JP2020193437A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内の土砂性状をより詳細に判断することが可能なシールド掘進機を提供する。【解決手段】このシールド掘進機１００は、掘削された土砂が貯留されるチャンバ３と、土砂の土圧を測定する土圧計７１と、土圧計７１の近傍に配置され、土砂の水圧を測定する間隙水圧計７２と、間隙水圧計７２に加わる水圧を変動させることにより、間隙水圧計７２の測定値を周期的に変動させる回転攪拌翼６１と、土圧計７１の測定値および回転攪拌翼６１により変動される間隙水圧計７２の測定値に基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定する制御部８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、シールド掘進機に関し、特に、土砂の性状を判断するシールド掘進機に関する。

従来、土砂の性状を判断するシールド掘進機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、隔壁に設置された圧力検出器（土圧計）によりカッタヘッドの回転に伴い周期的に変動する土圧を測定することにより、チャンバ内における土砂の充満度を判断するシールド掘進機が開示されている。なお、シールド掘進機では、土砂の充満度を判断することにより、地山の崩れや、スクリュコンベアからの噴発などが抑制されるように、掘進速度を変化させたり、作泥材の供給量を変化させるなどにより対処することが可能となる。

特開昭６０−８５１９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のシールド掘進機では、土砂性状について単一の指標（土砂の充満度）のみが得られるだけであり、地山の崩れや、スクリュコンベアからの噴発などを適切に抑止することができないと考えられる。また、従来より一層詳細な土砂性状が判断可能なシールド掘進機が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、チャンバ内の土砂性状をより詳細に判断することが可能なシールド掘進機を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明のシールド掘進機は、掘削された土砂が貯留されるチャンバと、土砂の土圧を測定する土圧計と、土圧計の近傍に配置され、土砂の水圧を測定する間隙水圧計と、間隙水圧計に加わる水圧を変動させることにより、間隙水圧計の測定値を周期的に変動させる圧力変動部と、土圧計の測定値および圧力変動部により変動される間隙水圧計の測定値に基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定する制御部とを備える。

このシールド掘進機では、上記のように構成することによって、土砂の塑性流動性および土砂の平均粒径という２つの土砂性状に関する指標を得ることができるので、チャンバ内の土砂性状をより詳細に判断することができる。その結果、実際の掘削現場において時々刻々と変化する土砂性状に応じて、地山の崩れや、スクリュコンベアからの噴発などが発生しないように適切な対処を取ることが可能になる。また、現場毎に異なる土砂の平均粒径を推定するとともに、土砂の塑性流動性を判断することができる。したがって、土砂の平均粒径を取得した上で塑性流動性を判断することができるため、より的確に塑性流動性を判断することができる。

上記シールド掘進機において、好ましくは、制御部は、土圧計の測定値および間隙水圧計の測定値に基づき算出した土砂の有効応力と、圧力変動部による間隙水圧計の測定値の変動に関する指標とに基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。このように構成すれば、土圧計および間隙水圧計を用いて容易に得られる有効応力と、圧力変動部による間隙水圧計の測定値の変動に関する指標とに基づいて、容易に、土砂の塑性流動性を判断することができるとともに、土砂の平均粒径を推定することを実現することができる。

この場合において、好ましくは、制御部は、有効応力と、間隙水圧計の測定値の変動に関する指標と、土砂の平均粒径との関係を示すマップに基づいて、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。このように構成すれば、マップにより容易に土砂の平均粒径を推定することができる。すなわち、演算を繰り返すことにより、土砂の平均粒径を取得する場合と比較して、マップにより容易に土砂の平均粒径を取得（推定）することができる。

上記有効応力と圧力変動部による間隙水圧計の測定値の変動に関する指標とに基づいて土砂の塑性流動性を判断するとともに土砂の平均粒径を推定する構成において、好ましくは、間隙水圧計の測定値の変動に関する指標は、間隙水圧計の測定値の変動の応答率である。このように構成すれば、土砂の平均粒径の違いにより変化しやすい間隙水圧計の測定値の変動の応答率を用いることにより、より適切に土砂の平均粒径を推定することができる。

