(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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排土システムにおいて、圧送ポンプとこの圧送ポンプに付設するものとして排土タンクを配設し、排土タンクは上部にエアー溜まり、下部に排出機構としてのスクリューフィーダを設置して、地下工事現場からの掘削された土砂と泥水およびエアーの混合された排土を受け入れ、エアーのみを上方に送り、また、スクリューフィーダにより土砂＋泥水を前記圧送ポンプを介して上方に送るものであり、排土タンク内にレベル計を設置し、また、排土タンクのスクリューフィーダと圧送ポンプ間に流量計を設け、レベル計の値で圧送ポンプの回転数をレベル計の値の変化と共に回転数も変え土砂＋泥水の排土量を制御し、また、ホンプ回転数から換算した排土量の値と、流量計の計測した排土量の値とを比較した値である排土効率を算出し、この排土効率が一定値以下の場合にそれに応じ回転数を上昇させるようにスクリューフィーダの回転指示を行うようにスクリューフィーダの回転制御を行うことを特徴とした高深度排土システム。
【発明の詳細な説明】
【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掘削した土砂や泥水等の混合排出物を立坑を介して高所の地上部等へ排出するための高深度排泥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、掘進に伴い高濃度泥水送り、掘削した土砂や泥水等の混合排出物を排泥管により、立坑を介して排出することになる。
【０００３】
この排泥の排出は地上に設置したバキューム装置として真空ポンプを使用し、これにより負圧をかけて行われ、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。ここで、大きな問題となっているのが、高深度化による排土効率の低下であり、立抗深さが10ｍを越すところでは、従来の真空ポンプを使用した吸引排土方式では、思うような排土効率を確保できない。
【０００４】
その理由としては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が、水平方向から鉛直方向に変わる曲線部では遠心力が働くため、固形物や水と空気が分離してしまう上、真空圧力だけでは水の上昇高は原理的には約10ｍまで可能であるが、実用上は、ポンプ上の性能の限界により６〜８ｍ程度である。従って、エアーリフト効果を期待して大きな空気量（エアー量）の発生可能なポンプを設置しても10ｍ程度が限界である。
【０００５】
このため、地下にサンクションタンク及びポンプ等の機械本体を設置して、その場に排出することもあるが、この場合にはポンプで水を揚水することは可能であるが、排泥の固形物が次第に現場に堆積しその処理が大変になる。
【０００６】
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、特願2000-141195 号（特開2001-323775 号）を出願した。
【０００７】
これは、図10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へ接続するエアー排出管18を接続し、土砂溜まり15には土砂＋泥水の排出管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＋泥水の吸引管、27は排泥タンク、26ａ，26ｂはバルブ、19ａ、19ｂは管である。
【０００８】
前記図10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土砂や泥水等の混合排出物を立坑１を介して排出する。
【０００９】
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、エアー＋土砂＋泥水の吸引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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようなエアー溜まりを有する排土タンクと圧送用ポンプとを組み合わせて、圧送用ポンプのポンプ圧を利用して高所の地上まで効率的に排土するには、排土タンクから圧送用ポンプに土砂＋泥水を強制的に送りこむための工夫が必要であり、さらに、真空ポンプと圧送用ポンプによる排土バランスが問題である。
【００１１】
このバランス確保のための制御が適正でないと、配管等で詰まりを生じ、機器に過大な負荷をかけ、効率が低下してしまう。
【００１２】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、深度がある地下工事現場からの排土を立坑等の上昇経路を介して行うのに、途中で堆積物を残すことなく効率的に排出でき、しかも、自動制御システムとしてシステムを組む場合に好適な制御が可能な高深度排土システムを提供することにある。
【００１３】
【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、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排土システムにおいて、圧送ポンプとこの圧送ポンプに付設するものとして排土タンクを配設し、排土タンクは上部にエアー溜まり、下部に排出機構としてのスクリューフィーダを設置して、地下工事現場からの土砂＋泥水およびエアーを受け入れ、エアーのみを上方に送り、また、スクリューフィーダにより土砂＋泥水を前記圧送ポンプを介して上方に送るものであり、排土タンク内にレベル計を設置し、また、排土タンクのスクリューフィーダと圧送ポンプ間に流量計を設け、レベル計の値で圧送ポンプの回転数をレベル計の値の上昇と共に回転数も上昇致するように制御し、また、ホンプ回転数から換算した排土量の値と、流量計の計測した排土量の値とを比較した値である排土効率を算出し、この排土効率が一定値以下の場合にそれに応じ回転数を上昇させるようにスクリューフィーダの回転指示を行うようにスクリューフィーダの回転制御を行うことを要旨とするものである。
【００１４】
本発明によれば、立坑等上昇経路の途中に排土装置として排土タンクおよび圧送ポンプを設け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が、排土タンクへ送り込まれる土砂＋泥水のとエアーは、エアーは上部のエアー溜まりへと、土砂＋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土砂＋泥水にはエアー圧力差の変動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土砂＋泥水を強制的に送りこむことができる。
【００１５】
そしてこのような排土タンクおよび圧送ポンプの排土装置には、計測機器として、レベル計、流量計を設け、吸引排土した”土砂＋泥水”が排土タンク内で一定量になることを排土タンク内に設置したレベル計で検知し、それに応じて排土タンク下部に設置したスクリューフィーダが低速で回転し、圧送ポンプに”土砂＋泥水”を強制的に送り出す。
【００１６】
一方、圧送ポンプは、排土タンク内レベル計の値の上昇と共に、回転数（排土量）も上昇し、一方、スクリューフィーダの吐出側に設置した流量計の計測値と、圧送ポンプ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（例えば80％以下）になった場合は、スクリューフィーダの回転数もそれに応じて回転数を上昇させ、これを自動的にループ作業を行うことにより、最適な排土作業が実現できる。
【００１７】
【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は本発明の高深度排土システムの１実施形態を示す要部の正面図、図２は同上要部の説明図、３は同上全体の側面図、図４は制御方法の説明図で、前記従来例を示す図10と同一構成要素には同一参照符号を付したものである。
【００１８】
図３に示すように本実施形態も前記従来例を示す図10と同じく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。
