JP2011214258A - 粉塵濃度の低減方法およびミスト散布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薬剤を使用せずとも作業環境を向上できるとともに、トンネル掘削工事に係るコストを低減させることが可能な粉塵濃度の低減方法およびミスト散布装置を提供する。
【解決手段】予めトンネル切羽２に吹付け機１０を設置し、この吹付け機１０に第１ミスト散布装置２０の噴射ノズル２１を取り付け、トンネル壁面３に第２ミスト散布装置の噴射ノズルを、風管の送風口前方に位置するようにして取り付けておき、吹付け機１０によってフライアッシュを含む吹付けコンクリートをトンネル壁面３に吹付けた後、トンネル１内に、第１および第２ミスト散布装置の噴射ノズルからミストを散布する。これにより、フライアッシュを含む吹付けコンクリートによる粉塵量の低減と、ミスト吸着による粉塵の降下との相乗効果を出すことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンクリートの吹付け作業時に発生する粉塵の濃度を低減する粉塵濃度の低減方法およびミスト散布装置に関する。

従来、トンネル掘削工事における地山の補強や掘削面の安定化のため、支保工の搬入および建て込み作業が行われるとともにコンクリートの吹付け作業が行われている。
ところで、コンクリートの吹付け作業時には粉塵が発生し、トンネル内の空気中の粉塵濃度が高くなる場合があるため、粉塵の発生を抑制する薬剤をコンクリートに添加して、作業環境の向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平０５−１０５４９３号公報 特開昭６２−０５９５６０号公報

ところで、上記のような薬剤では粉塵の発生を抑制できるものの、高価なものであることから、トンネル掘削工事に係るコストが増加する場合があった。このため、上記のような薬剤を使用せずともトンネル内の空気中の粉塵濃度を低減したいという要望があった。

本発明の課題は、薬剤を使用せずとも作業環境を向上できるとともに、トンネル掘削工事に係るコストを低減させることが可能な粉塵濃度の低減方法およびミスト散布装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、粉塵濃度の低減方法であって、予めトンネル切羽に、コンクリート吹付け用ノズルを備える吹付け機を設置し、この吹付け機に、水を霧状に噴射する第１ミスト散布装置の噴射ノズルを、前記吹付け用ノズルの近傍に位置するようにして取り付け、トンネル壁面に、水を霧状に噴射する第２ミスト散布装置の噴射ノズルを、前記切羽から離間して配置された風管の送風口前方に位置するようにして取り付けておき、前記吹付け機によって、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含む吹付けコンクリートをトンネル壁面に吹付けた後、トンネル内に、前記第１ミスト散布装置および第２ミスト散布装置の噴射ノズルからミストを散布することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、コンクリート吹付け用ノズルを有する第１ブームと、この第１ブームとは異なる機能を有する第２ブームとを備える吹付け機に搭載されるとともに、トンネル内に、水を霧状に噴射してなるミストを散布するミスト散布装置であって、前記第２ブームの長手方向に沿って複数取り付けられるとともに水を霧状に噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルに水を供給するための給水手段と、前記噴射ノズルに圧縮空気を供給するための給気手段とを備えていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のミスト散布装置において、前記給水手段は、トンネル内に予め設置された給水用タンクと前記噴射ノズルとを接続する水ホースからなり、前記給気手段は、前記吹付け機に予め搭載されたコンプレッサーと、このコンプレッサーと前記噴射ノズルとを接続する空気ホースとからなることを特徴とする。

