JP4982646B2 - シールド掘進機の固形回収システム - 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の固形回収システムに関する。

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、長距離掘進を行う場合、管路の摩擦損失に応じた台数の排泥ポンプを設置する必要があり、そのため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することとなる。

そこで、坑内で固形回収物を回収しようとすると、排泥ポンプの吐出圧力損失が少ない状態で大気開放されるため、切羽水圧を保持できず、排泥ポンプの回転数制御ができない状態となる。

そのため、必要な排泥ポンプの吐出圧力損失を得るために排泥ポンプから固形回収位置までの配管延長を行わなければならず、固形回収位置は排泥ポンプから５００〜１，０００ｍ後方にしなければならなくなる。

しかし、このようにすると、通常の後続台車の他に独立した固形回収台車が必要となり施工性が劣ることとなり、また、掘進初期時の固形回収ができず、さらには、高速施工時の同時施工作業が５００〜１，０００ｍ遅れてしまうこととなるものである。

本発明の目的は、長距離掘進において坑内で固形回収物の回収を行う場合、排泥ポンプから固形回収位置までの配管延長が短くても切羽水圧を保持しながら排泥ポンプの回転数制御を行うことができ、独立した固形回収台車が不要となり施工性がよく、初期掘進途中から固形回収ができ、さらには、高速施工時の同時並行が早期に行えるシールド掘進機の固形回収システム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の固形回収システムは、カッタヘッド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坑内の一次前処理機まで輸送して前記一次前処理機で固形回収物を排泥管より取り出し回収するシールド掘進機の固形回収システムであって、
前記一次前処理機をシールド掘進機と接続した後続台車上に設置し、
最初の排泥ポンプと前記一次前処理機付近までの間の排泥管を内壁面に排泥管自体の抵抗を増加させる抵抗部を有する圧力損失増特殊管にて形成して切羽水圧を保持可能にしたことを特徴とする。

本発明によれば、長距離掘進において坑内で固形回収物の回収を行う場合、最初の排泥ポンプと前記一次前処理機までの間の排泥管を内壁面に排泥管自体の抵抗を増加させる抵抗部を有する圧力損失増特殊管にて形成することで、排泥ポンプから固形回収位置までの配管延長が短くても切羽水圧を保持しながら排泥ポンプの回転数制御を行うことができ、そのため一次前処理機を後続台車上に設置することが可能となり、独立した固形回収台車が不要となり施工性がよく、初期掘進途中から固形回収ができ、さらには、高速施工時の同時並行が早期に行えることとなる。

本発明においては、前記圧力損失増特殊管は、前記抵抗部を内壁面に沿って螺旋状に連続して突出させた凸部とすることができる。

このような構成とすることにより、排泥管自体の抵抗を確実に増加させことができる。

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４は、本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機の固形回収システムを示す図である。

図１は、本実施の形態に係るシールド掘進機の固形回収システムの全体概略図である。

このシールド掘進機１０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、地上設備より送泥管２０を介して送られるようになっている。

カッタヘッド１６には図示せぬが地山をほぼ一定の間隔で先行掘削する先行ビットと、この先行掘削した間の部分の地山、すなわち、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とが設けられており、カッタヘッド１６が、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、通常、シールド掘進機１０による掘進距離が短い場合には、排泥ポンプ及び排泥管によりチャンバ１２内の泥水と共に地上の泥水処理設備へと流体輸送され、そこで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ようになっている。

ところで、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台数の排泥ポンプ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。

そのため、本実施の形態における固形回収システムでは、カッタヘッド１６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た固形回収物を、排泥ポンプ２２によりチャンバ１２内の泥水と共に排泥管２４、２６、２８内を坑内の一次前処理機３０まで搬送して、一次前処理機３０で固形回収物３２を排泥管２８より取り出し回収するようにしている。

この場合、排泥ポンプ２２の吐出圧力損失が少ない状態で大気開放されると、切羽水圧を保持できず、排泥ポンプ２２の回転数制御ができない状態となるため、必要な吐出圧力損失が得られるように、配管延長を行おうとすると、固形回収位置は排泥ポンプから５００〜１，０００ｍ後方にしなければならなくなり、通常の後続台車の他に独立した固形回収台車が必要となり施工性が劣り、また、掘進初期時の固形回収ができず、さらには、高速施工時の同時施工作業が５００〜１，０００ｍ遅れてしまうこととなる。

