JP5597950B2 - テールシール用のワイヤーブラシ - Google Patents

Description

本発明は、シールドマシンのテール部に設けられたテールシール用のワイヤーブラシに関する。

シールドマシンのテール部には、周辺地下水、泥水、土砂、及び裏込材のシールドマシンへの浸入を抑える目的で、テールシールが設けられている。

テールシールは一般的に、マシン内周面に複数列設置された環状のワイヤーブラシと、その間隙を埋めるグリスで構成されているが、裏込材のような固化性のものが大量に浸入して固結すると、シールドマシンの正常な機能に障害を及ぼす虞がある。そのため、シールドマシンには、テールシールを越えて裏込材が浸入してきた場合に、この裏込材を検知するセンサを有するものがある（例えば特許文献１を参照）。このセンサはスキンプレートにおける後端部に設けられ、検出部がスキンプレートの内周面に露出している。

特開２００８−２９７８２１号公報

このようなシールドマシンでは、センサがセグメントと接触して破損するのを防ぐために、セグメントと離隔をとったスキンプレート側にセンサを設置しているので、裏込材や地下水の浸入検出を見逃してしまうことも想定される。例えば、スキンプレート内周面の天井部にセンサが設けられている場合、裏込材等は、スキンプレート内周面とセグメント外周面の間隙内を流下しつつ浸入する傾向があるので、天井部のセンサでは検出されない可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、シールドマシンにおいてセンサユニットを保護しつつ、テールシールからの裏込材および地下水の浸入を確実に検出することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明は、シールドマシンのテール部に設けられたテールシールを構成するワイヤーブラシであって、板厚方向を貫通する貫通部を設けた板状のセンサ基板と、前記貫通部に露出した状態で配置されたセンサとを有し、前記テールシールから前記シールドマシン内へ浸入する裏込材や地下水を検出するセンサユニットが、ブラシ内部に配置されていることを特徴とする。

本発明のワイヤーブラシによれば、テールシールから浸入した裏込材や地下水は、センサユニットが備えるセンサ基板に沿って流れを規制されて貫通部を通る。この貫通部にはセンサが設けられているので、裏込材や地下水の浸入を確実に検出できる。そして、このセンサユニットを、テールシールを構成するブラシ内部に配置しているので、このブラシ部分によってセンサユニットを保護できる。

本発明によれば、センサユニットを保護しつつ、テールシールからの裏込材や地下水の浸入を確実に検出できる。

シールドマシンの構成を説明する断面図である。 テール部の部分拡大図である。 センサユニット付きワイヤーブラシを説明する図である。 （ａ），（ｂ）はセンサユニットを表面側から見た図、（ｃ）はセンサの外観図である。 図３のワイヤーブラシが配置される場所を説明する図である。 シールドマシンにおける制御系の要部を説明するブロック図である。 （ａ）は裏込材等が浸入する様子を説明する断面図、（ｂ）は裏込材等の浸入経路を模式的に説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、センサユニットが配置されたワイヤーブラシの他の構成例を説明する図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１に例示したシールドマシン１は、スキンプレート２と、カッターディスク３と、カッターモータ４と、スクリューコンベア５と、シールドジャッキ６と、テールシール７とを有する。

スキンプレート２は、シールドマシン１の外殻部分を構成する鉄板製の円筒状部材である。カッターディスク３は、地盤Ｇを切削する円盤状部材であり、スキンプレート２における掘進方向の前端部分に、回転可能な状態で配置されている。カッターモータ４は、カッターディスク３を回転させる駆動源であり、スキンプレート２内に配置されている。スクリューコンベア５は、カッターディスク３で切削された土砂を掘削方向の後方へと送り出す部分であり、スキンプレート２内に配置されている。シールドジャッキ６は、掘削方向の後方に位置する既設のセグメントリング８から反力を得て、シールドマシン１の推進力を得る部分である。テールシール７は、設置間もないセグメントリング８の外周面側に充填された裏込材９や地下水等が、スキンプレート２と設置したセグメントリング８との隙間からシールドマシン１内へ浸入することを抑えるための部分であり、シールドマシン１における最後端の内周面（テール部内周面）に設けられる。

