JP6259313B2

JP6259313B2 - シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置

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Publication number: JP6259313B2
Application number: JP2014031862A
Authority: JP
Inventors: 吉隆紀伊; 盛岡　義郎; 義郎盛岡
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015158045A

Description

本発明は、トンネルの構築に用いられるシールド掘進機の掘削土砂重量測定装置に関する。

上下水道、共同溝、道路、鉄道等の管路として用いられるシールドトンネルは、シールド工法により構築される。
シールド工法ではシールド掘進機が用いられる。このシールド掘進機は、例えば、カッタヘッドと、このカッタヘッドの後方に配置されカッタヘッドとの間にチャンバを区画する隔壁と、このチャンバ内に取り込まれた掘削土砂を隔壁の後方に搬送するスクリューコンベアと、を備えて構成されている。

この種のシールド掘進機を用いるトンネル施工では、地盤の土質（例えば、粘土、シルト、砂礫土等）に応じて施工条件を最適化するべく、シールド掘進機によって掘削された掘削土砂の重量を計測等することによって、地盤の土質を具体的に把握することが求められている。このため、掘削土砂の重量の把握は、施工管理上重要なパラメーターとなっている。

この種の掘削土砂の重量を測定する技術としては、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１には、スクリューコンベアから排出された掘削土砂を、スクリューコンベアの後方に配置された搬送鋼車に積載させ、掘削土砂積載時の搬送鋼車の重量を計測し、この測定結果と搬送鋼車自体の重量との差分により、掘削土砂の重量を計測する技術が記載されている。

特開２００２−２７７２２２号公報

しかしながら、シールド掘進機のスクリューコンベアから排出される掘削土砂は、特許文献１に記載のように、搬送鋼車に積載させて搬出する場合に限らず、例えば、スラッジ圧送ポンプを用いて搬出する場合等、様々な搬出方式がある。したがって、スクリューコンベアの後方の搬出形式が異なる場合には、特許文献１に記載の掘削土砂の重量測定技術をそのまま適用できない場合もあり、工夫が求められている。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、シールド掘進機のスクリューコンベアの後方における搬送方式がどのような方式であっても容易に適用可能な、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置を提供することを目的とする。

上記課題に対して、本発明に係るシールド掘進機の掘削土砂重量測定装置は、その一態様として、地盤を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドの後方に離間して配置される隔壁と、前記カッタヘッドと前記隔壁とにより区画形成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、前記チャンバ内の掘削土砂を前記隔壁の後方に搬送するスクリューコンベアと、を備えるシールド掘進機によって掘削された掘削土砂の重量を測定する掘削土砂重量測定装置であって、前記スクリューコンベアの荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能な荷重検知センサと、前記荷重検知センサの検知結果に基づいて、前記スクリューコンベア内の掘削土砂の重量を演算して重量測定結果として出力する重量演算部と、を備える構成とした。

本発明に係るシールド掘進機の掘削土砂重量測定装置の上記一態様によると、スクリューコンベアの荷重が作用する位置に設けられる荷重検知センサによって、スクリューコンベアによる荷重を検知し、重量演算部によって、荷重検知センサの検知結果に基づいてスクリューコンベア内の掘削土砂の重量を演算する構成であるため、掘削土砂の重量の測定箇所を、スクリューコンベアの後工程ではなく、スクリューコンベア上に設定することができる。
したがって、シールド掘進機のスクリューコンベアの後方における掘削土砂の搬送方式がどのような方式であっても、掘削土砂の重量を容易に測定することができる。
このようにして、シールド掘進機のスクリューコンベアの後方における搬送方式がどのような方式であっても容易に適用可能な、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置を提供するができる。

本発明の第１実施形態における掘削土砂重量測定装置の概略構成を示すブロック図である。第１実施形態における推進ジャッキ短縮時のシールド掘進機の概略構成図である。第１実施形態における推進ジャッキ伸長時のシールド掘進機の概略構成図である。図２及び図３のＩ−Ｉ断面図である。スクリューコンベア内の土圧とスクリューコンベア内の掘削土砂の容積との関係を示した概念図である。本発明の第２実施形態における掘削土砂重量測定装置の概略構成を示すブロック図である。第２実施形態における土圧検知センサの配置位置を示す図である。スクリューコンベアの回転数とスクリューコンベア内の掘削土砂の容積との関係を示した概念図である。本発明の第３実施形態における掘削土砂重量測定装置の概略構成を示すブロック図である。掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの重量演算部の出力値の時間積分値を所定容量で除して得た値と比重との関係をシールド掘進機の掘削時間毎に示した概念図である。本発明の第４実施形態における掘削土砂重量測定装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明に係るシールド掘進機の掘削土砂重量測定装置（以下において、掘削土砂重量測定装置という）の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における掘削土砂重量測定装置１００の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態における測定対象の掘削土砂を発生させるシールド掘進機１の概略構成を示す図であり、推進ジャッキ短縮時の状態を示す。図３は、推進ジャッキ伸長時のシールド掘進機１の概略構成を示す。
なお、本実施形態では、便宜上、トンネル掘進方向を前進方向として前後左右を規定している。また、本実施形態において、シールド掘進機１はいわゆる泥土圧式のシールド掘進機を一例にして説明する。

