JPS582602B2 - 泥水式シ−ルド掘進機の掘削量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は泥水式シールド掘進機の掘削量を測定する装置
に関するものである。

泥水式シールド掘進機では、その前面の切羽にかかる地
下水の圧力に対抗させて地上から送水ポンプによって送
水管を介して圧力水を圧送することによって上記切羽で
の土砂の崩壊を防ぐとともに、掘削土砂は切羽に送られ
た圧力水と混合させ排泥ポンプによって排泥管を介して
地上の土砂処理装置にパイプ輸送される。

このような泥水式シールド工法では、切羽面の形状を直
接に観ることは出来ず、上記のようにパイプ輸送される
土砂量と掘進機の前進量との関係より切羽面の形状を推
察するしか方法がない。

上記パイプ輸送される土砂量を知るためには、送水管お
よび排泥管を流れる水と土砂との混合流体の比重を連続
的に知ることが必須のこととなる。

従来、泥水式シールド掘進機では管内流体の比重の連続
測定にはγ線密度計がよく使用されてきたが、このγ線
密度計は大形で複雑な構造を有し、高価であるとともに
、法定の有資格者による取扱いが義務づけられており、
使用上きわめて不便である欠点があった。

本発明は、こうした状況に鑑み、取り扱いが容易で安価
な比重計を備えた泥水式シールド掘進機の掘削量測定装
置を提供することを主な目的とする。

第１図を参照して、本発明に従う掘削量測定装置に含ま
れる比重計の原理を説明する。

比重が測定されるべき流体は白ぬき矢符５の方向に直管
状の立上り管路部分１から直管状の立下り管路部分２へ
流れている。

重力加速度の方向は矢符３に示される。

管路部分１の２つの圧力検出点ａ，ｂ間の鉛直方向（矢
符３）の距離Ｈ（ｍ］は、管路部分２の２つの圧力検出
点ｃ，ｄ間の鉛直方向の距離に等しく決定される。

ここで、ａ，ｂ間の流れに起因する圧力損失をｆ１（ｎ
ｍＡｑ〕さし、ｃ，ｄ間の流れに起因する圧力損失をｆ
２［ｍｍＡｑ）とし、これら点ａ，ｂ，ｃ，ｄにおける
圧力をそれぞれＰａ（ｋｇ／ｍ），Ｐｂ（ ｋｇ／ｍ２
］，Ｐｃ（ｋｇ／ｍ２），Ｐｄ（ｋｇ／ｍ２）とすれば
次式が成立する。

ΔＰａｂ＝Ｐａ−Ｐｂ＝ｆｌ＋γ１・Ｈ ・・・（１）
ΔＰｃｄ＝Ｐｃ−Ｐｄ＝ｆ２＋γ２・Ｈ ・・・（２）
γ１・・・点ａ，ｂ間の管内を流れる流体の比重（ｋｇ
／ｍ３］ γ２・・・点ｃ，ｄ間の管内を流れる流体の比重（ｋｇ
／ｍ３） このとき、ａ，ｂ間の圧力損失ｆ１とｃ，ｄ間の圧力損
失ｆ２とが流量に無関係に等し＜（ｆ１＝ｆ２）、かつ
γ１＝γ２三γが成立するとすれば、第１式と第２式と
を加えて次式が成立する。

ΔＰａｂ＋ΔＰｃｄ＝２７・Ｈ ・・・（３）第４式か
ら判るように、点ａ，ｂ間の差圧ΔＰａｂと点ｃ，ｄ間
の差圧ΔＰｃｄとは、圧力損失ｆ１−，ｆ２（ｆｌ＝ｆ
２）が相殺されるように加算される（符号の付け方によ
っては減算されることもありうる）ことによって、流速
や管径などに拘らず精度の良い比重測定が可能になる。

次に、第１図に於いて管路部分１または管路部分２のい
ずれかを本発明に基づいて２点ａ，ｂまたはｃｙｄが一
水平面内にあるように位置させて管内を流体が流れるよ
うにした場合について説明する。

