JP2012233372A

JP2012233372A - 土圧管理装置

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Publication number: JP2012233372A
Application number: JP2011104265A
Authority: JP
Inventors: Kei Igasaki; 圭伊賀崎; Taiji Morita; 泰司森田; Katsuhiko Takakura; 克彦高倉; Jun Kawakita; 潤川北
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP5584650B2

Abstract

【課題】カッターヘッド背面の攪拌翼の影響を排除可能な土圧管理装置を提供すること。
【解決手段】チャンバ内の土圧を計測するための複数の土圧センサ１，１，…、攪拌翼１２の位置を検出するための位置センサ２、総ての土圧センサ１，１，…で同時刻に取得された土圧データの相加平均Ａ_tを算出する第一平均演算手段３、攪拌翼１２の近傍に位置する土圧センサ１以外の土圧センサ１で取得された土圧データの相加平均Ｂ_tを算出する第二平均演算手段５、相加平均Ａ_tが管理下限値以上、管理上限値以下であるか否かを判定する第一土圧範囲判定手段６、表示用土圧データを作成する表示用土圧データ作成手段８を備え、表示用土圧データ作成手段８は、第一土圧範囲判定手段６で肯定判定がなされた場合には相加平均Ａ_tに基づいて表示用土圧データを作成し、第一土圧範囲判定手段６で否定判定がなされた場合には相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールドマシン用の土圧管理装置に関する。

密閉型土圧式（泥土圧式を含む）のシールドマシンを掘進させる際には、チャンバ内の土圧（泥土圧を含む）を計測し、得られた土圧データに基づいて掘削管理を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２５５１１７号公報

切羽の安定状態を的確に判断するためには、土圧変動を的確に把握する必要がある。切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することができれば、トンネル掘削作業の安全性が高まることになる。

本発明は、チャンバ内の土圧を管理するための土圧管理装置であって、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することが可能な土圧管理装置を提供することを課題とする。

チャンバ内の土圧変動の原因を本願発明者が追求したところ、カッターヘッド背面の攪拌翼（練混ぜ翼）がチャンバ内の掘削土（加泥材が混練された掘削土を含む）を押し退けながら進行（旋回）することに伴い、攪拌翼の進行方向前側の領域では土圧が上昇し、攪拌翼の進行方向後側の領域では土圧が下降する傾向にあることが判明した。本発明は、かかる知見に基づいて創案されたものである。

上記課題を解決する本発明は、カッターヘッドの背面に攪拌翼を備えたシールドマシンに適用される土圧管理装置であって、チャンバ内の土圧を計測するための複数の土圧センサと、前記攪拌翼の位置を検出するための位置センサと、総ての前記土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均を算出する第一平均演算手段と、前記攪拌翼の近傍に位置する前記土圧センサ以外の前記土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均を算出する第二平均演算手段と、前記第一平均演算手段で算出された相加平均が管理下限値以上、管理上限値以下であるか否かを判定する第一土圧範囲判定手段と、表示手段に表示すべき表示用土圧データを作成する表示用土圧データ作成手段とを備え、前記表示用土圧データ作成手段は、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が肯定判定となった場合には、前記第一平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成し、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、前記第二平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成する、ことを特徴とする。

要するに、本発明は、総ての土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均（以下「全データの相加平均」という。）が、（管理下限値）≦（全データの相加平均）≦（管理上限値）、という関係を満たしている場合には、全データの相加平均に基づいて表示用土圧データを作成し、（全データの相加平均）＜（管理下限値）、あるいは、（管理上限値）＜（全データの相加平均）である場合には、攪拌翼の近傍に位置する土圧センサ以外の土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均（以下「近傍データ除外後の相加平均」という。）に基づいて表示用土圧データを作成する、というものである。

「全データの相加平均」を使用すれば、特定の土圧センサが攪拌翼の影響を受けていたとしても、その影響が緩和されるようになるので、特定の土圧センサから出力される一時的な異常値や誤差に惑わされることなく、掘削管理を行うことが可能となる。また、全データの相加平均が管理基準を外れた場合には、「近傍データ除外後の相加平均」が使用されるところ、「近傍データ除外後の相加平均」には、攪拌翼の近傍に位置する土圧センサ（＝攪拌翼の影響を受ける可能性のある土圧センサ）で取得された土圧データが含まれていないので、攪拌翼の影響に惑わされることなく掘削管理を行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動などを容易に把握することが可能となり、ひいては、精度の高い掘削管理を行うことが可能となる。なお、攪拌翼の旋回に起因した土圧変動は、攪拌翼の旋回に伴って周期的かつ一時的に発生するものであり、切羽の安定状態とは関連していないから、攪拌翼の影響を受けた土圧データを排除しても、特段の問題は生じない。