掘削土砂重量測定装置１００は、シールド掘進機１によって掘削された掘削土砂の重量を測定するものであり、本実施形態においては、図１に示すように、荷重検知センサ１０１と、測定装置本体１００ａと、を備えて構成される。

荷重検知センサ１０１は、後述するスクリューコンベア１１の荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能なセンサである。本実施形態においては、荷重検知センサ１０１は、図２に示すように、例えば、スクリューコンベア１１をその上方から吊下げ支持する後述する吊下げ部材１４の側部に取付けられ、歪ゲージからなるものである。この歪ゲージからなる荷重検知センサ１０１による荷重検知については、後に詳述する。

測定装置本体１００ａは、図２に示すように、シールド掘進機１の後述する足場２０に設けられる運転管理室２００内に配置される。測定装置本体１００ａの構成についても、後に詳述する。
まず、シールド掘進機１について以下に詳述する。

シールド掘進機１は、図２及び図３に示すように、円筒状のスキンプレート２と、地盤掘削用のカッタヘッド３と、隔壁（シールド隔壁）４とを含んで構成される。

カッタヘッド３は、スキンプレート２の前端部に配置されている。隔壁４は、カッタヘッド３の後方に離間してスキンプレート２の内方に配置されている。
カッタヘッド３は、隔壁４に回転自在に支持されており、隔壁４の後面に設置された駆動用モータ５を駆動源として、回転しながら地盤を掘削する。

カッタヘッド３と隔壁４との間には、チャンバ６が区画形成されている。カッタヘッド３による掘削で生じた掘削土砂は、カッタヘッド３のスポーク（図示省略）の隙間を介して、チャンバ６内に取り込まれる。このチャンバ６内の掘削土砂は、後述するスクリューコンベア１１によってチャンバ６から排出される。

シールド掘進機１は、隔壁４の後方にエレクター７を備える。
エレクター７は把持部７ａを備える。エレクター７は、スキンプレート２の後部の内方にて、円弧状断面を有するセグメント８を把持部７ａで把持しつつ、セグメント８をトンネル軸方向、径方向、周方向に適宜移動させることができる。エレクター７は、スキンプレート２の後部の内方にて、その周方向にセグメント８を組み立てて、円筒状のセグメントリング９を構築する。

シールド掘進機１のスキンプレート２の内側には、複数の推進ジャッキ１０が、周方向に互いに間隔を空けて配置されている。
推進ジャッキ１０は、シリンダ１０ａとロッド１０ｂとにより構成される油圧ジャッキである。シリンダ１０ａは、その一端側がスキンプレート２に固定されており、他端側にて、ロッド１０ｂが進出・退入可能となっている。推進ジャッキ１０のロッド１０ｂの先端部を既設のセグメントリング９に当接させた状態で推進ジャッキ１０を伸長作動させることにより、シールド掘進機１は推進力を得ることができる。このようにして、推進ジャッキ１０は、既設のセグメントリング９をスキンプレート２の後部の後方を押し出して、その反力により、シールド掘進機１を前方に推進させることができる。
また、推進ジャッキ１０は、ロッド１０ｂの伸長速度を可変に構成されており、設定した一定の伸長速度で伸長する。

シールド掘進機１は、チャンバ６内の掘削土砂を隔壁４の後方に搬出するスクリューコンベヤ１１を備え、このスクリューコンベア１１による掘削土砂の排出量等を調節することにより、チャンバ６内を加圧状態にしてその土圧を切羽に作用させることで、切羽を安定させつつ掘進している。
スクリューコンベヤ１１は、隔壁４に固定された円筒状のケース１２と、その内部に組み込まれたオーガ１３とからなり、回転数を自在に変更制御可能なオーガ１３を回転させることにより、チャンバ６内の掘削土砂を隔壁４の後方に搬出する。

スクリューコンベア１１の前端部（図２において、左側）１１ａは、隔壁４の下端部に開口された開口部に接続されている。スクリューコンベア１１は、その後端部（図２において、右側）１１ｂが前端部よりも上方に位置するように、スキンプレート２内で機軸ＭＣに対して傾斜させて配置されている。また、スクリューコンベア１１は、図２及び図３のＩ−Ｉ断面図である図４に示すように、機軸ＭＣを含む垂直平面に沿うように配置されている。なお、図４においては、図示の簡略化のため、エレクター７及びセグメントリング９の図示を省略している。

より具体的には、スクリューコンベア１１の延伸方向中央部１１ｃにはロッド状の吊下げ部材（ストラット）１４が連結されている。この吊下げ部材１４は、隔壁４の上端部とスクリューコンベア１１の前記延伸方向中央部１１ｃとの間を連結して、スクリューコンベア１１を傾斜設置するものであり、例えば、一端側が適宜締結具を介して延伸方向中央部１１ｃに固定され、他端側が適宜締結具を介して隔壁４に固定される。また、スクリューコンベア１１の後端側は、例えば、後述する上フレーム２１ａの上面に配置された後端支持具１５によって下方から支持されている。これにより、スクリューコンベア１１の荷重は、隔壁４の下端部、後端支持具１５及び吊下げ部材１４それぞれに作用している。

