(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライニング材料と急結剤を撹拌混合する撹拌混合部に回転投射部を連設し、回転投射部に設けたインペラの遠心力でライニング材を回転投射する回転投射機を用い、撹拌混合部にライニング材料を圧送する供給流路の途中には、フリクションカット用として少量の圧縮空気を外部から適時注入するエジェクター部を設けると共に、エジェクター部の上流側供給流路の外周には、ライニング材料の移送流量を計測する電磁流量計を設け、電磁流量計で計測した移送流量に基づいてエジェクター部から注入する圧縮空気量の制御を行うことを特徴としたトンネル用ライニング装置。
【請求項２】
前記電磁流量計で計測した移送流量に基づいて、回転投射機のインペラの回転数を可変し、投射ライニング材の投射速度を制御する請求項１に記載したトンネル用ライニング装置。
【請求項３】
前記フリクションカット用の圧縮空気は、エジェクター部から小径な移送管を介して回転投射機に導入し、撹拌混合部の円錐台筒の内周面と、軸心に設けた回転軸で回転する撹拌羽根の先端との間に作用させる請求項１又は２に記載したトンネル用ライニング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート等のセメント系のライニング材でトンネルの掘削壁面を覆工するトンネル用ライニング装置に係り、特に覆工作業を行うライニング材を遠心力で回転投射する回転投射機を用いたトンネル用ライニング装置であって、例えば小断面トンネルの覆工作業に適用すると効果的である。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルの覆工法として、例えばＮＡＴＭ工法などに採用されているエア圧送式の吹き付け工法があり、ライニング材を圧縮空気と共にノズルから高圧噴射して吹き付けているので、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り、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、ライニング材の付着効率に難点（ライニング材の損失）があった。
【０００３】
別のトンネルの覆工法としては、例えば本件出願人が提案して特許第３２１０８９９号や特開２０００−１８６４９７号公報などで開示された先行技術のように、回転投射機を用いてライニング材をインペラの回転による遠心力で投射する遠心投射式ライニング工法があり、エア圧送式の吹き付け工法に比べて粉塵の発生やリバウンドを少なくすると共に、ライニング材の付着効率も向上させることが可能である。
【０００４】
この回転投射機１は、図５〜７で概略（詳細は、特開２０００−１８６４９７号公報などを参照）を示すように、次第に拡径する円錐台筒２で形成した撹拌混合室３内に、移送管４（４ａ，４ｂ）に接続した導入管５（５ａ，５ｂ）を介してライニング材料ａと急結剤ｂを供給する材料導入部１Ａと、回転軸６から突設した撹拌羽根７によって撹拌混合室３内でライニング材料ａと急結剤ｂを混練りする撹拌混合部１Ｂと、混練りした投射ライニング材ｃを撹拌混合室３の先端側に設けたインペラ８で掘削壁面に投射する回転投射部１Ｃと、関連各部を回転駆動する回転駆動部１Ｄと、回転投射機１をライニング装置に連結支持する取付機構部１Ｅとで構成されている。
【０００５】
回転駆動部１Ｄは、モータ９（９ａ，９ｂ，９ｃ）の回転駆動力を、プーリ及びＶベルトなどによる動力伝達手段１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を介して、円錐台筒２を回転駆動する内側回転筒１１と、インペラ８及び回転軸６を回転駆動する中間回転筒１２と、方向制御板１３を回転駆動する外側回転筒１４に伝達し、円錐台筒２は相対的に低速でインペラ８及び回転軸６は相対的に高速で同一方向へ回転させると共に、方向制御板１３は所定角度に揺動回転させる。
【０００６】
撹拌混合部１Ｂは、材料導入部１Ａの導入管５ａから撹拌混合部１Ｂの撹拌混合室３内に導入した流動性のライニング材料ａを、高速で回転する円錐台筒２の遠心作用で内壁面に飛散させると共に、低速で回転する撹拌羽根７の撹拌作用で撹拌され、導入管５ｂから急結剤飛散用のインペラ１５を介して導入した紛状の急結剤ｂをライニング材料ａに添加させ、両者を混練りした投射ライニング材ｃを回転投射部１Ｃへ順次移送させる。
