JPS6221994A

JPS6221994A - シールド掘進機の土砂性状計測装置

Info

Publication number: JPS6221994A
Application number: JP16016985A
Authority: JP
Inventors: 誠太田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1985-07-22
Filing date: 1985-07-22
Publication date: 1987-01-30
Also published as: JPH058318B2

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】〔発明の利用分野〕本発明はシールド掘進機の土砂性状把握方式に係り、詳
しくはカッタホイールで掘削されてチャンバ内に取り込
まれた土砂の性状を把握する方式〔発明の背景〕Ｊ’ｌＴＯ通り、シールド掘進機は、そのシールド本体
の隔壁とカンタホイールとの間にチャンバを形成し、カ
ンタホイールで掘削した土砂をチャンバ内に取り込んで
充満させ、該チャンバ内を切羽土圧（地下水圧十土被り
土圧）に相当する土圧に保持すると共に、シールドの進
行速度に見合う土砂ｉをスクリューコンベアで排出しつ
つ前進するものである。このシールド掘進機においては
、前記の土圧が作用している中でカッタホイールが回転
するので、そのカンタトルクは、土砂とのまさつ抵抗、
地山の掘削抵抗、土砂の粘着抵抗などに打ち勝つように
決定されている。

一方、トンネルの長手方向に対する他山の土質は、粘性
土、土丹、砂、砂礫層などと多岐に変化することが一般
的である。そして他山の物理的性質を表現するＮ値、内
部まさつ角φ、粘着力Ｃ１含水比ωなどによってカッタ
トルクが大幅に変化することが知られている。また軟弱
粘性土では比較的良好に掘進できるが、バインダー分（
細粒土）の含有率の少ない砂層では内部まさつ角φが大
きいために土砂がステフクして、カンタホイールの回転
不能という事態が発生することもある。このときは、作
泥材噴射口から作泥材（ベントナイト、粘土など）を注
入し、掘削土砂と作泥材とをカッタビット、カッタスポ
ークなどで良く撹拌することにより、土砂性状を塑性流
動化すればカッタトルクの低下を図れることも知られて
いる。滞水砂礫層では透水性が大きいので、スクリュー
コンベアの排土口までの通過抵抗だけでは高水圧に耐え
られないことがあり、排土性状が泥水状となってスクリ
ューコンベアに乗らないことも起きる。このような時に
は、前記作泥材噴射口から作泥材（細粒土）を注入して
、砂粒子間の間隙を埋め目詰まりさせることにより透水
性が小さくなり、かつ高水圧にも耐えられるようになっ
て、スクリューコンベアからの排土性状も良好なものに
改善されることが知られている。また土丹では水分が少
なく、粘着力Ｃが大きいので、土砂の流動性が悪くカッ
タトルクが大きくなることがあるが、この場合も水を注
入することにより粘着力Ｃを下げ、良好な排土にできる
ことが知られている。良好な排土は、一般的にスランプ
値５〜１５程度に限定されている。そして、このような
土砂の撹拌抵抗は、掘削トルクに比べて小さなものであ
る。

ところで、前述したシールド掘進機においては、このよ
うに個々の対応策が多くの経験から可能となっているに
も抱わらず、従来依然としてカッタホイール回転不能や
スクリューコンベアからの噴泥などのトラブルを起こし
ている。この主な原因は切羽側が隔壁によりシールドさ
れていて、切羽地山の変化を視ることができないからで
ある。このため、オペレータはカッタトルクの変化とス
クリューコンベアからの排土を目視観察することで、他
山変化を推定してシールド操作を行っている。

また排土性状がスランプ値５〜１５程度に維持されてい
るか否かは、塑性流動化した排土、換言すればチャンバ
内の土砂の撹拌抵抗を知ることで判断することができる
。

しかし、カッタトルクから土砂性状を判断する方法は、
掘削抵抗トルクがカンタトルクの大部分を占めていて、
撹拌抵抗トルクの変化を知ることが非常に難しく、土砂
性状を正確に把握できない。

