シールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法
【課題】 シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができるシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法を提供する。
【解決手段】 シールド掘進機１の切羽側には複数のカッタビット３０が設けられており、カッタヘッド２の回転中心となる中心軸から異なる距離をおいて配置された複数のカッタビット３０に歪ゲージ４１が取り付けられている。歪ゲージ４１では、カッタヘッド２を回転させて掘進を行う際のカッタビット３０の歪値を検出する。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１で検出される各カッタビット３０の歪値と、カッタビット３０の位置に基づいて、シールド掘進機１の切羽側における土層を判定する。
【解決手段】 シールド掘進機１の切羽側には複数のカッタビット３０が設けられており、カッタヘッド２の回転中心となる中心軸から異なる距離をおいて配置された複数のカッタビット３０に歪ゲージ４１が取り付けられている。歪ゲージ４１では、カッタヘッド２を回転させて掘進を行う際のカッタビット３０の歪値を検出する。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１で検出される各カッタビット３０の歪値と、カッタビット３０の位置に基づいて、シールド掘進機１の切羽側における土層を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド掘進機の掘削断面における土層を判定するシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機によって地中を掘進する際、掘進する地盤の土層に基づいて異なる掘削方式とするものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、シールド掘進機によって地中を掘進する際、掘進する地盤の土層に基づく掘削管理が行われる。ここで行われる掘削管では、いわゆる泥土圧式シールド掘進機では、この土層データに基づいて、切羽土圧設定、加泥材添加量調整、排出土量調整などが行われる。また、いわゆる泥水式シールド掘進機では、切羽水圧設定、送泥水性状、送排泥流量調整などが行われる。これらの目的のため、シールド掘進機が掘進する地盤の土層を調査することは重要となる。
【０００３】
従来、シールド掘進機が掘進する地盤の土層を調査する地盤の調査方法としては、事前に調査したボーリングデータ、掘進時のシールド掘進機に掛かるシールド掘進機負荷データ、排出される土砂や泥水の性状データからシールド掘進機前方の土層を想定する方法が採られていた。
【特許文献１】特開２０００−２９７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の地盤の土層調査方法では、ボーリングデータを得るにあたり、調査箇所間の距離が約５００ｍ程度離れることとなる。このため、ボーリングデータを採取したとしても、既知点以外の土層境界を判定することが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、シールド掘進機負荷データおよび排出される土砂や泥水の性状データを分析することにより、土層境界や介在層の存在はある程度検出することができる。しかし、掘削土や泥水がチャンバ内で攪拌されることから、掘削断面における土層境界や介在層の位置や存在程度を把握することが困難であった。このため、効率的な掘削管理を行うことが困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができるシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決した本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置は、掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられたカッタヘッドを備えるシールド掘進機を有し、カッタヘッドは、掘進方向に沿った中心軸周りに回転可能とされ、カッタヘッドにおける切羽側に、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、複数の切削抵抗測定手段は、互いに中心軸から異なる距離をおいて配置されており、複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する掘削断面土層判定部を備えるものである。
【０００８】
本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置では、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、互いに中心軸から異なる距離における切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する。このため、切削抵抗測定手段が設けられている間隔ごとに土層境界や介在層を検出することができる。したがって、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができる。
【０００９】
ここで、複数のカッタビットは、カッタヘッドにおける互いに中心軸から異なる距離をおいた位置に配置されており、複数の切削抵抗測定手段は、複数のカッタビットにそれぞれ設けられている態様とすることができる。
【００１０】
このように、切削抵抗測定手段がカッタビットに設けられていることにより、カッタビットに掛かる荷重から切削抵抗を測定することができる。したがって、切削抵抗を測定する測定装置の簡素化を図ることができる。また、カッタビットに掛かる切削抵抗を測定しているので、シールド掘進機前方の土層を早い段階で検出することができる。
【００１１】
また、切削抵抗測定手段は、切削抵抗測定手段が設けられたカッタビットの歪みを計測する歪ゲージである態様とすることができる。
【００１２】
このように、切削抵抗測定手段が歪ゲージであることにより、カッタビットの歪みによってカッタビットに掛かる切削抵抗を精度よく測定することができる。
【００１３】
さらにカッタビットにおける掘進方向に沿ってみた坑口側に、切削抵抗測定手段を設ける取付凹部が形成されている態様とすることができる。
【００１４】
このように、カッタビットに取付凹部が形成されていることにより、切削抵抗測定手段を配置するスペースを削減することができる。
【００１５】
また、切削抵抗測定手段は、カッタヘッドにおける掘進方向に沿ってみた切羽側に設けられた検出ロッドと、検出ロッドに掛かる荷重を計測するロードセルと、を備える態様とすることができる。
【００１６】
このように、切削抵抗測定手段としては、検出ロッドおよびロードセルを用いたものとすることもできる。
【００１７】
さらに、上記掘削断面土層判定部の判定結果に基づいて、シールド掘進機の掘進管理を行う態様とすることができる。
【００１８】
このように、掘削土層判定部の判定結果に基づいてシールド掘進機の掘削管理を行うことにより、効率的な掘削管理を行うことができる。
【００１９】
他方、上記課題を解決した本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定方法は、掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられ、掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能なカッタヘッドを備えるシールド掘進機のカッタヘッドにおける切羽側に、互いに中心軸から異なる距離をおいて配置されて設けられた複数の切削抵抗測定手段によってそれぞれ切削抵抗を測定し、複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を、掘削断面土層判定部によって判定することを特徴とする。
【００２０】
また、掘削断面土層判定部によって判定したシールド掘進機の掘削断面の土層の履歴を記憶しており、掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想する態様とすることができる。
【００２１】
