JPH06212881A - 土圧式シールドの土圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 オペレーターの判断を要することなく切羽土
圧を設定圧に安定にかつ容易に制御することができると
ともにシールド機の掘進施工能率を向上する。 【構成】 土圧式シールド機において、スクリューコン
ベア６の回転数を制御するのみでは切羽の土圧制御が不
可能と判定されたときに、各検出器２５〜２８で検出し
たスクリューコンベア６、シールドジャッキ５および排
土調整装置７の動作状況結果からエキスパートシステム
により、シールドジャッキ５の推進速度および／または
排土調整装置７の排土量に対する制御量を推論し、この
制御量に応じて推進速度および／または排土量をコント
ロールすることで切羽の土圧を設定土圧に略一致するよ
う制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土圧式シールドの土圧
制御装置に係り、特に、切羽の土圧を地山などの条件に
応じて設定した土圧に保持するための土圧制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】土圧式シールド工法は、主として、軟弱
地盤を対象として使用されるトンネル工法であり、シー
ルド本体の先端部に設けたカッタディスクを回転させな
がら、シールド本体をシールドジャッキにより推進さ
せ、カッタディスクにより切削される土砂をカッタチャ
ンバ内に充満状態に滞留させながら、スクリューコンベ
アにより連続的に排土することで地中を掘進する。

【０００３】ところで、上述のような土圧式シールド工
法において、切羽の安定化、地盤の変状防止および施工
の安全性を図る上で最も重要なことは、カッタチャンバ
内の土圧を地山条件に応じて設定した管理土圧に保持す
ることである。従来、カッタチャンバ内の土圧を管理土
圧に保持する場合は、主に、シールドジャッキの推力お
よびスクリューコンベアの土砂排出部のゲート開度を地
山条件に応じた所定の値に設定した状態で、センサによ
り検出されたカッタチャンバ内土圧と設定土圧（管理土
圧）との偏差を基にスクリューコンベアの回転数を比例
動作あるいは比例積分動作により制御することで設定土
圧を確保するようにしていた。また、スクリューコンベ
アの回転数を制御するだけでは設定土圧を維持できない
場合は、オペレータのマニアル操作でシールドジャッキ
の推進力あるいはスクリューコンベアの排土開口である
ゲートの開度を調節し、これによりカッタチャンバ内の
土圧を設定土圧に維持するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の土圧制御方式では、スクリューコンベアの
回転数を比例動作あるいは比例積分動作により制御して
設定土圧を確保することを主眼にしているため、シール
ドジャッキの推進速度を上げて施工能率を上げた場合に
は、設定土圧が維持できなくなり、その結果、地盤に変
状を来たしたり、施工の安全性に支障を来たすおそれが
ある。また、このような設定土圧の制御不能が生じた後
の土圧制御に際しては、オペレータによる高度で複雑な
判断が必要になってくるため、熟練した専門のオペレー
タが必要になり、オペレータへの負担も増大するほか、
土圧制御に個人差が生じて安定した土圧制御が望めなく
なり、しかも施工能率も低いという問題があった。本発
明は、上述のような事情に鑑みなされたものであり、オ
ペレータの判断を要することなく切羽土圧を設定土圧に
安定にかつ容易に制御することができるとともに、掘進
施工能率を向上することができる土圧式シールドの土圧
制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、先端にカッタチャンバを有するシールド本
体と、前記シールド本体を地山の切羽に向けて推進させ
るシールドジャッキと、前記カッタチャンバの前端面に
設けられ、駆動手段により回転駆動されるカッタと、前
記カッタを回転させながら前記シールド本体を推進させ
ることにより前記カッタで切削される土砂を前記カッタ
チャンバ内に充満状態に滞留させて切羽保持用の土圧を
発生させるとともに切削土砂をカッタチャンバ外へ排出
するスクリューコンベアと、前記スクリューコンベアを
回転駆動する駆動手段と、前記スクリューコンベアによ
り排出される切削土砂の排出量を調整する排土調整手段
と、前記カッタチャンバ内に充満状態に滞留される切削
土砂の土圧を検出する土圧検出手段と、前記シールドジ
ャッキの推進速度を検出する推進速度検出手段と、前記
スクリューコンベアの回転速度を検出する回転速度検出
手段と、前記カッタのトルクを検出するカッタトルク検
出手段と、前記スクリューコンベアのトルクを検出する
スクリュートルク検出手段と、前記土圧検出手段で検出
された土圧と地山条件に応じて設定した設定土圧とに基
づいて両土圧の偏差が略一致するように前記スクリュー
駆動手段により前記スクリューコンベアの回転数を制御
する第１の制御手段と、前記スクリューコンベアの回転
数を制御するのみでは前記カッタチャンバ内土圧を設定
土圧に維持できないと判定されたときに、その判定結果
と前記推進速度検出手段、スクリュー回転速度検出手
段、カッタトルク検出手段およびスクリュートルク検出
手段の検出結果を見て必要なルールを起動することによ
り前記シールドジャッキの推進速度及び前記排土調整手
段の排土量の少なくとも一方の制御量を推論するエキス
パートシステムと、前記エキスパートシステムによる推
論結果から得られる制御量を基に前記シールドジャッキ
の推進速度および／または排土調整手段の開度を増減し
てカッタチャンバ内土圧が設定土圧に略一致するように
制御する第２の制御手段とを備えたことを特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明による土圧式シールドの土圧制御装
置の一実施例を示す全体の構成図、図２はシールド機の
概略構成図である。

