JP4098310B2 - 推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、推進工法等で、各種の地下工事等に際し工事現場からの泥水等を高所の地上部等へ排出するための排土方法および装置に関するものである。

推進工法を用いて行う下水道、地下鉄、共同溝等のトンネル施工では、図１３に示すように発進用の立坑１に支圧壁２と元押ジャッキ３を設けて、先端にカッター４を配設した管体（ヒューム管）５の縦列を立坑１から掘進させていくものであるが、推進工法の中でも泥濃式推進工法では、掘進に伴い掘削した高濃度泥水（排泥）を立坑１を介して排出する。

この排泥は地上に設置したバキューム装置６により負圧をかけて行われる。土砂や礫などの固形物は、水及び空気が混合されプラグ流の状態で水平方向の管内を搬送される。

しかし、鉛直方向の落差が８〜１０ｍ以上となる立坑では、地上に設置したバキューム装置６での真空圧のみを使った方法には真空圧と大気圧の差圧が一定のため原理的にも限界があり、実用上８ｍ程度しか上がらない。

一方、推進工法の立坑深さは深くなる一方で、立坑の平面的広さも狭く中間（立坑中段部）に大きな真空ポンプやタンクも設置できず、狭いスペースでも１０〜２０ｍ程度の立坑深さであってもの排土ができ、なおかつ水平方向の排土効率に影響しないものが求められている。

現状の対策として８ｍ以上の深さになると、８ｍ以下では１台の真空ポンプでよかったものを２〜３台に増やし、空気圧の差圧で解決できない問題点に対し、空気量を増やし、エアーリフト効果により強制的に排土している。このとき、補助的に立坑下の水平部から鉛直方向に排土用配管が曲がる付近で大気を導き効果を高める（ジェット式）ようにしているがこれらの方法をとっても実用的には１２ｍ程度が限界であり、使用する電気代で見るとも２から３倍になり、使用量だけでなく受変電設備も大きくなるため、許認可まで時間もかかり設備用敷地増えてしまう。

しかし、これでも８ｍ以下の深さに比べ排土効率は半減するために推進も日進長も著しく低下してしまう。

出願人は先に深度がある地下工事現場からの排泥を立坑を介して行うのに、途中で堆積物を残すことなく、地上に効率的に排出できる高深度排泥システムとして下記特許文献１を出願した。
特願２０００−１４１１９５号（特開２００１−３２３７７５号）

これは、図１４に示すように立坑１の途中に、圧送ポンプとしてのスクイズポンプ１３およびこのスクイズポンプ１３に付設するものとして上部にエアー溜まり１４、下部に土砂溜まり１５を確保した排土タンク１６を配設し、該タンク１６のエアー溜まり１４には地上のバキュームポンプ６ａと排泥タンク６ｂからなるバキューム装置６へ接続するエアー排出管１８を接続し、土砂溜まり１５には水・土砂排出管１９をスクイズポンプ１３を介在させて接続したものである。図中１７はエアー＋土砂＋泥水の排泥管、２７は排泥タンク、２６ａ，２６ｂはバルブ、１９ａ，１９ｂは管である。

前記図１２は泥濃式推進工法の場合で、発進用の立坑１に元押ジャッキ３を設けて、先端にカッター４を配設した管体（ヒューム管）５の縦列を立坑１から掘進させていき、掘進に伴い掘削した高濃度泥水（排泥）を立坑１を介して排出する。

このようにして、立坑１の途中に圧送ポンプとしてのスクイズポンプ１３を設けることでそのポンプ圧を利用して高所の地上まで排泥を搬送でき、しかもタンク１６へ送り込まれるエアー・水・土砂は、エアーは上部のエアー溜まりへと、水および土砂は下部の土砂溜まりに分離し、エアー溜まりのエアーはバキューム装置へ吸引され、エアー溜まりは常に真空状態が維持されるので、土砂溜まりからの水・土砂排出管にはエアーによる悪影響のないスラグ流またはプラグ流を発生させることができる。

前記特許文献１では、立坑１の途中に圧送ポンプとしてのスクイズポンプ１３を設けるが、スクイズポンプは脈動するという欠点があり、尖った礫（採石）が混じっていると押し出し用のチューブ部が破けてしまうおそれがあり、気体が混ざると著しく性能が低下してしまう。

