JPH0694790B2

JPH0694790B2 - 土圧式シールド機の掘進管理方法

Info

Publication number: JPH0694790B2
Application number: JP62303659A
Authority: JP
Inventors: 豊加島; 紀夫近藤
Original assignee: 大豊建設株式会社
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH01146098A

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土圧
式シールド機の掘進管理方法に関する。

（従来技術およびその問題点）従来のブラインドシールドおよび土圧系シールドにおい
て、掘削土量と排土量とを一致させる掘進管理の方法と
しては、例えば土圧系シールドにおいては排土装置とし
てのスクリューコンベアの回転数を測定し、その回転数
から排出土砂の量を想定する方法や、スクリューコンベ
アから排出された排土を、ズリトロに受けてズリトロと
排土の合計重量を測定することで排土の重量を測定する
方法等で行なわれている。

しかしながら、スクリューコンベアの回転数から想定す
る方法では、土質や排土の性状、すなわちスランプ、含
水比等によって排土効率が異なることから、多種多様な
土質条件下では確実なものとは言えないという問題点が
あった。

また、ズリトロに積んだ排土の重量を測定する方法も不
正確であり、さらに掘削時より相当遅れた後追いの測定
となり、結果として掘削土と排土との量を確認するだけ
であるという問題点があった。

（問題点を解決するための手段）本発明は、これらの問題点を解決するものであって、ブ
ラインドシールドおよび土圧系シールドの掘進において
掘進中に常時排土量とその排土の比重および／もしくは
含水比を正確に把握でき、確実な排土量管理すなわち掘
進管理を可能にして、地表面や地中の沈下を最小限にす
る土圧式シールド機の掘進管理方法を提供することを目
的としている。

本発明は、上記目的を達成するために下記の構成を採用
している。

シールド機が掘進して通過する付近の地山の土砂の密度
および含水比を予めボーリング等の土質調査で計測する
とともに、これらの計測した密度および含水比と、地山
を掘進する土圧式シールド機の掘進速度を検出してこの
掘進速度とから単位時間当りの掘削土重量を算出し、か
つ前記シールド機の前部の切羽室に接続されたスクリュ
ーコンベアまたはスクリューコンベアに接続された排土
管にラジオアイソトープを用いた密度および／もしくは
含水比を測定する密度・含水比測定器と排土の流量を測
定する流量測定器によって排土の密度および含水比、排
土の流量を測定して単位時間当りの排土重量を算出し、
この排土重量と前記掘削土重量とが等しくなるようにシ
ールドジャッキによるシールド機の掘進速度と前記スク
リューコンベアの回転速度とを制御して掘進することを
特徴とした土圧式シールド機の掘進管理方法。

（作用）本発明では、まず、予め土質調査を行い密度、含水比を
計測しておく。そして、シールド機の排土装置または排
土装置に接続された排土管に、管内を通過する排土の密
度および／もしくは含水比を測定する密度・含水比測定
器と排土の流速を測定する流量測定器とを設けておき、
これらの密度・含水比測定器および流量測定器で検出さ
れた排土の密度および／もしくは含水比と流量、上記予
め求めた測定値とから、常時単位時間当りの排土重量が
測定され、排土重量と単位時間当りの掘削土重量とを一
致させるべくシールド機の掘進が管理される。

（実施例）以下、図面に沿って本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例に用いられる土圧系シール
ド機１の縦断面図であり、本シールド機１の回転カッタ
ー２で切羽３を掘削し、その掘削土砂４を切羽室５内に
充満させて、主に掘削土砂４や機内から注入した添加材
との混合体で切羽３を保持するとともに、掘削土量に見
合った排土６を例えばスクリューコンベアの如き排土装
置７を介して排土させながら掘進している。

なお、８は回転カッターモータ、９はスクリューコンベ
アモータであり、10は略円筒状に構築されるセグメント
で、地山Ｇとセグメント10との間隙には裏込材11の如き
充填物が充填されている。

