JPH0460096A - 泥水式シールド掘進装置 - 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］ 本発明は泥水式シールド掘進装置の改良に関する。

［先行技術］ 周知のように、泥水式シールド掘進装置は、密閉型のシ
ールド工法の１つとして幅広く用いられている。この泥
水式シールド掘進装置を用いて、トンネル等の掘削を行
う場合には、切羽断面の土層に合せて掘削管理条件を設
定することが重要であり、特に掘削土量と掘進速度とが
バランスするよう切羽からの土砂取込量を制御すること
が重要となる。

このため、従来よりトンネル掘削経路に沿った土層断面
の推定図を作成することが行われている。

第１４図には、トンネル掘削経路に沿った地盤断面図が
示されている。

通常、泥水式シールド工法を用いトンネルＴを掘削する
場合には、トンネル掘削経路Ｔａに沿って、例えば１０
０ｍ間隔でポーリング坑１２０を設けて地盤調査を行う
。この地盤調査データを基に、図中１点鎖線で示すよう
に地盤の推定図を作成する。ここでは、地層表面から埋
土層１３０゜砂礫層１３２．細砂層１３４．粘度層１３
６．細砂層１３８が斜めに堆積されているものとして推
定図が作成される。

次に、前記地盤推定図に基づき、トンネルＴの掘削経路
Ｔａを、例えば１．　　ＩＩ、　Ｉｆｆ・・・の複数区
分に分割し、各分割区間毎に、シールド掘進機Ｓの掘削
管理条件を設定する。例えば、トンネルＴの切羽は、区
間Ｉでは細砂層１３８で構成され、区間■では粘度層１
３６で構成され、区間ｍでは細砂層１３４で構成され、
区間■では砂礫層１３２で構成される。従って、このよ
うな地盤調査により得られた各地層の単位体積重量と切
羽占有率等から、各分割区間毎に掘進速度と掘削土量と
がバランスするよう最適な掘削管理条件、例えばジヤツ
キスピード、カッターの回転数、カッターのスリット開
度、アジテータの回転数、チャンバー内に給排水される
泥水密度、流量等を設定する。

このように、各分割毎にシールド掘進機Ｓの掘削管理条
件を設定することにより、切羽の安定を維持しながら、
掘削土量と掘進速度がバランスするよう土砂の取込率が
良好に制御され、トンネルを安定して掘ることか可能と
なる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、前述したシールド工法では、以下に詳述する問
題があった。

■　前記シールド工法では、同一分割区間内において切
羽の掘削条件が一定であると仮定し、掘削管理条件を設
定している。しかし、実際の土層断面は、第１４図にお
いて１点鎖線で示すようなものではなく、実際には実線
で示すように変化している。このため、土層断面の推定
図と実際の土層断面との間にズレが発生し、このズレ領
域では良好な掘削制御ができないという問題があった。

また、このようなポーリング調査に基づく土層断面推定
図では、微妙な土層断面の変化を検出できない。このた
め、同図において、例えば細砂層１３４内に点在する砂
礫層１４０や、粘度層１３６内に点在する細砂層１４２
を検出することはてきない。従って、トンネル掘削経路
Ｔａがこれら砂礫層１４０．細砂層１４２と交わる領域
において、シールド掘進機Ｓの掘削管理条件を最適値に
制御できないという問題があった。

特に、大口径のシールドになると、地山の自立性はほと
んど望み得ない。従って、シールド掘進機Ｓを用いたト
ンネルＴの掘削には、トンネル掘削経路Ｔａの土層に合
せた非常に緻密な掘削管理条件の設定が要求されること
になり、このための有効な対策が望まれていた。

■　また、土層断面の推定図と、実際の土層断面とがあ
る程度一致している場合でも、切羽の土層断面は同一分
割区間内において微妙に変化することが多く、このまま
では土砂の取込率を最適に制御することは難しい。

このため、従来のシールド工法では、チャンバーからの
泥水排水パイプの末端、すなわち立坑部または後方台車
部付近に差圧密度計を設け、チャンバーからスラリー化
して排出される泥水の密度を測定していた。そして、こ
の測定値に基づき実際の掘削土量を演算し、演算された
掘削土量と予めポーリング調査により設定された掘削土
量との誤差が最少となるよう、シールド掘進装置の掘削
制御を行っていた。

しかし、前記差圧密度計は、液圧の差から泥水密度を求
めているので、泥水に礫が混入すると泥水密度を正確に
測定できず、この結果、掘削土量を正確に判断すること
がてきないという問題があった。

また、前記差圧密度計は、チャンバーから離れた位置に
設けられている。このため、例えばシールド掘進機Ｓが
予期しない細砂層１４２に進入することにより切羽の断
面状態か変化し、シールドチャンバー内の泥水密度が急
激に変化した場合、これをリアルタイムで検出して掘削
土量を制御できないという問題があった。

