JP7145574B1 - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド掘進機のビットに装着されるセンサの損傷および劣化を防止することができる。【解決手段】泥土圧シールド掘進機１のカッタヘッド２の裏面には、掘削土砂の温度を測定するための温度センサ２０ａ～２０ｄが、そのセンサ本体部Ｓ１をカッタヘッド２の前面のビット４ｂに形成された孔Ｈｓ内に挿入させた状態で設置されている。温度センサ２０ａ～２０ｄは、そのセンサ本体部Ｓ１以外の部分を収容するケース５０ｋを、カッタヘッド２とその裏面の固定板５０ｐに穿孔された貫通孔５０ｈ１、５０ｈ２に挿入させて着脱自在の状態でカッタヘッド２に固定されている。ビット４ｂの交換時には温度センサ２０ａ～２０ｄを取り外しておくことにより、ビット４ｂの交換時に生じる温度センサ２０ａ～２０ｄの損傷および劣化を防止できる。【選択図】図１１

Description

本発明は、シールド掘進機に関し、例えば、シールド掘進機による掘削中の各種状況をリアルタイムに把握するセンサの構造に関するものである。

シールド掘進機は、その前面に設けられたカッタ盤を地山の切羽に押し当てて回転させながら前進することにより地山に掘削坑を形成する掘削機器である。このシールド掘進機においては、掘削中の各種状況をリアルタイムに把握するため、温度センサ等のような各種センサをカッタビットの近傍に装備していることがある。

このようなシールド掘進機のセンサ構造については、例えば、特許文献１に記載があり、カッタビットに設けられた凹部（有底の孔）内に温度センサを仕込むことにより、掘削中の土砂温度をより高い精度で把握するとともに、その土砂温度の情報に基づいて掘削土砂に注入する添加材の注入条件を制御する技術が開示されている。

特開２０１５－２１３４０号公報

ところが、上記したシールド掘進機においては、上記センサが固定されているので、カッタビットの交換時にカッタビットとセンサとが干渉（接触）してセンサに損傷を与えてしまう場合がある。また、カッタビットを溶接または溶断するときに高温になるためセンサを劣化させてしまう場合がある。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、シールド掘進機のカッタビットに装着されるセンサの損傷および劣化を防止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、機器本体の周方向に沿って回転自在の状態で前記機器本体の進行方向の前面に支持されたカッタ盤と、前記カッタ盤に設けられた複数個のカッタビットと、前記複数個のカッタビットのうちの前記カッタ盤のスポーク部に設置された第１のカッタビットにおける前記カッタ盤に対向した底面に開口して形成された凹部に、円柱棒状のセンサ本体部の外周および先端が非接触の状態で設けられた温度センサと、前記温度センサを前記カッタ盤に着脱自在の状態で固定する固定構造体と、を備え、前記固定構造体は、表面に前記第１のカッタビットが取り付けられた前記カッタ盤に穿孔されて前記凹部と連通する第１の貫通孔と、前記カッタ盤の裏面側に設置された固定板と、前記固定板を着脱自在の状態で前記カッタ盤に固定するボルトと、前記固定板に穿孔されて前記第１の貫通孔と連通する第２の貫通孔と、前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔内に挿入された筐体とを有し、前記筐体は、前記センサ本体部の後端に設置された引出部を取り囲むように収容する筒状体と、前記筒状体の前記第１のカッタビット側である先端に設けられ、前記センサ本体部を前記凹部に突出した状態で保持する保持部と、前記筒状体の後端側に設けられた蓋部とを有し、前記保持部の内周と前記引出部の外周との螺合部はテーパをつけたネジ構造とされるとともに、前記保持部の外周と前記筒状体の内周との螺合部はテーパをつけたネジ構造とされ、前記保持部と前記センサ本体部との間には第１の封止部材が、前記保持部と前記筒状体との間には第２の封止部材が、前記筒状体と前記第２の貫通孔と間には第３の封止部材が、それぞれ設けられている、ことを特徴とする。