また、立坑１内にはバキューム装置６へ接続するエアー排出管１８とスクイズポンプ１３からの水・土砂排出管１９とが並存し、狭い立坑１内をより狭くしてしまう。

本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、排土容量が大きく、かつ、脈動がなく、排土圧力が安定した排土が可能であり、機構が簡単で保守性が良く、尖った礫（採石）が混じっても機器を破損することなく安定して排土でき、また、地上への配管も１つですむので立坑内の有効利用も確保できる推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するため、推進工法等における鉛直方向の排土方法としては、地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上に設置したバキューム装置へ送る推進工法等における排土方法において、立坑内で鉛直方向の配管途中に、内部のローターを回転させ、ローターと搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプを設け、この粘性ポンプの排出力をもって地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上へ送ることを要旨とするものである。

推進工法等における鉛直方向の排土装置としては、第１に、地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上に設置したバキューム装置へ送る推進工法等における排土方法に使用する装置として、立坑内で鉛直方向の配管途中に、内部のローターを回転させ、ローターと搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプを設けたこと、第２に、 粘性ポンプと地上に設置したバキューム装置とは１流路としてのサクションホースで接続すること、第３に、粘性ポンプはその前段階に調圧タンクを設けることを要旨とするものである。

請求項１および請求項２記載の本発明によれば、内部のローターを回転させ、ローターと搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプを設け、この粘性ポンプの排出力をもって地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上に設置したバキューム装置へ送るものであり、強制うず運動を基に揚程を算出することができ、排土容量が大きく、脈動することがないので排土圧力が安定している。

さらに、前記粘性ポンプは、機構が簡単で保守性が良く、スクイズポンプの場合では押し出し用のチューブ部が破けてしまう尖った礫（採石）混じりでも安定して排土できる。

また、前記粘性ポンプは、多段接続が可能であるので、使用台数を増加すれば、如何様な深度でも対応できる。

さらに、粘性ポンプは鉛直方向の配管の中間部に設置するので、排土管に加わる過剰な圧力を抑えることができ、配管詰まり抑制の効果がある。

また、粘性ポンプは配管内にエアーがある場合は、通常、始動時には呼び水が必要であるが、この粘性ポンプとバキューム装置とを組み合わせることにより、配管内を塞ぐ機構がないので、バキューム装置のバキュームポンプによりエアーリフトを常に行い、別途呼び水装置が不要で、小型化可能である。

請求項３記載の本発明によれば、前記作用に加えて、粘性ポンプと地上に設置したバキューム装置とは１流路としてのサクションホースで接続することで、地上への配管も１つですむので立坑内の有効利用も確保できる。

請求項４記載の本発明によれば、前記作用に加えて、中間に調圧タンク（エアーテェンバー）を設けることにより、水平方向の吸引排土に影響を及ぼさず、排土管詰まりの原因となる大きな礫径もここにふるい落とすことが可能となる。

以上述べたように本発明の推進工法等における排土方法は、排土容量が大きく、かつ、脈動がなく、排土圧力が安定した排土が可能であり、機構が簡単で保守性が良く、尖った礫（採石）が混じっても機器を破損することなく安定して排土できるものである。

以下、図面について本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置の第１実施形態を示す側面図で、従来例を示す図１４と同じく泥濃式推進工法の場合である。

発進用の立坑１に元押ジャッキ３を設けて、先端にカッター４を配設した管体（ヒューム管）５の縦列を立坑１から掘進させていき、掘進に伴い掘削した高濃度泥水（排泥）を立坑１を介して排出する。図中１７は横引きのための排泥管である。

この排泥は地上に設置したバキュームポンプ６ａと排泥タンク６ｂからなるバキューム装置６により負圧をかけて行われるが、本発明は、立坑１の配管途中に、圧送ポンプとして、内部のローター８を回転させ、ローター８と搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプ７を設けた。前記バキューム装置６と粘性ポンプ７を接続する立坑１の配管としては、１流路としてのサクションホース２３を使用する。

図３、図４に粘性ポンプ７の一例を示すと、駆動モータ９のシャフト１０がポンプハウジング１１内にあり、このシャフト１０にディスクによるローター８が設けられる。

粘性ポンプ７は、ポンプハウジング１１の外周面の適所に吸込口１２ａと吐出口１２ｂをそれぞれ設けている。図４に示すように、吸込口１２ａと吐出口１２ｂを横に並べて設ける場合、吸込口１２ａや吐出口１２ｂを形成する配管径がｄであるとすると、ローター８のポンプハウジング１１内の位置は駆動モータ９の反対側の空間を２／３ｄ程度空けるものとした。

