JP6470084B2

JP6470084B2 - シールド掘進機

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Publication number: JP6470084B2
Application number: JP2015060292A
Authority: JP
Inventors: 尚臣三鬼
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2019-02-13
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Also published as: JP2016180225A

Description

本発明は、地盤にトンネルを掘る場合に用いるシールド掘進機に関する。

従来、都市部等のように、地上に建物が存在している地盤にトンネルを掘る場合はシールド掘進機が用いられており、その例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されたシールド掘進機は、筒形状のシールドと、シールド内に設けた隔壁と、隔壁に取り付けられたカッタ用モータと、隔壁に取り付けられてカッタ用モータの動力で回転する回転軸と、回転軸に対して放射状に連結されてシールドの外に配置されたカッタヘッドと、カッタヘッドと隔壁との間に形成されたチャンバと、を備えている。カッタヘッドに複数のカッタビットが固定されている。また、カッタヘッドにおけるチャンバ側に可動撹拌翼が取り付けられている。さらに、隔壁に固定撹拌翼が取り付けられている。

また、チャンバ内の土砂の流動状態を測定する測定装置が設けられている。測定装置は、ロッドを有し、かつ、隔壁に取り付けられた測定用モータと、ロッドに固定されてチャンバ内に配置される回転板と、測定用モータの電流値を測定する電流測定器と、回転板の回転角度を検出する角度検出器と、を有する。さらに、隔壁には、土砂をチャンバ内から排出する排出機構が設けられいる。

特許文献１に記載されたシールド掘進機は、カッタ用モータのトルクで、回転軸と共にカッタヘッドが回転して地盤が掘削され、掘削された土砂は、チャンバ内において、可動撹拌翼及び固定撹拌翼により撹拌される。撹拌された土砂は、排出機構によりチャンバの外へ排出される。また、カッタヘッドの回転中、測定用モータのトルクでロータを回転させ、電流測定器で測定される電流値から、測定用モータのトルクを算出する。測定用モータのトルクから、チャンバ内の土砂の流動状態を推定し、可視化する。

特開２００７−１９１８７８号公報

特許文献１に記載されたシールド掘進機は、チャンバ内の土砂の流動状態を推定するために、測定用モータを設けなければならず、構造が複雑となる問題があった。

本発明の目的は、チャンバ内における土砂の流動状態を推定でき、かつ、構造の簡単なシールド掘進機を提供することにある。

本発明は、シールド本体に設けたカッタヘッドを回転させて地盤を掘削するシールド掘進機であって、前記カッタヘッドによって掘削された土砂が溜まるチャンバを形成する隔壁と、前記隔壁に設けられ、かつ、前記チャンバ内で流動する土砂によって前記カッタヘッドの回転方向に弾性変形して信号を出力する曲げセンサと、前記曲げセンサの信号を処理して前記チャンバ内の土砂の流動状態を判断する判断部と、を有し、前記判断部は、前記曲げセンサの曲げ量及び曲げ速度に基づいて前記土砂の流動状態を判断する。

本発明における前記判断部は、前記曲げセンサの曲げ量から前記土砂のせん断応力を推定し、かつ、前記曲げセンサの曲げ速度の傾きから前記土砂のせん断速度を推定し、更に、前記土砂のせん断応力及びせん断速度に基づいて前記土砂の流動状態を判断する。

本発明は、前記土砂の流動状態と目標の流動状態とを比較し、かつ、前記土砂の流動状態を目標の流動状態に近づける条件を求める管理部を備えている。

本発明は、前記チャンバ内の土砂に添加材を供給して、前記土砂の流動状態を調整する添加材供給機構を備え、前記管理部が求める条件は、前記チャンバ内の土砂に供給される添加材の量である。

