JP7280122B2 - 塑性流動性評価装置及びこれを備えるシールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、塑性流動性評価装置及びこれを備えるシールド掘進機に関する。

シールド掘進機を用いてシールドトンネルを構築するシールド工法が知られている（特許文献１参照）。特許文献１には、シールド工法において、カッターヘッドの背後のチャンバ内に取り込まれた掘削土砂の土圧を計測し、計測した土圧に基づいてチャンバ内における掘削土砂の塑性流動性を評価する方法が開示されている。掘削土砂の土圧を計測する土圧計は、チャンバを画成する隔壁に設けられる。

特開２０１８－１５４９９８号公報

従来、土圧計は、その受圧面が隔壁と面一か、隔壁の内側に位置するように設置されていた。このため、チャンバ内の土粒子のアーチ効果の影響により、受圧面に作用する圧力が低下し、土圧を精度よく検出することができないおそれがある。土圧を精度よく検出できないと、チャンバ内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することができない。また、土圧計は、一方向（隔壁に直交する方向）に作用する圧力しか検出することができないという問題もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、複数方向の圧力に基づき、チャンバ内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することを目的とする。

本発明は、シールド掘進機のカッターヘッドによって掘削された土砂が溜まるチャンバ内の掘削土砂の塑性流動性を評価するために用いられる塑性流動性評価装置であって、チャンバ内に向かって突出するように設けられ、チャンバ内の圧力を検出する複数の圧力検出装置と、複数の圧力検出装置で検出された結果に基づき、チャンバ内の掘削土砂の塑性流動性を表す情報を演算する演算装置と、を備え、圧力検出装置は、チャンバを画成する隔壁に固定される固定部と、固定部からチャンバ内に向かって突出する突出部と、を有し、突出部は、固定部からシールド掘進機の前後方向であるＺ軸方向に延在する円筒部と、円筒部からＺ軸方向に凸状となるように設けられる半球状の半球部と、を有し、圧力検出装置は、直交する３つのＺ軸、Ｘ軸及びＹ軸に沿った方向の圧力を検出可能な３軸圧力検出装置であって、半球部の頂部に設けられるＺ軸圧力検出部と、円筒部の外周面に設けられるＸ軸圧力検出部と、円筒部の外周面に設けられるＹ軸圧力検出部と、が含まれる。

また、本発明に係るシールド掘進機は、上記塑性流動性評価装置と、カッターヘッドと、カッターヘッドの後方に設けられた隔壁と、を備える。

本発明によれば、複数方向の圧力に基づき、チャンバ内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することができる。

本発明の実施形態に係るシールド掘進機の構成を示す断面模式図である。 チャンバを画成する隔壁をカッターヘッド側から見た正面図である。 塑性流動性評価装置の構成を示す機能ブロック図である。 圧力検出装置の正面図である。 圧力検出装置の側面図である。 本実施形態の比較例に係る圧力検出装置について説明する図である。 所定の圧力検出装置の設置点における、掘削土砂の主応力の方向（流れ方向）及び主応力の大きさの演算方法について説明する図である。 表示装置の表示画面に表示される表示画像の一例について示す図であり、正常に掘削土砂が流れている様子を示す。 表示装置の表示画面に表示される表示画像の一例について示す図であり、チャンバ内において閉塞部が形成されており、掘削土砂の流れが閉塞部によって妨げられている様子を示す。 表示装置の表示画面に表示される表示画像の別の例について示す図である。 表示装置の表示画面に表示される表示画像のさらに別の例について示す図である。 本実施形態の変形例３に係る圧力検出装置の突出部を取り外した状態の正面図である。 本実施形態の変形例３に係る圧力検出装置の側面図である。

図面を参照して、本発明の実施形態に係る塑性流動性評価装置を備えるシールド掘進機について説明する。シールド掘進機は、地山を掘削し、掘削坑の内壁を覆うようにセグメントを組み立てることによってシールドトンネルを構築する装置である。

図１及び図２を参照して、シールド掘進機１０の構成について説明する。図１は、シールド掘進機１０の構成を示す断面模式図であり、図２は、チャンバ１６を画成する隔壁１３をカッターヘッド１２側から見た正面図である。

以下、説明の便宜上、シールド掘進機１０を基準としたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を図示するように定義する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交する。Ｚ軸は、シールド掘進機１０の前後方向に延在する軸であって、シールド掘進機１０の中心軸ＣＬに平行な軸である。Ｘ軸は、シールド掘進機１０の左右方向に延在する軸であり、Ｙ軸は、シールド掘進機１０の上下方向に延在する軸である。また、Ｚ軸に平行な方向をＺ軸方向（前後方向）、Ｘ軸に平行な方向をＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸に平行な方向をＹ軸方向（上下方向）と記す。なお、シールド掘進機１０の後側から前側に向かうＺ軸方向一方を＋Ｚ方向（前方）と記し、その反対方向であるＺ軸方向他方を－Ｚ方向（後方）と記す。また、シールド掘進機１０の右側から左側へ向かうＸ軸方向一方を＋Ｘ方向（左方）と記し、その反対方向であるＸ軸方向他方を－Ｘ方向（右方）と記す。さらに、シールド掘進機１０の下側から上側へ向かうＹ軸方向一方を＋Ｙ方向（上方）と記し、その反対方向であるＹ軸方向他方を－Ｙ方向（下方）と記す。

