JP2005036517A - シールド掘削土の脱水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高含水率で排出されるシールド掘削土を、少ないスペースで連続して脱水・減容化処理し、土木資材として再利用可能な強度の土砂とすることができるシールド掘削土の脱水処理方法の提供。
【解決手段】
土圧式又は泥水式シールド機１から排出される高含水掘削土を掘削土タンク２１に貯留させ、その貯留された高含水掘削土を連続して攪拌凝集槽２２、連続式脱水機２３に順次送り、攪拌凝集槽２２にて凝集剤を添加して凝集土とし、その凝集土を連続式脱水機２３に投入して脱水処理し、脱水ケーキとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、土圧式又は泥水圧式シールド機を使用したトンネル掘削成形時に発生する高含水比の掘削土を盛土材料などの資材として利用できる程度に脱水処理するシールド掘削土の脱水処理方法に関する。

一般に、シールドトンネルの掘削方式として、密閉型シールドがあり、これはシールド機の先端部分に隔壁を有し、この隔壁と切羽間のチャンバー内を、土砂或いは泥水で満たし、その土砂或いは泥水に充分な圧力を保持させて切羽の安定を図る構造の機械掘り式シールドである。この種の掘削方式には土圧式シールドと泥水式シールドがある。

土圧式シールドは掘削土に適宜注水してこれを泥土化し、それに所定の圧力を与えて切羽の安定を図るもので、地山を切削する掘削機構、掘削土を攪拌し泥土化させる混練機構、掘削土を排出する排土機構、更に掘削土の圧力を一定に保持する制御機構等を備えたシールドである。このシールドは、掘削土を泥土化させるのに必要な添加材の注入装置の有無により、土圧式シールドと泥土圧式シールドに分けられる。

土圧式シールドは、回転カッターヘッドで掘削、攪拌した土砂を切羽とシールド隔壁の問に充満させシールドの推進力によりその掘削土を加圧し、切羽全体に作用させて切羽の安定を図りながらスクリューコンベヤー等で排土するシールドであり、泥土圧式シールドは添加材を注入しながら回転カッターヘッドで掘削した土砂と添加材を強制的に撹幹して土砂を塑性流動化させ、土圧式シールドと同様に切羽の安定を図りながら、スクリューコンベヤー等で排土するシールドである。

一方、泥水式シールドは、泥水に所定の圧力を与え切羽の安定を図り、泥水を循環させることにより、掘削土の流体輸送を行うものであり、地山を切削する掘削機構、泥水を循環させ、泥水に一定の圧力を加えるための送排泥設備、掘削輸送された泥水を分離し、更に泥水を所定性状に調整するための調泥・泥水処理設備を備えたシールドである。

上述した泥土圧式シールド及び泥水式シールドでは、掘削土砂は泥土として又は泥水とともに排出されるため、流動性の高い高含水率の状態で排出される。

このような高含水率の状態で排出される掘削土の処理は、泥土圧式シールドによる掘削土においては、通常、産業廃棄物（建設汚泥）として処理し、泥水式シールによる掘削土はフィルタープレス等の脱水装置を用いて脱水・減容化を行っている（例えば特許文献１、２）。
特開平９−２１７５９０号公報 特開平１１−１５９２８１号公報

上述したように従来の泥土圧式シールドにより発生する掘削土は産業廃棄物として廃棄されているため、その処理費用が大きく、また処分場にも限界があり廃棄処理が困難になりつつあるという問題がある。また、泥水式シールドにより発生する掘削土は、多くの場合フィルタープレスによって脱水・減容化を行っているが、脱水処理を行う前に1次処理（障害物、砂礫分の除去）が必要であり、連続的に処理を行えず、処理能力に限界があり、現状では、シールド掘削土を連続的に脱水処理して、処理土を第3種建設発生土以上
（ｑｃ≧400ｋN/m3）即ち、土木資材として再利用可能な強度を確保できる方法がなかった。