本発明は、前記シールド本体の移動速度を調整して、前記土砂の流動状態を調整する推進機構を備え、前記管理部が求める条件は、前記シールド本体の移動速度である。

本発明は、前記管理部が求めた条件に基づいて、前記チャンバ内の土砂の流動状態を調整する調整部を備えている。

本発明のシールド掘進機は、チャンバ内における土砂の流動状態を推定するためにモータを用いる必要がなく、構造が簡単である。

本発明のシールド掘進機により地盤にトンネルを形成する状態の模式的な断面図である。本発明のシールド掘進機の正面断面図である。本発明のシールド掘進機の要部を示す拡大断面図である。本発明のシールド掘進機の隔壁を示す側面断面図である。本発明のシールド掘進機の制御系統を示すブロック図である。本発明のシールド掘進機の要部を示す拡大断面図である。本発明のシールド掘進機の要部を示す拡大断面図である。本発明のシールド掘進機において、土砂の流動状態を判定して管理する工程を示すフローチャートである。本発明のシールド掘進機に設けた曲げセンサの出力波形を示す線図である。土砂の流動状態の評価及び管理に用いる流動曲線図である。

本発明のシールド掘進機は、地盤もしくは地山を切り崩して得た土砂を撹拌して流動性をもたせ、その土砂を利用して掘削面に圧力を加えて掘削面の安定を図る、土圧式のシールド工法に用いる。以下、本発明の実施の形態であるシールド掘進機を、図１〜図７を参照して説明する。

地盤１０に対して鉛直方向に発進立坑１１が掘削されており、発進立坑１１から到着立坑１２に向けてシールド掘進機１３が地盤１０を掘削して進み、トンネル１４を形成する。シールド掘進機１３は、図２のように、地盤１０の崩落を防ぐシールド本体１５を備えており、シールド本体１５は、フード部１６及びテール部１７及び接続部１８を有する。フード部１６及びテール部１７及び接続部１８は、鋼鉄製であり、かつ、筒形状である。接続部１８は、フード部１６とテール部１７とを接続する。テール部１７と接続部１８とは、軸線Ａ１を中心として同心状に配置され、かつ、互いに固定されている。

また、フード部１６は、接続部１８に対して首振りまたは揺動可能である。軸線Ａ１に沿った方向で、フード部１６において接続部１８とは反対側にカッタヘッド１９が設けられている。また、フード部１６内に隔壁２０が設けられており、隔壁２０とカッタヘッド１９との間にチャンバＢ１を形成している。カッタヘッド１９により掘削された土砂は、チャンバＢ１へ溜まる。

接続部１８内にフレーム２１が設けられている。フード部１６内から接続部１８内に亘って第１空間Ｃ１が形成されている。テール部１７内に第２空間Ｃ２が形成されている。フレーム２１は、軸線Ａ１に沿った方向で第１空間Ｃ１と第２空間Ｃ２との間に配置されている。このように、第１空間Ｃ１は、軸線Ａ１に沿った方向で、チャンバＢ１と第２空間Ｃ２との間に配置されている。隔壁２０は、チャンバＢ１と第１空間Ｃ１とを隔てる。

第１空間Ｃ１に第１電動モータ２２が設けられている。隔壁２０に支持台２３が固定されており、第１電動モータ２２は支持台２３に取り付けられている。第１電動モータ２２の出力軸２４にドライブギヤ２５が設けられている。第１電動モータ２２の出力軸２４は、軸線Ａ１と平行な軸線を中心として回転可能である。隔壁２０により回転軸２６が回転可能に支持されている。回転軸２６は軸線Ａ１を中心として回転可能である。回転軸２６は、第１空間Ｃ１からチャンバＢ１に亘って配置されている。回転軸２６のうち第１空間Ｃ１に配置された箇所にドリブンギヤ２７が設けられ、ドリブンギヤ２７はドライブギヤ２５に噛み合っている。ドライブギヤ２５及びドリブンギヤ２７は減速機構である。つまり、出力軸２４の回転速度に対して、回転軸２６の回転速度の方が低速となり、トルクが増幅される。

また、カッタヘッド１９は、回転軸２６におけるチャンバＢ１側の端部に取り付けられている。カッタヘッド１９は、図３のように、回転軸２６に固定された複数のカッタスポーク２８と、複数のカッタスポーク２８にそれぞれ固定したカッタビット２９と、回転軸２６の先端に固定された尖突部３０と、を備えている。複数のカッタビット２９は、回転軸２６を中心として放射状に配置されている。さらに、複数のカッタスポーク２８に、ジャッキ３１と、ジャッキ３１により動作する移動部材３２と、移動部材３２の先端に取り付けたコピーカッタ３３とが、それぞれ設けられている。ジャッキ３１は、油圧シリンダである。

