JP2000282784A - シールド掘進機および掘進制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地山を一定の大きさで切り出し掘削するため
の掘進制御システムを提供すること。 【解決手段】 地山を一定の大きさで切り出し掘削でき
るよう、ほぼ一定の間隔で先行掘削を行う進退可能な先
行ビット７０〜７７およびカッタヘッド２２に固定され
た先行ビット８０と、先行掘削された間の地山凸部を数
回に分けて切り出し掘削する後行ビット９０とをカッタ
ヘッド２２に配置し、設定される切り出し掘削深さおよ
びジャッキ速度に基づきカッタヘッド２２の回転数を制
御するシールド掘進機を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘進機お
よび掘進制御システムに関し、特に、掘削に際して土粒
子の骨格構造を地山状態と同様に保持したままの状態
（以下、固形状態という。）で、所定の大きさ以下に地
山を切削し（以下、切り出し掘削という。）、切り出し
掘削された固形状態の土砂を流体輸送して坑外に搬出す
る技術に関する。

【０００２】

【背景技術および発明が解決しようとする課題】従来、
シールド掘進機等によるトンネル掘削においては、カッ
タビットの回転によって掘削地山の土砂の骨格構造を破
壊し、できるだけ土粒子自体の粒径に近い状態（すなわ
ち、塊状ではなく流体状または粉体状）として流体輸送
またはベルトコンベア輸送により坑外へ搬出するのが一
般的であった。

【０００３】このため、掘削土砂を流体輸送する場合、
輸送媒体としての流体と掘削土砂の固形分（土粒子）と
を分離するために、坑外に大規模な処理設備が必要とさ
れていた。

【０００４】特に、粘性土を多く含む地山を掘削する場
合、１次処理設備で粗粒分を分級し、２次処理設備でさ
らに細粒分を分級するという２段階の処理設備が必要と
なる上、２次処理された細粒分は産業廃棄物（汚泥）と
して取り扱われる。このため、処理設備の大規模化によ
る発進立坑用地の広大化、処理費用の増加等の問題点が
あった。

【０００５】また、固結粘性土層や大径の砂礫質土層の
掘削、流体輸送に際しては、排泥ポンプ、排泥管等の輸
送設備が閉塞しないようにするため、従来はクラッシャ
ー等の土砂破砕設備を装備しなかればならなかった。こ
のため、シールド掘進機の製造費用の増加、工期の延伸
等の問題点があった。

【０００６】また、地山の土質性状が一定でトンネルの
平面線形が直線の場合には、シールド掘進機の掘進速度
およびカッタヘッドの回転数をほぼ一定の値にして掘進
する。しかし、曲線施工の場合や地山の土質性状が変化
した場合、掘進速度およびカッタヘッド回転数を適切に
制御する必要があり、所定の大きさで切り出し掘削する
ためには、カッタビットの切り出し掘削深さも適切に制
御する必要がある。

【０００７】以上のことから本願発明の目的は、輸送設
備が閉塞しない程度の大きさで、地山と同様の固形状態
で掘削土砂を積極的に回収するためのシールド掘進機お
よび掘進制御システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るシールド掘進機は、先行ビットおよび
後行ビットを備えたカッタヘッドの回転により、掘進経
路にある地山を、固形状態で切り出し掘削するシールド
掘進機であって、前記先行ビットおよび前記後行ビット
の切り出し掘削深さ並びにシールド掘進機の掘進速度を
設定するための設定手段と、この設定手段による前記先
行ビットおよび前記後行ビットの切り出し掘削深さ並び
にシールド掘進機の掘進速度の設定に基づき、前記カッ
タヘッドの回転数を自動的に制御する制御手段と、を含
むことを特徴とする。

【０００９】また、本発明に係る掘進制御システムは、
先行ビットおよび後行ビットを備えたカッタヘッドの回
転により、掘進経路にある地山を、固形状態で切り出し
掘削する掘進機の掘進制御システムであって、掘進速度
および切り出し掘削深さを設定するための設定手段と、
この設定された掘進速度および切り出し掘削深さに基づ
き、前記カッタヘッドの回転数を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、カッタヘッドの回転数を
制御することにより、掘削する地山の土質の変化や、曲
線施工時等のシールド機の姿勢変化に合わせて適切な回
転数となるように制御することにより、地山を固形状態
のまま回収する割合を示す固形回収率を高めることがで
きる。

【００１１】固形回収率を高めることにより固液分離の
効率化を図ることができる。

【００１２】なお、目標とする回転数は、前記掘進速度
および前記切り出し掘削深さに基づき前記回転数を演算
する演算手段を用いて演算して求めてもよいし、前記掘
進速度および前記切り出し掘削深さと前記カッタヘッド
の回転数が関連づけられた回転数データが記憶された記
憶手段を設けて回転数データを参照して求めてもよい。

【００１３】また、ここで、回転数とは、単位時間当た
りにカッタヘッドが回転する回転数を意味し、例えば、
回転／分（ｒｐｍ）といった単位で表される。

【００１４】また、前記カッタヘッドに、前記先行ビッ
トを、切羽に先行掘削溝を所定間隔で形成するように配
置し、前記後行ビットを、前記先行掘削溝の間の掘り残
された地山凸部を切削するように配置することが好まし
い。

【００１５】これによれば、先行掘削溝を形成すること
によって、切羽に筋状の凹凸が形成されて掘削自由面が
多くなるので、後行ビットによる地山凸部の切り出し掘
削が容易となる。