本発明は上述の如き問題に鑑み、高含水率で排出されるシールド掘削土を、少ないスペースで連続して脱水・減容化処理し、土木資材として再利用可能な強度の土砂とすることができるシールド掘削土の脱水処理方法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明の特徴は、土圧式又は泥水式シールド機から排出される高含水掘削土を掘削土タンクに貯留させ、その貯留された高含水掘削土を連続して攪拌凝集槽、連続式脱水機に順次送り、前記攪拌凝集槽にて凝集剤を添加して凝集土とし、該凝集土を前記連続式脱水機に投入し、該連続式脱水機にて脱水処理して脱水ケーキとすることを特徴としてなるシールド掘削土の脱水処理方法にある。

また、請求項２に記載の発明の特徴は、前記請求項１の構成に加え、前記攪拌凝集槽にて一次凝集剤を添加して一次凝集土とし、該一次凝集土に二次凝集剤を添加混合させて二次凝集土として前記連続式脱水機に投入することにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、前記請求項２の構成に加え、前記一次凝集剤は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、無水マレイン酸重合物、ポリアクリル酸エステル、グアガム、アクリルアミドとアクリル酸塩の共重合体、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルスルホン酸塩の内の一種又は二種以上の組合せからなる高分子凝集剤である請求項２に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。

請求項４に記載の発明の特徴は、前記請求項２又は３の構成に加え、前記二次凝集剤は、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、セメント及び消石灰一種又は二種以上の組合せからなる無機凝集剤であることにある。

請求項５に記載の発明の特徴は、前記請求項１〜３又は４の構成に加え、連続式脱水機はテーパ状の回転胴の外周にスクリュー羽を螺旋状に連続して有し、前記回転胴の回転により、掘削土が前記テーパ状の小径側から大径側に移動されるようにしたスクリュープレス機であることにある。

請求項６に記載の発明の特徴は、前記請求項１〜４又は５の構成に加え、前記掘削土タンク、攪拌凝集槽、連続式脱水機及びこれらの間の掘削土送り手段を前記シールド機に後続して掘進とともに移動する後続台車上に搭載し、順次掘削成形されるシールドトンネル内で脱水処理することにある。

請求項７に記載の発明の特徴は、前記請求項６の構成に加え、前記後続台車上には、これに搭載される各種装置を、トンネル掘進用の資材を通すことが出来る通路を設けた門型配置に設置してなる請求項５に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。前記請求項１の構成に加え、攪拌凝集槽にて凝集剤を添加して一次凝集土とし、該凝集土に再度凝集剤を添加混合させて前記連続式脱水機に投入することにある。

前記請求項１のように、高含水掘削土を掘削土タンクに貯留させ、その貯留された高含水掘削土を連続して攪拌凝集槽、連続式脱水機に順次送るようにしたことにより、泥水シールドによる掘削土であっても、掘削土タンクに投入する際に、夾雑物や粒径の大きい礫などの障害物を除去することができ、しかもシール機の掘進停止時においても掘削土タンクに貯留させた掘削土を連続して処理し、再利用が可能な資材とすることができる。

また、前記請求項２のように、攪拌凝集槽にて一次凝集剤を添加して一次凝集土とし、該一次凝集土に二次凝集剤を添加混合させて二次凝集土として前記連続式脱水機に投入することにより、凝集反応を促進させ、脱水に適した強固なフロックを形成することができる。

更に、請求項３の如き高分子凝集剤を使用することにより、圧搾脱水により効果的に耐えることができる強いフロックができ、高い脱水効果が得られる。

更に、請求項４のように、二次凝集剤として無機凝集剤を使用することにより、更に高い脱水効果が得られる。

更に、請求項５のように、連続式脱水機としてテーパ状の回転胴の外周にスクリュー羽を螺旋状に連続して有し、前記回転胴の回転により、掘削土が前記テーパ状の小径側から大径側に移動されるようにしたスクリュープレス機を使用することにより、連続的に送られてくる掘削土を、少ないスペースで効率良く連続脱水処理できる。

