石油協会）推奨実施法１３Ｂ−２で定義された試験での測定可能な重力流れは認められない。５０Ｐａ未満の凝集力となるような、３２〜１８０秒の範囲にあるマーシュコーン（ファンネル）流れの値を示す、均一で安定した掘削土に基づく場合であっても、Baudez et al.を著者とする文献 “Rheological interpretation of the slump test”, Applied Rheology, 12 (3), 133-141 （２００２年）で提案された「スランプ試験」を用いるとして、固体処理生成物は、３００Ｐａを越える凝集力を得る。

これと対照的に、仮に凝集ステップの前に掘削土が凝固されていなかった場合は、例えば、下降流での生成物の乾燥度はずっと低くなる。これは、表２中の比較例に見ることができる。

特定の実施形態を参照して本発明を説明しているが、請求項に定義された発明の基本的な範囲を越えることなく、種々の変形や変更をこれらの実施形態に加えてよいことは明らかである。これに加えて、上述した種々の実施形態の個別の特徴は、追加的な実施形態に組み合わせてよい。従って、明細書と図面は、制限する意味ではなく例示的な意味で解釈されるものである。

Claims (10)

1. 前もって凝固している掘削土を供給する一次導管と、
   前記一次導管を流れる、前もって凝固している前記掘削土を凝集するインライン凝集システムと、
   前記一次導管から供給がなされ、前記インライン凝集システムの下流に配置されている少なくとも１個の液体サイクロンとを備え、前記液体サイクロンは、前記掘削土の処理から得られた液体生成物を受ける上昇流側オリフィスと、前記掘削土の処理から得られた固体生成物を受ける下降流側オリフィスとを備え、前記上昇流側オリフィスは、上昇流側直径を有し、前記下降流側オリフィスは、下降流側直径を有し、前記下降流側直径は前記上昇流側直径より大きく、前記下降流側直径と前記上昇流側直径との間の比は１．１より大きい、掘削土処理ユニット。
2. 供給用の前記一次導管はポンプを備え、前記インライン凝集システムは、凝集剤を供給する二次導管を備え、前記二次導管は、前記ポンプより下流側に位置する合流部で、前記一次導管に接続されている請求項１記載の掘削土処理ユニット。
3. 前記インライン凝集システムは、凝固している前記掘削土と前記凝集剤とを混合するインライン混合手段を備え、前記インライン混合手段は、前記合流部より下流側で前記一次導管内に設けられている請求項２記載の掘削土処理ユニット。
4. 前記インライン混合手段が静止混合器を備えている請求項３記載の掘削土処理ユニット。
5. 前記一次導管内で前記インライン混合手段は、前記液体サイクロンから、５ｍ未満、好ましくは２ｍ未満の距離に配置されている請求項３又は４記載の掘削土処理ユニット。
6. 少なくとも下記の一連のステップを備える掘削土を処理する処理方法であって、
   凝固している掘削土を供給用の一次導管に供給するステップと、
   凝固している掘削土が前記一次導管を流れる間に、凝固している前記掘削土をインラインで凝集するステップと、
   凝固し、凝集された前記掘削土を液体サイクロンに導入するステップとを備え、前記液体サイクロンは、上昇流側直径を有する上昇流側オリフィスと、下降流側直径を有する下降流側オリフィスとを備え、前記下降流側直径は前記上昇流側直径より大きく、前記下降流側直径と前記上昇流側直径との間の比は１．１より大きく、
   前記下降流側オリフィスを介して前記掘削土の処理から得られた固体生成物を、また、前記上昇流側オリフィスを介して前記掘削土の処理から得られた液体生成物を排出するステップを備えている処理方法。
7. 前記掘削土は、安定剤、例えばスメクタイト粘土、又は水溶性の有機ポリマーを含んでいる請求項６記載の処理方法。
8. 前記掘削土を処理して得た前記固体生成物は、３０％を越える乾燥度を有する請求項６又は７記載の処理方法。
9. 前記掘削土を処理して得た前記液体生成物は、１リットル当たり６００ｍｇ未満の懸濁物質を含んでいる水である請求項６ないし８のうち１項に記載の処理方法。
10. 前記一次導管には、乱流下で、前もって凝固している前記掘削土の供給が行われる請求項６ないし９のうち１項に記載の処理方法。
    

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