JP4896251B2

JP4896251B2 - 泥水式シールド工法における排泥装置

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Publication number: JP4896251B2
Application number: JP2010141760A
Authority: JP
Inventors: 一石田; 正太津島
Original assignee: 株式会社アクティオ
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: JP2012007301A

Description

本発明は、泥水式シールド工法における排泥装置に関する。

泥水式シールド工法は、送泥管を介してシールドマシンのチャンバ内に泥水を供給しつつ、前記泥水と前記チャンバ内の掘削土砂とが混合された排泥水を、排泥管を介して排出しながらトンネルを掘削する工法である。

泥水式シールド工法に関連する発明として、以下の特許出願がある。
特許出願１に記載された排泥装置は、シールドマシンの後続台車上に設けた排泥ポンプと、前記排泥ポンプの下流側に掘削距離に応じて適宜追加した中継ポンプと、を少なくとも含んで構成されている。

特開平１０−１８７６４号公報

（１）近年、泥水式シールド工法におけるシールドマシンの掘削距離が１０００ｍを超えて長距離化しており、併せて後続台車の長さも約２００ｍ程度にまで長尺化されている。したがって、後続台車に搭載される排泥ポンプは、後続台車の後方に設置される直近の中継ポンプまで十分に泥水を輸送できる性能を備えていることが求められている。
（２）また、泥水式シールド工法を用いて施工する際のシールド外径は、地下鉄や地下道などの大断面のものから、水道管やガス管の配管孔等の中断面・小断面のものへと移行しているという実情がある。したがって、前記排泥ポンプや中継ポンプは、セグメントの搬送装置やその他の作業設備に干渉することの無いよう、なるべくサイズの小さなポンプを用いることが求められている。
（３）前記（１）及び（２）によれば、施工現場の掘削距離が長く且つ小断面の条件下にある場合、後続台車上に設置する排泥ポンプの高揚程化と、該排泥ポンプのサイズダウンの両方が求められることとなる。
しかし、排泥ポンプ単体を高揚程化するには、必然的にサイズの大きいポンプへと置き換える必要性が生じるため、前記二つの要求を両立することが現実的に不可能であり、当該問題に対する解決策の提案が求められていた。

以上説明した通り、本発明は、掘削距離が長く且つ小断面の現場においても、後続台車上において所望の揚程を確保しつつ、且つその他の作業設備の配置や作動等に影響を与えることのない、泥水式シールド工法における排泥装置の提供を目的の一つとするものである。

上記課題を解決すべくなされた本願発明は、泥水式シールド工法における排泥装置であって、シールドマシンの後続台車上に設けた先端ポンプユニットと、前記先端ポンプユニットの下流側に適宜設けた、少なくとも一基以上の中継ポンプと、を備え、前記先端ポンプユニットが、複数の可変速ポンプを直結してなり、前記先端ポンプユニットの総揚程を、掘削運転時及びバイパス運転時の必要揚程の差分より大きくしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下の効果のうち少なくとも一つを奏する。
（１）後続台車上に設ける排泥側ポンプ単体のサイズを大きくせずとも、ユニット全体として高揚程化を図ることができるため、セグメントの搬送装置やその他の作業設備へと影響を与えることなく、後続台車の長尺化並びに掘削距離の長距離化に対して対応が可能となる。
（２）後続台車上に設ける排泥側ポンプを単体で高揚程なポンプに置き換える従来の方法では、該高揚程ポンプの起動に対応するだけの性能を有する大型の電気設備を設ける必要があるのに対し、本発明は、ある特定のポンプの性能を突出させることなく、各ポンプの性能をほぼ一定とした構成が可能であり、当該構成によれば各ポンプの起動にあたり必要な起動電流に差も生じないことから、電気設備を大型化する必要も無く、作業領域の確保、並びに工費増大化の抑止にも繋がる。
（３）後続台車上に配置する先端ポンプユニットを、中継ポンプと同規模のポンプを複数用いることで対応できるため、部品の共通化やメンテナンスの容易性が図れ、工期・工費の両面において効率化を図ることができる。
（４）先端ポンプユニットの高揚程化にあわせて、中継ポンプの性能を最大限まで使用することができるため、中継ポンプの設置台数を低減させることができ、工期・工費の両面において効率化を図ることができる。
（５）各中継ポンプの輸送能力が向上するため、各中継ポンプの設置位置の事前設計が容易となるほか、施工途中の設置位置の変更要求に対しても対応が可能となる等、各ポンプの設置自由度が高い。
（６）掘削運転時とバイパス運転時において生じる配管抵抗の損失差を許容するだけの揚程を先端ポンプユニットで確保することができるため、バイパス運転時に生じる制御不能帯を解消することができる。

