JP5476057B2 - 管渠構築における土砂排出方法および土砂排出装置 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法や推進工法による管渠構築に採用されている真空吸引輸送方式によって掘削土砂を切羽から坑外立坑下、さらに立坑上に至る迄、排泥管内で閉塞することなく円滑に搬出する土砂排出方法、およびこれに使用する土砂排出装置に関する。

シールド工法および推進工法のうち、泥濃式は、前部が隔壁で密閉された掘進機のカッタチャンバ内に高濃度泥水を加圧充満し、切羽の安定を図りながら掘進する方式であり、掘削土砂の搬出方法として主に真空吸引輸送方式が採用されている。真空吸引輸送方式は、瞬時に掘削土砂を搬出でき、また掘進設備が小規模であるという利点があるため、真空吸引輸送方式を用いる泥濃式は泥水式や土圧（泥土圧）式等の他の工法よりも小口径管渠構築の主流となりつつある

しかしながら、従来の泥濃式による真空吸引輸送方式では、長距離管渠構築時や発進立坑部の揚程が高い場合において、切羽から坑外立坑下さらに立坑上に至るまでの輸送効率低下による排泥管閉塞トラブルが頻繁に発生し問題となった。その原因としては、（イ）距離に比例して増大する、排泥管と排泥塊との摩擦抵抗、（ロ）立坑下坑口部から立坑上への垂直輸送時、吸泥排土装置に大きな負荷がかかることによる吸泥能力の低下、（ハ）坑内急曲線配管部や立坑下坑口部で水平輸送から垂直輸送に切り替わる曲線配管部に、排泥塊がぶつかることによる排泥塊の流速低下などが挙げられる。

この問題を解決するため方法の1つとして、これまで坑内を水平輸送される排泥を立坑下に据え置いた密閉タンクに貯泥し、立坑上へはクレーン設備でコンテナタンクを搬出する方式や、複数の吸泥排土装置により水平輸送と垂直輸送を別系統に分ける、いわば２段階輸送方式が採用されてきた。

しかし、前者の方法は、立坑上へはクレーン設備を使用するため、人的ロスと時間的ロスが問題となる。後者の方法では高額な吸泥排土装置を２台必要とするためコスト面と吸泥排土装置の設置場所が問題となる。また、水平輸送または垂直輸送だけに吸排泥装置を２台連結させて使用する場合は、更に多数の吸泥排土装置が必要となるため大きな問題となる。

しかし、このような課題に対して、従来は有効な解決手段が見出されていなかったのが実情である。例えば、下記の特許文献１には、シールド工法と推進工法を併用する管路の構築工法が記載されているが、掘削土砂の搬出方法については記載されていない。

特開２００７−２３７４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来のような手間や高額な設備をかけることなく、長距離管渠構築時や発進立坑部の揚程が高い場合においても、切羽から坑外立坑下さらに立坑上に至るまでの輸送効率を高めることができる土砂排出方法および土砂排出装置を提供することである。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、切羽から立坑下までの排泥管と、立坑下から立坑上に到るまでの排泥管との間に、土砂の中継または貯留用のタンクを介在させる場合は、切羽から坑外立坑下さらに立坑上に至るまでの輸送効率が向上し、排泥管の閉塞も防止できるという新たな知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の土砂排出方法は以下の構成からなる。
（1）掘進機の先端カッターを回転させながら地中を掘進して管渠を構築するにあたり、前記掘進機の先端カッター部から排出された土砂を第１の排泥管を経て坑口に真空吸引輸送し、さらに坑口から立坑を通る第２の排泥管を経て坑外に真空吸引輸送する土砂排出方法であって、
前記第１の排泥管と第２の排泥管との間に、土砂の中継または貯留用のタンクを介在させ、前記第１の排泥管および第２の排泥管内の真空状態を維持したまま前記先端カッター部から排出された土砂を坑外に真空吸引輸送することを特徴とする、管渠構築における土砂排出方法。
（2）前記第２の排泥管は、前記タンク内の上部空間に連通した上部管路と、タンクの下部に連通した下部管路とに分岐している上記（1）に記載の土砂排出方法。
（3）前記上部管路と下部管路とは、切替弁により両管路のいずれかに流路を切り替え可能に構成されている上記（2）に記載の土砂排出方法。
（4）前記タンクは底部が斜面状に形成されており、最底部またはその近傍に前記下部管路が接続されている上記（1）〜（3）のいずれかに記載の土砂排出方法。
（5）前記第２の排泥管には、圧送手段が付加されており、真空吸引と圧送との併用にて土砂を搬送し坑外へ排出する上記（1）〜（4）のいずれかに記載の土砂排出方法。
（6）前記第２の排泥管内に流体（エアー等）を噴射して、真空吸引と共に、土砂を搬送し坑外へ排出する上記（1）〜（4）のいずれかに記載の土砂排出方法。

