(57)【要約】【課題】従来の粉体急結剤を用いて造った吹付け材を回転投射した場合に比べ、更に著しく粉塵の発生を減少することができると共に、付着強度その他の点で従来技術と遜色のない回転投射式の吹付け工法を提供する。【解決手段】回転コーン１０で形成した撹拌混合室の始端側内周面に、ライニング材料ａを拡散させ且つ分散状態で飛散させた顆粒状の急結剤ｂを添加し、回転コーン１０の遠心力で発生した水平分力及びテーパ面に沿った重力の流動性によって、ライニング材料ａを展延して顆粒状の急結剤ｂと混練りすると共に、撹拌混合室内で回転コーン１０と同方向へ高速回転する撹拌羽根１３の羽根１２先端によって、ライニング材料ａを掻き取りながら顆粒状の急結剤ｂと撹拌混合を行い、混練りして造った吹付け材ｃを回転コーンの大径部側に順次移送しイてンペラの遠心力で回転投射する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円錐台筒で低速回転する回転コーンによる撹拌混合室内にライニング材料と多孔質で顆粒状の急結剤を導入し、回転コーンの小径部側テーパ面で形成した撹拌混合室の始端側内周面に、ライニング材料を拡散させ且つ分散状態で飛散させた顆粒状の急結剤を添加し、回転コーンの遠心力で発生した水平分力及びテーパ面に沿った重力の流動性によって、ライニング材料を展延して顆粒状の急結剤と混練りすると共に、撹拌混合室内で回転コーンと同方向へ高速回転する撹拌羽根の羽根先端によって、ライニング材料を掻き取りながら顆粒状の急結剤と撹拌混合を行い、混練りして造った吹付け材を回転コーンの大径部側に順次移送し、撹拌混合室の終端側に設けた高速回転するインペラの遠心力で、吹付け材を回転投射することを特徴とした回転投射式の吹付け工法。
【請求項２】
前記顆粒状の急結剤は、少なくとも粒径が７μｍ以上に造粒した請求項１に記載した回転投射式の吹付け工法。
【請求項３】
前記顆粒状の急結剤は、急結性粒子を多孔質状に結合又は凝集して造粒した請求項２に記載した回転投射式の吹付け工法。
【請求項４】
前記顆粒状の急結剤は、ライニング材料中のセメント成分に対して、５〜１５重量部の範囲内で添加する請求項１〜３のいずれかに記載した回転投射式の吹付け工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吹付け材でトンネルや立坑などの内壁面を覆工するライニング工法に係り、特に撹拌混合部と回転投射部を一体にした回転投射式の吹付け機を用い、撹拌混合部内でライニング材料と急結剤を混練りして造った吹付け材を、回転投射部から遠心力で回転投射する吹付け工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の吹付け工法には、吹付け材を圧縮空気と共にノズルから高圧噴射するエア圧送式の吹付け工法があるが、この吹付け工法は施工能率が高い利点がある反面、壁面への付着が高速且つ衝撃的であるから、粉塵の発生やリバウンドによって坑内環境を悪化する恐れがあると共に、粉塵による作業環境を改善するためには大掛かりな換気設備を必要としていた。
【０００３】
上記したエア圧送式の吹付け工法による課題を解決するために、例えば特許文献１〜３に開示されている先行技術のように、撹拌混合部内でライニング材料と急結剤を混練りして造った吹付け材を回転投射する吹付け機が提案されており、これら回転投射式の吹付け機は撹拌混合部と回転投射部とが一体に構成され、回転投射部に設けたインペラの回転による遠心力で吹付け材が回転投射される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−１８０４９６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２９４０９４号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８６４９７号公報
【０００５】
