(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽あるいはチャンバー内に発泡体を注入する気泡注入システムであって、
起泡材供給ポンプと、コンプレッサーと、スクイズポンプと、発泡筒と、を備え、
前記スクイズポンプは、前記起泡材供給ポンプを介して圧送された起泡材と前記コンプレッサーを介して圧送された圧縮空気とを混合した混合体を加圧するとともに、加圧した前記混合体を前記発泡筒に送出することを特徴とする、気泡注入システム。
【請求項２】
前記発泡筒の吐出口近傍に圧力センサーを備えており、
前記チャンバー内の土圧と前記圧力センサーにより測定された圧力値とに応じて前記スクイズポンプを制御することを特徴とする、請求項１に記載の気泡注入システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡注入システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気泡シールド工法においては、発泡体を切羽やシールドマシンのチャンバー内に注入して発泡体と掘削土砂と混合することで、切羽土圧に対抗して切羽の安定を確保するとともに、掘削土砂の流動性を向上させて当該掘削土砂の搬出能力を向上させている。
【０００３】
このような、気泡シールド工法では、シールド掘削機のバルクヘッド後方に設けられた発泡装置と、発泡装置にそれぞれ独立したラインを介して接続する起泡材注入ポンプおよびコンプレッサーとを備える気泡注入システムにより発泡体を注入するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１４１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の気泡注入システムは、それぞれ独立したラインを介して圧送された起泡材と圧縮空気とを、発泡装置により混合させてシェービングクリーム状の発泡体としてチャンバー内に注入するものであって、発泡体の注入圧力は一般的にコンプレッサーの能力により決定していた。
そのため、コンプレッサーの吐出圧力を上回る高水圧条件下においては、圧力不足により注入することができなくなる場合があった。
【０００６】
また、注入流量の調整は、起泡材供給ポンプの回転数による起泡材流量の調節と、コンプレッサーのエアバルブの開度による圧縮空気流量の調節とをそれぞれ行う必要があるため、手間を要していた。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高水圧条件下においても注入が可能で、かつ、注入流量および注入圧力の調整を簡易に行うことが可能な気泡注入システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、切羽またはチャンバー内に発泡体を注入する気泡注入システムであって、起泡材供給ポンプと、コンプレッサーと、スクイズポンプと、発泡筒と、を備え、前記スクイズポンプは、前記起泡材供給ポンプを介して圧送された起泡材と前記コンプレッサーを介して圧送された圧縮空気とを混合した混合体を加圧するとともに、加圧した前記混合体を前記発泡筒に送出することを特徴としている。
【０００９】
かかる気泡注入システムによれば、スクイズポンプの加圧により、高水圧下においても、気泡注入を行うことが可能となる。
また、スクイズポンプの制御により、注入圧力を簡易に調整することができる。
さらにスクイズポンプによる注入速度を一定に保つことで、定量での注入が可能なため、注入流量の制御も簡易に行うことができる。
【００１０】
また、本発明の気泡注入システムは、前記発泡筒の吐出口近傍に圧力センサーを備えており、前記チャンバー内の土圧と前記圧力センサーにより測定された圧力値とに応じて前記スクイズポンプを制御するものであってもよい。
【００１１】