【００１６】また、地山の骨格構造、地山強度を保持し
たまま、塊状の掘削土砂として切り出し掘削するので、
固形状態を保持しつつ坑外に搬出された掘削土砂は、１
次処理での固液分離が容易となり、２次処理量を著しく
減量することができる。

【００１７】さらに、先行掘削溝の形成間隔を所定量以
下、すなわち、排泥ポンプ等の輸送設備が閉塞しない大
きさ以下に設定することにより、シールド掘進機の輸送
設備が閉塞するのを防止することができる。

【００１８】また、前記シールド掘進機は、前記先行ビ
ットおよび前記後行ビットがユニット化されてスポーク
ユニットに設けられ、当該スポークユニットが掘進方向
に進退自在に前記カッタヘッドに設けられていることが
好ましい。

【００１９】これによれば、固形回収用のカッタビット
をユニット化することにより、設計時の柔軟性やシール
ド掘進機の組立の容易性を高め、地山や工事現場に応じ
て最適なビット配置を行ったシールド掘進機を効率的に
製造し、低コストで提供することができる。

【００２０】また、スポークユニットを進退制御する構
成を採用することにより、個々のビットを進退させる場
合と比べて切り出し掘削深さをより正確に制御すること
ができる。また、特に油圧ジャッキ等で進退制御する場
合、油圧系統を簡略化し、掘進制御を容易にすることが
できる。さらに、進退時の強度を向上させることができ
る。

【００２１】また、前記掘進速度および前記切り出し掘
削深さと前記カッタヘッドの回転数が関連づけられた回
転数データが記憶された記憶手段を含み、前記制御手段
は、前記回転数データに基づき、前記回転数を制御する
ことが好ましい。

【００２２】これによれば、あらかじめデータとして記
憶しておくことにより、回転数を演算する必要をなく
し、よりリアルタイムに回転数を制御することが可能と
なる。

【００２３】また、前記カッタヘッドの回転数を検出す
る検出手段を含み、前記制御手段は、この検出結果に基
づき、前記カッタヘッドの回転数をフィードバック制御
することが好ましい。

【００２４】これによれば、回転数を検出することによ
り、実際の回転数を正確に把握することができ、検出し
た値に基づきフィードバック制御することにより、より
正確な制御が可能となる。

【００２５】また、前記カッタヘッドの回転により切り
出し掘削された掘削土砂を坑外に搬出するための搬出経
路を有する搬出手段と、前記搬出経路に前記掘削土砂の
大きさを測定するための掘削物測定手段と、を含むこと
が好ましい。

【００２６】これによれば、輸送設備の経路内で切り出
し掘削された固形状態の掘削土砂の大きさを測定するこ
とにより、輸送設備が閉塞する可能性を予測することが
でき、さらに、測定結果をフィードバックして先行ビッ
トおよび後行ビットのカッタヘッドからの突出量を制御
することができる。これにより、掘削土砂の大きさを所
定値以下で切り出し掘削することが可能となる。

【００２７】ここで、輸送設備とは、カッタヘッドから
取り込まれた掘削土砂を坑外へ搬出する設備全体を意味
し、具体的には、例えば、チャンバ、流体輸送管、圧送
ポンプ、沈殿槽、固液分離装置等を含む。

【００２８】なお、前記先行ビットおよび前記後行ビッ
トの突出量をリアルタイムで制御するためには、土砂取
り込み後、できるだけ早い時点で掘削土砂の大きさを測
定することが好ましく、前記掘削物測定装置は、チャン
バ内または流体輸送管の最も切羽付近に設けることが好
ましい。

【００２９】また、前記制御手段は、前記シールド掘進
機が所定区間掘進して掘進停止した状態で、前記カッタ
ヘッドの回転数を通常速度よりも上げることが好まし
い。

【００３０】通常はセグメントの１リング掘削ごとに掘
進停止を繰り返しており、カッタビットが地山に食い込
んだ状態で停止すると再掘進しにくい。

【００３１】これによれば、停止前に回転数を上げてか
ら停止することにより、カッタビットの地山への食い込
みを低減させることができる。これにより、再掘進しや
すくするとともに、再掘進の初期段階でも地山を所望の
大きさで掘削回収することができる。

【００３２】なお、前記制御手段は、掘進停止した状態
で前記カッタヘッドの回転数を最大に上げることが好ま
しい。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるシールド掘進
機を活用した好適な実施の形態について、泥水式シール
ド工法を例にとり、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００３４】図１は、本発明の実施の形態の一例に係る
泥水式シールド工法の全体図を示す。

【００３５】泥水式シールド工法は、泥水をシールド掘
進機２内部のチャンバ２１０に供給して切羽２００の安
定を図りながら、シールド掘進機２のカッタヘッド２２
を回転させることにより、地山を掘削してトンネルを構
築する工法である。

【００３６】泥水式シールド工法においては、切羽安定
のための泥水を作成し、切羽２００に供給する作泥送泥
設備、泥水性状を調整する性状調整設備、切羽２００を
掘削する掘削設備、切羽２００掘削後の泥水を坑外へ搬
出する輸送設備、掘削後の泥水を適切に処理するための
泥水処理設備および掘削坑内で覆工構造を構築する覆工
構築設備等が用いられる。

【００３７】掘削設備として機能するシールド掘進機２
は、掘進に伴ってセグメント２６を順次継ぎ足し、セグ
メント２６にジャッキ２８で反力を取りながら、チャン
バ２１０に供給された泥水圧によって切羽圧に対抗しつ
つ、カッタヘッド２２を回転させて地山を掘削する。

