流体圧変動送給装置及びグラウト材動的注入装置

【課題】構造的に簡素で設備コストが安価であるグラウト材動的注入装置を提供する。
【解決手段】グラウト材の圧送用注入ポンプと、圧力変動調節機４とを備え、前記注入ポンプにより圧送されるグラウト材を前記圧力変動調節機を通して、注入対象領域に臨ませた注入管からグラウト材を前記注入対象領域に注入するように構成し、前記圧力変動調節機４は、モータ４Ａの回転力により連続して軸心回りに回転する回転盤４Ｂに、前記軸心を中心とする円上に周方向に間隔を置いて複数の透過孔４ｂを形成したものであり、前記回転盤４Ｂの前記透過孔４ｂ群の特定の透過孔が、前記注入ポンプの吐出側と前記注入管との間の流路１０に介在している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧変動送給装置及びグラウト材動的注入装置に関するものである。特に、大きな亀裂と小さい亀裂との両者を有する岩盤に亀裂に対し、浸透性に優れた岩盤におけるグラウト注入工法を実施する際に好適に適用できるグラウト材動的注入装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
都市の軟弱地盤における注入と異なり、岩盤でのグラウト注入は、亀裂が小さく、かつその亀裂が注入に伴って膨張するものではないので、まったく異なる注入形態が必要になる。
近年、岩盤におけるグラウト注入工法において、いわゆる「動的注入」の有効性が確認されており、その工事数が増加傾向にある。
動的注入の代表例は特許文献１に開示されたもので、グラウト材を注入ポンプにより所定の注入圧力で圧送し、末端の注入管を介して亀裂性岩盤に穿設された注入孔にグラウト材を注入するに際し、前記注入圧力に５Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数域から選択された特定の周波数を持つ脈動圧力を重畳的に付加し、前記グラウト材の構成粒子を励起させるものでる。
しかし、その後の本発明者らは、かかる方法ではグラウト材の浸透性が充分でないことが知見された。また、特許文献１のものでは、脈動圧発生ポンプとして、具体的に油圧サーボアクチュエータにより駆動される容積型の脈動圧発生ポンプを使用しているが、その種の油圧機器では、設備コストがきわめて嵩むものとなる。
【特許文献１】特許第３０９６２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明が解決しようとする主たる課題は、液体の圧力が周期的に変動していることが必要な送給先に送給する装置として、構造的に簡素で設備コストが安価である流体圧変動送給装置を提供することにある。また、注入対象領域に、特に大きな亀裂と小さい亀裂との両者を有する岩盤に亀裂に対し、浸透性に優れたグラウト注入工法を実施する際に好適に適用できる、特に構造的に簡素で設備コストが安価であるグラウト材動的注入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
〔請求項１記載の発明〕
液体の圧力を周期的に変動させながら送給する装置であって、
前記流体の圧送用ポンプと、圧力変動調節機とを備え、前記ポンプにより圧送される流体を前記圧力変動調節機を通して、液体の圧力を周期的に変動させるように構成し、
前記圧力変動調節機は、モータの回転力により連続して軸心回りに回転する回転盤に、前記軸心を中心とする円上に周方向に間隔を置いて複数の透過孔を形成したものであり、
前記回転盤の前記透過孔群の特定の透過孔が、前記ポンプの吐出側と前記注入管との間の流路に介在していることを特徴とする流体圧変動送給装置。
【０００５】
〔請求項２記載の発明〕
注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入する装置であって、
前記グラウト材の圧送用注入ポンプと、圧力変動調節機とを備え、前記注入ポンプにより圧送されるグラウト材を前記圧力変動調節機を通して、岩盤の亀裂内に臨ませた注入管からグラウト材を前記亀裂内に注入するように構成し、
前記圧力変動調節機は、モータの回転力により連続して軸心回りに回転する回転盤に、前記軸心を中心とする円上に周方向に間隔を置いて複数の透過孔を形成したものであり、
前記回転盤の前記透過孔群の特定の透過孔が、前記注入ポンプの吐出側と前記注入管との間の流路に介在していることを特徴とするグラウト材動的注入装置。
【０００６】
（請求項１及び請求項２の作用効果）