本願発明の排泥装置を用いた送排泥システムの概略を示す機能ブロック図。トンネル断面における先端ポンプユニットの設置イメージを示す概略断面図。（ａ）は、本願発明の排泥装置を用いた場合のポンプの追加態様と、掘削又はバイパス運転時の必要揚程を示す図であり、（ｂ）は、従来の排泥装置を用いた場合のポンプの追加態様と、掘削又はバイパス運転時の必要揚程を示す図である。

以下、各図面を参照しながら、本願発明に係る排泥装置の実施例について説明する。

＜１＞全体構成
図１は、本願発明の排泥装置を用いた送排泥システムの概略を示す機能ブロック図である。
シールドマシンの後方に設ける送排泥システムは、泥水調整槽Ａから切羽チャンバＢに泥水を輸送する送泥装置１と、前記切羽チャンバＢに送られた泥水に掘削した土砂がさらに混合された泥水を地上の泥水処理設備Ｃまで輸送する排泥装置２と、前記送泥装置１と排泥装置２とをバイパスする迂回装置３と、前記各装置を監視制御する制御装置（図示せず）と、によって少なくとも構成する。

＜２＞送泥装置
送泥装置１は、泥水調整槽Ａから送られた泥水でもって切羽に圧力を与えるための装置である。
送泥装置１は、地上に設けた泥水調整槽から切羽チャンバに接するシールド機まで配設する送泥管１１と、該送泥管１１の途上に適宜設ける少なくとも一基以上の送泥ポンプ１２と、を少なくとも含んで構成する。
送泥ポンプ１２は、可変速ポンプ又は定速ポンプを適宜選択して配置することができる。本実施例では、泥水調整槽に最も近い上流側の送泥ポンプＰ_1-1に可変速ポンプを用い、その他の送泥ポンプＰ_1-2等に定速ポンプを用いている。
その他、切羽先端側に切羽圧力の保持に必要な送泥水圧の不足を補うための可変速型の送泥加圧ポンプ等（図示せず）を適宜設けても良い。

＜３＞排泥装置
排泥装置２は、シールドマシンによって掘削された土砂が混合された泥水を地上の泥水処理設備Ｃまで輸送する為の装置である。
排泥装置２は、掘削土砂と混合した泥水を泥水処理設備Ｃへ輸送する排泥管２１と、シールドマシンの後続台車上であって前記排泥管２１の途上に設ける先端ポンプユニット２２と、前記先端ポンプユニット２２より下流側であって前記排泥管２１の途上に適宜設ける少なくとも一基以上の中継ポンプ２３と、を少なくとも有して構成する。
以下、排泥装置の各構成について詳細に説明する。

＜３．１＞先端ポンプユニット
先端ポンプユニット２２は、後続台車上に設け、掘削土砂と混合した泥水を後続台車下方へと輸送するための装置である。
先端ポンプユニット２２は、後続台車の先端近傍に設けるため、中継ポンプ２３まで泥水を輸送するべく、一基当たりの中継ポンプが備える揚程と、後続台車の長さ分に相当する揚程との合計を超えるだけの揚程を少なくとも備えていることを要する。

先端ポンプユニット２２の具体的な構成について説明する。
先端ポンプユニット２２は、複数の可変速ポンプを直結して構成することを要する。
前記可変速ポンプの直結台数は、適宜増減することができる。本実施例では、二基の可変速ポンプ（Ｐ_2-1／Ｐ_2-2）を直結しており、理論上、それぞれの可変速ポンプが備える揚程が加算された値が、先端ポンプユニット２２の総揚程として算出される。

前記「直結」なる文言は、掘削距離（排泥の輸送距離）が伸びるにつれて泥水を坑外へ排出する力の不足を補うべく適宜間隔を設けてポンプを配置する従来のポンプの使用態様と異なる使用態様にて、両ポンプを連結する意図を表すものである。
すなわち、前記「直結」なる文言は「下流側の可変速ポンプの吸込側の耐圧性能が許容する範囲内において、上流側の可変速ポンプと下流側の可変速ポンプとの間の配管長を縮めて両ポンプを連結する」態様を示す意味で用いるものであり、「上流側の可変速ポンプの吐出口と下流側の可変速ポンプの吸込口とを直接連結する」態様を示す意味のみに限定解釈するものではない。