回転投射式の吹付け工法は、施工能率の点ではエア圧送式の吹付け工法には及ばないが、圧縮空気を用いないでインペラの回転による遠心力で吹付け材を回転投射するので、粉塵の発生やリバウンドを大幅に低減して坑内環境の悪化を防止できると共に、吹付け材の損失及び覆工強度の低下を少なくすることができ、また大掛かりな換気設備を必要としないので、余剰のスペースが少ない中小断面のトンネル覆工作業などにも適合できる利点がある。
【０００６】
また、回転投射部の前段側に設けた撹拌混合部には、スラリー状のコンクリートなどによるセメント系のライニング材料と粉体による急結剤とが導入され、これを撹拌混合室内で混練りして吹付け材を造るが、エア圧送式の吹付け工法のように圧縮空気を用いないで撹拌混合するので、粉体による急結剤の分散を少なくして良好な混練り状態が得られ、粉塵の発生を低減すると共に付着強度の高い良好な吹付け材を造ることができる。
【０００７】
撹拌混合部における特許文献１の撹拌混合手段は、円筒体で形成した静止状態の撹拌混合室内に回転するスクリューコンベアを装着させ、撹拌混合室内の始端側から導入したライニング材料と急結剤をスクリューコンベアで混練りすると共に、混練りして造った吹付け材をスクリューコンベアで押し出しながら終端側に設けた回転投射部へ移送している。
【０００８】
この撹拌混合手段の場合には、スクリューコンベアで移送中に粉体の急結剤が硬化すると、撹拌混合部及び回転投射部を構成する内装部材との摩擦が大きくなり、ライニング材料の滞留で移送速度を低下又は不規則にしたり、摩擦によって内装部材を摩耗させたりする恐れがあり、特に急結剤がスクリューの外周や撹拌混合室の内壁面に付着したり運転休止時に硬化した場合には、ライニング材料の詰まりで動作不能となって解体及び清掃作業を必要とする恐れがあった。
【０００９】
また、特許文献２及び３の撹拌混合手段は、次第に拡径する円錐台筒の回転コーンで形成した撹拌混合室内に、回転軸に多数の羽根を間隔を置いて突設した撹拌羽根を設け、この回転コーンを相対的に低速で撹拌羽根を相対的に高速で同一方向に回転させ、始端側（小径部側）から導入したライニング材料と急結剤を回転コーンと撹拌羽根によって混練りすると共に、混練りして造った吹付け材を回転コーンの遠心力で終端側（大径部側）に設けた回転投射部へ移送している。
【００１０】
すなわち、ライニング材料を撹拌混合室の始端側内周面に導入すると共に、粉体の急結剤を撹拌混合室の始端側内周面に分散状態で飛散させてライニング材料に添加すると、回転コーンの遠心力によって発生した水平方向分力及びテーパ面に沿った重力による流動性で、展延状態で内周面に沿って終端側（大径部側）へ流動しながら撹拌混合され、同時に高速回転する撹拌羽根でライニング材料を断ち切るようにし且つ、撹拌羽根の羽根先端で内面に付着したライニング材料を掻き取るようにして撹拌混合を助勢する。
【００１１】
この撹拌混合手段の場合には、ライニング材料が撹拌混合室の内面及び各撹拌羽根に局部的に付着したり滞留する恐れが無く、特に撹拌羽根の羽根先端を回転コーンの内面に近接して配置することにより、回転コーンの内面に付着したライニング材料を撹拌羽根で掻き取ることができるので、ライニング材料の詰まりによる動作不能を著しく減少することが可能である。
【００１２】
また、撹拌混合はライニング材料と急結剤の全体に対して均等に作用し且つ一定速度で行われるので、均一で付着強度の高い吹付け材を得ることができると共に、運転を休止する際には予めライニング材料と急結剤の供給を停止した状態にし、空運転を行うと残留している吹付け材は放出されるので、ライニング材料の詰まりによる動作不能が著しく減少し、解体及び清掃作業の頻度を少なくすることが可能である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、回転投射式の吹付け工法では圧縮空気を使用するエア圧送式の吹付け工法に比べて、粉塵の発生を著しく減少させることが可能であり、また撹拌混合部手段としては特許文献１より特許文献２，３の構成による撹拌混合部を備えた吹付け機の方が有利であると判断した本件出願人は、更に粉塵の発生を減少することが可能な吹付け工法について検討を行った。
