特開 2023-152471 排泥計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023152471

(43)【公開日】2023-10-17

(54)【発明の名称】排泥計測システム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/12 20060101AFI20231010BHJP

   E21D 9/13 20060101ALI20231010BHJP

【ＦＩ】

E21D9/12 D

E21D9/13 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022062506

(22)【出願日】2022-04-04

(71)【出願人】

【識別番号】509175078

【氏名又は名称】中川企画建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003029

【氏名又は名称】弁理士法人ブナ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】笠間 良治

(72)【発明者】

【氏名】檜皮 安弘

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AC05

2D054BA03

2D054FA10

2D054GA12

2D054GA17

2D054GA22

2D054GA58

2D054GA70

2D054GA95

(57)【要約】

【課題】誤差が少なく、リアルタイムに排泥量を計測できる排泥計測システムを提供する。
【解決手段】本発明の排泥計測システムは、土砂を掘削するカッタ２を先端に有するカッタチャンバ３と、該カッタチャンバ３に高濃度泥水を圧送する高濃度泥水供給管１１と、掘削土砂を含む泥土をカッタチャンバ３から間欠的に排出するピンチバルブ５と、該ピンチバルブ５から排出された排泥Ｍを収容する排泥受け６と、該排泥受け６に接続され排泥受け６から排泥Ｍを坑外に排出するための吸引管１３と、排泥受け６に設けられピンチバルブ５から排出された排泥Ｍの重量を測定するロードセル２４と、を備えた掘進機１と；ロードセル２４と電気的に接続され所定の掘進長に到達するまでに前記排泥バルブが開いた回数の排泥重量を積算して、前記所定の掘進長における排泥重量を算出する演算部と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

土砂を掘削するカッタを先端に有するカッタチャンバと、
該カッタチャンバに高濃度泥水を圧送する高濃度泥水供給管と、
掘削土砂を含む泥土を前記カッタチャンバから間欠的に排出する排泥バルブと、
該排泥バルブから排出された排泥を収容する排泥受けと、
該排泥受けに接続され、排泥受けから前記排泥を坑外に排出するための排泥管と、
前記排泥受けに設けられ、前記排泥バルブから排出された排泥の重量を測定する重量測定器と、
を備えた掘進機と、
前記重量測定器と電気的に接続され、所定の掘進長に到達するまでに前記排泥バルブが開いた回数の排泥重量を積算して、前記所定の掘進長における排泥重量を算出する演算部と、を備えた排泥計測システム。

【請求項2】

前記カッタチャンバ内の土圧が上限域に到達したとき、前記排泥バルブを開き、前記土圧が下限域に到達したとき、前記排泥バルブを閉じる制御部をさらに備えた、請求項１に記載の排泥計測システム。

【請求項3】

前記演算部は、前記排泥バルブが開の信号を受けて、前記排泥の投入開始前に測定した前記排泥受けの重量（ｗ１）と、前記排泥の投入開始から前記排泥バルブを閉じるまでの間の前記排泥受けの重量（ｗ２）とを測定し、式：（ｗ２）-（ｗ１）より前記排泥重量を算出する、請求項１または２に記載の排泥計測システム。

【請求項4】

前記排泥受けの重量（ｗ２）は、前記排泥の投入開始初期の排泥の重量（ｗ２２）と、前記投入開始初期を除く前記投入開始から前記排泥バルブを閉じるまでの間に前記排泥受けに投入された排泥の重量（ｗ２１）とを加算したものであり、前記投入開始初期の排泥の重量（ｗ２２）は、事前に計測した、前記投入開始初期の期間内に前記排泥受けから排出される排泥の重量である、請求項３に記載の排泥計測システム。

【請求項5】

前記投入開始初期の期間が、前記排泥の投入開始から２～５秒経過までの範囲内の期間である、請求項４に記載の排泥計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地中掘削により管渠を構築するための泥濃式推進工法等に適用される排泥計測システムに関する。

【背景技術】

【0002】

泥濃式推進工法は、前部が隔壁で密閉された掘進機のカッタチャンバ内に高濃度泥水を圧送し、カッタチャンバ内で掘削土砂と高濃度泥水とを撹拌混合して得られる泥土を切羽面に作用させることで、土圧や水圧に対向した泥土圧を保持することにより切羽の安定を図りながらカッタにより掘進し、立坑に設けた元押ジャッキの推進力により推進管を推進、圧入して管渠を構築する方式である（特許文献１）。