図１に示すように、シールド掘進機１０は、円筒状の外殻１１と、外殻１１の前端部に配置される地山掘削用のカッターヘッド１２と、カッターヘッド１２の後方に離間して設けられる隔壁１３と、を備える。

隔壁１３には、回転ドラム１４が回転自在に支持されている。回転ドラム１４は、連結軸２１を介してカッターヘッド１２に連結される。このため、カッターヘッド１２は、回転ドラム１４とともに回転する。回転ドラム１４は、減速機構（不図示）を介してモータ１５に連結される。回転ドラム１４がモータ１５によって回転駆動され、カッターヘッド１２が地山１に押し付けられた状態で回転することにより、地山１が掘削される。カッターヘッド１２の外径は、外殻１１の外径と略等しく、地山１は、外殻１１の外径と略等しい内径で掘削される。

カッターヘッド１２が接する掘削坑の端面（切羽）と隔壁１３との間には、これらと外殻１１及び回転ドラム１４とによりチャンバ１６が画成される。カッターヘッド１２により掘削した掘削土砂は、カッターヘッド１２の開口部を通じてチャンバ１６内に取り込まれる。このため、チャンバ１６内では、カッターヘッド１２による掘削で生じた掘削土砂が滞留する。

シールド掘進機１０は、加泥材注入装置１９を備える。加泥材注入装置１９は、加泥材を貯蓄するタンク（不図示）と、タンク内の加泥材をチャンバ１６内に供給するポンプ装置（不図示）と、を備える。隔壁１３には、複数の注入口１８が形成されている。各注入口１８は、配管によりポンプ装置に接続される。ポンプ装置と各注入口１８との間には、ポンプ装置から注入口１８への加泥材の流れを制御する切換弁（不図示）が設けられる。

加泥材は、チャンバ１６内に滞留する土砂を塑性流動状態の泥土とし、その塑性流動性を良好な状態に維持するために用いられる。加泥材としては、粘土、ベントナイト系、高分子系、気泡系等、種々の加泥材を用いることができる。加泥材注入装置１９のポンプ装置は、後述するコントローラ１１０からの制御信号に基づいて駆動され、コントローラ１１０によって設定された回転速度で回転する。加泥材注入装置１９の切換弁は、コントローラ１１０からの制御信号に基づいて駆動され、コントローラ１１０によって選択された注入口１８とポンプ装置とを連通する。

図２に示すように、注入口１８は、隔壁１３に複数設けられる。注入口１８は、隔壁１３の周方向に沿って等間隔（本実施形態では９０度間隔）で配置される。本実施形態では、シールド掘進機１０の左右中央であってシールド掘進機１０の中心軸ＣＬよりも上側に位置する上部注入口１８ａと、シールド掘進機１０の左右中央であってシールド掘進機１０の中心軸ＣＬよりも下側に位置する下部注入口１８ｂと、シールド掘進機１０の上下中央であってシールド掘進機１０の中心軸ＣＬよりも左側（図示右側）に位置する左部注入口１８ｃと、シールド掘進機１０の上下中央であってシールド掘進機１０の中心軸ＣＬよりも右側（図示左側）に位置する右部注入口１８ｄと、が隔壁１３に設けられる。

図１に示すように、加泥材注入装置１９によってチャンバ１６内に加泥材が注入され、カッターヘッド１２に設けられる攪拌翼（不図示）と隔壁１３に設けられる固定翼（不図示）とにより土砂と加泥材とが攪拌混合されると、チャンバ１６内の土砂が塑性流動性を有する泥土となる。

シールド掘進機１０は、チャンバ１６内の泥土を搬出するスクリューコンベヤ１７を備えている。スクリューコンベヤ１７は、円筒状のケースの内部に組み込まれるオーガを回転させることにより、チャンバ１６内の掘削土砂を隔壁１３の後方に搬出する。

シールド掘進機１０は、泥土（掘削土砂）をチャンバ１６内とチャンバ１６から後方に延びるスクリューコンベヤ１７内に充満させ、この状態を維持しながら掘削を行う。シールド掘進機１０は、シールドジャッキ（不図示）の推力によりチャンバ１６内の泥土（掘削土砂）に泥土圧を発生させて、掘削坑の端面（切羽）に作用させる。泥土（掘削土砂）の泥土圧を掘削坑の端面（切羽）に作用させることにより、掘削坑の端面（切羽）の土圧と地下水圧に対抗して、掘削坑の端面（切羽）を安定化させることができる。シールド掘進機１０は、推進量と排土量のバランスを図りながら地山１を掘進を行う。

スクリューコンベヤ１７による掘削土砂の排出を適切に行うことができないと、推進量と排土量のバランスが崩れるなどして、閉塞や噴発といった現象が生じ、地山１の掘進作業に影響が生じる。スクリューコンベヤ１７による掘削土砂の排出を適切に行うためには、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を良好な状態に保つことが重要である。このため、作業者は、塑性流動性評価装置１００により得られる情報に基づき、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を評価し、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性が良好な状態に維持されるように、加泥材の注入条件を設定する。