また、シールド掘進機１は、その中央部に足場２０を備える。足場２０は、機軸ＭＣに沿うように延在している。足場２０の本体をなすフレーム部２１は、機軸ＭＣに沿うように延在し、平面視で略矩形状を有する上フレーム２１ａ及び下フレーム２１ｂと、下フレーム２１ｂの左右両側より立ち上がって各々の上端が上フレーム２１ａに固定された複数の柱部材２１ｃとを備えて構成されている。
上フレーム２１ａ及び下フレーム２１ｂは、スクリューコンベア１１を斜め上方に延設可能に、スクリューコンベア１１の延設箇所が開口形成されている。また、フレーム部２１の前端部は、スキンプレート２の前後方向中央部の内方に配置されスポークを有したリングフレーム２２に固定されている。

このように構成されたシールド掘進機１によって、地盤が掘削されて、チャンバ６に取り込まれた掘削土砂がスクリューコンベア１１内を通って、隔壁４の後方へ搬送される。

次に、掘削土砂重量測定装置１００について、詳述する。
本実施形態において、掘削土砂重量測定装置１００は、図１に示すように、荷重検知センサ１０１と、測定装置本体１００ａと、を備えている。測定装置本体１００ａは、重量演算部１０２を備えている。

荷重検知センサ１０１は、スクリューコンベア１１の荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能なセンサであり、本実施形態においては、図２に示すように、例えば、スクリューコンベア１１をその上方から吊下げ支持する吊下げ部材１４の側部に取付けられる歪ゲージからなるものである。
スクリューコンベア１１が起動等してそのケース１２内に掘削土砂が取り込まれると、スクリューコンベア１１全体の重量が増加する。吊下げ部材１４にはスクリューコンベア１１全体の荷重の一部が作用しているため、スクリューコンベア１１全体の重量が増加すると、吊下げ部材１４は伸長する。歪ゲージからなる荷重検知センサ１０１は、この吊下げ部材１４の伸長に応じて、スクリューコンベア１１による引張荷重を検知する。荷重検知センサ１０１にて検知された荷重に対応する信号は、信号線を介して測定装置本体１００ａに出力される。

重量演算部１０２は、荷重検知センサ１０１の検知結果に基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量Ｗを演算して重量測定結果として出力するものである。
具体的には、スクリューコンベア１１内に充填される掘削土砂の重量が増加すると、荷重検知センサ１０１の出力値は増加し、掘削土砂の重量と荷重検知センサ１０１の出力値との間には比例関係が成り立つ。例えば、事前に既知の重量の掘削土砂等をスクリューコンベア１１内に搬送させて載荷させ、その時の出力値をサンプリングする等の校正を実施して得た補正係数（比例定数）が重量演算部１０２に設定されている。重量演算部１０２は、荷重検知センサ１０１の出力値に、この補正係数を乗算して得た値を、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量演算結果（Ｗ）として出力するように構成されている。

次に、本実施形態における掘削土砂重量測定装置１００の測定動作について、図１〜図４を用いて説明する。なお、スクリューコンベア１１内には既に掘削土砂が搬送され載荷されているものとし、この状態でシールド掘進機１による掘進が継続してされているものとして以下に説明する。

スクリューコンベア１１が起動等してそのケース１２内で掘削土砂が搬送され載荷されると、荷重検知センサ１０１は、吊下げ部材１４を介してスクリューコンベア１１による引張荷重を検知し、検知荷重に対応する信号を測定装置本体１００ａに出力する。重量演算部１０２は、荷重検知センサ１０１の出力値に補正係数を乗算して、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量演算結果として出力する。このようにして、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量Ｗを測定する。

本実施形態によれば、スクリューコンベア１１の荷重が作用する位置に設けられる荷重検知センサ１０１によって、スクリューコンベア１１による荷重を検知し、重量演算部１０２によって、荷重検知センサ１０１の検知結果に基づいてスクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量Ｗを演算する構成であるため、掘削土砂の重量Ｗの測定箇所を、スクリューコンベア１１の後工程ではなく、スクリューコンベア１１上に設定することができる。
したがって、シールド掘進機１のスクリューコンベア１１の後方における掘削土砂の搬送方式がどのような方式であっても、掘削土砂の重量Ｗを容易に測定することができる。
このようにして、シールド掘進機のスクリューコンベアの後方における搬送方式がどのような方式であっても容易に適用可能な、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置を提供するができる。

ここで、本願の発明者によると、チャンバ６内の土圧Ｐとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの間の関係について、以下の知見が得られた。

図５は、チャンバ６内の土圧Ｐとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの関係を示した概念図である。図５において、横軸はチャンバ６内の土圧Ｐであり、縦軸はスクリューコンベア１１内における掘削土砂の容積Ｖを示す。図５から分かるように、チャンバ６内の土圧Ｐが高くなるほど、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖが高くなる傾向がある。チャンバ６内の圧力が高くなるほど、スクリューコンベア１１内にはより多くの容積の掘削土砂が取り込まれ、充填率が高くなることを示している。したがって、予め土圧Ｐと容積Ｖとの相関関係が分かっていれば、土圧Ｐを測定するだけでそのときのスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを求めることができる。そして、この求めた容積Ｖと、重量演算部１０２によるスクリューコンベア１１内の重量測定結果とに基づいて、掘削土砂の比重ρを算出することもできる。
このように、チャンバ６内の土圧Ｐとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの間に相関関係があることを利用して、掘削土砂の比重ρを算出することができるという知見が得られた。

