JP5584649B2

JP5584649B2 - 土圧管理装置

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Publication number: JP5584649B2
Application number: JP2011096460A
Authority: JP
Inventors: 圭伊賀崎; 泰司森田; 克彦高倉; 潤川北
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: JP2012225131A

Description

本発明は、シールドマシン用の土圧管理装置に関する。

密閉型土圧式（泥土圧式を含む）のシールドマシンを掘進させる際には、チャンバ内の土圧（泥土圧を含む）を計測し、得られた土圧データに基づいて掘削管理を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２５５１１７号公報

切羽の安定状態を的確に判断するためには、土圧変動を的確に把握する必要がある。切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することができれば、トンネル掘削作業の安全性が高まることになる。

このような観点から、本発明は、チャンバ内の土圧を管理するための土圧管理装置であって、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することが可能な土圧管理装置を提供することを課題とする。

チャンバ内の土圧変動の原因を本願発明者が追求したところ、カッターヘッド背面の攪拌翼（練混ぜ翼）がチャンバ内の掘削土（加泥材が混練された掘削土を含む）を押し退けながら進行（旋回）することに伴い、攪拌翼の進行方向前側の領域では土圧が上昇し、攪拌翼の進行方向後側の領域では土圧が下降する傾向にあることが判明した。

かかる知見に基づいて創案された本発明は、カッターヘッドの背面に攪拌翼を備えたシールドマシンに適用される土圧管理装置であって、チャンバ内の土圧を計測するための土圧センサと、前記攪拌翼の位置を検出するための位置センサと、前記位置センサで取得された位置データに基づいて、前記土圧センサの近傍に前記攪拌翼が位置しているか否かを判定する判定手段と、表示手段に表示すべき表示用土圧データを作成する表示用土圧データ作成手段とを備え、前記表示用土圧データ作成手段は、前記土圧センサで取得された土圧データ群のうち、前記判定手段の判定結果が肯定判定であるときに前記土圧センサで取得された土圧データを除外し、前記判定手段の判定結果が否定判定であるときに前記土圧センサで取得された土圧データを使用して、前記表示用土圧データを作成することを特徴とする。

本発明によれば、判定手段の判定結果が肯定判定であるとき（攪拌翼が土圧センサの近傍を旋回しているとき）に土圧センサで取得された土圧データが表示用土圧データから除外されるようになる。すなわち、本発明によれば、攪拌翼の旋回に伴う土圧変動が表示されなくなる結果、攪拌翼以外の要因による土圧変動が相対的に顕在化するようになるので、例えば、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動などを容易に把握することが可能となり、ひいては、精度の高い掘削管理を行うことが可能となる。なお、攪拌翼の旋回に起因した土圧変動は、攪拌翼の旋回に伴って周期的に発生するものであり、切羽の安定状態とは関連していないから、攪拌翼の旋回に伴う土圧変動を排除しても、特段の問題は生じない。

なお、複数の土圧センサを設ける場合には、土圧センサごとに前記した判定処理を行う。また、複数の土圧センサが配置されている場合には、総ての土圧センサに係る土圧データが同時に除外されないように各土圧センサの設置位置を決定することが望ましい。

本発明によれば、攪拌翼に起因する土圧変動が排除された土圧データを提供することが可能となるので、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を的確に把握することができ、ひいては、トンネル掘削作業の安全性が高まるようになる。

本発明の実施形態に係る土圧管理装置のブロック図である。本発明の実施形態に係る土圧管理装置が適用されるシールドマシンの概略断面図、（ｂ）は攪拌翼の影響範囲を説明するための拡大断面図である。表示用土圧データを示す図であって、（ａ）は第一土圧センサで取得された土圧データに基づいて作成した土圧の時刻歴データを示す図、（ｂ）は第二土圧センサおよび第三土圧センサで取得された土圧データに基づいて作成した土圧の時刻歴データを示す図、（ｃ）は複数の土圧センサで取得された土圧に基づいて作成した平均土圧の時刻歴データである。