更に、請求項６のように、掘削土タンク、攪拌凝集槽、連続式脱水機及びこれらの間の掘削土送り手段を前記シールド機に後続して掘進とともに移動する後続台車上に搭載し、順次掘削成形されるシールドトンネル内で脱水処理することにより、地上の作業場スペースが狭い場合であっても効果的に掘削土の脱水処理が可能となる。

更に、請求項７のように、後続台車上には、これに搭載される各種装置を、トンネル掘進用の資材を通すことが出来る通路を設けた門型配置に設置することにより、覆工用のセグメント等のシールド機に送り込む必要がある資材の搬送に支障を及ぼすことなく、シールド機の直後において脱水処理が可能となり、掘削土のトンネル内搬送は、脱水処理後のものを搬送することなり、ベルトコンベア等の簡易な搬送設備が使用できる。

次に、本発明方法の実施の形態を、これを実施するための装置とともに図面に基づいて説明する。図１、図２は本発明を実施する装置の概略構成を示している。図において１はシードトンネルであり、２はその立坑である。１０は泥土圧式シールド機であり、１１はシールド機先端部分のシールド隔壁、１２は掘削及び掘削土攪拌兼用の回転カッターヘッド、１３は隔壁前方側の掘削土攪拌用のチャンバー１４から掘削土を排出するスクリューコンベア、１５は該スクリューコンベア１３より排出される掘削土を後続の装置に送るベルトコンベアである。

このシールド機１０では、チャンバー１４内に粘度調整用の水を注入して掘削土と混合攪拌させ、該チャンバー内を泥土で充満させ、その泥土の圧力によって切羽の安定を保ちつつ掘進するものであり、掘進時に粘度調整水注入及びスクリューコンベア１３による泥土排出量をコントロールすることによってチャンバー１４内の泥土圧式を調整している。掘削土はチャンバー１４内で水と混合されて攪拌され、高含水比の泥土としてスクリューコンベア１３により排出されるようになっている。

シールド機１０に連結されその前進とともに移動する後続台車２０にチャンバー１４内から排出される泥土を脱水処理するための装置が搭載されている。この装置には、掘削土タンク２１、凝集攪拌装置２２、連続式脱水機２３、第１、第２の凝集剤添加装置２４，２５及び送泥ポンプ２６が備えられている。また、台車２０は図２に示すように中央部下側を通路用空間２０ａとした門型に形成され、その通路空間２０の両側部及び上部に各装置を搭載している。

掘削土タンク２１の泥土投入口には金網状をした障害物除去装置が備えられ、ここで後述する送泥ポンプ２６や連続式脱水機２３に適しない大きさの障害物、例えば大粒径の礫や夾雑物を除去するようになっている。尚、掘削する地盤の土質が障害物を含まないものであることが明らかである場合は、障害物除去装置は使用しないで全量を掘削土タンク２１に投入させる。

送泥ポンプ２６は掘削土タンク２１内に収容されており、これにより掘削土タンク内に溜められた泥土を、搬送パイプ２７を通し、連続して凝集攪拌装置２２に送り込ませる。

凝集攪拌装置２２は、図３に示すように、泥土収容する攪拌槽２２ａと、その内部に備えた攪拌機２２ｂとを有している。攪拌機２２ｂは水平配置の駆動軸の周囲に放射状に多数の攪拌羽を突設して構成され、攪拌羽は回転方向に対してスクリュー機能を持たせており、攪拌槽２２ａの入り口側から投入された泥土は攪拌機２２ｂで攪拌されつつ出口側に送られるようになっている。

