説明

シールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法

【課題】長距離掘進において固形回収率を向上させ、処理費用の削減及び環境負荷低減が可能なシールド掘進機における固形回収物の搬送システムを提供する。
【解決手段】掘削した固形回収物50を、排泥管40に所定間隔で配置した排泥ポンプ42により、坑外に搬出するシールド掘進機において、シールド掘進機側から後方側にかけて各排泥ポンプ42a、42b、42cの羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させ、排泥管40に固形回収物50の大きさを測定する第1の固形回収測定装置44を設け、当該排泥ポンプ42aから後方の排泥管40に固形回収物50の大きさを測定する第2の固形回収測定装置46を所定間隔で設けて、第1と第2の固形回収測定装置44、46の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物50の溶解率とに基づきカッタヘッドの回転数を制御して固形回収物50の切り出し寸法を調整する制御装置を設けた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、シールド掘進に際して土粒子の骨格構造を地山状態と同様に保持したままの固形状態で切り出し掘削し、その固形状態の土砂を流体輸送して回収するシールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、泥水式シールド掘進機によるトンネル掘削においては、カッタビットの回転によって掘削地山の土砂の骨格構造を破壊し、できるだけ土粒子自体の粒径に近い状態として流体輸送により坑外に搬出するようにしている。
【0003】
このような場合、輸送媒体としての液体と掘削土砂の固形分(土粒子)とを分離するため、坑外に大規模な処理施設が必要とされる。
【0004】
特に、粘性土を多く含む地山を掘削する場合、1次処理設備で粗粒分を分級し、2次処理設備でさらに細粒分を分級するという2段階の処理設備が必要となる上に、2次処理された細粒分は産業廃棄物(汚泥)として取り扱われるため、処理設備の大規模化により発進立坑用地が広大化し、処理費用が増大することとなる。
【0005】
そのため、本願出願人は、先に、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出する固形回収技術を提案した(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2000−282784号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
このような固形回収技術においては、長距離掘進(例えば3000m以上)を行う場合、シールド掘進機から最初の排泥ポンプの間に固形回収測定装置を1台設置して固形回収物の切り出し寸法を制御すると共に、管路の摩擦損失に応じた台数の排泥ポンプを設置するようにしているため、長距離での固形回収物の溶解率が大きく、固形回収物の回収率が減少していた。
【0007】
特に、固形回収物の溶解率を下げるためには、シールド掘進機での固形回収物の切り出し寸法を大きくする必要があるが、標準の排泥ポンプは回転する羽根体の枚数が多いため、固形回収物が閉塞するおそれがあり、固形回収物の切り出し寸法を大きくできない状態となっている。
【0008】
本発明の目的は、長距離掘進においても固形回収物の熔解率を上げることなく輸送して、固形回収率を向上させ、処理費用の削減及び環境負荷低減が可能なシールド掘進機における固形回収物の搬送システム及び搬送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記目的を達成するため、本発明のシールド掘進機における固形回収物の搬送システムは、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送システムであって、
前記排泥ポンプは、シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させ、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に固形回収物の大きさを測定する第1の固形回収測定装置を設けると共に、当該排泥ポンプから後方の排泥管に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第2の固形回収測定装置を所定間隔で設け、
前記第1の固形回収測定装置及び第2の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する制御手段を設けたことを特徴とする。
【0010】
また、本発明のシールド掘進機における固形回収物の搬送方法は、先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送方法であって、
シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプにより、揚程を上げて泥水と共に前記固形回収物を輸送する工程と、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に設けた第1の固形回収測定装置により固形回収物の切り出し大きさを測定する工程と、
当該排泥ポンプから後方の排泥管に所定間隔で設けた複数台の第2の固形回収測定装置により後方での固形回収物の大きさを測定する工程と、
前記第1の固形回収測定装置及び第2の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき制御手段が前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する工程と、
を含むことを特徴とする。
【0011】
これらの発明によれば、シールド掘進機側から後方側にかけて各排泥ポンプの羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させることにより、カッタヘッドによる固形回収物の切り出し寸法を大きくしても初期段階で閉塞することなく固形回収物を輸送することができ、後方にいくにしたがって溶解率が大きくなる段階で揚程を上げて確実な輸送を行うことができる。
【0012】
また、第1の固形回収測定装置に加え、最初の排泥ポンプから後方の排泥管に複数台の第2の固形回収測定装置を所定間隔で設け、制御手段により、第1の固形回収測定装置及び第2の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物の溶解率とに基づきカッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整することで、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。
【0013】
特に、掘削経路の土質の変化により、排泥ラインでの溶解率が変化した場合、カッタヘッドにより切り出し寸法を調整することで、土質の変化にかかわらず、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。
【0014】
さらに、複数台の第2の固形回収測定装置により測定された固形回収物の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較して複数の排泥ポンプにおける最適な羽根体の枚数を決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0016】
図1〜図5は、本発明の一実施の形態にかかるシールド掘進機における固形回収物の搬送システムを示す図である。
【0017】
図1は、泥水式シールド工法におけるシールド掘進機の概略図で、このシールド掘進機2においては、泥水をシールド掘進機10内部のチャンバ12に供給して切羽14の安定を図りながら、シールド掘進機10のカッタヘッド16を回転させることにより、地山を掘削し、掘進に伴ってセグメント18を順次継ぎ足し、セグメント18にジャッキ20で反力を取りながら、カッタヘッド16を回転させて掘削を継続してトンネルを構築するようになっている。
【0018】
チャンバ12に供給される泥水は、地上の作泥設備または泥水処理設備から送泥設備の一部である送泥管22を介して送られるものであり、トンネル内の性状調整設備等により必要な性状調整がされる。
【0019】
具体的には、トンネル内の性状調整設備は、調泥剤タンク24と、送泥管22に設けられ、調泥剤タンク24から供給された調泥剤と泥水とを混合撹拌するスタティックミキサー26と、この混合撹拌後の泥水性状を測定する粘性計28とを含んで構成されている。
【0020】
必要に応じて調泥剤タンク24から所定の調泥剤が添加され、スタティックミキサー26により撹拌混合された送泥水は、粘性計28により粘性が測定され、チャンバ12に供給される。
【0021】
粘性計28による測定結果は、制御装置30に送られ、制御装置30は、この測定結果に基づき調泥剤の添加を調整する。
【0022】
カッタヘッド16は、図示せぬモータにより回転駆動されて掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削して固形回収可能にするもので、このカッタヘッド16には、図2に示すように、地山をほぼ一定の間隔で先行掘削する先行ビット70〜80と、この先行掘削した間の部分の地山、すなわち、先行ビット70〜80により形成された先行掘削溝の間に掘り残された地山凸部を切り出し掘削する後行ビット90とが設けられている。
【0023】
また、先行ビット70〜80のうち先行ビット70〜77は、2つを1組としてカッタヘッド16の回転に伴って異なる軌跡を描く4つの先行ビットユニット60を構成する。
【0024】
また、先行ビット70〜80が描く軌跡は、図2のカッタヘッド22上の1点鎖線で示される。
【0025】
先行ビット70〜80の軌跡、すなわち、先行掘削溝は、例えば、先行ビット70〜72の軌跡270〜273で示すようにほぼ一定の間隔であるため、後行ビット90で当該部分を掘削した場合、掘削後の土砂の大きさをほぼ一定の大きさ、すなわち、輸送設備を閉塞させない大きさに揃えることができる。
