JP5303071B1 - シールド掘削機、及びシールド工法 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド掘進において、攪拌効率を向上させる。
【解決手段】本体１０前面で地山を掘削するカッター１１の背面側に設けられたチャンバー１３内に掘削土を取り込み、その掘削土をチャンバー１３内で攪拌するシールド掘削機１であって、本体１０内でチャンバー１３の背面に位置する隔壁１４に、前進・後退動作する固定攪拌翼１７を備える。さらに、固定攪拌翼１７は回転角度可変である。そして、汚染土壌内を掘進する場合は、隔壁１４前面から固定攪拌翼１７をチャンバー１３内に押し出す。さらに、固定攪拌翼１７は断面三角形状で、その断面三角形状の固定攪拌翼１７を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させる。また、攪拌効率の向上が必要ない土壌内を掘進する場合は、チャンバー１３内から固定攪拌翼１７を隔壁１４内部に引き戻す。
【選択図】図２

Description

本発明は、シールド掘削機と、それを用いるシールド工法に関する。

本出願人等は、揮発性有機化合物を含む汚染土壌の地山内をシールド掘進する際の掘削土の浄化処理に、シールド掘削機自体を有効利用することで、浄化処理の効率化を図り、しかも、良好な坑内環境を維持することができる技術を提案した（特許文献１参照）。
これは、揮発性有機化合物を含む汚染土壌の地山のシールド切羽において、超微細鉄粉溶液と微粉末活性炭溶液を使用する浄化剤を添加して、シールド掘削機のチャンバー内に取り込まれる浄化剤を含む掘削土を、攪拌手段で攪拌混合してから、チャンバー内の攪拌済み掘削土をチャンバー外に搬送する技術である。
ここで、泥土圧シールド工法における作泥材や気泡材などのシールド添加材は、カッター前面あるいはチャンバー隔壁前面の注入孔から添加する方法が一般的である。

ところで、砒素などの重金属を含む汚染土壌においては、掘削土に不溶化材を添加して浄化する必要がある。

なお、シールド掘削機において、固定攪拌棒に、チャンバー内に作泥材を注入するための注入孔を設けたものがある（特許文献２参照）。
また、断面三角形、断面山形または断面Ｔ字形の固定攪拌板もある（特許文献３参照）。

特開２０１２−１２０９８７号公報 特開２０１０−７７７１５号公報 特開２００５−２１３７９０号公報

泥土圧シールド掘削機において、通常、チャンバー隔壁に設置された攪拌翼は固定式であるため、シールド施工時には攪拌翼の数は変更できない。そのため、汚染土壌内での掘進では、不溶化材を掘削土に均一に攪拌混合するために長い時間が必要となり、掘進の進捗を低下せざるを得なくなる。
また、汚染されていない土壌内での掘進では、チャンバー隔壁に設置した攪拌翼により、カッターの回転抵抗が大きくなるため、掘進の進捗を低下せざるを得なくなる。

本発明の課題は、シールド掘進において、攪拌効率を向上させることである。
また、本発明は、攪拌効率の向上が必要ない土壌内のシールド掘進では、シールド掘進の進捗を低下させない効率的な施工を可能にすることも課題とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
本体前面で地山を掘削するカッターの背面側に設けられたチャンバー内に掘削土を取り込み、その掘削土を前記チャンバー内で攪拌するシールド掘削機であって、
前記本体内で前記チャンバーの背面に位置する隔壁に、前進・後退動作する固定攪拌翼を備え、
かつ前記固定攪拌翼は断面三角形状で、
その断面三角形状の固定攪拌翼を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させることが可能となっていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のシールド掘削機であって、
前記チャンバー内に添加材を注入する注入孔を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載のシールド掘削機であって、
前記添加材は不溶化材であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド掘削機を用いるシールド工法であって、
攪拌効率の向上を必要とする土壌内を掘進する場合は、前記隔壁前面から前記固定攪拌翼を前記チャンバー内に押し出して行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項４に記載のシールド工法であって、
汚染土壌内を掘進することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項４または５に記載のシールド工法であって、
前記断面三角形状の固定攪拌翼を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
請求項４または５に記載のシールド工法であって、
攪拌効率の向上が必要ない土壌内を掘進する場合は、前記チャンバー内から前記固定攪拌翼を前記隔壁内部に引き戻すことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、
請求項７に記載のシールド工法であって、
汚染されていない土壌内を掘進することを特徴とする。