また、スクリューコンベアからの排土の目視による判断
法は、時間的に大幅な遅れがある。つまりカッタホイー
ルで掘削された土砂がスクリューコンベアの排土口に達
するまでに通常３０分程度の時間差がある。従って、排
土口の排土性状がカッタホイール近傍の土砂性状と一致
するのは、トンネル長手方向の土質変化がない場合のみ
であり、土質変化がある場合にはチャンバ内の土砂の性
状を把握できないことになる。また排土のスランプ値に
ついては、外観のみでは間違え易く、容易に採取してス
ランプ試験を実施しなければならないので、間歇的なチ
ェックしかできない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、チャンバ内の土砂を撹拌する際に土砂
から受ける土圧と静止土圧とを検出することで、チャン
バ内土砂の性状を正確に把握することができるシールド
掘進機の土砂性状把握方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の土砂性状把握方式は、カッタホイールの背面に
、チャンバ内土砂の撹拌作用を行える撹拌具を設け、そ
の撹拌具に、該撹拌具がカッタホイールと共に回転する
とき土砂から受ける土圧σ１を検出する第１センサーを
取付け、撹拌具またはシールド本体の隔壁に静止土圧ま
たは回転方向と直角方向の土圧σ３を検出する第２セン
サーを取付け、前記の第１．第２センサーから検出され
る土圧σ１．σ３から土砂の内部まさつ角を求めてチャ
ンバ内土砂の性状を把握するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第４図に基づい
て説明する。第１図は本発明による土砂性状把握方式を
備えたシールド掘進機の縦断面図、第２図は第１図にお
けるセンサーの取付けを示す斜視図である。図において
、１はシールド本体で、切羽と機内とを隔離する隔壁２
を備えている。３はシールド本体１の隔壁２前面側に装
設されたカッタホイールで、多数のカッタ４と、センタ
ービット５とを有している。６はカンタホイール３と隔
壁２との間に形成された土砂取り込み用のチャンバ、７
は土砂排出用のスクリューコンベアで、チャンバ６内の
土砂を該チャンバ６の下部より取り出してベルトコンベ
ア８に排出する。９はカッタホイール３の回転軸、１０
はカッタホイール３の駆動装置で、ビニオン１１および
歯車１２を介して回転軸９を回転させる。１３はセンタ
ービット５部に設けられた作泥材噴射口で、スイベルジ
ヨイント１４および回転軸９内に穿った通路１５を通っ
て送られる作泥材を掘削部分に噴射する。１６はカッタ
ホイール３の背面にチャンバ６内土砂の撹拌作用を行え
るように取付けられた撹拌具、１７および１８は撹拌具
１６に固設された第１センサーおよび第２センサーで、
第１センサー１７は撹拌具１６がカッタホイール３と共
に回転したとき土砂から受ける土圧σ１を検出できる位
置に取付けられ、また第２センサー１８は静止土圧σ、
を検出できる位置に取付けられている。そして、第１セ
ンサー１７の検出信号および第２センサー１８の検出信
号は信号中継器１９を介して機内に具えた計測器２０で
３軸応力状態の土圧として表示されるようになっている
。前記信号中継器１９はスイベルジヨイント１４近傍に
取付けられている。また第１．第２センサー１７．１８
の信号ケーブル２１はカッタホイールおよび回転軸９の
内部を通されて信号中継器１９に接続されている。

前記の第１センサー１７および第２センサー１８から検
出される土圧σ１．σ３は周知の関係があり、・・・・
・・・・・・・・（１１として表わされる。

但し、φは土砂の内部まさつ角、Ｃは土砂の粘着力、一方、第３図はスクリューコンベアからの排土を採取し
て、スランプ値と粘着力Ｃとの関係をプロットした実績
の一例のグラフ図を示している。

通常、良好な排土と考えられているものは、スランプ値
で０〜１５程度の土砂であり、よく撹拌されて塑性流動
性を有するものであって、はとんど内部まさつ角φ＃Ｏ
１粘着力ｃ　＜０．２　Ｋｇ／ｃｍ”である。

従って、この値を（１）式に代入すれば、グ、＝σ、＋
２Ｇ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・＋２１となる。そして、（１）式と（２）式を図
表化すると第４図に示すようになる。この線図において
、点線の特性は土砂が砂の場合（ｃ　＝　Ｏ）であり、
実線の特性は良好な排土の場合である。また、一般の土
砂（φ≠０．ｃ≠０）は、図示していないが実線の特性
から離れた直線となる。σ３は通常切羽の崩壊を■止す
る土圧であり、シールドの土被りまたは弛み高さから決
定されるもので、はとんどのシールド工事の実情は、σ
：ｌ　＞０．５　Ｋｇ／ｃｍ２である。

