JPS6138098A - 地中掘進機の切羽状態検知方法 - 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〕 この発明はシールド掘進機などの地中掘進機によって掘
削した掘削孔の切羽の状態を的確に検知する方法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来のシールド掘進機の一例を第９図に示す。

このシールド掘進機は、切羽を掘削するためのカッタ１
が前面に設けられたカッタプレート２を回動するととも
に例えば不図示のシールドジヤツキなどで本体３を矢印
Ａ方向に推進させることにより切羽部の土砂４をカッタ
プレート２に設けられた開孔部（図示せず）を介してチ
ャンバ５内番こ取込む。チャンバ５内に取込まれた土砂
４はスクリューコンベア６によって排土される。

ところで、このような掘削においては切羽土圧が地山の
崩壊を生じさぜない下限界圧（主動土圧）と地盤の隆起
を生じさせない上限昇圧（受動土圧）との範囲内にあれ
ば切羽は安定状態を維持していることが知られており、
このため第９図に示す従来のシールド掘進機においては
、チャンバ５の隔壁７の適宜位置に士圧計８を設け、該
士圧計８で検出した土圧値に基づき例えばスクリュ−コ
ンベア６による排土速度を調整するようにしていた。

すなわち、第１０図に示すように検出した土圧値が施工
条件から決まる設定領域内の値であればスクリューコン
ベア６の回転速度をそのまま維持し、該設定領域より上
下の値であれば該回転速度をアンプまたはタウンさせる
といった制御を行っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上記従来の方法によれは次のような問題点が
生じる。

（１）掘進に伴ない土質条件が刻々変化するので、これ
に伴ない設定土圧値をいちいち変更しないと適正な制御
ができず、複雑な制御を必要とする。

（２）設定土圧値との単なる比較処理であるため、士圧
計８の検出出力に正確性が要求される。

（３）士圧計８が固定であるため、大断面掘進の際には
多くの箇所から検出出力を得ないと精密な制御ができな
い。

（４）チャンバ５内の隔壁７に士圧計８を配設している
ために、切羽異常を検出するまでのタイムラグが大きく
、また掘削土を介した検出であるため、測定値にムシが
大きく信頼性に欠ける。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明では、回動するカッタプレート前面の所定点に
直接加わる切羽土圧を得る第１の手段と、該所定点が回
動する際の回転角を検出する第２の手段と、掘進機に加
える推進力を検出する第３の手段と、これら第１．第２
および第３の手段の出力に基づき掘進機の推進力を変化
させた前後の前記カッタプレート面の右半分に対して加
わる切羽押力の偏差と前記推進力を変化させた前後の前
記カッタプレート面の左半分に対して加わる切羽押力の
偏差とを比較処理する演算手段とを具備する。

前記第１の手段であるが、前記カッタプレートの切羽に
接している面の所定位置に設けられた士圧計により直接
的に切羽土圧を得るように構成してもよいし、才た掘進
機の推進力を変化させたときの該推進力の変位量と前記
推進力の変化によるカッタプレートの回転力の変位量と
を求め、これらの除算値により摩擦係数に相当する値を
得るとともに、前記回動するカッタプレートの切羽と接
している面の所定位置に設けられた所定のセンサにより
土圧方向に垂直な方向の切羽力（摩擦力に相当する）を
検出し、該検出値と前記除算値とを掛は合わせる演算を
行うことにより間接的に切羽土圧を得るようにしてもよ
い。