土圧データを取得する度に第一土圧範囲判定手段での判定処理を実行してもよいが、攪拌翼の影響による土圧変動は「周期的」かつ「一時的」となる筈であるから、「データ除外時間」を予め設定しておいてもよい。
すなわち、前記表示用土圧データ作成手段は、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、否定判定となった時刻から予め設定したデータ除外時間が経過するまで、「近傍データ除外後の相加平均」に基づいて前記表示用土圧データを作成し、前記データ除外時間が経過した後は、「全データの相加平均」に基づいて前記表示用土圧データを作成する、というものであってもよい。

なお、「近傍データ除外後の相加平均」が依然として管理基準から外れているケースは、攪拌翼以外の要因による土圧変動が想定されるケースであるので、かかる土圧変動が排除されないよう、全データの相加平均に基づいて表示用土圧データを作成することが好ましい。すなわち、「近傍データ除外後の相加平均」が前記管理下限値以上、前記管理上限値以下であるか否かを判定する第二土圧範囲判定手段を設けるとともに、前記第二土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果に関わらず、「全データの相加平均」に基づいて前記表示用土圧データを作成する、という機能を前記表示用土圧データ作成手段に付加するとよい。

前記表示用土圧データ作成手段に、一つの前記土圧センサで取得された土圧データを使用して前記表示用土圧データを作成する機能を付加してもよい。攪拌翼の旋回に起因した異常値は、「周期的」かつ「一時的」に出力されるのに対し、攪拌翼以外の原因による異常値は、継続的に出力されるケースが多いところ、一つの土圧センサから取得された土圧データを単独で表示すれば、異常値が継続しているか否かを把握することが可能となるので、攪拌翼以外の原因による異常値を的確に把握することが可能となる。

本発明によれば、チャンバ内の土圧を管理するにあたり、カッターヘッド背面の攪拌翼の影響を緩和あるいは排除することが可能となるので、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することができ、ひいては、トンネル掘削作業の安全性が高まるようになる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る土圧管理装置のブロック図、（ｂ）は土圧センサおよび位置センサの設置場所を示す模式図である。本発明の実施形態に係る土圧管理装置の動作を説明するためのフローチャートである。（ａ）は相加平均の時刻歴（表示用土圧データ）を示すグラフ、（ｂ）は一つの土圧センサで取得された土圧データの時刻歴（表示用土圧データ）を示すグラフである。本発明の実施形態に係る土圧管理装置が適用されるシールドマシンの概略断面図、（ｂ）は攪拌翼の影響範囲を説明するための拡大断面図である。（ａ）および（ｂ）は、攪拌翼と土圧センサとの位置関係を説明するための模式図である。

本発明の実施形態に係るシールド用土圧管理装置は、密閉型泥土圧式のシールドマシン１０（図４参照）の掘削管理に使用されるものである。

シールドマシン１０は、図４の（ａ）に示すように、カッターヘッド１１、攪拌翼１２，１２，…、隔壁１３、排土手段１４、加泥材注入系統１５などを備えている。カッターヘッド１１で切削された掘削土は、加泥材注入口系統１５から注入された加泥材とともにチャンバ（カッターヘッド１１と隔壁１３との間の空間）内に取り込まれ、攪拌翼１２，１２，…によって攪拌されつつ、排土手段１４によってチャンバ内から排出される。攪拌翼１２，１２，…は、チャンバ内に取り込まれた掘削土の塑性流動化を促すとともに、掘削土の付着や堆積を防止する目的で配置されるものであり、カッターヘッド１１の背面に取り付けられている。攪拌翼１２の形状に制限はないが、本実施形態のものは円柱状である。

図１の（ｂ）に示すように、カッターヘッド１１は、その回転軸から放射状に延出する複数本（本実施形態では四本）のカッタースポーク１１ａ〜１１ｄを具備している。カッタースポーク１１ａ〜１１ｄは、９０度ピッチで十字状に配置されている。

攪拌翼１２，１２，…は、カッターヘッド１１の回転に伴って、カッターヘッド１１の回転軸を中心にして旋回する。本実施形態では、１本のカッタースポークにつき内外二つの攪拌翼１２，１２が取り付けられている。

