JP6265463B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機に関し、例えば、掘削土砂の塑性流動性の管理に関する技術である。

シールド掘進機は、機器本体の前面に設けられたカッタ盤を地山の切羽に押し当て回転させながら前進することで地山に掘削坑を形成する機器である。

カッタ盤で掘削された土砂は、カッタ盤の後方に設けられたチャンバ内において添加材と攪拌および混合された後、機器本体の後方から排出される。

掘削土砂に添加される添加材は、掘削土砂の粘性を下げることで掘削土砂の排出を促進させており、この添加材に不足が生じると、掘削土砂がチャンバ内の隔壁等に付着し堆積してしまい閉塞の原因となるが、その一方で、添加材が多過ぎると、噴発の原因となる。

閉塞や噴発が生じた場合、掘削作業を中断し、復旧作業を開始することになるが、その復旧作業は多大な時間と労力とを要する面倒な作業であり、シールド掘進機の長距離施工を阻害する要因となっている。

そこで、シールド掘削機による掘削工事においては、掘削土砂の排土性状を直接目視したり、カッタ盤のトルクや推力等の掘進データを観測したりすることでチャンバ内の掘削土砂の塑性流動性の良否を感覚的に判断し、オペレータ等が状況に応じて添加材の注入量、注入率、注入位置および配合等のような注入条件を調整している。

また、チャンバ内の掘削土砂の温度を測定することで閉塞の発生を検出し、閉塞箇所を特定する技術（例えば特許文献１参照）やカッタ盤の前面に泥土抵抗を測定する複数のセンサを設け、その測定データにより切羽側の泥土性状分布を作成し、その分布に基づいて添加材の不足箇所に添加剤を注入する技術（例えば特許文献２参照）等がある。

特開２００８−２０２３２１号公報 特開平６−１７３５８３号公報

上記したようにシールド掘進機においては、閉塞や噴発が発生すると掘削作業の弊害となるので、閉塞や噴発を生じさせないように、如何にして添加材を効率的に注入するかが重要な課題となっている。特に、シールド掘進機により玉石層等を掘削する場合、閉塞と噴発とを繰り返すスパイラルに陥ることが多い。また、厳しい環境のため掘進状態が不安定になると添加材の注入管理が疎かになり、さらに閉塞や噴発が顕著になり易い。したがって、環境が厳しい条件下での掘削作業においては添加材の注入管理が重要である。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、シールド掘進機において添加材を効率的に注入することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のシールド掘進機は、機器本体の進行方向の前面に、該機器本体の周方向に沿って回転自在の状態で支持されたカッタ盤と、前記カッタ盤の異なる回転軌跡上に設けられ、前記カッタ盤との摩擦で上昇した切羽の掘削土砂の温度を測定する複数の温度測定手段と、前記カッタ盤の異なる回転軌跡上に設けられ、掘削土砂に添加材を注入する複数の添加材注入部と、前記複数の温度測定手段により測定された温度情報に基づいて前記添加材注入部から注入される添加材の注入条件を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記温度情報から土砂温度値が管理温度値以上となる高温領域が検出された場合は、当該高温領域に注入される添加剤の量を増やすように制御する、ことを特徴とする。

また、請求項２に記載の本発明は、上記請求項１記載の発明において、前記複数の温度測定手段が、前記カッタ盤の前面に配置された複数のビットの内部に設けられていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の本発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記複数の添加材注入部が、前記カッタ盤の前面内の中央と、最外周と、それらの間とに設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、カッタ盤の高温領域に対して選択的に添加材を注入することができるので、シールド掘進機において添加材を効率的に注入することが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、カッタ盤の前面内のビットのうち高温のビットに対して選択的に添加材を注入することができるので、掘削土砂の塑性流動性不足に起因するビットの摩耗を低減することが可能になる。