【０００７】
回転投射部１Ｃは、複数の羽根板１６を装着したインペラ８を円錐台筒２の下端側に装着し、インペラ８の外周囲には方向制御板１３に枢着した複数の案内ローラ１７を配置させ、インペラ８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で囲繞されたインペラ８内に混練りした投射ライニング材ｃが順次移送される。
【０００８】
投射ライニング材ｃは、モータ９ｂでインペラ８が回転駆動されると、各羽根板１６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、その際にモータ９ｃで方向制御板１３を所定角度に揺動回転させ、各案内ローラ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を可変できる。
【０００９】
この遠心投射式ライニング工法では、エア圧送式の吹き付け工法に比べて、狭い移送管内で急結剤を強制的に撹拌混合するのではなく、前記遠心投射機に設けた撹拌混合室内で十分な混練りが得られること、圧縮空気に乗せてライニング材を吹き付けるのではなく、遠心力で回転投射することによって掘削壁面に対する衝撃が少なく且つライニング材中の空気量も少ない。
【００１０】
これらの理由から、エア圧送式の吹き付け工法に比べて、粉塵の発生やリバウンドを少なくすると共に、ライニング材の付着効率も向上させることが可能であり、また粉塵の発生が少ないので大掛かりな粉塵除去装置が不要となって、作業環境が改善され且つ経済的なメリットに加えて、特に作業スペースの乏しい小断面トンネルの覆工作業には好適である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、遠心投射式ライニング工法にも改善を必要とする幾つかの課題があり、特に所望な厚さで均一にライニングを施すには、回転投射機に対して一定量のライニング材を連続状態で供給する必要があるが、これを阻害する様々な要因がライニング材の供給装置側及び投射装置側にあるので、これらの要因をできる限り取り除くことが望ましい。
【００１２】
供給装置側の要因としては、例えばコンクリートポンプから吐出されるライニング材料が、ポンプ圧力の脈動によって吐出流量が変動する場合や、ポンプから吐出されたライニング材料を圧送するために、テーパー管を介して小径の移送管に接続した際に、接続部分で滞留を生じてスムーズな移送が損なわれる場合や、移送管の内周面に付着するセメント粒子が次第に増大して流路を閉塞する場合などが挙げられる。
【００１３】
投射装置側の要因としては、覆工する掘削壁面に対して回転投射機による投射方向及び投射距離を一定に維持できない場合や、投射距離や所望なライニング厚に適合させて、ライニング材の投射量や投射速度などを制御できない場合や、回転投射機内における急結剤との撹拌混合が、滞留などによって適正な混合比で良好に行われない場合などが挙げられる。
【００１４】
また、本件出願人は同様の回転投射機を立坑の覆工に適用した提案（例えば、特開２０００−１７９２７９号公報を参照）を行っているが、回転投射機を立坑に適用した場合には、鉛直状態に懸吊した撹拌混合部内でライニング材料を遠心力と重力作用で降下させながら撹拌混合すると共に、回転投射部から略水平方向に投射ライニング材を回転投射できる。
【００１５】
しかし、トンネルの覆工に適用した場合には、投射角度によって姿勢が順次変化し、重力の作用する方向も変化するので、撹拌混合部中を流動するライニング材料の流速や流量が必ずしも一定化せず、インペラから回転投射する投射ライニング材が増減して一定厚の覆工ができなくなると共に、最悪の場合には撹拌混合部中にライニング材料が滞留して閉塞トラブルを生ずる恐れもある。
【００１６】
特に、遠心投射式ライニング工法を小断面トンネルの覆工に適用した場合には、エア圧送式の吹き付け工法のように衝撃的ではないが、大断面トンネルの覆工に適用した場合に比べて、投射距離が近接化した分だけより高速で衝撃的な回転投射になるので、ライニング材の投射量を所望な一定量に制御し、投射距離に適合させてインペラの回転速度を所望に可変設定して投射速度を制御することが望ましい。
【００１７】