上記シールド掘進機において、好ましくは、チャンバ内から土砂を排出するスクリュコンベアをさらに備え、圧力変動部は、チャンバ内の土砂を攪拌する攪拌翼、および、スクリュコンベアのスクリュの少なくとも１つを含む。このように構成すれば、既存の構成である攪拌翼またはスクリュコンベアにより、間隙水圧計の測定値を変動させることができる。

上記シールド掘進機において、好ましくは、チャンバ内から土砂を排出するスクリュコンベアをさらに備え、土圧計および間隙水圧計は、チャンバに沿って設けられた隔壁、および、スクリュコンベアのうちのいずれか一方に設置されている。このように構成すれば、隔壁、および、スクリュコンベアのうちのいずれか一方に設置することにより、掘進およびスクリュコンベアの駆動に伴い土砂の土圧および水圧が変動しやすい位置に間隙水圧計を配置することができるので、土圧計および間隙水圧計の測定値を効果的に変動させることができる。

上記シールド掘進機において、好ましくは、圧力変動部は、土圧計および間隙水圧計に向けて水を噴射する水噴射部を含む。このように構成すれば、圧力変動部によって、一層メリハリがあり、より急峻なピークを有する土圧計および間隙水圧計の測定値を得ることができる。したがって、土砂の塑性流動性を精度よく判断するとともに、土砂の平均粒径を正確に推定することができる。

本発明によれば、上記のように、チャンバ内の土砂性状をより詳細に判断することができる。

第１実施形態によるシールド掘進機の縦断面図である。 第１実施形態によるシールド掘進機の隔壁および撹拌部の模式的な正面図である。 第１実施形態によるシールド掘進機の土圧計の測定値および間隙水圧計の測定値を示した図である。 土砂の平均粒径と有効応力と応答率との関係を表すマップを示した図である。 第２実施形態によるシールド掘進機の縦断面図である。 第３実施形態によるシールド掘進機の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１〜図４を参照して、第１実施形態によるシールド掘進機１００について説明する。

（シールド掘進機の全体構成）
図１に示す第１実施形態によるシールド掘進機１００は、シールド工法によるトンネル施工に用いる掘進機である。

シールド掘進機１００は、シールド掘進機１００（トンネル）の中心軸線α回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッド１と、センターシャフト１ａと、胴部２と、隔壁２ａと、チャンバ３と、スクリュコンベア４と、シールドジャッキ５と、回転攪拌翼６１および固定攪拌翼６２を含む攪拌部６と、土圧計７１および間隙水圧計７２と、制御部８とを備えている。なお、回転攪拌翼６１は、特許請求の範囲の「圧力変動部および攪拌翼」の一例である。

ここで、各図面では、中心軸線αに沿った掘進方向をＸ方向で示し、掘進方向の前方をＸ１方向で示し、掘進方向の後方をＸ２方向で示す。また、上下方向をＺ方向で示し、上方をＺ１方向で示し、下方をＺ２方向で示す。また、Ｘ方向およびＺ方向に直交する横方向（幅方向）をＹ方向で示す。

シールド掘進機１００は、カッタヘッド１を中心軸線α回りに回転させつつ、シールドジャッキ５により既設のセグメントリング（覆工体）を支持体として掘進方向への推進力を発生させることにより、地山の掘削を行う。カッタヘッド１により掘削された土砂は、チャンバ３内に導入され、スクリュコンベア４によってシールド掘進機１００の後方に排出される。

シールド掘進機１００は、泥土圧式のシールド掘進機の例を示している。泥土圧式のシールド掘進機１００では、チャンバ３内に作泥材が注入されて掘削土砂と混合されることにより、掘削土砂が不透水性と塑性流動性を持つ泥土に変換される。掘削土砂（泥土）は、チャンバ３内に充満する。シールド掘進機１００は、掘削土砂（泥土）をチャンバ３内に充満させた状態を維持してシールドジャッキ５の推力によりチャンバ３内に泥土圧を発生させることにより、地山側の圧力（切羽の土圧および地下水圧）に対抗させる。シールド掘進機１００は、掘進量と排土量とのバランスによって圧力の平衡を保ちながら掘進する。なお、圧力の平衡が適切に保たれなければ、地山の崩れ、土砂のシールド掘進機１００への固着、スクリュコンベア４からの噴発などの問題が引き起こされる。

