(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状の固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、この固液混合流体中の固体によるレイリー散乱を受けながら伝播した電波を受信し、このレイリー散乱によって生じた減衰量に着目した受信レベルの大小に基づき前記固液混合流体中の固体の空間密度を算定することを特徴とする固液混合流体中の固体密度の測定方法。
【請求項２】
粒状の固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、この固液混合流体中の固体によるレイリー散乱を受けながら伝播した電波を受信し、このレイリー散乱によって生じた減衰量に着目した受信レベルの大小に基づき前記固液混合流体中の固体の空間密度を算定し、この算定した空間密度から固体の流量を算定することを特徴とする固液混合流体の固体流量の測定方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記固体の流量は、前記算定した空間密度と前記固液混合液体の流速とにすべりに相当する１以下の係数を乗算することによって算定されることを特徴とする固液混合流体中の固体流量の測定方法。
【請求項４】
請求項２又は３において、
前記すべりに相当する１以下の係数は、前記固体の空間密度の増加と共に減少せしめられることを特徴とする固液混合流体中の固体流量の測定方法。
【請求項５】
粒状の固体と液体とが混合された固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、前記固液混合流体中の固体によるレイリー散乱を受けながら伝播した電波を受信する電波の送受信手段と、
前記レイリー散乱によって生じた減衰量に着目した受信電波の振幅から前記固液混合流体中の固体の空間密度を検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする固液混合流体中の固体密度の測定装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記電波の送受信手段は、前記管路の外周面に沿って複数対設置されたことを特徴とする固液混合流体中の固体密度の測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６において
前記固液混合流体は、泥水シールド工法の掘進機の先端部分で削り取られた土砂を固体として含む泥水であり、前記空間密度の算定値に基づいて検出された土砂の密度をほぼ一定値に保つように、掘削その他の状態が変更されることを特徴とする固液混合流体中の固体密度の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥水シールド工法などに利用される土砂と水との混合流体中に含まれる土砂の密度などの測定に利用される固液混合流体の固体濃度や流量の測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機によるトンネル掘削工事では、掘削機の先端部分で削り取った土砂を掘削中のトンネル内から外部に排出して投棄する必要がある。この削り取った土砂をトンネル外部に排出する方法としては、削り取った土砂をトロッコ等でトンネル外部に排出する泥土圧シールド掘削工法と、給水管を通してトンネルの後方から供給した泥水に削り取った土砂を混ぜて後方の地上に送り返し、ここで土砂を泥水から分離して投棄するという泥水シールド掘削工法とが従来から知られている。作業の自動化による省力化という点では、後者の泥水シールド掘削工法の適用が望ましい。
【０００３】
泥水シールド工法について、図６の泥水の給排水系統図を参照しながら説明する。図６の給排水系統図を参照すれば、地上部分には、地中のトンネル内に送り出す泥水の密度と粘度とを調整するための調整槽６１が設置されている。密度と粘度とが調整された調整槽６１内の泥水は、給水ポンプ６５による加圧を受け、給水管６６中を地中のシールド掘削機６７内に送られ、先端部のカッター６８を通してこのカッター６８と「キリハ」（切端）との間に形成された切削中の土砂と泥水とによって満たされた空間内に吐出される。
【０００４】