また、排土装置７の後方に排土管12を設けるとともに、
排土管12には管内を通過する排土６の密度および／もし
くは含水比を測定する密度・含水比測定器13と排土の流
速を測定する流量測定器14とが付設され、密度・含水比
測定器13にはケーブル15aが接続され、流速測定器には
ケーブル15bが接続されている。

なお、この実施例において具体的に排土管12は、排土装
置を構成する例えば円筒状のケーシング７′の後方に連
設され、このケーシング７′の外周部であって好ましく
は排土装置７の後方の近傍に密度・含水比測定器13が設
けられている。

さらに、16はズリトロで排土６を搭載して搬出するもの
である。

第２図ないし第４図において本発明の一実施例である密
度・含水比測定器13について説明する。

第２図は密度・含水比測定器13の縦断面図、第３図およ
び第４図は第２図のＡ−Ａ断面図である。

これらの図より密度・含水比測定器13は放射性同位体RI
（ラジオアイソトープ）を用いたもので、その内部に線
源17、線源移送管18、校正機構19、標準体20および検出
器21等が設けられている。

さらに、排土管12の周囲は遮蔽箱22で覆設されるととも
に、直接排土管12にも遮蔽箱22′が放射線を放射する線
源17と放射線量を測定する検出器21との近傍に周設され
ている。

なお、線源17には放射線を放射する放射性物質、例えば
密度測定用としてコバルト60（Co−60）や含水比測定用
としてカリフォルニウム252（Cf−252）等をステンレス
の円筒容器に入れてたものを用いている。

また、検出器21は、第１演算装置23、表示器24および第
２演算装置25とケーブル15a,26a,26a′を介して接続さ
れ、線源17と離間して対向配置されている。

さらに、上記実施例では測定器として、密度および含水
比両者を測定するものを例として説明したが、何れか一
方のみの測定で足りる場合には一方だけの測定手段を備
えたもので良いことは勿論である。

そして、線源17から放射された放射線Ｒは排土管12およ
び排土６中を通って検出器21に照射され、この時の放射
線量を測定することで排土６の密度や含水比が測定され
る。

しかし、放射性物質には通常半減期があり、時間の経過
とともに放射線量が減衰する性質をもっているが、上記
のコバルト60（Co−60）やカリフォルニウム252（Cf−2
52）は比較的半減期が短いため、一定の期間例えば１週
間に１回程度線源17の減衰度合を測定する必要がある。

本発明では、測定する対象が常に移動する排土管12内の
排土６であるため、詳しくは第４図に示す特別な校正機
構19を設けて行われる。

ここで、校正機構19は線源移送管18、線源移送モータ27
a,27b,滑車28a,28b、線源移送線29および標準体20等か
ら構成されている。

このような構成から、線源17の放射線量をチェックする
ために、線源17は線源移送管18の通常の測定位置から、
線源移送モータ27a,27aを適宜駆動させて線源移送線29
の巻き取りおよび巻き戻しを行ない、図中に示す標準体
20の付近に移動される。

そして、この位置で線源17から点線の矢印方向に放射線
Ｒが放射され、その下方に配置された標準体20を通過し
て放射線は検出器21に入力されるので、その時の放射線
量を予め測定しておき、時間の経過とともに同様な測定
をして比較することにより線源17の放射線の減衰を確認
することができる。

なお、標準体20は物理・化学的に性質が安定し、時間の
経過でほとんど変質しない物質、例えばアクリルやガラ
ス等で成形されている。

なお、校正を行なう頻度は線源17の放射線の強さによっ
て異なるが、線源17にコバルト60（Co−60）やカリフォ
ルニウム252（Cf−252）の合計線量が100マイクロキュ
ーリー以下のものを用いれば、法的な規制を受けず特別
な取扱い資格も不用であり、１週間に１回程度の校正で
十分である。

ここで、排土６の密度測定の原理を説明する。

排土の密度の測定にはコバルト60（Co−60）のガンマ線
を用いる。

ガンマ線と測定物質中に含まれる電子との相互作用に
は、光電効果、コンプトン効果および電子対生成等があ
るが、その中で主にコンプトン効果と呼ばれるものを使
用する。