そこで、このような問題を抑制するために、第１実施形態のシールド掘進機１００は、土圧計７１の測定値および回転攪拌翼６１により変動される間隙水圧計７２の測定値に基づいて、掘進に伴い時事刻々と変動する土砂性状を判断（推定も含む）するように構成されている。すなわち、シールド掘進機１００（制御部８）は、土圧計７１の測定値および回転攪拌翼６１により変動される間隙水圧計７２の測定値に基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。詳細については後述する。

（シールド掘進機の各部の構成）
以下、シールド掘進機の各部の構成について説明する。

〈カッタヘッドおよびセンターシャフトの構成〉
カッタヘッド１は、掘進方向の前方の端部に配置されており、掘進方向（Ｘ方向）から見て、円形形状を有している。カッタヘッド１は、回転して土砂を掘削する掘削面を構成している。カッタヘッド１は、中心軸線αを中心として掘進方向に延びるセンターシャフト１ａにより支持されている。すなわち、シールド掘進機１００は、カッタヘッド１の支持方式としてセンターシャフト支持方式を採用している。カッタヘッド１には、カッタヘッド１を回転駆動するためのカッタ駆動部１１が設けられている。カッタ駆動部１１は、たとえば、油圧モータである。

〈胴部の構成〉
胴部２は、シールド掘進機１００の外殻を構成している。胴部２は、掘進方向に延びる貫通穴状の内部空間を有する円筒形状を有している。胴部２の前方端部には、カッタヘッド１が配置されている。

〈隔壁の構成〉
隔壁２ａは、掘進方向に直交する方向に延びる円板形状（図２参照）を有しており、カッタヘッド１の後方で、円筒形状の胴部２の内部に配置されている。隔壁２ａは、胴部２に対して内周側から固定されている。隔壁２ａは、掘進方向の前方側（カッタヘッド１側）と後方側とを仕切るように構成されている。すなわち、隔壁２ａは、前方側のチャンバ３と、後方側の大気（作業領域）とを仕切っている。

〈チャンバの構成〉
チャンバ３は、掘進方向において、カッタヘッド１と隔壁２ａとの間に形成された土砂の貯留空間（圧力室）である。チャンバ３は、カッタヘッド１の後面１０と、隔壁２ａの前面２０と、胴部２の内周面とによって区画されている。チャンバ３には、カッタヘッド１によって掘削された土砂が一時的に貯留される。

〈スクリューコンベアの構成〉
スクリュコンベア４は、チャンバ３に接続され、チャンバ３内の土砂を排出するように構成されている。スクリュコンベア４は、チャンバ３内の土砂の高い圧力を、土砂の搬送過程で大気（作業領域）の圧力まで降下させる機能を有している。

スクリュコンベア４は、ケーシング４１と、スクリュ４２と、スクリュ４２に対して回転駆動力（トルク）を付与するスクリュ駆動部（図示せず）とを含んでいる。

ケーシング４１は、土砂の排出経路を構成する細長い管状部材である。ケーシング４１は、掘進方向に傾斜して延びる円筒形状を有している。ケーシング４１の前方の端部には、隔壁２ａを貫通してチャンバ３内に開口する入口部４３が設けられている。ケーシング４１の後方の端部には、大気に連通する土砂の出口部（図示せず）が設けられている。

スクリュ４２は、ケーシング４１内に配置されており、回転によって土砂に対し後方への搬送力を付与するように構成されている。スクリュ４２は、ケーシング４１内で回転することにより、土砂を後方の出口部に向けて搬送するように構成されている。

〈シールドジャッキの構成〉
シールドジャッキ５は、胴部２に取り付けられている。シールドジャッキ５は、胴部２の外周部付近に周方向に並ぶように複数設けられている。シールドジャッキ５は、セグメントＳＧを後方に押圧して、その反力により胴部２を前方に推進させるように構成されている。

〈攪拌部の構成〉
攪拌部６は、チャンバ３内に複数設けられている。攪拌部６は、カッタヘッド１の回転に伴い、土砂と、作泥材供給管（図示せず）からチャンバ３内に注入された作泥材とを攪拌混合して泥土を形成するように構成されている。すなわち、攪拌部６は、チャンバ３内に土砂が留まることがないように、土砂を強制攪拌するように構成されている。