【0026】
なお、シールド掘進機10には、ジャッキ20の速度を検出する検出装置37、カッタヘッド16の回転数を検出する検出装置38、カッタトルクを検出する検出装置39、制御装置30に指令を送るコンピュータ32、コンピュータ32への制御用の設定データの入力を行う入力装置31、制御用のデータが記憶された記憶装置34、制御用のプログラムが記憶された情報記憶媒体36が設けられ、制御装置30が入力装置31からの入力情報に基づきカッタヘッド16の回転数を制御し、検出装置37〜39からの検出情報に基づきカッタヘッド16の回転数をフィードバック制御するようになっている。
【0027】
カッタヘッド16の回転によって切り出し掘削された固形回収物は、固形回収物の搬送システムによって、チャンバ12内の泥水と共に地上の泥水処理設備に送られる。
【0028】
泥水処理設備では、排泥水に含まれる掘削土砂等の固形分と液体分とが分離(固液分離)され、分離後の液体分は、調整槽で必要な成分調整が行われた後、再度シールド掘進機10へ向け送り出され、送泥水として再利用される。
【0029】
固形回収物の搬送システムは、図3に示すように、排泥管40と、この排泥管40に配置される複数台の排泥ポンプ42と、第1の固形回収測定装置44と、複数台の第2の固形回収測定装置46とを有している。
【0030】
排泥管40は、排泥水を固形回収物と共に流動、通過させるもので、チャンバ12側から坑外へと一定の径で配設されるようになっている。
【0031】
複数台の排泥ポンプ42は、排泥管40に所定間隔で配置され、所定の輸送力が得られるようになっている。
【0032】
この排泥ポンプ42の間隔は、例えば250m毎に1台配置するようになっている。
【0033】
また、本実施の形態の場合、3000m以上の長距離掘進、例えば8000mの長距離掘進を想定しており、このような長距離掘進においては、長距離輸送に伴う管路の摩擦損失が大きく、そのため摩擦損失に応じた排泥ポンプ42の台数を設備する必要があり、これに伴って固形回収物の溶解率が大きくなって、固形回収率が低下することとなる。
【0034】
溶解率を下げるためには、カッタヘッド16での切り出し寸法を大きくする必要があるが、排泥ポンプ42の構成によっては閉塞が発生することが考えられる。
【0035】
そのため、本実施の形態では、シールド掘進機10側から後方側にかけて排泥ポンプ42の構成を所定距離ごとに変えるようにしている。
【0036】
具体的には、図3に示すように、0m〜3000mの間と、3000m〜6000mの間と、6000m〜8000mmの間でそれぞれ排泥ポンプ42の構成を変えるようにしている。
【0037】
排泥ポンプ42の構成は、図4(1)に示すような内部に回転する2枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42aと、図4(2)に示すような内部に回転する3枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42bと、図4(3)に示すような内部に回転する4枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42cとの3種類を用いている。
【0038】
排泥ポンプ42aの羽根体48相互の純間隔L1は70mm、排泥ポンプ42bの羽根体48相互の純間隔L2は60mm、排泥ポンプ42cの羽根体48相互の純間隔L3は50mmとなっている。
【0039】
そして、0m〜3000mの間には図4(1)に示すような内部に回転する2枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42a、3000m〜6000mまでの間には図4(2)に示すような内部に回転する3枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42b、6000m〜8000mの間には図4(3)に示すような内部に回転する4枚の羽根体48を有する排泥ポンプ42cを設けるようにしている。
【0040】
このような排泥ポンプ42の配置とすることにより、カッタヘッド16によって地山を70mm程度に切り出し掘削し、羽根体48相互の純間隔L1が70mmの排泥ポンプ42aによって固形回収物を0m〜3000mの間で輸送することにより、破砕を最小限に抑えて、固形回収率を上げるようにしている。
【0041】
この区間では、当初は70mm程度の固形回収物50aの直径で輸送を開始し、徐々に溶解して3000mm程度で直径60mm程度の固形回収物となる。
【0042】
そこからは、羽根体48相互の純間隔L2が60mmの排泥ポンプ42bによって固形回収物50bを6000mまで輸送する。
【0043】
この場合、5000m程度で固形回収物50cが直径52mm程度まで溶解し、6000mに達するときには直径50mm程度になる。
【0044】
そして、6000m〜8000mまでは、羽根体48相互の純間隔L3が50mmの排泥ポンプ42cによって固形回収物を輸送する。
【0045】
この区間では、7000m程度で溶解により固形回収物50dの直径が40mm程度になり、およそ同程度の直径で固形回収されることとなる。