【０００７】まず、図２において、１はシールド機であ
り、このシールド機１は、円筒状のシールド本体２と、
このシールド本体２の先端部に回転可能に設けたカッタ
３と、このカッタ３の後部に形成され、切削された土砂
を充満状態に滞留させるチャンバ４と、シールド本体２
を推進させる複数のシールドジャッキ５と、チャンバ４
内の土砂を排出するスクリューコンベア６とを備え、こ
のスクリューコンベア６の開口部には、その開口率を制
御するスルースゲート方式の排土調整装置７が設けられ
ている。また、チャンバ４内には、充満される土砂の土
圧を検出する土圧センサ８が複数個設置されている。

【０００８】また、９はカッタ３を正、逆方向に回転駆
動するカッタ駆動装置であり、このカッタ駆動装置９は
油圧モータから構成され、この油圧モータは、不図示の
油圧回路により制御される。１０はスクリューコンベア
６を駆動するスクリュー駆動装置であり、このスクリュ
ー駆動装置１０は油圧モータから構成され、この油圧モ
ータは、不図示の油圧回路により制御される。１１はカ
ッタチャンバ４内に泥しょうを注入する泥しょう注入ポ
ンプユニットであり、この泥しょう注入ポンプ１１によ
る泥しょうは注入パイプ１１ａを通してカッタチャンバ
４内に注入され、チャンバ４およびスクリューコンベア
６内での土砂の緻密性を高めて切羽の安定性を高めると
ともに、掘削土砂の移動をスムーズにする。

【０００９】次に、図１のブロック図を参照して土圧制
御装置の構成について説明する。土圧制御装置２０は、
コンピュータから構成されるもので、スクリューコンベ
ア６の回転数制御による設置土圧保持が不能と判定され
たときに、スクリューコンベア６の回転数制御に代えて
シールドジャッキ５の推進速度および排土調整装置での
排土量を調整することにより設定土圧を維持できるよう
に、それぞれの制御量を推論する推論機構２１、制御量
を推論するための各種ルールを蓄積する知識ベース２
２、スクリューコンベア６を制御する第１の制御部２３
およびシールドジャッキ５と排土調整装置７を制御する
第２の制御部２４を備える。なお、推論機構２１および
知識ベース２２はエキスパートシステムを構成する。

【００１０】前記推論機構２１には、シールドジャッキ
５の推進速度を検出する推進速度検出器２５の検出結
果、スクリューコンベア６の回転数を検出する回転速度
検出器２６の検出結果、カッタ３のトルクを検出するカ
ッタトルク検出器２７の検出結果、スクリューコンベア
６のトルクを検出するスクリュートルク検出器２８の検
出結果、第１の制御部２３においてスクリューコンベア
６の回転数制御では設定土圧保持が不能と判定されたと
きの判定情報および第２の制御部２４で判定された土圧
判定情報がそれぞれ入力される。知識ベース２２には、
推論機構２１に入力される各種の検出結果、状態および
判定情報に応じて設定土圧を保持するための制御量を推
論する各種のルールが格納されている。第１の制御部２
３は、地山条件に応じて予め設定した設定土圧（管理土
圧）と各土圧センサ８で検出した土圧の平均値（以下単
に土圧という）とを比較し、その偏差を制御量としてス
クリュー駆動用の油圧制御回路２９に出力される。油圧
制御回路２９には、これからの信号によって制御される
油圧回路３０が接結され、油圧回路３０には、スクリュ
ー駆動装置（油圧モータ）１０が接続されている。

