JPS6152316B2

JPS6152316B2 -

Info

Publication number: JPS6152316B2
Application number: JP55060993A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsushima
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1980-05-07
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1986-11-12
Also published as: JPS56156393A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は従来の泥水加圧シールド掘進機及び土
圧シールド掘進機の長期を兼ね備えた全く新規な
泥漿加圧シールド掘進機の掘削土の排出、泥漿の
回収及び循環に係る掘削制御方法に関するもので
ある。従来の特殊シールド（泥水加圧シールド及
び土圧シールド）は、その適応性が極めて小範囲
の土質に限られており、適応土質に対しては好結
果を生んでもわずかに性状の異なる土質に対して
は適応できない欠点があつた。また適応できたと
してもそれは消極的であり極めて不経済な施工を
余儀なくされるという欠点があつた。

崩壊性の帯水地層で、シールドの掘削切羽の応
力解放した地山の表面を抑えて切羽を安定化する
ためには、シールドの圧力室内において地山の土
粒子の流土圧と間隙水圧に対抗する手段が必要で
ある。

第１図は帯水地層を掘削するシールド１の掘削
切羽２の崩壊圧力を示すものであるが、垂直応力
σ_v、水平応力σ_h＝υ．σ_vの弾性応力状態にあ
る地山３は、掘削による弛みの発生によつて崩壊
圧力〔Ｆ＋γ_w・（ｈ_w＋ｈ）〕を発生するので、
掘削切羽を安定化するためにはシールドの圧力室
４内において保持圧力〔ｐ＋γ_w・（ｈ_w＋ｈ）〕
を与えて地山を保護する必要がある。密閉隔壁を
備えた特殊シールド１は圧力室４内に水圧γ_w・
（ｈ_w＋ｈ）を保持することによつて、間隙水圧
γ_w・（ｈ_w＋ｈ）に対抗することができる。土粒
子の流土圧Ｆに対しては圧力室内で保持圧力ｐを
加えることが必要である。

第２図は泥水加圧シールドの切羽の圧力関係
（液性加圧）を示し、地山の流土圧〔γ^１ _s（ｈ_s
＋ｈ）・tan²（π／４−φ_ｓ／２）−2c_stan（π／４−
φ_ｓ／２）〕に対して、圧力室内の泥水は密度圧γ^１ _n・ｈと過剰
圧4pによつて切羽を抑えている。過剰圧が作用
するためには掘削切羽５の地山の表面に泥水によ
る難浸透層が形成されることが必要である。然る
に高透水性の土質（透水係数ｋが大きい）に対し
ては通常の泥水（粘性係数μ＝５〜10dyne.sec／
cm²、剪断応力降伏値τ_y＝10〜30dyne／cm²）では
粘性が不足して難浸透層を形成することが困難
で、溢泥現象を発生し掘削切羽を安定化すること
ができない。また軟弱な土質（内部摩擦角φ_Sが
小さい、粘着力Ｃ_Sが小さい）に対しては通常の
泥水の密度（γ_n＝1.30〜1.40ｇ／cm³）では密度
圧γ¹m・ｈが不足して掘削切羽を安定化するこ
とができない。第３図は、土圧シールドの切羽の
圧力関係（塑性受圧）を示し、地山の流土圧塑性
化された崩壊土砂の圧力）〔γ^１ _s（ｈ_s＋ｈ）・
tan²（π／４−φ_ｓ／２）−2c_stan（π／４−φ_ｓ／２
）〕に対して圧力室内に留められた掘削土は土圧〔γ^１ _ihtan²
（π／４−φ_ｉ／２）−2c_itan（π／４−φ_ｉ／２）〕
と内部応力Ｒを発生して切羽を抑えている。然るに圧力室内の掘削
土は圧力室から排出される過程で剪断変形して縮
流するために次式(1)，(2)で示す抵抗圧力Ｐを発生
する。

