JP7162279B2

JP7162279B2 - 加圧削孔システム

Info

Publication number: JP7162279B2
Application number: JP2021023256A
Authority: JP
Inventors: 秀俊松本; 明久岩田
Original assignee: 成和リニューアルワークス株式会社; 株式会社ユビロン・フアクト
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-02-17
Also published as: JP2022125587A

Description

本発明は、加圧削孔システムに関する。

トンネル等の地下構造物の施工において、地盤改良工等を目的として、地下構造物内から被圧状態の地盤を削孔する場合がある。被圧状態の地盤を削孔すると、削孔口より地下水の噴出に伴って土砂が必要以上に排出され周辺地盤に影響を及ぼし地表面の地盤沈下のおそれがある。そのため、被圧状態の地盤を削孔する際には、削孔内の水圧を周辺地盤の地下水圧と同等以上に保つことで、地下水に伴って排出される土砂の量を制御して周辺地盤への影響を防止する方法が一般的である。

例えば、特許文献１には、被圧状態の地盤を削孔する削孔システムとして、掘削手段と、掘削手段に掘削水を供給する給水手段と、削孔により生じる排泥水を排出するための排水手段と、給水手段が供給する給水量および排水手段から排出される排水量を制御する制御手段を備えたものが開示されている。特許文献１の削孔システムによれば、制御手段により給水量と排水量を制御しているため、給水量に応じて排泥水を排出することで、地下水位の低下を抑制する。また、特許文献１の削孔システムは、土砂分離槽において土砂が分離された水を掘削水として再利用することで、掘削水を循環させている。

特開２００８－０６９５３１号公報

特許文献１の削孔システムでは、排泥水が掘削手段から大気中の土砂分離槽に排出されるため、掘削手段と土砂分離槽との気圧差も相まって、削孔時に緩められた周辺地盤の土砂も排出されるおそれがある。地盤内から余分な土砂が排出されると、地中に空洞が形成されるおそれがある。地中に空洞が形成されると、空洞に充填する充填材が増加し、施工の手間および費用が増加するおそれがある。

このような観点から、本発明は、地盤削孔時の地下水圧、掘削水圧および排水圧をバランスさせることを可能とした削孔システムを提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、地盤を削孔する掘削手段と、前記掘削手段に掘削水を供給する給水手段と、地盤の削孔により発生した排泥水を排水する排水手段と、前記給水手段と前記排水手段との間に介設された排泥処理手段とを備える削孔システムである。前記排泥処理手段は、加圧下において前記排泥水を掘削土砂又は掘削残土（以下、スライムと呼ぶ）と前記掘削水とに分離して、前記掘削水を前記給水手段に供給し、前記削孔システム全体が加圧下の状態で地山を削孔する。
なお、削孔システムは、前記排泥処理手段の内部に設けられた圧力計と、前記排泥処理手段の内部の圧力を調整するための圧力調整弁と、前記排水手段と前記排泥処理手段との接合部に設けられた排水側弁と、前記給水手段と前記排泥処理手段との接合部に設けられた給水側弁と、記圧力計の測定値に応じて前記排水側弁、前記給水側弁および前記圧力調整弁を開閉する制御手段とをさらに備えているのが望ましい。

かかる削孔システムによれば、掘削手段から排水された排泥水が、加圧下において排泥水をスライムと掘削水とに分離する排泥処理手段に供給されるため、地盤内の地下水圧と排泥処理手段との間で水圧をバランスさせることができる。すなわち、削孔時に緩められた掘削孔の周辺地盤から土砂や地下水が取り込まれることを最小限に抑えることができる。そのため、地盤内に空洞が形成されることを抑制することができる。

前記削孔システムが、トンネル坑内から地盤を削孔するものである場合には、前記掘削手段、前記排水手段および前記排泥処理手段をトンネル坑内に設けるとよい。このようにすると、掘削水のみをトンネル坑外の排泥処理を行うプラント（以下、プラントと呼ぶ）に送水すればよいため、排泥水をトンネル坑外まで排水する場合に比べて、小さい径の送水管（送泥管）を使用することができる。また、掘削手段からプラントまでの距離が長い場合であっても、プラントまでの送水に使用するポンプの省略あるいは小規模化が可能となり、経済的である。

