JPH0452397A - シールド機の掘進制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、地中にトンネルを構築する際に用いられるシ
ールド機の掘進制御方法、詳しくは、例えば掘削地山の
性状が変化し易く切羽安定の管理が比較的困難な？３［
雑な互層や、地下空間を有効に利用するにあたり、地層
の土質の予測がつきにくい大深度の地山の掘削等であっ
ても速やかに安定した掘進を行い得るシールド機の掘進
制御方法に関する。

（従来の技術） 従来の土圧式シールドにおいて、切羽の安定、さらには
安定した掘進を維持するための掘進制御方法としては、
土圧管理、添加剤注入管理、排土管理等が互いに関係づ
けられて行われている。

すなわち、切羽安定の直接的な方法として土庄管理があ
り、掘削土砂、あるいは掘削土砂と添加剤との混合体を
切羽室内及びスクリューコンベア内に充満させてシール
ドジヤツキの推力により、切羽室内に圧力を発生させ、
切羽に作用する地山の土庄及び地下水圧に対抗させて切
羽を抑えている。

この場合、切羽室内圧力は、切羽室内に設けた土圧計に
よって常時計測するとともに、この検出圧力値が地山の
崩壊が生しない下限値及び地盤の隆起を生しない上限値
の範囲内で地山に変形を生しない静止土圧に保つように
シールドジヤツキの推進速度及びスクリューコンヘアの
回転数等を調整して掘削土量と排土量とをバランスさせ
て掘進管理を行っている。

このとき、切羽室内及びスクリューコンベア内に充満加
圧された掘削土砂が適当な塑性流動性と不透水性を持つ
ことが必要条件である。

この掘進管理として従来ではシールド機に設けられた回
転カッターの抵抗トルク値の管理中を設定し、これを一
定値に保つよう、適宜、掘削土砂に添加剤を注入し、そ
れらを機械的に混練して土性を上記土質に変換させてい
る。変換効果のｉ！認は上記回転カッタートルク値及び
排土性状を観察して行い、結果を掘進にフィードバック
しなから掘進管理を行っている。

また、他の方法として、スクリューコンベアの如き排土
装置の前方から後方にかけて圧力計を複数個取付け、そ
れらの圧力計を介し内部圧力を各々計測し、それらの圧
力差によって内部充満土砂の性状を推定するようにした
ものもある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、掘削土砂に添加剤を注入混練したことに
よる変換効果の確認は、混練抵抗トルク値によって判断
可能であるが、検出される回転カッター抵抗トルク値は
、切削抵抗トルクと混線抵抗トルクとの和であり、また
、切削抵抗トルクは、掘削土質、掘進速度等によって変
化するため、正確な混練抵抗トルク値を検出し、混練効
果を確認することが不充分であった。

このように、回転カッター抵抗トルクのみによって混線
効果をｆ１認する方法では掘進管理が不正確で、線混ぜ
られた土砂の性状を常時、均一に保つことは困難であり
、排土装置内での閉塞あるいは排土口からの土砂の噴発
の危険性があった。

また、掘削地山の地層変化の激しい複雑な互層掘進にお
いては、確実な管理や機械操作が行うことがより困難で
あり、特に高水圧下では排土装置からの噴発が起り易い
という課題があった。

さらに、特に例えば大深度においては、予め適確な土質
調査を行うことは困難であり、掘削を行う地山の性状を
正確に把握しにくいため、適切な掘進管理が難しいとい
う実情にあった。

また、このような状況に対処すべく排土装置に複数個の
圧力検出器を設けた従来例では、予め噴発が予測されて
も、結局噴発直前の圧力分布の特徴が排土装置の後部で
表れ、噴発性土砂が排土口近くまで達しているため、そ
れに対処する間もなく噴発を起こすという欠点があり、
厳密な掘進管理を行うことはできないという課題があっ
た。