請求項３記載の発明によれば、添加材の注入制御をより多様化させることができるので、掘削土砂の塑性流動化をより精度良く効率的に行うことが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る泥土圧シールド掘進機の内部を側面から透かして見せた構成図である。 （ａ）は図１の泥土圧シールド掘進機のカッタヘッドの正面図、（ｂ）は図１の泥土圧シールド掘進機の位置Ａを矢印で示す方向から見た構成図である。 図１の泥土圧シールド掘進機のカッタヘッドの正面図である。 図３のカッタヘッドの要部拡大正面図である。 図４のＩ−Ｉ線の断面図である。 図５のカッタヘッドの正面側に設けられたビットおよび温度計の拡大断面図である。 （ａ）は図５のカッタヘッドの外周側に設けられた温度計の拡大断面図、（ｂ）は図７（ａ）の温度計の平面図である。 （ａ）は図１の泥土圧シールド掘進機の添加材注入部の正面図、（ｂ）は図８（ａ）のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。 図１の泥土圧シールド掘進機の添加材注入系統の一例の構成図である。 図１の泥土圧シールド掘進機の基本的な添加材の注入タイミングの一例を示す図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本実施の形態の泥土圧シールド掘進機の内部を側面から透かして見せた構成図、図２（ａ）は図１の泥土圧シールド掘進機のカッタヘッドの正面図、図２（ｂ）は図１の泥土圧シールド掘進機の位置Ａを矢印で示す方向から見た構成図である。

本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１は、カッタヘッド（カッタ盤）２により掘削された土砂に添加材を注入して練り混ぜることで生成された不透水性と塑性流動性（自由に変形および移動できる性質）とを持つ泥土をカッタヘッド２と機器本体３との間の室内に充満した状態で掘進することで泥土圧を発生させ、その泥土圧を切羽の土圧に対抗させた状態で掘削坑を構築する機器である。

この泥土圧シールド掘進機１は、特に、巨礫が混在する玉石混じり砂礫層や玉石層を含む地山を掘削する場合に好適であるが、巨礫が混在しない玉石混じり砂礫層や玉石層あるいは通常の砂礫層に適用しても良い。

なお、泥土圧シールド掘進機１の掘削外径は、例えば５９００ｍｍ程度である。また、泥土圧シールド掘進機１の機長は、例えば７１４０ｍｍ程度である。また、泥土圧シールド掘進機１の運転は、その後方に配置された後続台車ＳＢ内の運転室内でオペレータにより制御される。また、その運転室内に設けられた制御部Ｃにより泥土圧シールド掘進機１の全体動作が制御される。この制御部Ｃは、運転室内に設けられた表示部Ｄに電気的に接続されている。表示部Ｄには、制御部Ｃから送られた各種の情報が表示される。

カッタヘッド２は、地山の切羽を掘削する部材であり、機器本体３の前面に機器本体３の周方向に沿って回転自在の状態で設置されている。このカッタヘッド２には、例えば、円盤状のスポークタイプが採用されている。すなわち、図２（ａ）に示すように、カッタヘッド２は、中央のハブ部２ａと、ハブ部２ａから外周に向かって放射状に延びる６本のスポーク部２ｂと、スポーク部２ｂの延在方向の中途部同士を結ぶ中間リング部２ｃと、スポーク部２ｂの先端部同士を結ぶ外周リング部２ｄと、これらの部材間に形成された貫通穴２ｅとを備えている。

カッタヘッド２の中央のハブ部２ａには、センタービット４ａが装着されている。各スポーク部２ｂには、複数のビット４ｂが規則的に並んで装着されている。なお、ハブ部２ａには、コーンヘッド型のローラビット等のような他の掘削部材が装着される場合もある。また、スポーク部２ｂには、ビット４ｂの他に、ローラビット等のような他の掘削部材が装着される場合もある。

また、ハブ部２ａおよびスポーク部２ｂには、添加材注入部５ａ１，５ａ２，５ａ３，５ａ４が設けられている。この添加材注入部５ａ１〜５ａ４は、例えばベントナイト系の添加材のような作泥土材をカッタヘッド２の前面の切羽に向けて注入する構成部である。なお、添加材注入部５ａ１〜５ａ４の各々から注入される添加材には、ベントナイト系の添加材に代えて気泡材を用いても良いし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いても良い。