本発明の削孔システムによれば、地盤削孔時の地下水圧、掘削水圧および排水圧のバランスを安定させることで、掘削孔からの地下水および土砂の取り込みを必要最小限に抑えることが可能となる。

本発明の実施形態に係る削孔システムの概略図である。

本実施形態では、ウォータータイトトンネル（トンネルＴ）の施工中に、トンネルＴ坑内から地盤Ｇを削孔して掘削孔Ｈを形成する場合の削孔システム１について説明する。本実施形態のトンネルＴは、シールドトンネルであって、地盤Ｇを掘削するとともにセグメントを配設することにより形成されている。
本実施形態の削孔システム１は、図１に示すように、掘削手段２と、排水手段３と、排泥処理手段４と、給水手段５と、制御手段６を備えている。

掘削手段２は、地盤Ｇを削孔する装置であって、トンネル坑内に設けられている。本実施形態の掘削手段２は、掘削機本体２１と、ケーシングパイプ（または削孔ロッド）２２と、ビット２３と、止水ボックス２４とを備えている。
掘削機本体２１は、ケーシングパイプ２２に回転力を付与するとともに、給水手段５から供給された掘削水（泥水Ｗ_１）をケーシングパイプ２２に供給する。

ケーシングパイプ２２は、パイプ材により構成されている。ケーシングパイプ２２は、形成する掘削孔Ｈの深さに応じて、パイプ材を適宜連結して所定の長さにする。ケーシングパイプ２２の先端にはビット２３が固定されている。掘削機本体２１から供給された泥水Ｗ_１は、ケーシングパイプ２２内を通ってビット２３に供給される。

ビット２３は、ケーシングパイプ２２の先端に固定されていて、ケーシングパイプ２２の回転に伴って回転する。ビット２３には、複数の噴射孔（図示せず）が形成されていて、ケーシングパイプ２２を介して供給された泥水Ｗ_１を地盤Ｇに向けて噴射する。また、ビット２３には、逆止弁２５が設けられていて、噴射孔を介して地下水Ｗ_Ｇがケーシングパイプ２２内に逆流することが防止されている。なお、逆止弁２５は必ずしもビット２３に設けられている必要はなく、逆止弁２５の取付け個所は限定されない。

止水ボックス２４は、掘削孔Ｈの孔口に設けられている。止水ボックス２４には、ケーシングパイプ２２が挿通される。止水ボックス２４は、地盤Ｇに沿って形成された隔壁Ｓ（本実施形態ではトンネルＴのセグメント）に固定されている。止水ボックス２４は、掘削孔Ｈの基端部（孔口の開口部分）を覆っていて、掘削孔Ｈとケーシングパイプ２２との隙間を通り、ケーシングパイプ２２に沿って排出された排泥水（濁水）Ｗ_２を収集する。止水ボックス２４は、排水手段３に接続されていて、掘削孔Ｈから排出された排泥水Ｗ_２を排水手段３に供給する。

排水手段３は、掘削手段２と排泥処理手段４との間に設けられた管路であって、地盤Ｇの削孔により発生した排泥水（濁水）Ｗ_２（ズリ、地下水Ｗ_Ｇおよび泥水Ｗ_１等の混合体）を排泥処理手段４に輸送する。すなわち、排水手段３は、トンネルＴの坑内に設けられた管路である。排水手段３には、止水ボックス２４との接続部に第一弁６１が設けられていて、排泥処理手段４との接続部に第二弁６２が設けられている。第一弁６１および第二弁６２は、排水手段３の流路を開閉する弁であって、本実施形態では、制御手段６により集中制御されている。

排泥処理手段４は、排水手段３と給水手段５との間に介設されていて、排泥水Ｗ_２をスライムと分離水Ｗ_３（掘削水）とに分離する。本実施形態の排泥処理手段４は、トンネルＴの坑内に設けられている。排泥処理手段４は、密閉可能に構成されていて、加圧下において排泥水Ｗ_２をスライムと分離水Ｗ_３とに分離する。このような排泥処理手段４を構成する装置は、加圧状態で排泥水Ｗ_２を分離水Ｗ_３とスライムに分離することが可能なものであれば限定されるものではなく、例えば、密閉可能（内部を加圧可能）に構成された土砂分離機、沈殿槽等が使用可能である。