攪拌部６は、複数（たとえば、４つ）の回転攪拌翼６１と、複数（たとえば、４つ）の固定攪拌翼６２とを含んでいる。

回転攪拌翼６１は、カッタヘッド１の後面１０に固定されている。回転攪拌翼６１は、たとえば、後面１０からチャンバ３内（後方）に突出する円柱形状を有している。回転攪拌翼６１は、中心軸線α回りにカッタヘッド１と一体回転するように構成されている。

図２に示すように、回転攪拌翼６１は、カッタヘッド１の半径方向の所定位置に配置されている。複数の回転攪拌翼６１は、カッタヘッド１の周方向に略等角度間隔で並ぶように配置されている。なお、図２では、説明の便宜上、スクリュコンベア４や胴部２などの図示を省略している。

また、図２では、カッタヘッド１が回転する際の回転攪拌翼６１の軌道６１ａをハッチングにより示している。回転攪拌翼６１の軌道６１ａは、掘進方向から見て、土圧計７１および間隙水圧計７２と重なっている。すなわち、回転攪拌翼６１は、所定の回転位置において、土圧計７１および間隙水圧計７２の近傍を通過する。これによって、回転攪拌翼６１は、回転時において、間隙水圧計７２に加わる水圧を変動させることにより、間隙水圧計７２の測定値を周期的に変動させるように構成されている。同様に、回転攪拌翼６１は、回転時において、土圧計７１に加わる土砂の圧力を変動させることにより、土圧計７１の測定値を周期的に変動させるように構成されている。

固定攪拌翼６２は、隔壁２ａの前面２０に固定されている。固定攪拌翼６２は、たとえば、前面２０からチャンバ３（図１参照）内（前方）に突出する円柱形状を有している。固定攪拌翼６２は、回転攪拌翼６１に対して相対回転するように構成されている。固定攪拌翼６２は、隔壁２ａ（カッタヘッド１）の半径方向において、回転攪拌翼６１よりも外側に配置されている。複数の固定攪拌翼６２は、隔壁２ａの周方向に略等角度間隔で並ぶように配置されている。

〈土圧計の構成〉
図１に示す土圧計７１は、チャンバ３内の土圧を測定するように構成されている。詳細には、土圧計７１は、チャンバ３内の土（土粒子）および水により土圧計７１に加わる圧力を測定するように構成されている。土圧計７１は、隔壁２ａに設置されている。土圧計７１は、所定の回転位置の回転攪拌翼６１と、掘進方向（前後方向）に対向する位置に配置されている。すなわち、中心軸線αから土圧計７１までの距離Ｄ１（図１参照）は、中心軸線αから回転攪拌翼６１までの距離Ｄ２（図１参照）と略等しい（Ｄ１≒Ｄ２）。

〈間隙水圧計の構成〉
間隙水圧計７２は、チャンバ３内の土砂の水圧（水により間隙水圧計７２に加わる圧力）を測定するように構成されている。間隙水圧計７２は、隔壁２ａに設置されている。間隙水圧計７２は、土圧計７１の近傍に横並びで配置されている。間隙水圧計７２と土圧計７１との間の距離ｄ１（図２参照）は、掘進方向における間隙水圧計７２および土圧計７１と回転攪拌翼６１との間の距離ｄ２（図１参照）と比較して十分に小さい。間隙水圧計７２は、所定の回転位置の回転攪拌翼６１と、掘進方向（前後方向）に対向する位置に配置されている。

〈制御部の構成〉
制御部８は、ＣＰＵまたはマイコンなどのプロセッサ（演算処理装置）を含んで構成されている。制御部８は、土圧計７１および間隙水圧計７２から測定値を取得可能なように、土圧計７１および間隙水圧計７２に接続されている。

制御部８は、上記のように、土圧計７１の測定値および回転攪拌翼６１により変動される間隙水圧計７２の測定値に基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。

詳細には、制御部８は、土圧計７１の測定値および間隙水圧計７２の測定値に基づき算出した土砂の有効応力と、回転攪拌翼６１による間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標とに基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。