【００１４】
まず、回転投射式の吹付け機における粉塵の発生要因としては、現行の粉体急結剤は飛散して分離し易い例えば粒径が７μｍ以下の微粒状粉末成分を多く含有しており、この微粒状粉末成分が撹拌混合部において、ライニング材料から分離して撹拌混合室内で浮遊したり、ライニング材料中でだま状に硬化したりして、急結剤がライニング材料中へ充分且つ均一に撹拌混合されない状態で、回転投射部から吹付け材として回転投射されることが想定された。
【００１５】
そこで、本件発明者らは上記想定に基づいて各種の検討並びに実験を繰り返し行った結果、従来の粉体急結剤を用いて造った吹付け材を回転投射した場合に比べ、更に著しく粉塵の発生を減少することができると共に、付着強度その他の点で従来技術と遜色のない回転投射式の吹付け工法を見いだしたので、これを特許出願するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による回転投射式の吹付け工法は、円錐台筒で低速回転する回転コーンによる撹拌混合室内にライニング材料と多孔質で顆粒状の急結剤を導入し、回転コーンの小径部側テーパ面で形成した撹拌混合室の始端側内周面に、ライニング材料を拡散させ且つ分散状態で飛散させた顆粒状の急結剤を添加し、回転コーンの遠心力で発生した水平分力及びテーパ面に沿った重力の流動性によって、ライニング材料を展延して顆粒状の急結剤と混練りする。
【００１７】
この回転コーンの回転による混練りと同時に、撹拌混合室内では回転コーンと同方向へ高速回転する撹拌羽根の羽根先端によって、ライニング材料を掻き取りながら顆粒状の急結剤と撹拌混合が行われ、混練りして造った吹付け材を回転コーンの大径部側に順次移送し、撹拌混合室の終端側に設けた高速回転するインペラの遠心力で、吹付け材を回転投射する。
【００１８】
また、前記吹付け工法における顆粒状の急結剤を、少なくとも粒径が７μｍ以上に造粒した形態や、急結性粒子を多孔質状に結合又は凝集して造粒した形態あるいは、ライニング材料中のセメント成分に対して、５〜１５重量部の範囲内で添加する形態を採ることができる。
【００１９】
この回転投射式の吹付け工法では、従来技術によるエア圧送式の吹付け工法及び、同じ回転投射式でも撹拌混合手段としてスクリューコンベアを使用する特許文献１の吹付け工法に比べ、前記した特許文献２，３の場合と同様の作用効果を発揮すると共に、急結剤として多孔質で顆粒状の急結剤を用いることによって、微粉末を多く含んだ粉体急結剤を用いた場合に比べて、吹付け機の内部で浮遊してトンネル内に放出される粉塵の発生量を著しく軽減することができる。
【００２０】
例えば、撹拌混合室の始端側内周面に拡散させたライニング材料に対し、急結剤を分散状態で飛散させて添加する際に、粉体急結剤を用いた場合とは異なって途中で分離したり、ライニング材料の表層から吹き飛ばされて浮遊することが少なく、これによって粉塵の発生を軽減できると共に、顆粒状の急結剤を均一に分散させた混練りによって付着強度のある吹付け材を造ることができる。
【００２１】
また、ライニング材料に添加された顆粒状の急結剤は、粉体急結剤のようにだま状になって、回転コーンによる混練り及び撹拌羽根による撹拌混合する際に、ライニング材料から急結剤が分離して吹付け機の内部で浮遊することが無く、添加する際や混練り及び撹拌混合する際には、多孔質の顆粒状態から小径の急結性粒子に分離してライニング材料中へ均一に分散するので、粉塵の発生を軽減し且つ付着強度のある吹付け材を造ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明による回転投射式の吹付け工法について、本発明をトンネルの１次覆工に適用した実施形態に基づいて詳細に説明するが、図１はトンネルの１次覆工を行うライニング設備の側面図、図２は図１の１次覆工に用いる吹付け機の模式的な要部断面図、図３は同吹付け機における回転投射部の模式的な要部断面図、図４は各種吹付け工法における粉塵の比較図、をそれぞれ示す。
