(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良土砂を空気圧送する輸送管に、改良土砂と空気とを分離する分離容器を接続し、前記分離容器の下部に、先端を水中の打設対象まで延ばした打設管の基端を接続し、前記分離容器に設けられた排気管に排気弁を介装すると共に、前記分離容器または前記打設管に土砂界面の上限および下限を検出する２つの検出手段を付設し、さらに、前記２つの検出手段の信号に基いて前記排気弁の開閉を制御する制御手段を設け、前記開閉弁の開閉のみで前記打設管から改良土砂を一定量ずつ吐出させるようにしたことを特徴とする土砂の水中打設装置。
【請求項２】
打設管の吐出口に、打設管内への水の流入を防ぐ逆止弁を付設したことを特徴とする請求項１に記載の土砂の水中打設装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土砂を水中打設するための工法に係り、より詳しくは空気圧送された改良土砂を水中打設するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、基礎マウンドの法面保護や護岸の洗出し防止を目的に、作業船から延ばした打設管（トレミー管）を通じて固結材を水中打設することが行われているが（例えば、特開平９−８８０６４号公報参照）、この場合の固結材としては、高価な水中コンクリートに代えて、浚渫工事やシールド工事で発生した土砂にセメント系固化剤等の改良剤を混合してなる改良土砂が用いられることが多い。なお、土砂への改良剤の混合は、従来一般には、排泥池においてバックホウや他の攪拌機を用いて機械的に混合攪拌する方法が採用されていた。
【０００３】
ところで、浚渫工事やシールド工事で発生した土砂は、通常輸送効率に優れていることから、輸送管により排泥池または埋立地まで空気圧送されることが多いが、最近では、この空気圧送の輸送元または輸送途中で、土砂に改良剤を混合して、改良土砂として目的地まで空気圧送するシステムの開発が進められている（例えば、特開平６−６５９４８号公報、特開平７−２４２３２９号公報等参照）。したがって、このように空気圧送された改良土砂を上記した水中打設に直接用いるようにすれば、排泥地で土砂を改良する面倒な作業が不要になるばかりか、排泥池から海上へ改良土砂を運搬する面倒な手続も不要になり、きわめて効率的に水中打設を行うことができるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空気圧送においては、輸送管内に土砂層と空気層とが交互に続くいわゆるプラグ流が形成されているため、そのまま輸送管から打設管に導いたのでは、打設管の先端で断続的に大きな噴出が起こり、打設対象に安定的に改良土砂を供給することが不可能になるばかりか、土砂が拡散して水質汚染を引き起こすことになる。
【０００５】
なお、例えば、特開平９−２０３０７６号公報には、消音の目的で空気圧送の輸送管の末端に土砂と空気とを分離する分離容器を設けることが記載されており、この分離後の改良土砂を打設管に供給するようにすれば、上記した噴出に伴う問題を解決できることになる。しかしながら、この場合は、土砂の自重による自然落下を利用しての打設となるため、大水深となって打設管の距離が延びるような場合には、水圧の影響および管内壁から働く流動抵抗によって打設管からの土砂の吐出が困難になり、別途、圧送手段を設けて土砂に背圧を加えるなどの対策が必要になる。
【０００６】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、輸送管により空気圧送された改良土砂を、特別の圧送手段を用いることなく安定的にかつ効率的に打設対象に供給できる水中打設装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の装置は、改良土砂を空気圧送する輸送管に、改良土砂と空気とを分離する分離容器を接続し、前記分離容器の下部に、先端を水中の打設対象まで延ばした打設管の基端を接続し、前記分離容器に設けられた排気管に排気弁を介装すると共に、前記分離容器または前記打設管に土砂界面の上限および下限を検出する２つの検出手段を付設し、さらに、前記２つの検出手段の信号に基いて前記排気弁の開閉を制御する制御手段を設け、前記排気弁の開閉のみで前記吐出管から改良土砂を一定量ずつ吐出させる構成としたことを特徴とする。
