JP6423185B2

JP6423185B2 - 気泡シールド工法

Info

Publication number: JP6423185B2
Application number: JP2014141029A
Authority: JP
Inventors: 圭造北山; 正一余宮; 隆資大井
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-07-09
Also published as: JP2016017326A

Description

本発明は気泡シールド工法に関する。

地山を掘削してトンネルを構築するシールド工法の一つとして気泡シールド工法が提案されている。
気泡シールド工法は、起泡剤を含む液体を発泡させて生成した気泡を、切羽とカッタとの間に、あるいは、カッタ背面のチャンバに注入しつつ、カッタによって地山を掘削するものである。
一方、気泡シールド工法で排出された掘削土は、気泡を含むため、そのままの状態では廃棄処理などができず、従来、仮置き場において消泡させた上で残土処理が行なわれている（特許文献１、２）。

特開２０１３−２０４０号公報特開２００６−３４８７２７号公報

そのため、気泡シールド工法では、仮置き場において気泡を消泡するための工程が別途必要となり、大量に排出される掘削土を迅速に処理する上で不利があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、大量に排出される掘削土を迅速に廃棄処理する上で有利な気泡シールド工法を提供することを目的とする。

本発明は、カッタにより切羽を掘削し、掘削した掘削土をカッタの背面のチャンバに取り込み、前記チャンバからスクリューコンベアにより後方に移動させ、それらの作業を、前記切羽または前記チャンバに気泡を注入しながら行なう気泡シールド工法であって、前記スクリューコンベアに、気泡を消泡する消泡剤を注入し、前記スクリューコンベア内において掘削土と前記消泡剤とを混合し気泡を消泡し、前記消泡剤の注入は、前記スクリューコンベアの長手方向に間隔をおいた複数箇所で行われ、前記スクリューコンベアの排出口から排出された掘削土は、移送装置により後方に移動され、前記排出口と前記移送装置との間に撹拌羽根を備える撹拌装置を配置し、この撹拌装置の前記撹拌羽根により前記排出口から排出される掘削土を撹拌したのち前記移送装置に移送し、前記撹拌装置は、前記撹拌羽根に連結された加減速機構を備え、前記移送装置の動力により前記加減速機構が駆動されることで前記撹拌羽根が回転され、前記撹拌装置は、掘削土が投入される導入口と、前記撹拌羽根により前記消泡剤と前記掘削土とを撹拌し気泡を消泡したのち掘削土が排出される排出口と、前記排出口を開閉する開閉弁と、前記導入口から投入される掘削土の量を検出する検出部と、前記開閉弁を開閉制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記検出部によって検出された掘削土の量に応じて前記開閉弁を開閉することにより前記排出口の開口面積を変えることを特徴とする。

既存のスクリューコンベアを利用して消泡剤と掘削土とを確実に撹拌し、シールド機内において気泡を確実に消泡することができる。
したがって、大量に排出される掘削土を、仮置き場を確保することなく迅速に廃棄処理する上で有利となる。
また、既存のスクリューコンベアを利用するので、消泡剤と掘削土とを撹拌する消泡専用の撹拌機を配置する必要もなく、消泡のために必要な設備が必要最小限で済む。
したがって、シールド機内の作業空間を狭めることなく作業空間を大きく確保する上で有利となり、また、コストアップを抑制する上で有利となる。

第１の実施の形態における気泡シールド工法を実施するための設備を示す説明図である。第２の実施の形態における気泡シールド工法を実施するための設備を示す説明図である。第３の実施の形態における気泡シールド工法を実施するための設備を示す説明図である。

（第１の実施の形態）
次に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は本実施の形態の気泡シールド工法の説明図である。
本実施の形態における気泡シールド工法は、シールド機１０と、発泡設備１２と、移送装置１４と、消泡剤注入設備１６とを用いて実施される。
なお、図１において、符号２は不図示の発進立坑からシールド機１０によって水平方向に掘削されセグメント４により構築されたトンネルを示す。

シールド機１０は、地山を削孔してトンネル２を掘削するとともにシールド機１０の内部で、複数のセグメント４を組み付けてセグメントリングを組み立て、このセグメントリングを継ぎ足していくことでトンネル躯体６を構築するものである。

