(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの掘削により生じる掘削土砂を再利用するための処理設備であって、
前記掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備と、前記掘削土砂と前記気泡とセメント等の固化材と水とを混合して前記掘削土砂を流動化する混練設備とを前記トンネル内に備え、
前記気泡設備及び前記混練設備は、切羽に向かって左右に振り分けて配置されていることを特徴とする処理設備。
【請求項２】
前記トンネル内をその掘進方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の処理設備。
【請求項３】
トンネルの掘削により生じる掘削土砂を再利用するための掘削土砂の処理方法において、
前記トンネル内に、前記掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備、及び、前記掘削土砂と前記気泡と前記固化材と前記水とを混合する混練設備を設け、当該気泡設備及び当該混練設備を切羽に向かって左右に振り分けて配置し、
前記気泡設備により前記気泡を作製するとともに、前記混練設備により前記掘削土砂と当該気泡とセメント等の固化材と水とを混合して前記掘削土砂を流動化することを特徴とする掘削土砂の処理方法。
【請求項４】
地山にトンネルを掘削するための掘削機であって、
前記トンネルの掘削により生じる掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備と、前記掘削土砂と前記気泡とセメント等の固化材と水とを混合する混練設備とから構成される処理設備を備え、
前記気泡設備及び前記混練設備は、切羽に向かって左右に振り分けて配置されていることを特徴とする掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの掘削により生じる掘削土砂の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの掘削により生じる掘削土砂は産業廃棄物として処分しなければならないので処理費用がかかる。そこで、この掘削土砂を裏込材や埋戻材として利用する技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、トンネルの掘削により生じた掘削土砂を砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌して泥水を作製する解泥設備と、解泥設備から供給された泥水と固化材とを混合して流動化処理土を作製するとともに、比重、粘性及びフロー値を調整する調整設備とを共に地上に設置し、これらの設備を利用して掘削土砂を処理する方法が開示されている。この方法では、掘削土砂を地上に送給して、一部を産業廃棄物として処理する一方、残りを解泥設備で撹拌して泥水を作製し、次に、調整設備で泥水の比重、粘性及びフロー値を調整して長距離の圧送が可能な状態でトンネル内に圧送して、裏込材注入口で急結材と混合して裏込材を作製し、テールボイドに充填する。
【特許文献１】特開２００１−４９９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した掘削土砂を砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌して泥水を作製する方法では、例えば、粘土からなる土塊状の掘削土砂を砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌するには長い時間がかかるので、解泥処理が進まず、裏込材や埋戻材として使用したいときに供給できない場合があるという問題点があった。そこで、解泥処理の能力を向上するために解泥設備を大型化すると広い敷地が必要なるとともに、設備投資にコストがかかるという問題点があった。
【０００５】
また、地上で解泥設備及び調整設備にて裏込材や埋戻材を作製するので、地上からトンネル内の作業箇所までの長距離を圧送できるように裏込材や埋戻材の比重や粘性等が限定されてしまうという問題点があった。  