そこで本発明では、従来技術の遠心投射式ライニング工法における課題を解消し得るトンネル用ライニング装置を提供するものであって、その主たる目的は、回転投射機に対して一定量のライニング材を連続状態で供給し、所望な厚さで均一にライニングを施すことであり、特に投射距離が近接した小断面トンネルの覆工作業に対しても効果的なライニングを施工できる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のトンネル用ライニング装置では、ライニング材料と急結剤を撹拌混合する撹拌混合部に回転投射部を連設し、回転投射部に設けたインペラの遠心力でライニング材を回転投射する回転投射機を用い、撹拌混合部にライニング材料を圧送する供給流路の途中には、フリクションカット用として少量の圧縮空気を外部から適時注入するエジェクター部を設けると共に、エジェクター部の上流側供給流路の外周には、ライニング材料の移送流量を計測する電磁流量計を設け、電磁流量計で計測した移送流量に基づいてエジェクター部から注入する圧縮空気量の制御を行う。
【００１９】
前記ライニング装置では、前記電磁流量計で計測した移送流量に基づいて、回転投射機のインペラの回転数を可変し、投射ライニング材の投射速度を制御する形態及び、前記フリクションカット用の圧縮空気を、エジェクター部から小径な移送管を介して回転投射機に導入し、撹拌混合部の円錐台筒の内周面と、軸心に設けた回転軸で回転する撹拌羽根の先端との間に作用させる形態を採ることができる。
【００２０】
枝管から注入する圧縮空気は、例えば３〜４Ｋｇ／ｃｍ２  の圧力で数リットル／ｍｉｎ〜数百リットル／ｍｉｎ程度が望ましく、この圧縮空気は小径な移送管の内周面に沿って下流側へ流動し、内周面に付着しているセメント粒子を払拭しながら回転投射機に流出させると共に、接続部を負圧状態にする。
【００２１】
この圧縮空気によって、ライニング材料の流動性が改善されて接続部における流路の閉塞を防止できると共に、大径の移送管を介してコンクリートポンプから吐出されるライニング材料の脈動も低減されて移送流量も安定化し、接続部の上流側位置に設けた電磁流量計による移送流量の計測も信頼性が高まるので、この計測値に基づいてライニング装置における各部の制御を行うと、精度の高い制御を行うことが可能である。
【００２２】
電磁流量計で計測した移送流量に基づいてエジェクター部から注入する圧縮空気量の制御を適時行うと、注入する圧縮空気量を最小限にした状態でライニング材料の流動性を改善することが可能となり、これによって使用するコンプレッサーは小型且つ安価な物で済むと共に、この圧縮空気量が撹拌混合部における混練りや、掘削地山におけるライニングを阻害する恐れがない。
【００２３】
電磁流量計による移送流量の計測値によって、回転投射機のインペラの回転数を可変し、投射ライニング材の投射速度を制御すると、特に小断面トンネルのように投射距離が短くて至近距離から投射する場合でも、覆工面に衝撃を与えることなく、粉塵の発生やリバウンドを少なくすると共に、ライニング材の付着効率も向上させることが可能である。
【００２４】
前記フリクションカット用の圧縮空気を、エジェクター部から小径な移送管を介して回転投射機に導入し、撹拌混合部の円錐台筒の内周面と、軸心に設けた回転軸で回転する撹拌羽根の先端との間に作用させると、当該円錐台筒の内周面と撹拌羽根の先端の間に滞留しようとするライニング材料を分散化すると共に、インペラの高速回転で生ずる負圧によって円錐台筒内に流入する外気を抑制し、投射ライニング材のインペラ側への移送を助勢する。
【００２５】
電磁流量計による移送流量の計測値は、前記した各制御の他に例えばコンクリートポンプによるライニング材料の吐出圧や吐出量の制御や、回転投射機の旋回速度の制御などにも利用し、これらの制御を適宜組み合わせて使用することによって、回転投射機に対して一定量のライニング材を連続状態で供給し、所望な厚さで均一にライニングを施すことが可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明のトンネル用ライニング装置について、その好適な実施形態を示す図１〜４の添付図面に基づき詳細に説明するが、図１はライニング装置の全体側面図、図２はコンクリートポンプを含むライニング材料の供給装置側の拡大平面図、図３は回転投射機を含む投射装置側の拡大正面図、図４は同じく拡大側面図、をそれぞれ示す。
