JP2626733B2 - シールド掘削用ガス検知方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドトンネルを掘
削する場合に使用されるシールド掘削用ガス検知方法及
びガス検知装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シールドトンネルを掘削するため
のシールド掘進機に関しては、例えば特公昭６３−５４
８７６号公報にみられるように種々改良がなされてい
て、トンネル掘削の作業効率も著しく向上している。し
かし、安全面からいえば未だ改良すべき点が残されてい
る。その一つとしてシールドトンネル掘削中に地層に溜
ったフリーガスが突然噴出し、トンネル先端の掘進機内
作業者の安全がおびやかされ、早期対策がとれないとい
う問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、シール
ド掘進機を用いてシールドトンネルを掘進中に地層に溜
ったフリーガスが突然噴出する場合に迅速に対処できる
適切な対処方法が開発されておらず、掘進機内で働く作
業者の安全がおびやかされているのが現状である。

【０００４】シールド工法における安全対策に関し、本
発明者が種々研究した結果、シールドトンネル掘進中に
地層に溜ったフリーガスが突然噴出する危険を未然に防
止するためには、掘進中に循環泥水のガス濃度を連続的
に監視計測する方法が最も有効であるとの知見を得た。
つまり、過去の調査結果によれば、フリーガスが存在す
る地層付近では地層中に含まれる溶存ガス濃度はきわめ
て高く、したがって、シールドトンネル掘進中に、掘削
泥水中に混入するガス成分の濃度を計測すれば、フリー
ガスの存在を予知することができる。そして、このよう
に掘削トンネルの最先端であるトンネル切羽面から流出
するガス成分の濃度からフリーガスの存在を予知したと
きは、それを掘進機内で作業中の作業者に直ちに警報を
発することで適切な安全対策を迅速にとれるはずであ
る。

【０００５】本発明は前記の知見にもとづいてなされシ
ールド掘削用ガス検知方法及び検知装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係るシールド掘削用ガス検知方法は、シー
ルド工法により掘削中のトンネル切羽１面に送泥管２と
排泥管３とを介して泥水を循環させるシールド工法にお
いて、前記排泥管３を通って排出される掘削泥水をガス
濃度計測装置４に導き、当該ガス濃度計測装置４により
前記掘削泥水中に含まれるガスの濃度を計測することを
特徴とする。また本発明のシールド掘削用ガス検知装置
は、シールド掘進機５により掘削中のトンネル切羽１面
に送泥管２と排泥管３を介して泥水を循環させるように
したシールド掘削装置において、前記排泥管３の途中を
下側本管６と上側バイパス管７とに分岐させ、上側バイ
パス管７の途中に、前記排泥管３から分流され、スライ
ムが除去された掘削泥水中のガス濃度を計測するガス濃
度計測装置本体８を設置した構成を特徴とする。前記排
泥管３と前記上側バイパス管７の分岐部には、当該上側
バイパス管７に掘削泥水中のスライムを流さないようフ
ィルタ１０が設けられていると共に、上側バイパス管７
には泥水流速の調整機構１１が設けられている。また、
前記ガス濃度計測装置本体８内の上部に空気溜まり１２
が設けられていて、当該空気溜まり１２の底部の泥水レ
ベルが一定に制御せられるよう水位検知器１３及び、排
泥管３の圧力に対して空気溜まり１２の内圧を調整する
調整機構１４が設けられている。また、前記ガス濃度計
測装置本体８には、空気を泥水流中に噴射するエア噴射
フイルタ１５と、泥水中の溶存ガスを追い出し、泥水中
の気泡との混合を促進する超音波発生装置１６が設けら
れている。また、前記ガス濃度計測装置本体８には、そ
の空気溜まり１２に集められたガスが水素除去装置１
７，水分除去装置１８，定流量コントローラ１９を介し
て導かれるガス濃度測定器２０が接続され、ガス濃度測
定器２０で分析された廃ガスはタンク２３，圧入ポンプ
４８を介して排泥管３の下流側に送られるように構成す
るとよい。さらに、前記ガス濃度測定器２０には、その
値が一定値以上になると警報を発する警報装置を接続す
るとよい。