このように、掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想することにより、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を精度よく予想することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法によれば、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。図１は本実施形態に係る掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の模式的構成図、図２はシールド掘進機の正面図、図３はカッタビットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係るシールド掘進機１は、いわゆる泥土圧式シールド掘進機であり、カッタヘッド２を備えている。カッタヘッド２の坑口側には、外筒部３が設けられている。さらに外筒部３よりも坑口側にはセグメントが組み立てられて形成されたシールドトンネルＴが設けられており、シールドトンネルＴ内には後続台車４が配設されている。また、シールドトンネルＴの坑口側には、立坑５が構築されている。
【００２５】
また、シールド掘進機１には、スクリュコンベアＳが設けられており、チャンバ内に滞留する土砂を排出する。さらに、シールドトンネルＴ内には、シールド掘進機１で掘削された土砂を立坑５まで搬送するベルトコンベア６が設けられている。スクリュコンベアＳは、チャンバ内の土砂をベルトコンベアまで搬送している。ベルトコンベア６には、ベルトコンベア６で搬送される土砂の搬送量を計測するベルトスケール６Ａが取り付けられている。
【００２６】
さらに、シールドトンネルＴ内には、加泥材注入管７を介してチャンバに加泥材を供給するための加泥材注入ポンプ８が設けられている。また、加泥材注入管７には、加泥材注入ポンプ８から供給される加泥材の流量を検出する加泥材流量計９が設けられている。
【００２７】
さらに、カッタヘッド２は、シールド掘進機１の掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能とされている。このカッタヘッド２には、カッタヘッド２を回転させる回転モータ１０が取り付けられており、カッタヘッド２には、ロータリジョイント１１が取り付けられている。また、ロータリジョイント１１には、カッタヘッド２の回転角度を検出するカッタ回転角検出装置としてのロータリエンコーダ１２が取り付けられている。さらに、カッタヘッド２には、チャンバ内の土圧を計測する土圧計１３が設けられている。
【００２８】
また、図２に示すように、カッタヘッド２におけるシールド掘進機１の進行方向に沿ってみた切羽側には、正面視して放射状に配設された複数本、本実施形態では６本のカッタスポーク２１〜２６が設けられている。そのうちの４本のカッタスポーク２１〜２４には、切羽の掘削を行う複数のカッタビット３０が取り付けられている。複数のカッタビット３０は、各カッタスポーク２１〜２４上において、その軸方向に略等間隔で離間して配置されている。
【００２９】
また、図３に示すように、カッタビット３０の基端部は、カッタスポーク２１〜２６に対して溶接によって固定されている。ただし、カッタビット３０としては、いわゆるリレービット方式のものを用いることもできる。リレービット方式のものを用いた場合、シールド掘進機１内において、カッタビット３０の交換が可能となる。
【００３０】
また、カッタビット３０の先端部分は中実とされている。その一方、カッタビット３０の基端部分には凹部３２が形成されている。カッタビット３０に形成された凹部３２は、カッタビット３０の基端部をわずかに切り欠いた程度の大きさとして形成されている。
【００３１】
カッタスポーク２１〜２４に取り付けられた複数のカッタビット３０のうち、図２に斜線を付して示す一部のカッタビット３０に、切削抵抗測定手段である歪ゲージ４１が取り付けられている。具体的には、第１カッタスポーク２１の軸方向に並べられた複数のカッタビット３０のうち、およそ半数のカッタビット３０に歪ゲージ４１が取り付けられており、歪ゲージ４１が取り付けられたカッタビット３０と歪ゲージ４１が取り付けられていないカッタビット３０とが交互に配置されている。こうして、複数の歪ゲージ４１が、互いにカッタヘッド２の回転中心となる中心軸から異なる距離をおいて配置されている。
【００３２】
歪ゲージ４１は、カッタスポーク２１〜２４に対するカッタビット３０の歪値を検出している。また、歪ゲージ４１には、通信線４２Ａの一端部が接続されており、通信線４２Ａの他端部は、カッタヘッド２内に配設された第１中継装置４３に接続されている。また、後続台車４、立坑５、および地上にはそれぞれ第２中継装置４４、第３中継装置４５、および第４中継装置４６が設けられて、互いに同軸ケーブル４２Ｂを介して接続されている。
【００３３】
このうち、第１中継装置４３と第２中継装置とに接続される同軸ケーブル４２Ｂは、ロータリジョイント１１を通じて配設されている。これらの第１中継装置４３〜第４中継装置４６としては、多重伝送装置が用いられている。また、地上に設けられた第４中継装置４６には、本発明の掘削断面土層判定部となる掘進管理装置４７が接続されている。歪ゲージ４１は、中継装置４３〜４６を介して、カッタビット３０の歪値を掘進管理装置４７に送信する。
【００３４】
カッタヘッド２を回転させてシールド掘進機１による掘進を行う際、シールド掘進機１の前方の地山から荷重を受けると、その荷重の大きさに応じて切削抵抗が上下し、この切削抵抗に応じた歪みがカッタビット３０に生じる。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１から送信されたカッタビット３０に生じた歪値に基づいてカッタビット３０に掛かる切削抵抗を検出する。
【００３５】
また、掘進管理装置４７は、カッタヘッド２の回転中心−各カッタビット３０間の長さを記憶している。掘進管理装置４７では、ロータリエンコーダ１２で検出されたカッタヘッド２の回転角度と、カッタヘッド２の回転中心−カッタビット３０間の長さとに基づいて、カッタビット３０の位置を検出する。さらに、掘進管理装置４７は、各カッタビットの位置および各カッタビット３０のそれぞれに掛かる切削抵抗に基づいて、シールド掘進機１における前方の地山の土層を判定する。
【００３６】
また、カッタヘッド２内に設けられた第１中継装置４３には、回転モータ１０、ロータリエンコーダ１２、および土圧計１３が接続されており、立坑５に設けられた第３中継装置４５には、通信線４２Ａを介してベルトスケール６Ａ、加泥材注入ポンプ８、および加泥材流量計９に接続されている。
【００３７】
さらに、ロータリエンコーダ１２は、中継装置４３〜４６を介して、カッタヘッド２の回転角度を掘進管理装置４７に送信する。また、土圧計１３は、中継装置４３〜４６を介して、およびチャンバ内の土圧を掘進管理装置４７に送信する。さらに、ベルトスケール６Ａは、中継装置４５，４６を介して、ベルトコンベア６で搬送される土砂の搬送量を掘進管理装置４７に送信する。さらに、加泥材流量計９は、中継装置４５，４６を介して、加泥材の流量を掘進管理装置４７に送信する。
【００３８】
また、掘進管理装置４７は、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量の調整を行う。そのために、掘進管理装置４７は、判定した土層に基づいて、切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値を算出する。また、算出した切羽土圧目標値と、土圧計１３から送信されるチャンバ内の切羽土圧実測値に基づいて、土圧調整量を算出する。さらに、掘進管理装置４７は、算出した加泥材添加量目標値と、加泥材流量計９から送信された加泥材の流量実測値に基づいて、加泥材調整量を算出する。また、掘進管理装置４７は、算出した排土量目標値と、ベルトスケール６Ａから送信された土砂の搬送量実測値に基づいて、排土量調整値を算出する。こうして、掘進管理装置４７では、切羽土圧、加泥材添加量、排土量の管理を行う。
【００３９】
以上の構成を有する本実施形態に係る掘削断面土層判定装置の動作・作用について説明する。
【００４０】
