JP6853320B2 - スクリューコンベヤ、シールド掘削機および排土方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリューコンベヤ、シールド掘削機および排土方法に関する。

泥土圧シールド工法では、掘削土に添加剤を加え、難透水性を付与し、スクリューコンベヤにプラグゾーン（止水ゾーン）を形成することで、チャンバー内の圧力と切羽の圧力（土圧＋地下水圧）とのバランスを取りながら施工を行う。掘削土に難透水性が不足し、スクリューコンベヤ終端で大気圧まで圧力低下ができない場合は、噴発が発生するおそれがある。
そのため、高水圧下での施工では、スクリューコンベヤに添加剤（例えば、ポリアクリルアミド等の高分子剤）を供給することで、噴発の抑制を図る場合がある。しかしながら、スクリューコンベヤは、攪拌機能を備えていないため、添加剤は、未反応薬剤のロス分を含んだ十分な量を添加する必要があり、費用の低減化の妨げとなっていた。
そのため、特許文献１には、スクリューコンベヤの回転軸に、螺旋状のスクリュー羽根とともに、パドル羽根を取り付けることで、混合効率を高める構成が開示されている。しかしながら、連続したスクリュー羽根の間にパドル羽根を設けた場合であっても、土砂はスクリュー羽根によって移送されるのみで、攪拌の効果は小さい。

特開平１０−１８３４５号公報

本発明は、未反応薬剤のロス分を減らすとともに噴発の発生を抑制し、なおかつ効率的に掘削土砂の搬出を可能としたスクリューコンベヤ、シールド掘削機および排土方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明のスクリューコンベヤは、搬送物を一定方向に搬送する第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記搬送物の攪拌を行う攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記搬送物を一定方向に搬送する第二搬送区間とを備えている。前記攪拌区間における回転軸の外面には、周方向に間隔をあけて立設された複数のパドル羽根が前記回転軸の軸方向に間隔をあけて複数列配設されており、前記第一搬送区間および前記第二搬送区間における前記回転軸の外面には、螺旋状のスクリュー羽根が配設されている。
かかるスクリューコンベヤによれば、攪拌区間を備えているため、スクリューコンベヤ内において添加剤と土砂とが効率的に混合され、ひいては、圧力が高いチャンバー内から土砂を排出する際の噴発の発生を抑制することができる。また、攪拌区間において添加剤と土砂との攪拌混合が効率的に行われるため、添加剤の添加量を必要最小限に抑えることができる。
なお、前記パドル羽根が、板状を呈しており、前記搬送物に対して前記一定方向と反対方向に押し込む力を作用するように板面が傾斜していれば、攪拌効率がより向上する。すなわち、攪拌区間の手前側の搬送区間から攪拌区間に押し込まれた搬送物に対して、攪拌区間において逆向きの力を付与することで、攪拌効率が向上する。なお、搬送物は、パドル羽根同士の間を通過するため、攪拌区間において搬送物が詰まることもない。

また、本発明のシールド掘削機は、筒状の外殻を備える本体部と、前記本体部の前方に設けられたカッターヘッドと、前記本体部の前部に形成された隔壁と、前記カッターヘッドと前記隔壁との間に形成されたチャンバーから土砂を排出するスクリューコンベヤと、前記スクリューコンベヤ内に添加剤を注入する注入手段とを備えるものであって、前記スクリューコンベヤは、前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記土砂を攪拌する複数のパドル羽根が配設された攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第二搬送区間とを備えている。
かかるシールド掘削機によれば、スクリューコンベヤ内の攪拌区間において土砂と添加剤とが混合されるため、必要最小限の添加剤によりチャンバー内から排出された土砂の噴発を抑制することができる。すなわち、スクリューコンベヤ内に添加剤を添加し、スクリューコンベア内の圧力が取込口（チャンバー側）から排出口（坑口側）に向かって徐々に減少するプラグゾーンを形成することで噴発を抑制する。
また、前記注入手段は、前記パドル羽根および前記スクリュー羽根が設けられた回転軸に形成された複数の注入孔から、前記攪拌区間または前記攪拌区間のチャンバー側に添加剤を注入するものであるのが望ましい。このシールド掘削機によれば、スクリューコンベヤの側面に形成された注入孔などから添加剤を注入する場合に比べて、添加剤を予め分散させた状態で注入することが可能となるため、添加剤の攪拌効率がより向上する。

