JPS6218715B2 - - Google Patents

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の切羽に関し、特に
この切羽を安定制御に係るものである。

［従来の技術］ 従来、この種シールド掘進機には切羽保護のた
めの土圧検出器が取付けられている。例えばセン
ターシフトタイプでは第１図イのように、カツタ
ａに土圧検出器ｂが取付けられているが、カツタ
面板と接触している面の土圧のみを測定している
にすぎないため、その土圧により切羽が安定か不
安定かの判断はできない。また、第１図ロのよう
にバルクヘツドｃに取付けられたものもあるが、
これもカツタチヤンバｄ内の土圧を測定している
のみであり、直接切羽の安定、不安定を検出する
ことができない。

従つて、切羽の安定制御は前記土圧検出器ｂで
は行えないので、従来方法では、同じような土質
でも粒度構成の土質の違いもあるが、掘削予定地
点のボーリングデータからの資料を基に切羽の安
定制御方法を初期に設定するだけに任せ、以後全
く変更しないものであつた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながらボーリングデータに基づくこの方
法は必ずしも最適とはいえない。なぜなら、ボー
リングデータは50〜100ｍ間隔毎に地上から土質
調査したデータであるため、掘削地点の真のデー
タとなり得ず、不確定要素が多くなり、いきおい
不正割なものとなつていたからである。

したがつて、この発明の目的は、切羽の状態を
直接検知することによつて、上記従来の欠点を解
消して、切羽を安定に制御するシールド掘進機の
切羽安定制御方法を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ この発明はスキンプレートから地山へ貫入した
とき得られる基準曲線を基に、バルクヘツド又は
カツタより切羽前面に貫入したとき得られる検出
曲線とを比較し、その差異に応じて泥水濃度、泥
水圧力、カツタスリツト開度、スクリユーコンベ
ア回転数、掘進速度のいずれか１つまたは２つ以
上を選択的に変化させ、基準曲線に上記検出曲線
を近づけるようにして切羽の安定制御を行うもの
である。

［作用］ 本発明の着眼点の第１は従来の土圧検出器に代
えて切羽に進退自在な貫入ジヤツキを取付け、こ
れで地山貫入抵抗計測を行わしめ、地上からのボ
ーリングデータよりは格段に精度が高い貫入抵抗
曲線を得るようにしたことである。

そして、第２の着眼点は切羽が圧縮されている
ときと、切羽が不安定なときとは地山貫入抵抗計
測装置の貫入曲線がそれぞれ特有の形状を描き、
また切羽が安定しているときは両曲線の中間にそ
の貫入曲線が現われることを見出し、さらにこの
切羽安定の貫入曲線がスキンプレートから安定地
山に貫入したときの貫入曲線と一致することをつ
きとめたことにある。

［実施例］ 以下、この発明を添付の図面に基づいて詳細に
説明する。

第２図乃至第６図はこの発明に係るセンターシ
ヤフト駆動方止のシールド掘進機の要部図であ
る。第２図において１はカツタ、２はスキンプレ
ート、３はバルクヘツド、４はカツタ１の駆動
軸、５はカツタ１の駆動装置、６は掘進ジヤツで
ある。７は駆動軸内に内蔵され切羽前面の地山Ｚ
に対して進退自在に取付けられた貫入ジヤツキ、
８はバルクヘツド３又はカツタ１の近傍に位置す
るシールドフレームスキンプレート２に取付けら
れ、スキンプレート２に面する地山Ｚに対して進
退自在に装着された貫入ジヤツキであり、前記貫
入ジヤツキ７と同様に地山貫入抵抗計を備えてい
る。なお、１６はカツタチヤンバである。

第３図は第２図のＡ矢視のカツタ１を示し、１
４はカツタ１の直径上に開口したスリツト、１５
は該スリツト１４の開閉装置でありスリツトから
カツタチヤンバ１６内に流入する土砂等の流入量
を調節する。

第４図において９はカツタチヤンバ１６内へ泥
水（又は粘性土）を送り込む送泥管、１０は同じ
くカツタチヤンバ１６内から泥水を排出する排泥
管であり、１７はカツタチヤンバ１６内の泥水圧
力を検出する圧力検出器である。第５図および第
６図はバルクヘツド３に取付けた排土装置の説明
図であり、１１はスクリユーコンベア、１２はス
クリユーコンベア駆動装置、１３はスクリユーコ
ンベア１１の耕出口に設けたロータリーフイーダ
である。

この発明の構成は叙上の通りであり、以下にそ
の作用を説明する。第２図図示の貫入ジヤツキ８
をスキンプレート２より地山に貫入すると、貫入
結果は貫入ジヤツキ８の先端に取付けたセンサか
ら電気信号として取り出され、その電気信号は記
録装置（図示せず）に記録される。この電気信号
を基にしたストロークに対する貫入力特性は第７
図図示のごとく最初急勾配で立上り、やがて一定
値に落ちつく実線ａのような曲線形状となる。