図６は、本発明の第２実施形態における重量測定装置１００の概略構成を示すブロック図であり、図５に示した土圧Ｐと掘削土砂の容積Ｖと相関関係を利用して掘削土砂の比重ρを算出可能な構成を示す。図７は、後述の土圧検知センサ１０５の配置位置を説明するための図である。上述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態において、重量測定装置１００は、図６に示すように、土圧検知センサ１０３と、第１容積演算部１０４ａと、第１比重演算部１０５ａと、第１判定部１０６ａとを更に備えている。

土圧検知センサ１０３は、チャンバ６内の土圧を検知するものであり、図７に示すように、その検知部が隔壁４のチャンバ６側に面するように、適宜箇所に配置される。土圧検知センサ１０３は、検知土圧に対応する信号を第１容積演算部１０４ａ等に出力する。

第１容積演算部１０４ａは、土圧検知センサ１０３の検知結果に基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを演算して容積測定結果として出力するものである。
具体的には、第１容積演算部１０４ａは、例えば、図６に示すように、重量演算部１０２、第１比重演算部１０５ａ及び第１判定部１０６ａと伴に測定装置本体１００ａに設けられている。また、第１容積演算部１０４ａには、チャンバ６内の土圧Ｐとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの相関関係についてのデータが予め記憶されている。第１容積演算部１０４ａは、土圧検知センサ１０３の検知土圧Ｐに対応するスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを、上記予め記憶されたデータにより演算し、この演算して得た容積Ｖに対応する信号を容積測定結果として第１比重演算部１０５a等に出力する。このように、土圧Ｐと容積Ｖとの相関関係は既知であるため、第１容積演算部１０４ａは、土圧検知センサ１０３の検知結果に基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを演算する構成である。

第１比重演算部１０５ａは、重量演算部１０２による重量測定結果と、第１容積演算部１０４aの容積測定結果とに基づいて、掘削土砂の比重ρを演算するものである。第１比重演算部１０５ａには、重量演算部１０２により演算されて得られた重量Ｗに対応する信号と、第１容積演算部１０４ａにより演算されて得られた容積Ｖに対応する信号とが入力される。
具体的には、第１比重演算部１０５ａは、重量演算部１０２による演算結果（演算値Ｗ）を第１容積演算部１０４ａによる演算結果（演算値Ｖ）で除して得た値を、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρの演算結果として第１判定部１０６ａ等に出力するように構成されている。

第１判定部１０６ａは、第１比重演算部１０５ａによる比重演算結果と、予め設定される土質毎の比重値データとに基づいて、掘削土砂の土質の種類を判定するものである。予め設定される土質とは、例えば、粘土、シルト、砂礫土等である。例えば、粘土の比重は、１．５g/cm³、シルトの比重は、１．７g/cm³、砂礫土の比重は、１．９g/cm³である。
具体的には、第１判定部１０６ａには、例えば、粘土、シルト及び砂礫土等の比重値データが土質と関連させて予め記憶されており、第１判定部１０６ａは、第１比重演算部１０５ａによる掘削土砂の比重演算結果と値が一番近い比重値データに対応する土質の種類を、スクリューコンベア１１内に充填されている掘削土砂の土質の種類の判定結果として出力する。

第２実施形態によれば、掘削土砂重量測定装置１００は、チャンバ６内の土圧を検知する土圧検知センサ１０３と、この土圧検知センサ１０３の検知結果に基づいてスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを演算して容積測定結果として出力する第１容積演算部１０４ａと、を更に備える構成である。これにより、チャンバ６内の土圧Ｐとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの間に相関関係があることを利用して、チャンバ６内の土圧Ｐを検知するだけで、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを求めることができる。
さらに、掘削土砂重量測定装置１００は、重量演算部１０２の重量測定結果と第１容積演算部１０４ａの容積測定結果とに基づいてスクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρを演算する第１比重演算部１０５ａと、を更に備える構成である。これにより、掘削土砂の比重ρをリアルタイムに測定することができる上、スクリューチャンバ１１内に充填される掘削土砂の充填度合を考慮して掘削土砂の比重ρを求めることができる。
なお、本実施形態において、チャンバ６内の土圧を検知する土圧検知センサ１０３を備え、その検知結果に基づいて容積Ｖを演算する構成としたが、検知対象は、土圧に限らず、例えばスクリューコンベア１１内の充填度合と相関関係を有する掘削土砂の性状であればよい。土圧検知センサ１０３に限らず、上記掘削土砂の性状を検知するセンサを設ければよい。

また、本実施形態においては、第１比重演算部１０５ａによる比重演算結果と、予め設定される土質毎の比重値データとに基づいて、掘削土砂の土質の種類を判定する第１判定部１０６ａを更に備える構成である。これにより、掘削中の地盤の土質（例えば、粘土、シルト、砂礫土等）を判定することができ、その土質の種類に応じて施工条件（例えば、切羽注入材の種類等）を最適化することができる。