請求項２の例を採って作用効果につき説明すると、注入ポンプにより圧送されるグラウト材は、その圧送流路に対して圧力変動調節機の回転盤の透過孔が一致したときはその透過孔を通して下流に流れ、その後、回転盤が回転し、隣接する透過孔間の位置においては流れが遮断される。このように、グラウト材の流れと遮断とが繰り返される。そして、上流側から圧力変動調節機に対して、グラウト材が注入ポンプにより圧送されているので、回転盤による遮断時においては、圧力が高まり、回転盤が流路を連通させた場合には、グラウト材が下流に流れる時点で圧力が低下する。また、遮断から連通、連通から遮断の移行期においては、圧力変動があるので、図１に示す圧力変動を生じさせることができるのである。
このようにして、周期的な圧力変動を生じさせながら、注入管をから亀裂（クラック）にグラウト材を注入できる。そして、圧力変動調節機として、たとえば後記実施の形態で示すように、モータとこれによって回転する透過孔を有する回転盤とを基本要素として備えれば足りるので、構造的に簡素で設備コストが安価なものとなる。
【０００７】
〔請求項３記載の発明〕
前記流路の前記圧力変動調節機の前後にバイパス路を設け、このバイパス路を通る流量を調整する流量調整手段を設け、前記流路を通るグラウト材の圧力を調整する構成とした請求項２記載のグラウト材動的注入装置。
【０００８】
（作用効果）
前述の動作原理からも判るように、回転盤の回転速度、透過孔の面積、隣接する透過孔間の距離によって、注入ポンプからの圧力が一定であれば、圧力変動周波数及び圧力の変動振幅が一定である。しかるに、グラウト材の浸透性は亀裂の大きさなどに対応して圧力の変動振幅を調整したい場合がある。そこで、本発明に従って、流路の圧力変動調節機の前後にバイパス路を設け、このバイパス路を通る流量を調整する流量調整手段を設け、バイパス路を通る流量を調整すれば、本流路を通るグラウト材の圧力を調整することで、図２２に示すように、たとえば（ａ）図のように過度に大きい圧力振幅を、（ｂ）図のように適正な圧力振幅に調整でき、もって、圧力の変動振幅を容易に調整することができる。
【０００９】
〔請求項４記載の発明〕
前記注入ポンプの吐出圧力が周期的に変動させる吐出圧力制御装置が前記注入ポンプに対して設けられている請求項２または３記載のグラウト材動的注入装置。
【００１０】
（作用効果）
かかる装置構成によれば、先行特許文献１などの従来例のものの短波と言うべき圧力変動のみのものとは異なり、長波の注入圧力変動に対して短波の注入圧力変動を重畳させることができ、岩盤におけるグラウトの浸透性に優れたものとなる、特に、微細な亀裂に対しても優れた浸透性を示すものとなることは後の説明によって明らかにする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、装置構成として、構造的に簡素で設備コストが安価なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、グラウト材の注入方法の概要及び本発明の実施の形態をまず説明した後に、多くの実験結果を示しながら本発明に係る注入の効果を明らかにする。
＜本発明の概要＞
本発明は、液体の圧力が周期的に変動していることが必要な送給先に送給する装置を提供する。その代表例はグラウト注入である。グラウト注入は、都市土木でのグラウト注入と山岳土木でのグラウト注入（たとえばダムグラウト）とに大別され、本発明は、これらの両者に適用できるが、特に岩盤グラウトにおいて顕著な利点をもたらすものである。
【００１３】
図１は、本発明のグラウト材動的注入装置を使用して注入する場合の好適な注入方法の概念図を示したもので、その動的注入方法は、０．０５〜１Ｈｚ（より好適には０．１〜０．５Ｈｚ）の長波（一次低周波）の注入圧力変動に、１〜１０Ｈｚ（より好適には１Ｈｚ以上かつ５Ｈｚ未満）の短波（二次高周波）の注入圧力変動を重畳した複合波を示す注入圧力の変動をもって岩盤にグラウト材を注入するものである。
【００１４】
なお、注入開始当初から最終まですべての期間において複合波による注入を必須とするものではなく、少なくとも注入の最終段階で複合波による注入を確保されればよい。したがって、注入開始段階では、注入圧力を一定としたり、長波（一次低周波）のみによる注入圧力変動による注入などでもよい。また、注入圧力の振幅としては、ある時点の圧力Ｐに対し、±（０．１〜０．５Ｐ）の変動を生じるような振幅が好ましいことを知見している。
【００１５】
＜本発明の実施の形態＞
