JP2015094155A - シールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド掘進機のチャンバー内の実際の土砂の流動化の状態を判断できる装置を提供する。
【解決手段】実際に掘削した土砂の流動性の変化を音速の変化としてとらえ、あらかじめ音速を測定してテーブルと比較してチャンバー内部の土砂がどの程度の流動化状態にあるかを推測する。
【選択図】図２

Description

本発明はシールド掘進機のチャンバー内における掘削土砂の塑性流動化を可視化するための装置に関するものである。

泥土圧を利用したシールド掘進機では、チャンバー内で掘削土砂の塑性流動化の処理を行い、その状態の土砂をスクリューコンベアでチャンバー外へ搬出する構造を採用している。
その際に、掘削土砂を塑性流動化した泥土によって切羽圧をバランスさせながら掘削することが特徴である。
その場合にチャンバー内において掘削した土砂と流動化剤が均一に混合され良好な流動化状態にあるか否かが大きな問題である。
しかし現状では密室であるチャンバー内で均一に塑性流動化処理が行われたか分からない状態である。
その結果、流動化できていない固形化した土砂がコンベア内でスクリューと外管との内部で詰まって閉塞してしまい、排土の障害となるケースが発生している。
さらに掘削土砂の流動化が不十分であると、泥土の不透水性が不完全となり、水圧によってスクリューコンベアの排土口から水が墳発するなどのトラブルが発生する場合もある。
その点に着目した発明として非特許文献１記載のような技術も開発されているが、粘性流体力学を基本とする土砂流動解析を用いた解析モデルの構築によって行うものである。

「大断面泥土圧シールドにおけるチャンバー内可視化技術」土木学会第５９回年次学術講演会（平成１６年９月）記録の６−０２３

前記したチャンバー内可視化技術はチャンバー内の撹拌フィンの形状、配管、動作、回転トルクなどから流体力学的な解析を行う試みであり、実際に撹拌中の塑性流動状態を直接的に計測する装置、方法は存在しない。

上記のような課題を解決する本発明のシールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置は、泥土圧式シールド掘進機のチャンバー内に配置した複数の音波送信器と、その音波送信器で発信した信号を受信する音波受信器と、音波受信器で受信した信号から音波送信器と音波受信器間の音速を測定する測定装置と、あらかじめ対象とする土砂の流動化状態に応じて測定した音速テーブルと、音波送受信器間で測定した音速とを比較する比較装置と、比較結果をその程度に応じて色分けなどで表示する可視化装置とで構成したものである。
また本発明の装置は、上記の音波送信器から信号を発信する時に、位相変調を行うことができるように構成したものである。
また本発明の装置は、複数の音波送信器において、音波の発信時期を一致させずに発信できるように構成したものである。
また本発明の装置は、チャンバー内の撹拌翼などのような時間的に位置の変わる部材が存在する場合に、撹拌翼などの回転角からその位置を計算し、撹拌翼などが音波送信器と音波受信器の中間に位置しない角度に到達した時期に、音波送信器から音波を発信するように構成したものである。

本発明のシールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞理論上の解析ではなく、実際に土砂と流動化剤とが混合しているチャンバー内においてその塑性流動化の状況を把握して可視化することができ、その信頼性は高い。
＜２＞その結果、掘削土の排土が円滑となり、スクリューコンベアのつまりや水の墳発が発生しがたく、効率のよい掘進作業が可能となる。
＜３＞さらに混練、排土する機械や部品の破損を防止し、メンテナンス性の向上を図ることができる。

泥土圧式シールド掘進機のチャンバーの説明図。 チャンバー内の音波送受信器の配置状態の実施例の説明図。 位相変調波による受信時間を解析する実施例の説明図。 試験で求めた流動化状態と音速との関係を示すテーブルの例の説明図。 チャンバー内の土砂の流動化を可視化した例の説明図。 音波送信器と音波受信器の間に撹拌翼が位置しない状態で配置する実施例の説明図。 トモグラフィー解析の実施例の説明図。