なお、回転攪拌翼６１による間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標とは、要するに、間隙水圧計７２の測定値の変動の応答率である。すなわち、回転攪拌翼６１による間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標とは、回転攪拌翼６１による入力に対する間隙水圧計７２の実際の測定値（出力）の割合である。回転攪拌翼６１による入力とは、たとえば、チャンバ３内が略水により満たされた場合を想定して得られる最大の間隙水圧計７２の測定値である。

ここで、同一土圧の下では、土砂の平均粒径によって、水の土粒子間を流れる流れやすさ（透水係数）が異なる。詳細には、土砂の平均粒径が大きい程、土粒子間の隙間が大きいため、水は流れやすくなる一方、土砂の平均粒径が小さい程、土粒子間の隙間が小さいため、水は流れにくくなる。このため、チャンバ３内で水圧変動を与える部分（回転攪拌翼６１）から間隙水圧計７２および土圧計７１までの間にある土質（土砂の平均粒径）によって、間隙水圧計７２の測定値（水圧）の変動の様子が変化する。

すなわち、土砂の平均粒径が大きい場合、透水係数が大きくなり、比較的素早く（入力のピークから出力のピークまでの時間が比較的短く）、入力に近い比較的大きな応答（出力）が得られる。一方、土砂の平均粒径が小さい場合、透水係数が小さくなり、比較的鈍く（入力のピークから出力のピークまでの時間が比較的長く）、入力に対して比較的小さな応答（出力）が得られる。

制御部８は、上記のような土質（土砂の平均粒径）によって変化する間隙水圧計７２の測定値（水圧）の変動を利用して、間隙水圧計７２の測定値の変動の応答率を取得するように構成されている。

具体的には、図３に示すように、制御部８は、回転攪拌翼６１による入力のピークの水圧Ｐ１０に対する、入力に対応する間隙水圧計７２の測定値（出力）のピークの水圧Ｐ１１の割合によって、応答率を取得する。すなわち、制御部８は、応答率をＲとすると、Ｒ＝（Ｐ１１／Ｐ１０）という式により応答率を取得する。

また、制御部８は、土圧計７１の測定値（出力）のピークの土圧Ｐ２０から、入力に対応する間隙水圧計７２の測定値（出力）のピークの水圧Ｐ１１を減じる（差し引く）ことにより、土砂の有効応力Ｓを取得する（Ｓ＝Ｐ２０−Ｐ１１）。ここで、有効応力とは、水を除いた土粒子による圧力であり、土砂の噛み合いの成分である。有効応力は、土砂の圧縮状況が大きい場合には大きくなる一方、土砂の圧縮状況が小さい場合には小さくなる。

なお、土圧計７１（間隙水圧計７２）の測定値（出力）のピークと、隣接する他のピークが得られる時間間隔Ｔは、カッタヘッド１が１回転するのに要する時間ｔを回転攪拌翼６１の数Ｎ（たとえば、４つ）で除することにより得られる（Ｔ＝ｔ／Ｎ）。

ここで、有効応力と、間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標（応答率）と、土砂の平均粒径との間には、一定の関係性が存在する。そこで、図４に示すように、制御部８は、有効応力と、間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標（応答率）と、土砂の平均粒径との関係を示すマップＭ（データベース）に基づいて、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。マップＭは、所定のシミュレーションや実験などにより予め作成される。なお、図４に示すマップＭは一例にすぎず、他の異なる態様のマップを作成してもよい。

マップＭ内のＳ１〜ＳＸ（２０）は、互いに異なるＸ（２０）段階の有効応力を示している。つまり、マップＭ内の一の破線上では、有効応力が変動することがない（等しい）。有効応力は、Ｓ１からＳ２０に向かうにつれて徐々に大きくなる。なお、図４では、有効応力をＳ１からＳ２０の２０段階で示しているが、本発明はこれに限られることはなく、より細かく有効応力を取得するように構成されていてもよい。なお、マップＭ内の縦軸は、応答率を示している。また、マップＭ内の横軸は、土砂の平均粒径を示している。また、マップＭ内のハッチング部分は、土砂が適正な塑性流動性を有する範囲Ａを示している。土砂が適正な塑性流動性を有する範囲Ａは、たとえば、過去の掘削事例などに基づく経験則などにより画定される。ここで、土砂が適正な塑性流動性を有する範囲Ａとは、シールド掘進機１００による掘進時において、地山の崩れ、土砂のシールド掘進機１００への固着、スクリュコンベア４からの噴発などの問題を引き起こしにくくなる好ましい範囲である。