【0003】

カッタチャンバ内で泥土となった掘削土砂は、通常、カッタチャンバ内の圧力を利用して掘進機後部にある排泥受けに排土される。ついで、排泥は、地上に設置された吸泥排土装置によって排泥受けから発進立坑上の排土貯留槽に真空輸送され貯留される。

【0004】

泥濃式推進工法では、掘進中の排泥の掘進機内への取り込み量が多すぎると、地盤沈下を引き起こすおそれがあるため、排泥量を適切に管理する必要がある。一般には、上記排土貯留槽に貯留された排泥量を計測して管理を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５５３７８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

排泥受け内の排泥は、真空輸送によって排土貯留槽に送る際に、配管内に排泥が排出されずに残っていることが多く、そのため排泥量に誤差が発生する。さらに、施工中にバキューム車によって排土貯留槽内の排泥を収集し搬出されてしまうため、正確な排泥量をリアルタイムに把握することが困難である。

【0007】

本発明の課題は、誤差が少なく、リアルタイムに排泥量を計測できる排泥計測システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するための本発明の排泥計測システムは、土砂を掘削するカッタを先端に有するカッタチャンバと、該カッタチャンバに高濃度泥水を圧送する高濃度泥水供給管と、掘削土砂を含む泥土をカッタチャンバから間欠的に排出する排泥バルブと、該排泥バルブから排出された排泥を収容する排泥受けと、該排泥受けに接続され排泥受けから排泥を坑外に排出するための排泥管と、排泥受けに設けられ、排泥バルブから排出された排泥の重量を計測する重量測定器と、を備えた掘進機と；重量測定器と電気的に接続され、前記排泥バルブの開くたび毎の排泥量を計測・積算して、所定の掘進長における排泥量を算出する演算部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、カッタチャンバから排泥受けに排出された時点で、排泥量を計測するため、誤差が少なく、かつリアルタイムで排泥量を管理できるため、排泥の取り込みすぎ等を短時間で把握できる。そのため、地盤沈下等をひき起こすのを防止して、安全な施工が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る排泥計測システムが適用される泥濃式推進工法の一例を示す説明図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る排泥計測システムにおいて排泥バルブが閉じた状態を示す掘進機の断面図である。

【図3】排泥バルブが開いた状態を示す掘進機の断面図である。

【図4】（ａ）、（ｂ）は、排泥受けに設けたロードセルの取付け構造を示す平面図および側面図である。

【図5】（ａ）は図４（ｂ）のＡ部の拡大図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＢ方向から見た側面図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る排泥計測システムを利用した排泥量の計測方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態に係る排泥計測システムを説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排泥計測システムが適用される泥濃式推進工法の一例を示している。

【0012】

図１において、１は掘進機を示しており、この掘進機１の先端にはカッタ２（切羽）が取り付けられ、このカッタ２で地中を掘進する。掘進機１の先端部には、高濃度泥水を加圧充満し、カッタ２の安定を図りながら掘進するために、隔壁で密閉されたカッタチャンバ３が設けられている。掘進機１は、立坑４に設けた元押ジャッキ４０の推進力により地中を掘進しながら、推進管４１を発進坑口４２から地中に圧入して管渠を構築する。
高濃度泥水は、立坑４外の作泥装置９で作泥され、ポンプ１０により高濃度泥水供給管１１を経てカッタチャンバ３に圧送される。

【0013】

掘削土砂は、先端のカッタチャンバ３内で高濃度泥水と攪拌混合されて塑性流動化して、高濃度泥水となる。この高濃度泥水により加圧されたカッタチャンバ３内と掘進機１内の圧力差を利用して、ピンチバルブ５（排泥バルブ）を間欠的に開閉し、排泥受け６内に排土される。ピンチバルブ５としては、例えば、空気加圧式のピンチバルブが使用可能であり、コンプレッサ７からエアーホース８を経て圧搾空気をバルブ本体内に注入して、ゴム製のスリーブ５１を押圧し、流体の流れを遮断するように構成されている。例えば、エアーホース８に電磁弁、減圧弁等を取り付けることでピンチバルブ５の遠隔制御が可能となる。

【0014】

排泥受け６内に排土された排泥は、排泥受け６に接続された吸引管１３（サクションホース）を通じて吸泥排土装置１２（真空発生装置）により立坑４外に搬出され、排土コンテナタンク１４から排土貯留槽１５に送られる。排土貯留槽１５に貯留された排泥は、バキューム車等によって搬出されるか、固化処理後トラックにて運搬処分される。搬出は、通常、施工中に適宜行われる。