本発明によれば、シールド掘進機のカッタビットに装着されるセンサの損傷および劣化を防止することが可能となる。

本発明の一実施の形態であ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。 （ａ）は図５のカッタヘッドの外周側に設けられた温度センサの拡大断面図、（ｂ）は図６（ａ）の温度センサの平面図である。 （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７（ａ）のＩＩ－ＩＩ線の断面図図である。 図５のカッタヘッドの前面において温度センサが配置されたビットとその周辺の要部平面図である。 図８のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。 図８のＩＶ－ＩＶ線の断面図である。 図１０の破線で囲んだ部分の拡大断面図である。 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を切羽と機器本体３との間の室内に充満させ、これに添加材を注入して混錬することにより土砂を塑性流動性（自由に変形および移動できる性質）および止水性の高い泥土にし、その土圧により切羽の安定性を図りながら掘削坑を構築する掘削機器である。

特に限定されるものではないが、泥土圧シールド掘進機１の掘削外径は、例えば５９００ｍｍ程度、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、その後方の後続台車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の全体の動作が制御される。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おり、表示部Ｄには、制御部Ｃから送られた各種情報が表示される。

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、円盤状のスポーク型が採用されている。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孔２ｅとを備えている。このように本実施の形態においては、カッタヘッド２の一例として開口率の大きなスポーク型を採用することにより、カッタヘッド２と機器本体３との間の室内に礫を極力割らずに取り込むことができる。

カッタヘッド２の掘削面には、複数のカッタビット（以下、単にビットという）４ａ～４ｄが設置されている。カッタヘッド２の中央のハブ部２ａには、センタービットと称するビット４ａが設置されている。また、各スポーク部２ｂには、複数のビット（第１のカッタビット）４ｂが規則的に並んで設置されている。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設置される場合もある。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設置される場合もある。

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、コピービットと称する２個のビット４ｄが対極となるように設置されている。このビット４ｄは、急曲線施工時の余掘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。

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よいし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いてもよい。

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孔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、貫通孔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孔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。

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外装体である。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との間の空間）が上記チャンバ６となっている。また、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よいし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いてもよい。

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よいし、ベントナイト系の添加材と気泡材との両方を用いてもよい。

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としては、例えば、リボン式のスクリューコンベアが使用されている。すなわち、スクリューコンベア１０の管内には回転軸を持たない螺旋状のブレード１０ｃが回転自在の状態で設置されている。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な礫等をも搬送することができる。これにより、本実施の形態においては、スクリューコンベア１０によって巨礫を排出することができるので、カッタヘッド２と機器本体３との間のチャンバ６内に、巨礫を極力割らずに取り込むことができる。なお、特に限定されるものではないが、スクリューコンベアの外径は、例えば、８５０ｍｍ程度である。

このようなスクリューコンベア１０の後方の排出端部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によって排出端部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。なお、特に限定されるものではないが、排土管の外径は、例えば、６００ｍｍ程度、長さは、例えば、３０ｍ程度である。

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によって電気信号に変換するセンサ部であり、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。これにより、本実施の形態においては、土圧検出部１１によって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によって切羽の安定性を図りながら掘削処理を進めることができる。

このような本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１は、特に、巨礫（特に限定されるものではないが、例えば、直径が６００ｍｍ程度）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することもできる。

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（ａ）は図５のカッタヘッドの外周側に設けられた温度センサの拡大断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の温度センサの平面図、図７（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７（ｂ）は図７（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センサ（センサ）２０ａ～２０ｅが配置されている。

各温度センサ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は正面図であるが図面を見易くするため温度センサ２０ａ～２０ｅの配置領域にハッチングを付した。

カッタヘッド２の正面内の温度センサ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。各温度センサ２０ａ～２０ｄは、図５に示すように、センサ本体部Ｓ１とこれに電気的に接続された配線Ｌ１とを有しており、そのセンサ本体部Ｓ１をビット４ｂに内包させてカッタヘッド２に着脱自在の状態で固定されている。なお、温度センサ２０ａ～２０ｄを着脱自在の状態で固定するための構造例については後述する。

一方、カッタヘッド２の外周面内の温度センサ２０ｅは、図５および図６に示すように、センサ本体部Ｓ２とこれに電気的に接続された配線Ｌ２とを有している。温度センサ２０ｅのセンサ本体部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着脱自在の状態で設置されている。