この切端に向けて吐出される泥水の密度や粘度が小さすぎると、この泥水が切端の内部に容易に浸透してしまい、切端の崩落が発生する。逆に、泥水の密度や粘度が大きすぎると、給排水系の負担が過大になる。そこで、カッター６８から吐出される泥水の密度や粘度を所望の値に保つように、地上に設置した調整槽６１中の泥水の密度と粘度とが調整される。具体的には、泥水の密度が清水槽７４から供給される清水の量と貯泥槽６３から供給される粘度の量などによって調整されると共に、この泥水の粘度が増粘剤貯蔵槽６２から供給されるＣＭＣなどの適宜な増粘剤の量によって調整される。
【０００５】
泥水シールド掘進機の先端部から切端に向けて吐出された泥水は、カッター６８の先端部のビットによって切取られた土砂の固結体が混合されることにより密度が増した泥水となり、カッター６８を通して排水管７２内に流入し、排水ポンプ７３による加圧を受けて排水管７７内を地上に運ばれる。地上に運ばれた土砂は振動ふるい装置７８にかけられ、ある程度大きな粒径の固結体は泥水から分離され、土砂として投棄される。分離不能な小径の土砂を含む泥水は、排水管７９を通して調整槽６１に戻される。
【０００６】
上述のように、泥水シールド工法においては、泥水の密度の測定と管理が重要になると共に、泥水中の土砂の沈殿を防ぐために流量をある程度大きな値に保つ必要があり、この点で流量の測定と管理も重要になる。この泥水の密度と流量を測定するために、カッター６８の手前の給水管と排水管のそれぞれの側に電磁流量計７９，７４と、γ線密度計７０，７５が設置される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記泥水シールド工法では、γ線密度計を使用して泥水の密度を測定している。しかしながら、このγ線密度計には、γ線の漏れを防止するために高い信頼性を備えた高価な放射線遮蔽機構が必要になったり、被爆などに防止するために作業中の安全管理が複雑になったりするという問題がある。
従って、本発明の一つの目的は、γ線など安全管理に手間がかかる放射線を使用しない固液混合流体中の固体の密度や流量の測定方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる固液混合流体の固体密度の測定方法によれば、固液混合流体が流れる管路内に電波を放射し、この管路内を流れる固液混合流体中を伝播した電波を受信し、この受信レベルの大小によって固液混合流体中の固体の密度を測定するように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によれば、電波の透過率を利用する固体の密度の測定装置はシールド掘進機内や、その直ぐ後方のトンネル内など掘削現場に比較的近い箇所の管路の途中に設置され、測定結果が短時間のうちに掘削現場にフィードバックされることにより安定なフィードバック系が形成される。掘削現場では、泥水中の土砂の密度の測定装置によって測定された土砂の密度がほぼ一定になるように、カッターのビットの伸縮長やカッターの回転速度などの掘削条件や給排水の条件が変更される。
【００１０】
【実施例】
図３は本発明の一実施例に係わるシールド掘進機の泥水中の土砂密度の測定装置の構成を示すブロック図であり、Ｔ１〜Ｔ４は送信アンテナ、Ｒ１〜Ｒ４は受信アンテナ、１１はデータプロセッサ、１２は送信器、１３は送信スイッチ回路、１４は受信スイッチ回路、１５は受信器、１６はタイミング制御回路、１７は表示・記録回路である。
【００１１】
図１は、上記土砂密度の測定装置のうち送信アンテナと受信アンテナ部分を泥水が流れる管路との関係と共に示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）中のＡーＡ’断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＢーＢ’断面図である。
【００１２】
泥水シールド工法による掘進機内の送水管や排水管を構成する鋼管ＳＰの途中に、強化プラスチックを素材とする円筒形状の電気絶縁性の管路ＰＰが接合されている。絶縁管路ＰＰの外周面に沿って、４個の送信アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が接着剤層を介在させながらこの外周面上に固定される。送信アンテナＴ１〜Ｔ４のそれぞれに絶縁管ＰＰの中心軸を介在させながら対向するように、４個の受信アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が接着層を介在させながら外周面上に固定されている。隣接する送信アンテナＴ１〜Ｔ４と、受信アンテナＲ１〜Ｒ４とは、フェライトなどの電波吸収体を素材とする遮蔽体ＳＨによって、絶縁管路ＰＰの外部では互いに電気的に遮蔽されている。