本発明の実施形態に係る土圧管理装置は、密閉型泥土圧式のシールドマシン１０（図２参照）の掘削管理に使用されるものである。

シールドマシン１０は、図２の（ａ）に示すように、カッターヘッド１１、攪拌翼１２，１２，…、隔壁１３、排土手段１４、加泥材注入系統１５などを備えている。カッターヘッド１１で切削された掘削土は、加泥材注入口系統１５から注入された加泥材とともにチャンバ（カッターヘッド１１と隔壁１３との間の空間）内に取り込まれ、攪拌翼１２，１２，…によって攪拌されつつ、排土手段１４によってチャンバ内から排出される。攪拌翼１２，１２，…は、チャンバ内に取り込まれた掘削土の塑性流動化を促すとともに、掘削土の付着や堆積を防止する目的で配置されるものであり、カッターヘッド１１の背面に取り付けられている。攪拌翼１２の形状に制限はないが、本実施形態のものは円柱状である。

図１に示すように、カッターヘッド１１は、その回転軸から放射状に延出する複数本（本実施形態では四本）のカッタースポーク１１ａ〜１１ｄを具備している。カッタースポーク１１ａ〜１１ｄは、９０度ピッチで十字状に配置されている。

攪拌翼１２，１２，…は、カッターヘッド１１の回転に伴って、カッターヘッド１１の回転軸を中心にして旋回する。本実施形態では、１本のカッタースポークにつき内外二つの攪拌翼１２，１２が取り付けられている。

内周側の攪拌翼１２，１２，…は、第一の移動ルートＰに沿って旋回し、外周側の攪拌翼１２，１２，…は、第二の移動ルートＱに沿って旋回する。移動ルートＰ，Ｑは、攪拌翼１２の中心軸線の移動軌跡を隔壁１３に投影したものであり、カッターヘッド１１の回転軸を中心とした同心円となる。

本実施形態の土圧管理装置は、シールドマシン１０に装備される土圧センサ１，１，…および位置センサ２、コンピュータによって構成される判定手段３および表示用土圧データ作成手段４、ディスプレイによって構成される表示手段５を備えている。

土圧センサ１は、チャンバ内の土圧を測定するためのセンサであり、図２の（ａ）に示すように、隔壁１３に装着されている。土圧センサ１の受圧部は、隔壁１３と面一となるように設けられていて、チャンバ内に露出している。本実施形態の土圧センサ１は、ひずみゲージ式の土圧センサであり、受圧部に作用する土圧に相関する電圧値を出力する。土圧センサ１から出力された電圧値（生データ）は、表示用土圧データ作成手段４の前段に設けられた測定手段（図示略）において土圧値（土圧データ）に変換される。測定手段は、土圧センサ１から出力された電圧値のアナログデータを所定の時間間隔ごとにサンプリングするとともに、サンプリングされた電圧値（デジタル化された電圧値）に校正係数を乗じることで、電圧値を土圧データに変換し、得られた土圧データを表示用土圧データ作成手段４に出力する。

土圧センサ１の数に制限はないが、図１に示すように、本実施形態では三つである。土圧センサ１の設置位置にも制限はないが、本実施形態では、三つの土圧センサ１，１，１のうちの二つをスプリングライン上に設置し、残り一つをスプリングラインから外れた位置に設置している。三つの土圧センサ１，１，１は、いずれも移動ルートＰ，Ｑによって挟まれた円帯状領域に位置している。

なお、以下の説明において、三つの土圧センサ１，１，１を区別する場合には、スプリングラインから外れた位置の土圧センサ１を「第一土圧センサ１ａ」と称し、スプリングライン上に位置する左右一対の土圧センサ１，１をそれぞれ「第二土圧センサ１ｂ」および「第三土圧センサ１ｃ」と称する。

図１において、第一土圧センサ１ａの近傍の移動ルートＰ上に描かれた実線の太線部分は、第一のデータ除外区間Ｒａを示す仮想線であり、第二土圧センサ１ｂの近傍の移動ルートＰ上に描かれた実線の太線部分は、第二のデータ除外区間Ｒｂを示す仮想線である。また、第三土圧センサ１ｃの近傍の移動ルートＰ上に描かれた実線の太線部分は、第三のデータ除外区間Ｒｃを示す仮想線である。

