技術 異物識別方法および異物識別装置

0001

本発明は、地盤中に存在する異物の種類を識別するための異物識別方法および異物識別方法に用いる異物識別装置に関する。

0002

例えば、有害物質を使用している工場や施設の建替え等を実施する際には、あらかじめ敷地内の土壌が有害物質により汚染されている度合いを把握するべく、土壌汚染調査の実施が義務付けられている。土壌汚染調査としては、一般にボーリング調査が広く知られているが、敷地内には水道管やガス管等供用中のライフライン設備が埋設されているため、ボーリングマシンによる地盤の掘削作業中にこれらを誤って損傷させる虞がある。

0003

このような中、掘削作業中に掘削ビットが異物に当接したことを検知し、その作動を自動停止できるようなドリルやボーリングマシン等の地中削孔機が開発されている。しかし、当接した異物の種類を識別するまでには至っておらず、異物を検知した際には、掘削位置を変更する、もしくは異物がライフライン設備であるのか、または礫であるのか等の識別作業を別途実施する、等の対策を講じている。

0004

異物の種類を識別する方法としては、例えば特許文献１に、弾性波の発振手段と受振手段の両者を地盤中の異物に接触させた状態で弾性波を発振し、弾性波の振動特性から異物の種類を識別する方法が開示されている。

0005

特開平８−１０５９７７号公報

0006

しかし、上記の方法では、異物の形状や材質によっては明瞭な振動特性が得られないだけでなく、異物と地盤との接触状態によっても振動特性が変化しやすいため、異物の種類を精度よく識別できないおそれが生じる。

0007

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、簡略な方法で精度よく地盤中に存在する異物の種類を識別することの可能な、異物識別方法および異物識別方法に用いる異物識別装置を提供することである。

0008

かかる目的を達成するため本発明の異物識別方法は、地盤中に存在する異物の種類を識別する異物識別方法であって、既知の地中埋設物各々について、異物の種類を識別するための評価基準となる基準変形係数をあらかじめ設定する第１の工程と、前記異物に到達する削孔にロッドを挿入して先端を前記異物に接触させた後、該ロッドの先端に衝撃荷重を発生させるとともに、これにより生じる前記異物に作用する荷重と前記異物の変位を測定し、該変位と前記荷重とに基づいて、前記異物の実測変形係数を算出する第２の工程と、該実測変形係数と前記基準変形係数とを比較し、前記異物の種類を識別する第３の工程と、を備えることを特徴とする。

0009

上述する本発明の異物識別方法によれば、あらかじめ既知の地中埋設物各々について基準変形係数を算出しておくことにより、現場にて地中に存在する異物の実測変形係数を算出するのみの簡略な方法にて、基準変形係数と実測変形係数との比較から異物の種類を精度よく識別することが可能となる。

0010

したがって、上記の方法を、異物を検知したことにより掘削作業を中断した現場に採用することにより、識別した異物の種類に応じて作業の中止もしく続行等の判断を下すことができるため、異物を識別できないままに作業位置を変更する等の無駄な作業を省略し、効率よく掘削作業を実施することが可能となる。

0011

本発明の異物識別装置は、本発明の異物識別方法に用いる異物識別装置であって、先端が前記異物に接触される前記ロッドと、該ロッドの基端に固定された当接板と、該当接板に向けて自由落下し、前記ロッドの先端に衝撃荷重を発生させる錘体と、該衝撃荷重の発生により生じる前記荷重を測定する荷重計および前記変位を測定する変位計と、を備えることを特徴とする。

0012

上述する本発明の異物識別装置によれば、異物に接触させたロッドの先端に対して衝撃荷重を発生させることにより生じる異物に作用する荷重と異物の変位を、簡略な設備にて容易に測定することができることから、迅速に実測変形係数を算出して異物の識別作業を効率よく実施することが可能となる。

0013

また、本発明の異物識別装置は、前記荷重計と前記変位計が、前記ロッドの先端近傍に内装されることを特徴とする。

0014

上述する本発明の異物識別装置によれば、荷重計と変位計がロッドにおける異物との接触面近傍に設置されるため、削孔内にロッドを配置した際にロッドが孔壁等に接触するような環境にあっても、精度よく荷重および変位を測定することが可能となる。

