JPS63280191A - シ−ルド掘進機 - 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〕 本発明は、カッターホイール後方に撹拌室を備えた泥土
加圧式のシールド掘進機に関する。

〔従来の技術〕

シールド掘進機には、施工条件により泥土加圧式、泥土
圧式、泥土式等の各種形式のものがあるが、以下の説明
では泥水加圧式のシールド掘進機について述べる。

泥土加圧式シールド掘進機は、カッターホイールで切羽
を掘削し、掘削した土砂をカッターホイール後方の撹拌
室に充満させ、シールド掘進機の推進力で撹拌室内の土
砂を加圧して、その土圧で切羽の崩壊を防止し、一方、
撹拌室内に充満した土砂をスクリューコンベアで排土し
ながら掘進してゆく機構となっている。

第２図は従来の泥土加圧式シールド掘進機の側断面図で
ある。図中、ｌはシールド掘進機のシールド本体であり
、前方に形成されたフード部１ａおよび後方に形成され
たガーダ部１ｂを有する。２はフード部１ａとガーダ部
１ｂを区画するバルクヘッドである。３はフード部ｌａ
内に回転自在に設置されたカッターホイールであり、こ
のカッターホイール３は、中心部のボス３ａ、ボス３ａ
に放射状に取付けられた複数のスポーク３ｂ、スポーク
３ｂに取付けられた攪拌Ｈ３ｃ、前記、ボス３ａの切羽
側に取付けられたセンタービット３ｄ、前記スポーク３
ｂに取付けられた多数のとソト３ｅ、前記ボス３ａに設
けられてベントナイト溶液等の作泥材を他山に向けて噴
射する噴射口３ｆにより構成されている。４は前記ボス
３ａに取付けられて後方に延びているセンターシャフト
である。５ａ、５ｂ、５ｃはカッターホイール３を回転
させるためのベアリングであり、５ａはバルクヘッド２
に支持されたスライドベアリング、５ｂはベアリングケ
ース６ｂに支持されたスライドベアリング、５Ｃはベア
リングケース６ｂに支持されたラジアルベアリングであ
る。６はセンタシャフト４に取付けられた旋回ギヤ、６
ａはバルクヘッド２に取付けられて旋回ギヤ６を囲むギ
ヤース、６ｂはギヤケース６ａの後面に一体に形成され
たベアリングケースである。７はギヤケース６ａに取付
けられ、カッターホイール３を駆動する油圧モータ等の
駆動装置、７ａは駆動装置７の出力軸に取付けられたピ
ニオンであり、ビニオン７ａはギヤケース６ａ内で旋回
ギヤ６とかみ合っている。８はカッターホイール２の後
方に円筒状に形成された撹拌室であり、図から明らかな
ように、撹拌室８の切羽側は開放され、反切羽側はバル
クヘッド２で密閉されている。９は撹拌室８内の土砂か
らスライドベアリング５ａを保護するシール、１ｏは撹
拌室８の密閉側の開口を取込口とするスクリューコンベ
ア、１１はバルクヘッド２に取付けられ、撹拌室８内の
掘削土砂の圧力を測定する土圧計、１２はシールド本体
ｌに推進力を与えるシールドジヤツキである。

このように構成されたシールド掘進機は、駆動装置７の
駆動力を旋回ギヤ６を介してカッターホイール３に伝え
てこれを回転させ、ビット３ｄ、３ｅで切羽を掘削する
。一方、噴射口３ｆからは作泥材が切羽側に噴射されて
掘削された土砂に混入される。作泥材が混入された掘削
土砂は撹拌室８内に入り、攪拌翼３ｃにより両者が充分
にかき混ぜられ、流動性および不透水性が高められた泥
土に変換される。これにより、掘削土砂は大きな抵抗な
くスクリューコンベア１０の取込口に達し、スクリュー
コンベア１０により機外へ搬送される。この場合、フー
ド部１ａ、撹拌室８内に充満した掘削土砂の圧力は土圧
計１１で検出され、その検出値に基づいて適正な土庄に
保持される。（土庄の管理）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような泥土加圧式シールド掘進機においては、掘
進中に撹拌室８内で常に良好な泥土状態が維持されなけ
ればならない。もしも掘削対象土が砂質土であれば、作
泥材が薄め、すなわち溶液中に占める細粒土骨の割合が
低い場合には、砂質土と作泥材を攪拌しても塑性流動性
が悪く、スクリューコンベア１０に円滑に流入せず、攪
拌トルクが大となり、運転不能になることすらある。ま
た、地下水位が高い場合、作泥材が薄めであれば、作泥
材による止水性も期待できないので、地下水がスクリュ
ーコンベアｌＯから噴発し、地表陥没につながる。この
ように、掘削対象土の土質に応じて微妙に作泥材の濃度
、流量、掘進機の掘進速度を制御しなければ、上記のよ
うな運転不能な事態に陥る。従来は、カッターホイール
３のトルク変動とスクリューコンベア１０から排出され
る泥土の状態を監視しながら作泥材、掘進速度等の制御
を行なっていたが、撹拌室Ｂ内の泥土を良好な状態に維
持することは必ずしも容易ではない。すなわち、（ｉ）
スクリューコンベア１０から排出された泥土が良好な状
態でないと判ったときには、撹拌室８内の泥土状態はさ
らに悪く、塑性流動性がなくなっている場合が多い。