また、本発明の排土方法は、スクリューコンベヤを利用してシールド掘削機のチャンバー内の土砂を排出するものであって、前記スクリューコンベヤは、前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記土砂を攪拌する複数のパドル羽根が配設された攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第二搬送区間とを備えており、前記チャンバー内に面した取込口から前記スクリューコンベヤに土砂を取り込むとともに、前記攪拌区間または前記攪拌区間の前記チャンバー側において前記スクリューコンベヤ内に添加剤を注入し、前記攪拌区間において前記土砂と前記添加剤とを攪拌する。
かかる排土方法によれば、スクリューコンベヤ内の攪拌区間において土砂と添加剤とを混合するため、噴発を抑制できる。また、パドル羽根が設けられた攪拌区間において添加剤を混合するため、全長にわたってスクリュー羽根が設けられた従来のスクリューコンベヤに比べて攪拌効率が高い。その結果、添加剤の添加量を最小限に抑えることができる。

本発明のスクリューコンベヤ、シールド掘削機および掘削土砂排出方法によれば、掘削土砂と添加剤とを効率よく攪拌することで未反応薬剤のロス分を減らすとともに噴発の発生を抑制し、なおかつ効率的に掘削土砂を搬出することが可能となる。

本実施形態に係るシールド掘削機を示す断面図である。 スクリューコンベヤを示す断面図である。

本実施形態では、高地下水圧の地盤中において、シールド掘削機１を利用して泥土圧シールド工法によってトンネルを施工する場合について説明する。シールド掘削機１は、図１に示すように、筒状の外殻を備える本体部２と、本体部２の前方に設けられたカッターヘッド３と、本体部２の前部に形成された隔壁４と、カッターヘッド３と隔壁４との間に形成されたチャンバー５から土砂を排出するスクリューコンベヤ６と、スクリューコンベヤ６内に添加剤を注入する注入手段７とを備える。
カッターヘッド３により切削された土砂は、チャンバー５に取り込まれる。チャンバー５に取り込まれた土砂は、スクリューコンベヤ６によりトンネル坑内に排出された後、ベルトコンベヤ等の搬送手段８を介してトンネル坑外へと搬送する。なお、チャンバー５内は、通常、切羽の圧力（土圧＋地下水圧）以上の圧力に保たれている。そのため、スクリューコンベヤ６に取り込まれた土砂をスクリューコンベヤ６から排出する際（スクリューコンベヤ６から搬送手段８の移し替える際）に噴発が発生することを抑制するために、スクリューコンベヤ６内において添加剤を土砂に混合する。

スクリューコンベヤ６は、図２に示すように、円筒状の外筒６１と、外筒６１の中心部に配設された回転軸６２と、回転軸６２に回転力を付与する動力源（例えば、モータ）６３と、回転軸６２の外面に設置されたパドル羽根６４と、回転軸６２の外面に設置された螺旋状のスクリュー羽根６５とを備えている。スクリューコンベヤ６の一端はチャンバー５内に挿入されていて、スクリューコンベヤ６の取込口６ａはチャンバー５内に面している。一方、スクリューコンベヤ６の他端は、隔壁４の坑口側に配置されていて、排出口６ｂが搬送手段８の上方に配設されている。スクリューコンベヤ６は、一端側が他端側よりも低くなるように傾斜した状態で設けられている。