【００１３】
送信アンテナＴ１〜Ｔ４と、受信アンテナＲ１〜Ｒ４のそれぞれは、同一の構造を有している。すなわち、送信アンテナＴ１で代表して図２（Ａ）の平面図とそのＢーＢ’断面図である同図（Ｂ）に示すように、４弗化エチレン（ＴＦＥ）などを素材する誘電体基板２１の上に、銅などの金属を素材とする２等辺三角形の金属平板２２ａ，２２ｂがそれぞれの頂点を対向させながら貼着されたダブレットアンテナの構造を呈している。誘電体基板２１は、絶縁管ＰＰの外周面上に間隙を形成することなく接着固定されるように、この外周面と同一の曲率半径で湾曲している。送信アンテナＴ１で代表される各アンテナは、それぞれの誘電体基板の短辺側を図１の絶縁管ＰＰの円周方向に沿って配列させながらその外周面上に固定される。
【００１４】
金属平板２２ａ，２２ｂのそれぞれは、誘電体基板２１内に形成された開口内を通過するフィーダ（給電線）を介して、図３の送信スイッチ回路１３に接続される。このダブレットアンテナの更なる詳細については、必要に応じて、本出願人が先に出願した実用新案登録願の明細書（実公平  ３ー１４８０７  号公報、実公平  ４ー１１３７５  号公報）などを参照されたい。
【００１５】
図３を参照すれば、データプロセッサ１１は、送信スイッチ回路１３と受信スイッチ回路１４にスイッチ選択指令を発することにより、送信器１２を送信アンテナＴ１に接続すると共に、受信器１５を受信アンテナＲ１に接続する。データプロセッサ１１は、この送受信アンテナの接続が終了すると、タイミング制御回路１６を起動する。
【００１６】
起動されたタイミング制御回路１６は、図４の波形図に例示するような一定周期Ｔの送信タイミング信号を送信器１２に繰り返し供給すると共に、この送信タイミング信号から一定値τずつ遅延時間が累積的に増加してゆくストローブパルスを受信器１５に供給する。送信器１２からは、図４の波形図に例示するように送信タイミング・パルスに同期して、ピークレベルが一定で半値幅３ｎｓｅｃ  程度の鋭い送信パルスが出力される。この送信パルスは、送信アンテナＴ１から絶縁管路ＰＰ内に放射され、泥水中を伝播した送信パルスは、受信アンテナＲ１に受信される。
【００１７】
受信アンテナＲ１の受信パルスは、受信スイッチ回路１４を通して受信器１５に供給され、タイミング制御回路１６から供給されるストローブパルスに同期してサンプリングされ、次の受信パルスが出現するまでの期間、すなわち送信タイミング信号の周期Ｔに等しい期間にわたってホールドされる。この結果、受信パルスは、その時間軸がＴ／τ倍だけ伸長されながら受信されることになる。このサンプルホールド方式に基づく時間軸伸長を利用したパルスレーダの動作の更なる詳細については、必要に応じて、本出願人が先に特許出願した「接岸速度計」と題する特許出願の明細書（  特公平７ー７８５３７  号公報）  などを参照されたい。
【００１８】
データプロセッサ１１は、送信アンテナＴ１と受信アンテナＲ１の対を用いた所定回数にわたるパルスの送受信が終了すると、受信器１５から時間軸が伸長された受信パルスを受取る。引き続き、データプロセッサ１１は、送信スイッチ回路１３と受信スイッチ回路１４にスイッチ選択の変更指令を発することにより、送信器１２を送信アンテナＴ１からＴ２に接続変更すると共に、受信器１５を受信アンテナＲ１からＲ２に接続変更したのち、タイミング制御回路１６を起動する。
【００１９】
起動されたタイミング制御回路１６は、送信アンテナＴ１と受信アンテナＲ１を用いた行ったパルスの送受信の場合と同様に、送信タイミング・パルスとストローブパルスのそれぞれを送信器１２と受信器１５に供給する。送信器１２から一定周期で出力される送信パルスは、送信アンテナＴ２から絶縁管路ＰＰ内に放射され、泥水中を伝播した送信パルスは、受信アンテナＲ２に受信され、ストローブパルスに同期してサンプルホールドされる。
【００２０】
データプロセッサ１１は、送信アンテナＴ２と受信アンテナＲ２の対を用いた所定回数にわたるパルスの送受信が終了すると、受信器１５から時間軸が伸長された受信パルスを受取り、送信器１２を送信アンテナＴ２からＴ３に接続変更すると共に、受信器１５を受信アンテナＲ２からＲ３に接続変更したのち、タイミング制御回路１６を起動する。以下同様にして、送信アンテナ４と受信アンテナＲ４とを用いてパルスの送受信とサンプルホールドに基づく受信パルスの時間軸の伸長が行われる。
【００２１】