データ除外区間Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃは、攪拌翼１２の旋回に伴う土圧変動が及ぶ範囲（以下「影響範囲」という。）を考慮して設定する。すなわち、攪拌翼１２は、チャンバ内の掘削土を押し退けながら旋回（進行）するので、攪拌翼１２の進行方向前側の領域では土圧が上昇し、攪拌翼１２の進行方向後側の領域では土圧が下降する傾向にあるが、このような土圧変動は、攪拌翼１２の近傍で顕著に現れ、攪拌翼１２から離れるに従って小さくなる。攪拌翼１２の影響範囲は、攪拌翼１２の形状や寸法によって変化するが、図２の（ｂ）に示すように、攪拌翼１２の最大外径部の先端から４５度の角度で広がる円錐台状の範囲に及ぶと仮定とし、攪拌翼１２の最大外径をＤ、最大外径部の先端と隔壁１３との離隔距離をｘとすると、隔壁１３の位置においては、直径（Ｄ＋２ｘ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となる。例えば、Ｄ＝２００ｍｍ、ｘ＝８０ｍｍである場合、隔壁１３の位置においては、直径３６０ｍｍ（＝１．８Ｄ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となり、Ｄ＝１５０ｍｍ、ｘ＝１００ｍｍである場合、隔壁１３の位置においては、直径３５０ｍｍ（≒２．３Ｄ）の円の内側が攪拌翼１２の影響範囲となる。

上記の影響範囲を考慮し、本実施形態では、移動ルートＰから土圧センサ１ａ，１ｂ，１ｃの受圧部までの距離が（Ｄ／２＋ｘ）となる区間をデータ除外区間Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃとしている。

位置センサ２は、攪拌翼１２の位置を検出するためのものである。位置センサ２で取得された位置データは、判定手段３で使用される。位置センサ２の種類に制限はないが、本実施形態の位置センサ２は、アブソリュート型のロータリーエンコーダからなり、カッタースポーク１１ａ（以下「基準カッタースポーク１１ａ」という。）の基準線Ｓからの回転角度を検出することができる。なお、本実施形態では、カッターヘッド１１の回転軸とトンネル天端とを結ぶ線分を基準線Ｓとしている。

判定手段３および表示用土圧データ作成手段４は、コンピュータによって実現される。このコンピュータは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）や記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクなど）のほか、土圧センサ１、位置センサ２および表示手段５との間でデータのやり取りを行うためのインターフェースなどを備えている。記憶装置には、コンピュータを判定手段３および表示用土圧データ作成手段４として機能させるためのプログラムが格納されており、記憶装置から読み出したプログラムをＣＰＵで実行すると、コンピュータが判定手段３および表示用土圧データ作成手段４として機能するようになる。

表示手段５は、表示用土圧データ作成手段４から出力された表示用土圧データを表示するディスプレイである。

判定手段３および表示用土圧データ作成手段４の構成をより詳細に説明する。
判定手段３は、位置センサ２から出力された位置データに基づいて、土圧センサ１の近傍に攪拌翼１２が位置しているか否かを判定する。

なお、以下では、基準カッタースポーク１１ａに固定された攪拌翼１２に符号１２ａを付す場合があり、また、他のカッタースポーク１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに固定された攪拌翼１２に、それぞれ、符号１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを付す場合がある。

判定手段３は、まず、位置センサ２から出力された位置データ（基準線Ｓに対する基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_a）を読み込むとともに、読み込んだ位置データに基づいて攪拌翼１２ａの位置（回転角度）を算出する。攪拌翼１２ａの回転角度は、本実施形態では基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_aと同じである。なお、他の攪拌翼１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの回転角度θ_b，θ_c，θ_dは、（ア）〜（ウ）により算出すればよい。
（ア） θ_b＝θ_a＋90度（0≦θ_a＜270度の場合）
θ_b＝θ_a−270度（270度≦θ_a＜360度の場合）
（イ） θ_c＝θ_a＋180度（0≦θ_a＜180度の場合）
θ_c＝θ_a−180度（180度≦θ_a＜360度の場合）
（ウ） θ_d＝θ_a＋270度（0≦θ_a＜90度の場合）
θ_d＝θ_a−90度（90度≦θ_a＜360度の場合）

基準カッタースポーク１１ａの回転角度θ_aが得られると、判定手段３は、土圧センサ１の近傍に攪拌翼１２が位置しているか否かを判定する処理を実行する。判定手段３は、判定結果が肯定判定となった場合には、肯定判定がなされたことを示す「肯定判定情報」を生成する（例えば、フラグを「１」に設定する）とともに、肯定判定がなされたときに土圧センサ１で取得された土圧データに対して肯定判定情報を付与する処理を実行する。また、判定手段３は、判定結果が否定判定となった場合には、否定判定がなされたことを示す否定判定情報を生成する（例えば、フラグを「０」に設定する）とともに、否定判定がなされたときに土圧センサ１で取得された土圧データに対して否定判定情報を付与する処理を実行する。

