土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法
【課題】巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することが可能な土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法を提供する。
【解決手段】回転カッター２により切羽Ｚから掘削され破砕された後に、回転カッター後方に隔壁４で区画して形成されたカッターチャンバー５内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベア８で排出する泥土圧シールド掘進機１において、スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサ２３を設けた。温度センサは、カッターチャンバーに近接するスクリューコンベアの取り込み端部８ａに設置される。
【解決手段】回転カッター２により切羽Ｚから掘削され破砕された後に、回転カッター後方に隔壁４で区画して形成されたカッターチャンバー５内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベア８で排出する泥土圧シールド掘進機１において、スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサ２３を設けた。温度センサは、カッターチャンバーに近接するスクリューコンベアの取り込み端部８ａに設置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することが可能な土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
しかし、泥土の塑性流動性不足などが原因となって、カッターチャンバ内で「閉塞」が生じ、この閉塞によって、回転カッターの回転動作やシールドジャッキによる推進などが阻害されて、掘進不能に陥る場合があるという問題があった。
【０００７】
特に、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、カッターチャンバー内に取り込まれる掘削土砂中には、大型で大量の巨礫や玉石等が含まれる。これら玉石等は元々、細砂などの細粒分が付着しにくく、当該細粒分から分離し易い。
【０００８】
従って、カッターチャンバー内からスクリューコンベアへ排土する際に、細砂などは円滑に排土されるのに対し、巨礫や大型の玉石等は、スクリューコンベアに送り込まれることなくカッタチャンバー内に滞留してしまって、これら大型の玉石等の滞留が原因となって、閉塞がさらに生じ易くなることが考えられる。
【０００９】
閉塞を防止する技術としては、特許文献１が知られている。特許文献１の「シールド機及びチャンバ内閉塞管理方法」は、シールド機のチャンバ内の土砂の流動性を監視し、チャンバ内の土砂の閉塞場所を早期に発見でき、チャンバ内の土砂閉塞を未然に防ぐことを解決課題として、シールド機において、カッタ部により掘削された土砂は、カッタスポークの隙間から、チャンバ内へ流入し、隔壁の下方に設けられた穴部から、スクリューコンベアにより排出される。カッタスポークのチャンバ側には、流動性計測器が設置され、チャンバ内の土砂の流動性を計測する。隔壁には、複数の土圧計と温度計が設置され、土圧計は、チャンバ内の土砂の土圧の変化を測定する。温度計は、チャンバ内の土砂の温度を測定する。
【００１０】
特許文献１では、土砂閉塞部では、閉塞した土砂と撹拌部との摩擦による熱が発生し、また、カッタ駆動用電動機からの熱が拡散せず、蓄熱されるため、周囲の土砂と比較して土砂閉塞部の土砂の温度は上昇する。すなわち、制御部は、土砂温度が一定値以上となる分割エリアを高温部と判定し、この分割エリアの位置を、土砂閉塞部の位置として検出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０２３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１では、閉塞場所を早期に発見して土砂閉塞を未然に防ぐことを意図したものである。土砂閉塞に至る臨界状況では、土砂の流動性が失われ、従って蓄熱した土砂が一定位置に止まることから、当該位置の温度上昇を測定することで、閉塞場所を発見することができる。しかし、この段階では、ほぼ土砂閉塞状態に至っていると言える。
【００１３】
これに対し、回転カッターが円滑に回転する流動状態から閉塞に至る段階では、摩擦作用等を受けて温度上昇した土砂であっても、依然としてチャンバ内を流動し得ることから、移動する土砂の温度を計測し得ても、その位置が必ずしも実際の閉塞場所であるか否かは不明であるという課題があった。すなわち、閉塞に至って土砂が移動し得なくなった段階で初めて、閉塞箇所を特定できるものであり、未然に閉塞を防止することはできないと考えられる。
【００１４】
また、土砂が付着しやすい隔壁に温度計を設置しているため、温度計を設置した箇所に土砂が付着してしまうと、土砂の温度を正確に計測することができないという課題もあった。
【００１５】
また、上述したように大型で大量の巨礫や玉石等を含む掘削土砂がカッターチャンバー内に取り込まれる場合、回転カッターが回転する流動状態では、これら玉石等で掘削土砂が押し退けられて生じる空隙部分がカッターチャンバー内の各所に生じるものと考えられ、そしてこれら空隙部分は移動したり、消滅したり、また新たに発生したりすることから、隔壁に温度計を設置してカッターチャンバー内の温度を計測しても、閉塞状況を適切に判定することは難しいと考えられる。
【００１６】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することが可能な土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機は、回転カッターにより切羽から掘削され破砕された後に、該回転カッター後方に隔壁で区画して形成されたカッターチャンバー内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベアで排出する泥土圧シールド掘進機において、上記スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサを設けたことを特徴とする。
【００１８】
前記温度センサは、前記カッターチャンバーに近接する前記スクリューコンベアの取り込み端部に設置されることを特徴とする。
【００１９】
前記温度センサに接続され、前記土砂温度が入力されると共に、入力された該土砂温度を表示する制御盤を備えたことを特徴とする。
【００２０】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられることを特徴とする。
【００２１】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられ、上記制御盤は、計測された前記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、上記注入手段操作部から上記注入手段に増量信号を出力することを特徴とする。
【００２２】