以下図面を参照にしながら本発明のシールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞本発明の原理
本発明は、掘削時の土砂と塑性剤と混合した後の塑性流動化後の土砂の音速の違いを利用して流動化の状態を判定するものである。
対象とする媒質の密度や粘性、応力、温度などの変化により、伝播する音速が変化することは一般的に知られているが、これらがどのような因果関係にあるかは明確には解明されていない。
その点、本発明では実際に掘削した土砂の流動性の変化を音速の変化としてとらえ、あらかじめ音速を測定してテーブルと比較してチャンバー内部の土砂がどの程度の流動化状態にあるかを推測するものである。

＜２＞音波送受信器の配置
泥土圧式シールド掘進機は、図１に示すように前面の回転盤ａに掘削刃ｂを備え、その背面には土砂を取り入れて撹拌するチャンバーｃを設けてある。
チャンバーｃは回転盤ａと隔壁ｄの間の空間であり、隔壁ｄの一部にはスクリューコンベアｅの取り入れ口を開口してある。
このチャンバーｃ内の複数個所に、音波送信器１ａと音波受信器１ｂとを配置する。（図２）
両者は別の部材を利用することも、一体化した部材である音波送受信器１を利用することもできる。
音波送信器１ａは所定の音波を発信する装置、音波受信器１ｂは音波送信器１ａから発信された音波を受信する装置であり、いずれも市販の公知の部材の中から最適のものを選択して使用することができる。
音波送信器１ａでは、信号を発信する時に、位相変調を行うことができるように構成することができる。
そのように構成すると、音波送信器１ａから発信した音波と、その他の雑音とを区別することができる。

＜３＞音速の測定
一つの音波送信器１ａから発信した音波が、他の音波受信器１ｂに到達するまでの時間を測定する。
その場合に複数の音波送信器１ａから同時に音波が発信されたとすると、音波受信器１ｂまでの到達時間を判断することできない。
そのために複数の音波送信器１ａごとに発信する時間を一致させずに順次わずかにずらして行う。
するとある音波受信器１ｂには、チャンバーｃ内に分散して配置した複数の音波送信器１ａ、・・からの音波が順次入力するから、両者間の間隔を伝わる音波の速度を正確に測定することができる。

＜４＞配置する位置
チャンバーｃ内には土砂と流動化剤とを撹拌する撹拌翼ｆなどが存在する。
このような障害物が、音波送信器１ａと音波受信器１ｂの間に介在すると正確な音速を測定することができない。
このような時間的に位置の変わる部材が存在する場合には、撹拌翼ｆなどの回転角からその位置を計算する。
そして、撹拌翼ｆなどが音波送信器１ａと音波受信器１ｂの中間に位置しない角度に到達した時期に、音波送信器１ａから音波を発信して音波受信器１ｂで受信するように構成する。
その際の前提条件として、音波送信器１ａと音波受信器１ｂとを結ぶすべての直線が、回転中の複数の撹拌翼ｆに遮断されない瞬間が発生するように音波送信器１ａと音波受信器１ｂを配置することが必要である。（図６）

＜５＞比較テーブルの作成（図３）
事前に流動化の程度と音速の関係を測定してテーブルを作成しておく。
すると、テーブルの音速値が分かれば、その音速値における流動化の状況、すなわち土砂と流動化剤との混練状態を知ることができる。
テーブルの作成方法としては、たとえば事前に工事場所の土砂のサンプルが得られる場合には、塑性流動化前後の音速の違いを実験室レベルで求めてテーブル化しておく。
あるいは工事中の排土をサンプリングし、土砂性状、すなわち流動化の具合と音速の関係を調べる方法を採用することも可能である。
その場合に、工事中に地質が変化するような場所では定期的に比較テーブルを更新する方法を採用することもできる。

＜６＞測定方法
次に上記の装置を使用して流動化の程度を判定しそれを可視化する方法について説明する。

＜７＞音波の発信工程
チャンバーｃの各所に配置した複数の音波送信器１ａから、順次、音波を発信する。
その場合に前記したように音波送信器１ａと音波受信器１ｂを結ぶ直線が撹拌翼ｆなどによって遮断されない瞬間が生じるように両者は配置してあるから、回転角などから検知してその瞬間に音波を発信する。
さらに発信した音波と雑音を区別するために位相変調（ＰＲＢＳ）などを行う。（図３）