しかしてこの場合、管路部分１，２はいずれも直管状で
あるので、いずれか一方の管路部分１または２を水平に
することと等価である。

管路部分１の２点ａ，ｂを一水平面内においた場合は、
前述の第１式においてγ１・Ｈ＝０となるので、ΔＰａ
ｂ＝ｆ１ ・・・（５）となる
。

従って前述の第４式に対応して、次式が成立する。

上記第６式は管路部分１に代って管路部分２を水平にし
た場合も同様に成立する。

従って管路部分１または管路部分２のいずれか一方の２
点ａ，ｂまたはｃ，ｄを一水平面内に配置した場合に於
いても、Ｈは既知であるので、ΔＰａｂおよびΔＰｃｄ
を実際に計測することによって管内を流れる混合流体の
比重γを知ることができる。

さらにまた、ａ，ｂ問およびｃ，ｄ間の鉛直距離が等し
くない場合、ａ，ｂ問およびｃ，ｄ間の鉛直距離をそれ
ぞれＨ１，Ｈ２（Ｈｌ＼Ｈ２）さし、さらに鉛直距離Ｈ
１の２点ａ，ｂ間の圧力損失をｆ３とし、鉛直距離Ｈ２
の２点ｃ，ｄ間の圧力損失をｆ４とすれば、これらの千
力損失ｆ３，ｆ４が等しくなるように、２点ａ，ｂ間と
２点Ｃ，ｄ間との管路部分１，２の各形状をそれぞれ定
めれば次式が成立する。

ΔＰａｂ三Ｐａ−Ｐｂ＝ｆ３＋７１・Ｈ１ ・・・（７
）ΔＰｃｄ三Ｐｃ−Ｐｄ＝−ｆ４＋γ２・Ｈ２・・・（
８）第９式から、ΔＰａｂ，ΔＰｃｄを測定すれば流体
の比重γが算出される。

なお、２点ａ，ｂあるいはｃ，ｄのいずれか一方が一水
平面内に配置した場合には、Ｈ１あるいはＨ２のいずれ
か一方の値がＯとなる。

また、管路部分１の２点ａ，ｂ間の長さをｌ１とし、こ
の２点ａ，ｂ間において管路部分１の長さ方向に沿う単
位長さあたりの圧力損失をｐ１とする。

同様に、管路部分２の２点Ｃ，ｄ間の長さをｌ２とし、
このｃ，ｄ間の長さ方向の単位長さあたりの圧力損失を
ｐ２とする。

このとき、第１式および第２式に対応して次式が成立す
る。

ΔＰａｂ＝ｐｌ・ｌ１＋γ１・Ｈ１ ・・・（１０）Δ
Ｐｃｄ三ｐ２・ｌ２＋γ２・Ｈ２ ・・・（］１）ここ
で、γ１−γ２三γと仮定し、かつｐ１二ｐ２であると
仮定すれば次式が成立する。

第１２式から判るように、管路部分１，２の２点ａ，ｂ
問およびｃ，ｄ間の単位長さあたりの圧力損失ｐｉ，ｐ
２が等しいときには、管路部分１，２内を流れる流体の
比重γが算出される。

なお、２点ａ，ｂあるいはｃ，ｄのいずれか一方が一水
平面にあるときには、第１２式におけるＨ１あるいはＨ
２のいずれか一方の値がＯとなる。

以上の説明に於いて、実際に水と土砂との混合流体が管
路部分１，２を流れる時はｆ］，ｆ２およびγ１，γ２
の値は異なるが、混合流体が下記の条件（イ），（口）
，（ハ）で管路部分１，２を流れる時はｆ１，ｆ２の差
およびγ１，γ２の差は微少であり、近似的に上述の各
式が成立するといえる。