さらに、本願の発明者によると、スクリューコンベア１１の回転数Ｎとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの間の関係について、以下の知見が得られた。

図８は、スクリューコンベア１１の回転数Ｎとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの関係を示した概念図である。図８において、横軸はスクリューコンベア１１の回転数Ｎとであり、縦軸はスクリューコンベア１１内における掘削土砂の容積Ｖを示す。図８から分かるように、回転数Ｎが高くなるほど、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖが高くなる傾向がある。回転数Ｎが高くなるほど、スクリューコンベア１１内にはより多くの容積の掘削土砂が取り込まれ、充填率が高くなることを示している。したがって、予め回転数Ｎと容積Ｖとの相関関係が分かっていれば、回転数Ｎを測定するだけでそのときのスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを求めることができる。そして、この求めた容積Ｖと、重量演算部１０２によるスクリューコンベア１１内の重量測定結果とに基づいて、掘削土砂の比重ρを算出することもできる。
このように、スクリューコンベア１１の回転数Ｎとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの間に相関関係があることを利用して、掘削土砂の比重ρを算出することができるという知見が得られた。

図９は、本発明の第３実施形態における重量測定装置１００の概略構成を示すブロック図であり、図８に示した回転数Ｎと掘削土砂の容積Ｖと相関関係を利用して掘削土砂の比重ρを算出可能な構成を示す。上述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態において、重量測定装置１００は、図９に示すように、回転数検知センサ１０７と、第２容積演算部１０４ｂと、第２比重演算部１０５ｂと、第２判定部１０６ｂと、更に備えている。

回転数検知センサ１０７は、スクリューコンベア１１の回転数Ｎを検知するものであり、図示省略するが、例えば、オーガ１３の回転軸の回転数を検知可能に設けられている。回転数検知センサ１０７は、検知回転数に対応する信号を第２容積演算部１０４ｂ等に出力する。

第２容積演算部１０４ｂは、回転数検知センサ１０７の検知結果に基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを演算して容積測定結果として出力するものである。
具体的には、第２容積演算部１０４ｂは、例えば、図９に示すように、重量演算部１０２、第２比重演算部１０５ｂ及び第２判定部１０６ｂと伴に測定装置本体１００ａに設けられている。また、第２容積演算部１０４ｂには、スクリューコンベア１１の回転数Ｎとスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖとの相関関係についてのデータが予め記憶されている。第２容積演算部１０４ｂは、回転数Ｎに対応するスクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを、上記予め記憶されたデータにより演算し、この演算して得た容積Ｖに対応する信号を容積測定結果として第２比重演算部１０５ｂ等に出力する。このように、回転数Ｎと容積Ｖとの相関関係は既知であるため、第２容積演算部１０４ｂは、回転数検知センサ１０７の検知結果に基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の容積Ｖを演算する構成である。

第２比重演算部１０５ｂは、重量演算部１０２による重量測定結果と、第２容積演算部１０４ｂの容積測定結果とに基づいて、掘削土砂の比重ρを演算するものである。第２比重演算部１０５ｂには、重量演算部１０２により演算されて得られた重量Ｗに対応する信号と、第２容積演算部１０４ｂにより演算されて得られた容積Ｖに対応する信号とが入力される。
具体的には、第２比重演算部１０５ｂは、重量演算部１０２による演算結果（演算値Ｗ）を第２容積演算部１０４ｂによる演算結果（演算値Ｖ）で除して得た値を、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρの演算結果として第２判定部１０６ｂ等に出力するように構成されている。

第２判定部１０４ｂは、第２比重演算部１０５ｂによる比重演算結果と、予め設定される土質毎の比重値データとに基づいて、掘削土砂の土質の種類を判定するものである。
具体的には、第２判定部１０６ｂには、例えば、粘土、シルト及び砂礫土等の比重値データが土質と関連させて予め記憶されており、第２判定部１０６ｂは、第２比重演算部１０５ｂによる掘削土砂の比重演算結果と値が一番近い比重値データに対応する土質の種類を、スクリューコンベア１１内に充填されている掘削土砂の土質の種類の判定結果として出力する。

第３実施形態によれば、スクリューチャンバ１１の回転数を検知することで、スクリューチャンバ１１内に充填される掘削土砂の充填度合を考慮して、掘削土砂の比重を求めることができると共に、その掘削土砂の土質の種類を判定することができる。

さらにまた、本願の発明者により、掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの重量演算部１０２の出力値Ｗの時間積分値Σを所定容量Ｑで除して得た値Σ／Ｑ（以下において、Ｚという）と比重ρと掘削時間Ｔとの間の関係について、以下の知見が得られた。