また、本発明の土砂排出装置は以下の構成からなる。
（7）先端カッターを回転させながら地中を掘進する掘進機の先端カッター部から排出された土砂を坑外に排出する土砂排出装置であって、
前記先端カッター部から排出された土砂を坑口に真空吸引輸送するための第１の排泥管と、前記坑口から立坑を通って土砂を坑外に真空吸引輸送するための第２の排泥管と、前記第１の排泥管および第２の排泥管内の真空状態を維持したまま、これら第１の排泥管と第２の排泥管との間に介在した、土砂の中継または貯留用のタンクとを備えたことを特徴とする土砂排出装置。
（8）前記第２の排泥管は、前記タンク内の上部空間に連通した上部管路と、前記タンクの下部に連通した下部管路とに分岐している上記（7）に記載の土砂排出装置。
（9）前記上部管路と下部管路とは、切替弁により両管路のいずれかに流路を切り替え可能に構成されている上記（8）に記載の土砂排出装置。
（10）前記タンクは底部が斜面状に形成されており、最底部またはその近傍に前記下部管路が接続されている上記（7）〜（9）のいずれかに記載の土砂排出装置。

本発明に係る掘削土砂の搬出方法およびこれに用いる土砂排出装置によれば、第１の排泥管と第２の排泥管との間に、土砂の中継または貯留用のタンクを介在させ、前記第１の排泥管および第２の排泥管内の真空状態を維持したまま前記先端カッター部から排出された土砂を坑外に真空吸引輸送することにより、切羽から坑外立坑下さらに立坑上に至るまでの輸送効率が向上し、排泥管の閉塞も防止できるので、従来のように、高額な吸泥排土装置を増設したり、貯泥した密閉タンクをクレーン設備で搬出したりする手間を必要としないので、コストの削減と作業効率の向上を図ることができる。

本発明に係る土砂排出方法の一実施形態を示す立坑断面を示す概略正面図である。 図１の概略正面図に対する概略側面図である。 (a)および（ｂ）は本発明に係る土砂排出方法の動作を模式的に示す概略説明図である。 本発明に係る土砂排出方法の他の実施形態を模式的に示す概略説明図である。 本発明に係る土砂排出方法のさらに他の実施形態を模式的に示す概略説明図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は本発明が適用される、管渠構築のための立坑の概略を示している。本実施形態で採用される管渠構築方法は、例えば前記した泥濃式と呼ばれる掘削方法であり、シールド工法および推進工法のいずれにも採用される。

図１および図２において、１は立坑を示しており、この立坑１の内壁面には、図示しない掘進機にて、この立坑１から水平に掘進して形成された坑口２が臨んでいる。図２に示すように、坑口２から掘進機の先端カッターを回転させながら地中を掘進して形成された管渠３が延びている。この管渠３は内径が８００〜２０００ｍｍ程度の比較的小口径な管である。管渠３の底部にはトロバケットや牽引動力車などが管渠３内を走行するための軌条（図示せず）が敷設され、さらに第１の排泥管５が掘進機から延びている。第１の排泥管５は、掘進機の先端カッター部から排出された掘削土砂を立坑１まで真空吸引輸送するものである。