本発明によれば、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含む吹付けコンクリートを用いて、粘性に優れるコンクリートをトンネル壁面に吹付けることができるので、吹付け時のリバウンドが低減し、これに伴って粉塵量も低減することができる。
さらに、ミスト散布装置によって霧状の水、すなわちミストをトンネルの空気中に散布することができるので、ミストに粉塵を吸着させて地面に降下させることができる。
そして、フライアッシュを含む吹付けコンクリートによる粉塵量の低減と、ミスト吸着による粉塵の降下との相乗効果によって、トンネル内の空気中の粉塵濃度を低減させることができるので、従来とは異なり、薬剤を使用せずとも作業環境を向上できるとともに、トンネル掘削工事に係るコストを低減させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る吹付け機を示す側面図である。 図１に示す吹付け機の平面図である。バスケットブームの手摺は省略されている。 本発明のミスト散布装置の一例を示す概略平面図である。 図３に示すミスト散布装置の概略側面図である。 図４に示すミスト散布装置の要部詳細図である。 第２ミスト散布装置の一例を示しており、（ａ）は概略側断面図であり、（ｂ）は概略正断面図である。 フライアッシュ置換コンクリート不使用時、フライアッシュ置換コンクリート使用時、フライアッシュ置換コンクリート使用およびミスト散布時の粉塵濃度測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態の粉塵濃度の低減方法は、図１〜図６に示すように、予めトンネル切羽２に、コンクリート吹付け用ノズル１３ａを備える吹付け機１０を設置し、この吹付け機１０に、水を霧状に噴射する第１ミスト散布装置２０の噴射ノズル２１を、前記吹付け用ノズル１３ａの近傍に位置するようにして取り付け、トンネル壁面３に、水を霧状に噴射する第２ミスト散布装置３０の噴射ノズル３１を、前記切羽２から離間して配置された風管５の送風口５ａ前方に位置するようにして取り付けておく。
そして、前記吹付け機１０によって、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含む吹付けコンクリートをトンネル壁面３に吹付けた後、トンネル１内に、前記第１ミスト散布装置２０および第２ミスト散布装置３０の噴射ノズル２１，３１からミストを散布する、というものである。

なお、トンネル１は、上半先進ショートベンチカット工法および補助ベンチ付き全断面掘削工法によって掘削されている。また、前記吹付け機１０を切羽２に設置することによって、この切羽２においてトンネル壁面３に吹付けコンクリートを吹付けている。
また、前記風管５を用いるトンネル換気量は２０００ｍ^３／ｍｉｎに設定されており、この風管５先端と前記切羽２とは３５ｍ〜５０ｍ離間して配置されている。この風管５は、トンネル１の長さ方向に沿って、かつアーチ状のトンネル壁面３の頂部３ａ付近に位置するようにして設けられている。
また、切羽２では、作業員がいる状態で、コンクリートの吹付け作業や粉塵濃度の低減に係る作業が行われている。さらに、切羽２の後方５０ｍの地点で、粉塵濃度の測定が行われている。

このような粉塵濃度の低減方法に用いられる吹付け機１０は、図１および図２に示すように、自走可能なベースマシン１１と、このベースマシン１１の上に設けられて種々の機材を搭載することができるステージ１２と、当該吹付け機１０に備え付けられる第１ブームであるコンクリート吹付け用のロボットブーム１３と、第２ブームである２基のバスケットブーム１４，１４と、第３ブームである２基のエレクターブーム１５，１５等によって構成されている。
すなわち、この吹付け機１０には、第１〜第３の３種類のブーム１３，１４，１５が備え付けられていることになる。
なお、前記バスケットブーム１４，１４とエレクターブーム１５，１５のうち、いずれを第２ブーム、第３ブームとするかは適宜変更可能であるものとする。

ロボットブーム１３、バスケットブーム１４，１４、およびエレクターブーム１５，１５は、各ブームの基部が何れもステージ１２の前端部に固定され、ステージ１２の前端部から前方に向けて設けられている。すなわち、各ブームはステージ１２の前端部に固定されて移動せず、後方に向けられることもないので、ステージ１２の上には広いスペースが生まれることになる。
なお、各ブームを使用する際には、アウトリガー１２ａを用いて機体を安定に保持することができる。