本発明にかかる泥土圧シールド工法は、上記土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機を用いる泥土圧シールド工法であって、粒径２ｍｍ未満の砂分が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫分が８０％を超える地山を掘削する際に、前記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度と前記温度センサで計測された前記土砂温度とを比較するステップと、上記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、掘削土砂に混合する薬材を切羽や上記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段から、薬材を増量して注入するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法にあっては、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の好適な一実施形態を示す概略側断面図である。
【図２】図１に示した土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の回転カッターの正面図である。
【図３】本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機が好適に適用される地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には本実施形態にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機１の概略側断面図が示されていると共に、図２には当該泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００２６】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、カッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００２７】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００２８】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられるハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の周縁に向かって放射状に延出され、各種ビット１３，１４やローラカッター１５が取り付けられる６本のスポーク部１６と、スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、スポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とから構成される。
【００２９】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。すなわち、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００３０】
泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内及びスクリューコンベア８内に充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００３１】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）によって測定されるカッターチャンバー５内の泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００３２】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００３３】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００３４】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００３５】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００３６】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００３７】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００３８】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内での上記土砂の閉塞を監視するために土砂温度監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００３９】
土砂温度監視手段は、スクリューコンベア８の内部、好ましくはカッターチャンバー５に近接するスクリューコンベア８の取り込み端部８ａの内部に設けられ、スクリューコンベア８で排出される、カッターチャンバー５から取り込まれたばかりの土砂の土砂温度を直接計測する温度センサ２３で構成される。この温度センサ２３には、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された土砂温度が入力されると共に、当該土砂温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４が接続される。
【００４０】
基本的には、温度センサ２３で計測した土砂温度を、制御盤２４を介して運転者に認識させることで、土砂温度監視機能が発揮され、運転者は表示された土砂温度に応じて、泥土圧シールド掘進機１を運転操作することができる。
【００４１】
本実施形態にあっては、温度センサ２３は、撹拌流動されて掘削土砂の位置が移動したり、また大型の礫分等が多量に含まれていて空隙部分が移動・消滅したり、また発生したりするカッターチャンバー５内ではなく、一様かつ安定的に掘削土砂が移送されるスクリューコンベア８に設けられていて、土砂温度が安定的に計測される。
【００４２】
また、温度センサ２３は、スクリューコンベア８の取り込み端部８ａに設けられていて、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ次々に送り込まれる掘削土砂の土砂温度は、カッターチャンバー５内の土砂の流動状態を反映する温度データであって、この土砂温度がリアルタイムで計測される。また、スクリューコンベア８は、掘削土砂を移送して排土するものであるので、温度センサ２３の設置位置に土砂が付着滞留するおそれが少なく、土砂温度が正確に計測される。
【００４３】
温度センサ２３で検出された土砂温度は、運転者による手動制御に利用される。制御盤２４には、カッターチャンバー５内の閉塞推定用の監視温度が設定され、当該監視温度が制御盤２４に表示されると共に、運転者に手動操作されて、注入手段２０〜２２に作泥土材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部２４ａが設けられる。作泥土材を注入することで、カッターチャンバー５内の土砂の塑性流動性を高めることができる。
【００４４】
さらには、温度センサ２３で検出された土砂温度を、制御盤２４による自動制御に利用するようにしてもよい。制御盤２４は、監視温度と計測された土砂温度とを比較するステップを実行し、この比較によって、土砂温度が監視温度を超えている場合には、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に増量信号を出力して、作泥土材の注入量を増量するステップを実行するようになっている。
【００４５】
監視温度については、地山の状態やシールド掘進機の仕様により異なるので、予め設定した温度に対し、工事毎に掘進初期段階の区間で得られるデータに基づいて、補正を行うことが好ましい。