本発明は上記のことに鑑み提案されたもので、その目的
とするところは、土圧式シールドの掘進において、あら
ゆる地山においても、掘進中に切羽室及びスクリューコ
ンベア内に充満加圧された土砂の性状を確実に、均一に
維持管理でき、速やかに横坑を築造し得るシールド機の
掘進制御方法を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 本発明では、掘削土砂、あるいは掘削土砂と添加剤との
混合体に発生させた圧力により切羽を保持するシールド
機の切羽室内の圧力を検出する切羽室圧力計を設け、か
つ切羽室に接続された排土装置に複数個の圧力計を設け
、前記切羽室圧力計及び前記排土装置に設けた前方部分
の圧力計によって切羽室内圧力、排土装置内圧力を検出
し、その検出値の圧力差あるいは圧力勾配を一定に保つ
ことで排土の性状を均一に管理して掘進制御するように
し、上記目的を達成している。

（作用） 切羽室及び排土装置内には、掘削土砂と添加剤とが混合
された土砂が塑性流動性と不透水性という性質を持つ所
謂「泥土１に変換されて加圧充填されている。この場合
、この切羽室内及び排土装置内に充填されている掘削土
砂の性質を均一に保って、安定した掘進を維持するため
に、本発明では上記した構成のように切羽室内の圧力を
検出する圧力計及び排土装置前部の内部に設けた圧力計
で検出される圧力値の差分、あるいは圧力勾配を一定に
保つようにシールド機の掘進の管理を行うようにし、例
えば噴発性土砂であるとき、排土装置の前部にてそれを
知ることができるようにしているため、その土砂が排出
されるまでに時間的余裕があり、添加剤の注入量を速や
かに減するなどの対処を行うことができるようにしてい
る。

（実施例１） 第１図ないし第２図は本発明の第１実施例を示すもので
、このうち第１図は本発明の土圧式シールド機の全体構
成を示す。しかして、図中１はシールド機で、その前部
に坑内側に設けられたカッターモータ１１を介し正逆回
転可能となっている周知構成の回転カッター２が設けら
れている。また、３はそのカンタ−ピント、５ａはシー
ルド筒１ａの前方部内に設けられた隔壁であり、シール
ド筒１ａのフード部とこの隔壁５ａによりシールド筒１
ａの前方に掘削土砂４を取込む切羽室５が区画形成され
ている。７は例えばスクリューコンベア如き排土装置で
、ケーシング８内にスクリューコンベア９が設けられ、
かつ前部は隔壁５ａの下方中央部に接続され、切羽室５
内の掘削土砂４を取込むようになっており、その後方に
はスクリュコンヘア９を駆動するためのスクリューコン
ヘアモータ１０が設けられ、かつ後方下部には排土口１
２が設けられ、この排土口１２から排土６を行うように
なっている。

また、この排土装置７のケーシング８には内部の圧力を
検出する土圧計の如き圧力計１５ａ〜１５ｎが適間隔で
もって複数個設けられている。すなわち、これらの圧力
計１５ａ〜１５ｎは排土装置７の長さ方向に沿って設け
られている。

その他、１３は掘進用のシールドジヤツキ、１４は隔壁
５ａに設けられ、切羽室５内の圧力を検出する土圧計の
如き切羽室圧力計、１６はシールド機１の掘進に伴って
順次組立てられたセグメント、１７は排土装置７の排土
口１２に対応して配置されたズリトロ、Ｇは地山である
。

このシールド機ｌの動作の概要は次の通りである。

いま、カッターモータ１１を駆動することにより、回転
カッター２に取付けたカンタ−ピント３で地山Ｇを掘削
し、その掘削土砂４やあるいは機内から適量注入した添
加剤との混練混合体を切羽室５内、及び排土装置７内に
加圧充満させて切羽Ｆを保持するとともに、掘削土量に
見合った排土量を排土装置７を介して排出させながら掘
進している。

排土装置７には、前述のように、内部圧力を検出する圧
力計１５ａ〜１５ｎが好適な位置に数個膜けられ、掘進
中における内部充満土砂４ａの圧力が常時検出されてい
る。

第２図は掘進実験に用いたシールド機の排土装置７に取
付けた圧力計Ｓの位置と排土装置７の先端から排出口１
２までの距離の関係を模式した状態を示す要部の略断面
図である。