■　また、チャンバーの直径が大きな大型掘進機では、
チャンバー内おいて、切羽から取込まれた土砂が泥水と
均一に混合撹拌されないことも多い。

このため、チャンバー内における泥水の平均密度と、前
記差圧密度計で測定される泥水密度の値か異なり、正確
な掘削土量を演算できない場合があった。

特に、切羽が互層であったり、その断面の土層が変化す
るような場所では、シールドチャンバ内における泥水密
度が不均一になやすく、良好な掘削管理を行うことが難
しいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、土層断面の推定図と、実際の土層
断面との相違を補正して最適な掘削管理条件をリアルタ
イムで設定し、土層が複雑かつ微妙に変化するようなカ
所にでも安定してトンネルを掘削することができる泥水
式シールド掘進装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明は、 シールドチャンバーへ注水する注水パイプと、シールド
チャンバーに取込まれスラリー化された土砂を排出する
排水パイプと、 を含む泥水式シールド掘進装置において、トンネル掘削
経路に沿って予め測定された地盤調査データと、前記地
盤調査データに基づき掘進速度と掘削土量とかバランス
するよう設定された掘削管理条件と、泥水の密度とこの
泥水内を伝搬する超音波の減衰量との関係を示す減衰量
テーブルとが記憶されたデータベースメモリと、切羽前
方に向けパルス状の電波を送受波し切羽の土質を検出す
る前方探査手段と、 前記前方探査手段により検出された切羽の土質に基づき
、前記データベースメモリに記憶された地盤調査データ
及び掘削管理条件を補正する補正演算手段と、 前記注水パイプに設けられ、このパイプ内を流れる泥水
の流動方向に対し所定角度で超音波を送受波する第１の
超音波センサと、 前記シールドチャンバーに近接してシールドチャンバー
に設けられ、このパイプ内を流れる泥水の流動方向に対
し所定角度で超音波を送受波する第２の超音波センサと
、 前記各超音波センサの送受信タイミングおよび超音波減
衰量と、補正演算された地盤調査データと、前記データ
ベースメモリに記憶された減衰量テーブルとに基づき、
シールドチャンバー内に取り込まれた掘削土量を演算す
る掘削土量演算手段と、 演算された掘削土量、補正演算された前記掘削管理条件
に基づき、切羽の掘削制御を行う掘削制御手段と、 を含むことを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、データベースメモリ内に、トンネル掘削経
路に沿って予め測定された地盤調査データと、この地盤
調査データに基づき設定された掘削管理条件とが記憶さ
れている。

そして、シールド掘進装置がトンネル掘削経路に沿って
トンネルの掘削を行うと、前方探査手段により、切羽前
方に向けパルス状の電波が送受波され、切羽の土質が検
出される。

補正演算手段は、この前方探査手段により検出された切
羽の土質に基づき、前記データベースメモリに記憶され
た地盤調査データおよび掘削管理条件を実際の土層断面
に合せて補正する。

このように本発明によれば、土層か複雑に変化する場合
でも、土層の変化に合せて掘削管理条件をリアルタイム
で補正演算することができる。

また本発明では、第１および第２の超音波センサを用い
て、注水パイプおよび排水パイプ内を流れる泥水の密度
および流速から、実際の掘削土量を正確にリアルタイム
演算している。

そして、リアルタイム演算された実際の掘削土量と、補
正演算された理論的な掘削土量とが一致するよう、前記
掘削管理条件に基づき各種被制御機器をフィードバック
制御する。

このように、本発明によれば、データベースメモリに記
憶された地盤調査データと、その掘削管理条件とを、切
羽の実際の土質に合せて補正演算することにより、前記
地盤調査データに現れない土層の変化に迅速に対応し、
安定した切羽の掘削を行うことができるという効果があ
る。

また、請求項（３）に記載のように、チャンバー内の密
度分布が均一となるようアジテータを駆動制御すること
により、シールドチャンバー内の泥水密度と、排水パイ
プに設けられた超音波センナより検出される泥水密度と
がほぼ完全に一致することになる。このため、切羽がら
の掘削土量をさらに正確に演算し、シールド掘進装置の
掘削管理を行うことが可能となる。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第２図には、本発明のシステムの好適な一例が示され、
実施例のシステムは、トンネルＴの掘削に用いられるシ
ールド掘進機Ｓと、この掘進機Ｓを制御するよう地表部
に設けられた中央制御室３００を有する。

前記シールド掘進機Ｓは、シールド１ｏの前部に隔壁１
２を設け、この隔壁１２の切羽２２側に、トンネル構内
２４と隔絶された密閉空間をシールドチャンバー１４と
して形成する。このシールドチャンバー１４内は、注水
パイプ１６がら供給される泥水１００により満たされる
。

切羽２２の掘削は、図示しない駆動装置により回転駆動
されるカッター２０によって行われる。

削り取られた土砂は、シールドチャンバー１４内に取込
まれ、泥水と撹拌されスラリー化された後、排水パイプ
１８から排出される。

このとき、切羽２２の安定は、シールドチャンバー１４
内における泥水の密度と加圧力により管理される。従っ
て、切羽２２の土層が変ると、これに応じて泥水の密度
および加圧力を設定してやることが必要となる。

前記カッター２０には一対の送信機２４および受信機２
６が設けられ、切羽２２の前方に向けパルス状の電波を
送受波し、切羽の土層を検出している。

また、前記注水パイプ１６および排水パイプ１８には、
シールドチャンバー１４に近接して第１および第２の超
音波センサ３２ａ、３２ｂが設けられ、パイプ１６．１
８内を流れる泥水１００の密度および速度を検出してい
る。

特に、排水パイプ１８に設けられた超音波センサ３０ｂ
は、シールドチャンバー１４に近接しているため、この
超音波センサ３０ｂを用いて検出された泥水の密度は、
そのままシールドチャンバー１４内における泥水密度と
一致することになる。

