JP4769264B2 - チャンバ内土砂流動の測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、チャンバ内土砂流動の測定装置に関し、特に、泥土圧式シールド掘進機のチャンバ内土砂流動の測定装置に関するものである。

シールドトンネルの構築工事に用いられる泥土圧式シールド掘進機による地盤土砂の掘削は、例えば、非特許文献１に開示されているように、カッターヘッドで掘削した土砂を、チャンバ内に取り込んで充満させ、チャンバ内土圧により切羽の安定を図りながら、スクリューコンベアで排土が行われる。

この場合、実施工では、チャンバ内土圧は、シールド推力で切羽の安定に必要な程度に加圧しながら、推進量に見合った排土が行えるようスクリューコンベアの回転数や掘進速度を調整する。

このような方式で排土を行う泥土圧式シールド工法では、掘削土砂の流動性や止水性が、チャンバ内の土圧に大きく影響を及ぼすので、特に、重要な管理項目となる。ところが、このような従来の泥土圧式シールド掘進機には、以下に説明する技術的な課題があった。
「土木工法事典改訂Ｖ」 ２００１年９月産業調査会発行 ６３９−６４０ｐｐ

すなわち、従来の泥土圧式シールド掘進機では、チャンバ内に土圧計などを設置して、チャンバ内の土圧を管理しているものの、チャンバ内での掘削土砂の流動方向などの状態が判らないので、掘削地盤の性状が急変した場合に、奮発や排土不能状態を引き起こし、復旧に多大の時間と労力とが掛かっていた。

また、従来のシールドトンネルの構築工事では、掘削土砂の流動性の評価は、排土された土砂の性状、マシンデータ（カッタートルクや推力の大きさ）に頼るところが大きく、礫地盤や互層地盤などの場合、適切な添加材の選定、および、注入率の設定が困難であった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、チャンバ内の土砂流動方向を把握することで、掘削地盤の性状の急変に対応することが可能で、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することができるチャンバ内流動の測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、掘削土砂と加泥材との攪拌混合物が収容された泥土圧式シールド掘進機のチャンバ内における前記混合物の流動性の測定装置において、前記測定装置は、前記チャンバを隔成する隔壁を貫通して、前記チャンバ内に出没可能に設置される計測ロッドを備え、前記混合物が流動する際の前記計測ロッドの変形量から、前記混合物の流動方向とその大きさとを推定する測定装置であって、予め設定する前記チャンバの機械モデルと、前記チャンバ内の混合物の粘度式とに基づいて、前記チャンバ内の前記混合物の流速の大きさ，方向，分布の可視化された複数の流動解析結果を求めておき、前記測定装置により得られた推定値と前記流動解析結果との相関関係の良好なものを選択して、選択された流動解析結果を前記推定値が得られた時点の流動状態とするようにした。

このように構成したチャンバ内土砂流動の測定装置によれば、チャンバを隔成する隔壁を貫通して、チャンバ内に出没可能に設置される計測ロッドを備え、混合物が流動する際の計測ロッドの変形量から、混合物の流動方向とその大きさとを推定するので、チャンバ内における混合物の流動方向が把握され、掘削地盤の性状の急変に対応することが可能で、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することが可能になる。

この場合、本発明の測定装置によれば、予め設定するチャンバの機械モデルと、チャンバ内の混合物の粘度式とに基づいて、チャンバ内の流速の大きさ，方向，分布の可視化された複数の流動解析結果を求めておき、測定装置により得られた推定値と流動解析結果との相関関係の良好なものを選択して、選択された流動解析結果を推定値が得られた時点の流動状態とするので、チャンバ内の全域における流動分布などが可視化され、実施工現場において、掘削地盤の性状の急変に対応することが容易に行え、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することも簡単に行える。

