JP3511515B2 - シールド掘進機の泥水循環システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド工法にお
けるシールドトンネルの施工において、地盤掘削後に流
体輸送される泥土を分離処理して泥水を循環させて使用
するシールド掘進機の泥水循環システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】非開削工法となることから、道路交通に
支障を与えずにすむなど周辺環境への影響が小さいた
め、都市部などの地下のトンネル施工に用いられるシー
ルド工法においては、地盤条件、施工環境に応じて種々
の工法が開発され、採用されてきた。現在では、密閉型
シールドである泥水式シールド工法と泥土圧式シールド
工法が代表的な工法となり、シールド工事全体の大部分
の比率を占めている。

【０００３】泥土圧式シールド工法は、図２に示すよう
に、切羽保持のための作泥材を注入管２２ａからシール
ド掘進機３ａの切羽側に注入し、チャンバー３４ａ内で
作泥材と撹拌された掘削土を排泥装置３５ａを介して、
圧送ポンプやズリロト（図示しない）により坑外へ搬出
するものである。そして、シールド掘進機３ａから発生
する掘削土は、切羽保持のために作泥材が混入されてい
るため、掘削土全てが一般土砂とは認められず、産業廃
棄物扱いとなっている。そのため、掘削土の処分費が高
額である。

【０００４】そこで、図３に示すような泥水式シールド
工法が用いられるケースが増加してきている。泥水式シ
ールド工法は、作泥槽２１ｂ及び調整槽５２ｂにより調
整された泥水をチャンバー３４ｂ内に送り込み、掘削土
を泥水状にしてポンプ３６にて搬出し、振動篩５１ｂで
礫分及び砂分を一般土砂として分離し、振動篩５１ｂを
通過した泥水のうち、必要な量を調整槽５２ｂに、それ
以外の余りを余剰泥水槽９２ｂに送る。余剰泥水は、フ
ィルタプレス機９３ｂなどで脱水ケーキ状にして産業廃
棄物処分する。しかし、崩壊性の高い砂地盤等、泥水式
シールド工法では施工が困難な可能性が高い土質では、
泥土圧式シールド工法を用いる必要があり、高額な産業
廃棄物の処分費がかかってしまう。上述のように、両工
法は様々な施工条件下で用いられ、実績が多くなるにつ
れ、土質条件、地下水圧等に対する各工法の適応性の境
界、すなわち、適正な施工を行ううえでの適用領域が明
確となってきている。

【０００５】一方、最近の社会資本整備の的は、浅い地
下から深い地下に向けられており、大深度地下開発の構
想が打ち上げられている。大深度化が進むと、必然的に
長距離化を伴い、施工条件的には地下水圧が高くなるう
え、トンネルの掘削断面に現れる地盤が多様に変化する
ことになる。このため、合理的な施工を確保するために
は、より一層、適用領域が広範囲にわたる工法の開発が
望まれ、特開Ｈ０９−２１７５９０号公報に示されるよ
うに、泥水式シールド工法と泥土圧式シールド工法の両
工法の機構を有した万能式シールド工法が開発されてい
る。その機構は、泥水式シールド工法の水圧対抗機構、
掘削土搬送・処理方法と、泥土圧式シールド工法の土圧
・水圧対抗機構であり、両工法の長所を有していること
から、あらゆる掘削地盤に対応可能な工法として注目さ
れている。

【０００６】万能式シールド工法は、図４に示すよう
に、まず、泥土圧式シールド工法と同様、掘削土に作泥
槽２１ｃで作られた作泥材を注入して切羽の安定を図
り、チャンバー３４ｃ内で作泥材と撹拌された掘削土を
排泥装置３５ｃを介して、土砂混合槽４１ｃに搬出さ
れ、ここで水槽５５と調整槽５２ｃとによって作られた
水に近い泥水と土砂混合槽４１ｃにて混合される。次
に、泥水式シールド工法と同様、混合された泥水を振動
篩５１ｃで礫分及び砂分を一般土砂として分離し、残っ
た泥水のうち、必要な量を調整槽５２ｃに、それ以外の
余りを余剰泥水槽９２ｃに送る。余剰泥水は、フィルタ
プレス機９３ｃなどで脱水ケーキ状にして産業廃棄物処
分する。万能式シールド工法は、多様に変化する地盤に
対して作泥材の添加量、濃度を調整することで切羽の安
定を確保できるとともに、また高地下水圧に対しては、
密閉タイプの流体輸送で安全性を確保できるものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の万能式
シールド工法は、泥水式シールド工法と泥土圧式シール
ド工法の機構を単に共有させたものであり、図３に示す
ように、振動篩５１ｃ以降の工程では、泥水を分離処理
する機能がないため、振動篩５１ｃを通過したシルト粘
土分が調整槽５２ｃに徐々に蓄積され、泥水を送る際に
は、送泥ポンプを増設したり、調整槽５２ｃ内を水で希
釈する必要があった。また、施工工程内で作泥材を再度
使用できず、そのまま産業廃棄物として処分されていた
ため、膨大な作泥材費、作泥材溶液作成費と産業廃棄物
処分費が発生していた。