図３は、塑性流動性評価装置１００の構成を示す機能ブロック図である。なお、本実施形態では、圧力検出装置１２０が複数設けられるが、図３では、１つの圧力検出装置１２０を代表して図示している。

塑性流動性評価装置１００は、シールド掘進機１０のカッターヘッド１２によって掘削された土砂が溜まるチャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を評価するために用いられる。図３に示すように、塑性流動性評価装置１００は、チャンバ１６内の圧力を検出する複数（本実施形態では８つ）の圧力検出装置１２０と、複数の圧力検出装置１２０で検出された結果に基づき、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を表す情報を演算する演算装置としてのコントローラ１１０と、コントローラ１１０からの制御信号に応じた表示画像を表示画面に表示する表示装置１３０と、操作者による操作に応じた入力信号をコントローラ１１０に出力する入力装置１４０と、を備える。

入力装置１４０は、マウス、キーボード、タッチパネル等である。表示装置１３０は、液晶パネル等によって構成される表示画面を有し、コントローラ１１０から出力される制御信号に基づき、表示画面に所定の画像を表示させる。

図１に示すように、圧力検出装置１２０は、隔壁１３からチャンバ１６内に向かって突出するように設けられる。図４Ａ及び図４Ｂを参照して、圧力検出装置１２０の構成を具体的に説明する。図４Ａは、圧力検出装置１２０の正面図であり、図４Ｂは、圧力検出装置１２０の側面図である。なお、図４Ｂでは、隔壁１３を二点鎖線で示している。圧力検出装置１２０は、隔壁１３に固定される固定部１２１と、固定部１２１からチャンバ１６内に向かって突出する突出部１２２と、突出部１２２に設けられる複数の圧力検出部１２３と、を有する。

固定部１２１は、隔壁１３の裏面に当接するフランジ１２１ａと、隔壁１３の孔に挿通される円筒状の挿通部１２１ｂと、を有する。フランジ１２１ａは、ボルト等の締結部材により隔壁１３に締結される。突出部１２２は、固定部１２１からＺ軸方向に延在する円筒部１２２ａと、円筒部１２２ａからＺ軸方向に凸状となるように設けられる中空半球状の半球部１２２ｂと、を有する。突出部１２２は、複数の圧力検出部１２３を保持する中空状の保持部材である。

複数の圧力検出部１２３には、突出部１２２の頂部（先端部）に設けられるＺ軸圧力検出部１２３ｚと、円筒部１２２ａの外周面に設けられる左右一対のＸ軸圧力検出部１２３ｘと、上下一対のＹ軸圧力検出部１２３ｙと、が含まれる。圧力検出部１２３には、例えば、ロードセルが採用される。

Ｚ軸圧力検出部１２３ｚは、シールド掘進機１０の軸方向に沿って延在するＺ軸に直交する受圧面を有し、Ｚ軸方向の圧力を検出する。Ｘ軸圧力検出部１２３ｘは、シールド掘進機１０の径方向に沿って延在するＸ軸に直交する受圧面を有し、Ｘ軸方向の圧力を検出する。Ｙ軸圧力検出部１２３ｙは、シールド掘進機１０の径方向に沿って延在するＹ軸に直交する受圧面を有し、Ｙ軸方向の圧力を検出する。

このように、複数の圧力検出装置１２０は、それぞれ複数の方向に作用する圧力を検出可能である。本実施形態に係る圧力検出装置１２０は、突出部１２２の突出方向の軸（Ｚ軸）を含むそれぞれ直交する３つの軸（Ｚ軸、Ｘ軸及びＹ軸）に沿った方向の圧力を検出可能な３軸圧力検出装置である。

本実施形態では、圧力検出装置１２０がチャンバ１６内に向かって突出するように設けられている。このような構成により得られる作用効果を図５に示す比較例と比較して説明する。図５は、本実施形態の比較例に係る圧力検出装置９２０について説明する図である。図中、土粒子９２９を模式的に大きな円で示す。図５に示す比較例に係る圧力検出装置９２０は、カッターヘッド１２の回転に伴って塑性流動する掘削土砂の動圧の影響を受けないように、その受圧面９２０ａが隔壁１３の内側に位置するように設置されている。このように、比較例では受圧面９２０ａが隔壁１３の内側に位置しているので、チャンバ１６内の土粒子９２９により受圧面９２０ａを跨ぐようにアーチ部が形成される場合がある。この場合、アーチ効果によってアーチ部に作用する応力のほとんどをアーチ部の土粒子で負担することから、アーチ部の内側の土粒子に応力が伝達されなくなり、受圧面９２０ａに作用する圧力が低下し、圧力を精度よく検出することができない。その結果、チャンバ１６内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することができないおそれがある。なお、受圧面９２０ａが隔壁１３の内面（チャンバ１６側の面）と面一となるように圧力検出装置９２０が設置される場合も同様の問題が生じる。