前記計測ロッドは、基端側に設けられた複数の歪ゲージを備え、前記歪ゲージの検出信号から、前記変形量を求めることができる。

前記チャンバ内土砂流動の測定装置は、前記チャンバに対して、同一円周上に、周方向に沿って所定の間隔を隔てて複数配置することができる。

前記測定装置は、前記回転板が前記チャンバ内から退避した際に、隔壁開口部を閉塞するシャッタ装置を設けることができる。

本発明にかかるチャンバ内土砂流動の計測装置によれば、チャンバ内の土砂流動の方向および大きさを把握することで、掘削地盤の性状の急変に対応することが可能で、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１から図５は、本発明にかかるチャンバ内土砂流動の測定装置の実施例１を示している。図１は、本発明の測定装置１０を設置した泥土式シールド掘進機１２を示している。

同図に示したシールド掘進機１２は、円筒状のスキンプレート１４を備え、スキンプレート１４の前端には、カッタ１６が配置されている。カッタ１６は、図２のその正面詳細図を示すように、中心から外方に向けて放射状の延設されたスポーク状のカッタフェイス１６ａと、カッタフェイス１６ａの前面に設けられた多数のカッタビット１６ｂと、カッタフェイス１６ａの背面中心に固設された中心軸１６ｃとを備えている。

スキンプレート１４の前端側には、外周縁をスキンプレート１４の内面に固設した円板状の隔壁１８が設けられ、カッタ１６は、この隔壁１８を中心軸１６ｃが貫通するようにして、回転自在に支持されており、このようにカッタ１６を配置することにより、カッタフェイス１６ａの背面と隔壁１８とで概略円盤状に隔成されたチャンバ２０が設けられている。

カッタフェイス１６ａの背面側には、チャンバ２０内に突出する複数の攪拌翼１６ｄが設けられ、また、カッタフェイス１６ａの背面には、隔壁１８に当接する複数の支持ステー１６ｅが突設されている。

中心軸１６ｃの側面には、チャンバ２０に設置されたアジテータ１６ｆが設けられており、このアジテータ１６ｆは、隔壁１８の外側に設置された駆動モータ１６ｇにより、カッタフェイス１６ａと独立した形態で中心軸１６ｃとともに、回転駆動される。

支持ステー１６ｅは、一端側が隔壁１８を貫通して、その外部に突出し、この突出した部分にリングギア１６ｈが設けられ、このリングギア１６ｈには、カッタ駆動モータ１６ｉが連結されており、このモータ１６ｉを駆動すると、リングギア１６ｈを介して、カッタフェイス１６ａが回転駆動されて、地盤の掘削がカッタビット１６ｂにより行われる。

カッタビット１６ｂで掘削された掘削土砂は、カッタフェイス１６ａの開口部を介して、チャンバ２０内に取り込まれる。この際に、掘削土砂には、粘土，ベントナイト，高吸水性樹脂，増粘材などの加泥材が添加され、掘削土砂と加泥材は、チャンバ２０内で攪拌翼１６ｄやアジテータ１６ｆにより攪拌混合されることで、流動性を有する混合物とされて、チャンバ２０内に充満されて、切羽に対抗させる。

そして、このような混合物は、切羽の安定を確保しながら、隔壁１８を貫通するようにして設けられている排土機構（スクリューコンベア）２２を介して、外部に排出される。なお、図１に符号２４で示した部材は、シールド掘進機１２の後部側に組立てられるセグメント２６に反力を取って、掘進機１２を前方に推進させるシールドジャッキである。

以上のような泥土式シールド掘進機１２としての基本的構成は、この種の従来機と同様であるが、本実施例の掘進機１２は、以下に説明する点に顕著な特徴がある。

すなわち、本実施例のシールド掘進機１２は、掘削土砂と加泥材との攪拌混合物が収容された泥土圧式シールド掘進機１２のチャンバ２０内における混合物の流動方向と流動速度とを把握する測定装置１０ａが設置されている。