【００４６】
本実施形態にあっては、制御盤２４には、作泥土材を増量する基準となる監視温度（Ｍ℃）に加えて、段階的な増量を行うために、第１閾値温度（Ｍ℃＋α℃）が設定される。温度センサ２３で計測された土砂温度が監視温度（Ｘ℃）以下である場合には、「土砂の塑性流動性は良好であって、カッターチャンバー５内の撹拌性は良好である」と推定し得る。
【００４７】
土砂温度が監視温度を超えて第１閾値温度（Ｘ℃＋α℃）以下である場合には、「土砂の塑性流動性が低下傾向にあり、カッターチャンバー５内で土砂が閉塞気味である」と推定し得、これに基づいて、カッターチャンバー５内の塑性流動性を高めるためのフィードフォワード制御として、運転者の手動制御もしくは制御盤２４における自動制御により、注入手段操作部２４ａから出力される増量信号で注入手段２０〜２２は作泥土剤の注入量を増加する。
【００４８】
さらに土砂温度が第１閾値温度（Ｘ℃＋α℃）以上となった場合には、「土砂の塑性流動性が不足していて、カッターチャンバー５内で土砂の閉塞箇所が発生している可能性がある」と推定し得、これに基づいて、カッターチャンバー５内の閉塞傾向を解消するためのフィードフォワード制御として、運転者の手動制御もしくは制御盤２４における自動制御で、注入手段操作部２４ａから出力される増量信号で注入手段２０〜２２は作泥土剤の注入量をさらに増加するようになっている。
【００４９】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、噴出防止手段が設けられる。噴出防止手段は、スクリューコンベア８として、大径な礫などを搬送することが可能なリボン式スクリューコンベアを採用し、このリボン式スクリューコンベアの排出端部８ｂに、泥土圧が発生して止水領域となるプラグゾーンを形成し得る長さ寸法の排土管２５を連結して構成される。
【００５０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１では、巨礫Ｘを破砕した大型の礫等が排土に含まれていて、軸付きスクリューコンベアでは当該礫等で閉塞を起こしやすいことから、リボン式スクリューコンベア８が用いられる。
【００５１】
排土管２５は、リボン式スクリューコンベア８の排出端部８ｂから、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設され、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５は、その内部を排土が移動する際の圧力損失によって、止水性を得るプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂の噴出を防止するようになっている。
【００５２】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法について説明する。本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法は具体的には、図３に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５３】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５４】
泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたり、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００５５】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００５６】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００５７】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【００５８】
このようにして作泥土材及び気泡材と混合・撹拌された礫分を含む土砂がカッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ取り込まれて排土される際、スクリューコンベア８の内部に設けた温度センサ２３がスクリューコンベア８内を移送される土砂の土砂温度を直接計測し、計測された土砂温度は、制御盤２４に入力され、表示される。計測された土砂温度が監視温度以下である場合には、カッターチャンバー５内で土砂の閉塞傾向が見出されないので、これまでと同じ運転操作で掘進作業を継続することができる。
【００５９】
他方、計測された土砂温度が監視温度を超えていて、第１閾値温度以下である場合には、土砂の塑性流動性が低下していて閉塞傾向にあるため、シールド機１の運転操作を継続しつつ、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に増量信号を出力し、注入手段２０〜２２から切羽Ｚやカッターチャンバー５内に向けて、作泥土材を増量して注入する。
【００６０】
作泥土材の増量は、土砂温度が監視温度以下になるまで継続する。土砂温度が監視温度以下となれば、塑性流動性が回復し閉塞傾向が解消したと推定し得るので、増量信号の出力を終了し、そのままシールド機１の運転操作を継続する。
【００６１】
さらに、計測される土砂温度が、上記操作で作泥土材を増量したにもかかわらず、第１閾値温度以上となった場合には、土砂の塑性流動性が不足し閉塞箇所が生じている可能性があるため、シールド機１の運転操作を継続している状態で、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に、作泥土材の注入量をさらに増量する増量信号を出力し、これにより注入手段２０〜２２から、作泥土材をさらに増量して注入する。
【００６２】
作泥土材の増量は、土砂温度が監視温度以下になるまで継続する。土砂温度が監視温度以下になれば、塑性流動性が回復し閉塞が解消したと推定し得るので、増量信号の出力を終了し、シールド機１の運転操作を継続する。この際、土砂温度が第１閾値温度以下となった段階で、注入量を減少させるようにしてもよい。
【００６３】
また、以上の説明では、作泥土材の増量注入を、シールド機１の運転を継続しつつ行うとしたが、運転を一旦停止して増量注入を行うようにしてもよい。
【００６４】
これに対し、さらなる増量操作によっても、温度センサ２３で計測される土砂温度が上昇する傾向にある場合には、シールド機１の運転操作を中断し、点検補修を実施する。
【００６５】
本実施形態にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機１及び泥土圧シールド工法にあっては、温度センサ２３を、撹拌流動されて掘削土砂の位置が移動したり、また大型の礫分等が多量に含まれていて空隙部分が移動・消滅したり、また発生したりするカッターチャンバー５内ではなく、一様かつ安定的に掘削土砂が移送されるスクリューコンベア８に設けているので、土砂温度を安定的に計測することができる。
【００６６】
また、温度センサ２３を、カッターチャンバー５に近接するスクリューコンベア８の取り込み端部８ａに設けていて、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ次々に送り込まれる掘削土砂の土砂温度は、カッターチャンバー５内の土砂の流動状態を反映する温度データであるから、この土砂温度をリアルタイムで計測することができる。
【００６７】