【0015】

立坑４外には、滑材注入装置１６が設けられており、この滑材注入装置１６からポンプ１７により滑材供給管１８を経て、掘削直後の掘進機１の外周面上にできるテールボイド（余掘り空間、図示せず）に滑材を注入充填している。これにより、掘進機１と地山との摩擦抵抗を軽減させることができる。滑材としては、例えば、従来から使用されている二液型固結型滑材等が挙げられる。

【0016】

図２および図３は、それぞれ掘進機１におけるピンチバルブ５の閉状態および開状態を示している。カッタチャンバ３には、カッタチャンバ３内の排泥Ｍを排出するための排泥管１９の一端が接続され、他端がピンチバルブ５に接続されている。
図２および図３において、符号２０は、カッタを駆動（回転）するためのカッタモータを示している。また、符号２１は、掘進機の姿勢制御および方向修正するための中折れジャッキを示している。

【0017】

ピンチバルブ５は、前記したように一端（排泥流入側）に排泥管１９が接続され、他端（排泥流出側）には緊急ゲート２２および排出口２３が順に接続されている。緊急ゲート２２は停電時や緊急時に自動で閉塞し、排泥流入を防止するためのものである。
排出口２３は筒状であって、ピンチバルブ５を開いた状態で（図３参照）、排泥Ｍを排泥受け６に投入するものである。排出口２３は、下方に曲がったエルボ形であってもよい。
排出口２３から落下する排泥を受ける排泥受け６は、上面が開口した容器で構成されており、側面には、収容された排泥を坑外に排出するための吸引管１３が接続されている。

【0018】

次に、排泥Ｍの排出方法および排泥量の計測方法を図２および図３に基づいて説明する。図２に示すように、ピンチバルブ５を閉じた状態で、カッタチャンバ３内に高濃度の泥水を供給しながら、掘進機１による掘進を進める。その結果、カッタチャンバ３内の土圧が上限域に到達したとき、これを図示しないセンサで検知し、コンプレッサ７のエアーホース８に取り付けた電磁弁を閉じる等により圧搾空気の供給を止め、ピンチバルブ５のスリーブ５１を開いて、排泥Ｍの排出を開始する（図３参照）。上記土圧の上限域とは、カッタチャンバ３内の土圧の上限値およびそれに近い値を含む領域をいう。

【0019】

カッタチャンバ３内の圧力により、開いたピンチバルブ５から排出された排泥Ｍは、緊急ゲート２２を経て排出口２３から排泥受け６内に投入される。投入された排泥Ｍは、吸引管１３により坑外に排出される。カッタチャンバ３内の土圧が下限域に到達したとき、これをセンサで検知し、電磁弁を開く等により圧搾空気の供給を開始して、ピンチバルブ５のスリーブ５１を押圧してピンチバルブ５を閉じる。上記土圧の下限域とは、カッタチャンバ３内の土圧の下限値およびそれに近い値を含む領域をいう。

【0020】

ピンチバルブ５の開閉は、オペレーターの操作または制御部からの指示信号により行うことができる。制御部は、カッタチャンバ３内の土圧を検知し、ピンチバルブ５の開閉を行う。ピンチバルブ５の開閉に基づいてカッタチャンバ３から排出される排泥の量が計測され、排泥量が適正か管理される。排泥量が多くなると、土砂の取り込み過ぎによる地盤沈下等をひき起こすおそれがあるからである。

【0021】

本実施形態では、排泥量の管理をリアルタイムで行うために、例えば、図２，３に示すように、ロードセル２４（重量測定器）を排泥受け６に設けている。
図４（ａ）、（ｂ）は、排泥受け６に設けたロードセル２４の取付け構造を示す平面図および側面図である。同図に示すように、ロードセル２４は、平面が矩形の排泥受け６の底部四隅に取り付けられており、前記制御部内の演算部と電気的に接続されている。
図５（ａ）は、図４（ｂ）のＡ部の拡大図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ方向から見た側面図である。

【0022】

図５（ａ）、（ｂ）は、ロードセル２４としてビーム型ロードセルを使用した例を示している。ロードセル２４はスイベルフット６０上に設置されている。スイベルフット６０は、排泥受け６を設置するための基台６５上に載置され、アジャスタパッド用固定プレート６１を介してボルト６２によって固定されている。ロードセル２４は、排泥受け６に一片が固定されたアングル６３の他片にボルト６４によって固定されている。ロードセル２４には、演算部と電気的に接続するためのケーブル６６の一端が接続されている。
なお、ロードセル２４は、排泥受け６の底部四隅に限定されるものではなく、排泥受け６の荷重を受けられる限りは、例えば排泥受け６の三隅、二隅、底部中央部等に設けてもよい。
また、ロードセル２４としては、ビーム型に限定されるものではなく、例えば、ひずみゲージ型、プラットフォーム型、S字ビーム型、キャニスタ型、引張/圧縮型等も採用可能である。