【００２３】
吹付け機１は、図１のようにトンネル２内の切羽に設けた走行車両によるベースマシン３に対し、旋回や起伏及び伸縮作動が可能なアタッチメント４を介して取付けされ、移送管５を介して供給されたライニング材料ａと急結剤ｂで吹付け材ｃを造り、トンネル２の内壁面に回転投射してライニング６を施工するが、基本構成は特許文献２，３に開示されたものと同様であって、図２及び図３で概略を示すように、材料導入部１Ａと、撹拌混合部１Ｂと、回転投射部１Ｃと、回転駆動部１Ｄと、取付機構部１Ｅとで構成されている。
【００２４】
材料導入部１Ａは、ライニング材料ａを導入する大径の第１導入管７と、急結剤ｂを導入する小径の第２導入管８が同心状に配置され、第１及び第２導入管７，８には供給タンクに接続された移送管５を介して、スラリー状のライニング材料ａと顆粒状の急結剤ｂをポンプ圧送すると共に、撹拌混合部１Ｂの始端側に配置した先端側に高速回転する拡散用インペラ９を設け、ライニング材料ａを撹拌混合部１Ｂの外周側に誘導し且つ急結剤ｂを放射方向へ飛散させている。
【００２５】
撹拌混合部１Ｂは、次第に拡径する円錐台筒の回転コーン１０を設けて内部に撹拌混合室を形成し、撹拌混合室内には回転軸１１から間隔を置いて複数の羽根１２を突設した撹拌羽根１３を設けると共に、撹拌羽根１３は羽根１２先端を回転コーン１０の内周面に近接するようにし、回転コーン１０が相対的に低速回転し、撹拌羽根１３が相対的に高速回転する設定で同方向に回転させる。
【００２６】
撹拌混合部１Ｂでは、始端側内周面に導入されたライニング材料ａに、顆粒状の急結剤ｂが飛散されて添加され、回転コーン１０の遠心力によって発生した水平方向分力及びテーパ面に沿った重力による流動性により、展延状態で内周面に沿って終端側へ流動しながら混練りされ、また内周面に付着したライニング材料ａは高速回転する撹拌羽根１３の先端で掻き取るようにすると共に、軸心側のライニング材料ａは撹拌羽根１３で断ち切るようにして撹拌混合を助勢する。
【００２７】
回転投射部１Ｃは、複数の羽根板１４を装着した投射用インペラ１５を回転コーン１０の終端側に装着し、投射用インペラ１５の外周囲には方向制御板１６に枢着した複数の案内ローラ１７を配置させ、投射用インペラ１５と各案内ローラ１７の間には投射方向Ｆに投射口１８を開放する態様で無端ベルト１９を巻掛け、無端ベルト１９で囲繞した投射用インペラ１５内に混練りした投射ライニング材ｃが順次移送される。
【００２８】
投射ライニング材ｃは、投射用インペラ１５が回転駆動されると各羽根板１４で押し出されるようにして、投射口１８から投射方向Ｆへ遠心力で回転投射されるが、その際に方向制御板１６を所定角度に揺動回転させると、案内ローラ１７に巻掛けた無端ベルト１９の投射口１８を所望に設定して投射方向Ｆを所望の角度に可変調整することができる。
【００２９】
回転駆動部１Ｄは、拡散用インペラ９を高速回転させる駆動部と、回転コーン１０を低速回転させる駆動部と、撹拌羽根１３（回転軸１１と羽根１２）を高速回転させる駆動部と、投射用インペラ１５を高速回転させる駆動部と、方向制御板１６を揺動回転させる駆動部とが必要であり、これらの各回転駆動部はプーリやＶベルトなどによる動力伝達手段を介して、それぞれ駆動用モータに連結されている。
【００３０】
この実施形態では、回転コーン１０は動力伝達手段を介して第１のモータＭ１で低速回転駆動を行い、拡散用インペラ９と撹拌羽根１３及び投射用インペラ１５を連結し、動力伝達手段を介して第２のモータＭ２で高速回転駆動を行い、方向制御板１６は動力伝達手段を介して第３のモータＭ３で揺動回転駆動を行い、共用化することで回転駆動部の構成を簡略化している。
【００３１】