（平均粒径の取得方法）
図４を参照して、制御部８によるマップＭを利用した平均粒径の取得方法について説明する。まず、制御部８により、応答率および有効応力をそれぞれ取得する。そして、たとえば、取得された応答率がＲ１であり、有効応力がＳ１０である場合に、応答率Ｒ１と有効応力Ｓ１０との交点Ｉ１を取得する。そして、この交点Ｉ１の横軸の値が土砂の平均粒径ＡＰ１となる。

（塑性流動性の判断方法）
制御部８は、マップＭにおいて、取得した応答率と有効応力との交点が、土砂が適正な塑性流動性を有する範囲Ａ（ハッチング部分）の内側にあるか、外側にあるかにより、塑性流動性が適正か否かを判断する。

たとえば、取得した交点が上記の交点Ｉ１である場合、交点Ｉ１は、適正な塑性流動性を有する範囲Ａ（ハッチング部分）の内側にある。このため、制御部８は、土砂が適正な塑性流動性を有すると判断する。一方、取得した交点が交点Ｉ２である場合、交点Ｉ２は、適正な塑性流動性を有する範囲Ａ（ハッチング部分）の外側にある。このため、制御部８は、土砂が適正な塑性流動性を有さないと判断する。

なお、一般的に、有効応力が大きくなりすぎると、土粒子の接触力が大きくなりすぎるため、塑性流動性が悪化して（土砂が流動しにくくなって）、土砂のシールド掘進機１００への固着などが発生する。また、有効応力が小さくなりすぎると、土粒子の接触力が小さくなりすぎるため、塑性流動性が良好となって（土砂が流動しやすくなって）、スクリュコンベア４からの土砂の噴発などが発生する。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように構成することによって、土砂の塑性流動性および土砂の平均粒径という２つの土砂性状に関する指標を得ることができるので、チャンバ３内の土砂性状をより詳細に判断することができる。その結果、実際の掘削現場において時々刻々と変化する土砂性状に応じて、地山の崩れや、スクリュコンベア４からの噴発などが発生しないように適切な対処を取ることが可能になる。また、現場毎に異なる土砂の平均粒径を推定するとともに、土砂の塑性流動性を判断することができる。したがって、土砂の平均粒径を取得した上で塑性流動性を判断することができるため、より的確に塑性流動性を判断することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御部８は、土圧計７１の測定値および間隙水圧計７２の測定値に基づき算出した土砂の有効応力と、回転攪拌翼６１による間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標とに基づいて、土砂の塑性流動性を判断するとともに、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。これにより、土圧計７１および間隙水圧計７２を用いて容易に得られる有効応力と、回転攪拌翼６１による間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標とに基づいて、容易に、土砂の塑性流動性を判断することができるとともに、土砂の平均粒径を推定することを実現することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御部８は、有効応力と、間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標と、土砂の平均粒径との関係を示すマップＭに基づいて、土砂の平均粒径を推定するように構成されている。これにより、マップＭにより容易に土砂の平均粒径を推定することができる。すなわち、演算を繰り返すことにより、土砂の平均粒径を取得する場合と比較して、マップＭにより容易に土砂の平均粒径を取得（推定）することができる。

第１実施形態では、上記のように、間隙水圧計７２の測定値の変動に関する指標は、間隙水圧計７２の測定値の変動の応答率である。これにより、土砂の平均粒径の違いにより変化しやすい間隙水圧計７２の測定値の変動の応答率を用いることにより、より適切に土砂の平均粒径を推定することができる。

第１実施形態では、上記のように、チャンバ３内から土砂を排出するスクリュコンベア４をさらに備え、回転攪拌翼６１は、チャンバ３内の土砂を攪拌する。これにより、既存の構成である回転攪拌翼６１により、間隙水圧計７２の測定値を変動させることができる。

