(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ（２８）で制御される電動モータ（２２）で駆動されるグラウトポンプ（３）でグラウトをグラウト圧送管（４）に圧送し、そのグラウト圧送管（４）にグラウトの流量および圧力を検出する流量・圧力検出部（２０）を接続し、前記電動モータ（２２）の回転数を測定する回転数センサ（２４）と前記流量・圧力検出部（２０）からの情報に基づいてインバータ（２８）を制御するコントロールユニット（１０）を設けた固結材注入工法において、コントロールユニット（１０）は作業シーケンスプログラムを読み込み現在行うべき作業を特定し（Ｓ１）、その特定したシーケンスプログラムにより必要なグラウト材の流量とグラウトポンプ（３）の吐出圧の目標値を決定し（Ｓ２）、現状のグラウト材流量およびポンプ吐出圧を読み込むと共に電動モータ（２２）の回転数を読み込み（Ｓ３），グラウト材流量およびポンプ吐出圧の目標値と前記現状のグラウト材流量およびポンプ吐出圧との偏差を演算し（Ｓ４）、その求めた偏差を是正するための電流値と周波数と電動モータ（２２）の回転数の値とを決定し（Ｓ５），電動モータ（２２）への駆動電流をその決定した電流値と周波数を回転数とするための制御信号をインバータ（２８）へ発信する（Ｓ６）ことを特徴とする固結材注入工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラウト材等の固結材の注入に関し、特に、ダム工事現場やトンネル工事現場等におけるグラウト材注入に適した注入工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これ等の工事現場におけるグラウト材注入に関しては、「単路方式（図４）」と「孔口循環方式（図５）」の２つの方式がある。
「単路方式」は、図４で示す様に、グラウトミキサ１で混練したグラウトを供給ライン２でグラウトポンプ３に送り、グラウトポンプ３ではグラウトに圧力を加え、圧送ライン４でグラウト孔Ｈ内にグラウト材を供給する方式である。
【０００３】
一方、「孔口循環方式」は図５で示す様に、グラウトポンプ３からグラウト材が圧送されるライン４が、グラウト孔Ｈ内へ供給するサプライライン５と、ポンプ３の上流のグラウトミキサ１までリターンするリターンライン７とに分岐しており、グラウト孔Ｈに供給するのに必要以上の量のグラウト材は、リターンライン７を介してポンプ３の上流のグラウトミキサ１まで戻される方式である。
図５において、図４と同じ部材については同じ符号を付している。
【０００４】
「孔口循環方式」（図５）では、グラウト孔Ｈ内へ注入されるグラウト材の注入圧力、注入速度を制御するために、グラウト材をリターンしている。すなわち、循環方式は、グラウト材の注入圧力を一定以上に保ちつつ、所定量未満のグラウト材を注入するための工夫なのである。
これに対して、「単路方式」（図４）では、注入圧力の調整が出来ないという問題点がある。そのため単路方式では、吐出量調整型グラウトポンプを組み合わせて使用する場合が多い。
【０００５】
ここで、ダム工事現場やトンネル工事現場におけるグラウト材注入に使用されるグラウトポンプは、「定吐出量型ポンプ」と「吐出量調整型ポンプ」の２つに分類される。
図５は、「孔口循環方式」を実施する際に、「定吐出量型ポンプ」３を使用する場合について示したものである。図５において、符号４０はグラウト材の流量及び／又は圧力を制御するための流量圧力制御装置であり、符号５０はグラウト材の流量、圧力に関するデータを管理するためのデータ管理装置である。図５におけるその他の部材は、後述する実施形態の構成と同様のものが含まれており、それら同様の部材の符号、及びその説明は、後述する実施形態において説明する。
【０００６】
ここで、「吐出量調整型グラウトポンプ」は、動力を油圧或いは気圧に変えるための設備が必要であり、購入コスト及び運転コストが高い、という問題点を有している。
また、近年、定吐出量型にインバータを組み込んで、吐出量を調整することが行われるようになっている。
これ等の理由のため、現在、吐出量調整型は、使われなくなっている
【０００７】
一方、「定吐出量型ポンプ」にインバータを組み込んで吐出量を調整する場合では、グラウト流量の制御は主として圧力制御装置（図５で示す流量圧力制御装置４０と同様）で行なわれ、インバータはグラウトのリターン量を減らす程度の制御くらいしか行われないのが、現状である。