さらに、圧送距離が長いので配管距離が長くなり、配管の設置作業の手間がかかるという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、短時間で掘削土砂を流動化することができ、かつ、それらの圧送距離が短くてすむ掘削土砂の処理設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明の処理設備は、トンネルの掘削により生じる掘削土砂を再利用するための処理設備であって、前記掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備と、前記掘削土砂と前記気泡とセメント等の固化材と水とを混合して前記掘削土砂を流動化する混練設備とを前記トンネル内に備え、前記気泡設備及び前記混練設備は、切羽に向かって左右に振り分けて配置されていることを特徴とする（第１の発明）。
【０００８】
本発明による処理設備によれば、気泡設備及び混練設備を備えているので、掘削土砂を流動化するための気泡を作製し、この気泡と掘削土砂と固結材と水とを混合して掘削土砂を流動化することができる。
【０００９】
流動化された掘削土砂は埋戻材として利用するので、地上に排出し、産業廃棄物として処理する掘削土砂を削減することができる。また、埋戻材として利用する際に、流動化された掘削土砂は、気泡のベアリング効果により流動性に優れ、掘削土砂を送給する送給管内面への付着等が無くて送給抵抗が軽減されるので、送給が容易となり、送給するためのポンプを小型化することができる。
【００１０】
そして、トンネルの掘削により生じた土塊状の掘削土砂をそのまま気泡と混合して流動化させるので、従来の掘削土砂を解泥して砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌する作業が不要となり、掘削土砂を流動化する時間を大幅に短縮することができる。
【００１１】
また、気泡設備及び混練設備は、トンネル内に設けられているので、気泡設備から混練設備までの気泡の搬送距離、混練設備から埋戻材を使用する位置までの圧送距離が短くてすむ。さらに、流動化した掘削土砂の圧送距離が短くてすむので、圧送距離が長い場合に比べて流動化した掘削土砂の比重及び粘性の範囲を広くすることができる。
【００１３】
更に、例えば、トンネル内の切羽に向かって左側に混練設備を、右側に気泡設備を配置するので、気泡や流動化気泡土を効率良く作製することが可能となる。無論、トンネル内の切羽に向かって右側に混練設備を、左側に気泡設備を配置しても同様の効果が得られる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記トンネル内をその掘進方向に移動可能であることを特徴とする。 
本発明による処理設備によれば、トンネル内をその掘進方向に移動可能なので、トンネルを掘削する掘削機本体の推進状況に応じて適宜移動させることができる。
【００１５】
第３の発明の掘削土砂の処理方法は、トンネルの掘削により生じる掘削土砂を再利用するための掘削土砂の処理方法において、前記トンネル内に、前記掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備、及び、前記掘削土砂と前記気泡と前記固化材と前記水とを混合する混練設備を設け、当該気泡設備及び当該混練設備を切羽に向かって左右に振り分けて配置し、前記気泡設備により前記気泡を作製するとともに、前記混練設備により前記掘削土砂と当該気泡とセメント等の固化材と水とを混合して前記掘削土砂を流動化することを特徴とする。
本発明による掘削土砂の処理方法によれば、トンネルの掘削により生じる掘削土砂を流動化させて埋戻材として利用するので、地上に排出し、産業廃棄物として処理する掘削土砂を削減することができる。
【００１６】
また、例えば、トンネル内の切羽に向かって左側に混練設備を、右側に気泡設備を配置するので、気泡や埋戻材を効率良く作製することが可能となる。無論、トンネル内の切羽に向かって右側に混練設備を、左側に気泡設備を配置しても同様の効果が得られる。
【００１７】
第４の発明の掘削機は、地山にトンネルを掘削するための掘削機であって、前記トンネルの掘削により生じる掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備と、前記掘削土砂と前記気泡とセメント等の固化材と水とを混合する混練設備とから構成される処理設備を備え、前記気泡設備及び前記混練設備は、切羽に向かって左右に振り分けて配置されていることを特徴とする。
本発明による掘削機によれば、気泡設備及び混練設備を備えているので、掘削土砂を流動化するための気泡を作製し、この気泡と掘削土砂と固結材と水とを混合して掘削土砂を流動化することができる。