【００３８】シールド掘進機２内部のチャンバ２１０に
供給される泥水は、地上の作泥設備または泥水処理設備
から送泥設備の一部である送泥管５０を介して送られる
ものであり、切羽２００の安定に用いられた泥水は、チ
ャンバ２１０内で掘削土砂と撹拌混合され、輸送設備の
一部である排泥管５２を介して地上の泥水処理設備に送
られる。

【００３９】なお、ここで、輸送設備とは、カッタヘッ
ド２２から取り込まれた掘削土砂を坑外へ搬出する設備
全体を意味し、具体的には、例えば、チャンバ２１０、
流体輸送管として機能する排泥管５２、圧送ポンプとし
て機能する排泥ポンプ１０２、沈殿槽、固液分離装置等
を含む。

【００４０】泥水処理設備では、排泥水に含まれる掘削
土砂等の固形分と液体分とが分離（固液分離）され、分
離後の液体分は、調整槽で必要な成分調整が行われた
後、再度シールド掘進機２へ向け送り出され、送泥水と
して再利用される。

【００４１】また、チャンバ２１０に送られる泥水は、
トンネル内の性状調整設備等により必要な性状調整がさ
れる。具体的には、トンネル内の性状調整設備は、調泥
剤タンク４０と、送泥管５０に設けられ、調泥剤タンク
４０から供給された調泥剤と泥水とを混合撹拌するスタ
ティックミキサー４４と、この混合撹拌後の泥水性状を
測定する粘性計４６とを含んで構成されている。

【００４２】必要に応じて調泥剤タンク４０から所定の
調泥剤が添加され、スタティックミキサー４４により撹
拌混合された送泥水は、粘性計４６により粘性が測定さ
れ、チャンバ２１０に供給される。

【００４３】粘性計４６による測定結果は、制御装置４
８に送られ、制御装置４８は、この測定結果に基づき調
泥剤の添加を調整する。

【００４４】一方、チャンバ２１０から泥水処理設備へ
向け送り返される排泥水は、排泥管５２に設けられた排
泥ポンプ１０２によって圧送される。

【００４５】図２は、排泥ポンプ１０２の断面図を示
す。

【００４６】排泥ポンプ１０２は、内部に回転する複数
の羽根体１００−１、２を含む。したがって、掘削物１
１０、すなわち、掘削後の土砂の大きさが羽根体１００
相互の純間隔Ｌを超える場合、掘削物１１０により排泥
ポンプ１０２や排泥管５２が閉塞し、輸送設備として機
能しない恐れがある。

【００４７】この問題に対して、従来は、排泥ポンプ１
０２等の輸送設備が閉塞しないよう、クラッシャー等を
新たに設けて掘削物１１０を破砕する方式が採られる場
合もあった。しかし、この方式では破砕された掘削物１
１０が、排泥水中に溶解しやすくなるため、泥水処理設
備での分級処理効率が悪くなっていた。

【００４８】排泥水への掘削物溶解が多くなると、泥水
処理設備において、１次処理で分級される固形分の量が
少なくなり、それに伴って２次処理で分級しなければな
らない処理量が多くなる。２次処理量が多くなると、２
次処理設備が大規模化し、そのために必要とされる立坑
用地の面積も大きくなる。

【００４９】それゆえ、１次処理での分級量を増加させ
れば、２次処理を効率化し、必要な立坑用地を省面積化
することができる。

【００５０】また、２次処理土は、水分を含む軟弱土で
あるため、産業廃棄物（汚泥）として取り扱われるの
で、その処分に関しても多大な労力と費用が必要とな
る。

【００５１】すなわち、立坑用地を省面積化し、環境へ
の負荷を軽減し、処理費用を抑えるためには、掘削物１
１０をできるだけ１次処理で分級することが必要であ
る。

【００５２】したがって、掘削物１１０を排泥ポンプ１
０２に詰まらない最大の大きさで掘削し、そのままの固
体の状態で坑外へ搬出することによって、掘削土砂を含
む排泥水の処理が効率化でき、環境負荷およびコストを
低減することになる。

【００５３】本実施の形態では、掘削物１１０を排泥ポ
ンプ１０２等の輸送設備が閉塞しない最大の大きさで切
り出し掘削するよう、先行ビットおよび後行ビットを、
シールド掘進機２のカッタヘッド２２に配置し、カッタ
ヘッド２２の回転数を適切に制御しつつ、先行ビットと
後行ビットとの相互作用により、上記課題を解決してい
る。

【００５４】なお、図２に示す排泥ポンプ１０２内の羽
根体１００は２枚の構成となっているが、３枚以上の構
成としたり、１枚であっても図２に示す羽根体と同様の
形状とする構成とすることも可能である。

【００５５】図３は、本実施の形態に係るシールド掘進
機２のカッタヘッド２２の正面図である。

【００５６】シールド掘進機２のカッタヘッド２２に
は、地山をほぼ一定の間隔で先行掘削する先行ビット７
０〜８０と、この先行掘削した間の部分の地山、すなわ
ち、先行ビット７０〜８０により形成された先行掘削溝
の間に掘り残された地山凸部を切り出し掘削する後行ビ
ットとして機能する後行ビット９０を含む。

【００５７】また、先行ビット７０〜８０のうち先行ビ
ット７０〜７７は、２つを１組としてカッタヘッド２２
の回転に伴って異なる軌跡を描く４つの先行ビットユニ
ット６０を構成する。