本発明によれば、シールド掘進で攪拌効率が向上する。
また、攪拌効率の向上が必要ない土壌内のシールド掘進では、カッターの回転抵抗が小さくなることから、シールド掘進の進捗を低下させない効率的な施工ができる。

本発明を適用したシールド工法の一実施形態を示す概略説明図である。 図１のシールド掘削機の拡大図である。 図２の固定攪拌翼の正面図（ａ）とその固定攪拌翼を適正角度位置に回転させた状態を示した図（ｂ）である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

（工法）
砒素などの重金属を含む汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土に不溶化材を添加して浄化する方法であって、シールド掘削機のチャンバー内にて汚染土壌の掘削土に不溶化材を添加する工程と、チャンバー内の不溶化材を含む掘削土を、チャンバー隔壁の内部に設置した三角形状の固定攪拌翼をジャッキ等によりチャンバー内に押し出すことで、固定攪拌翼の数を増やして攪拌混合する工程と、チャンバー内の攪拌混合済みの掘削土をチャンバー外に搬出する工程を行う。
また、重金属で汚染されていない土壌内のシールド掘進する際には、チャンバー隔壁内部に固定攪拌翼を引き戻すことで、回転しない攪拌翼の数を減らして作業を効率化する工程を行う。
なお、汚染土壌が含む重金属の種類により、不溶化材には不溶化に適した性質を有する単独あるいは複数の不溶化材を溶液あるいはスラリー状の状態で使用する。

（実施形態）
図１は本発明を適用したシールド工法の一実施形態を示すもので、１は泥土圧シールド掘削機、２は発進基地、３は立坑、４はシールドトンネル、５は溶液・スラリーミキサーポンプ、６は中継ポンプ、７は土砂搬送ベルトコンベア、８は土砂ピットである。

図示のように、泥土圧シールド掘削機１は、発進基地２の立坑３から発進し、砒素などの重金属を含む汚染土壌等の土壌を掘削してシールドトンネル４を形成する。そのシールド掘進の際は、溶液・スラリーミキサーポンプ５から中継ポンプ６を経て不溶化材と作泥材や気泡材などを含む溶液・スラリーが泥土圧シールド掘削機１のヘッド部Ｈに供給されて、掘削土と溶液・スラリーが攪拌混合される。
そして、不溶化処理済みの掘削土は、泥土圧シールド掘削機１から、シールドトンネル４内に敷設した土砂搬送ベルトコンベア７により地上の土砂ピット８に搬出される。

図２は泥土圧シールド掘削機１を拡大したもので、１０は掘削機本体、１１はカッター、１２はカッタースポーク、１３はチャンバー、１４は隔壁、１５は中間支持部材、１６は回転攪拌翼、１７は固定攪拌翼、１８はシリンダユニット、１９はアジテータ、２０はスクリューコンベア、２１・２２・２３は注入孔である。

泥土圧シールド掘削機１は、図示のように、掘削機本体１０の前端部に地山を掘削するカッター１１を備えるカッタースポーク１２が回転自在に組み付けられて、カッタースポーク１２の背面側にチャンバー１３が形成されていて、チャンバー１３の背面側を仕切る隔壁１４が設けられている。

図示例では、大径のカッタースポーク１２であることから、カッタースポーク１２と隔壁１４との間に中間支持部材１５が掛け渡されている。中間支持部材１５は、カッタースポーク１２の背面に固定されていて、後端部には、隔壁１４の前面に当接して回転する図略の回転板が固定されている。