本実施形態のスクリューコンベヤ６の内部は、土砂（搬送物）と添加剤との攪拌混合を行う攪拌区間６６と、攪拌区間６６の前後において土砂を一定方向（チャンバー５内からチャンバー５外方向）に搬送する第一搬送区間６７および第二搬送区間６８とを備えている。なお、第一搬送区間６７と第二搬送区間６８とを区別しない場合には、単に搬送区間６７，６８と称する。
回転軸６２は、円柱状の部材であって、動力源６３の動力により、軸心を中心に回転する。攪拌区間６６における回転軸６２の外面には複数のパドル羽根６４が配設されており、搬送区間６７，６８における回転軸６２の外面には螺旋状のスクリュー羽根６５が配設されている。攪拌区間６６にスクリュー羽根６５は配置されておらず、搬送区間６７，６８にパドル羽根６４は配設されていない。また、回転軸６２には、第一搬送区間６７において複数の注入孔６９が形成されている。注入孔６９は、回転軸６２の周方向に間隔をあけて複数形成されているとともに、回転軸６２の軸方向に間隔をあけて複数列（本実施形態では２列）形成されている。さらに、回転軸６２には、注入手段７が接続されている。なお、回転軸６２の軸方向前後に配設された注入孔６９は、回転軸６２の周方向にずらした位置（千鳥状）に配設してもよい。

注入手段７は、添加剤を貯留する添加剤槽７１と、添加剤槽７１から回転軸６２に至る注入管７２と、注入管７２を介して添加剤槽７１内の添加剤を回転軸６２に圧送する圧送ポンプ７３とを備えている。注入手段７は、回転軸６２に形成された複数の注入孔６９から、スクリューコンベヤ６内に添加剤を注入する。添加剤には、ポリアクリルアミド等の高分子剤を使用する。添加剤は、流動性の高い土砂の水分を吸収するとともに周囲の土粒子と反応して団粒化（凝集）することによって、土砂の流動性を低下させる。土砂の流動性が低下することで、スクリューコンベヤ６の排出口６ｂからの噴発が抑制される。
スクリューコンベヤ６に添加する添加剤の量は、スクリューコンベヤ６から排出される土量および排土状況に応じて適宜設定する。すなわち、スクリューコンベヤ６の排土能力に応じて設定された基準添加量を基準として、スクリューコンベヤ６から排土された土量や、スクリューコンベヤ６から排土された土砂の状況（土質や添加剤の混合状況等）に応じて、添加量を調整する。

スクリュー羽根６５は、螺旋状に加工された板材からなり、スクリューコンベヤ６内に取り込まれた土砂を、チャンバー５内（切羽側）からチャンバー５外方向（坑口側）へ搬送する。スクリューコンベヤ６内には、スクリュー羽根６５に代えて、複数のパドル羽根６４が配設された区間がある。本実施形態では、スクリュー羽根６５の２ピッチ分（スクリュー羽根６５が回転軸６２を一周するのに要する区間を１ピッチとする）をパドル羽根６４の区間（攪拌区間６６）とする。

複数のパドル羽根６４は、回転軸６２の周方向に間隔をあけて立設されている。本実施形態では、四枚のパドル羽根６４が等間隔に配設されている。また、本実施形態では、回転軸６２の周方向に並ぶ四枚のパドル羽根６４の列が、回転軸６２の軸方向に間隔をあけて四列配設されている。パドル羽根６４は、回転軸６２の軸方向から見た際に、回転軸６２の軸方向で隣り合う他のパドル羽根６４の列におけるのパドル羽根６４同士の中間位置に配置されている。すなわち、複数のパドル羽根６４は、千鳥状に配置されている。
また、パドル羽根６４は、板状を呈している。また、パドル羽根６４は、搬送物に対して一定方向（切羽側から坑口側に向かう方向）と反対方向（坑口側から切羽側に向かう方向）に押し込む力を作用するように、板面が回転軸６２と直交する面に対して傾斜している（捻じれている）。パドル羽根６４は、スクリューコンベヤ６内に取り込まれた土砂と、注入手段７を介して注入孔６９から注入された添加剤とを攪拌する。