このテールシール７は、ワイヤーブラシ１０とグリス注入部（図示せず）とを有する。ワイヤーブラシ１０は、シールドマシン１のテール部に、環状に配置される。すなわち、複数のワイヤーブラシ１０を、スキンプレート２の内壁面の全周にわたって配置している。便宜上、環状に配置された１周分のワイヤーブラシ１０のことをワイヤーブラシ群１１という。このワイヤーブラシ群１１は、掘進方向に位置を異ならせて複数列（複数段）設けられる。セグメントリング８の外径はスキンプレート２の内径よりも多少小さいので、セグメントリング８とスキンプレート２の間には隙間が空く。そして、図２にも示すように、ワイヤーブラシ群１１を構成するワイヤーブラシ１０は、根元部分がスキンプレート２の内周面に固定され、少なくとも先端部分がセグメントリング８の外周面に接触するように配置される。

このため、シールドトンネルの構築時において、スキンプレート２の内周面とセグメントリング８の外周面との間には、掘進方向に隣り合うワイヤーブラシ群１１によって空間（室）が区画される。本実施形態では、３つのワイヤーブラシ群１１が設けられているので、２つの空間が掘進方向に並んだ状態で区画される。便宜上、掘進方向における前方に位置する空間を前室１２Ａといい、後方に位置する空間を後室１２Ｂという。そして、グリス注入部は、これら２つの室１２Ａ，１２Ｂのそれぞれに対してグリスを注入し、各室１２Ａ，１２Ｂをグリスで満たした状態にする。各室１２Ａ，１２Ｂをグリスで満たすことで、裏込材９や地下水がシールドマシン１内へ浸入することを抑えている。

このシールドマシン１では、図３に示すように、ワイヤーブラシ群１１中の少なくとも一部のワイヤーブラシ１０Ａについて、外部から浸入してきた裏込材９や地下水を検出するためのセンサユニット１３を設けている。なお、以下の説明において、このワイヤーブラシ１０Ａのことをセンサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａという。本実施形態では、図２における最も右側（すなわち掘進方向の最も後側）に位置するワイヤーブラシ群１１Ｒと、右から２番目に位置するワイヤーブラシ群１１Ｍとに、センサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａを配置している。そして、最後部のワイヤーブラシ群１１Ｒのセンサユニット１３によって後室１２Ｂへの裏込材９や地下水の浸入を検出し、中央のワイヤーブラシ群１１Ｍのセンサユニット１３によって前室１２Ａへの裏込材９等の浸入を検出する。

以下、センサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａについて説明する。

図３に示すセンサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａは、根元部分１４と、ブラシ部分１５と、ガイド板部１６とを有しており、ブラシ部分１５にセンサユニット１３が配置されている。

根元部分１４は、スキンプレート２の内周面に取り付けられる部分であり、ブラシ部分１５における根元を束ねて金属板で挟むことで作製されている。ブラシ部分１５は、掘進方向の前側に位置する前側ブラシ部分１５Ｆと、掘進方向の後側に位置する後側ブラシ部分１５Ｒとを有する。後側ブラシ部分１５Ｒは、前側ブラシ部分１５Ｆよりも、各ワイヤーの長さが長くなっている。そして、センサユニット１３は、前側ブラシ部分１５Ｆと後側ブラシ部分１５Ｒの境界に配置される。このように、ブラシ内部に配置されることにより、センサユニット１３は、前側ブラシ部分１５Ｆと後側ブラシ部分１５Ｒとで挟まれた状態になる。このため、曲線区間掘削中などでスキンプレート２とセグメントリング８とのクリアランスが狭くなり、ブラシ部分１５がセグメントリング８側へ押し付けられたとしても、センサユニット１３とセグメントリング８の外周面との間には、前側ブラシ部分１５Ｆが介在する。従って、センサユニット１３がセグメントリング８の外周面に対して直接接触する面積を低減でき、磨耗が軽減されるなど、センサユニット１３を保護することができる。

