JP5789286B2

JP5789286B2 - グラウト圧送装置及び方法

Info

Publication number: JP5789286B2
Application number: JP2013169047A
Authority: JP
Inventors: 一雄下田; 了古谷; 肇市川
Original assignee: 有限会社シモダ技術研究所; 株式会社地巧社
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: JP2015036503A

Description

本発明は、地盤注入工法に用いる一筒毎に吐出口を設けたピストン型多筒式グラウトポンプ及び伸縮性の注入ホース間、或いは双方に脈動吸収部を設置し、グラウトがポンプ、注入ホース及び脈動吸収部を通過することにより脈動を低減させるグラウト圧送装置及び方法に関するものである。

一般に地盤注入工法に用いる流動性グラウトは、ポンプを利用して吐出口から加圧圧送する方法が採用されている。このグラウトポンプは、グラウトの性状によってポンプの構造が異なる多くの種類がある。このうち、本発明は、ピストン式（プランジャー型も含まれる。）に属する。

使用するグラウトのうちＡ液（主剤で主に水ガラス）、Ｂ液（硬化剤）を、それぞれ吐出口から放出した後、合流混合するケミカルグラウトでは、４筒２連式（吐出口が２つ）のプランジャーポンプ（以下、ピストン型という。）が多く使用されている。このポンプは、シリンダー部（以下、筒という。）がピストン型で円運動をするクランクの一方向だけの成分を取り出して機構的にピストンを往復させる機構である。そして、ピストンを筒内面に密着させる作動を行い、ピストンの一面が吐出、他面が吸入作用を行い、往復運動によって連続吐出作業を行うものである。

このうちプランジャーは、筒の一部に挿入され、往運動のときにグラウトを吐出し、復運動のときにグラウトの吸入を行う単動である。

そしてケミカルグラウト（Ａ、Ｂ液型）に使用する場合に、ポンプ２台を１台にまとめ、バルブ室が完全に２室に分離しており、左右のシリンダーが別々に２液を吐出する構造となっている。

このため、２筒で１つの吐出口（Ａ液）を設け、他の２筒が１つの吐出口（Ｂ液）を設けた、いわゆる４筒２連式ポンプが構成されることとなる。

このポンプは、２筒を１セットとして、吸入と吐出を同時に行うことにより、グラウトの脈動を無くすことを特徴としている。ここでいう脈動とは、送液動作が周期的に寸断されることにより、液が脈打つように送液されることをいう。このような脈動を小さくするためには、２筒に１つのエアチャンバーを取り付ける。このエアチャンバーは、それほど大きくなく、大体内容積は４００ｃｍ³程度以下である。

なお、これらポンプによるグラウトの脈動を利用した技術としては、例えば特許文献１の開示技術が提案されている。この特許文献１の開示技術によれば、従来の吐出量（注入速度）を一定に保持した２筒１連式グラウトを用い、ポンプに制御装置を取り付けてポンプの回転数を調整する。これにより、動的（強制的）に注入速度又は注入圧力を変化させた薬液注入を実現することが可能となる。

この注入工法の主たる目的である薬液（２液性でＡ液、Ｂ液に分けて別々に圧送する）に使用する場合、４筒２連式で２つの注入ホースを経て注入管の手前、或いは先端から合液混合してできた薬液を地盤に注入する。

しかしながら、特許文献１の開示技術は、元々吐出が一定のポンプにわざわざ高価な制御盤を取り付けたものであり、ポンプ自体は従来の２筒１連式であるため、ポンプの台数の減少や、低吐出量の注入に対応できないという難点を解決した注入工法とはいえない。

特開２００５−３３０８０５号公報

大西弘"新編、図解グラウト便覧"（株）ラテイス、ｐ２００〜ｐ２１９昭和４７年７月４日

以上のように、従来におけるポンプの基本原理は、２筒１連式であるため、改良すべき点、及び施工性から次のような問題点がある。
１）２筒で１つの吐出口であることから、多くのポンプを必要としている。
２）２筒で１つの吐出口であるため、グラウト吐出量は合算となり、高圧で少ない吐出量（例えば、毎分２〜４ｌ）にすることは、ポンプの構造上難しい。