また、カッタースポーク１２の背面には、チャンバー１３内を隔壁１４の近傍まで伸びる複数の回転攪拌翼１６が備えられている。

そして、隔壁１４には、チャンバー１３内に前進・後退動作する複数の固定攪拌翼１７が備えられている。すなわち、固定攪拌翼１７は、隔壁１４の背面に固定されたシリンダユニット１８の駆動によりチャンバー１３内に隔壁１４から前進・後退動作する。

さらに、隔壁１４には、チャンバー１３内に突出して自身が回転動作するアジテータ１９が備えられている。

なお、固定攪拌翼１７は、図３（ａ）に示すように、断面三角形状で、固定攪拌翼１７をチャンバー１３内に押し出した状態（図２の上半部参照）において、図示しない駆動手段で、図３（ｂ）に示すように、固定攪拌翼１７の断面三角形状の一角部が回転攪拌翼１６の回転による掘削土の回転方向（矢印参照）に対向して、攪拌効率の優れた角度位置に回転させることが可能となっている。

また、掘削機本体１０内には、図２に示したように、隔壁１４の下部からチャンバー１３内に前端部が突出したスクリューコンベア２０が設置されている。チャンバー１３内の底部からスクリューコンベア２０によって掘削土が土砂搬送ベルトコンベア７に排出される。

ここで、カッタースポーク１２の前面には、カッタースポーク１２の回転軸の内部を通りカッタースポーク１２内を通って供給される作泥材や気泡材などの添加材を、矢印で示したように、切羽に注入する注入孔（図略）が開口して形成されている。

そして、カッタースポーク１２の背面には、カッタースポーク１２の回転軸の内部を通りカッタースポーク１２内を通って供給される不溶化材を、矢印で示したように、チャンバー１３に注入する注入孔２１が開口して形成されている。

また、中間支持部材１５のカッタースポーク１２側の基端部にも、矢印で示したように、不溶化材をチャンバー１３に注入する注入孔２２が開口して形成されている。

また、回転攪拌翼１６のカッタースポーク１２側の基端部にも、矢印で示したように、不溶化材をチャンバー１３に注入する注入孔２３が開口して形成されている。

次に、実施形態の泥土圧シールド掘削機１を用いて行う汚染土壌を不溶化するシールド工法について説明する。

先ず、砒素などの重金属を含む汚染土壌のシールド掘削に際しては、図２の上半部に示したように、シリンダユニット１８の駆動により固定攪拌翼１７をチャンバー１３内に押し出した状態にしておく。

そして、押し出した状態の固定攪拌翼１７を、図３（ｂ）に示すように、その断面三角形状の一角部が回転攪拌翼１６の回転による掘削土の回転方向（矢印参照）に対向する角度位置に回転させておく。

切羽において、回転するカッタースポーク１２前面のカッター１１により地山が掘削されると同時に、カッタースポーク１２前面の注入孔（図略）から作泥材や気泡材などの添加材が切羽に注入されて、その添加材を混入した掘削土がチャンバー１３に取り込まれる。

チャンバー１３内には、カッタースポーク１２背面の注入孔２１と、中間支持部材１５基部の注入孔２２と、回転攪拌翼１６基部の注入孔２３とから汚染土壌を浄化する不溶化材が掘削土に注入されて、その不溶化材を添加した掘削土が回転攪拌翼１６、固定攪拌翼１７、及びアジテータ１９により攪拌混合される。

こうして、不溶化材を添加して回転攪拌翼１６、固定攪拌翼１７、及びアジテータ１９により攪拌混合した不溶化処理済みの掘削土は、チャンバー１３内の底部からスクリューコンベア２０によって土砂搬送ベルトコンベア７に排出される。

また、汚染されていない土壌内をシールド掘進する場合には、図２の下半部に示したように、シリンダユニット１８の駆動により固定攪拌翼１７をチャンバー１３内から隔壁１４内部に引き戻した状態にしておく。

