JPS6220359B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シールド掘進機の切羽安定制御方法
に係り、特に、スクリユーコンベアを有する密閉
形シールド掘進機において、掘進機前面側の切羽
地山を常に安定化させるように自動制御するシー
ルド掘進機の切羽安定制御方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

最近のシールド工法としては、圧気、薬剤注入
等の工法が公害問題を誘引する可能性を有するこ
とから、全面密閉形の機械掘りシールド工法が盛
んに採用されている。この工法にあつては、その
補助工法として、切羽の安定を図るべく、泥水加
圧シールド工法、土圧シールド工法及び泥土加圧
シールド工法等が採用されている。これら工法に
使用されるシールド掘進機には、主にカツタ面板
の排土側に形成されるカツタ室の内圧を検出し、
これに応じてカツタ室内に泥水、掘削土砂又は泥
土を充満させて切羽の密閉圧力状態を保持し、切
羽を安定させると共に掘進速度を制御する自動制
御装置が備えられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、従来、この種のシールド掘進機を使
用してトンネル掘削するに際しては、その作業中
に切羽の状態を目視できないため、その事前に、
施工される地山の土質等の調査が入念に行われて
いる。この調査では、施工される地山に沿つて50
ｍ〜100ｍのピツチでボーリングが施こされ、土
質のデータが収集される。実際の掘削作業に際し
ては、これらデータより推定される切羽地山の状
態が、各シールド工法に使用されるシールド掘進
機の自動制御装置にインプツトされて作業がなさ
れることになる。しかし、ボーリングによつて得
られるデータは、その各々が比較的狭い範囲に限
られたデータであるため、そのデータより切羽土
圧値を推定計算した結果が、必ずしも実際の掘削
断面の状態を完全に表現しない不具合があつた。

従つて、ボーリングによつて得られたデータ及
び推定計算結果だけで自動制御装置を作動させる
のでは、実際の掘進と共に変化する切羽土圧値に
対して、この切羽を安定に保持する適正な圧力値
を与え得ず、地盤沈下等を引き起す危険性があつ
た。

本発明は、従来のシールド掘進機の切羽安定制
御方法の問題点に鑑み、これを有効に解決すべく
創案されたものである。

本発明の目的は、シールド掘進機の掘進によつ
て現出する地山のシールドフレームに加わる水平
方向の土圧値と、垂直方向の土圧値から得られる
土圧比とを互いに乗じて、適正切羽土圧値を求め
ることができ、この適正切羽土圧値に実際に検出
された切羽土圧値を等しくすべく排出される掘削
土砂の切り出し量を制御して、切羽の崩落を防止
し、これを安定に保持することができるシールド
掘進機の切羽安定制御方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、シールド掘進機のシールドフレーム
の切羽側に隔壁を設け、隔壁に加わる切羽土圧を
制御する方法において、下記算式によりシールド
フレームに加わる水平方向の土圧値Phを求める
と共に垂直方向の土圧値からその土圧比αを求
め、水平方向の土圧値Phに垂直方向の土圧比α
を乗じて隔壁の適正切羽土圧値Poを求めて実際
に隔壁に加わる切羽土圧値と比較し、掘削土砂を
排出させて隔壁に加わる切羽土圧値を適正切羽土
圧値Poに等しくするように制御して成るもので
ある。

記 Po＝Ph・α＝Ｐｓ＋Ｐｔ／２・Ｐｕ＋ａγ／Ｐｕ＋ｂ
γ 但し、Ph＝Ｐｓ＋Ｐｔ／２：水平方向の土圧値 α＝Ｐｕ＋ａγ／Ｐｕ＋ｂγ：垂直方向の土圧比 Ps，Pt：シールドフレームの左右の側部土圧値 Pu ：シールドフレームの垂直方向の土圧
値 ａ ：垂直方向の土圧値測定点から切羽土
圧値測定点までの垂直距離 ｂ ：垂直方向の土圧値測定点から側部土
圧値の測定点までの垂直距離 γ ：地山の密度 〔作 用〕 本発明の作用について述べると、シールド掘進
機の掘進によつて現出する地山のシールドフレー
ムに加わる水平方向の土圧値と垂直方向の土圧値
から得られる土圧比とを互いに乗じて適正切羽土
圧値を求め、掘進と共に変化する切羽土圧値を逐
次適正切羽土圧値に等しくなるように自動制御装
置を作動させて掘削土砂の切り出し量を制御する
ようになつている。