中間リング部２ｃにおいて隣接するスポーク部２ｂ，２ｂ間の中央には、制限突起２ｆが設けられている。カッタヘッド２で掘削された土砂は貫通穴２ｅを通じて後述のチャンバ６（図１参照）内に取り込まれるが、制限突起２ｆは、貫通穴２ｅの開口面積を規制することで、地中の巨礫や玉石等が貫通穴２ｅを通じてチャンバ６内に入り込むのを規制する部分である。この制限突起２ｆの表面にもビット４ｂが設けられている。

外周リング部２ｄにおいて切羽側の前面には、複数のビット４ｃがその刃を外周側に向けた状態で並んで装着されている。また、外周リング部２ｄの外周面には、例えば２個のコピービット４ｄが対極する位置に設けられている。このコピービット４ｄは、急曲線施工時の余堀りや泥土圧シールド掘進機１の姿勢制御等を行う役割を備えている。

一方、機器本体３は、図１に示すように、ガーダー部の前胴プレート３ａと、その後方のテール部の後胴プレート３ｂとを備えている。前胴プレート３ａおよび後胴プレート３ｂは、例えば円筒状の鋼製板により形成されており、機器本体３の外形を形成するとともに、機器本体３の内部に中空空間を形成する部材である。前胴プレート３ａと後胴プレート３ｂとは、前胴プレート３ａの後端側において後胴プレート３ｂの先端部分が前胴プレート３ａの内周面に接した状態で入り込むことで係合されている。

前胴プレート３ａの前面側において、その前面から機器本体３の内方に後退した位置には、機器本体３内の中空空間を切羽側と機内側とに分ける隔壁７が設けられている。この隔壁７の切羽側、すなわち、上記カッタヘッド２と隔壁７との間には、上記チャンバ６が設けられ、隔壁７の機内側には、添加材注入部５ｂと、カッタ駆動体８と、中折れジャッキ９ａと、シールドジャッキ９ｂと、スクリューコンベア１０と、土圧検出部１１とが設けられている。

添加材注入部５ｂは、機器本体３の外回りやチャンバ６内に向けて添加材を注入する機器であり、添加材注入部５ｂの注入口を機器本体３の外部に表出させた状態で隔壁７の外周近傍に設けられている。添加材注入部５ｂから注入される添加材には、例えばベントナイト系の添加材のような作泥土材が使用される。なお、添加材注入部５ｂから注入される添加材には、ベントナイト系の添加材に代えて気泡材を用いても良いし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いても良い。

チャンバ６は、カッタヘッド２により掘削された土砂等が取り込まれる空間である。このチャンバ６内において、隔壁７の前面にはチャンバ６内に突出する円柱状等の練混ぜ翼１５ａ，１５ｂが設けられている一方、カッタヘッド２の背面にはチャンバ６内に突出する円柱状等の練混ぜ翼１６ａ，１６ｂが設けられている。これらの練混ぜ翼１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、カッタヘッド２の径方向の位置が互いにずれており、カッタヘッド２が回転するとチャンバ６内に入り込んだ土砂とチャンバ６内に注入された添加材とを混合するとともに撹拌する役割を備えている。

また、隔壁７の面内中央側に設けられた練混ぜ翼１５ｂは、その先端側からチャンバ６内に向けて添加材を注入する添加材注入部を兼ねている。この練混ぜ翼１５ｂから注入される添加材には、例えば気泡材が使用される。なお、練混ぜ翼１５ｂから注入される添加材には、気泡材に代えてベントナイト系の添加材を用いても良いし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いても良い。

カッタ駆動体８は、カッタヘッド２を回転させる駆動源である。ここでは、カッタ駆動方式として中間支持駆動方式が例示されており、カッタ駆動体８は、図１に示すように、カッタヘッド２の正面内の中央と外周とのほぼ中央の位置に、カッタヘッド２の周方向に沿って複数個並んで配置されている。

中折れジャッキ９ａは、前胴プレート３ａと後胴プレート３ｂとを連結するとともに、泥土圧シールド掘進機１の推進方向を修正する機器であり、図１に示すように、機器本体３内において前胴プレート３ａと後胴プレート３ｂとの境界を跨ぐ位置に、泥土圧シールド掘進機１の周方向に沿って複数個並んで配置されている。この中折れジャッキ９ａに圧油を供給し前胴プレート３ａと後胴プレート３ｂとを予め決められた方向および角度に屈折させた状態で泥土圧シールド掘進機１を推進することにより、泥土圧シールド掘進機１の推進方向を制御することが可能になっている。