また、スクリューコンベア８は、掘削土砂を移送して排土するものであるので、温度センサ２３をスクリューコンベア８内部に設けても、この温度センサ２３の設置位置に土砂が付着滞留するおそれが少なく、土砂温度を正確に計測することができる。
【００６８】
また、巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを対象として掘削を行う場合であっても、カッターチャンバー５内では、玉石等で掘削土砂が押し退けられて生じる空隙部分のために土砂の温度を正確に計測することが難しいのに比べて、スクリューコンベア８内では、礫分を含んでいる土砂であってもほぼ一様に安定的に移送される状況下にあるので、スクリューコンベア８に温度センサ２３を設けて土砂温度を計測して監視することによって、カッターチャンバー５内における流動状況を的確に推定でき、この種の巨礫Ｘが多く散在する地山を掘削する場合であっても、カッターチャンバー５内等に閉塞が発生することを未然にかつ確実に防止することができる。
【００６９】
また、温度センサ２３で計測した土砂温度を制御盤２４に入力して表示させるようにしたので、運転者によるシールド機１の運転操作を適切に行うことができる。また、制御盤２４に、監視温度を設定すると共に、作泥土材を増量する増量信号を注入手段２０〜２２に出力する注入手段操作部２４ａを設けたので、監視温度と計測された土砂温度との相関に応じて作泥土材を増量することができ、これにより閉塞が発生することを的確に防止できる。
【００７０】
また、制御盤２４による自動制御に対応させて、監視温度と土砂温度の比較ステップと、土砂温度が監視温度を超えたことに応じて、作泥土材を増量して注入する増量ステップとを実行するように構成したので、シールド機１の閉塞防止制御を自動化することができる。勿論、手動制御にあっても、これらステップを実行して閉塞防止を図ることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
４ 隔壁
５ カッターチャンバー
８ スクリューコンベア
８ａ スクリューコンベアの取り込み端部
２０〜２２ 注入手段
２３ 温度センサ
２４ 制御盤
２４ａ 注入手段操作部
Ｚ 切羽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することが可能な土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
泥土圧シールド工法は概略的には、シールドジャッキでシールド掘進機を推進し、この推進と共に、当該シールド掘進機前面の回転カッターで地山の切羽を掘削する。掘削した土砂は、回転カッター後方のカッターチャンバー内及びカッターチャンバー内から排土するためのスクリューコンベアに充満させる。
【０００３】
この際、回転カッターの前面やカッターチャンバ内に添加材を注入する。添加材は、掘削土砂に練り混ぜられて、土砂を、塑性流動性（自由に変形・移動できる性質）に富み、不透水性を発揮する泥土に変換する。
【０００４】
泥土は、カッターチャンバー内からスクリューコンベア内にわたって充満されていて、シールドジャッキの推進力により、当該泥土には、切羽の土圧及び地下水圧（以下、「切羽土圧」という）に対抗する泥土圧が発生する。
【０００５】
この泥土圧と切羽土圧との平衡を保つように、シールド掘進機の推進量とスクリューコンベアによる排土量のバランスを図ることによって、切羽の安定を保ちつつ掘進していくようになっている。
【０００６】
しかし、泥土の塑性流動性不足などが原因となって、カッターチャンバ内で「閉塞」が生じ、この閉塞によって、回転カッターの回転動作やシールドジャッキによる推進などが阻害されて、掘進不能に陥る場合があるという問題があった。
【０００７】
特に、地山が、巨礫、例えば外形寸法がφ５００を超えるような巨礫が多く散在し、その他に玉石や礫を含むような地質である場合、カッターチャンバー内に取り込まれる掘削土砂中には、大型で大量の巨礫や玉石等が含まれる。これら玉石等は元々、細砂などの細粒分が付着しにくく、当該細粒分から分離し易い。
【０００８】
従って、カッターチャンバー内からスクリューコンベアへ排土する際に、細砂などは円滑に排土されるのに対し、巨礫や大型の玉石等は、スクリューコンベアに送り込まれることなくカッタチャンバー内に滞留してしまって、これら大型の玉石等の滞留が原因となって、閉塞がさらに生じ易くなることが考えられる。
【０００９】
閉塞を防止する技術としては、特許文献１が知られている。特許文献１の「シールド機及びチャンバ内閉塞管理方法」は、シールド機のチャンバ内の土砂の流動性を監視し、チャンバ内の土砂の閉塞場所を早期に発見でき、チャンバ内の土砂閉塞を未然に防ぐことを解決課題として、シールド機において、カッタ部により掘削された土砂は、カッタスポークの隙間から、チャンバ内へ流入し、隔壁の下方に設けられた穴部から、スクリューコンベアにより排出される。カッタスポークのチャンバ側には、流動性計測器が設置され、チャンバ内の土砂の流動性を計測する。隔壁には、複数の土圧計と温度計が設置され、土圧計は、チャンバ内の土砂の土圧の変化を測定する。温度計は、チャンバ内の土砂の温度を測定する。
【００１０】
特許文献１では、土砂閉塞部では、閉塞した土砂と撹拌部との摩擦による熱が発生し、また、カッタ駆動用電動機からの熱が拡散せず、蓄熱されるため、周囲の土砂と比較して土砂閉塞部の土砂の温度は上昇する。すなわち、制御部は、土砂温度が一定値以上となる分割エリアを高温部と判定し、この分割エリアの位置を、土砂閉塞部の位置として検出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０２３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１では、閉塞場所を早期に発見して土砂閉塞を未然に防ぐことを意図したものである。土砂閉塞に至る臨界状況では、土砂の流動性が失われ、従って蓄熱した土砂が一定位置に止まることから、当該位置の温度上昇を測定することで、閉塞場所を発見することができる。しかし、この段階では、ほぼ土砂閉塞状態に至っていると言える。
【００１３】
これに対し、回転カッターが円滑に回転する流動状態から閉塞に至る段階では、摩擦作用等を受けて温度上昇した土砂であっても、依然としてチャンバ内を流動し得ることから、移動する土砂の温度を計測し得ても、その位置が必ずしも実際の閉塞場所であるか否かは不明であるという課題があった。すなわち、閉塞に至って土砂が移動し得なくなった段階で初めて、閉塞箇所を特定できるものであり、未然に閉塞を防止することはできないと考えられる。
【００１４】
また、土砂が付着しやすい隔壁に温度計を設置しているため、温度計を設置した箇所に土砂が付着してしまうと、土砂の温度を正確に計測することができないという課題もあった。
【００１５】
また、上述したように大型で大量の巨礫や玉石等を含む掘削土砂がカッターチャンバー内に取り込まれる場合、回転カッターが回転する流動状態では、これら玉石等で掘削土砂が押し退けられて生じる空隙部分がカッターチャンバー内の各所に生じるものと考えられ、そしてこれら空隙部分は移動したり、消滅したり、また新たに発生したりすることから、隔壁に温度計を設置してカッターチャンバー内の温度を計測しても、閉塞状況を適切に判定することは難しいと考えられる。
【００１６】
本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することが可能な土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機は、回転カッターにより切羽から掘削され破砕された後に、該回転カッター後方に隔壁で区画して形成されたカッターチャンバー内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベアで排出する泥土圧シールド掘進機において、上記スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサを設けたことを特徴とする。