シールド機１０は、掘削部１８およびテール部２０を含んで構成されている。
掘削部１８は、前スキンプレート１８０２の前端に配置されたカッタ２２、カッタ２２の背面と隔壁２４との間に仕切られたチャンバ２６、チャンバ２６に連通するように隔壁２４の後方に配置されたスクリューコンベア２８、セグメント４を押し込むジャッキ装置３０を含んで構成されている。
カッタ２２は、カッタ駆動部２２０２により回転駆動され、カッタ２２により掘削された掘削土はチャンバ２６に取り込まれる。

発泡設備１２は、起泡剤を含む水（液体）を発泡させて生成したシェービングクリーム状の気泡を、配管１２０２を介して切羽とカッタ２２の前面との間に注入し、あるいは、チャンバ２６に注入するものである。
したがって、カッタ２２によって掘削された掘削土は気泡が混合された気泡土となる。
発泡設備１２は、シールド機１０の掘進速度、すなわちジャッキ装置３０のジャッキスピードに基づいて単位時間当たりの気泡の注入量の制御を行なっている。
すなわち、発泡設備１２は、単位時間当たりの掘削土の排出量に比例して単位時間当たりの気泡の注入量の制御を行なっている。
発泡設備１２は、後述する不図示の設備車両に配設されている。

スクリューコンベア２８は、チャンバ２６に貯えられた掘削土を後方の移送装置１４に運搬するものであり、掘削部１８からテール部２０を通り後スキンプレート２００２の後方に突出している。
スクリューコンベア２８は、円筒状の筒体２８０２と、筒体２８０２の内部に回転可能に配設された駆動軸と、駆動軸の周囲に螺旋状に設けられた羽根体２８０４と、駆動軸を回転するモータ２８０６とを含んで構成されている。
スクリューコンベア２８は、導入口２８１０がチャンバ２６内の下部に位置し、排出口２８１２が筒体２８０２の下面に位置するように配置されている。
導入口２８１０には、導入口２８１０を開閉する導入口用開閉弁２８１４が設けられ、排出口２８１２には、排出口２８１２を開閉する排出口用開閉弁２８１６が設けられている。

移送装置１４は、スクリューコンベア２８によって移送される掘削土をトンネル２外に移送するものである。
本実施の形態では、移送装置１４は、ベルトコンベア３２、運搬車両３４を含んで構成されている。
ベルトコンベア３２は、スクリューコンベア２８の排出口２８１２の下方から運搬車両３４の上方にわたって設けられている。
なお、移送装置１４は、ベルトコンベア２８および運搬車両３４に限定されるものではなく、掘削土を泥水と共に配管を介してトンネル２の外部まで流体輸送させるものなど従来公知の様々な移送装置が使用可能である。

ジャッキ装置３０は、セグメント４を掘進方向の後方に向けて押圧することでシールド機１０を掘進方向に推進させるものである。
また、シールド機１０は、カッタ２２、スクリューコンベア２８、ジャッキ装置３０などを動作させるための制御ユニット、駆動源、油タンクなどをさらに備えている。
トンネル躯体６には、レールが並設され、一方のレールＲに運搬車両３４が配置され、不図示の他方のレールに不図示の設備車両が配置され、前記制御ユニット、駆動源、油タンクは前記設備車両に搭載される。

消泡剤注入設備１６は、スクリューコンベア２８に気泡を消泡する消泡剤を注入するものである。
消泡剤は、掘削土の気泡の薄膜の安定性を阻害し気泡の生成を不可能（消泡）とするものである。
なお、本明細書において、消泡剤は、抑泡剤、脱泡剤、破泡剤を含むものとする。
このような消泡剤として、シリコン系エマルジョン型消泡剤、あるいは、鉱物油系オイル型消泡剤など、従来公知のさまざまな消泡剤が使用可能である。