＜８＞音波の受信工程
上記の工程で発信された音波を、他の音波受信器１ｂにおいて受信する。

＜９＞音速測定工程
音波送信器１ａによる音波の発信時と、音波受信器１ｂによる音波の受信時は明らかであるから、公知の測定装置によって音波送信器１ａと音波受信器１ｂとの間の音速を測定する。
前記したように、土砂の流動化の程度によって音速は異なるから、チャンバーｃ内の位置ごとに、その位置の土砂の流動化の相違を、音波の相違で把握することができる。

＜１０＞比較工程
チャンバーｃ内の位置ごとに土砂の流動化の相違が分かったとしても、その程度がコンベアからの排出に適しているか、あるいは混練の程度が不十分であるかは判断できない。
そこで事前に測定した音速と流動化の程度の関係のテーブルの音速値と、現実に測定した音速値を比較する。
すると、ある音波送信器１ａとある音波受信器１ｂとの間に存在する土砂は流動化が不十分、あるいは排出に適した程度まで流動化が進んでいる、あるいはその中間、あるいは何割程度、といった判断を行うことができる。
この判断をすべての隣接する音波送信器１ａと音波受信器１ｂとの間で行う。

＜１１＞可視化工程
すべての隣接する音波送信器１ａと音波受信器１ｂとの間の土砂の流動化の程度が判断できたら、それを可視化する。
流動化の程度を色分けなどで表示することは公知のソフトを利用すれば容易に行うことができる。（図５）

＜１２＞結果の利用
この可視化ができれば、チャンバーｃからコンベアｅを通して外部に排出してよいのか、あるいは撹拌を続けるか、さらに流動化剤を追加して撹拌するか、その判断を行うことができる。
その場合にディスプレイにはチャンバーｃの内部の混練状態が、可視化して表示してあるから、専門の教育を受けていない一般の作業員でも容易に判断して最適の対応をすることができる。

＜１３＞他の実施例（図７）
チャンパーの外周部の複数個所に音波送信器１ａ、音波受信器１ｂを配置しておのおので送受信を行い、その結果をトモグラフィー解析して各所の音速分布を算出する方法も可能である。
その場合に外周部に配置した１つの発信を他のすべての音波受信器１ｂで受信する。
この発信工程を順次繰り返す。
チャンバーｃ内をメッシュ状に考えればこれらの合成速度が計測されることになる。
これらの音速結果から多元連立方程式を解いて各所の速度を計算する。

１：音波送受信器
１ａ：音波送信器
１ｂ：音波受信器
ｃ：チャンバー
ｆ：撹拌翼

Claims (4)

1. 泥土圧式シールド掘進機のチャンバー内に配置した複数の音波送信器と、
   その音波送信器で発信した信号を受信する音波受信器と、
   音波送信器と音波受信器間の音速を測定する測定装置と、
   あらかじめ対象とする土砂の流動化状態に応じて音波と流動化状態の関係を測定して表にした音速テーブルと、
   音波送信器と音波受信器との間の音速と、音速テーブルの音速値とを比較する比較装置と、
   比較結果を流動化の程度に応じて色分けなどで表示する可視化装置とで構成したシールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置。
2. 上記の音波送信器から信号を発信する時に、位相変調を行うことができるように構成した、
   請求項１記載の、シールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置。
3. 上記の複数の音波送信器において、音波の発信時期を一致させずに発信できるように構成した、
   請求項１記載の、シールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置。
4. 上記のチャンバー内に、撹拌翼などのような時間的に位置の変わる部材が存在する場合に、
   撹拌翼などの回転角からその位置を計算し、撹拌翼などが音波送信器と音波受信器の中間に位置しない角度に到達した時期に、音波送信器から音波を発信するように構成した、
   請求項１記載の、シールド掘進機のチャンバー内の塑性流動化の可視化装置。

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