一方、カツタ１に取付けた貫入ジヤツキ７を切
羽前面の地山Ｚに貫入させると、貫入結果は貫入
ジヤツキ７の先端に取付けセンサから電気信号と
して取出され、その電気信号は前記の記録装置に
同様に記録される。このとき、貫入ジヤツキ７と
８との貫入速度は、速度調整装置（図示せず）に
より同一貫入速度に調整されるようになつてい
る。これは双方のデータを同一条件下で得るよう
にするためである。

次いで、貫入ジヤツキ７，８で出力された電気
信号は、記録装置によりその差異を比較される。
この比較において、双方の電気信号に差異がなけ
れば切羽は安定しているといえる。これは安定地
山に貫入されたスキンプレート８の信号と被掘削
地山に貫入された貫入ジヤツキ７の信号とが一致
していることを意味しているからである。逆に貫
入ジヤツキ７，８の電気信号に差異があれば切羽
は不安定となる。この不安定すなわち双方の電気
信号の差異を解消するためには、次の６つの対応
策が考えられる。すなわち、 (1) 液体輸送にて掘削土を排土する排土装置を有
する装置にあつては、カツタチヤンバ１６内の
泥水濃度を変化させる。又はカツタチヤンバ１
６内の圧力を変化させる。この変化は第４図図
示の送泥管９及び排泥管１０による送排泥量の
調整により可能である。

(2) 固体状態にて掘削土を排土する排土装置を有
する装置であつては、カツタチヤンバ１６内の
土砂を第５図図示のスクリユーコンベア１１の
駆動装置１２による回転調整で可変して排土す
る。またスクリユーコンベア１の排土口に取付
けたロータリーフイーダ１３を可変して排土す
る。

(3) カツタチヤンバ１６内が液体状あるいは固体
状のいずれにあつても第３図図示の掘削土を取
り込むスリツト１４の開口量を開閉装置１５に
て調整する。

(4) 第２図図示の推進ジヤツキ６の速度を調整
し、シールドの掘進速度を変化させる。

(5) カツタ１の回転速度を変化させる。

(6) カツタチヤンバ１６内の圧力を変化させる。

以上の対応策の１つ又は２つ以上の組合せにて
切羽前面貫入ジヤツキ７の曲線形状をスキンプレ
ート２の貫入ジヤツキ８の曲線形状に近づけるこ
とが可能で、これにより切羽は安定が維持され
る。

ここで具体的に切羽の安定制御する方法につい
て述べる。実機テストで発明者が種々の実験を行
つた結果、切羽が最も安定しているときは貫入ジ
ヤツキ７より得られる曲線は第７図のａの曲線、
すなわちスキンプレート２から地山に貫入した際
の貫入曲線となる。一方、切羽が圧縮されている
ときは曲線ａよりも急峻に立ち上がつた後に一旦
落ち込み、その後曲線ａの一定値よりも幾分高い
値で落ちつくｂで示した曲線となる。他方、切羽
が不安定なときには曲線ａよりも緩やかに立ち上
がつた後に曲線ａの一定値よりも幾分低い値で落
ちつくｃで示した曲線となることが確認された。
この結果から、スキンプレート２側の貫入ジヤツ
キ８により安定地山の状態を記録し、切羽前面側
の貫入ジヤツキ７で切羽の状態を検知し、両者の
差異を解消すべく貫入ジヤツキ７の曲線を貫入ジ
ヤツキ８の曲線に近づければ切羽が安定すること
が判明した。

従つて、先ず貫入ジヤツキ７から得られた曲線
が第７図図示の曲線ｂのような曲線になつたとす
れば、切羽部の土砂は圧縮されているので、固体
状態の掘削土にあつては、基本的には前記(2)の対
応策で土砂を排土する。すなわち、スクリユーコ
ンベア駆動装置１２あるいはロータリーフイーダ
１３の回転速度を上げ、カツタチヤンバ１６内の
掘削土を排土し、さらには(3)の対応策も加えてス
リツト１４の開度を増大させスリツト１４からの
取り込み量を増大させる。又液体状態で掘削土を
排土する装置にあつては、基本的には(1)の対応策
でカツタチヤンバ１６内の泥水濃度を下げ、かつ
(3)の対応策も採つてスリツト１４の開度を増大さ
せスリツト１４からの取り込み量を増大させ、さ
らには(4)の対応策も加え推進ジヤツキ６の速度を
上げて地山切削切込み量を増しスリツト１４から
の土砂取込み量を増大させる等によりｂの曲線を
曲線ａに近づけることが可能となる。