0015

本発明によれば、衝撃荷重を発生させることにより生じる荷重と変位に基づいて算出した実測変形係数を利用して、地盤中の異物を精度よく識別することが可能となる。

0016

本発明における異物識別装置を示す図である。
本発明における異物識別装置により測定される荷重および変位の波形データを示すグラフである。
本発明における地中埋設物の変形係数を示すグラフである。
本発明における異物識別方法を示す図である。
本発明における異物識別装置の他の実施の形態を示す図である。

0017

本発明の異物識別方法および異物識別装置は、地盤中に異物の存在を検知した際の異物の種類を識別する方法および装置である。本実施の形態では、ボーリング調査時を事例とし、以下に図１〜図５を参照して詳細を説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、地盤掘削工事の途中で異物の存在を検知した場合や、既設の地中孔が存在し、その孔底を調査する場合等、いずれの状況に採用するものであってもよい。

0018

図１で示すように、異物識別装置１は、ロッド２、当接板３、衝撃荷重付与装置４、荷重計５および変位計６を備えており、ロッド２は中実の棒材により構成され、その先端には、地盤中の異物９に接触する載荷面２１が形成されている。

0019

ロッド２は、図４（ｂ）で示すように、地表面から地盤中の異物９に到達するのに十分な長さを確保する必要があることから、長尺の棒材を採用してもよいし、連結可能な複数の棒状材を採用し、地表面から測定しようとする異物９までの距離に応じて適宜長さを調整できる構成としてもよい。また、ロッド２の断面径は、ロッド２が挿入される削孔１０の孔壁に接触しない大きさであればいずれの断面径を有するものであってもよい。そして、ロッド２の基端には、当接板３がロッド２の軸心に対して垂直に固定されている。

0020

当接板３は、図１で示すように、表面が滑らかに成形された円盤状の平板よりなり、その上方には衝撃荷重付与装置４が配置されている。衝撃荷重付与装置４は、断面視リング状の錘体４１と錘体４１を貫通する棒状のガイド体４２とを備えており、錘体４１の断面外形は当接板３と同一の形状に形成され、ガイド体４２はロッド２と同軸上に配置されている。

0021

衝撃荷重付与装置４のガイド体４２は、必ずしも棒状に限定されるものではなく、錘体４１を自由落下可能にガイドできる構成であれば、例えば、錘体４１を内包する長尺の筒体等、いずれの形状を有するものであってもよい。そして、錘体４１が当接板３に向けて自由落下することでロッド２の載荷面２１に衝撃荷重が発生した際に生じる、異物９に作用する荷重と異物９の上下方向の変位は、荷重計５および変位計６にて測定される。

0022

荷重計５は、底板と天板を備えたロッド２と同径の円筒体よりなる起歪体５１と、起歪体５１の内周面に設置されたひずみゲージ５２とを備え、起歪体５１に作用する圧縮力の荷重をひずみゲージ５２により感知し、電気信号に変換する。なお、荷重計５は必ずしも上述するひずみゲージ式に限定するものではなく、荷重を測定できる圧縮型の荷重計であれば一般に用いられているいずれの構造を有するものを採用してもよい。

0023

また、変位計６は、起歪体５１内に配置された圧電型の加速度センサを採用しており、圧電素子の伸び縮み等の変化に応じて電荷を出力する。変位計６も、必ずしも圧電型の加速度センサに限定されるものではなく、静電容量型の加速度センサや、加速度センサでなくても変位を測定できるものであれば、いずれを採用してもよい。なお、加速度センサを用いる場合には、測定値を２回積分することにより変位を算出している。