【００２７】
ライニング装置２０は、それぞれ走行台車上に搭載された投射装置２１とコンクリートポンプ装置２２と油圧ユニット及び急結剤供給装置２３が、相互に連結された状態でバッテリー機関車２４の牽引によって、トンネル２５内に敷設したレール２６に沿って移動可能に設置されている。（図１）
【００２８】
投射装置２１には、従来技術で説明した投射ライニング材ｃをインペラ８の遠心力を利用して回転投射する回転投射機１が装備され、回転投射機１にライニング材料ａを供給する移送管４（４ａ）はコンクリートポンプ装置２２側と、回転投射機１に急結剤ｂを供給する移送管４（４ｂ）は油圧ユニット及び急結剤供給装置２３側と、それぞれ接続されている。
【００２９】
コンクリートポンプ装置２２は、公知の各種コンクリートポンプの使用が可能であるが、脈動が少なくて一定圧で一定量のライニング材料ａを吐出できる構造が望ましく、この実施形態では、耐圧容器（気圧７Ｋｇ／ｃｍ３  程度）内に収容したコンクリートを回転翼で撹拌すると共に、エアーピストンによる加圧でロータリーバルブを介してライニング材料ａを吐出させており、スムーズな圧送を行うために吐出流量の調整機能を備えている。
【００３０】
ライニング材料ａの供給流路には、図２で示すように、コンクリートポンプ装置２２に設けた大径（例えば１５０ｍｍφ）の吐出管２６と、回転投射機１に接続する小径（例えば６３５ｍｍφ）の移送管４ａとの間を、中継管を介して連結しているが、図示の実施形態で中継管として、多段階に接合する第１〜３の中継管を使用している。
【００３１】
中継管は、第１の中継管として次第に縮径するテーパー状に形成したテーパー管２７を、第２の中継管として次第に縮径するテーパー状で枝管３０を有するエジェクター部を後端側に設けると共に、その上流側の外周に電磁流量計３１を装着したエジェクター付きテーパー管２８を、第３の中継管として移送管４ａとほぼ等しい一定の径で枝管３２を有するエジェクター部を中間に設けたエジェクター管２９を用いて構成されている。
【００３２】
枝管３０，３２は、ライニング材料ａの供給流路に対して所定角度で傾斜してＹ字状に分岐され、これらの枝管３０，３２は送気管３３，３４を介してコンクリートポンプ装置２２に設けたコンプレッサーに接続し、コンプレッサーから少量（例えば３〜４Ｋｇ／ｃｍ２  の圧力で数リットル／ｍｉｎ〜数百リットル／ｍｉｎ程度）の圧縮空気を適時フリクションカット用として注入する。
【００３３】
エジェクター部は、各枝管３０，３２から注入した圧縮空気が移送管４ａ及び導入管５ａを介して、回転投射機１の撹拌混合室３内に流入するように、成る可く導入管５ａに近い位置に移送管４ａとエジェクター管２９の接続部を設けることが望ましく、必要に応じて１個所又は２以上の複数個所に増減して設けることが可能である。
【００３４】
電磁流量計３１は、供給流路であるエジェクター付きテーパー管２８を流動するライニング材料ａの移送流量を、磁界を発生する励磁コイルと起電力を検出する電極によって、アナログ値又はパルス数のデジタル値として計測し、この計測値に基づき移送管４ａとの接続部における流動（閉塞）状態に応じて、エジェクター部の枝管３０，３２から注入する圧縮空気を制御したり、投射ライニング材ｃの投射速度を制御するために、インペラ８の回転数を可変させたりする。
【００３５】
投射装置２１は、レール２６に沿って移動可能な車輪付きの走行台車３５上に直進案内部材３６を設け、直進案内部材３６上に載置した移動フレーム３７を直進運動機構（詳細な図示は省略）によって、前後のストッパー３９，４０の間でスライド操作Ｓできるようにしており、この直進運動機構には例えばモータ３８とスプロケット及び無端チェーンの組合せなど、公知の各種直進運動機構の使用が可能である。
【００３６】
移動フレーム３７には、掘削壁面と一定距離を保持するアーチ状の旋回案内レール４１を取付け、旋回フレーム４２が回転運動機構（詳細な図示は省略）によって、旋回案内レール４１に沿って旋回操作Ｔできるようにしており、この回転運動機構には例えばモータ４３とスプロケット及び無端チェーンの組合せなど、公知の各種運動機構の使用が可能である。
【００３７】
