JP4254922B2 - 吸引排土システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の地下工事等に際し工事現場からの排土・泥水等を、立坑を介して高所の地上部等へ排出するための吸引排土システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水道、地下鉄、共同溝等のトンネル施工を例えば、シールド工法に比べて低コストである泥濃式推進工法で行う場合、掘進に伴い掘削した高濃度泥水（排泥）を立坑を介して排出することになる。
【０００３】
例えば、図５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、その中で、泥濃式推進工法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。
【０００４】
この排泥は地上に設置した真空ポンプ６ａと排泥タンク６ｂからなるバキューム装置６の真空ポンプ６ａ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（混相流の中のプラグ流）の状態で水平方向の管内を搬送される。混相流とは、気相、液相、固相のうちの２つ以上の相、あるいは混じり合わない液相どうしが混在して流れる流れのことを指す。混相流を利用した搬送は分離しないよう常に乱流状態が必要（混合物の分離）そのためにはプラグ流状態がよい。
【０００５】
鉛直方向の管内も固形物と水及び空気が混合されていれば、エアーリフト効果と真空圧力による搬送が可能である。
【０００６】
ところで、前記土砂や礫などの固形物のプラグ流の状態での輸送、いわゆるプラグ輸送は管路輸送の一つの方法として、圧縮空気の膨張力を利用して、粘土、シルト、細砂などの土砂を輸送する混気圧送の技術であり、この混気圧送は、管路内に送り出した軟泥などの土砂に対して圧縮空気を注入してプラグ流と呼ばれる流れを発生させるが、この流れは、流動化した土砂が波のような形状となったプラグと呼ばれる塊と、圧縮空気の層とが交互に繰り返される流動状態である。
【０００７】
プラグ輸送は固気系の二相流で粒子層が前後の静圧の差により移動させるので、個々の粒子の飛翔により輸送を行う浮遊輸送とはメカニズムが異なる。
【０００８】
図６に理想化された輸送状態のプラグ流を示すと、プラグを形成する固体粒子の層と空気の層とが分離されて連動する。しかし、通常は図７に示すように、管底側に粒子の静止堆積層が形成され、その上をプラグが波動的な連動を示しながら移動する。または、図８に示すように堆積層が成長して丘状の塊からプラグとなり、ある程度進んだのち崩壊する。このようなプラグの形成と崩壊を繰り返すときのように、図７と図８の中間的な場合もある。
【０００９】
鉛直管の場合には、図９に示すように、一般にプラグ下面近くの粒子が落下して、それらが次のプラグの上面部に堆積する。しかし、場合によっては架橋現象をおもわすように、ほとんど粒子が落下しないこともある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の排土工法では、安定してプラグ流を得るのが、困難であり、水平方向の管内ではその距離が一定以上になると、圧力の低下、変動等が大きくなり、不安定さが増す。
【００１１】
また、立坑部における鉛直方向の管内では水平方向の配管から垂直方向の配管に変わるため、垂直方向の排土時の圧力変動が、水平方向の圧力にも影響し、良好なプラグ流が形成に悪影響を及ぼしていた。
【００１２】
さらに、真空式の排土で理論上１０ｍ程度の深さまでしか排土できず、効率がよいのは（通常の建設用真空ポンプでは）６〜７ｍ程度が限界であり、それ以上の深さでは真空度を高め大気圧との圧力差を保つにはおのずと限界（絶対真空であってもゲージ圧で１kgまで）があり、配管の途中（水平方向から垂直方向に配管が変わる立坑下など）から空気を導きエアーリフト効果を利用い１５ｍ程度まで対処している。
【００１３】
しかし、このためには大量の空気量を必要とするため地上に設置するバキューム装置６（真空ポンプ）が１台では現在の機械では限界があり数台のを並列に接続して吸引空気量を増やして対応しているが経済的にも限界がある。
【００１４】
なお、プラグ流の安定化、それも、横方向の吸引におけるプラグ流の安定化に関する特許文献は存在しない。