し作用〕 前記第１の手段例えば士圧計の検出出力はカッタプレー
トの回動に伴なって随時サンプリングされており、適時
の切羽状態確認時点において人手または自動的に掘進機
の推進速度を変化させることにより掘進機の推進力を変
化させ、該変化させた時点の前の１回転周期分の上記サ
ンプリング値に基づき推進力変化以前のカッタプレート
の右半分の切羽押力ＮＲ′および同左半分の切羽押力Ｎ
Ｌ’を演算するとともに、上記推進力を変化させた後の
１回転周期分の上記サンプリング出力ｌこ基づき推進力
変化以降のカッタプレートの右半分の切羽押力ＮＲ″お
よび同左半分の切羽押力ＮＬ”を濱算し、これら演算出
力ＮＲ’　、ＮＬ’、ＮＲ″およびＮ　ｎ　／／　に基
づき結果的に（Ｎｉｔ’−ＮＲ″）　−（Ｎｔ、’Ｎ　
Ｌ　／／　）の比較処理が行えるような演算を行い、該
比較結果に基づき切羽の状態を判定する。該比較結果が
０もしくはそれに近い値のときには切羽は安定状態にあ
ると判別し、正負の顕著な差が出たときには切羽は押込
みまたは引込み崩壊にあると判別し、該判定結果に対応
して例えば推進速度、排土速度、土砂流入量などを調節
する。

〔実施例〕

第１図は、本発明の方法を実施するための第１の構成例
を示す縦断面図である。

このシールド掘進機のシールド本体１０の掘進方向Ａに
沿う前部には、カッタ１１が前面に設けられたカッタプ
レート１）が装着されており、このカッタプレート１）
の適宜位置には図示しないが土砂取込み用の開孔部が穿
設されている。カッタプレート１）はカッタ軸１３、伝
導機構１４を介して駆動モータ１５により回転駆動され
る。

一方、シールド本体１０はシールドジヤツキ１６によっ
て入方向に所定の推進力を受け、これにより前進する。

１７は、カッタプレート１）と隔壁１８とにより形成さ
れたチャンバ１９内に取込まれた土砂を排土するための
スクリューコンベアである。

すなわち、このシールド掘進機では、シールド本体１０
の推進力およびカッタプレート１）の回動ｌこより掘削
した切羽部の土砂をカッタプレート１）に設けられた開
孔部を介してチャンバ１９内に取込み、該取込んだ土砂
をスクリューコンベア１７によって排土する。

ところで、このシールド掘進機では、切羽部の土圧を検
出するための士圧計２０をカッタプレート１）の前面の
適宜位置に設け、カッタプレート１）にかかる切羽の土
圧を直接検出するようにしている。士圧計２０はカッタ
プレート１）の回動に伴なって同様に回動するため、該
士圧計２０の検出出力Ｐはコード２１を介して発信機２
２に導かれ、適宜のＦＭ周波により受信機２３に伝達さ
れるよう構成している。なお、上記信号伝達手段としで
は、光によるものでもよいし、他にスリップリング等を
用いてもよい。

次に、カッタ軸１３に沿う適宜位置にはカッタプレート
１）の回転角θを検出する回転角センサ２４が設けられ
ている。またシールドジヤツキ１６のシリンダへ圧油を
供給する管路には油圧を検出する油圧センサ２５が設け
られており、該センサ２５の検出出力によりシールド本
体１０に加わっている推進力Ｎを得る。

すなわち、本発明の第１の実施例によればかかる第１図
の構成から次の３つの測定値を得る。

・カッタプレート１）前面にかかる切羽土圧Ｐ・カッタ
プレート１）の回転角θ ・シールド本体１の推進力Ｎ 上記３つの測定値Ｐ、θ、Ｎに基づく本発明の詳細な説
明の前に、この発明の原理について説明する。

地中を掘進する際、切羽土圧が受動土圧と主動土圧との
間にあれば、切羽は安定状態を保っているが、掘進機の
推進力Ｎが過小となって切羽土圧Ｐが主動土圧より小さ
くなった際には第２図（１）に示すように引込み崩壊が
発生し地山が崩壊する。

また掘進機の推進力Ｎが過大となって切羽土圧Ｐが受動
土圧より大きくなった際には第２図（ＩＩ）に示すよう
に押出し崩壊が発生し地盤が隆起する。

この主動土圧および受動土圧は、掘進機が回動しないで
、単に切羽を押圧しているのみだと仮定すると、それぞ
れ成る１つの固定値に設定することができるが、如何せ
ん掘進機は回動運動を行っている。