【００５８】また、先行ビット７０〜８０が描く軌跡は
図３のカッタヘッド２２上の１点鎖線で示される。先行
ビット７０〜８０の軌跡、すなわち、先行掘削溝は、例
えば先行ビット７０〜７２の軌跡２７０〜２７２で示す
ようにほぼ一定の間隔であるため、後行ビット９０で当
該部分を掘削した場合、掘削後の土砂の大きさをほぼ一
定の大きさ、すなわち、排泥ポンプ１０２および排泥管
５２等の輸送設備を閉塞させない大きさに揃えることが
できる。

【００５９】これにより、掘削時の所定の大きさを排泥
ポンプ１０２等の排泥設備につまらないぎりぎりの大き
さ、すなわち、適切な大きさとすることができ、クラッ
シャー等の土石破砕設備を不要とし、できるだけ大きな
大きさで排泥することができる。

【００６０】なお、ここで、切り出し掘削とは、地山の
一部を固まりとして回収できるように掘削することをい
う。また、後行ビット９０としては、例えば、メインビ
ット等を適用できる。

【００６１】好ましい実施例としては、同一の地山凸部
を形成する先行掘削溝を切削する先行ビット７０〜７７
同士を同一の先行ビットユニット６０として組み合わせ
ないことである。

【００６２】すなわち、先行ビット７０〜７７は、少な
くとも隣接する軌跡を１つ挟んで先行ビットユニット６
０として組み合わされている。

【００６３】先行掘削溝の間隔が狭い場合、隣接して同
時に同一の地山凸部を切削すると地山が乱されて元の地
山状態の骨格強さが損なわれてしまう。これを防止する
ためには、上記のような先行ビット７０〜７７の配置が
重要となる。

【００６４】さらに、好ましくは、上記先行ビットユニ
ット６０を、シールド掘進機２の掘進方向に進退可能に
駆動制御することである。これによって、先行ビット７
０〜７７が進退し、先行掘削溝の形成される深さ（切削
深さ）を適宜変更、調整することができるので、切り出
し掘削された掘削土砂の大きさを計測し、先行ビット７
０〜７７の切削深さをフィードバック制御することが可
能となる。

【００６５】また、先行ビット８０および後行ビット９
０、さらには曲線掘進および余掘り用のコピーカッタ１
９０、オーバーカッタ１８０、１８２は、それぞれユニ
ット化されて３つのスポーク２３−１〜３に固定して取
り付けられている。スポーク２３−１については後述す
る。

【００６６】図４は、図３に示すシールド掘進機２のカ
ッタヘッド２２のＡ−Ａ線断面図を示す。

【００６７】シールド掘進機２は、先行ビット７０〜７
７の先端が、後行ビット９０の先端位置に対して掘進経
路方向に対して前後に進退するよう先行ビット７０〜７
７を駆動する駆動装置であるジャッキ６２を含む。

【００６８】また、ジャッキ６２の進退は、地山を、ほ
ぼ一定の大きさで切り出し掘削するよう、図１に示す制
御装置４８により制御される。

【００６９】本実施の形態によれば、各先行ビット７０
〜７７の進退を制御することにより、掘削中に土質が変
化する場合であっても、各先行ビット７０〜７７の進退
を調整することにより、掘削土砂をほぼ一定の大きさで
切り出し掘削することができる。

【００７０】なお、カッタヘッド２２は、モーター３０
により回転駆動され、先行ビット７０〜７７を備える先
行ビットユニット６０およびジャッキ６２は、それぞれ
回転方向に対する反力を受けるガイド部６４によって支
持され、カッタヘッド２２の回転時や先行ビット７０〜
７７の進退時にも安定した掘削が行えるようになってい
る。

【００７１】図５は、図３に示すＢ点から見た場合のス
ポーク２３−１付近の部分断面図である。

【００７２】３つのスポーク２３−１〜３は、円筒形状
をしており、カッタヘッド２２とは別体として設けられ
ている。

【００７３】スポーク２３−１には、掘進方向前部に先
行ビット８０、後行ビット９０が固定され、カッタヘッ
ド２２の外周方向の先端部には図４に示すようにコピー
カッタ１９０が進退可能に設けられている。

【００７４】このようにスポーク２３−１は、先行ビッ
ト８０、後行ビット９０等を備えるスポークユニット８
００として形成されている。

【００７５】このようにユニット化することにより、カ
ッタヘッド２２は同一のものであっても、異なるスポー
クユニット８００を適用することができる。すなわち、
最適な切り出し掘削ができるように、排泥設備や地山の
土質に合わせて先行ビット８０および後行ビット９０を
最適な配置としたスポークユニット８００を、各工事現
場ごとに異なるスポークユニット８００として同一形状
のカッタヘッド２２に適用することが可能である。

【００７６】これによれば、先行ビット８０および後行
ビット９０の配置変更をスポークユニット８００だけで
行えばよいため、柔軟なビット配置設計が可能になる。
また、カッタヘッド２２自体は同一のものであっても、
スポークユニット８００上のビットの配置を変更すれば
よいため、カッタヘッド２２を流用できる上、シールド
掘進機２の組立も容易となり、低コストでシールド掘進
機２を製造できる。なお、先行ビットユニット６０につ
いても同様に上記効果が奏される。

【００７７】また、スポーク２３に固定された複数の後
行ビット９０は、２つを１組としてそれぞれ切削角度を
反転してカッタヘッド２２に取り付けられている。

【００７８】このように、カッタヘッド２２の回転の正
逆両方向に対応したビット配置を採用することにより、
地山の土質性状、シールド掘進機２の位置、姿勢に応じ
た掘進管理が可能となる上、ビットの摩耗防止にも効果
的である。