これに対して、本実施形態に係る圧力検出装置１２０は、図４Ｂに示すように、隔壁１３からチャンバ１６内に向かって突出するように設けられている。圧力検出装置１２０が、掘削土砂の流れの中に配置されるため、圧力検出部１２３の受圧面を跨ぐようにアーチ部が形成されにくい。したがって、本実施形態では、アーチ効果に起因して検出圧力値が低くなってしまうことが防止される。このため、圧力検出部１２３で検出された圧力に基づき、チャンバ１６内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することができる。塑性流動性の評価方法の詳細については後述する。

図２では、圧力検出装置１２０の設置位置の一例を示している。図２に示すように、複数の圧力検出装置１２０は、隔壁１３に分散して設置される。圧力検出装置１２０は、シールド掘進機１０の中心軸（カッターヘッド１２の回転中心軸）ＣＬを中心とする直径Ｄ１の仮想的な円Ｃ１を４等分する位置と、シールド掘進機１０の中心軸ＣＬを中心とする直径Ｄ２の仮想的な円Ｃ２を４等分する位置と、に設置される。円Ｃ１の直径Ｄ１は、円Ｃ２の直径Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。

また、円Ｃ１上に位置する圧力検出装置１２０と、円Ｃ２上に位置する圧力検出装置１２０とは、中心軸ＣＬ周りに４５度間隔で交互に配置されている。なお、圧力検出装置１２０の設置位置、設置数は、図２に示す例に限られない。

図３に示すコントローラ１１０は、動作回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部としてのＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）並びに入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）、その他の周辺回路を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１１０は、複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ１１０の記憶部には、スクリューコンベヤ１７の回転速度やスクリューコンベヤ１７の出口部であるゲートの開度を制御するためのプログラム、及び、チャンバ１６内の掘削土砂の状態を推定するためのプログラムが格納されている。すなわち、コントローラ１１０の記憶部は、本実施形態の機能を実現するプログラムを読み取り可能な記憶媒体である。なお、動作回路としては、ＣＰＵに代えてまたはＣＰＵとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

コントローラ１１０は、各圧力検出装置１２０のＺ軸圧力検出部１２３ｚで検出された結果に基づき、スクリューコンベヤ１７の回転速度やスクリューコンベヤ１７のゲートの開度を制御するコンベヤ制御部１１５を備える。Ｚ軸圧力検出部１２３ｚは、Ｚ軸に直交する受圧面を有するため、カッターヘッド１２の回転に伴って塑性流動する掘削土砂の動圧の影響を受けにくい。コンベヤ制御部１１５は、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚで検出された圧力が、予め定められた所定の範囲内で維持されるように、スクリューコンベヤ１７の回転速度やスクリューコンベヤ１７のゲートの開度を制御することにより、チャンバ１６からスクリューコンベヤ１７を介して排出される掘削土砂の量（排土量）を制御する。具体的には、コンベヤ制御部１１５は、チャンバ１６内のＺ軸方向圧力（泥土圧）が所定の範囲を上回る場合、スクリューコンベヤ１７の回転速度を増加させたりゲートの開度を大きくしたりすることにより土砂搬出を促進し、チャンバ１６内のＺ軸方向圧力（泥土圧）を低下させる。一方、コンベヤ制御部１１５は、チャンバ１６内のＺ軸方向圧力（泥土圧）が所定の範囲を下回る場合、スクリューコンベヤ１７の回転速度を減少させたりゲートの開度を小さくしたりすることにより土砂搬出を抑制し、チャンバ１６内のＺ軸方向圧力（泥土圧）を上昇させる。

コントローラ１１０は、チャンバ１６内の掘削土砂の状態を推定する推定部１１１と、推定部１１１で推定した情報を表示装置１３０に表示させる表示制御部１１３と、をさらに備える。

推定部１１１は、圧力検出装置１２０で検出された結果に基づき、カッターヘッド１２の回転動作中におけるチャンバ１６内の掘削土砂の流れ方向を推定する。また、推定部１１１は、圧力検出装置１２０で検出された結果に基づき、カッターヘッド１２の回転動作中におけるチャンバ１６内の掘削土砂の応力分布を推定する。以下、詳しく説明する。

推定部１１１は、圧力検出装置１２０のそれぞれの圧力検出部１２３からの検出信号に基づいて、各圧力検出装置１２０の設置点（設置位置）における掘削土砂の主応力の大きさ、及び主応力の方向を演算する。なお、本実施形態において、主応力とは、ある面に作用する垂直応力が最大になる面（主面）に作用する垂直応力のことを指す。すなわち、圧力検出装置１２０の設置点における掘削土砂の主応力の方向とは、圧力検出装置１２０の設置点において、掘削土砂に作用する最大応力の方向のことであり、掘削土砂の流れ方向に相当する。