シールド掘進機１における掘進を行う際には、回転モータ１０によってカッタヘッド２を回転させて、カッタビット３０によってシールド掘進機１の前方における地山を掘削しながら前進する。カッタビット３０で地山を掘削して発生する土砂は、チャンバ内に取り込まれ、チャンバからスクリュコンベアＳによりベルトコンベア６まで排出され、ベルトコンベア６によって立坑５まで搬送する。ここで、チャンバ内では、カッタヘッド２を地山に押し付け、掘削された土砂を攪拌するとともに、加泥材を供給して土砂流動性を維持するようにする。チャンバ内の土圧は、土圧計１３によって計測されている。チャンバ内の土砂の量の調整は、スクリュコンベアＳによる土砂の搬送量の調整によって行われる。
【００４１】
シールド掘進機１による掘進を行うと、カッタビット３０には、カッタヘッド２の回転に伴う荷重が掛かり、この荷重による切削抵抗を受けたカッタビット３０には歪みが生じる。ここでカッタビット３０に生じる歪みは、カッタビット３０が掘削を行う土層の種類（硬度）に応じて変動する。歪ゲージ４１では、カッタビット３０の歪値を検出し、歪値信号を掘進管理装置４７に送信している。また、ロータリエンコーダ１２は、カッタヘッド２の回転角度を検出し、回転角度信号を掘進管理装置に送信している。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１から送信された歪値信号およびカッタヘッド２の回転角度に基づいて、シールド掘進機１における前方の土層を判定する。
【００４２】
たとえば、図４に示すように、第１カッタスポーク２１には、歪ゲージ４１が設けられたカッタビット３０として、外側から順に第１カッタビット３０Ａ、第２カッタビット３０Ｂ、第３カッタビット３０Ｃ、および第４カッタビット３０Ｄが設けられているものとする。ここで、掘進管理装置４７では、ロータリエンコーダ１２によって検出されるカッタヘッド２の回転角度と、予め記憶しているカッタヘッド２の回転中心−各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄ間の長さから各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの位置を検出する。
【００４３】
また、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄにおける歪ゲージ４１では、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの歪値を検出する。シールド掘進機１が掘削を行う際には、カッタヘッド２を回転させてカッタビット３０の掘削力を利用する。このため、シールド掘進機１の前方の土層の硬度に応じて、カッタビット３０に掛かる切削抵抗が上下する。
【００４４】
たとえば、カッタビット３０の前方の土層が軟弱土層Ｌ１である場合には、歪ゲージ４１の歪値は５με程度、カッタビット３０の前方の土層が通常土層Ｌ２である場合には、歪ゲージ４１の歪値は１０με程度、カッタビット３０の前方の土層が硬質土層Ｌ３である場合には、歪ゲージ４１の歪値は１５με程度となる。このように、歪ゲージ４１で検出される歪値はシールド掘進機１の前方の土層の硬度に応じて上下する。
【００４５】
掘進管理装置４７は、検出した各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの位置と、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄから送信された歪値に基づいて、シールド掘進機１の前方の土層を判定する。たとえば、図４に示すように、シールド掘進機１の前方の土層が、軟弱土層Ｌ１、通常土層Ｌ２、硬質土層Ｌ３であったとする。
【００４６】
この場合、第１カッタスポーク２１が位置Ｐ１にあるときには、第１カッタビット３０Ａ〜第３カッタビット３０Ｃの歪値が１５με程度となり、第４カッタビット３０Ｄの歪値が１０με程度となる。また、第１カッタスポーク２１が位置Ｐ２にあるときには、第１カッタビット３０Ａおよび第４カッタビット３０Ｄの歪値が１０με程度となり、第２カッタビット３０Ｂおよび第３カッタビット３０Ｃの歪値が５με程度となる。これらの各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄにおける歪ゲージ４１で検出された歪値に基づいて、シールド掘進機１の前方における軟弱土層Ｌ１、通常土層Ｌ２、硬質土層Ｌ３の分布を検出することができ、土層を判定することができる。
【００４７】
このように、カッタヘッド２の回転によってカッタビット３０に歪値を検出し、カッタヘッド２を回転させ続けると、カッタヘッド２の前方全域におけるカッタビット３０の歪値を検出することができる。この歪値の検出を継続することにより、たとえば図５に示すような切削抵抗マップを作成することができる。この切削抵抗マップに基づいて、シールド掘進機１の前方における土層境界などを含めた土層を精度よく判定することができる。
【００４８】
こうして、シールド掘進機１の前方における土層の判定を行ったら、掘進管理装置４７において、判定した土層に応じて、切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値を算出する。そして、これらの目標値に基づく調整値を求める。たとえば、軟弱土層が多い場合には、掘削土圧を高くし、加泥材添加量を多くし、排土量を少なくした調整値を求める。逆に、硬質土層が多い場合には、掘削土圧を低くし、加泥材添加量を多くし、排土量を多くした調整値を求める。
【００４９】
このとき、掘進管理装置４７には、土圧計１３からチャンバ内の切羽土圧実測値が送信され、加泥材流量計９から加泥材の流量実測値が送信され、ベルトスケール６Ａから土砂の搬送量実測値が送信される。これらの実測値と目標値に基づいて、調整値を算出している。ここで求められる切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値は、土層に応じた目標値として求められているので、施工管理に好適な目標値とすることができる。このため、この目標値を用いて調整値を算出することから、施工管理に好適な調整値を求めることができる。したがって、軟弱土層を特定した土圧目標値の設定や介在層を特定した排土量目標値の設定を行うことにより、周辺地盤変状の抑制を可能とすることができる。さらに、加泥材添加量目標値を好適な範囲とすることができるので、改質材の使用量の抑制を図ることができる。また、シールド掘進機１における切羽側の土層を精度よく判定することができるので、土層変化に対して確実に対応することができ、チャンバ内の土砂閉塞などの発生を防止することができる。
【００５０】
また、歪ゲージ４１からは、カッタビット３０の歪値がリアルタイムで送信されている。このため、シールド掘進機１の前方における土層をリアルタイムで判定することができ、図５に示すような切削抵抗マップをリアルタイムで生成することができる。したがって、シールド掘進機１の施工管理もリアルタイムで行うことができ、精度のよい掘進作業に寄与することができる。
【００５１】
しかも、歪ゲージ４１で検出するカッタビット３０の歪みは、カッタヘッド２における切羽側で生じているものである。このため、たとえばチャンバから排出される土砂や泥水の性状データからシールド掘進機前方の土層を想定する場合よりも、早い段階で土層の判定を行うことができる。したがって、時間的な遅れが少ない状態でシールド掘進機１の施工管理を行うことができる。
【００５２】
さらに、施工管理を行うにあたり、土層判定の履歴を記憶しておき、土層の変化の様子から、これから掘進するシールド掘進機１の前方における土層を想定することができる。たとえば、図６に示すように、時刻（ｔ−４）の時点の位置で、シールド掘進機１の上方に軟弱土層が存在し、下方に硬質土層が存在し、軟弱土層と硬質土層との間に介在層が存在する構成の土層が判定されたとする。
【００５３】
その後、シールド掘進機１による掘進が進むにつれ、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）にいたる間に、硬質土層が上方まで介在し、軟弱土層の深さは変わらずに、介在層が狭くなってきたとする。この場合、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）における掘削断面の土層の履歴に基づいて、シールド掘進機１の前方の土層を予想することができる。ここでの例では、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）における掘削断面の土層の履歴から、シールド掘進機１の前方では、介在層がより狭くなっていく土層を予想することができる。このように、シールド掘進機１の前方の土層を想定することにより、その土層を精度よく予想することができる。また、その想定結果をシールド掘進機１における掘進管理に反映させることにより、掘進管理の容易化を図ることができる。また、シールド掘進機１における前方の土層について、ボーリング調査などによって予め調査することにより、シールド掘進機１の前方の土層をさらに精度よく想定することができる。