【００７９】なお、先行ビットユニット６０と同様にス
ポークユニット８００をジャッキにより掘進方向に進退
させ、先行ビット８０および後行ビット９０を進退させ
る構成を採用することが好ましい。

【００８０】また、スポークユニット８００を進退制御
する構成を採用することにより、個々のビットを進退さ
せる場合と比べて切り出し掘削深さをより正確に制御す
ることができる。これにより、切り出し掘削される掘削
物１１０の大きさをさらに精密に調整することができ
る。

【００８１】また、特に油圧ジャッキ等で進退制御する
場合、油圧系統を簡略化し、掘進制御を容易にすること
ができる。さらに、ビット単体を進退させるのではな
く、スポークユニット８００を進退させるため、進退時
の強度を向上させることができる。

【００８２】（制御についての説明）次に、以上説明し
てきたシールド掘進機２を制御する手法について説明す
る。

【００８３】図６（Ａ）〜（Ｃ）は、２つの先行ビット
８０と１つの後行ビット９０の相互作用によって地山を
切り出し掘削する手順を示す模式図である。

【００８４】上述したように、先行ビット８０により形
成された先行掘削溝の間の地山を、後行ビット９０で切
り出し掘削するよう、先行ビット８０および後行ビット
９０はスポーク２３またはカッタヘッド２２に配置され
ている。

【００８５】まず、初期状態では、図６（Ａ）に示すよ
うに掘削予定部分の地山３００の掘削面４１０は平らな
状態である。

【００８６】シールド掘進機２は矢印の方向に掘進す
る。シールド掘進機２が掘進すると、図６（Ａ）の状態
から図６（Ｂ）に示す状態になる。この状態では、第１
の先行ビット８０、これに遅れて第２の先行ビット８０
が後行ビット９０に先行して掘削予定部分の地山３００
を筋状に掘削することにより、地山３００の掘削面に先
行掘削溝３１０−１、２が形成される。

【００８７】先行掘削溝３１０−１、２は、その深さ、
すなわち、切り出し深さＬ２がほぼＬ、先行掘削溝３１
０−１、２間の間隔Ｌ１もほぼＬになっている。ここ
で、Ｌは、上述した図２で示す排泥ポンプ１０２を閉塞
させない最大の大きさである。

【００８８】また、先行掘削溝３１０−１、２の溝幅、
すなわち、切削幅Ｌ３もＬ以下になっている。これによ
り、先行掘削により生じる掘削物もＬ以下の大きさとな
り、当該掘削物も輸送設備を閉塞させずに坑外へ搬出で
きる。

【００８９】図６（Ｂ）に示す状態では、掘削予定部分
の地山３００のうち先行掘削溝３１０−１、２の間に突
出長および突出幅がＬ以下の帯状凸部が地山として掘り
残された状態となっている。

【００９０】この状態で、掘り残された帯状凸部の一部
を切り出し掘削することにより、掘削物１１０が地山３
００から切り出され、図６（Ｃ）に示す状態となる。

【００９１】このように、掘削物１１０を、できるだけ
Ｌの大きさで切り出し掘削することができるようにシー
ルド掘進機２を適切に掘進制御する必要がある。切り出
し掘削に関する主要な制御対象としては、例えば、ジャ
ッキ２８によるシールド掘進機２の掘進速度、カッタヘ
ッド２２の回転数、先行ビット７０〜８０および後行ビ
ット９０のカッタヘッド２２からの突出量等がある。

【００９２】ここで、回転数とは、単位時間当たりにカ
ッタヘッドが回転する回転数を意味し、例えば、回転／
分（ｒｐｍ）といった単位で表される。

【００９３】また、切り出し掘削に関する掘進制御を行
うための設定手段による入力情報としては、例えば、シ
ールド掘進機２の掘進長、シールド掘進機２の掘進速
度、先行ビット７０〜８０および後行ビット９０による
切り出し掘削深さ等がある。

【００９４】また、切り出し掘削に関する掘進制御を行
うための検出手段による入力情報としては、例えば、カ
ッタトルク、シールド掘進機２の掘進長、シールド掘進
機２の掘進速度、切り出し掘削される掘削物１１０の大
きさ等がある。

【００９５】また、先行ビット７０〜８０および後行ビ
ット９０のカッタヘッド２２上における配置（設置位
置）によって、先行掘削溝の形成される位置と切り込み
深さ並びに切り出し掘削される位置と切り込み深さが時
間の経過と共に変化することを考慮しなければならな
い。すなわち、カッタヘッド２２の回転によって、各々
のカッタビットの３次元的位置が変化する。

【００９６】図１に示すように、制御装置４８は、設定
手段としての入力装置３１からの入力情報に基づき、カ
ッタヘッド２２の回転数を制御し、検出手段としての検
出装置３７〜３９からの検出情報に基づき、カッタヘッ
ド２２の回転数をフィードバック制御する。

【００９７】説明を簡単にするため先行ビット７０〜８
０および後行ビット９０の突出量を一定として、カッタ
ヘッド２２の回転数の制御について説明する。

【００９８】図７は、本実施の形態におけるカッタヘッ
ド２２の回転数の推移を示す模式図であり、図８は、切
り込み深さとシールド掘進機２の掘進速度とに対応した
カッタヘッド２２の回転数データを示す図であり、図９
は、本実施の形態における制御の手順を示すフローチャ
ートである。