広いフラットなステージ１２には、コンクリートの吹付け作業に必要な、多くの機材を搭載することができる。例えば、コンクリートの吹付け時に用いられる電動のコンプレッサー１６やコンクリート吹付装置１７を始め、ベースマシン１１の駆動のためのエンジン、ケーブルリール等である。

ベースマシン２は駆動輪、従動輪および転輪の周りにゴム製のクローラベルトを装着したゴムクローラ式であり、エンジンの動力が駆動輪を介して無端ベルトであるクローラベルトに伝達されることによって、ベースマシン２を走行させることができ、これにより、吹付け機１０自体がトンネル１の地面４を走行できることになる。

本実施の形態の第１のブームであるロボットブーム１３は、６〜１１ｍ程度の間で伸縮自在であるとともに、１００度程度の旋回と７０度程度の起伏が可能であるように構成されている。また、ロボットブーム１３の先端には、コンクリート吹付け用ノズル１３ａが設けられている。吹付け用ノズル１３ａはロボットブーム１３に対して旋回、起伏および回転が可能であり、トンネル１の壁面３に対するコンクリートの吹付け作業を自動的に行うことができる。
なお、ミキサー車で搬入されたコンクリートは、前記コンクリート吹付装置１７に受け入れられて、吹付け作業時にホースを介して吹付け用ノズル１３ａに送られる。

本実施の形態の第２のブームであるバスケットブーム１４，１４は、６〜１１ｍ程度の間で伸縮自在であるとともに、６０度程度の旋回と７０度程度の起伏が可能であるように構成されている。また、バスケットブーム１４，１４の先端には、作業員が操作を行うためのデッキ１４ａ，１４ａが設けられている。デッキ１４ａ，１４ａは、バスケットブーム１４，１４の起伏に対して、常時水平が保たれるようになっている。
また、ステージ１２上とデッキ１４ａ，１４ａとを行き来するために、このバスケットブーム１４，１４の上面は通路１４ｂ，１４ｂとなっている。そして、この通路１４ｂ，１４ｂには、手摺１４ｃ，１４ｃが設けられている。

本実施の形態の第３のブームであるエレクターブーム１５，１５は、４〜８ｍ程度の間で伸縮自在であるとともに、６０〜７０度程度の旋回が可能であり、７０〜８０度程度の起伏が可能であるように構成されている。また、エレクターブーム１５，１５の先端には支保工を把持するガイド１５ａ，１５ａが設けられている。ガイド１５ａ，１５ａはブーム１５，１５に対して旋回、起伏および回転が可能であり、支保工を搬入する際には、支保工の円弧平面が進行方向に平行になるように把持し、建て込みの際には９０度旋回させて、円弧平面がトンネルの断面と平行となるようにして、支保工の建て込み作業を正確に行うことができる。

また、本実施の形態の粉塵濃度の低減方法に用いられる第１ミスト散布装置２０は、図３〜図５に示すように、前記吹付け機１０に搭載されるとともに、トンネル１内に、水を霧状に噴射してなるミストを散布するものであり、前記第２ブームであるバスケットブーム１４，１４の長手方向に沿って複数取り付けられるとともに水を霧状に噴射する噴射ノズル２１と、前記噴射ノズル２１に水を供給するための給水手段と、前記噴射ノズル２１に圧縮空気を供給するための給気手段とを備えている。

噴射ノズル２１は、２系統に分けられた液体（水）と圧縮空気とを混合して噴射する２流体方式のスプレーノズルであり、高速気流によって液体を粉砕し、微粒化することができる。
これによって、液体の粒径が比較的大きい１流体ノズルを使用する場合に比して、トンネル１内の照明を妨げたり、上方を見上げて作業する作業員の保護メガネの視界を妨げたりすることを防ぐことができるので、施工性の低下を防ぐことができる。