【００５４】
他方、これらの土層判定を記憶することにより、シールド掘進機１で施工されたシールド掘進機１の周囲の土層を精度よく判定することができる。このため、シールド掘進機１によって施工したシールドトンネルをその後に切り拡げてランプ部を施工する場合などトンネル周辺に近接構造物を施工する際にトンネルに沿って得られた土層構成を利用することにより、安全かつ確実な施工を行うことができる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るシールド掘進機は、上記第１の実施形態と比較して、切削抵抗測定手段の態様が主に異なる。図７に示すように、本実施形態に係るシールド掘進機５０は、カッタヘッド２を備えており、カッタヘッド２にはカッタスポークが取り付けられている。また、カッタスポークには、複数のカッタビット３０が取り付けられている。これらの点では、上記第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係るシールド掘進機５０におけるカッタヘッド２には、その掘進方向に沿ってみた切羽側に検出ロッド５１が設けられている。また、カッタヘッド２における坑口側には、検出ロッド５１に係る荷重を検出するロードセル５２が設けられている。これらの検出ロッド５１およびロードセル５２は、カッタヘッド２の回転中心となる中心軸からそれぞれ異なる距離をおいた複数の位置に配設されている。その他の点は、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００５６】
以上の構成を有する本実施形態に係るシールド掘進機５０では、上記第１の実施形態に係るシールド掘進機と同様、カッタヘッド２を回転させて、カッタビット３０によってシールド掘進機１の前方における地山を掘削しながら前進する。カッタヘッド２を回転させてシールド掘進機１による掘進を行うと、カッタヘッド２の回転に伴い、検出ロッド５１に荷重が掛かる。ここで検出ロッド５１に掛かる荷重は、検出ロッド５１が設けられている位置における土層の種類（硬度）に応じて変動する。この検出ロッド５１に掛かる荷重をロードセル５２によって検出することにより、現在の検出ロッド５１の位置における土層の判定を行うことができる。
【００５７】
また、現在の検出ロッド５１の位置については、カッタヘッド２の回転中心から検出ロッド５１までの距離およびカッタヘッド２の回転角度に基づいて求めることができる。こうして、検出ロッド５１の現在の位置および検出ロッド５１の現在の位置における検出ロッド５１に掛かる荷重により、シールド掘進機５０における切羽側の土層を判定することができる。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記各実施形態では、シールド掘進機として、いわゆる泥土圧式シールド掘進機を用いているが、いわゆる泥水式シールド掘進機とすることもできる。泥水式シールド掘進機を用いる場合には、施工管理を行うにあたり、切羽土圧、加泥材添加量、排出土量の調整に代えて、切羽水圧、送泥水性状、送排泥流量の調整を行うこととなる。
【００５９】
また、上記第１の実施形態では、１本のカッタスポーク２１におけるカッタビット３０に歪ゲージ４１を複数設けているが、カッタスポーク２１〜２６のうちの複数のカッタスポークにおけるカッタビット３０に歪ゲージ４１を設ける態様とすることもできる。あるいは、カッタスポーク２１〜２６が設けられてない態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では同軸ケーブル４２Ｂを介した有線方式でデータの送受信を行っているが、バルクヘッドの前方と後方との間で、いわゆる無線方式でデータの送受信を行う態様とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の模式的構成図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】カッタビットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。
【図４】カッタヘッドの回転態様を示すシールド掘進機の正面図である。
【図５】切削抵抗マップの例を示す図である。
【図６】シールド掘進機による土層判定の履歴を説明する模式図である。
【図７】第二の実施形態に係る掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の要部側断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…シールド掘進機
２…カッタヘッド
３…外筒部
４…後続台車
５…立坑
６…ベルトコンベア
６Ａ…ベルトスケール
７…加泥材注入管
８…加泥材注入ポンプ
９…加泥材流量計
１０…回転モータ
１１…ロータリジョイント
１２…ロータリエンコーダ
１３…土圧計
２１〜２６…カッタスポーク
３０…カッタビット
３０Ａ…第１カッタビット
３０Ｂ…第２カッタビット
３０Ｃ…第３カッタビット
３０Ｄ…第４カッタビット
３２…凹部
４１…歪ゲージ
４２…同軸ケーブル
４３〜４６…中継装置
４７…掘進管理装置
５０…シールド掘進機
５１…検出ロッド
５２…ロードセル
Ｂ…ボルト
Ｃ…チャンバ
Ｌ１…軟弱土層
Ｌ２…通常土層
Ｌ３…硬質土層
Ｓ…スクリュコンベア
Ｔ…シールドトンネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド掘進機の掘削断面における土層を判定するシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機によって地中を掘進する際、掘進する地盤の土層に基づいて異なる掘削方式とするものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、シールド掘進機によって地中を掘進する際、掘進する地盤の土層に基づく掘削管理が行われる。ここで行われる掘削管では、いわゆる泥土圧式シールド掘進機では、この土層データに基づいて、切羽土圧設定、加泥材添加量調整、排出土量調整などが行われる。また、いわゆる泥水式シールド掘進機では、切羽水圧設定、送泥水性状、送排泥流量調整などが行われる。これらの目的のため、シールド掘進機が掘進する地盤の土層を調査することは重要となる。
【０００３】
従来、シールド掘進機が掘進する地盤の土層を調査する地盤の調査方法としては、事前に調査したボーリングデータ、掘進時のシールド掘進機に掛かるシールド掘進機負荷データ、排出される土砂や泥水の性状データからシールド掘進機前方の土層を想定する方法が採られていた。
【特許文献１】特開２０００−２９７５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の地盤の土層調査方法では、ボーリングデータを得るにあたり、調査箇所間の距離が約５００ｍ程度離れることとなる。このため、ボーリングデータを採取したとしても、既知点以外の土層境界を判定することが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、シールド掘進機負荷データおよび排出される土砂や泥水の性状データを分析することにより、土層境界や介在層の存在はある程度検出することができる。しかし、掘削土や泥水がチャンバ内で攪拌されることから、掘削断面における土層境界や介在層の位置や存在程度を把握することが困難であった。このため、効率的な掘削管理を行うことが困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができるシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決した本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置は、掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられたカッタヘッドを備えるシールド掘進機を有し、カッタヘッドは、掘進方向に沿った中心軸周りに回転可能とされ、カッタヘッドにおける切羽側に、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、複数の切削抵抗測定手段は、互いに中心軸から異なる距離をおいて配置されており、複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する掘削断面土層判定部を備えるものである。
