JP6207025B2 - 地中掘削用掘進機における機内排土処理システム - Google Patents

Description

本発明は、地中にトンネルを構築する機械式でのトンネル工事又はシールド機にて管渠を構築する場合、あるいは推進工法で掘進を行い、地中に推進管を追従させて管渠とする工事等の場合で使用されている地中掘削用掘進機内における排土装置の構造に対する改良技術に関する。

都市部の地下管渠埋設工法として、中小断面から大断面は推進工法と呼ばれるパイプジャッキング工法から大断面はシールド工法が中心となっている。
その場合、切羽管理の施工技術としては、ａ式：泥水加圧式、ｂ式：土圧式（ｂ−１：泥土圧式・ｂ−２：泥濃式）に分類される。
先ず、ａ式：の泥水加圧式は安定液工法の横型が切羽理論の中心であり、切羽に泥水を注入し掘削面に泥膜を形成して圧力差を確保し、切羽を加圧状態で連続掘進することで切羽土砂の崩壊を防止しながら掘進する施工法である。

次に、これらの施工法で用いられる掘進機における排土の処理について説明する。
泥水工法の排土システムは流体輸送のために、掘削土粒子が分離沈降を起こさない液状態での一定以上の管内流速が求められ、排土管内が高比重、高粘性、土粒子高含有率の性状となった場合は、液性による流体輸送が不可能となり、送排泥還流方式にはトラブルが発生する。すなわち、一般的な泥水工法での還流システムにおける送泥比重は１．１０、排泥比重は１．３５程度と考えられる。
以上のように、注入する送泥水比重を高くする必要性が高い地盤（透水性地盤、均等係数の５以下の地盤等）や無水層の地盤の掘進においては逸泥現象が発生しやすく、泥水工法での施工は地盤適用範囲を逸脱することも考えられる。

そのため、ａ式の泥水加圧式では課題の多い地盤に対し、ｂ−１：泥土圧式、ｂ−２：泥濃式等のｂ式の土圧式推進工法が採用される。この工法は、地盤の空隙の目詰め効果を期待して、目詰め材や増粘材を含んだ高比重の高濃度泥水を切羽注入添加材とすることで切羽を構築しながら地山の安定を図る施工法である。
その結果、管内搬送としては、ａ式：の泥水加圧式では液性の流体輸送方式（ポンプ輸送）となるが、ｂ式：の泥土圧式や泥濃式では塑性流動化の切羽性状となり、機内の排泥輸送方式は吸泥排土方式（真空搬送）、圧送ポンプ方式、ズリバケット方式、スクリューコンベア方式等が採用される。
スムーズな排土輸送を確保（摩擦抵抗の低減確保）するために、その排泥輸送の効率化対策としては、掘進機内の排土調圧装置から搬出される地山と掘削添加材（掘削地山土量に対する添加材注入率は２０％〜５０％）の混合撹拌状態を良くして、流動性が高い塑性流動化を図る必要がある。

従来の掘進機内の排土処理装置の構造は、掘進機の回転する掘削刃がある掘削部の後方には隔壁が設けられた密閉型構造であり、前方の切羽の土砂が掘進機の駆動機構がある本体内部に進入しないように切羽側と遮断している。切羽の掘削土砂の排土ラインとして隔壁に排土口を有し、切羽の土は同開口とその後に接続した排土調圧バルブ及び排土管を介して後続胴管内に送られ、そして上蓋を開放した貯泥槽に投入して、そこで一次的に貯留された後、始端・途中又は終端に吸泥排土（真空搬送式）又は圧送式のポンプを設け、吸引又は圧送される排土は鋼管を通して坑外に強制搬出される構造となっている。この構造の掘進機は広く使用されている。特許文献１，２で示されるように公知である。

