JP2791709B2

JP2791709B2 - シールド機の掘進制御方法

Info

Publication number: JP2791709B2
Application number: JP2161969A
Authority: JP
Inventors: 紀夫近藤; 正巳井上; 正克望月; 克彦宮本; 剛毅岸
Original assignee: DAIHO KENSETSU KK
Current assignee: DAIHO KENSETSU KK
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH0452397A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、地中にトンネルを構築する際に用いられる
シールド機の掘進制御方法、詳しくは、例えば掘削地山
の性状が変化し易く切羽安定の管理が比較的困難な複雑
な瓦層や、地下空間を有効に利用するにあたり、地層の
土質の予測がつきにくい大深度の地山の掘削等であって
も速やかに安定した掘進を行い得るシールド機の掘進制
御方法に関する。

（従来の技術）従来の土圧式シールドにおいて、切羽の安定、さらに
は安定した掘進を維持するための掘進制御方法として
は、土圧管理、添加剤注入管理、排土管理等が互いに関
係づけられて行われている。

すなわち、切羽安定の直接的な方法として土圧管理が
あり、掘削土砂、あるいは掘削土砂と添加剤との混合体
を切羽室内及びスクリューコンベア内に充満させてシー
ルドジャッキの推進により、切羽室内に圧力を発生さ
せ、切羽に作用する地山の土圧及び地下水圧に対抗させ
て切羽を抑えている。

この場合、切羽室内圧力は、切羽室内に設けた土圧計
によって常時計測するとともに、この検出圧力値が地山
の崩壊が生じない下限値及び地盤の隆起を生じない上限
値の範囲内で地山に変形を生じない静止土圧に保つよう
にシールドジャッキの推進速度及びスクリューコンベア
の回転数等を調整して掘削土量と排土量とをバランスさ
せて掘進管理を行っている。

このとき、切羽室内及びスクリューコンベア内に充満
加圧された掘削土砂が適当な塑性流動性と不透水性を持
つことが必要条件である。

この掘進管理として従来ではシールド機に設けられた
回転カッターの抵抗トルク値の管理巾を設定し、これを
一体値に保つよう、適宜、掘削土砂に添加剤を注入し、
それらを機械的に混練して土性を上記土質に変換させて
いる。変換効果の確認は上記回転カッタートルク値及び
排土性状を観察して行い、結果を掘進にフィードバック
しながら掘進管理を行っている。

また、他の方法として、スクリューコンベアの如き排
土装置の前方から後方にかけて圧力計を複数個取付け、
それらの圧力計を介し内部圧力を各々計測し、それらの
圧力差によって内部充満土砂の性状を推定するようにし
たものもある。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、掘削土砂に添加剤を注入混練したこと
による変換効果の確認は、混練抵抗トルク値によって判
断可能であるが、検出される回転カッター抵抗トルク値
は、切削抵抗トルクと混練抵抗トルクとの和であり、ま
た、切削抵抗トルクは、掘削土質、掘進速度等によって
変化するため、正確な混練抵抗トルク値を検出し、混練
効果を確認することが不十分であった。

このように、回転カッター抵抗トルクのみによって混
練効果を確認する方法では掘進管理が不正確で、練混ぜ
られた土砂の性状を常時、均一に保つことは困難であ
り、排土装置内での閉塞あるいは排土口からの土砂の噴
発の危険性があった。

また、掘削地山の地層変化の激しい複雑な瓦層掘進に
おいては、確実な管理や機械操作を行うことがより困難
であり、特に高水圧下では排土装置からの噴発が起り易
いという課題があった。

さらに、特に例えば大深度においては、予め適確な土
質調査を行うことは困難であり、掘削を行う地山の性状
を正確に把握しにくいため、適切な掘進管理が難しいと
いう実情にあった。

また、このような状況に対応すべく排土装置に複数個
の圧力検出器を設けた従来例では、予め噴発が予測され
ても、結局噴発直前の圧力分布の特徴が排土装置の後部
で表れ、噴発性土砂が排土口近くまで達しているため、
それに対処する間もなく噴発を起こすという欠点があ
り、厳密な掘進管理を行うことはできないという課題が
あった。