ところで、超音波センサ３０ｂを用いて検出された泥水
密度が、シールドチャンバー１４内の泥水密度ρと一致
するためには、シールドチャンバー１４内に取込まれた
土砂と注水パイプ１００から供給される泥水とがチャン
バー内において均一に撹拌されていることが条件となる
。シールドチャンバー１４内における泥水密度を均一化
するために、チャンバー１４内にはアジテータと呼ばれ
る図示しない撹拌装置が設けられている。

しかし、切羽２２が互層であったり、チャンバー１４の
口径が大きい場合には、チャンバー１４内の泥水密度が
不均一となりやすく、超音波センサ３０ｂを用いて測定
される泥水密度と、チャンバー１４内における実際の泥
水密度の値が異なったものとなる。

このため、前記シールドチャンバー１４内には、泥水の
密度分布を測定する手段として、複数のＲ■センサ４０
が設けられている。そして、これら核Ｒ１センサ４０を
用いてシールドチャンバー１４内の泥水密度分布をリア
ルタイム測定し、密度分布が不均一となった場合にはア
ジテータ等の回転数を上げる等して、密度分布を常に均
一に制御している。

前方探査システム 第３図には、本実施例の前方探査システムの原理図か示
されている（このシステムの詳細は、本出願人により特
願昭６３−１７９８０１として出願済み）。

実施例のシステムは、前方探査装置５０を用いて、カッ
ター２０に取付けられた送信機２４および受信機２６を
制御し、送信機２４から切羽前方に向け１〜Ｉｏｎｓの
高周波のパルス状電波を送受信する。このとき、受信さ
れる電波には、地中内に存在する反射物１５０からの反
射波２００と、送信機２４から受信機２６へ直接伝播さ
れる表面伝播波２１０とがある。

第４図には、この受信波形の一例が示されている。ここ
で反射波２００からは、地中内に存在する反射物１５０
、例えば杭や埋もれ木１地中構造物、ゆるみ領域の層面
等がとらえられる。また、表面伝播波２１０からは、切
羽土質の判別や、ゆるみ土質の探知等ができる。

なお、前記表面伝播波２１０は、送信機２４および通信
機２６のアンテナを別体のものとして形成した場合に得
られるものであり、伝播距離が最も短いことから、第４
図に示すよう受信波形の先頭に記録される。表面伝播波
２１０が、表層のどの程度のところを通過するかは、ア
ンテナ間の距離にもよるが、実験結果によるとアンテナ
間５０■の場合２０〜２５ｃｍの範囲を通過することが
確認されている。表層部（切羽２２領域）を通過する波
であるため、反射物の有無によらず、必ず記録されると
いう特性を有する。

前方探査装置５０は、この表面伝播波２１０を用い、次
の２通りの方法を用いて土質の判別を行う。

■　伝播時間 一定距離りの間を電波が通過する時間は、各土質の比誘
電率によって次のように表される。

Ｖ　　　　　　　　　　Ｃ ｔ、伝播時間、ｖ：電波の速度、Ｌ：距離。

Ｃ：光速、　　　ε　比誘電率 この特性を利用し、前方探査装置５ｏは、発信から受信
迄の時間を測定することにより、各種土質の比誘電率あ
るいは電波速度を計算し、これを基準値と比較すること
によって土質の判別を行っている。

第５図には、表面伝播波２１０の伝播時間と、土質との
関係を示す実測データが示され、同データから、この伝
播時間に基づき切羽２２の土質判別が可能であることが
理解されよう。

■　減衰度 また、電波は空中ではほとんど減衰しないが、土等の電
波吸収物体中を通過するときは急激に減衰する。減衰は
各土質の導電率と比誘電率によって決定される。

ＥＬ　ｍ　Ｅｏ　　＊　　ｅ−” Ｅｏ：初期電界強度。

ＥＬ：距離りを通過した後の電界強度 Ｌ：短距離　　　α：減衰定数 ６０π α−・ｆ「 ρ ρ：比抵抗（−□、σ：導電率）。

σ ε：比誘電率 前方探査装置５０は、受信機２６で受信される表面伝播
波２１０の電圧値を測定し、これを予め準備しておいた
データと比較することによって、土質の判別を行ってい
る。

第６図には、送受信アンテナ間距離をパラメータとして
測定された土質と減衰度との関係か示されされ、同図か
ら、土質毎に減衰度の差が明確に現れることか理解され
よう。ただ、表層部に何等かの反射物が存在する場合は
、反射波の影響が電圧に合成されてくるため、信頼性に
欠ける面がある。

このため、実施例の前方探査装置５０は、表面伝播波２
１０の伝播時間による土質判別および減衰度に基づく土
質判別を組合せて行い、切羽の土質検出精度を高めてい
る。

また、前記送受信機２４．２６は、カッター２０の表面
に取付けられているため、カッター２０の回転応じて、
切羽前方の反射物１５０の有無や、切羽の土質等を正確
に検出することができる。特に、大口径のシールド等の
場合では、切羽断面に複数の土層が存在することも多い
が、このような場合でも、この切羽の土質をカッター２
０の回転と共に正確に検出することができる。

なお、前記送信機２４および受信機２６に用いられるア
ンテナは、電波が背面側に洩れないようにシールドし、
空気を伝わって受信機２６に電波が直接伝播しないよう
に構成されている。

泥水の流速および密度測定 第７図には、前記超音波センサ３０ａ、３０ｂの具体的
な構成が示されている。なお前記各超音波センサ３０ａ
、３０ｂは、その構成が同一であるので、ここでは排水
パイプ１８に設けられた超音波センサ３０ｂを例にとり
その構成および作用を説明する。