これに対して、図６に示すように、吸込口１２ａと吐出口１２ｂを縦（上下）に並べて設ける場合、吸込口１２ａや吐出口１２ｂを形成する配管径がｄであるとすると、ローター８のポンプハウジング１１内の位置は駆動モータ９の反対側の空間をｄ／２程度空けるものとする。

前記ローター８の表面は粗面であることがローター８と搬送流体との間に発生する粘性抵抗を高める上で好ましいが、粗面の形成としては、図示は省略するが、小突起を点在させたもの、梨地状や波形、格子、その他の凹凸形状を表面に設けるものとする。

この粘性ポンプ７は、カスケードポンプの改良型であり、流体の特性（ベルヌーイの定理）と粘性を利用して搬送する。一般のカスケードポンプが自然うず運動を基に揚程を算出するのに対し、この粘性ポンプ７は、強制渦運動を基に揚程を算出する。

粘性ポンプ７での使用は、排水する流体中に、砂・礫・小石などを含む為、特に、羽根を有するカスケードポンプとは異なり、キャビテーション抑制とローターの破損防止として、前記凹凸形状がローター８の表面に存在し、カスケードポンプの羽根代わりとして機能させている。

このようにして粘性ポンプ７はローター８にキャビテーションが発生しない範囲で使用可能である。また、ローター８の回転速度は内側の周速度で搬送流体の速度以上で回転させる。

また、粘性ポンプ７の流入側には調圧タンク２０を接続した。この調圧タンク２０は、地下工事現場としてカッター４のカッター室内から導かれるから排泥管１７を前記エアー溜まり２１に接続させて開口させる。エアー溜まり２１は調圧タンク２０の上から約１／３〜１／２を占めるように形成した。

また、調圧タンク２０の土砂溜まり２２は、調圧タンク２０の下から約１／２〜２／３を占めるように形成する。この調圧タンク２０の底部は土砂溜まり２２を設けるためにロート状ではなく平坦なものとする。図１１はその詳細を示すもので、排泥管１７の接続管１７ａと、粘性ポンプ７へのサクションホース２３の接続管２３ａとの関係は、調圧タンク２０の高さをＨとすると、サクションホースの接続管２３ａの調圧タンク２０へ上からの差し込み長さが２／３〜１／３Ｈ＝ｈであり、排泥管の接続管１７ａの上の部分の高さが約１／２ｈである。また、サクションホースの接続管２３ａの先端は尖らせて、楕円形の開口とする。

このように、中間に調圧タンク２０（エアーテェンバー）を設けることにより、水平方向の吸引排土に影響を及ぼさず、排土管詰まりの原因となる大きな礫径（管径Ｄ／２）もここにふるい落とすことが可能となる。

しかも、土砂溜まり２２では、図示は省略するが一部に清掃用開口部を設け、（通常はメクラ蓋）、調圧タンク２０の定期的にタンク内を清掃し溜まった礫を除去すればさらに効果が高まる。

さらに、この調圧タンク２０には緊急時にエアーリフトができるようタンク下部に外気導入用の開閉バルブを設けておき、補助的に外気を導き鉛直管やタンク内の攪拌により、混入している礫等の詰まりを防止する。

このように、粘性ポンプ７を設けることで、使用する真空ポンプの電気代や受変電設備も大きくならず、設備用敷地も深さ８ｍ以下の立坑と同じ設計仕様ですんでしまう。しかも、鉛直方向の配管は三相流（空気・水・砂礫）のまま排土できるので一本でよく構造も簡単で面倒な制御もいらず故障しにくい。

また、立坑が深くなっても排土効率は低下せず、推進効率を低下させないでよい。

図２は本発明の第２実施形態を示すもので、調圧タンクはこれを水平用の調圧タンク２０ａと垂直用の調圧タンク２０ｂの二つに分けて設置した。垂直用の調圧タンク２０ｂへのサクションホース２３の接続管２３ａの接続高さは、調圧タンク２０ｂの高さをＨとした場合、上方に１／３〜２／３Ｈの高さが空気溜まりとして残るようにするのが好適である。また、図１２に示すようにサクションホースの接続管２３ａを下から接続するようにしてもよい。

図５は本発明の第３実施形態を示すもので、前記粘性ポンプ７はこれを多段に設置することが可能である。

このようにして、カッター４でのエアー、水・土砂による排泥は排泥管１７から調圧タンク２０内に導かれ、調圧タンク２０からさらに粘性ポンプ７を介してバキューム装置６に送ることができる。