攪拌槽２２ａには、その入り口部分及び中央部分に第１凝集剤添加ノズル２４ａ，２４ｂが、また出口側端部に近い位置には第２凝集剤添加ノズル２５ａが開口されている。第１凝集剤添加ノズル２４ａ，２４ｂからは第１凝集剤添加装置２４からＡ凝集剤を吐出させるとともに第２凝集剤添加ノズル２５ａからは第２凝集剤添加装置２５からＢ凝集剤を吐出させるようになっている。第２凝集剤添加ノズル２５ａは、前述した攪拌機２２ｂの最終端部にある攪拌羽の手前にＢ凝集剤を注入する位置に設けることが好ましい。このようにすることにより、Ｂ凝集剤によって生成されるフロックを攪拌羽で壊すことなく次の脱水機に送り込まれることとなる。

尚、第１凝集剤添加ノズル２４ａ，２４ｂは処理しようとする掘削土の性質に応じ、入り口部分のもののみを使用するようにしてもよい。

第１凝集剤添加装置２４から供給するＡ添加剤として高分子凝集剤であるポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、無水マレイン酸重合物、ポリアクリル酸エステル、グアガム、アクリルアミドとアクリル酸塩の共重合体、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルスルホン酸塩の内の一種又は二種以上の組合せのものを使用する。また第２凝集剤添加装置２５から供給するＢ添加剤として、無機凝集剤であるポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、セメント及び消石灰一種又は二種以上の組合せのものを使用する。

このように、Ａ及びＢの凝集剤を２段階に分けて注入することにより、Ａ凝集剤によって形成されたフロックが攪拌羽で破壊させ、これを再度Ｂ凝集剤にて凝集させることとなり、後続の圧搾脱水に適した効果的な凝集がなされる。

尚、送り込まれる泥土の性質によって第１、第２の両凝集剤添加装置２４，２５から２段階に分けてＡ凝集剤とＢ凝集剤とを注入するか、第１の凝集剤添加装置２４からＡ添加剤のみを注入するかを選択する。

連続式脱水機２３としては、スクリュープレス機を使用する。このスクリュープレス機は、図４に示すように、水平配置の円筒状胴部３０を有している。この胴部３０には入り口側端部上側に投入口３１が、出口側端部に排出口３２が開口され、胴部の少なくとも下側に透水性を持たせたスクリーンとなっている。

胴部３０の中心部分にはプレス用のスクリュー３３が収容されている。このスクリュー３３は、出口側端部に向けて直径を大きくしたテーパ状の回転胴３４の外周にスクリュー羽３５が突設されており、回転胴３４が回転速度調節できるモーター４１によって回転駆動されるようになっている。こ回転胴３４を回転させることにより、投入口３１より投入された凝集土はスクリュー羽３５によって出口側端部方向に強制移動され、回転胴３４の大径側に移動することによって圧縮され、これによって凝集土のフロック間の水分が搾り出されるようになっている。

尚、円筒胴部３０出口側端部にはその出口の開口率を調整できるリング状の抵抗板３６が油圧シリンダー２７によって軸方向に移動可能に設置され、これを軸方向に移動させて出口の開口率を変化させることにより、凝集土の圧縮率が調整される。また、スクリュー３３の回転数を調整することによっても脱水率を調整できる。

このようにして搾り出された水分は、円筒状胴部３０下の漏斗状をした集水器３８に受けられ、排水口３９から排出され、また、減容化された脱水処理済み土は胴部３０の排出口３２から排出される。排出口３２下には脱水処理土搬送車４０を待機させておき、排出口３２から排出される脱水処理済み土を搭載し、立坑底部まで搬送し、立坑２を通して地上に搬出する。

上述したシールド掘削土の脱水処理は、シールド機１０による掘進時に同時に連続して行ってもよく、１作業長さ分の掘進後、セグメントによる覆工作業中において、掘削土タンク内に溜められた掘削土の脱水処理を引き続き行っても良い。

