JP2018076752A

JP2018076752A - トンネル掘削機およびその制御方法

Info

Publication number: JP2018076752A
Application number: JP2016220937A
Authority: JP
Inventors: 孝義大塚; Takayoshi Otsuka; 近藤　紀夫; Norio Kondo; 紀夫近藤; 学田家; Manabu Taya; 豐加島; Yutaka Kashima
Original assignee: Nippon Civic Eng Consultant Co Ltd; TAC Corp; Toda Corp; Nippon Civic Consulting Engineers Co Ltd
Current assignee: Nippon Civic Eng Consultant Co Ltd; TAC Corp; Toda Corp; Nippon Civic Consulting Engineers Co Ltd
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: JP6865020B2

Abstract

【課題】シールド機の後方への充填材の漏出を抑制できるとともにシール性能の低下を抑制できるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法を提供する。
【解決手段】シールド機１は、シールド本体の内周面に後方から前方に向けて間隔を開けて順に設けられた環状の複数のテールシール２１，２２、・・・と、前記複数のテールシールの間に形成された１または複数のシール室３１，３２、・・・の充填材の量を調整する充填材調整部と、シールド本体後方に形成されたテールボイドＴの液体圧力、および前記テールボイドの前方側に隣接する隣接シール室３１の充填材圧力を測定する圧力測定部とを有し、前記隣接シール室３１の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力Ｐｔより小さくなるように前記隣接シール室３１の充填材の量を調整する。
【選択図】図５

Description

本発明は、トンネル掘削機およびその制御方法に関するものである。

シールド工法に用いられる従来のトンネル掘削機（以下、「シールド機」という）の一例が、特許文献１に開示されている。このシールド機は、前面に掘削のためのカッターが設けられ、後方のテールプレートの内周面に３列の環状のワイヤブラシからなるテールシールが設けられている。シールド機は、３列のテールシールと各列の間に注入された注入材（充填材）とによって、後方からの裏込材等の侵入を抑制している。

このシールド機は、３列のテールシールのうちの後方寄りのテールシールおよび中間のテールシール間の第１の注入箇所、および、中間のテールシールおよび前方寄りのテールシールの間の第２の注入箇所にそれぞれ注入材が注入される。そして、第１の注入箇所に注入された第１の注入材の圧力が裏込材等の圧力未満であるとき、ポンプを高速運転させて第１の注入箇所に注入材を注入する。その後、第１の注入材の圧力が上昇して、裏込材等の圧力および裏込材等の圧力＋０．２ｋｇｆ／ｃｍ^２に到達する毎に第１のポンプを段階的に中速運転、低速運転とし、第１の注入材の圧力が裏込材等の圧力＋０．４ｋｇｆ／ｃｍ^２以上となったときに、第１のポンプの運転を停止させる。すなわち、このシールド機では、第１の注入材の圧力を裏込材等の圧力より高く維持するように制御しており、これにより、第１の注入箇所への裏込材等の侵入を抑制している。

特許第３０４４３３５号公報

このようなシールド機では、第１の注入材の圧力を裏込材等の圧力より高くすることにより裏込材の圧力に対抗するようにしており、この場合、後方寄りのテールシールをセグメントに押し付ける力が弱まり、テールシールとセグメントとの間から注入材が後方に部分的に多めに漏れ出してしまうことがある。さらには、このような注入材には、ベントナイト、アクリル水溶性ポリマ、繊維などを撹拌混合した高粘性材料などを用いることから、撹拌混合状態によっては塊状の注入材が後方に漏れ出してしまうこともある。そのため、多くの注入材が漏れ出したり、塊状の注入材がセグメント外周面に張り付いたりした状態で裏込材が注入されると、裏込材の注入状態にムラが生じてしまうおそれがあった。

また、テールシールをセグメントに押し付ける力が弱くなるとシール性が低下して、ワイヤブラシがセグメント外周面から浮き上がって第１の注入箇所に裏込材が流れ込むおそれがあり、これにより裏込材がワイヤブラシに付着して固結しまうことがある。そのため、裏込材によりテールシールの可撓性が阻害されてしまい、後方からの裏込材等の侵入を抑制するシール性能の低下を招くおそれがあった。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、テールシール後方への充填材の漏出を抑制できるとともにシール性能の低下を抑制できるトンネル掘削機およびトンネル掘削方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様のトンネル掘削機は、筒状のシールド本体と、前記シールド本体の内周面に後方から前方に向けて間隔を開けて順に設けられた環状の複数のテールシールと、前記複数のテールシールの間に形成された１または複数のシール室の充填材の量を調整する充填材調整部と、前記シールド本体後方に形成されたテールボイドの液体圧力、および前記テールボイドの前方側に隣接する隣接シール室の充填材圧力を測定する圧力測定部と、を有し、前記充填材調整部が、前記圧力測定部によって測定された前記隣接シール室の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力より小さくなるように前記隣接シール室の充填材の量を調整することを要旨とする。

