JP3792349B2 - 泥水粘性測定システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥水式シールド工法において、チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムに測定する泥水粘性測定システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
泥水式シールド工法においては、調泥した泥水を送泥管を介してシールド機内のチャンバーに送り、切羽の安定を図りながらカッタービットにより切羽を掘削する。切羽の安定に用いられた泥水は、掘削土砂と攪拌混合され、排泥管を介して地上の泥水処理設備へ送り返される。
【０００３】
泥水式シールド工法では、切羽の安定のため、泥水の粘性をある程度上げた状態で掘削しなければならない。このため、泥水の粘性管理が正確に行われないと、チャンバーやカッタービットに粘性の高い泥土等が付着し、掘削の妨げとなり、トンネル掘進の停止の大きな要因となる。
【０００４】
従来、泥水の粘性管理は、チャンバーに送泥される泥水の一部を地上設備においてサンプリングし、ファンネル粘度計を用いて粘性を測定することにより行われていた。
【０００５】
しかし、このようにして測定される泥水の粘性は、チャンバー内の泥水の粘性とは大きく異なるものであった。なお、排泥管に差圧計を設けて泥水の粘性測定を試みる手法等も提案されているが、いずれも正確な測定をするには至っていない。また、チャンバーや排泥管に粘度計を設けられればよいが、チャンバーや排泥管の泥水には掘削後の礫等が混じっており、粘度計は破損してしまうため、測定するのは極めて困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、泥水式シールド工法において、チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定できる泥水粘性測定システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る泥水粘性測定システムは、送泥管を介して切羽へ泥水を供給するとともに、排泥管を介して切羽から泥水を排出する泥水式シールド工法における泥水粘性測定システムであって、
前記排泥管の流路に設けられ、粗粒分を含まない泥水を分流する分流装置と、
前記分流装置で分流された泥水を流す分岐管と、
前記分岐管を流れる泥水の粘性を測定する振動式粘度計を含む泥水粘性測定装置と、
を有し、
前記分流装置は、前記排泥管と接続された分流室を含んで構成され、
前記分流室は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管に比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が拡大部に比べて小さな縮小部とを含んで構成され、
前記分流室の底部に、前記排泥管と接続され、前記粗粒分を含む泥水を流す本流管が設けられ、
前記分岐管は、前記粗粒分を含まない泥水が前記拡大部の上面から供給されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、排泥管から泥水を分流させて泥水の粘性を測定するため、例えば、チャンバーに近接した排泥管から分流させることにより、泥水チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムに測定できる。また、泥水の粒子停滞条件を満たすように分流装置を形成することにより、泥水中の粗粒分を含まない泥水を分岐管に供給するため、分岐管を流れる泥水の粘性を測定する泥水粘性測定装置が破損することがなく、正確に測定できる。
【０００９】
ここで、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいう。また、粗粒分とは、粒径７４μｍ以上の土粒子である細砂、礫等をいう。
【００１０】
また、前記泥水粘性測定システムは、
前記分流装置から前記分岐管に泥水を導入するポンプと、
前記ポンプの導入力を調整する制御装置と、
を有してもよい。
【００１１】
本発明によれば、排泥水の速度や流量が変化する場合でも、それに対応して、分流装置から分岐管に泥水を導入する際の泥水速度および泥水流量を調整できる。
【００１２】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流装置は、前記排泥管と接続された分流室を含んで構成され、
前記分流室入口の断面積は、前記分流室内部の泥水の粒子停滞条件を満たすように形成されていてもよい。
【００１３】
前述のように、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいい、例えば、分流室内の平均泥水速度を所定値以下に設定するための条件が該当する。
【００１４】
すなわち、排泥管と分流室入口の断面積差により分流室に供給された泥水が、粒子停滞条件値以下に減速することにより、分岐管に泥水中の粗粒分が流れていくことはない。これにより、泥水粘性測定装置の測定器が破損するおそれがなく、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００１５】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記ポンプの導入力は、前記分流室内部の泥水の粒子停滞条件を満たし、かつ、リアルタイム測定条件を満たすように調整されていてもよい。
【００１６】
ここで、リアルタイム測定条件とは、チャンバー内の泥水の粘性に比べ、測定時の泥水の粘性が変わらない状態で測定できる条件をいう。この条件としては、例えば、カッターディスクが数回転、好ましくは１回転しないうちにチャンバー内の泥水を測定できることをいう。具体的には、カッターディスクが１回転するには３０秒から１分程度かかるため、この場合のリアルタイム測定条件とは、チャンバーから排出されて１分以内に測定できることをいい、好ましくは３０秒以内に測定できることをいう。
【００１７】
本発明によれば、分岐管に供給された泥水を測定する際、分流室内部の粗粒分を引き込むことはなく、常に最新のチャンバー内泥水を測定することとなるため、チャンバー内泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定することができる。
【００１８】
また、前記泥水粘性測定システムは、
前記分流室の底部に、前記排泥管と接続され、前記粗粒分を含む泥水を流す本流管が設けられていてもよい。
【００１９】
本発明によれば、粗粒分が流れる本流管は、底部に設けられているため、粗粒分が本流管以外の分流室内へ拡散することを防止できる。
【００２０】
例えば、分流室上部に分岐管を接続することにより、粗粒分を含まない泥水を分岐管に供給し、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００２１】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記本流管は、複数の開口部を有してもよい。
【００２２】
本発明によれば、本流管内の泥水の減速を最小限に抑え、下流の排泥管に供給するとともに、開口部から粗粒分を除去した泥水を分流室に供給して分岐管に供給することができる。
【００２３】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流室は、リアルタイム測定条件を満たす容量に形成されていてもよい。
【００２４】
容量が大きすぎると泥水が入れ替わらないが、本発明によれば、チャンバーから排出された泥水の粘性が変化しないうちに分岐管に供給するとともに、順次新しい泥水をチャンバーから分流室内部に取り入れることができる。これにより、リアルタイムにチャンバー内泥水の粘性を測定できる。
【００２５】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流室は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管に比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が減速部に比べて小さな縮小部とを含んで構成されていてもよい。
【００２６】