本発明は上記のことに鑑み提案されたもので、その目
的とするところは、土圧式シールドの掘進において、あ
らゆる地山においても、掘進中に切羽室及びスクリュー
コンベア内に充満加圧された土砂の性状を確実に、均一
に維持管理でき、速やかに横坑を築造し得るシールド機
の掘進制御方法を提供するにある。

（課題を解決するための手段）本発明におけるシールド機の掘進制御方法では、掘削
土砂と添加剤との混合体からなる泥土で切羽室内及び切
羽室に接続された排土装置内を充満し、この混合体の圧
力で切羽を保持する土圧式シールド機によるシールド機
の掘進制御方法において、前記切羽室内の圧力を検出す
る切羽室土圧計を設け、前記排土装置の全長のほぼ1/2
以内の前方部分に複数個の排土装置土圧計を設け、前記
切羽室土圧計及び前記排土装置土圧計によって切羽室内
圧力及び排土装置内圧力を検出し、前記切羽室土圧計の
検出値を予め設定した管理値と比較し、シールドジャッ
キあるいは前記排土装置のスクリューコンベアの速度を
増減することにより前記切羽室内の圧力を管理巾内に調
整し、前記切羽室土圧計及び前記排土装置土圧計の検出
値から求められる圧力勾配を予め設定した管理圧力勾配
と比較し、圧力勾配が緩やかな場合には添加剤を増し、
圧力勾配が急な場合には添加剤を減ずることにより前記
混合体の塑性流動性を一定の範囲に管理して掘進制御す
るようにし、上記目的を達成している。

（作用）切羽室及び排土装置内には、掘削土砂と添加剤とが混
合された土砂が塑性流動性と不透水性という性質を持つ
所謂『泥土』に変換されて加圧充填されている。この場
合、この切羽室内及び排土装置内に充填されている掘削
土砂の性質を均一に保って、安定した掘進を維持するた
めに、本発明では上記した構成のように切羽室内の圧力
を検出する切羽室土圧計及び排土装置前部の内部に設け
た排土装置土圧計で検出される圧力値の差分、あるいは
圧力勾配を一定に保つようにシールド機の掘進の管理を
行うようにし、例えば噴発性土砂であるとき、排土装置
の前部にてそれを知ることができるようにしているた
め、その土砂が排出されるまでに時間的余裕があり、添
加剤の注入量を速やかに減ずるなどの対処を行うことが
できるようにしている。

（実施例１）第１図ないし第２図は本発明の第１実施例を示すもの
で、このうち第１図は本発明の土圧式シールド機の全体
構成を示す。しかして、図中１はシールド機で、その前
部に坑内側に設けられたカッターモータ11を介し正逆回
転可能となっている周知構成の回転カッター２が設けら
れている。また、３はそのカッタービット、5aはシール
ド筒1aの前方部内に設けられた隔壁であり、シールド筒
1aのフード部とこの隔壁5aによりシールド筒1aの前方に
掘削土砂４を取込む切羽室５が区画形成されている。７
は例えばスクリューコンベア如き排土装置で、ケーシン
グ８内にスクリューコンベア９が設けられ、かつ前部は
隔壁5aの下方中央部に接続され、切羽室５内の掘削土砂
４を取込むようになっており、その後方にはスクリュー
コンベア９を駆動するためのスクリューコンベアモータ
10が設けられ、かつ後方下部には排土口12が設けられ、
この排土口12から排土６を行うようになっている。

また、この排土装置７のケーシング８には内部の圧力
を検出する排土装置土圧計15a〜15cが適間隔でもって複
数個設けられている。すなわち、これらの排土装置土圧
計15a〜15cは排土装置７の長さ方向に沿って設けられて
いる。

その他、13は推進用のシールドジャッキ、14は隔壁5a
に設けられた切羽室５内の圧力を検出する切羽室土圧
計、16はシールド機１の掘進に伴って順次組立てられた
セグメント、17は排土装置７の排土口12に対応して配置
されたズリトロ、Ｇは地山である。