この構成によれば、複数のテールシールの中の最後方のテールシールは、シールド本体の内周面から後方に延在しつつセグメントの外周面に接し、セグメントの外周面の法線方向に前記最後方のテールシールを挟んでテールボイドとこれの前方に隣接する隣接シール室とが位置付けられる。そして、前記隣接シール室の充填材圧力がテールボイドの液体圧力より小さいので、テールボイドの液体圧力によって前記最後方のテールシールをセグメントにより強く押し付けることができる。

上記特徴を有するトンネル掘削機の他の態様として、前記シールド本体は、複数のテールシールとして、後方から前方に向けて前記最後方のテールシールとしての第１テールシール、及び第２テールシール、第３テールシール、またはそれ以上のテールシールと、前記第１テールシールと前記第２テールシールとの間に設けられた前記隣接シール室としての第１シール室、及び前記第２テールシールと前記第３テールシールとの間に設けられた第２シール室、またはそれ以上のシール室とを有し、前記充填材調整部は、前記圧力測定部によって測定された前記第１シール室の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力より小さくなるように前記第１シール室の充填材の量を調整することを要旨とする。

この構成によれば、第１テールシールはシールド本体の内周面から後方に延在しつつセグメントの外周面に接し、セグメントの外周面の法線方向に第１テールシールを挟んでテールボイドと第１シール室とが位置付けられる。そして、第１シール室の充填材圧力がテールボイドの液体圧力より小さいので、テールボイドの液体圧力によって第１テールシールをセグメントにより強く押し付けることができる。

上記特徴を有するトンネル掘削機の他の態様として、前記圧力測定部が、前記第１シール室よりも前方の第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材圧力も測定し、前記充填材調整部が、前記圧力測定部によって測定された前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材圧力が、各々のシール室よりも後方に隣接するシール室の充填材圧力より小さくなるように前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材の量を調整する、ことを要旨とする。このように構成することで、第２テールシールについてみると当該第２テールシールはシールド本体の内周面から後方に延在しつつセグメントの外周面に接し、セグメントの外周面の法線方向に第２テールシールを挟んで第１シール室と第２シール室とが位置付けられ、且つそれよりも前方のテールシールについても同様の位置付けが実現される。そして、第２シール室の充填材圧力が第１シール室の充填材圧力より小さいので、第１シール室の充填材圧力によって第２テールシールをセグメントにより強く押し付けることができる。同様に、第２シール室よりも前方のシール室について、各々のシール室の充填材圧力がそれよりも後方に隣接するシール室の充填材圧力より小さいので、この圧力差により各テールシールをセグメントにより強く押し付けることができる。

さらに、第１シール室および第２シール室の充填材の量を調整する充填材調整部の態様として、前記充填材調整部が、前記充填材を前記第１シール室（隣接シール室）、前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室に供給する供給ポンプと、前記充填材を前記第１シール室および前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室から排出する排出ポンプと、を有していること、を要旨とする。このように構成することで、充填材の供給のみならず充填材の排出も可能となり、供給ポンプと排出ポンプとを協働させることで第１シール室および第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材圧力を迅速に調整することができる。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様のトンネル掘削機の制御方法は、筒状のシールド本体の内周面に後方から前方に向けて間隔を開けて順に設けられた環状の複数のテールシールが設けられたトンネル掘削機の制御方法であって、前記複数のテールシールの間に形成された１または複数のシール室に充填材を充填し、前記シールド本体後方に形成されたテールボイドの前方側に隣接する隣接シール室の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力より小さくなるように前記隣接シール室の充填材の量を調整することを要旨とする。

本発明によれば、第１テールシールをセグメントにより強く押し付けることができるので、後方への充填材の漏出を抑制できるとともにシール性能の低下を抑制できる。

本発明の実施の形態に係るシールド機の概略構成を示す断面図である。図１のシールド機の充填材供給、排出制御装置の構成を示す機能ブロック図である。図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。図１のシールド機のテールプレート部分の拡大平面図である。図４のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図である。図１のシールド機の充填材供給、排出制御装置の変形例の構成を示す機能ブロック図である。図１のシールド機の充填材供給、排出制御装置の変形例のさらに他の変形例の構成を示す機能ブロック図である。図７のシールド機の充填材供給、排出制御装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るシールド機の概略構成を示す断面図である。図２は図１のシールド機の機能ブロック図である。図３は図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図であって、シールド機のテールプレート部分を後方から見た図である。図４は図１のシールド機のテールプレート部分の拡大平面図である。図５は図４のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図である。