旋回フレーム４２には、回転投射機１が装着されているが、旋回フレーム４２の旋回操作Ｔに連動して投射方向Ｆが掘削壁面と正対するように、回転投射機１を起伏操作Ｒが行われるように、支持ブラケット４３を介して回転投射機１を旋回フレーム４２に枢着すると共に、回転投射機１と旋回フレーム４２をシリンダ４４で連結し、シリンダ４４の伸縮操作Ｅによって回転投射機１を起伏操作Ｒしている。
【００３８】
投射装置２１は、トンネル２５の切羽近傍に他のライニング装置と共に移動させ、移動フレーム３７のスライド操作Ｓと旋回フレーム４２の旋回操作Ｔを適宜行いながら、移送管４ａから供給されたライニング材料ａと、移送管４ｂから供給された急結剤ｂを混練りした投射ライニング材ｃを、回転投射機１からインペラ８の遠心力で回転投射し、掘削切羽に対して覆工作業を行う。
【００３９】
また、投射距離や投射流量によって投射方向が適切でない場合には、方向制御板１３を所望に揺動回転させて投射口１８の位置を修正し、投射方向Ｆの方向制御を行い、正対位置からの回転投射では死角になる場合には、シリンダ４４の伸縮操作Ｅによって回転投射機１を所望角度に起伏操作Ｒし、掘削切羽に対して投射方向Ｆを傾斜状態にして回転投射を行う。
【００４０】
特に、小断面トンネルのように投射距離が短くて近接距離から回転投射する場合には、覆工膜厚が投射ライニング材の投射量の変動の有無によって大きく左右されるが、電磁流量計３１の計測による移送流量を設定値と比較し、その差分に基づいて枝管３０，３２から適時少量の圧縮空気を注入して投射量の変動を抑制し、覆工膜厚の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したライニング装置の全体側面図。
【図２】図１のライニング装置におけるコンクリートポンプを含むライニング材料の供給装置側の拡大平面図。
【図３】図１のライニング装置における回転投射機を含む投射装置側の拡大正面図。
【図４】図１のライニング装置における回転投射機を含む投射装置側の拡大側面図。
【図５】図１のライニング装置における回転投射機の一部は破断した概略側面図。
【図６】図１のライニング装置における回転投射機の縦断面図。
【図７】図６のVII−VII線に沿った断面図。
【符号の説明】
１  回転投射機
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  円錐台筒
３  撹拌混合室
４  移送管
４ａ  （ライニング材料の）移送管、４ｂ  （急結剤の）移送管
５  導入管
５ａ  （ライニング材料の）導入管、５ｂ  （急結剤の）導入管
６  回転軸
７  撹拌羽根
８  （投射ライニング材ｃの回転投射用）インペラ
９  モータ
９ａ  （円錐台筒２の回転用）モータ、９ｂ  （撹拌羽根７及びインペラ８の回転用）モータ、９ｃ  （方向制御板１３の回転用）モータ
１０  動力伝達手段
１０ａ  （円錐台筒２の回転用）動力伝達手段、１０ｂ  （撹拌羽根７及びインペラ８の回転用）動力伝達手段、１０ｃ  （方向制御板１３の回転用）動力伝達手段
１１  （円錐台筒２）内側回転筒
１２  （撹拌羽根７及びインペラ８が連結された）中間回転筒
１３  方向制御板
１４  （方向制御板１３が連結された）外側回転筒
１５  （急結剤ｂの飛散用）インペラ
１６  （インペラ８の）羽根板
１７  案内ローラ
１８  投射口
１９  無端ベルト
２０  ライニング装置
２１  投射装置
２２  コンクリートポンプ装置
２３  油圧ユニット及び急結剤供給装置
２４  バッテリー機関車
２５  トンネル
２６  吐出管
２７  （第１の）中継管
２８  （第２の）中継管
２９  （第３の）中継管
３０，３２  枝管
３１  電磁流量計
３３，３４  送気管
３５  走行車両
３６  直進案内部材
３７  移動フレーム
３８，４３  モータ
３９，４０  ストッパー
４１  旋回案内レール
４２  旋回フレーム
４３  支持ブラケット
４４  シリンダ
ａ  ライニング材料、ｂ  急結剤、ｃ  投射ライニング材
Ｅ  （シリンダ４４の）伸縮操作、Ｆ  （投射ライニング材ｃの）投射方向、
Ｒ  （回転投射機の）起伏操作、Ｓ  （移動フレーム３７の）スライド操作、
Ｔ  （旋回フレーム４２の）旋回操作
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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