コンプトン効果とは、ガンマ線が土中を通過する場合、
土中の電子と衝突してエネルギーの一部を土中の電子に
与え、自らは小さなエネルギーになる現象を言い、その
小さくなる割合は、途中で出会う電子の数に比例する。

また、電気的に中性の物質には、電子と同じ数の陽子が
含まれるとともに、同様に陽子の数と中性子の数との比
は多くの物質でほぼ一定の関係にあることから、中性子
密度も電子密度に比例しているとみなせる。

すなわち、物質の密度は、陽子密度と中性子密度を加え
たものであるから、電子の密度と物質の密度との関係を
利用して、ガンマ線の通過量から密度を求めることがで
きる。

一方、排土６の含水比の測定には、線源17としてカルフ
ォルニウム252（Cf−252）の中性子線を用いる。

この測定原理は、線源17と検出器21との間にある土中を
水素原子核以外の原子核に衝突をしながら、透過した速
中性子を検出するものである。

ここで、速中性子は、エネルギーが高いため、検出管で
そのまま検出することは不可能であり、その周りに減速
材（例えば、水素原子を多く含むアクリル樹脂）を配置
しておき、検出可能な熱中性子にまで減速させて測定す
る。

このようにすれば、物質中の水素原子核の密度を求める
ことができ、土中の水素はほとんど水（H₂O）の構成元
素として含まれていることから、水分の含有量すなわち
含水比を測定できる。

一方、第５図および第６図において、本発明の一実施例
である流量測定器14について説明する。

一般に流量測定に用いられている流量計は、電磁流量計
や超音波流量計等があるが、本実施例の流量測定器14と
しては、排土管12の直径に関係なく、しかも排土管12の
外面に取付けるだけで測定が可能な超音波式流量計が用
いられる。

流量測定器14の流速測定器30と接続される変換器31は、
超音波を発信する発信素子32と超音波を受信する受信素
子33との両方を内蔵して、超音波を電流に、または電流
を超音波に変換する。

また、流量測定器14は変換器31を移動させるガイド34お
よび移動ジャッキ35、この移動ジャッキの移動速度を検
出する速度検出器36、この速度検出器36および流速測定
器30から出力される電気信号を伝達するケーブル37a,37
b、それぞれのケーブル37a,37bの電気信号を入力し演算
することで真の排土流量を算出する第１演算装置23、算
出された真の流量を表示する表示計38および第２演算装
置25等から構成されている。

なお、第１演算装置23、表示計38および第２演算装置25
はケーブル26a,26a′を介して接続されている。

その測定原理は流速測定器30で発生させた電流を変換器
31内の発信素子32で超音波に変換し、発信された超音波
は排土管12の壁を通過し、排土６中の粒子、気泡あるい
は圧力境界面に当たると、反射して受信素子33に到達す
る。

この時、反射された超音波の周波数は排土６の流速に比
例して変化するため、発信周波数と受信周波数には差が
生じ、この周波数の差を流速測定器30で求めることによ
り、流速を測定できる。

ところが、管内を通過する排土６の流速V₁が非常に遅い
場合、例えばV₁＝0.1〜0.15m/sec以下になると、周波数
の差も極めて小さくなり、これを増巾して測定しても周
辺からのノイズ等の区別がつかなくなったり、計測誤差
も大きくなり、ほとんど測定できなくなる。

このような場合に、本流量測定器14は、第５図に示すよ
うに、変換器31に移動ジャッキ35を取付けてあり、これ
を排土６の流れの方向（第５図中の→方向）と反対方向
に適当な速度V₂で動かすことで、変換器31および流速測
定器30で計測する排土の相対速度V₃はV₃＝V₁＋V₂とな
る。

よって、変換器31の移動速度V₂は、第５図に示すように
電気的な速度検出器36を移動ジャッキ35と平行に取付け
て測定し、電気信号を第１演算装置23に入力する。同時
に流速測定器30で計測した相対速度V₃も同様電気信号で
第１演算装置23に入力し、この中で、V₁＝V₃−V₂の演算
を行なえば、精度の良い真の排土流速V₁を求めることが
できる。