そこで、本実施の形態では、一次前処理機３０をシールド掘進機１０と接続した後続台車３４上に設置し、最初の排泥ポンプ２２から一次前処理機３０付近までの間の排泥管２６を圧力損失増特殊管にて形成することで、短い距離で切羽水圧を保持可能にしている。

この圧力損失増特殊管は、図２（Ａ）に示すように、管体３６の内壁面に排泥管２６自体の抵抗を増加させる抵抗部３６を有するものとされている。

この抵抗部３６は、内壁面に沿って螺旋状に連続して突出させた断面略台形状の凸部とされている。

また、圧力損失増特殊管は、例えば、管体３６の内径ｉが２５０ｍｍ、凸部の突出量ｈが２．５ｍｍ〜５ｍｍ、幅ｗが１０ｍｍ、間隔ｓが２５ｍｍ、内壁面の粗さが関係粗度０．０１〜０．０２とされている。

なお、排泥管２４、２８には、通常使用される排泥管が用いられるようになっている。

そして、排泥ポンプ２２及び排泥管２４、２６、２８によりチャンバ１２内の泥水と共に固形回収物が後続台車３４上に設置された一次前処理機３０へと排泥管２６で切羽水圧を保持するに十分な圧力損失がなされて流体輸送され、そこで大気開放されて固形回収物３２が回収され、一次前処理機３０から固形回収物３２がベルトコンベア４０上に落下されてズリトロへと運ばれて地上へと搬送されるようになっている。

一方、固形回収物３２の除かれた泥水は、一次前処理機３０から泥水受槽４２へと移され、そこから排泥ポンプ４４及び排泥管４６により地上設備へと搬送されるようになっている。

なお、図示せぬが、泥水受槽４２内の泥水は、一部がチャンバ１２に循環されるようになっている。

このように、本実施の形態では、一次前処理機３０をシールド掘進機１０と接続した後続台車３４上に設置し、最初の排泥ポンプ２２から一次前処理機３０までの間の排泥管２６を圧力損失増特殊管にて形成することで、短い距離で切羽水圧を保持可能にし、独立した固形回収台車が不要となり施工性がよく、初期掘進途中から固形回収ができ、さらには、高速施工時の同時並行が早期に行えることとなる。

次に、このような固形回収システムにおいて、切羽水圧が予想最大圧５５０ｋＰａになったときでも、排泥ポンプ２６の制御を可能とするために、チャンバ１２から一次前処理機３０間で５８．２ｍ以上の抵抗損失揚程が必要となる場合を想定して検討を行う。

この場合、排泥管２４、２８として新品鋼管をｌｄ、ｌｆ区間に使用し、排泥管２６として抵抗損失増特殊管をｌｅ区間に使用して、排泥ポンプ２２から一次前処理機３０までの間の配管延長の短縮を図ることとした。

本検討における排泥系統の条件を以下に示す。
Hf₂s ：必要抵抗損失揚程 ＝ ５８．２ （ｍ）
ｄ ：管内径 ＝ ０．２５４２（ｍ）
Ｖ ：管内流速 ＝ ７．８８ （ｍ／ｓ）
δ ：排泥液比重 ＝ １．２９８
ｌｄ ：新品鋼管使用区間 ＝ ２０ （ｍ）
ｌｆ ：新品鋼管使用区間 ＝ ５ （ｍ）

総抵抗損失揚程（Hf₂s）の算出
チャンバ１２から一次前処理機３０までの配管の抵抗損失ｈｆの算出には、以下のDarcy-Weisbachの式を用いる。
ここで、hf：配管抵抗損失 （ｍ／ｍ）
λ：管摩擦係数
ｄ：管内径 （ｍ）
Ｖ：管内流速（ｍ／ｓ）
ｇ：重力加速度

Hanzen-Willamの式を用いた管摩擦係数（λ）の算定
上水道の送配水管路設計に広く用いられているHanzen-Willamの式を用いて管摩擦係数（λ）を算定し、総抵抗損失揚程（Hf₂s）を算出する。
ここで、λ：管摩擦係数
ｄ：管内径 （ｍ）
Ｖ：管内流速（ｍ／ｓ）
Ｃ：管内面粗度係数

管内面粗度係数（Ｃ）の値を、図３に示す管の種類、内壁の状態による係数一覧を参考に、
新品鋼管 ＝ １２０
圧力損失増特殊管＝ ９０ とすると、
管摩擦係数（λ）は、
新品鋼管 ：λ１ ＝０．０１３
圧力損失増特殊管：λ２ ＝０．０２２ となる。