【0046】
このように、排泥ポンプ42が閉塞しない最大限の大きさで地山を切り出し掘削し、排泥ポンプ42の羽根体48の枚数をシールド掘進機10側から後方側にかけて所定距離ごとに増加させることにより、固形回収物を極力破砕せずに搬送し、固形回収率を上げて、泥水処理設備における1次処理で分級される固形分の量を増加させて2次処理を効率化し、2次処理設備をコンパクトにすることで、必要な立坑用地を省面積化することができることとなる。
【0047】
また、水分を含む軟弱土で、産業廃棄物(汚泥)として取り扱われる2次処理土を減少させて、その処分に関する多大な労力と費用を削減することが可能となる。
【0048】
また、本実施の形態のように、羽根体48の枚数の異なった排泥ポンプ42を使用する場合、通過寸法が異なるため、溶解率の変化によっては、閉塞が発生することが考えられる。
【0049】
そのため、本実施の形態では、シールド掘進機10と最初の排泥ポンプ42aとの間の排泥管40に固形回収物50の切り出し大きさを測定する第1の固形回収測定装置44を設けると共に、この最初の排泥ポンプ42aから後方の排泥管40に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第2の固形回収測定装置46を所定間隔で設けるようにしている。
【0050】
第1及び第2の固形回収測定装置44、46は、本願出願人が先に提案した特開平9−159623号公報に記載された測定装置を用いることが好ましい。
【0051】
この測定装置は、泥水に電波を放射し、泥水中を伝播する電波を受信し、この受信レベルにより個体の密度を演算し、この密度から固体の大きさを演算する装置であり、正確に測定することが出来るものである。
【0052】
また、第2の固形回収測定装置46は、具体的には、図3に示すように、略300mに1台、6000mに1台の2台設置するようにしている。
【0053】
そして、第1の固形回収測定装置44及び第2の固形回収測定装置46の測定結果より制御装置30が固形回収物の溶解率を演算し、その測定結果と固形回収物の溶解率とに基づき制御装置30がカッタヘッド16の回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整するようにしている。
【0054】
この場合、複数台設置された第2の固形回収測定装置46により測定された固形回収物の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較し、最適な排泥ポンプ42の羽根体48の枚数を決定するようにするとよい。
【0055】
また、土質の変化により排泥ラインでの溶解率が変化した場合、複数台設置された第2の固形回収測定装置46により固形回収物の寸法と溶解率を測定し、閉塞等の不具合防止と固形回収率を低下させないようにカッタヘッド16での切り出し寸法を調整するようにするとよい。
【0056】
次に、このような固形回収物の搬送システムを用いた固形回収物の搬送方法について説明する。
【0057】
まず、シールド掘進機10側から後方側にかけて各排泥ポンプ42の羽根体48の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプ42a、42b、42cにより、揚程を上げて泥水と共に固形回収物50を輸送する。
【0058】
この場合、シールド掘進機10側から後方側にかけて各排泥ポンプ42の羽根体48の枚数を所定距離ごとに増加させることにより、カッタヘッド16による固形回収物50の切り出し寸法を大きくしても初期段階で閉塞することなく固形回収物50を輸送することができ、後方にいくにしたがって溶解率が大きくなる段階で揚程を上げて確実な輸送を行うことができる。
【0059】
次に、シールド掘進機10と最初の排泥ポンプ42aとの間の排泥管40に設けた第1の固形回収測定装置44により固形回収物50の切り出し大きさを測定する。
【0060】
この場合、第1の固形回収測定装置44により確実に固形回収物50の切り出し大きさを監視することができる。
【0061】
次いで、最初の排泥ポンプ42aから後方の排泥管40に所定間隔で設けた複数台の第2の固形回収測定装置46により後方での固形回収物50の大きさを測定する。
【0062】
この場合、複数台の第2の固形回収測定装置46により溶解していく後方での固形回収物50の大きさを確実に監視することができる。
【0063】
そして、第1の固形回収測定装置44及び第2の固形回収測定装置46の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物50の溶解率とに基づき制御装置30がカッタヘッド16の回転数を制御して固形回収物50の切り出し寸法を調整する。
【0064】
このように、第1の固形回収測定装置44に加え、最初の排泥ポンプ42aから後方の排泥管40に複数台の第2の固形回収測定装置46を所定間隔で設け、制御装置30により、第1の固形回収測定装置44及び第2の固形回収測定装置46の測定結果と、その測定結果より演算して得た固形回収物50の溶解率とに基づきカッタヘッド16の回転数を制御して固形回収物50の切り出し寸法を調整することで、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率を低下を防止することができる。