第１実施形態では、上記のように、チャンバ３内から土砂を排出するスクリュコンベア４をさらに備え、土圧計７１および間隙水圧計７２は、チャンバ３に沿って設けられた隔壁２ａに設置されている。これにより、隔壁２ａに土圧計７１および間隙水圧計７２を設置することにより、掘進に伴い土砂の土圧および水圧が変動しやすい位置に土圧計７１および間隙水圧計７２を配置することができるので、土圧計７１および間隙水圧計７２の測定値を効果的に変動させることができる。

［第２実施形態］
次に、図５を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、土圧計７１および間隙水圧計７２に向けて水を噴射する水噴射部２０９を備える例について説明する。上記第１実施形態と同様の構成は、第１実施形態と同じ符号を付して図示するとともに説明を省略する。なお、水噴射部２０９は、特許請求の範囲の「圧力変動部」の一例である。

図５に示すように、第２実施形態のシールド掘進機２００は、水噴射部２０９を備えている。

水噴射部２０９は、回転攪拌翼６１の後端６１ｂに設けられている。水噴射部２０９は、高い圧力の水を継続的に噴射するように構成されている。水噴射部２０９は、後方に向けて水を噴射するように構成されている。したがって、水噴射部２０９は、カッタヘッド１が回転する中で、回転攪拌翼６１と、土圧計７１および間隙水圧計７２とが掘進方向において互いに重なる回転位置において、土圧計７１および間隙水圧計７２に向けて水を噴射するように構成されている。この際、土圧計７１および間隙水圧計７２の測定値は、第１実施形態の測定値と比較して、より急峻なピークを示す。したがって、制御部８は、水噴射部２０９によって、土砂の塑性流動性を精度よく判断するとともに、土砂の平均粒径を正確に推定することが可能となる。なお、水噴射部２０９には、たとえば、センターシャフト１ａ内に設けられた水供給管（図示せず）を介して水が供給される。

第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、チャンバ３内の土砂性状をより詳細に判断することができる。

第２実施形態では、上記のように、水噴射部２０９は、土圧計７１および間隙水圧計７２に向けて水を噴射する。これにより、水噴射部２０９によって、一層メリハリがあり、より急峻なピークを有する土圧計７１および間隙水圧計７２の測定値を得ることができる。したがって、土砂の塑性流動性を精度よく判断するとともに、土砂の平均粒径を正確に推定することができる。

第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
次に、図６を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、土圧計７１および間隙水圧計７２を隔壁２ａに設置した上記第１実施形態とは異なり、土圧計３７１および間隙水圧計３７２をスクリュコンベア３０４に設置する例について説明する。上記第１実施形態と同様の構成は、第１実施形態と同じ符号を付して図示するとともに説明を省略する。

図６に示すように、第３実施形態のシールド掘進機３００は、スクリュコンベア３０４と、土圧計３７１および間隙水圧計３７２とを備えている。

スクリュコンベア３０４は、ケーシング４１と、スクリュ３４２とを含んでいる。なお、スクリュ３４２は、特許請求の範囲の「圧力変動部」の一例である。

土圧計３７１および間隙水圧計３７２は、スクリュコンベア３０４のケーシング４１に設置されている。土圧計３７１および間隙水圧計３７２は、互いに近傍に配置されている。また、土圧計３７１および間隙水圧計３７２は、掘進方向において、チャンバ３の近傍に配置されている。土圧計３７１および間隙水圧計３７２の測定値は、スクリュ３４２が回転することにより、周期的に変動する。

第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態の効果）
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記第１実施形態と同様に、チャンバ３内の土砂性状をより詳細に判断することができる。

第３実施形態では、上記のように、チャンバ３内から土砂を排出するスクリュコンベア３０４をさらに備え、土圧計３７１および間隙水圧計３７２は、スクリュコンベア３０４に設置されている。これにより、スクリュコンベア３０４に土圧計３７１および間隙水圧計３７２を設置することにより、スクリュコンベア３０４の駆動に伴い土砂の土圧および水圧が変動しやすい位置に土圧計３７１および間隙水圧計３７２を配置することができるので、土圧計３７１および間隙水圧計３７２の測定値を効果的に変動させることができる。