その他、前記先端ポンプユニットを構成する複数の可変速ポンプのうち上流側の可変速ポンプの揚程は、隣接する下流側の可変速ポンプの揚程以下に設定運転することが望ましい。

＜３．２＞中継ポンプ
中継ポンプ２３は、掘削が進むにつれて輸送距離が次第に長くなり、設置済みのポンプの回転量が最大まで達した際に、排泥管２１の途上に適宜追加設置していくことで、追加的に揚程を確保する為の装置である。したがって、中継ポンプ２３は、該中継ポンプ２３の揚程と、掘削距離との関係において設置台数及び設置位置が適宜設計される。
中継ポンプ２３は、可変速ポンプ又は定速ポンプを適宜選択して配置することができる。本実施例（図１）では、後述する迂回装置のバイパス管から下流側に向かって最も近い中継ポンプ（Ｐ_x）や、泥水処理設備Ｃに最も近い中継ポンプ（Ｐ_E）には可変速ポンプを用い、その他の中継ポンプ（Ｐ₃，Ｐ₄，・・・Ｐ_n）には定速ポンプを用いている。

なお、各中継ポンプ２３が備える揚程は、前記先端ポンプユニット２２の総揚程より小さくなるように設定運転することが望ましい。これは、中継ポンプ２３を増設した際に先端ポンプユニット２２を構成する可変速ポンプの回転数を制御範囲内まで高めて、先端ポンプユニット２２による流量制御を行える様にするためである。

また、各中継ポンプ２３が備える揚程は、上流側の中継ポンプの揚程と同等かそれ以下となるように設定運転することが望ましい。これは、互いに隣接するポンプ間でのキャビテーションを防止するためである。

＜４＞迂回装置
迂回装置３は、送泥管１１及び排泥管２１の間をバイパスすることで掘削運転停止時等において泥水の輸送経路を安定した状態で切り替えるための装置である。
迂回装置３は、送泥管と排泥管との間に接続されるバイパス管や、図示しないバルブセット等の周知の迂回機構を備えた装置を用いることができるため、詳細な説明を省略する。

＜５＞制御装置
制御装置は、シールドマシン、及び前記送排泥システムを構成する各手段の何れか或いは全てにおける作動状態を各装置内に適宜設けてある流量計、密度計、圧力計等の周知の検出手段（図示せず）でもって逐一監視するとともに、上記検出データに基づいて各装置の動作を制御する為の装置である。制御装置は、周知の制御システムを用いることができるため、詳細な説明を省略する。

＜６＞作用・効果
次に、本発明の排泥装置の主な作用効果について以下に説明する。

＜６．１＞中継ポンプの設置台数の低減
掘削が進むにつれて中継ポンプ２３を増設する際、後続台車上の先端ポンプユニット２２の回転数を制御範囲内まで高めて該先端ポンプユニットによる流量制御を行える様にするため、先端ポンプユニットの揚程[H2]と中継ポンプの揚程[Hn]は、H2-Hn＞５(m)程度の関係を保つように設計されることが一般的である。
そうすると、先端ポンプユニット２２の高揚程化に追随して、後方の中継ポンプ２３も前記関係を保つ限界値まで揚程を上げるように回転数を上げて使用することができる。そうすると、各中継ポンプ単体で有する輸送能力も当然向上するため、最終的に中継ポンプの設置台数を低減させることができ、工期の短縮並びに工費の低減に寄与することができる。

＜６．２＞中継ポンプの設置位置の自由度向上
また、前記の通り各中継ポンプ単体の性能向上により、中継ポンプの追加間隔が長くなることから、各中継ポンプの設置位置の事前設計を簡便にできるほか、施工途中の設置位置の変更要求に対しても事後対応が容易となる。
すなわち、施工の前後において各ポンプの設置自由度が高いため、施工性に優れ、引いては工期・工費の改善に寄与する。

＜６．３＞トンネル内作業領域の確保
図２は、トンネル断面における先端ポンプユニットの設置イメージを示す概略断面図である。
２００ｍ程度の後続台車長を有する現場において見合う揚程を得る為には、図２に示す程度の大きさ（高さ:約2500mm/幅：約1400mm）を呈する高揚程ポンプｃを用いる必要があるため、シールド外径Ｄ₁が3000mm程度の現場では、有効断面積（軌道ｂより上方の空間の断面積）に対して占める割合が大きくなり、その他の作業領域にも干渉してしまう問題があった。
しかし、本願発明によれば、その他の作業領域に干渉しない程度の大きさ（高さ:約1400mm/幅：約1000mm）を呈するポンプを選定することができ、当該ポンプを複数直結して先端ポンプユニットｄを構成することで、高揚程を確保しながら上記の問題を解消することができる。