シールドジャッキ９ｂは、機器本体３の後方に設置されたセグメントＳＧに反力をとって泥土圧シールド掘進機１を前進させるための推進力を発生させる機器であり、図１に示すように、機器本体３内において前胴プレート３ａと後胴プレート３ｂとの境界を跨ぐ位置に、図２（ｂ）に示すように、泥土圧シールド掘進機１の周方向に沿って複数個並んで配置されている。

スクリューコンベア１０は、チャンバ６内に取り込まれた土砂を機外に排出するための機器であり、図１に示すように、機器本体３の底部において隔壁７を貫通しチャンバ６内に配置された土砂取込端部１０ａから機器本体３の後方において機器本体３の高さ方向中央より若干高い位置に配置された排出端部１０ｂに向かって斜め上向きに連続的に延在した状態で設けられている。

このスクリューコンベア１０には、例えば、回転軸を持たない螺旋状のブレード１０ｃを管内に備えるリボン式のスクリューコンベアが使用されている。回転軸を持つスクリューコンベアの場合は礫等により閉塞し易いのに対して、リボン式のスクリューコンベア１０の場合は搬送可能な礫等の最大径を搬送路の半径以上とすることができ、回転軸を持つスクリューコンベアでは搬送し得ないような大きさの礫等をも搬送することができる。これにより、本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、スクリューコンベア１０で排出可能な大きさの玉石等を破砕せずにチャンバ６内に取り込むことが可能な構成となっている。

なお、スクリューコンベア１０の排出端部１０ｂには排土管（図示せず）が連結されており、スクリューコンベア１０の排出端部１０ｂに搬送された土砂は、排土管を通じてズリ搬出台車（図示せず）等に搬送されるようになっている。

土圧検出部１１は、チャンバ６内の泥土による圧力を歪ゲージを介して電気信号に変換するセンサ部分であり、その土圧検出面をチャンバ６内に配置した状態で設けられている。泥土圧シールド掘進機１は、土圧検出部１１で検出されたチャンバ６内の泥土圧が予め決められた値の範囲になるように管理することで切羽の安定性を維持しながら掘削処理を進めるようになっている。

次に、図３は図１の泥土圧シールド掘進機のカッタヘッドの正面図、図４は図３のカッタヘッドの要部拡大正面図、図５は図４のＩ−Ｉ線の断面図、図６は図５のカッタヘッドの正面側に設けられたビットおよび温度計の拡大断面図、図７（ａ）は図５のカッタヘッドの外周側に設けられた温度計の拡大断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の温度計の平面図、図８（ａ）は図１の泥土圧シールド掘進機の添加材注入部の正面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。なお、図５は断面図であるが図面を見易くするためにハッチングを省略している。

本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、図３〜図５に示すように、カッタヘッド２の正面内および外周面内に、掘削土砂の温度（以下、土砂温度という）を測定する複数の温度計（温度測定手段）２０ａ〜２０ｅが配置されている。

各温度計２０ａ〜２０ｅは、例えばシース型熱電対で構成されており、故障に強い上、場所をとらず安価なのでカッタヘッド２に複数配置することが可能である。このため、カッタヘッド２の前面および外周側の土砂温度の測定精度を向上させることができる。なお、図３は平面図であるが図面を見易くするため温度計２０ａ〜２０ｅの配置領域にハッチングを付した。

カッタヘッド２の正面内の温度計２０ａ〜２０ｄは、所定のスポーク部２ｂにおいて異なる回転軌跡上、すなわち、カッタヘッド２の径方向の異なる位置に分散された状態で配置されている。各温度計２０ａ〜２０ｄは、図５および図６に示すように、温度センサ部Ｓ１とこれに電気的に接続された配線Ｌ１とを有している。各温度計２０ａ〜２０ｄの温度センサ部Ｓ１は、ビット４ｂの内部に埋め込まれた状態で設けられている。