（イ）混入する土砂の粒径は中間粒群であり、管路部分
１，２の流速は土砂が沈降せずしかも各管路部分１，２
の圧力損失が等しいように選ばれた流速であるとき。

（０）土砂の粒径が粗粒群であっても低濃度であり、管
路部分１，２の流速は土砂が沈降せずしかも各管路部分
１，２の圧力損失が等しいように選ばれた流速であると
き。

（ハ）混合流体の水と土砂との相対速度が小さいとき。

尚、泥水式シールド工法が採用される場合の地山性状は
ほとんど上記の範囲（イ），（口），（ハ）に入るため
実用上支障のない精度で混合流体の比重を計測すること
ができる。

以上、泥水式シールド掘進機に、組込まれる差圧式比重
計の原理について説明したが、次に本発明の実施例を説
明する。

第２図は、前述した比重計の原理を用いて水と土砂の混
合流体の比重を電気信号として検出するための具体例を
示すものである。

第２図に於いて管路部分１，２の圧力検出点ａ，ｂ，ｃ
，ｄの流体は配管６，７，８，９により圧力室１０，１
１，１２，１３にそれぞれ導かれる。

圧力室１０，１１；１２，１３は既知比重の液体が封入
されたキャピラリチューブ１４，１５；１６，１γをそ
れぞれ介して差圧発信器１８．１９に連結される。

圧力室１２は第３図に示す通りであり、キャピラリチュ
ーブ１６の端部を封じている町撓性圧力検出隔膜２０は
、圧力検出点Ｃより距離ｈだけ上方に配置されている。

これは圧力検出点Ｃにおける静圧だけを検出することが
できる構造であるが、圧力を検出すべき流体が土砂の混
合流体であるため、圧力検出孔２ａ付近に「ダレ」や「
変形」等が発生して動圧の影響が出てくるおそれがある
ので、圧力室１２までの配管６，７，８，９を可撓性を
有するたとえばゴムホースなどとすることにより、動圧
の影響を少なくすることができる。

すなわち、圧力検出点Ｃでの圧力のうち、直流分（静圧
）は圧力室１２に正確に伝達されるが、交流分（動圧）
は圧力室１２に小さく伝達されるための「流体フィルタ
ー」が構成される。

また圧力室１２を、圧力検出点Ｃよりも上方に配置する
のは、土砂が圧力室１２に侵入、堆積しないようにする
ためである。

しかしながら、微小な粘土やシルト状の粒子の侵入を防
止することは困難である。

そこで、第３図に示すように、圧力室１２の上部に可撓
性圧力検出隔膜２０を配置し、その圧力検出隔膜２０の
下方に侵入した土砂を堆積しうる空間を形成している。

すなわち微小粒子が圧力室１２内に侵入したとしても、
その微小粒子は前記空間に堆積するので、圧力検出隔膜
２０に微小粒子の堆積や付着が生じることはなく、正常
な圧力検出が妨げられることはない。

また、圧力室１２内に微小粒子が溜ったときには、圧力
室１２の下部に取付けられた弁２３を開放することによ
り、堆積した微小粒子を外部に排出することができ、正
常な圧力検出機能が維持される。

なお、弁２３の出口側に高圧水源（図示せず）を接続し
、弁２３、圧力室１２および配管６〜９を定期的に逆洗
すれば、前記正常な圧力検出機能がさらに長期間にわた
って維持されることは言うまでもない。

圧力室１２に導かれた流体の圧力は、この圧力室１２の
上部に水平に取付けられた圧力検出隔膜２０を介してキ
ャピラリチューブ１６内の液体に伝わる。

他の圧力室１０，１１．１３も同様に構成される。

差圧発信器１８，１９は圧力検出点ａ，ｂ；ｃｄの差圧
を電気信号さしてそれぞれ取り出す。

尚、差圧発信器１８，１９からの検出信号はそれぞれ圧
力検出点ａ，ｂ，ｃ，ｄからの配管６，７，８，９内に
溜まる流体のヘッド及びキャピラリチューブ１４，１５
，１６，１γ内のヘッドを合わせて検出することになる
が、前者のヘッドの影響は配管６，７，８，９の形状、
寸法が同一であるので、配管６，７，８，９内の流体の
性状が全て同一であれば差圧発信器１８，１９の出力に
は表われない。