【００１５】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、安定したプラグ流を得ることにより、水平方向の排土効率を向上させ、同じ能力の真空ポンプを用いるバキューム装置でも排土可能距離が拡大し、ポンプの負荷変動が少なく、全体的な消費電力も減少し、ポンプの故障や消耗部品の消費も減少し、ポンプ寿命も伸びる吸引排土システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、トンネル内地下工事現場からの排土を立坑等の上昇経路を介して地上のバキューム装置へ送る吸引排土システムにおいて、排土をトンネル内の横引きと立坑内の縦引きとに分離し、この両者の間またはその付近に圧力変動の安定手段としてエアー溜まりを有する排土タンクを配設し、また、立坑内に排土用タンクに接続する圧送ポンプとしてスクイズポンプを設置し、また、排土タンク下部にはスクリューフィーダを設け、前記縦引きには前記スクイズポンプを介在させ、前記排土用タンクとスクイズポンプは相互に上下の関係に配置し、前記排土タンクのスクリューフィーダの吐出側に前記スクイズポンプを接続させ、スクイズポンプからの排土・泥水排出管をこれを地上に設置したバキューム装置の排泥タンクへと導くことを要旨とするものである。
【００１７】
請求項１記載の本発明によれば、水平左向から垂直方向に配管が変わる付近（立坑下など）に圧力変動の安定手段を設け、圧気工法などでコンプレッサからの圧力の脈動をとるためのサージタンクやチェンバータンクのような役割を発揮し、これにより空気圧を利用して垂直方向の排土をしないでよく、垂直配管の圧力変動もなく、水平方向の圧力変動を安定させ、安定したプラグ流を発生させることができる。
【００１８】
このように、水平方向の排土効率が上がり、同じ能力の真空ポンプで排土可能距離も２倍以上長くなる。ポンプの負荷変動が少なくなり、全体的な消費電力も減少し、ポンプの故障や消耗部品の消費も減少し、ポンプ寿命も伸びる。
【００１９】
前記作用に加えて、圧力変動の安定手段は、エアー溜まりを有する排土タンクとすることで、安価な設備で、確実な圧力変動安定化が実現できる。
【００２０】
また、縦引きにはさらにこの圧送ポンプを介在させることで、圧送ポンプのポンプ圧を利用して高所の地上まで排泥を搬送できる。
【００２１】
また、圧送ポンプへのエアー溜まりを有する排土タンクとの組み合わせは、固液分離装置を構成することになり、排土タンクへ送り込まれる排土・泥水とエアーは、エアーは上部のエアー溜まりへと、排土・泥水は下部のスクリューフィーダへと分離する。そして、エアー溜まりのエアーはこれのみが真空ポンプ等で吸引され、エアー溜まりは常に真空状態が維持されるので、スクリューフィーダからの排土・泥水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、詰まりのないスムーズな圧送ポンプでの搬送が可能となる。しかも、スクリューフィーダを使用することで圧送ポンプに泥水＋土砂を強制的に送りこむことができる。
【００２２】
さらに、排土用タンクと圧送ポンプは相互に上下の関係に配置することで、狭い立坑内でも、効率良く配置することができ、特に、圧送ポンプを排土用タンクの下方に置くことで、排土用タンクから圧送ポンプへの送り込みを確実に行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の吸引排土システムの１実施形態を示す側面図、図２は同上要部の説明図、図３は排土タンクの説明図で、泥濃式推進工法の場合で、発進用の立坑１に支圧壁２および元押ジャッキ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を介して排出するものである。
【００２４】
この排泥は地上に設置した真空ポンプ６ａ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、本発明は管体（ヒューム管）５を縦列させて形成するトンネル２１の内部の横引きＡと立坑１内の縦引きＢとに分離し、この両者の間またはその付近に圧力変動の安定手段としてエアー溜まり１４を有する排土タンク１６を立坑１の途中に設けた。
【００２５】