【０００７】

【作用】本発明によると、シールド工法により連続して
トンネルを掘削中、掘削泥水中の溶存ガス成分の濃度
を、当該掘削泥水が排泥管３を介して排出される途中に
おいて、ガス濃度計測装置４により計測することにより
地中に存在するフリーガスを予知でき、これをシールド
掘進機５内にいる作業者に直ちに知らせることで早期安
全対策をとることが容易となる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図３はシールド工法によりトンネルを掘削する工事
において、本実施例に係るガス濃度計測装置４が設置さ
れる場所を示す説明図である。同図に示されるように、
シールド工法では、地表２５から所定の深さまで立孔２
６が開削されており、この立孔２６を通してシールド掘
進機が地中に運び込まれ立孔２６の下部から横方向にシ
ールド掘進機５が推進することによりシールドトンネル
２７が掘削される。

【０００９】シールド掘進機５の本体は公知であり、前
端の軸２８を中心に回転する刃口３０でトンネル切羽１
の掘削を行ない、このトンネル切羽１を保持しつつ後方
のジャッキ推進によってシールド掘進機５を推進させ
る。そして、シールド掘進機５の後部で、当該掘進機の
推進につれて鋼製または鉄筋コンクリート製のセグメン
トを組立て覆工が完成する。

【００１０】また、シールド掘進機５の前端には、地表
２５に設置された泥水処理施設３１から導出されている
送泥管２と排泥管３が導かれており、トンネル切羽１に
おいて泥水を循環させながらシールド掘進機５の刃口３
０でトンネルの掘削が行なわれる。そしてシールド掘進
機５の機内において、排泥管３の途中には排泥ポンプ２
９及び本実施例の主たる構成要素をなすガス濃度計測装
置４が設けられている。

【００１１】図１は前記ガス濃度計測装置４の全体図、
図２は図１におけるガス濃度計測部の説明図である。ま
ず、図１，図２について説明すると、ガス濃度計測装置
４は泥水配管を上下に分岐させるべく下側本管６と、こ
の下側本管６の前後両端部において二叉継手３２を介し
て分岐された上側バイパス管７とから構成され、下側本
管６の前後両端が排泥管３に接続されている。この下側
本管６の中間部に伸縮継ぎ手３３が設けられており、こ
れにより下側本管６の長さを調節して排泥管３に接続さ
れる。

【００１２】上側バイパス管７の中間部にはガス濃度計
測装置本体（ガストラップ）８が設けられており、この
装置本体８の管体８ａ内を泥水が矢印方向に流れる。装
置本体８にはエア注入口３４，排出ガス注入口３５，テ
ストガス注入口３６，泥水サンプル取り出し口３７等が
設けられている。また、装置本体８の両端には雄雌エル
ボ３８を介して水流の調整機構１１を構成するボールバ
ルブ４０が接続されている。また、下側本管６と上側バ
イパス管７の上流側分岐部には、掘削泥水中の掘屑を下
側本管６を通し、上側バイパス管７に通さないためのフ
ィルタ１０が構成されている

【００１３】さらに、図２に示されるようにガス濃度計
測装置本体８の管体８ａは中間部が上方に膨んでいて、
この管体８ａ内にエア噴射フイルタ１５と超音波発生装
置１６の超音波振動子１６ａが設けられている。また、
管体８ａの上部は形成された開口４１が集ガスキャップ
４２で閉じられてその内側が空気溜まり１２とされてお
り、集ガスキャップ４２を気密に貫通して空気溜まり１
２に進入するよう水位検知器１３を構成する水位上限検
出器１３ａと水位下限検出器１３ｂが設けられている。

【００１４】本実施例では、前記の構成要素及び次に述
べる構成要素によりシールドトンネル先端の加圧配管内
で循環中の掘削泥水から有効に、かつ連続的にガス成分
を集め、ガス濃度を定量的に計測し、計測後のガスを大
気汚染を避けるため配管内に戻し、計測結果は地下およ
び地上の作業員に表示し、危険濃度に達すれば警報を発
するようになっている。