第１及び第２のモータＭ１，Ｍ２の回転速度は、ライニングする地山の性状や地山との投射距離、ライニング材料ａや急結剤ｂの性状、温度や湿度などの条件によって異なるが、第１のモータＭ１は凡そ１００〜２００ｒｐｍ、第２のモータＭ２は凡そ６００〜１２００ｒｐｍの範囲内で設定され、特に回転コーン１０と撹拌羽根１３の相対回転速度を所望に設定し、撹拌混合部１Ｂにおける混練り滞留時間を制御することが可能である。
【００３２】
取付機構部１Ｅは、上記した各部を支持する部材であって、筒状体で形成した支持部材２０は、第１導入管７及び回転コーン１０の外周囲に同心状に被着されると共に、第１導入管７やその他の静止部分に連結され、第１導入管７側ではベアリングなどの軸受部材２１，２２を介して、投射用インペラ１５の基部側及び回転コーン１０の基部側を回転可能に支持し、回転コーン１０側ではベアリングなどの軸受部材２３を介して、方向制御板１６が回転可能に支持している。
【００３３】
吹付け材ｃは、コンクリートなどのセメント系によるスラリー状のライニング材料ａと、これを補強する顆粒状の急結剤ｂとを撹拌混合部１Ｂで混練りして造るが、顆粒状の急結剤ｂの添加量は各種の条件によって所望に設定されるが、ライニング材料ａ中のセメント１００重量部に対して、凡そ５〜１５重量部の範囲内で添加し、特に７重量部前後が望ましい。
【００３４】
顆粒状の急結剤ｂは、従来の粉体急結剤を使用の場合において、特に粒径が１０μｍ未満の微粉末が浮遊性の粉塵になり易いことから、これらの微粉末を低減させるために急結性粒子を多孔質状に結合又は凝集させ、従来の粉体急結剤と比較して、粒径を大きくした顆粒状の急結剤を用いている。
【００３５】
顆粒状の急結剤ｂは、例えばカルシウムアルミネート組成物その他でセメント系ライニング材料に急結性を付与する急結成分による急結性粒子と、有機溶媒及び結合剤を含有したスラリーを公知の噴霧乾燥法で造粒し、粒径を少なくとも７μｍ以上に調製したことなどによって造られる。
【００３６】
この顆粒状の急結剤ｂは、従来の粉体急結剤に比べて粒径が１０μｍ未満の微粉末が著しく少なくしたので、これを上記した回転投射式の吹付け機に対して急結剤として使用すると、次のような作用で粉塵の発生を著しく軽減することが可能となり、このことは図４に基づいて詳細を後述するように、本件出願人による実験で既に確認されている。
【００３７】
まず、従来の粉体急結剤の場合には、撹拌混合室を形成する回転コーン１０のテーパ状をした小径側内周面に対し、拡散用インペラ９から粉体急結剤を放射状に飛散させると、粒径が１０μｍ未満の微粉末が多いので、これら微粉末が内周面に到達する前に分離して回転コーン１０の内部に浮遊したり、内周面へ次々に到達した粉体急結剤が既に内周面に付着しているライニング材料ａの表層に重畳し、一部は吹き飛ばされて回転コーン１０の内部に浮遊すると共に、一部は次に付着されたライニング材料ａ中にだま状態で埋設される恐れがある。
【００３８】
一方、顆粒状の急結剤ｂの場合には、粒径が１０μｍ未満の微粉末がきわめて少ないので、内周面に到達する前に分離して回転コーン１０の内部に浮遊することが著しく軽減され、また内周面に到達した顆粒状の急結剤ｂは、一部は既に内周面に付着しているライニング材料ａ中に埋没すると共に、一部は回転コーン１０の内周面に衝突して顆粒状から小径の急結性粒子に分離し、分散状態でライニング材料ａ中に埋没する。
【００３９】
従って、顆粒状の急結剤ｂを使用した場合には、粉体急結剤に比べて撹拌混合の初期段階における粉塵の発生量を少なくすることができると共に、ライニング材料ａに対して顆粒状の急結剤ｂ（顆粒状から小径の急結性粒子に分離したものも含む）を均一な分散状態で添加することができる。
【００４０】
次に、ライニング材料ａに添加した急結剤を撹拌混合させる段階では、粉体急結剤の場合には、回転コーン１０の内部に浮遊する微粉末は、一部は内周面に付着しているライニング材料ａ中に取り込まれるが、大半は回転投射部１Ｃを介してトンネル２内へ粉塵として放出され、またライニング材料ａ中でだま状態になっている急結剤は、撹拌羽根１３の羽根１２先端の掻き取りによって一部が分離し、回転コーン１０の内部に浮遊する恐れがある。