実験では羽根径　２１８閣、ピッチ１７０閣のスクリュ
ーコンベアラ設置したマシーン外径　１６００閣の土圧
式セミシールド機を使用した。そして、この場合、排土
装置７の先端から、各々Ｌ、、Ｌ、、Ｌ、　、Ｌ、　、
Ｌ、　、Ｌｎの位置に排土装置７の内部の圧力を検出す
る圧力計Ｓ１、Ｓ２、Ｓ８、Ｓ、、Ｓ、、Ｓ、が取り付
けられている。スクリューコンベア先端から各圧力計３
１〜Ｓｎの取り付は位置までの距離は各々Ｌ＋　−１０
１ｍ、　Ｌｘ　＝３０１鴎、Ｌ、＝６２９ｍ、Ｌ４　　
＝９５８ｍａ＋、Ｌｓ　　＝１２８６ｍ。

Ｌ　ｎ　＝１６１５閣となっている。また、Ｓ、〜Ｓ２
間距離、Ｓｚ”’−３ｓ間距離は、各々スクリューコン
ベアの羽根径のほぼ０．９倍、２．４倍となっている。

また、Ｓ、−Ｓ、−・・は第１図の符号１５ａ、１５ｂ
・・・に対応している。

しかして、土圧式シールドの掘進において切羽室５から
排土装置７の排土口１２までの排土装置７の内部圧力の
分布状態は、例えばスクリューコンベア９の如き排土装
置７を使用した場合、安定した掘進時には排出口１２に
近づくにしたがって土圧が徐りに減少して切羽室５〜排
土口１２間の圧力分布がほぼ直線的になることが知られ
ている。これはスクリューコンベア９が山留め機能を有
していることを示している。

第３図は、排土装置７に上述のようにスクリューコンヘ
ア９を使用し、第２図に模式したように排土装置７のケ
ーシング８に圧力計Ｓ、−３ｎを設置した土圧式シール
ドの砂層掘進実験における、排土装置内部の圧力計測結
果を模式的に表すものである。

なお、これは、切羽水圧５　ｋｇ　／　ｃｄの作用する
均等係数Ｕ　ｃ　＝１．９の細砂層における掘進実験結
果である。この図における、斜線部で囲まれた範囲Ａが
安定した掘進状態の圧力分布であり、−点鎖線ａは排土
口１２から掘削土砂が噴発する直前の圧力分布状態であ
り、また、点線すはスクリューコンベア内で閉塞気味に
なる圧力分布状態である。

この第３図から明らかなように、掘進実験において、切
羽室内５及びスクリューコンベア９内に、適当な塑性流
動性と不透水性をもつ性状に変換された泥土が充満した
状態、すなわち、安定した掘進時においては、スクリュ
ーコンベア９内部の圧力は排土口１２に近づくにしたが
って徐々に減少し、圧力計Ｓ、〜Ｓｎで検出された値を
各々Ｐ１〜Ｐｎとすると、切羽室５〜排土口１２間の圧
力分布は０．３〜０．１　Ｋｇｆ／ｃａｎ”の分布はあ
るもののＰ、−Ｐｎ間はほぼ直線的になることが確認さ
れた。

さらに、安定した掘進状態から添加剤を過度に注入混練
して、泥土の流動性を過大とした場合には、スクリュー
コンベア９の排土口１２から土砂の噴発現象を生じた。

噴発に至るまでの状況は、第３図に見られるように、最
初スクリューコンヘア９の先端部において圧力分布の変
動が生じることがわかる。すなわち、スクリューコンベ
ア９の先端部の圧力計ＳＳ２の計測値に着目し、その圧
力差をΔＰ＝ＰＰ２とすれば噴発直前までに、Ｓ２の圧
力が上昇して圧力差ΔＰは徐々に小さくなる傾向が見ら
れた。