したがって、各区間の配管抵抗損失（hf）は、
１ｄ区間：新品鋼管使用 λ＝λ１＝０．０１３ ∴hf_d＝０．２１０（ｍ）
１ｅ区間：圧力損失増特殊管使用 λ＝λ２＝０．０２２ ∴hf_e＝０．３５８（ｍ）
１ｆ区間：新品鋼管使用 λ＝λ１＝０．０１３ ∴hf_f＝０．２１０（ｍ）
となる。

チャンバ１２から一次前処理機３０の間において、バルブ（相当直管長さ：３．２ｍ）×３個、エルボ（相当直管長さ：３．６ｍ）×４個使用すると仮定すると、チャンバ１２から一次前処理機３０までの総抵抗損失揚程（Hf₂s）は、
Hf₂s ＝（１ｄ×hf_d）＋（１ｅ×hfｅ）＋（１ｆ×hfｆ）
＋（バルブ及びエルボの相当直管長さ）

５８．２＝（２０×０．２１０）＋（１ｅ×０．３５８）＋（５×０．２１０）
＋（３．２×３＋３．６×４）
＝４．２＋（１ｅ×０．３５８）＋１．０５＋２４

２８．９５＝１ｅ×０．３５８

∴ １ｅ＝８０．９

したがって、チャンバ１２から一次前処理機３０の間に圧力損失増特殊管を８０．９ｍ布設することにより、切羽水圧が予想最大圧になった場合でも、排泥ポンプ２２の制御を可能とする。

Moody線図を用いた管摩擦係数λの算定
次に、各実験式や理論式をもとにしてレイノルズ数Ｒと管摩擦係数λ、及び関係粗度（Relative roughness）との実用的な関係線図を示したMoody線図（図４参照）を用いて、管摩擦係数λを算定する。

レイノルズ数（Ｒ）の算出
レイノルズ数（Ｒ）の算出には、次式を用いる。
ここで、Ｒ：レイノルズ数
ｄ：管内径 （ｍ）
Ｖ：管内流速 （ｍ／ｓ）
ｖ：動粘性係数 （ｍ²／ｓ）

１５℃での水の動粘性係数は、ｖ＝１．１５Ｅ−０６（ｍ²／ｓ）であるから、
となる。

関係粗度の算出
関係粗度（Relative roughness）は、内壁の粗さを決める基準として、円管内壁にある凸部の平均高さをｈ、円管内の直径をｄとすると、ｈ／ｄで表される。

凸部の平均高さを、新品鋼管 ｈ＝０．０４６（ｍｍ）
圧力損失増特殊管 ｈ＝ ２．５（ｍｍ）とすると、
関係粗度は、 新品鋼管 ｈ／ｄ＝０．０００２
圧力損失増特殊管 ｈ／ｄ＝ ０．０１ となる。

管摩擦係数（λ）の算定
上記で求めたレイノルズ数（Ｒ）と関係粗度を、図４に示すMoody線図に当てはめると、
管摩擦係数λは、
新品鋼管 ：λ１ ＝０．０１４
圧力損失増特殊管：λ２ ＝０．０３８と算定される。

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、前記実施の形態における圧力損失増特殊管における内壁面の抵抗部は、内壁面に沿って連続して突出させた螺旋状のものとなっているが、この例に限らず螺旋状に連続する凹部とすることも可能である。

本発明の一実施の形態に係るシールド掘進機の固形回収システムの全体概略図である。 （Ａ）は図１の排泥管に用いられる圧力損失増特殊管の拡大側面図、（Ｂ）はその部分拡大断面図である。 管の種類、内壁の状態による係数一覧を示す図である。 管摩擦係数λの算定に用いるMoody線図である。

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
２２ 排泥ポンプ
２４、２６、２８ 排泥管
３０ 一次前処理機
３２ 固形回収物
３４ 後続台車
３８ 抵抗部

Claims (2)

1. カッタヘッド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坑内の一次前処理機まで輸送して前記一次前処理機で固形回収物を排泥管より取り出し回収するシールド掘進機の固形回収システムであって、
   前記一次前処理機をシールド掘進機と接続した後続台車上に設置し、
   最初の排泥ポンプと前記一次前処理機付近までの間の排泥管を内壁面に排泥管自体の抵抗を増加させる抵抗部を有する圧力損失増特殊管にて形成して切羽水圧を保持可能にしたことを特徴とするシールド掘進機の固形回収システム。
2. 請求項１において、
   前記圧力損失増特殊管は、前記抵抗部が内壁面に沿って螺旋状に連続して突出させた凸部とされていることを特徴とするシールド掘進機の固形回収システム。