【０００８】
このように構成した土砂の水中打設装置においては、排気弁が開いている間は輸送管内を空気圧送された改良土砂と空気との分離が進み、一方、排気弁が閉じている間は分離された改良土砂が空気圧によって打設管内に押し込められ、したがって排気弁の開閉を繰り返すことにより改良土砂が打設管から間欠的に吐出するようになる。しかして、改良土砂から分離された空気の圧力を利用して改良土砂を打設管から吐出させるので、改良土砂に背圧を加えるため特別の対策が不要になり、その上、分離された改良土砂を打設管から一定量だけ吐出させるので、打設管内に常に土砂が残留することとなって、空気の帯同に伴う噴出が起こる虞もない。また、土砂界面の上限と下限とに対応させて２つの検出手段を設けることにより、土砂界面が上限に達すると同時に開閉弁を閉弁させ、かつ土砂界面が下限に達すると同時に開閉弁を開弁させる制御を行うことができ、分離容器内での改良土砂の分離量並びに打設管からの改良土砂の吐出量を正確に制御できる。
【０００９】
本発明の装置においては、上記打設管の吐出口に、打設管内への水の流入を防ぐ逆止弁を付設するのが望ましく、これにより、改良土砂と水との接触が著しく制限されて、改良土砂の水分離が大幅に抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一つの実施の形態としての土砂の水中打設装置の全体的構成を示したものである。同図において、１は、改良土砂２を空気層３の推力で圧送する輸送管、４は輸送管１の末端部を受入れた、分離容器としての縦形サイクロン、５は、このサイクロン４の底部に基端が連結され、先端を水底６の打設対象まで延ばした打設管である。改良土砂２は、ここでは浚渫土砂にセメント系固化剤等の改良剤を混合してなるもので、この改良土砂２を空気圧送する輸送管１は浚渫作業船（図示略）から延ばされている。輸送管１内において改良土砂２は、空気層３によって輸送方向に分断されてプラグ流となっており、サイクロン４内へ衝撃的にかつ間欠的に放出される。なお、浚渫土砂に改良剤を混合して改良土砂２とする方法および時期は任意であり、輸送元としての浚渫作業船上で事前に混合しても、あるいは輸送管１による輸送途中で混合してもよいものである。
【００１４】
上記縦形サイクロン４と打設管５とは、図示を略す打設作業船に設けた昇降手段に吊下支持されている。サイクロン４は、輸送管１により送られた改良土砂２と空気（空気層）３とを分離する役割をなすもので、図２乃至図４にも示すように、その上部は排気口７と給気口８（図３）とを有する蓋体９によって閉じられ、またその内部は、複数（ここでは、２つ）の貫通孔１０を有する仕切板１１によって上・下２室１２Ａ，１２Ｂに区画されている。
【００１５】
サイクロン４内の下室１２Ｂには、輸送管１から放出された改良土砂２と空気層３とに旋回流を与えるための整流板１３が配設されている。整流板１３は、断面半円形の一対の樋状部材１４を左右に並列させた構造となっており、その一対の樋状部材１４の合せ部１４ａ（図２、図４）が、下室１２Ｂに導入された輸送管１の末端開口を左右に二分割する鉛直面内に位置決めされている。一対の樋状部材１４は、相互の合せ部１４ａと反対側の側縁がサイクロン４の内面に接するようにそれぞれの大きさが設定されており、また、輸送管１の末端部の下側には、一対の湾曲部材１５を左右に並列させた構造の補助整流板１６が配設されている。これにより、サイクロン４内の下室１２Ｂ内には、これら整流板１３の一対の樋状部材１４、サイクロン４の内面および補助整流板１６の一対の湾曲部材１５の協働により２つの旋回室１７Ａ，１７Ｂ（図４）が区画形成され、各旋回室１７Ａ，１７Ｂには前記仕切板１１に設けられ貫通孔１０が開口している。なお、整流板１３の各樋状部材１４は、共通のブラケット１８を用いてサイクロン４の内壁に固定されており、この固定状態でその上端が仕切板１１に当接するようになっている。