また、上述した実施例では、泥土圧式シールド機における掘削土の脱水処理について説明したが、この泥土圧式シールド機より含水率が高い状態で掘削土が排出される泥水式シールド機からのシールド掘削土の脱水処理に際しては、上述したチャンバー１４内から掘削土を排出させるスクリューコンベア１３と掘削土タンク２１との間のベルトコンベア１５に代えて送泥管（図示せず）を使用し、スクリューコンベア１３の排出口と掘削土タンク２１間を送泥管で連結することによって同じ脱水処理装置を使用して脱水処理できる。

更に、上述した実施例では、脱水処理を後続台車に搭載した装置によって、トンネル内で行う場合を示しているが、この他、前述の後続台車に搭載したものと同じ装置を、立坑内又は地上に設置し、コンベア又は送泥管等の掘削土搬送手段によりシールド機から掘削土を搬送させて処理するようにしてもよい。

本発明を実施するための一例の装置の概略を示す側面図である。 同上の正面図である。 図１に示す装置に使用している凝集攪拌装置の概略を示す断面図である。 図１に示す装置に使用している連続式脱水機の概略を示す断面図である。

符号の説明

１ シードトンネル
２ 立坑
１０ 泥土圧式シールド機
１１ シールド隔壁
１２ 回転カッターヘッド
１３ スクリューコンベア
１４ チャンバー
１５ ベルトコンベア
２０ 後続台車
２０ａ 通路用空間
２１ 掘削土タンク
２２ 凝集攪拌装置
２２ａ 攪拌槽
２２ｂ 攪拌機
２３ 連続式脱水機
２４ 第１凝集剤添加装置
２５ 第２凝集剤添加装置
２４ａ 第１凝集剤添加ノズル
２５ａ 第２凝集剤添加ノズル
２６ 送泥ポンプ
２７ 搬送パイプ
３０ 円筒状胴部
３１ 投入口
３２ 排出口
３３ スクリュー
３４ 回転胴
３５ スクリュー羽
３６ 抵抗板
３７ 油圧シリンダー
３８ 集水器
３９ 排水口
４０ 脱水処理土搬送車
４１ モーター

Claims (7)

1. 土圧式又は泥水式シールド機から排出される高含水掘削土を掘削土タンクに貯留させ、その貯留された高含水掘削土を連続して攪拌凝集槽、連続式脱水機に順次送り、前記攪拌凝集槽にて凝集剤を添加して凝集土とし、該凝集土を前記連続式脱水機に投入し、該連続式脱水機にて脱水処理して脱水ケーキとすることを特徴としてなるシールド掘削土の脱水処理方法。
2. 前記攪拌凝集槽にて一次凝集剤を添加して一次凝集土とし、該一次凝集土に二次凝集剤を添加混合させて二次凝集土として前記連続式脱水機に投入する請求項１に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。
3. 前記一次凝集剤は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、無水マレイン酸重合物、ポリアクリル酸エステル、グアガム、アクリルアミドとアクリル酸塩の共重合体、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルスルホン酸塩の内の一種又は二種以上の組合せからなる高分子凝集剤である請求項２に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。
4. 前記二次凝集剤は、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、セメント及び消石灰一種又は二種以上の組合せからなる無機凝集剤である請求項２又は３に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。
5. 連続式脱水機はテーパ状の回転胴の外周にスクリュー羽を螺旋状に連続して有し、前記回転胴の回転により、掘削土が前記テーパ状の小径側から大径側に移動されるようにしたスクリュープレス機である請求項１〜３又は４に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。
6. 前記掘削土タンク、攪拌凝集槽、連続式脱水機及びこれらの間の掘削土送り手段を前記シールド機に後続して掘進とともに移動する後続台車上に搭載し、順次掘削成形されるシールドトンネル内で脱水処理する請求項１〜４又は５に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。
7. 前記後続台車上には、これに搭載される各種装置を、トンネル掘進用の資材を通すことが出来る通路を設けた門型配置に設置してなる請求項６に記載のシールド掘削土の脱水処理方法。

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