後者のヘッドの影響はキャピラリチューブ１４，１５，
１６，１７の形状、寸法及び封入液の比重が既知である
ので、その分だけ差圧発信器１８，１９で出力信号をバ
イアスすることにより、その影響を取り除くことができ
る。

より詳しく述べると、第２図において、差圧発信器１８
，１９による差圧ΔＰａｂ，ΔＰｃｄは、前述の第１式
および第２式に対応して次式が得られる。

ただし、配管６，７，８，９内の流体の比重をγ６，γ
７，γ８，γ９でそれぞれ表わし、差圧発信器１８のキ
ャピラリチューブ１４，１５内の液体の比重をγ１８と
し、もう１つの差圧発信器１９のキャピラリチューブ１
６．１７内の液体の比重をγ１９とする。

ΔＰａｂ＝Ｐａ−ｐｂ＝ｆ１＋γ１・Ｈ−γ１８・Ｈ一
（γ６−γ７）・ｈ・・・（１３） ΔＰｃｄ＝Ｐｃ−Ｐｄ＝ｆ２＋γ２・Ｈ−γ１９・Ｈ一
（γ８−γ９）・ｈ・・・（１４） ここで、γ１−γ２Ｅγｊｆｌ＝ｆ１，γ１８＝γ１９
≡γＯ，γ６−γ７＝γ８−γ９と仮定すれば次式が成
立する。

上式から判るように、キャピラリチューブ１４〜１７内
の液体の比重γＯの分だけ、差圧発信器１８，１９の出
力信号をバイアスすることによって、比重γの誤差をな
くすことができる。

なお、管路部分１，２のいずれか一方を水平に配置する
と、第１５式における分母の「２Ｈ］が「ＨＪとなる。

差圧発信器１８，１９よりの電気信号は演算器２１に与
えられ前記第４式の演算が行なわれ、管路部分１，２を
流れる水と土砂との混合流体の比重を示す電気信号とし
て取り出される。

フィルタ２２は、この演算器２１からの比重検出信号を
表示用又は他の目的に使用するに際して、その信号に混
入されるノイズを除去する。

なお管路部分１，２のいずれか一方を水平に配置する時
は、演算器２１が第６式の演算を行なうように変更され
ることで全く同様な効果を得ることができる。

第４図は第２図に示す構成の比重計３１，３２を泥水式
シールド掘進機の送水管２４及び排泥管２５に組込んだ
本発明の一実施例である。

泥水式シールド掘進機２６は、カツタ２γによって切羽
面２８を掘削進行してゆく。

送水ポンプ２９から送水管２４を介して導かれた圧力水
に、掘削された土砂が混合されてできた泥水は、排泥ボ
ンブ３０によって排泥管２５を介して排出される。

泥水は、沈降槽または遠心分離機（図示せず）に導かれ
、ここで土砂が殆んど除かれる。

泥水の土砂が除かれた残余の水は送水ボンプ２９によっ
て送水管２４から圧力水として掘進機２６へ圧送されて
再使用される。

泥沼式シールド掘進丁法では、通常、立坑４９があり、
この立坑４９を通して送水管２４及び排泥管２５が配管
される。

本発明に従えばこの立坑４９での鉛直な配管２４，２５
の一部を比重計の鉛直管路部分４６，４８として採用し
、立坑４９に近い地上（又は横坑５０でもよい）の配管
２４，２５の一部を比重計の水平管路部分４５，４１と
して採用し、管路部分４５，４６を用いて送水管２４の
王力水の比重を測定する比重計を構成する。

すなわち、水平管路部分４５および垂直管路部分４６を
用いて第２図に関連して説明したのと同様な比重計３１
が構成され、水平管路部分４７および垂直管路部分４８
を用いて第２図に関連して説明したのと同様な比重計３
２が構成される。

このような構成によれば比重計を構成するための別の流
体管路を必要とせず、従って非常に簡単な構成で一層安
価に送水管及び排泥管を流れる混合流体の比重を測る比
重計を実現することができる。