かかる気泡注入システムによれば、被圧力の変動に応じた注入圧力および注入流量の調整を簡易の行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の気泡注入システムによれば、高水圧条件下においても注入が可能で、かつ、注入流量および注入圧力の調整を簡易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る気泡注入システムを示す配管系統図である。
【図２】図１の気泡注入システムの一部分を示す配管系統図である。
【図３】気泡注入システムの制御手段を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態の気泡注入システム１は、気泡シールド工法において使用されるものであって、切羽または掘削機のチャンバー内に対して発泡体を注入するものである。
気泡システム１は、起泡材と圧縮空気等を混合して発泡体を生成し、この発泡体を加圧した状態で注入する。
【００１５】
本実施形態の気泡システム１は、図１に示すように、起泡材供給ポンプ２と、コンプレッサー３と、スクイズポンプ４と、発泡筒５とを備えている。
【００１６】
気泡システム１は、複数（本実施形態では８つ）の注入系統を備えており、各注入系統に起泡材供給ポンプ２、スクイズポンプ４および発泡筒５が配置されている。
すなわち、気泡注入システム１は、複数（本実施形態では８台）のスクイズポンプ４，４，…を介して、切羽またはチャンバーに対して複数個所から発泡体を注入する。なお、注入箇所数は限定されるものではなく、掘削断面形状等に応じて適宜設定すればよい。
【００１７】
起泡材供給ポンプ２は、図２に示すように、起泡材管２１を介してスクイズポンプ４に接続されており、起泡材をスクイズポンプ４に供給する。
本実施形態では、１台のスクイズポンプ４に対して１台の起泡材供給ポンプ２（計８台）を配設している。
【００１８】
起泡材管２１には、流量計２２が設置されており、起泡材供給ポンプ２から供給された起泡材の流量の測定が可能に構成されている。
起泡材管２１は、スクイズポンプ４の吸入口に配設された合流管４３に接続されている。起泡材管２１を介して供給された起泡材は、合流管４３内において、圧縮空気と混合された状態でスクイズポンプ４に吸入される。
【００１９】
起泡材は、起泡材供給ポンプ２に供給されたＡ液とＢ液とが、起泡材供給ポンプ２内において混合されて、かつ、加圧された状態でスクイズポンプ４のポンピングチューブに供給される。
【００２０】
Ａ液は、図１に示すように、Ａ液供給管６１を介してＡ液槽６から起泡材供給ポンプ２に供給される。
Ａ液槽６は、掘削機内またはトンネル坑内に配設されていて、トンネル坑内を走行する輸送車６３を介して搬送されたＡ液を貯溜している。なお、符号６３ａは、輸送車６３からＡ液槽６にＡ液を移送する移送ポンプである。
Ａ液槽６の配置は掘削機内やトンネル坑内に限定されるものではなく、地上部や立坑内等のトンネル坑外に配置してもよい。
【００２１】
本実施形態では、起泡材供給ポンプ２に接続するＡ液供給管６１を起泡材供給ポンプ２毎に配管している。つまり、Ａ液槽６には、起泡材供給ポンプ２の台数と同じ本数のＡ液供給管６１が接続されている。
なお、Ａ液供給管６１として分岐管を採用して、各起泡材供給ポンプ２にＡ液を供給する構成としてもよい。
【００２２】
各Ａ液供給管６１には、Ａ液添加ポンプ６２が配設されており、Ａ液槽６から起泡材供給ポンプ２にＡ液の圧送が可能に構成されている。なお、本実施形態では、Ａ液添加ポンプ６２を起泡材供給ポンプ２の近傍に配置するが、Ａ液添加ポンプ６２の配置は起泡材供給ポンプ２とＡ液槽６との間であれば限定されるものではなく、適宜配置すればよい。
【００２３】
図２に示すように、Ａ液添加ポンプ６２と起泡材供給ポンプ２との間には、圧力計６４と流量計６５と背圧弁６６とが配設されている。Ａ液添加ポンプ６２は、圧力計６４および流量計６５により測定されたＡ液の圧力および流量に応じて制御される。また、Ａ液添加ポンプ６２により圧送されたＡ液は、背圧弁６６により、圧力のばらつきが制御され、一定の圧力により起泡材供給ポンプ２に送られる。