なお、センサユニット１３の根元部分は、前述の根元部分１４において固定されている。ガイド板部１６は、前側ブラシ部分１５Ｆの前方に配置される金属板であり、前側ブラシ部分１５Ｆをセンサユニット１３側に押し付けている。本実施形態では、このガイド板部１６を、根元部分１４を構成する金属板を延長することで作製している。

ここで、センサユニット１３について説明する。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、センサユニット１３は、センサ基板１７と、センサ１８とを有している。センサ基板１７は、板厚方向を貫通する貫通孔１９や切り欠き２０が複数設けられた板状部材である。そして、貫通孔１９や切り欠き２０は、板厚方向を貫通する貫通部に相当する。本実施形態のセンサ基板１７は、厚さが１０ｍｍ程度で長方形状の外形を有する可撓性のゴム製板材から作製され、その一方の短辺が根元部分１４において固定されている。このようにセンサ基板１７をゴム製板材によって作製すると、スキンプレート２の内周面とセグメントリング８の外周面との間隔が変化しても、ゴムの可撓性によってセンサ基板１７がこれに倣って変形し、ブラシ部分１５とセグメントリング８との間に生じる隙間を小さくできる。そして、浸入しようとする裏込材９や地下水は、貫通孔１９や切り欠き２０を通過することとなるので、裏込材９等の浸入を確実に検出できる。

また、貫通孔１９は楕円形状をしており、センサ基板１７における短辺方向の略中央に、長辺方向へ並んだ状態で設けられている。切り欠き２０は、センサ基板１７における縁部に複数設けられ、内側部分が半円形状とされている。このように、貫通孔１９を楕円形状としたり、切り欠き２０の内側部分を半円形状としたりすることで角をなくし、センサ基板１７が撓んでも亀裂が入り難いようにしている。

図４（ｃ）に示すように、センサ１８は、一対の電極２１と、一対のリード線２２と、先端側支持具２３と、根元側支持具２４とを有する。電極２１（検出部）は、導電性を有する金属棒であり、先端側支持具２３及び根元側支持具２４によって、所定間隔離れた平行な状態で支持されている。リード線２２は、それぞれ対応する電極２１と電気的に接続されている。先端側支持具２３は、一対の電極２１を先端側で支持する部材であって、非導電性の樹脂製部材によって構成されている。根元側支持具２４は、一対の電極２１を根元側で支持する部材であって、電極２１とリード線２２との接続部分を覆うように設けられている。根元側支持具２４もまた、非導電性の樹脂製部材によって構成されている。従って、このセンサ１８は、一対の電極２１が電気的に絶縁された状態で支持されている。

センサ１８が有する一対の電極２１に裏込材９が接触すると、裏込材９には水分が含まれているので、この水分の影響で電極２１同士の抵抗が小さくなる。また、地下水が接触しても同様である。このため、電極２１間の抵抗を測定することで電極２１に裏込材９等が接触したか否かが判定できる。すなわち、裏込材９等が接触していない状態では、電極２１同士が電気的に絶縁されているので、抵抗値が極めて高い数値を示す。一方、裏込材９等が接触すると電極２１間の抵抗が低下するので、抵抗値は絶縁時よりも低い値を示す。このように、抵抗値の違いによって裏込材９等が接触したか否かを判定できる。また、抵抗値の測定の他、電流値や電圧値を測定しても同様に測定できる。なお、水分の電気分解を防ぐために交流電源での測定が望ましい。

各センサ１８は、貫通孔１９や切り欠き２０の内側に電極２１を露出させた状態でセンサ基板１７の内部に設けられている。本実施形態において、各センサ１８は、センサ基板１７における板厚方向のほぼ中間に配置されている。このような配置は、例えば、貫通孔１９や切り欠き２０を設けた２枚のシート材（第１シート材，第２シート材）を用い、これらのシート材で各センサ１８を挟んで一体化することで実現できる。また、各センサ１８を配置した状態の型枠に、センサ基板１７となる液体状の樹脂素材を流し込んで固めることでも実現できる。なお、各センサ１８が有するリード線２２は、それぞれセンサ基板１７における一方の短辺から外部に引き出されている。