【００１５】これを詳しく説明すると、排泥管３を流れ
る掘削泥水は、ガス濃度計測装置４において、下側本管
６と上側バイパス管７に分岐して流通し、上側バイパス
管７に分流される泥水は計測装置本体８内を流れる。計
測装置本体８では、泥水中に含まれている天然ガス（主
にメタンガス）と空気との混合ガスを生成し、この混合
ガスを集ガスキャップ４２内に集めるものである。前記
の空気は、計測装置本体８内に注入する当該空気を一定
に保つ定流量コントローラ４３及びエア注入口３４を介
してエア噴射フイルタ１５により微小気泡となって泥水
中に噴射される。

【００１６】また、超音波振動子１６ａにより超音波を
計測装置本体８内の泥水に放射し、そのキャビテーショ
ン効果により混合ガス生成効率を高めている。前記のよ
うにして集ガスキャップ４２内に集められた混合ガス
は、配管３９に設けられる開閉コック４４，水素除去装
置（水素反応槽）１７，水分除去装置（水分除去槽）１
８，定流量コントローラ１９を経てガス濃度測定器２０
（及び警報出力装置２０ａ）に導かれ、このガス濃度測
定器２０で混合ガスのメタン含有率を測定し、電気信号
を出力する。また、メタンガス濃度がある値以上になる
と警報を出力する。

【００１７】前記開閉コック４４は、測定ガスの流路系
とそれに付属する装置の修理，点検等を行なう時、これ
を閉じる。また、水素反応槽１７は、測定する混合ガス
に水素が含まれていると、測定誤差になるので、水素と
酸素を反応させるためであり、水分除去槽１８は混合ガ
スに水分が含まれていると、測定誤差になるので、測定
ガスの水分を除去するためのものである。このようにし
て、ガス濃度計測装置本体８に取込まれた泥水中のメタ
ン含有ガス濃度は、ガス濃度測定器２０で測定され、か
つ警報信号を出力する。

【００１８】前記ガス濃度測定器２０で測定の終了した
ガス（及び水位調節で空気溜まり１２より放出されたガ
ス）は、ガス一時貯蔵タンク２３に貯蔵され、その蓄積
量が監視されて、ポンプコントローラ４７に圧入開始，
停止信号が出力される。ポンプコントローラ４７ではガ
ス一時貯蔵タンク２３からの信号を受信し、圧入ポンプ
４８を制御しつつ測定装置本体８内の出口部に設けられ
た排出ガス注入口３５を通って、上側バイパス管７の下
流部に適正量ずつメタンガスを戻す。

【００１９】集ガスキャップ４２に設けられた水位下限
検知器１３ｂと水位上限検知器１３ａは、当該集ガスキ
ャップ４２内の泥水液面を検知し、水位コントローラ４
９に信号を送るためのものである。水位コントローラ４
９では水位の上下限検知器１３ａ，１３ｂからの信号を
受けて、電磁バルブ５０，５１を制御するもので、一方
の電磁バルブ５０が開くことにより集ガスキャップ４２
のガスが放出され、他方の電磁バルブ５１が開くことに
より集ガスキャップ４２内に空気が補給される。ニード
ルバルブ５２は集ガスキャップ４２内に空気を補給する
とき、急激な補給を抑制するためのものである。

【００２０】また、テストガス注入口３６（図１，図２
に示す）は、これから標準メタンガスを泥水中に定量圧
入し、本装置の機能をチェックするためのものである。
泥水サンプル取出し口３７は泥水中の天然ガス含有率を
高精度で分析する（これは実験室で行なわれる）ための
ものである。

【００２１】前述のとおり、本実施例では、トンネル切
羽１のところで循環し、排泥管３を流れる泥水を上側バ
イパス管７を介してガス濃度計測装置本体８内に取込
み、この計測装置本体８内で泥水流中にエア噴射フィル
タ１５を介してエアを噴射すると共に、超音波振動子１
６ａから超音波を放射し、これによるキャビテーション
効果を利用して水溶性ガスを気化すると共に、空気と泥
水中に含まれる天然ガスを結合させて混合気体を生成し
ている。