本発明によれば、拡大部により泥水を減速して分岐管に泥水を供給するとともに、縮小部により泥水を加速して排泥管に供給することができる。これにより、分岐管に粗粒分を含まない泥水を供給することができる。また、排泥管内の泥水速度は、分流装置を経由した後でも経由前とほとんど変わらないため、排泥用中継ポンプの増設等の必要はなく、従来設備をそのまま流用できる。
【００２７】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分岐管は、前記粗粒分を含まない泥水が前記拡大部の上面から供給されていてもよい。
【００２８】
本発明によれば、排泥管から本流管に供給された泥水は、本流管に比べ拡大部においては減速しており、さらに拡大部の上面では減速している。したがって、分岐管に粗粒分を含まない泥水のみ流すことができ、測定器の破損の心配がなく、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００２９】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分岐管は、前記分流装置を介してチャンバーに近接した排泥管と送泥管とを接続するよう形成されていてもよい。
【００３０】
本発明によれば、チャンバーに近接した排泥管で分流させるため、リアルタイムにチャンバー内の泥水の粘性が測定できる。また、礫等を含まない泥水を送泥管に還流するため、泥水の有効利用ができる。
【００３１】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記泥水粘性測定装置は、泥水の粘性を測定する振動式粘度計を含んで構成されていてもよい。
【００３２】
本発明によれば、振動式粘度計は泥水の速度に関係なく測定できるため、分岐管内の流速が変化する場合も正確に測定することができる。
【００３３】
また、前記泥水粘性測定システムは、
泥水の粘性を高めるための増粘剤を前記送泥管の泥水に添加する増粘剤添加装置と、
泥水の粘性を低下させるための分散剤を前記送泥管の泥水に添加する分散剤添加装置と、
を有し、
前記振動式粘度計で測定された泥水粘性に基づき、前記制御装置により、前記増粘剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する増粘剤の添加量および前記分散剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する分散剤の添加量を制御してもよい。
【００３４】
本発明によれば、粘性測定結果に基づき、粘性が高い場合には分散剤の添加量を多くし、粘性が低い場合には増粘剤の添加量を多くすることにより、最適に切羽の安定を図ることができる。
【００３５】
ここで、増粘剤とは、泥水の粘性を高めるために使用されるもので、例えば、アニオン性基を有する高分子化合物等が用いられる。また、分散剤とは、粘土粒子の表面に吸着することにより、粘土粒子同士の反発力を強め、凝集させにくくし、泥水の粘性を低下させるために使用されるものであり、例えば、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロース、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、クレゾールスルホン酸塩ホルマリン縮合物、ポリアクリル酸塩、アクリル酸−マレイン酸塩コポリマー、オレフィン−マレイン酸塩コポリマー、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、多環構造をもつ特殊非イオン性界面活性剤等が用いられるが、特に、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、ポリアクリル酸塩が好ましく、これらは土質によって使い分けられる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を泥水式シールド工法に適用した好適な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明を適用した泥水式シールド掘進システムを示す。この泥水式シールド掘進システムは、シールド機３４と、送泥システム４３と、排泥システム４７と、地上設備３０と、切羽安定制御システム４９とを有する。泥水式シールド掘進システムにおいては、地上に設けられた地上設備３０から発進立坑３２が所定深さまで掘削され、この発進立坑３２の底部位置からシールド機３４が地中を横方向に掘進してセグメントを組みながらトンネル３６が構築されている。
【００３８】
シールド機３４は、切羽４６を切り崩すカッタービットを有するカッターディスク４０と、泥水や掘削土砂の浸入を防ぐ隔壁４１と、カッターディスク４０と隔壁４１の間にあり、内部に泥水を満たして切羽４６を安定させるチャンバー４２とを含んで構成される。カッターディスク４０により切羽４６を掘削する際、切羽の崩壊防止およびカッターディスク４０への土砂付着による掘削性能低下防止のため、土砂性状に応じてチャンバー４２に送る泥水の性状を調整する必要がある。
【００３９】
送泥システム４３は、地上設備３０からシールド機３４までの泥水の供給路である送泥管４４と、泥水を加圧して送る送泥ポンプ９６とを含んで構成される。この送泥システム４３においては、後述する調整槽３から取出した送泥水が送泥ポンプ９６で加圧され、送泥管４４を介して、チャンバー４２まで送られる。
【００４０】
排泥システム４７は、シールド機３４から地上設備３０までの泥水の輸送路である排泥管４８と、泥水を加圧して送る排泥ポンプ９８と、中継ポンプ９７とを含んで構成される。この排泥システム４７においては、切羽４６掘削により生じた土砂と送泥システム４３により供給された送泥水がチャンバー４２内で撹拌され、撹拌後の排泥水が排泥ポンプ９８により加圧され、排泥管４８を介して中継ポンプ９７で加圧されながら地上設備３０に送り返される。
【００４１】
地上設備３０は通常、１次処理設備２６と２次処理設備２８を含んで構成される。まず、排泥システム４７から１次処理設備２６に泥水が供給される。１次処理設備２６では、サイクロン１７を用いて、粒径７４μｍ以上の砂、礫などが除去され、さらに振動篩４にかけられることにより、７４μｍ以下のシルトや、粘土を含んだ泥水となって２次処理設備２８に供給される。１次処理設備２６で分離された砂礫等は、ベルトコンベヤー８を介しホッパー１３に貯えられ、ダンプカー１１等で排土として搬出される。
【００４２】
２次処理設備２８では、供給された泥水を調整槽３に貯え、調整槽３に貯えられた泥水は、清水層２から供給された清水と混合され、所定の粘性に調整された後、送泥システム４３により再び切羽４６まで送られる。また、送泥に使用されない余剰泥水は、濁水処理設備２４により安全な性状になるよう処理され、放流される。
【００４３】
切羽安定制御システム４９は、図１の点線枠で示すものであり、切羽４６の安定を図るためのシステムであり、添加剤供給装置と、粘性測定システムと、制御装置とを含んで構成される。切羽安定制御システム４９は、シールド機３４の後方に位置し、シールド機３４の掘進に合わせて一体的に移動する。
【００４４】
図２は、切羽安定制御システム４９の全体図である。添加剤供給装置は、増粘剤タンク５０と、分散剤タンク５２と、増粘剤、分散剤のそれぞれを添加するためのポンプ５６、５８と、ポンプ５６、５８を制御するポンプ制御装置７２、７４と、スタティックミキサー５４とを含んで構成される。
【００４５】
ここで、増粘剤とは、泥水の粘性を高めるために使用されるもので、例えば、アニオン性基を有する高分子化合物等が用いられる。また、分散剤とは、粘土粒子の表面に吸着することにより、粘土粒子同士の反発力を強め、凝集させにくくし、泥水の粘性を低下させるために使用されるものであり、例えば、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロース、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、クレゾールスルホン酸塩ホルマリン縮合物、ポリアクリル酸塩、アクリル酸−マレイン酸塩コポリマー、オレフィン−マレイン酸塩コポリマー、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、多環構造をもつ特殊非イオン性界面活性剤等が用いられるが、特に、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、ポリアクリル酸塩が好ましく、これらは土質によって使い分けられる。
【００４６】