図３に測定装置１０ａの詳細を示している。同図に示した測定装置１０ａは、泥土式シールド掘進機に適用されるものであって、測定装置１０ａは、チャンバ２０を隔成する隔壁１８を貫通して、チャンバ２０内に出没可能に設置される計測ロッド５０を備え、混合物が流動する際の計測ロッド５０の変形量から、混合物の流動方向とその大きさとを推定する。

また、本実施例の場合、図２に示すように、同一構成の４個の測定装置１０ａが、チャンバ２０に対して、同一円周上にあって、周方向に所定の間隔を隔てて配置されている。これらの測定装置１０ａの配置位置は、回転板２８をチャンバ２０内に突出させた際に、攪拌翼１６ｄやアジテータ１６ｆとの相互干渉を避ける位置に設けられている。

計測ロッド５０は、ガイド筒３６ａ内に設置されたスライダ３８ａに支持され、先端が閉塞された中空管であって、その基端側の内面に設けられた複数の歪ゲージ５２を備えている。歪ゲージ５２は、周方向に等角度間隔で複数配置され、放射方向にも複数配置されている。

スライダ３８ａは、シリンダ４０ａ伸縮動作に伴って、ガイド筒３６ａに沿ってスライド移動する。ガイド筒３６ａは、計測ロッド５０がチャンバ２０から退避した際に、シャッタ装置４２により閉塞される。本実施例の場合、計測ロッド５０に設置された歪ゲージ５２の検出信号から、計測ロッド５０に発生する変形量を求める。

このシャッタ装置４２は、測定装置１０の下方に設置され、ガイド筒３６を閉塞する上下移動自在なシャッタ板４２ａと、シャッタ板４２ａの駆動シリンダ４２ｂとを有している。

以上のように構成された測定装置１０では、チャンバ２０内の土砂流動の測定を行わない場合には、計測ロッド５０がガイド筒３６ａの後部側に位置していて、ガイド筒３６ａは、シャッタ装置４２により閉塞されている。

チャンバ２０内の土砂流動を測定する際には、シャッタ装置４２のガイド筒３６ａの閉塞状態を開放して、シリンダ４０ａを駆動させて、計測ロッド５０をチャンバ２０内の所定位置まで突出させる。

この際の計測ロッド５０に発生する変形量は、チャンバ２０内を流動する掘削土砂との加泥材の混合物の衝突により発生し、変形量の大きさは、流動方向に対応するので、変計量が最も大きい方向を、混合物の流動方向とし、その個所の変計量を流動方向の大きさと推定する。

以上のように構成したチャンバ内土砂流動の測定装置によれば、チャンバ２０を隔成する隔壁１８を貫通して、チャンバ２０内に出没可能に設置される計測ロッド５０を備え、混合物が流動する際の計測ロッド５０の変形量から、混合物の流動方向とその大きさとを推定するので、チャンバ２０内における混合物の流動方向が把握され、掘削地盤の性状の急変に対応することが可能で、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することが可能になる。

また、本実施例の測定装置では、流動解析の手法を採用している。図４及び図５は、本実施例で採用する流動解析の一例を示している。これらの図は、例えば、非特許文献２，３（非特許文献２、「シールドチャンバ内の泥土・泥水の流動解析」１９９４年８月「トンネルと地下」３５−３９ｐｐ、非特許文献３、「シールドチャンバ内における掘削土砂流動解析」大林組技術研究所報、Ｎｏ．４８ １９９４年）に開示されているシールドチャンバ内の流動解析に基づく解析結果を、実際のシールド掘進機に適用する際の例を示している。

シールド掘進機のチャンバ内における掘削土砂と加泥材の混合物の流動解析は、上記非特許文献２，３に開示されているように、シールド掘進機のチャンバの機械モデルと、混合物の粘度式（μ＝Ｃ_１＋Ｃ_２／γ）が与えられると、チャンバ内における流速の大きさ，方向，分布などの詳細な解析結果が得られることが知られている。