いま、掘進機のカッタプレート１）が第３図に示すよう
に推進方向に向って半時計廻りに回転しているとすると
、カッタプレート１）と切羽との摩擦によって、掘削断
面の右側では切羽に対して上向きに力が働き、才た掘削
断面の左側では切羽に対して下向きに力が働く。このた
め安定域から押出し崩壊域への転移は掘削断面の右側部
の方が左側部に比べて発生し易く、また安定域から引込
み崩壊域への転移は掘削断面の左側部の方が右側部に比
べて発生し易く、この関係を第４図に示す。

第４図において、ＮＪは押出し崩壊が起こる推進力Ｎの
限界値であり、これは受動土圧に相当し、またＮＳは引
込み崩壊が起こる推進力Ｎの限界値でありこれは主動土
圧に相当し、これらＮＪの最小値とＮＢの最大値との間
の領域がカッタプレート１）の回動を考慮した際の真の
安定域となる。

第４図によれば、推進力Ｎが例えばＮ１であるときには
掘削断面の右側部では押出し崩壊が起っているが左側部
は安定領域であり、また推進力ＮがＮ２であるときには
掘削断面の左側部では引込み崩壊が起っているが右側部
は安定領域であり、本発明ではこのような複雑な状況下
をも的確に検知することができる。

次に、本発明の検知方法についての第１の実施例を第１
図乃至第４図の他に第５図および第６図を用いて詳述す
る。

前述したように、本実施例では切羽土圧Ｐ、回転角θお
よび推進力Ｎを計測し、これら３つの計測値に基づき切
羽の状態を検知する。

通常、カッタプレート１）の回動に伴って所定の円周軌
跡上を動く士圧計２０によって順次サンプリングした切
羽土圧Ｐと該士圧計２０の回転角θ（第３図参照）との
関係は第５図上段図に示すように略正弦波曲線となる。

いま、掘進機が推進速度Ｖかつ推進力Ｎで掘削を行って
いるとする。まず、上記サンプリングした切羽土圧値Ｐ
に基づき、カッタプレート１）が切羽から受ける力を右
、左側々に演算する。カッタプレート１）の右側半分が
受ける力をＮＲ’、左側半分が受ける力をＮＬ’とする
と、これらはそれぞれ次式で与えられる。

そして、これら算出したＮＲ’およびＮＬ’の差（ＮＲ
’−ＮＬ’　）を求める。

次に、カッタプレート１）が１回転した時点で、掘進機
の推進速度をＶからＶ＋△Ｖへ意図的に変化させ、これ
により推進力Ｎの増加（Ｎ−＞Ｎ＋ΔＮ）を得（第５図
下段参照）、この状態でカッタプレート１）を１回転さ
せる。このときのカッタプレート１）が受ける力を前記
同様に左右別々に演算し、これら算出したＮＲ“および
ＮＬ“の差（Ｎ　ｎ　／／−Ｎ　Ｌ　／／　）を求める
。

そして上記算出した（ＮＲ’−ＮＬ’）と（Ｎ　Ｒ／／
−Ｎｂ２）（！：の差（（ＮＲ’−ＮＬ’　）　−（Ｎ
Ｒ“−ＮＬ“）〕を求め、この演算結果に基づき切羽の
状態を判別する。

結論から言えば、上記演算結果がＯもしくはほとんど０
に近い値であった場合は安定状態であると判別し、また
０〜−△Ｎの値であれば推進力の過小による引込み崩壊
状態であると判別し、さらにθ〜＋ΔＮの値であれば推
進力の過大による押出し崩壊状態であると判別する。

例えば、第４図において推進力Ｎ１が加わった状態すな
わち掘削断面の右半分のみが押出し崩壊にあるときは、
推進力をＮ　−＋　Ｎ＋△Ｎへと増加させる操作をして
も右側部では土砂が動いているため前記推進力の増加に
対応する反力の増加を得ることはできず、右側部の切羽
押力は変化せず、左側部のみ変化する。このため上記演
算結果は（ＮＲ’−Ｎｔ、’）−（ＮＲ”−ＮＬ“）＝
（ＮＲ’−Ｎｓζ“）　−（ＮＬ’　−ＮＬ”） 二　〇−（−ΔＮ） ＝△Ｎ（正） となり、推進力過大による押出し崩壊状態にあると判別
することができる。

