JP3343763B2 - 泥土圧シールド工法における切羽安定方法 - Google Patents

泥土圧シールド工法における切羽安定方法

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浩 名倉
忠 坂本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、泥土圧シールド工法に
おいて切羽の安定化を図る方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、泥土圧シールド工法において、チ
ャンバ内の土圧を一定化して切羽の安定を図る方法とし
て、シールド掘進機のチャンバ内の土砂をスクリューコ
ンベアで排出しながら、該チャンバ内の土圧を土圧計で
測定して目標土圧との偏差を求め、その偏差に応じてス
クリューコンベアの回転数を制御してチャンバからの土
砂の排土量を調整する方法が知られている(例えば特公
昭54−40859号公報、特公平2−58438号公
報等)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなス
クリューコンベアの回転数制御による方法は、スクリュ
ーの径や長さ、土質、添加材の配合にもよるが、高水圧
下(例えば約1.5Kgf/cm 以上)では、水圧
を0まで低減できないため、スクリューコンベアのスク
リューゲート(排出口)で土砂の噴出や出水が生じてし
まう。そのため、止水装置として、スクリューゲートに
圧送ポンプやロータリーディスチャージャなどを取り付
けるか、更に二次スクリューコンベアを連結し、又は高
価な高濃度の添加材を大量に使用して土砂の噴出や出水
を防止する必要があった。
【0004】このうち圧送ポンプで止水する方式は、装
置の小型化、ベルトコンベア等の省略、止水性が良好な
どの利点(特に2.0Kg/cm 以上の高水圧下で
は他の方法に比べ顕著)があるため、最近その利用が増
加している。しかし、従来は、チャンバ内の土圧制御は
あくまでもスクリューコンベアの回転数制御(例えば切
羽圧力によるPID制御、ジャッキ速度との比例制御)
で行い、圧送ポンプは、単にオン・オフによる止水と圧
送だけの切替用途で、オン時には常に圧送ポンプを一定
速度で作動させており、高水圧下ではスクリューによる
制御能力が低下するため、充分な切羽安定が行えなかっ
た。
【0005】また、過流動性の土砂(高含水比の砂な
ど)では、スクリューで切羽土圧を制御できないため、
スクリューで土圧を制御できる適度に塑性流動化した土
砂としなければならず、土砂の性状管理が難しかった。
【0006】更に、従来では圧送ポンプはスクリューの
回転と無関係なため、たとえスクリューによる土圧制御
は可能であっても、圧力ポンプのホッパ内の圧力変動や
圧送による切羽土圧の脈動などの要因で最終的に制御が
困難になることがあった。
【0007】切羽土圧を制御できないと、結果的に、土
砂の取り込み過ぎによる沈下や陥没や切羽崩壊が起こ
り、また過大な土圧によりチャンバ内及びスクリューコ
ンベア内が閉塞して掘進不能になる。
【0008】本発明の目的は、スクリューコンベアの回
転数制御による上記のような問題点を解決し、高水圧下
でも切羽安定制御を確実に行えるようにして、沈下や陥
没や切羽崩壊等のトラブルの発生を低減できるととも
に、工法の適用範囲の拡大や省力化も図れるようにする
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来のように
シールド掘進機のチャンバから土砂を排出するスクリュ
ーコンベアによって切羽土圧を制御する方法ではなく、
圧送ポンプにてスクリューコンベアの排出口の止水と土
砂の圧送を行うとともに、この圧送ポンプによって切羽
土圧をコンピュータを用いて自動制御する。すなわち、
本発明による切羽安定方法は、圧送ポンプとしてピスト
ンポンプを用いてこれにてスクリューコンベアの排出口
を止水しながら、チャンバ内の土砂を添加材の注入や混
練を制御することにより該ピストンポンプで制御し易い
泥土に改良し、その土砂をチャンバ内から定速搬送する
ためにスクリューコンベアを一定回転させたまま、チャ
ンバ内の土圧を掘進しつつ土圧計で測定し、その測定土
圧と設定目標土圧との偏差ΔEPをコンピュータで求
め、ピストンポンプのポンピング速度をこの偏差ΔEP
に応じてコンピュータにより加減制御して、単位時間当
たりの圧送排土量を、土圧計で測定したチャンバ内の土
圧に従い自動制御することにより、ピストンポンプのポ
ンピングによる圧力変動を低減する。
【0010】
【作用】シールド掘進機の排土方式として、圧送ポンプ
であるピストンポンプによるスクリューコンベアの止水
及び土砂圧送は、上記のように他の方式に比べて種々の
点で優れ、特に2.0Kg/cm 以上の高水圧下で
は土圧制御の確実性や容易さの面で有利である。本発明
はこのことに着目し、スクリューコンベアは一定回転さ