これにより、チャンバー１３内には固定攪拌翼１７が存在しなくなり、カッター１１の回転抵抗が小さくなって、効率よいシールド掘進が行える。

以上、実施形態の泥土圧シールド掘削機１による汚染土壌を不溶化するシールド工法によれば、汚染土壌内を掘進する場合は、隔壁１４の前面から固定攪拌翼１７をチャンバー１３内に押し出すことで、汚染土壌内のシールド掘進で攪拌効率を向上することができる。

そして、断面三角形状の固定攪拌翼１７を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させることで、攪拌効率をより向上することができる。

さらに、汚染されていない土壌内を掘進する場合は、チャンバー１３内から固定攪拌翼１７を隔壁１４内部に引き戻すことで、固定攪拌翼１７をなくして、カッター１１の回転抵抗が小さくなることから、シールド掘進の進捗を低下させないで効率的に施工することができる。

また、カッタースポーク１２の背面の注入孔２１と、中間支持部材１５の基部の注入孔２２と、回転攪拌翼１６の基部の注入孔２３とからチャンバー１３内に、汚染土壌を浄化する不溶化材を添加して、汚染土壌を不溶化することにより、塑性流動性を有した掘削土に回転する複数位置から不溶化材を添加して、チャンバー１３から排土されるまで攪拌混合する時間が十分にあるため、均一に攪拌混合することができる。従って、汚染土壌の不溶化を効率化することができる。

（変形例）
以上の実施形態においては、不溶化材を添加するシールド掘削機としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の浄化剤や作泥材や気泡材などの添加材を注入するシールド掘削機であってもよい。
また、カッタースポーク、チャンバー、攪拌翼、隔壁、中間支持部材の構成等も任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
例えば、固定攪拌翼の前端部に注入孔を設けてもよく、また、注入孔はカッタースポーク背面、中間支持部材または攪拌翼のいずれかに設けるだけでもよい。

１ シールド掘削機
２ 発進基地
３ 立坑
４ シールドトンネル
５ 溶液・スラリーミキサーポンプ
６ 中継ポンプ
７ 土砂搬送ベルトコンベア
８ 土砂ピット
１０ 掘削機本体
１１ カッター
１２ カッタースポーク
１３ チャンバー
１４ 隔壁
１５ 中間支持部材
１６ 回転攪拌翼
１７ 固定攪拌翼
１８ シリンダユニット
１９ アジテータ
２０ スクリューコンベア
２１・２２・２３ 注入孔

Claims (8)

1. 本体前面で地山を掘削するカッターの背面側に設けられたチャンバー内に掘削土を取り込み、その掘削土を前記チャンバー内で攪拌するシールド掘削機であって、
   前記本体内で前記チャンバーの背面に位置する隔壁に、前進・後退動作する固定攪拌翼を備え、
   かつ前記固定攪拌翼は断面三角形状で、
   その断面三角形状の固定攪拌翼を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させることが可能となっていることを特徴とするシールド掘削機。
2. 前記チャンバー内に添加材を注入する注入孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のシールド掘削機。
3. 前記添加材は不溶化材であることを特徴とする請求項２に記載のシールド掘削機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のシールド掘削機を用いるシールド工法であって、
   攪拌効率の向上を必要とする土壌内を掘進する場合は、前記隔壁前面から前記固定攪拌翼を前記チャンバー内に押し出すことを特徴とするシールド工法。
5. 汚染土壌内を掘進することを特徴とする請求項４に記載のシールド工法。
6. 前記断面三角形状の固定攪拌翼を押し出した状態で攪拌効率の優れた角度位置に回転させることを特徴とする請求項４または５に記載のシールド工法。
7. 攪拌効率の向上が必要ない土壌内を掘進する場合は、前記チャンバー内から前記固定攪拌翼を前記隔壁内部に引き戻すことを特徴とする請求項４または５に記載のシールド工法。
8. 汚染されていない土壌内を掘進することを特徴とする請求項７に記載のシールド工法。

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