移動部材３２は、回転軸２６の径方向でジャッキ３１よりも外側に設けられている。回転軸２６の径方向で、ジャッキ３１の内端はブラケット３４を介してカッタスポーク２８に連結されている。このため、移動部材３２は、ジャッキ３１の動力で回転軸２６の径方向に移動される。カッタスポーク２８は、回転軸２６の外周面に固定されており、カッタスポーク２８におけるチャンバＢ１側の箇所に、可動撹拌翼３５がそれぞれ取り付けられている。可動撹拌翼３５は、回転軸２６の径方向に沿ってカッタスポーク２８に複数個取り付けられている。また、隔壁２０におけるチャンバＢ１側の箇所に、固定撹拌翼３６が取り付けられている。固定撹拌翼３６は、回転軸２６の回転方向に複数配置されている。回転軸２６の径方向で、固定撹拌翼３６の配置位置と、可動撹拌翼３５の配置位置とが異なる。また、軸線Ａ１に沿った方向で、可動撹拌翼３５の配置範囲と、固定撹拌翼３６の配置範囲とが重なっている。

さらに、図４のように、隔壁２０に注入口３７が設けられている。注入口３７は、添加材をチャンバＢ１内に供給する通路である。添加材は、チャンバＢ１内における土砂の流動状態を改善するためのものであり、添加材としては、粘土・ベンナイト系・高分子系・気泡系等を用いることが可能である。注入口３７は、パイプを介して添加材のタンクに接続される。パイプには、図５のように添加材の注入量を調整するコンプレッサ３８が設けられている。コンプレッサ３８はモータより駆動されて、タンクに貯留された添加材を吐出して注入口３７へ供給する。添加材の供給量は、モータの回転数を制御して調整可能である。

第１空間Ｃ１に中折れ装置３９が設けられている。中折れ装置３９は、フード部１６を接続部１８に対して首振りまたは揺動させるための機構である。中折れ装置３９は、シールド本体１５の円周方向に沿って複数設けられている。フード部１６を接続部１８に対して首振りまたは揺動させると、フード部１６の軸線Ａ２と、接続部の軸線Ａ１との間に形成される角度が変化する。図２は、軸線Ａ１軸線Ａ２との間に形成される角度が、１８０度である状態を示す。つまり、軸線Ａ１と軸線Ａ２とが直線状になっている。中折れ装置３９は、油圧シリンダ４０と、油圧シリンダ４０により動作するプランジャ４１と、を備えている。油圧シリンダ４０は、ブラケット４２を介してフード部１６に連結され、プランジャ４１の先端は、ブラケット４３を介して接続部１８に連結されている。油圧シリンダ４０の動作によりプランジャ４１が伸縮することで、フード部１６は、接続部１８に対して首振りまたは揺動する。

第１空間Ｃ１から第２空間Ｃ２に亘ってスクリューコンベア４４が設けられている。スクリューコンベア４４は、カッタヘッド１９により掘削した土砂を、チャンバＢ１内から第２空間Ｃ２へ搬送する機構である。スクリューコンベア４４は、第１空間Ｃ１から第２空間Ｃ２に亘って配置された排出管４５と、排出管４５内に回転可能に配置したスクリュー４６と、スクリュー４６を排出管４５内で回転させる第２電動モータ４７と、を備えている。フレームに２１は、第１空間Ｃ１と第２空間Ｃ２とをつなぐ開口部４８が設けられ、排出管４５は開口部４８に配置されている。排出管４５の中心線Ｆ１は、軸線Ａ１に対して傾斜している。排出管４５のうち、第１空間Ｃ１に近い端部は、第２空間Ｃ２に近い端部よりも下方にある。

隔壁２０には開口部４９が設けられている。開口部４９は、垂直方向で回転軸２６よりも下方、より具体的には、最も下方に配置されている。排出管４５のうち、第１空間Ｃ１側の端部は、開口部４９に挿入されており、排出管４５は隔壁２０により支持されている。また、排出管４５は、隔壁２０に支持された箇所を支点として、軸線Ａ１に対する傾斜角度を変更可能である。

第２電動モータ４７は、排出管４５のうち第２空間Ｃ２側の端部に設けられている。また、排出管４５にスクリューゲート５０が設けられており、スクリューゲート５０を開閉する開閉機構５１が設けられている。開閉機構５１は、油圧シリンダ５２と、油圧シリンダ５２により動作してスクリューゲート５０を開閉するシャッタ５３と、を備えている。