引用文献１には、排土管の途中内部に排土路の開閉と切羽圧力の調整の為の膨縮自在な排土調圧バルブを設けた技術が開示されている。しかし、この技術では排土管の管端と貯泥槽とは切り離されていて、排土は管端から機内の空気中を経て上方を開放した貯泥槽に投入される開放型のものであり、排土管の排土路と貯泥槽の内部とは分断されて連続されていないものである。そのため、貯泥槽からの吸引圧力が上下して、排土の鋼管搬送の制御に問題が生じる場合もある。又、排土管内の大きな土の固まり・大きな石がそのまま貯泥槽内に入り込み、及び排土の撹拌も不充分なまま貯泥槽から鋼管に送られることとなり、大きな土の固まり・玉石が鋼管入口、途中管路を詰まらせて搬送を困難としていた。又、排土の撹拌不足は鋼管の搬送抵抗を大きく、搬送力を低下させるものであった。
このように、従来の推進工法（土圧式、泥土圧式、泥濃式）の排土システムでは、推進機カッタで掘削を終えた後、掘削添加材と混合・撹拌された掘削土砂が排土調圧バルブを通過して、そのまま後方の機内貯泥槽に排出される。

次に、排土を搬送する吸泥排土方式（真空搬送式）では、貯泥槽内の滞留土砂を貯泥槽に設置された排土管吸引口から機内及び管内の鋼管を通過して坑外のコンテナへ搬出される。
その場合、搬出される排土の土砂性状によっては、混合・撹拌不足の地山の固形粒子のままでの土砂も見受けられ、吸引口での閉塞等が生じやすく、鋼管内の詰まりも伴って排泥トラブルが生じ、その都度作業員が配管を外して解除する必要があった。
また、仮に撹拌不足の土砂が配管内を通過できた場合でも、土砂と鋼管内面との摩擦が上昇し、排土能力の低下により搬送距離が短くなる問題を抱えていた。

特開２０１１−１２２３０６号公報 特開２０１１−２１９９４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来の前記問題点を解消し、礫群・巨石・固結土などが混入する地盤において、掘進後の土砂が撹拌効果の不足した状況下での掘進後の土砂性状となっている場合でも、このシステムを用いたら、鋼管で搬送できない大きな土の固まり・巨石や玉石は貯泥槽に入る前に分断して小さくして撹拌し、しかも小さくできず大きなものは貯泥槽内に送られないように捕捉し排出できるようにして、管内の鋼管での詰まりがないようにし、更に掘削土砂の再撹拌を機内における貯泥槽で可能として混合・撹拌効果を向上させ、流動性の高い土砂性状に変更して、確実に排土を長距離・高揚程でも搬送可能とすることにある。

かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 機体先端に設けた隔壁の前方に掘削刃を回転させて地中を掘削する掘削部を設け、同掘削部の掘削刃を回動させる駆動装置を隔壁の後方機内に設け、前記隔壁は切羽の排土を取込む排土口を有し、同排土口に排土調圧バルブ及び排土管を機内後方に接続し、同排土管から吐出される排土を一次的に貯泥するとともに撹拌機構を備えた機内貯泥槽を設け、同貯泥槽の排土を吸泥排土方式あるいは圧送方式のポンプでもって管内の鋼管に送り込んで、同鋼管を介して坑外に排土を搬送するようにした地中掘削用掘進機において、排土管の内部の途中に排土管内の排土路の開閉を行える排土調圧バルブを設けるととともに、排土管の管端と貯泥槽との間を排土連絡管で密封するように接続し、同排土連絡管の管路途中に排土の固まりを分断して撹拌する分断撹拌機を設け、更に分断撹拌機と貯泥槽との間の排土連絡管途中に鋼管で搬送することが困難となる寸法形状の巨石や玉石又は分断されなかった固まりを分級して、内部に捕捉する分級篭を排土連絡管から出入れ自在に設け、更に貯泥槽は密閉構造とするとともに貯泥槽内の気圧が設定負圧となれば、外気を取り込める逆止弁付吸気管を設けたことを特徴とする、地中掘削用掘進機における機内排土処理システム
２） 貯泥槽の撹拌機構として、撹拌して流動性を向上させるとともに排土を鋼管へ送り込むスクリューコンベアを貯泥槽に設けた、前記１）記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム
３） 逆止弁付吸気管の管路途中に開閉バルブを設けた、前記１）又は２）記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム
４） 貯泥槽に水・泥水又は添加材を投入できるバルブ付注入管を設けた、前記１）〜３）いずれか記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム
にある。