【０００８】そこで、本発明の課題は、送泥ポンプを増
設したり、調整槽内を水で希釈することなしに、常に水
に近い泥水を循環させて使用するとともに、作泥材を循
環させて使用することができるシールド掘進機の泥水循
環システムを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、シールド掘進機３の切羽側
に作泥材を注入する作泥材注入手段２と、前記シールド
掘進機のチャンバー３４から排出された泥土に低濃度泥
水を加えて流動性を有する高濃度泥水として搬出させる
泥水添加手段４と、前記高濃度泥水から礫、砂等の径の
大きな固形分を除去する土砂除去手段５と、前記土砂除
去手段により径の大きな固形分が除去された前記高濃度
泥水を固形分の少ない低濃度分離泥水と、固形分の多い
高濃度分離泥水とに分離する分離手段６と、前記分離手
段で分離された低濃度分離泥水を前記低濃度泥水として
前記泥水添加手段に供給する泥水循環手段７と、前記分
離手段で分離された高濃度分離泥水を作泥材として前記
作泥材注入手段に供給する作泥材循環手段８とを備え、
前記作泥材及び前記泥水の少なくとも一部を循環使用す
ることを特徴とする。

【００１０】請求項１記載の発明によれば、土砂除去手
段により径の大きな固形分が除去された高濃度泥水に
は、作泥材及びシルト粘土分が含まれている。しかし、
分離手段で高濃度泥水は、固形分の少ない低濃度分離泥
水と、固形分の多い高濃度分離泥水とに分離されるた
め、低濃度分離泥水がシルト粘土分等の堆積によって濃
くなることがなく、常に水に近い状態の低濃度分離泥水
を循環させて使用することができる。したがって、送泥
ポンプの増設、水の供給設備等の設備及びそれにかかる
工程を削減できるため、施工工程の短縮、工費の低減を
図ることができる。また、高濃度分離泥水を作泥材注入
手段に循環させることにより、作泥材の使用が可能とな
る。なお、高濃度分離泥水は、含水率の低いスラリ状態
となっているため、作泥材溶液としてそのままの状態で
用いることができる。したがって、作泥材費、作泥材溶
液作成費、作泥材の産業廃棄処分費等を低減することが
できる。

【００１１】請求項２記載の発明は、前記高濃度分離泥
水を作泥材として作泥材注入手段に供給する際に余る高
濃度分離泥水を余剰泥水として脱水処理する脱水処理手
段９を有することを特徴とする。

【００１２】請求項２記載の発明によれば、余剰泥水は
高濃度であるため含水率が低く、脱水処理にかかる時間
を短縮することができる。これにより、工程の簡略化、
コストの低減を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の泥水
循環システム１について詳細に説明する。

【００１４】泥水循環システム１には、図１に示すよう
に、作泥材注入プラント（作泥材注入手段）２、シール
ド掘進機３、泥水添加プラント（泥水添加手段）４、土
砂除去プラント（土砂除去手段）５、分離プラント（分
離手段）６、脱水処理プラント（脱水処理手段）９等が
備えられている。

【００１５】作泥材注入プラント２は、シールド掘進機
３の切羽を安定させるために切羽に注入する作泥材、例
えば、ベントナイト溶液を作成及び貯蔵する場所であ
る。作泥材注入プラント２には、作泥調整槽２１、注入
管２２等が備えられている。作泥調整槽２１は、ベント
ナイト溶液を貯蔵する場所であり、注入管２２は、ベン
トナイト溶液を切羽に送るための配管である。作泥調整
槽２１の上方には、ベントナイトと水等を混練するミキ
サ（図示しない）が備えられ、作成されたベントナイト
溶液は、作泥調整槽２１に貯蔵される。作泥調整槽２１
からシールド掘進機３の切羽へは、注入管２２が接続さ
れており、注入管２２の途中に設置された注入ポンプ
（図示しない）にてベントナイト溶液が注入されるよう
になっている。