【０００８】
本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置では、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、互いに中心軸から異なる距離における切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する。このため、切削抵抗測定手段が設けられている間隔ごとに土層境界や介在層を検出することができる。したがって、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができる。
【０００９】
ここで、複数のカッタビットは、カッタヘッドにおける互いに中心軸から異なる距離をおいた位置に配置されており、複数の切削抵抗測定手段は、複数のカッタビットにそれぞれ設けられている態様とすることができる。
【００１０】
このように、切削抵抗測定手段がカッタビットに設けられていることにより、カッタビットに掛かる荷重から切削抵抗を測定することができる。したがって、切削抵抗を測定する測定装置の簡素化を図ることができる。また、カッタビットに掛かる切削抵抗を測定しているので、シールド掘進機前方の土層を早い段階で検出することができる。
【００１１】
また、切削抵抗測定手段は、切削抵抗測定手段が設けられたカッタビットの歪みを計測する歪ゲージである態様とすることができる。
【００１２】
このように、切削抵抗測定手段が歪ゲージであることにより、カッタビットの歪みによってカッタビットに掛かる切削抵抗を精度よく測定することができる。
【００１３】
さらにカッタビットにおける掘進方向に沿ってみた坑口側に、切削抵抗測定手段を設ける取付凹部が形成されている態様とすることができる。
【００１４】
このように、カッタビットに取付凹部が形成されていることにより、切削抵抗測定手段を配置するスペースを削減することができる。
【００１５】
また、切削抵抗測定手段は、カッタヘッドにおける掘進方向に沿ってみた切羽側に設けられた検出ロッドと、検出ロッドに掛かる荷重を計測するロードセルと、を備える態様とすることができる。
【００１６】
このように、切削抵抗測定手段としては、検出ロッドおよびロードセルを用いたものとすることもできる。
【００１７】
さらに、上記掘削断面土層判定部の判定結果に基づいて、シールド掘進機の掘進管理を行う態様とすることができる。
【００１８】
このように、掘削土層判定部の判定結果に基づいてシールド掘進機の掘削管理を行うことにより、効率的な掘削管理を行うことができる。
【００１９】
他方、上記課題を解決した本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定方法は、掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられ、掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能なカッタヘッドを備えるシールド掘進機のカッタヘッドにおける切羽側に、互いに中心軸から異なる距離をおいて配置されて設けられた複数の切削抵抗測定手段によってそれぞれ切削抵抗を測定し、複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、シールド掘進機の掘削断面の土層を、掘削断面土層判定部によって判定することを特徴とする。
【００２０】
また、掘削断面土層判定部によって判定したシールド掘進機の掘削断面の土層の履歴を記憶しており、掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想する態様とすることができる。
【００２１】
このように、掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想することにより、現在位置におけるシールド掘進機の掘削断面より前方の土層を精度よく予想することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るシールド掘進機の掘削断面土層判定装置および判定方法によれば、シールド掘進機の前方における土層を精度よく検出することができ、もって効率的な掘削管理に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。図１は本実施形態に係る掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の模式的構成図、図２はシールド掘進機の正面図、図３はカッタビットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係るシールド掘進機１は、いわゆる泥土圧式シールド掘進機であり、カッタヘッド２を備えている。カッタヘッド２の坑口側には、外筒部３が設けられている。さらに外筒部３よりも坑口側にはセグメントが組み立てられて形成されたシールドトンネルＴが設けられており、シールドトンネルＴ内には後続台車４が配設されている。また、シールドトンネルＴの坑口側には、立坑５が構築されている。
【００２５】
また、シールド掘進機１には、スクリュコンベアＳが設けられており、チャンバ内に滞留する土砂を排出する。さらに、シールドトンネルＴ内には、シールド掘進機１で掘削された土砂を立坑５まで搬送するベルトコンベア６が設けられている。スクリュコンベアＳは、チャンバ内の土砂をベルトコンベアまで搬送している。ベルトコンベア６には、ベルトコンベア６で搬送される土砂の搬送量を計測するベルトスケール６Ａが取り付けられている。
【００２６】
さらに、シールドトンネルＴ内には、加泥材注入管７を介してチャンバに加泥材を供給するための加泥材注入ポンプ８が設けられている。また、加泥材注入管７には、加泥材注入ポンプ８から供給される加泥材の流量を検出する加泥材流量計９が設けられている。
【００２７】
さらに、カッタヘッド２は、シールド掘進機１の掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能とされている。このカッタヘッド２には、カッタヘッド２を回転させる回転モータ１０が取り付けられており、カッタヘッド２には、ロータリジョイント１１が取り付けられている。また、ロータリジョイント１１には、カッタヘッド２の回転角度を検出するカッタ回転角検出装置としてのロータリエンコーダ１２が取り付けられている。さらに、カッタヘッド２には、チャンバ内の土圧を計測する土圧計１３が設けられている。
【００２８】
また、図２に示すように、カッタヘッド２におけるシールド掘進機１の進行方向に沿ってみた切羽側には、正面視して放射状に配設された複数本、本実施形態では６本のカッタスポーク２１〜２６が設けられている。そのうちの４本のカッタスポーク２１〜２４には、切羽の掘削を行う複数のカッタビット３０が取り付けられている。複数のカッタビット３０は、各カッタスポーク２１〜２４上において、その軸方向に略等間隔で離間して配置されている。
【００２９】
また、図３に示すように、カッタビット３０の基端部は、カッタスポーク２１〜２６に対して溶接によって固定されている。ただし、カッタビット３０としては、いわゆるリレービット方式のものを用いることもできる。リレービット方式のものを用いた場合、シールド掘進機１内において、カッタビット３０の交換が可能となる。
【００３０】
また、カッタビット３０の先端部分は中実とされている。その一方、カッタビット３０の基端部分には凹部３２が形成されている。カッタビット３０に形成された凹部３２は、カッタビット３０の基端部をわずかに切り欠いた程度の大きさとして形成されている。
【００３１】