チャンバ１６内では、カッターヘッド１２の回転により、掘削土砂がカッターヘッド１２の回転方向に沿って流れる。上述したように、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙは、シールド掘進機１０の径方向に直交する受圧面を有する。つまり、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙは、掘削土砂の流れの運動エネルギー（動圧）の影響を受けるように配置されている。したがって、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙは、チャンバ１６内を流れる掘削土砂の動圧成分を含む圧力（全圧＝動圧＋静圧）の検出が可能である。このため、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙの検出圧力の大きさに基づき、圧力検出装置１２０の設置点における掘削土砂の主応力の方向（すなわち掘削土砂の流れ方向）を推定することができる。また、全ての圧力検出装置１２０の設置点における主応力の大きさを演算することにより、チャンバ１６内の掘削土砂の応力分布（主応力の分布）を推定することができる。

以下、図６を参照して、所定の圧力検出装置１２０の設置点における、掘削土砂の主応力の方向（流れ方向）及び主応力の大きさの演算方法の具体例について説明する。推定部１１１は、圧力検出装置１２０の一対のＸ軸圧力検出部１２３ｘの検出結果に基づき、Ｘ軸方向に作用する力Ｆｘを演算する。具体的には、推定部１１１は、一対のＸ軸圧力検出部１２３ｘの一方の検出圧力と、他方の検出圧力の差分から力Ｆｘを演算する。推定部１１１は、圧力検出装置１２０の一対のＹ軸圧力検出部１２３ｙの検出結果に基づき、Ｙ軸方向に作用する力Ｆｙを演算する。具体的には、推定部１１１は、一対のＹ軸圧力検出部１２３ｙの一方の検出圧力と、他方の検出圧力の差分から力Ｆｙを演算する。推定部１１１は、力Ｆｘ及び力Ｆｙに基づき、それらの合力（主応力）Ｆの大きさ及び方向を三平方の定理に基づき演算する。

主応力（合力）Ｆの大きさは、次式で表される。

また、主応力（合力）Ｆの方向を表す情報である、主応力（合力）Ｆの作用線とＸ軸のなす角θは、次式で表される。

そして、推定部１１１は、全ての圧力検出装置１２０の設置点における、掘削土砂の主応力Ｆの大きさを演算し、チャンバ１６内の掘削土砂の応力分布（主応力の分布）を推定する。

図７Ａ及び図７Ｂは、表示装置１３０の表示画面に表示される表示画像の一例について示す図である。なお、図７Ｂにおいて、ハッチングで示す領域は、チャンバ１６内において掘削土砂が堆積してなる閉塞部２０を模式的に示しており、表示画像として表示されるものではない。図７Ａは、チャンバ１６内において閉塞部２０が形成されておらず、正常に掘削土砂が流れている様子を示している。図７Ｂは、チャンバ１６内において閉塞部２０が形成されており、掘削土砂の流れが閉塞部２０によって妨げられている様子を示す。

表示制御部１１３は、推定部１１１が推定したチャンバ１６内の掘削土砂の流れ方向（主応力の方向）を表す情報及びチャンバ１６内の掘削土砂の応力分布（主応力の分布）を表す情報を表示装置１３０の表示画面に表示させる。表示制御部１１３は、隔壁１３及び隔壁１３に設けられる圧力検出装置１２０及び注入口１８を表す画像、並びに、円Ｃ１，Ｃ２を表す画像を表示装置１３０の表示画面に表示させる。

表示制御部１１３は、掘削土砂の主応力の方向及び大きさを表す情報として、各圧力検出装置１２０の設置点から延びる矢印の画像を表示装置１３０の表示画面に表示させる。矢印の向きは主応力の方向（流れ方向）を表し、矢印の長さは主応力の大きさを表す。正常時には、図７Ａに示すように、矢印の方向が、円Ｃ１，Ｃ２の接線方向に沿って表示される。これに対して、チャンバ１６内に閉塞部２０が形成されているような異常時には、図７Ｂに示すように、矢印の向きが閉塞部２０を避けるように表示されるとともに、閉塞部２０における主応力の大きさが他の圧力検出装置１２０の設置点における矢印の長さに比べて短い矢印が表示される。したがって、作業者は、矢印の向き及び長さから閉塞部２０の位置を推定することができる。

作業者は、入力装置１４０を操作して、閉塞部２０の近傍の注入口１８（１８ｄ）から注入される加泥材の量を他の注入口１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）から注入される加泥材の量よりも増加させるなど、加泥材の注入条件を設定する。コントローラ１１０は、設定された注入条件に基づいて、閉塞部２０の近傍の注入口１８（１８ｄ）から、他の注入口１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）に比べて多い量の加泥材が注入されるように、ポンプ装置と各注入口１８との間に設けられる切換弁を制御する。

例えば、コントローラ１１０は、閉塞部２０の近傍の注入口１８（１８ｄ）とポンプ装置との連通時間を他の注入口１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）とポンプ装置との連通時間に比べて長くなるように切換弁を制御する。また、コントローラ１１０は、閉塞部２０の近傍の注入口１８（１８ｄ）とポンプ装置との間の切換弁の開口面積が、他の注入口１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）とポンプ装置との間の切換弁の開口面積に比べて大きくなるように切換弁を制御してもよい。これにより、閉塞部２０における土砂の堆積を解消し、チャンバ１６内を正常時の流れ（図７Ａ参照）に改善することができる。