内周側の攪拌翼１２，１２，…は、第一の移動ルートＰに沿って旋回し、外周側の攪拌翼１２，１２，…は、第二の移動ルートＱに沿って旋回する。移動ルートＰ，Ｑは、攪拌翼１２の中心軸線の移動軌跡を隔壁１３に投影したものであり、カッターヘッド１１の回転軸を中心とした同心円となる。

本実施形態の土圧管理装置は、シールドマシン１０に装備される土圧センサ１，１，…および位置センサ２、コンピュータによって構成される第一平均演算手段３、位置判定手段４、第二平均演算手段５、第一土圧範囲判定手段６、第二土圧範囲判定手段７および表示用土圧データ作成手段８、ディスプレイによって構成される表示手段９を備えている。

土圧センサ１は、チャンバ内の土圧を測定するためのセンサであり、図４の（ａ）に示すように、隔壁１３に装着されている。土圧センサ１の受圧部は、隔壁１３と面一となるように設けられていて、チャンバ内に露出している。本実施形態の土圧センサ１は、ひずみゲージ式の土圧センサであり、受圧部に作用した土圧に相関する電圧値を出力する。土圧センサ１から出力された電圧値（生データ）は、図示せぬ測定手段（図示略）において土圧値（土圧データ）に変換された後、図１の（ａ）に示すように、第一平均演算手段３、第二平均演算手段５および表示用土圧データ作成手段８において使用される。なお、測定手段は、土圧センサ１から出力された電圧値のアナログデータを所定のサンプリング時間Δｔごとにサンプリングするとともに、サンプリングされた電圧値（デジタル化された電圧値）に校正係数を乗じることで、電圧値を土圧データに変換し、得られた土圧データを第一平均演算手段３、第二平均演算手段４および表示用土圧データ作成手段８に出力する。

土圧センサ１の数に制限はないが、図１の（ｂ）に示すように、本実施形態では八つである。土圧センサ１の設置位置にも制限はないが、本実施形態では、八つの土圧センサ１，１，…のうちの五つを移動ルートＰ，Ｑによって挟まれた円帯領域に設置し、残り三つを移動ルートＰの外側に設置している。

なお、以下の説明において、複数の土圧センサ１，１，…を区別する場合には、内周側の土圧センサ１，１，…に符号１ａ〜１ｅを付し、外周側の土圧センサ１，１，…に符号１ｆ〜１ｈを付す。

図１の（ｂ）において、土圧センサ１ａ〜１ｅの近傍の移動ルートＰ上に描かれた実線の太線部分は、データ除外区間Ｒａ〜Ｒｅを示す仮想線であり、土圧センサ１ｆ〜１ｈの近傍の移動ルートＱ上に描かれた実線の太線部分は、データ除外区間Ｒｆ〜Ｒｈを示す仮想線である。

データ除外区間Ｒａ〜Ｒｈは、いずれも、土圧センサ１の近傍に設定された仮想的な領域である。データ除外区間Ｒａ〜Ｒｈは、攪拌翼１２の旋回に伴う土圧変動が及ぶ範囲（以下「影響範囲」という。）を考慮して設定する。すなわち、攪拌翼１２は、チャンバ内の掘削土を押し退けながら旋回（進行）するので、攪拌翼１２の進行方向前側の領域では土圧が上昇し、攪拌翼１２の進行方向後側の領域では土圧が下降する傾向にあるが、このような土圧変動は、攪拌翼１２の近傍で顕著に現れ、攪拌翼１２から離れるに従って小さくなる。攪拌翼１２の影響範囲は、攪拌翼１２の形状や寸法によって変化するが、図４の（ｂ）に示すように、攪拌翼１２の最大外径部の先端から４５度の角度で広がる円錐台状の範囲に及ぶと仮定とし、攪拌翼１２の最大外径をＤ、最大外径部の先端と隔壁１３との離隔距離をｘとすると、隔壁１３の位置においては、直径（Ｄ＋２ｘ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となる。例えば、Ｄ＝２００ｍｍ、ｘ＝８０ｍｍである場合、隔壁１３の位置においては、直径３６０ｍｍ（＝１．８Ｄ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となり、Ｄ＝１５０ｍｍ、ｘ＝１００ｍｍである場合、隔壁１３の位置においては、直径３５０ｍｍ（≒２．３Ｄ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となる。