図１に示すように、トンネル掘削機としてのシールド機１は、シールド本体１０と、カッター１５と、シールドジャッキ１６と、第１テールシール２１と、第２テールシール２２と、第３テールシール２３と、を有している。

シールド本体１０は、円筒状に形成されており、掘削方向前方寄り（図１において左側）に配置されたスキンプレート１１と、スキンプレート１１の後端に連結されたテールプレート１２とを有している。カッター１５は、円板状に形成されており、スキンプレート１１の前端に取り付けられている。

第１テールシール２１、第２テールシール２２および第３テールシール２３は、それぞれが環状のワイヤブラシであり、テールプレート１２の内周面１２ａの全周に後方から前方に向けて順に配設されている。第１テールシール２１および第２テールシール２２は、基端部がテールプレート１２の内周面１２ａに設けられた環状のリブ１３（図５）から後方に延びる押え板１４とテールプレート１２との間に保持されており、先端部が、基端部より後方でセグメントＳの外周面に押し付けられている。第３テールシール２３は、その基端部がスキンプレート１１の後端から後方に延びる押え板１４とテールプレート１２との間に保持されており、先端部が基端部より後方でセグメントＳの外周面Ｓａに押し付けられている。すなわち、第１テールシール２１、第２テールシール２２および第３テールシール２３は、テールプレート１２の内周面１２ａから後方に延在しつつセグメントＳの外周面Ｓａに接している。

第１テールシール２１、第２テールシール２２、テールプレート１２の内周面１２ａおよびセグメントＳの外周面Ｓａは、第１シール室３１を画定している。第２テールシール２２、第３テールシール２３、テールプレート１２の内周面１２ａおよびセグメントＳの外周面Ｓａは、第２シール室３２を画定している。シール室は上記第１シール室３１、第２シール室３２の２つに限られるものではなく、テールシールを第１テールシール２１、第２テールシール２２の２段しか設けない場合は第１シール室３１のみが画定されることになる。また逆に、テールシールを第４テールシール、第５テールシールと増やすことにより第３、第４のシール室を画定することもできる。第１テールシール２１は、第１シール室３１と、シールド機１後方の地山ＧとセグメントＳとの間の空間であるテールボイドＴとを区画している。また、シール室が複数画定されている場合において、第１シール室３１はテールボイドＴの前方側に隣接して配置されているから、特に「隣接シール室」としての位置付けを持つ。

第１シール室３１および第２シール室３２には、充填材が満たされる。テールボイドＴには、裏込材が注入される。充填材は、例えば、粘着性の高いグリースや膨潤した高分子吸収材、膨潤したベントナイト、粘土などに繊維材を撹拌混合した材料であって、透水性の低い性質を有する。裏込材は、例えば、二液を直前に混合した可塑状裏込材や、モルタル、コンクリートなどである。

また、図２に示すように、シールド機１は、充填材タンク４１と、供給ポンプ４２と、排出ポンプ４３と、分配弁４４と、混合弁４５と、後方圧力センサ４６と、第１圧力センサ４７と、第２圧力センサ４８と、裏込材供給管４９と、供給管５１〜５４と、排出管５５〜５８と、三方弁５９と、制御部６０と、表示部６７とをさらに有している。

充填材タンク４１には、充填材が蓄えられており、供給管５１を通じて供給ポンプ４２に接続されている。供給ポンプ４２は、供給管５２、分配弁４４、供給管５３および供給管５４を通じて第１シール室３１および第２シール室３２に接続されている。供給ポンプ４２および分配弁４４は、後述する制御部６０から送信される制御信号に基づいて、充填材タンク４１内の所望量の充填材を第１シール室３１および第２シール室３２に供給する。分配弁４４は、第１シール室３１および第２シール室３２に供給する充填材の量（分配割合）を任意に設定でき、一方のシール室にのみ充填材を供給することも可能である。

排出ポンプ４３は、排出管５５、混合弁４５、排出管５６および排出管５７を通じて第１シール室３１および第２シール室３２に接続されている。排出ポンプ４３および混合弁４５は、後述する制御部６０から送信される制御信号に基づいて、第１シール室３１および第２シール室３２内の所望量の充填材を排出管５８および三方弁５９を通じて外部に排出し、または、充填材タンク４１に還流させる。混合弁４５は、第１シール室３１および第２シール室３２から排出する充填材の量（混合割合）を任意に設定でき、一方のシール室のみ充填材を排出することも可能である。