【０００８】
ここで、「孔口循環方式」におけるリターン配管（図５の符号７）を省略して、ポンプに設けたインバータのみでグラウト供給量を制御して、グラウト孔へ供給したいという要請が存在する。
しかし、既存のインバータによりダム工事現場等のグラウト注入を制御することは以下の理由によって困難であった。
定格流量（例えば１００リットル）に対して、注入するべきグラウト材の流量が著しく少量（例えば５リットル）である場合、既存のインバータでは流量制御が困難である。
【０００９】
また、図６に示すように、出力のピーク周波数（例えば６０Ｈｚ）に対して、制御するべき流量に対応する周波数が低すぎる（例えば、６Ｈｚ以下）場合には、既存のインバータでは制御が困難であり、連続運転は不可能であった。
なお、図６の符号Ａは、既存のインバータを用いた場合におけるグラウトポンプを駆動する電動モータの周波数（横軸）に対する吐出圧（縦軸）の関係を示した制御特性線である。
【００１０】
特に、図７で示す様な圧力特性（特性線Ｂ）を実現しなければならない透水試験は、既存のインバータを用いたのでは実施することが不可能であった。
図７の特性線Ｂは、時間経過（横軸）に対する吐出圧の変化（縦軸）を示したものである。
すなわち、従来、グラウト注入において、ダム工事で求められる条件、すなわち、一定の低流量で、一定の高吐出圧で、且つ、係る状態（一定の低流量且つ一定の高吐出圧の状態）を長時間に亘って維持する、という制御は困難であり、孔口循環方式におけるリターン配管でグラウトを戻さないと、係る条件に制御することは困難であった。
【００１１】
その他の従来技術として、例えば、グラウト注入条件の各基準値を予め求め、岩盤の透水試験を行って透水性の指標測定値を求め、透水性の指標測定値に対するグラウトの注入圧力、濃度、流量を決定する技術が存在する（特許文献１）。
しかし、係る従来技術は、グラウトの注入圧力、濃度、流量を決定するものであり、上述した様な従来技術の各種問題点を解消するものではない。
【特許文献１】特開２００１−４０６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、従来は困難とされていた条件におけるグラウト材の注入量制御、例えば、ダム工事におけるグラウト注入のように、一定の低流量で、一定の高吐出圧で、且つ、かかる状態を長時間に亘って維持する様な注入を行う制御を可能ならしめる固結材（グラウト材）の注入工法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、インバータ（２８）で制御される電動モータ（２２）で駆動されるグラウトポンプ（３）でグラウトをグラウト圧送管（４）に圧送し、そのグラウト圧送管（４）にグラウトの流量および圧力を検出する流量・圧力検出部（２０）を接続し、前記電動モータ（２２）の回転数を測定する回転数センサ（２４）と前記流量・圧力検出部（２０）からの情報に基づいてインバータ（２８）を制御するコントロールユニット（１０）を設けた固結材注入工法において、コントロールユニット（１０）は作業シーケンスプログラムを読み込み現在行うべき作業を特定し（Ｓ１）、その特定したシーケンスプログラムにより必要なグラウト材の流量とグラウトポンプ（３）の吐出圧の目標値を決定し（Ｓ２）、現状のグラウト材流量およびポンプ吐出圧を読み込むと共に電動モータ（２２）の回転数を読み込み（Ｓ３），グラウト材流量およびポンプ吐出圧の目標値と前記現状のグラウト材流量およびポンプ吐出圧との偏差を演算し（Ｓ４）、その求めた偏差を是正するための電流値と周波数と電動モータ（２２）の回転数の値とを決定し（Ｓ５），電動モータ（２２）への駆動電流をその決定した電流値と周波数を回転数とするための制御信号をインバータ（２８）へ発信する（Ｓ６）。
【００１５】
そして、上述した制御或いは調節を行うに当たっては、いわゆる「自動制御」のみならず、オペレータによるマニュルアル制御であっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