【００１８】
流動化された掘削土砂は埋戻材として利用するので、地上に排出し、産業廃棄物として処理する掘削土砂を削減することができる。また、埋戻材として利用する際に、流動化された掘削土砂は、気泡のベアリング効果により流動性に優れ、掘削土砂を送給する送給管内面への付着等が無くて送給抵抗が軽減されるので、送給が容易となり、送給するためのポンプを小型化することができる。
【００１９】
そして、トンネルの掘削により生じた土塊状の掘削土砂をそのまま気泡と混合して流動化させるので、従来の掘削土砂を解泥して砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌する作業が不要となり、掘削土砂を流動化する時間を大幅に短縮することができる。
【００２０】
また、気泡設備及び混練設備は、トンネル内に設けられているので、気泡設備から混練設備までの気泡の搬送距離、混練設備から埋戻材を使用する位置までの圧送距離が短くてすむ。さらに、流動化した掘削土砂の圧送距離が短くてすむので、圧送距離が長い場合に比べて流動化した掘削土砂の比重及び粘性の範囲を広くすることができる。
【００２２】
また、例えば、トンネル内の切羽に向かって左側に混練設備を、右側に気泡設備を配置するので、埋戻材や気泡を効率良く作製することが可能となる。無論、トンネル内の切羽に向かって右側に混練設備を、左側に気泡設備を配置しても同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の処理設備を用いることにより、短時間で掘削土砂を流動化することができ、かつ、それらの圧送距離が短くてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る処理設備の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態においては、処理設備をシールド機の後方に設置した場合について説明するが、シールド機に限定されるものではなく、例えば、山岳トンネルを掘削する自由断面掘削機等を用いる場合にも適用可能である。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る処理設備１の側面図である。図１に示すように、処理設備１は、シールド機２の掘削により生じる掘削土砂を流動化するための気泡を作製する気泡設備３と、所定寸法以上の土塊状の掘削土砂を除去するふるい４と、ふるい４で除去された土塊状の掘削土砂を破砕する解砕設備５と、ふるい４を通過した掘削土砂や解砕設備５で破砕された掘削土砂と気泡と固化材であるセメントと水とを混合して、気泡に覆われて高い流動性を有する流動化気泡土を作製する混練設備６とを備えている。
【００２８】
処理設備１は、シールド機２の後方に配置される台車７に積載され、シールド機２の掘削により構築されるトンネル８内に設けられている。シールド機２の後端部と台車７の切羽側端部は連結手段９で連結されており、台車７はシールド機２の掘進に追随して移動可能である。
【００２９】
図２及び図３は、それぞれ図１のＡ−Ａ矢視図、Ｂ−Ｂ矢視図である。図２及び図３に示すように、台車７は、トンネル８内に構築された覆工体１０の内周面を滑って移動するための移動手段１１を備えている。移動手段１１は、台車７の重量を支持するための支持部１２と、覆工体１０の内周面に沿って滑動するための滑動部１３とから構成される。滑動部１３の材質は、本実施形態では、摩擦抵抗が小さく、かつ、摩耗が少ないテフロン（登録商標）を用いた。
【００３０】
台車７は、切羽に向かって右側（以下、単に「右側」あるいは「左側」というときは、切羽に向かって右側あるいは左側であることを意味するものとする。）に配置される右側架台７ａと、左側に配置される左側架台７ｂとから構成されていて、気泡設備３は右側架台７ａに、ふるい４、解砕設備５及び混練設備６は左側架台７ｂにそれぞれ積載されている。
【００３１】
図４は、右側架台７ａに積載されている気泡設備３を示す図である。  
図４に示すように、気泡設備３は、起泡剤に気泡を安定強化するための起泡添加剤を加えた水溶液からなる起泡材を貯留する貯留槽１４と、貯留槽１４の起泡材を発泡器１７（後述する）へ供給する注入ポンプ１５と、起泡材を発泡させるための空気をアキュムレーター１６を介して発泡器１７へ供給するコンプレッサー１８と、注入ポンプ１５及びコンプレッサー１８を制御するコントロールユニット１９と、起泡材と加圧された空気とを混合させて気泡を発生させる発泡器１７とを備えている。
