(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設工事で用いられ、土砂を圧送するポンプであって、
円形のポンプ室を有するケーシングと、
前記ポンプ室内にその中心軸に対して回転軸が排出側に偏心して設けられたローターと、
前記ローターに揺動可能に取り付けられ、前記ローターから前記ポンプ室の外径側へ前記ローターの回転方向に傾斜して延び、前記ローターの回転方向の反対側へ揺動すると先端が前記ポンプ室の周壁に当接するように構成された複数の羽根と、
前記羽根の先端が前記ポンプ室の周壁に沿う軌跡を辿るように、前記羽根の移動を案内するガイドと、
を備え、
前記ガイドは、前記ローターの回転に応じて羽根を揺動させるカム機構を有する建設工事用の土砂圧送ポンプ。
【請求項２】
前記羽根は、前記ポンプ室の外径側にいくにつれて前記ローターの回転方向の側に曲がるように湾曲している請求項１に記載の建設工事用の土砂圧送ポンプ。
【請求項３】
前記カム機構は、ガイドローラーレールと、その外周面に当接するカムローラーとを有し、
前記羽根は、前記ローターの外周部に当該ローターの回転軸と平行に設けられると共に前記カムローラーの回転中心から偏心してカムローラーに固定された軸により、揺動可能に支持されており、
前記羽根の前記ローターの回転方向に向けた揺動を阻止するワンウェイクラッチを有する請求項１又は請求項２に記載の建設工事用の土砂圧送ポンプ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の建設工事用の土砂圧送ポンプを備え、該土砂圧送ポンプで掘削土砂を排出するシールド機。
【請求項５】
請求項４に記載のシールド機を用いてトンネルを掘削するシールド工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設工事用の土砂圧送ポンプ、該土砂圧送ポンプを備えるシールド機、及び、該シールド機を用いるシールド工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法によってトンネルを構築するシールド工事等の建設工事において、掘削土砂をロータリーポンプ等の圧送ポンプで圧送することが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１に記載の土圧式シールド工法によるシールド工事では、シールド機で掘削してスクリューコンベアを通してチャンバ内に取り込んだ土砂を、スクリューコンベアに接続された回転容積型のロータリーポンプによって、該ロータリーポンプに接続された配管を通してシールド機の後方へ圧送する。
【０００３】
また、特許文献２に記載のロータリーポンプでは、ローターが、円形のケーシングに対して偏心して取り付けられ、板状のブレードが、ローターにその径方向に進退可能、且つ、両端がケーシングの内周面に当接してケーシング内を複数の室に区画するように設けられている。このロータリーポンプでは、ケーシング内への土砂の吸い込みとケーシング内からの土砂の吐き出しとを並行して行うことができるため、効率よく土砂を圧送することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９６９８８号公報
【特許文献２】特開２００７−３３２８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載のロータリーポンプでは、板状のブレード（可動型の羽根）の先端が、ケーシングの内周面に対して直角に突き当てられているが、その状態でローターを回転させるため、ブレードの先端とケーシングの内周面との間に隙間ができ、止水性が低くなる。そのため、このロータリーポンプを使用して、大深度や間隙水圧が局所的に高い場所等の高水圧の地盤での土圧式シールド工法を実施する場合には、ブレードの先端とケーシングの内周面との間からの地下水の漏出を防ぐことが難しい。