このシールド機１の動作の概要は次の通りである。

いま、カッターモータ11を駆動することにより、回転
カッター２に取付けたカッタービット３で地山Ｇを掘削
し、その掘削土砂４やあるいは機内から適量注入した添
加剤との混練混合体を切羽室５内、及び排土装置７内に
加圧充満させて切羽Ｆを保持するとともに、掘削土量に
見合った排土量を排土装置７を介して排出させながら掘
進している。

排土装置７には、前述のように、内部圧力を検出する
排土装置土圧計15a〜15cが好適な位置に数個設けられ、
掘進中における内部充満土砂4aの圧力が常時検出されて
いる。

第２図は掘進実験に用いたシールド機の排土装置７に
取付けた土圧計Ｓの位置と排土装置７の先端から排土口
12までの距離の関係を模式した状態を示す要部の略断面
図である。

実験では羽根径218mm、ピッチ170mmのスクリューコン
ベアを設置したマシーン外径1600mmの土圧式セミシール
ド機を使用した。そして、この場合、排土装置７の先端
から、各々L₁，L₂，L₃，L₄，L₅，L_nの位置に排土装置７
の内部の圧力を検出する土圧計S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S_n
が取付けられている。スクリューコンベア先端から各土
圧計S₁〜S_nの取付け位置までの距離は各々L₁＝101mm、L
₂＝301mm、L₃＝629mm、L₄＝958mm、L₅＝1286mm、L_n＝16
15mmとなっている。また、S₁，S₂間距離、S₁〜S₃間距離
は、各々スクリューコンベアの羽根径のほぼ0.9倍、2.4
倍となっている。また、S₁，S₂・・・は第１図の符号15
a,15b・・・に対応している。

しかして、土圧式シールドの掘進において羽根室５か
ら排土装置７の排土口12までの排土装置７の内部圧力の
分布状態は、例えばスクリューコンベア９の如き排土装
置７を使用した場合、安定した掘進時には排土口12に近
づくに従って土圧が徐々に減少して切羽室５〜排土口12
間の圧力分布がほぼ直線的になることが知られている。
これはスクリューコンベア９が山留め機能を有している
ことを示している。

第３図は、排土装置７に上述のようにスクリューコン
ベア９を使用し、第２図に模式したように排土装置７の
ケーシング８に土圧計S₁〜S_nを設置した土圧式シールド
の砂層掘進実験における、排土装置内部の土圧計測結果
を模式的に表すものである。

なお、これは、切羽水圧5kg/cm²の作用する均等係数U
c＝1.9の細砂層における掘進実験結果である。この図に
おける、斜線出で囲まれた範囲Ａが安定した掘進状態の
圧力分布であり、一点鎖線ａは排土口12から掘削土砂が
噴発する直前の圧力分布状態であり、また、点線ｂはス
クリューコンベア内で閉塞気味になる圧力分布状態であ
る。

この第３図から明らかなように、掘進実験において、
切羽室内５及びスクリューコンベア９内に、適当な塑性
流動性と不透水性をもつ性状に変換された泥土が充満し
た状態、すなわち、安定した掘進時においては、スクリ
ューコンベア９内部の圧力は排土口12に近づくに従って
徐々に減少し、土圧計S₁〜S_nで検出された値を各々P₁〜
P_nとすると、切羽室５〜排土口12間の圧力分布は0.3〜
0.7kgf/cm²の分布はあるもののP₁〜P_n間はほぼ直線的に
なることが確認された。

さらに、安定した掘進状態から添加剤を過度に注入混
練して、泥土の流動性を過大とした場合には、スクリュ
ーコンベア９の排土口12から土砂の噴発現象を生じた。

噴発に至るまでの状況は、第３図に見られるように、
最初スクリューコンベア９の先端部において圧力分布の
変動が生じることが分かる。すなわち、スクリューコン
ベア９の先端部の土圧計S₁，S₂の計測値に着目し、その
圧力差をΔＰ＝P₁−P₂とすれば噴発直前までに、S₂の圧
力が上昇して圧力差ΔＰは徐々に小さくなる傾向が見ら
れた。

また、添加剤注入量を減少させて、泥土の流動性を低
下させた場合には、回転カッター２の抵抗トルクが大き
くなり、スクリューコンベア９内で閉塞気味となり、土
圧計S₂の圧力が低下して圧力差ΔＰが大きくなる傾向が
見られた。