（ｉｉ）カッタートルクは、掘削トルク、攪拌トルク、
内部ロス等をすべて含んでおり、トルク上昇が何による
ものか判別できない。

などの理由で、制御が後追いとなり、往々にして運転不
能、水、砂などの噴発を招（ことがあった。

本発明の目的は、撹拌室内の泥土を良好な状態に維持す
るために、撹拌室内の泥土の塑性流動性を、スクリュー
コンベアからの泥土の排出に先立って検知する手段を備
えたシールド掘進機を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、掘進機のバルクヘッドに設けられた開口か
ら撹拌室内に突出可能な探査用ロッドと、該探査用ロッ
ドを撹拌室内の泥土に貫入させる貫入装置を備え、該探
査用ロッドにロンド貫入時に発生する振動を検出する振
動センサと貫入抵抗を検出する荷重センサを内蔵し、か
つこれらセンサの出力信号を処理して撹拌室内の泥土状
態（塑性流動性）情報を出力する処理装置を備えること
により達成される。

〔作用〕

シールド掘進機の掘進中または掘進停止時に貫入装置を
作動させて、探査用ロッドを撹拌室内に充満した泥土に
貫入させる。このロンド貫入時の振動センサおよび荷重
センサの出力信号を受けて処理装置が出力する情報によ
り、運転者は撹拌室内の泥土の塑性流動性を判定するこ
とができる。次に、その判定原理を説明する。

泥土に塑性流動性があるか否かを判定するための一つの
手段として、探査用ロッドの貫入抵抗を測定する方法が
考えられる。すなわち、掘削された土砂と作泥材が充分
に攪拌されて泥土状態となれば、探査用ロッドの貫入時
の抵抗力は地山に比べ極端に小さくなる。したがって、
探査用ロッドにロッドセルなどの荷重センサを内蔵させ
ておけば、そのセンサ出力から泥土状態を把握すること
ができる。しかし、貫入抵抗が小さいからといって、塑
性流動性のある良好な泥土であるとは限らない。なぜな
ら、砂質土に薄めの作泥材を混ぜて攪拌した場合、特に
細粒土分（粒径０．０７４ｍｍ以下）の含有率が２０〜
３０％以下の場合には、探査用ロッドを貫入させても、
泥土全体の間隙率が大きいので、容易に泥土が移動し、
貫入抵抗は極めて小さいにもかかわらず、このような泥
土を管内に流入させると、砂質土がブリッジを形成し、
流動性がない。このように、泥土の塑性流動性と貫入抵
抗とは１対１で対応する関係にはない。

塑性流動性は、砂質土の粒子の回りを水を吸着した細粒
土分が取り囲み、かつ適度の液体がその間に存在する場
合に生まれるので、液体の存在によるコンシスチンシー
（かたさ）を貫入抵抗で検知するとともに、土全体に占
める細粒土分の割合を検知することにより、はじめて塑
性流動性の判定が可能となる。そこで、本発明では、土
全体に占める細粒土分の割合を検知する手段として、探
査用ロッドに振動センサを内蔵させた。

土に棒状の物体を貫入させた場合、この棒が土層を破壊
しながら進むときに発する一種の摩擦音を聞くことがで
きる。この音は棒の先端部で土が破砕されたり、棒と摩
擦するときの振動が棒を伝わって地上の空中に伝播する
音である。