前記排土タンク１６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エアー＋土砂＋泥水の吸引管１７を前記エアー溜まり１４に接続させて開口させる。このエアー溜まり１４にはエアー排出管１８を接続し、その端部を開口する。
【００２６】
立坑１が浅い場合には、排土タンク１６から直接排土・泥水排出管１９を介して地上に設置した土砂ホッパー２２へと導くようにしてもよい。
【００２７】
このように、横引きＡである水平方向から縦引きＢである垂直方向に配管が変わる付近（立坑下など）に設けた排土タンク１６が、圧気工法などでコンプレッサからの圧力の脈動をとるためのサージタンクやチェンバータンクのような役割を発揮し、真空ポンプ６ａの元圧力の変動が４００〜７２０mmHg（この設備で出せる最大負圧値）であったものが４００〜５００mmHgと安定する。
【００２８】
また、図示の実施形態では、立坑１が深い場合であり、排土タンク１６の下部に排出機構としてスクリューコンベア７ａとこれを回転させるスクリュー用モータ７ｂからなるスクリューフィーダ７を設置し、さらに、その下方に、圧送ポンプとしてスクイズポンプ１３を設ける。
【００２９】
前記圧送ポンプには、小型で突出圧力の大きいものであれば、モノポンプやピストン式のポンプやダイヤフラム式のポンプ等の利用も可能であるが、スクイズポンプ１３は圧送能力も高く、ある程度の大きさのレキにも対応可能であり、小スペースに配置可能で、真空圧タンクとの直結が可能である。しかも、スクイズポンプ１３は交換部品等も安価なもので、耐久性、メンテナンス性の要求条件から好適なものである。
【００３０】
スクイズポンプ１３は、図４に示すようにローター１３ａに取付けた２個のスライディングシュー１３ｂが特殊ゴムホースによるポンプホース１３ｃに沿って回転摺動し、押し潰されたホースの強力な復元力によって発生する真空により、吸引された流体がスライディングシュー１３ｂの移動で吐出する容積式シールポンプである。図中１３ｄはシム、１３ｅはオイルレベルを示す。
【００３１】
スクイズポンプ１３の駆動、スクイズポンプ１３には、回転数の上下にかかわらず、トルク値が一定となるインバーターモータを採用する。
【００３２】
また、排土タンク１６のスクリューフィーダ７の吐出側に前記スクイズポンプ１３を接続させ、スクイズポンプ１３からの排土・泥水排出管１９をこれを地上に設置したバキューム装置６の排泥タンク６ｂへと導く。
【００３３】
排土タンク１６のスクリューフィーダ７のスクリューコンベア７ａについては、運搬物の塊の大きさと羽根の径との関係で、適宜なレキ径や、混入率に対応可能できるスクリュー径のものを選定し、スクリュー馬力は、土圧シールドに採用されるスクリューコンベアの馬力計算方法を参照した。スクリュー用モータ７ｂは、回転数が変化しても、トルクが落ちず、制御も可能になるインバーター方式を採用する。
【００３４】
また、スクリュー回転により、吐出圧力を出すため、スクリュー羽根のピッチを除々に短くする方式を採用し、スクリューの最後尾に排土が圧密される危険があるため逆羽根を採用した。
【００３５】
前記排土タンク１６内にはレベル計８を設置し、また、排土タンク１６のスクリューフィーダ７と圧送ポンプとしてスクイズポンプ１３間に電磁流量計９を設けた。
【００３６】
前記レベル計８は、真空タンク内で使用が可能であり、液面が波打つ状況においても、安定した計測ができるものが望まれ、静電容量式か電磁波方式の２方式が有効である。
【００３７】
排土タンク１６内に搬入した排泥量を、排土タンク１６レベル計より信号を２系統に出力し、指示系統(1)は圧送ポンプの必要回転数による作動を指示、指示系統(2)は、圧送ポンプに直結した電磁流量計の値と、必要排土量を比較し、排土効率がある設定値より低い場合は、スクリューフィーダ７のスクリューコンベア７ａの回転を指示する。
【００３８】
図２において、１２はインバーター制御盤であり、これはスクリューフィーダ７用とスクイズポンプ１３用の両方を兼ね、２０はインバーター収納ボックスである。
【００３９】
次に、次に使用法および動作について説明すると、カッター４でのエアー、水・土砂による排泥はエアー＋土砂＋泥水の吸引管１７から排土タンク１６内に導かれ、排土タンク１６では、吸引排土により運搬された、エアー、土砂、泥水をエアーはエアー溜まり１４に、それ以外の泥水＋土砂は下方に送ることでエアーと、泥水＋土砂に分離させ、エアーは従来通りの真空ポンプ６ａにて搬出し、泥水＋土砂をスクイズポンプ１３にて立抗上に搬出する。