【0023】

次に、本実施形態における排泥量の計測方法を、図６を参照して説明する。掘進機１の掘進によりカッタチャンバ３内の土圧が上限域に到達したとき、ピンチバルブ５の電磁弁を開き、信号が送られる。電磁弁が開状態となった信号を受けて、排泥受け６に取り付けられたロードセル２４で重量計測を開始する。計測は、最初に、ピンチバルブ５が開いた際（排泥Ｍの投入開始前）の排泥受け６の重量（ｗ１）を測定する。計測対象となる排泥受け６には、いくらかの排泥Ｍが直前の排泥操作で排出されずに残留しているので、排泥受け６それ自体の重量だけでは正確な排泥量を算出できないからである。

【0024】

排泥量を計測するための演算部では、基本的に、排泥Ｍの投入開始前に測定した前記排泥受け６の重量（ｗ１）と、排泥Ｍの投入開始からピンチバルブ５を閉じた後の排泥受け６の重量（ｗ２）とを測定し、式：ｗ２-ｗ１より排泥量を算出する。

【0025】

しかし、ピンチバルブ５を開いた直後は、一気に土砂（排泥）が排泥受け６に落下するため、衝撃荷重が発生するおそれがある。そこで、ピンチバルブ５を開いてから、排泥Ｍの落下が落ち着くまで待って（すなわち、投入開始初期を除いて）排泥Ｍの重量の計測を開始する。具体的には、例えば、ピンチバルブ５を開いて、排泥Ｍの投入開始から所定時間経過後（例えば２～５秒経過後）に計測を開始し、排泥Ｍがすべて排泥受け６内に入ったときの排泥受け６の重量（ｗ２１）を測定する。
排泥Ｍの増加量は、上記排泥Ｍがすべて排泥受け６内に入ったときの排泥受け６の重量（ｗ２１）より、ピンチバルブ５を開いた際の排泥受け６の重量（ｗ１）を差し引いた重量とする。すなわち、排泥増加量＝ｗ２１－ｗ１である。但し、２～５秒間に搬出された排泥重量（ｗ２２）を考慮する必要がある。

【0026】

排泥Ｍの投入開始から上記所定時間（例えば２秒間）に吸引管１３から搬出された排泥の重量（ｗ２２）は、試験的にあらかじめ求めておく。そして、上記排泥受け６の重量（ｗ２１）に搬出された排泥の重量（ｗ２２）を加算することにより、上記重量（ｗ２）を得ることができる。すなわち、式：ｗ２１＋ｗ２２＝ｗ２であり、全体としては、式：ｗ２１＋ｗ２２－ｗ１により排泥量を測定することができる。

【0027】

ピンチバルブ５を開いてから重量の計測を開始するまでの時間は、衝撃荷重の影響を回避するのに充分な時間であり、工事の実施状況を確認して決定するのがよい。すなわち、対象土質、地下水圧、泥水材等により、ピンチバルブ５を開いてから重量の計測を開始するまでの時間は若干の差が発生する可能性があるため、計測時に設定を行うのが好ましい。通常は、ピンチバルブ５を開いてから２～５秒後に重量（ｗ２１）の計測を開始するのが適切である。

【0028】

上記排泥Ｍの重量（ｗ２２）は、事前に求めておく。すなわち、排泥受け６から吸引管１３により排泥は常時、搬出されていることから、あらかじめ試験的に、排泥Ｍの投入開始初期（例えば２秒間）における排泥受け６から吸引管１３により搬出した排泥Ｍの重量（ｗ２２）を測定しておく。すなわち、排泥受け６から吸引管１３により搬出された排泥Ｍの重量（ｗ２２）は、例えば、ピンチバルブ５を開いて、排泥Ｍが全て排泥受け６内に入った状態で、掘進（従ってピンチバルブ５の開閉）を止め、排泥受け６から吸引管１３により排泥Ｍを吸引・搬出しながら、１秒毎の排泥受け６の重量の減少量を測定し、これから排泥受け６の平均重量減少量、すなわち、１秒当たりの排泥吸引量（ｋｇ/秒）を求める。測定は、実際の施工時に行うのがよい。このようにして、排泥Ｍの投入開始初期における排泥Ｍの重量（ｗ２２）を知ることができる。例えば、排泥Ｍの投入開始から２秒間の排泥Ｍの重量（ｗ２２）は、上記排泥吸引量（ｋｇ/秒）×２秒から求めることができる。
なお、排泥受け６からの排泥の搬出は、ピンチバルブ５の開閉に連動していてもよい。すなわち、ピンチバルブ５が開いたとき、排泥受け６からの排泥の搬出を停止し、ピンチバルブ５が閉じたとき、排泥受け６からの排泥の搬出を開始するようにしてもよい。
また、上記で説明した重量（ｗ１）、（ｗ２）および（ｗ２１）は、いずれも排泥受け６の重量を含んだものであるが、これらの重量から排泥受け６の重量を差し引いてから、前記式にて排泥量を算出してもよい。