また、この噴射ノズル２１は、前記第２ブームであるバスケットブーム１４，１４の手摺１４ｃ，１４ｃの長さ方向に沿って複数取り付けられている。
さらに、この噴射ノズル２１は、上方に向かって水を霧状に噴射できるようになっており、霧状に噴射された水がトンネル１内の上側から下側へと降下する間に、粉塵が吸着するようになっている。

給水手段は、トンネル１内に予め設置された給水用タンク６と前記噴射ノズル２１とを接続する水ホース２２からなる。なお、前記給水用タンク６の水は、もともとトンネル１内で適宜使用される水であり、前記吹付け機１０では、コンクリートを通すホースの洗浄などに使用される。

給気手段は、前記吹付け機１０に予め搭載されたコンプレッサー１６と、このコンプレッサー１６と前記噴射ノズル２１とを接続する空気ホース２３とからなる。コンプレッサー１６は、上述のように、もともと吹付けコンクリートの吹付け作業に用いられるものである。

また、前記水ホース２２および空気ホース２３には圧力計１８が設けられており、この圧力計１８によって水圧および空気圧を計測できるようになっている。
なお、本実施の形態においては、水圧を０．１５〜０．２ＭＰａとなるように管理し、空気圧を０．２〜０．３ＭＰａとなるように管理することが望ましい。

このような第１ミスト散布装置２０によれば、霧状の水、すなわちミストをトンネルの空気中に散布することができるので、ミストに粉塵を吸着させて地面に降下させることができる。
また、この第１ミスト散布装置２０は、前記吹付け機１０のロボットブーム１３の近傍に位置することになるので、吹付け作業後に最も粉塵濃度が高い場所でミストを散布することができ、粉塵濃度の低減効果を高めることができる。
また、第１ミスト散布装置２０は、吹付けコンクリートを吹き付けるための吹付け機１０に搭載され、さらに、トンネル１内に予め設置された給水用タンク６や吹付け機１０に予め搭載されたコンプレッサー１６を利用することができるので、例えばミスト散布のための大掛かりな機械を別途導入する必要がなく、トンネル１掘削工事に係るコストを低減させることができる。

また、本実施の形態の粉塵濃度の低減方法に用いられる第２ミスト散布装置３０は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル１内に、水を霧状に噴射してなるミストを散布するものであり、前記トンネル壁面３に、前記風管５の送風口５ａ前方に位置するようにして取り付けられるとともに水を霧状に噴射する噴射ノズル３１と、水を供給するための給水管３３と、この給水管３３と前記噴射ノズル３１とを接続する水ホース３２とを備えている。

前記噴射ノズル３１は、前記第１ミスト散布装置２０の噴射ノズル２１とは異なり、液圧によって噴霧する１流体方式のスプレーノズルである。
この噴射ノズル３１は、図６（ａ）に示すように前記トンネル壁面３の頂部３ａ付近に取り付けられている。そして、下方に向かって水を霧状に噴射できるように向きが調整されており、霧状に噴射された水がトンネル１内の上側から下側へと降下する間に、粉塵が吸着するようになっている。

前記給水管３３は、トンネル１の長さ方向に沿って設けられるとともに水の供給源に接続されている。この水の供給源としては、本実施の形態においては例えば前記給水用タンク６を用いてもよいものとする。
また、この給水用タンク６は、車両に搭載されてトンネル１内を移動できるようにしたものが好ましい。

このような第２ミスト散布装置３０によれば、霧状の水、すなわちミストをトンネル１の空気中に散布することができるので、ミストに粉塵を吸着させて地面に降下させることができる。
また、この噴射ノズル３１は、風管５の送風口５ａ前方に位置しているので、この噴射ノズル３１から噴射されたミストは、気流に乗って切羽２へと運ばれるとともに、切羽２で折り返してトンネル１内に行き渡るようになっている。これによって、トンネル１内において広範に粉塵濃度の低減効果を出すことができる。