各リード線２２は、テールシール７に対する監視制御をする制御系の制御部２５（図６を参照）に接続される。すなわち、制御部２５に対して個別（並列）に接続される。そして、各センサ１８による検出結果は、制御系による制御に用いられる。なお、各センサ１８のリード線２２に関し、各センサ１８が直列に接続されるように配線してもよい。

図５に示すように、センサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａは、周方向における所定の角度位置に配置される。前室１２Ａ用のセンサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａは、白い三角形で示すように、時計の針で１２時の位置、４時の位置、８時の位置の合計３つ設けられている。また、後室１２Ｂ用のセンサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａは、黒い三角形で示すように、時計の針で２時の位置、４時の位置、８時の位置、１０時の位置の合計４つ設けられている。このように、センサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａの設ける数と位置とを、後室１２Ｂ用と前室１２Ａ用とで個別に定めることにより、裏込材９や地下水の検出精度を高めることができる。

次に、テールシール７に対する監視制御をする制御系について説明する。

図６に示す制御系は、制御部２５と、センサユニット１３と、警報部２６と、グリス用ポンプ２７とを有している。制御部２５は、リレー等の各種制御素子、ＣＰＵ、メモリ等によって構成され、センサユニット１３、警報部２６、及びグリス用ポンプ２７と電気的に接続されている。そして、制御部２５は、センサユニット１３からの検出信号のレベルに応じて警報部２６やグリス用ポンプ２７を制御する。本実施形態において、制御部２５は各センサ１８における抵抗の大きさを個別に取得しており、抵抗の大きさから裏込材９や地下水の浸入の有無を判定する。警報部２６は、赤色点滅灯や警報器等によって構成され、光や音によって裏込材９等の浸入を作業者に報知する。グリス用ポンプ２７は、前室１２Ａや後室１２Ｂに対してグリスを注入する際の動力となる。本実施形態において、グリス用ポンプ２７は複数設けられており、全周への注入を複数のグリス用ポンプ２７で分担している。このため、特定のグリス用ポンプ２７を駆動することで、グリスを局所的に注入することができる。

なお、グリスの注入に関し、グリス用ポンプ２７の制御を作業者が行ってもよい。この場合、制御部２５は警報部２６を制御し、裏込材９や地下水が浸入したことを作業者に報知する。

次に、このシールドマシン１における裏込材９や地下水の浸入検知について説明する。

先に述べたように、スキンプレート２の内周面とセグメントリング８の外周面との間には前室１２Ａと後室１２Ｂが形成され、各室１２Ａ，１２Ｂがグリスで満たされている。この状態では、センサユニット１３の貫通孔１９や切り欠き２０には、ほぼ絶縁体に近いグリスが充填されるか空気が存在した状態になっている。また、センサ基板１７が１０ｍｍ程度の十分な厚みを有しているので、ワイヤーブラシ１０の接触によって両電極２１が短絡することは防止されている。その結果、両電極２１は電気的に絶縁された状態になっている。従って、各センサ１８の抵抗値は極めて高くなり、制御部２５は、裏込材９や地下水の浸入は生じていないと判定する。

その後、裏込材９の注入圧力が高くなり、図７（ａ）に示すように、裏込材９や地下水が後側ブラシ部分１５Ｒの内部に浸入したとする。この場合、浸入した裏込材９等がセンサ基板１７における貫通孔１９や切り欠き２０まで達すると、対応するセンサ１８の電極２１間の抵抗が低下する。制御部２５は、各センサ１８の抵抗値を個別に検出しているので、どの場所で裏込材９等の浸入が生じたかを把握できる。そこで、制御部２５は、警報部２６を作動させて裏込材９等の浸入を作業者に報知するとともに、対応する場所のグリス用ポンプ２７に対してグリスの送出能力を高めるように制御信号を出力する。これにより、作業者に注意を喚起できるとともに、グリスの圧力によって裏込材９等を押し戻すことができる。