消泡剤注入設備１６は、消泡剤を貯える消泡剤タンク１６０２と、消泡剤タンク１６０２とスクリューコンベア２８とを連通する注入用配管１６０４と、注入用配管１６０４に設けられたポンプ１６０６と、ポンプ１６０６の回転制御を行なう不図示の制御部とを含んで構成されている。
注入用配管１６０４は、スクリューコンベア２８の筒体２８０２の長手方向に間隔をおいた複数箇所からそれぞれ筒体２８０２の内部に消泡剤を注入するように設けられている。
また、気泡の注入量と、この気泡の注入量に対して気泡を最も効果的に消泡できる消泡剤の注入量との比率が実験により予め求められている。
本実施の形態では、制御部は、発泡設備１２から得た単位時間当たりの気泡の注入量と、前記比率とに基づいて単位時間当たりの消泡剤の注入量を算出し、この算出した注入量となるようにポンプ１６０６の制御を行なう。
すなわち、前記制御部は、単位時間当たりの気泡の注入量に比例して単位時間当たりの消泡剤の注入量を制御している。
このように消泡剤の注入量を制御することで、消泡剤の注入量が不足したり過剰となることを防止しつつ気泡の消泡を確実に行なう上で有利となる。

また、発泡設備１２によって気泡が切羽とカッタ２２の前面との間、あるいは、チャンバ２６に注入されると、気泡が注入された掘削土は、掘進速度に比例した速度でチャンバ２６からスクリューコンベア２８に移動する。
したがって、掘削土は、気泡が注入されてから時間遅れをもってスクリューコンベア２８に導入される。すなわち、気泡が掘削土に注入された時点から、気泡が注入された掘削土がスクリューコンベア２８に導入される時点までの間に時間遅れが発生する。
この時間遅れは、掘進速度（ジャッキスピード）の関数によって求められる。
本実施の形態では、前記制御部は、ジャッキ装置３０から得たジャッキスピードに基づいて前記関数から前記時間遅れを算出し、この算出された時間遅れを考慮して単位時間当たりの消泡剤の注入量の制御を行なう。
このように消泡剤の注入量を制御することで、掘進速度に対応して単位時間当たりの消泡剤の注入量を制御することができ、消泡剤の注入量が不足したり過剰となることを防止しつつ気泡の消泡を確実に行なう上でより有利となる。
消泡剤注入設備１６は、前記設備車両に配設されている。

次に、本発明の作用効果について説明する。
シールド機１０による地盤の掘削が開始されると、発泡設備１２によって気泡が切羽とカッタ２２の前面との間、あるいは、チャンバ２６に注入される。
チャンバ２６内の掘削土（気泡土）は、スクリューコンベア２８の導入口２８１０から取り込まれ排出口２８１２に向かって移動される。
この際、スクリューコンベア２８内の掘削土に対して、消泡剤注入設備１６によって消泡剤がスクリューコンベア２８の筒体２８０２の複数箇所から注入される。
これにより、掘削土と消泡剤とがスクリューコンベア２８によって撹拌混合され、掘削土の気泡が消泡される。
スクリューコンベア２８内の掘削土は、排出口２８１２に至ると、下方のベルトコンベア３２上に落下し、ベルトコンベア３２により運搬車両３４に移送される。
運搬車両３４が掘削土で満たされたならば、運搬車両３４を移動させ、掘削土をトンネル２外に移送し、残土処理を行なう。

本実施の形態によれば、既存のスクリューコンベア２８を利用して消泡剤と掘削土とを確実に撹拌し、シールド機１０内において気泡を確実に消泡することができる。
したがって、大量に排出される掘削土を、仮置き場を確保することなく迅速に廃棄処理する上で有利となる。
また、既存のスクリューコンベア２８を利用するので、消泡剤と掘削土とを撹拌する消泡専用の撹拌機を配置する必要もなく、消泡のために必要な設備が必要最小限で済む。
したがって、シールド機１０内の作業空間を狭めることなく作業空間を大きく確保する上で有利となり、また、コストアップを抑制する上で有利となる。

また、本実施の形態では、消泡剤の注入をスクリューコンベア２８の長手方向に間隔をおいた複数箇所で行なうため、消泡剤と掘削土とをより確実に撹拌し、気泡を確実に消泡する上でより有利となる。