次に、貫入ジヤツキ７から得られた曲線がｃの
ような曲線になつたとすれば、切羽部の土砂は非
安定状態となつているので、固体状態の掘削土に
あつては、(2)の対応策を採るけれども前述の場合
とは逆にスクリユーコンベア駆動装置１２あるい
はロータリーフイーダ１３の回転速度を落してカ
ツタチヤンバ１６内の掘削土をゆつくり排土し、
さらには(3)によりスリツト１４の開度を絞り、ス
リツト１４から取り込み量を減少させる。又液体
状態で掘削土を排土する装置にあつては、(1)の対
応策でカツタチヤンバ１６内の泥水濃度を上げ、
かつ(3)でスリツト１４の開度を絞り、スリツト１
４からの取り込み量を減少させ、さらには(6)を加
えてカツタチヤンバ１６内の泥水圧を上げる。一
方、カツタチヤンバ１６内の掘削土の固体、液体
状にかかわらず、(5)の対応策を採つてカツタ１の
回転速度を落とし、かつ(4)により推進ジヤツキ６
の速度を緩め地山切削切り込み量を減少させ、ス
リツト１４からの土砂取り込み量を減少させる等
によりｃの曲線を曲線ａに近づけることができ
る。

以上のような種々の対応策の１つあるいは２以
上の組合せでａの曲線を基準とした切羽の安定制
御ができるのである。なお、ここで１つあるいは
２以上の組み合せとなつているのは、地山の土質
が礫あるいは砂又はシルト、さらには粘土という
ように種々の土質によつてその対応の仕方が異な
るからである。従つて、例えば地山土質が砂の場
合であつて、固体状態の掘削土ではスクリユーコ
ンベア駆動装置１２あるいはロータリーフイーダ
１３の回転速度のみを可変することによつて対応
できるし、液体状態の掘削土ではスリツト１４の
開度のみでも対応でき、又カツタチヤンバ１６内
の泥水濃度を可変するかあるいはカツタチヤンバ
１６内の圧力を可変するのみで対応できることも
ある。

従つて、地山土質に応じて最適なる対応措置を
見い出すことが必要である。また、同じような土
質でも粒度構成の土質の違いがあるので、従来の
地上からのボーリングデータでは不可能であつた
精度の高い切羽の安定制御が行えることになる。
これは貫入抵抗基準曲線が掘削地点の真のデータ
になりうるからである。

第８図は貫入ジヤツキ７を周辺支持タイプのカ
ツタ中心部に取付けた図を示したもので、第２図
と全く同じ作用も奏し得る。また第９図および第
１０はセンターシヤフト駆動方式と周辺支持タイ
プを示すが、共にカツタ面板の中心ではなく、中
心から偏心させた部分に貫入ジヤツキ７を取付け
たものであり、第２図あるいは第８図のものに比
較して切削中は切羽の挙動を検出できないという
欠点があるが、停止中は全く同じ作用を奏し得
る。

なお、上述の実施例ではスキンプレート２に貫
入ジヤツキ８を取付け、自然地山の貫入曲線を
得、これを貫入曲線の基準としたが、実機試験に
おいて種々実験した結果から判断すれば、必ずし
も貫入ジヤツキ８を必要とせず、単に貫入ジヤツ
キ７のみをバルクヘツド３又はカツタ１から貫入
させ、この貫入により得られた第７図図示のよう
な曲線ａ，ｂ及びｃにより切羽の安定制御ができ
ることも判明した。従つて貫入ジヤツキ８を装備
しなくて、単に１つの貫入ジヤツキ７のみでも充
分切羽の安定制御が可能である。

また、実施例では貫入ジヤツキ７あるいは８は
それぞれ一本を想定したが、複数本装備すること
も可能であり、その場合には貫入曲線の平均化し
た同士を比較するのが実際的であり、精度を高め
ることになる。

以上述べたように上記実施例によれば、切羽前
面に設けた貫入ジヤツキの地山貫入抵抗計より得
られる貫入抵抗曲線を記録するので、切羽の状態
を直接検出でき、しかもこの貫入抵抗曲線を切羽
安定の貫入曲線と一致するスキンプレートから安
定地山に貫入して得られる貫入抵抗基準曲線と比
較して、切羽の安定、不安定を直ちに判断すると
共に、この両曲線形状の差異から泥水圧力、泥水
濃度、カツタスリツト開度、カツタ回転速度、シ
ールド掘進速度、土砂排出装置の排出速度等の１
つあるいは２つ以上の要素を変化させ、前記貫入
抵抗曲線を貫入抵抗基準曲線形状に近づけるよう
にしたことにより、切羽の安定化を図ることがで
きるので、切羽が圧縮された状態あるいは不安定
な状態で掘削した場合と比較して格段と精度の良
い掘削が行え、地搬沈下を少くすることができ
る。