カッタスポーク２１〜２４に取り付けられた複数のカッタビット３０のうち、図２に斜線を付して示す一部のカッタビット３０に、切削抵抗測定手段である歪ゲージ４１が取り付けられている。具体的には、第１カッタスポーク２１の軸方向に並べられた複数のカッタビット３０のうち、およそ半数のカッタビット３０に歪ゲージ４１が取り付けられており、歪ゲージ４１が取り付けられたカッタビット３０と歪ゲージ４１が取り付けられていないカッタビット３０とが交互に配置されている。こうして、複数の歪ゲージ４１が、互いにカッタヘッド２の回転中心となる中心軸から異なる距離をおいて配置されている。
【００３２】
歪ゲージ４１は、カッタスポーク２１〜２４に対するカッタビット３０の歪値を検出している。また、歪ゲージ４１には、通信線４２Ａの一端部が接続されており、通信線４２Ａの他端部は、カッタヘッド２内に配設された第１中継装置４３に接続されている。また、後続台車４、立坑５、および地上にはそれぞれ第２中継装置４４、第３中継装置４５、および第４中継装置４６が設けられて、互いに同軸ケーブル４２Ｂを介して接続されている。
【００３３】
このうち、第１中継装置４３と第２中継装置とに接続される同軸ケーブル４２Ｂは、ロータリジョイント１１を通じて配設されている。これらの第１中継装置４３〜第４中継装置４６としては、多重伝送装置が用いられている。また、地上に設けられた第４中継装置４６には、本発明の掘削断面土層判定部となる掘進管理装置４７が接続されている。歪ゲージ４１は、中継装置４３〜４６を介して、カッタビット３０の歪値を掘進管理装置４７に送信する。
【００３４】
カッタヘッド２を回転させてシールド掘進機１による掘進を行う際、シールド掘進機１の前方の地山から荷重を受けると、その荷重の大きさに応じて切削抵抗が上下し、この切削抵抗に応じた歪みがカッタビット３０に生じる。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１から送信されたカッタビット３０に生じた歪値に基づいてカッタビット３０に掛かる切削抵抗を検出する。
【００３５】
また、掘進管理装置４７は、カッタヘッド２の回転中心−各カッタビット３０間の長さを記憶している。掘進管理装置４７では、ロータリエンコーダ１２で検出されたカッタヘッド２の回転角度と、カッタヘッド２の回転中心−カッタビット３０間の長さとに基づいて、カッタビット３０の位置を検出する。さらに、掘進管理装置４７は、各カッタビットの位置および各カッタビット３０のそれぞれに掛かる切削抵抗に基づいて、シールド掘進機１における前方の地山の土層を判定する。
【００３６】
また、カッタヘッド２内に設けられた第１中継装置４３には、回転モータ１０、ロータリエンコーダ１２、および土圧計１３が接続されており、立坑５に設けられた第３中継装置４５には、通信線４２Ａを介してベルトスケール６Ａ、加泥材注入ポンプ８、および加泥材流量計９に接続されている。
【００３７】
さらに、ロータリエンコーダ１２は、中継装置４３〜４６を介して、カッタヘッド２の回転角度を掘進管理装置４７に送信する。また、土圧計１３は、中継装置４３〜４６を介して、およびチャンバ内の土圧を掘進管理装置４７に送信する。さらに、ベルトスケール６Ａは、中継装置４５，４６を介して、ベルトコンベア６で搬送される土砂の搬送量を掘進管理装置４７に送信する。さらに、加泥材流量計９は、中継装置４５，４６を介して、加泥材の流量を掘進管理装置４７に送信する。
【００３８】
また、掘進管理装置４７は、切羽土圧、加泥材の添加量、排土量の調整を行う。そのために、掘進管理装置４７は、判定した土層に基づいて、切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値を算出する。また、算出した切羽土圧目標値と、土圧計１３から送信されるチャンバ内の切羽土圧実測値に基づいて、土圧調整量を算出する。さらに、掘進管理装置４７は、算出した加泥材添加量目標値と、加泥材流量計９から送信された加泥材の流量実測値に基づいて、加泥材調整量を算出する。また、掘進管理装置４７は、算出した排土量目標値と、ベルトスケール６Ａから送信された土砂の搬送量実測値に基づいて、排土量調整値を算出する。こうして、掘進管理装置４７では、切羽土圧、加泥材添加量、排土量の管理を行う。
【００３９】
以上の構成を有する本実施形態に係る掘削断面土層判定装置の動作・作用について説明する。
【００４０】
シールド掘進機１における掘進を行う際には、回転モータ１０によってカッタヘッド２を回転させて、カッタビット３０によってシールド掘進機１の前方における地山を掘削しながら前進する。カッタビット３０で地山を掘削して発生する土砂は、チャンバ内に取り込まれ、チャンバからスクリュコンベアＳによりベルトコンベア６まで排出され、ベルトコンベア６によって立坑５まで搬送する。ここで、チャンバ内では、カッタヘッド２を地山に押し付け、掘削された土砂を攪拌するとともに、加泥材を供給して土砂流動性を維持するようにする。チャンバ内の土圧は、土圧計１３によって計測されている。チャンバ内の土砂の量の調整は、スクリュコンベアＳによる土砂の搬送量の調整によって行われる。
【００４１】
シールド掘進機１による掘進を行うと、カッタビット３０には、カッタヘッド２の回転に伴う荷重が掛かり、この荷重による切削抵抗を受けたカッタビット３０には歪みが生じる。ここでカッタビット３０に生じる歪みは、カッタビット３０が掘削を行う土層の種類（硬度）に応じて変動する。歪ゲージ４１では、カッタビット３０の歪値を検出し、歪値信号を掘進管理装置４７に送信している。また、ロータリエンコーダ１２は、カッタヘッド２の回転角度を検出し、回転角度信号を掘進管理装置に送信している。掘進管理装置４７では、歪ゲージ４１から送信された歪値信号およびカッタヘッド２の回転角度に基づいて、シールド掘進機１における前方の土層を判定する。
【００４２】
たとえば、図４に示すように、第１カッタスポーク２１には、歪ゲージ４１が設けられたカッタビット３０として、外側から順に第１カッタビット３０Ａ、第２カッタビット３０Ｂ、第３カッタビット３０Ｃ、および第４カッタビット３０Ｄが設けられているものとする。ここで、掘進管理装置４７では、ロータリエンコーダ１２によって検出されるカッタヘッド２の回転角度と、予め記憶しているカッタヘッド２の回転中心−各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄ間の長さから各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの位置を検出する。
【００４３】
また、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄにおける歪ゲージ４１では、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの歪値を検出する。シールド掘進機１が掘削を行う際には、カッタヘッド２を回転させてカッタビット３０の掘削力を利用する。このため、シールド掘進機１の前方の土層の硬度に応じて、カッタビット３０に掛かる切削抵抗が上下する。
【００４４】
たとえば、カッタビット３０の前方の土層が軟弱土層Ｌ１である場合には、歪ゲージ４１の歪値は５με程度、カッタビット３０の前方の土層が通常土層Ｌ２である場合には、歪ゲージ４１の歪値は１０με程度、カッタビット３０の前方の土層が硬質土層Ｌ３である場合には、歪ゲージ４１の歪値は１５με程度となる。このように、歪ゲージ４１で検出される歪値はシールド掘進機１の前方の土層の硬度に応じて上下する。
【００４５】
掘進管理装置４７は、検出した各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄの位置と、各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄから送信された歪値に基づいて、シールド掘進機１の前方の土層を判定する。たとえば、図４に示すように、シールド掘進機１の前方の土層が、軟弱土層Ｌ１、通常土層Ｌ２、硬質土層Ｌ３であったとする。
【００４６】
この場合、第１カッタスポーク２１が位置Ｐ１にあるときには、第１カッタビット３０Ａ〜第３カッタビット３０Ｃの歪値が１５με程度となり、第４カッタビット３０Ｄの歪値が１０με程度となる。また、第１カッタスポーク２１が位置Ｐ２にあるときには、第１カッタビット３０Ａおよび第４カッタビット３０Ｄの歪値が１０με程度となり、第２カッタビット３０Ｂおよび第３カッタビット３０Ｃの歪値が５με程度となる。これらの各カッタビット３０Ａ〜３０Ｄにおける歪ゲージ４１で検出された歪値に基づいて、シールド掘進機１の前方における軟弱土層Ｌ１、通常土層Ｌ２、硬質土層Ｌ３の分布を検出することができ、土層を判定することができる。