以上のうち、特に２）が施工上解決できない難点とされている。

しかしながら、現状のポンプで二液性グラウトを筒毎に吐出口を設けた場合、脈動（流動量の変動幅が大きいこと）が大きく、二液性の場合、Ａ、Ｂ液合流時に等量混合にならず、ゲルタイムが極端に大きく変化し、実用上使用できないという問題点があった。

なお、非特許文献１にはグラウトポンプの例として、ピストン型、プランジャー型が開示されているが、脈動を低減させるための技術は特段開示されていない。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、グラウトがポンプ、注入ホース及び脈動吸収部を通過することにより脈動を低減させることができ、安定したグラウトの地盤注入を実現できるグラウト圧送装置及び方法を提供することにある。

上述した従来の技術では、ピストン型ポンプで筒毎に吐出口を設けることは、グラウトの脈動が非常に大きく、現状のままでは使用できない。そこで本発明では、筒毎に吐出口を設けることによる脈動を実用可能な範囲まで回避したポンプ及びグラウトの圧送方法を鋭意検討した。

即ち、本発明は、ポンプ本体を含めた吐出口から一定の長さを有する注入管に至る軟質な注入ホース間に伸縮性又は非伸縮性の脈動吸収部を設けることにより、ポンプ、ピストンで圧送されたグラウトがポンプ内の脈動吸収部、或いは注入ホース間の脈動吸収部を通過する過程で脈動を低減させて実用可能な範囲に収める方法である。

本願請求項１記載のグラウト圧送装置は、地盤中にグラウトを注入管を介して圧送するグラウト圧送装置において、駆動部の回転駆動に応じて往復運動可能な複数のピストンと、上記ピストン毎に設けられ、収納された上記ピストンの往復運動に応じて内部にグラウトを吸入させ、またこれを吐出させる複数の筒体と、上記筒体毎に設けられ、上記筒体から吐出されたグラウトを吐出させる吐出口と、上記吐出口から吐出されたグラウトを上記注入管へ導く注入ホースとを備え、上記注入ホースは、２０ｍ以上であり、上記筒体から吐出口までの間、及び上記注入ホース間の何れか１箇所以上に、上記グラウトを一時的に浸入又は滞留させることが可能な容器状とされ、上記注入管へのグラウトの排出量を調整して脈動を吸収するための内容積が５００ｃｍ ³ 以上である脈動吸収部が設けられていることを特徴とする

本願請求項２記載のグラウト圧送装置は、請求項１記載の発明において、上記脈動吸収部は、上記筒体毎に設けられたエアチャンバーであることを特徴とする。

本願請求項３記載のグラウト圧送装置は、請求項１記載の発明において、上記脈動吸収部は、上記注入ホース間に設けられ、伸縮自在な伸縮部材、伸縮不能な非伸縮部材、上記伸縮部材及び上記非伸縮部材、の何れかにより構成されていることを特徴とする。

本願請求項４記載のグラウト圧送方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載のグラウト圧送装置を用いて、上記グラウトを上記脈動吸収部に一時的に浸入又は滞留させて、上記注入管へのグラウトの排出量を調整して脈動を吸収しつつ、これを圧送することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、グラウトがポンプ、注入ホース及び脈動吸収部を通過することにより脈動を低減させることができ、安定したグラウトの地盤注入を実現できる。

本発明を適用したグラウト圧送装置の正面図である。本発明を適用したグラウト圧送装置の側面図である。伸縮性の有する蛇腹状で構成した脈動吸収部を示す図である。

以下、本発明を適用したグラウト圧送装置の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用したグラウト圧送装置により圧送するグラウトは、一液、或いはＡ液（主剤で主に水ガラス）、Ｂ液（硬化剤）からなる二液で構成され、注入工法に用いるピストン型多筒式ポンプではグラウトを圧送する場合に一般的には４筒２連式が用いられる。