図７〜図１０に粘性ポンプ７の変形例を示す。粘性ポンプ７は先にも述べたように、圧送ポンプとして、内部のローター８を回転させ、ローター８と搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行うもので、駆動モータ９のシャフト１０がポンプハウジング１１内にあり、このシャフト１０にディスクによるローター８が設けられるものであれば、ポンプハウジング１１の形状やローター８の形状を問わない。

図７の例は、ローター８をリング状としてその外周にポンプハウジング１１の空洞を形成した場合、図８、図９、図１０の場合は、ローター８の片側のみにポンプハウジング１１の空洞を形成した場合であり、図１０の場合はさらにローター８側にもポンプハウジング１１の空洞に対応する凹所８ａを形成した場合である。

図７の場合では、吸込口１２ａや吐出口１２ｂを形成する配管径がｄであるとすると、ローター８の外周のポンプハウジング１１の空洞の径はｄ／２以上とする。また、リング状のローター８には回転板８ｂをフランジとして形成し、この回転板８ｂに透孔８ｃを適宜間隔で設けてもよい。図示の例は透孔８ｃを矩形としたが、円形その他でもよく、また、大きさも複数あってもよい。

図８の例でも、ポンプハウジング１１の空洞の径はｄ／２以上とする。図９の例ではポンプハウジング１１の空洞の径はｄ以上とした。また、図１０の例ではポンプハウジング１１の空洞の径はｄ／２以上とした。

以上の実施形態は三相流（空気・水・砂礫）の排土方法について説明したが、本発明は、一般的二相流の搬送にも適用できる。そして、特に搬送固体径大きい場合に有利である。（設計上の搬送最大径＝管径Ｄ／３、実用上の搬送径＝管径Ｄ／２）

本発明の推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置の第１実施形態を示す説明図である。 本発明の推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置の第２実施形態を示す説明図である。 粘性ポンプの第１例を示す縦断側面図である。 粘性ポンプの第１例を示す縦断正面図である。 本発明の推進工法等における鉛直方向の排土方法および装置の第３実施形態を示す説明図である。 粘性ポンプの第２例を示す説明図である。 粘性ポンプの第３例を示す説明図である。 粘性ポンプの第４例を示す説明図である。 粘性ポンプの第５例を示す説明図である。 粘性ポンプの第６例を示す説明図である。 調圧タンクの説明図である。 垂直用の調圧タンクの他例を示す説明図である。 泥濃式推進工法の説明図である。 従来例を示す説明図である。

符号の説明

１…立坑 ２…支圧壁
３…元押ジャッキ ４…カッター
５…管体 ６…バキューム装置
６ａ…バキュームポンプ ６ｂ…排泥タンク
７…粘性ポンプ ８…ローター
８ａ…凹所 ８ｂ…回転板
８ｃ…透孔 ９…駆動モータ
１０…シャフト １１…ポンプハウジング
１２ａ…吸込口 １２ｂ…吐出口
１３…スクイズポンプ １４…エアー溜まり
１５…土砂溜まり １６…タンク
１７…排泥管 １７ａ…排泥管の接続管
１８…エアー排出管 １９…水・土砂排出管
１９ａ，１９ｂ…管 ２０，２０ａ，２０ｂ…調圧タンク
２１…エアー溜まり ２２…土砂溜まり
２３…サクションホース ２３ａ…サクションホースの接続管
２５ａ，２５ｂ…レベルスイッチ
２６ａ，２６ｂ…バルブ ２７…排泥タンク

Claims (4)

1. 地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上に設置したバキューム装置へ送る推進工法等における排土方法において、立坑内で鉛直方向の配管途中に、内部のローターを回転させ、ローターと搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプを設け、この粘性ポンプの排出力をもって、地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上へ送ることを特徴とした推進工法等における鉛直方向の排土方法。
2. 地下工事現場からの排泥を立坑を介して地上に設置したバキューム装置へ送る推進工法等における排土方法に使用する装置として、立坑内で鉛直方向の配管途中に、内部のローターを回転させ、ローターと搬送流体との間に発生する粘性抵抗を利用して排出を行う粘性ポンプを設けたことを特徴とする推進工法等における鉛直方向の排土装置。
3. 粘性ポンプと地上に設置したバキューム装置とは1流路としてのサクションホースで接続する請求項２記載の推進工法等における鉛直方向の排土装置。
4. 粘性ポンプはその前段階に調圧タンクを設ける請求項２または請求項３記載の推進工法等における鉛直方向の排土装置。

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