シールド掘進機１０が、水等の流体を洗浄水として噴射可能なジェット噴射清掃装置を備えている場合、閉塞部２０の近傍の噴射口から洗浄水を噴射し、閉塞部２０を崩すようにしてもよい。なお、ジェット噴射清掃装置の噴射口は、隔壁１３、カッターヘッド１２等、チャンバ１６を画成する部材に複数設けられる。

このように、表示装置１３０の表示画面に、チャンバ１６内の掘削土砂の主応力の方向（流れ方向）及び主応力の大きさを表す表示画像が表示されるため、作業者は、掘削土砂の流れが正常であるか否かを容易に判断することができる。閉塞部２０が形成されているような異常時には、閉塞部２０の位置を容易にかつ精度よく把握することができるので、速やかに閉塞部２０を取り除くための作業を適切に行うことができる。その結果、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を適切にかつ容易に維持することができるので、シールド掘進機１０による掘削作業の作業効率を向上することができる。

図８Ａは、表示装置１３０の表示画面に表示される表示画像の別の例について示す図である。表示制御部１１３は、各圧力検出装置１２０の設置点における主応力の大きさを表す数値Ｆ１～Ｆ８を表示装置１３０の表示画面に表示させることができる。なお、表示装置１３０の表示画面に表示される表示画像は、入力装置１４０を操作することにより変更される。数値Ｆ１～Ｆ８は、主応力の大きさそのものの数値としてもよいし、主応力の大きさに応じて設定される指数であってもよい。

このように、表示装置１３０の表示画面に、各圧力検出装置１２０の設置点における主応力の大きさを表す情報（数値Ｆ１～Ｆ８）、すなわちチャンバ１６内の掘削土砂の応力分布（主応力の分布）が表示されるので、作業者は、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性の評価をより容易に行うことができる。

例えば、図８Ａに示すように、閉塞部２０が形成されていない場合であっても、全ての圧力検出装置１２０の設置点における主応力の大きさが一律に低すぎたり、高すぎたりする場合がある。

このため、数値Ｆ１～Ｆ８を表示装置１３０の表示画面に表示させることにより、作業者は、主応力の大きさ（数値Ｆ１～Ｆ８）が所定の範囲内に収まっているかを容易に判断することができる。作業者は、主応力の大きさが、所定範囲の下限値以上かつ上限値未満であるか否かを判断し、主応力の大きさが所定範囲内にある場合は、掘削土砂の塑性流動性は良好であると判断する。なお、作業者は、主応力の大きさが所定範囲外にある場合、加泥材の量が不足または過多であり、掘削土砂の塑性流動性は良好ではないと判断する。所定範囲の下限値は、地下水圧に基づき定めることができ、所定範囲の上限値は、土水圧（土圧＋地下水圧）に基づき定めることができる。

作業者は、数値Ｆ１～Ｆ８の全てが所定範囲の下限値未満である場合、掘削土砂は固体に近い状態であり、加泥材の量が不足していると判断し、各注入口１８からチャンバ１６内に注入する加泥材の量を増加させる操作を行う。また、作業者は、数値Ｆ１～Ｆ８の全てが所定範囲の上限値以上である場合、掘削土砂は液体に近い状態であり加泥材の量が過多であると判断し、各注入口１８からチャンバ１６内に注入する加泥材の量を低下させる操作を行う。なお、加泥材の量を低下させる操作には、加泥材の注入を停止する操作も含まれる。また、数値Ｆ１～Ｆ８のいずれかが所定範囲の下限値未満であり、数値Ｆ１～Ｆ８のいずれかが所定範囲の上限値以上である場合には、作業者は、所定範囲の下限値未満の数値が表示された位置の近傍の注入口１８からチャンバ１６内に注入する加泥材の量を増加させる操作を行うとともに、所定範囲の上限値以上の数値が表示された位置の近傍の注入口１８からチャンバ１６内に注入する加泥材の量を低下させる操作を行う。

このように、作業者は、表示装置１３０の表示画面に表示されるチャンバ１６内の掘削土砂の応力分布を表す画像に基づいて、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動性を良好な状態に保つための加泥材の注入条件を容易に設定することができる。

図８Ｂに示すように、表示制御部１１３は、上述のように、各圧力検出装置１２０の設置点に数値Ｆ１～Ｆ８を表示することに代えて、あるいは数値Ｆ１～Ｆ８とともに、推定した応力分布を表す情報として、主応力の大きさに応じて色分けされたコンター図を表示装置１３０の表示画面に表示させるようにしてもよい。また、主応力の大きさに応じて濃淡、明るさ等を調整して表示するようにしてもよい。各圧力検出装置１２０間の主応力の大きさは、周知の補間方法により演算される。なお、圧力検出装置１２０の数を増加させることにより、より精度の高いコンター図の表示が可能となる。

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

（１）複数の方向に作用する圧力を検出可能な圧力検出装置１２０がチャンバ１６内に向かって突出するように設けられている。このため、アーチ効果に起因して検出圧力値が低くなってしまうことが防止される。その結果、複数方向の圧力に基づき、チャンバ１６内における掘削土砂の塑性流動性を精度よく評価することができる。