上記の特徴を踏まえ、本発明では排土装置７の先端部
の圧力を数箇所計測し、その圧力差（または圧力勾配）
を一定範囲に保つ様に管理することで、切羽室５内及び
排土装置７内の泥土の性状を均一に維持可能であり、排
土装置７内での閉塞あるいは排土口12からの噴発現象を
事前に予知し、時間的余裕をもってこれに対処すること
で、トラブルを未然に防止して、安定した掘進が行える
ようにしている。

従って、第２図の図示例では排土装置７の長さ方向の
前方から排土口12の手前にわたって複数個の土圧計S₁〜
S_nを設けたものを示したが、排土装置７の前方部分のみ
の土圧計S₁，S₂または、S₁〜S₃を用いて掘進管理を行え
ば良い。よって、第１図に示すように、排土装置土圧計
15a〜15cを排土装置７の前方部分のみに設けた構成とし
ても良い。

第４図は本発明における掘進のフロー図の一例を示す
ものであり、図中における記号S/Jはシールドジャッ
キ、S/Cはスクリューコンベア、ΔPcはスクリューコン
ベア前部の管理圧力差、ΔP_minはΔPcの下限値、ΔP_max
はΔPcの上限値、ΔPeは実際の掘進中スクリューコンベ
ア前部の圧力差を示す。

上述のように本発明では、切羽室５内における泥土の
性状がスクリューコンベア９前部の圧力差ΔＰによって
確認可能であり、この圧力差ΔＰを安定掘進状態となる
ある一定の範囲（管理巾）となるよう、適宜、添加剤の
注入管理を行うことで、掘削土砂４が常時均一の性状の
泥土となり、カッタートルク過大及び排土装置７内での
閉塞、あるいは排土口12から土砂が噴発することもな
く、安定した掘進管理を行える。

なお、圧力差の管理巾は、閉塞あるいは噴発が予兆さ
れる値以内に余裕をもって設定すれば、より安定した掘
進管理が行える。

しかして、本発明ではもし、万一、掘進中に閉塞ある
いは噴発の予兆値に達しても、その性状の土砂はスクリ
ューコンベア９の前部までしか達しておらず、これら現
象をより早く察知できるため、早めの防止策が可能であ
る。

例えば、閉塞が予兆されれば、切羽室５内土砂の流動
性が過小であるため、シールドジャッキ13の速度、スク
リューコンベア９の回転を停止して、掘進排土を停止し
て適量の添加剤を切羽室５に注入し、掘削土砂４と混練
して、流動性を回復させれば良く、また、噴発が予兆さ
れれば切羽室５内土砂の流動性が過大であるため、スク
リューコンベア９の回転を停止して排土を停止し、地山
Ｇに変形を与えない切羽地山圧力（受働土圧）程度ま
で、切羽室５の内部圧力を上昇させて切羽室内土砂を圧
密脱水して、適当な流動性に回復させることが可能であ
り、排土トラブルのない安定した掘進を行うことができ
る。

なお、上記実施例では土圧計S₁，S₂間の圧力差分値を
とっているが、S₁，S₂間の圧力差分値の代わりにS₁〜S₃
間の圧力差分値を管理することでも良好な結果が得られ
た。

また、圧力差分値ΔＰの代わりに圧力勾配Ｍ＝ΔP/（L₂−L₁）＝（P₂−P₁）／（L₂−L₁）を管理対象としても同様の作用・効果を得ることができ
る。さらに、各土圧計S₁〜S_nのうち前方部分の単独土圧
計の検出値を切羽室内の圧力と対比してその圧力差分値
または圧力勾配を監視しながら掘進管理を行うことも可
能である。

また、図示してはいないが、後部に排土口を設置した
中空の筒を切羽室に接続して排土装置とし、切羽室内及
び排土装置内部に掘削土砂あるいは掘削土砂と添加剤と
の混合体を充満し、この充満土砂と排土装置内表面との
摩擦力により、切羽に作用する土圧及び地下水圧に抵抗
させて切羽を抑えるシールド機においても、排土装置内
部圧力分布は排土口に近づくに従って徐々に減少する。