【００１１】第２の制御部２４は、推論機構２１から出
力される制御量に応じてシールドジャッキの推進速度お
よび排土調整装置７の排土量を制御するもので、この第
２の制御部２４には、土圧センサ８の検出結果および設
定土圧が入力されるようになっているとともに、シール
ドジャッキ５の油圧制御回路３１および排土調整装置７
の油圧制御回路３２がそれぞれ接続されており、さら
に、油圧制御回路３１には、その出力信号によりシール
ドジャッキ５への作動油の供給をコントロールする油圧
回路３３が接続され、また、油圧回路３２には、その出
力信号により排土調整装置７の開度調整用スルースゲー
トの油圧シリンダ７ａへの作動油の供給をコントロール
する油圧回路３４が接続されている。

【００１２】次に、上記のように構成された本実施例の
動作について説明する。土圧式シールド工法による地山
への掘進に際しては、まず、坑内に設置された制御盤
（不図示）上で、地山、施工などの条件に応じて論理土
圧を設定し、さらに論理土圧に応じたシールドジャッキ
５の推進速度、スクリューコンベア６の回転速度および
排土調整装置７の排土量を設定する。かかる状態で、シ
ールド機１をシールドジャッキ５により推進させるとと
もにカッタ３を駆動装置９により所定の速度で回転さ
せ、さらにスクリューコンベア６を駆動装置１０により
設定速度で回転駆動し、排土調整装置７の排土用開度を
設定値に調整する。

【００１３】この状態でシールド機１が推進されると、
カッタ３により切削される切羽の土砂はカッタチャンバ
４内に充満状態に滞留されるとともに、この充満状態を
維持しながらカッタチャンバ４内の土砂をスクリューコ
ンベア６により、カッタチャンバ４外へ排土調整装置７
を通して排土する。この時、第１の制御部２３は、土圧
センサ８で検出された土圧、論理土圧および掘削土量を
基に実際の管理土圧を修正し、これを設定土圧とする。
そして、この設定土圧にカッタチャンバ４内の土圧が許
容範囲内に入るように、第１の制御部２３においてスク
リューコンベア６の回転数制御量を比例積分動作により
算出し、この算出した制御量を基に油圧制御回路２９に
より油圧回路３０からスクリュー駆動装置（油圧モー
タ）１０に供給される作動油をコントロールする。これ
により、スクリューコンベア６の回転数を調整して、カ
ッタチャンバ４内の土圧を設定土圧の許容範囲内に保
ち、切羽の安定化を図る。

【００１４】上述するスクリューコンベア６の回転数に
より、カッタチャンバ内土圧を設定土圧に保持する制御
状態において、第１の制御手段２３がスクリューの回転
数を制御するのみでは、カッタチャンバ内土圧を設定土
圧にコントロールできないと判断すると、この判定情報
は推論機構２１に取り込まれる。この推論機構２１で
は、上記判定情報と、ジャッキ推進速度検出器２５、ス
クリュー回転速度検出器２６、カッタトルク検出器２７
およびスクリュートルク検出器２８の各検出結果を見て
知識ベース２２内の必要なルールを起動し、このルール
を基にして、カッタチャンバ内土圧を設定土圧に維持す
るためのシールドジャッキ５の推進速度および／または
排土調整装置７の排土量をコントロールするのに必要な
制御量を推論する。そして、この推論結果から得られた
制御量データを第２の制御部２４に出力する。第２の制
御部２４では、推論機構２１から出力される制御量デー
タに基づいて、土圧センサ８で検出されたカッタチャン
バ内土圧が設定土圧となるようにシールドジャッキ５の
推進速度を増減制御したり、排土調整装置７のスルース
ゲート調整用油圧シリンダ７ａを駆動して排土調整装置
７の開口度を増減制御する。

【００１５】例えば、カッタチャンバ内土圧が設定土圧
により上昇し続け、スクリューコンベア６の回転数を調
整可能範囲の上限値まで調整しても、カッタチャンバ内
土圧を設定土圧に制御することができないと判断された
場合には、推論機構２１は現在の状況を見て必要なルー
ルを起動し、シールドジャッキ５の推進速度を遅くする
ように推論して、該推論結果に対応する推進速度の制御
量を第２の制御部２４に対し出力する。また、掘進施工
能率を大幅に下げることなく別のルールを順次起動し
て、シールドジャッキ５の推進速度を遅くしても、カッ
タチャンバ内土圧を設定土圧に制御することができない
と判断された場合は、さらに別のルールを起動して、排
土調整装置７のゲート開度を大きくする制御量を求め、
これによりスクリューコンベア６による排土量を多くし
て、カッタチャンバ内土圧を設定土圧の許容範囲内に制
御する。