図１０は、Σ／Ｑ（以下において、Ｚという）と比重ρとの関係をシールド掘進機１の掘削時間Ｔ毎に示した概念図である。図１０において、縦軸は、上記Ｚであり、横軸は、掘削土砂の比重ρである。
ここで、所定の推進位置とは、例えば、掘進開始位置から掘進方向前方に離間した適宜位置であり、掘進方向についてのセグメントリング９の一個分の長さＬに相当する距離だけ離間した位置である。推進ジャッキ１０は、ロッド１０ｂの伸長速度を可変であり、この伸長速度を変更することによってシールド掘進機１の掘進速度Ｖを調節可能である。掘削時間Ｔとは、例えば、掘進開始位置からセグメントリング９の一個分の長さＬ分だけ離間した位置に到達するまでに要する所要時間であり、掘進速度Ｖを調節することによって設定可能な値であり、図１０において、Ｔ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃＞Ｔ₄＞Ｔ₅である。したがって、掘進速度Ｖが速いほど、例えば、掘削時間Ｔは短くなるため、掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの重量演算部１０２の出力値Ｗの積分時間は短くなり、掘進速度Ｖが遅いほど、掘削時間Ｔは長くなるため、出力値Ｗの積分時間は長くなる。また、所定の推進位置を掘進開始位置からセグメントリング９の一個分の長さＬに相当する位置とした場合、所定容量Ｑは、例えば、一個のセグメントリング９の長さＬと外径Ｒとによって予め定まる値（＝Ｌ×Ｒ²／４）である。

例えば、掘削時間ＴをＴ₁とした状態で、比重ρ＝１．５g/cm³の粘土をスクリューコンベア１１内に取り込ませて、掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの間、連続して出力される重量演算部１０２からの出力値Ｗを時間積分して得た時間積分値Σを予め定める所定容量Ｑで除して得た値Ｚ（図１０において、○印）と、同様にして、比重ρ＝１．７g/cm³のシルトを取り込ませた場合に得られるＺ（図１０において、△印）と、比重ρ＝１．９g/cm³の砂礫土をスクリューコンベア１１内に取り込ませた場合に得られるＺ（図１０において、□印）とをプロットし、近似線にて掘削時間Ｔ₁におけるＺと比重ρとの関係を示すと、比重ρが高いほどＺが高くなることが分かる。また、掘削時間ＴをＴ₁より短い（つまり、掘進速度Ｖが速い）所定の掘削時間（Ｔ₂、Ｔ₃、Ｔ₄、Ｔ₅）とした状態で、同様にして、各掘削時間におけるＺと比重ρとの関係を図１０に示す。ここで、図１０から分かるように、Ｚが同じ場合、掘削時間Ｔによって比重ρが異なり、掘削時間が短い（高速）ほど、比重ρは低くなり、長い（低速）ほど、比重ρは高くなる傾向がある。

したがって、図１０に示すようなＺと比重ρとの関係が、予め掘削時間Ｔ毎に分かっていれば、実際の重量測定時に得られるＺとシールド掘進機１の掘削時間Ｔとに基づいて、掘削土砂の比重ρを求めることができると共に、及びその土質の種類を判別することができる。具体的には、例えば、ＺがＺ₃で、掘削時間ＴがＴ₃の時を例にして説明すると、破線で示す様に、Ｚ₃の横線（破線）と掘削時間Ｔ₃における近似線（実線）との交点に対応する横軸の値に一番近い比重値は１．５であるため、掘削土砂は粘土であると判断することができる。また、ＺがＺ₃で、掘削時間ＴがＴ₂の場合、Ｚ₃の横線（破線）と掘削時間Ｔ₂における近似線（実線）との交点に対応する横軸の値に一番近い比重値は１．９であるため、掘削土砂は砂礫土であると判断することができる。なお、図１０では、縦軸をΣ／Ｑとして、Σ／Ｑと比重ρとの関係を示したが、掘削時間Ｔが異なってもＱの値は一定値であるため、縦軸をΣとしても、Σとρと掘削時間Ｔとの間には、図１０と同様の対応関係が成り立つ。
このように、掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの重量演算部１０２の出力値Ｗの時間積分値Σと比重ρと掘削時間Ｔとの間に相関関係があることを利用して、掘削土砂の比重ρを算出することができるという知見が得られた。

図１１は、本発明の第４実施形態における重量測定装置１００の概略構成を示すブロック図であり、図１０に示したＺ（＝出力値Ｗの時間積分値Σ／Ｑ）と比重ρと掘削時間Ｔとの対応関係を利用して掘削土砂の比重ρを算出可能な構成を示す。上述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態において、重量測定装置１００は、図１１に示すように、掘削時間計測部１０８と、積分回路１０９と、第３比重演算部１０５ｃと、第３判定部１０６ｃとを更に備えている。

掘削時間計測部１０８は、シールド掘進機１の掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでに要する掘削時間Ｔを計測するものであり、測定装置本体１００ａ内に設けられている。例えば、推進ジャッキ１０は、伸長開始したとき、伸長開始を示す信号を掘削時間計測部１０８に出力すると共に、伸長開始位置からセグメントリング９の一個分の長さＬ分だけ伸長したとき、伸長完了を示す信号を掘削時間計測部１０８及び積分回路１０９に出力するように構成する。そして、掘進時間計測部１０８は、推進ジャッキ１０からの伸長開始信号の受信時刻と伸長完了信号の受信時刻との差分により、掘削時間Ｔを計測し、計測結果に対応する信号を第３比重演算部１０５ｃ等に出力する。