また、第４図において推進力Ｎ２が加わったときなど掘
削断面の左半分のみが引込み崩壊ｌこあるときには、推
進力をＮ　−）　Ｎ＋ΔＮへと増加させる操作をしても
前述同様に左側部では土砂が動いているため前記和進力
の増加に対応する反力の増加を得ることはできず、左側
部の切羽押力は変化せず右側部のみ変化する。このため
、この際には上記演算結果は （ＮＲ’　−ＮＲ”）−（ＮＬ’−ＮＬ“）二　−ΔＮ
−（１−−△Ｎ（負） となり、推進力過小による引込み崩壊状態にあると判別
することができる。

また、安定域にあるときには、推進力の△Ｎ分の増加に
対応して切羽押力は左右でほぼ同じ量変化するため、こ
の際上記演算結果は例えば、（ＮＲ’−ＮＲ“）−（Ｎ
Ｌ’−ＮＬ“）＝（−１／２△Ｎ）−（−１／２ΔＮ）
＝０ となり、推進力が適正な安定状態にあると判別すること
ができる。

なお、切羽断面の左右いずれともが完全に押出し崩壊ま
たは引込み崩壊のいずれかの状態にあるときには、推進
速度Ｖを変化させても推進力Ｎが変化せず、これにより
上記切羽の崩壊を検知することができる。

かかる検知結果に基づき本実施例では第６図に示すよう
に推進速度および排出速度をハＩＳ整する。

すなわち、上記演算結果により切羽が安定状態にあると
判別した際は、現時点で加えている推進速度およびスク
リューコンベア１７による排土速度をそのまま維持し、
切羽が押出し崩壊にあると判別した際には、掘進機の推
進速度をダウンし、かつ排出速度をアップさせ、また切
羽が引込み崩壊にあると判別した際には掘進機の推進速
度をアップし、かつ排土速度をダウンさせる。

このように、本実施例の演算方法によれば、切羽断面に
接する位置に設けた士圧計によって検出した切羽土圧を
回転角に応じて順次サンプリングし、該サンプリング値
に基づき前記（ＮＲ’−ＮＬ’）ＣＮｎ″−Ｎｌ、″）
で示される差分演算を行い、該演算出力に基づき切羽の
状態を検知するようにした。上記差分演算では、掘削断
面内の土質の不均衡、掘削機固有の不つりあい量などに
よる検出出力自体の誤差を相殺してしまうので、士圧計
の検出値がある程度不正確でも切羽の状態を正確に検知
することができる。

次に、第７図および第８図により本発明の第２の実施例
を説明する。

第７図中、第１図に示したものと同じ構成要素について
は同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

この第２の実施例においては、カッタプレート１）の前
面に設けたセンサ３０は切羽土圧Ｐを検出するのではな
く、切羽ｌこよるプレート面に平行なすベリ方向の力？
を検出する。また、回転力センサ３１により駆動モータ
１５からカッタ軸１３に対して加わる回転力Ｔを検出す
る。この他に、前記第１の実施例と同じく打進力Ｎおよ
びカッタープレート１）の回転角θを検出する。

すなわち、本実施例においては、 ・センサ３０の配設位置でのすべり方向の力２゜（以下
摩擦力という） ・カッタープレート１）の回転角θ ・カッタープレートエ２の回転力Ｔ ・シールド本体１の推進力Ｎ を検出し、これら４つの検出値？、θ、ＴおよびＮに基
づき次のような演算処理を行う。

いま、促進機が推進速度Ｖ、推進力Ｎかつ回転力Ｔで掘
削を行っているとする。この状態でカッタプレート１）
の回動正こ伴って所定の円周軌跡上を動くセンサ３０か
ら得られた摩擦力？はその回転角θにしたがって順次サ
ンプリングされており、切羽が正常の状態においては上
記摩擦力？は第５図上段に示した曲線と同様略正弦波曲
線を描く。