【００１６】シールド掘進機３は、泥土圧式のもので、
周知のとおり、先端にカッタービットを備えたカッタヘ
ッド３２、カッタヘッド３２を回転させる回転駆動装置
３１、チャンバー３４内の掘削土及びベントナイト溶液
を撹拌する撹拌翼３３、チャンバー３４内の掘削土を排
出する排泥装置３５等が備えられている。そして、チャ
ンバー３４内に流動性・不透水性を有した状態の掘削土
を充満させ、掘削土量と排土量との関係及びベントナイ
ト溶液の注入により加圧し、切羽の安定を図りながら、
掘削土を泥水の循環によって坑外に排出するものであ
る。

【００１７】泥水添加プラント４は、チャンバー３４か
ら排泥装置３５を介して排出されるベントナイトを含ん
だ掘削土と泥水循環プラント７から送られてくる泥水と
を混合して高濃度泥水を作成するとともに土砂除去プラ
ント５へ搬出する場所である。泥水添加プラント４に
は、土砂混合槽４１、排泥管４２等が備えられている。
土砂混合槽４１内には、ミキサ（図示しない）が備えら
れるとともに、搬入される排泥量に対応して泥水循環プ
ラント７から泥水が供給され、撹拌されることでほぼ一
定の濃度の高濃度泥水が作られる。土砂混合槽４１から
土砂除去プラント５には、排泥管４２が接続されてお
り、排泥管４２の途中に設置された排泥ポンプ（図示し
ない）にて高濃度泥水が土砂除去プラント５へ搬出され
るようになっている。

【００１８】土砂除去プラント５は、排泥管４２から送
られてきた高濃度泥水に含まれる掘削土を最初に処理す
る設備である。土砂除去プラント５には、高濃度泥水か
ら礫分及び砂分とシルト粘土分及びベントナイトとを分
離処理するための振動篩（サンドコレクタ）５１、振動
篩５１を通過した高濃度泥水を貯蔵する調整槽５２等が
備えられている。振動篩５１には、分離処理された礫分
及び砂分を搬出する配管やベルトコンベア等の搬送装置
（図示しない）が備えられている。また、振動篩５１と
調整槽５２は排泥管５３で接続され、調整槽５２と分離
プラント６は排泥管５４で接続されており、各排泥管の
途中に設置された排泥ポンプ（図示しない）にて高濃度
泥水が搬出されるようになっている。

【００１９】分離プラント６は、排泥管５４から送られ
てきた高濃度泥水に含まれる掘削土を処理する設備であ
る。分離プラント６には、高濃度泥水を固形分の少ない
低濃度分離泥水と固形分の多い高濃度分離泥水とに分離
処理するためのサイクロン６１、低濃度分離泥水を貯蔵
する希釈槽６２、高濃度分離泥水を貯蔵する濃縮槽６３
等が備えられている。サイクロン６１には二系統の排泥
管６４，６５が備えられ、一方の排泥管６４は希釈槽６
２へ、他方の排泥管６５は濃縮槽６３へ接続されてい
る。また、希釈槽６２には、土砂混合槽４１へ低濃度分
離泥水を循環させるための泥水循環プラント（泥水循環
手段）７が備えられ、泥水循環手段７には、送泥管７
１、送泥ポンプ（図示しない）等が備えられている。希
釈槽６２から土砂混合槽４１へは、送泥管７１が接続さ
れており、送泥管７１途中に設置された送泥ポンプにて
低濃度分離泥水が送られるようになっている。また、濃
縮槽６３には、作泥調整槽２１へ高濃度分離泥水を循環
させるための作泥材循環プラント（作泥材循環手段）８
が備えられ、作泥材循環プラント８には、送泥管８１、
送泥ポンプ（図示しない）等が備えられている。濃縮槽
６３から作泥調整槽２１へは、送泥管８１が接続されて
おり、送泥管８１途中に設置された送泥ポンプにてスラ
リ状の高濃度分離泥水が送られ、循環使用できるように
なっている。なお、濃縮槽６３には、余った高濃度分離
泥水を余剰泥水として余剰泥水槽９２へ送るための排泥
管９１、送泥ポンプ（図示しない）等が備えられてい
る。

【００２０】脱水処理プラント９は、余剰泥水を脱水し
て、含水率の低い脱水ケーキを作成して廃棄処理する設
備である。脱水処理プラント９には、余剰泥水を貯蔵す
る余剰泥水槽９２、余剰泥水を脱水するための脱水機、
例えば、フィルタプレス機９３等が備えられている。こ
こで、フィルタプレス機９３は、土木工事現場などで発
生する含水率の高い泥水を圧縮脱水し、後処理の容易な
含水率の低い脱水ケ−キ（固形廃棄物）の形で除去する
ことにより、水を純度の高い清水として環境に無害な状
態で戻すための装置である。