また、従来は、高水圧の地盤での土圧式シールド工法で使用できるロータリーポンプが存在しなかったことから、高水圧の地盤でのシールド工事では、土圧式シールド工法ではなく泥水式シールド工法を採用せざるをえず、コスト増となっていた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、可動型の羽根の先端とケーシングの内周面との間の止水性を高めることにより、ポンプの耐圧性を高めることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る建設工事用の土砂圧送ポンプは、建設工事で用いられ、土砂を圧送するポンプであって、円形のポンプ室を有するケーシングと、前記ポンプ室内にその中心軸に対して回転軸が排出側に偏心して設けられたローターと、前記ローターに揺動可能に取り付けられ、前記ローターから前記ポンプ室の外径側へ前記ローターの回転方向に傾斜して延び、前記ローターの回転方向の反対側へ揺動すると先端が前記ポンプ室の周壁に当接するように構成された複数の羽根と、を備え前記羽根の先端が前記ポンプ室の周壁に沿う軌跡を辿るように、前記羽根の移動を案内するガイドと、を備え、前記ガイドは、前記ローターの回転に応じて羽根を揺動させるカム機構を有する。
【０００８】
前記建設工事用の土砂圧送ポンプにおいて、前記羽根は、前記ポンプ室の外径側にいくにつれて前記ローターの回転方向の側に曲がるように湾曲してもよい。
【０００９】
また、前記建設工事用の土砂圧送ポンプにおいて、前記カム機構は、前記ポンプ室に対して固定されたガイドローラーレールと、その外周に当接するカムローラーとを有し、前記羽根は、前記ローターの外周部に当該ローターの回転軸と平行に設けられると共に前記カムローラーの回転中心から偏心してカムローラーに固定された軸により、揺動可能に支持されており、前記羽根の前記ローターの回転方向に向けた揺動を阻止するワンウェイクラッチを有してもよい。
【００１０】
また、本発明に係るシールド機は、前記建設工事用の土砂圧送ポンプを備え、該土砂圧送ポンプで掘削土砂を排出する。
【００１１】
また、本発明に係るシールド工法は、前記シールド機を用いてトンネルを掘削する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可動型の羽根の先端とケーシングの内周面との間の止水性を高めることにより、ポンプの耐圧性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る土砂圧送用のロータリーポンプを備える土圧式のシールド機を示す縦断面図である。
【図２】図１の２−２矢視図である。
【図３】一実施形態に係るロータリーポンプを示す斜視図である。
【図４】一実施形態に係るロータリーポンプを示す斜視断面図である。
【図５】一実施形態に係るロータリーポンプの内部構造を示す斜視図である。
【図６】一実施形態に係るロータリーポンプの内部構造を示す斜視図である。
【図７】一実施形態に係るロータリーポンプの作用を示す縦断面図である。
【図８】他の実施形態に係るロータリーポンプが備えるガイド機構を示す分解斜視図である。
【図９】ガイド機構の作用を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る土砂圧送用のロータリーポンプ１０を備える土圧式（泥土圧式）のシールド機１００を示す縦断面図である。また、図２は、図１の２−２矢視図である。これらの図に示すように、シールド機１００は、カッターヘッド１１０を掘進方向の先頭部に備える円筒状の前胴部１２０と、中折れジャッキ（図示省略）を介して前胴部１２０の後部に連結された円筒状の後胴部１３０とを備えている。
【００１５】
前胴部１２０には、カッターヘッド１１０の後方に配された隔壁１２４が設けられ、この隔壁１２４とカッターヘッド１１０との間にはチャンバ１２２が設けられている。カッターヘッド１１０は、十字状に配されたカッタースポーク１１２と、カッタースポーク１１２の前面に設けられた多数のカッタービット１１４とを備えている。また、カッタースポーク１１２の後面と隔壁１２４との前面とには夫々、攪拌棒１１６が設けられている。また、カッタースポーク１１２には、切羽近傍に添加剤を供給するための添加剤供給口１１８が設けられている。この添加剤供給口１１８は、添加剤ユニット（図示省略）に接続されている。