【００１８】
前記温度センサは、前記カッターチャンバーに近接する前記スクリューコンベアの取り込み端部に設置されることを特徴とする。
【００１９】
前記温度センサに接続され、前記土砂温度が入力されると共に、入力された該土砂温度を表示する制御盤を備えたことを特徴とする。
【００２０】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられることを特徴とする。
【００２１】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられ、上記制御盤は、計測された前記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、上記注入手段操作部から上記注入手段に増量信号を出力することを特徴とする。
【００２２】
本発明にかかる泥土圧シールド工法は、上記土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機を用いる泥土圧シールド工法であって、粒径２ｍｍ未満の砂分が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫分が８０％を超える地山を掘削する際に、前記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度と前記温度センサで計測された前記土砂温度とを比較するステップと、上記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、掘削土砂に混合する薬材を切羽や上記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段から、薬材を増量して注入するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法にあっては、巨礫が多く散在する地山を掘削対象として、カッターチャンバー内に大型で大量の玉石等を含む掘削土砂が取り込まれる場合であっても、回転カッターが回転するカッターチャンバー内における流動状況を的確に推定して、閉塞が生じないように監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の好適な一実施形態を示す概略側断面図である。
【図２】図１に示した土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の回転カッターの正面図である。
【図３】本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機が好適に適用される地山の粒径加積曲線を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には本実施形態にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機１の概略側断面図が示されていると共に、図２には当該泥土圧シールド掘進機１の回転カッター２の正面図が示されている。
【００２６】
泥土圧シールド掘進機１は主に、中空円筒体状のスキンプレート３と、スキンプレート３の前端側に設けられた隔壁４と、隔壁４から前方に間隔を隔てて設けられ、回転駆動手段（図示せず）で回転駆動されて地山の切羽Ｚを掘削する回転カッター２と、回転カッター２と隔壁４との間に形成され、掘削された土砂が取り込まれるカッターチャンバー５と、カッターチャンバー５内に設けられ、取り込まれた土砂と注入された薬材とを混合撹拌する撹拌装置（図示せず）と、スキンプレート３内に隔壁４よりも後方に位置させて設けられ、セグメント６に反力をとって、スキンプレート３と共に回転カッター２を前進させる推進力を発生するシールドジャッキ７と、隔壁４を貫通してカッターチャンバー５内に取り込み端部８ａが位置され、排出端部８ｂがスキンプレート３後方へ、斜め上向きに延出されて、カッターチャンバー５内から土砂を排土するスクリューコンベア８とから構成される。また、シールド掘進機１後方の後続台車９には、シールド掘進機１の運転室１０が設けられ、この運転室１０から運転手がシールド掘進機１の運転制御を行うようになっている。
【００２７】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１は、特に、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合に、好適に適用される。勿論、このような巨礫Ｘを含まない玉石混じり砂礫や玉石層、通常の砂礫層などに対しても、適用することが可能である。
【００２８】
回転カッター２は図２に示すように、スポークタイプで構成される。回転カッター２は、当該回転カッター２の中央に位置され、センタビット１１が取り付けられるハブ部１２と、ハブ部１２から回転カッター２の周縁に向かって放射状に延出され、各種ビット１３，１４やローラカッター１５が取り付けられる６本のスポーク部１６と、スポーク部１６の中途部同士を連結する中間リング１７と、スポーク部１６の先端部同士を連結する外周リング１８とから構成される。
【００２９】
中間リング１７には、スポーク部１６とスポーク部１６のほぼ中間に位置させて、上述した大きな外形寸法の巨礫Ｘや玉石等がスポーク部１６の間からカッターチャンバー５内へ取り込まれることを規制するために、制限用突起１９が設けられる。すなわち、回転カッター２には、ハブ部１２周りに、スポーク部１６、制限用突起１９を有する中間リング１７及び外周リング１８で規定して、巨礫取り込み制限区画Ｒが形成される。
【００３０】
泥土圧シールド工法では、薬材を、回転カッター２で掘削した土砂に添加し、撹拌装置で撹拌混合することにより、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持つ泥土に変換する。そして、この泥土をカッターチャンバー５内及びスクリューコンベア８内に充満させ、シールドジャッキ７の推進力によりカッターチャンバー５内等に充満した泥土を加圧して泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽土圧に対抗させて、切羽Ｚを安定させるようになっている。
【００３１】
泥土圧シールド掘進機１の推進に際しては、切羽Ｚの安定を維持するために、例えば、回転カッター２の回転速度を一定にして、シールドジャッキ７の伸長速度やスクリューコンベア８の回転速度を調整し、隔壁４に設けた土圧計（図示せず）によって測定されるカッターチャンバー５内の泥土圧を常時一定の圧力に保つようにして、掘進するようにしている。
【００３２】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、細砂や粗砂、礫に混ざって、玉石、そしてさらには巨礫Ｘが散在している地山の切羽Ｚを掘進するにあたり、カッターチャンバー５内の泥土の状態を好適化する泥土調整手段が設けられる。
【００３３】
泥土調整手段は、回転カッター２のスポーク部１６やハブ部１２の適宜位置に設けられて、回転カッター２前方の切羽Ｚへ向けて薬材を注入する第１注入手段２０、隔壁４の中央部付近に設けられて、カッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第２注入手段２１、並びに、隔壁４の周縁部の適宜位置に設けられて、スキンプレート３の外回りやカッターチャンバー５内へ向けて薬材を注入する第３注入手段２２を備える。