【００２１】以上の各設備を備えた泥水循環システム１
を作動させたときの作用について説明する。シールド掘
進機３を立坑から搬入し、所定の位置に設置した後、図
１に示すように、作泥調整槽２１にてベントナイト溶液
を作成する。ベントナイト溶液は、作泥調整槽２１の上
方に備えられたミキサ（図示しない）にて、粉体状のベ
ントナイトと水等を混練することで作成される。作成さ
れたベントナイト溶液は、ミキサから排出され、下方の
作泥調整槽２１に貯蔵される。なお、作泥調整槽２１
は、内部にミキサを備えた構成であっても良い。

【００２２】回転駆動装置３１によりカッタヘッド３２
を回転させて掘削を開始すると、注入ポンプ（図示しな
い）を起動し、注入管２２を介してベントナイト溶液が
切羽に注入される。一方、切羽が掘削した掘削土はチャ
ンバー３４内に堆積していく。ここで、掘削土とベント
ナイト溶液はチャンバー３４内で撹拌される。なお、回
転カッタ３２背面に取り付けられた撹拌翼３３が回転す
ることで撹拌が行われる。

【００２３】掘削が進み、チャンバー３４内が充満する
と、排泥装置３５を駆動させ、チャンバー３４内のベン
トナイトを含んだ掘削土を排出する。掘削土は、排泥装
置３５を介して土砂混合槽４１に投入される。同時に、
土砂混合槽４１には泥水循環プラント７の送泥管７１よ
り水に近い泥水が送りこまれる。また、土砂混合槽４１
内には、ミキサなどの撹拌機能が備えられており、掘削
土と泥水は撹拌され、高濃度泥水ができあがる。これに
より、掘削土は、流動性が増し、流体輸送が可能とな
る。

【００２４】高濃度泥水は、排泥管４２を介して土砂除
去プラント５に引き込まれ、振動篩５１によって分離処
理される。振動篩５１は、礫分及び砂分を通さない目の
篩が用いられ、掘削土のうち、礫分及び砂分が振動篩５
１上に残ることとなる。振動篩５１にかかった礫分及び
砂分は、振動篩５１に接続された配管やベルトコンベア
等の搬送装置（図示しない）によって土砂除去プラント
５から排出され、ダンプトラック等に積み込まれて一般
土砂として搬出される。その他のベントナイト、シルト
粘土分は、振動篩５１を通過する。振動篩５１によって
礫分及び砂分を取り除かれた高濃度泥水は、排泥管５３
を介して調整槽５２に貯蔵される。

【００２５】さらに、高濃度泥水は排泥管５４を介して
分離プラント６に引き込まれ、サイクロン６１にて分離
処理される。ここでは、遠心分離の原理によって、高濃
度泥水が固形分の少ない低濃度分離泥水と固形分の多い
高濃度分離泥水とに分離される。低濃度分離泥水は、排
泥管６４を介して希釈槽６２へ送られて貯蔵される。高
濃度分離泥水は、排泥管６５を介して濃縮槽６３へ送ら
れて貯蔵される。

【００２６】希釈槽６２内の低濃度分離泥水は、泥水循
環プラント７に備えられた送泥管７１及び送泥ポンプ
（図示しない）により、土砂混合槽４１へ戻され、循環
使用される。濃縮槽６３内の高濃度分離泥水は、一部を
作泥材循環プラント８に備えられた送泥管８１及び送泥
ポンプ（図示しない）により、作泥調整槽２１へ送られ
て循環使用される。残った余剰泥水は、排泥管９１を介
して余剰泥水槽９２に貯蔵される。

【００２７】そして、余剰泥水槽９２の余剰泥水は、脱
水処理プラント９の薬品槽（図示しない）から送られる
フロック形成のための、例えば、ＰＡＣ（ポリ塩化アル
ミニウム）等の無機あるいは有機凝集剤と混合撹拌され
ることにより、フロック化が促進されて、そのシルト粘
土分等を沈殿濃縮し、この沈殿濃縮したシルト粘土分等
はフィルタプレス機９３に送られて脱水処理が行われ
る。脱水されたケーキ状のシルト粘土分等は、ベルトコ
ンベア等の搬送装置を介して搬出用ホッパ（図示しな
い）に投入され、ダンプトラック等を介して産業廃棄物
として搬出される。