さらに、第２空間Ｃ２内に、組み立て機７６が設けられている。組み立て機７６は、地盤１０に形成したトンネル１４の内面に沿ってセグメント５４を組み立てて、トンネル１４の内面を覆工する機構である。セグメント５４は、円弧形状であり、セグメント５４は、軸線Ａ１を中心とする円周方向に複数個並べられてリング形状となる。また、セグメント５４は、軸線Ａ１方向に複数個並べられる。フレーム２１に、第３電動モータ５５が取り付けられており、第２空間Ｃ２内に環状の保持部材５６が設けられている。テール部１７の内面にローラ５７が回転可能に取り付けられている。ローラ５７は、テール部１７の円周方向に沿って複数配置されており、保持部材５６は、複数のローラ５７によって軸線Ａ１を中心として回転可能に支持されている。組み立て機７６は、保持部材５６に取り付けられており、第３電動モータ５５の動力で保持部材５６が回転すると、組み立て機７６は第２空間Ｃ２で軸線Ａ１を中心として移動する。

さらに、シールド本体１５を前進させる推進機構５８が設けられている。推進機構５８は、第１空間Ｃ１から第２空間Ｃ２に亘って設けられている。推進機構５８は、シールド本体１５の円周方向に沿って複数設けられている。推進機構５８は、接続部１８に固定された油圧シリンダ５９と、油圧シリンダ５９により動作するプランジャ６０と、プランジャ６０に固定されて第２空間Ｃ２に配置されたプレート６１と、を備えている。油圧シリンダ５９のプランジャ６０が動作すると、プレート６１がセグメント５４に押し付けられ、その反力でシールド本体１５が、軸線Ａ１に沿った方向に移動、つまり前進する。

さらに、図３のように、チャンバＢ１内の土砂の流動状態を測定する測定装置６２が設けられている。測定装置６２は、回転軸２６の回転方向に沿って複数設けられている。少なくとも２つの測定装置６２は、チャンバＢ１内で異なる高さに配置されている。また、少なくとも２つの測定装置６２は、回転軸２６の径方向で異なる位置に配置されている。測定装置６２は、曲げセンサ６３と、曲げセンサ６３を埋め込んだ合成ゴム製のホルダ６４と、曲げセンサ６３に接続されたリード線６５と、を備えている。隔壁２０を貫通する取付け孔が設けられており、ホルダ６４は取付け孔に差し込まれている。曲げセンサ６３は、ホルダ６４のうち、チャンバＢ１内に位置する箇所に埋め込まれている。曲げセンサ６３は、２枚の曲げ量センサと、１枚の曲げ速度センサとを、重ねたものである。隔壁２０の表面から突出するホルダ６４の突出量は、可動撹拌翼３５に接触しない値に設定されている。

曲げ量センサは、曲げ量の絶対値を測定して信号を出力し、曲げ速度センサは、曲げ速度に応じた信号を出力する圧電センサである。曲げセンサ６３はプレート形状であり、チャンバＢ１内で撹拌される土砂が回転すると、曲げセンサ６３の厚さ方向の両面の何れか一方で土砂の荷重を受ける。曲げセンサ６３が受ける土砂の荷重は、カッタヘッド１９の回転方向の荷重である。曲げセンサ６３は、荷重を受けてホルダと共に弾性変形する。

受ける荷重が大きいほど、つまり、土砂の流動性が低いほど、曲げセンサ６３の曲げ量は大きい。土砂の流動性が高いほど、曲げセンサ６３の曲げ量は小さい。リード線６５は、ホルダ６４に埋め込まれており、図５に示すロガー６６に接続されている。ロガー６６は、曲げセンサ６３の出力信号を処理して、曲げセンサ６３の曲げ量の波形、曲げ速度の波形、曲げセンサ６３の出力電圧等を表示・記録することの可能な電圧計であり、ロガー６６は、トンネル１４内の作業台等に置かれる。

さらに、隔壁２０に土圧計６７が設けられている。土圧計６７は、軸線Ａ１を中心とする円周方向に複数設けられている。土圧計６７は、チャンバＢ１内の土砂の圧力を測定し、測定結果に応じた信号を出力する。土圧計６７が測定する圧力は、カッタヘッド１９の回転方向における圧力である。