【００３２】
起泡剤は、αオレフィンスルホン酸等を含む一般的な界面活性剤で、発泡性に優れるとともに、安全な剤料を用いる。  
起泡添加剤は、パルプを主原料として得られるセルロース系の水溶性高分子剤やマメ科植物を主原料とする天然植物性有機ポリマー等の一般的なもので、安全な剤料を用いる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、起泡剤に起泡添加剤を添加する場合について説明したが、添加しなくてもよい。  
コントロールユニット１９によって流量を調整された起泡材と加圧された空気は、発泡器１７で混合されてシェービングクリーム状の気泡となり、左側架台７ｂの混練槽２１に送給される。
【００３４】
図５は、左側架台７ｂに積載されているふるい４、解砕設備５及び混練設備６を示す図である。  
図５に示すように、ふるい４は、左側架台７ｂの上部に設置され、シールド機２のベルトコンベア２０より搬送される掘削土砂に含まれる所定寸法以上の土塊を除去する。本実施形態においては、ふるい４で除去される土塊状の掘削土砂の外寸を２０ｍｍ以上とした。
【００３５】
ふるい４で除去された土塊は、解砕設備５であるクラッシャー等の解砕機に投入されて外寸が２０ｍｍよりも小さくなるように破砕される。  
ふるい４を通過した土塊状の掘削土砂や砂、シルト程度の粒径の掘削土砂、及び解砕設備５で破砕された土塊状の掘削土砂は、それぞれ混練設備６に送給される。  
混練設備６は、掘削土砂や気泡等とを混合して流動化気泡土を作製する混練槽２１と、流動化気泡土を埋戻材として使用する位置に供給するためのポンプ２２とを備える。
【００３６】
混練槽２１は、ふるい４を通過した掘削土砂及び解砕設備５で破砕された掘削土砂と、気泡設備３より送給された気泡と、セメントサイロ２３より送給されたセメントと、貯水槽２４より送給された水とを混練して流動化気泡土を作製するとともに、この流動化気泡土を貯留する。気泡は、掘削土砂を流動化状態にするとともに、掘削土砂に粘着性を付与して土砂間の摩擦抵抗を増加させて粘着性を向上させる。さらに、起泡添加剤が、気泡に強靱な膜を形成することにより、長時間気泡の効果を維持する。
【００３７】
混練槽２１内の流動化気泡土は、ポンプ２２で送給管２５を介してインバート打設位置まで送給され、埋戻材として使用される。流動化気泡土は、気泡のベアリング効果により流動性に優れるので、送給管２５内面やインバート締固機の締固板への付着が防止され、インバート打設が容易になる。
【００３８】
上述したように、ふるい４、解砕設備５及び混練設備６を左側にまとめて配置し、気泡設備３を右側にまとめて配置することにより、掘削土砂や気泡や流動化処理土等を送給する各配管を短くできるので、処理設備１をトンネル８内の狭いスペースに構築することが可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、台車７の左側にふるい４、解砕設備５及び混練設備６等を、右側に気泡設備３等を配置する場合について説明したが、左右を逆にしてもよい。
【００４０】
図６は、処理設備１を用いた流動化気泡土の製作手順を示す図である。  
図６に示すように、まず、気泡設備３（図中左上）で、上述したように気泡を作製する。気泡設備３で作製された気泡は、混練槽２１に送給されるとともに、混練槽２１内に貯留される。
【００４１】
次に、セメントサイロ２３内に貯留されているセメント、貯水槽２４に貯留されている水を混練槽２１に送給し、混練槽２１内で、気泡とセメントと水とを混合する。  
最後に、シールド機２の掘進により生じた掘削土砂を混練槽２１内に送給し、この掘削土砂と気泡等とを混練して流動化気泡土を作製する。
【００４２】
シールド機２の掘進により生じた様々な大きさの土塊状の掘削土砂は、ベルトコンベア２０にて後方に運搬されて（図中右上）、所定の量だけふるい４に投入され、残りの掘削土砂はトンネル８の外に搬出される。
【００４３】
ふるい４に投入された掘削土砂のうち、ふるい４を通過した掘削土砂はふるい４の下側に設けられた混練槽２１に送給される。一方、ふるい４を通過できずに除去された大きな土塊状の掘削土砂は解砕設備５に送給され、外寸が２０ｍｍよりも小さくなるように破砕される。こうして破砕された土塊状の掘削土砂は、混練槽２１に送給される。
【００４４】
ふるい４を通過した掘削土砂や破砕機で破砕された掘削土砂が混練槽２１に供給される際は、混練槽２１内で気泡とセメントと水とが十分に混合された状態なので、掘削土砂が混合されても気泡は消滅することなく、流動化気泡土を作製できる。