（１）流速測定 実施例の超音波センサ３０は、一対の超音波送受信機３
２．３４を有する。この超音波送受信機３２．３４は、
パイプ１８の側壁に、パイプ内を流れる泥水１００の流
動方向に対し所定角度θで交差するよう対向配置され、
パイプ１８内を流れる泥水１００の流速Ｖをリアルタイ
ム測定する。

これにおいて、静止した液体中の超音波の伝搬速度Ｃは
、液体の種類、温度、圧力が定まれば一定値となるが、
液体が流動するとその流れの向きと流速に対応して変化
する。例えば、流動方向と超音波伝搬方向が順方向であ
れば、超音波の伝搬速度は流速分だけ増加し、逆方向で
あれば流速分だけ減少する。

従って、前記一対の超音波送受信機３２．３４から繰返
し交互に超音波パルスを送受信させ、このとき泥水１０
０の流れに対して順方向の伝搬時間をｔｌ＋　逆方向の
伝搬時間をｔ２とし、泥水１００の流速Ｖとの関係を求
めると次式で示す関係が得られる。

■ ただし、 ■−流速（ｍ　／　Ｓ　） Ｌ−送受信機間の距離（ｍ） θ−超音波伝搬軸と管の中心軸とがなす角度Ｃ−静止泥
水中の超音波の伝搬速度（ｍ／Ｓ）前記（３）式から分
るように、伝搬時間の逆数の差と、流速との関係は一次
の比例関係にあり、その直線性が非常に良く、また逆数
差を求めることによって、静止泥水中の伝搬速度Ｃの項
が消去されるので、泥水の種類、温度、圧力とは無関係
に流速Ｖを測定することができる。

本実施例の流速測定は、１秒間に２０回の速さで繰返し
て行われるので、応答速度、流速の分解能が非常に優れ
、しかもドリフトがない。

実施例の装置では、このようにして求めた泥水１００の
流速Ｖに基づき、排水パイプ１８内を流れる泥水１００
の流量Ｑを求める。この流量Ｑはパイプ１８の断面平均
流速に断面積Ｓを乗じて求められるが、前記一対の超音
波送受信機３２゜３４を用いて測定される流速Ｖは、超
音波の伝搬軸（測線）の線平均流速であることから、こ
れを断面平均流速に換算する必要がある。この換算は、
プランティールの速度分布方程式により次式で与えられ
る。

・・・　（４） ただし、■　＝断面平均流速（ｍ　／　Ｓ　）■　−超
音波流量計で測定された線平均流速（ｍ　／　Ｓ　） Ｒｅ−レイノルズ数 そして、泥水１００の流量Ｑは、この断面平均流速Ｖを
用い次式で求められることになる。

Ｑ−ＶｘＳ　　　　　　　・・・（５）このようにして
、本発明によれば、パイプ１８内を流れる泥水１００の
流速Ｖ、流量Ｑをリアルタイムで測定できる。

密度測定 また、本発明の装置は、対向配置された一対の超音波送
受信機３２．３４を用い、パイプ１８内を流れる泥水１
００の密度ρをリアルタイム測定する。

すなわち、一対の超音波送受信機３２．３４間で超音波
を送受波すると、送信された超音波信号は、泥水１００
の粒子界面での散乱および粘性。

粒子の内部摩擦によって減衰される。

第８図（Ａ）には、超音波送受信機３２から泥水１００
へ向け送信される超音波の矩形パルスが示され、同図（
Ｂ）には、超音波送受信機３４で受信される超音波の受
信波形が示されている。同図に示すよう、泥水１００に
向け送信された超音波は、泥水内において減衰した後受
信されることが理解されよう。

このとき、泥水１００の密度ρと、超音波の減衰量は所
定の対応関係をもつため、受信された超音波の減衰量を
測定することて、泥水１００の密度ρを求めることがで
きる。

第９図、第１０図には、泥水中に含まれる固形物の密度
と、この泥水中を通過する超音波の減衰率との対応関係
を示す減衰量テーブルが示されている。第９図は、泥水
中にカオリンを混入した場合のデータであり、第１０図
は泥水中に石灰および石膏を混入した場合のデータであ
る。これら測定データから明らかなように、超音波の減
衰量は泥水中の固形物密度と比例関係を有することが理
解されよう。

従って、前記第１４図に示す各分割区間毎に、超音波の
減衰量と泥水密度との関係を示す減衰量テーブルを土質
に合わせて作成し、これを後述するデータベースメモリ
内に登録しておけばよい。

これにより、第７図に示すよう、泥水１００内にて超音
波を送受波することにより、受信された超音波の減衰量
に基づき泥水の密度ρ（泥水１００内に含まれる乾砂量
の体積密度）をリアルタイムで測定することができる。

このとき、泥水の色ｐＨ１電導度に影響されることなく
、あるいは固体、乳化粒子等の不均一な懸濁粒子を含む
場合でも、これに影響されることなく泥水密度を正確に
測定することが可能となる。

チャンバー内での泥水密度分布 前述したように、前記シールドチャンバー１４内には、
複数のＲ１センサが設けられ、チャンバ−内の密度分布
を多点測定している。そして、リアルタイム測定された
密度分布は不均一となった場合に、アジテータの回転数
を上げる等として、密度分布を常に均一に制御している
。