スクリューコンベヤ６を利用したチャンバー５内の土砂の排土方法では、まず、チャンバー５内に面したスクリューコンベヤ６の取込口６ａから土砂を取り込む。スクリューコンベヤ６に取り込まれた土砂は、第一搬送区間６７のスクリュー羽根６５によって、坑口側（攪拌区間６６）に搬送される。このとき、スクリューコンベヤ６には、注入手段７により添加剤を添加する。注入手段７は、スクリューコンベヤ６の動力源６３のＯＮ／ＯＦＦと連動しており、動力源６３とともに作動する。そのため、スクリューコンベヤ６内に土砂を取り込むとともに、スクリューコンベヤ６内に添加剤が添加される。土砂が攪拌区間６６に到達すると、パドル羽根６４によって土砂と添加剤が攪拌混合される。

攪拌区間６６では、スクリュー羽根６５が無いために土砂の移動速度が遅くなる（土砂が滞留する）とともに、第一搬送区間６７から攪拌区間６６に押し込まれた土砂に対してパドル羽根６４によってチャンバー５向きの押し返す力が作用することで、土砂の流れが乱されるため、土砂と添加剤との攪拌が促進する。また、間欠的に配設されたパドル羽根６４によって土砂の塊を切断してかき回す力が作用することで、土砂および添加剤の攪拌混合が行われる。さらに、土砂と添加剤との混合体は、パドル羽根６４同士の間を通過することで、攪拌区間６６を通過する。
攪拌区間６６を通過した土砂と添加剤との混合体は、第二搬送区間６８のスクリュー羽根６５によってスクリューコンベヤ６の排出口６ｂへ搬送された後、排出口６ｂから排出される。排出口６ｂから排出された混合体は、搬送手段８によりトンネル坑外に搬送される。

本実施形態のスクリューコンベヤ６（シールド掘削機１）を利用した排土方法によれば、スクリュー羽根６５をパドル羽根６４に変更した攪拌区間６６を備えているため、スクリューコンベヤ６内において添加剤と土砂とが効率的に混合される。そのため、圧力が高いチャンバー５内から土砂を排出する際の噴発の発生を、必要最小限の量の添加剤により抑制することができる。
また、パドル羽根６４が、土砂に対して搬送方向と反対方向に押し込む力を作用するように板面が傾斜した板状部材であるため、攪拌効率が高い。すなわち、攪拌区間６６の手前側の第一搬送区間６７から押し込まれた土砂に対して、攪拌区間６６において逆向きの力を付与することで、攪拌効率が向上する。また、土砂は、パドル羽根６４同士の間を通過するため、攪拌区間６６において搬送物が詰まる（圧密される）こともない。
添加剤は、回転軸６２に形成された複数の注入孔６９から注入するため、添加剤と土砂との混合を効率的に行うことができる。すなわち、回転軸６２に形成された複数の注入孔６９から添加剤を予め分散させた状態で注入することで添加剤の攪拌効率がより向上する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、泥土圧シールド工法について説明したが、シールド工法は限定されるものではなく、例えば、気泡シールド工法であってもよい。なお、本実施形態のスクリューコンベヤ６を気泡シールド工法で使用する場合は、添加剤として消泡剤を使用すればよい。

前記実施形態では、攪拌区間６６が１区間の場合について説明したが、スクリューコンベヤ６は、複数の攪拌区間６６を有していてもよい。
攪拌区間６６の区間長は、適宜決定すればよいが、スクリュー羽根６５の２ピッチ分以内に設定するのが望ましい。