具体的には、増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２は、トンネル３６内におけるシールド機３４後方に連結された後方台車上に一体的に設置されている。この後方台車のある位置における送泥管４４には、分散剤または増粘剤が添加された泥水を撹拌して均一な状態にするスタティックミキサー５４が介在している。スタティックミキサー５４には、ポンプ５６、５８を介し、増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２が接続されている。
【００４７】
粘性測定システムは、粗粒分を除いた泥水を分流させる分流装置２００と、分流された泥水の流路となる分岐管２３０と、分岐管２３０に設けられてチャンバー内の泥水の粘性を測定する粘度計２２０と、分岐管２３０の泥水速度を調整するポンプ２１０と、送泥水の粘性を測定する粘度計６０を含んで構成される。図示しないが、流量計、密度計も設けられ、制御装置６２に接続されている。
【００４８】
制御装置６２は、粘度計６０、２２０からの粘性データ等に基づき、ポンプ制御装置７２、７４を制御して増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２からの増粘剤、分散剤を泥水に添加する。
【００４９】
粘度計６０は、チャンバー４２に近接した送泥管４４に設けられ、増粘剤、分散剤と混合されてスタティックミキサー５４により撹拌された直後の泥水の粘性を測定し、その粘性データを制御装置６２に送るものである。粘度計６０、２２０としては、例えば、図５に示すようなものが採用できる。図５に示す粘度計２２０は、振動式粘度計２２０であって、センサーハウジング７７内に電磁コイル７９、８０と、振動棒９４とを含んで構成される。
【００５０】
この振動棒９４は、後端に磁石７８が設けられ、磁石７８が電磁コイル７９、８０間に配置され、先端９４ａが測定する泥水に差し込まれることにより泥水粘性が測定される。振動棒９４は、電磁コイル７９に電流が流されることにより、振動棒９４とセンサーハウジング７７が交わる点９４ｂを支点として、電磁コイル７９、８０間で振動する。泥水中の粘性により、この振動の振幅は減衰される。他方の電磁コイル８０により、電流の変化が検知されて振幅減衰量が測定される。この測定結果が制御装置６２に送られ、制御装置６２により測定結果と基準の振幅減衰量とが照合されて泥水の粘性が決定される。
【００５１】
振動式粘度計２２０は、振動棒９４の振幅が大きいので泥水の流速や他の機械の振動等による影響を受けにくいため、泥水の速度が変化した場合でも、リアルタイムかつ正確に泥水の粘性を測定できる。
【００５２】
上記の粘性制御システムを用いてチャンバー４２内泥水を測定する具体的手法としては、減速分流器２００を用いてチャンバー４２から排泥管４８ａに供給された直後の泥水の内、粗粒分を含む泥水を下流の排泥管４８ｂに供給し、泥水を含まない泥水を分岐管２３０に供給し、分岐管２３０において泥水の粘性を測定する方法が好ましい。
【００５３】
この方法によれば、チャンバー４２から排出された直後の泥水を測定できるため、チャンバー４２内の泥水をリアルタイムに測定でき、泥水中の粗粒分を分流装置により除去しているため、振動式粘度計２２０が破損することがなく、正確に測定できる。なお、ここで、粗粒分とは、粒径７４μｍ以上の土粒子である細砂、礫等をいう。
【００５４】
また、測定後の泥水は、再び送泥管４４に還流してもよいし、分流装置２００下流の排泥管４８ｂに供給してもよいが、送泥管４４に還流することが好ましい。粗粒分を含んでいないため、送泥管４４に還流することが可能であり、これにより、泥水を有効利用できる。
【００５５】
図３は、本実施の形態の一例に係る分流装置２００の側面断面図である。分流装置２００は、分流室２０４と、分流室２０４底部に本流管２０１とを含んで構成されている。本流管２０１の上流側は、チャンバー４２に近接した排泥管４８ａと接続され、本流管２０１の下流側は、排泥ポンプ９８に接続されている排泥管４８ｂと接続されている。
【００５６】
分流室２０４は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管４８ａに比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が減速部に比べて小さな縮小部とを含んで構成されている。具体的には、拡大部は円筒形状の円筒部２０８であり、縮小部は、円筒部２０８と接続され下流に行くに従って断面積が小さくなる円錐形状の円錐部２０９である。
【００５７】
このような形状とすることにより、円筒部２０８の断面積は排泥管４８ａより大きいため、円筒部２０８に入ってきた泥水は減速し、円錐部の下流にいくに従って加速する。
【００５８】
図４は、本発明の実施の形態の一例に係る分流装置２００内の本流管２０１の（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。同図に示すように、本流管２０１の周囲には、複数のスリット状の開口部２０６が等間隔に形成されている。
【００５９】
本流管を不連続な形状とし、分流室２０４内部で開口することによっても粗粒分を排泥管４８ｂに供給するとともに分岐管２３０に粗粒分を除いた泥水を供給することもできるが、この方法では排泥管４８ｂに供給された泥水の速度も減速してしまうおそれがある。
【００６０】
本流管２０１に複数のスリット形状の開口部２０６を設けることにより、本流管２０１内の泥水の減速を最小限に抑え、排泥管４８ｂに供給するとともに、開口部２０６から粗粒分を含まない泥水を分流室２０４に供給して分岐管２３０に供給することができる。
【００６１】
また、図３に示すように、本流管２０１を分流室２０４の底部に設けているため、粗粒分を本流管２０１外部の分流室２０４に出さずに排泥管４８ｂに供給することができる。
【００６２】
さらに、排泥管４８ａの断面積に比べ、円筒部２０８の断面積は大きく形成されていることにより、円筒部２０８内部の泥水を減速して分岐管２３０に供給するとともに、円錐部２０９は下流に行くに従って断面積が小さくなっているため、円錐部２０９内部の泥水を下流に行くに従って加速して排泥管４８ｂに供給することができる。
【００６３】
したがって、分流装置２００を経過した後の排泥管４８ｂの泥水は、分流装置２００を経過する前の排泥管４８ａ内の泥水速度に比べ、ほとんど減速することがない。これにより、排泥時の中継ポンプ９７を高能力のものに代えたり、増設する必要が無く、従来設備のまま流用できる。
【００６４】
また、支流管２０２には空気抜き２０３が設けられ、泥水に含まれる不要な空気を除去できる。なお、分流室２０４には必要に応じて点検口を設け、分流室２０４の内部状態を確認するよう形成してもよい。
【００６５】
図３に示すように、排泥管４８ａと接続された分流室２０４入口の断面積は、分流室２０４内部の泥水の粒子停滞条件を満たすように形成されている。具体的には、排泥管４８ａの内径と円筒部２０８の内径との比は、およそ１：４程度になっている。
【００６６】
ここで、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいう。具体的には、分流室２０４内の平均泥水速度を所定値以下に設定するための条件が該当する。
【００６７】
この条件を満たすことにより、排泥管と分流室入口の断面積差により分流室に入った泥水の平均泥水速度が、所定値以下に減速することにより、分岐管に粗粒分が流れていくことはない。
【００６８】
例えば、排泥管４８から分流室２０４に供給される泥水の流速が３ｍ／秒で、排泥管４８の内径が１５ｃｍとすると、円筒部２０８の内径の直径は６０ｃｍとなる。（排泥管４８の断面積）×（排泥管４８での泥水速度）＝（円筒部２０８の断面積）×（円筒部２０８での泥水速度）であるから、上記の値を用いて計算すると、円筒部２０８での平均泥水速度＝０．１８８ｍ／秒となる。
【００６９】
ここで、粗粒分が分岐管２０２に流れない円筒部２０８内の流速を求める。寺田進著『固体混合液の管路輸送』理工図書によると、水平管内における単粒子移動開始速度は以下の式で求められる。
【００７０】
【数１】
Ｖ0：単粒子移動開始速度
ｇ：重量加速度
ｄ：粒径
δ：土粒子真比重
δ1：泥水比重
Ｄ：管径
Ψ1：移動抵抗係数
Ψ2：移動抵抗係数
ここで、ｇ＝９．８ｍ／秒、ｄ＝２ｍｍ、δ＝２．７、δ1＝１．２５、管径Ｄ＝０．６ｍ、移動抵抗係数Ψ1＝０．７、Ψ2＝５とする。また、排泥時の最も厳し条件、すなわち、地山が固結シルト等で泥水比重を下げる必要がある場合、土粒子真比重＝１．８、泥水比重１．１とする。以上の数値を数１に当てはめると以下のようになる。