また、本実施の形態の粉塵濃度の低減方法に用いられる吹付けコンクリートは、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含むものである。つまり、セメント、細骨材の一部をフライアッシュで置換することで、コンクリートの粘性を向上させたものである。
本実施の形態においては、セメント３０％、細骨材５％を、フライアッシュと置き換えている。このようにフライアッシュを置き換えた吹付けコンクリートの配合は以下の通りである。
・粗骨材の最大寸法Ｇｍａｘ：１５ｍｍ
・水セメント比 Ｗ／Ｃ：５８％
・細骨材率Ｓ／ａ：６２％
・水Ｗ：２０９ｋｇ／ｍ^３
・セメントＣ：２５２ｋｇ／ｍ^３
・フライアッシュ：１５１ｋｇ／ｍ^３
・細骨材Ｓ：９２５ｋｇ／ｍ^３
・粗骨材Ｇ：６２７ｋｇ／ｍ^３
なお、本配合中の記号ａは、１ｍ^３中の全骨材量を示す。
すなわち、コンクリートには、骨材以外にセメント、空気、水が存在する。空気量は、４．５％で設定されている。また、本実施の形態においてはフライアッシュも混合しており、セメントと砂の置き換えを行っている。細骨材率６２％を導き出すには、まず、セメントの置換え率３０％を考慮して、全骨材量ａを算出する。セメントは、標準の吹付けコンクリート配合においては、３６０ｋｇ／ｍ^３を混入することになっているので、３０％置き換えであると、フライアッシュは、３６０ｋｇ／ｍ^３×３０％÷１００＝１０８ｋｇ／ｍ^３となり、セメント量は３６０ｋｇ／１０８ｋｇ＝２５２ｋｇ／ｍ^３となる。
また、それぞれの密度は、水＝１．０ｔ／ｍ^３、セメント＝３．１５ｔ／ｍ^３、フライアッシュ＝２．２５ｋｇ／ｍ^３、細骨材密度＝２．５４ｔ／ｍ^３、粗骨材密度＝２．６７ｔ／ｍ^３である。
これより、全骨材量ａは、配合表より、
ａ＝１ｍ^３−（２０９ｋｇ／１．０＋２５２ｋｇ／３．１５＋１０８ｋｇ／２．２５）÷１０００−（４．５％÷１００）＝０．６１８
となる。
本実施の形態の配合において、フライアッシュは、１５１ｋｇ／ｍ^３混合しているので、細骨材置換え分は、１５１ｋｇ−１０８ｋｇ＝４３ｋｇ／ｍ^３となる。
Ｓは，コンクリート１ｍ^３中の細骨材の容積（ｍ^３）であることから、
ｓ＝（９２５ｋｇ／２．５４＋４３ｋｇ／２．２５）÷１０００＝０．３８３
となり、これによって、
ｓ／ａ＝０．３８３／０．６１８＝０．６２ ⇒６２％となる。
つまり、Ｓ／ａは，コンクリート中の全骨材量ａに対する細骨材Ｓの量の絶対容積比を百分率で表した値である。通常、コンクリートの配合を決定する際は、水セメント比（Ｗ／Ｃ）と細骨材率（Ｓ／ａ）を設定して決定されている。
さらに、水セメント比は、
Ｗ／Ｃ＝２０９ｋｇ／３６０ｋｇ＝０．５８ ⇒５８％となる。
本実施の形態の吹付けコンクリートは、以上のようにセメント、細骨材の一部をフライアッシュで置換しているので、粘性を向上させることができ、粉塵量を減らすことができる。

また、図７のグラフに示すように、本実施の形態の吹付けコンクリートを吹付けた際の粉塵濃度と、フライアッシュを置換しない場合の標準の吹き付けコンクリートを吹付けた際の粉塵濃度とを比較することができる。また、このグラフでは、本実施の形態の吹付けコンクリートを吹付け時に、同時にミストを散布した際の粉塵濃度も示している。
また、以下の表１では、図７のグラフに対応する具体的な数値を示している。