第３実施形態では、上記のように、チャンバ３内から土砂を排出するスクリュコンベア３０４をさらに備え、スクリュコンベア３０４のスクリュ３４２により土砂を攪拌するように構成されている。これにより、既存の構成であるスクリュコンベア３０４により、間隙水圧計３７２の測定値を変動させることができる。

第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１〜第３実施形態では、泥土圧式シールド掘進機に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明を、泥水式シールド掘進機に適用してもよい。泥水式シールド掘進機の場合には、送泥管を介してチャンバ内に泥水を送り込んで掘削土砂をスラリー化し、スラリー化した掘削土砂を、排泥管を介して排出する。

また、上記第１〜第３実施形態では、センターシャフト方式のシールド掘進機に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、中間支持方式のシールド掘進機に本発明を適用してもよい。

また、上記第３実施形態では、水噴射部を、回転攪拌翼に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、水噴射部を、固定攪拌翼に設けてもよい。この場合、水噴射部を、周期的に水を噴射するように構成する。

また、上記第１〜第３実施形態では、マップに基づいて土砂の平均粒径を推定した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、所定の演算に基づいて土砂の平均粒径を推定してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、回転攪拌翼を４つ設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、回転攪拌翼を１〜３つまたは５つ以上設けてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、土圧計および間隙水圧計のセットを１組設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、土圧計および間隙水圧計のセットを複数組設けてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、土圧計および間隙水圧計を隔壁またはスクリュコンベアに設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、土圧計および間隙水圧計を、カッタヘッドや、チャンバとスクリュコンベアとの間に配置された土砂のサンプリングを行う所定のバイパス通路などに設けてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、間隙水圧計の測定値の変動に関する指標を、間隙水圧計の測定値の変動の応答率とした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、間隙水圧計の測定値の変動に関する指標を、入力に対する間隙水圧計の測定値（出力）の時間的な遅れに関する指標としてもよい。

２ａ 隔壁
３ チャンバ
８ 制御部
６１ 回転攪拌翼（攪拌翼、圧力変動部）
７１、３７１ 土圧計
７２、３７２ 間隙水圧計
１００、２００、３００ シールド掘進機
２０９ 水噴射部（圧力変動部）
３０４ スクリュコンベア
３４２ スクリュ（圧力変動部）
Ｍ マップ

Claims (7)

1. 掘削された土砂が貯留されるチャンバと、
   前記土砂の土圧を測定する土圧計と、
   前記土圧計の近傍に配置され、前記土砂の水圧を測定する間隙水圧計と、
   前記間隙水圧計に加わる水圧を変動させることにより、前記間隙水圧計の測定値を周期的に変動させる圧力変動部と、
   前記土圧計の測定値および前記圧力変動部により変動される前記間隙水圧計の測定値に基づいて、前記土砂の塑性流動性を判断するとともに、前記土砂の平均粒径を推定する制御部とを備える、シールド掘進機。
2. 前記制御部は、前記土圧計の測定値および前記間隙水圧計の測定値に基づき算出した前記土砂の有効応力と、前記圧力変動部による前記間隙水圧計の測定値の変動に関する指標とに基づいて、前記土砂の塑性流動性を判断するとともに、前記土砂の平均粒径を推定するように構成されている、請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記制御部は、前記有効応力と、前記間隙水圧計の測定値の変動に関する指標と、前記土砂の平均粒径との関係を示すマップに基づいて、前記土砂の平均粒径を推定するように構成されている、請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 前記間隙水圧計の測定値の変動に関する指標は、前記間隙水圧計の測定値の変動の応答率である、請求項２または３に記載のシールド掘進機。
5. 前記チャンバ内から前記土砂を排出するスクリュコンベアをさらに備え、
   前記圧力変動部は、前記チャンバ内の前記土砂を攪拌する攪拌翼、および、前記スクリュコンベアのスクリュの少なくとも１つを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシールド掘進機。
6. 前記チャンバ内から前記土砂を排出するスクリュコンベアをさらに備え、
   前記土圧計および前記間隙水圧計は、前記チャンバに沿って設けられた隔壁、および、前記スクリュコンベアのうちのいずれか一方に設置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシールド掘進機。
7. 前記圧力変動部は、前記土圧計および前記間隙水圧計に向けて水を噴射する水噴射部を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシールド掘進機。

Images