立坑１の坑口２より下の穴６にはタンク７が設置されている。このタンク７に前記第１の排泥管５が接続され、掘進機から排出された掘削土砂を全てこのタンク７に搬送している。一方、タンク7には、立坑１に沿って坑外に延びる第２の排泥管８が接続される。

第２の排泥管８は、タンク７内の上部空間に連通した上部管路８１と、タンク７の下部に連通した下部管路８２とに分岐し、それらの管路８１，８２は流路切替弁９によって切替可能になっている（図１を参照）。

タンク７は、掘削土砂を真空吸引輸送する前記第１の排泥管５および第２の排泥管８内の真空状態（すなわち減圧吸引状態）を維持できるように内部が密封され、かつ減圧によってタンク自体が破損しないように耐圧構造を有する。なお、タンク7の上部には、開閉用の蓋で閉じられた点検口１０が設けられている。

タンク７は、図１に示すように、底部７１が斜面状に形成されており、最底部またはその近傍に前記下部管路８２が接続されている。これによって、タンク７内に貯留した土砂を第２の排泥管８にて効率よく排出できるようになる。

次に、この実施形態に係る土砂排出方法を図３（a）および(b)に基づいて説明する。図３（a）はタンク７を土砂１１の一時貯留用に利用する場合であり、切替弁９によって下部管路８２を閉じ上部管路８１を開いている。このように土砂１１をタンク７に一時貯留する理由は、排出土砂の輸送効率が低下するのを防止するためである。従来考えられている輸送効率が低下する原因には以下のようなものがある。
（i）長距離管渠構築においては、距離に比例して排泥管と土砂によって形成される排泥塊との間で摩擦抵抗が増大する。
（ii）立坑下坑口部から立坑上への垂直輸送時、吸泥排土装置に大きな負荷がかかる事により吸泥能力が低下する。
（iii）第１の排泥管５である水平坑内における急曲線配管部や、立坑下坑口部で水平輸送から垂直輸送に切り替わる曲線配管部に、排泥塊がぶつかる事により泥塊の流速が低下する。
（iv）第１の排泥管５内では、流れる排泥塊の間に空気を入れる事により、排泥塊と空気層が交互に存在する状態（プラグ流）が形成されているが、この空気が存在せず、1つの排泥塊が大きくなり過ぎ、そのため吸泥排土装置に大きな負荷がかかる事により吸泥能力が低下する。
（v）通常、掘削土砂は、水もしくは水に加泥材を添加した泥水と攪拌混合されることにより塑性流動化されて搬出されるが、加泥材と掘削土質のミスマッチにより、掘削土砂が塑性流動化されていない事により、泥水と掘削土砂とが分離する。

立坑１上に設置された吸泥排土装置に大きな負荷がかかり、輸送効率が低下する場合には、第１の排泥管５を通って真空吸引輸送された土砂を、一旦、タンク７に一時貯留すれば、特に上記（ii）が原因の吸泥排土装置にかかる負荷を低減でき、高効率で土砂を真空吸引輸送することができる。図３(a)において、矢印Ａは真空吸引方向を示しており、矢印Ｂは土砂の輸送経路を示している。

そして、タンク７が土砂１１で満たされてときは、切替弁９により上部管路８１を閉じ下部管路８２を開いて、タンク７内の土砂１１を第２の排泥管８により立坑１上に搬出する。

一方、土砂の輸送効率が低下していない場合には、タンク７に一時貯留する必要がないので、切替弁９により上部管路８１を閉じ下部管路８２を開いて、土砂を第１の排泥管５から第２の排泥管８を通って真空吸引輸送する（輸送経路を矢印Ｂで示す）。すなわち、この場合は、タンク７は中継用として使用される。

このように、掘削土砂の排出を、吸泥排土装置にかかる負荷に応じて、流路切替弁９を切り替えることにより、吸泥排土装置にかかる負荷を低減して、効率よく排泥を真空吸引輸送することができる。

図４および図５はそれぞれ本発明の他の実施形態を示している。すなわち、図４に示す実施形態は、吸泥排土装置にかかる土砂の垂直輸送の負荷を低減するために、下部流路８２′に圧送装置１２を介在させたものである。圧送装置１２としては、例えば土砂圧送ポンプ、ロータリーポンプ、プランジャーポンプ、スクリューポンプなどが挙げられる。その他は前述の実施形態を同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。