岩盤グラウトの実施に際しては、図２に示すように、岩盤Ｅのクラックにパッカー１ａを備えた注入管１を挿入設置しておく。また、注入プラントとして、グラウト材料撹拌機２から、インバータ制御を行う圧送用注入ポンプ（一次低周波発生器）３及び回転盤を備えた、本発明の圧力変動調節機としての二次高周波発生器４を通して前記注入管１にグラウト材Ｇを圧送するようにしてある。
【００１６】
二次高周波発生器４を通るグラウト材Ｇの一部はリターンバルブ５によりグラウト材料撹拌機２へ流路１１を通して返送するようにしてある。
【００１７】
注入時の圧力は、１次圧力計６により検出し、流量は流量計７により検出し、所定の圧力を超えた時点でコントローラ８によりリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。また、流量が過大となった時点においてもリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。これらのリターン系は、通常のダムグラウトで行われているのと同様の方法であるので詳細の説明を省略する。
【００１８】
流量計７と注入管１との間には２次圧力計９が設けられ、また、グラウト材を送給する流路１０において、二次高周波発生器４の前後にバイパス路１２が設けられ、そのバイパス路１２に、本発明のバイパス路を通る流量を調整する流量調整手段としてのバイパス量調整用の流量調整弁９が設けられている。２次圧力計９で圧力変動に応じて、二次高周波振幅調整器１３により、流量調整弁９の開度を調整し、二次高周波の振幅の調節を行うようにしてある。
【００１９】
かかる設備では、注入ポンプ３、たとえばピストン型の注入ポンプ３を、これに付属のインバータ制御器により回転数制御を行い、グラウト材の送給圧力を長波（一次低周波）で周期的に変動させる。その後において、後に詳しい構造例を説明する二次高周波発生器４により、短波（二次高周波）で周期的に変動させる。その結果、長波（一次低周波）に短波（二次高周波）が重畳された、図１に示す複合波が生じ、かかる複合波の、経時的な圧力変動を示す注入圧力変動（流量も変動する。）をもって、注入管１を通してグラウト材Ｇを岩盤ＥのクラックＣに注入する。
【００２０】
他方、図３に示すように、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び調整弁９は、流量計７の後段に設けてもよい。
【００２１】
二次高周波発生器４としては、特許文献１のように油圧サーボアクチュエータとその油圧サーボアクチュエータにより駆動される容積型のポンプ、たとえばピストンポンプにより、発振器により二次高周波をもって圧力変動させることもできるが、図４に示す装置構成のほうが、装置が簡素となる。
【００２２】
図４に示す二次高周波発生器４は、モータ４Ａの出力軸に、同軸心回りに連続的に回転する回転盤４Ｂを設け、その回転盤４Ｂの周囲円に適宜の数で透過孔４ｂ、４ｂ…を等間隔で形成したものである。前記周囲円の一部に対して流路１０が連なるよう構成してある。
【００２３】
流路１０を通して送給されるグラウトＧは、流路１０に対して透過孔４ｂが一致したときはその透過孔４ｂを通して下流に流れ、その後、回転盤４Ｂが回転し、透過孔４ｂ、４ｂ間の位置においては流れが遮断される。このように、グラウトＧの流れと遮断とが繰り返される。そして、上流側からグラウトＧが注入ポンプ３により圧送されているので、遮断時においては、圧力が高まり、連通して下流に流れる時点で圧力が低下する。また、遮断から連通、連通から遮断の移行期においては、圧力変動があるので、図１に示す圧力変動を生じさせることができるのである。
【００２４】
ここで、透過孔４ｂの数は、透過孔４ｂの直径を２５ｍｍにした場合、本発明で規定する条件を得るためには、６孔では大きな振幅を得ることが困難であり、２孔では遮断時間が長すぎるので、３〜５孔、特に４孔が最適であることを知見している。また、透過孔４ｂの直径を２０ｍｍにした場合、６孔でも良好であり、図５に示す圧力振幅及び流量振幅が得られる。
【００２５】
また、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び流量調整弁９を設けない場合、図４の二次高周波発生器４自体の構造が原因となって、モータ４Ａの回転数が一定の場合には、透過孔４ｂの直径、及び透過孔４ｂ、４ｂ間の距離により、圧力振幅及び流量振幅は一定である。しかし、圧力振幅及び流量振幅が過度に大きいと、浸透性が良好でない。そこで、圧力振幅及び流量振幅を調整するために、二次高周波振幅調整器１３により流量調整弁調整弁９の開度を調節し、バイパス路１２に流れる流量を高めることで、圧力振幅及び流量振幅を低減させ、クラック（亀裂）への良好な浸透性を確保できる。
【００２６】