【００１９】
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により負圧をかけて行われるが、本発明は、立坑１の途中に、圧送ポンプとしてスクイズポンプ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、下部に排出機構としてのスクリューフィーダ７を設置した排土タンク16を配設した。スクリューフィーダ７は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。
【００２０】
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。スクイズポンプ13は、図５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。
【００２１】
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。
【００２２】
一方、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。
【００２３】
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からの土砂＋泥水の排出管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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
このように本発明は装置を、（１）排土タンク部（２）圧送ポンプ部の２つの部分に分けたものであるが、それぞれの機能、及び立抗下フリースペースに配置出来るように配置を選択することができ、排土タンク16は一例として立抗最下段梁上ステージ上とするなどである。また、排土タンク16とスクイズポンプ13との位置関係も図示のようこ横並びに限定されるものではなく、上下にしてもよい。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
図４に示すように、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。図中10はコントロール制御盤、11は電磁流量計９に接続する電磁流量計変換器である。なお、図１において、12はインバータ制御盤であり、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
吸引排土した“土砂＋泥水”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“土砂＋泥水”を強制的に送り出す。
【００３４】
図６に圧送ポンプとしてスクイズポンプ13の回転数の設定例を示す。移動平均時間を20秒で設定し、計測する。（時間の変更も可）図６において縦軸はポンプ回転数から換算した排土量であり、横軸は排土タンク内レベル値であるが、初期設定図示のようにした。なお、レベル値に対するポンプ回転数に関しては、簡易に変換可能なパラメーターであり、現場条件、土質条件に合わせて設定値の変更が可能となっている。
【００３５】
図７にスクリュー回転数の設定例を示す。移動平均時間を20秒として、電磁流量計の値の平均値と、設定したポンプの値を比較して、その効率を排土効率として考え、図示のように、（移動平均時間も変更可能）初期設定をしました。これも同様に、レベル値に対するスクリューフィーダ回転数に関しては、簡易に変換可能なパラメーターであり、現場条件、土質条件に合わせて設定値の変更が可能となっている。
【００３６】
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、圧送ポンプを作動させる。
【００３７】
排土タンク16内のレベル計８で移動平均計測値10％以上で計測し、必要排土量換算（ｍ３／分）を行い、レベル計８の値でスクイズポンプ13の回転数をリニアな関係で制御する。タンクレベルが10以下では自動的に停止する。
【００３８】
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。（排土効率の値から必要なスクリューフィーダ７の回転数を制御してリニアな関係とする。）これを自動的にループ作業を行うことにより、最適な排土作業が実現できる。図８、図９に詳細フローを示す。なお、数値パラメーターの変更は可能である。
【００３９】
操作用に作業員を配置することは、コストアップに直結することから、ある程度は自動で動作し、トラブル時は、マシン操作者が、簡易に対応できるように、手動操作に切り換えることも考慮した。（図９参照）
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の高深度排土システムは、深度がある地下工事現場からの排土を立坑等の上昇経路を介して行うのに、途中で堆積物を残すことなく効率的に排出でき、しかも、自動制御システムとしてシステムを組む場合に好適なものである。
【００４１】
そして、本発明の制御を行うことにより、下記の効果を発揮できる。
・排土効率の上昇により、施工能率を上昇させることが可能になる。
・最適なポンプ及び、スクリューフィーダの回転数にて排土作業が可能になる。（消費電気料の低コスト化）
・排土装置の運転用に、貼り付ける作業員をなくすことができる。
・従来は、排土用に分離タンク及び排土タンクを設置していたが、直接運搬用タンクに積み込みが可能になり、低コスト化が図れる。
【００４２】
さらに、本発明では自動制御システムを作動させる、重要なポンプ回転数及び、スクリューフィーダ回転数さらには、測定しその値の平均値をとる“移動平均時間”や、タンクレベル値の最大、最小、それに伴う、ポンプ回転数（１直線のみでなく、多直線も可）についても、簡易にパラメーターの値の変更が可能であることから、様々な現場条件、土質条件に対応が可能である。
【００４３】
また、排土タンクに投入するモノがある程度の流動性を持てば、縦方向のみならず横圧送も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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２】  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３】  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実施形態を示す制御方法の説明図である。
【図５】  本発明の高深度排土システムで使用する圧送ポンプの縦断側面図である。
【図６】  本発明の高深度排土システムでの圧送ポンプ回転数の設定を示すグラフである。
【図７】  本発明の高深度排土システムでのスクリューフィーダのスクリューコンベア回転数の設定を示すグラフである。
【図８】  本発明の高深度排土システムでの制御フローチャートである。
【図９】  本発明の高深度排土システムでの効率制御フローチャートである。
【図１０】  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…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…タンク                      17…エアー＋土砂＋泥水の吸引管
18…エアー排出管                19…土砂＋泥水の排出管
19ａ，19ｂ…管                  20…インバーター収納ボックス
26ａ，26ｂ…バルブ              27…排泥タンク
【図１】
0003688660.tif 000002
【図２】
0003688660.tif 000003
【図３】
0003688660.tif 000004
【図４】
0003688660.tif 000005
【図５】
0003688660.tif 000006
【図６】
0003688660.tif 000007
【図７】
0003688660.tif 000008
【図８】
0003688660.tif 000009
【図９】
0003688660.tif 000010
【図１０】
0003688660.tif 000011