また、パドル羽根６４の枚数および配置は限定されるものではない。例えば、回転軸６２の周方向に対して３枚配設したものを回転軸６２の軸方向に３列配置してもよいし、回転軸６２の周方向に４枚の列と３枚の列とを回転軸６２の軸方向に交互に配置してもよい。また、パドル羽根６４は必ずしも千鳥状に配置する必要はない。
前記実施形態では、パドル羽根６４の板面が、回転軸６２と直交する面に対して傾斜しているものとしたが、パドル羽根６４の板面の角度は限定されるものではなく、例えば、回転軸６２と直交する面と平行であってもよい。

また、注入孔６９の形成箇所は、第一搬送区間６７に限定されるものではなく、攪拌区間６６に形成してもよい。また、第一搬送区間６７に注入孔６９を形成する場合において、注入孔６９は、第一搬送区間６７と攪拌区間６６との境界からスクリュー羽根６５の１〜２ピッチ分手前に形成するのが望ましい。
注入手段７の構成は限定されるものではない。例えば、注入手段７は必ずしも回転軸６２に接続されている必要はなく、スクリューコンベヤ６の外筒６１に形成された注入孔から添加剤を注入してもよい。また、添加剤は、複数個所から注入してもよい。

１ シールド掘削機
２ 本体部
３ カッターヘッド
４ 隔壁
５ チャンバー
６ スクリューコンベヤ
６１ 外筒
６２ 回転軸
６３ 動力源
６４ パドル羽根
６５ スクリュー羽根
６６ 攪拌区間
６７ 第一搬送区間（搬送区間）
６８ 第二搬送区間（搬送区間）
７ 注入手段
８ 搬送手段

Claims (5)

1. 搬送物を一定方向に搬送する第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記搬送物の攪拌を行う攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記搬送物を一定方向に搬送する第二搬送区間とを備えるスクリューコンベヤであって、
   前記攪拌区間における回転軸の外面には、周方向に間隔をあけて立設された複数のパドル羽根が前記回転軸の軸方向に間隔をあけて複数列配設されており、
   前記第一搬送区間および前記第二搬送区間における前記回転軸の外面には、螺旋状のスクリュー羽根が配設されていることを特徴とする、スクリューコンベヤ。
2. 前記パドル羽根は、板状を呈しており、前記搬送物に対して前記一定方向と反対方向に押し込む力を作用するように板面が傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載のスクリューコンベヤ。
3. 筒状の外殻を備える本体部と、
   前記本体部の前方に設けられたカッターヘッドと、
   前記本体部の前部に形成された隔壁と、
   前記カッターヘッドと前記隔壁との間に形成されたチャンバーから土砂を排出するスクリューコンベヤと、
   前記スクリューコンベヤ内に添加剤を注入する注入手段と、を備えるシールド掘削機であって、
   前記スクリューコンベヤは、前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記土砂を攪拌する複数のパドル羽根が配設された攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記土砂をチャンバー内からチャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第二搬送区間と、を備えていることを特徴とする、シールド掘削機。
4. 前記注入手段は、前記パドル羽根および前記スクリュー羽根が設けられた回転軸に形成された複数の注入孔から、前記攪拌区間または前記攪拌区間のチャンバー側に添加剤を注入することを特徴とする、請求項３に記載のシールド掘削機。
5. スクリューコンベヤを利用してシールド掘削機のチャンバー内の土砂を排出する排土方法であって、
   前記スクリューコンベヤは、前記土砂を前記チャンバー内から前記チャンバー外方向に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第一搬送区間と、前記第一搬送区間の搬送方向後側において前記土砂を攪拌する複数のパドル羽根が配設された攪拌区間と、前記攪拌区間の搬送方向後側において前記土砂を前記チャンバー内から前記チャンバー外に移送する螺旋状のスクリュー羽根が設けられた第二搬送区間と、を備えており、
   前記チャンバー内に面した取込口から前記スクリューコンベヤに前記土砂を取り込むとともに、前記攪拌区間または前記攪拌区間の前記チャンバー側において前記スクリューコンベヤ内に添加剤を注入し、
   前記攪拌区間において前記土砂と前記添加剤とを攪拌することを特徴とする、排土方法。

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