（２）圧力検出装置１２０は、複数の方向に作用する圧力を検出可能である。このため、圧力検出装置１２０で検出された結果に基づき、チャンバ１６内の掘削土砂の主応力の方向、すなわち掘削土砂の流れ方向を推定することができる。本実施形態では、コントローラ１１０が推定した掘削土砂の流れ方向を表す情報（矢印）が、表示装置１３０の表示画面に表示される。このため、作業者は、チャンバ１６内に閉塞部２０が形成されているか否かを容易に判断することができ、さらに、閉塞部２０が形成されている場合にはその位置を容易にかつ精度よく把握することができる。この場合、作業者は、加泥材の注入条件（注入量、注入時期、注入位置等）を設定するなどして、速やかに閉塞部２０を取り除くための作業を適切に行うことができる。

（３）圧力検出装置１２０は、複数の方向に作用する圧力を検出可能である。このため、圧力検出装置１２０で検出された結果に基づき、チャンバ１６内の掘削土砂の応力分布を推定することができる。本実施形態では、コントローラ１１０が推定した掘削土砂の応力分布を表す情報（数値Ｆ１～Ｆ８、コンター図）が、表示装置１３０の表示画面に表示される。このため、作業者は、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動状態が良好であるか否かを容易に判断することができる。なお、チャンバ１６内の掘削土砂の塑性流動状態が良好でない場合、作業者は、チャンバ１６内の塑性流動性を改善するための加泥材の注入条件（注入量、注入時期、注入位置等）を容易に設定することができる。

このように、本実施形態によれば、塑性流動性評価装置１００の表示装置１３０の表示画面に表示される情報に基づき、加泥材の注入条件を迅速かつ適切に設定することができる。このため、チャンバ１６内の塑性流動性が良好な状態の維持が容易であり、掘削作業の効率を向上することができる。

（４）本実施形態では、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙが、チャンバ１６内を流れる掘削土砂の運動エネルギー（動圧）の影響を受けるように配置され、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙの検出結果に基づき、コントローラ１１０が掘削土砂の主応力の方向及び大きさを推定する。また、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚが、チャンバ１６内を流れる掘削土砂の運動エネルギー（動圧）の影響を受けにくいように配置され、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚの検出結果に基づき、コントローラ１１０がスクリューコンベヤ１７の回転速度やゲートの開度を制御して、排土量を制御する。このように、本実施形態では、１つの圧力検出装置１２０が、塑性流動評価に用いる圧力を検出するＸ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙと、排土量の制御（スクリューコンベヤ１７の速度制御やゲートの開度制御）に用いる圧力を検出するＺ軸圧力検出部１２３ｚと、を備えている。このため、スクリューコンベヤ１７の回転速度やゲートの開度の制御に用いるＺ軸方向圧力（泥土圧）を検出する土圧計を別途設ける必要がない。

次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

＜変形例１＞
上記実施形態で説明した主応力Ｆの大きさをＺ軸圧力検出部１２３ｚの検出結果に基づき補正してもよい。土圧及び地下水圧は、地表からの鉛直距離（掘削深さ）が大きくなるほど大きくなる。したがって、各圧力検出装置１２０の設置点における地表からの鉛直距離に応じた差が、推定部１１１による演算結果（主応力Ｆの大きさ）に及ぼす影響が小さくなるように、補正を行ってもよい。補正方法の一例としては、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚの検出結果に基づき所定の補正値を演算し、この補正値を上記演算結果（主応力Ｆの大きさ）に加算する。補正方法の別の例としては、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚの検出結果に基づき所定の補正係数を演算し、この補正係数を上記演算結果（主応力Ｆの大きさ）に乗じる。補正値または補正係数は、チャンバ１６内の掘削土砂の動圧の影響を受けにくいＺ軸圧力検出部１２３ｚの検出結果に基づき設定することができる。さらに、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚは圧力検出装置１２０に設けられているため、Ｚ軸圧力検出部１２３ｚが圧力検出装置１２０とは別に設けられている場合に比べて、補正の精度を向上することができる。

＜変形例２＞
上記実施形態では、加泥材の注入条件を作業者が設定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。推定された掘削土砂の主応力の方向及び大きさに基づき、コントローラ１１０が加泥材の注入条件を設定してもよい。

＜変形例３＞
圧力検出装置１２０の構成は、上記実施形態に限定されない。圧力検出部１２３の数及び位置は、上記実施形態よりも多くてもよいし、少なくてもよい。また、以下のような圧力検出装置３２０を採用することもできる。図９Ａは、本実施形態の変形例３に係る圧力検出装置３２０の突出部３２２を取り外した状態の正面図であり、図９Ｂは、圧力検出装置３２０の側面図である。圧力検出装置３２０は、隔壁１３に固定される固定部３２１と、固定部３２１からチャンバ１６内に向かって突出する突出部３２２と、固定部３２１に設けられる複数（本変形例では８つ）の圧力検出部３２３と、を有する。