一方、カッタヘッド２の外周面内の温度計２０ｅは、図５および図７に示すように、温度センサ部Ｓ２とこれに電気的に接続された配線Ｌ２とを有している。温度計２０ｅの温度センサ部Ｓ２は、ビット４ｂの隣接間の位置において、測定面を外周リング部２ｄの内周面に接触させた状態で外周リング部２ｄの内周面に着脱自在の状態で設置されている。

各温度計２０ａ〜２０ｅの温度センサ部Ｓ１，Ｓ２は、図５に示すように、配線Ｌ１，Ｌ２を通じてカッタヘッド２の面内中央側に配置された分配器２１に電気的に接続され、分配器２１からカッタヘッド２の面内中央の添加材注入管５ｔに沿って延び、上記した制御部Ｃ（図１参照）に電気的に接続されている。これにより、土砂温度は、リアルタイムで測定され制御部Ｃに送信されるようになっている。

制御部Ｃでは、温度計２０ａ〜２０ｅから送信された温度情報に基づいて、カッタヘッド２の前面内および外周面内の温度分布をグラフ化（可視化）するとともに、添加材の注入条件を調整するようになっている。この添加材の注入条件の調整については後述する。

また、本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、図３に示すように、添加材注入部５ａ１〜５ａ４がカッタヘッド２の正面内の異なる回転軌跡上に分散して配置されている。ここでは、例えば、カッタヘッド２の正面内中央に添加材注入部５ａ１が配置され、カッタヘッド２の正面内最外周に添加材注入部５ａ４が配置され、それらの間の２箇所に添加材注入部５ａ２，５ａ３が配置されている。これにより、添加材の注入制御をより多様化させることができるので、掘削土砂の塑性流動化をより精度良く効率的に行うことができる。

また、添加材注入部５ａ２と、添加材注入部５ａ３，５ａ４とは、中央の添加材注入部５ａ１を挟んで左右に離れて配置されている。これにより、添加材をカッタヘッド２の前面内においてより広い範囲に行き渡らせることができる。なお、図３の破線は添加材注入部５ａ２〜５ａ４の回転軌跡を示している。

各添加材注入部５ａ１〜５ａ４は、図８に示すように、カッタヘッド２の前面と背面とを貫通する貫通穴２２に装着された添加材注入管５ｔと、添加材注入管５ｔの先端面の添加材注入口５ｍの前方に配置された保護板５ｐとを備えている。

添加材注入管５ｔは、添加材を泥土圧シールド掘進機１の後方からカッタヘッド２の前面側に導く配管である。この添加材注入管５ｔの添加材注入口５ｍの前方において、その添加材注入口５ｍから離れた位置には、添加材注入口５ｍを覆うように保護板５ｐが設置されている。

この保護板５ｐは、添加材注入口５ｍが掘削土砂等で塞がれてしまうのを防ぐ部材であり、図８（ｂ）に示すように、断面逆コ字状に形成されている。保護板５ｐは、添加材注入口５ｍを覆うように凹部側をカッタヘッド２の前面に向け、長手方向両端の脚部をカッタヘッド２の前面に溶接させた状態で設けられれている。また、保護板５ｐを正面から見て保護板５ｐの短方向両側面には、添加材注入口５ｍと外部とを連通する開口部が形成されており、添加材注入口５ｍから吐出された添加材は該開口部を通じて外部に吐出されるようになっている。

ここで、図９は図１の泥土圧シールド掘進機の添加材注入系統の一例を示している。

各添加材注入部５ａ１〜５ａ４の添加材注入管５ｔは、Ｙ型ストレーナ２２および接続部２３を順に介して、添加材注入用のポンプ２４に機械的に接続されている。添加材注入用のポンプ２４は、上記した後続台車ＳＢ内に設置されている。

ここでは、添加材の注入系統が、例えば、カッタヘッド２の前面内の最外周および内周の添加材注入部５ａ４，５ａ２と、カッタヘッド２の前面内の中央および中間の添加材注入部５ａ１，５ａ３との２系統に分かれている。ただし、添加材の注入系統は図示したものに限定されるものではなく種々変更可能である。