図３に示すように、第２シール室３２に充填材を供給する供給管５４および第２シール室３２から充填材を排出する排出管５７は、それぞれ複数本設けられるとともに、シールド本体１０の周方向に交互に配置されている。同様に、第１シール室３１に充填材を供給する供給管５３（図示なし）および第１シール室３１から充填材を排出する排出管５６は、それぞれ複数本設けられるとともに、シールド本体１０の周方向に交互に配置されている。

後方圧力センサ４６は、テールボイドＴ内の裏込材や地下水、泥水などの液体の圧力（以下、「液体圧力Ｐｔ」という。）を検出し、液体圧力Ｐｔを示す検出信号を後述する制御部６０に送信する。第１圧力センサ４７は、第１シール室３１内の充填材の圧力（以下、「第１充填材圧力Ｐ１」という。）を検出し、検出した第１充填材圧力Ｐ１を示す検出信号を後述する制御部６０に送信する。第２圧力センサ４８は、第２シール室３２内の充填材の圧力（以下、「第２充填材圧力Ｐ２」という。）を検出し、第２充填材圧力Ｐ２を示す検出信号を後述する制御部６０に送信する。

図３に示すように、後方圧力センサ４６は、複数個設けられるとともに、テールプレート１２の後端面１２ｂに後方を向くようにして周方向に間隔をあけて配置されている。図４、図５に示すように、第１圧力センサ４７および第２圧力センサ４８は、それぞれ複数個設けられるとともに、第１シール室３１および第２シール室３２に面するようにテールプレート１２の内周面１２ａに周方向に間隔をあけて配置されている。

裏込材供給管４９は、図示しない裏込材注入ポンプを通じて裏込材タンクに接続されており、このポンプは、後述する制御部６０によって制御されることにより、裏込材タンク内の所望量の裏込材を裏込材供給管４９を通じてテールボイドＴに注入する。裏込材供給管４９は、複数本設けられるとともに、図３に示すように、周方向に間隔をあけて配置されかつそれぞれの開口端がテールプレート１２の後端面１２ｂに露出している。

制御部６０は、マイクロコンピュータ等により構成されており、シールド機１の全体の動作を司る機能部である。制御部６０は、供給ポンプ４２、排出ポンプ４３、分配弁４４、混合弁４５および裏込材注入ポンプと信号線を通じて接続されており、これらに対して制御信号を送信する。また、制御部６０は、後方圧力センサ４６、第１圧力センサ４７および第２圧力センサ４８と信号線を通じて接続されており、これらから送信される信号に基づいて、第１充填材圧力Ｐ１、第２充填材圧力Ｐ２および液体圧力Ｐｔを測定する。これらの測定の結果得られた圧力Ｐ１、Ｐ２、およびＰｔは表示部６７に表示される。表示部６７は液晶ディスプレイ、ＣＲＴディスプレイなどの各種タイプの画像表示装置により構成されている。

次に、上述したシールド機１の動作について説明する。

シールド機１は、前方の地山Ｇをカッター１５により掘削しつつ、シールドジャッキ１６を伸長して既設のセグメントＳから反力をとることにより所定の距離だけ前進し、前進に伴いテールボイドＴに裏込材を注入する。次に、シールド機１は、シールドジャッキ１６を縮小して、この空間に既設セグメントＳの前端に連結して新しいセグメントＳを筒状に組み立てる。シールド機１は、再度、この新たなセグメントＳから反力をとって前進する。

シールド機１は、第１テールシール２１、第２テールシール２２および第３テールシール２３ならびに各テールシールの間に満たされた充填材によってシール部を構成し、テールプレート１２とセグメントＳとの間をシールして、裏込材や地下水、泥水などがシールド機１内に侵入することを防ぐ。

そして、シールド機１が前進することにより、セグメントＳの外表面に付着した充填剤の一部は、第１テールシール２１によってこそげ落とされることなくテールボイドＴへ流出し、第１シール室３１の充填材が減少する。これにより第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１が低下していく。

ここで、シールド機１の制御部６０は、第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１が、テールボイドＴの液体圧力Ｐｔより第１差分圧α（ただしα＞０）小さくなるように供給ポンプ４２、排出ポンプ４３、分配弁４４および混合弁４５に制御信号を送信して、第１シール室３１内の充填材の量を調整する。すなわち、制御部６０は、Ｐ１＜Ｐｔ−αのとき、排出ポンプ４３を停止するとともに供給ポンプ４２を動作させて第１シール室３１に充填材を供給する。または、制御部６０は、Ｐ１＞Ｐｔ−αのとき、供給ポンプ４２を停止するとともに排出ポンプ４３を動作させて第１シール室３１から充填材を排出する。