第１１図には、実施例のＲＩセンサ４０の基本的な構成
か示されている。実施例のＲ１センサ４０は、ケーシン
グ４２の内部に設けられたガンマ線源４４、ガンマ線検
出部としてのシンチレーションカウンタ４６、シールド
鉛４８．４９とを含む。前記シールド船４８．４９は、
ガンマ線源４４の両側に配置され、特にシールド鉛４９
は、ガンマ線源４４からシンチレーションカウンタ４６
に直接入射する２次ガンマ線を遮断するために設けられ
ている。

前記Ｒ１センサ４０は、第１３図に示すガンマ線束φと
物質密度ρとの関係が予め較正試験によって求められて
いる。これにより、以下に詳述するようシンチレーショ
ンカウンタ４６により測定されるガンマ線束φの値に基
づきシールドチャンバー１４内における充満土砂の密度
ρを測定できる。

第１２図、第１３図には、本実施例のＲ１センサ４０を
用い、シールドチャンバー１４内における泥水の密度を
測定する原理か示されている。

まず、実施例のＲＩセンサ４０を、第１２図に示すよう
土砂内に設置する場合を想定する。このとき、ガンマ線
源４４がらシンチレーションカウンタ４６に直接入射し
ようとするガンマ線はシールド鉛４９より遮断される。

このため、シンチレーションカウンタ４６に入力される
ガンマ線は、図中１点鎖線で示すよう土砂内において散
乱された二次散乱線である。このとき、シンチレーショ
ンカウンタ４６で検出されるガンマ線束φは図式％式％ たたし、φ：ガンマ線束（ガンマ線数／Ｃ−・５ｅｅ）
Ｓ・線源強度（ガンマ線数／５ｅｃ） Ｂ：ビルドアップ係数 Σ：質量吸収係数（ｃｄ／ｇ） γ：線源と検出器間の距Ｍ（■） ρ：物質の密度（ｇ／ｃ４） ここでＢは単なる定数ではなく、実験によれば、次式で
近似てきることか知られている。

Ｂ−Ｋ　（Σργ）　　　　　・・・（７）Ｋ：比例定
数 ｎｉｌ　　〜２ 式（７）を（６）に代入すれば、（但しに−１とする）
φ−（Σργ）ｆｌ・ｅべργ ４πγ２　　　　　　　　　　　・・・（８）となる。

式（８）から、Σ、γを一定として、横軸にρを、縦軸
にφをとってプロットすると、第１３図に示すような特
性曲線となる。この特性曲線は、初めは、単調に増加し
ながら極値に達し、その後はまた単調に減少する関数で
あることが分る。

極値を示すときの密度ρ１は、−次ガンマ線のエネルギ
ー線源４４と、シンチレーションカウンタ４６との間の
距離および検出器長によって定まる。

測定では、特殊な場合を除いて、第１３図に示す特性の
単調に減少する部分を用いることが好ましい。密度計の
設計においては、測定の対象となる密度範囲を考慮して
も最も高い分解能が得られるように上記のパラメータの
選択を行う。

さて、ガンマ線と測定対象物との相互作用に係わる情報
は、Σに含まれており、式（８）に示されるように、密
度測定の原理上重要なことは、φがρのみに依存するこ
とてあり、従ってΣがほぼ一定であることが条件となる
。

ところで、質量吸収係数Σは、媒質原子１個に対する全
微分断面積（相互作用の確立）をρ（ｃｄ　）アボガド
ロ数をＮ。、原子量を１４とすればによって関係づけら
れる。σは、光電効果の微分断面積σｐ（ｃｄ）とコン
プトン散乱の微分断面積σｃ（ｃｊ）の和である。

σ舞σＰ＋σＣ・・・（１０） 測定される物質か　種の元素から構成されるときは、そ
れぞれの構成元素の質量吸収係数Σの寄与か加算され、
物質全体のΣは次式で表わされる。

Σ−Σ（ｐｉΣｉ）　　　・・・（１１）たたし、ｐｉ
は１番目の 元素の重合含有比である。

一定の媒質においてはΣは定数になるので、式（８）か
らφはρのみによって変化することになる。

従って、予め較正試験によって第１３図に示すφとρと
の関係を求めておけば、逆に密度未知の媒質に対しては
、φを測定することによってその密度ρを知ることがで
きるわけである。

本実施例では、第１４図に示す分割区間１．　　Ｉｆ。

■・・・毎に、第１３図に示すガンマ線束φと物質密度
ρとの関係を予め較正試験によって求めデータベースメ
モリに記録しておく。これにより、シンチレーションカ
ウンタ４６により測定されるガンマ線束φの値に基づき
シールドチャンバー１４内における泥水密度ρを測定す
ることかできる。

制御システム 第１図には、本実施例のシールド掘進装置の制御回路シ
ステムの好適な一例か示されている。

実施例のシステムは、各種センサからの信号か中央制御
システム３００に入力され、各種被制御機器８４の制御
が行われている。

この中央制御機器３００には、地盤の調査データ等が記
憶されたデータベースメモリ６０が設けられている。こ
のデータベースメモリ６０は内には、第１４図に示すよ
うトンネル掘削経路Ｔａに沿って予め多点測定された土
層の断面推定図データが地盤の調査データとして記憶さ
れている。さらに、この断面推定図データに付随して、
各土層の密度１粒子分布、含水比等の各種データが記憶
されている。