【００１６】上述のような本実施例においては、スクリ
ューコンベア６の回転数を制御して、カッタチャンバ内
土圧を設定土圧の許容範囲内に入るようにし、そして、
スクリューコンベアの回転数を制御するのみでは、カッ
タチャンバ内土圧を設定土圧に制御できないと判断され
たときは、知識ベース２２および推論機構２１からなる
エキスパートシステムを利用してシールドジャッキの推
進速度および排土調整装置７の排土量を調整するゲート
開度を推論し、この推論結果に基づきジャッキ推進速度
および排土量の一方または両方を自動的に増減制御し
て、カッタチャンバ内土圧を設定土圧にコントロールす
る構成にしたので、従来のようにオペレータの判断によ
る調整操作が不要になり、切羽土圧を設定土圧に安定に
かつ容易に自動制御することができるとともに、施工の
安全性を確保できる。また、ジャッキ推進速度およびス
クリューコンベアによる排土量をも自動的に制御するこ
とにより、シールドジャッキの推進速度をそれ程下げな
くとも切羽の土圧を滑らかにコントロールすることがで
き、これに伴いシールド機の掘進施工能率を向上するこ
とができる。

【００１７】なお、本発明の土圧制御方式は、上記実施
例で述べた方式のものに限定されず、請求項に記載した
範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
クリューコンベアの回転数により切羽の土圧を制御して
いるときに、その土圧の制御がスクリューコンベアの回
転数のみでは不可能と判定されたときは、現在のスクリ
ューコンベア、シールドジャッキおよび排土調整手段の
動作状況からエキスパートシステムにより、シールドジ
ャッキの推進速度および／または排土調整手段の排土量
に対する制御量を推論し、この制御量に応じてシールド
ジャッキの推進速度および／または排土調整手段の排土
量をコントロールすることにより、切羽の土圧を制御す
る構成にしたので、オペレータの判断を要することなく
切羽土圧を設定土圧を安定にかつ容易に制御することが
できるとともに、シールド機の掘進施工能率を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による土圧式シールドの土圧制御装置の
一実施例を示す全体の構成図である。

【図２】本実施例の土圧制御装置を適用した土圧式シー
ルド機の概略断面図である。

【符号の説明】

１ シールド機 ２ シールド本体 ３ カッタ ４ カッタチャンバ ５ シールドジャッキ ６ スクリューコンベア ７ 排土調整装置 ８ 土圧センサ（土圧検出手段） ９ カッタ駆動装置 １０ スクリュー駆動装置 ２０ 土圧制御装置 ２１ 推論機構 ２２ 知識ベース ２３ 第１の制御部 ２４ 第２の制御部 ２５ 推進速度検出器 ２６ スクリュー回転速度検出器 ２７ カッタトルク検出器 ２８ スクリュートルク検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端にカッタチャンバを有するシールド
   本体と、 前記シールド本体を地山の切羽に向けて推進させるシー
   ルドジャッキと、 前記カッタチャンバの前端面に設けられ、駆動手段によ
   り回転駆動されるカッタと、 前記カッタを回転させながら前記シールド本体を推進さ
   せることにより前記カッタで切削される土砂を前記カッ
   タチャンバ内に充満状態に滞留させて切羽保持用の土圧
   を発生させるとともに切削土砂をカッタチャンバ外へ排
   出するスクリューコンベアと、 前記スクリューコンベアを回転駆動する駆動手段と、 前記スクリューコンベアにより排出される切削土砂の排
   出量を調整する排土調整手段と、 前記カッタチャンバ内に充満状態に滞留される切削土砂
   の土圧を検出する土圧検出手段と、 前記シールドジャッキの推進速度を検出する推進速度検
   出手段と、 前記スクリューコンベアの回転速度を検出する回転速度
   検出手段と、 前記カッタのトルクを検出するカッタトルク検出手段
   と、 前記スクリューコンベアのトルクを検出するスクリュー
   トルク検出手段と、 前記土圧検出手段で検出された土圧と地山条件に応じて
   設定した設定土圧とに基づいて両土圧の偏差が略一致す
   るように前記スクリュー駆動手段により前記スクリュー
   コンベアの回転数を制御する第１の制御手段と、 前記スクリューコンベアの回転数を制御するのみでは前
   記カッタチャンバ内土圧を設定土圧に維持できないと判
   定されたときに、その判定結果と前記推進速度検出手
   段、スクリュー回転速度検出手段、カッタトルク検出手
   段およびスクリュートルク検出手段の検出結果を見て必
   要なルールを起動することにより前記シールドジャッキ
   の推進速度及び前記排土調整手段の排土量の少なくとも
   一方の制御量を推論するエキスパートシステムと、 前記エキスパートシステムによる推論結果から得られる
   制御量を基に前記シールドジャッキの推進速度および／
   または排土調整手段の開度を増減してカッタチャンバ内
   土圧が設定土圧に略一致するように制御する第２の制御
   手段と、 を備えたことを特徴とする土圧式シールドの土圧制御装
   置。