例えば、第一のデータ除外区間Ｒａの始点が基準線Ｓに対して角度α_aだけ回転した位置に設定されており、第一のデータ除外区間Ｒａの終点が基準線Ｓに対して角度β_a（＞α_a）だけ回転した位置に設定されている場合であれば、判定手段３は、（１）〜（４）に示す条件のいずれか一つが成立したときに、第一土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置していることを示す肯定判定情報を生成し、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データに対して肯定判定情報を付与する（例えば、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データにフラグ「１」を関連付ける）。
（１） α_a＜θ_a＜β_a
（２） α_a＋90度＜θ_a＜β_a＋90度
（３） α_a＋180度＜θ_a＜β_a＋180度
（４） α_a＋270度＜θ_a＜β_a＋270度

また、判定手段３は、（１）〜（４）に示す条件がいずれも成立しないときには、第一土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置していないことを示す否定判定情報を生成し、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データに対して否定判定情報を付与する（例えば、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データにフラグ「０」を関連付ける）。

なお、（１）の条件が成立したときには、基準カッタースポーク１１ａが第一のデータ除外区間Ｒａに位置することになるが、（２）〜（４）の条件が成立したときには、カッタースポーク１１ｂ〜１１ｄが第一のデータ除外区間Ｒａに位置することになる。

また、第二のデータ除外区間Ｒｂの始点が基準線Ｓに対して角度α_bだけ回転した位置に設定されており、第二のデータ除外区間Ｒｂの終点が基準線Ｓに対して角度β_b（＞α_b）だけ回転した位置に設定されている場合であれば、判定手段３は、（５）〜（８）に示す条件のいずれか一つが成立したときに、第二土圧センサ１ｂの近傍および第三土圧センサ１ｃの近傍に攪拌翼１２が位置していることを示す肯定判定情報を生成し、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データに対して肯定判定情報を付与する（例えば、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データにフラグ「１」を関連付ける）。
（５） α_b＜θ_a＜β_b
（６） α_b＋90度＜θ_a＜β_b＋90度
（７） α_b＋180度＜θ_a＜β_b＋180度
（８） α_b＋270度＜θ_a＜360度、又は0≦θ_a＜β_b−90度

また、判定手段３は、（５）〜（８）に示す条件がいずれも成立しないときには、第二土圧センサ１ｂの近傍および第三土圧センサ１ｃの近傍のいずれにも攪拌翼１２が位置していないことを示す否定判定情報を生成し、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データに対して否定判定情報を付与する（例えば、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データにフラグ「０」を関連付ける）。

なお、（５）の条件が成立したときには、基準カッタースポーク１１ａが第二のデータ除外区間Ｒｂに位置し、カッタースポーク１１ｃが第三のデータ除外区間Ｒｃに位置することになり、（６）の条件が成立したときには、カッタースポーク１１ｄが第二のデータ除外区間Ｒｂに位置し、カッタースポーク１１ｂが第三のデータ除外区間Ｒｃに位置することになる。同様に、（７）の条件が成立したときには、カッタースポーク１１ｃが第二のデータ除外区間Ｒｂに位置し、カッタースポーク１１ａが第三のデータ除外区間Ｒｃに位置することになり、（８）の条件が成立したときには、カッタースポーク１１ｄが第二のデータ除外区間Ｒｂに位置し、カッタースポーク１１ｂが第三のデータ除外区間Ｒｃに位置することになる。

表示用土圧データ作成手段４は、表示手段５に表示すべき表示用土圧データを作成する。表示用土圧データ作成手段４は、土圧センサ１によって取得された土圧データ群のうち、判定手段３の判定結果が肯定判定であるときに取得された土圧データ（すなわち、肯定判定情報が付与された土圧データ）を除外し、判定手段３の判定結果が否定判定であるときに取得された土圧データ（すなわち、否定判定情報が付与された土圧データ）を使用して、表示用土圧データを作成する。