このような地盤調査データは、第１図に示すようトンネ
ル掘削経路Ｔａを複数に分割し、各分割区間１．ｎ、ｍ
・・毎に記憶されている。さらに、前記地盤調査データ
に基づき各種の掘削管理条件が、各分割区間毎に設定記
憶されている。このような掘削管理条件としては、シー
ルド掘進機Ｓの掘進速度と土砂取込み量（掘削土量）と
かバランスするよう、例えばジヤツキスピード１　カッ
ター回転数、スリット回路、総排泥水量、チャンバへ供
給する泥水密度１アジテ一タ回転数等が、各分割区間毎
に記憶される。また、切羽の安定を図るよう、シールド
チャンバへ供給する泥水の密度、流量も、掘削管理条件
として設定されている。

これに加えて、このデータベースメモリ６０にわは、各
分割区間１．ｎ、ｍ・・・毎に、泥水１００の密度と超
音波減衰量との相間関係を示す減衰量テーブルがテーブ
ルデータとして記憶されると共に、土砂の密度とガンマ
線束との相関関係を示すデータが記憶されている（第１
３図参照）。

さらに、このデータベースメモリ６０には、表面伝播波
２１０の各土質に対する特性データも記憶されている（
第５図、第６図参照）。

第１４図に示すよう、トンネル掘削経路Ｔａに沿ってシ
ールド掘進機Ｓが掘削を開始すると、カッター２０に設
けられた送信機２４から切羽前方に向けパルス状の電波
を送信される。このとき、受信機２６ては、第４図に示
すような電波が受信される。

切羽前方探査回路５０は、この受信波に含まれる反射波
２００に基づき、第３図に示すよう切羽前方に存在する
反射物１５０を検出し、これをＡＩ集中管理部８２へ向
け知らせる。ＡＩ集中管理部８２は、検出された反射物
１５０が何であるかを判断し、トラブルの発生を未然に
防止する。

また、前記切羽前方探査回路５０は、受信波に含まれる
表面伝播波２１０に基づき、切羽断面の土質を検出し、
この検出結果を補正演算部５２およびその他の回路各部
へ向け出力する。このときの土質の検出は、表面伝播波
２１０の伝播時間と、減衰量を、データベースメモリ６
０内に予め記憶していた各土質のデータと比較すること
により行う（第５図、第６図参照）。

補正演算部５２は、このように検出された切羽２２の土
質データと、データベースメモリ６０内に記憶された断
面推定図データとが一致するか否かを判断する。そして
、両者が一致しない場合には、データベースメモリ６０
内に記憶された断面推定図データおよび掘削管理条件を
、検出された土質データに基づき補正演算する。

例えば、データベースメモリ６０に記憶された断面推定
図データには、ポーリング調査により検出できない砂礫
層１４０．細砂層１４２は記載されていない。・しかし
、本発明では、シールド掘進機Ｓが、細砂層１４２．砂
礫層１４０にさしかかると、切羽前方探査回路５０によ
りこれらの層が検出される。そして、補正演算部５２は
、データベースメモリ６０に記憶されている断面推定図
データおよびその掘削管理条件を、検出された細砂層１
４２．砂礫層１４０に合゛うように補正演算する。

また、シールド掘進機Ｓが、各分割区間の境界領域にさ
しかかると、この境界領域では、第１４図中１点鎖線で
示す推定断面図データと、実線で示す実際の土層とか位
置的にずれることが多い。

このような場合でも、切羽前方探査回路５０は、実際の
土質と断面推定図データとのずれを検出する。そして、
補正演算部５２は、実際の土質に合せてデータベースメ
モリ６０に記憶された断面推定図データおよび掘削管理
条件を補正演算する。

このように、本発明によればデータベースメモリ６０に
記憶された断面推定図データと、実際の土質が異なる場
合でも、これをリアルタイムで検出し実際の土質にあっ
た掘削管理条件を補正演算することかできる。

次に、実施例のシステムは、シールド掘進機Ｓが実際に
掘削する土砂取込み量を以下に詳述するよう検出する。

そして、この検出値が補正演算された理論的な掘削土量
と一致するよう、前記掘削管理条件に基づき各種被制御
機器８４をフィードバック制御する まず、実施例の超音波センサ３０ａ、３０ｂは、後述す
るＡＩ集中管理部８２により交互に駆動され、その出力
信号を泥水状態演算部７０へ向け出力している。

泥水状態演算部７０は、速度演算部７２と、密度演算部
７４とを含み、各超音波センサ３０ａ。

３０ｂから人力される信号に基づき、注水パイプコロ、
排水パイプ１８内を流れる泥水の速度Ｖおよび密度ρを
演算し土量演算部７８へ向け出力する。

これにおいて、前記速度演算部７２は、超音波センサ３
０を構成する各超音波送受信機３２゜３４への人出力信
号に基づき、一方の送受信機３２から他方の送受信機３
４への超音波伝搬時間ｔ１と逆方向への超音波伝搬時間
ｔ２とを求め、このようにして求めた各伝搬時間ｔＩ＋
　　ｔ２を前記第３式に代入することにより泥水１００
の流速Ｖを演算出力する。

また、前記密度演算部７４は、各超音波センサ３０を構
成する一対の超音波送受信機３２．３４間において送受
信される超音波の減衰量を測定し、この減衰量をデータ
ベースメモリ６０内に記憶されている減衰量テーブルと
照合することにより、泥水１．００の密度ρを演算し、
土量演算部７８へ向け出力する。このとき、前記密度演
算部７４は、切羽前方探査回路５０より検出された切羽
の土質に関する減衰量テーブルを、データベースメモリ
６０から読み出し、泥水密度ρの演算を行なうため、泥
水密度演算を正確に行うことができる。