上記の影響範囲を考慮し、本実施形態では、移動ルートＰから土圧センサ１ａ〜１ｅの受圧部までの距離が（Ｄ／２＋ｘ）となる区間をデータ除外区間Ｒａ〜Ｒｅとし、移動ルートＱから土圧センサ１ｆ〜１ｈの受圧部までの距離が（Ｄ／２＋ｘ）となる区間をデータ除外区間Ｒｆ〜Ｒｈとしている。

位置センサ２は、攪拌翼１２の位置を検出するためのものである。位置センサ２で取得された位置データは、図１の（ａ）に示すように、位置判定手段４で使用される。位置センサ２の種類に制限はないが、本実施形態の位置センサ２は、アブソリュート型のロータリーエンコーダからなり、図１の（ｂ）に示すように、カッタースポーク１１ａ（以下「基準カッタースポーク１１ａ」という。）の基準線Ｓからの回転角度θ_aを検出することができる。なお、本実施形態では、カッターヘッド１１の回転軸とトンネル天端とを結ぶ線分を基準線Ｓとしている。

図１の（ａ）に示す第一平均演算手段３、位置判定手段４、第二平均演算手段５、第一土圧範囲判定手段６、第二土圧範囲判定手段７および表示用土圧データ作成手段８は、コンピュータによって実現される。このコンピュータは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）や記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクなど）のほか、土圧センサ１、位置センサ２および表示手段９との間でデータのやり取りを行うためのインターフェースなどを備えている。記憶装置には、コンピュータを第一平均演算手段３、位置判定手段４、第二平均演算手段５、第一土圧範囲判定手段６、第二土圧範囲判定手段７および表示用土圧データ作成手段８として機能させるためのプログラムが格納されており、記憶装置から読み出したプログラムをＣＰＵで実行すると、コンピュータが第一平均演算手段３、位置判定手段４、第二平均演算手段５、第一土圧範囲判定手段６、第二土圧範囲判定手段７および表示用土圧データ作成手段８として機能するようになる。

表示手段９は、表示用土圧データ作成手段８から出力された表示用土圧データを表示するディスプレイである。

第一平均演算手段３、位置判定手段４、第二平均演算手段５、第一土圧範囲判定手段６、第二土圧範囲判定手段７および表示用土圧データ作成手段８の構成をより詳細に説明する。

第一平均演算手段３は、総ての土圧センサ１，１，…で同時刻に取得された土圧データの相加平均（全データの相加平均）Ａ_tを算出する。すなわち、ｎ個（本実施形態では、ｎ＝８）の土圧センサ１ａ〜１ｈで時刻ｔに取得された土圧データをｄ_a,t，ｄ_b,t，…ｄ_h,tとすると、第一平均演算手段３は、式（Ａ）により相加平均Ａ_tを算出する。相加平均Ａ_tは、第一土圧範囲判定手段６および表示用土圧データ作成手段８で使用される。
（Ａ）Ａ_t＝（ｄ_a,t＋ｄ_b,t＋…＋ｄ_h,t）／ｎ

位置判定手段４は、位置センサ２から出力された位置データに基づいて、土圧センサ１の近傍に攪拌翼１２が位置しているか否かを判定する。

なお、以下では、基準カッタースポーク１１ａに固定された攪拌翼１２に符号１２ａを付す場合があり、また、他のカッタースポーク１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに固定された攪拌翼１２に、それぞれ、符号１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを付す場合がある。

位置判定手段４は、まず、位置センサ２から出力された位置データ（基準線Ｓに対する基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_a）を読み込むとともに、読み込んだ位置データに基づいて攪拌翼１２ａの位置（回転角度）を算出する。攪拌翼１２ａの回転角度は、本実施形態では基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_aと同じである。なお、他の攪拌翼１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの回転角度θ_b，θ_c，θ_dは、（ア）〜（ウ）により算出すればよい。
（ア） θ_b＝θ_a＋90度（0≦θ_a＜270度の場合）
θ_b＝θ_a−270度（270度≦θ_a＜360度の場合）
（イ） θ_c＝θ_a＋180度（0≦θ_a＜180度の場合）
θ_c＝θ_a−180度（180度≦θ_a＜360度の場合）
（ウ） θ_d＝θ_a＋270度（0≦θ_a＜90度の場合）
θ_d＝θ_a−90度（90度≦θ_a＜360度の場合）