【００７１】
【数２】
上記数式より、Ｖ0＝０．１３となる。したがって、円筒部２０８内の流速は、０．１３ｍ／秒以下であればよい。この値が、粒子停滞条件となる。
【００７２】
ここで、排泥管４８ａから本流管２０１に泥水が入ってきたときの流速は３．０ｍ／秒であり、本流管２０１から下流の排泥管４８に泥水を流出するときの流速は２．９ｍ／秒である。このように泥水速度の変化が小さいのは、上記のように円筒部２０８と円錐部２０９との組合せによるものである。
【００７３】
つまり、本流管２０１の中心部ほど流速が速く円筒部２０８周縁に行くほど流速は遅くなることになる。本流管２０１は円筒部２０８の底部に設けられ、分岐管２３０が接続される支流管２０２は円筒部２０８の上部に設けられている。
【００７４】
したがって、円筒部２０８内の平均流速が０．１８８ｍ／秒であれば、円筒部２０８の上部は流速０．１３ｍ／秒以下になることは明らかであり、粒子停滞条件を満たす。
【００７５】
さらに、本流管２０１は、スリット形状となっているため、本流管２０１周囲に粗粒分が流出しにくくなっている。
【００７６】
したがって、円筒部２０８上部の支流管２０２と接続された分岐管２３０に粗粒分が流れることはなく、チャンバー４２内の泥水の粘性測定を正確に行うことができる。
【００７７】
また、分岐管２３０に粗粒分を引き込まず、かつ、リアルタイムにチャンバー４２内泥水の粘性を測定するには、分岐管２３０に設けられたポンプ２１０の導入力も重要である。
【００７８】
本実施の形態では、ポンプ２１０は、図２に示す制御装置６２により制御され、粒子停滞条件を満たすとともに、リアルタイム測定条件も満たすよう調整されている。
【００７９】
ここで、リアルタイム測定条件とは、チャンバー内の泥水の粘性に比べ、測定時の泥水の粘性が変わらない状態で測定できる条件をいう。この条件としては、例えば、カッターディスクが５回転〜１回転、好ましくは１回転しないうちにチャンバー内の泥水を測定できることをいう。具体的には、カッターディスクが１回転するには３０秒から１分程度かかるため、チャンバーから排出されて１分以内に測定できればよく、好ましくは３０秒以内に測定できればよい。
【００８０】
上記の条件を満たすため、本実施の形態では、分岐管２３０の泥水速度は、０．２〜０．６ｍ／秒であればよいが、０．５ｍ／秒が好ましい。
【００８１】
分岐管２３０の内径を６０ｍｍ、分岐管への泥水の供給速度を０．５ｍ／秒とすると、流量＝断面積×供給速度なので、流量は約０．１ｍ3／分となる。分流装置２００への供給泥水量は３．２ｍ3／分なので、分流装置２００から排泥管４８ｂへの供給量は３．１ｍ3／分となる。
【００８２】
一方、分流室２０４もリアルタイム測定条件を満たす容量、すなわち、３０秒以内で内部の泥水が入れ替わる程度の容量に形成されている。容量が大きすぎると泥水が入れ替わるのに長時間かかり、何分も前のチャンバー４２内泥水を測定することになりかねないが、本実施の形態によれば、分流室内部の泥水が３０秒以内に順次入れ替わるため、リアルタイムにチャンバー４２内泥水の粘性を測定できる。
【００８３】
具体的には、分流装置への供給泥水量が３．２ｍ3／分の場合、分流室の長さは２．２ｍ、最大断面積はπ（０．３）2ｍ2程度に調整され、最大体積は０．６２２ｍ3となる。
【００８４】
この場合、分岐管２３０と排泥管４８に合計３．２ｍ3／分の泥水が流出するため、分流室２０４内の泥水は最大でも１２秒で入れ替わることになる。
【００８５】
したがって、リアルタイム測定条件を満たし、分岐管２３０に供給された泥水を測定する際、分流室２０４内部の粗粒分を引き込むことはなく、常に最新のチャンバー４２内泥水を測定することとなるため、チャンバー４２内泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定することができる。
【００８６】
なお、リアルタイム測定条件を満たすには、チャンバー４２から振動式粘度計２２０までの距離も問題となるが、上記のように分岐管２３０は、分流装置２００を介してチャンバー４２に近接した排泥管４８ａと接続されており、切羽安定制御システム４９は、シールド機３４後方に一体的に設けられており、シールド機３４との距離は常に一定である。減速分流器２００は、チャンバー４２との距離は限りなく近づけることができ、チャンバー４２内に配置することもできる。さらに、振動式粘度計２２０も減速分流器２００に限りなく近づけることができる。
【００８７】
したがって、チャンバー４２から振動式粘度計２２０までの物理的な距離によってかかる時間も数秒程度であるため、全体でかかる時間も２０秒以下であり、リアルタイム測定条件を満たす。
【００８８】
すなわち、リアルタイム測定条件を満たすには、減速分流器２００は、チャンバー４２にできるだけ近い方が好ましく、振動式粘度計２２０も減速分流器２００にできるだけ近い方が好ましい。
【００８９】
また、ポンプ２１０の導入力は粒子停滞条件も満たす。上記のように、分岐管の内径は６０ｍｍ、分岐管内の泥水速度は０．５ｍ／秒であり、円筒部２０８の長さは６００ｍｍとする。（分岐管２３０の断面積）×（分岐管２３０での泥水速度）＝（円筒部２０８の断面積）×（円筒部２０８での泥水速度）である。ここで、（円筒部２０８の断面積）は、分岐管２３０と接続される部分であるため、６０ｍｍ×６００ｍｍである。これらの値を用いて（円筒部２０８での泥水速度）を求めると、平均泥水速度＝０．０３９ｍ／秒となる。
【００９０】
したがって、粒子停滞条件である０．１３ｍ／秒以下を満たし、ポンプ２１０の導入力によっても粗粒分を分岐管２３０に引き込むことはない。
【００９１】
なお、分岐管２３０での泥水速度は、０．５ｍ／秒に固定する必要はなく、排泥水の粘性や流量に合わせて、制御装置６２によりポンプ２１０の導入力が調整され、リアルタイム測定条件および粒子停滞条件を満たす範囲内で分岐管２３０内の泥水速度および泥水流量が調整される。
【００９２】
上記のように、本実施の形態による泥水粘性制御システムを適用すれば、チャンバー４２内泥水をリアルタイムかつ正確に測定することができ、かつ、この測定値に基づき、泥水の粘性が低い場合は増粘剤を添加し、粘性が高い場合は分散剤を添加することにより、地山の性状が急激に変化した場合でも、切羽を安定させて掘削することができる。
【００９３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例に係る泥水式シールド掘進システムの全体図である。
【図２】図１における切羽安定制御システムの全体図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例に係る分流装置の側面断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の一例に係る分流装置内の本流管の（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図５】図２における振動式粘度計の側面断面図である。
【符号の説明】
３０ 地上設備
３２ 立坑
３４ シールド機
３６ トンネル
４０ カッターディスク
４２ チャンバー
４３ 送泥システム
４４ 送泥管
４６ 切羽
４７ 排泥システム
４８ 排泥管
４９ 切羽安定制御システム
５０ 増粘剤タンク
５２ 分散剤タンク
５６、５８、２１０ ポンプ
６０、２２０ 振動式粘度計
６２ 制御装置
７２、７４ ポンプ制御装置
７７ センサーハウジング
７８ 磁石
７９、８０ 電磁コイル
９４ 振動棒
２００ 分流装置
２０１ 本流管
２０２ 支流管
２０３ 空気抜き
２０４ 分流室
２０６ 開口部
２０８ 円筒部
２０９ 円錐部
２３０ 分岐管
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥水式シールド工法において、チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムに測定する泥水粘性測定システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
泥水式シールド工法においては、調泥した泥水を送泥管を介してシールド機内のチャンバーに送り、切羽の安定を図りながらカッタービットにより切羽を掘削する。切羽の安定に用いられた泥水は、掘削土砂と攪拌混合され、排泥管を介して地上の泥水処理設備へ送り返される。
【０００３】
