JP4741348B2 - シールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進に際して土粒子の骨格構造を地山状態と同様に保持したままの固形状態で切り出し掘削し、その固形状態の土砂を流体輸送して回収するシールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法に関する。

一般に、泥水式シールド掘進機によるトンネル掘削においては、カッタビットの回転によって掘削地山の土砂の骨格構造を破壊し、できるだけ土粒子自体の粒径に近い状態として流体輸送により坑外に搬出するようにしている。

このような場合、輸送媒体としての液体と掘削土砂の固形分（土粒子）とを分離するため、坑外に大規模な処理施設が必要とされる。

特に、粘性土を多く含む地山を掘削する場合、１次処理設備で粗粒分を分級し、２次処理設備でさらに細粒分を分級するという２段階の処理設備が必要となる上に、２次処理された細粒分は産業廃棄物（汚泥）として取り扱われるため、処理設備の大規模化により発進立坑用地が広大化し、処理費用が増大することとなる。

そのため、本願出願人は、先に、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出する固形回収技術を提案した（特許文献１参照）。
特開２０００−２８２７８４号公報

このような固形回収技術においては、長距離掘進（例えば３０００ｍ以上）を行う場合、シールド掘進機から最初の排泥ポンプの間に固形回収測定装置を１台設置して固形回収物の切り出し寸法を制御すると共に、管路の摩擦損失に応じた台数の排泥ポンプを設置するようにしているため、長距離での固形回収物の溶解率が大きく、固形回収物の回収率が減少していた。

特に、固形回収物の溶解率を下げるためには、シールド掘進機での固形回収物の切り出し寸法を大きくする必要があるが、標準の排泥ポンプは回転する羽根体の枚数が多いため、固形回収物が閉塞するおそれがあり、固形回収物の切り出し寸法を大きくできない状態となっている。

本発明の目的は、長距離掘進においても固形回収物の熔解率を上げることなく輸送して、固形回収率を向上させ、処理費用の削減及び環境負荷低減が可能なシールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明のシールド掘進機における固形回収物の搬送システムは、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送システムであって、
前記排泥ポンプは、シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させ、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に固形回収物の大きさを測定する第１の固形回収測定装置を設けると共に、当該排泥ポンプから後方の排泥管に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第２の固形回収測定装置を所定間隔で設け、
前記第１の固形回収測定装置及び第２の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する制御手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明のシールド掘進機における固形回収物の搬送方法は、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送方法であって、
シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプにより、揚程を上げて泥水と共に前記固形回収物を輸送する工程と、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に設けた第１の固形回収測定装置により固形回収物の切り出し大きさを測定する工程と、
当該排泥ポンプから後方の排泥管に所定間隔で設けた複数台の第２の固形回収測定装置により後方での固形回収物の大きさを測定する工程と、
前記第１の固形回収測定装置及び第２の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき制御手段が前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する工程と、
を含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、シールド掘進機側から後方側にかけて各排泥ポンプの羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させることにより、カッタヘッドによる固形回収物の切り出し寸法を大きくしても初期段階で閉塞することなく固形回収物を輸送することができ、後方にいくにしたがって溶解率が大きくなる段階で揚程を上げて確実な輸送を行うことができる。

また、第１の固形回収測定装置に加え、最初の排泥ポンプから後方の排泥管に複数台の第２の固形回収測定装置を所定間隔で設け、制御手段により、第１の固形回収測定装置及び第２の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物の溶解率とに基づきカッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整することで、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。

特に、掘削経路の土質の変化により、排泥ラインでの溶解率が変化した場合、カッタヘッドにより切り出し寸法を調整することで、土質の変化にかかわらず、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。

さらに、複数台の第２の固形回収測定装置により測定された固形回収物の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較して複数の排泥ポンプにおける最適な羽根体の枚数を決定することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１〜図５は、本発明の一実施の形態にかかるシールド掘進機における固形回収物の搬送システムを示す図である。

図１は、泥水式シールド工法におけるシールド掘進機の概略図で、このシールド掘進機２においては、泥水をシールド掘進機１０内部のチャンバ１２に供給して切羽１４の安定を図りながら、シールド掘進機１０のカッタヘッド１６を回転させることにより、地山を掘削し、掘進に伴ってセグメント１８を順次継ぎ足し、セグメント１８にジャッキ２０で反力を取りながら、カッタヘッド１６を回転させて掘削を継続してトンネルを構築するようになっている。

チャンバ１２に供給される泥水は、地上の作泥設備または泥水処理設備から送泥設備の一部である送泥管２２を介して送られるものであり、トンネル内の性状調整設備等により必要な性状調整がされる。