(1) 飽和粘性土（Ｃ_i≠０・φ_i＝０）Ｐ＝Ｃ_i〔−6.9log₁₀ β／１００＋π／３〕……(
1) (2) 砂分を含んだ飽和粘性土
（Ｃ_i≠０・φ_i＝０）Ｐ＝Ｃ_i〔Ｋ＋π／３｛（Ｋｓｉｎφ_ｉ＋ｃｏｓφ_ｉ）ｃｏｓφ_ｉ／１−
ｓｉｎφ_ｉ｝〕……(2) Ｋ＝２ｃｏｓφ_ｉ＋ｓｉｎφ_ｉ＋１／２ｓｉｎφ_ｉ＋（１＋ｓｉｎφ_ｉ）ｔａｎφ_ｉ〔（１００／β）〔２ｓｉｎφ
ｉ＋（１＋ｓｉｎφｉ）ｔａｎφｉ／１−ｓｉｎφｉ1.0〕−1.0〕この抵抗圧力Ｐは掘削切羽の地山の受働破壊土
圧〔γ^１ _s（ｈ_s＋ｈ）tan²（π／４＋φ_ｓ／２）＋2C_st
an （π／４−φ_ｓ／２）〕を超えると切羽の地山を隆起さ
せることになる。従つて圧力室内の掘削土の粘着力ｃ
_i内部摩擦角φ_iが大きいと抵抗圧力Ｐは地山の受
働破壊土圧より大きくなるので、掘削土を圧力室
から排出することが困難となる。このようなとき
は圧力室内に水を混入して粘着力Ｃ_iを低下した
りまたは滑性材を混入して内部摩擦角φ_iを小さ
な値に改善することができるが、掘削地山の粘着
力Ｃ_S、内部摩擦角φ_Sが大きいときは、改善効果
を期持してもなお圧力室内の掘削土の粘着力Ｃ
_i、内部摩擦角φ_iの値は充分に大きいのでシール
ドの掘進が困難となる。第４図は本発明に係る泥
漿加圧シールド掘進機の液性加圧状態における基
本原理を示すものであつて、圧力関係は前記泥水
加圧シールドと同様であるが、泥漿の粘性（塑性
粘度μ〓＝50〜100dynesec／cm²、剪断応力降伏
値γ_yB＝100〜300dyne／cm²）は充分に大きいの
で高透水性の土質に対しても難浸透層を形成する
ことができる。従つてこの難浸透層を介して過剰
圧Δｐを加圧することにより掘削切羽を安定化す
ることができる。また泥漿の密度（γ_M＝1.40〜
1.60ｇ／cm³）は充分に大きく、軟弱な土質に対し
ても充分な密度圧γ^１ _M・ｈをもつているので掘
削切羽を安定化することができる。第５図は本発
明に係る泥漿加圧シールド掘進機の塑性受圧状態
における基本原理を示すものであつて圧力関係は
前記土圧シールドと同様であるが、圧力室内に溜
められた掘削土の粘着力Ｃ_M、内部摩擦角φ_Mは充
分に小さいので、圧力室内の掘削土が圧力室から
排出される過程で発生する抵抗圧力は充分に小さ
く、地山の流土圧の範囲内で塑性流動化して掘削
土を圧力室から排出することができる。第６図は
本発明に係る泥漿加圧シールド掘進機の掘削制御
方法のブロツク図であり、第７図及び第８図は
夫々液性加圧状態及び塑性受圧状態の泥漿の循環
フローを示し、第９図及び第１０図は夫々沈降排
出行程：沈降排出モード（液性加圧）及び塑性化
排出行程：塑性化排出モード（塑性受圧）の循環
泥漿のマスバランスを開示したものである。掘削
切羽の土質が礫質土で高透水性のときは第６図、
第７図、及び第９図に示すようにシールド掘進機
の掘削制御方法は沈降排出モードの運転状態を維
持している。第７図に示す圧力室１０内の泥漿は
前記の過剰圧の作用によつて掘削切羽の表層を脱
水して地山１１へ浸透し、切羽の表層に難浸透層
を形成するので、液性加圧効果により切羽の流土
圧（塑性化された崩壊土砂の圧力）を保持するこ
とができる。シールドの掘進によつて圧力室１０
に取り込まれた掘削土は泥漿（粘土が主体でベン
トナイトを添加し、さらに増粘材としてカルボキ
シメチルセルロースを添加したもの）と混合し、
圧力室１０に連結する搬出機１２によつて後方へ
搬出される。掘削土に含まれる懸濁性の細粒土は
搬出機内で泥漿に懸架して該搬出機１２に連結す
る溢流路１３を通つて脱漿システム１４の泥漿ホ
ツパ１５の終段部に流送される。掘削土に含まれ
る沈降性の粗粒土は搬出機１２内で沈降して搬出
機１２に連結する放出機１６に投入され、混在す
る泥漿とともに脱漿システム１４に排出される。
脱漿システム１４は溢流路１３から流送された細
粒土と、放出機１６から排出された粗粒土から泥
漿を回収して再循環するためのもので、脱漿シス
テムにより脱漿された排出土は排土装置１７を経
て排土される。第７図の脱漿システム１４は上段
粗粒篩１８と下段細粒篩１９を併設し、脱漿循環
ポンプ（Ｐ_np）を備えた脱水機の一例を示してい
る。脱漿システム１４として遠心脱水機、その他
の脱水機を採用してもよい。また第７図は脱漿シ
ステム１４をシールド掘進機の後方直後に設けた
一例であり、放出機１６及び溢流路１３から排出
される掘削土をずりトロその他の排送手段を用い
て排送することにより脱漿システム１４を後方立
坑部に設けることもできる。補給水路２０は脱漿
システム１４に給水するもので、これにより脱漿
効率を向上するとともに給水量の増減により循環
泥漿のマスバランスを達成することができる。脱
漿システム１４で回収された泥漿は泥漿回収ポン
プ（Ｐ_n2）によつて泥漿タンク２１に回送され
る。補給泥漿路２２は泥漿タンク２１の泥漿を所
定の粘度に保つために補給泥漿を供給するもので
あり、前記の補給水量及び補給泥漿量の増減は泥
漿タンク２１内の泥漿の粘稠度を自動的に検出し
て常に循環泥漿の粘稠度を所定の値に保つように
制御（自動または手動）される。第７図に示す搬
出機１２の溢流路１３に設けた検出器（例えば同
軸回転粘度計が用いられ、この粘度計によつて測
定された流体の剪断速度およびトルクをもとにし
て剪断応力降伏値が求められる。）２３は溢流路
１３を通過する流体の粘稠度を検出するものであ
り、また泥漿タンク２１内の泥漿は泥漿循環ポン
プ（Ｐ_n1）によつて圧力室１０へ送られる。