そして、トンネルはは！゛水平施工されることが多いの
で、σ３ははソ′一定値に管理されるものである。

今、仮にσ３　＝　Ｉ　Ｘｇ／ｃｍ”一定で掘進してい
る時、σ、″ｑ　Ｉ　Ｋｇ／ｃｍ”であれば、カッタホ
イール３部分ですでに土砂の塑性流動化が達成させられ
ており、排土は良好なものとなる。また掘進途中で例え
ばσｒ　＝　３　Ｋｇ／ｃｍ”まで上昇したとすると、
第１センサー１７近傍の土砂は、φ＝３０’　　（ｃ＝
ｏ）の砂に変化していることが容易に判断できる。そし
て、この時にオペレータは、直ちに噴射口１３から作泥
材を噴射することができ、カッタホイール３部分で十分
撹拌することにより土砂の性状を改良することができる
。

以上の如く、本実施例においては、カッタホイール３の
掘削力が影響しないチャンバ６内にて撹拌時の土砂から
受ける土圧σ、と静止土圧ｆ３とを検出して、土砂のま
さつ角φを知ることができるので、土砂の性状を正確に
かつ敏感に把握できる。その結果、土砂の性状に応じた
作泥材の噴射を行うことにより、排土の性状を良好に維
持でき、力・７タホイール３の回転不能、スクリューコ
ンベア７からの噴泥といった事態を未然に防止すること
が可能となる。

尚、本実施例において、第１．第２センサーの出力信号
（σ、−σ３）と設定値（グ。）との比較信号によって
、作泥材注入量を制御するようにすれば、土砂の性状に
応じた作泥材注入を自動化することも可能となる。

また本実施例においては、静止土圧σ、を検出する第２
センサー１８を撹拌具１６に取付けた例を示したが、そ
の第２センサー１８を隔壁２に取付けるようにしてもよ
い。

また、本発明における撹拌抵抗を完全に表現する理論式
は、土砂の実験データにばらつきが多いため、完全に確
立されておらず、別の考え方として浅い基礎の極限支持
力（ｑｄ）による説明もあるが、どちらの理論が良いの
か不明であるので、前者を採用して説明した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、チャンバ内土砂
の性状を正確に把握することができる。

その結果、土砂の性状に応じて作泥材の注入を行うこと
により排土の性状を良好に維持でき、カッタホイールの
回転不能、スクリューコンベアからの噴泥といった事態
を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例を示し、第１図は本
発明による土砂性状把握方式を採用したシールド掘進機
の縦断面図、第２図は第１図におけるセンサーの取付け
を示す斜視図、第３図は良好な排土の例を示す線図、第
４図は本発明における３軸応力を示す特性線図である。１・・・シールド本体、２・・・隔壁、３・・・カッタ
ホイール、６・・・チャンバ、７・・・スクリューコン
ベア、１６・・・撹拌具、１７・・・第１センサー、１
８・・・第２センサー、２０・・・計測器。特許出願人　　日立建機株式会社代理人　弁理士　　秋　本　正　実第１図第２図第３図結瑞たｃＫ％ｍ２第４図槃、・

Claims

【特許請求の範囲】

シールド本体の隔壁とカッタホイールとの間にチャンバ
を形成し、カッタホイールで掘削した土砂をチャンバ内
に取り込んで充満させ、該チャンバ内を切羽土圧に相当
する土圧に保持すると共に、チャンバ内の土砂をスクリ
ューコンベアにより排出しつつ前進するシールド掘進機
において、前記カッタホイールの背面に、チャンバ内の
土砂の撹拌作用を行える撹拌具を設け、その撹拌具に、
該撹拌具がカッタホイールと共に回転するとき土砂から
受ける移動方向の土圧σ＿１を検出する第１センサーを
取付け、撹拌具または前記隔壁に静止土圧または回転方
向と直角方向の土圧σ＿３を検出する第２センサーを取
付け、前記の第１、第２センサーから検出される土圧σ
＿１、σ＿３からチャンバ内の土砂性状を把握すること
を特徴とするシールド掘進機の土砂性状把握方式。