【００１６】
以上のような構成の前胴部１２０では、カッターヘッド１１０が回転するとカッタービット１１４により切羽が掘削されて掘削土砂がチャンバ１２２内に取り込まれる。そして、チャンバ１２２内に取り込まれた掘削土砂が、攪拌棒１１６により攪拌混合される。
【００１７】
また、前胴部１２０から後胴部１３０までに亘ってスクリューコンベア１３４が延びている。このスクリューコンベア１３４の前端は、隔壁１２４の開口部に取付けられており、スクリューコンベア１３４のスクリュー１３５の先端は、チャンバ１２２内に挿入されている。スクリューコンベア１３４は、スクリュー１３５を回転させてチャンバ１２２から後胴部１３０へ土砂を搬送する。
【００１８】
スクリューコンベア１３４の後端の排土口には、クラッシャー１３６及びロータリーポンプ１０を介して配管１３８が接続されており、スクリューコンベア１３４で搬送された土砂は、クラッシャー１３６により破砕され、ロータリーポンプ１０により配管１３８を通してシールド機内の後方へ圧送される。
【００１９】
図３は、ロータリーポンプ１０を示す斜視図であり、図４は、ロータリーポンプ１０を示す斜視断面図であり、図５及び図６は、ロータリーポンプ１０の内部構造を示す斜視図である。これらの図に示すように、ロータリーポンプ１０は、円形のポンプ室２１を備えるケーシング２０と、ポンプ室２１内に配されたローター３０と、ローター３０に揺動可能に取り付けられた複数（本実施形態では３枚）の羽根４０と、ローター３０を回転させる駆動機構５０とを備えている。
【００２０】
ケーシング２０は、ポンプ室２１を囲む円環状の周壁２２Ａを備え軸方向両側が開口したケース２２と、ケース２２の軸方向両側を密閉する蓋２４、２６とを備えている。ケース２２の上部には、クラッシャー１３６と接続される吸込口２２Ｂが上方に突出するように設けられ、ケース２２の側部には、配管１３８と接続される排出口２２Ｃが側方（接線方向）に突出するように設けられている。蓋２４、２６は、複数の部材を組み合わせて構成されており、夫々、軸受２７やオイルシール２８、２９等が設けられている。
【００２１】
ローター３０は、軸部３１と、軸部３１と同軸に配されて一体化された円筒状の胴部３２と、胴部３２の軸方向両端に結合された円盤状のフランジ３３とを備えている。軸部３１は、ケース２２の中心軸に対して平行に且つ偏心して配されており（図７参照）、軸受２７により蓋２４、２６に回転可能に支持されている。ここで、軸部３１の軸心即ちローター３０の回転軸は、ケース２２の中心軸よりも排出口２２Ｃ側（即ち、吸込口２２Ｂの反対側）に偏心して配されている。これにより、ポンプ室２１の容積は、吸込口２２Ｂ側が排出口２２Ｃ側よりも大きくなっている。
【００２２】
フランジ３３の外周部は、胴部３２から外周側へ張り出しており、このフランジ３３の外周部には、羽根４０の軸４２がローター３０の回転軸と平行に取り付けられている。また、フランジ３３は、ケーシング２０の蓋２４、２６に接するように配されており、蓋２４、２６には、フランジ３３の外周部に面してオイルシール２８が設けられている。また、蓋２４、２６には、軸部３１が挿通される孔が形成されており、その孔壁には、オイルシール２９が設けられている。これにより、蓋２４、２６と軸部３１及び胴部３２との間の密封性が確保されている。
【００２３】
複数の羽根４０は、ローター３０の回転軸の周りに所定間隔（本実施形態では１２０°間隔）で配されており、各羽根４０は、ローター３０の外周部からポンプ室２１の外径側へ延びている。各羽根４０の基端部には、ローター３０の外周部に取り付けられた軸４２が回転可能に取り付けられており、各羽根４０は、ローター３０の回転軸と平行な軸の周りに揺動可能に、ローター３０の外周部に支持されている。各羽根４０は、ローター３０の外周部からポンプ室２１の外径側へかけて、ローター３０の回転方向（図５及び図６の反時計周り方向）に傾斜している。また、各羽根４０の揺動軸から先端までの距離は、揺動軸からポンプ室２１の周壁２２Ａまでの距離よりも長く設定されており、各羽根４０は、ローター３０の回転方向の反対方向（図５及び図６の時計周り方向であり、以下、反回転方向という）に揺動すると先端がポンプ室２１の周壁２２Ａに当接するように構成されている。