本発明においては圧力変動調節機の構成に特徴を有する。したがって、前記実施の形態における圧送用注入ポンプ３としては、インバータ制御を行い一次低周波を発生させること一定又は実質的に一定の圧力で圧送するものでもよい。
【００２７】
一方、本発明において、圧送用（注入）ポンプに代えて、一次低周波を発生させて圧送する他の手段としては、ピストンポンプやスクイズポンプなどモータを駆動力とする場合に、そのモータの回転周波数を制御する装置を付加したもの、またはモータの回転数をパルス的に増加減させるもの、ピストンポンプの駆動軸に電気−油圧アクチュエータを連結し、電気−油圧アクチュエータを通す油量を電気信号に応じて増加減することによりピストンポンプの往復動速度を調整するものなどを使用できる。また、特許第２９４８８８１号公報の第２図、あるいは特開昭５２−５３５０４号公報に示されたダイヤフラムポンプを使用する形態、特開昭５１−８８８１０号公報に示された超音波振動子を使用する形態、特許第２９５２３２４号公報に示された振動媒体又は衝撃媒体を使用する形態、特開２００２−１３１３０号公報に開示されたアキュムレータを使用する形態など適宜の手段を採用できる。
【００２８】
本発明のグラウト材を吐出する注入管としては、単管又は二重管のほか、適宜の流路を有する公知のものを使用できる。
【００２９】
本発明によれば、図６の模式図に示すように、岩盤Ｅに大きいクラックと細かいクラックがあるときにおいても、細かいクラックに対しても浸透させることができる。この点については、続いて説明する実施例（実験例）によって明らかにする。
【実施例】
【００３０】
次に実施例（実験例）を示し、本発明の効果を明らかにする。
岩盤を模擬的に再現させるために、図７に示す被注入器に対して、図２に示す装置を使用して、注入実験を行った。
【００３１】
被注入器は、上下の圧肉鉄板（肉圧５０ｍｍ）の間に狭い間隔Ｓの流路を形成し、その流路内に邪魔板スペーサを設け、グラウト材の入口Ｐ１から出口に向かって邪魔板スペーサを巡りながら注入するようにしたものである。被注入器として、間隙Ｓが１００μｍの場合と、５０μｍの場合との２つものを用意した。グラウト材Ｇを注入した。グラウト材は、間隙Ｓが１００μｍの場合には、図１８のグラフの上部に記載した、高炉セメントＢ種を使用した配合とし、Ｗ／Ｃ＝２／１とし、間隙Ｓが５０μｍの場合には、図１９のグラフ中に記載した、超微粒子セメントを使用した配合とし、同じくＷ／Ｃ＝２／１とした。
【００３２】
このとき、各位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３において、グラウト材の通過量及び圧力を検出した。
【００３３】
間隙Ｓが１００μｍの場合の結果を図８〜図１２に、間隙Ｓが５０μｍの場合の結果を図１３〜図１７にそれぞれ示した。
【００３４】
各図において、グラフ上の「注入圧力」の文言の後にたとえば（Ｘ‐Ｙ）と記載されている、前者の数字Ｘは、長波（一次低周波）の周波数であり、後者のＹは短波（二次高周波）の周波数を示す。
【００３５】
間隙Ｓが１００μｍの場合において、図８の動的注入を行わない場合（０‐０）、注入開始後まもなく（約１０分後に）閉塞が生じ、以後の注入が不能となる。図９の短波のみによる動的注入を行う場合（０‐３）、注入が可能であるが、約２０分〜３０分後に注入が不安定となり、その後に閉塞が生じる。しかも、通過量は低いレベルにとどまる。図１０の短波が１０Ｈｚの場合（０‐１０）、注入が良好で、しかも通過量が高いレベルとなる。図１１の本発明に従う複合波による注入の場合（０．１‐３）、図１０の場合と同様に注入が良好である。なお、図１１において、注入開始後、約５０分後に閉塞が生じているが、これは、後に示す図１６の場合における結果との整合性（図１６の場合には、間隙Ｓが５０μｍでより狭いにもかかわらず、閉塞が生じていないこととの整合性）からしても、他の要因に基づくものと考えられる。図１２の場合（０．１‐１０）、注入が良好でるものの通過量が低いレベルとなる。
【００３６】
間隙Ｓが５０μｍの場合において、図１３の動的注入を行わない場合（０‐０）、注入開始後しばらくして閉塞が生じ、以後の注入が不能となる。図１４の短波のみによる動的注入を行う場合（０‐３）、注入が可能であるものの、早期に閉塞が生じる。図１５の１０Ｈｚの場合（０‐１０）、通過量がやや高いレベルとなる。図１６の本発明に従う複合波による注入の場合（０．１‐３）、注入が良好であり、特に長時間にわたって閉塞が生じることがなく、しかも通過量も高いレベルとなる。図１２の場合（０．１‐１０）、短期に閉塞が生じ、しかも通過量が低いレベルとなる。