【0065】
特に、掘削経路の土質の変化により、排泥ラインでの溶解率が変化した場合、カッタヘッドにより切り出し寸法を調整することで、土質の変化にかかわらず、閉塞等の不具合の防止と、固形回収率の低下を防止することができる。
【0066】
さらに、複数台の第2の固形回収測定装置46により測定された固形回収物50の寸法及び溶解率と、計画された固形回収物の寸法及び溶解率とを比較して複数の排泥ポンプ42における最適な羽根体48の枚数を決定することができる。
【0067】
本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変更することができる。
【0068】
例えば、排泥ポンプとして2枚、3枚、4枚の羽根体を有するものについて説明したが、羽根体の枚数は前記実施の形態に限定されるものではない。
【0069】
また、第2の固形回収測定装置の台数は、前記実施の形態の場合に限らず任意の台数とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】本実施の形態における固形回収物の搬送システムに用いられる泥水式シールド工法におけるシールド掘進機の概略図である。
【図2】図1のカッタヘッドの正面図である。
【図3】本実施の形態における固形回収物の搬送システムの概略図である。
【図4】(1)は2枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図、(2)は3枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図、(3)は4枚の羽根体を有する排泥ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【0071】
10 シールド掘進機
12 チャンバ
14 切羽
16 カッタヘッド
30 制御装置
40 排泥管
42、42a、42b、42c 排泥ポンプ
44 第1の固形回収測定装置
46 第2の固形回収測定装置
48 羽根体
50、50s、50b、50c、50d 固形回収物
70、71、72、73、74、75、76、77、80 先行ビット
90 後行ビット

【特許請求の範囲】
【請求項1】
先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送システムであって、
前記排泥ポンプは、シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させ、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に固形回収物の大きさを測定する第1の固形回収測定装置を設けると共に、当該排泥ポンプから後方の排泥管に後方での固形回収物の大きさを測定する複数台の第2の固形回収測定装置を所定間隔で設け、
前記第1の固形回収測定装置及び第2の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する制御手段を設けたことを特徴とするシールド掘進機における固形回収物の搬送システム。
【請求項2】
先行ビット及び後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により掘進経路にある地山を固形状態で切り出し掘削し、前記切り出し掘削した固形回収物を、排泥管に所定間隔で配置した内部に回転する羽根体を有する複数台の排泥ポンプにより、チャンバ内の泥水と共に排泥管内を輸送して坑外に搬出するシールド掘進機における固形回収物の搬送方法であって、
シールド掘進機側から後方側にかけて前記各排泥ポンプの前記羽根体の枚数を所定距離ごとに増加させた排泥ポンプにより、揚程を上げて泥水と共に前記固形回収物を輸送する工程と、
前記シールド掘進機と最初の前記排泥ポンプとの間の排泥管に設けた第1の固形回収測定装置により固形回収物の切り出し大きさを測定する工程と、
当該排泥ポンプから後方の排泥管に所定間隔で設けた複数台の第2の固形回収測定装置により後方での固形回収物の大きさを測定する工程と、
前記第1の固形回収測定装置及び第2の固形回収測定装置の測定結果と、その測定結果より演算して得た前記固形回収物の溶解率とに基づき制御手段が前記カッタヘッドの回転数を制御して固形回収物の切り出し寸法を調整する工程と、
を含むことを特徴とするシールド掘進機における固形回収物の搬送方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−138475(P2007−138475A)
【公開日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−331818(P2005−331818)
【出願日】平成17年11月16日(2005.11.16)
【出願人】(000166432)戸田建設株式会社 (328)
【出願人】(591075630)株式会社アクティオ (33)
【Fターム(参考)】