これらの音は、土質によって異なり、粘土の場合はほと
んど聞きとれない程微弱なのが普通であるが、締まった
砂、礫などではかなり太き（、しかもその音の特徴をキ
リキリ、ガリガリ、シャリシャリ、ジャーシャーなどと
区別して書き表わせる場合が多い。この点に着目し、発
明者らは、先端コーン部にマイクロホンを内蔵させたほ
ぼ第３図に示す形状の探査用ロッドを制作し、これを各
種土質の土中に貫入させる実験を試みた。第４図（ａ）
〜（ｄｌは、（ａ）粘土のみ、（ｂｌ粘土３０％十川砂
７０％、（Ｃ）粘土２０％十川砂８０％、（ｄｉ粘土１
り％十川砂９０％の４種類の土に貫入したときのマイク
ロホンの出力波形を示す。図から、（ａ）〜（ｄｌと砂
の占める割合を増加させると、波形の乱れが激しくなる
。すなわち、砂分が多いほど大きな音が発生しているこ
とが分かる。したがって、第４図に示す出力波形から音
圧などを読み取れば、対象土の細粒土分含有率を把握す
ることができる。

以上の原理により、ロンド貫入時のマイクロホンと荷重
センサの出力からシールド掘進機の撹拌室内の泥土の塑
性流動性を判定することができ、貫入音が大きくなれば
作泥材の濃度を増し、貫入抵抗が大きくなれば作泥材の
流量を増すことで、撹拌室内の泥土を常に良好な状態に
維持することが可能である。

上記の実験では、細粒土骨の含有率を検知するのにマイ
クロホンを用いたが、これは探査用ロッドを貫入させた
際に、外部の土粒子の破砕あるいは土粒子相互の摩擦に
より発生する振動および先端コーン部と土との摩擦によ
る振動が先端コーン部の金属中を伝わってマイクロホン
の受感部前方の金属表面に達し、その金属表面の振動が
圧力波（縦波）となって一旦空中を伝播したものをマイ
クロホンの受感面で捕えているわけであり、振動の検出
手段としては、いわば間接的な方法である。したがって
、先端コーン部の金属表面に加速度センサまたはＡＥ（
アコースティック・エミッション）センサなどの受感部
を密着させて取付け、金属中を伝播してくる振動を直接
検出することによっても、マイクロホンで貫入音を検出
するのと同様の原理で土質の判別が可能である。本明細
書では、直接、間接を問わず、貫入時に発生する振動を
検出し電気信号に変換するものを振動センサと総称する
。また、処理装置が出力する泥土状態（塑性流動性）情
報とは、前述した土のコンシスチンシーを表わす貫入抵
抗と、音圧レベル等の細粒上置含有率を表わす情報の両
方を含んだものをいう。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。図中、第２図と同一
の機能、名称の構成部分には同一の符号を付し、その説
明を省略する。

１３は探査用ロッドで、その先端付近に振動センサ、例
えばマイクロホン１４と、荷重センサ（ロードセル）１
５が内蔵されている。１６は油圧シリンダ等からなる貫
入装置で、バルクヘッド２の運転室側にブラケット１７
を介して取付けられている。探査用ロフト１３は貫入装
置１６のロッド１６ａに継手１８で結合され、ロッド１
６ａの前進、後退に伴い、バルクヘッド２の開口２ａか
ら撹拌室８内に突出させたり、引込めたりできるように
なっている。探査用ロッド１３の突出長は最大で撹拌室
８の軸方向長さとする。１９はシールで、探査用ロッド
１３とバルクベッド開口部２ａとの隙間をふさぎ、撹拌
室８内の泥土が運転室内へもれるのを防止する。

マイクロホン１４と荷重センサ１５の取付構造の具体例
を示すため、探査用ロッド１３の先端付近の断面図を第
３図として示す。第３図において、探査用ロッド１３の
本体部分１３ａは中空であり、その先端には貫入を容易
にするためと土の付着を防止するために円錐形状とした
先端コーン部１３ｂが前後方向に微小変位可能なように
装着されている。マイクロホン１４は、この先端コーン
部１３ｂにねじ２０で取付けられ、探査用ロッド１３が
土中に押し込まれる際に発生する振動が先端コーン部１
３ｂの内部空間に伝わる音を集音する。

また、円筒形をした荷重センサ（ロードセル）１５は、
その前端が先端コーン部１３ｂに、後端がロッド本体部
分１３ａの内奥部にそれぞれ固着され、探査用ロッド１
３の貫入時に先端コーン部１３ｂが受ける荷重（貫入抵
抗）を検出する。２１は探査用ロッド１３から後方の運
転室に至る信号線であり、マイクロホン１４と荷重セン
サ１５が出力する電気信号を伝送する。運転席部には、
マイクロホン１４と荷重センサ１５の出力信号を処理し
て撹拌室８内の泥土状態（塑性流動性）情報を運転者に
提示する処理装置２２が設置されている。

処理装置２２の構成としては、例えばマイクロホン１４
からの信号をプレアンプで増幅した後、さらにログアン
プで対数圧縮し、音圧レベルとして音圧表示器に表示さ
せ、一方、荷重センサ１５からの信号をアンプで増幅し
、貫入抵抗の値を表示器に表示させる。