このような温度センサ２０ａ～２０ｅのセンサ本体部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、本実施の形態においては、土砂温度が、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。そして、制御部Ｃにおいては、温度センサ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、図３に示すように、本実施の形態の泥土圧シールド掘進機１においては、複数の添加材注入部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７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７（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。

次に、本実施の形態のシールド掘進機１のビット４ｂ、温度センサ２０ａ～２０ｄおよび温度センサ２０ａ～２０ｄを着脱自在にするための構造例について図８～図１１を参照して説明する。図８は図５のカッタヘッドの前面において温度センサが配置されたビットとその周辺の要部平面図、図９は図８のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図、図１０は図８のＩＶ－ＩＶ線の断面図、図１１は図１０の破線で囲んだ部分の拡大断面図である。なお、各温度センサ２０ａ～２０ｄの構造は同じなので、代表として温度センサ２０ａを示して説明する。また、図９および図１０は断面図であるが図面を見易くするためハッチングを省略している。

まず、図８～図１０に示すように、ビット４ｂは、例えば、直方板状に形成されており、ビット４ｂの刃先側に設けられた複数個の超硬チップ４ｂｃと、基台部４ｂｓとを有している。図８および図９に示すように、超硬チップ４ｂｃは、例えば、タングステンカーバイトとコバルトとの合金からなり、基台部４ｂｓの長手方向に沿って互いに距離を隔てた状態で並設されている。

図８～図１０に示すように、ビット４ｂの基台部４ｂｓは、例えば、ＳＳ４００、Ｓ２５ＣまたはＳＫＣ２４等のような鋼材からなり、刃先側の超硬チップ４ｂｃを切羽側に向けた状態でカッタヘッド２に溶接されている。ただし、ビット４ｂは溶接されている場合に限定されるものではなく、例えば、ボルト等により着脱自在の状態で装着されている場合もある。

また、図８～図１１に示すように、ビット４ｂの基台部４ｂｓにおいてカッタヘッド２に対向する面（ビット取付面）内の中央には、有底の孔（凹部）Ｈｓが形成されている。この孔Ｈｓは、例えば、平面視で円形状に形成されており、基台部４ｂｓのビット取付面から超硬チップ４ｂｃに向かって延び、超硬チップ４ｂｃに達することなくビット４ｂの高さ途中で終端するように形成されている。特に限定されるものではないが、孔Ｈｓの直径は、例えば、１０ｍｍ程度である。

次に、図８～図１１に示すように、温度センサ２０ａは、センサ本体部Ｓ１と、その後端の引出部ＬＤと、配線Ｌ１とを有している。温度センサ２０ａのセンサ本体部Ｓ１は、例えば、円柱棒状に形成されており、その後端の引出部ＬＤを介して配線Ｌ１と電気的に接続されている。特に限定されるものではないが、センサ本体部Ｓ１の直径は、上記した孔Ｈｓの直径より小さく、例えば、直径４ｍｍ程度である。

この温度センサ２０ａのセンサ本体部Ｓ１は、ビット４ｂの孔Ｈｓ内に挿入されている。センサ本体部Ｓ１のうち、孔Ｈｓに挿入されている部分の長さは、例えば、３９ｍｍ程度である。なお、センサ本体部Ｓ１の外周は孔Ｈｓの内周から離れている。また、孔Ｈｓの深さは、センサ本体部Ｓ１の先端部の位置よりも深くなるように形成されており、センサ本体部Ｓ１の先端部は孔Ｈｓの底部から離れている。

そして、本実施の形態のシールド掘進機１においては、各温度センサ２０ａ～２０ｄ（図４および図５参照）を着脱自在の状態で固定するための固定構造体５０を備えている。図８～図１１に示すように、固定構造体５０は、ケース（筐体）５０ｋと、カッタヘッド２に穿孔された貫通孔（第１の貫通孔）５０ｈ１と、カッタヘッド２の裏面側に設置された固定板５０ｐと、固定板５０ｐを着脱自在の状態で固定するボルト５０ｂと、固定板５０ｐに穿孔された貫通孔（第２の貫通孔）５０ｈ２とを有している。