基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_aが得られると、位置判定手段４は、土圧センサ１の近傍に攪拌翼１２が位置しているか否かを判定する処理を行う。位置判定手段４は、判定結果が肯定判定となった場合には、肯定判定がなされたことを示す「肯定判定情報」を生成する（例えば、判別フラグを「１」に設定する）とともに、肯定判定がなされたときに土圧センサ１で取得された土圧データに対して肯定判定情報を付与する処理を実行する。また、位置判定手段４は、判定結果が否定判定となった場合には、否定判定がなされたことを示す否定判定情報を生成する（例えば、判別フラグを「０」に設定する）とともに、否定判定がなされたときに土圧センサ１で取得された土圧データに対して否定判定情報を付与する処理を実行する。

例えば、データ除外区間Ｒａの始点が基準線Ｓに対して角度α_aだけ回転した位置に設定されており、データ除外区間Ｒａの終点が基準線Ｓに対して角度β_a（＞α_a）だけ回転した位置に設定されている場合であれば、位置判定手段４は、（１）〜（４）に示す条件のいずれか一つが成立したときに、土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置していることを示す肯定判定情報を生成し、土圧センサ１ａで取得された土圧データに対して肯定判定情報を付与する（例えば、土圧センサ１ａで取得された土圧データに判別フラグ「１」を関連付ける）。
（１） α_a＜θ_a＜β_a
（２） α_a＋90度＜θ_a＜β_a＋90度
（３） α_a＋180度＜θ_a＜β_a＋180度
（４） α_a＋270度＜θ_a＜β_a＋270度

また、位置判定手段４は、（１）〜（４）に示す条件がいずれも成立しないときには、土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置していないことを示す否定判定情報を生成し、土圧センサ１ａで取得された土圧データに対して否定判定情報を付与する（例えば、土圧センサ１ａで取得された土圧データに判別フラグ「０」を関連付ける）。

なお、（１）の条件が成立したときには、基準カッタースポーク１１ａが第一のデータ除外区間Ｒａに位置することになるが、（２）〜（４）の条件が成立したときには、カッタースポーク１１ｂ〜１１ｄが第一のデータ除外区間Ｒａに位置することになる。

位置判定手段４は、土圧センサ１ｂ〜１ｈ（データ除外区間Ｒｂ〜Ｒｈ）に対しても、上記と同様の手法により、土圧センサ１ｂ〜１ｈの近傍に攪拌翼１２が位置しているか否かを判定する処理を実行する。

第二平均演算手段５は、攪拌翼１２の近傍に位置する土圧センサ１以外の土圧センサ１で同時刻（時刻ｔ）に取得された土圧データの相加平均（近傍データ除外後の相加平均）Ｂ_tを算出する。

本実施形態の第二平均演算手段５は、土圧センサ１ａ〜１ｈによって取得された土圧データ群のうち、位置判定手段４の判定結果が肯定判定であるときに取得された土圧データ（すなわち、判別フラグが「１」となっている土圧データ）を除外し、位置判定手段４の判定結果が否定判定であるときに取得された土圧データ（すなわち、判別フラグが「０」となっている土圧データ）を使用して、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tを算出する。より具体的に説明すると、例えば、図５の（ａ）に示す状態においては、土圧センサ１ｂ，１ｄで取得された土圧データｄ_b,t、ｄ_d,tに肯定判定情報（判別フラグ「１」）が付与されるので、第二平均演算手段５は、土圧センサ１ｂ，１ｄ以外の土圧センサ１ａ，１ｃ，１ｅ〜１ｈで取得された土圧データｄ_a,t，ｄ_c,t，ｄ_e,t〜ｄ_h,tの相加平均Ｂ_tを算出する。また、例えば、図５の（ｂ）に示す状態においては、土圧センサ１ｂ，１ｄ，１ｅ，１ｆで取得された土圧データｄ_b,t，ｄ_d,t，ｄ_e,t，ｄ_f,tに肯定判定情報（判別フラグ「１」）が付与されるので、第二平均演算手段５は、土圧センサ１ｂ，１ｄ，１ｅ，１ｆ以外の土圧センサ１ａ，１ｃ，１ｇ，１ｈで取得された土圧データｄ_a,t，ｄ_c,t，ｄ_g,t，ｄ_h,tの相加平均Ｂ_tを算出する。