なお、変換器31と排土管12との外面の間にはグリース等
を塗布して空気の層をなくすと、超音波が伝達しやす
く、また変換器31と当接する排土管12の部分を超音波の
通過しやすいエポキシ樹脂板等で製作するとなお良好で
あり、好適であるのはいうまでもない。

また、この変換器31の接する排土管の一部分を移動ジャ
ッキ35とともに可動できるような構造にしても良い。

さらに、排土の流速が充分大きい場合には、変換器31を
移動させる必要のないことは勿論である。

次に上述のように求められた排土６の密度・含水比と排
土６の速度とからシールド機１の掘進管理の方法の一例
を説明する。

ここで、シールド機１の掘進速度をV₄（m/min）、シー
ルド機１の掘削断面積をA₁（m²）および掘削地山Ｇの土
砂４の単位体積重量をγｓ（t/m³）とすると、単位時間
当り（毎分当り）の掘削土重量Ws（t/min）はWs＝V₄×A
₁×γｓで表わされる。

ここで、γｓはあらかじめボーリング等の土質試験で地
層毎に測定され、V₄はシールドジャッキ（図示しない）
の速度計より検出されて、かつA₁は既知であり変化しな
いものであるから、WsはV₄，A₁，γｓを第２演算装置25
に入力し、演算することで、常時、単位時間当りの掘削
土重量を計測できる。

さらに、排土重量Wdいついては、密度・含水比測定器13
で求められた排土６の密度γｄ（t/m³）と流量測定器14
で求められた流速V₁（m/min）と、排土管１入力の断面
積A₂（m²）とにより、単位時間当りの排土重量Wd（t/mi
n）はWd＝γｄ×V₁×A₂で表わされる。

A₂は既知であり変化しないものであるから、γd,A₁，A₂
を同様に第２演算装置25に入力し、演算することで単位
時間当りの排土重量を計測できる。

すなわち、それぞれ求められたWdとWsとを比較し、Wd＝
Wsとなるように排土装置７の回転速度と、シールドジャ
ッキの推進速度等を適宜調節することで掘進を管理すれ
ば、掘削土砂の取込み過ぎや、排土量の不測による地中
や地表面の変位および変形を最小限に抑えることがで
き、従来の土圧系シールドで不十分であった排土量の管
理を正確および確実に行なうことができる。

なお、排土６の固化が必要な場合に密度・含水比測定器
13の含水比のデータと排土の流量測定器14とのデータか
ら最も有効な固化剤の種類を選定し、かつ排土６の速度
に応じて無駄のない経済的な添加量を適宜決定し、例え
ばオートフィーダー等で固化剤を添加して混合攪拌する
ことで連続的な固化システムを作り上げることもでき
る。

このような固化システムによれば、従来から行なわれて
いる天日乾燥やバックホウによる混合、固化処理等のよ
うに広い用地の確保が不用となり、立坑用地内での経済
的な固化処理が可能となる。

第７図は実際の実施例を示し、排土装置７の後部側方に
排土管12が連設され、この排土管12に密度・含水比測定
器13および流量測定器14が設けられている。なお、排土
６は土砂圧送ポンプ41で坑外へ圧送される。また、坑内
には制御室40が設けられ、掘進管理が行なわれている。
なお、測定器の構成は上記実施例と同様である。

また、第８図（ａ），（ｂ）および（ｃ）には、他の実
施例として、密度、含水比測定器13および流量測定器14
の付設場所が示されている。

同図（ａ）において、排土６がベルトコンベア42によっ
て搬出される際に、排土装置７に夫々の測定器13,14が
付設されていてもよく、好ましくは切羽室５の近傍であ
ればなお良いことは勿論である。

また、同図（ｂ）において、排土装置７に２次スクリュ
ーコンベア43が連結されて排土６が搬出される際に、夫
々の測定器13,14が連結部近傍に付設されてもよい。

さらに同図（ｃ）において、排土６が排土管12および土
砂圧送ポンプ41を介し、接続される２次排土管44によっ
て搬出される際に、夫々の測定器13,14が２次排土管44
に付設されていてもよい。