具体的には、トンネル内の性状調整設備は、調泥剤タンク２４と、送泥管２２に設けられ、調泥剤タンク２４から供給された調泥剤と泥水とを混合撹拌するスタティックミキサー２６と、この混合撹拌後の泥水性状を測定する粘性計２８とを含んで構成されている。

必要に応じて調泥剤タンク２４から所定の調泥剤が添加され、スタティックミキサー２６により撹拌混合された送泥水は、粘性計２８により粘性が測定され、チャンバ１２に供給される。

粘性計２８による測定結果は、制御装置３０に送られ、制御装置３０は、この測定結果に基づき調泥剤の添加を調整する。

カッタヘッド１６は、図示せぬモータにより回転駆動されて掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削して固形回収可能にするもので、このカッタヘッド１６には、図２に示すように、地山をほぼ一定の間隔で先行掘削する先行ビット７０〜８０と、この先行掘削した間の部分の地山、すなわち、先行ビット７０〜８０により形成された先行掘削溝の間に掘り残された地山凸部を切り出し掘削する後行ビット９０とが設けられている。

また、先行ビット７０〜８０のうち先行ビット７０〜７７は、２つを１組としてカッタヘッド１６の回転に伴って異なる軌跡を描く４つの先行ビットユニット６０を構成する。

また、先行ビット７０〜８０が描く軌跡は、図２のカッタヘッド２２上の１点鎖線で示される。

先行ビット７０〜８０の軌跡、すなわち、先行掘削溝は、例えば、先行ビット７０〜７２の軌跡２７０〜２７３で示すようにほぼ一定の間隔であるため、後行ビット９０で当該部分を掘削した場合、掘削後の土砂の大きさをほぼ一定の大きさ、すなわち、輸送設備を閉塞させない大きさに揃えることができる。

なお、シールド掘進機１０には、ジャッキ２０の速度を検出する検出装置３７、カッタヘッド１６の回転数を検出する検出装置３８、カッタトルクを検出する検出装置３９、制御装置３０に指令を送るコンピュータ３２、コンピュータ３２への制御用の設定データの入力を行う入力装置３１、制御用のデータが記憶された記憶装置３４、制御用のプログラムが記憶された情報記憶媒体３６が設けられ、制御装置３０が入力装置３１からの入力情報に基づきカッタヘッド１６の回転数を制御し、検出装置３７〜３９からの検出情報に基づきカッタヘッド１６の回転数をフィードバック制御するようになっている。

カッタヘッド１６の回転によって切り出し掘削された固形回収物は、固形回収物の搬送システムによって、チャンバ１２内の泥水と共に地上の泥水処理設備に送られる。

泥水処理設備では、排泥水に含まれる掘削土砂等の固形分と液体分とが分離（固液分離）され、分離後の液体分は、調整槽で必要な成分調整が行われた後、再度シールド掘進機１０へ向け送り出され、送泥水として再利用される。

固形回収物の搬送システムは、図３に示すように、排泥管４０と、この排泥管４０に配置される複数台の排泥ポンプ４２と、第１の固形回収測定装置４４と、複数台の第２の固形回収測定装置４６とを有している。

排泥管４０は、排泥水を固形回収物と共に流動、通過させるもので、チャンバ１２側から坑外へと一定の径で配設されるようになっている。

複数台の排泥ポンプ４２は、排泥管４０に所定間隔で配置され、所定の輸送力が得られるようになっている。

この排泥ポンプ４２の間隔は、例えば２５０ｍ毎に１台配置するようになっている。

また、本実施の形態の場合、３０００ｍ以上の長距離掘進、例えば８０００ｍの長距離掘進を想定しており、このような長距離掘進においては、長距離輸送に伴う管路の摩擦損失が大きく、そのため摩擦損失に応じた排泥ポンプ４２の台数を設備する必要があり、これに伴って固形回収物の溶解率が大きくなって、固形回収率が低下することとなる。

溶解率を下げるためには、カッタヘッド１６での切り出し寸法を大きくする必要があるが、排泥ポンプ４２の構成によっては閉塞が発生することが考えられる。

そのため、本実施の形態では、シールド掘進機１０側から後方側にかけて排泥ポンプ４２の構成を所定距離ごとに変えるようにしている。

具体的には、図３に示すように、０ｍ〜３０００ｍの間と、３０００ｍ〜６０００ｍの間と、６０００ｍ〜８０００ｍｍの間でそれぞれ排泥ポンプ４２の構成を変えるようにしている。