そのため、テールボイドＴ、第１テールシール２１および第１シール室３１がセグメントＳの外周面Ｓａの法線方向（図５の上下方向）に重なっている箇所において、テールボイドＴ側から第１テールシール２１を押す力（液体圧力Ｐｔ）が第１シール室３１側から第１テールシール２１を押す力（第１充填材圧力Ｐ１）より大きいので、第１テールシール２１の先端部がセグメントＳの外周面Ｓａにより強く押し付けられる。

さらに、制御部６０は、第２シール室３２の第２充填材圧力Ｐ２が、第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１より第２差分圧β（ただしβ＞０）小さくなるように供給ポンプ４２、排出ポンプ４３、分配弁４４および混合弁４５に制御信号を送信して、第２シール室３２内の充填材の量を調整する。すなわち、制御部６０は、Ｐ２＜Ｐ１−βのとき、排出ポンプ４３を停止するとともに供給ポンプ４２を動作させて第２シール室３２に充填材を供給する。または、制御部６０は、Ｐ２＞Ｐ１−βのとき、供給ポンプ４２を停止するとともに排出ポンプ４３を動作させて第２シール室３２から充填材を排出する。

そのため、第１シール室３１、第２テールシール２２および第２シール室３２がセグメントＳの外周面Ｓａの法線方向に重なっている箇所において、第１シール室３１側から第２テールシール２２を押す力（第１充填材圧力Ｐ１）が第２シール室３２側から第２テールシール２２を押す力（第２充填材圧力Ｐ２）より大きいので、第２テールシール２２の先端部がセグメントＳの外周面Ｓａにより強く押し付けられる。

第１差分圧αおよび第２差分圧βは、例えば、０．２〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２など範囲から選択された固定値としたり、液体圧力Ｐｔに対する所定の割合（α＝０．９×Ｐｔ）や第１充填材圧力Ｐ１に対する所定の割合（β＝０．８×Ｐ１）とするなど、本発明の目的に反しない限り、構成に応じて任意に設定することができる。

本実施形態において、供給ポンプ４２、排出ポンプ４３、分配弁４４、混合弁４５、供給管５１〜５４、排出管５５〜５８および制御部６０が充填材調整部を構成する。また、後方圧力センサ４６、第１圧力センサ４７、第２圧力センサ４８および制御部６０が圧力測定部を構成する。

以上より、本実施形態によれば、第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１がテールボイドＴの液体圧力Ｐｔより小さくなるように第１シール室３１の充填材の量を調整する。第１テールシール２１はテールプレート１２の内周面１２ａから後方に延在しつつセグメントＳの外周面Ｓａに接し、セグメントＳの外周面Ｓａの法線方向に第１テールシール２１を挟んでテールボイドＴと第１シール室３１とが位置付けられる。そして、第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１がテールボイドＴの液体圧力Ｐｔより小さい。このようにしたことから、テールボイドＴの液体圧力Ｐｔによって第１テールシール２１をセグメントＳにより強く押し付けることができる。

また、第２シール室３２の第２充填材圧力Ｐ２が第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１より小さくなるように第２シール室３２の充填材の量を調整する。第２テールシール２２はテールプレート１２の内周面１２ａから後方に延在しつつセグメントＳの外周面Ｓａに接し、セグメントＳの外周面Ｓａの法線方向に第２テールシール２２を挟んで第１シール室３１と第２シール室３２とが位置付けられる。そして、第２シール室３２の第２充填材圧力Ｐ２が第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１より小さい。このようにしたことから、第１シール室３１の第１充填材圧力Ｐ１によって第２テールシール２２をセグメントＳにより強く押し付けることができる。

さらに、充填材を第１シール室３１および第２シール室３２に供給する供給ポンプ４２と、充填材を第１シール室３１および第２シール室３２から排出する排出ポンプと、を有している。このようにしたことから、充填材の供給のみならず充填材の排出も可能となり、第１シール室３１および第２シール室３２の充填材圧力を迅速に調整することができる。

したがって、本実施形態によれば、第１テールシール２１をセグメントＳにより強く押し付けることができるので、後方への充填材の漏出を抑制できるとともにシール性能の低下を抑制できる。