ここで、本実施形態のセンサユニット１３では、センサ基板１７にゴム製の板材を用い、この板材に切り欠き２０や貫通孔１９を設けている。このため、浸入してきた裏込材９や地下水がセンサ基板１７まで達すると、図７（ｂ）に矢印で示すように、裏込材９等はセンサ基板１７の表面に沿って移動し、貫通孔１９や切り欠き２０に流入する。このように、センサ基板１７に達した際に裏込材９等の流入経路が規制され、センサ１８が配置されている貫通孔１９や切り欠き２０へ確実に導かれるので、裏込材９等の浸入を確実に検出できる。また、センサ基板１７をゴム製の板材で作製しているので、センサ基板１７の可撓性によってブラシ部分１５とセグメントリング８との間に生じる隙間を小さくでき、センサ１８による検出の確実性をさらに高めることができる。

ところで、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

前述の実施形態では、センサユニット付きワイヤーブラシ１０Ａを、ワイヤーブラシ群１１Ｒ，１１Ｍ（図２を参照）に配置していたが、この配置に限定されない。例えば、ワイヤーブラシ群１１Ｆ、１１Ｍに配置してもよい。この場合、最前部のワイヤーブラシ群１１Ｆのセンサユニット１３によって後室１２Ｂからの裏込材９や地下水の流出を検出でき、中央のワイヤーブラシ群１１Ｍのセンサユニット１３によって前室１２Ａからの裏込材９等の流出を検出できる。

また、前述の実施形態では、センサユニット１３を前側ブラシ部分１５Ｆと後側ブラシ部分１５Ｒの境界に配置していたが、この構成に限定されない。例えば、図８（ａ），（ｂ）に示すように、ガイド板部１６とブラシ部分１５の境界（つまり、ブラシ部分１５の前側）に配置してもよい。また、ガイド板部１６とは反対側となるブラシ部分１５の後側に配置してもよい。

また、前述の実施形態では、検出部として一対の電極２１を用いており、両電極２１が裏込材９や地下水を介して導通した際の電気的な変化（抵抗値の変化）を検出していたが、検出部はこの構成に限定されない。例えば、温度に応じたレベルの検出信号を出力する感熱素子（熱電対やサーミスタ、白金測温抵抗体等）を検出部として用いてもよい。感温素子を用いた場合には、硬化に伴う発熱によって温度上昇した裏込材９を検出できる。この場合、周囲温度よりも低い地下水がスキンプレート２の内側に浸入したことを検出することもできる。また、ＣＣＤ等の受光素子を検出部として用いてもよい。受光素子を用いた場合には、補助照明を当てることにより白色や黄色とされた裏込材９を容易に検出できる。

また、各センサユニット１３に複数種類の検出部を配置してもよい。例えば、電極２１と感温素子とを貫通孔１９や切り欠き２０に分けて配置してもよい。これにより、抵抗の大きさと温度の両面で判定を行える。

１ シールドマシン
２ スキンプレート
７ テールシール
８ セグメントリング
９ 裏込材
１０ ワイヤーブラシ（１０Ａ センサユニット付きワイヤーブラシ）
１１ ワイヤーブラシ群
１２Ａ 前室
１２Ｂ 後室
１３ センサユニット
１５ ブラシ部分（１５Ｆ 前側ブラシ部分，１５Ｒ 後側ブラシ部分）
１６ ガイド板部
１７ センサ基板
１８ センサ
１９ 貫通孔
２０ 切り欠き
２１ 電極
２２ リード線
２３ 先端側支持具
２４ 根元側支持具

Claims (1)

1. シールドマシンのテール部に設けられたテールシールを構成するワイヤーブラシであって、
   板厚方向を貫通する貫通部を設けた板状のセンサ基板と、前記貫通部に露出した状態で配置されたセンサとを有し、前記テールシールから前記シールドマシン内へ浸入する裏込材や地下水を検出するセンサユニットが、ブラシ内部に配置されていることを特徴とするテールシール用のワイヤーブラシ。

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