〔実施例〕

次に、本発明に係るシールド掘進機の切羽安定
制御方法を具体的に実施するための装置例を添付
図面に従つて詳述する。

第１図において、１はシールド掘進機である。
この掘進機１の外殻は、周囲の土圧に抗して内部
空間を保持し、その空間に掘削設備を有する円筒
形のシールドフレーム２により形成されている。
このシールドフレーム２には、第２図に示す如
く、その周方向に沿つて、頂部及び左右両側部
に、設定用土圧計３，４，５が設けられ、このシ
ールドフレーム２の上方部及び左右両側部からこ
れを押圧する地山の上部土圧値Pu及び左右の側
部土圧値Ps，Ptを検出し得るように構成され
る。第１図に示す如く、隔壁８には、シールド掘
進機１全体の掘進により発生する実際の切羽土圧
値Pfを検知する切羽土圧計１０が設けられる。室
９には、隔壁８を貫通して延出され、室９内の土
砂を取り出すと共に、それに滞留された土砂によ
り止水壁を形成することのできるスクリユーコン
ベア１１が設けられている。このスクリユーコン
ベア１１には、これを駆動する駆動装置１２が連
設されている。このスクリユーコンベア１１の排
出端１３には、モーノポンプ駆動装置１５を有す
るモーノポンプ１４が接続されている。従つて、
スクリユーコンベア１１より送られた土砂は、モ
ーノポンプ１４により排出管２０を通して図示さ
れない排出系へ移送されることになる。また、ス
クリユーコンベア１１の回転数を制御することに
よつて排出系に移送する土砂量を制御し得るよう
に構成されている。更に、第２図に示す如く、上
記隔壁８には、この周方向に沿つて多数のシール
ドジヤツキ１６…が設けられている。このシール
ドジヤツキ１６…は、図示されないセグメントに
反力をとり、シールド掘進機１全体を、シールド
フレーム２の軸方向に沿つて１セグメント分だけ
前進させるように構成されている。尚、室９に切
羽を切削するカツタを備えた機械掘りシールド掘
進機においては、カツタ面板７をシールドフレー
ム２の切羽側開口部６に配置し、隔壁８との間を
カツタ室として、ここに切削した土砂を充満させ
て土圧を発生させる。

ところで、第１図に示す如く、上記設定用土圧
計３，４，５には、これらより検出された土圧値
Pu，Ps，Ptを演算処理して適正切羽土圧値Poを
算出する演算回路１７が接続されている。この演
算回路１７の下流側には、適正切羽土圧値Poに
一定の数値を加減して一定の数値幅を有する適正
切羽土圧値P′oにすると共に、この適正切羽土圧
値P′oと、切羽土圧計１０より検出されたシール
ド掘進機１の掘進による実際の切羽土圧値Pfとを
比較して、その差を下流側の駆動制御装置１８に
インプツトする比較回路１９が設けられる。駆動
制御装置１８は、その差に応じて例えば、適正切
羽土圧値P′oが実際の切羽土圧値Pfよりも大きい
ならばスクリユーコンベア１１の取り出し量を少
なく、あるいは零にし、逆に、適正切羽土圧値
P′oが実際の切羽土圧値Pfよりも小さいならば取
り出し量を多くして、実際の切羽土圧値Pfが適正
切羽土圧値P′oにほぼ等しくなるようにスクリユ
ーコンベア１１の回転数を調節すべく駆動装置１
２を制御するように構成されている。

以上のような具体的装置例に基づいて、本発明
の切羽安定制御方法について更に詳しく述べる。

第３図に示す如く、掘削作業中に際しては、ま
ず、既設のセグメントに反力をとつて、シールド
ジヤツキ１６…の推進力により、シールド掘進機
１全体をシールドフレーム２の軸方向に沿つて前
進させる。この時、掘進機１の前進により発生す
る切羽土圧は、掘進機１前面の室９内に圧密され
た土砂を介して隔壁８に伝達される。この実際の
切羽土圧値Pfを、切羽土圧計１０が検出し、この
値Pfを比較回路１９にインプツトする。他方、シ
ールドフレーム２に設けられた設定用土圧計３，
４，５は、各々、その時の上部土圧値Pu及び左
右の側部土圧値Ps，Ptを検出し、これら値Pu，
Ps，Ptを演算回路１７にインプツトする。

演算回路１７は、土圧値Pu，Ps，Ptに以下の
ような演算を施こして、適正切羽土圧値Poを算
出することになる。

Po＝Ｋ・Ph・α＝Ｋ ・Ｐｓ＋Ｐｔ／２・Ｐｕ＋ａγ／Ｐｕ＋ｂγ (1) （ここに、Ｋは土質等に影響される経験的数値
である係数、γはそのときの地山の密度、ａは第
２図に示す如き、シールドフレーム２頂部の上部
土圧計３から切羽土圧計１０までの垂直距離、ｂ
は上部土圧計３から左右の側部土圧計４，５まで
の垂直距離である。） 上記(1)式のPh＝（Ps＋Pt）／２は、第２図に示
す如くシールドフレーム２の軸方向断面中心部２
１に加わる水平土圧値を表し、α＝（Pu＋ａ
γ）／（Pu＋ｂγ）は、その中心部２１とそれ
より（ｂ−ａ）だけ偏つた部分、即ち、切羽土圧
計１０の設置位置とに加わるシールドフレーム２
上方からの土圧比を表わしている。従つて、（Ps
＋Pt）／２に（Pu＋ａγ）／（Pu＋ｂγ）を乗
じれば切羽土圧計１０の位置に加わる切羽土圧値
を算定でき、更にＫ値を乗じることでより実体的
な切羽土圧値を算定できることになる。このよう
に立式すれば、掘進機１の掘進後に現出した切羽
地山の適正切羽土圧値Poを、シールドフレーム
２周囲に加わる土圧値Pu，Ps，Ptより算定する
ことができる。