【００２２】そして、混合気体は、その浮力により計測
装置本体８内の上部に沿って流れ、集ガスキャップ４２
に集まる。混合気体が集ガスキャップ４２からガス濃度
測定器２０（及び警報出力装置２０ａ）に導かれたと
き、その測定値は電気信号に変換されてレコーダやコン
ピュータ（図示せず）等へ出力される。また、測定値が
安全値を超えた場合はアラームが出力される。そして、
測定終了ガスは、水位制御で放出されたガスと共に、一
時貯蔵タンク２３に集められ、最終的に圧入ポンプ４８
により排泥管３の下流側に戻される。

【００２３】前記の実施例において、排泥管３に設ける
ガス濃度計測装置４を下側本管６と上側バイパス管７と
に分岐させ、上側バイパス管７にガス濃度計測装置本体
８を設けたのは、これにより計測装置本体８内の泥水の
流速を遅くし、計測装置本体８内での集ガス効率を良く
するため及び、泥水中に含まれる掘屑等の塊が上側バイ
パス管７を流れないようその分岐部に設けるフィルタ１
０によって阻止し、その掘屑を下側本管６を通して排除
させるためである。なお、計測装置本体８内での集ガス
効率を良くするために泥水の流速を遅くする手段として
前記機構に加え、計測装置本体８の管体８ａの径を図示
のように拡大している。

【００２４】また、水位検知器１３を用いて集ガスキャ
ップ４２内の水位制御を行なっているのは次の理由によ
る。すなわち、集ガスキャップ４２内の混合気体の量が
多くなると、泥水中のガス含有率変化に対して、反応が
遅くなると共に、測定値の再現性が悪くなる（図５参
照）。この現象をなくすためには集ガスキャップ４２内
の気体の体積を小量かつ一定に保つ必要がある。このこ
とは、集ガスキャップ４２内の水位変化を最小にするこ
とでもあり、それを水位下限検知器１３ｂと水位上限検
知器１３ａとにより行っている。つまり、水位下限検知
器１３ｂにより水位が下った（つまり、集ガスキャップ
４２内のガスが多すぎる）ときは、水位コントローラ４
９により電磁バルブ５０を開き、集ガスキャップ４２内
のガスを放出して水位を上げ、水位が水位上限検知器１
３ａより上になったときは、水位コントローラ４９によ
り電磁バルブ５１を開き、ニードルバルブ５２を経て、
集ガスキャップ４２内に空気を送り込み水位を下げてい
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
シールド工法により連続してトンネルを掘削中フリーガ
スが存在する地層付近では、地層水に含まれる溶存ガス
濃度が極めて高いので、掘削泥水が排泥管３を排出され
る途中において、前記掘削泥水中に混入するガス成分を
ガス濃度計測装置４により計測してガスの存在を検知
し、それによりフリーガスの存在を予知できる。したが
って、フリーガスの存在を予知したとき、それをシール
ド掘進機５内にいる作業者に直ちに知らせて掘削を中止
し、安全な場所に待避させるなど早期安全対策をとるこ
とができ、安全作業面できわめて有益な効果が期待され
る。さらに、本発明によると、計測後のガスは大気汚染
を避けるために配管内に戻しているので、公害の発生の
おそれがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るシールド掘削用ガス検知
装置の全体説明図である。