なお、符号６７は、Ａ液内の不純物を取り除くフィルターである。
【００２４】
Ａ液供給管６１は、図２に示すように、起泡材供給ポンプ２の手前において、Ｂ液供給管７１に接続されている。Ａ液供給管６１とＢ液供給管７１とが合流することで、Ａ液は、Ｂ液と混合された状態（起泡材）で起泡材供給ポンプ２に供給される。
【００２５】
Ｂ液は、図１に示すように、Ｂ液槽７からＢ液供給管７１を介して起泡材供給ポンプ２に供給される。
【００２６】
Ｂ液供給管７１は、Ｂ液槽７に接続する１本の本管７１ａと、本管７１ａから分岐されて各起泡材供給ポンプ２に接続する分岐管７１ｂ，７１ｂ，…と、により構成されている。
【００２７】
本管７１ａには、Ｂ液添加ポンプ７２が配設されており、Ｂ液槽７のＢ液を各起泡材供給ポンプ２方向に圧送するように構成されている。
Ｂ液添加ポンプ７２により圧送されたＢ液は、各分岐管７１ｂを介して各起泡材供給ポンプ２に均等に供給される。
【００２８】
Ｂ液は、清水とＢタイプ材（Ｂ液の原液）とを混合することにより構成されている。
清水とＢタイプ材との混合は、Ｂ液ミキサー７３により行う。
なお、Ｂ液は、清水のみの場合もある。
【００２９】
Ｂ液ミキサー７３は、貯水槽７４から供給された清水と、Ｂタイプ材槽７５から供給されたＢタイプ材と、を撹拌混合する。
本実施形態では、清水として水道水を使用するが、清水は限定されるものではない。なお、符号７４ａは、貯水槽７４の清水をＢ液ミキサー７３に供給する水中ポンプである。水中ポンプ７４ａは、流量計７４ｂの測定値に応じて制御される。
【００３０】
Ｂタイプ材は、輸送車７６により坑口部からＢタイプ材槽７５の近傍まで搬送された後、移送ポンプ７６ａを介してＢタイプ材槽７５に移送され、貯溜されている。
【００３１】
Ｂタイプ材槽７５に貯溜されたＢタイプ材は、ポンプ７５ａを介してＢ液ミキサー７３に供給される。このとき、ポンプ７５ａは、流量計７５ｂの測定値に応じて制御される。
【００３２】
なお、本実施形態では、Ｂ液槽７、貯水槽７４およびＢタイプ材槽７５を掘削機内やトンネル坑内に配置するが、Ｂ液槽７、貯水槽７４およびＢタイプ材槽７５の配置は限定されるものではなく、地上部や立坑内等のトンネル坑外に配置してもよい。
【００３３】
コンプレッサー３は、スクイズポンプ４に圧縮空気を供給する。
本実施形態では、コンプレッサー３を掘削機内またはトンネル坑内に配設するが、コンプレッサーの配置は限定されるものではない。
【００３４】
コンプレッサー３は、図１に示すように、送気管３１を介してスクイズポンプ４，４，…に接続されている。
送気管３１は、コンプレッサー３に接続する本管３１ａと、本管３１ａから分岐されて、各スクイズポンプ４に接続する分岐管３１ｂ，３１ｂ，…と、により構成されている。
【００３５】
なお、分岐管３１ｂには、それぞれ圧縮空気の流量を調節する電磁弁３２と、圧縮空気の圧力を調節するレギュレーター３３と、圧縮空気から不純物を除去するエアーフィルター３４とが配設されている。
【００３６】
送気管３１（分岐管３１ｂ）は、図２に示すように、スクイズポンプ４の吸入口に配設された合流管４３に接続されている。
合流管４３内では、起泡材供給ポンプ２を介して圧送された起泡材とコンプレッサー３を介して圧送された圧縮空気とが混合される。これにより得られた混合体は、スクイズポンプ４に供給される。
【００３７】
スクイズポンプ４は、起泡材と圧縮空気の混合体を加圧するとともに、加圧した混合体を発泡筒５に送出する。
【００３８】
図２に示すように、スクイズポンプ４の吐出口には、発泡筒５に接続する混合体輸送管４１が配管されている。
スクイズポンプ４の吐出口と混合体輸送管４１との接続部には、圧力計４２が設置されている。圧力計４２は、スクイズポンプ４から吐出される混合体の圧力を測定する。
【００３９】
発泡筒５は、スクイズポンプ４を介して圧送された混合体を通過させることで、発泡体を生成する。
