JPH0786306B2 - 泥水式シールド掘進機 - Google Patents

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機、特に切羽における土砂
の取込量をリアルタイムで制御する泥水式シールド掘進
機に関する。

［従来の技術］ 周知のように、泥水式シールド掘進機は、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機を用いて、トンネル等の掘削
を行う場合には、掘削土量と掘進速度とがバランスする
ように切羽からの土砂の取込量を制御することが掘削管
理上重要である。これは、例えば掘進速度に対し過度に
土砂を取込むと、地山に空壁が発生し、地盤沈下の原因
となったり、シールド機内に閉塞現象が生ずるからであ
る。逆に、掘削土量に対して過度に掘進速度を大きくと
ると、ビットや推進ジャッキの負担が大きくなり、機械
的なトラブルが発生するからである。

この種の掘削管理を行うため、一般にはトンネル掘削経
路に沿って土層断面を所定間隔毎にボーリング調査し、
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。そして、この土層断面推定図に基づき、トンネル掘
削経路を複数に分割し、各分割区間毎に最適な掘削管理
条件を設定し、この設定値に基づきジャッキスピード，
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，チャンバー内へ給排水される泥水密度，流
量の等の値を決定する。

これにより、各分割間毎にシールド掘進機の掘削土量と
掘進速度と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が可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、前述した従来のシールド工法では、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、シールド掘進機の
掘削管理条件を設定している。しかし、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ため、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、すなわち立杭部または後方台車
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
掘削土量と予めボ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、シールド掘進機の掘削管
理を行っていた。

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
がで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、切羽の断面状態が変化し、
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
でも、これをリアルタイムで測定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が異なり、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、シールドチャンバー内における泥水
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、切羽からの掘削土量をリアルタイ
ムで正確に演算し、最適な掘削管理条件を設定すること
ができる泥水式シールド掘進機を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目標を達成するため、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機において、 トンネル掘削経路に沿って予め測定された土層断面デー
タおよびこのデータから設定された掘削管理条件が記憶
された記憶手段と、 前記注水パイプに、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交差するよう対向配置された一対の
第１の超音波送受信器と、 前記シールドチャンバーに近接して排水パイプに設けら
れ、このパイプ内を流れる泥水の流動方向に対し所定角
度で交差するよう対向配置された一対の第２の超音波送
受信器と、 前記各一対の超音波送受信器の超音波送受信タイミング
および超音波減衰量とに基づき、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、前記記憶
手段に記憶された土層断面データとに基づき、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、 演算された掘削土量および前記記憶手段に記憶された掘
削管理条件に基づき、土砂の掘削制御を行う掘削制御部
と、 を含むことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、 請求項（１）において、 前記記憶手段は、 泥水内を伝搬する超音波減衰量と泥水密度との関係を減
衰量テーブルとして記憶しておき、 前記泥水状態演算部は、 前記各一対の超音波送受信器間で送受波される超音波の
減衰量と前記減衰量テーブルとに基づき、各パイプ内を
流れる泥水の密度を演算することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、 請求項（１），（２）のいずれかにおいて、 前記泥水状態演算部は、 前記各超音波送受信器対のうち一方の超音波送受信器か
ら他方の超音波送受信器への超音波伝搬時間と、他方の
超音波送受信器から一方の超音波送受信器への超音波伝
搬時間とに基づきパイプ内を流れる泥水の流速を演算す
ることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、 請求項（１）〜（３）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。

また、請求項５発明は、 請求項（４）において、 前記密度分布測定手段は、シールドチャンバー内の複数
カ所に設けられ、シールドチャンバー内の泥水密度を多
点測定する複数のR1センサを含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明では、注水パイプに、一対の第１の超音波送受信
器を、パイプ内を流れる泥水の流動方向に対し所定角度
で交差するように対向配置している。

同様に、排水パイプに、一対の第２の超音波送受信器
を、パイプ内を流れる泥水の流動方向に対し所定角度で
交差するように対向配置している。

このとき、前記一対の第１の超音波送受信器間における
超音波伝搬速度は、流速に対応して変化する。従って、
前記一対の超音波送受信器間における超音波伝搬時間を
測定することにより、注水パイプ内を流れる泥水の流速
をリアルタイムで求めることができる。

同様にして、前記一対の第２の超音波送受信器間におけ
る超音波伝搬速度に基づき、排水パイプ内を流れる泥水
の流速を求めることができる。

また、泥水内において超音波を送受信した際、その超音
波は泥水の密度に応じて減衰する。従って、前記一対の
第１の超音波送受信器間で送受信される超音波の減衰量
を求めることにより、注水パイプ内を流れる泥水の密度
をリアルタイムで求めることができる。