【００１６】
上記のように構成したサイクロン４においては、輸送管１から放出された改良土砂２と空気層３とが、一対の樋状部材１４の合せ部１４ａにより左右に分割され、それぞれは整流板１３の各樋状部材１４に案内されながら、各旋回室１７Ａ，１７Ｂ内で相互に反対方向へ旋回運動をする。そして、この旋回運動により、比重の大きい改良土砂２は各旋回室１７Ａ，１７Ｂの外周側に集まって、打設管５内に落下し、一方、比重の小さい空気（空気層）３は各旋回室１７Ａ，１７Ｂの中心側に集まり、排気口７が開放されている場合は、仕切板１１の貫通孔１０から上室１２Ａへ流出し、さらに排気口７からサイクロン４の外部へと排出される。しかして、輸送管１から放出された改良土砂２と空気３とが、一対の樋状部材１４の合せ部１４ａにより左右に分割されることにより、それらのもつエネルギーが分散し、続いて改良土砂２と空気３とが樋状部材１４の湾曲内面に沿って流れることもあって、整流板１３との衝突時の衝撃が著しく緩和される。また、２つの旋回室１７Ａ，１７Ｂの合流部分で旋回流の衝突が起こるので、各旋回流の減勢が急速に進み、分離された改良土砂２と空気３とは、打設管５とサイクロン４の排気口７へ円滑に流動する。また、輸送管１からサイクロン４内に放出された空気層３がサイクロン４内で急激に膨張するので、噴出に伴う音も減衰（消音）される。
【００１７】
一方、サイクロン４の蓋体９の排気口７には排気管１９が接続されると共に、その蓋体９の給気口８には空気圧縮機２０から延ばした給気管２１が接続されている。排気管１９と給気管２１とには、それぞれ電磁弁からなる排気弁２２、給気弁２３が介装されており、これら排気弁２２および給気弁２３は、図示を略す打設作業船上に配置した制御装置（制御手段）２４からの指令で開閉制御されるようになっている。なお、制御装置２４からの指令はデータ変換器２５を介して排気弁２２および給気弁２３に送出されるようになっている。輸送管１による空気圧送を継続した状態で、排気弁２２を閉じると、上記サイクロン４内で分離された空気３の逃げ場がなくなり、サイクロン４内に空気３が封じ込められる状態となって、サイクロン４内の空気圧が高まり、上記分離された改良土砂２は打設管５内へ強制的に押し込まれるようになる。また、この排気弁２２を閉じた状態で給気弁２３を開くと、空気圧縮機２０からサイクロン４内に圧縮空気が送られ、サイクロン４内は補助圧気されるようになる。
【００１８】
上記打設管５は、その基端側に上方へ向けて次第に拡径するホッパ部２６を有する共に、その先端側に下方へ向けて次第に拡径する吐出部２７を有しており、そのホッパ部２６が、サイクロン４の下端にフランジ部２８を介して結合一体化されている。ホッパ部２６の口径は、サイクロン４の内径と同径となっており、したがって、上記サイクロン４内で分離された改良土砂２は、サイクロン４とホッパ部２６の内壁に沿って円滑に打設管５側へ移動する。
【００１９】
一方、打設管５の吐出部２７の開口端には、図５に示すようにネット２９が張設されており、このネット２９により閉鎖された吐出部２７内には、浮体からなるボール３０が配設されている。このボール３０は、打設管５内への水の流入を規制する逆止弁として機能するもので、常時は水圧を受けて打設管５の開口端に着座し、打設管５内の土圧の高まりに応じて該開口端から離座する。なお、この逆止弁としてのボール３０は、ばね付勢やモータ駆動の機械式弁機構に代えてもよいものである。
【００２０】