【００９９】図７では、縦軸がカッタヘッド２２の回転
数および掘進速度を示し、横軸が経過時間を示し、１リ
ング掘進時の回転数および掘進速度の変化を模式的に表
している。また、カッタヘッド２２の回転数の推移を推
移データ９００で表し、掘進速度の推移を推移データ９
１０で表している。

【０１００】なお、図１に示すように、シールド掘進機
２には、上述した構成に加えて、ジャッキ速度を検出す
る検出装置３７、カッタヘッド２２の回転数を検出する
検出装置３８、カッタトルクを検出する検出装置３９、
制御装置４８に指令を送るコンピュータ３２、コンピュ
ータ３２への制御用の設定データの入力を行う入力装置
３１、制御用のデータが記憶された記憶装置３４、制御
用のプログラムが記憶された情報記憶媒体３６が設けら
れている。

【０１０１】情報記憶媒体３６には制御用情報が記憶さ
れている。制御用情報には、シールド掘進機２の掘進速
度および切り出し掘削深さを設定するための情報と、前
記掘進速度および前記切り出し掘削深さとカッタヘッド
２２の回転数が関連づけられた関連情報と、前記設定さ
れた掘進速度および切り出し掘削深さ並びに前記関連情
報に基づき、カッタヘッド２２の回転数を制御するため
の情報が記憶されている。

【０１０２】制御用情報がコンピュータ３２に読み込ま
れることにより、オペレータの操作により入力装置３１
からジャッキ速度および切り出し掘削深さが設定され、
記憶装置３４に関連情報が記憶され、コンピュータ３２
からの命令を受けた制御装置４８によりカッタヘッド２
２の回転数が制御されるようになる。なお、情報記憶媒
体３６を用いなくてもあらかじめ制御用情報をプログラ
ミングしてコンピュータ３２に記憶して同様の機能を実
現することも可能である。

【０１０３】実際の制御の流れとしては、まず、オペレ
ータにより入力装置３１を用いてコンピュータ３２に所
望の切り出し掘削深さ（切り込み深さ）、掘進速度が所
定区間ごと、例えば１リング掘削ごとに設定される。

【０１０４】まず、初期段階Ｔ０では、カッタヘッド２
２は回転していないため回転数は０になっている。

【０１０５】次段階Ｔ１では、シールド掘進機２のオペ
レータにより入力装置３１を用いてコンピュータ３２、
制御装置４８を介してカッタヘッド２２への回転指令が
なされ、カッタヘッド２２が回転を開始する（ステップ
１）。回転開始時から一定時間経過後に、カッタヘッド
２２は最大速度で回転される。

【０１０６】次段階Ｔ２、すなわち、カッタ回転指令時
から所定時間経過した段階では、制御装置４８はジャッ
キ２８を伸張させてシールド掘進機２を所定の掘進速度
で掘進させる（ステップ２）。すなわち、推移データ９
１０に示すように、掘進速度が設定速度となるように調
整される。

【０１０７】掘進を開始した後、制御装置４８は、およ
そ１分後くらい（またはカッタヘッド２２が１回転した
後）に次段階Ｔ３として、地山の土質等に応じてカッタ
ヘッド２２の回転数の制御を開始する。これにより、切
り出し掘削深さが設定値を満足するように掘進制御され
ることになる（ステップ３）。

【０１０８】この段階Ｔ３では、２分間ごとに地山の状
態やカッタヘッド２２の回転数を検出装置３８により検
出し、カッタトルクを検出装置３９により検出し、ジャ
ッキ速度を検出装置３７により検出する。これらの検出
結果に基づき、制御装置４８は必要に応じてカッタヘッ
ド２２の回転数をフィードバック制御する。

【０１０９】例えば、制御装置４８は、比較的硬い地山
の場合はカッタヘッド２２の回転数を上げて、回転数を
推移データ９０１のように制御する。また、比較的柔ら
かい地山の場合は、制御装置４８は、カッタヘッド２２
の回転数を下げて、回転数を推移データ９０２のように
制御する。

【０１１０】具体的には、図８に示すように、例えば、
ジャッキ速度が３０ミリメートル／分であり、所望の切
り込み深さが３０ｍｍであれば、制御装置４８は、カッ
タヘッド２２を１回転／分（ｒｐｍ）で回転するように
制御する。

【０１１１】この状態で、例えば地山が急に硬い土質に
なったことを検出すれば、切り込み深さを薄めにして２
０ｍｍに設定を変更する。これに合わせてカッタヘッド
２２の回転数を、１．５回転／分となるように制御す
る。

【０１１２】また、この状態で、例えば地山が急に柔ら
かい土質になったことを検出すれば、切り込み深さを深
めにして４０ｍｍに設定を変更する。これに合わせてカ
ッタヘッド２２の回転数を、０．７５回転／分となるよ
うに制御する。

【０１１３】地山状態を検出する手法としては、例え
ば、本願出願人による特開平５−２４８１７４の切羽前
方探査方式等を適用できる。

【０１１４】このように、掘進中であっても地山の土質
に合わせてカッタヘッド２２の回転数を制御することに
より、通常の回転数で掘削する場合と比べて地山を崩し
すぎたりすることなく固形状態を保ったまま掘削して回
収することができる。

【０１１５】また、図８に示すような回転数データを記
憶装置３４に記憶しておくことにより、回転数を演算す
る必要をなくし、よりリアルタイムに回転数を制御する
ことが可能となる。なお、回転数データを記憶装置３４
に記憶しておかなくても演算して求めることも可能であ
る。