上述した実施形態では、第１シール室３１にそれぞれ別体の供給管５３および排出管５６が接続され、第２シール室３２にそれぞれ別体の供給管５４および排出管５７が接続される構成であったが、これに限定されるものではない。例えば図６は、図１のシールド機の変形例の構成を示す機能ブロック図である。図６に示すように、分配弁４４、混合弁４５、供給管５３、５４および排出管５６、５７に代えて、分配弁・混合弁の両機能を有する弁装置６１と、供給ポンプ４２および排出ポンプ４３を排他的に弁装置６１に接続する三方弁６２と、弁装置６１と第１シール室３１および第２シール室３２とを接続する流通管６３および流通管６４と、弁装置６１と三方弁６２とを接続する流通管６５と、を有する構成としてもよい。この構成では、三方弁６２によって、充填材を供給するときは供給ポンプ４２と弁装置６１と接続し、充填材を排出するときは排出ポンプ４３と弁装置６１と接続する。このようにすることで、充填材の供給および排出について、弁装置６１および流通管６３、６４を共通に用いることができ、シールド本体１０内に敷設される配管数を減らすことができる。

図７は図１のシールド機の充填材供給、排出制御装置のさらに他の変形例の構成を示す機能ブロック図である。この例では、第１シール室３１にそれぞれ別体の供給管５３および排出管５６が接続され、第２シール室３２にそれぞれ別体の供給管５４および排出管５７が接続される構成である点は図２の例と同様であるが、図２における分配弁４４および混合弁４５は削除されている。そして、充填材の供給側においては、図２における供給ポンプ４２の代わりに第１の供給ポンプ４２ａと第２の供給ポンプ４２ｂが設けられている。第１の供給ポンプ４２ａは充填材タンク４１と供給管５３の間に接続される一方、第２の供給ポンプ４２ｂは充填材タンク４１と供給管５４の間に接続される。また、充填材の排出側においては、図２における排出ポンプ４３の代わりに第１の排出ポンプ４３ａと第２の排出ポンプ４３ｂが設けられている。第１の排出ポンプ４３ａは第１の三方弁５９ａを介して充填材タンク４１と排出管５６の間に接続される一方、第２の排出ポンプ４３ｂは第２の三方弁５９ｂを介して充填材タンク４１と排出管５７の間に接続される。なお、図７中、符号６６は裏込材供給管４９に接続され、この裏込材供給管４９を介してテールボイドＴへ裏込材を送給する裏込ポンプである。

次に、本実施の形態に係るシールド機における裏込め制御動作について説明する。図８は、図７に示されたシールド機の充填材供給、排出制御装置による上記制御動作を示すフローチャートである。制御動作は下記のように実行される。

ステップＳ１：裏込め材の管理余裕圧の設定
この処理ステップでは、掘進時と停止時の管理の目標となる裏込め注入圧を設定する。注入圧としては、
掘進時設定圧ｐ01：地山の土圧ｐa＋地下水圧pw＋余裕圧ω、
停止時設定圧ｐ02：地下水圧pw＋余裕圧η
である。さらにこのステップにおいては、シール室密封材の管理余裕圧の設定を行う。管理余裕圧としては、
シール室１：α
シール室２：β
である。これらの余裕圧α，βは、それぞれ異なる値でもよいし、同じ値でもよい。また、このステップＳ１では、掘進開始前に、シール室１およびシール室２のシール室密封材設定圧を設定する。それぞれのシール室密封材設定圧は、
シール室１設定圧ｐ11：停止時設定裏込め注入圧ｐ02-余裕圧α
シール室２設定圧ｐ21：シール室１の密封材設定圧ｐ11-余裕圧β
である。

ステップＳ２：密封材の初期充填
この処理ステップでは、掘進開始前に、第１シール室３１および第２シール室３２内に予め密封材を充填する。
ステップＳ３：掘進開始
この処理ステップでは、シールド機１が起動され、シールド掘進を開始する。
ステップＳ４：裏込め注入開始
この処理ステップでは、シールド機１が掘進（前進）するにしたがって、第１テールシール２１後方にテールボイドＴが発生すると同時に裏込め注入を実施する。
ステップＳ５：掘進時裏込め注入圧管理
この処理ステップでは、掘進中の裏込め注入圧ｐ0を、設定した掘進時設定注入圧ｐ01（地山の土圧ｐa＋地下水圧pw＋余裕圧ω）と比較し、裏込めポンプ６６の注入量増減により、設定注入圧にほぼ等しい注入圧を維持する。すなわち、
ｐ0＜ｐa＋pw＋ω
であるときは裏込めポンプを増速させてより多くの裏込材をテールボイドＴに供給する（ステップＳ６）。他方、
ｐ0＞ｐa＋pw＋ω
であるときは裏込めポンプを減速させてより少ない裏込材をテールボイドＴに供給する（ステップＳ７）。