掘削切羽の地山１１の土質が砂質土または粘性
土のときは掘削土に含まれる大部分の土粒子は泥
漿に懸濁して搬出機１２内の排出物の粘稠度を増
加するので、検出器２３は粘稠度の増加を検出し
て、シールド掘進機の掘削は塑性化排出モードの
運転状態に制御（自動または手動）される。例え
ば排出モードの切換えは、溢流路を通る排出物の
剪断応力降伏値が100〜300dyne／cm²を境界とし
て以下になれば沈降排出モードとし、以上になれ
ば塑性化排出モードとする。なお、このように、
粘稠度を検出して排出モードの切換えを行なうの
は、排出物の塑性化状態を知ることができるから
である。すなわち、切羽の安定に泥漿が注入され
るとともにシールド掘進機による掘削土砂にこの
泥漿が混合されて排出されるが、粘土のような細
粒土は泥漿と混合されるとさらに塑性化が進みど
ろどろの状態となつて粘稠度が高くなり、泥漿の
供給量を少なくする必要が生じる。一方、砂、礫
のような粗粒土では、泥漿が粗粒土に付着して沈
降し、上方部が薄くなつて透水性が増加する。こ
のため、泥漿の供給量を増加して塑性化を図るの
である。第６図、第８図及び第１０図は塑性化排
出モードの運転状態を示すものである。塑性化排
出モードの運転状態においては第８図に示す溢流
路１３に設けられた検出器２３の閉止弁２４は遮
断され、搬出機１２内の排出物は全部放出機１６
に投入されて脱漿システム１４により泥漿を脱漿
し、排出度は排土装置１７を経て排土される。回
収された泥漿は前記沈降排出モードの運転状態と
同様に圧力室１０へ循環される。塑性化排出モー
ドの運転状態においても脱漿、泥漿の回収、泥漿
の循環、泥漿のマスバランス等の制御は前記の沈
降排出モードの運転状態と同様であるが、塑性化
排出モードの運転状態においては泥漿循環ポンプ
（Ｐ_n1）は吐出量を低減して少量の泥漿をシール
ド掘進機の圧力室１０内に還流するので、圧力室
１０内の掘削土は泥漿と混合して塑性流動化し、
塑性受圧効果により掘削切羽の流土圧を保持する
ことができる。

塑性化排出モードの運転状態において掘削切羽
の地山１１が高透水性の礫質土に変化すると掘削
土に含まれる大部分の土粒子は搬出機１２内で沈
降して排出されるので搬出機１２内の溢流物質の
粘稠度は低下することとなり、検出器２３は粘稠
度の低下を検出して閉止弁２４は流路を開放して
再び沈降排出モードの運転状態（第６図、第７
図、第９図）に遷移するものである。

このように沈降排出モード及び塑性化排出モー
ドの運転状態は地山の土質状態に応じて相互に遷
移して制御されるので、土質の状態に適応して地
山を安定しつつ、効率的なシールドの掘進を可能
とするものである。