また、各添加材注入部５ａ１〜５ａ４の添加材注入管５ｔの流路途中には、電動式またはエア式のバルブ２５が設けられている。各バルブ２５は制御部Ｃに電気的に接続されており、制御部Ｃによりバルブ２５の開閉動作が制御されている。すなわち、添加材の注入条件の制御を後続台車ＳＢの運転室からの遠隔操作または自動制御により行えるようになっている。

ここで、図１０は図１の泥土圧シールド掘進機の基本的な添加材の注入タイミングの一例を示している。

各添加材注入部５ａ１〜５ａ４から切羽への添加材の注入は、例えば、タイマー制御によるローテーション注入を基本としている。すなわち、添加材の注入箇所を時間毎に変えている。添加材の注入箇所を固定してしまうと、使用頻度の少ない添加材注入口５ｍで閉塞が生じる場合があるが、上記のように添加材の注入箇所を時間毎に変えることにより、添加材注入口５ｍの閉塞を抑制または防止することができる。

ただし、添加材の注入制御は、上記したタイマー制御に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばプログラム制御やカッタヘッド２の位置検出機能を利用した角度制御方式を採用しても良い。角度制御方式を採用した場合は、例えば、カッタヘッド２の上半部のみを指定して添加材を注入したり、カッタ角度毎に切り替えて添加材を注入する。カッタヘッド２の上半部のみを指定して添加材を注入することにより、添加材の注入位置がスクリューコンベア１０の下端の土砂取込口から遠くなるので、添加材と掘削土砂との攪拌混合の効果を向上させることができる。このため、掘削土砂の塑性流動性を向上させることができる。

添加材の注入量（注入時間）は、掘進速度や掘進データに応じて自動制御されており、掘進開始前に目標注入率を指定することで自動的に制御されるようになっている。図１０では、各添加材注入部５ａ１〜５ａ４での注入時間Ｔａは、例えば０．５分であり、４箇所あるので、サイクルタイムＴは、例えば２分とされている。また、各添加材注入部５ａ１〜５ａ４の切り替え時には、例えば５秒ほどのラップタイムＴｂを持たせている。

また、添加材の注入量や注入位置等のような注入条件は、カッタトルク、推力、推進速度、スクリューコンベア１０のトルクに基づいて制御される他、本実施の形態においては、上記温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度に基づいて添加材の注入条件を制御することが可能な構成になっている。この土砂温度に基づく添加材の注入制御については後述する。

次に、図１の泥土圧シールド掘進機１による泥土圧シールド工法について説明する。

本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、カッタヘッド２を切羽に押し付け回転させながら機器本体３を推し進めることで地中に掘削抗を構築する。ここでは、例えば、粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える地山が掘削対象とされている。

この掘削作業に際して、カッタヘッド２で掘削した土砂に上記添加材を添加するとともに、その土砂と添加材とをカッタヘッド２の回転やその回転に追従する練混ぜ翼１６ａ，１６ｂ等の動作により撹拌混合して掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、その泥土をチャンバ６内およびスクリューコンベア１０内に充満させ、その充満した泥土をシールドジャッキ９ｂの推進力により加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧を切羽の土圧に対抗させることで切羽の安定性を維持する。また、例えば、カッタヘッド２の回転速度を一定にし、シールドジャッキ９ｂの伸長速度やスクリューコンベア１０の回転速度を調整し、チャンバ６内の泥土圧を上記土圧検出部１１により測定しこれが一定になるようにすることで切羽の安定性を維持する。

添加材として加えるベントナイト系の添加材（作泥土材）は、土砂の塑性流動性や不透水性を高める作用を有する上、巨礫を破砕した礫や玉石等の礫分を掘削土砂とともに包み込んで当該礫分が掘削土砂から分離しないように掘削土砂と礫分との一体性を向上させる作用を有している。

一方、添加材として加える気泡材は、上記礫分がカッタヘッド２や隔壁７に付着するのを抑制する分離作用を有する上、ベントナイト系の添加材では得られないクッション作用により掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めてチャンバ６内やスクリューコンベア１０内で礫分が転がり移動するのを抑制し、また、転がり移動したとしてもクッション作用により泥土圧の急激な変動を抑制する作用を有している。