この場合、２筒を１組としてピストンの往復運動を交互に行う。即ち、往運動でグラウトの吐出を行い、復運動でグラウトの吸入を行う。そして、この２筒を合わせて１つの吐出口からグラウトを均等に吐出させている。この方式では、４筒で２つの吐出口からグラウトを圧送することを原則としている。

従って、グラウトが二液性（Ａ液とＢ液に分ける）では、１つの注入管、一液性では２つの注入管を通じて注入している。

これに対して、本発明によれば、１筒毎に吐出口を設けたポンプを使用することにより、使用するポンプの台数が半分で済み、更に低吐出量（毎分２〜４ｌ）の注入が可能となる。

特に正確に低吐出量を維持することができ、しかも高圧（０．５〜５ＭＰａ）で注入できる機能を備えるには、より高価なポンプ（油圧式等）が必要となる。

そこで本発明では、汎用性のある現在使用しているポンプを改造することにより、１筒毎に吐出口を設けている。

図１は、本発明を適用したグラウト圧送装置３０の正面図であり、図２はその側面図である。このグラウト圧送装置３０は、ポンプ本体１と、このポンプ本体１の中に実装された駆動部２と、駆動部２の下部に設けられた４本の筒体３ａ〜３ｄと、筒体３の中に設けられた４本のピストン４ａ〜４ｄと、筒体３に接続された４本の接続管６ａ〜６ｄと、この接続管６の内部に配設されたボールバルブ５ａ〜５ｄと、各接続管６ａ〜６ｄの一部を開口させることにより形成した吸入口７ａ〜７ｄ及び吐出口９ａ〜９ｄと、各接続管６ａ〜６ｄから延長されている脈動吸収部８ａ〜８ｄと、各吐出口９ａ〜９ｄに接続されている注入ホース１０ａ〜１０ｄとを備えている。

この駆動部２は、いわゆるクランク軸から構成され、軸がコ字状に順次折り曲げられて構成される。この駆動部２には、２本のピストン４ａ、４ｂの各軸が１セットで接続され、２本のピストン４ｃ、４ｂの各軸が１セットで接続されている。また１セットで接続される２本のピストン４は、駆動部２を構成するクランク軸の異なる折曲げ位置に設けられる。このため、この駆動部２に対して回転動力が伝達された場合において、１セットで接続される２本のピストン４の上下運動時のポジションは、図１に示すように互いに異なるものとなる。また、１セットで接続される２本のピストン４は、交互に往復運動することとなる。

筒体３ａ〜３ｄは、駆動部２の回転駆動に基づいて上下運動するピストン４ａ〜４ｄが収納される。この筒体３ａ〜３ｄの下部は、それぞれ接続管６ａ〜６ｄに通じている。筒体３ａ〜３ｄは、接続管６ａ〜６ｄからグラウトが供給され、或いは当該接続管６ａ〜６ｄに対してグラウトを送り込む。

注入ホース１０ａ〜１０ｄは、伸縮性のある材料で構成され、２０ｍ以上の長さで構成される。

脈動吸収部８は、機能が異なる脈動吸収部８Ａ又は脈動吸収部８Ｂにより構成される。脈動吸収部８Ａは、主に接続管６に接続されたいわゆるエアチャンバーといわれるもので金属部材の円筒形で上部が閉塞された容器で構成されている。なお、エアチャンバーの内容積の大きさによっては、ポンプ本体に取り付けできない場合には吐出口９の外側に設けてもよい。

この脈動吸収部８Ａとしてのエアチャンバーの働きは、筒内に満たされたグラウトをピストン４により加圧状態で押し出す（吐出）と、一部はエアチャンバー内のエアを圧縮しながら当該脈動吸収部８内に浸入する。次にピストン４を引いたとき（吸入）に減圧され、エアチャンバー内のグラウトは排出されて大気圧に戻る。この脈動吸収部８としてのエアチャンバー内へのグラウトの浸入、排出減少により、グラウトの排出量を調整して脈動を吸収することとなる。

なお、従来のエアチャンバーは、２筒式で１つのエアチャンバーで吐出と吸入が同時に行われているため、エアチャンバー内はほぼ常時に近い状態でグラウトの圧入（エア圧縮）が繰り返され、本発明でいう脈動吸収部８としての効果はあまり発揮できないため、本発明でいう脈動吸収部８と区別している。