（第２の実施の形態）
次に、図２を参照して第２の実施の形態について説明する。
なお、第１の実施の形態と同様の部分については同一の符号を付してその説明を省略し、相違する部分について重点的に説明する。
第２の実施の形態では、スクリューコンベア２８の排出口２８１２とベルトコンベア３２との間に撹拌装置３６を配置したものである。
撹拌装置３６は、導入口３６０２と排出口３６０４とが設けられたケース３６０６と、ケース３６０６内に設けられた撹拌羽根３６０８と、排出口３６０４を開閉する開閉弁３６１２と、開閉弁３６１２を開閉制御する第１の制御部３６１４と、撹拌羽根３６０８を回転するモータ３６１０と、モータ３６１０の回転速度を制御する不図示の第２の制御部とを含んで構成されている。
撹拌装置３６として、スクリューミキサー、パドルミキサー、リボンミキサーなど従来公知の様々なものが使用可能である。
撹拌装置３６は、導入口３６０２がスクリューコンベア２８の排出口２８１２の下方に位置し、排出口３６０４がベルトコンベア３２の前端の上方に位置するように配置される。
なお、前記第２の制御部は、撹拌羽根３６０８の回転速度が、撹拌装置３６内において消泡剤と掘削土とが効率的に撹拌混合されるに足る速度となるように撹拌装置３６のモータ３６１０の回転を制御する。

開閉弁３６１２は、排出口３６０４を開閉すると共に、排出口３６０４の開口面積を可変とするものである。
第１の制御部３６１４は、スクリューコンベア２８の排出口２８１２から導入口３６０２を介してケース３６０６内に投入される掘削土の量を検出する不図示の検出部を備えている。
すなわち、第１の制御部３６１４は、前記検出部の検出結果に基づいて、スクリューコンベア２８の排出口２８１２から導入口３６０２を介してケース３６０６内に投入される掘削土の量が一定値以上の場合には、排出口３６０４を全開とする。
また、投入される掘削土の量が一定値未満の場合には、投入される掘削土の量が少ないほど排出口３６０４の開口面積を小さくする。
このように排出口３６０４の開口面積を制御することにより、ケース３６０６内における掘削土の滞留時間を確保し、掘削土と消泡剤との撹拌混合がより効率よくなされるように図られている。
なお、開閉弁３６１２には、従来公知の様々な構造が採用可能である。
また、前記検出部としては、掘削土を含む撹拌装置３６の重量を検出する重量センサを用いてケース３６０６内に投入される掘削土の量を検出するもの、あるいは、撹拌羽根３６０８の負荷トルクを検出するトルクセンサを用いてケース３６０６内に投入される掘削土の量を推定するものなど従来公知の様々なものが採用可能である。

次に作用効果について説明する。
第１の実施の形態と同様に、スクリューコンベア２８により掘削土と消泡剤とが撹拌混合され、掘削土の気泡が消泡される。
さらに、第２の実施の形態では、消泡剤と撹拌された掘削土がスクリューコンベア２８の排出口２８１２から撹拌装置３６の導入口３６０２に導入され、掘削土は撹拌装置３６によりさらに撹拌され、消泡剤と掘削土とがさらに混合される。
さらに撹拌された撹拌装置３６内の掘削土は、排出口３６０４に至ると、下方のベルトコンベア３２上に落下し、ベルトコンベア３２により運搬車両３４に移送される。
運搬車両３４が掘削土で満たされたならば、運搬車両３４を移動させ、掘削土をトンネル２外に移送し、残土処理を行なう。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、スクリューコンベア２８によって撹拌混合された消泡剤と掘削土を撹拌装置３６によりさらに撹拌混合するため、消泡剤と掘削土とをより一層均一に混合することができ、気泡をより一層確実に消泡する上で有利となる。
また、スクリューコンベア２８の排出口２８１２から排出される掘削土の性状に応じて撹拌羽根３６０８の回転速度を変えることができ、気泡をより一層確実に消泡する上で有利となる。
また、第２の実施の形態によれば、撹拌装置３６の排出口３６０４を開閉する開閉弁３６１２を設けたので、排出口３６０４の開口面積を制御することにより、ケース３６０６内における掘削土の滞留時間を確保し、掘削土と消泡剤との撹拌混合をより効率よく行なう上で有利となる。