【００３７】
これらの実験結果について、通過量を質量換算で示したものが、図１８及び図１９である。図１８の場合（間隙Ｓが１００μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入と有意差はないが、図１９の場合（間隙Ｓが５０μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入に対して、（０．１‐３）の場合、特に高い質量レベルとなる。これらから、本発明に従う複合波による動的注入は、微細クラックに対しても浸透注入性が優れたものとなることが判明する。
【００３８】
図２０及び図２１は、注入経路の各点での、注入圧力の振幅の減衰を示したものであり、減衰率が大きいほど、動的注入効果がなくなることを示すものである。図２０の場合には、有意差はないが、図２１の場合（間隙Ｓが５０μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入に対して、本発明に従う複合波による動的注入の場合は減衰率が小さいから、いわば振動が深くまで伝達していることを示し、微細クラックに対して浸透注入性が優れたものとなることが判明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態の概要図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の概要図である。
【図４】二次高周波発生器の説明図である。
【図５】圧力振幅及び流量振幅変動のグラフである。
【図６】本発明を従来例との対比で説明する概念図である。
【図７】被注入器の形態の説明図である。
【図８】実験結果のグラフである。
【図９】実験結果のグラフである。
【図１０】実験結果のグラフである。
【図１１】実験結果のグラフである。
【図１２】実験結果のグラフである。
【図１３】実験結果のグラフである。
【図１４】実験結果のグラフである。
【図１５】実験結果のグラフである。
【図１６】実験結果のグラフである。
【図１７】実験結果のグラフである。
【図１８】実験結果のグラフである。
【図１９】実験結果のグラフである。
【図２０】実験結果のグラフである。
【図２１】実験結果のグラフである。
【図２２】圧力変動振幅の調整例の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…注入管、２…グラウトラウト材料撹拌機、３…圧送用注入ポンプ（一次低周波発生器）、４…二次高周波発生器（圧力変動調節機）、５…リターンバルブ、９…流量調整弁（流量調整手段）、１０…流路、１２…バイパス路、１３…二次高周波振幅調整器。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の圧力を周期的に変動させながら送給する装置であって、
前記流体の圧送用ポンプと、圧力変動調節機とを備え、前記ポンプにより圧送される流体を前記圧力変動調節機を通して、液体の圧力を周期的に変動させるように構成し、
前記圧力変動調節機は、モータの回転力により連続して軸心回りに回転する回転盤に、前記軸心を中心とする円上に周方向に間隔を置いて複数の透過孔を形成したものであり、
前記回転盤の前記透過孔群の特定の透過孔が、前記ポンプの吐出側と前記注入管との間の流路に介在していることを特徴とする流体圧変動送給装置。
【請求項２】
注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入する装置であって、
前記グラウト材の圧送用注入ポンプと、圧力変動調節機とを備え、前記注入ポンプにより圧送されるグラウト材を前記圧力変動調節機を通して、注入対象領域に臨ませた注入管からグラウト材を前記注入対象領域に注入するように構成し、
前記圧力変動調節機は、モータの回転力により連続して軸心回りに回転する回転盤に、前記軸心を中心とする円上に周方向に間隔を置いて複数の透過孔を形成したものであり、
前記回転盤の前記透過孔群の特定の透過孔が、前記注入ポンプの吐出側と前記注入管との間の流路に介在していることを特徴とするグラウト材動的注入装置。
【請求項３】
前記流路の前記圧力変動調節機の前後にバイパス路を設け、このバイパス路を通る流量を調整する流量調整手段を設け、前記流路を通るグラウト材の圧力を調整する構成とした請求項２記載のグラウト材動的注入装置。
【請求項４】
前記注入ポンプの吐出圧力が周期的に変動させる吐出圧力制御装置が前記注入ポンプに対して設けられている請求項２または３記載のグラウト材動的注入装置。

【図１】