脈動吸収部８Ｂは、軟質のゴム、プラスチック等の伸縮自在な伸縮部材又は硬質のゴム、プラスチック及び金属等の伸縮不能な非伸縮部材、更には伸縮部材と非伸縮部材とを組み合わせた構造とされていてもよいが、好ましくは伸縮部材である。

この脈動吸収部８Ｂは、ポンプ側からの入口と注入管側への出口からなる容器状であって、その形状及び構造は特に限定されるものではないが、伸縮部材からなる蛇腹状で構成されることが望ましい。

脈動吸収部８Ｂは、筒体３からの吐出口９から注入管１１までの注入ホース間に設けた注入ホース１０より大きい断面積を有した容器状のものである。

この脈動吸収部８Ｂの働きは、１筒毎の吐出口から送り出された脈動のあるグラウトが注入ホース１０を通じて当該注入ホース１０より大きい断面積の容器状の脈動吸収部８Ｂに流入すると流速が大きく減速され、かつ一部乱流を起こした滞留状態となり、脈動は吸収される。

即ち、脈動吸収部８は、伸縮自在な伸縮部材、伸縮不能な非伸縮部材、伸縮部材及び非伸縮部材、の何れかにより構成されていればよい。

本発明では、このように容器内で流速が大きく減速され、滞留状態となり脈動を吸収する現象を単に滞留と称している。

なお脈動吸収部８は、内容積が５００ｃｍ³以上で構成されていることが望ましい。従来型のプランジャー型のポンプ本体に取り付けられているエアチャンバーの内容積が５００ｃｍ³未満であることから、脈動吸収部８の内容積をこれ以上のサイズで構成させる。

脈動吸収部８は、脈動吸収部Ａ及び脈動吸収部Ｂの何れか一方又は双方の構成が反映されるものであってもよい。

本発明では、以上の脈動吸収部８Ａ及び脈動吸収部８Ｂを単独又は組み合わせることにより、グラウトを始めとした経時硬化性材は、ポンプ内の脈動吸収部８、注入ホース１０、及び注入ホース間の脈動吸収部を通過することで、脈動を吸収して実用可能な注入速度（吐出流量）が得られるようになる。

本発明における脈動吸収率の判定は、グラウトを大気中で１ｍの高さで水平に吐出口９から放出したときの最小長さＬ１（距離）と、最大の長さ（Ｌ２）との差Ｌ３（＝Ｌ２−Ｌ１）をＬ２で割った値を１００から引いた％としている。具体的には脈動吸収率（％）＝１００−[（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ２×１００]で表される。

そして、この脈動吸収率６０％以上を実用可能な範囲として本発明で規定した範囲として設定した。脈動吸収率は、注入ホース１０の長さ、脈動吸収部８の部材の種類（伸縮性有無等）及びその内容積の大きさに応じて決まる。

本発明を適用したグラウト圧送方法により圧送されるグラウトは、図１に示すように、筒体３毎に設けられ、接続管６に接続された脈動吸収部８、或いは注入ホース１０間に設けられた脈動吸収部８Ａを経て最後の注入管１１に至る。このうち、注入ホース１０間に設けられた脈動吸収部８Ｂは、内容積が５００ｃｍ³以上あればいかなる形状、構造であってもよい。この脈動吸収部８´は、図３に示すように縦置きで構成することが望ましい。これにより、脈動吸収部８´の下側がポンプ側に、上側が注入管１１側になるように接続することができ、脈動を効率的に吸収することが可能となる。

本発明において使用される注入ホースは、伸縮部材で具体的には丸めることができる材料である。

また本発明を適用したグラウト圧送装置３０は、各筒体３に対してそれぞれ吐出口９を設けていることから、いわゆる４筒４連式のプランジャーポンプの場合、１筒あたりの吐出量が毎分２〜１０ｌで、駆動部２を構成するクランク１回転（吸入と吐出の合計）は、約０．２〜１秒程度である。