図１に示すように、排泥処理手段４には、第二弁６２を介して排水手段３が接続されていて、第三弁６３を介して給水手段５に接続されている。また、本実施形態の排泥処理手段４には、内部の圧力を調整するための圧力調整弁６４が取り付けられている。

給水手段５は、掘削手段２に掘削水を供給する。給水手段５は、トンネル坑内に設けられていてもよいし、トンネル坑外に設けられていてもよい。本実施形態の給水手段５は、図１に示すように、ポンプ５１と作泥タンク５２と送水管５３とを備えている。給水手段５と排泥処理手段４との接合部には、第三弁６３が設けられている。

排泥処理手段４から供給された分離水Ｗ_３は、送水管５３を介して作泥タンク５２に供給される。作泥タンク５２では、分離水Ｗ_３と加泥材とを混合して泥水Ｗ_１（掘削水）が生成される。作泥タンク５２において生成された泥水Ｗ_１は、ポンプ５１を介して掘削手段２に送水される。

制御手段６は、第一弁６１～第三弁６３および圧力調整弁６４を制御する。すなわち、制御手段６は、排泥処理手段４内に設けられた圧力計（図示せず）の測定値に応じて、第一弁６１，第二弁６２、第三弁６３および圧力調整弁６４を開閉し、削孔システム１の圧力状態を自動的に調整する。

削孔システム１が作動すると、掘削手段２による地山の削孔が開始される。このとき、給水手段５から掘削手段２に掘削水（泥水）が供給される。すなわち、掘削手段２は、地盤Ｇに泥水Ｗ_１（掘削水）を供給するとともに、ケーシングパイプ２２を回転させることでビット２３により地盤Ｇを切削する。

掘削手段２により地盤Ｇを削孔すると、削孔により発生したズリが地下水Ｗ_Ｇ等とともに排泥水Ｗ_２として掘削孔Ｈから排水される。排泥水Ｗ_２は、排水手段３を介して排泥処理手段４へ供給される。このとき、第一弁６１および第二弁６２は開いた状態とし、第三弁６３は閉じた状態とする。こうすることで、排泥処理手段４内を排泥水（掘削水およびスライム）により充填させる。

なお、排泥処理手段４内が排泥水Ｗ_２で満たされる前の段階では、圧力調整弁６４を開放しておき、排泥処理手段４内の空気を排気する。そして、排泥処理手段４内が排泥水Ｗ_２で満たされたら、圧力調整弁６４を閉じて、排泥処理手段４内を加圧状態とする。このとき、排泥処理手段４内は、地盤Ｇの地下被圧と同等以上になるようにする。こうすることで、削孔システム１内の圧力、掘削孔Ｈ内の圧力および地盤Ｇ内の地下被圧のバランスが確保されて、地盤の緩みが抑制された状態で、掘削孔Ｈの削孔を行うことができる。

排泥処理手段４が排泥水Ｗ_２で満たされたら（排泥処理手段４内の圧力が地盤Ｇの地下被圧と同等になったら）、第三弁６３を開放して、排泥処理手段４から分離水Ｗ_３を排出する。このとき、排泥処理手段４内において分離されたスライムは、排泥処理手段４内又は付属の装置（図示せず）に貯留させておく。

排泥処理手段４から排水された分離水Ｗ_３は、給水手段５に供給される。給水手段５では、作泥タンク５２において分離水Ｗ_３に加泥して泥水Ｗ_１を生成する。作泥タンク５２において生成された泥水Ｗ_１は、ポンプ５１を介して掘削手段２に供給される。このように、本実施形態の削孔システム１は、掘削孔Ｈの削孔に使用する掘削水を循環させる。

排泥処理手段４内又は付属の装置に貯泥されたスライムは、掘削孔Ｈの削孔が完了してから除去する。なお、スライムを除去するタイミングは限定されるものではなく、例えば、一日の作業の終わりに行ってもよい。

以上、本実施形態の削孔システム１によれば、掘削手段２による削孔に伴って排水された排泥水Ｗ_２が、加圧下においてスライムと分離水Ｗ_３とに分離する排泥処理手段４に供給されるため、地盤Ｇ内の地下水圧と排泥処理手段４との間で水圧をバランスさせることができる。すなわち、掘削孔Ｈ内と掘削孔Ｈの周囲の地盤Ｇとの間で圧力のバランスが確保されているため、削孔時に緩められた掘削孔Ｈの周辺地盤から土砂や地下水Ｗ_Ｇが取り込まれることを最小限に抑えることができる。そのため、地盤Ｇ内に空洞が形成されることを抑制することができ、空洞を充填する充填工等の補助工法を省略できる。