泥水式シールド工法では、切羽の安定のため、泥水の粘性をある程度上げた状態で掘削しなければならない。このため、泥水の粘性管理が正確に行われないと、チャンバーやカッタービットに粘性の高い泥土等が付着し、掘削の妨げとなり、トンネル掘進の停止の大きな要因となる。
【０００４】
従来、泥水の粘性管理は、チャンバーに送泥される泥水の一部を地上設備においてサンプリングし、ファンネル粘度計を用いて粘性を測定することにより行われていた。
【０００５】
しかし、このようにして測定される泥水の粘性は、チャンバー内の泥水の粘性とは大きく異なるものであった。なお、排泥管に差圧計を設けて泥水の粘性測定を試みる手法等も提案されているが、いずれも正確な測定をするには至っていない。また、チャンバーや排泥管に粘度計を設けられればよいが、チャンバーや排泥管の泥水には掘削後の礫等が混じっており、粘度計は破損してしまうため、測定するのは極めて困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、泥水式シールド工法において、チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定できる泥水粘性測定システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る泥水粘性測定システムは、送泥管を介して切羽へ泥水を供給するとともに、排泥管を介して切羽から泥水を排出する泥水式シールド工法における泥水粘性測定システムであって、
前記排泥管の流路に設けられ、粗粒分を含まない泥水を分流する分流装置と、
前記分流装置で分流された泥水を流す分岐管と、
前記分岐管を流れる泥水の粘性を測定する振動式粘度計を含む泥水粘性測定装置と、
を有し、
前記分流装置は、前記排泥管と接続された分流室を含んで構成され、
前記分流室は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管に比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が拡大部に比べて小さな縮小部とを含んで構成され、
前記分流室の底部に、前記排泥管と接続され、前記粗粒分を含む泥水を流す本流管が設けられ、
前記分岐管は、前記粗粒分を含まない泥水が前記拡大部の上面から供給されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、排泥管から泥水を分流させて泥水の粘性を測定するため、例えば、チャンバーに近接した排泥管から分流させることにより、泥水チャンバー内の泥水の粘性をリアルタイムに測定できる。また、泥水の粒子停滞条件を満たすように分流装置を形成することにより、泥水中の粗粒分を含まない泥水を分岐管に供給するため、分岐管を流れる泥水の粘性を測定する泥水粘性測定装置が破損することがなく、正確に測定できる。
【０００９】
ここで、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいう。また、粗粒分とは、粒径７４μｍ以上の土粒子である細砂、礫等をいう。
【００１０】
また、前記泥水粘性測定システムは、
前記分流装置から前記分岐管に泥水を導入するポンプと、
前記ポンプの導入力を調整する制御装置と、
を有してもよい。
【００１１】
本発明によれば、排泥水の速度や流量が変化する場合でも、それに対応して、分流装置から分岐管に泥水を導入する際の泥水速度および泥水流量を調整できる。
【００１２】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流装置は、前記排泥管と接続された分流室を含んで構成され、
前記分流室入口の断面積は、前記分流室内部の泥水の粒子停滞条件を満たすように形成されていてもよい。
【００１３】
前述のように、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいい、例えば、分流室内の平均泥水速度を所定値以下に設定するための条件が該当する。
【００１４】
すなわち、排泥管と分流室入口の断面積差により分流室に供給された泥水が、粒子停滞条件値以下に減速することにより、分岐管に泥水中の粗粒分が流れていくことはない。これにより、泥水粘性測定装置の測定器が破損するおそれがなく、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００１５】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記ポンプの導入力は、前記分流室内部の泥水の粒子停滞条件を満たし、かつ、リアルタイム測定条件を満たすように調整されていてもよい。
【００１６】
ここで、リアルタイム測定条件とは、チャンバー内の泥水の粘性に比べ、測定時の泥水の粘性が変わらない状態で測定できる条件をいう。この条件としては、例えば、カッターディスクが数回転、好ましくは１回転しないうちにチャンバー内の泥水を測定できることをいう。具体的には、カッターディスクが１回転するには３０秒から１分程度かかるため、この場合のリアルタイム測定条件とは、チャンバーから排出されて１分以内に測定できることをいい、好ましくは３０秒以内に測定できることをいう。
【００１７】
本発明によれば、分岐管に供給された泥水を測定する際、分流室内部の粗粒分を引き込むことはなく、常に最新のチャンバー内泥水を測定することとなるため、チャンバー内泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定することができる。
【００１８】
また、前記泥水粘性測定システムは、
前記分流室の底部に、前記排泥管と接続され、前記粗粒分を含む泥水を流す本流管が設けられていてもよい。
【００１９】
本発明によれば、粗粒分が流れる本流管は、底部に設けられているため、粗粒分が本流管以外の分流室内へ拡散することを防止できる。
【００２０】
例えば、分流室上部に分岐管を接続することにより、粗粒分を含まない泥水を分岐管に供給し、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００２１】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記本流管は、複数の開口部を有してもよい。
【００２２】
本発明によれば、本流管内の泥水の減速を最小限に抑え、下流の排泥管に供給するとともに、開口部から粗粒分を除去した泥水を分流室に供給して分岐管に供給することができる。
【００２３】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流室は、リアルタイム測定条件を満たす容量に形成されていてもよい。
【００２４】
容量が大きすぎると泥水が入れ替わらないが、本発明によれば、チャンバーから排出された泥水の粘性が変化しないうちに分岐管に供給するとともに、順次新しい泥水をチャンバーから分流室内部に取り入れることができる。これにより、リアルタイムにチャンバー内泥水の粘性を測定できる。
【００２５】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分流室は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管に比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が減速部に比べて小さな縮小部とを含んで構成されていてもよい。
【００２６】
本発明によれば、拡大部により泥水を減速して分岐管に泥水を供給するとともに、縮小部により泥水を加速して排泥管に供給することができる。これにより、分岐管に粗粒分を含まない泥水を供給することができる。また、排泥管内の泥水速度は、分流装置を経由した後でも経由前とほとんど変わらないため、排泥用中継ポンプの増設等の必要はなく、従来設備をそのまま流用できる。
【００２７】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分岐管は、前記粗粒分を含まない泥水が前記拡大部の上面から供給されていてもよい。
【００２８】
本発明によれば、排泥管から本流管に供給された泥水は、本流管に比べ拡大部においては減速しており、さらに拡大部の上面では減速している。したがって、分岐管に粗粒分を含まない泥水のみ流すことができ、測定器の破損の心配がなく、泥水の粘性を正確に測定できる。
【００２９】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記分岐管は、前記分流装置を介してチャンバーに近接した排泥管と送泥管とを接続するよう形成されていてもよい。