次に、適時の切羽状態検知時点において、掘進機の推進
速度を意図的にＶからＶ＋△Ｖヘアツブさせ、これによ
り推進力Ｎの増加（Ｎ−＋Ｎ＋△Ｎ）および回転力Ｔの
増加（Ｔ　−＞　Ｔ＋△Ｔ）を得る。

そしてこれら変位△Ｎおよび△Ｔから摩擦係数に対応す
る値ｋ（＝△Ｔ／△Ｎ）を算出する。

該算出した値にと推進速度をＶかＶ＋△Ｖへ変化させた
時点の以前１回転周期分の上記サンプリング値？（推進
速度Ｖ、推進力Ｎ、回転力Ｔのときの摩擦力１）とに基
づきカッタプレート１）が切羽から受ける力を左右側々
に演算する。この状態でのカッタプレート１）の右側半
分が受ける力をＮＲ’、左側半分が受ける力をＮ　Ｌ　
／とするとこれらＮ　ｎ　／およびＮＬ’の差（ＮＲ’
　−ＮＬ’　）を算出する。

一方、推進速度ＶをＶ＋△Ｖにアップさせた時点からの
摩擦力魚もセンサ３０によって順次サンプリングされて
おり、推進速度を変化させた時点以降の１回転周期分の
上記サンプリング値ｙ（推進速度Ｖ十△Ｖ、推進力Ｎ＋
ΔＮ、回転力Ｔ＋△Ｔのときの厘擦力？）と上記値にと
により推進速度が増加した状態でのカッタプレート１）
の右側半分が受ける力ＮＲ“および左側半分が受けるＮ
Ｌ“を前記同様にして演算し、これらの差（Ｎ　Ｒ／／
−Ｎ　Ｌ　／／　）を求める。

そして上記算出した（　Ｎ　Ｒ’−Ｎ　ｔ、’　）と（
ＮＲ／／−ＮＬ’）との差（（ＮＲ’−ＮＬつ−（ＮＲ
”−ＮＬ“）〕を求め、この演算結果に基づき前記第１
の実施例と同様にして切羽の状態を判別し、該判別結果
により掘進機の掘進速度、排土速度などを調整する。

すなわち、水弟２の実施例による方法は、掘進機の推進
力を変化させた際の該推進力の変位量と該推進力の変化
によるカッタプレートの回転力の変位量とから摩擦係数
に相当する値を算出し、該算出した摩擦係数ζこ相当す
る値と前記回動するカッタプレートの切羽と接している
面の所定位置に設けられたセンサにより検出された土圧
方向に垂直な向きの切羽力とに基づき間接的に切羽土圧
を得るようにしたものであり、その後の演算処理は前記
第１の実施例と同様差分演算を行っているために、掘削
断面内の土質の不均衡、掘削機固有の不つりあい量など
を相殺して正確な切羽状態検知をなし得ることができる
。

なお、上記第１および第２の実施例では、（ＮＲ’−Ｎ
Ｌ’　）　−（Ｎｎ″−Ｎｔ、″）による差分演算によ
り切羽の状態を検知するようにしたが、上記演算は結果
的に（Ｎｎ’−Ｎｔ’　）　−（ＮＨ４−Ｎｌ２）の演
算がなされればそれで良く、実際の演算としては例えば
他に（ＮＲ’−ＮＨ４）−（ＮＬ’−Ｎｔ、″）による
演算処理でもよく、また（ＮＨ４−ＮＲ’）−（ＮＲ”
−ＮＬ’）による演η：処理を行ってもよい。

また、上記実施例ではカッタプレート前面に設けた１個
のセンサにより切羽土圧を間接または直接的に検出する
ようにしたが、カッタプレートの半径方向のそれぞれ異
なる位置にセンサを各別に設け、該複数個のセンサのサ
ンプリング出力に基づき切羽の状態を検知するようにす
ればより正確かつ精密な検出をなし得るようになる。

さらに、本実施例においては推進速度および排土速度の
調整によって切羽を安定な状態に移行させるような制御
を行ったが、この種の制御には他に土砂流入量の制御な
ど種々の周知技術があり、これらの技術を用いて切羽制
御を行うようにしてもよいことは勿論である。