また、図６のように、接続部１８の一部は、フード部１６内へ配置されており、接続部１８の外周面と、フード部１６の内周面との間をシールするシール部材７３が設けられている。さらに、テール部１７において接続部１８とは反対側の端部は、図７のように、セグメント５４の組み立てにより形成される覆工壁７５の外側に配置されている。テール部１７において接続部１８とは反対側の端部に、テールブラシ７４が取り付けられている。テールブラシ７４は、テール部１７の開口端に全周に亘って環状に取り付けられている。テールブラシ７４の先端は、セグメント５４の外周面に接触される。テールブラシ７４は、セグメント５４により形成された環状の覆工壁７５の外周面と、テール部１７の内周面との間をシールする。なお、トンネル１４内には、土砂を発進立坑１１へ搬送する搬送機構、例えば、コンベア、ポンプ、トロッコ等が配置される。

さらに、図５の制御盤６８は、複数個のセグメント５４を組み立てて覆工されたトンネル１４内に設けられる。制御盤６８は、信号やデータを処理する演算処理装置６９、データを記憶する記憶部７０、データや波形を表示する表示部７１、作業者が操作する操作部７２等を備えている。制御盤６８から出力される信号により、第１電動モータ２２、第２電動モータ４７、第３電動モータ５５、油圧シリンダ４０，５２，５９、コンプレッサ３８等が制御される。制御盤６８は、ロガー６６から出力される信号、土圧計６７から出力される信号を処理する。制御盤６８は、単位時間当たりの第１電動モータ２２の回転数、油圧シリンダ４０，５２，５９の動作、コンプレッサ３８による添加材の注入量等を制御する。

表示部７１は、ロガー６６及び土圧計６７から送られる波形、データ、及びこれらの波形及びデータを処理または加工した情報、操作部７２の操作内容等を表示する。さらに、制御盤６８は、ロガー６６から送られる波形、データを処理して、チャンバＢ１内の土砂の流動状態を判断する機能と、判断結果に基づいて、土砂の流動状態を改善する条件を算出する機能と、を備えている。

次に、シールド掘進機１３が、地盤１０を掘削してトンネル１４を形成する工程を説明する。まず、第１電動モータ２２の出力軸２４が回転され、出力軸２４のトルクで回転軸２６が所定方向に回転する。カッタヘッド１９は回転軸２６と共に回転し、カッタビット２９が地盤１０を掘削する。カッタヘッド１９の単位時間当たりの回転数は、例えば、２rpm となるように、第１電動モータ２２の回転数が制御される。岩盤や玉石は、カッタヘッド１９により細かく砕かれて土砂となり、その土砂は、カッタスポーク２８同士の間を通りチャンバＢ１内へ進入する。チャンバＢ１内に進入した土砂は、可動撹拌翼３５及び固定撹拌翼３６により撹拌されるとともに、注入口３７から添加材がチャンバＢ１へ注入され、土砂の流動性が改善される。

また、第２電動モータ４７のトルクによりスクリュー４６が回転すると、チャンバＢ１内の土砂は排出管４５内へ排出される。排出管４５内の土砂は、スクリューゲート５０から排出され、排出された土砂は、搬送機構により発進立坑１１へ搬送される。チャンバＢ１から排出する土砂の量を調整することで、掘削面の圧力を一定に保持する。

さらに、シールド掘進機１３が地盤１０を掘削することによりトンネル１４を形成する工程と併行して、トンネル１４の内周に覆工壁７５を形成する。すなわち、作業者は第２空間Ｃ２でセグメント５４を組み立て機７６により所定の位置へ移動し、かつ、セグメント５４をトンネル１４の内周面に沿って配置し、かつ、セグメント５４同士をボルト等の締結要素で固定して、覆工壁７５を施工する。