上述する構成を具備する本発明によれば、インバータ（２８）からモータ（２２）へ供給される駆動電流の周波数及び電流値を適宜制御し、電動モータ（２２）へ供給される電流の周波数（ｆ）を低くすることにより固結材注入用ポンプ（３）から吐出される固結材の流量を少量にせしめ、電動モータ（２２）へ供給される電流値（Ｉ）を大きくすることにより固結材注入用ポンプ（３）の吐出圧力を高圧にせしめ、電動モータ（２２）へ供給される電流の周波数（ｆ）を低くし且つ電流値（Ｉ）を大きくした状態を長時間維持することにより固結材流量が少量で且つ固結材注入用ポンプ吐出圧を高圧にする状態を長時間維持することを実現出来る。
【００１７】
その結果、例えば、ダム工事におけるグラウト注入の様に、従来のインバータのみでは実現不可能な程度に固結材の流量が少なく、ポンプ吐出圧が高く、しかも、係る状態を長時間に亘って維持する必要がある場合において、従来の孔口循環方式におけるリターン配管でグラウトを戻さなくても良いのである。
【００１８】
また、本発明によれば、従来は不可能であった周波数ゼロ、すなわちモータ回転数ゼロという制御が可能である。ここで、「周波数ゼロの制御」とは、制動に他ならない。そして、係る制御が可能であるため、例えばグラウト注入システムにおける逆止弁が壊れても、電動モータ（２２）がブレーキとして作用させることが出来る。
【００１９】
本発明によれば、固結材（グラウト）注入に際して、固結材流量と固結材注入用ポンプ（３）の吐出圧力をフィードバック制御して、固結材注入作業を高精度に実行することが出来る。
【００２０】
本発明を用いれば、固結材（グラウト等）注入用ポンプ（３）の制御のみならず、通常の三相電流モータでも制御出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る固結材注入システム１００全体の構成を示すブロック図である。
図１において、固結材注入システム１００は、グラウトミキサ１と、グラウトポンプ３と、グラウトミキサ１で混練したグラウトをグラウトポンプ３に供給するグラウト供給管２と、グラウトを岩盤Ｇのグラウト孔Ｈまで圧送するグラウト圧送管４と、圧送するグラウトの流量及び圧力を制御するためのコントロールユニット１０と、グラウトの流量及び／又は圧力（後述する流量・圧力検出部２０で検出される）のデータを記録しておくためのデータ記録装置３０、とを有している。
【００２２】
コントロールユニット１０は、インターフェース１１ａ、１１ｃと、演算手段１２と、シーケンサ１３と、データベース１４とから成る。
インターフェース１１ａはデータ記録装置３０と、後述の（電動モータ２２に取り付けた）回転センサ２４と電気的或いは情報的に接続されており、インターフェース１１ｃは後述のインバータ２８と電気的或いは情報的に接続されている。
【００２３】
グラウト圧送管４にはグラウトの流量と圧力を検出する流量・圧力検出部２０が介装されており、流量・圧力検出部２０で検出した情報は、データ記録装置３０で記録されると共に、データ記録装置３０及びインターフェース１１ａを経由してコントロールユニット１０に伝送される。
グラウトポンプ３はインバータ２８で運転が制御される電動モータ２２を備えており、該モータ２２によって駆動される。そして、電動モータ２２には回転数センサ２４が取り付けられている。その回転数センサ２４は電動モータ２２の回転数情報をインターフェース１１ａ経由でコントロールユニット１０に伝送している。
【００２４】
コントロールユニット１０は、グラウト圧送管４中のグラウトの流量・圧力（流量・圧力検出部２０で検出）、シーケンサ１３の作業シーケンスやデータベース１４に記憶されたモータ特性、更には前記回転数センサ２４からの情報に基づいて、モータを制御する周波数（ｆ）や電流値（Ｉ）を決定して、その決定した制御信号によってインバータ２８を制御している。
【００２５】
具体的には、グラウトポンプ３を駆動する電動モータ２２へ交流電源（或いは商用電源）２６から電流を供給する電力供給用ケーブル２７に介装したインバータ２８を、前記制御信号（周波数ｆや電流値Ｉを決定する信号）で制御して、電動モータ２２へ供給される電流の周波数「ｆ」を低くし（１５Ｈｚ以下、例えば６Ｈｚ）、電動モータ２２へ供給される電流値「Ｉ」を大きくし、また、その状態を長時間維持する様に構成されている。
【００２６】
図２を参照して、コントロールユニット１０の演算手段１２の構成を説明する。
演算手段１２は、流量比較ブロック１２１と、圧力比較ブロック１２２と、周波数決定ブロック１２３と、電流値決定ブロック１２４とを有している。