また、添加剤注入量を減少させて、泥土の流動性を低下
させた場合には、回転カッター２の抵抗トルクが大きく
なり、スクリューコンベア９内で閉塞気味となり、圧力
計Ｓｚの圧力が低下して圧力差ΔＰが大きくなる傾向が
見られた。

上記の特徴を踏まえ、本発明では排土装置７の先端部の
圧力を数箇所計測し、その圧力差（または圧力勾配）を
一定範囲に保つ様に管理することで、切羽室５内及び排
土装置７内の泥土の性状を均一に維持可能であり、排土
装置７内での閉塞あるいは排土口１２からの噴発現象を
事前に予知し、時間的余裕をもってこれに対処すること
で、トラブルを未然に防止して、安定した掘進が行える
ようにしている。

したがって、第２図の図示例では排土袋Ｎ７の長さ方向
の前方から排土口１２の手前にわたって複数個の圧力計
８１〜Ｓ、、を設けたものを示したが、排土装置７の前
方部分のみの圧力計３１〜Ｓ２または、５ｌ−３，を用
いて掘進管理を行えば良い。

よって、圧力計は、第１図に示すように、前方部分のみ
に設けた構成としても良い。

第４図は本発明における掘進のフロー図の一例を示すも
のであり、図中における記号Ｓ／Ｊはシールドジヤツキ
、Ｓ／Ｃはスクリューコンヘア、ΔＰｃはスクリューコ
ンベア前部の管理圧力差、ΔＰ　ｓｉｎはΔＰｃの下限
値、ΔＰｍａｘはΔＰｃの上限値、ΔＰｅは実際の掘進
中スクリューコンベア前部の圧力差を示す。

上述のように本発明では、切羽室５内における泥土の性
状がスクリュ−コンヘア９前部の圧力差ΔＰによって確
認可能であり、この圧力差ΔＰを安定掘進状態となるあ
る一定の範囲（管理中）となるよう、適宜、添加剤の注
入管理を行うことで、掘削土砂４が常時均一の性状の泥
土となり、力。

タートルク過大及び排土装置７内での閉塞、あるいは排
土口１２から土砂が噴発することもなく、安定した掘進
管理を行える。

なお、圧力差の管理中は、閉塞あるいは噴発が予兆され
る値以内に余裕をもって設定すれば、より安定した掘進
管理が行える。

ΔＰｍａｘ１ｉｍｉｔ＞ΔＰｍａｘ＞ΔＰｃ＞Δ］’＋
ｉｎ＞ΔＰｍｉｎｌｉｍｉｔ閉塞予兆値　　　　　管理
中　　　　　噴発予兆値しかして、本発明ではもし、万
一、掘進中に閉塞あるいは噴発の予兆値に達しても、そ
の性状の土砂はスクリューコンベア９の前部までしか達
しておらず、これら現象をより早く察知できるため、早
めの防止策が可能である。

例えば、閉塞が予兆されれば、切羽室５内土砂の流動性
が過小であるため、シールドジヤツキ１３の速度、スク
リューコンベア９の回転を停止して、掘進排土を停止し
て適量の添加剤を切羽室５に注入し、掘削土砂４と混練
して、流動性を回復させれば良く、また、噴発が予兆さ
れれば切羽室５内土砂の流動性が過大であるため、スク
リューコンベア９の回転を停止して排土を停止し、地山
Ｇに変形を与えない切羽地山圧力（受働土庄）程度まで
、切羽室５の内部圧力を上昇させて切羽室内土砂を圧密
脱水して、適当な流動性に回復させることが可能であり
、排土トラブルの無い安定した掘進を行うことができる
。

なお、上記実施例では圧力計３１〜３２間の圧力差分値
をとっているが、Ｓ、〜Ｓ２間の圧力差分値の変わりに
Ｓ１〜Ｓ１間の圧力差分値を管理することでも良好な結
果が得られた。