0024

本実施の形態ではこれら荷重計５および変位計６を、当接板３と衝撃荷重付与装置４の間に配置して、当接板３の上面と起歪体５１の底板とを面接触させるとともに、衝撃荷重付与装置４の錘体４１を、起歪体５１の天板上面に自由落下させる構成としている。なお、衝撃荷重付与装置４と荷重計５および変位計６に替えて、地盤の剛性を自動測定する装置として一般に広く知られている小型ＦＷＤシステムのＦＷＤ本体を採用し、このＦＷＤ本体を当接板３の上面に設置してもよい。これら荷重計５および変位計６の出力は、Ａ/Ｄ変換器（図示せず）によりデジタル変換され、端末装置７に転送される。

0025

端末装置７は、情報処理装置、入力装置および出力装置を少なくとも備えるいわゆるコンピュータであり、情報処理装置は演算処理装置及び記憶装置等のハードウェアと、該ハードウェア上で動作するソフトウェアとで構成されている。したがって、デジタル変換された荷重計５および変位計６の出力は、端末装置７の情報処理装置にて処理されることにより、図２で示すような荷重および変位の波形データとして出力装置に出力することも可能であるし、記憶装置に格納することも可能である。

0026

また、端末装置７の情報処理装置には、測定した荷重および変位に基づいて応力とひずみの比を表す変形係数Ｅを把握するための解析を行う計測・処理ソフトウェアが搭載されており、本実施の形態では、（１）式で示すＢｕｒｍｉｓｔｅｒ理論式にて変形係数Ｅを算出可能な計測・処理ソフトウェアを搭載している。

0027

Ｅ＝２（１−Ｖ2）Ｐ／πｒＤ・・・（１）
Ｅ：変形係数
Ｐ：荷重の最大値（Ｎ）
Ｄ：変位の最大値（ｍｍ）
ｒ：載荷面２１の半径（ｍｍ）
Ｖ：ポアソン比

0028

つまり、図４（ｂ）で示すように、ロッド２の載荷面２１を異物９に接触させるとともに、錘体４１を荷重計５から所望の距離だけ離間させて固定させた状態でロッド２を鉛直状に立設する。この後、錐体４１の固定を解除すると、錘体４１がガイド体４２に沿って自由落下することで荷重計５を介して当接板３に当接し、ロッド２の載荷面２１に衝撃荷重が発生する。１回の衝撃荷重の発生により生じた、異物９に作用する荷重と異物９の変位はそれぞれ、荷重計５と変位計６により測定され、デジタル変換されることにより、図２で示すような横軸を時間軸とする波形データとして出力される。これら波形データのうち荷重および変位それぞれの最大値をとり、（１）式に代入することによって変形係数Ｅが算出される。

0029

ところで、上述する異物識別装置１を用いて、既知の地中埋設物の中からガス管、電線、塩ビ管を選択し、これらの変形係数Ｅを算出した。すると、図３で示すように、ガス管で１２００ＭＮ／ｍ程度、電線で１４５０ＭＮ／ｍ程度、塩ビ管で４５０ＭＮ/ｍ程度と、荷重を異ならせた場合にも、変形係数Ｅは地中埋設物の種類ごとでその数値に明らかな差異を生じる様子がわかる。

0030

このように、変形係数Ｅは、測定条件が変わった場合にも異物９の材質や形状等の特徴を的確に捉え、地中埋設物の種類ごとにある一定範囲の数値を示すことのできる固有のものであるとの知見を得たことから、発明者らは変形係数Ｅを、異物９の種類を識別するための評価値として採用することとした。

0031

これにより、地盤中に存在している可能性のあるライフライン設備等、既知の地中埋設物各々の変形係数Ｅをあらかじめ把握しておくことで、水道管や下水管等の管路情報図が入手できない場合にも、地盤を大きく掘り起こすことなく、地盤中に存在する異物９の種類を識別できる。そこで、本実施の形態では、あらかじめ算定した既知の地中埋設物の変形係数Ｅを、基準変形係数Ｅ２として端末装置７の記憶装置に格納している。

0032

こうすると、現場において掘削作業中に異物９を検知した場合に、異物識別装置１を利用して荷重および変位を実測し、これに基づいて算出した実測変形係数Ｅ１とあらかじめ記憶装置に格納した基準変形係数Ｅ２とを端末装置７の演算処理装置にて比較することにより、異物９が既知の地中埋設物のいずれに該当するのか、その種類を自動識別することが可能となる。