【００２８】以上のことから、本発明によれば、サイク
ロン６１により、高濃度泥水中のベントナイト及びシル
ト粘土分は高濃度分離泥水として分離処理されるため、
低濃度分離泥水は、従来工法のようにシルト粘土分等の
堆積によって徐々に濃くなることがなく、常に水に近い
状態の泥水を循環させて使用することができる。したが
って、送泥ポンプの増設、水の供給設備等の設備及びそ
れにかかる工程を削減できるため、施工工程の短縮、工
費の低減を図ることができる。また、作泥材循環プラン
ト８により作泥調整槽２１へ送られるのはスラリ状の高
濃度分離泥水であり、すでに溶液の状態となっているた
め、作泥調整槽２１では混練作業を必要とせず、含水率
を調節するだけでよい。したがって、高濃度分離泥水を
溶液の状態で循環使用することにより、ベントナイトの
購入費、ベントナイト溶液の作成費、ベントナイトの廃
棄処分費を低減することができる。また、余剰泥水も濃
縮された状態であるため含水率が低く、脱水処理工程の
短縮、凝集剤の節減を図ることができる。

【００２９】なお、本発明は、上述の実施の形態に限定
されるものではない。例えば、分離処理に用いられる設
備は、サイクロンに限らず、フィルタ濾過装置などの高
濃度泥水を分離させることができるものであればよい。
また、脱水処理設備もフィルタプレス機に限らず、スク
リュープレスや遠心分離機などの設備を用いても良い。

【００３０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、分離手段
で高濃度泥水は、固形分の少ない低濃度分離泥水と、固
形分の多い高濃度分離泥水とに分離されるため、低濃度
分離泥水がシルト粘土分等の堆積によって濃くなること
がなく、常に水に近い状態の低濃度分離泥水を循環させ
て使用することができる。したがって、送泥ポンプの増
設、水の供給設備等の設備及びそれにかかる工程を削減
できるため、施工工程の短縮、工費の低減を図ることが
できる。また、高濃度分離泥水を作泥材注入手段に循環
させることにより、作泥材の使用が可能となる。なお、
高濃度分離泥水は、含水率の低いスラリ状態となってい
るため、作泥材溶液としてそのままの状態で用いること
ができる。したがって、作泥材費、作泥材溶液作成費、
作泥材の産業廃棄処分費等を低減することができる。

【００３１】請求項２記載の発明によれば、余剰泥水は
高濃度であるため含水率が低く、脱水処理にかかる時間
を短縮することができる。これにより、工程の簡略化、
コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のシールド掘進機の泥水循
環システムを説明するための図である。

【図２】従来技術として例示する、泥土圧式シールド工
法を説明するための図である。

【図３】従来技術として例示する、泥水式シールド工法
を説明するための図である。

【図４】従来技術として例示する、万能式シールド工法
を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 泥水循環システム ２ 作泥材注入プラント ３ シールド掘進機 ３４ チャンバー ４ 泥水添加プラント ５ 土砂除去プラント ６ 分離プラント ７ 泥水循環プラント ８ 作泥材循環プラント ９ 脱水処理プラント

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/13 E02F 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド掘進機の切羽側に作泥材を注入す
   る作泥材注入手段と、 前記シールド掘進機のチャンバーから排出された泥土に
   低濃度泥水を加えて流動性を有する高濃度泥水として搬
   出させる泥水添加手段と、 前記高濃度泥水から礫、砂等の径の大きな固形分を除去
   する土砂除去手段と、 前記土砂除去手段により径の大きな固形分が除去された
   前記高濃度泥水を固形分の少ない低濃度分離泥水と、固
   形分の多い高濃度分離泥水とに分離する分離手段と、 前記分離手段で分離された低濃度分離泥水を前記低濃度
   泥水として前記泥水添加手段に供給する泥水循環手段
   と、 前記分離手段で分離された高濃度分離泥水を作泥材とし
   て前記作泥材注入手段に供給する作泥材循環手段とを備
   え、 前記作泥材及び前記泥水の少なくとも一部を循環使用す
   ることを特徴とするシールド掘進機の泥水循環システ
   ム。
2. 【請求項２】前記高濃度分離泥水を作泥材として前記作
   泥材注入手段に供給する際に余る高濃度分離泥水を余剰
   泥水として脱水処理する脱水処理手段を有することを特
   徴とする請求項１記載のシールド掘進機の泥水循環シス
   テム。