さらに、推進機構５８の油圧シリンダ５９を動作させてプレート６１を、軸線Ａ１方向でフード部１６に最も近い箇所に位置するセグメント５４へ押し付ける。すると、プレート６１をセグメント５４に押し付けた反力で、シールド本体１５は覆工壁７５から離れる向きで軸線Ａ１方向に移動、つまり、前進する。シールド本体１５が前進する速度は、例えば、１分間に数cmとなるように、推進機構５８が制御される。また、スクリューコンベア４４がチャンバＢ１から排出する土砂の量は、シールド本体１５が前進する速度に応じて調整される。チャンバＢ１から排出する土砂の量は、第２電動モータ４７の回転数を制御することができる。以後、複数のセグメント５４を固定して覆工壁７５を形成する工程と、推進機構５８によりシールド本体１５を前進する工程とを、交互に繰り返し、トンネル１４の全長を長くする。

また、テールブラシ７４は、覆工壁７５の外周面に接触することで、覆工壁７５の外周面とテール部１７の内周面との間をシールする。このため、シールド掘進機１３によりトンネル１４を形成する過程で、地盤１０と覆工壁７５との間へ地下水等が漏れ出したとしても、その地下水等が、覆工壁７５の外周面とテール部１７の内周面との間を通って第２空間Ｃ２へ侵入することを抑制できる。

次に、シールド掘進機１３において、土砂の流動状態を判断し、かつ、土砂の流動状態を管理する工程を、図８を参照して説明する。制御盤６８は、ステップＳ１において、ロガー６６から入力される信号、及び土圧計６７から入力される信号を処理して、波形データを採取する。即ち、チャンバＢ１内の土砂は、カッタヘッド１９の回転に伴い撹拌されており、曲げセンサ６３は土砂の荷重を受けて弾性変形しており、そのセンサ６３の曲げ量、曲げ速度の経時変化を表す波形データを採取する。また、制御盤６８は、土圧計６７から入力される信号を処理して、土砂圧力の経時変化を表す波形データを採取する。

制御盤６８は、ステップＳ２でセンサ６３の曲げ量、曲げ速度を表す波形データを解析し、ピーク間変位差、波形幅を抽出する。図９は、曲げセンサ６３の曲げ量及び曲げ速度の波形を示す線図である。曲げ量Ｍ１は破線で示され、曲げ速度Ｖ１は実線で示されている。曲げ量Ｍ１のピーク間変位差ｈ１は、曲げ量Ｍ１の最大値と、曲げ量Ｍ１の最小値との差である。曲げ速度Ｖ１のピーク間変位差ｈ２は、曲げ速度Ｖ１の最大値と、曲げ速度Ｖ１の最小値との差である。曲げ量Ｍ１の波形幅Ｌ１は、曲げ量Ｍ１が所定値から増加し、その後に、所定値まで低下するまでの時間である。曲げ速度Ｖ１の波形幅Ｌ２は、曲げ速度が所定値から増加し、その後に、所定値まで低下するまでの時間である。

さらに、制御盤６８は、ステップＳ３で土砂圧力の経時変化を表す波形データを解析し、ピーク間変位差、波形幅を抽出する。土砂圧力のピーク間変位差は、土砂圧力の最大値と、土砂圧力の最小値との差である。土砂圧力の波形幅は、土砂圧力が所定値から増加し、その後に、所定値まで低下するまでの時間である。制御盤６８は、ステップＳ２及びステップＳ３の処理を並行して行ってもよいし、いずれか一方の処理を先に行い、その後、残りの処理を行ってもよい。

制御盤６８は、ステップＳ４において、チャンバＢ１内における土砂の実際の流動状態を評価する。ステップＳ４の評価は、ステップＳ２，Ｓ３の抽出結果を示す図９、及び図１０の流動曲線図に基づいて行われる。図１０の流動曲線図は、横軸に土砂のせん断速度γが示され、縦軸に土砂のせん断応力τが示されている。せん断応力τは、カッタヘッド１９の回転によって土砂に加わる外力であり、せん断応力τは、例えば、土砂が流動を開始する際の応力、土砂の粘度及びせん断速度等から推定可能である。土砂が流動を開始する際の応力は、ピーク間における曲げセンサ６３の信号から求めた曲げ量Ｍ１の電位差ｈ１（図９）から推定可能である。また、土砂の粘度及びせん断速度は、曲げセンサ６３の信号から求めた曲げ速度Ｖ１の電位差ｈ２に対応する曲げ速度Ｖ１（図９）の傾き等から推定可能である。