同様にして、一対の第２の超音波送受信器間で送受信さ
れる超音波の減衰量に基づき、排水パイプ内を流れる泥
水の密度をリアルタイムで求めることができる。

このようにして本発明のシステムによれば、注水パイプ
及び排水パイプにそれぞれ一対の超音波送受信器を設け
ることにより、各パイプ内を流れる泥水の流速及び密度
をリアルタイムで正確に測定することができ、泥水の流
速及び密度の測定を、別々のセンサを用いて行うものに
比べ、その構成がきわめて簡単なものとなり、得られる
データが極めて信頼性の高いものとなる。

特に、本発明では、超音波を用いた泥水の密度及び流速
の測定を行う超音波送受信器を、コンピュータによるシ
ールド掘進機の管理を行うためのセンサ部として用い、
切羽からの掘削土量を正確にリアルタイム演算し、例え
ば掘進速度と土砂取り込み量とをバランス良く制御をす
ることを可能としている。

以下にその詳細を説明する。

本発明では、排水パイプに設けられる第２の超音波送受
信機を、シールドチャンバーの近傍に設けている。この
ため、この超音波送受信器により求められる泥水の密度
は、そのままシールドチャンバー内の泥水密度となる。

さらに、本発明では、記憶手段内に、予めトンネル掘削
経路に沿って測定された土層断面データ及びこのデータ
から得られた掘削管理条件を記憶しておく。

そして、前記各パイプ内を流れる泥水の流速及び密度
と、前記記憶手段に記憶された土層断面のデータとに基
づき、切羽からの掘削土量を正確にリアルタイム演算す
ることができ、これにより、例えばシールド掘進機の掘
進速度や土砂の取り込み量などをバランスよく制御する
ことが可能となる。

また、請求項４、５に記載のように、シールドチャンバ
ー内の泥水密度分布を測定することにより、チャンバー
内において取込まれた土砂と泥水とが均一に撹拌されて
いるか否かを検出することができる。

そして、この検出結果に基づき、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サ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、切羽からの掘
削土量をさらに正確に演算し、シールド掘進機の掘削管
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。

トンネル掘削経路 第２図には、トンネル掘削箇所の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100を掘削す
る場合には、トンネル100の掘削経路に沿ってシールド
掘進機等の資機材を搬入するための立杭110が設けられ
る。

さらに、トンネル100の掘削経路に沿って、例えば100m
間隔でボーリング坑120を設けて地盤調査を行い、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,細砂層132,粘度層134,細砂
層136,砂礫層138が堆積されているものとする。

このようにして作成された地盤推定図に基づき、トンネ
ル100の掘削経路を、例えばI,II,III…の複数区間に分
割し、各分割区間毎に、シールド掘進機の掘削管理条件
を設定する。例えば、トンネル100の切羽は、区間Ｉで
は細砂層136から構成され、区間IIでは粘度層134および
細砂層136の互層となり、区間IIIでは粘度層134から構
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から、各区間毎の掘
削管理条件を設定し、各区間毎に掘進速度と土砂取込量
とをバランスさせる。

シールド掘進機 第３図には、本発明の泥水式シールド掘進機の好適な一
例が示されている。

実施例の泥水式シールド掘進機は、シールド10の前部に
隔壁12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から供給される泥水100により満たされている。

切羽22の掘削は、図示しない駆動装置により回転駆動さ
れる回転式カッタ20によって行われ、削り取られた土砂
はシールドチャンバー14内に取り込まれる。取り込まれ
た土砂は、チャンバー14内において泥水と撹拌され、ス
ラリー化された泥水として排水パイプ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
ける泥水の濃度と加圧力により管理される。

前記注水パイプ16には超音波センサ30aが設けられ、排
水パイプ18にも超音波センサ30bが設けられている。各
超音波センサ30a,30bは、それぞれシールドチャンバー1
4に近い位置に設けられている。

第４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。

流速測定 実施例の超音波センサ30は、排水パイプ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た一対の超音波送受信器32,3
4を有する。そして、前記一対の超音波送受信器32,34を
用い、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器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100の流
れに対して順方向の伝搬時間をt₁,逆方向の伝搬時間をt
₂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。

（１），（２）式より ただし、 Ｖ＝流速（m/S） Ｌ＝送受信器間の距離（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。

本実施例において、このような流速測定は、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
器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。

ただし、＝断面平均流速（m/S） Ｖ＝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、この断面平均流速を用
い次式で求められることになる。