【０１１６】さらに、検出装置３８を用いて回転数を検
出することにより、実際の回転数を正確に把握すること
ができ、検出した値に基づきフィードバック制御するこ
とにより、より正確な制御が可能となる。

【０１１７】１リング分の掘進が終了した後、すなわ
ち、段階Ｔ４において、制御装置４８は、自動的にジャ
ッキ２８の推進を止め（ステップ４）、カッタヘッド２
２の回転数を通常速度より上げ、カッタヘッド２２を最
大速度で回転させる。これにより、ビットは空回りして
掘削面は平らな状態となる。

【０１１８】このようにカッタヘッド２２の回転停止前
において、掘進せずにカッタヘッド２２を無負荷状態で
回転させてから停止することにより、ビットが地山に食
い込まない状態とし、再度回転を始める場合でもスムー
ズに回転を始めることができる。したがって、再度掘進
する場合においても、掘進開始直後から掘削物１１０を
所望の大きさで切り出し掘削することができる。

【０１１９】そして、制御装置４８は、次段階Ｔ５とし
て、カッタヘッド２２の回転を自動的に停止させる（ス
テップ５）。

【０１２０】以上のように、カッタヘッド２２の回転数
を掘進中に変更可能に制御することにより、地山の土質
や掘進経路に応じた適切な切り出し掘削が可能となる。

【０１２１】なお、掘進停止はオペレータが行ってもよ
く、オペレータからの入力装置３１を用いた指示により
掘進停止指令によってコンピュータ３２を介して制御装
置４８に出され、シールド掘進機２は掘進を停止する。
また、同様に、掘進開始もオペレータの指令によって行
うことも可能である。

【０１２２】図１０は、カッタヘッド２２の回転数を固
定した状態で掘進した場合の固形回収率を示す図であ
る。

【０１２３】図１０は、本願出願人の実験に基づく固形
回収率を示す図であるが、初期段階、後期段階をのぞい
てほぼ良好な固形回収率を達成しているが、３００ｍを
超えたあたりで固形回収率とジャッキ速度の落ち込みが
見られる。

【０１２４】これは、３００ｍを超えたあたりが曲線施
工区間であることによる。曲線施工区間においては、曲
線の外側にあたるジャッキ２８を用いてシールド掘進機
２を掘進させ、曲線の内側にあたるジャッキ２８には推
進力を付加しない。

【０１２５】これは、油圧ジャッキであれば、直線施工
時には各ジャッキ２８に同量の油が供給されているが、
曲線施工時には外側にあたるジャッキ２８に倍の油量が
供給されることを意味する。カッタヘッド２２の回転数
は直線施工時と変わらないが、倍の油量が供給されるこ
とにより、カッタトルクが上がるため安全な施工を行う
ためにはジャッキ２８の速度を下げざるを得ない。

【０１２６】カッタヘッド２２の回転数は変わらない状
態で、ジャッキ２８の速度が落ちれば、同一位置の地山
３００を切削する回数が増えることとなり、掘削物１１
０の大きさは小さくなる上、切り出し掘削時にも細かな
掘削土砂が発生しやすくなる。

【０１２７】このような問題に対しても本願は有効であ
る。すなわち、回転数を制御することにより、必要以上
にジャッキ速度を落とさずに済むため、曲線区間におい
ても高い固形回収率を保つことができる。

【０１２８】このように回転数を制御すれば固形回収率
は一点鎖線８００のように、また、ジャッキ速度は二点
鎖線８１０に示すように改善されると予測される。

【０１２９】なお、図８に示すカッタヘッド２２の回転
数は、入力装置３１での設定値に制限を設けることによ
り制御不能な回転数とならないように制御することがで
きる。

【０１３０】また、上述した装置のハードウェア構成と
しては、例えば、入力装置３１としてマウスやキーボー
ド等、記憶装置３４としてハードディスク、メモリ等、
情報記憶媒体３６としてＣＤＲＯＭ、ＤＶＤＲＯＭ、メ
モリ等、制御装置４８としてＣＰＵ等を適用することが
可能である。

【０１３１】（排泥段階の説明）以上のようにして掘削
されたほぼ一定の大きさの掘削物１１０は、排出手段の
一部である排泥ポンプ１０２により排出経路である排泥
管５２を介して排泥される。

【０１３２】掘削物１１０をそのままの状態で排泥する
ため、図１に示すように、溶解防止剤タンク４２から供
給された溶解防止剤が、必要に応じて排泥管５２内の掘
削物１１０を含む排泥水に添加されるようになってい
る。

【０１３３】また、排泥管５２中の排泥水中の固体溶解
量を、切羽２００付近の排泥管５２に設けられた掘削物
測定手段としての固体測定装置１２０により測定する。
この測定は、本願出願人が先に出願した特許出願による
明細書（特開平９−１５９６２３）に記載された電波を
用いた測定装置を用いて行うことが好ましい。

【０１３４】この測定装置は、泥水に電波を放射し、泥
水中を伝播する電波を受信し、この受信レベルにより固
体の密度を演算し、この密度から固体の大きさを演算す
る装置であり、正確に測定できる。

【０１３５】制御装置４８は、この測定結果に基づき、
溶解防止剤の排泥水への添加量を調整する。これによ
り、溶解防止剤の添加量を必要最小限に抑えることがで
きる。

【０１３６】また、この測定結果に基づき、溶解防止剤
添加量を制御することにより、より少ない薬剤で適切な
泥水掘削を行うことができる。したがって、必要最低限
の資源の使用で済み、コストの削減も実現できる。