【００２７】
流量比較ブロック１２１は、シーケンサ１３から流量の目標値が与えられ、グラウト圧送管を流れるグラウトの実流量の値が（流量・圧力検出部２０で検出されて、データ記録装置３０及びインターフェース１１ａを経由して）与えられて、流量の偏差値を決定している。
一方、圧力比較ブロック１２２は、シーケンサ１３から圧力の目標値が与えられ、流量・圧力検出部２０からグラウト圧送管を流れるグラウトの圧力値が与えられて、圧力の偏差値を決定している。
【００２８】
周波数決定ブロック１２３は、前記流量比較ブロック１２１で求めた流量修正値、モータ回転数センサ２４からの情報、及び後述する算定式に基づいて、周波数「ｆ」を決定する。
尚、算定式（後述する）は、モータ２２の回転数を求める関係式であって、データベース１４に記憶されている。
電流値決定ブロック１２４は、データベースに記憶されたモータの特性より電流値「Ｉ」を決定する。
【００２９】
本実施形態における制御の基本的な考え方を以下に示す。
グラウト材の注入量（グラウト圧送管４中のグラウト流用及び圧力）を制御するためには、グラウトポンプ３を駆動する電動モータ２２へ供給される駆動電流（交流電流）の電流値（Ｉ）と周波数（ｆ）を制御する必要がある。
すなわち、駆動電流の電流値（Ｉ）は、電動モータ２２のトルクに対応し、グラウト材の供給圧力を決定する。
駆動電流の周波数（ｆ）は、電動モータ２２の回転数に対応し、グラウト材の供給流量を決定する。
【００３０】
ここで、ｆを周波数、Ｐをモータの極数（通常は４）、Ｓをすべり（殆ど定数で０．０５）とすれば、電動モータ２２の回転数Ｎ（ｒｐｍ）は次式で表される。
Ｎ＝（１２０・ｆ／Ｐ）×（１−Ｓ）
従って、電動モータ２２の回転数Ｎ、及び電動モータ２２の仕様（局数Ｐ、すべりＳ）が分かれば、電動モータ２２の周波数ｆは求まる。
【００３１】
図３を参照して、制御について説明する。
先ず、ステップＳ１では、コントロールユニット１０は、シーケンサ１３の作業シーケンスプログラムを読み込んで、現在行うべき作業を特定する。尚、図示の実施形態のブロック図（図１）では、作業シーケンスプログラムは、データベース１４ではなく、シーケンサ１３に記憶させている。
次のステップＳ２では、コントロールユニット１０は、作業シーケンスプログラムより、必要なグラウト材の流量（ポンプ吐出流量の目標値）、ポンプ吐出圧（目標値）を決定する。
【００３２】
ステップＳ３では、コントロールユニット１０は、現状のグラウト材流量、ポンプ吐出圧を、吐出流量・圧力検出部（センサ）２０の検出結果を（データ記録装置３０及びインターフェース１１ａを経由して）読み込むと共に、回転数センサ２４からモータの回転数を読み込む。
そして、ステップＳ４で、コントロールユニット１０は、流量比較ブロック１２１及び圧力比較ブロック１２２を駆使して、グラウト材流量、ポンプ吐出圧の目標値と現状の数値との差（偏差）を演算し、決定する。
【００３３】
次のステップＳ５では、コントロールユニット１０は、ステップＳ４で求めた偏差を是正するための電流値「Ｉ」、周波数「ｆ」、電動モータ２２の回転数の値を電流値決定ブロック１２４及び周波数決定ブロック１２３によって決定し、ステップＳ６で、インバータ２８からモータ２２へ供給される駆動電流を、上記ステップＳ５で求めた電流値（Ｉ）、周波数（ｆ）、電動モータ２２の回転数とするための制御信号をインバータ２８へ発信する。
インバータ２８へ制御信号を発信することにより、グラウトポンプ３の吐出圧力、吐出流量が変動する。
【００３４】
ステップＳ７では、コントロールユニット１０は、制御を終了するか否かを判断する。
制御終了であれば（ステップＳ７のＹＥＳ）、そのまま終了し、続行するのであれば（ステップＳ７のＮＯ）、ステップＳ１まで戻り、再びステップＳ１以降を繰り返す。
【００３５】
明確には図示されていないが、制御サイクルは、２０Ｈｚ〜２００Ｈｚ（１／２０秒〜１／２００秒）で行われる。
２０Ｈｚは比較的ラフな作業を行っている際の制御サイクルであり、２００Ｈｚは高い精度を要求される微妙な作業を行っている際の制御サイクルである。
【００３６】
それに対して、従来技術では、流量計により制御している。流量計では、２Ｈｚ〜５Ｈｚのサイクルのみでしかサンプリングできない。従って、微妙な作業時における制御サイクルが長過ぎて実作業がそれに対応出来ない。