図１の（ａ）に示す第一土圧範囲判定手段６は、全データの相加平均Ａ_tが管理下限値Ｄ_min以上、管理上限値Ｄ_max以下であるか否かを判定する。

第一土圧範囲判定手段６は、まず、全データの相加平均Ａ_tを読み込むとともに、事前に設定した管理下限値Ｄ_minおよび管理上限値Ｄ_maxを記憶手段（図示略）から読み込み、Ｄ_min≦Ａ_t≦Ｄ_maxを満足するか否かを判定する処理を行う。第一土圧範囲判定手段６は、判定結果が否定判定となった場合（すなわち、相加平均Ａ_t＜管理下限値Ｄ_min、あるいは、管理上限値Ｄ_max＜相加平均Ａ_tである場合）には、管理フラグＦを「１」に設定する。

第二土圧範囲判定手段７は、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tが管理下限値Ｄ_min以上、管理上限値Ｄ_max以下であるか否かを判定する。

第二土圧範囲判定手段７は、まず、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tを読み込むとともに、管理下限値Ｄ_minおよび管理上限値Ｄ_maxを記憶手段（図示略）から読み込み、Ｄ_min≦Ｂ_t≦Ｄ_maxを満足するか否かを判定する処理を行う。本実施形態の第二土圧範囲判定手段７は、管理フラグＦが「１」である場合に前記処理を行い、判定結果が否定判定となった場合（すなわち、相加平均Ｂ_t＜管理下限値Ｄ_min、あるいは、管理上限値Ｄ_max＜相加平均Ｂ_tである場合）には、管理フラグＦを「０」に戻す処理を行う。

表示用土圧データ作成手段８は、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が肯定判定であった場合には、全データの相加平均Ａ_tに基づいて表示用土圧データを作成し、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定であった場合には、原則として、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データを作成する。

表示用土圧データ作成手段８は、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定となった場合（管理フラグＦが「１」の場合）には、否定判定となった時刻から予め設定したデータ除外時間Ｔ（＞サンプリング時間Δｔ）が経過するまで、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データを作成し、データ除外時間Ｔが経過した後は、全データの相加平均Ａ_tに基づいて表示用土圧データを作成する。

また、表示用土圧データ作成手段８は、データ除外時間Ｔが経過するまでに第二土圧範囲判定手段７の判定結果が否定判定となった場合には、第一土圧範囲判定手段６の判定結果に関わらず、全データの相加平均Ａ_tに基づいて表示用土圧データを作成し、管理フラグＦを「０」に戻す処理を行う。

なお、データ除外時間Ｔは、カッターヘッド１１の回転速度、カッターヘッド１１の回転軸から攪拌翼１２までの距離、攪拌翼１２の影響範囲の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。例えば、カッターヘッド１１の回転速度が「０．７〜１回転／分」である場合には、カッターヘッド１１は１秒間に約４〜６度回転し、カッターヘッド１１の回転軸から１．５ｍ離れた攪拌翼１２の移動距離は、１秒間に約１００〜１６０ｍｍとなり、５．０ｍ離れた攪拌翼１２の移動距離は、１秒間に約３５０〜５２０ｍｍとなるので、データ除外時間Ｔは、１〜２秒程度に設定すればよい。

本実施形態の表示用土圧データ作成手段８は、前記した機能に加えて、一つの土圧センサ１（本実施形態では土圧センサ１ａ）で取得された土圧データを使用して表示用土圧データを作成する機能を具備している。

ここで、チャンバ内の平均土圧の時刻歴データを表示手段９に表示させる場合を例にして、土圧管理装置の動作を説明する。なお、図２のフローチャートは、土圧データをサンプリングする度に繰り返し実行する。また、管理フラグＦは「０」に設定されているものとする。

図２に示すように、土圧管理装置は、まず、ステップ１０１〜ステップ１０３を順次実行する。

ステップ１０１では、土圧センサ１ａ〜１ｈを使用して時刻ｔにおける土圧データｄ_a,t，ｄ_b,t，…ｄ_h,tを取得するとともに、位置センサ２を使用して時刻ｔにおける攪拌翼１２（カッタースポーク１１ａ）の位置データを取得する。

ステップ１０２では、第一平均演算手段３において、時刻ｔに取得した全土圧データの相加平均Ａ_tを算出するとともに、第二平均演算手段５において、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tを算出する。

ステップ１０３では、管理フラグＦが「０」であるか否かを判定する。管理フラグＦが「０」である場合にはステップ１０４に進み、管理フラグＦが「１」である場合にはステップ１０８に進む。