なお、前記及び第１図〜第１０図においてσ_v
は弾性地山の垂直応力、σ_hは水平応力、υは地
山の土のポアソン比、Ｆは地山の流土圧、Ｐは保
持圧力、γ_wは水の密度、ｈ_wは地山の間隙水の
水頭、ｈは圧力室内の位置高さ、γ_Sは地山の土
粒子の水中密度、ｈ_Sは地山の弛み高さ、φ_Sは地
山の土の内部摩擦角、Ｃ_Sは粘着力、γ_Wは泥水の
水中密度、Δ_pは過剰圧、ｋは地山の透水係数、
μは泥水の粘性係数、τ_yは剪断応力降伏値、γ
^１ _iは圧力室内の土の水中密度、φ_iは圧力室内の
土の内部摩擦角、Ｃ_iは粘着力、Ｒは圧力室内に
発生する受圧応力、Ｐは土の縮流抵抗圧力、βは
縮流率、Ｋは土圧係数、μ〓は泥漿の塑性粘度、
τ_yBは泥漿の剪断応力降伏値、γ_Mは泥漿の密
度、γ^１ _Mは泥漿の水中密度、γ^１ _Mは塑性化土の
水中密度、φ_Mは塑性化土の内部摩擦角、Ｃ_Mは粘
着力、Ｐ_npは脱漿循環ポンプ、Ｐ_n1は泥漿循環ポ
ンプ、Ｐ_n2は泥漿回収ポンプ、Ｓ_pは地山の砂礫
土の真体積、Ｍ_pは地山の粘性土の真体積、Ｗ_pは
地山の水の体積、β_pは泥漿の粘土の真体積、wo
は泥漿の水の体積、β_aは補給泥漿の粘土の真体
積、waは補給泥漿の水の体積、Ｗ_aは補給水の体
積、Ｗ_bは回収される補給水の体積、S₁は溢流す
る砂礫土の真体積、β_１は溢流する泥漿の粘土の
真体積、w₁は溢流する泥漿の水の体積、β_２は
回収される泥漿の粘度の真体積、w₂は回収され
る泥漿の水の体積である。

以下第１１図により本発明の一実施例を説明す
る。

シールド掘進機本体３０の前端部に組み込まれ
たカツタドラム３１は油圧モータ３２によりカツ
タドラム３１に設けられたリングギヤ３３を介し
て回転駆動される。カツタドラム３１後方の圧力
室３４は泥漿によつて充たされており、泥漿は泥
漿注入管３５の先端部に接合された回転ジヨイン
ト３６を通過してカツタスポーク前面及び側面に
設けられた注入口より圧力室内に送泥される。カ
ツタによつて掘削した土砂は圧力室３４内に取り
込まれ、泥漿に懸架して搬出機３７を通過して後
方に設けられた放出機３８へ圧送される。掘削土
に含まれる礫、固結土などの泥漿中に沈降する物
質は、カツタの回転により圧力室３４内でカツタ
ドラム３１に設けられたねぢり羽根状の掻き上げ
板３９を介して圧力室３４の後方に組み込んだホ
ツパ４０を経て搬出機３７内に投入される。搬出
機３７は中筒形のケーシング４１の内面に内歯リ
ボンスクリユ４２を備えており、ケーシング４１
はリングギヤ４３を介して油圧モータ４４により
回転駆動され、搬出機３７内で沈降する礫、固結
土などの粗粒土を後方の放出機３８に排出すると
同時に、カツタの圧力室３４内で泥漿に懸濁する
細粒土を泥漿とともに搬出機３７の後端に設けら
れた溢流室４５に圧送する機能を有する。搬出機
３７はパツキング４６により密封された自在接手
４７を備えており、これにより接続されたケーシ
ング４１相互の偏心ずれによる回転を容易にする
ものである。溢流室４５に連結する溢流路４８は
粘稠度検出器４９を備えており、泥漿ホツパ５０
に連結されている。検出器４９は閉止弁が設けら
れており、この閉止弁は沈降排出モードの運転状
態においては溢流物質を通過させるために開放さ
れているが、掘削地山が変化してカツタ圧力室３
４内の塑性化が進むと塑性化排出モードの運転状
態に遷移して閉止弁は遮断される。放出機３８は
円筒形ケーシング５１の内面にスクリユ羽根５２
が設けられており、ケーシング５１はパツキング
を介して外蓋５３と接触し、図外の油圧モータに
より回転駆動される。搬出機３７より排出された
掘削土か混在する泥漿とともに放出機３８のケー
シング５１の回転により脱漿システム５４に放出
される。脱漿システム５４は上段篩５５と下段篩
５６を備えており、上段篩５５は掘削土に含まれ
る礫、固結土などの粗粒土を選別し、下段篩５６
は砂質土と泥漿を分離するもので、上段篩５５及
び下段篩５６の網上物質は脱漿排出土となつて排
土装置５７に排出され、下段篩５６の網下物質は
泥漿ホツパ５０に集積され回収泥漿として図外の
泥漿回収ポンプにより後方に設けられた泥漿タン
クに圧送される。泥漿タンクは図外の泥漿循環ポ
ンプを併設しており、この循環ポンプはシールド
掘進機の沈降排出モード及び塑性化排出モードの
運転状態に応じて所定量の泥漿をカツタ圧力室３
４に圧送するものであり、圧力室３４内の泥漿圧
力を検知して所定の圧力に保持するように制御運
転される。なおホツパ４０は図外の密閉ゲートを
有しており、これによりカツタ圧力室３４内の泥
漿圧力を保持したまま、後方の機器を圧力開放し
て維持、管理を施すことができるようになつてい
る。また搬出機３７としては内軸回転式のスクリ
ユ排出機、リボン排出機、スクレーパを備えたド
ラグチエーン排出機等その他の搬出装置を設けて
もよい。また放出機３８としては直羽根を備えた
ロータリー排出機、ルーツ排出機等その他の密封
排出機を備えてもよい。