図１０の流動曲線図には、第１境界線Ｄ１及び第２境界線Ｄ２が示されている。せん断速度が同じである場合、第１境界線Ｄ１のせん断応力は、第２境界線のせん断応力よりも大きい。例えば、第１境界線Ｄ１以下の領域Ｅ１は、せん断応力が低い。つまり、土砂の粘度が低く、流動性が高いことを表す。このため、土砂の実際の流動状態が領域Ｅ１にあると、土砂が開口部４９から第１空間Ｃ１へ噴出する可能性がある。これに対して、第２境界線Ｄ２を超える領域Ｅ２は、せん断応力が高い。つまり、土砂の粘度が高く、流動性が低いことを表す。このため、土砂の実際の流動状態が領域Ｅ２にあると、土砂がチャンバＢ１や排出管４５内で詰まる可能性がある。

一方、第１境界線Ｄ１を超え、かつ、第２境界線Ｄ２以下の領域Ｅ３は、せん断応力が適切である。つまり、土砂の粘度が適当であり、土砂の流動性が良好であることを表す。このため、土砂の実際の流動状態が領域Ｅ３にあると、土砂がチャンバＢ１や排出管４５内で詰まる可能性はなく、かつ、土砂が開口部４９から第１空間Ｃ１へ噴出する可能性もない。すなわち、土砂の流動状態は、掘進作業に適した目標の流動状態であると言える。上記の第１境界線Ｄ１及び第２境界線Ｄ２は、チャンバＢ１のシール性、開口部４９のシール性、排出管４５の内径等の条件を考慮し、実験、シミュレーション等を行って求めた値である。

制御盤６８は、ステップＳ４で行った領域判定の結果を、ステップＳ５で表示部７１に表示する。作業者は、表示部７１に表示された領域判定の結果を参照して、ステップＳ６でカッタ状態の管理を行い、図８のフローチャートを終了する。カッタ状態の管理は、シールド本体１５の掘進速度の管理、添加材の管理を含む。シールド本体１５の掘進速度の管理は、推進機構５８の油圧シリンダ５９を制御して、単位時間当たりの移動速度、すなわち、掘進速度を調整することである。添加材の管理は、コンプレッサ３８により注入される添加材の注入量を調整すること、添加材の種類を変えること、を含む。作業者がステップＳ６の管理を行うことにより、土砂の流動状態を図１０の領域Ｅ３にすることができる。

土砂の流動状態が領域Ｅ１にあると判定された場合、作業者は、土砂の流動性を低下させる作業を行う。例えば、コンプレッサ３８から供給される添加材の量を調整したり、添加材の種類を変更する作業を行う。また、シールド本体１５の前進速度を速くすることも可能である。これらの作業を行うと、土砂の流動状態を、領域Ｅ１から領域Ｅ３に変更することができる。

これに対して、土砂の流動状態が領域Ｅ２にあると判定された場合、作業者は、土砂の流動性を高める作業を行う。例えば、コンプレッサ３８から供給される添加材の量を調整したり、添加材の種類を変更する作業を行う。また、シールド本体１５の前進速度を遅くする。これらの作業を行うことにより、土砂の流動状態を、領域Ｅ２から領域Ｅ３に変更することができる。添加材は、流動性を高めるものと、止水性を高めるものとがある。

したがって、土砂の流動状態に応じて添加材を増量または減量したり、添加材の種類を変更すればよい。なお、図８のステップＳ６の工程は、制御盤６８が算出して表示部７１に実行してもよい。すなわち、土砂の流動状態を領域Ｅ３とするために実行可能な添加材の調整量、添加材の種類、シールド本体１５の掘進速度等を表示してもよい。このように、制御盤６８は、土砂の実際の流動状態と、目標の流動状態とを比較して、実際の流動状態を目標の流動状態に近づける条件を求めることもできる。

シールド掘進機１３は、土砂の荷重で曲げセンサ６３が弾性変形し、その曲げセンサ６３の信号を処理してチャンバＢ１内における土砂の流動状態を推定する。したがって、土砂の流動状態を推定するためにモータを用いる必要がなく、構造が簡単である。また、土砂の流動状態は、波形として表すことで可視化し、作業者が容易に確認可能である。