ところで、本発明はその他の点においても上記実施例に
限定されることなく本発明の要旨を逸脱しない限り種々
変更を加え得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、カッタプレー
ト面の右半分および左半分に対して加わる各切羽押力に
ついて、掘進機の推進力を変化させる以前と変化させた
以後との偏差をそれぞれとり、該２偏差の差分結果に基
づき切羽の状態を判定するようにしたことから、 （１）掘進中に土質条件が変っても従来のように比較設
定値を変更するといった面倒な作業を行うことなく、常
に適正な検知を行なうことができる。

（２）土圧または摩擦力を検出するセンサはカッタプレ
ートの回動に伴ない同様に回動するので、掘削断面が大
きくなっても比較的少ないセンサ数で正確な検知を行な
うことができる。

（３）差分による演算処理を行っているのでセンサの検
出出力値がある程度不正確でも切羽の状態を正確に検知
することができる。

（４）切羽の状態に即した応答性のよいかつ精密な制御
が可能になる。

等々の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を適用するシールド掘進
機の縦断面図、第２図は押出し崩壊および引込み崩壊の
ときの地盤の状態を示す説明図、第３図はカッタプレー
トの回動例を示す図、第４図は切羽断面の左右で押出し
および引込み崩壊の限界値が異なることを説明するため
の図、第５図は回転角と切羽土圧および推進力との関係
を示す図、第６図は本発明の第１の実施例を示す制御系
統図、第７図は本発明の第２の実施例を適用するシール
ド掘進機の縦断面図、第８図は本発明の第２の実施例を
示す制御系統図、第９図は従来のシールド掘進機の構成
例を示す縦断面図、第１０図は従来のシールド掘進機の
制御フローチャートである。 ■、１１・・カンタ、２，１）・・・カッタプレート、
３．１０・・・シールド掘進機、４・・・土砂、５，１
９・チャンバ、６．１７・・・スクリューコンベア、７
゜１８・・隔壁、８，２０・・士圧計、１３・・カッタ
軸、１４・・・伝導機構、１５・・駆動モータ、１６・
・・シールドジヤツキ、２２・・発信機、２３・・・受
信機、２４・回転角センサ、２５・・・油圧センサ、３
０・・摩擦力センサ、３１・・・回転力センサ 第１図 第２図 第７図 第８　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）掘進機本体を推進させるとともに掘進機本体の前
   部に装着したカッタプレートを回動することにより切羽
   を掘削する地中掘進機の切羽状態検知方法において、 掘進機の推進力を変化させた時点の前後におけるカッタ
   プレートの各１回転周期分のカッタプレート前面の所定
   部位に加わる切羽土圧を順次得るとともに、該得られた
   切羽土圧に基づき掘進機の推進力を変化させた前後にお
   ける前記カッタプレート面の右半分に対して加わる切羽
   押力の偏差とカッタプレート面の左半分に対して加わる
   切羽押力の偏差との比較演算を行い、該比較結果に基づ
   き切羽の状態を検知するようにしたことを特徴とする地
   中掘進機の切羽状態検知方法。
2. （２）前記回動するカッタプレートの切羽と接している
   面の所定位置に設けられた士圧計の検出出力を前記カッ
   タプレートの回動に伴ない順次サンプリングすることに
   より前記切羽土圧が直接的に得られる特許請求の範囲第
   （１）項記載の地中掘進機の切羽状態検知方法。
3. （３）前記回動するカッタプレートの切羽と接している
   面の所定位置に設けられたセンサにより検出された切羽
   土圧と垂直な向きの切羽力を前記カッタプレートの回動
   に伴ない順次サンプリングするとともに、掘進機の推進
   力を変化させた際の該推進力の変位および該推進力の変
   化による前記カッタプレートの回転力の変位の比として
   算出された摩擦係数に対応する値と前記サンプリングさ
   れた切羽土圧と垂直な向きの切羽力とにより前記切羽土
   圧が間接的に得られるようにした特許請求の範囲第（１
   ）項記載の地中掘進機の切羽状態検知方法。