土量演算部７８は、速度演算部７２から入力される泥水
１００の流速Ｖを用いて、前記第４式の演算を行い　さ
らに前記第５式に基づき泥水１００の流量Ｑを演算する
。そして、このようして求めた流量Ｑと、密度演算部７
４から出力される泥水密度ρに基づき、注水パイプ１６
および排出パイプ１８内を流れる泥水の土量をそれぞれ
演算する。

そして、データベースメモリ６０内に各分割区間毎に記
憶された地盤調査データ、注水パイプ１６、排水パイプ
１８内を流れる泥水の土量に基づき、シールドチャンバ
ー１４内に取込まれる掘削土量（切羽２２から取込まれ
る乾砂量）をリアルタイムで演算しＡＩ集中管理部８２
へ向け出力する。このとき、土量演算部７８は、補正演
算部５２により補正演算された断面推定図データおよび
掘削管理条件に基づき掘削土量の演算を行っているため
、その土量演算をより正確に行うことかできる。

また、実施例の各ＲＩセンサ４０，４０・・・は、ＡＩ
集中管理部３２により順次駆動され、その出力信号をＲ
Ｉ密度演算部７６へ向け出力する。

前記データベースメモリ６０には、前記Ｒ１センサ４０
の第１０図に示すようなφ、ρとの関係がインプットさ
れている。そして、Ｒ１密度演算７６は、ＲＩセンサ４
０のシンチレーションカウンタ４６から出力されるガン
マ線束φの値に基づき、シールドチャンバー１４内の泥
水密度ρを演算する。そして、演算された泥水密度は、
密度分布解析部８０へ向け出力される。

このとき、前記ＲＩ密度演算部７６は、切羽前方探査回
路５０により検出された切羽の土質に関するデータを、
データベースメモリ６０から読み出すため、シールドチ
ャンバー内の泥水密度ρを正確に演算することかできる
。

密度分布解析部８０は、このようにしてＲ１密度演算部
７６から出力される信号に基づき、シールドチャンバー
１４内における密度分布を解析し、この解析結果をＡＩ
集中管理部８２へ向け出力する。

ＡＩ集中管理部８２は、密度分布が均一となるように、
アジテータの回転数を制御し、チャンバ１４内において
土砂と泥水が均一に撹拌されるように制御する。

これにより、土量演算部７８は、切羽２２から取込まれ
た土砂の掘削土量を常に正確に演算出力することができ
る。

そして、ＡＩ集中管理部８２は、補正演算された掘削管
理条件に基づき、演算される実際の掘削土量と、補正演
算された理論的な掘削土量とが一致するよう各種被制御
機器８４をフィードバック制御する。この場合には、例
えばジヤツキスピードを制御し、シールド掘進機自体の
掘進速度を制御すると共に、カッター２０の回転数、カ
ッター２０に設けられた図示しないスリット開度等を制
御すればよい。このようにして、本実施例によれば、デ
ータベースメモリ６０内に記憶された断面推定図データ
と、実際の土質との間にずれがある場合でも、これをリ
アルタイムで正確に補正し、土砂の掘削量と、シールド
掘進機の掘進速度とが良好にバランスするよう各種被制
御機器８４の掘削制御を行うことができる。

また、ＡＩ集中管理部８２は、補正演算された断面推定
図データおよび掘削管理条件に基づき、切羽２２が安定
するよう注水パイプ１６を用いて供給する泥水１００の
流量および密度を制御する。

これに加えて、本発明によれば、超音波センサ３０から
の検出信号に基づき切羽２２からの土砂取込量をリアル
タイムでかつ正確に演算することがてきるため、掘削す
る切羽２２の土層変化に迅速に対応し、良好な掘削管理
を行うことができる。

さらに、本発明によば、ＲＩセンサ４０を用いてシール
ドチャンバー４０内の泥水密度分布を測定し、この密度
分布が均一となるようアジテータ等を制御している。従
って、大口径のシールドチャンバーであっても、チャン
バー内の密度分布が不均一となることはなく、これによ
り超音波センサ３０を用いた土砂取込量の演算をより正
確に行うことかできる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施か可能である。

例えば、本発明において制御される掘削管理条件として
は、前記実施例に限定されるものではなく、これ以外に
必要に応じて各種の条件を設定することかでき、例えば
シールドチャンバー１４内へ安定剤を供給し、切羽の安
定を図る場合には、この安定剤の投入量を掘削管理条件
の１つのと加えてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、データベースメモ
リに記憶された地盤調査データと、その掘削管理条件と
を、切羽の実際の土質に合せて補正演算することにより
、前記地盤調査データに現れない土層の変化に迅速に対
応し、安定した切羽の掘削を行うことができるという効
果がある。

特に、本発明によれば、超音波センサを用い、土層か変
化に迅速に対応して掘削土量をほぼリアルタイムで検出
てきるため、補正演算された掘削管理条件に基づき、各
種被制御機器を迅速にフィードバック制御し、良好な掘
削管理を行うことができる。