また、掘削手段２、排水手段３および排泥処理手段４がトンネル坑内に設けられているため、掘削水のみをトンネル坑外の給水手段５（プラント）に送水すればよいため、排泥水Ｗ_２をトンネル坑外まで排水する場合に比べて、排水手段３として小さい径の送水管（送泥管）を使用することができる。また、掘削手段２から給水手段５までの距離が長い場合であっても、給水手段５までの送水に使用するポンプの省略あるいは小規模化が可能となり、経済的である。

掘削水の流れや削孔システム１内の圧力の調整は、制御手段６により第一弁６１，第二弁６２，第三弁６３および圧力調整弁６４等を自動的に調整することにより行うため、手動で行う場合に比べて、作業性に優れている。また、制御手段６を介して圧力のバランスを確保しているため、地下水Ｗ_Ｇや排泥水Ｗ_２等の噴出を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、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。
前記実施形態では、掘削水として泥水Ｗ_１を使用する場合について説明したが、掘削水は泥水Ｗ_１に限定されるものではなく、清水であってもよい。この場合には作泥タンク５２を省略して、分離水Ｗ_３をそのまま掘削水として使用すればよい。

また、前記実施形態では、トンネル坑内から掘削孔Ｈを削孔する場合について説明したが、本発明の削孔システム１を使用する場所は限定されるものではない。
また、前記実施形態では、排泥処理手段４がトンネル坑内に配設されている場合について説明したが、排泥処理手段４は、トンネル坑外に配設されていてもよい。また、給水手段５は、トンネル坑外に配設されているものとしたが、給水手段５もトンネル坑内に配設してもよい。

また、ケーシングパイプ２２には、二重管を使用してもよい。ケーシングパイプ２２が二重管の場合には、内管と外管との隙間から掘削水を供給しつつ内管の内空部分から排泥水Ｗ_２を排水してもよいし、内管の内空部分から掘削水を供給しつつ内管と外管との隙間から排泥水Ｗ_２を排水してもよい。
また、排水手段３および給水手段５には、必要に応じて圧力検出器を設けてもよい。このようにすれば、より確実に圧力を調整することができる。

１削孔システム
２掘削手段
３排水手段
４排泥処理手段
５給水手段
５１ポンプ
５２作泥タンク
６制御手段
６１第一弁
６２第二弁
６３第三弁
６４圧力調整弁
Ｇ地盤
Ｈ掘削孔
Ｔトンネル
Ｗ_１泥水（掘削水）
Ｗ_２排泥水
Ｗ_３分離水（掘削水）

Claims

地盤を削孔する掘削手段と、
前記掘削手段に掘削水を供給する給水手段と、
地盤の削孔により発生した排泥水を排水する排水手段と、
前記給水手段と前記排水手段との間に介設された排泥処理手段と、を備える削孔システムであって、
前記排泥処理手段は、加圧下において前記排泥水をスライムと前記掘削水とに分離して、前記掘削水を前記給水手段に供給し、
前記削孔システム全体が加圧下の状態で地山を削孔することを特徴とする、削孔システム。
地盤を削孔する掘削手段と、
前記掘削手段に掘削水を供給する給水手段と、
地盤の削孔により発生した排泥水を排水する排水手段と、
前記給水手段と前記排水手段との間に介設された排泥処理手段と、
前記排泥処理手段の内部に設けられた圧力計と、
前記排泥処理手段の内部の圧力を調整するための圧力調整弁と、
前記排水手段と前記排泥処理手段との接合部に設けられた排水側弁と、
前記給水手段と前記排泥処理手段との接合部に設けられた給水側弁と、
前記圧力計の測定値に応じて前記排水側弁、前記給水側弁および前記圧力調整弁を開閉する制御手段と、を備える削孔システムであって、
前記排泥処理手段は、加圧下において前記排泥水をスライムと前記掘削水とに分離して、前記掘削水を前記給水手段に供給することを特徴とする、削孔システム。
前記掘削手段、前記排水手段および前記排泥処理手段が、トンネル坑内に設けられていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の削孔システム。