＜６．４＞電気設備の小型化
また、後続台車上に設ける排泥側ポンプを、単体で高揚程なポンプに置換する従来の方法では、該高揚程ポンプの起動に対応するだけの性能を有する大型の電気設備を設ける必要があるのに対し、本発明は、ある特定のポンプの性能を突出させることなく、各ポンプの規模をほぼ一定に保持した運用が可能であり、各ポンプの起動にあたり必要な起動電流に差が生じないことから電気設備を大型化する必要が無い。

＜６．５＞メンテナンス性の向上
また、後続台車上に配置する先端ポンプユニット２２と中継ポンプ２３とを同規模のポンプで統一する場合、部品の共通化やメンテナンスの容易性が図れ、工期・工費の面において効率化を図ることができる。

＜６．６＞制御不能帯の解消
送排泥システムの掘削運転時とバイパス運転時では、配管抵抗の損失差が生ずるため、必要な揚程量に差が生じる。
例えば、配管の抵抗損失ｈｆは次の式により求められる。

λ：係数、L：配管長[m]、d：管内径[m]
v：流速[m/s]、g：重力加速度[m/s²]、δ：液比重
上記式より明らかな通り、配管の抵抗損失ｈｆは液比重δに比例して増加するため、掘削距離の長いシールド及び掘削速度の速いシールドでは、この比重差による配管抵抗損失の変化が大きく影響を及ぼすこととなる。

例えば、掘削距離を2500ｍとした場合、排泥管の相当直管長さは目安として2750ｍ程になる。これをバイパス運転時の比重δb=1.20の時と掘削時δa＝1.30の時の配管抵抗及び切羽圧（P:切羽圧[kPa]）による押し込みを考慮し総揚程を比較すると、
液比重δa＝1.30 Hfa=0.0981(m/m)×2750(m)=269.8(m)
液比重δb＝1.20 Hfa=0.0905(m/m)×2750(m)=248.9(m)
TH=Hf+Hc+h-((P/9.8)/δ)-高低差
THa=269.8+42.0+12.0-(200/9.8)/1.30-10.2=297.9(m)
THb=248.9+42.0+12.0-(200/9.8)/1.20-10.2=275.7 (m)
∴ THa−THb＝297.9−275.7＝22.2(m)
となる。

図３（ａ）は、本願発明の排泥装置を用いた場合のポンプの追加態様と、掘削又はバイパス運転時の必要揚程を示す図であり、図３（ｂ）は、従来の排泥装置を用いた場合のポンプの追加態様と、掘削又はバイパス運転時の必要揚程を示す図である。
先端ポンプユニット２２（Ｐ₂＊２）の回転数が最大となって中継ポンプ２３を増設する時、中継ポンプ２３（Ｐ_n）の増設時には、掘削運転からバイパス運転へと切り替え作業が行われる。このとき、各運転時における総揚程の変化を検討すると、掘削運転時とバイパス運転時との揚程差の合計が先端ポンプユニット２２の最大揚程を超えると、先端ポンプユニット２２の回転数が０でも排泥流量が設定値を超えるため、先端ポンプユニット２２の必要揚程がマイナスとなり、流量制御が不能となってしまう現象が発生する（「制御不能帯の発生」という）。

しかし、本願発明の排泥装置は、掘削運転からバイパス運転への相互切り替え時に必要揚程が変化した場合であっても、先端ポンプユニット２２を高揚程化することで、必要揚程の差分以上に先端ポンプユニット２２の揚程のレンジを広くすることができるため、先端ポンプユニット２２の運転を適宜コントロールすることで、前記制御不能帯の発生を未然に抑止することができる。

１送泥装置
２排泥装置
２１排泥管
２２先端ポンプユニット
２３中継ポンプ
３迂回装置
ａシールド断面
ｂ軌道
ｃ高揚程ポンプ
ｄ先端ポンプユニット

Claims

泥水式シールド工法における排泥装置であって、
シールドマシンの後続台車上に設けた先端ポンプユニットと、
前記先端ポンプユニットの下流側に適宜設けた、少なくとも一基以上の中継ポンプと、を備え、
前記先端ポンプユニットが、複数の可変速ポンプを直結してなり、
前記先端ポンプユニットの総揚程を、掘削運転時及びバイパス運転時の必要揚程の差分より大きくしたことを特徴とする、
泥水式シールド工法における排泥装置。