図９～図１１に示すように、固定構造体５０を構成するケース５０ｋは、温度センサ２０ａのセンサ本体部Ｓ１以外の部分を密閉した状態で収容する筐体であり、筒状体５０ｋｒと、筒状体５０ｋｒの先端側（カッタヘッド２に対向する側）に設けられたホルダ部（保持部）５０ｋｈと、筒状体５０ｋｒの後端側に設けられた蓋部５０ｋｃとを有している。

筒状体５０ｋｒは、例えば、鉄などの金属によって構成されており、温度センサ２０ａのセンサ本体部Ｓ１より後端部分を取り囲むように、例えば、円筒状に形成されている。特に限定されるものではないが、筒状体５０ｋｒの外径は、例えば、４０ｍｍ程度である。

ホルダ部５０ｋｈは、温度センサ２０ａを保持し支える部分であり、例えば、ステンレス、鉄等の金属によって構成されている。ホルダ部５０ｋｈは、温度センサ２０ａのセンサ本体部Ｓ１と引出部ＬＤとの境界部を取り囲んだ状態で引出部ＬＤに着脱自在の状態で装着されているとともに、筒状体５０ｋｒの先端側の開口部を塞ぐように着脱自在の状態で装着されている。

ホルダ部５０ｋｈの内周は、温度センサ２０ａの引出部ＬＤの先端側外周とテーパネジ構造により螺合されている。例えば、ホルダ部５０ｋｈの内周傾斜面に雌ネジが形成され、引出部ＬＤの先端側の外周傾斜面に雄ネジが形成されている。また、ホルダ部５０ｋｈの外周は、筒状体５０ｋｒの先端側内周とテーパネジ構造により螺合されている。例えば、ホルダ部５０ｋｈの外周傾斜面に雄ネジが形成され、筒状体５０ｋｒの先端側の内周傾斜面に雌ネジが形成されている。このようにホルダ部５０ｋｈを温度センサ２０ａ（引出部ＬＤ）および筒状体５０ｋｒに対してテーパネジ構造によって螺合したことにより、温度センサ２０ａ～２０ｄの設置位置における止水性を向上させることができるので、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

また、ホルダ部５０ｋｈと温度センサ２０ａとの螺合部には図示しない封止用テープ（第１の封止部材）が装着されている。また、ホルダ部５０ｋｈと筒状体５０ｋｒとの螺合部には図示しない封止用テープ（第２の封止部材）が装着されている。さらに、筒状体５０ｋｒの外周と固定板５０ｐの貫通孔５０ｈ２の内周との間にはＯリング（オーリング：第３の封止部材）５０ｒが設けられている。これらにより、温度センサ２０ａ～２０ｄの設置位置における止水性をさらに向上させることができるので、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

蓋部５０ｋｃは、例えば、鉄などの金属によって構成されており、筒状体５０ｋｒの後端側の開口部を塞ぐように筒状体５０ｋｒの後端面に接合されている。蓋部５０ｋｃの外径は筒状体５０ｋｒの外径より大径に形成されており、蓋部５０ｋｃの外周は筒状体５０ｋｒの外周から外方に張り出している。なお、蓋部５０ｋｃの平面内中央には、蓋部５０ｋｃの厚さ方向の表裏面を貫通する貫通孔（図示せず）が穿孔されており、その貫通孔を通じて配線Ｌ１をケース５０ｋの外部に引き出せるようになっている。この貫通孔にも封止部材等が装着されている。これにより、温度センサ２０ａ～２０ｄの設置位置における止水性をさらに向上させることができるので、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

次に、図８～図１１に示すように、固定構造体５０を構成する貫通孔５０ｈ１は、温度センサ２０ａの設置位置においてカッタヘッド２の厚さ方向の表裏面を貫通するように穿孔されている。貫通孔５０ｈ１は平面視で円形状に形成されており、その直径はケース５０ｋを挿入できる程度の大きさに形成されている。

また、図９～図１１に示すように、固定構造体５０を構成する固定板５０ｐは、例えば、鉄などの金属によって構成されており、温度センサ２０ａの設置位置においてカッタヘッド２の裏面に着脱自在の状態で設置されている。固定板５０ｐは、平面視で長方形状に形成された平板で構成されている。なお、固定板５０ｐの四辺外周には図示しない封止用シールが装着されている。これにより、温度センサ２０ａ～２０ｄの設置位置における止水性をさらに向上させることができるので、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