【００２４】
また、各羽根４０は、ポンプ室２１の外径側へかけてローター３０の回転方向の側に曲がるように（基端側にかけてローター３０の回転方向の反対側に膨らむように）湾曲している。これにより、各羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの角度が小さくなり、各羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの接触状態が面接触に近くなる。
【００２５】
また、各羽根４０の先端には超硬チップが一体化され、該超硬チップが当接するポンプ室２１の周壁２２Ａはゴム又はウレタンのライナで被覆されており、これにより、各羽根４０の先端の磨耗が抑制されている。
【００２６】
駆動機構５０は、モーター５２と、モーター５２の出力軸に連結された減速機５４と、減速機５４の出力軸とローター３０の軸部３１とを連結するカップリング５６とを備えている。この駆動機構５０では、モーター５２の動力が減速機５４により回転速度を減じて出力される。これにより、カップリング５６で連結された軸部３１が回転され、ローター３０が回転する。
【００２７】
図７は、本実施形態に係るロータリーポンプ１０の作用を示す縦断面図である。この図に示すように、ロータリーポンプ１０では、ローター３０を図中反時計回り方向に回転させてポンプ室２１内の土砂を排出口２２Ｃに接続された配管１３８に圧送する。この際、ポンプ室２１の容積は、吸込口２２Ｂ側が排出口２２Ｃ側よりも広くなっており、ポンプ室２１の内圧は、吸込口２２Ｂ側が排出口２２Ｃ側よりも低くなっているため、ポンプ室２１の排出口２２Ｃ側で圧縮力が生じる。これにより、吸込口２２Ｂからポンプ室２１内に土砂が取り込まれ、取り込まれた土砂が排出口２２Ｃから配管１３８へ圧送される。
【００２８】
ここで、複数の羽根４０が、ローター３０の外周部に、ローター３０の回転軸と平行な揺動軸の回りに揺動可能に、且つ、ポンプ室２１の外径側へかけてローター３０の回転方向に傾斜した状態で支持されているため、それらの羽根４０は、ローター３０が回転すると、土砂の圧力及び遠心力でローター３０の反回転方向へ揺動し、先端をポンプ室２１の周壁２２Ａに当接させる。即ち、ローター３０が回転している間、各羽根４０の先端が、各羽根４０に作用する土砂の圧力及び遠心力で周壁２２Ａに圧接された状態に維持される。これによって、各羽根４０の先端と周壁２２Ａとの間の止水性を高い状態に維持でき、耐圧性に優れるロータリーポンプ１０が得られる。
【００２９】
これによって、本実施形態に係るロータリーポンプ１０を使用して、大深度や間隙水圧が局所的に高い場所等の高水圧の地盤での土圧式シールド工法を実施する等、ポンプ室２１内に高水圧がかかる場合でも、羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの間からの地下水の漏出を防ぐことが可能になる。従って、本実施形態に係るロータリーポンプ１０を使用することによって、高水圧の地盤での土圧式シールド工法の実施が可能になり、泥水と土砂との分離作業等を要することにより高コストな泥水式シールド工法を不要にでき、施工コストを低減できる。
【００３０】
特に、本実施形態に係るロータリーポンプ１０では、各羽根４０が、ポンプ室２１の外径側へかけてローター３０の回転方向の側に曲がるように湾曲していることにより、各羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの角度が小さくなって、各羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの接触状態が面接触に近くなっているため、より一層、各羽根４０の先端と周壁２２Ａとの間の止水性を向上させることができ、ロータリーポンプ１０の耐圧性を向上させることができる。
【００３１】