【００４０】
泥水＋土砂を排土タンク１６からスクイズポンプ１３に送るには、スクリューフィーダ７のスクリューコンベア７ａの作用で強制的に送りこむことが可能である。
【００４１】
本発明は自動制御システムとして、排土タンク１６内レベル計８の値をトリガーとした、制御システムを構築した。
【００４２】
吸引排土した“泥水＋排土”を、排土タンク１６内に設置したレベル計８の値が上昇するとともに、排土タンク１６の下部に設置したスクリューフィーダ７が低速で回転し、スクイズポンプ１３“泥水＋排土”を強制的に送り出す。
【００４３】
このようにして、圧送ポンプであるスクイズポンプ１３は、排土タンク１６内のレベル計８の値の上昇と共に、回転数（排土量）も上昇致する。すなわち、排土タンク１６内レベル計８の０点と最大点を有効タンク長から算出し、そのタンク内レベル値と、ポンプ回転数（排土量）を比例出力することにより、スクイズポンプ１３の回転数をリニアな関係で制御する。
【００４４】
一方、スクリューフィーダ７の吐出口に設置した電磁流量計９の計測値と、圧送ポンプであるスクイズポンプ１３の回転敷から算出した値を比較して、その排土効率が一定値（例えば８０％）以下になった場合は、スクリューフィーダ７の回転数もそれに応じて回転数を上げる様に指示を出す。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の吸引度排土システムは、安定したプラグ流を得ることにより、水平方向の排土効率を向上させ、同じ能力の真空ポンプを用いるバキューム装置でも排土可能距離が拡大し、ポンプの負荷変動が少なく、全体的な消費電力も減少し、ポンプの故障や消耗部品の消費も減少し、ポンプ寿命も伸びるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の吸引排土システムの１実施形態を示す側面図である。
【図２】 本発明の吸引排土システムの１実施形態を示す要部の説明図である。
【図３】 本発明の吸引排土システムで使用する排土タンクの説明図である。
【図４】 本発明の高深度排土システムの１実施形態を示す要部の正面図である。
【図５】 従来例を示す説明図である。
【図６】 理想的なプラグ流を示す説明図である。
【図７】 波動的なプラグ流を示す説明図である。
【図８】 プラグの形成と崩壊を繰り返すプラグ流の説明図である。
【図９】 鉛直管におけるプラグ流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…真空ポンプ ６ｂ…排泥タンク
７…スクリューフィーダ ７ａ…スクリューコンベア
７ｂ…スクリュー用モータ
８…レベル計 ９…電磁流量計
１０…コントロール制御盤 １１…電磁流量計変換器
１２…インバーター制御盤 １３…スクイズポンプ
１３ａ…ローター １３ｂ…スライディングシュー
１３ｃ…ポンプホース １３ｄ…シム
１３ｅ…オイルレベル
１４…エアー溜まり １５…土砂溜まり
１６…排土タンク １７…エアー＋土砂＋泥水の吸引管
１８…エアー排出管 １９…排土・泥水排出管
２０…インバーター収納ボックス
２１…トンネル ２２…土砂ホッパー

Claims (1)

1. トンネル内地下工事現場からの排土を立坑等の上昇経路を介して地上のバキューム装置へ送る吸引排土システムにおいて、排土をトンネル内の横引きと立坑内の縦引きとに分離し、この両者の間またはその付近に圧力変動の安定手段としてエアー溜まりを有する排土タンクを配設し、また、立坑内に排土用タンクに接続する圧送ポンプとしてスクイズポンプを設置し、また、排土タンク下部にはスクリューフィーダを設け、前記縦引きには前記スクイズポンプを介在させ、前記排土用タンクとスクイズポンプは相互に上下の関係に配置し、前記排土タンクのスクリューフィーダの吐出側に前記スクイズポンプを接続させ、スクイズポンプからの排土・泥水排出管をこれを地上に設置したバキューム装置の排泥タンクへと導くことを特徴とする吸引排土システム。

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