ステップＳ８：掘進時第１シール室密封材圧力管理
この処理ステップでは、第１シール室３１内圧力ｐ1が掘進停止時の設定裏込め注入圧ｐ02より余裕圧αを考慮した設定圧ｐ11より小さいか、それとも大きいかにより、切り替えバルブ１を供給側と排出側との間で切り替え、第１の供給ポンプ４２ａを作動または停止させる。例えば、第１シール室３１内圧力ｐ1が掘進停止時の設定裏込め注入圧ｐ02より余裕圧αを考慮した設定圧ｐ11より小さい場合、すなわち、
ｐ1＜ｐ02−α
である場合は、切り替えバルブ１を供給側へ切り替え（ステップＳ９）、第１の供給ポンプ４２ａを作動させる。
他方、第１シール室３１内圧力ｐ1が掘進停止時の設定裏込め注入圧ｐ02より余裕圧αを考慮した設定圧ｐ11より大きい場合、すなわち、
ｐ1＞ｐ02−α
である場合は、切り替えバルブ１を排出側に切り替え（ステップＳ１１）、戻り管を通して戻りタンクに戻し第１の供給ポンプ４２ａを停止させる（ステップＳ１２）。
第１シール室３１内圧力ｐ1が掘進停止時の設定裏込め注入圧ｐ02とほぼ等しい場合は、そのまま掘進を継続する。ここで、「ほぼ等しい」とは、一例として設定目標圧±１０ｋPa程度とする。
戻りタンクの密封材は、供給ポンプの密封材タンク４１に連通させて再利用も可能である。

ステップＳ１３：掘進時第２シール室密封材圧力管理
この処理ステップでは、上記ステップＳ８〜ステップＳ１２までの処理と同様の処理を第２シール室３２に対して行うものである。ステップＳ１３において、第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11より余裕圧βを考慮した設定圧ｐ21より小さい場合、すなわち、
ｐ2＜ｐ11−β
である場合は、切り替えバルブ２を供給側に切り替え（ステップＳ１４）、第２の供給ポンプ４２ｂを作動させる（ステップＳ１５）。
他方、第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11より余裕圧βを考慮した設定圧ｐ21より大きい場合、すなわち、
ｐ2＞ｐ11−β
である場合は、切り替えバルブ２を排出側に切り替え（ステップＳ１６）、密封材を戻りタンクに戻し第２の供給ポンプ４２ｂを停止させる（ステップＳ１７）。
第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11にほぼ等しい場合は、そのまま掘進を継続する。ここで、「ほぼ等しい」とは、一例として設定目標圧±１０ｋPa程度とする。

ステップＳ１８：掘進・裏込め注入停止
この処理ステップでは、１リングの掘進を完了した時点で、裏込め注入を停止する。
ステップＳ１９：停止時裏込め注入圧管理
この処理ステップでは、停止時の裏込め注入圧は掘進時より低下するが、掘進時設定注入圧ｐ01が地山の地下水圧に余裕圧ηを加えた停止時裏込め注入圧設定値圧ｐwより小さくなる場合、すなわち、
ｐ0＜ｐw＋η
である場合は、裏込めポンプ６６を作動させて（ステップＳ２０）、停止時裏込め注入圧を設定値と略同じ圧に保持する。

ステップＳ２１：停止時第１シール室密封材圧力管理
この処理ステップでは、掘進時と同様、第１シール室３１内圧力ｐ1が停止時の設定裏込め注入圧ｐ02より余裕圧αを考慮した設定圧ｐ11より小さい場合、すなわち、
ｐ1＜ｐ02−α
である場合は、切り替えバルブ１を供給側に切り替え（ステップＳ２２）、第１の供給ポンプ４２ａを作動させる（ステップＳ２３）。他方、第１シール室３１内圧力ｐ1が停止時の設定裏込め注入圧ｐ02より余裕圧αを考慮した設定圧ｐ11より大きい場合、すなわち、
ｐ1＞ｐ02−α
である場合は、切り替えバルブ１を排出側に切り替え（ステップＳ２４）、密封材を戻りタンクに戻し第１の供給ポンプ４２ａを停止させる（ステップＳ２５）。
第１シール室３１内圧力ｐ1が掘進停止時の設定裏込め注入圧ｐ02とほぼ等しい場合は、そのまま圧力を維持する。ここで、「ほぼ等しい」とは、一例として設定目標圧±１０ｋPa程度とする。