このような構成のシールド掘進機において、掘進中は、
探査用ロッド１３が撹拌翼３Ｃに当たらぬようセンター
シャフト４の回転に同期して探査用ロッド１２の貫入・
引込みを行ない（図示しない回転検出器からの信号で貫
入装置１６の作動を制御する）、セグメント構築のため
の掘進停止時には、探査用ロッド１３の貫入位置に攪拌
翼３Ｃが位置しないようにセンターシャフト４を停止さ
せて、探査用ロッド１３の貫入・引込みを行なう。前述
の判定原理で説明したように、この探査用ロッド１３の
貫入時にマイクロホン１４で検出される貫入音の大きさ
は泥土の細粒主骨含有率に対応しており、荷重センサ１
５で検出される貫入抵抗は泥土のコノシスチンシーに対
応している。したがって、運転者は処理装置２２の出力
、例えば貫入音の音圧レベル、貫入抵抗などによって撹
拌室８内の泥土の塑性流動性を把握することができる。

撹拌室８内の泥土は攪拌翼３Ｃによって強制的にかき混
ぜられるが、他山の性状などにより、泥土状態に部分的
なムラが生じる場合もあり得る。したがって、大口径の
シールド掘進機では、撹拌室８内のすべての泥土状態を
把握するために、探査用ロッド１３を撹拌室８内の複数
箇所に突出可能なように配置したり、バルクヘッド２に
密閉可能な開口を複数個設け、探査用ロッド１３と貫入
装置１６を移動式として、撹拌室８内の異なる箇所に順
次突出させるようにすることも有効である。

なお、第３図において、マイクロホン１４の代わりに、
加速度センサまたはＡＥセンサなどを、受感部が先端コ
ーン部１３ｂの金属表面に密着した状態に取付ければ、
ロッド貫入時に先端コーン部１３ｂの金属中を伝播して
くる振動を直接検出することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、掘進に伴い地山の土質が変化しても、
スクリューコンベアからの泥土の排出に先立って撹拌室
内の泥土状態（塑性流動性）を把握できるので、土質の
変化に即応した作泥材の濃度、流量などの制御が可能と
なり、撹拌室内の泥土を常に良好な状態に維持できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側断面図、第２図は従来の
泥土加圧式シールド推進機の側断面図、第３図は第１図
中の探査用ロッドの要部拡大断面図、第４図はマイクロ
ホンによる泥土中の細粒上置含有率検出の説明図である
。 １・・・シールド本体、２・・・バルクヘッド、２ａ・
・・バルクヘッド開口部、３・・・カッターホイール、
４・・・センターシャフト、８・・・撹拌室、１０・・
・スクリューコンベア、１３・・・探査用ロッド、１４
・・・マイクロホン（振動センサ）、１５川荷重センサ
、１６・・・貫入装置、２１・・・信号線、２２・・・
処理装置代理人　弁理士　　秋　本　正　実（外１名）
第１図　１ １−−−シー―は本俸、　　　８−−一道ＰＦ！！　　
　　　＋６−貫入装置２−−−１％’＋に７へｙド　　
　　１０−−−、ｚり＋＋ａ−コ＞＞７　１９−＞”し
２ｏ−−ハーレクヘ〜ド閤口Ｗ　１３−−１しＵ口ｙ）
’　　２＋−一櫂号↑製３−−−’７ｙターｊＴｈ４−
１し　　　１４−−’ｔ’ＭりＤｉ：ｚ　　　２２−−
Ｍ１貿Ｊ【４−−−センターンマット　　１５−ａセン
サ第２図 第３図 １３−一一探食用口、ド　１５−−一荷ｔｔ７寸１３ａ
一本体１Ｐ分　　加−−−ねび １３ｂ−４廊コーン１’　　２１−（言回ネ聚１４−−
−マイクロホン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作泥材が混入された掘削土砂をカッターホイール後
   方の撹拌室に充満させ、泥土に変換して排土する泥土加
   圧式のシールド掘進機において、バルクヘッドの開口か
   ら前記撹拌室内に突出可能な探査用ロッドと、該探査用
   ロッドを撹拌室内の泥土に貫入させる貫入装置を備え、
   該探査用ロッドにロッド貫入時に発生する振動を検出す
   る振動センサと、貫入抵抗を検出する荷重センサを内蔵
   し、かつこれらセンサの出力信号を処理して撹拌室内の
   泥土状態（塑性流動性）情報を出力する処置装置を備え
   たことを特徴とするシールド掘進機。 ２、探査用ロッドが、撹拌室内の複数箇所に突出可能で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシー
   ルド掘進機。