積分回路１０９は、シールド掘進機１の掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでの間、つまり、掘削時間Ｔの間、重量演算部１０２の出力値Ｗを時間積分するものであり、測定装置本体１００ａ内に設けられている。本実施形態において、積分回路１０９は、重量演算部１０２からの出力値Ｗが入力されており、例えば、推進ジャッキ１０からの上記伸長開始信号を受信すると、その出力値Ｗについての時間積分を開始し、伸長完了信号を受信したところで、その時間積分を終了させることで、掘削時間Ｔの間の出力値Ｗの積分値Σを得る。そして、積分回路１０９は、例えば、積分値Σをさらにセグメントリング９の一個分に対応する所定容量Ｑで除して得た値Ｚに対応する信号を第３比重演算部１０５ｃ等に出力する。

第３比重演算部１０５ｃは、積分回路１０９による積分結果と掘削時間計測部１０８による掘削時間測定結果とに基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρを演算するものである。第３比重演算部１０５ｃには、掘削時間計測部１０８の計測結果Ｔと積分回路１０９による演算結果Ｚが入力される。
第３比重演算部１０５ｃには、例えば、シールド掘進機１の掘進時間Ｔを予め定める所定時間とし、予め定める種類の土質（例えば、粘土、シルト、砂礫土等）の掘削土砂をスクリューコンベア１１内に取り込ませて積分回路１０８によって得られる積分値Σを予め定める所定容量Ｑで除して得た値Ｚのデータと、前記予め定める所定時間（掘削時間）Ｔのデータと、予め定める種類の土質の掘削土砂の比重ρのデータとを対応付けてなるデータテーブルＤを、前記所定時間及び前記土質の種類を異ならせて、予め複数記憶するものであり、測定装置本体１００ａ内に設けられている。
具体的には、セグメントリング９の一個の長さＬ分の掘進時間Ｔの設定値が、例えば、４８ｍｉｎ、５４ｍｉｎ、６０ｍｉｎ、６６ｍｉｎ、７２ｍｉｎの５種類であり、想定される土質が粘土、シルト、砂礫土である場合、各土質それぞれのときの各ＺについてのデータテーブルＤを、掘削時間Ｔが上記それぞれの場合について記憶されている。これにより、図１０に示すＺと比重ρとの関係を、所定時間（掘削時間）Ｔ毎に記憶する。

より具体的には、例えば、演算結果ＺがＺ₃で、掘削時間ＴがＴ₃の時を例にして図１０を参照して説明すると、第３比重演算部１０５ｃは掘削時間計測部１０８から掘削時間Ｔの計測結果Ｔ₃に対応する信号が入力されると、５つのデータデーブルＤのうち掘削時間Ｔ₃に対応するデータテーブルＤを読み込み、このデータテーブルＤに基づいて定まるＺと比重ρの近似線（実線）とＺ₃の横線（破線）との交点における横軸座標値を演算し、その演算値をスクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρの演算結果として第３判定部１０６ｃ等に出力するように構成されている。このように、上記Ｚと掘削時間Ｔと比重ρとの相関関係は既知であるため、第３比重演算部１０５ｃは、積分回路１０９による積分結果（Ｚ）と掘削時間計測部１０８による掘削時間計測結果（Ｔ）とに基づいて、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の比重ρを演算する構成である。
なお、本実施形態においては、データテーブルＤは、出力値Ｗの時間積分値Σを所定容量Ｑで除して得た値Ｚのデータと、掘削時間Ｔのデータと、比重ρとを対応付けてなるものとしたが、これに限らず、所定容量Ｑは既知であるため、出力値Ｗの時間積分値Σのデータと、掘削時間Ｔのデータと、比重ρとを対応付けてなるものとしてもよい。

第３判定部１０６ｃは、第３比重演算部１０５ｃによる比重演算結果と、予め設定される土質毎の比重値データとに基づいて、掘削土砂の土質の種類を判定するものである。
具体的には、第３判定部１０６ｃには、例えば、粘土、シルト及び砂礫土等の比重値データが土質と関連させて予め記憶されており、第３判定部１０６ｃは、第３比重演算部１０５ｃによる掘削土砂の比重演算結果と値が一番近い比重値データに対応する土質の種類を、スクリューコンベア１１内に充填されている掘削土砂の土質の種類の判定結果として出力する。

第４実施形態によれば、掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでに要する掘削時間Ｔを測定することで、スクリューチャンバ１１内に充填される掘削土砂の充填度合を考慮して、掘削土砂の比重を求めることができると共に、その掘削土砂の土質の種類を判定することができる。

なお、本実施形態において、データテーブルＤの個数は、５つであるものとして説明したが、これに限らず、掘進時間Ｔの設定間隔に応じて、適宜個数分予め記憶させればよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、荷重検知センサ１０１は、吊下げ部材１４の側部に取付けるものとして説明したが、これに限らず、例えば、吊下げ部材１４の途中に荷重検知センサ１０１を介装させてもよいし、スクリューコンベア１１の前端部１１ａと隔壁４の下端部におけるスクリューコンベア１１との接続箇所との間に設けてもよいし、スクリューコンベア１１の後端側の後端支持具１５とスクリューコンベア１１との間に設けてもよい。また、荷重検知センサ１０１は、歪ゲージに限らず、歪ゲージ等の荷重検知部を備えたロードセルであってもよい。この場合、吊下げ部材１４はロードセル（荷重検知センサ１０１）を介してスクリューコンベア１１を支持する。
また、荷重検知センサ１０１は、一箇所に限らず、延伸方向中央部１１ｃ（吊下げ部材１４）、前端部１１ａ及び後端側（後端支持具１５）等の複数の箇所に適宜組み合わせて配置する構成としてもよい。この場合、重量演算部１０２は、例えば、各設置個所における荷重検知センサ１０１の出力値に補正係数をそれぞれ乗算して得た値の総和を、スクリューコンベア１１内の掘削土砂の重量演算結果として各比重演算部（１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ）に出力する。これにより、より精度の高い測定結果を得ることができる。