【００３４】
第１及び第３注入手段２０，２２は、ベントナイト系添加材などの作泥土材を注入する。第２注入手段２１は、気泡材を注入する。作泥土材を注入する注入手段２０，２２及び気泡材を注入する注入手段２１の具体的構成は、従来周知である。
【００３５】
また、本実施形態では、作泥土材を注入する注入手段２０，２２と気泡材を注入する注入手段２１を別々に備える場合が示されているが、作泥土材と気泡材を注入口（図示せず）付近で混ぜ合わせることによって、あるいは、作泥土材の注入タイミングと気泡材の注入タイミングをずらすことによって、作泥土材用の注入手段２０，２２と気泡材用の注入手段２１を供用するようにしてもよい。すなわち、作泥土材と気泡材は、すべての注入手段２０〜２２から注入するようにしてもよい。
【００３６】
回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されたばかりの礫分を含む土砂は、回転カッター２の回転作用で、当該回転カッター２の第１注入手段２０から切羽Ｚへ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合されつつ、カッターチャンバー５内へ取り込まれるようになっている。また、回転カッター２で切羽Ｚから掘削され破砕されてカッターチャンバー５内に取り込まれた礫分を含む土砂は、カッターチャンバー５内で、隔壁４の第２及び第３注入手段２１，２２からカッターチャンバー５内へ向けて注入される作泥土材や気泡材と撹拌混合される。
【００３７】
すなわち、回転カッター２で掘削された礫分を含む土砂は、スクリューコンベア８へ取り込まれる前に、切羽Ｚ位置及びカッターチャンバー５内にて、作泥土材及び気泡材双方と撹拌混合される。
【００３８】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、カッターチャンバー５内での上記土砂の閉塞を監視するために土砂温度監視手段が設けられる。土砂の閉塞傾向は、撹拌等される土砂に滞留する摩擦熱に起因して、土砂温度が上昇することにより推定される。
【００３９】
土砂温度監視手段は、スクリューコンベア８の内部、好ましくはカッターチャンバー５に近接するスクリューコンベア８の取り込み端部８ａの内部に設けられ、スクリューコンベア８で排出される、カッターチャンバー５から取り込まれたばかりの土砂の土砂温度を直接計測する温度センサ２３で構成される。この温度センサ２３には、運転室１０内に設置され、温度センサ２３で計測された土砂温度が入力されると共に、当該土砂温度を運転者に視認させるために表示する制御盤２４が接続される。
【００４０】
基本的には、温度センサ２３で計測した土砂温度を、制御盤２４を介して運転者に認識させることで、土砂温度監視機能が発揮され、運転者は表示された土砂温度に応じて、泥土圧シールド掘進機１を運転操作することができる。
【００４１】
本実施形態にあっては、温度センサ２３は、撹拌流動されて掘削土砂の位置が移動したり、また大型の礫分等が多量に含まれていて空隙部分が移動・消滅したり、また発生したりするカッターチャンバー５内ではなく、一様かつ安定的に掘削土砂が移送されるスクリューコンベア８に設けられていて、土砂温度が安定的に計測される。
【００４２】
また、温度センサ２３は、スクリューコンベア８の取り込み端部８ａに設けられていて、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ次々に送り込まれる掘削土砂の土砂温度は、カッターチャンバー５内の土砂の流動状態を反映する温度データであって、この土砂温度がリアルタイムで計測される。また、スクリューコンベア８は、掘削土砂を移送して排土するものであるので、温度センサ２３の設置位置に土砂が付着滞留するおそれが少なく、土砂温度が正確に計測される。
【００４３】
温度センサ２３で検出された土砂温度は、運転者による手動制御に利用される。制御盤２４には、カッターチャンバー５内の閉塞推定用の監視温度が設定され、当該監視温度が制御盤２４に表示されると共に、運転者に手動操作されて、注入手段２０〜２２に作泥土材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部２４ａが設けられる。作泥土材を注入することで、カッターチャンバー５内の土砂の塑性流動性を高めることができる。
【００４４】
さらには、温度センサ２３で検出された土砂温度を、制御盤２４による自動制御に利用するようにしてもよい。制御盤２４は、監視温度と計測された土砂温度とを比較するステップを実行し、この比較によって、土砂温度が監視温度を超えている場合には、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に増量信号を出力して、作泥土材の注入量を増量するステップを実行するようになっている。
【００４５】
監視温度については、地山の状態やシールド掘進機の仕様により異なるので、予め設定した温度に対し、工事毎に掘進初期段階の区間で得られるデータに基づいて、補正を行うことが好ましい。
【００４６】
本実施形態にあっては、制御盤２４には、作泥土材を増量する基準となる監視温度（Ｍ℃）に加えて、段階的な増量を行うために、第１閾値温度（Ｍ℃＋α℃）が設定される。温度センサ２３で計測された土砂温度が監視温度（Ｘ℃）以下である場合には、「土砂の塑性流動性は良好であって、カッターチャンバー５内の撹拌性は良好である」と推定し得る。
【００４７】
土砂温度が監視温度を超えて第１閾値温度（Ｘ℃＋α℃）以下である場合には、「土砂の塑性流動性が低下傾向にあり、カッターチャンバー５内で土砂が閉塞気味である」と推定し得、これに基づいて、カッターチャンバー５内の塑性流動性を高めるためのフィードフォワード制御として、運転者の手動制御もしくは制御盤２４における自動制御により、注入手段操作部２４ａから出力される増量信号で注入手段２０〜２２は作泥土剤の注入量を増加する。
【００４８】
さらに土砂温度が第１閾値温度（Ｘ℃＋α℃）以上となった場合には、「土砂の塑性流動性が不足していて、カッターチャンバー５内で土砂の閉塞箇所が発生している可能性がある」と推定し得、これに基づいて、カッターチャンバー５内の閉塞傾向を解消するためのフィードフォワード制御として、運転者の手動制御もしくは制御盤２４における自動制御で、注入手段操作部２４ａから出力される増量信号で注入手段２０〜２２は作泥土剤の注入量をさらに増加するようになっている。
【００４９】
また、本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１には、噴出防止手段が設けられる。噴出防止手段は、スクリューコンベア８として、大径な礫などを搬送することが可能なリボン式スクリューコンベアを採用し、このリボン式スクリューコンベアの排出端部８ｂに、泥土圧が発生して止水領域となるプラグゾーンを形成し得る長さ寸法の排土管２５を連結して構成される。
【００５０】
本実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１では、巨礫Ｘを破砕した大型の礫等が排土に含まれていて、軸付きスクリューコンベアでは当該礫等で閉塞を起こしやすいことから、リボン式スクリューコンベア８が用いられる。
【００５１】
排土管２５は、リボン式スクリューコンベア８の排出端部８ｂから、後続台車９に組み込まれるズリ搬出台車２６まで延設され、スクリューコンベア８からの排土を、ズリ搬出台車２６に排出する。排土管２５は、その内部を排土が移動する際の圧力損失によって、止水性を得るプラグゾーンを形成し、これにより地下水圧等に起因する土砂の噴出を防止するようになっている。