図２に示すように、発泡筒５には、流量計５１が設置されている。流量計５１は、発泡筒５内を通過する混合体の流量を測定する。
【００４０】
発泡筒５から排出された発泡体は、注入管５２を介して切羽またはチャンバーに注入される。
発泡筒５の吐出口と注入管５２との接続部には、流量計５３および圧力センサー５４が設置されている。流量計５３は、切羽またはチャンバーに注入される発泡体の流量を測定し、圧力センサー５４は、発泡体の圧力を測定する。
【００４１】
図１に示すように、本実施形態では、チャンバー内の土圧の測定が可能となるようにカッターヘッドに圧力センサー８が配設されている。なお、圧力センサー８の設置箇所はチャンバー内の土圧の測定が可能であれば限定されるものではなく、例えばバルクヘッドに設置されていてもよい。
【００４２】
発泡体の注入量および注入圧の制御は、圧力センサー８により測定されたチャンバー内の土圧と、流量計５３および圧力センサー５４により測定された発泡体の注入量および注入圧の測定値とに応じて、スクイズポンプ４等を制御することにより行う。
【００４３】
本実施形態では、スクイズポンプ４等の制御を、制御手段９により実行する。
制御手段９は、図３に示すように、操作盤９１と、センサー管理盤９２と、ＣＰＵボックス９３と、複数のポンプ管理盤９４，９４，…と、作液管理盤９５と、を備えている。
【００４４】
操作盤９１は、気泡注入システム１の起動スイッチ、注入系統の選択スイッチ等を備えている。
操作盤９１から出力された信号は、ＣＰＵボックス９３に送信される。
【００４５】
センサー管理盤９２は、圧力センサー８，５４や流量計５３等の各計測器により測定された各データを、信号化してＣＰＵボックス９３に送信する。
【００４６】
ＣＰＵボックス９３は、操作盤９１から送信された信号およびセンサー管理盤９２を介して入力された各圧力センサー８，５４や流量計５３等の各計測器のデータに応じて、ポンプ管理盤９４や作液管理盤９５に信号を出力し、注入圧や注入流量の制御を行う。
つまり、気泡注入システム１は、各計測器により測定されたデータ、掘進速度、掘削断面積等に応じて、ＣＰＵボックス９３が信号を出力し、スクイズポンプ４の回転数等の制御を行い、発泡体の注入圧や注入流量の制御を行う。
【００４７】
ポンプ管理盤９４は、ＣＰＵボックス９３から送信された制御信号に応じてスクイズポンプ４等を制御する。本実施形態では、１台のスクイズポンプ４の台数と同数のポンプ管理盤９４を配設している。
【００４８】
ポンプ管理盤９４は、スクイズポンプ４内のロータの回転速度を制御して発泡筒５に供給する混合体の流量を制御する。
また、ポンプ管理盤９４は、起泡材供給ポンプ２による起泡材の流量も制御することで、コンプレッサー３により供給される圧縮空気に対する起泡材の供給量を制御する。
【００４９】
作液管理盤９４は、Ａ液とＢ液の配合等の管理を、ＣＰＵボックス９３から送信された信号に応じて、Ａ液とＢ液の配合管理を行う。作液管理盤９４は、Ａ液添加ポンプ６２，Ｂ液添加ポンプ７２，Ｂ液ミキサー７３，水中ポンプ７４ａ，ポンプ７５ａ等の制御を行い、混合体の配合の管理を行う。
なお、コンプレッサー３は、定圧供給であるため、直接量制御は行わない。
【００５０】
発泡体の注入流量は、掘削土量に対する掘削土量に対する割合により設定する。
掘削機の掘削外径と掘進速度とにより、１分間当たりの掘削土量を算出し、それに注入率を乗算することにより、１分間当たりの発泡体の注入量を算出する。
【００５１】
以下、計算例を示す。以下に計算例での条件を示す。なお、計算例において、０．１ＭＰａを加算しているが、これは、大気圧の０．１ＭＰａを意味している。地表では、大気圧０．１ＭＰａが作用しているため、圧力計において０が表示されていても、０．１ＭＰａが作用している。
掘削外径：１２．５３ｍ
掘削土量に対する注入率：４０％
チャンバー土圧：０．４ＭＰａ
掘進速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ＝０．０５０ｍ／ｍｉｎ