データプロセッサ１１は、受信器１５から受取った受信パルスの振幅ｖを検出する。この受信パルスの振幅ｖの検出に際しては、４対の送受信アンテナを用いることにより、互いに  ９０  ｏ  と、１８０  ｏ  と、２７０  ｏ  の角度を保って交差する４種類の伝播経路について得られた４種類の受信パルスの振幅について平均値を算定する。この結果、受信パルスの振幅ｖに関して４種類の伝播経路についての空間的な平均化処理が行われる。データプロセッサ１１は、このような受信パルスの振幅の平均値から電波の透過率Ｋを算定し、この算定した電波の透過率Ｋから泥水中の土砂の空間密度ρ（Ｋｇ／ｍ３  ）を算定する。以下、電波の透過率Ｋと土砂の空間密度ρとの関係について説明する。
【００２２】
図１に示した送受信アンテナの対において、送信アンテナＴ１から放射される電波の振幅をＥｔ、受信アンテナＲ１に受信される電波の振幅をＥｒとし、電波の透過率Ｋを次式で近似する。
Ｋ＝  ２０  ｌｏｇ  （  Ｅｒ  ／  Ｅｔ  ）
＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｌ              ・・・・（１）
【００２３】
ただし、
Ａ：送信アンテナＴ１から泥水の表面まで伝播する際に送信アンテナと絶縁管路ＰＰとの界面及び絶縁管路と泥水との界面で反射されることによって生ずる反射損失
Ｂ：泥水中の粗い粒子で散乱されることによって生じる散乱損失
Ｃ：泥水中の微小な粒子に吸収されることによって生じる吸収損失
Ｄ：泥水の表面から受信アンテナＲ１まで伝播する際に泥水の表面と絶縁管路ＰＰとの界面及び絶縁管路ＰＰと泥水との界面で反射されることによって生ずる反射損失
Ｌ：送信アンテナから放射された電波が拡散することによって生ずる拡散損失
【００２４】
拡散損失Ｌについては、電波の波長をλ、絶縁管路ＰＰの直径をｄとし、次式で近似する。
Ｌ＝２０  ｌｏｇ  （λ２  ／  ４  πｄ２  ）        ・・・・（２）
電波の波長λが  １．０  ｍ、絶縁管路の直径ｄが０．１  ｍ  の場合には、拡散損失Ｌは−１８ｄＢとなる。また、本発明者の経験に基づけば、絶縁管路の直径ｄが０．１  ｍ  の場合には、各損失項は次のような範囲の値であると予想される。
Ａ≒Ｃ≒−２０ｄＢ、−２０ｄＢ≦Ｂ≦０ｄＢ、−１０ｄＢ≦Ｄ≦−３  ｄＢ
【００２５】
なお、水の複素誘電率をε1 、土砂の固結体の複素誘電率のε2 、半径をａとすれば、レイリー散乱の散乱断面積σは次式で与えられる。
0003552824.tif 000002
ただし、 ABS (  ) は (  ) 中の数値の絶対値を表す記号、λは電波の波長である。
【００２６】
電波の周波数をｆとすれば、（３）式から、次式が得られる。
σ∝ａ６  ｆ４                                                  ・・・・（４）
電波の伝播経路内に存在する粗い粒子の直径が全てａで、これが全部でｎ個存在するものとすれば、散乱損失が次式で近似される。
Ｂ∝ｎσ∝ｎａ６  ｆ４                  ・・・・（５）
【００２７】
また、粗い粒子の空間密度ρ（Ｋｇ／ｍ３）は、次式で近似される。
ρ∝ｎａ３                            ・・・・（６）
（６）式を（５）式に代入することにより、次式を得る。
Ｂ∝ρａ３  ｆ４                        ・・・・（７）
粗い粒子の直径が全て同一で、電波の周波数が一定の場合には、電波の粗い粒子による散乱損失は、次式で与えられる。
Ｂ∝ρ                                                            ・・・・（８）
【００２８】
Ｅｔを  １０  ｖｏｌｔとした場合、真水については、Ｂ＝０ｄＢ、Ｄ＝−３ｄＢと近似すれば、Ｋ＝−６１ｄＢとなり、これからＥｒ≒９ｍｖを得る。散乱を生じさせる粗い粒子が存在せず、吸収を生じさせる微小な粒子のみが高密度で存在する泥水についてはＢ＝０ｄＢ、Ｄ＝−１０ｄＢと近似すれば、Ｋ＝−６８ｄＢとなり、これからＥｒ≒４  ｍｖを得る。散乱を生じさせる粗い粒子と吸収を生じさせる微小な粒子とが共に高密度で存在する泥水については、Ｂ＝−２０ｄＢ、Ｄ＝−１０ｄＢと近似すれば、Ｋ＝−８８ｄＢとなり、これからＥｒ≒０．４  ｍｖを得る。
【００２９】
従って、電波の透過率Ｋ、すなわち、送信パルスの振幅を一定値に固定した場合の受信パルスの振幅ｖを検出することにより、パルスの伝播経路の泥水中に存在する粗い粒子の密度が検出できる。図５は、土砂の空間密度ρ（Ｋｇ／ｍ３）と受信パルスの振幅ｖの関係の一例を示している。