【００３０】
本発明によれば、チャンバーに近接した排泥管で分流させるため、リアルタイムにチャンバー内の泥水の粘性が測定できる。また、礫等を含まない泥水を送泥管に還流するため、泥水の有効利用ができる。
【００３１】
また、前記泥水粘性測定システムにおいて、
前記泥水粘性測定装置は、泥水の粘性を測定する振動式粘度計を含んで構成されていてもよい。
【００３２】
本発明によれば、振動式粘度計は泥水の速度に関係なく測定できるため、分岐管内の流速が変化する場合も正確に測定することができる。
【００３３】
また、前記泥水粘性測定システムは、
泥水の粘性を高めるための増粘剤を前記送泥管の泥水に添加する増粘剤添加装置と、
泥水の粘性を低下させるための分散剤を前記送泥管の泥水に添加する分散剤添加装置と、
を有し、
前記振動式粘度計で測定された泥水粘性に基づき、前記制御装置により、前記増粘剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する増粘剤の添加量および前記分散剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する分散剤の添加量を制御してもよい。
【００３４】
本発明によれば、粘性測定結果に基づき、粘性が高い場合には分散剤の添加量を多くし、粘性が低い場合には増粘剤の添加量を多くすることにより、最適に切羽の安定を図ることができる。
【００３５】
ここで、増粘剤とは、泥水の粘性を高めるために使用されるもので、例えば、アニオン性基を有する高分子化合物等が用いられる。また、分散剤とは、粘土粒子の表面に吸着することにより、粘土粒子同士の反発力を強め、凝集させにくくし、泥水の粘性を低下させるために使用されるものであり、例えば、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロース、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、クレゾールスルホン酸塩ホルマリン縮合物、ポリアクリル酸塩、アクリル酸−マレイン酸塩コポリマー、オレフィン−マレイン酸塩コポリマー、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、多環構造をもつ特殊非イオン性界面活性剤等が用いられるが、特に、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、ポリアクリル酸塩が好ましく、これらは土質によって使い分けられる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を泥水式シールド工法に適用した好適な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明を適用した泥水式シールド掘進システムを示す。この泥水式シールド掘進システムは、シールド機３４と、送泥システム４３と、排泥システム４７と、地上設備３０と、切羽安定制御システム４９とを有する。泥水式シールド掘進システムにおいては、地上に設けられた地上設備３０から発進立坑３２が所定深さまで掘削され、この発進立坑３２の底部位置からシールド機３４が地中を横方向に掘進してセグメントを組みながらトンネル３６が構築されている。
【００３８】
シールド機３４は、切羽４６を切り崩すカッタービットを有するカッターディスク４０と、泥水や掘削土砂の浸入を防ぐ隔壁４１と、カッターディスク４０と隔壁４１の間にあり、内部に泥水を満たして切羽４６を安定させるチャンバー４２とを含んで構成される。カッターディスク４０により切羽４６を掘削する際、切羽の崩壊防止およびカッターディスク４０への土砂付着による掘削性能低下防止のため、土砂性状に応じてチャンバー４２に送る泥水の性状を調整する必要がある。
【００３９】
送泥システム４３は、地上設備３０からシールド機３４までの泥水の供給路である送泥管４４と、泥水を加圧して送る送泥ポンプ９６とを含んで構成される。この送泥システム４３においては、後述する調整槽３から取出した送泥水が送泥ポンプ９６で加圧され、送泥管４４を介して、チャンバー４２まで送られる。
【００４０】
排泥システム４７は、シールド機３４から地上設備３０までの泥水の輸送路である排泥管４８と、泥水を加圧して送る排泥ポンプ９８と、中継ポンプ９７とを含んで構成される。この排泥システム４７においては、切羽４６掘削により生じた土砂と送泥システム４３により供給された送泥水がチャンバー４２内で撹拌され、撹拌後の排泥水が排泥ポンプ９８により加圧され、排泥管４８を介して中継ポンプ９７で加圧されながら地上設備３０に送り返される。
【００４１】
地上設備３０は通常、１次処理設備２６と２次処理設備２８を含んで構成される。まず、排泥システム４７から１次処理設備２６に泥水が供給される。１次処理設備２６では、サイクロン１７を用いて、粒径７４μｍ以上の砂、礫などが除去され、さらに振動篩４にかけられることにより、７４μｍ以下のシルトや、粘土を含んだ泥水となって２次処理設備２８に供給される。１次処理設備２６で分離された砂礫等は、ベルトコンベヤー８を介しホッパー１３に貯えられ、ダンプカー１１等で排土として搬出される。
【００４２】
２次処理設備２８では、供給された泥水を調整槽３に貯え、調整槽３に貯えられた泥水は、清水層２から供給された清水と混合され、所定の粘性に調整された後、送泥システム４３により再び切羽４６まで送られる。また、送泥に使用されない余剰泥水は、濁水処理設備２４により安全な性状になるよう処理され、放流される。
【００４３】
切羽安定制御システム４９は、図１の点線枠で示すものであり、切羽４６の安定を図るためのシステムであり、添加剤供給装置と、粘性測定システムと、制御装置とを含んで構成される。切羽安定制御システム４９は、シールド機３４の後方に位置し、シールド機３４の掘進に合わせて一体的に移動する。
【００４４】
図２は、切羽安定制御システム４９の全体図である。添加剤供給装置は、増粘剤タンク５０と、分散剤タンク５２と、増粘剤、分散剤のそれぞれを添加するためのポンプ５６、５８と、ポンプ５６、５８を制御するポンプ制御装置７２、７４と、スタティックミキサー５４とを含んで構成される。
【００４５】
ここで、増粘剤とは、泥水の粘性を高めるために使用されるもので、例えば、アニオン性基を有する高分子化合物等が用いられる。また、分散剤とは、粘土粒子の表面に吸着することにより、粘土粒子同士の反発力を強め、凝集させにくくし、泥水の粘性を低下させるために使用されるものであり、例えば、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、カルボキシメチルセルロース、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、クレゾールスルホン酸塩ホルマリン縮合物、ポリアクリル酸塩、アクリル酸−マレイン酸塩コポリマー、オレフィン−マレイン酸塩コポリマー、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、多環構造をもつ特殊非イオン性界面活性剤等が用いられるが、特に、縮合リン酸塩、リグニンスルホン酸塩、ポリアクリル酸塩が好ましく、これらは土質によって使い分けられる。
【００４６】
具体的には、増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２は、トンネル３６内におけるシールド機３４後方に連結された後方台車上に一体的に設置されている。この後方台車のある位置における送泥管４４には、分散剤または増粘剤が添加された泥水を撹拌して均一な状態にするスタティックミキサー５４が介在している。スタティックミキサー５４には、ポンプ５６、５８を介し、増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２が接続されている。
【００４７】
粘性測定システムは、粗粒分を除いた泥水を分流させる分流装置２００と、分流された泥水の流路となる分岐管２３０と、分岐管２３０に設けられてチャンバー内の泥水の粘性を測定する粘度計２２０と、分岐管２３０の泥水速度を調整するポンプ２１０と、送泥水の粘性を測定する粘度計６０を含んで構成される。図示しないが、流量計、密度計も設けられ、制御装置６２に接続されている。
【００４８】
制御装置６２は、粘度計６０、２２０からの粘性データ等に基づき、ポンプ制御装置７２、７４を制御して増粘剤タンク５０、分散剤タンク５２からの増粘剤、分散剤を泥水に添加する。