また、図９に示すように、固定板５０ｐに対向するカッタヘッド２の裏面において貫通孔５０ｈ１の外周近傍には、固定板５０ｐに向かって突出する凸部２ｐが形成されている。また、カッタヘッド２に対向する固定板５０ｐの対向面において貫通孔５０ｈ２の外周近傍（すなわち、カッタヘッド２の裏面の凸部２ｐの対向位置）には凹部５０ｐｄが形成されている。そして、固定板５０ｐは、カッタヘッド２の裏面の凸部２ｐと固定板５０ｐの凹部５０ｐｄとが嵌合した状態で設置されている。すなわち、カッタヘッド２と固定板５０ｐとの対向面において、貫通孔５０ｈ１，５０ｈ２近傍の面と、貫通孔５０ｈ１，５０ｈ２から離れた箇所の面とで高さ方向（固定板５０ｐの厚さ方向）に段差を設けている。これにより、カッタヘッド２と固定板５０ｐとを平坦面同士で重ねた場合に比べて、温度センサ２０ａ～２０ｄの設置位置における止水性を向上させることができるので、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

図８および図１０に示すように、固定板５０ｐにおいて、長手方向の両端近傍には、複数個のボルト５０ｂが螺合されている。ボルト５０ｂは、固定板５０ｐを着脱自在の状態で固定するための締結部材であり、カッタヘッド２の前面からカッタヘッド２を介して固定板５０ｐに螺合されている。このボルト５０ｂにより固定板５０ｐは着脱自在の状態で固定されている。

次に、図８～図１１に示すように、固定構造体５０を構成する貫通孔５０ｈ２は、固定板５０ｐの平面内のほぼ中央、すなわち、カッタヘッド２の貫通孔５０ｈ１と同じ面内位置に穿孔されている。貫通孔５０ｈ２は平面視で貫通孔５０ｈ１と同じ円形状に形成されており、その直径は貫通孔５０ｈ１と同じ寸法に形成されている。

このような本実施の形態においては、上記した固定構造体５０によって温度センサ２０ａ～２０ｄ（図４および図５参照）を着脱することが可能になっている。すなわち、温度センサ２０ａ～２０ｄは、貫通孔５０ｈ１，５０ｈ２にケース５０ｋを挿入させた状態で固定されているとともに、ボルト５０ｂを緩めて固定板５０ｐを取り外してケース５０ｋを貫通孔５０ｈ１から引き抜くことによりカッタヘッド２から取り外せるようになっている。なお、ケース５０ｋの後端の蓋部５０ｋｃの外周部が固定板５０ｐの貫通孔５０ｈ２より大きく外方に張り出しているので、固定板５０ｐを取り外すと固定板５０ｐとともにケース５０ｋを貫通孔５０ｈ１から引き出すことができ、ケース５０ｋとともに温度センサ２０ａ～２０ｄをカッタヘッド２から取り外せるようになっている。

ここで、温度センサ２０ａ～２０ｄを着脱することができない場合、ビット４ｂの交換時にビット４ｂと温度センサ２０ａ～２０ｄのセンサ本体部Ｓ１とが干渉（接触）して温度センサ２０ａ～２０ｄの細いセンサ本体部Ｓ１が曲がってしまう等、センサ本体部Ｓ１に損傷を与えてしまう場合がある。また、ビット４ｂを溶接または溶断するときに高温になるため温度センサ２０ａ～２０ｄを劣化させてしまう場合がある。これに対して本実施の形態においては、ビット４ｂの交換に際して、温度センサ２０ａ～２０ｄを取り外した後にビット４ｂを取り外し、ビット４ｂを取り付けた後に温度センサ２０ａ～２０ｄを取り付ける。これにより、ビット４ｂの交換時にビット４ｂが温度センサ２０ａ～２０ｄに干渉（接触）するのを防止することができるので、温度センサ２０ａ～２０ｄの損傷を防止することができる。また、溶接または溶断によりビット４ｂを交換する場合においても溶接および溶断時の熱に起因する温度センサ２０ａ～２０ｄの劣化を防止することができる。