より具体的に説明すると、表示用土圧データ作成手段４は、例えば、第一土圧センサ１ａの設置位置における土圧の時刻歴データを作成する際には、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データ群の中から肯定判定情報が付与された土圧データ群を除外し、否定判定情報が付与された土圧データ群を使用して、土圧の時刻歴データ（表示用土圧データ）を作成する。このようにすると、図３の（ａ）に示すように、第一土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２ａ〜１２ｄが位置している間（時刻ｔ_a1〜ｔ_a2、ｔ_a3〜ｔ_a4、ｔ_a5〜ｔ_a6、ｔ_a7〜ｔ_a8）の土圧データが表示されないようになる。第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃの設置位置における土圧の時刻歴データを作成する場合も同様であり、図３の（ｂ）に示すように、第二土圧センサ１ｂ（第三土圧センサ１ｃ）の近傍に攪拌翼１２ａ〜１２ｄが位置している間（時刻ｔ_b1〜ｔ_b2、ｔ_b3〜ｔ_b4、ｔ_b5〜ｔ_b6、ｔ_b7〜ｔ_b8）の土圧データが表示されないようになる。

また、表示用土圧データ作成手段４は、例えば、或る期間中（例えば、カッターヘッド１１が１回転する間）の第一土圧センサ１ａの設置位置における最大土圧データ・最小土圧データを作成する際には、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データ群のうち、否定判定情報が付与された土圧データ群を検索することで、土圧の最大値データ・最小値データを作成する。

また、表示用土圧データ作成手段４は、例えば、チャンバ内の平均土圧データを作成する際には、土圧センサ１ａ，１ｂ，１ｃから同時刻に取得された三つの土圧データの中から、肯定判定情報が付与された土圧データを除外し、否定判定情報が付与された土圧データを用いて平均土圧データを作成する。すなわち、表示用土圧データ作成手段４は、例えば、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データに肯定判定情報が付与され、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データに否定判定情報が付与されている場合には、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された二つの土圧データを相加平均したもの平均土圧データとし、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データに否定判定情報が付与され、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃで取得された土圧データに肯定判定情報が付与されている場合には、第一土圧センサ１ａで取得された土圧データを平均土圧データとして表示手段５に出力する。

以上のように、本実施形態に係る土圧管理装置によれば、判定手段３の判定結果が肯定判定であるとき（攪拌翼１２が土圧センサ１の近傍を旋回しているとき）に土圧センサ１で取得された土圧データが表示用土圧データから除外されるようになる。すなわち、本実施形態に係る土圧管理装置によれば、攪拌翼１２の旋回に伴う土圧変動が表示されなくなる結果、攪拌翼１２以外の要因による土圧変動が相対的に顕在化するようになるので、例えば、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動などを容易に把握することが可能となり、ひいては、精度の高い掘削管理を行うことが可能となる。

本実施形態では、第一土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置している間に第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃの近傍に攪拌翼１２が位置せず、かつ、第二土圧センサ１ｂおよび第三土圧センサ１ｃの近傍に攪拌翼１２が位置している間に第一土圧センサ１ａの近傍に攪拌翼１２が位置しないように、土圧センサ１ａ〜１ｃを配置しているので、切羽の安定状態に影響を及ぼすような土圧変動を切れ目無く監視することが可能となる。

１土圧センサ
２位置センサ
３判定手段
４表示用土圧データ作成手段
５表示手段
１０シールドマシン
１１カッターヘッド
１２攪拌翼

Claims

カッターヘッドの背面に攪拌翼を備えたシールドマシンに適用される土圧管理装置であって、
チャンバ内の土圧を計測するための土圧センサと、
前記攪拌翼の位置を検出するための位置センサと、
前記位置センサで取得された位置データに基づいて、前記土圧センサの近傍に前記攪拌翼が位置しているか否かを判定する判定手段と、
表示手段に表示すべき表示用土圧データを作成する表示用土圧データ作成手段と、を備え、
前記表示用土圧データ作成手段は、前記土圧センサで取得された土圧データ群のうち、前記判定手段の判定結果が肯定判定であるときに前記土圧センサで取得された土圧データを除外し、前記判定手段の判定結果が否定判定であるときに前記土圧センサで取得された土圧データを使用して、前記表示用土圧データを作成することを特徴とする土圧管理装置。