【0029】

高濃度泥水をカッタチャンバ３に圧送しながら掘進を継続する中で、土圧が下限域に到達してピンチバルブ５を閉じた後、再びカッタチャンバ３内の土圧が上昇して上限域に到達したとき、前記と同様にして、ピンチバルブ５を開いて土砂（排泥）を排泥受け６に排出し、その重量（ｗ２）を測定する操作を繰り返す（図６参照）。
このようにして、掘進機１の掘進に伴う連続した排泥量をリアルタイムで計測できる。そこで、ロードセル２４と電気的に接続された演算部では、ピンチバルブ５が開いた回数の排泥量を積算する。そして、その間の掘進機１の掘進長さは元押ジャッキ４０のジャッキストロークを計測し、式：積算排泥量／掘進長さから所定の掘進長における排泥量を算出し、これによって排泥量を管理することができる。排泥量の測定結果は管理用のモニター（図示せず）に表示させることができる。
所定の掘進長とは、例えば推進管１本分の長さ、またはシールド工法におけるセグメント１リング分の長さが挙げられるが、それ以外（例えば掘進長さ１ｍ当たり等）であってもよい。

【0030】

また、排泥量（重量）を体積に換算して管理することが好ましい。泥濃式では、（掘削土量＋泥水注入量－テールボイド残量）×５０％＝排泥量としており、排泥量は体積で管理されることが多い。体積に換算するには、排泥の比重を、泥水比重計（マッドバランス）等を用いて求めておき、演算部において排泥重量／比重により排泥体積を得る。

【0031】

計測した排泥量が所望の設定範囲よりも高い場合は、土砂の掘削量が多すぎるので、掘進を停止し、薬液注入を行うのがよい。また、排泥量が所望の設定範囲よりも低い場合は、カッタチャンバ３に送られた高濃度の泥水が地山に浸透し逸泥しているので、泥水の材料を変更する等の措置を講ずるのがよい。

【0032】

排泥受け６内に投入された排泥Ｍは、吸泥排土装置１２により吸引管１３を経て坑外に吸引・排出される。

【0033】

本実施形態によれば、上記のように、排泥量をリアルタイムで計測し管理できるので、排泥の取り込みすぎ等を短時間で把握できる。そのため、地盤沈下等をひき起こすのを防止して、安全な施工が可能になる。

【0034】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更や改善が可能である。例えば、上記の実施形態は、泥濃式推進工法に基づいているが、泥濃式シールド工法、土圧式推進工法、土圧式シールド工法にも同様にして適用可能である。また、上記の実施形態では、重量測定器としてロードセル２４を用いたが、ロードセル２４に限定されるものではなく、種々の重量測定器が使用可能である。

【符号の説明】

【0035】

１ 掘進機
２ カッタ
３ カッタチャンバ
４ 立坑
５ ピンチバルブ（排泥バルブ）
５１ スリーブ
６ 排泥受け
７ コンプレッサ
８ エアーホース
９ 作泥装置
１０ ポンプ
１１ 泥水供給管
１２ 吸泥注入装置
１３ 吸引管（排泥管）
１４ 排土コンテナタンク
１５ 排土貯留槽
１６ 滑材注入装置
１７ ポンプ
１８ 滑材供給管
１９ 排泥管
２０ カッタモータ
２１ 中折れジャッキ
２２ 緊急ゲート
２３ 排泥口
２４ ロードセル（重量測定器）
４０ 元押ジャッキ
４１ 推進管
４２ 発進坑口
６０ スイベルフット
６１ 固定プレート
６２、６４ ボルト
６３ アングル
６５ 基台
６６ ケーブル
Ｍ 排泥

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】