せる一方、ピストンポンプのポンピング速度を、チャン
バ内の測定土圧と目標値との偏差に応じてコンピュータ
により加減制御して、単位時間当たりの圧送排土量を自
動制御することにより、結果的に切羽土圧を制御する。
この場合、スクリューコンベアはピストンポンプのポン
ピングによる圧力変動を低減するダンパーとしても機能
する。本発明がこのような方法を採った理由について更
に詳述すると、次のとおりである。泥土圧シールド工法
が取り扱う掘削土砂は、軟弱粘性土など流体に近いもの
から砂・砂礫など塑性に近いものまで幅広い。一方、排
土を行うスクリューコンベア回転数の変化で土圧を制御
できる泥土の範囲は狭い。そのため、泥状の注入材の添
加・強制混練によって、掘削土砂性状を制御可能な範囲
に改良することが必要となる。その注入材についても掘
削土砂の性状にあった配合・注入率と、掘削体積に適し
た注入量といった、繊細な制御が必要となる。また、ス
クリューコンベア中の土砂の粘性やせん断抵抗などによ
る止水性に限界があるので、水圧が高い場合には、スク
リュー排泥口に圧送ポンプを直結し、確実な止水性を確
保することが好ましい。このスクリューコンベア端部の
排土装置兼バルブといった機能を有した圧送ポンプとし
てピストンポンプを用いた場合、圧送ポンプ(ピストン
ポンプ)の急激なピストン運動による体積変化は多くの
場合、スクリューコンベアによる緩やかな回転制御によ
る体積変化に比べ、スクリューおよびチャンバー内圧力
への影響が大きい。逆にいえば、せっかくスクリュー回
転で圧力制御していても、排泥口に取り付けた定速運転
または圧送ポンプホッパーに取り付けた圧力スイッチに
よる簡単なON/OFF制御を行う圧送ポンプにより、
スクリューおよびチャンバー内に圧力変動(外乱)が生
じ、スクリュー回転による土圧制御性能が低下または困
難になりがちである。一方、圧送ポンプは前述したよう
に排土装置でもあるため、そのポンピング速度またはシ
リンダー体積を、切羽圧力の変動にあわせ、連続的に増
減させ、排土量を調整するといったプロセス制御を行う
ことは比較的容易である。したがって、両者を併用した
場合、影響度合いが大きい圧送ポンプを用いる方が効果
的である。その際、影響が小さいといえども回転速度に
より圧力変化を生じさせることができるスクリューコン
ベアの回転数は一定にした方が、制御が安定することは
明白である。当然、チャンバー内圧力(切羽圧力)の直
接的要因である単位時間あたりの掘削土量(カッターの
切削面積×掘進速度)と圧送ポンプによる排土量がバラ
ンスすれば、一見、定速運転を行っているように理想的
な安定状態が得られるように思われる。しかしながら、
外的要因である地盤は、地層が斜行していたり、同一地
層であってもその粒度構成、水分含有率などが刻々と変
化する。またシールド機側についても、地盤の変化によ
りチャンバー内の泥土状況、推力の変動にともなうジャ
ッキ速度の微妙な変化というように、常に一定の状態は
あり得ないため、切羽圧力を一定にするため、何らかの
排土量の制御が必要となる。そこで、本発明では、スク
リューコンベアでは、高水圧条件下での土圧制御が困難
であることと、スクリューコンベアの回転制御に加えて
圧送ポンプ(ピストンポンプ)のポンピング速度も変え
ると、スクリューコンベアの回転制御による圧力変動に
圧送ポンプ(ピストンポンプ)による圧力変動が重畳し
て、チャンバ内の圧力制御が困難になるため、圧送ポン
プ(ピストンポンプ)による圧力変動をスクリューコン
ベア内で減衰させて、圧送ポンプ(ピストンポンプ)の
みによるチャンバ内の圧力制御を高水圧条件下でも容易
にする目的から、スクリューコンベアを定速運転してダ
ンパーとして機能させ、圧送ポンプ(ピストンポンプ)
に対する補償を行うようにしたものである。なお、圧送
ポンプのピストン回数の変化によって排土する土砂体積
を調節して行う土圧制御は、土砂が有している粘性やせ
ん断抵抗に期待したスクリュー回転変化による制御よ
り、ピストンとシリンダーという機械的な止水性を有し
ており、そのため、スクリューコンベアによる制御に比
べ幅広い土質と高い水圧に適応できるといった特長を有
している。
【0011】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明
する。図1において、シールド掘進機1が掘進すると、
その掘削による土砂は、添加材注入ポンプ2からの添加
材と混練されるとともに加圧され、地山に対抗させなが
らスクリューコンベア3によってチャンバ4から排出さ
れる。このチャンバ4の土圧は公知の土圧計5によって
常時測定される。
【0012】スクリューコンベア3の先端部の排出口に
は、圧送ポンプとして複胴式ピストンポンプ6が直結さ
れ、スクリューコンベア3の排出口はこのピストンポン
プ6により止水され、また該排出口まで搬送された土砂
はこのピストンポンプ6により圧送ライン(図示省略)
へと圧送される。