以上のように算定された適正切羽土圧値Po
は、比較回路１９にインプツトされる。この比較
回路１９では、適正切羽土圧値Poに一定の数値
を加減して、一定の数値幅を有する適正切羽土圧
値Poに変換し、この土圧値Poと、切羽土圧計１
０より検出された実際の切羽土圧値Pfとを比較す
る。その差は駆動制御装置１８に送られ、その差
に応じてスクリユーコンベア１１の土砂取り出し
量を制御する。

以上の作用は、シールドジヤツキ１６…の推進
ごとに繰り返しなされることになる。従つて、シ
ールド掘進機１の掘進と共に変化する切羽土圧値
Pfを、逐次適正切羽土圧値Poと対応させて作業
でき、目視できない地山の土質等の変化に対応さ
せて自動制御装置を作動できるので、常に切羽を
安定に保持することができる。

従来は、地山の密度γ等のボーリングデータの
みに頼り、これらデータだけでシールド掘進機の
自動制御装置を制御していたのに対し、本発明
は、地山の密度γに加えて、実際に現出した掘削
断面の土圧値を考慮して自動制御装置を制御する
ようにしている。

即ち、従来にあつては、正確なボーリングデー
タを利用しているものの、あくまでも切羽地山の
状態は推定にしか過ぎなかつたが、本発明は単に
推定に止まらず、積極的に現実の切羽地山の土圧
値を検出して自動制御装置を制御するようになつ
ている。

これにより、自動制御装置に対し、従来よりも
より適切な制御値を与えることができることにな
る。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、要旨を変更しない範囲で種々に変形して実
施し得ることは勿論である。また、上記実施例で
は、土圧シールド式シールド掘進機１の場合をと
つて説明したが、これに限らず泥水加圧シールド
工法及び泥土加圧シールド工法等にも採用し得る
ことは勿論である。更に、上記実施例では、駆動
制御装置１８の制御対象は、スクリユーコンベア
１１の回転数、即ち切り出し土砂量であつたが、
これに限らず、モーノポンプ１５の回転数等を制
御しても同様な作用効果が得られることは勿論で
ある。

〔発明の効果〕

以上要するに本発明によれば、以下の如く優れ
た効果を発揮する。

シールド掘進機の掘進によつて現出する地山の
シールドフレームに加わる水平方向の土圧値と、
垂直方向の土圧値から得られる土圧比とを互いに
乗じて、適正切羽土圧値を求めることができ、掘
進と共に変化する切羽土圧値を逐次適正切羽土圧
値に等しくすべく自動制御装置を作動させて排出
される掘削土砂の切り出し量を制御し得、目視で
きない土質等の変化に迅速に対処でき、切羽の崩
落を防止しつつこれを安定に保持し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体的に実施するための装置
例である土圧シールド式シールド掘進機を示す側
断面図、第２図はその−線矢視図、第３図は
本発明に係るシールド掘進機の切羽安定制御方法
を示す系統図である。 図中、１はシールド掘進機、２はシールドフレ
ーム、８は隔壁である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シールド掘進機のシールドフレームの切羽側
   に隔壁を設け、該隔壁に加わる切羽土圧を制御す
   る方法において、下記算式により上記シールドフ
   レームに加わる水平方向の土圧値Phを求めると
   共に垂直方向の土圧値からその土圧比αを求め、
   水平方向の土圧値Phに垂直方向の土圧比αを乗
   じて上記隔壁の適正切羽土圧値Poを求めて実際
   に隔壁に加わる切羽土圧値と比較し、掘削土砂を
   排出させて隔壁に加わる切羽土圧値を上記適正切
   羽土圧値Poに等しくするように制御したことを
   特徴とするシールド掘進機の切羽安定制御方法。 記 Po＝Ph・α＝Ｐｓ＋Ｐｔ／２・Ｐｕ＋ａγ／Ｐｕ＋ｂ
   γ 但し、Ph＝Ｐｓ＋Ｐｔ／２：水平方向の土圧値 α＝Ｐｕ＋ａγ／Ｐｕ＋ｂγ：垂直方向の土圧比 Ps，Pt：シールドフレームの左右の側部土圧値 Pu ：シールドフレームの垂直方向の土圧
   値 ａ ：垂直方向の土圧値測定点から切羽土
   圧値測定点までの垂直距離 ｂ ：垂直方向の土圧値測定点から側部土
   圧値の測定点までの垂直距離 γ ：地山の密度