また、サイクロン４の下部側外壁と打設管５の上部側外壁には、これらの内部に滞留する改良土砂２の層の上面（土砂界面）を検出する２つのセンサ（検出手段）３１Ａ，３１Ｂが所定の間隔を開けて添設されている。この２つのセンサのうち、サイクロン４の下室１２Ｂに対応して設けた上側のセンサ３１Ａは前記土砂界面の上限を検出する上限センサとして、打設管５に対応して設けた下側のセンサ３１Ｂは前記土砂界面の下限を検出する下限センサとしてそれぞれ用いられるもので、これらセンサ３１Ａ，３１Ｂの信号は、計測機３２を介して前記制御装置２４へ送出されるようになっている。なお、これらセンサ３１Ａ，３１Ｂの種類は任意であり、例えば、ガンマ密度計、圧力センサ、流速センサ、流量センサ、荷重計、音響測定器等を用いることができる。一方、サイクロン４の上室１２Ａに対応する部分には、該上室１２Ａ内の空気圧を検出する圧力センサ３３が設けられており、この圧力センサ３３の信号も、前記計測機３２を介して前記制御装置２４へ送出されるようになっている。
【００２１】
以下、上記のように構成した水中打設装置を用いて行う水中打設工法を、図６も参照して説明する。
【００２２】
水中打設工法の実施に際しては、図示を略す打設作業船を操船しかつ該打設作業船内の昇降手段を駆動することにより打設管５の先端を水底６上の打設対象まで延ばす。この時、逆止弁としてのボール３０は水圧を受けて打設管５の開口を閉じており、また、排気管１９内の排気弁２２が開かれると共に、給気管２１内の給気弁２３が閉じられている。この状態のもと、図示を略す浚渫作業船側の運転により輸送管１による改良土砂２の空気圧送が開始されると（ステップＳ１）、輸送管１からサイクロン４内に改良土砂２と空気層３とが間欠的に放出され、サイクロン４の２つの旋回室１７Ａ，１７Ｂ内でこれらの旋回運動が起こって、改良土砂２と空気（空気層）３との分離が進行し（ステップＳ２）、改良土砂２は打設管５内に落下して次第に溜り、一方、空気３は、仕切板１１の貫通孔１０から上室１２Ａへ、さらに排気口７から排気管１９を通じてサイクロン４の外部へと排出される。分離された改良土砂２は、打設管５およびそのホッパ２６内を完全に埋めた後も堆積を続け、この間、上限センサ３１Ａにより土砂界面の上昇が監視される（ステップＳ３）。
【００２３】
そして、上限センサ３１Ａにより土砂界面が上限に達したことが検出されるまで、上記サイクロン４内における改良土砂２と空気３との分離が推し進められ、ステップＳ３で土砂界面が上限に達したことが確認されると、制御装置２４からの指令で排気管１９内の排気弁２２が閉じられる（ステップＳ４）。すると、サイクロン４内に空気３が封じ込められて、サイクロン４内の空気圧（内圧）が次第に上昇する。この内圧Ｐは圧力センサ３３により監視されており、この内圧Ｐが設定圧ＰS より上昇すると（ステップＳ５）、サイクロン４の下室１２Ｂおよび打設管５のホッパ部２６に溜っていた改良土砂２が打設管５内に押し込まれ、この土圧によって打設管５の吐出部２７内のボール（逆止弁）３０が開き、打設管５内の改良土砂２は打設対象へ向けて吐出される。一方、この改良土砂２の吐出により土砂界面が下がり、土砂界面が下限センサ３１Ｂにより検出されると（ステップＳ６）、制御装置２４からの指令で排気弁２２が開き（ステップＳ７）、再びサイクロン４内で改良土砂２と空気３との分離が再開され、以降、前記ステップＳ２〜Ｓ７が繰り返されて、打設管５の吐出部２７からは間欠的に改良土砂２が打設対象へ向けて吐出される。
【００２４】
一方、ステップＳ５において、所定時間経過しても内圧Ｐが設定圧ＰS よりも上昇しないことが確認されると、制御装置２４からの指令で給気管２１内の給気弁２３が開かれ（ステップＳ８）、空気圧縮機２０からサイクロン４内に補助空気が圧送され（ステップＳ９）、この結果、内圧Ｐが高まって改良土砂が打設管５から吐出される。なお、ステップＳ６において、内圧Ｐが設定圧ＰS よりも高まっているにもかかわらず、土砂界面が下がらないことが確認されたら、打設管５内またはその吐出部２７側に何らかの異常があると想定されるので、この場合は、浚渫作業船側の運転すなわち送泥を停止し（ステップＳ１０）、打設管５を上昇させてメンテナンスを行う。
【００２５】