このようにして送水管２４と排泥管２５とには、前述の
比重計３１，３２がそれぞれ設けられるとともに、流量
計３３，３３４がそれぞれ設けられる。

比重計３１によって測定された送水管２４を流れる圧力
水の比重γ２４と、流量計３３によって測定された圧力
水の流量Ｑ２４とは、掛算器３５において、掛算されて
、質量流量γ２４・Ｑ２４が算出され、予め定められた
係数α２４が掛算されて圧力水に含まれる乾砂量α２４
・γ２４・Ｑ２４が算出される。

同様に、排泥管２４の泥水中の乾砂量は、掛算器３６に
おいて、その泥水の比重計３２による比重γ２５、流量
計３４による流量Ｑ２５、および予め定めた係数α２５
が掛算されることによって求められ、その値はα２５・
γ２５・Ｑ２５である。

減算器３７は、掛算器３５，３６からの出力を受けて次
式で示される切羽２８の単位時間当りの掘削量Ａを算出
し、表示器３８によって掘削量Ａを表示させる。

Ａ−α２５・γ２５・Ｑ２５ 一α２４・γ２４・Ｑ２４ ・・・（１６）以上のよ
うに本発明の掘削量測定装置は、簡単な構造を有し、し
たがって安価であり、市販されている圧力発信器や演算
器などを用いて容易に製作することができ、さらに取扱
いも容易である。

しかも圧力室の上部に設けられた圧力検出隔膜は、圧力
検出孔よりも上方に位置させたので、微細粒子による誤
動作が防止されて、正確な圧力検出機能を維持すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置に用いられる比重計を説明するた
めの原理図、第２図は第１図に関連して説明された比重
計の系統図、第３図は第２図の一部を示す拡大断面図、
第４図は本発明の一実施例の系統図である。 １，２・・・・・・管路部分、ａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・・
・・圧力検出点、１８，１９・・・・・・差圧発信器、
２１・・・・・・減算器、２４・・・・・・送水管、２
５・・・・・・排泥管、２６・・・・・・泥水式シール
ド掘進機、２９・・・・・・送水ポンプ、３０・・・・
・・排泥管、３１，３２・・・・・・比重計、３３，３
４・・・・・・流量計、３５，３６・・・・・・掛算器
、３７・・・・・・減算器、３８・・・・・・表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 泥水式シールド掘進機前面の切羽に圧力水を送る送
   水管とその圧力水に掘削土砂が混合した泥水を坑外にパ
   イプ輸送するための排泥管との途中に前記圧力水および
   泥水の比重を測定する比重計ならびに前記圧力水および
   前記泥水の流量を測定する流量計をそれぞれ設け、これ
   ら比重計および流量計からの測定出力を演算器によって
   演算して掘削量を測定する泥水式シールド掘進機の掘削
   量測定装置において、 前記送水管の水平管路部分および鉛直管路部分、ならび
   に前記排泥管の水平管路部分および鉛直管路部分に、流
   体の流れ方向に間隔をあけて２つの検出孔をそれぞれ形
   成し、上部に川力検出隔膜を配置し下部には弁を接続し
   た圧力室を前記圧力検出隔膜が検出孔よりも上方に位置
   するようにして、配管を介して各検出孔に個別に接続し
   、各水平管路部分および鉛直管路部分における２つの検
   出孔間の差圧を検出する差圧検出器を各水平管路部分お
   よび垂直管路部分毎に設け、前記送水管の水平管路部分
   および垂直管路部分の各差圧検出器の出力値に基づいて
   比重を演算する演算器と、前記排泥管の水平管路部分お
   よび垂直管路部分の各差圧検出器の出力値に基づいて比
   重を演狼する演算器とを設け、前記送水管および排泥管
   毎に、２つの差圧検出器と演算器とで、前記比重計を構
   成したことを特徴とする泥水式シールド掘進機の掘削量
   測定装置。