すなわち、例えばＨ２１．４．２０時の測定値においては、本実施の形態の吹付けコンクリートの施工中に、ミストを散布しない場合は「２．２ｍｇ／ｍ^３」、ミストを散布した場合は「１．６ｍｇ／ｍ^３」という結果となったことを示している。
これら図７のグラフおよび表１から、フライアッシュを置換した本実施の形態の吹付けコンクリートの場合、上述した標準の吹付けコンクリートに比べて、約２割の粉塵濃度の低減が可能となり、さらにミストを散布することにより、さらに約１割の粉塵濃度の低減が可能となる。

なお、本実施の形態の粉塵濃度の低減方法では、前記吹付け機１０によって吹付けコンクリートをトンネル壁面３に吹付けた後、トンネル１内に、前記第１ミスト散布装置２０および第２ミスト散布装置３０の噴射ノズル２１，３１からミストを散布する。
この時、作業員は、吹付けコンクリートによる壁面３の覆工状態を確認したり、前記圧力計１８を確認してミストの噴射を調整したり、粉塵濃度の確認を行ったりする。

本実施の形態によれば、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含む吹付けコンクリートを用いて、粘性に優れるコンクリートをトンネル壁面３に吹付けることができるので、吹付け時のリバウンドが低減し、これに伴って粉塵量も低減することができる。
さらに、ミスト散布装置２０，３０によって霧状の水、すなわちミストをトンネル１の空気中に散布することができるので、ミストに粉塵を吸着させて地面４に降下させることができる。
そして、フライアッシュを含む吹付けコンクリートによる粉塵量の低減と、ミスト吸着による粉塵の降下との相乗効果によって、トンネル１内の空気中の粉塵濃度を低減させることができるので、従来とは異なり、薬剤を使用せずとも作業環境を向上できるとともに、トンネル掘削工事に係るコストを低減させることが可能となる。

１ トンネル
２ 切羽
３ 壁面
５ 風管
１０ 吹付け機
１３ ロボットブーム
１４ バスケットブーム
１４ｃ 手摺
１６ コンプレッサー
２０ 第１ミスト散布装置
２１ 噴射ノズル
２２ 水ホース
２３ 空気ホース
３０ 第２ミスト散布装置
３１ 噴射ノズル
３２ 水ホース
３３ 給水管

Claims (3)

1. 予めトンネル切羽に、コンクリート吹付け用ノズルを備える吹付け機を設置し、
   この吹付け機に、水を霧状に噴射する第１ミスト散布装置の噴射ノズルを、前記吹付け用ノズルの近傍に位置するようにして取り付け、
   トンネル壁面に、水を霧状に噴射する第２ミスト散布装置の噴射ノズルを、前記切羽から離間して配置された風管の送風口前方に位置するようにして取り付けておき、
   前記吹付け機によって、セメントと水と細骨材と粗骨材とフライアッシュとを含む吹付けコンクリートをトンネル壁面に吹付けた後、トンネル内に、前記第１ミスト散布装置および第２ミスト散布装置の噴射ノズルからミストを散布することを特徴とする粉塵濃度の低減方法。
2. コンクリート吹付け用ノズルを有する第１ブームと、この第１ブームとは異なる機能を有する第２ブームとを備える吹付け機に搭載されるとともに、トンネル内に、水を霧状に噴射してなるミストを散布するミスト散布装置であって、
   前記第２ブームの長手方向に沿って複数取り付けられるとともに水を霧状に噴射する噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルに水を供給するための給水手段と、
   前記噴射ノズルに圧縮空気を供給するための給気手段とを備えていることを特徴とするミスト散布装置。
3. 前記給水手段は、トンネル内に予め設置された給水用タンクと前記噴射ノズルとを接続する水ホースからなり、
   前記給気手段は、前記吹付け機に予め搭載されたコンプレッサーと、このコンプレッサーと前記噴射ノズルとを接続する空気ホースとからなることを特徴とする請求項２に記載のミスト散布装置。
   
   

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