従って、上記シールド機においても、本発明を用いれ
ば排土装置前方の圧力差、あるいは圧力勾配を一定に保
つことができ、排土性状を均一に管理することが可能で
あり、排土トラブルのない安定した掘進を行うことがで
きる。

（実施例２）第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施例を示すも
ので、この例では土圧計15aをスクリューコンベア９の
スクリュー軸9aに設けた点が前述の実施例と異なってい
る。

その他の構成、作用は第１実施例と同様である。な
お、土圧計15aをスクリュー羽根9bに設けることも可能
である。

（発明の効果）以上のように本発明によるシールド機の掘進制御方法
では、切羽室内の圧力を検出する切羽室土圧計を設け、
排土装置の全長のほぼ1/2以内の前方部分に複数個の排
土装置土圧計を設け、切羽室土圧計及び排土装置土圧計
によって切羽室内圧力及び排土装置内圧力を検出し、切
羽室土圧計の検出値を予め設定した管理値と比較し、シ
ールドジャッキあるいは排土装置のスクリューコンベア
の速度を増減することにより切羽室内の圧力を管理巾内
に調整し、切羽室土圧計及び前記排土装置土圧計の検出
値から求められる圧力勾配を予め設定した管理圧力勾配
と比較し、圧力勾配が緩やかな場合には添加剤を増し、
圧力勾配が急な場合には添加剤を減ずることにより混合
体の塑性流動性を一定の範囲に管理して掘進制御するよ
うにしたから、切羽室内及び排土装置内の泥土の性状が
明確に把握でき複雑な瓦層や土質調査に困難性を伴う大
深度においても掘進管理が容易となり、また排土装置の
前方部分の検出値により泥土の性状を観察するようにし
ているため、噴発や閉塞等の予兆をより早く察知でき、
それに応じて早めに対処できるので、トラブルを事前に
防止し、円滑に掘進を行うことができる、という効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例、第２図は本発明の第１実
施例略断面図、第３図は本発明の排土装置内圧力分布模
式図、第４図は本発明による掘進管理フロー図の一例、
第５図（ａ）は本発明の他の実施例、（ｂ）は（ａ）図
中Ａ−Ａ線断面図を示す。１……シールド機 1a……シールド筒２……回転カッター３……カッタービット４……掘削土砂５……切羽室 5a……隔壁６……排土７……排土装置８……ケーシング９……スクリューコンベア 9a……スクリュー軸 10……スクリューコンベアモータ 11……回転カッターモータ 12……排土口 13……シールドジャッキ 14……切羽室土圧計 15a〜15c……排土装置土圧計 16……セグメント 17……ズリトロ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者望月正克東京都中央区新川１丁目24番４号大豊建設株式会社内 (72)発明者宮本克彦東京都中央区新川１丁目24番４号大豊建設株式会社内 (72)発明者岸剛毅東京都中央区新川１丁目24番４号大豊建設株式会社内 (56)参考文献特開昭61−17697（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−68195（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】掘削土砂と添加剤との混合体で切羽室内及
び切羽室に接続された排土装置内を充満し、この混合体
からなる泥土の圧力で切羽を保持する土圧式シールド機
によるシールド機の掘進制御方法において、前記切羽室内の圧力を検出する切羽室土圧計を設け、前記排土装置の全長のほぼ1/2以内の前方部分に複数個
の排土装置土圧計を設け、前記切羽室土圧計及び前記排土装置土圧計によって切羽
室内圧力及び排土装置内圧力を検出し、前記切羽室土圧計の検出値を予め設定した管理値と比較
し、シールドジャッキあるいは前記排土装置のスクリュ
ーコンベアの速度を増減することにより前記切羽室内の
圧力を管理巾内に調整し、前記切羽室土圧計及び前記排土装置土圧計の検出値から
求められる圧力勾配を予め設定した管理圧力勾配と比較
し、圧力勾配が緩やかな場合には添加剤を増し、圧力勾配が
急な場合には添加剤を減ずることにより前記混合体の塑
性流動性を一定の範囲に管理して掘進制御することを特
徴としたシールド機の掘進制御方法。