【００４９】
粘度計６０は、チャンバー４２に近接した送泥管４４に設けられ、増粘剤、分散剤と混合されてスタティックミキサー５４により撹拌された直後の泥水の粘性を測定し、その粘性データを制御装置６２に送るものである。粘度計６０、２２０としては、例えば、図５に示すようなものが採用できる。図５に示す粘度計２２０は、振動式粘度計２２０であって、センサーハウジング７７内に電磁コイル７９、８０と、振動棒９４とを含んで構成される。
【００５０】
この振動棒９４は、後端に磁石７８が設けられ、磁石７８が電磁コイル７９、８０間に配置され、先端９４ａが測定する泥水に差し込まれることにより泥水粘性が測定される。振動棒９４は、電磁コイル７９に電流が流されることにより、振動棒９４とセンサーハウジング７７が交わる点９４ｂを支点として、電磁コイル７９、８０間で振動する。泥水中の粘性により、この振動の振幅は減衰される。他方の電磁コイル８０により、電流の変化が検知されて振幅減衰量が測定される。この測定結果が制御装置６２に送られ、制御装置６２により測定結果と基準の振幅減衰量とが照合されて泥水の粘性が決定される。
【００５１】
振動式粘度計２２０は、振動棒９４の振幅が大きいので泥水の流速や他の機械の振動等による影響を受けにくいため、泥水の速度が変化した場合でも、リアルタイムかつ正確に泥水の粘性を測定できる。
【００５２】
上記の粘性制御システムを用いてチャンバー４２内泥水を測定する具体的手法としては、減速分流器２００を用いてチャンバー４２から排泥管４８ａに供給された直後の泥水の内、粗粒分を含む泥水を下流の排泥管４８ｂに供給し、泥水を含まない泥水を分岐管２３０に供給し、分岐管２３０において泥水の粘性を測定する方法が好ましい。
【００５３】
この方法によれば、チャンバー４２から排出された直後の泥水を測定できるため、チャンバー４２内の泥水をリアルタイムに測定でき、泥水中の粗粒分を分流装置により除去しているため、振動式粘度計２２０が破損することがなく、正確に測定できる。なお、ここで、粗粒分とは、粒径７４μｍ以上の土粒子である細砂、礫等をいう。
【００５４】
また、測定後の泥水は、再び送泥管４４に還流してもよいし、分流装置２００下流の排泥管４８ｂに供給してもよいが、送泥管４４に還流することが好ましい。粗粒分を含んでいないため、送泥管４４に還流することが可能であり、これにより、泥水を有効利用できる。
【００５５】
図３は、本実施の形態の一例に係る分流装置２００の側面断面図である。分流装置２００は、分流室２０４と、分流室２０４底部に本流管２０１とを含んで構成されている。本流管２０１の上流側は、チャンバー４２に近接した排泥管４８ａと接続され、本流管２０１の下流側は、排泥ポンプ９８に接続されている排泥管４８ｂと接続されている。
【００５６】
分流室２０４は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管４８ａに比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が減速部に比べて小さな縮小部とを含んで構成されている。具体的には、拡大部は円筒形状の円筒部２０８であり、縮小部は、円筒部２０８と接続され下流に行くに従って断面積が小さくなる円錐形状の円錐部２０９である。
【００５７】
このような形状とすることにより、円筒部２０８の断面積は排泥管４８ａより大きいため、円筒部２０８に入ってきた泥水は減速し、円錐部の下流にいくに従って加速する。
【００５８】
図４は、本発明の実施の形態の一例に係る分流装置２００内の本流管２０１の（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。同図に示すように、本流管２０１の周囲には、複数のスリット状の開口部２０６が等間隔に形成されている。
【００５９】
本流管を不連続な形状とし、分流室２０４内部で開口することによっても粗粒分を排泥管４８ｂに供給するとともに分岐管２３０に粗粒分を除いた泥水を供給することもできるが、この方法では排泥管４８ｂに供給された泥水の速度も減速してしまうおそれがある。
【００６０】
本流管２０１に複数のスリット形状の開口部２０６を設けることにより、本流管２０１内の泥水の減速を最小限に抑え、排泥管４８ｂに供給するとともに、開口部２０６から粗粒分を含まない泥水を分流室２０４に供給して分岐管２３０に供給することができる。
【００６１】
また、図３に示すように、本流管２０１を分流室２０４の底部に設けているため、粗粒分を本流管２０１外部の分流室２０４に出さずに排泥管４８ｂに供給することができる。
【００６２】
さらに、排泥管４８ａの断面積に比べ、円筒部２０８の断面積は大きく形成されていることにより、円筒部２０８内部の泥水を減速して分岐管２３０に供給するとともに、円錐部２０９は下流に行くに従って断面積が小さくなっているため、円錐部２０９内部の泥水を下流に行くに従って加速して排泥管４８ｂに供給することができる。
【００６３】
したがって、分流装置２００を経過した後の排泥管４８ｂの泥水は、分流装置２００を経過する前の排泥管４８ａ内の泥水速度に比べ、ほとんど減速することがない。これにより、排泥時の中継ポンプ９７を高能力のものに代えたり、増設する必要が無く、従来設備のまま流用できる。
【００６４】
また、支流管２０２には空気抜き２０３が設けられ、泥水に含まれる不要な空気を除去できる。なお、分流室２０４には必要に応じて点検口を設け、分流室２０４の内部状態を確認するよう形成してもよい。
【００６５】
図３に示すように、排泥管４８ａと接続された分流室２０４入口の断面積は、分流室２０４内部の泥水の粒子停滞条件を満たすように形成されている。具体的には、排泥管４８ａの内径と円筒部２０８の内径との比は、およそ１：４程度になっている。
【００６６】
ここで、泥水の粒子停滞条件とは、泥水中の粗粒分が本流に沿って流れ、支流である分岐管に流れないことをいう。具体的には、分流室２０４内の平均泥水速度を所定値以下に設定するための条件が該当する。
【００６７】
この条件を満たすことにより、排泥管と分流室入口の断面積差により分流室に入った泥水の平均泥水速度が、所定値以下に減速することにより、分岐管に粗粒分が流れていくことはない。
【００６８】
例えば、排泥管４８から分流室２０４に供給される泥水の流速が３ｍ／秒で、排泥管４８の内径が１５ｃｍとすると、円筒部２０８の内径の直径は６０ｃｍとなる。（排泥管４８の断面積）×（排泥管４８での泥水速度）＝（円筒部２０８の断面積）×（円筒部２０８での泥水速度）であるから、上記の値を用いて計算すると、円筒部２０８での平均泥水速度＝０．１８８ｍ／秒となる。
【００６９】
ここで、粗粒分が分岐管２０２に流れない円筒部２０８内の流速を求める。寺田進著『固体混合液の管路輸送』理工図書によると、水平管内における単粒子移動開始速度は以下の式で求められる。
【００７０】
【数１】
ｇ：重量加速度
ｄ：粒径
δ：土粒子真比重
δ1：泥水比重
Ｄ：管径
Ψ1：移動抵抗係数
Ψ2：移動抵抗係数
ここで、ｇ＝９．８ｍ／秒、ｄ＝２ｍｍ、δ＝２．７、δ1＝１．２５、管径Ｄ＝０．６ｍ、移動抵抗係数Ψ1＝０．７、Ψ2＝５とする。また、排泥時の最も厳し条件、すなわち、地山が固結シルト等で泥水比重を下げる必要がある場合、土粒子真比重＝１．８、泥水比重１．１とする。以上の数値を数１に当てはめると以下のようになる。
【００７１】
【数２】
【００７２】
ここで、排泥管４８ａから本流管２０１に泥水が入ってきたときの流速は３．０ｍ／秒であり、本流管２０１から下流の排泥管４８に泥水を流出するときの流速は２．９ｍ／秒である。このように泥水速度の変化が小さいのは、上記のように円筒部２０８と円錐部２０９との組合せによるものである。
【００７３】
つまり、本流管２０１の中心部ほど流速が速く円筒部２０８周縁に行くほど流速は遅くなることになる。本流管２０１は円筒部２０８の底部に設けられ、分岐管２３０が接続される支流管２０２は円筒部２０８の上部に設けられている。
【００７４】
したがって、円筒部２０８内の平均流速が０．１８８ｍ／秒であれば、円筒部２０８の上部は流速０．１３ｍ／秒以下になることは明らかであり、粒子停滞条件を満たす。
【００７５】
さらに、本流管２０１は、スリット形状となっているため、本流管２０１周囲に粗粒分が流出しにくくなっている。
【００７６】
したがって、円筒部２０８上部の支流管２０２と接続された分岐管２３０に粗粒分が流れることはなく、チャンバー４２内の泥水の粘性測定を正確に行うことができる。
【００７７】