【００５２】
次に、上記実施形態にかかる泥土圧シールド掘進機１を例示して、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法について説明する。本発明にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機及び泥土圧シールド工法は具体的には、図３に示す粒径加積曲線（粒径２ｍｍ未満の細粒（砂分）が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫石（礫分）が８０％を超える）を有する地山を対象として開発され、台湾の大南湾近郊のトンネル掘削に、守秘状態で、実際に採用されたものである。
【００５３】
泥土圧シールド工法は基本的には、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８に亘って充満する泥土に薬材を添加して塑性流動性や不透水性を確保した上で、シールドジャッキ７の推進力で切羽土圧に拮抗する泥土圧を発生させ、この泥土圧で切羽Ｚを安定に維持しつつ、カッターチャンバー５内から排土するスクリューコンベア８の回転速度とシールドジャッキ７の伸長速度とを適正に調整して掘進を進めていく。
【００５４】
泥土圧シールド掘進機１の掘進作業にあたり、本実施形態にかかる泥土圧シールド工法では、薬材としてベントナイト系添加材などの作泥土材及び気泡材を併用して、これら薬材を第１〜第３注入手段２０〜２２から、回転カッター２前方の切羽Ｚに向かって、そしてまたカッターチャンバー５内に向けて、注入する。
【００５５】
本実施形態では、カッターチャンバー５へ取り込むことが好ましくない巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを掘削する場合を対象としていて、ベントナイト系添加材に代表される作泥土材は、通常一般に認識されている細粒分の補充という意味合いから、土砂の塑性流動性や不透水性を高めるという作用に加えて、巨礫Ｘを破砕した礫や玉石等の礫分を含む掘削土砂に関し、当該礫分を掘削土砂と共に包み込んで当該礫分が土砂から分離してしまうことを抑制し、これら土砂と礫分との一体性を向上するようにしている。これにより、気泡材の難点である、土砂の粒子同士の付着結合を妨げる等の分離作用を抑制することができる。
【００５６】
また、気泡材は、上記作泥土材と組み合わせて使用することで、通常一般に認識されている塑性流動性や不透水性の向上に関し、細粒分である作泥土材との相乗作用で、ベアリング効果をもつ塑性流動性や不透水性を発揮して礫分を含む土砂の回転カッター２や隔壁４への付着を抑制することができると共に、作泥土材では得られない気泡材のクッション作用により、掘削土砂や作泥土材の圧縮性を高めて、カッターチャンバー５内やスクリューコンベア８内で礫分が転がり移動することを妨げ、また転がり移動したとしてもそのクッション作用で泥土圧の急激な変動を抑制することができる。
【００５７】
従って、薬材として、作泥土材及び気泡材を併用することにより、泥土圧を安定化することができて切羽Ｚを安定的に維持することができると共に、スクリューコンベア８による礫分の排土を円滑化して閉塞の発生を防止できると共に、噴出が発生することも防ぐことができる。
【００５８】
このようにして作泥土材及び気泡材と混合・撹拌された礫分を含む土砂がカッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ取り込まれて排土される際、スクリューコンベア８の内部に設けた温度センサ２３がスクリューコンベア８内を移送される土砂の土砂温度を直接計測し、計測された土砂温度は、制御盤２４に入力され、表示される。計測された土砂温度が監視温度以下である場合には、カッターチャンバー５内で土砂の閉塞傾向が見出されないので、これまでと同じ運転操作で掘進作業を継続することができる。
【００５９】
他方、計測された土砂温度が監視温度を超えていて、第１閾値温度以下である場合には、土砂の塑性流動性が低下していて閉塞傾向にあるため、シールド機１の運転操作を継続しつつ、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に増量信号を出力し、注入手段２０〜２２から切羽Ｚやカッターチャンバー５内に向けて、作泥土材を増量して注入する。
【００６０】
作泥土材の増量は、土砂温度が監視温度以下になるまで継続する。土砂温度が監視温度以下となれば、塑性流動性が回復し閉塞傾向が解消したと推定し得るので、増量信号の出力を終了し、そのままシールド機１の運転操作を継続する。
【００６１】
さらに、計測される土砂温度が、上記操作で作泥土材を増量したにもかかわらず、第１閾値温度以上となった場合には、土砂の塑性流動性が不足し閉塞箇所が生じている可能性があるため、シールド機１の運転操作を継続している状態で、注入手段操作部２４ａから注入手段２０〜２２に、作泥土材の注入量をさらに増量する増量信号を出力し、これにより注入手段２０〜２２から、作泥土材をさらに増量して注入する。
【００６２】
作泥土材の増量は、土砂温度が監視温度以下になるまで継続する。土砂温度が監視温度以下になれば、塑性流動性が回復し閉塞が解消したと推定し得るので、増量信号の出力を終了し、シールド機１の運転操作を継続する。この際、土砂温度が第１閾値温度以下となった段階で、注入量を減少させるようにしてもよい。
【００６３】
また、以上の説明では、作泥土材の増量注入を、シールド機１の運転を継続しつつ行うとしたが、運転を一旦停止して増量注入を行うようにしてもよい。
【００６４】
これに対し、さらなる増量操作によっても、温度センサ２３で計測される土砂温度が上昇する傾向にある場合には、シールド機１の運転操作を中断し、点検補修を実施する。
【００６５】
本実施形態にかかる土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機１及び泥土圧シールド工法にあっては、温度センサ２３を、撹拌流動されて掘削土砂の位置が移動したり、また大型の礫分等が多量に含まれていて空隙部分が移動・消滅したり、また発生したりするカッターチャンバー５内ではなく、一様かつ安定的に掘削土砂が移送されるスクリューコンベア８に設けているので、土砂温度を安定的に計測することができる。
【００６６】
また、温度センサ２３を、カッターチャンバー５に近接するスクリューコンベア８の取り込み端部８ａに設けていて、カッターチャンバー５からスクリューコンベア８へ次々に送り込まれる掘削土砂の土砂温度は、カッターチャンバー５内の土砂の流動状態を反映する温度データであるから、この土砂温度をリアルタイムで計測することができる。
【００６７】
また、スクリューコンベア８は、掘削土砂を移送して排土するものであるので、温度センサ２３をスクリューコンベア８内部に設けても、この温度センサ２３の設置位置に土砂が付着滞留するおそれが少なく、土砂温度を正確に計測することができる。
【００６８】
また、巨礫Ｘが混在し得る玉石混じり砂礫や玉石層からなる地山の切羽Ｚを対象として掘削を行う場合であっても、カッターチャンバー５内では、玉石等で掘削土砂が押し退けられて生じる空隙部分のために土砂の温度を正確に計測することが難しいのに比べて、スクリューコンベア８内では、礫分を含んでいる土砂であってもほぼ一様に安定的に移送される状況下にあるので、スクリューコンベア８に温度センサ２３を設けて土砂温度を計測して監視することによって、カッターチャンバー５内における流動状況を的確に推定でき、この種の巨礫Ｘが多く散在する地山を掘削する場合であっても、カッターチャンバー５内等に閉塞が発生することを未然にかつ確実に防止することができる。