ステップ１０４に進んだ場合には、第一土圧範囲判定手段６において、相加平均Ａ_tが管理下限値Ｄ_min以上、管理上限値Ｄ_max以下であるか否かを判定する。肯定判定（Ｄ_min≦Ａ_t≦Ｄ_max）である場合には、管理フラグＦを「０」に設定した後（ステップ１０５）、ステップ１０６に進み、否定判定（Ａ_t＜Ｄ_min、Ｄ_max＜Ａ_t）である場合には、管理フラグＦを「１」に設定した後（ステップ１０７）、ステップ１０８に進む。

ステップ１０６に進んだ場合には、表示用土圧データ作成手段８において、相加平均Ａ_tを表示用土圧データＣ_tに設定する。

ステップ１０８に進んだ場合には、第二土圧範囲判定手段７において、相加平均Ｂ_tが管理下限値Ｄ_min以上、管理上限値Ｄ_max以下であるか否かを判定する。肯定判定（Ｄ_min≦Ｂ_t≦Ｄ_max）である場合にはステップ１０９に進み、否定判定（Ｂ_t＜Ｄ_min、Ｄ_max＜Ｂ_t）である場合には、管理フラグＦを「０」に戻した後（ステップ１１１）、ステップ１０６に進む。

ステップ１０９に進んだ場合には、表示用土圧データ作成手段８において、ステップ１０４で否定判定となった時刻（図３の（ａ）においては時刻ｔ₂）からの時間がデータ除外時間Ｔ内であるか否かを判定する。肯定判定である場合にはステップ１１０に進み、否定判定である場合には、管理フラグＦを「０」に戻した後（ステップ１１２）、ステップ１０６に進む。

ステップ１１０に進んだ場合には、表示用土圧データ作成手段８において、相加平均Ｂ_tを表示用土圧データＣ_tに設定する。

図２のフローをサンプリング時間Δｔごとに繰り返し、時刻を横軸として表示用土圧データＣ₀，Ｃ_Δt，…，Ｃ_t-Δt，Ｃ_t，Ｃ_t+Δt，…を連ねると、図３の（ａ）に示すような時刻歴データが表示手段９に表示されるようになる。

すなわち、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が肯定判定となった時間帯（図３の（ａ）において時刻０〜ｔ₁，ｔ₄〜ｔ₅）においては、全データの相加平均Ａ_tが表示されるようになり、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定となり且つ第二土圧範囲判定手段７の判定結果が肯定判定となった時間帯（時刻ｔ₂からデータ除外時間Ｔが経過するまで（図３の（ａ）において時刻ｔ₂〜ｔ₃））は、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tが表示されるようになる。なお、図３の（ａ）においては、データの切り替え部分が分かるよう、折れ線グラフの一部（時刻ｔ₁〜ｔ₂、ｔ₃〜ｔ₄、ｔ₅〜ｔ₆、ｔ₇〜ｔ₈）を不連続としているが、連続するように加工しても勿論差し支えない。

「全データの相加平均Ａ_t」を表示すれば、特定の土圧センサ１が攪拌翼１２の影響を受けていたとしても、その影響が緩和されるようになるので、特定の土圧センサ１から出力される一時的な異常値に惑わされることなく、掘削管理を行うことが可能となる。また、「近傍データ除外後の相加平均Ｂ_t」には、攪拌翼１２の近傍に位置する土圧センサ１で取得された土圧データが含まれていないので、攪拌翼１２の影響に惑わされることなく掘削管理を行うことが可能となる。

なお、時刻ｔ₆において、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定（ステップ１０４においてＮｏ）となり、相加平均Ｂ_tが表示されるようになるが、時刻ｔ₇以降は、第二土圧範囲判定手段７の判定結果が否定判定（ステップ１０８においてＮｏ）となる結果、時刻ｔ₆からデータ除外時間Ｔが経過する前であっても、相加平均Ａ_tが表示されるようになる。

図２のフローチャートには示していないが、表示用土圧データ作成手段８は、土圧センサ１ａで取得された土圧データｄ_a,tを使用して表示用土圧データを作成する。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、表示手段９には、土圧センサ１ａで取得された土圧データｄ_a,tの時刻歴が表示されるようになる。

以上説明した本実施形態に係る土圧管理装置によれば、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動などを容易に把握することが可能となり、ひいては、精度の高い掘削管理を行うことが可能となる。