本発明を適用したグラウト圧送方法において使用するグラウトは、薬液系（ケミカルグラウト）と、非薬液系とがある。

この薬液系には、主に水ガラス系であって水ガラスに硬化剤を加えてアルカリ領域でゲル化させるアルカリ系と、水ガラスに酸性硬化剤（硫酸、リン酸等）を加えて、中性−酸性領域でゲル化させる非アルカリ系とがある。さらにセメント等の硬化発現材としての懸濁液を硬化剤として加えることができる。

非薬液系には、セメント、セメントとスラグ、スラグと石灰等の硬化発現材粒子は、普通セメント（ブレーン値約３０００ｃｍ³／ｇ）以上の懸濁液、さらに粘着材（ベントナイト等）を加えたグラウトとして使用することができる。

本発明を適用したグラウト圧送方法では、４筒４連式を用いた場合において一液性グラウトでは１筒１連式で４注入管、二液性（Ａ液、Ｂ液）では２筒２連式で２注入管に同時に注入することができ、従来のポンプの半分の台数で施工できる。更に従来と比較して１／２の低吐出量で施工が可能となる。

本発明では、グラウトが一液性と二液性とでは、脈動吸収率を使い分けることが望ましい。即ち、一液性では脈動が多少存在していても、十分に実用可能であるため、脈動吸収率が６０％以上であればよい。一方、二液性はＡ液（水ガラス）、とＢ液（硬化剤）の混合時に、混合比率をできるたけ近づけ、ゲルタイムの差異を少なくするため脈動吸収率を９０％以上とすることが望ましい。

以下、本発明について実施例を挙げて更に詳細に説明をする。

実験に使用したポンプは、一筒毎に吐出口を設けたピストン型多筒式として図１に示すような４筒４連式のプランジャーポンプ（日本建設機械商事（株）製ＮＰＯＴ−４０ＴＮを改良したもの）を用い、脈動吸収部８Ａとしてエアチャンバー型と、伸縮性の有する蛇腹状で構成した脈動吸収部８Ｂとを用いている。

また使用したポンプの吐出口内径９．４ｍｍ、注入ホースの内径１２ｍｍ、注入ホース先端の放出口内径７．２ｍｍである。

（実験１）
実験は、上述した脈動吸収率を求めた方法によって行い、グラウトは代用として水（水道水）を使用して種々の条件下で行った測定値及び脈動吸収率を表１に示す。

なおポンプの回転数（吸入と吐出の合計）は、吐出量５ｌ／分で０．７２秒、８．７ｌで０．３３秒である。

表１に示すように注入ホース１０及び脈動吸収部８が無い比較例１は、ポンプが１筒１連式であるため、吐出時に液ができるが、吸入時は全く液が出ない。これに脈動吸収部８Ａとしてエアチャンバーの内容積４００、５００、８００ｃｍ³（比較例２〜４）を取り付けると、吸入時にも吐出してきたが脈動吸収率は４８．６％以下で実用には不適であることが分かった。

これに対して、注入ホース１０を５ｍとした場合、脈動吸収部８の内容積が５００〜８００ｃｍ³（比較例９、１０）としたところで脈動吸収率は５１％以下で実用不適であることが確認された。

さらに注入ホース１０を２０ｍに延長し、脈動吸収部８Ａがエアチャンバー（無し及び内容積４００ｃｍ³）（比較例５、６）、及び脈動吸収部８Ｂの蛇腹型（内容積４００ｃｍ³：比較例７）では、脈動吸収率が４０％以下である実用に不適である。

これに対して、脈動吸収部８Ａ及び脈動吸収部８Ｂの内容積が５００ｃｍ³以上（本発明例１、２、３、４、５）と大きくすると脈動吸収率は６８．６％以上と高くなり、実用可能な範囲に脈動を小さくすることが確認できた。

更に注入ホース１０を４０ｍとした場合、より脈動吸収率を高めることができることが分かった（本発明例９）。

またポンプ吐出量が８．７ｌ／分の時の本発明例１と、３．４ｌ／分の時の本発明例１０とを比較したときに、本発明例１は６８．６％であり、本発明例１０は６７．６％であり、殆ど同じであった。このため、ポンプ吐出量の実用上の範囲（毎分２〜１０ｌ程度）で適用できることが分かった。