図８は、他の実施形態に係るロータリーポンプが備えるガイド機構６０を示す分解斜視図である。この図に示すように、ガイド機構６０は、ローター３０の外周部にローター３０の回転軸と平行に回転可能に支持されると共に羽根４０を揺動可能に支持する軸６２と、羽根４０の基端部に設けられ軸６２が挿通されたワンウェイクラッチ６４と、軸６２の先端に固定されたガイドローラー６６とを夫々複数備えている。また、ガイド機構６０は、複数のガイドローラー６６の内周側に配された円状の板材であるガイドローラーレール６８をさらに備えている。
【００３２】
ワンウェイクラッチ６４は、羽根４０の軸６２に対するローター３０の反回転方向への揺動は許容するが、羽根４０の軸６２に対するローター３０の回転方向への揺動は阻止する。即ち、羽根４０は、ローター３０の反回転方向へは軸６２から独立して揺動できるが、ローター３０の回転方向へは軸６２と一体でなければ揺動できない。
【００３３】
ガイドローラー６６及びガイドローラーレール６８は、ポンプ室２１の外側に配されている。ガイドローラー６６は、軸６２の軸心Ｏに対して外周側且つ羽根４０の先端側に偏心して配されたカムローラであり、ガイドローラーレール６８の外周面に当接可能に配されている。
【００３４】
図９は、ガイド機構６０の作用を示す概略平面図である。この図に示すように、羽根４０の揺動軸Ｏに対して外周側且つ羽根４０の先端側に偏心したガイドローラー６６がガイドローラーレール６８に当接することにより、羽根４０のローター３０の回転方向への揺動が制限される。ここで、ガイドローラーレール６８の半径Ｒは、周方向の位置によって異なるように設定されており、ローター３０の外周部とポンプ室２１の周壁２２Ａとの距離が遠くなるほど大きくなるように設定されている。このため、羽根４０が吸込口２２Ｂ側へ近づくほど、羽根４０の先端がポンプ室２１の外周側に移動する。そして、ガイドローラーレール６８の半径Ｒは、羽根４０の先端がポンプ室２１の周壁２２Ａに当接して移動する軌跡を辿るように設定されている。
【００３５】
これにより、羽根４０が排出口２２Ｃを通過してから吸込口２２Ｂに達するまでの間に土砂の圧力が羽根４０に作用しない状態になっても、羽根４０の先端がポンプ室２１の周壁２２Ａに当接した状態を維持することができ、羽根４０の先端とポンプ室２１の周壁２２Ａとの間の止水性を確実に確保することができる。
【００３６】
なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、ロータリーポンプを備える土圧式のシールド機を例に挙げて本発明を説明したが、本発明に係るロータリーポンプは、他の建設工事での土砂の圧送に使用するポンプにも適用できる。また、上述の実施形態では、羽根を湾曲させたが必須ではなく平らに構成してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ロータリーポンプ、２０  ケーシング、２１  ポンプ室、２２  ケース、２２Ａ  周壁、２２Ｂ  吸込口、２２Ｃ  排出口、２４、２６  蓋、２７  軸受、２８、２９  オイルシール、３０  ローター、３１  軸部、３２  胴部、３３  フランジ、４０  羽根、４２  軸、５０  駆動機構、５２  モーター、５４  減速機、５６  カップリング、６０  ガイド機構、６２  軸、６４  ワンウェイクラッチ、６６  ガイドローラー、６８  ガイドローラーレール、１００  シールド機、１１０  カッターヘッド、１１２  カッタースポーク、１１４  カッタービット、１１６  攪拌棒、１１８  添加剤供給口、１２０  前胴部、１２２  チャンバ、１２４  隔壁、１３０  後胴部、１３２  中折れジャッキ、１３４  スクリューコンベア、１３５  スクリュー、１３６  クラッシャー、１３８  配管
【図１】
0005993579.tif 000002
【図２】
0005993579.tif 000003
【図３】
0005993579.tif 000004
【図４】
0005993579.tif 000005
【図５】
0005993579.tif 000006
【図６】
0005993579.tif 000007
【図７】
0005993579.tif 000008
【図８】
0005993579.tif 000009
【図９】
0005993579.tif 000010