【図２】図１におけるガス濃度計測装置の説明図であ
る。

【図３】シールドトンネル掘削工事において、ガス検知
装置が設置される場所を示す説明図である。

【図４】集ガスキャップ内のガスと泥水中のガスの濃度
と反応の時間的ずれの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ トンネル切羽 ２ 送泥管 ３ 排泥管 ４ ガス濃度計測装置 ５ シールド掘進機 ６ 下側本管 ７ 上側バイパス管 ８ ガス濃度計測装置本体 ８ａ 管体 １０ フィルタ １１ 流水調整機構 １２ 空気溜まり １３ 水位検知器 １３ａ 水位上限検知器 １３ｂ 水位下限検知器 １４ 内圧調整機構 １５ エア噴射フイルタ １６ 超音波発生装置 １７ 水素除去装置 １８ 水分除去装置 １９ 定流量コントローラ ２０ ガス濃度測定器 ２０ａ 警報装置 ２３ タンク ２５ 地表 ２６ 立孔 ２７ シールドトンネル ２８ 軸 ３０ 刃口 ３１ 泥水処理施設 ３２ 二叉継手 ３３ 伸縮継手 ３４ エア注入口 ３５ 排出ガス注入口 ３６ テストガス注入口 ３７ 泥水サンプル取出し口 ３８ 雄雌エルボ ４０ ボールバルブ ４１ 開口 ４２ 集ガスキャップ ４３ 定流量コントローラ ４４ 開閉コック ４７ ポンプコントローラ ４８ 圧入ポンプ ４９ 水位コントローラ ５０ 電磁バルブ ５１ 電磁バルブ ５２ ニードルバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 正治 埼玉県南埼玉郡宮代町東姫宮２−７−13 (72)発明者 原田 行夫 埼玉県桶川市坂田1622−12 (56)参考文献 特開 平６−257397（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘削中のトンネル切羽１面に送
   泥管２と排泥管３とを介して泥水を循環させるシールド
   掘削工法において、前記排泥管３を通って排出される掘
   削泥水をガス濃度計測装置４に導き、当該ガス濃度計測
   装置４により前記掘削泥水中に含まれるガスの濃度を計
   測することを特徴とするシールド掘削用ガス検知方法。
2. 【請求項２】 シールド掘進機５により掘削中のトンネ
   ル切羽１面に送泥管２と排泥管３を介して泥水を循環さ
   せるようにしたシールド掘削装置において、前記排泥管
   ３の途中を下側本管６と上側バイパス管７とに分岐さ
   せ、上側バイパス管７の途中に、前記排泥管３から分流
   され、スライムが除去された掘削泥水中のガス濃度を計
   測するガス濃度計測装置本体８を設置した構成を特徴と
   するシールド掘削用ガス検知装置。
3. 【請求項３】 前記排泥管３と前記上側バイパス管７の
   分岐部には、当該上側バイパス管７に掘削泥水中のスラ
   イムを流さないようフィルタ１０が設けられていると共
   に、上側バイパス管７には泥水流速の調整機構１１が設
   けられている請求項２に記載のシールド掘削用ガス検知
   装置。
4. 【請求項４】 前記ガス濃度計測装置本体８内の上部に
   空気溜まり１２が設けられていて、当該空気溜まり１２
   の底部の泥水レベルが一定に制御せられるよう水位検知
   器１３及び排泥管３の圧力に対して空気溜まり１２の内
   圧を調整する調整機構１４が設けられている請求項２に
   記載のシールド掘削用ガス検知装置。
5. 【請求項５】 前記ガス濃度計測装置本体８には、空気
   を泥水流中に噴射するエア噴射フイルタ１５と、泥水中
   の溶存ガスを追い出し、泥水中の気泡との混合を促進す
   る超音波発生装置１６が設けられている請求項２に記載
   のシールド掘削用ガス検知装置。
6. 【請求項６】 前記ガス濃度計測装置本体８には、その
   空気溜まり１２に集められたガスが水素除去装置１７，
   水分除去装置１８，定流量コントローラ１９を介して導
   かれるガス濃度測定器２０が接続され、ガス濃度測定器
   ２０で分析された廃ガスはタンク２３、圧入ポンプ４８
   を介して排泥管３の下流側に送られるように構成された
   請求項２に記載のシールド掘削用ガス検知装置。
7. 【請求項７】 前記ガス濃度測定器２０には、その値が
   一定値以上になると警報を発する警報装置が接続されて
   いる請求項６に記載のシールド掘削用ガス検知装置。