ここに、μ：土砂と加泥材（気泡）との混合流体に対する粘度
γ：ひずみ速度
Ｃ_１，Ｃ_２：土砂およびαに依存する（物質）定数
α：土砂と加泥材（気泡）との混合流体中の加泥材の体積占有率（０≦α≦１）
上粘度式中の定数、Ｃ_１，Ｃ_２については、土砂の種類ごとに、加泥材の包含率（体積占有率）αの関数として、流体計測実験と対応する流動解析により決定する。

ところが、このような解析は、あくまでもシミュレーションであって、実際のシールド掘進機でどのようになっているのかは、確認されていない。そこで、本実施例では、図１に示したシールド掘進機のチャンバ２０に関する機械モデルを図4に示すように設定し、混合物の粘度式を、現場掘削土，砂地盤，粘土地盤など各種地質に応じて設定し、流動解析を予め行い、図5にその一例を示すような複数の可視化された流動解析結果を求めておく。

そして、上述した測定装置１０ａにより、上述した手段により、混合物の流動方向とその大きさを推定し、これと流動解析の結果とを照合して、測定装置１０ａの設置個所（図５に丸印Ａ〜Ｄで示した個所）において、最も相関のよいものを選択して、その流動解析結果を、測定装置１０ａでの測定時点における流動状態とする。

このようにして流動解析結果を利用すると、チャンバ２０内の全域における流動分布などが可視化されるので、実施工現場において、掘削地盤の性状の急変に対応することが容易に行え、かつ、適切な添加材の選択と注入率とを設定することも簡単に行える。

本発明にかかるチヤンバ内土砂流動の測定装置は、泥土式シールド掘進機に適用すると、施工の安全性や経済性を確保する上で有効に活用することができる。

本発明にかかるチヤンバ内土砂流動の測定装置が適用されるシールド掘進機の断面図である。 図１の正面図である。 本発明にかかるチヤンバ内土砂流動の測定装置の一例を示す側面図である。 本発明にかかるチヤンバ内土砂流動の測定装置に用いる解析の機械モデルの説明図である。 本発明にかかるチヤンバ内土砂流動の測定装置に用いる流動解析結果の説明図である。

符号の説明

１０ａ 測定装置
１２ シールド掘進機
２０ チャンバ
５０ 測定ロッド

Claims (4)

1. 掘削土砂と加泥材との攪拌混合物が収容された泥土圧式シールド掘進機のチャンバ内における前記混合物の流動性の測定装置において、
   前記測定装置は、前記チャンバを隔成する隔壁を貫通して、前記チャンバ内に出没可能に設置される計測ロッドを備え、
   前記混合物が流動する際の前記計測ロッドの変形量から、前記混合物の流動方向とその大きさとを推定する測定装置であって、
   予め設定する前記チャンバの機械モデルと、前記チャンバ内の混合物の粘度式とに基づいて、前記チャンバ内の前記混合物の流速の大きさ，方向，分布の可視化された複数の流動解析結果を求めておき、
   前記測定装置により得られた推定値と前記流動解析結果との相関関係の良好なものを選択して、選択された流動解析結果を前記推定値が得られた時点の流動状態とすることを特徴とするチャンバ内土砂流動の測定装置。
2. 前記計測ロッドは、基端側に設けられた複数の歪ゲージを備え、
   前記歪ゲージの検出信号から、前記変形量を求めることを特徴とする請求項１記載のチャンバ内土砂流動の測定装置。
3. 請求項１記載のチャンバ内土砂流動の測定装置は、前記チャンバに対して、同一円周上に、周方向に沿って所定の間隔を隔てて複数配置することを特徴とするチャンバ内土砂流動の測定装置。
4. 前記測定装置は、前記回転板が前記チャンバ内から退避した際に、隔壁開口部を閉塞するシャッタ装置を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のチャンバ内土砂流動の測定装置。

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