【００４７】
このように、カッタヘッド２の回転によってカッタビット３０に歪値を検出し、カッタヘッド２を回転させ続けると、カッタヘッド２の前方全域におけるカッタビット３０の歪値を検出することができる。この歪値の検出を継続することにより、たとえば図５に示すような切削抵抗マップを作成することができる。この切削抵抗マップに基づいて、シールド掘進機１の前方における土層境界などを含めた土層を精度よく判定することができる。
【００４８】
こうして、シールド掘進機１の前方における土層の判定を行ったら、掘進管理装置４７において、判定した土層に応じて、切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値を算出する。そして、これらの目標値に基づく調整値を求める。たとえば、軟弱土層が多い場合には、掘削土圧を高くし、加泥材添加量を多くし、排土量を少なくした調整値を求める。逆に、硬質土層が多い場合には、掘削土圧を低くし、加泥材添加量を多くし、排土量を多くした調整値を求める。
【００４９】
このとき、掘進管理装置４７には、土圧計１３からチャンバ内の切羽土圧実測値が送信され、加泥材流量計９から加泥材の流量実測値が送信され、ベルトスケール６Ａから土砂の搬送量実測値が送信される。これらの実測値と目標値に基づいて、調整値を算出している。ここで求められる切羽土圧目標値、加泥材添加量目標値、排土量目標値は、土層に応じた目標値として求められているので、施工管理に好適な目標値とすることができる。このため、この目標値を用いて調整値を算出することから、施工管理に好適な調整値を求めることができる。したがって、軟弱土層を特定した土圧目標値の設定や介在層を特定した排土量目標値の設定を行うことにより、周辺地盤変状の抑制を可能とすることができる。さらに、加泥材添加量目標値を好適な範囲とすることができるので、改質材の使用量の抑制を図ることができる。また、シールド掘進機１における切羽側の土層を精度よく判定することができるので、土層変化に対して確実に対応することができ、チャンバ内の土砂閉塞などの発生を防止することができる。
【００５０】
また、歪ゲージ４１からは、カッタビット３０の歪値がリアルタイムで送信されている。このため、シールド掘進機１の前方における土層をリアルタイムで判定することができ、図５に示すような切削抵抗マップをリアルタイムで生成することができる。したがって、シールド掘進機１の施工管理もリアルタイムで行うことができ、精度のよい掘進作業に寄与することができる。
【００５１】
しかも、歪ゲージ４１で検出するカッタビット３０の歪みは、カッタヘッド２における切羽側で生じているものである。このため、たとえばチャンバから排出される土砂や泥水の性状データからシールド掘進機前方の土層を想定する場合よりも、早い段階で土層の判定を行うことができる。したがって、時間的な遅れが少ない状態でシールド掘進機１の施工管理を行うことができる。
【００５２】
さらに、施工管理を行うにあたり、土層判定の履歴を記憶しておき、土層の変化の様子から、これから掘進するシールド掘進機１の前方における土層を想定することができる。たとえば、図６に示すように、時刻（ｔ−４）の時点の位置で、シールド掘進機１の上方に軟弱土層が存在し、下方に硬質土層が存在し、軟弱土層と硬質土層との間に介在層が存在する構成の土層が判定されたとする。
【００５３】
その後、シールド掘進機１による掘進が進むにつれ、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）にいたる間に、硬質土層が上方まで介在し、軟弱土層の深さは変わらずに、介在層が狭くなってきたとする。この場合、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）における掘削断面の土層の履歴に基づいて、シールド掘進機１の前方の土層を予想することができる。ここでの例では、時刻（ｔ−４）〜時刻（ｔ−１）における掘削断面の土層の履歴から、シールド掘進機１の前方では、介在層がより狭くなっていく土層を予想することができる。このように、シールド掘進機１の前方の土層を想定することにより、その土層を精度よく予想することができる。また、その想定結果をシールド掘進機１における掘進管理に反映させることにより、掘進管理の容易化を図ることができる。また、シールド掘進機１における前方の土層について、ボーリング調査などによって予め調査することにより、シールド掘進機１の前方の土層をさらに精度よく想定することができる。
【００５４】
他方、これらの土層判定を記憶することにより、シールド掘進機１で施工されたシールド掘進機１の周囲の土層を精度よく判定することができる。このため、シールド掘進機１によって施工したシールドトンネルをその後に切り拡げてランプ部を施工する場合などトンネル周辺に近接構造物を施工する際にトンネルに沿って得られた土層構成を利用することにより、安全かつ確実な施工を行うことができる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るシールド掘進機は、上記第１の実施形態と比較して、切削抵抗測定手段の態様が主に異なる。図７に示すように、本実施形態に係るシールド掘進機５０は、カッタヘッド２を備えており、カッタヘッド２にはカッタスポークが取り付けられている。また、カッタスポークには、複数のカッタビット３０が取り付けられている。これらの点では、上記第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係るシールド掘進機５０におけるカッタヘッド２には、その掘進方向に沿ってみた切羽側に検出ロッド５１が設けられている。また、カッタヘッド２における坑口側には、検出ロッド５１に係る荷重を検出するロードセル５２が設けられている。これらの検出ロッド５１およびロードセル５２は、カッタヘッド２の回転中心となる中心軸からそれぞれ異なる距離をおいた複数の位置に配設されている。その他の点は、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００５６】
以上の構成を有する本実施形態に係るシールド掘進機５０では、上記第１の実施形態に係るシールド掘進機と同様、カッタヘッド２を回転させて、カッタビット３０によってシールド掘進機１の前方における地山を掘削しながら前進する。カッタヘッド２を回転させてシールド掘進機１による掘進を行うと、カッタヘッド２の回転に伴い、検出ロッド５１に荷重が掛かる。ここで検出ロッド５１に掛かる荷重は、検出ロッド５１が設けられている位置における土層の種類（硬度）に応じて変動する。この検出ロッド５１に掛かる荷重をロードセル５２によって検出することにより、現在の検出ロッド５１の位置における土層の判定を行うことができる。
【００５７】
また、現在の検出ロッド５１の位置については、カッタヘッド２の回転中心から検出ロッド５１までの距離およびカッタヘッド２の回転角度に基づいて求めることができる。こうして、検出ロッド５１の現在の位置および検出ロッド５１の現在の位置における検出ロッド５１に掛かる荷重により、シールド掘進機５０における切羽側の土層を判定することができる。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記各実施形態では、シールド掘進機として、いわゆる泥土圧式シールド掘進機を用いているが、いわゆる泥水式シールド掘進機とすることもできる。泥水式シールド掘進機を用いる場合には、施工管理を行うにあたり、切羽土圧、加泥材添加量、排出土量の調整に代えて、切羽水圧、送泥水性状、送排泥流量の調整を行うこととなる。
【００５９】
また、上記第１の実施形態では、１本のカッタスポーク２１におけるカッタビット３０に歪ゲージ４１を複数設けているが、カッタスポーク２１〜２６のうちの複数のカッタスポークにおけるカッタビット３０に歪ゲージ４１を設ける態様とすることもできる。あるいは、カッタスポーク２１〜２６が設けられてない態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では同軸ケーブル４２Ｂを介した有線方式でデータの送受信を行っているが、バルクヘッドの前方と後方との間で、いわゆる無線方式でデータの送受信を行う態様とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の模式的構成図である。
【図２】シールド掘進機の正面図である。