（第３の実施の形態）
次に、図３を参照して第３の実施の形態について説明する。
なお、第２の実施の形態と同様の部分については同一の符号を付してその説明を省略し、相違する部分について重点的に説明する。
第３の実施の形態では、撹拌装置３６の撹拌羽根３６０８を移送装置１４の動力により駆動させ、撹拌装置３６に加減速機構４０を設けたものである。
撹拌羽根３６０８を移送装置１４の動力により駆動させる場合、例えば、ベルトコンベア３２のベルト３２０２を搬送させるモータ３２０４と加減速機構４０とをチェーン・スプロケット機構などのような動力伝導機構３８により連結し、ベルトコンベア３２の動力により撹拌羽根３６０８を回転させる。
加減速機構４０は、動力入力部と動力出力部とを備え、動力入力部が動力伝導機構３８を介してモータ３２０４に連結され、動力出力部が撹拌羽根３６０８に連結されている。
したがって、加減速機構４０を調整することにより撹拌羽根３６０８の回転速度を、注入する消泡剤の量や、ケース３６０６に投入される掘削土の量に応じ所望の速度に選定でき、掘削土と消泡剤との撹拌混合がより効率よくなされるように図られている。
なお、加減速機構４０は、複数の歯車からなる歯車機構など従来公知の様々なものが使用可能である。

第３の実施の形態によれば、気泡をより一層確実に消泡する上で有利となるという効果に加え、撹拌羽根３６０８を回転するモータ３６１０が不要となり、撹拌装置３６の簡単化、軽量化、低コスト化を図る上で有利となる。
また、第３の実施の形態によれば、加減速機構４０により撹拌羽根３６０８の回転速度を制御できるため、注入する消泡剤の量や、ケース３６０６に投入される掘削土の量に応じ所望の速度に選定でき、掘削土と消泡剤との撹拌混合をより効率よく行なう上で有利となる。

２トンネル
４セグメント
６トンネル躯体
１０シールド機
１２発泡設備
１４移送装置
１６発泡剤注入設備
２２カッタ
２６チャンバ
２８スクリューコンベア
２８１２排出口
３６撹拌装置
３６０２導入口
３６０４排出口
３６０６ケース
３６０８撹拌羽根
３６１２開閉弁
３６１４第１の制御部（制御部）
３８動力伝導機構
４０加減速機構

Claims

カッタにより切羽を掘削し、掘削した掘削土をカッタの背面のチャンバに取り込み、前記チャンバからスクリューコンベアにより後方に移動させ、それらの作業を、前記切羽または前記チャンバに気泡を注入しながら行なう気泡シールド工法であって、
前記スクリューコンベアに、気泡を消泡する消泡剤を注入し、前記スクリューコンベア内において掘削土と前記消泡剤とを混合し気泡を消泡し、
前記消泡剤の注入は、前記スクリューコンベアの長手方向に間隔をおいた複数箇所で行われ、
前記スクリューコンベアの排出口から排出された掘削土は、移送装置により後方に移動され、
前記排出口と前記移送装置との間に撹拌羽根を備える撹拌装置を配置し、この撹拌装置の前記撹拌羽根により前記排出口から排出される掘削土を撹拌したのち前記移送装置に移送し、
前記撹拌装置は、前記撹拌羽根に連結された加減速機構を備え、
前記移送装置の動力により前記加減速機構が駆動されることで前記撹拌羽根が回転され、
前記撹拌装置は、掘削土が投入される導入口と、前記撹拌羽根により前記消泡剤と前記掘削土とを撹拌し気泡を消泡したのち掘削土が排出される排出口と、前記排出口を開閉する開閉弁と、前記導入口から投入される掘削土の量を検出する検出部と、前記開閉弁を開閉制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された掘削土の量に応じて前記開閉弁を開閉することにより前記排出口の開口面積を変える、
ことを特徴とする気泡シールド工法。
単位時間当たりの前記気泡の注入量は、発生する掘削土の量に比例して制御され、
単位時間当たりの前記消泡剤の注入量は、単位時間当たりの前記気泡の注入量に比例して制御され、
前記気泡が掘削土に注入された時点から、前記気泡が注入された掘削土が前記スクリューコンベアに導入される時点までの時間遅れを考慮して単位時間当たりの消泡剤の注入量の制御を行なう、
ことを特徴とする請求項１記載の気泡シールド工法。