また、圧力差分値ΔＰの変わりに圧力勾配Ｍ＝ΔＰ／（
Ｌ！−Ｌ、）＝（Ｐ、−Ｐ、）／（Ｌ、−Ｌ、）を管理
対象としても同様の作用・効果を得ることができる。さ
らに、各圧力計Ｓ、−Ｓ、のうち前方部分の単独圧力計
の検出値を切羽室内の圧力と対比してその圧力差分値ま
たは圧力勾配を監視しながら掘進管理を行うことも可能
である。

また、図示してはいないが、後部に排土口を設置した中
空の筒を切羽室に接続して排土装置とし、切羽室内及び
排土装置内部に掘削土砂あるいは掘削土砂と添加剤との
混合体を充満し、この充満土砂と排土装置内表面との摩
擦力により、切羽に作用する土圧及び地下水圧に抵抗さ
せて切羽を抑えるシールド機においても、排土装置内部
圧力分布は排土口に近づくに従って徐々に減少する。

従って、上記シールド機においても、本発明を用いれば
排土装置前方の圧力差、あるいは圧力勾配を一定に保つ
ことができ、排土性状を均一に管理することが可能であ
り、排土トラブルのない安定した掘進を行うことができ
る。

（実施例２） 第５図（ａ）、ら）は本発明の第２実施例を示すもので
、この例では圧力計１５８をスクリューコンヘア９のス
クリュー軸９ａに設けた点が前述の実施例と異なってい
る。

その他の構成、作用は第１実施例と同様である。

なお、圧力計１５ａをスクリュー羽根９ｂに設けること
も可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、掘削土砂、あるいは掘削
土砂と添加剤との混合体に発生させた圧力により切羽を
保持するシールド機の切羽室内の圧力を検出する切羽室
圧力計を設け、かつ切羽室に接続された排土装置に複数
個の圧力計を設け、前記切羽室圧力計及び前記排土装置
に設けた前方部分の圧力計によって切羽室内圧力、排土
装置内圧力を検出し、その検出値の圧力差あるいは圧力
勾配を一定に保つことで排土の性状を均一に管理して掘
進制御するようにしたから、切羽室内及び排土装置内の
泥土の性状が明確に把握でき複雑な互層や土質調査に困
難性を伴う大深度においても掘進管理が容易となり、ま
た排土装置の前方部分の検出値により泥土の性状を観察
するようにしているため、噴発や閉塞等の予兆をより早
く察知でき、それに応して早めに対処できるので、トラ
ブルを事前に防止し、円滑に掘進を行うことができる、
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例、第２図は本発明の第１実
施例略断面図、第３図は本発明の排土装置内圧力分布模
式図、第４図は本発明による掘進管理フロー図の一例、
第５図（ａ）は本発明の他の実施例、（ハ）は（ａ）図
中Ａ−Ａ線断面図を示す。 ・　・シールド機 ・　・シールド筒 ・・回転カッター ・・カッタービット ・・掘削土砂 ・・切羽室 ・・隔壁 ・・排土 ・・排土装置 ・・ケーシング ９・・・・・スクリューコンヘア ９ａ・・・・スクリュー軸 １０・・・・・スクリューコンヘアモータ１１・・・・
・回転カンタ−モータ １２・・・・・排土口 １３・・・・・シールドジヤツキ １４・・・・・切羽室土圧計 １５ａ〜１５Ｃ・排土装置内土圧計 １６・・・・・セグメント １７・　・　・　・　・ズリトロ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 掘削土砂、あるいは掘削土砂と添加剤との混合体に発生
   させた圧力により切羽を保持するシールド機の切羽室内
   の圧力を検出する切羽室圧力計を設け、かつ切羽室に接
   続された排土装置に複数個の圧力計を設け、前記切羽室
   圧力計及び前記排土装置に設けた前方部分の圧力計によ
   って切羽室内圧力、排土装置内圧力を検出し、その検出
   値の圧力差あるいは圧力勾配を一定に保つことで排土の
   性状を均一に管理して掘進制御することを特徴としたシ
   ールド機の掘進制御方法。