なお、「全データの相加平均Ａ_t」に加えて「近傍データ除外後の相加平均Ｂ_t」が管理基準から外れているケース（図３の（ａ）においては時刻ｔ₇以降）は、攪拌翼１２以外の要因による土圧変動が想定されるケースであるところ、本実施形態に係る土圧管理装置によれば、攪拌翼１２以外の要因による土圧変動が想定されるケースとなったときに「全データの相加平均Ａ_t」が表示されるようになるので、攪拌翼１２以外の要因による土圧変動を的確に把握することが可能となる。

また、本実施形態に係る土圧管理装置によれば、相加平均の時刻歴に加えて、一つの土圧センサ１ａから取得された土圧データの時刻歴が表示されるので、相加平均の時刻歴と対比しながら監視をすることが可能となり、ひいては、異常値が継続しているか否かを把握することが可能となる。

なお、本実施形態では、第二土圧範囲判定手段７を設け、第二土圧範囲判定手段７の判定結果が否定判定となった場合には、全データの相加平均Ａ_tに基づいて表示用土圧データを作成したが、第二土圧範囲判定手段７を省略してもよい。この場合には、図２のフローチャートにおいて、ステップ１０８とステップ１１１が省略され、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定となった後は、データ除外時間Ｔが経過するまで、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データが作成されることになる。

また、本実施形態では、データ除外時間Ｔが経過したか否かを判定し（図２のステップ１０９参照）、データ除外時間Ｔが経過するまでの間は、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データを作成したが、ステップ１０９を省略してもよい。この場合には、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定となったとき（ステップ１０８が存在するときには、第一土圧範囲判定手段６の判定結果が否定判定となり、且つ、第二土圧範囲判定手段７の判定結果が肯定判定となったとき）に、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tに基づいて表示用土圧データが作成されることになる。

本実施形態では、攪拌翼１２がデータ除外区間Ｒａ〜Ｒｈに入っている場合に、対応する土圧センサ１を除外する場合を例示したが、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tを算出する際に除外する土圧データを、攪拌翼１２との離隔距離が最も小さい土圧センサ１で取得された土圧データとしてもよい。このようにすると、近傍データ除外後の相加平均Ｂ_tを算出する際に除外される土圧データを必要最小限に止めることができる。

１土圧センサ
２位置センサ
３第一平均演算手段
４位置判定手段
５第二平均演算手段
６第一土圧範囲判定手段
７第二土圧範囲判定手段
８表示用土圧データ作成手段
９表示手段
１０シールドマシン
１１カッターヘッド
１２攪拌翼

Claims

カッターヘッドの背面に攪拌翼を備えたシールドマシンに適用される土圧管理装置であって、
チャンバ内の土圧を計測するための複数の土圧センサと、
前記攪拌翼の位置を検出するための位置センサと、
総ての前記土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均を算出する第一平均演算手段と、
前記攪拌翼の近傍に位置する前記土圧センサ以外の前記土圧センサで同時刻に取得された土圧データの相加平均を算出する第二平均演算手段と、
前記第一平均演算手段で算出された相加平均が管理下限値以上、管理上限値以下であるか否かを判定する第一土圧範囲判定手段と、
表示手段に表示すべき表示用土圧データを作成する表示用土圧データ作成手段と、を備え、
前記表示用土圧データ作成手段は、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が肯定判定となった場合には、前記第一平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成し、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、前記第二平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成する、ことを特徴とする、土圧管理装置。
前記表示用土圧データ作成手段は、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、否定判定となった時刻から予め設定したデータ除外時間が経過するまで、前記第二平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成し、前記データ除外時間が経過した後は、前記第一平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成する、ことを特徴とする請求項１に記載の土圧管理装置。
前記第二平均演算手段で算出された相加平均が前記管理下限値以上、前記管理上限値以下であるか否かを判定する第二土圧範囲判定手段をさらに備え、
前記表示用土圧データ作成手段は、前記第二土圧範囲判定手段の判定結果が否定判定となった場合には、前記第一土圧範囲判定手段の判定結果に関わらず、前記第一平均演算手段で算出された相加平均に基づいて前記表示用土圧データを作成する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の土圧管理装置。
前記表示用土圧データ作成手段は、一つの前記土圧センサで取得された土圧データを使用して前記表示用土圧データを作成する機能を有する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の土圧管理装置。