排泥ポンプ４２の構成は、図４（１）に示すような内部に回転する２枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ａと、図４（２）に示すような内部に回転する３枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ｂと、図４（３）に示すような内部に回転する４枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ｃとの３種類を用いている。

排泥ポンプ４２ａの羽根体４８相互の純間隔Ｌ１は７０ｍｍ、排泥ポンプ４２ｂの羽根体４８相互の純間隔Ｌ２は６０ｍｍ、排泥ポンプ４２ｃの羽根体４８相互の純間隔Ｌ３は５０ｍｍとなっている。

そして、０ｍ〜３０００ｍの間には図４（１）に示すような内部に回転する２枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ａ、３０００ｍ〜６０００ｍまでの間には図４（２）に示すような内部に回転する３枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ｂ、６０００ｍ〜８０００ｍの間には図４（３）に示すような内部に回転する４枚の羽根体４８を有する排泥ポンプ４２ｃを設けるようにしている。

このような排泥ポンプ４２の配置とすることにより、カッタヘッド１６によって地山を７０ｍｍ程度に切り出し掘削し、羽根体４８相互の純間隔Ｌ１が７０ｍｍの排泥ポンプ４２ａによって固形回収物を０ｍ〜３０００ｍの間で輸送することにより、破砕を最小限に抑えて、固形回収率を上げるようにしている。

この区間では、当初は７０ｍｍ程度の固形回収物５０ａの直径で輸送を開始し、徐々に溶解して３０００ｍｍ程度で直径６０ｍｍ程度の固形回収物となる。

そこからは、羽根体４８相互の純間隔Ｌ２が６０ｍｍの排泥ポンプ４２ｂによって固形回収物５０ｂを６０００ｍまで輸送する。

この場合、５０００ｍ程度で固形回収物５０ｃが直径５２ｍｍ程度まで溶解し、６０００ｍに達するときには直径５０ｍｍ程度になる。

そして、６０００ｍ〜８０００ｍまでは、羽根体４８相互の純間隔Ｌ３が５０ｍｍの排泥ポンプ４２ｃによって固形回収物を輸送する。

この区間では、７０００ｍ程度で溶解により固形回収物５０ｄの直径が４０ｍｍ程度になり、およそ同程度の直径で固形回収されることとなる。

このように、排泥ポンプ４２が閉塞しない最大限の大きさで地山を切り出し掘削し、排泥ポンプ４２の羽根体４８の枚数をシールド掘進機１０側から後方側にかけて所定距離ごとに増加させることにより、固形回収物を極力破砕せずに搬送し、固形回収率を上げて、泥水処理設備における１次処理で分級される固形分の量を増加させて２次処理を効率化し、２次処理設備をコンパクトにすることで、必要な立坑用地を省面積化することができることとなる。

また、水分を含む軟弱土で、産業廃棄物（汚泥）として取り扱われる２次処理土を減少させて、その処分に関する多大な労力と費用を削減することが可能となる。

また、本実施の形態のように、羽根体４８の枚数の異なった排泥ポンプ４２を使用する場合、通過寸法が異なるため、溶解率の変化によっては、閉塞が発生することが考えられる。

そのため、本実施の形態では、シールド掘進機１０と最初の排泥ポンプ４２ａとの間の排泥管４０に固形回収物５０の切り出し大きさを測定する第１の固形回収測定装置４４を設けると共に、この最初の排泥ポンプ４２ａから後方の排泥管４０に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第２の固形回収測定装置４６を所定間隔で設けるようにしている。

第１及び第２の固形回収測定装置４４、４６は、本願出願人が先に提案した特開平９−１５９６２３号公報に記載された測定装置を用いることが好ましい。

この測定装置は、泥水に電波を放射し、泥水中を伝播する電波を受信し、この受信レベルにより個体の密度を演算し、この密度から固体の大きさを演算する装置であり、正確に測定することが出来るものである。

また、第２の固形回収測定装置４６は、具体的には、図３に示すように、略３００ｍに１台、６０００ｍに１台の２台設置するようにしている。

そして、第１の固形回収測定装置４４及び第２の固形回収測定装置４６の測定結果より制御装置３０が固形回収物の溶解率を演算し、その測定結果と固形回収物の溶解率とに基づき制御装置３０がカッタヘッド１６の回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整するようにしている。

この場合、複数台設置された第２の固形回収測定装置４６により測定された固形回収物の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較し、最適な排泥ポンプ４２の羽根体４８の枚数を決定するようにするとよい。