【００４５】
混練槽２１内の流動化気泡土を、比重、ＰＨ、粘性をそれぞれ、例えば１．００、７．５、２．７ｍＰａ・Ｓ（２０℃）になるように調整する。  
流動化気泡土は混練槽２１に貯留され、埋戻材として使用される位置にポンプ２２で送給管２５を介して供給される。
【００４６】
なお、本実施形態においては、まず、混練槽２１内で気泡とセメントと水とを混合し、次に、掘削土砂を混練槽２１内に供給して混合する方法について説明したが、この順番に限定されるものではなく、まず、混練槽２１内で気泡と掘削土砂と水とを混合し、次に、セメントとを混練槽２１内に供給して混合する順番でもよい。
【００４７】
以上説明した処理設備１によれば、気泡設備３及び混練設備６を備えているので、掘削土砂を流動化するための気泡を作製し、この気泡と掘削土砂とセメントと水とを混合して流動化気泡土を作製することができる。流動化気泡土は、気泡のベアリング効果により流動性に優れ、送給管２５内面への付着等が無くて送給抵抗が軽減されるので、送給が容易となり、ポンプ２２を小型化することができる。
【００４８】
そして、トンネル８の掘削により生じた土塊状の掘削土砂をそのまま気泡と混合して流動化させるので、従来の掘削土砂を解泥して砂やシルト程度の粒径になるまで撹拌する作業が不要となり、掘削土砂を流動化する時間を大幅に短縮することができる。
【００４９】
また、気泡設備３及び混練設備６は、トンネル８内に設けられているので、気泡設備３から混練設備６までの気泡の搬送距離、混練設備６から裏込材として流動化気泡土を使用する位置までの圧送距離が短くてすむ。さらに、流動化気泡土の圧送距離が短くてすむので、圧送距離が長い場合に比べて流動化気泡土の比重及び粘性の範囲を広くすることができる。  
さらに、解砕設備５で所定寸法以上の土塊状の掘削土砂を破砕するので、掘削土砂の寸法を揃えることができる。したがって、流動化気泡土の寸法を揃えることができる。
【００５０】
そして、処理設備１は、シールド機２の掘進にともなって移動するので、シールド機２本体と処理設備１との取り合い位置関係が変化しない。したがって、切羽から解砕設備５までの距離、気泡設備３から混練設備６までの距離、混練設備６から埋戻材の使用位置までの距離は、常に一定なので、掘削機の移動にともなう気泡設備３用、混練設備６用、打設用の配管の段取換作業等の手間を省くことが可能となる。
【００５１】
また、処理設備１をトンネル８内に設けることにより、シールド機２の掘進により生じる掘削土砂を流動化気泡土として利用するので、地上に排出する掘削土砂を少なくすることができる。
【００５２】
なお、本実施形態においては、ふるい４で除去される掘削土砂の外寸を２０ｍｍ以上としたが、これに限定されるものではなく、設計等により決定された値を適用する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る処理設備の側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】右側架台に積載されている気泡設備を示す図である。
【図５】左側架台に積載されているふるい、解砕設備及び混練設備を示す図である。
【図６】処理設備を用いた流動化気泡土の製作手順を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  処理設備
２  シールド機
３  気泡設備
４  ふるい
５  解砕設備
６  混練設備
７  台車
７ａ  右側架台
７ｂ  左側架台
８  トンネル
９  連結手段
１０  覆工体
１１  移動手段
１２  支持部
１３  滑動部
１４  貯留槽
１５  注入ポンプ
１６  アキュムレーター
１７  発泡器
１８  コンプレッサー
１９  コントロールユニット
２０  ベルトコンベア
２１  混練槽
２２  ポンプ
２３  セメントサイロ
２４  貯水槽
２５  送給管
【図１】
0005193575.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0005193575.tif 000005
【図５】
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【図６】
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