また、切羽前面から地山貫入抵抗計からの貫入
抵抗曲線を得るようにしてあるので、掘削中、停
止中にかかわらず切羽の挙動を検出できることと
なり施工管理が容易である。しかも、直接検出で
あるため、間接的な管理（例えば乾砂量管理、土
量重量管理、土量管理、偏差流量管理）の場合に
切羽安定判断に多くの計器類を必要としていたの
が、これらを大幅に省略することができる。この
省略に判つてコストダウン並びに間接管理に要す
るデータ処理人員及び装置を減少できるので省力
化が可能となり、さらに間接管理の場合必然的に
伴う時間遅れの問題及び誤差の問題等が解消さ
れ、従来異なる安定制御の目安にしか過ぎなかつ
たものが真の切羽安定制御となり得る。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた
効果を発揮する。

(1) 貫入ジヤツキのストロークに対する貫入抵抗
曲線を求めるようにしたので、ある１点の貫入
抵抗値を求めこれに基づいて制御するものと異
なり、情報量の多い連続値すなわちパターンに
基づいた制御が可能となり、それ故、特に差が
僅かしかない後期と違つてストロークの初期に
切羽状態に応じて呈する貫入力抵抗の大きな差
異を見逃すことなく充分把握することができる
ため、精度の高い切羽安定制御を行うことがで
きる。

(2) スキンプレートに面する安定地山から実際の
貫入抵抗基準曲線を求めるので、実験結果から
求める貫入抵抗基準曲線を使う場合に比して、
現実に即した極めて精度の高い切羽制御が行え
る。

(3) 土砂排出装置の排出速度とシールド掘進速度
の２つの要素のみに止まらず、泥水圧力、泥水
濃度、カツタスリツト開度、カツタ回転速度を
も要素に加え、これらの要素を変化させるよう
にしたので、対応の仕方が異なる地山土質の種
類（砂、礫、シルト、粘土あるいは固体状態、
液体状態）応じて適切な対応措置を講ずること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ、ロ、はセンターシヤフト駆動方式に
おける従来の説明図、第２図ないし第１０図はこ
の発明に係る説明図であり、第２図は地山貫入抵
抗計測装置となる貫入ジヤツキをセンターシヤフ
ト駆動方式の軸内に取付けた図、第３図は第２図
のＡ矢視図、第４図は同じくセンターシヤフト駆
動方式において流体輸送により掘削排土する説明
図、第５図はスクリユーコンベアによる排土装置
図、第６図は第５図にロータリーフイーダを付加
した図、第７図は基準曲線と代表的貫入曲線との
比較特性図、第８図は貫入ジヤツキを周辺支持タ
イプのカツタ中心部に取付けた図、第９図は貫入
ジヤツキをセンターシヤフト駆動方式のカツタ面
板に取付けた図、第１０図は同じく貫入ジヤツキ
を周辺支持タイプのカツタ面板外周部に取付けた
図である。 １はカツタ、２はスキンプレート、３はバルク
ヘツド、４はカツタ駆動軸、５はカツタ駆動装
置、６は推進ジヤツキ、７，８は貫入ジヤツキ
（地山貫入抵抗計測装置）、９は送泥管、１０は排
泥管、１１はスクリユーコンベア、１２はスクリ
ユーコンベア駆動装置、１３はロータリーフイー
ダ、１４はスリツト、１５はスリツト開閉装置、
１６はカツタチヤンバ、１７は圧力検出器、Ｚは
地山、ａは貫入抵抗基準曲線である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スキンプレートに設けた地山貫入抵抗計を有
   する貫入ジヤツキをスキンプレートに面する安定
   地山に所定速度で貫入して、そのストロークに対
   する安定地山の貫入抵抗基準曲線を求めると共
   に、切羽前面に設けた地山貫入抵抗計を有する貫
   入ジヤツキを切羽前面の地山に上記所定速度と同
   速度で貫入して、そのストロークに対する地山の
   貫入抵抗曲線を求め、該貫入抵抗曲線と上記貫入
   抵抗基準曲線とを比較して貫入抵抗基準曲線に対
   する貫入抵抗曲線ずれに応じて泥水圧力、泥水濃
   度、カツタスリツト開度、カツタ回転速度、シー
   ルド掘進速度、土砂排出装置の排出速度のいずれ
   か１つまたは２つ以上を選択的に変化させ、前記
   貫入抵抗曲線を貫入抵抗基準曲線の曲線形状に近
   付けることによつて切羽を安定制御することを特
   徴とするシールド掘進機の切羽安定制御方法。