【図３】カッタビットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は側面図である。
【図４】カッタヘッドの回転態様を示すシールド掘進機の正面図である。
【図５】切削抵抗マップの例を示す図である。
【図６】シールド掘進機による土層判定の履歴を説明する模式図である。
【図７】第二の実施形態に係る掘削断面土層判定装置を備えるシールド掘進機の要部側断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…シールド掘進機
２…カッタヘッド
３…外筒部
４…後続台車
５…立坑
６…ベルトコンベア
６Ａ…ベルトスケール
７…加泥材注入管
８…加泥材注入ポンプ
９…加泥材流量計
１０…回転モータ
１１…ロータリジョイント
１２…ロータリエンコーダ
１３…土圧計
２１〜２６…カッタスポーク
３０…カッタビット
３０Ａ…第１カッタビット
３０Ｂ…第２カッタビット
３０Ｃ…第３カッタビット
３０Ｄ…第４カッタビット
３２…凹部
４１…歪ゲージ
４２…同軸ケーブル
４３〜４６…中継装置
４７…掘進管理装置
５０…シールド掘進機
５１…検出ロッド
５２…ロードセル
Ｂ…ボルト
Ｃ…チャンバ
Ｌ１…軟弱土層
Ｌ２…通常土層
Ｌ３…硬質土層
Ｓ…スクリュコンベア
Ｔ…シールドトンネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられたカッタヘッドを備えるシールド掘進機を有し、
前記カッタヘッドは、前記掘進方向に沿った中心軸周りに回転可能とされ、
前記カッタヘッドにおける切羽側に、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、
前記複数の切削抵抗測定手段は、互いに前記中心軸から異なる距離をおいて配置されており、
前記複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、前記シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する掘削断面土層判定部を備えることを特徴とするシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項２】
前記複数のカッタビットは、前記カッタヘッドにおける互いに前記中心軸から異なる距離をおいた位置に配置されており、
前記複数の切削抵抗測定手段は、前記複数のカッタビットにそれぞれ設けられている請求項１に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項３】
前記切削抵抗測定手段は、前記切削抵抗測定手段が設けられた前記カッタビットの歪みを計測する歪ゲージである請求項２に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項４】
前記カッタビットにおける掘進方向に沿ってみた坑口側に、前記切削抵抗測定手段を設ける取付凹部が形成されている請求項２または請求項３に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項５】
前記切削抵抗測定手段は、前記カッタヘッドにおける前記掘進方向に沿ってみた切羽側に設けられた検出ロッドと、前記検出ロッドに掛かる荷重を計測するロードセルと、を備える請求項１に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項６】
請求項１に記載された掘削断面土層判定部の判定結果に基づいて、前記シールド掘進機の掘進管理を行うシールド掘進機の掘進管理装置。
【請求項７】
掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられ、前記掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能なカッタヘッドを備えるシールド掘進機の前記カッタヘッドにおける切羽側に、互いに前記中心軸から異なる距離をおいて配置されて設けられた複数の切削抵抗測定手段によってそれぞれ切削抵抗を測定し、
前記複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、前記シールド掘進機の掘削断面の土層を、掘削断面土層判定部によって判定することを特徴とするシールド掘進機の掘削断面土層判定方法。
【請求項８】
前記掘削断面土層判定部によって判定した前記シールド掘進機の掘削断面の土層の履歴を記憶しており、
前記掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置における前記シールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想する請求項７に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定方法。
【請求項１】
掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられたカッタヘッドを備えるシールド掘進機を有し、
前記カッタヘッドは、前記掘進方向に沿った中心軸周りに回転可能とされ、
前記カッタヘッドにおける切羽側に、複数の切削抵抗測定手段が設けられ、
前記複数の切削抵抗測定手段は、互いに前記中心軸から異なる距離をおいて配置されており、
前記複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、前記シールド掘進機の掘削断面の土層を判定する掘削断面土層判定部を備えることを特徴とするシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項２】
前記複数のカッタビットは、前記カッタヘッドにおける互いに前記中心軸から異なる距離をおいた位置に配置されており、
前記複数の切削抵抗測定手段は、前記複数のカッタビットにそれぞれ設けられている請求項１に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項３】
前記切削抵抗測定手段は、前記切削抵抗測定手段が設けられた前記カッタビットの歪みを計測する歪ゲージである請求項２に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項４】
前記カッタビットにおける掘進方向に沿ってみた坑口側に、前記切削抵抗測定手段を設ける取付凹部が形成されている請求項２または請求項３に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項５】
前記切削抵抗測定手段は、前記カッタヘッドにおける前記掘進方向に沿ってみた切羽側に設けられた検出ロッドと、前記検出ロッドに掛かる荷重を計測するロードセルと、を備える請求項１に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定装置。
【請求項６】
請求項１に記載された掘削断面土層判定部の判定結果に基づいて、前記シールド掘進機の掘進管理を行うシールド掘進機の掘進管理装置。
【請求項７】
掘進方向に沿ってみた切羽側に複数のカッタビットが取り付けられ、前記掘進方向に沿った中心軸回りに回転可能なカッタヘッドを備えるシールド掘進機の前記カッタヘッドにおける切羽側に、互いに前記中心軸から異なる距離をおいて配置されて設けられた複数の切削抵抗測定手段によってそれぞれ切削抵抗を測定し、
前記複数の切削抵抗測定手段によって測定された切削抵抗の分布に基づいて、前記シールド掘進機の掘削断面の土層を、掘削断面土層判定部によって判定することを特徴とするシールド掘進機の掘削断面土層判定方法。
【請求項８】
前記掘削断面土層判定部によって判定した前記シールド掘進機の掘削断面の土層の履歴を記憶しており、
前記掘削断面の土層の履歴に基づいて、現在位置における前記シールド掘進機の掘削断面より前方の土層を予想する請求項７に記載のシールド掘進機の掘削断面土層判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２２１８０２（Ｐ２００９−２２１８０２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６９９３３（Ｐ２００８−６９９３３）
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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