このため、チャンバ６内への取り込みが好ましくないような巨礫が混在する玉石混じり砂礫層や玉石層が存在する地山を掘削する場合でも、泥土圧を安定化することができ、切羽の安定性を維持できる上、スクリューコンベア１０による礫分の排土を円滑に移動させて閉塞の発生を防止でき、噴出が発生するのを防止することができる。

ところで、泥土圧シールド掘進機１による掘削作業に際し、掘削土砂が流動している場合は、土砂温度はほぼ均一に保たれるが、掘削土砂の塑性流動性が低下している場所では、掘削土砂とカッタヘッド２との摩擦による熱が発生するため、相対的に土砂温度が上昇する。

そこで、本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、掘進動作中にカッタヘッド２の前面および外周の土砂温度を温度計２０ａ〜２０ｅにより測定し、その情報を制御部Ｃに送信する。

制御部Ｃでは、温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度値と、予め決められた管理温度値とを比較し、土砂温度値が管理温度値以上となる領域を高温領域として検出し、その高温領域を塑性流動性の不足領域として検出するとともに、カッタヘッド２の前面内および外周面内の温度分布をリアルタイムでグラフ化（可視化）して表示部Ｄに表示する。すなわち、カッタヘッド２の前面内および外周面内の温度分布図により掘削土砂の塑性流動性が不足している領域やビット４ａ〜４ｄの摩耗が進行している領域を可視化する。これにより、カッタヘッド２の前面内および外周面内において掘削土砂の塑性流動性の不足領域やビット４ａ〜４ｄの摩耗の進行領域を把握することができる。このため、カッタヘッド２の前面内および外周面内の掘削土砂の塑性流動性の状態と、ビット４ａ〜４ｄの摩耗状態とを、より早く、より定量的に管理することができる。

また、制御部Ｃは、上記高温領域（塑性流動性の不足領域）が検出された場合は、図１０で例示した添加材の基本的な注入制御を中断し、高温領域の掘削土砂の塑性流動性が高まるように、添加材の注入量、注入位置または配合等のような添加材の注入条件を調整する。具体的には、ポンプ２４やバルブ２５（図９参照）等の動作を制御することにより、高温領域（塑性流動性の不足領域）に近い添加材注入部５ａ１〜５ａ４，５ｂから注入される添加材の量を必要量だけ増やすように調整する。所定の添加材注入部５ａ１〜５ａ４からの添加材の注入量を増やすには、例えば、図１０に示したサイクルタイムＴ中において、当該添加材注入部から注入される添加材の注入時間Ｔａを相対的に長くすれば良い。これにより、掘削土砂の塑性流動性の不足領域に、その塑性流動性を高める上で必要な量の添加材を注入することができる。すなわち、添加材の過不足が生じないように添加材を効率的に注入することができる。

上記した管理温度値は、例えば、複数段階に設定されている。ここでは、管理温度値は、例えば、３０度以下、３１〜３３度、３４度以上とされている。そして、各温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度値が３０度以下であれば、「良好な塑性流動性を維持した掘進状態である」と推定される。また、各温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度値が３１〜３３度の範囲であれば、「掘削土砂の塑性流動性が低下の傾向にあり、要注意である」と推定される。さらに、各温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度値が３４度以上であれば、「掘削土砂の塑性流動性が不足しており、対策が必要」と推定される。この場合は、上記したように添加材の注入条件を調整する。

このような添加材の注入条件の調整は、温度計２０ａ〜２０ｅで測定された土砂温度値が管理温度値以下になるまで継続され、管理温度値以下になれば、掘削土砂の塑性流動性が回復したと推定され、図１０で例示した基本的な注入制御に戻る。一方、添加材を増量しても土砂温度値が上昇する場合には、泥土圧シールド掘進機１の掘進動作を中断し、点検補修を実施する。