ステップＳ２６：停止時シール室２密封材圧力管理
この処理ステップでは、掘進時と同様、第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11より余裕圧βを考慮した設定圧ｐ21より小さい場合、すなわち、
ｐ2＜ｐ1−β
である場合は、切り替えバルブ２を供給側に切り替え（ステップＳ２７）、第２の供給ポンプ４２ｂを作動させる（ステップＳ２８）。
第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11より余裕圧βを考慮した設定圧ｐ21より大きい場合、すなわち、
ｐ2＞ｐ1−β
である場合は、切り替えバルブ２を排出側に切り替え（ステップＳ２９）、密封材を戻りタンクに戻し第２の供給ポンプ４２ｂを停止させる（ステップＳ３０）。
第２シール室３２内圧力ｐ2が第１シール室３１内設定圧ｐ11にほぼ等しい場合は、そのまま圧力を維持する。ここで、「ほぼ等しい」とは、一例として設定目標圧±１０ｋPa程度とする。

ステップＳ３１：裏込め材・密封材の管理余裕圧の見直し処理
この処理ステップでは、次リングの掘進開始前に、裏込め材および密封材の管理余裕圧を地山の土質、土被り、地下水位等の変化に応じて、必要により設定を変更する。
以上の一連の動作により制御動作が実行される。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

１…シールド機（トンネル掘削機）、
１０…シールド本体、
１１…スキンプレート、
１２…テールプレート、
１２ａ…内周面、
１２ｂ…後端面、
１３…リブ、
１４…押え板、
１５…カッター、
１６…シールドジャッキ
２１…第１テールシール、
２２…第２テールシール、
２３…第３テールシール、
３１…第１シール室、
３２…第２シール室、
４１…充填材タンク、
４２…供給ポンプ、
４３…排出ポンプ、
４４…分配弁、
４５…混合弁、
４６…後方圧力センサ、
４７…第１圧力センサ、
４８…第２圧力センサ、
４９…裏込材供給管、
５１、５２、５３、５４…供給管、
５５、５６、５７、５８…排出管、
５９…三方弁、
６０…制御部、
６１…弁装置、
６２…三方弁、
６３、６４…流通管、
Ｇ…地山、
Ｐ１…第１充填材圧力、
Ｐ２…第２充填材圧力、
Ｐｔ…液体圧力、
α…第１差分圧、
β…第２差分圧、
Ｓ…セグメント、
Ｓａ…外周面、
Ｔ…テールボイド。

Claims

筒状のシールド本体と、
前記シールド本体の内周面に後方から前方に向けて間隔を開けて順に設けられた環状の複数のテールシールと、
前記複数のテールシールの間に形成された１または複数のシール室の充填材の量を調整する充填材調整部と、
前記シールド本体後方に形成されたテールボイドの液体圧力、および前記テールボイドの前方側に隣接する隣接シール室の充填材圧力を測定する圧力測定部と、を有し、
前記充填材調整部が、前記圧力測定部によって測定された前記隣接シール室の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力より小さくなるように前記隣接シール室の充填材の量を調整することを特徴とするトンネル掘削機。
前記シールド本体は、
複数のテールシールとして、後方から前方に向けて前記最後方のテールシールとしての第１テールシール、及び第２テールシール、第３テールシール、またはそれ以上のテールシールと、
前記第１テールシールと前記第２テールシールとの間に設けられた前記隣接シール室としての第１シール室、及び前記第２テールシールと前記第３テールシールとの間に設けられた第２シール室、またはそれ以上のシール室と、を有することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
前記圧力測定部が、前記第１シール室よりも前方の第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材圧力も測定し、
前記充填材調整部が、前記圧力測定部によって測定された前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材圧力が、各々のシール室よりも後方に隣接するシール室の充填材圧力より小さくなるように前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室の充填材の量を調整することを特徴とする請求項２に記載のトンネル掘削機。
前記充填材調整部が、前記充填材を前記隣接シール室、前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室に供給する供給ポンプと、前記充填材を前記第１シール室および前記第２シール室、またはそれよりも前方のシール室から排出する排出ポンプと、を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載のトンネル掘削機。
筒状のシールド本体の内周面に後方から前方に向けて間隔を開けて順に設けられた環状の複数のテールシールが設けられたトンネル掘削機の制御方法であって、
前記複数のテールシールの間に形成された１または複数のシール室に充填材を充填し、
前記シールド本体後方に形成されたテールボイドの前方側に隣接する隣接シール室の充填材圧力が前記テールボイドの液体圧力より小さくなるように前記隣接シール室の充填材の量を調整することを特徴とするトンネル掘削機の制御方法。