【００３０】
土砂の流量Ｗ（Ｋｇ／ｍｉｎ）は、受信パルスの振幅ｖに基づいて検出した土砂の空間密度ρ（Ｋｇ／ｍ３）から次式に従って算定される。
Ｗ＝ρ・πｄ２  ・Ｓ・γ  （Ｋｇ／ｍｉｎ）              ・・・・（３）
ただし、
πｄ２  ：絶縁管路ＰＰの断面積（ｍ２  ）
Ｓ  ：水流の速度（ｍ／ｍｉｎ）
γ  ：水流に対する土砂の流速の比、すなわち、すべりの係数γ（０＜γ＜１）
【００３１】
なお、上記すべりγは、好適には、土砂の密度の増加と共に小さな値に変更される。また、泥水の速度は、給水側の泥水の流速で近似してもよいし、掘削機の先端を折り返した適宜な出口側の箇所で電磁流量計や差圧式流量計で実測した値を用いてもよい。
【００３２】
（３）式から算定される土砂の流量Ｗと、受信パルスの振幅から算定される土砂の空間密度ρとの関係は、掘削作業の初期に実験的に対応付けておく。すなわち、投棄対象の土砂を水から分離する地上の作業現場で土砂の流量を実測し、この実測値が（３）式から算定される土砂の流量に一致するように、図５の曲線の較正を予め行っておく。この較正に際しては、掘進機のカッターのビットの突出量や突出角度、掘削機の推進力、泥水の速度などを変化させて泥水中の土砂の密度を意図的に変化させる。
【００３３】
以上、検出精度を高めるため、サンプルホールドに基づく時間軸伸長を伴うパルスレーダの場合を例示した。しかしながら、多少の精度の低下が許容できる場合には、時間軸伸長を行わない通常のパルスレーダを適用できる。
【００３４】
また、パルスレーダの場合を例示したが、これに限定されず、受信電波のレベルを測定できるものでありさえすれば、正弦波をバースト状あるいは連続的に送受信するようなものであってもよい。
【００３５】
また、絶縁管路の外周面にそって４対の送受信アンテナを配置する構成を例示したが、この対数としては、３対、２対、１対などこれよりも少ない個数、あるいは４対よりも多い適宜な個数を選択できる。
【００３６】
更に、送受信アンテナとして、広帯域という利点を有するダブレットアンテナを使用する構成を例示したが、これに替えて、他の適宜な形態の広帯域の送受信アンテナを使用することもできる。
【００３７】
また、シールド掘進機の泥水中の土砂流量を測定する場合を例にとって、本発明の測定方法と装置とを説明した。しかしながら、本発明に係わる固液混合流体の固体流量の測定方法と装置は、製造プラント内や廃液処理場内などの管路中を流れる種々の固液混合流体の固液流体の測定などにも適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる固液混合流体の固体密度の測定方法と装置は、管路内を流れる固液混合流体中に電波を伝播させ、この伝播損失を測定することによって固体の密度を測定する構成であるから、γ線など取扱いに十分な注意が必要な放射線を使用することなく、固体の密度や流量を的確に検出できるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる泥水シールド掘進機の泥水中の土砂の密度の測定装置のうちの送受信アンテナの部分を測定対象の泥水が流れる管路と共に示す断面図である。
【図２】上記実施例の測定装置の送受信アンテナの構造を例示する平面図（Ａ）と断面図（Ｂ）である。
【図３】上記実施例の測定装置の全体の構成を示すブロック図である。
【図４】上記実施例の測定装置の動作を説明するための波形図である。
【図５】上記実施例の測定装置によって測定される泥水中の土砂の密度と受信パルスの振幅との関係の一例を示す概念図である。
【図６】泥水シールド工法の給排水系統の典型な一例を示す系統図である。
【符号の説明】
Ｔ１〜Ｔ４    送信アンテナ
Ｒ１〜Ｒ４    受信アンテナ
ＳＨ        電波遮蔽体
ＳＰ        鋼管
ＰＰ        絶縁管
１１        データプロセッサ
１２      送信器
１３        送信スイッチ回路
１４      受信スイッチ回路
１５      受信器
１６      タイミング制御回路
２１      誘電体基板
２２ａ，２２ｂ  金属平板
【図１】
0003552824.tif 000003
【図２】
0003552824.tif 000004
【図５】
0003552824.tif 000005
【図３】
0003552824.tif 000006
【図４】
0003552824.tif 000007
【図６】
0003552824.tif 000008