0033

上述する異物識別装置１を用いた異物識別方法は、例えば土壌汚染のおそれがある対象地盤に対して汚染の広がりや深さを把握するべくボーリングマシン８を用いて地盤中を掘削する際に適用可能である。

0034

＜第１の工程＞
具体的には、対象地盤中に存在している可能性のあるライフライン設備等既知の地中埋設物についてあらかじめ、異物識別装置１を用いて変形係数Ｅを算出し、これを異物９の種類を識別するための評価基準となる基準変形係数Ｅ２として設定し端末装置７の記憶装置に格納しておく。

0035

＜第２の工程＞
図４（ａ）で示すように、ボーリングマシン８による掘削中であって所望の深度に到達する前にトルク値が急変する等の異変が生じ、地中に異物９の存在を検知したところで、掘削作業を一時中断してボーリングマシン８を引き抜く。このとき、地表面から孔底に位置する異物９までの距離を把握しておく。次に、図４（ｂ）で示すように、異物識別装置１のロッド２を、少なくとも地表面から削孔１０の孔底に位置する異物９までの距離よりも長尺となる長さに設定し、ロッド２を削孔１０に挿入して載荷面２１を異物９に接触させる。

0036

この状態でロッド２が削孔１０の孔壁に触れることなく、かつ鉛直状となるよう保持しつつ、衝撃荷重付与装置４の錘体４１を自由落下させて、ロッド２の載荷面２１に衝撃荷重を発生させる。そして、これにより生じた荷重および変位を荷重計５および変位計６にて測定し、端末装置７に転送する。

0037

＜第３の工程＞
そして、端末装置７の出力装置に、荷重および変位の波形データ、荷重および変位に基づいて演算処理装置にて算出された実測変形係数Ｅ１、および実測変形係数Ｅ１と記憶装置に格納した既知の地中埋設物の基準変形係数Ｅ２とを演算処理装置にて比較することにより自動識別された、異物９の種類を表示する。

0038

これらの結果から、異物９がガス管や水道管等のライフライン設備と識別された場合には、ボーリングマシン８による掘削作業を取り止め、対象領域内の他の地点で再度掘削を行う。また、異物９がいずれのライフライン設備にも該当しない場合には、岩石や礫層であるものと判断し、掘削作業を再開すればよい。このように、識別した異物９の種類に応じて作業の中止もしく続行等の判断を下すことができるため、効率よく掘削作業を実施することが可能となる。

0039

本発明の異物識別装置１および異物識別方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

0040

例えば、本実施の形態では、荷重計５および変位計６を当接板３と衝撃荷重付与装置４の間に配置したが、必ずしもこれに限定されるものではない。図５で示すように、ロッド２の載荷面２１近傍に配置すべくロッド２の一部をなすように設置するとともに、衝撃荷重付与装置４を当接板３に配置して、錘体４１を当接板３の上面に直接自由落下させてもよい。こうすると、ロッド２が削孔１０の孔壁等に接触するような場合にも、精度よく荷重および変位を測定することが可能となる。

0041

また、本実施の形態では、衝撃荷重付与装置４に錘体４１を備える構造とし、これを自由落下させたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ロッド２の載荷面２１に衝撃荷重を発生させることのできる構造であれば、電力等の外力を作用させる等いずれの手段を用いる構造であってもよい。

0042

さらに、あらかじめ基準変形係数Ｅ２を測定しておく既知の地中埋設物は、必ずしもライフライン設備に限定するものではなく、地中に埋設されている可能性のあるものであれば、岩石やコンクリート片等いずれであってもよい。

0043

１異物識別装置
２ロッド
２１載荷面
３ 当接板
４衝撃荷重付与装置
４１錘体
４２ガイド体
５荷重計
５１起歪体
５２ひずみゲージ
６変位計
７端末装置
８ボーリングマシン
９異物
１０ 削孔