【0013】土圧計5の測定値は、コンピュータ(図示
省略)によって設定目標値と比較されてそれとの偏差が
求められ、その偏差に応じてピストンポンプ6のポンピ
ング速度がコンピュータにより制御(例えばPID制
御)される。すなわち、切羽土圧を目標土圧に保つため
に、ピストンポンプ6のポンピング速度が、コンピュー
タからの電気信号に応じて自動的に調整される。例え
ば、設定目標土圧をEP’、土圧計5の測定土圧をEP
とすると、その偏差ΔEP(ΔEP=EP−EP’)が
ΔEP>0(測定土圧EPが設定目標土圧をEP’より
大きい)のときは、圧送ポンプ6のポンピング速度を増
加し、ΔEP<0(測定土圧EPが設定目標土圧をE
P’より小さい)ときは、ピストンポンプ6のポンピン
グ速度を減少させる。図2はその制御のフローチャート
である。
【0014】スクリューコンベア3は、ピストンポンプ
6を上記のように制御している間も一定回転され、チャ
ンバ4内の土砂をピストンポンプ6へ搬送する定速の搬
送装置として機能するとともに、ピストンポンプ6のポ
ンピングによる圧力変動を低減するダンパーとしても機
能する。
【0015】ピストンポンプ6のポンピング速度をチャ
ンバ4内の測定土圧と目標値との偏差に応じて制御する
と、単位時間当たりの圧送排土量が制御され、その結
果、チャンバ4内の土圧を目標土圧に維持できることに
なる。そのため、チャンバ4内の土砂は、添加材の注入
や混練を制御することによりピストンポンプ6で制御し
易い泥土に改良しておく。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、スクリューコンベアに
よって切羽土圧を制御するのではなく、該スクリューコ
ンベアは一定回転させてチャンバ内の土砂を定速搬送し
ながら、スクリューコンベアの止水及び土砂圧送を行う
ピストンポンプのポンピング速度を、チャンバ内の測定
土圧と目標値との偏差に応じてコンピュータにより実時
間で自動的に加減制御することによって、単位時間当た
りの圧送排土量を調整して切羽土圧を制御するため、高
水圧下でも切羽安定制御を確実に行える。その結果、沈
下や陥没や切羽崩壊等のトラブルの発生を低減できると
ともに、工法の適用範囲の拡大や省力化も図れる。
【0017】また、スクリューコンベアを一定回転させ
てピストンポンプのポンピングによる圧力変動を低減す
るダンパーとして機能させ、しかもチャンバ内の土砂を
添加材の注入や混練を制御することによりピストンポン
プで制御し易い泥土に改良するので、ピストンポンプの
ホッパ内の圧力変動や圧送による切羽土圧の脈動を吸収
して正確な切羽安定制御ができる。更に、土圧制御でき
る土砂の適用範囲が広いため、土砂の性状管理も容易に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の一実施例を説明する図である。
【図2】同方法における土圧制御のフローチャートであ
る。
【符号の説明】
1 シールド掘進機 2 添加材注入ポンプ 3 スクリューコンベア 4 チャンバ 5 土圧計 6 ピストンポンプ(圧送ポンプ)
フロントページの続き (72)発明者 坂本 忠 大阪府大阪市福島区海老江5丁目5番6 号 丸矢工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−80094(JP,A) 実開 昭63−156297(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シールド掘進機が掘削した土砂をチャンバ
    内に貯留して切羽に対抗させつつ、該チャンバ内の土砂
    をスクリューコンベアで排出し、このスクリューコンベ
    アの排出口に連結した圧送ポンプで該排出口を止水し、
    該排出口まで搬送された土砂を圧送ポンプで圧送して搬
    出する泥土圧シールド工法において、上記圧送ポンプと
    してピストンポンプを用いてこれにて上記スクリューコ
    ンベアの排出口を止水しながら、上記チャンバ内の土砂
    を添加材の注入や混練を制御することにより該ピストン
    ポンプで制御し易い泥土に改良し、その土砂をチャンバ
    内から定速搬送するために上記スクリューコンベアを一
    定回転させたまま、チャンバ内の土圧を掘進しつつ土圧
    計で測定し、その測定土圧と設定目標土圧との偏差ΔE
    Pをコンピュータで求め、上記ピストンポンプのポンピ
    ング速度をこの偏差ΔEPに応じてコンピュータにより
    加減制御して、単位時間当たりの圧送排土量を、上記土
    圧計で測定したチャンバ内の土圧に従い自動制御するこ
    とにより、上記ピストンポンプのポンピングによる圧力
    変動を低減することを特徴とする泥土圧シールド工法に
    おける切羽安定方法。
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