また、温度センサ２０ａ～２０ｄを着脱自在とすると温度センサ２０ａ～２０ｄの設置箇所における止水性の低下が課題となる。これに対して本実施の形態においては、各温度センサ２０ａ～２０ｄの各部において上記した封止構造を取り入れたことにより、温度センサ２０ａ～２０ｄを着脱自在としても温度センサ２０ａ～２０ｄの設置箇所における止水性を向上させることができ、泥土圧シールド掘進機１内への漏水を抑制または防止することができる。

次に、図１２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。

次に、図１３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よい。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したりする。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により自動的に制御されるようになっている。図１３においては、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の一例について説明する。

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坑を構築する。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１３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１２参照）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１３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よい。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１３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、自動でもよいし、オペレータが表示部Ｄ（図１参照）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（図１２参照））に指示を出すようにしてもよい。また、添加材の注入条件の調整は、掘進動作中に行ってもよいし、掘進動作の停止後に行ってもよい。

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。また、泥土の適切な流動状態を維持することができるので、カッタトルク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、巨礫を含む地盤であっても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。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。

前記実施の形態においては、ビットに内包され着脱自在とされるセンサとして温度センサを例示したが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、ビットに内包され着脱自在とされるセンサとして加速度センサを例示することもできる。

また、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よい。

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できる。

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 貫通孔
２ｆ 制限突起
２ｐ 凸部
３ 機器本体
４ａ～４ｃ ビット
４ｂｓ 基台部
４ｂｃ 超硬チップ
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 温度センサ（温度計）
２１ 分配器
２２ 貫通穴
２４ ポンプ
２５ バルブ
５０ 固定構造体
５０ｋ ケース
５０ｋｈ ホルダ部（保持部）
５０ｋｒ 筒状体
５０ｋｃ 蓋部
５０ｐ 固定板
５０ｐｄ 凹部
５０ｈ１，５０ｈ２ 貫通孔
５０ｂ ボルト
５０ｒ Ｏリング
Ｃ 制御部
Ｄ 表示部
Ｓ１，Ｓ２ センサ本体部
Ｌ１，Ｌ２ 配線
ＬＤ 引出部
Ｈｓ 孔
Ｔ サイクルタイム
Ｔａ 注入時間
Ｔｂ ラップタイム

Claims (1)

1. 機器本体の周方向に沿って回転自在の状態で前記機器本体の進行方向の前面に支持されたカッタ盤と、
   前記カッタ盤に設けられた複数個のカッタビットと、
   前記複数個のカッタビットのうちの前記カッタ盤のスポーク部に設置された第１のカッタビットにおける前記カッタ盤に対向した底面に開口して形成された凹部に、円柱棒状のセンサ本体部の外周および先端が非接触の状態で設けられた温度センサと、
   前記温度センサを前記カッタ盤に着脱自在の状態で固定する固定構造体と、
   を備え、
   前記固定構造体は、表面に前記第１のカッタビットが取り付けられた前記カッタ盤に穿孔されて前記凹部と連通する第１の貫通孔と、前記カッタ盤の裏面側に設置された固定板と、前記固定板を着脱自在の状態で前記カッタ盤に固定するボルトと、前記固定板に穿孔されて前記第１の貫通孔と連通する第２の貫通孔と、前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔内に挿入された筐体とを有し、
   前記筐体は、前記センサ本体部の後端に設置された引出部を取り囲むように収容する筒状体と、前記筒状体の前記第１のカッタビット側である先端に設けられ、前記センサ本体部を前記凹部に突出した状態で保持する保持部と、前記筒状体の後端側に設けられた蓋部とを有し、
   前記保持部の内周と前記引出部の外周との螺合部はテーパをつけたネジ構造とされるとともに、前記保持部の外周と前記筒状体の内周との螺合部はテーパをつけたネジ構造とされ、
   前記保持部と前記センサ本体部との間には第１の封止部材が、前記保持部と前記筒状体との間には第２の封止部材が、前記筒状体と前記第２の貫通孔と間には第３の封止部材が、それぞれ設けられている、
   ことを特徴とするシールド掘進機。

Images