また、添加材の注入条件の調整は、自動でも良いし、オペレータが表示部Ｄに表示された土砂温度分布図に応じて操作パネルを操作し制御部Ｃから各部（バルブ２５やポンプ２４等）に指示を出すようにしても良い。また、添加材の注入条件の調整は、掘進動作中に行っても良いし、掘進動作の停止後に行っても良い。

なお、管理温度値は、地山の状態やシールド掘進機の仕様により異なるので、工事毎に掘進初期段階の区間で得られるデータに基づいて補正を行うことが好ましい。また、各管理温度値および測定温度値は、表示部Ｄに表示されるようになっており、オペレータが双方の温度値を目視確認できるようになっている。

このように本実施の形態においては、泥土圧シールド掘進機１のカッタヘッド２の前面内および外周面内において掘削土砂の塑性流動性の不足領域に添加材を効率的に注入することができるので、掘削土砂の塑性流動性を効率的に向上させることができる。そして、より精度の高い添加材の注入管理と、掘削土砂の塑性流動化の管理とを行うことができる。

このため、掘削土砂による閉塞を抑制または防止することができる。また、複数のビット４ａ〜４ｄのうち高温のビットに対して選択的に添加材を注入することができるので、塑性流動性不足に起因するビットの摩耗を低減することができる。さらに、添加材の過不足を抑制または防止することができるので、閉塞のみならず噴発の発生をも抑制または防止することができる。

したがって、閉塞、噴発およびビット４ａ〜４ｄの摩耗に因る掘削作業の中断を低減することができ、より効率的な掘削動作を行えるので、掘削作業の工期を短縮することができ、泥土圧シールド掘進機１の長距離施工を推進することができる。また、閉塞、噴発およびビット４ａ〜４ｄの摩耗を低減することができるので、掘削作業にかかるコストを低減することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

例えば前記実施の形態においては、リボンスクリュー型のスクリューコンベアを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばリボン型と軸付き型とを組み合わせたスクリューコンベアを用いても良い。

以上の説明では、本発明を中間支持駆動方式の泥土圧シールド掘進機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えばセンターシャフト駆動方式や外周支持駆動方式の泥土圧シールド掘進機等、他のシールド掘進機にも適用される。

１ 泥土圧シールド掘進機
２ カッタヘッド
２ａ ハブ部
２ｂ スポーク部
２ｃ 中間リング部
２ｄ 外周リング部
２ｅ 貫通穴
２ｆ 制限突起
３ 機器本体
４ａ〜４ｃ ビット
４ｄ コピービット
５ａ１〜５ａ４ 添加材注入部
５ｂ 添加材注入部
５ｔ 添加材注入管
５ｍ 添加材注入口
５ｐ 保護板
１５ａ，１５ｂ 練混ぜ翼
１６ａ，１６ｂ 練混ぜ翼
２０ａ〜２０ｅ 温度計
２１ 分配器
２２ 貫通穴
２４ ポンプ
２５ バルブ
Ｃ 制御部
Ｄ 表示部
Ｓ１，Ｓ２ 温度センサ部
Ｌ１，Ｌ２ 配線
Ｔ サイクルタイム
Ｔａ 注入時間
Ｔｂ ラップタイム

Claims (3)

1. 機器本体の進行方向の前面に、該機器本体の周方向に沿って回転自在の状態で支持されたカッタ盤と、
   前記カッタ盤の異なる回転軌跡上に設けられ、前記カッタ盤との摩擦で上昇した切羽の掘削土砂の温度を測定する複数の温度測定手段と、
   前記カッタ盤の異なる回転軌跡上に設けられ、掘削土砂に添加材を注入する複数の添加材注入部と、
   前記複数の温度測定手段により測定された温度情報に基づいて前記添加材注入部から注入される添加材の注入条件を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記温度情報から土砂温度値が管理温度値以上となる高温領域が検出された場合は、当該高温領域に注入される添加剤の量を増やすように制御する、
   ことを特徴とするシールド掘進機。
2. 前記複数の温度測定手段が、前記カッタ盤の前面に配置された複数のビットの内部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機。
3. 前記複数の添加材注入部が、前記カッタ盤の前面内の中央と、最外周と、それらの間とに設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のシールド掘進機。

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