発泡倍率：８倍
気泡希釈比：１００倍
注入系統：８
【００５２】
・発泡体注入量Ｑの演算
Ｑ＝１２．５３×１２．５３×π／４×０．０５×０．４×１０００
＝２４６４．９Ｌ／ｍｉｎ
・１注入系統当たりの注入量Ｑａ
Ｑａ＝２４６４．９÷８＝３０８．１Ｌ／ｍｉｎ
【００５３】
・起泡材供給ポンプ２の流量ＱＬｉｑ
ＱＬｉｑ＝３０８．１÷８＝３８．５Ｌ／ｍｉｎ
・Ａ液添加ポンプ６２の流量ＱＬｉｑＡ
ＱＬｉｑＡ＝３８．５÷１００＝０．３８５Ｌ／ｍｉｎ
【００５４】
・１方向あたりのエアーの注入量Ｑａｉｒ
Ｑａｉｒ＝（３０８．１−３８．５）×（０．４＋０．１）×１０＝１３４８Ｌ／ｍｉｎ
【００５５】
・エアーの注入量を、０．６ＭＰａにてポンプサクションに供給したときに、スクイズポンプの負担するエアー分の流量Ｑａｉｒｓ
Ｑａｉｒｓ＝１３４８÷［（０．６＋０．１）×１０］＝１９２．６Ｌ／ｍｉｎ
【００５６】
・スクイズポンプの吐出量Ｑｓ
Ｑｓ＝ＱＬｉｑ＋Ｑａｉｒｓ＝３８．５＋１９２．６＝２３１．１Ｌ／ｍｉｎ
【００５７】
発泡筒５の圧力（圧力センサー５４の表示）が０．７ＭＰａであれば、エアー量表示に変化が生じるため、発泡体の流量（流量計５３の表示）は以下のようになる。
１３４８÷［（０．７＋０．１）×１０］＋３８．５＝２０７Ｌ／ｍｉｎ
【００５８】
なお、コンプレッサー３のエアー分の流量と圧力は、１３４８×８＝１０７８４Ｌ／ｍｉｎ、０．６ＭＰａにより一定供給する。
【００５９】
チャンバー内の土圧を計測し、この圧力に対応する発泡体の流量を算出することで、起泡材供給ポンプ２の速度制御や発泡倍率等を考慮した上で、土圧に応じたスクイズポンプ４の流量の制御を行うことができる。
【００６０】
本実施形態の気泡システム１によれば、スクイズポンプ４を介して発泡体を注入するため、コンプレッサー３の能力に関わらず２ＭＰａ程度の注入圧力を確保することができる。そのため、高水圧条件下の地山の掘削に対しても、発泡体の注入をすることが可能である。
【００６１】
スクイズポンプ４による注入により、注入速度を一定に保つことが可能となる。そのため、定量で注入することができ、低土被りでの施工においても安定して注入することができる。
【００６２】
ポンプ（スクイズポンプ４）から発泡筒５までの配管が１系統でまかなえるため、注入量や注入圧力の管理が容易である。
【００６３】
土圧に応じて自動的に気泡注入システム１を制御して発泡体の注入流量および注入圧が制御されるため、作業性に優れている。
【００６４】
以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【００６５】
例えば、起泡注入システムで使用するスクイズポンプの台数は限定されるものではなく、掘削断面形状に応じて適宜設定すればよい。
また、スクイズポンプの台数と注入口の数との関係は適宜設定すればよく、例えば、１台のスクイズポンプを利用して２箇所の注入口から注入してもよい。
【００６６】
また、Ａ液およびＢタイプ材の輸送方法は、前記実施形態で示した方法に限定されるものではなく、例えば輸送管により圧送するなど、適宜行えばよい。
【００６７】
また、前記実施形態では、Ｂ液を現地にてＢタイプ材と清水とを混合することにより生成したが、予め混合されたＢ液を搬入してもよい。
【００６８】
コンプレッサーや各ポンプ等の吐出能力は限定されるものではない。
発泡筒を介して発泡体を生成したが、発泡体の生成方法は限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６９】
１    気泡注入システム
２    起泡材供給ポンプ
３    コンプレッサー
４    スクイズポンプ
５    発泡筒
５４  圧力センサー
【図１】
0005507411.tif 000002
【図２】
0005507411.tif 000003
【図３】
0005507411.tif 000004