図５に示す実施形態は、図４の実施形態と同様に、土砂の垂直輸送の負荷を低減するために、下部流路８２″にコンプレッサー１３からエアーを噴射して、真空吸引と共に、土砂１１を坑外へ排出するようにしたものである（エアーを矢印Ｃで示す）。その他は前述の実施形態を同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。なお、コンプレッサー１３によるエアー噴射に代えて、加圧水等の他の流体を噴射してもよい。

図４および図５に示す実施形態では、圧送装置１２およびコンプレッサー１３からのエアー噴射は、下部流路８２′，８２″にて行ったが、切替弁９より上方の第２の排泥管８で行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更や改善、改良が可能である。例えば、上記の実施形態では、上部管路８１と下部管路８２との間に切替弁９を介在させ流路を切り替え可能にしたが、切替弁９を設けずに、上部管路８１で真空吸引しつつ下部管路８２から土砂を搬出するようにしてもよい。また、タンク７の大きさや設置位置は適宜決定できるものであり、特に制限されるものではない。

さらに、本発明の土砂排出方法は、泥濃式掘削方法のみに適用されるものではなく、前記した泥水式や土圧（泥土圧）式などにも適用可能である。

１ 立坑
２ 坑口
３ 管渠
５ 第１の排泥管
６ 穴
７ タンク
８ 第２の排泥管
９ 切替弁
１０ 点検口
１１ 土砂
１２ 圧送装置
１３ コンプレッサー

Claims (6)

1. 掘進機の先端カッターを回転させながら地中を掘進して管渠を構築するにあたり、前記掘進機の先端カッター部から排出された土砂を第１の排泥管を経て坑口に真空吸引輸送し、さらに坑口から立坑を通る第２の排泥管を経て坑外に真空吸引輸送する土砂排出方法であって、
   前記第１の排泥管と第２の排泥管との間に、土砂の中継または貯留用のタンクが介在し、
   前記第２の排泥管は、前記タンク内の上部空間に連通した上部管路と、タンクの下部に連通した下部管路とに分岐しており、前記上部管路と下部管路とは、切替弁により両管路のいずれかに流路を切り替え可能に構成されており、
   前記第１の排泥管および第２の排泥管内の真空状態を維持したまま前記先端カッター部から排出された土砂を坑外に真空吸引輸送することを特徴とする、管渠構築における土砂排出方法。
2. 前記タンクは底部が斜面状に形成されており、最底部またはその近傍に前記下部管路が接続されている請求項１記載の土砂排出方法。
3. 前記第２の排泥管には、圧送手段が付加されており、真空吸引と圧送との併用にて土砂を搬送し坑外へ排出する請求項１または２に記載の土砂排出方法。
4. 前記第２の排泥管内に流体を噴射して、真空吸引と共に、土砂を搬送し坑外へ排出する請求項１〜３のいずれかに記載の土砂排出方法。
5. 先端カッターを回転させながら地中を掘進する掘進機の先端カッター部から排出された土砂を坑外に排出する土砂排出装置であって、
   前記先端カッター部から排出された土砂を坑口に真空吸引輸送するための第１の排泥管と、
   前記坑口から立坑を通って土砂を坑外に真空吸引輸送するための第２の排泥管と、
   前記第１の排泥管および第２の排泥管内の真空状態を維持したまま、これら第１の排泥管と第２の排泥管との間に介在した、土砂の中継または貯留用のタンクとを備え、
   前記第２の排泥管は、前記タンク内の上部空間に連通した上部管路と、タンクの下部に連通した下部管路とに分岐しており、前記上部管路と下部管路とは、切替弁により両管路のいずれかに流路を切り替え可能に構成されたことを特徴とする土砂排出装置。
6. 前記タンクは底部が斜面状に形成されており、最底部またはその近傍に前記下部管路が接続されている請求項５記載の土砂排出装置。

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