また、第２実施形態においては、土圧検知センサ１０３をチャンバ６内の土圧を検知可能に設置する構成としたが、これに限らず、スクリューコンベア１１（ケース１２）内の土圧を検知可能に設置する構成としてもよい。この場合、土圧検知センサ１０３をケース１２の内壁の隔壁４側に設けることが好ましい。また、土圧検知センサ１０３をケース１２の内壁の前端部１１ａ側と後端部１１ｂ側の２箇所に、それぞれ設置して、それらの差圧を検知結果としてもよい。このように、土圧検知センサ１０３は、チャンバ６内の土圧、又は、スクリューコンベア１１（ケース１２）内の土圧を検知可能に構成すればよい。

１・・・・・シールド掘進機
３・・・・・カッタヘッド
４・・・・・隔壁
６・・・・・チャンバ
１１・・・・・スクリューコンベヤ
１００・・・・・掘削土砂重量測定装置
１０１・・・・・荷重検知センサ
１０２・・・・・重量演算部
１０３・・・・・土圧検知センサ
１０４ａ・・・・第１容積演算部
１０４ｂ・・・・第２容積演算部
１０５ａ・・・・第１比重演算部
１０５ｂ・・・・第２比重演算部
１０５ｃ・・・・第３比重演算部
１０７・・・・・回転数検知センサ
１０８・・・・・掘削時間計測部
１０９・・・・・積分回路

Claims

地盤を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドの後方に離間して配置される隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とにより区画形成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、
前記チャンバ内の掘削土砂を前記隔壁の後方に搬送するスクリューコンベアと、を備えるシールド掘進機によって掘削された掘削土砂の重量を測定する掘削土砂重量測定装置であって、
前記スクリューコンベアの荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能な荷重検知センサと、
前記荷重検知センサの検知結果に基づいて、前記スクリューコンベア内の掘削土砂の重量を演算する重量演算部と、
前記チャンバ内の土圧を検知する土圧検知センサと、
前記土圧と前記スクリューコンベア内の掘削土砂の容積との間の相関関係についてのデータを予め記憶し、前記土圧検知センサの検知土圧に対応する前記掘削土砂の容積を、前記データにより演算する第１容積演算部と、
を備え、
前記重量演算部による前記重量の演算値を前記第１容積演算部による前記容積の演算値で除して得た値を出力する、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置。
地盤を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドの後方に離間して配置される隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とにより区画形成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、
前記チャンバ内の掘削土砂を前記隔壁の後方に搬送するスクリューコンベアと、を備えるシールド掘進機によって掘削された掘削土砂の重量を測定する掘削土砂重量測定装置であって、
前記スクリューコンベアの荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能な荷重検知センサと、
前記荷重検知センサの検知結果に基づいて、前記スクリューコンベア内の掘削土砂の重量を演算する重量演算部と、
前記スクリューコンベアの回転数を検知する回転数検知センサと、
前記回転数と前記スクリューコンベア内の掘削土砂の容積との間の相関関係についてのデータを予め記憶し、前記回転数検知センサの検知回転数に対応する前記掘削土砂の容積を、前記データにより演算する第２容積演算部と、
を備え、
前記重量演算部による前記重量の演算値を前記第２容積演算部による前記容積の演算値で除して得た値を出力する、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置。
地盤を掘削するカッタヘッドと、該カッタヘッドの後方に離間して配置される隔壁と、
前記カッタヘッドと前記隔壁とにより区画形成され掘削土砂が取り込まれるチャンバと、
前記チャンバ内の掘削土砂を前記隔壁の後方に搬送するスクリューコンベアと、を備えるシールド掘進機によって掘削された掘削土砂の重量を測定する掘削土砂重量測定装置であって、
前記スクリューコンベアの荷重が作用する所定位置に設けられ、前記荷重を検知可能な荷重検知センサと、
前記荷重検知センサの検知結果に基づいて、前記スクリューコンベア内の掘削土砂の重量を演算して重量測定結果として出力する重量演算部と、
前記シールド掘進機の掘進開始から所定の掘進位置に到達するまでに要する掘削時間を計測する掘削時間計測部と、
前記掘削時間の間、前記重量測定結果の出力値を時間積分する積分回路と、
を備え、
予め定める種類の土質の掘削土砂を前記スクリューコンベア内に取り込ませた場合に前記積分回路により得られる前記出力値の時間積分値と前記掘削時間と前記予め定める種類の土質の掘削土砂の比重との間の相関関係についてのデータを予め記憶し、前記積分回路による積分結果及び前記掘削時間計測部による掘削時間測定結果に対応する前記掘削土砂の比重を、前記データにより求める、シールド掘進機の掘削土砂重量測定装置。