また、分岐管２３０に粗粒分を引き込まず、かつ、リアルタイムにチャンバー４２内泥水の粘性を測定するには、分岐管２３０に設けられたポンプ２１０の導入力も重要である。
【００７８】
本実施の形態では、ポンプ２１０は、図２に示す制御装置６２により制御され、粒子停滞条件を満たすとともに、リアルタイム測定条件も満たすよう調整されている。
【００７９】
ここで、リアルタイム測定条件とは、チャンバー内の泥水の粘性に比べ、測定時の泥水の粘性が変わらない状態で測定できる条件をいう。この条件としては、例えば、カッターディスクが５回転〜１回転、好ましくは１回転しないうちにチャンバー内の泥水を測定できることをいう。具体的には、カッターディスクが１回転するには３０秒から１分程度かかるため、チャンバーから排出されて１分以内に測定できればよく、好ましくは３０秒以内に測定できればよい。
【００８０】
上記の条件を満たすため、本実施の形態では、分岐管２３０の泥水速度は、０．２〜０．６ｍ／秒であればよいが、０．５ｍ／秒が好ましい。
【００８１】
分岐管２３０の内径を６０ｍｍ、分岐管への泥水の供給速度を０．５ｍ／秒とすると、流量＝断面積×供給速度なので、流量は約０．１ｍ3／分となる。分流装置２００への供給泥水量は３．２ｍ3／分なので、分流装置２００から排泥管４８ｂへの供給量は３．１ｍ3／分となる。
【００８２】
一方、分流室２０４もリアルタイム測定条件を満たす容量、すなわち、３０秒以内で内部の泥水が入れ替わる程度の容量に形成されている。容量が大きすぎると泥水が入れ替わるのに長時間かかり、何分も前のチャンバー４２内泥水を測定することになりかねないが、本実施の形態によれば、分流室内部の泥水が３０秒以内に順次入れ替わるため、リアルタイムにチャンバー４２内泥水の粘性を測定できる。
【００８３】
具体的には、分流装置への供給泥水量が３．２ｍ3／分の場合、分流室の長さは２．２ｍ、最大断面積はπ（０．３）2ｍ2程度に調整され、最大体積は０．６２２ｍ3となる。
【００８４】
この場合、分岐管２３０と排泥管４８に合計３．２ｍ3／分の泥水が流出するため、分流室２０４内の泥水は最大でも１２秒で入れ替わることになる。
【００８５】
したがって、リアルタイム測定条件を満たし、分岐管２３０に供給された泥水を測定する際、分流室２０４内部の粗粒分を引き込むことはなく、常に最新のチャンバー４２内泥水を測定することとなるため、チャンバー４２内泥水の粘性をリアルタイムかつ正確に測定することができる。
【００８６】
なお、リアルタイム測定条件を満たすには、チャンバー４２から振動式粘度計２２０までの距離も問題となるが、上記のように分岐管２３０は、分流装置２００を介してチャンバー４２に近接した排泥管４８ａと接続されており、切羽安定制御システム４９は、シールド機３４後方に一体的に設けられており、シールド機３４との距離は常に一定である。減速分流器２００は、チャンバー４２との距離は限りなく近づけることができ、チャンバー４２内に配置することもできる。さらに、振動式粘度計２２０も減速分流器２００に限りなく近づけることができる。
【００８７】
したがって、チャンバー４２から振動式粘度計２２０までの物理的な距離によってかかる時間も数秒程度であるため、全体でかかる時間も２０秒以下であり、リアルタイム測定条件を満たす。
【００８８】
すなわち、リアルタイム測定条件を満たすには、減速分流器２００は、チャンバー４２にできるだけ近い方が好ましく、振動式粘度計２２０も減速分流器２００にできるだけ近い方が好ましい。
【００８９】
また、ポンプ２１０の導入力は粒子停滞条件も満たす。上記のように、分岐管の内径は６０ｍｍ、分岐管内の泥水速度は０．５ｍ／秒であり、円筒部２０８の長さは６００ｍｍとする。（分岐管２３０の断面積）×（分岐管２３０での泥水速度）＝（円筒部２０８の断面積）×（円筒部２０８での泥水速度）である。ここで、（円筒部２０８の断面積）は、分岐管２３０と接続される部分であるため、６０ｍｍ×６００ｍｍである。これらの値を用いて（円筒部２０８での泥水速度）を求めると、平均泥水速度＝０．０３９ｍ／秒となる。
【００９０】
したがって、粒子停滞条件である０．１３ｍ／秒以下を満たし、ポンプ２１０の導入力によっても粗粒分を分岐管２３０に引き込むことはない。
【００９１】
なお、分岐管２３０での泥水速度は、０．５ｍ／秒に固定する必要はなく、排泥水の粘性や流量に合わせて、制御装置６２によりポンプ２１０の導入力が調整され、リアルタイム測定条件および粒子停滞条件を満たす範囲内で分岐管２３０内の泥水速度および泥水流量が調整される。
【００９２】
上記のように、本実施の形態による泥水粘性制御システムを適用すれば、チャンバー４２内泥水をリアルタイムかつ正確に測定することができ、かつ、この測定値に基づき、泥水の粘性が低い場合は増粘剤を添加し、粘性が高い場合は分散剤を添加することにより、地山の性状が急激に変化した場合でも、切羽を安定させて掘削することができる。
【００９３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例に係る泥水式シールド掘進システムの全体図である。
【図２】図１における切羽安定制御システムの全体図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例に係る分流装置の側面断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の一例に係る分流装置内の本流管の（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図５】図２における振動式粘度計の側面断面図である。
【符号の説明】
３０ 地上設備
３２ 立坑
３４ シールド機
３６ トンネル
４０ カッターディスク
４２ チャンバー
４３ 送泥システム
４４ 送泥管
４６ 切羽
４７ 排泥システム
４８ 排泥管
４９ 切羽安定制御システム
５０ 増粘剤タンク
５２ 分散剤タンク
５６、５８、２１０ ポンプ
６０、２２０ 振動式粘度計
６２ 制御装置
７２、７４ ポンプ制御装置
７７ センサーハウジング
７８ 磁石
７９、８０ 電磁コイル
９４ 振動棒
２００ 分流装置
２０１ 本流管
２０２ 支流管
２０３ 空気抜き
２０４ 分流室
２０６ 開口部
２０８ 円筒部
２０９ 円錐部
２３０ 分岐管
Claims (5)
- 送泥管を介して切羽へ泥水を供給するとともに、排泥管を介して切羽から泥水を排出する泥水式シールド工法における泥水粘性測定システムであって、
前記排泥管の流路に設けられ、粗粒分を含まない泥水を分流する分流装置と、
前記分流装置で分流された泥水を流す分岐管と、
前記分岐管を流れる泥水の粘性を測定する振動式粘度計を含む泥水粘性測定装置と、
を有し、
前記分流装置は、前記排泥管と接続された分流室を含んで構成され、
前記分流室は、上流側に設けられ、流路方向に対する切断面が排泥管に比べて大きな拡大部と、下流側に設けられ、流路方向に対する切断面が拡大部に比べて小さな縮小部とを含んで構成され、
前記分流室の底部に、前記排泥管と接続され、前記粗粒分を含む泥水を流す本流管が設けられ、
前記分岐管は、前記粗粒分を含まない泥水が前記拡大部の上面から供給されていることを特徴とする泥水粘性測定システム。 - 請求項１において、
前記分流装置から前記分岐管に泥水を導入するポンプと、
前記ポンプの導入力を調整する制御装置と、
を有することを特徴とする泥水粘性測定システム。 - 請求項２において、
泥水の粘性を高めるための増粘剤を前記送泥管の泥水に添加する増粘剤添加装置と、
泥水の粘性を低下させるための分散剤を前記送泥管の泥水に添加する分散剤添加装置と、
を有し、
前記振動式粘度計で測定された泥水粘性に基づき、前記制御装置により、前記増粘剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する増粘剤の添加量および前記分散剤添加装置から前記送泥管中の泥水に添加する分散剤の添加量を制御することを特徴とする泥水粘性測定システム。 - 請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記本流管は、複数の開口部を有することを特徴とする泥水粘性測定システム。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記分岐管は、前記分流装置を介してチャンバーに近接した排泥管と送泥管とを接続するよう形成されていることを特徴とする泥水粘性測定システム。
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