【０１３７】また、制御装置４８は、前記測定結果に基
づき、掘削物１１０を、輸送設備等が閉塞しない最大の
大きさで切り出し掘削できるようにカッタヘッド２２の
回転数等をフィードバック制御することにより、より効
率的な切り出し掘削を行うことができる。

【０１３８】さらに、図１に示すように、固体測定装置
１２０は、排泥管５２の最も切羽２００付近に設けられ
ている。これにより、掘削物１１０の取り込み後、早い
時点で掘削物１１０の大きさを検出することができ、こ
の検出結果に基づき制御装置４８は、先行ビット７０〜
８０および後行ビット９０の突出量をリアルタイムで制
御することができる。なお、固体測定装置１２０をチャ
ンバ２１０内に設けることも可能である。

【０１３９】以上、本実施の形態について説明してきた
が、本発明の適用は、前記泥水式シールド工法に限定さ
れない。例えば、地中連続壁工法やリバース工法等にお
ける泥水処理にも適用できる。

【０１４０】また、カッタヘッドとしては、上述した円
盤状のカッタヘッド２２だけでなく、矩形断面シールド
掘進機に用いられるドラムカッタ等を適用することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例に係る泥水式シール
ド工法の全体図である。

【図２】図１に示す排泥ポンプの平面断面図である。

【図３】本実施の形態に係るシールド掘進機のカッタヘ
ッドの正面図である。

【図４】図３に示すシールド掘進機のカッタヘッドのＡ
−Ａ線断面図である。

【図５】図３に示すＢ点から見た場合のスポーク付近の
部分断面図である。

【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、２つの先行ビットと１つの
後行ビットの相互作用によって地山を切り出し掘削する
手順を示す模式図である。

【図７】本実施の形態におけるカッタヘッドの回転数の
推移を示す模式図である。

【図８】切り込み深さとジャッキの推進速度とに対応し
たカッタヘッドの回転数データを示す図である。

【図９】本実施の形態における制御の手順を示すフロー
チャートである。

【図１０】カッタヘッドの回転数を固定した状態で掘進
した場合の固形回収率を示す図である。

【符号の説明】

２ シールド掘進機 ２２ カッタヘッド ２６ セグメント ２８、６２ ジャッキ ３０ モーター ３１ 入力装置 ３２ コンピュータ ３４ 記憶装置 ３６ 情報記憶媒体 ３７〜３９ 検出装置 ４０ 調泥剤タンク ４２ 溶解防止剤タンク ４４ スタティックミキサー ４６ 粘性計 ４８ 制御装置 ５０ 送泥管 ５２ 排泥管 ６０ 先行ビットユニット ６４ ガイド部 ７０〜８０ 先行ビット ９０ 後行ビット １００ 羽根体 １０２ 排泥ポンプ １１０ 掘削物 １２０ 固体測定装置 ２００ 切羽 ２１０ チャンバ ２７０〜２７３ 軌跡 ３００ 先行掘削部分 ３１０ 後行掘削部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 匡剛 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 中村 幸之助 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 岩井 義雄 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 浅井 康彦 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 清水 義治 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 吉田 英 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 鈴木 俊夫 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 石 川島播磨重工業株式会社内 (72)発明者 佐久間 裕治 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 石 川島播磨重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AC05 BA03 BB09 DA12 GA13 GA42 GA65 GA72 GA93

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先行ビットおよび後行ビットを備えたカ
   ッタヘッドの回転により、掘進経路にある地山を、固形
   状態で切り出し掘削するシールド掘進機であって、 前記先行ビットおよび前記後行ビットの切り出し掘削深
   さ並びにシールド掘進機の掘進速度を設定するための設
   定手段と、 この設定手段による前記先行ビットおよび前記後行ビッ
   トの切り出し掘削深さ並びにシールド掘進機の掘進速度
   の設定に基づき、前記カッタヘッドの回転数を自動的に
   制御する制御手段と、 を含むことを特徴とするシールド掘進機。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記先行ビットおよび前記後行ビットがユニット化され
   てスポークユニットに設けられ、当該スポークユニット
   が掘進方向に進退自在に前記カッタヘッドに設けられて
   いることを特徴とするシールド掘進機。
3. 【請求項３】 先行ビットおよび後行ビットを備えたカ
   ッタヘッドの回転により、掘進経路にある地山を、固形
   状態で切り出し掘削する掘進機の掘進制御システムであ
   って、 掘進速度および切り出し掘削深さを設定するための設定
   手段と、 この設定された掘進速度および切り出し掘削深さに基づ
   き、前記カッタヘッドの回転数を制御する制御手段と、 を含むことを特徴とする掘進制御システム。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記掘進速度および前記切り出し掘削深さと前記カッタ
   ヘッドの回転数が関連づけられた回転数データが記憶さ
   れた記憶手段を含み、 前記制御手段は、前記回転数データに基づき、前記回転
   数を制御することを特徴とする掘進制御システム。
5. 【請求項５】 請求項３、４のいずれかにおいて、 前記カッタヘッドの回転数を検出する検出手段を含み、 前記制御手段は、この検出結果に基づき、前記カッタヘ
   ッドの回転数をフィードバック制御することを特徴とす
   る掘進制御システム。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかにおいて、 前記カッタヘッドの回転により切り出し掘削された掘削
   土砂を坑外に搬出するための搬出経路を有する搬出手段
   と、 前記搬出経路に前記掘削土砂の大きさを測定するための
   掘削物測定手段と、 を含むことを特徴とする掘進制御システム。