【００３７】
図示の実施形態では、周波数ゼロ、すなわちモータ回転数ゼロという制御が可能となる。
ここで、０Ｈｚ＝０ｒｐｍ
即ち、「周波数ゼロの制御」とは、制動に他ならない。従って、例えば、図示しない逆止弁が壊れても、電動モータ２２をブレーキとして作用させることが出来る。
前述したように、従来技術では、例えば周波数を６Ｈｚ以下にする様な制御は出来ない（図６参照）。勿論、０Ｈｚは不可能である。
【００３８】
透水試験では、図７で示す様な圧力特性、即ち、時間Ｔの経過と共にグラウトの吐出圧Ｐが段階的に増加して、その後、段階的に減少するような制御特性を実現しなければならない
従来技術では、図７で示す様な圧力特性（特性線Ｂ）を実現するためには、圧力制御装置（図５の符号４０を参照）を別途設ける必要があった。上述した通り、従来技術では、圧力の変動は別途設ける圧力制御装置（図５の符合４０）により行われ、インバータは圧力制御にあまり寄与していないからである。
【００３９】
図５の従来技術の構成は、図１の本実施形態のシステム１００に対して、インバータを排除し、圧送管４の流量・圧力検出部２０の上流側に圧力制御装置４０を介装したものである。
これに対して本願発明の実施形態によれば、図５のような圧力制御装置４０を別途設けることなく、インバータ２８のみで、図７で示す圧力特性に制御できる。
【００４０】
上述した本発明の実施形態によれば、固結材流量が少量で且つグラウトポンプ３の吐出圧を高圧にする状態を長時間維持することが可能となる。
その結果、例えば、ダム工事におけるグラウト注入の様に、従来のインバータのみでは実現不可能な程度に固結材の流量が少なく、ポンプ吐出圧が高く、しかも、係る状態を長時間に亘って維持する必要がある場合において、従来の孔口循環方式におけるリターン配管でグラウトを戻さなくても良い。
【００４１】
また、本実施形態は、固結材（グラウト）注入に際して、グラウト流量とグラウトポンプ３の吐出圧力をフィードバック制御して、グラウト注入作業を高精度に実行することが出来る。
更に、グラウトポンプ３の制御のみならず、通常の三相電流モータでも制御出来る。
【００４２】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図示の実施形態は「自動制御」を行っている場合を説明しているが、オペレータによるマニュルアル制御であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る固結材注入システム全体の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態に係る演算手段の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施形態に係る制御方法を示したフローチャート。
【図４】従来技術のグラウト材注入に関する「単路方式」を説明する構成図。
【図５】従来技術の孔口循環方式を実施する際に、吐出量調整側ポンプを使用する場合の構成を説明するブロック図。
【図６】従来技術におけるグラウトポンプの周波数と吐出圧力及び吐出流量の関係を示した特性図。
【図７】透水試験で要求される制御特性図。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・グラウトミキサ
２・・・グラウト供給管
３・・・グラウトポンプ
４・・・グラウト圧送管
１０・・・コントロールユニット
１１ａ、１１ｃ・・・インターフェース
１２・・・演算手段
１３・・・シーケンサ
１４・・・データベース
２０・・・流量・圧力検出部
２２・・・電動モータ
２４・・・回転数センサ
２６・・・交流電源
２８・・・インバータ
３０・・・データ記録装置
４０・・・流量圧力制御装置
５０・・・データ管理装置
１２１・・・流量比較ブロック
１２２・・・圧力比較ブロック
１２３・・・周波数決定ブロック
１２４・・・電流値決定ブロック
【図１】
0004761302.tif 000002
【図２】
0004761302.tif 000003
【図３】
0004761302.tif 000004
【図４】
0004761302.tif 000005
【図５】
0004761302.tif 000006
【図６】
0004761302.tif 000007
【図７】
0004761302.tif 000008