以上の実験結果から、本発明は、注入ホース１０を２０ｍ以上で、かつ脈動吸収部８の内容積が５００ｃｍ³以上であれば、１筒１連式であっても脈動吸収率６０％以上に高めることができ、十分実用可能な範囲であることが分かった。

（実験２）
ここでは図１に示す４筒４連式ピストン型（プランジャー型）ポンプを用いて、地上で二液性瞬結型グラウトの脈動の違いによるゲルタイムの変化を調査した。

実験は、筒体３ａにＡ液、筒体３ｂにＢ液を通し、表１の比較例６及び比較例７、本発明例１及び本発明例３の条件下で注入ホース１０の先端で合流混合したグラウトを３分毎６回のゲルタイムを測定した結果を表２に示す。

実験に用いたグラウトは、水ガラス系溶液型で、Ａ液（３号水ガラス２７．５ｌ、残部は水、合計１００ｌ）、Ｂ液（７５％希硫酸２．７ｌ、硫酸礬土２．０ｋｇ、残部は水、合計１００ｌ）として室内で実験を行ったところ、ゲルタイムは１０秒であった（本発明例１２）。

表２により比較例１３及び比較例１４は、比較例６、７の条件に相当するものであり、脈動が大きく脈動吸収率３８．７〜３９．６％であるため、ゲルタイムの変化は６〜６２秒と大きく変化していた。これはＡ液に対してＢ液の混合比率が大きいときに、ゲルタイムは短くなり、逆にＢ液の混合比率が少なくなるとゲルタイムは長くなるという非常に大きな違いが生じており、瞬結性グラウトとして実用不適であることが分かった。通常、瞬結性グラウトはゲルタイムが２０秒以下とされている。

これに対して本発明例１３、１４は、脈動が小さく脈動吸収率が８８．３〜９１．１％であるため、ゲルタイムの変化は、室内等量混合の１０秒に比べて７〜１４秒の範囲であり瞬結性グラウトとして十分に実用可能範囲であることが確認された。

１ポンプ本体
２駆動部
３筒体
４ピストン
５ボールバルブ
６接続管
７吸入口
８脈動吸収部
９吐出口
１０注入ホース
１１注入管
３０グラウト圧送装置

Claims

地盤中にグラウトを注入管を介して圧送するグラウト圧送装置において、
駆動部の回転駆動に応じて往復運動可能な複数のピストンと、
上記ピストン毎に設けられ、収納された上記ピストンの往復運動に応じて内部にグラウトを吸入させ、またこれを吐出させる複数の筒体と、
上記筒体毎に設けられ、上記筒体から吐出されたグラウトを吐出させる吐出口と、
上記吐出口から吐出されたグラウトを上記注入管へ導く注入ホースとを備え、
上記注入ホースは、２０ｍ以上であり、
上記筒体から吐出口までの間、及び上記注入ホース間の何れか１箇所以上に、上記グラウトを一時的に浸入又は滞留させることが可能な容器状とされ、上記注入管へのグラウトの排出量を調整して脈動を吸収するための内容積が５００ｃｍ ³ 以上である脈動吸収部が設けられていること
を特徴とするグラウト圧送装置。
上記脈動吸収部は、上記筒体毎に設けられたエアチャンバーであること
を特徴とする請求項１記載のグラウト圧送装置。
上記脈動吸収部は、上記注入ホース間に設けられ、伸縮自在な伸縮部材、伸縮不能な非伸縮部材、上記伸縮部材及び上記非伸縮部材、の何れかにより構成されていること
を特徴とする請求項１記載のグラウト圧送装置。
請求項１〜３のうち何れか１項記載のグラウト圧送装置を用いて、上記グラウトを上記脈動吸収部に一時的に浸入又は滞留させて、上記注入管へのグラウトの排出量を調整して脈動を吸収しつつ、これを圧送すること
を特徴とするグラウト圧送方法。