【００６９】
また、温度センサ２３で計測した土砂温度を制御盤２４に入力して表示させるようにしたので、運転者によるシールド機１の運転操作を適切に行うことができる。また、制御盤２４に、監視温度を設定すると共に、作泥土材を増量する増量信号を注入手段２０〜２２に出力する注入手段操作部２４ａを設けたので、監視温度と計測された土砂温度との相関に応じて作泥土材を増量することができ、これにより閉塞が発生することを的確に防止できる。
【００７０】
また、制御盤２４による自動制御に対応させて、監視温度と土砂温度の比較ステップと、土砂温度が監視温度を超えたことに応じて、作泥土材を増量して注入する増量ステップとを実行するように構成したので、シールド機１の閉塞防止制御を自動化することができる。勿論、手動制御にあっても、これらステップを実行して閉塞防止を図ることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 泥土圧シールド掘進機
２ 回転カッター
４ 隔壁
５ カッターチャンバー
８ スクリューコンベア
８ａ スクリューコンベアの取り込み端部
２０〜２２ 注入手段
２３ 温度センサ
２４ 制御盤
２４ａ 注入手段操作部
Ｚ 切羽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転カッターにより地山の切羽から掘削され破砕された後に、該回転カッター後方に隔壁で区画して形成されたカッターチャンバー内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベアで排出する泥土圧シールド掘進機において、上記スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサを設けたことを特徴とする土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項２】
前記温度センサは、前記カッターチャンバーに近接する前記スクリューコンベアの取り込み端部に設置されることを特徴とする請求項１に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項３】
前記温度センサに接続され、前記土砂温度が入力されると共に、入力された該土砂温度を表示する制御盤を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項４】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられることを特徴とする請求項３に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項５】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられ、
上記制御盤は、計測された前記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、上記注入手段操作部から上記注入手段に増量信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項６】
請求項１に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機を用いる泥土圧シールド工法であって、
粒径２ｍｍ未満の砂分が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫分が８０％を超える地山を掘削する際に、前記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度と前記温度センサで計測された前記土砂温度とを比較するステップと、上記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、掘削土砂に混合する薬材を切羽や上記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段から、薬材を増量して注入するステップとを備えることを特徴とする泥土圧シールド工法。
【請求項１】
回転カッターにより地山の切羽から掘削され破砕された後に、該回転カッター後方に隔壁で区画して形成されたカッターチャンバー内に取り込まれる礫分を含む掘削土砂を、スクリューコンベアで排出する泥土圧シールド掘進機において、上記スクリューコンベアに、排出される掘削土砂の土砂温度を計測する温度センサを設けたことを特徴とする土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項２】
前記温度センサは、前記カッターチャンバーに近接する前記スクリューコンベアの取り込み端部に設置されることを特徴とする請求項１に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項３】
前記温度センサに接続され、前記土砂温度が入力されると共に、入力された該土砂温度を表示する制御盤を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項４】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられることを特徴とする請求項３に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項５】
前記回転カッターや前記隔壁には、掘削土砂に混合する薬材を切羽や前記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段が設けられ、前記制御盤には、上記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度が設定されると共に、上記注入手段に薬材の注入量を増量する増量信号を出力する注入手段操作部が設けられ、
上記制御盤は、計測された前記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、上記注入手段操作部から上記注入手段に増量信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機。
【請求項６】
請求項１に記載の土砂温度監視機能を備えた泥土圧シールド掘進機を用いる泥土圧シールド工法であって、
粒径２ｍｍ未満の砂分が２０％を超えず、粒径２ｍｍ以上の礫分が８０％を超える地山を掘削する際に、前記カッターチャンバー内の閉塞推定用の監視温度と前記温度センサで計測された前記土砂温度とを比較するステップと、上記土砂温度が上記監視温度を超えたことに応じて、掘削土砂に混合する薬材を切羽や上記カッターチャンバー内へ向けて注入する注入手段から、薬材を増量して注入するステップとを備えることを特徴とする泥土圧シールド工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１２２２５８（Ｐ２０１２−１２２２５８Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４１１８（Ｐ２０１０−２７４１１８）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１４０２９２）株式会社奥村組 (469)
【Ｆターム（参考）】
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