これに加えて、本発明によればシールドチャンバー内の
泥水密度分布を多点測定し、その密度分布は均一となる
ように制御できるため、シールド断面が大きな場合でも
、また切羽の土層が変化するような場合でも、常に正確
に掘削土量の演算を行ないながら、掘削制御を行うこと
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる泥水式シールド掘進装置の制
御回路システムの好適な一例を示すブロック回路図、 第２図は、本実施例の泥水式シールド掘進装置の側断面
概略説明図、 第３図は、第２図に示すシールド掘進装置に設けられた
前方探査装置の原理説明図、 第４図は、第３図に示す受信機から出力される受信波形
の説明図、 第５図は、第４図に示す受信波形中に含まれる表面伝播
波の伝播時間と伝播媒体との関係を示す波形説明図、 第６図は、前記表面伝播波の減衰特性と伝播媒質との関
係を示す説明図、 第７図は、第２図に示す掘進装置の排水パイプに設けら
れた超音波センサの説明図であり、同図（Ａ）はその横
断面概略図、同図（Ｂ）は縦断面概略図、 第８図は、前記超音波センサを用いて送受波される超音
波パルスの波形図であり、同図（Ａ）は泥水へ向け送信
される超音波パルスの説明図、同図（Ｂ）は泥水内で減
衰される超音波の波形説明図、 第９図、第１０図は、泥水密度と超音波減衰率との相関
関係の一例を示す説明図、 第１１図は、本実施例において用いられるＲＩセンサの
基本的な構成を示す説明図、 第１２図は、本実施例に用いられるＲＩセンサの原理説
明図、 第１３図は、前記Ｒ１センサを用いて測定したガンマ線
束φと泥水密度ρとの関係を示す説明図、第１４図は、
泥水式シールド掘進装置を用いて掘削される土層の断面
概略説明図である。 １０・・・シールド、 １４・・・シールドチャンバー １６・・・注水パイプ、１８・・・排水パイプ、２２・
・・切羽、２４・・・送信機、２６・・・受信機、３０
ａ・・・第１の超音波センサ、 ３０ｂ・・・第２の超音波センサ、 ４０・・・Ｒ１センサ、５０・・・前方探査回路、５２
・・・補正演算回路、 ６０・・・データベースメモリ、 ７０・・・泥水状態演算部、 ７６・・・Ｒ１密度演算部、 ７８・・・土量密度演算部、 ８０・・密度分布演算部、 部、Ｓ・・シールド掘進機、 ・・・トンネル掘削経路。 ８２・・・ＡＩ集中管理 Ｔ・・トンネル、Ｔａ 代理人　弁理士　布　施　行　夫（他２名）第 図 第 図 ＩＭＥ 第 図 土質による減衰度 第 図 第 図 （Ａ） （Ｂ） ５０ｂ（３０ａ） 第 図 ２．５ ７．５ １２．５ 一−◆濃度 （ｗｔ ％） カオリンの超音波減衰、特性 第 １゜ 図 ２゜ ３゜ □濃度 （ｗｔ ％） 石灰および石膏の超音波減衰特性 第 図 ４２ケ シンク 凹Ｒ１センサ 第 図 第 図 土砂の密度

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シールドチャンバーへ注水する注水パイプと、 シールドチャンバーに取込まれスラリー化された土砂を
   排出する排水パイプと、 を含む泥水式シールド掘進装置において、 トンネル掘削経路に沿って予め測定された地盤調査デー
   タと、前記地盤調査データに基づき掘進速度と掘削土量
   とがバランスするよう設定された掘削管理条件と、泥水
   の密度とこの泥水内を伝搬する超音波の減衰量との関係
   を示す減衰量テーブルとが記憶されたデータベースメモ
   リと、 切羽前方に向けパルス状の電波を送受波し切羽の土質を
   検出する前方探査手段と、 前記前方探査手段により検出された切羽の土質に基づき
   、前記データベースメモリに記憶された地盤調査データ
   及び掘削管理条件を補正する補正演算手段と、 前記注水パイプに設けられ、このパイプ内を流れる泥水
   の流動方向に対し所定角度で超音波を送受波する第１の
   超音波センサと、 前記シールドチャンバーに近接してシールドチャンバー
   に設けられ、このパイプ内を流れる泥水の流動方向に対
   し所定角度で超音波を送受波する第２の超音波センサと
   、 前記各超音波センサの送受信タイミングおよび超音波減
   衰量と、補正演算された地盤調査データと、前記データ
   ベースメモリに記憶された減衰量テーブルとに基づき、
   シールドチャンバー内に取り込まれた掘削土量を演算す
   る掘削土量演算手段と、 演算された掘削土量、補正演算された前記掘削管理条件
   に基づき、切羽の掘削制御を行う掘削制御手段と、 を含むことを特徴とする泥水式シールド掘進装置。
2. （２）請求項（１）において、 前記掘削土量演算手段は、 前記各超音波センサの送受信タイミングおよび超音波減
   衰量と、検出された切羽の土質と、前記データベースメ
   モリに記憶された減衰量テーブルとに基づき、各パイプ
   内を流れる泥水の流速および密度を演算する泥水状態演
   算部と、 各パイプ内を流れる泥水の流速および密度と、前記補正
   演算された地盤調査データとに基づき、シールドチャン
   バー内に取り込まれた掘削土量を演算する土量演算部と
   、 を含むことを特徴とする泥水式シールド掘進装置。
3. （３）請求項（１）（２）のいずれかにおいて、前記シ
   ールドチャンバー内の泥水密度分布を測定する密度分布
   測定手段を含み、 前記掘削制御部は、測定された泥水密度分布が均一にな
   るようシールドチャンバー内のアジテータを駆動制御す
   ることを特徴とする泥水式シールド掘進装置。