圧力検出部３２３は、Ｚ軸に直交する受圧面を有する。突出部３２２は、中空半球状のケースであり、基端部が圧力検出部３２３の受圧面に当接できるように、固定部３２１に支持される。突出部３２２は、その頂部から－Ｚ方向に延在する支柱と、支柱の先端部に設けられるボール３２５ａと、を有する。固定部３２１は、隔壁１３に締結されるフランジ１２１ａと、フランジ１２１ａから＋Ｚ方向に延在する円筒部３２１ｂと、フランジ１２１ａに固定されるソケット３２５ｂと、を有する。ソケット３２５ｂには、ボール３２５ａを収容する収容部が形成される。

ソケット３２５ｂとボール３２５ａとによって、自在継手であるボールジョイント３２５が形成される。このため、突出部３２２の外表面に掘削土砂が接触すると、突出部３２２は、ボール３２５ａの中心を回動中心として回動する。このとき、突出部３２２の基端部は、圧力検出部３２３の受圧面を押圧し、圧力検出部３２３から押圧力を表す検出信号がコントローラに出力される。

コントローラは、複数の圧力検出部３２３の押圧力に基づき、チャンバ１６内の掘削土砂の主応力の方向及び大きさを演算する。本変形例に係る圧力検出装置３２０は、圧力検出部３２３を有する固定部３２１と、圧力検出部３２３の受圧面を押圧可能な突出部３２２と、を備え、圧力検出部３２３の受圧面は、隔壁１３の内側に位置している。しかしながら、圧力検出部３２３の受圧面には、チャンバ１６内に突出する突出部３２２の基端部が当接し、掘削土砂が接触することにより押圧力を受圧面に伝達することができる。このため、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

＜変形例４＞
上記実施形態では、隔壁１３に圧力検出装置１２０が固定される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、圧力検出装置１２０は、固定部１２１が隔壁１３に設けられる固定翼（不図示）に固定され、固定翼から突出部１２２がチャンバ１６内に向かって突出するように設けられていてもよい。また、圧力検出装置１２０は、シールド掘進機１０の外殻１１に固定され、外殻１１から突出部１２２がチャンバ１６内に向かって突出するように設けられていてもよい。さらに、圧力検出装置１２０は、カッターヘッド１２に固定され、カッターヘッド１２から突出部１２２がチャンバ１６内に向かって突出するように設けられていてもよい。

＜変形例５＞
上記実施形態では、Ｘ軸圧力検出部１２３ｘ及びＹ軸圧力検出部１２３ｙの検出結果に基づき、Ｚ軸に直交するＸＹ平面内における掘削土砂の主応力の方向（流れの方向）を推定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。Ｘ軸方向及びＹ軸方向、Ｚ軸方向の圧力に基づき、掘削土砂の主応力の方向（流れの方向）を３次元的に推定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１０・・・シールド掘進機
１２・・・カッターヘッド
１３・・・隔壁
１６・・・チャンバ
１８・・・注入口
１００・・・塑性流動性評価装置
１１０・・・コントローラ（演算装置）
１２０，３２０・・・圧力検出装置
１２１，３２１・・・固定部
１２２，３２２・・・突出部
１２３，３２３・・・圧力検出部
１３０・・・表示装置

Claims (4)

1. シールド掘進機のカッターヘッドによって掘削された土砂が溜まるチャンバ内の掘削土砂の塑性流動性を評価するために用いられる塑性流動性評価装置であって、
   前記チャンバ内に向かって突出するように設けられ、前記チャンバ内の圧力を検出する複数の圧力検出装置と、
   前記複数の圧力検出装置で検出された結果に基づき、前記チャンバ内の掘削土砂の塑性流動性を表す情報を演算する演算装置と、を備え、
   前記圧力検出装置は、前記チャンバを画成する隔壁に固定される固定部と、前記固定部から前記チャンバ内に向かって突出する突出部と、を有し、
   前記突出部は、前記固定部からシールド掘進機の前後方向であるＺ軸方向に延在する円筒部と、前記円筒部から前記Ｚ軸方向に凸状となるように設けられる半球状の半球部と、を有し、
   前記圧力検出装置は、直交する３つのＺ軸、Ｘ軸及びＹ軸に沿った方向の圧力を検出可能な３軸圧力検出装置であって、前記半球部の頂部に設けられるＺ軸圧力検出部と、前記円筒部の外周面に設けられるＸ軸圧力検出部と、前記円筒部の外周面に設けられるＹ軸圧力検出部と、が含まれる
   塑性流動性評価装置。
2. 前記演算装置は、前記圧力検出装置で検出された結果に基づき、前記チャンバ内の掘削土砂の流れ方向を推定し、推定した前記流れ方向を表す情報を表示装置に表示させる、
   請求項１に記載の塑性流動性評価装置。
3. 前記演算装置は、前記圧力検出装置で検出された結果に基づき、前記チャンバ内の掘削土砂の応力分布を推定し、推定した前記応力分布を表す情報を表示装置に表示させる、
   請求項１又は請求項２に記載の塑性流動性評価装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の塑性流動性評価装置と、
   前記カッターヘッドと、
   前記カッターヘッドの後方に設けられた前記隔壁と、を備える
   シールド掘進機。
   

Images