ここで、上記実施の形態においては、上・下限センサ３１Ａ，３１Ｂによりサイクロン４および打設管５内の土砂界面を検出し、その検出結果に基いて排気弁２２を開閉制御するようにしたが、本発明は、図７に示すように輸送管１にプラグ流を検出するプラグ検出センサ３５を添設し、このセンサ３５の検出結果に基いて排気弁２２を開閉制御するようにしてもよいものである。
【００２６】
すなわち、輸送管１内にプラグ流が発生している場合、輸送管１の任意の位置における圧力、流速、流量、密度、音等の物理量は、当然のこととして改良土砂（プラグ）２が通過している時と空気層３が通過している時とで異なる値となる。したがって、これら物理量を測定できるセンサ、例えばガンマ密度計、圧力センサ、流速センサ、流量センサ、荷重計、音響測定器等を前記プラグ検出センサ３５として用いて、これを輸送管１の送り方向に適宜の間隔で２つ設けるようにすれば、それらプラグ検出センサ３５の検出結果と輸送管１の口径との関係から改良土砂（プラグ）２の流速と流量とが求まることになる。換言すれば、現在の空気圧送の実態からどの位の時間が経過すれば、どの位の改良土砂２がサイクロン４内に供給されるかが分かり、そこで、本発明の他の実施の形態では、前記プラグ検出センサ３５の検出結果に基いて時間管理で排気弁２２を開閉制御するようにし、これによっても上記実施形態と同様に改良土砂２の打設を行うことができる。
【００２７】
なお、上記プラグ検出センサ３５は、前記土砂界面を検出する上・下限センサ３１Ａ，３１Ｂと共用してもよいものである。この場合は、上・下限センサ３１Ａ，３１Ｂで検出したサイクロン４および打設管５内における改良土砂２の堆積量すなわちサイクロン４内での改良土砂２の分離量が、プラグ検出センサ３５で検出した輸送管１内の実際の改良土砂２の輸送量と一致するか否かの確認を行うことで、サイクロン４または打設管５内の異常、あるいは上・下限センサ３１Ａ，３１Ｂの異常を把握することができる。
【００２８】
本発明はさらに、同じく図７に示すように、輸送管１の末端に近い部分に該輸送管１内の流路を開閉する流路弁３６を設ける構成とすることができる。このような流路弁３６を設けることにより、例えば、前記ステップＳ１０（図６）において、送泥停止するような場合に、この流路弁３６を閉じると共に、給気弁２３を開けてサイクロン４内に空気圧縮機２０から高圧の空気を送ることで、打設管５内に滞留する改良土砂２の全量を強制的に吐出させて、より簡単にメンテナンスを行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る土砂の水中打設装置によれば、輸送管により空気圧送された改良土砂から空気を分離すると共に、この分離した空気の圧力を利用して打設管を通して改良土砂を一定量ずつ打設対象に供給できるので、効率的にかつ安定的に土砂の水中打設を行うことができ、その利用価値は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る土砂の水中打設装置の全体的構造を示す模式図である。
【図２】本装置で用いるサイクロンの構造を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ矢視線に沿う断面図である。
【図５】本装置で用いる打設管の先端の構造を示す平面図である。
【図６】本発明に係る土砂の水中打設工法における処理フローを示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る土砂の水中打設装置の、他の実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１    輸送管
２    改良土砂
３    空気層
４    サイクロン（分離容器）
５    打設管
１３  整流板
１７Ａ，１７Ｂ  旋回室
１９  排気管
２２  排気弁
２４  制御手段（制御装置）
３０  ボール（逆止弁）
３１Ａ，３１Ｂ  センサ（検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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