また、土質の変化により排泥ラインでの溶解率が変化した場合、複数台設置された第２の固形回収測定装置４６により固形回収物の寸法と溶解率を測定し、閉塞等の不具合防止と固形回収率を低下させないようにカッタヘッド１６での切り出し寸法を調整するようにするとよい。

次に、このような固形回収物の搬送システムを用いた固形回収物の搬送方法について説明する。

まず、シールド掘進機１０側から後方側にかけて各排泥ポンプ４２の羽根体４８の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプ４２ａ、４２ｂ、４２ｃにより、揚程を上げて泥水と共に固形回収物５０を輸送する。

この場合、シールド掘進機１０側から後方側にかけて各排泥ポンプ４２の羽根体４８の枚数を所定距離ごとに増加させることにより、カッタヘッド１６による固形回収物５０の切り出し寸法を大きくしても初期段階で閉塞することなく固形回収物５０を輸送することができ、後方にいくにしたがって溶解率が大きくなる段階で揚程を上げて確実な輸送を行うことができる。

次に、シールド掘進機１０と最初の排泥ポンプ４２ａとの間の排泥管４０に設けた第１の固形回収測定装置４４により固形回収物５０の切り出し大きさを測定する。

この場合、第１の固形回収測定装置４４により確実に固形回収物５０の切り出し大きさを監視することができる。

次いで、最初の排泥ポンプ４２ａから後方の排泥管４０に所定間隔で設けた複数台の第２の固形回収測定装置４６により後方での固形回収物５０の大きさを測定する。

この場合、複数台の第２の固形回収測定装置４６により溶解していく後方での固形回収物５０の大きさを確実に監視することができる。

そして、第１の固形回収測定装置４４及び第２の固形回収測定装置４６の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物５０の溶解率とに基づき制御装置３０がカッタヘッド１６の回転数を制御して固形回収物５０の切り出し寸法を調整する。

このように、第１の固形回収測定装置４４に加え、最初の排泥ポンプ４２ａから後方の排泥管４０に複数台の第２の固形回収測定装置４６を所定間隔で設け、制御装置３０により、第１の固形回収測定装置４４及び第２の固形回収測定装置４６の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物５０の溶解率とに基づきカッタヘッド１６の回転数を制御して固形回収物５０の切り出し寸法を調整することで、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。

特に、掘削経路の土質の変化により、排泥ラインでの溶解率が変化した場合、カッタヘッドにより切り出し寸法を調整することで、土質の変化にかかわらず、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率の低下を防止することができる。

さらに、複数台の第２の固形回収測定装置４６により測定された固形回収物５０の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較して複数の排泥ポンプ４２における最適な羽根体４８の枚数を決定することができる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変更することができる。

例えば、排泥ポンプとして２枚、３枚、４枚の羽根体を有するものについて説明したが、羽根体の枚数は前記実施の形態に限定されるものではない。

また、第２の固形回収測定装置の台数は、前記実施の形態の場合に限らず任意の台数とすることができる。

本実施の形態における固形回収物の搬送システムに用いられる泥水式シールド工法におけるシールド掘進機の概略図である。 図１のカッタヘッドの正面図である。 本実施の形態における固形回収物の搬送システムの概略図である。 （１）は２枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図、（２）は３枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図、（３）は４枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図である。

符号の説明

１０ シールド掘進機
１２ チャンバ
１４ 切羽
１６ カッタヘッド
３０ 制御装置
４０ 排泥管
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ 排泥ポンプ
４４ 第１の固形回収測定装置
４６ 第２の固形回収測定装置
４８ 羽根体
５０、５０ｓ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ 固形回収物
７０、７１、７２、７３、７４、７５、７６、７７、８０ 先行ビット
９０ 後行ビット

Claims (2)

1. 先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送システムであって、
   前記排泥ポンプは、シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させ、
   前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に固形回収物の大きさを測定する第１の固形回収測定装置を設けると共に、当該排泥ポンプから後方の排泥管に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第２の固形回収測定装置を所定間隔で設け、
   前記第１の固形回収測定装置及び第２の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する制御手段を設けたことを特徴とするシールド掘進機における固形回収物の搬送システム。
2. 先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送方法であって、
   シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプにより、揚程を上げて泥水と共に前記固形回収物を輸送する工程と、
   前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に設けた第１の固形回収測定装置により固形回収物の切り出し大きさを測定する工程と、
   当該排泥ポンプから後方の排泥管に所定間隔で設けた複数台の第２の固形回収測定装置により後方での固形回収物の大きさを測定する工程と、
   前記第１の固形回収測定装置及び第２の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき制御手段が前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する工程と、
   を含むことを特徴とするシールド掘進機における固形回収物の搬送方法。

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