また、本発明はブラインドシールドや泥土加圧、泥漿、
気泡、土圧バランス等と呼ばれるあらゆる土圧系シール
ド機等に適用できることはもちろんである。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、シールド機が掘進して通
過する付近の地山の土砂の密度および含水比を予めボー
リング等の土質調査で計測するとともに、これらの計測
した密度および含水比と、地山を掘進する土圧式シール
ド機の掘進速度を検出してこの掘進速度とから単位時間
当りの掘削土重量を算出し、かつ前記シールド機の前部
の切羽室に接続されたスクリューコンベアまたはスクリ
ューコンベアに接続された排土管にラジオアイソトープ
を用いた密度および／もしくは含水比を測定する密度・
含水比測定器と排土の流量を測定する流量測定器によっ
て排土の密度および含水比、排土の流量を測定して単位
時間当りの排土重量を算出し、この排土重量と前記掘削
土重量とが等しくなるようにシールドジャッキによるシ
ールド機の掘進速度と前記スクリューコンベアの回転速
度とを制御して掘進するようにし、掘進に先立って予め
土質調査を行って地山の土砂の密度、含水比を測定し、
この測定値と掘進速度とにより得た単位時間当りの掘削
土重量に対し、実際の密閉状態で搬送される排土の単位
時間当りの排土重量が等しくなるようにして掘進するよ
うにしたため、掘削土量と排土量とを一致させる正確な
掘進管理を行うことができる、という効果がある。

また、地山が本来軟弱土であるにも拘らず、その掘削土
が圧密状態でチャンバー内に取り込まれ、測定器による
測定が自然の状態と異なっても、本発明では事前の土質
調査を併用しているため、自然の状態を把握でき適切な
掘進管理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明の一実施例に用いられるシ
ールド機で、第１図はその縦断面図、第２図は密度・含
水比測定器の縦断面図、第３図および第４図は第２図の
Ａ−Ａ断面図、第５図は流速測定器の縦断面図、第６図
は第５図のＢ−Ｂ断面図、第７図および第８図は実際の
実施例を示す図である。１…シールド機、２…回転カッター、３…切羽、４…掘
削土砂、５…切羽室、６…排土、７…排土装置、７′…
ケーシング、８…回転カッターモータ、９…スクリュー
コンベアモータ、10…セグメント、11…裏込材、12…排
土管、13…密度・含水比測定器、14…流量測定器、15a,
15b…ケーブル、16…ズリトロ、17…線源、18…線源移
送管、19…校正機構、20…標準体、21…検出器、22,2
2′…遮蔽箱、23…第１演算装置、24…表示器、25…第
２演算装置、26a,26a′…ケーブル、27a,27b…線源移送
モータ、28a,28b…滑車、29…線源移送線、30…流速測
定器、31……変換器、32…発信素子、33…受信素子、34
…ガイド、35…移動ジャッキ、36…速度検出器、37a,37
b,37c,37d…ケーブル、38…表示計、40…制御室、41…
土砂圧送ポンプ、42…ベルトコンベア、43…２次スクリ
ューコンベア、44…２次排土管、Ｇ…地山、Ｒ…放射線
路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シールド機が掘進して通過する付近の地山
の土砂の密度および含水比を予めボーリング等の土質調
査で計測するとともに、これらの計測した密度および含
水比と、地山を掘進する土圧式シールド機の掘進速度を
検出してこの掘進速度とから単位時間当りの掘削土重量
を算出し、かつ前記シールド機の前部の切羽室に接続さ
れたスクリューコンベアまたはスクリューコンベアに接
続された排土管にラジオアイソトープを用いた密度およ
び／もしくは含水比を測定する密度・含水比測定器と排
土の流量を測定する流量測定器によって排土の密度およ
び含水比、排土の流量を測定して単位時間当りの排土重
量を算出し、この排土重量と前記掘削土重量とが等しく
なるようにシールドジャッキによるシールド機の掘進速
度と前記スクリューコンベアの回転速度とを制御して掘
進することを特徴とした土圧式シールド機の掘進管理方
法。