本実施の形態の構成と本発明の構成との対応関係を説明すると、シールド本体１５は、本発明のシールド本体であり、カッタヘッド１９は、本発明のカッタヘッドであり、隔壁２０は、本発明の隔壁であり、曲げセンサ６３は、本発明の曲げセンサであり、制御盤６８は、本発明の判断部及び管理部であり、コンプレッサ３８及びコンプレッサ３８を駆動するモータは、本発明の添加材供給機構であり、推進機構５８は、本発明の推進機構である。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記の説明では、図８のステップＳ６のカッタ状態の管理を、作業者が操作部７２を操作して行う場合を説明している。これに対して、制御盤６８が、ステップＳ４の評価結果に基づいて、ステップＳ６の工程を自動的に行うようにすることも可能である。例えば、添加材の注入量は、コンプレッサ３８を駆動するモータの回転数を制御すればよい。

また、コンプレッサ３８と注入口との間に、ソレノイドバルブで構成した流量制御弁を設けておき、制御盤６８が流量制御弁を制御して、添加材の注入量を調整することもできる。さらに、ステップＳ６において行うカッタ状態の管理は、チャンバＢ１から排出される土砂の量を調整して行うこともできる。第２電動モータ４７の回転数を制御すれば、チャンバＢ１から排出される土砂の量を調整できる。例えば、チャンバＢ１から排出される土砂の量を増加すれば、土砂の流動性が低下し、チャンバＢ１から排出される土砂の量を低減すれば、土砂の流動性が高まる。

さらに、注入口に添加材を供給する複数の経路を設け、かつ、複数の経路同士を互いに並列に配置し、各経路を介して種類の異なる添加材を供給する構成としてもよい。そして、各経路に開閉可能なソレノイドバルブを設けておけば、制御盤６８は、ソレノイドバルブの開閉を切り替えることで、注入口３７に供給する添加材を選択及び変更可能である。このように、制御盤６８が、土砂の実際の流動状態を目標の流動状態に近づけるために、各種の条件を自動的に制御する場合、制御盤６８は、本発明の調整部である。

なお、上記の実施形態では、アクチュエータとして油圧シリンダを例示しているが、空気圧シリンダを用いることも可能である。さらに、ロガー６６と制御盤６８とを別々に設けることなく、ロガー６６の機能を備えた一体型の制御盤６８を設けてもよい。

１３シールド掘進機
１５シールド本体
１９カッタヘッド
２０隔壁
６３曲げセンサ
６８制御盤

Claims

シールド本体に設けたカッタヘッドを回転させて地盤を掘削するシールド掘進機であって、
前記カッタヘッドによって掘削された土砂が溜まるチャンバを形成する隔壁と、
前記隔壁に設けられ、かつ、前記チャンバ内で流動する土砂によって前記カッタヘッドの回転方向に弾性変形して信号を出力する曲げセンサと、
前記曲げセンサの信号を処理して前記チャンバ内の土砂の流動状態を判断する判断部と、
を有し、
前記判断部は、前記曲げセンサの曲げ量及び曲げ速度に基づいて前記土砂の流動状態を判断する、シールド掘進機。
請求項１に記載のシールド掘進機において、
前記判断部は、前記曲げセンサの曲げ量から前記土砂のせん断応力を推定し、かつ、前記曲げセンサの曲げ速度の傾きから前記土砂のせん断速度を推定し、更に、前記土砂のせん断応力及びせん断速度に基づいて前記土砂の流動状態を判断する、シールド掘進機。
請求項１または２に記載のシールド掘進機において、
前記土砂の流動状態と目標の流動状態とを比較し、かつ、前記土砂の流動状態を目標の流動状態に近づける条件を求める管理部を備えている、シールド掘進機。
請求項３に記載のシールド掘進機において、
前記チャンバ内の土砂に添加材を供給して、前記土砂の流動状態を調整する添加材供給機構を備え、
前記管理部が求める条件は、前記チャンバ内の土砂に供給される添加材の量である、シールド掘進機。
請求項３または４に記載のシールド掘進機において、
前記シールド本体の移動速度を調整して、前記土砂の流動状態を調整する推進機構を備え、
前記管理部が求める条件は、前記シールド本体の移動速度である、シールド掘進機。
請求項３〜５のいずれか１項に記載のシールド掘進機において、
前記管理部が求めた条件に基づいて、前記チャンバ内の土砂の流動状態を調整する調整部を備えている、シールド掘進機。