Ｑ＝×Ｓ …（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
受信器32,34を用い、パイプ18内を流れる泥水100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器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５図（Ａ）には、超音波送受信器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、超音波送受信器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
定することで、泥水100の密度ρを求めることができ
る。

第６図，第７図には、泥水中に含まれる固形物の濃度
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６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７図は
泥水中に石炭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
は泥水中の固形物濃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２図に示す各分割区間毎に、超音波の減
衰量と泥水濃度との関係を示す減衰量テーブルを作成
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４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,pH,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濃度を正
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 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
異なったもとなる。

このため、本実施例の装置では、前記シールドチャンバ
ー内の泥水密度を測定する密度分布測定手段を含み、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。

実施例の密度分布測定手段は、シールドチャンバー14内
の複数ヵ所に設けられ、シールドチャンバー内の泥水密
度を多点測定する複数のRIセンサ40を含む。そしてリア
ルタイム測定された密度分布が不均一となった場合には
アジテータの回転数を上げるなどして、密度分布を常に
均一に制御することが可能となる。

第８図には、実施例のRIセンサ40の基本的な構成が示さ
れている。実施例のRI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48,50とを含
む。前記シールド鉛48,50は、ガンマ線源44の両側に配
置され、特にシールド鉛50は、ガンマ線源44からシンチ
レーションカウンタ46に直接入射する一次ガンマ線を遮
断するために設けられている。

前記RIセンサ40は、第10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９図，第10図には、本実施例のRI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
理が示されている。

まず、実施例のRIセンサ40を、第９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か
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50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は図式で与えられる。

ただし、φ：ガンマ線束（ガンマ線数/cm²・sec） S:線源強度（ガンマ線数/sec） B:ビルドアップ係数 Σ：質量吸収係数（cm²/g） γ：線源と検出器間の距離（cm） ρ：物質の密度（g/cm²） ここでＢは単なる定数ではなく、実験によれば、次式で
近似できることが知られている。

Ｂ＝Ｋ（Σργ）^ｎ …（７） K:比例定数 n:1〜２ 式（７）を（６）に代入すれば、（但しＫ＝１とする） 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10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ρ^ｍは、一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10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
とであり、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（cm²）アボガドロ
数をN₀,原子量をＡ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
σ_Ｐ（cm²）とコンプトン散乱の微分断面積σ_Ｃ（cm²）
の和である。

σ＝σ_Ｐ＋σ_Ｃ …（10） 測定される物質が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 の寄与が加算され、物質全体のΣは次式で表わされる。

ただし、piはｉ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10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２図に示す分割区間I,II,III…毎に、
第10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を測定することができる。

回路構成 第１図には、本実施例の回路構成の好適な一例が示され
ている。実施例の装置は、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と、超音波センサ30a,30bの
出力に基づき各パイプ16,18内を流れる泥水の速度およ
び密度を演算する泥水状態演算部70と、各RIセンサ40の
出力に基づきシールドチャンバー14内における密度を多
点測定するRI密度演算部76とを含む。

前記データベースメモリ60内には、第２図に示すようト
ンネル掘削経路に沿って予め多点測定された土層の推定
断面データが地盤の調査結果として記憶されている。さ
らに、この推定断面データに付随して、各土層の密度，
粒度分布，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２図に示すようトンネ
ル掘削経路を複数に分割し、各分割区間I,II,III…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
掘進速度と土砂取込量とをバランスさせるよう決定され
た掘削管理条件、例えばジャッキスピード，カッタ回転
数，スリット開度，送排泥水量，アジテータ回転数等
が、各分割区間I,II,III…毎に記憶される。

これに加えて、このデータベースメモリ60には、各分割
区間I,II,III…毎に泥水100の密度と超音波減衰量との
相関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、第10図に示すよう土砂の密度とガン
マ線束との相関関係を示すデータが記憶されている。

また、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から入力される信号に
基づき、給水パイプ16,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30を
構成する各超音波送受信器32,34への入出力信号に基づ
き、一方の送受信器32から他方の送受信器34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t₁,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器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100の密度ρを演算し、土量演算部78へ
向け出力する。

土量演算部78は、祖速度演算部72から入力される泥水10
0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74から出
力される泥水密度ρに基づき、給水パイプ16および排水
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，給水パイプ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。

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RI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RI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、RI密度演算76は、RIセンサ40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。

密度分布解析部80は、このようにしてRI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、このようにして解析される密度分布
が均一となるように、被制御機器84を制御する。この場
合には、シールドチャンバー14内のアジテータの回転数
を制御し、チャンバー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、このようにして演算出力さ
れる掘削土量と、データベースメモリ60内に予め各分割
区間毎に設定された理論的な掘削土量とが一致するよ
う、被制御機器84を制御する。この場合には、例えばジ
ャッ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の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内にトンネル100の各分割区間毎に設定されたデー
タに基づき、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掘削制御を行うことがで
きる。