以上のように本発明は高透水性の砂礫土に対し
ても、また砂質土、粘性土に対しても適応しうる
ものであつて、従来の泥水加圧シールド掘進機は
高透水性の土質に対しては適応が困難であり、ま
た粘性土質を掘進するときは排土処理において、
凝集沈澱、脱水工程を含む不経済な施工を余儀な
くされるという欠点を有し、また従来の土圧シー
ルド掘進機は適切な含水状態の粘土質に対して適
応しうるもので高粘着力の粘性土、砂質土につい
ては水または滑性材を付与して塑性流動化を期待
しても、滑性化の効果が乏しく、シールドの圧力
室内の土が固結して掘進を困難とする欠点を有す
るのに対し、本発明によればあらゆる土質に対し
て合理的で経済的な施工を達成しうるシールド掘
進機の提供が可能となる。特に、土質が高透水性
の砂礫質の場合には、多量に泥漿を必要とするた
め、搬出機内で土砂が沈降した上澄部分である泥
漿だけを抜き出して脱漿システムの終段部に搬出
するので、脱漿システムの能力を増大させること
なく対処し得、また土質が砂質又は粘性質の場合
には、粘稠度が増大して泥漿が少なくてよいた
め、圧力室内の掘削土及び泥漿をそのまま搬出機
を通して脱漿システムに導くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は応力解放した掘削地山の土圧を示す説
明図、第２図〜第５図は各種シールドの掘削切羽
の安定原理を示す説明図、第６図は本発明に係る
掘削制御方法のブロツク図、第７図は沈降排出モ
ードにおけるフロー図、第８図は塑性化排出モー
ドにおけるフロー図、第９図は沈降排出モードの
泥漿循環のマスバランスを示すブロツク図、第１
０図は塑性化排出モードにおける泥漿循環のマス
バランスを示すブロツク図、第１１図は本発明の
一実施例におけるシールド掘進機の概略縦断面図
である。３０……シールド掘進機本体、３４……圧力
室、３５……泥漿注入管、３７……搬出機、３８
……放出機、４５……溢流室、４８……溢流路、
４９……粘稠度検出器、５０……泥漿ホツパ、５
４……脱漿システム、５５……上段篩、５６……
下段篩、５７……排土装置。

Claims

【特許請求の範囲】

１シールド掘進機本体における切羽対向部分
に、該切羽の静止土圧と間隙水圧とに均衡する泥
漿圧を保持するための圧力室を有し、かつ圧力室
内の掘削土を泥漿とともに脱漿システムに搬出す
る搬出機を有する泥漿加圧シールド掘進機におい
て、高密度、高粘度の泥漿により掘削切羽の地山
の表面に難浸透層を形成して加圧することにより
切羽を安定化し、掘削土を圧力室内の泥漿に懸架
した後、前記搬出機を介して脱漿システムに搬出
し、泥漿を回収して圧力室に循環するとともに、
前記搬出機内途中における泥漿を抜き出して脱漿
システムの終段部に直接搬出する工程と、前記循
環する泥漿が掘削土を懸濁して粘稠度の高い泥漿
を創成し圧力室内が塑性流動化するとき、その粘
稠度を検出して前記工程における搬出機途中から
の泥漿の抜き出しを停止させ、搬出機を通過した
少量の泥漿を循環して圧力室内の塑性流動圧によ
り掘削切羽の崩壊圧力を保持する工程とからなる
泥漿加圧シールド掘進機の掘削制御方法。