本発明は上記構成とすることで、即ち下記の一部又は全部有する構成とすることで、上記課題を解決した。
（１）密閉構造であること。
（２）撹拌・混合・塑性流動化機能を有する装置（例えばスクリュータイプ撹拌装置等）が内蔵された貯泥槽であること。
（３）管内の空気の流入が可能な負圧が発生した場合に吸気を可能としたエアー吸気弁（逆止弁機能を有する）が設置されていること。
（４）搬送される土砂を断続的なプラグ体輸送とするために、エアー、土砂、エアー、土砂の交互が管内に輸送できる装置が併用されていること。
（５）特に、固結粘性土等の地山を掘進する場合は、大きな塊となって排土される場合があり、その塊が吸引口に寄せられた場合、排土鋼管吸引口が閉鎖される場合があるため、排土管から機内貯泥槽に移送される直前に土砂を小割する装置も必要となる。
（６）礫や玉石を分離除去する開閉扉のある分級篭を有すること。

本発明では、排土管の中の排土調圧バルブと密閉できる貯泥槽とによって、排土搬送の為に密閉できるようになっていて、上記（１）の構造にできる。

しかも、貯泥槽に逆止弁機能を有する吸気管を取付けたことで、管内の空気流入が可能な負圧が発生したとき吸気を可能とした。

又、排土管と貯泥槽との間の排土調圧バルブ後方に掘削排土の分断撹拌機を設け、大きな排土固まり・大きな石を小さく分断し、鋼管で搬送できるようにした。
更に、その分断撹拌機と貯泥槽との間の排土連絡管に分級篭を出入れ自在に設けたので、鋼管で輸送困難な巨石や玉石又は排土の固まりをこの分級篭で捕捉して貯泥槽に入らないようにするとともに、簡単にこれらの巨石や玉石・固まりを排土連絡管の位置で外部へ排出可能とした。

図１は本発明の実施例の全体構造説明図である。 図２は実施例の分級篭の構造を示す説明図である。

排土管の排土路を閉鎖する排土調圧バルブとしては、管内に外部からの空気圧又は液圧によって膨縮できるベローズ式の排土調圧バルブが好ましい。

又、排土管の管端と密閉できる貯泥槽との間の排土連絡管の途中に大きな固まりとなった排土を分断・破砕する分断撹拌機として、回転軸に切断刃を放射状に複数設けて、後の鋼管内に送り込まれる寸法に分断し、且つこれらを撹拌できるようにすることが好ましい。本発明の分断撹拌機は、この構造に限るものではない。しかも、これら分断撹拌機のメンテナンスを可能にするため、この分断撹拌機がある排土連絡管に開閉扉を設けることが好ましい。

更に、分断撹拌機で残った鋼管での輸送を困難にする排土の大きな固まり、大きい石を貯泥槽に投入しないように捕捉する分級篭を上記分断撹拌機と貯泥槽との間の排土連絡管に出入れ自在に設けることが好ましい。

貯泥槽には混合撹拌した排土の濃度・粘性を調整する水・調整材等を投入するための気密に保持する途中にバルブが設けられたバルブ付注入管を設けることが好ましい。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

図中、１は実施例の掘進機、１０は同掘進機のケーシング、１１は隔壁、１２は回転掘削刃、１３は掘削部、１４は回転掘削刃を回動させる駆動装置、１４１は駆動装置１４のモータ、１４２は減速ギア機構、１５は掘進機の後に後続させた推進管、２０は隔壁１１の下方に設けた排土口、２１は同排土口に接続した排土管、２１１は排土管２１内に設けたスクリューコンベア、２１２は同スクリューコンベアの回転軸、２１３は同回転軸を回動する減速機付駆動モータ、２２は排土管の内部に設けた加圧空気の注入で膨張するゴム製の排土調圧バルブ、２２１は排土調圧バルブ内に高圧空気を送る高圧空気管、２２２は同高圧空気管途中に設けた電動開閉弁、２３は排土管２１の管終端と貯泥槽３０との間の排土連絡管２５途中に設けた油圧モータ（図示せず）で駆動される分断撹拌機、２３１は同分断撹拌機の回転軸、２３２は同回転軸の軸半径方向及び軸方向に取付位相と軸方向位置をかえて放射状に複数取付けた切断刃、２４は出入れ自在な分級篭、２４１は同分級篭の一側面に取付けられ、排土連絡管２５の管壁の出入口２５１の周縁とロックボルト２４２で脱着自在に取付けられる排土連絡管２５の密封可能な開閉扉、２４３は分級篭２４を支持する篭受部材、２５は排土管２１と貯泥槽３０との間の排土連絡管、３０は密閉型の貯泥槽、３０１は貯泥槽３０内の排土を混合撹拌しながら鋼管４０内へ送り込むスクリューコンベア、３０２は同スクリューコンベア３０１の油圧モータ、３０３は同貯泥槽の上部に設けた逆止弁（図示せず）付きの吸気管、３０４は吸気管３０３の開閉バルブ、３０５は水・増粘材等を貯泥槽内部へ投入できる注入管で、途中にバルブ３０５ａを設けている。４０は貯泥槽３０の下部に連結された排土輸送用鋼管であり、排土送りのポンプ（図示せず）を鋼管４０の途中又は終端に設けている。４１は方向修正ジャッキである。