特に、本発明によれば、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できるため、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。

また、本実施例では、超音波センサ30とRIセンサ40の双
方を用いて泥水密度の演算を行っている。このため、両
センサ30,40の検出泥水密度が異なる場合には、いずれ
か一方のセンサに異常が発生したものと推定できるた
め、センサ30,40が常に正常に動作するようその保守管
理を行うことができる。

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

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、注水パイプ、排水
パイプにそれぞれ、各パイプ内を流れる泥水の流動方向
に対して所定角度で交差するように対向配置された各一
対の超音波送受信器をセンサとして用い、注水パイプ及
び排水パイプ内を流れる泥水の密度及び流速をリアルタ
イムで正確に測定し、泥水シールド掘進機の掘進管理を
行うことが可能となる。

特に、本発明によれば、前記超音波送受信器を、シール
ド掘進機の掘削管理用のセンサ部として用い、切羽から
の掘削土量をリアルタイムで正確に演算する構成とした
ことにより、土層の変化に迅速に対応し、予め設定され
た掘削管理条件に従った適切な掘削管理が可能な泥水式
シールド掘進機を得る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、本発明にかかる泥水式シールド掘進機の回路
構成の好適な一例を示すブロック図、 第２図は、本実施例の泥水式シールド掘進機を用いて掘
削される土層の断面概略図、 第３図は、本実施例の泥水式シールド掘進機の側断面概
略説明図、 第４図は、第３図に示す掘進機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５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６図，第７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８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９図は、本実施例に用いられるRIセンサの原理説明
図、 第10図は、前記RI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である。 10……シールド、14……シールドチャンバー、 16……給水パイプ、18……排水パイプ、 30……超音波センサ、40……RIセンサ、 60……データベースメモリ、 70……泥水状態演算部、72……速度演算部、 74……密度演算部、76……RI密度演算部、 78……土量密度演算部、80……密度分布演算部、 82……AI集中管理部、84……被制御機器、 100……トンネル掘削経路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金井 進 大阪府大阪市西区西本町１―13―47 新信 濃橋ビル 戸田建設株式会社大阪支店内 (56)参考文献 特開 昭59−177498（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−35856（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭54−11975（ＪＰ，Ｂ２) 京都大学土木会編「土木計測便覧」（昭 45−１−20）丸善Ｐ．284−286

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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機において、 トンネル掘削経路に沿って予め測定された土層断面デー
   タおよびこのデータから設定された掘削管理条件が記憶
   された記憶手段と、 前記注水パイプに、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交差するよう対向配置された一対の
   第１の超音波送受信器と、 前記シールドチャンバーに近接して排水パイプに設けら
   れ、このパイプ内を流れる泥水の流動方向に対し所定角
   度で交差するよう対向配置された一対の第２の超音波送
   受信器と、 前記各一対の超音波送受信器の超音波送受信タイミング
   および超音波減衰量とに基づき、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、前記記憶
   手段に記憶された土層断面データとに基づき、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、 演算された掘削土量および前記記憶手段に記憶された掘
   削管理条件に基づき、土砂の掘削制御を行う掘削制御部
   と、 を含むことを特徴とする泥水式シールド掘進機。
2. 【請求項２】請求項（１）において、 前記記憶手段は、 泥水内を伝搬する超音波減衰量と泥水密度との関係を減
   衰量テーブルとして記憶しておき、 前記泥水状態演算部は、 前記各一対の超音波送受信器間で送受波される超音波の
   減衰量と前記減衰量テーブルとに基づき、各パイプ内を
   流れる泥水の密度を演算することを特徴とする泥水式シ
   ールド掘進機。
3. 【請求項３】請求項（１），（２）のいずれかにおい
   て、 前記泥水状態演算部は、 前記各超音波送受信器対のうち一方の超音波送受信器か
   ら他方の超音波送受信器への超音波伝搬時間と、他方の
   超音波送受信器から一方の超音波送受信器への超音波伝
   搬時間とに基づきパイプ内を流れる泥水の流速を演算す
   ることを特徴とする泥水式シールド掘進機。
4. 【請求項４】請求項（１）〜（３）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機。
5. 【請求項５】請求項（４）において、 前記密度分布測定手段は、シールドチャンバー内の複数
   カ所に設けられ、シールドチャンバー内の泥水密度を多
   点測定する複数のR1センサを含むことを特徴とするシー
   ルド掘進機。