【００４１】
一方、顆粒状の急結剤ｂの場合には、ライニング材料ａ中に分散状態で埋没している顆粒状の急結剤ｂは、撹拌羽根１３の掻き取りによって一部は顆粒状から小径の急結性粒子に分離して混練りされると共に、一部はライニング材料ａ中に埋没した状態で撹拌羽根１３の羽根１２で掻き取られた後に、高速回転する羽根１２でライニング材料ａが断ち切られる際に、顆粒状から小径の急結性粒子に分離して混練りされる。
【００４２】
従って、顆粒状の急結剤ｂを使用した場合には、回転コーン１０の内部に浮遊する微粉末少ないので、回転投射部１Ｃを介してトンネル２内へ放出される粉塵の量は少なく、また顆粒状の急結剤ｂ（顆粒状から小径の急結性粒子に分離したものも含む）は、だま状態になることなくライニング材料ａ中に均一な分散状態で混練りされるので、性状の範囲な吹付け材ｃが得られると共に、従来の粉体急結剤より粒径が大きいのにも拘わらず、同等の付着強度を確保できる。
【００４３】
なお、回転投射部１Ｃから覆工する地山に吹付け材ｃを回転投射した際にも、残存している顆粒状の急結剤ｂは顆粒状から小径の急結性粒子に分離して吹付け材ｃ中に分散されるが、特に顆粒状の急結剤ｂは急結性粒子が比較的弱い結合力で多孔質状態に連結されているので、外部からの衝撃などによって容易に小径の急結性粒子に分離することが可能であり、また顆粒状の急結剤ｂの粒径を過大にすると均一な分散状態による混練りが損なわれるので、３００μｍ程度を上限とすることが望ましい。
【００４４】
次に、図４では各種の吹付け工法によって、切羽付近の粉塵発生量を測定した実験データを示すが、Ｉは本発明を適用し、顆粒状の急結剤を使用して回転投射式の吹付け機で吹付けを行ったデータを、ＩＩは粉体急結剤を用いてＩと同様の回転投射式の吹付け機で吹付けを行ったデータを、ＩＩＩは粉体急結剤を用いてエア圧送式の吹付け機で吹付けを行ったデータを、ＩＶは顆粒状の急結剤を使用してＩＩＩと同様のエア圧送式の吹付け機で吹付けを行ったデータを示す。
【００４５】
この実験データでも明らかなように、回転投射式の吹付け機で吹付けを行った場合は、エア圧送式の吹付け機で吹付けを行った場合に比べて、粉塵の発生量を著しく軽減することができ、同じ顆粒状の急結剤を使用してもエア圧送式の吹付け機で吹付けを行った場合には粉塵の発生量に殆ど変化がないが、同じ回転投射式の吹付け機で吹付けを行っても、使用する急結剤を顆粒状の急結剤にすると粉体急結剤の場合に比べて、粉塵の発生量を著しく軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転投射式の吹付け工法をトンネルの１次覆工に適用した実施形態であって、本発明の実施に使用するライニング設備の側面図を示す。
【図２】図１の１次覆工に用いる吹付け機の模式的な要部断面図を示す。
【図３】図２の吹付け機における回転投射部の模式的な要部断面図を示す。
【図４】本発明の吹付け工法を含む各種吹付け工法における粉塵の比較図を示す。
【符号の説明】
１  吹付け機
１Ａ  材料導入部、１Ｂ  撹拌混合部、１Ｃ  回転投射部、
１Ｄ  回転駆動部、１Ｅ  取付機構部
２  トンネル
３  ベースマシン
４  アタッチメント
５  移送管
６  ライニング
７  第１導入管（ライニング材料ａ用）
８  第２導入管（急結剤ｂ用）
９  拡散用インペラ
１０  回転コーン
１１  回転軸
１２  羽根
１３  撹拌羽根
１４  羽根板（投射用インペラの）
１５  投射用インペラ
１６  方向制御板
１７  案内ローラ
１８  投射口
１９  無端ベルト
２０  支持部材
２１，２２，２３  軸受部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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