この実施例では、切羽において掘削部１３を作動させ、その回転掘削刃１２で切羽地盤を掘削する。併せて、泥を切羽に送り込んで切羽を安定して掘削できるようにしている。送泥管等は図中省略している。

この切羽で削られた土・石・岩は回転掘削刃１２で破砕されながら掘削部１３で泥と混合撹拌され、掘進機の隔壁１１の排土口２０から排土管２１に進入する。排土管２１ではスクリューコンベア２１１で送られ、その途中の排土調圧バルブ２２を開けば、その排土は排土管２１の終端から排土連絡管２５に移動して、分断撹拌機２３の空間に入ると分断撹拌機２３の回転軸２３１に放射状に且つ軸方向に分散的に複数取付けられた切断刃２３２によって大きく固まった排土は分断され、小さく排土は分断していく。又、巨石も破砕されて小さくなっていく。しかも、分断されながらこれらは混合撹拌される。

この室空間で排土の大きな排土の固まりはなくなり、小さな固まりにされ、且つ撹拌されて混合される。

その後、小さい排土・石となった排土・石は分級篭２４に入って分級篭２４の分級の篩目より小さい排土固まり・石は分級篭２４を通過して貯泥槽３０内へ送られる。一方、この篩目より大きい排土の固まり・巨石・岩片等は分級篭２４に残される。残されて捕捉された大きな排土固まり及び石は分級篭２４に収容される。この分級篭２４は開閉扉２４１を取付けているので、この開閉扉２４１のロックボルト２４２を外して開閉扉２４１の取っ手を引くことで、分級篭２４は排土連絡管２５の出入口２５１から取り出し、大きな固まり・石等は分級篭２４から排出して、別の搬送手段で外部へ搬出する。大きな固まり・石を排出した後、分級篭２４を排土連絡管２５の出入口２５１へ押し入れてロックボルト２４２で固定すれば排土連絡管２５は密閉されて使用可能となる。分級篭２４を取り外せば、その出入口２５１は分断撹拌機２３の点検口、清掃口、補修口となり、分断撹拌機２３の整備及びこの位置での排土詰り、巨石や玉石の滞留を人力作業で解消できる。

このように、排土の大きな固まり及び大きな石は排除され、及び予備撹拌されて排土は貯泥槽３０へ投入され、これをスクリューコンベア３０１で撹拌しながら投入された排土の土砂・小石を強制的に鋼管４０内へ送る。鋼管４０内の排土は、途中又は終端のポンプ（圧送ポンプ又は負圧ポンプ）（図示せず）によって吸引されて搬送される。

貯泥槽３０は密閉され、しかも排土管２１の排土調圧バルブ２２も閉じているので、貯泥槽３０内の排土はポンプで強く吸引されて鋼管４０で搬送される。
もし、密閉された貯泥槽３０の槽内空気が大きな負圧になれば、貯泥槽３０の逆止弁付吸気管３０３が大気を吸引して負圧を緩める。
又は、吸気管３０３の開閉バルブ３０４の操作によってエアー、土砂、エアー、土砂の交互に輸送するプラグ体輸送を可能としている。

以上のように、実施例によれば分断撹拌機２３があることで、搬送用鋼管４０で送れない大きな排土の固まり及び石を少なくして鋼管の閉鎖がないようにしている。
更に、分級篭２４を設けることで分断撹拌機２３で小さくできなかった鋼管搬送が困難な巨石や玉石、排土の固まりを捕捉して、貯泥槽３０に送られないようにしているので鋼管内が詰ることなく、確実に排土の鋼管搬送を可能にできるようにしている。

ここで、分級篭２４が分級して捕捉するものは鋼管径以上の外形を有する石、排土の固まりは捕捉するとともに、鋼管の途中に閉塞を生起し易い鋼管径より小さい寸法・形状のものも分級できて捕捉するのが安全である。

又、貯泥槽３０は密閉しているのでポンプによる負圧による鋼管内搬送力を確保できる。
又、負圧が強くなれば逆止弁付の吸気管３０３が働いて、空気を適度に供給でき、円滑な排土搬送を可能にしている。又、吸気管３０３に開閉バルブ３０４を設けているので、その吸気の程度を操作によって適切にできる。
加えて、バルブ３０５ａを有するバルブ付注入管３０５から濃度調材、粘度調整材、水等を貯泥槽３０に投入でき、排土の鋼管搬送に適した排土の濃度・比重・粘性に調整できるようになっている。

以上のように、本実施例では排土の大きい固まり・巨石や玉石の存在・濃度・粘性にかかわらず、確実に排土を搬送できるようになった。

本発明は、切羽の大きさにかかわらず使用でき、推進工法・シールド工法にも使用可能である。

１ 掘進機
１０ ケーシング
１１ 隔壁
１２ 回転掘削刃
１３ 掘削部
１４ 駆動装置
１４１ モータ
１４２ 減速機構
１５ 推進管
２０ 排土口
２１ 排土管
２１１ スクリューコンベア
２２ 排土調圧バルブ
２３ 分断撹拌機
２３１ 回転軸
２３２ 切断刃
２４ 分級篭
２４１ 開閉扉
２４２ ロックボルト
２４３ 篭受部材
２５ 排土連絡管
２５１ 出入口
３０ 貯泥槽
３０１ スクリューコンベア
３０２ 油圧モータ
３０３ 逆止弁付吸気管
３０４ 開閉バルブ
３０５ バルブ付注入管
３０５ａ バルブ
４０ 鋼管
４１ 方向修正ジャッキ

Claims (4)

1. 機体先端に設けた隔壁の前方に掘削刃を回転させて地中を掘削する掘削部を設け、同掘削部の掘削刃を回動させる駆動装置を隔壁の後方機内に設け、前記隔壁は切羽の排土を取込む排土口を有し、同排土口に排土調圧バルブ及び排土管を機内後方に接続し、同排土管から吐出される排土を一次的に貯泥するとともに撹拌機構を備えた機内貯泥槽を設け、同貯泥槽の排土を吸泥排土方式あるいは圧送方式のポンプでもって管内の鋼管に送り込んで、同鋼管を介して坑外に排土を搬送するようにした地中掘削用掘進機において、排土管の内部の途中に排土管内の排土路の開閉を行える排土調圧バルブを設けるととともに、排土管の管端と貯泥槽との間を排土連絡管で密封するように接続し、同排土連絡管の管路途中に排土の固まりを分断して撹拌する分断撹拌機を設け、更に分断撹拌機と貯泥槽との間の排土連絡管途中に鋼管で搬送することが困難となる寸法形状の巨石や玉石又は分断されなかった固まりを分級して、内部に捕捉する分級篭を排土連絡管から出入れ自在に設け、更に貯泥槽は密閉構造とするとともに貯泥槽内の気圧が設定負圧となれば、外気を取り込める逆止弁付吸気管を設けたことを特徴とする、地中掘削用掘進機における機内排土処理システム。
2. 貯泥槽の撹拌機構として、撹拌して流動性を向上させるとともに排土を鋼管へ送り込むスクリューコンベアを貯泥槽に設けた、請求項１記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム。
3. 逆止弁付吸気管の管路途中に開閉バルブを設けた、請求項１又は２記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム。
4. 貯泥槽に水・泥水又は添加材を投入できるバルブ付注入管を設けた、請求項１〜３いずれか記載の地中掘削用掘進機における機内排土処理システム。

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