JPH1144184A - スクリューコンベアの止水性能判定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スクリューコンベアの止水性に関する性能を
定量的に判定する。 【解決手段】 土圧式シールドに装備され、シールド前
端のカッターチャンバ内の掘削土砂を圧密状態としてシ
ールド後方に移送するスクリューコンベア２２の止水性
能を判定式を用いて判定する。掘削土砂の見かけ単位体
積重量γｔ、土砂と鉄の摩擦係数μ、スクリューの回転
軸線の傾斜角θ、プラグゾーン５４における水圧降下量
ΔＰｗｐ、プラグゾーン５４の長さＬｐを判定式：γｔ
（μｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）−ΔＰｗｐ／Ｌｐに代入して
判定式の値を求め、求めた値が正であればスクリューコ
ンベア２２の止水性能は充分であると判定し、一方、負
の場合は不充分であると判定する。したがって、スクリ
ューコンベア２２の止水性能を定量的に判定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土圧式または泥土
圧式シールドに装備され、シールド前端のカッターチャ
ンバ内の掘削土砂を圧密状態としてシールド後方に移送
するスクリューコンベアの止水性能を判定する方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法は、シールド前端で掘削を
行うと共に、シールドの後部で覆工を行い、掘削した土
砂をシールドの後方に移送しながらシールドを前進さ
せ、トンネルを構築して行く工法である。そして、この
ようなシールド工法の中でも、大気圧下での作業が可能
で、労務管理や作業能率の上で有利な土圧式または泥土
圧式シールド工法が注目を集めつつある。土圧式または
泥土圧式シールド工法は、カッターにより掘削した土砂
をカッターチャンバ内に充満する状態で滞留させ、切羽
をカッターディスクと、カッターチャンバ内に充満する
土砂の土圧とによって抑え、また、スクリューコンベア
内で掘削土砂を圧密状態とし、螺旋状に連続する圧密状
態の土砂に止水性を持たせ、これらにより切羽の安定を
図りつつ地中掘削を行う工法である。

【０００３】このような土圧式または泥土圧式シールド
工法で用いられるシールド機では、シールドの前端にカ
ッターが配設され、カッターの背面とシールドの前壁と
の間にカッターチャンバが設けられ、シールドの前壁に
は、カッターチャンバに連通させてスクリューコンベア
が連結されている。スクリューコンベアは、筒体と、筒
体の内部に回転可能に配設されたスクリュー羽根と、ス
クリュー羽根の回転駆動手段から成り、前記スクリュー
羽根は駆動軸と、駆動軸の外周に螺旋状に設けられた羽
根体とにより構成されている。このようなスクリューコ
ンベア内に掘削土砂が圧密状態で螺旋状に連続して収容
され、掘削土砂に止水性が持たされる。

【０００４】また、カッターチャンバ内の高土水圧に対
抗するため、スクリュー羽根が配設された筒体の後部
に、スクリュー羽根を有さず単に筒体から成りその後端
に排土口が設けられたスクリュー鞘部を連設し、このス
クリュー鞘部により、掘削土砂のさらなる充填圧密を図
るプラグゾーンを構成したプラグゾーン機能付きのスク
リューコンベアも用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、カッターチ
ャンバ内の土水圧は掘削現場ごとに異なるため、充分な
止水性を確保して安定に排土するためには、掘削現場ご
とに適切なスクリューコンベアを選定する必要がある。
しかし、従来は、スクリューコンベアの止水性に関する
性能を理論にもとづき定量的に判定する方法はなく、主
に経験や実験に頼ってスクリューコンベアの適合性を判
定していた。そのため、時に必要とする止水性を確保で
きなかったり、あるいは安全率を見込すぎて必要以上に
スクリューコンベアが大型化し、コスト高になるといっ
た無駄が生じていた。本発明はこのような問題を解決す
るためになされたもので、その目的は、スクリューコン
ベアの止水性に関する性能を定量的に判定することによ
り、必要最小限のコストで充分な止水性を確保して安定
排土を可能とするスクリューコンベアの止水性能判定方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、土圧式または泥土圧式シールドに装備され、
シールド前端のカッターチャンバ内の掘削土砂を圧密状
態としてシールド後方に移送するスクリューコンベアの
止水性能を判定する方法であって、前記スクリューコン
ベアにおける水圧降下量をΔＰｗｉ、水の単位体積重量
をγｗ、前記スクリューコンベアのスクリュー部におけ
る土砂の通過部分長をＬｓ’、前記スクリュー部におけ
る透水係数をｋｓ、前記スクリュー部における前記土砂
の通過部分断面積をＡｓ、前記スクリューコンベアの後
端部に形成されたプラグゾーンの長さをＬｐ、前記プラ
グゾーンにおける透水係数をｋｐ、前記プラグゾーンの
断面積をＡｐ、前記スクリューコンベアの後端部に設け
られた排土口における湧水量をＱとして、第１式：Ｑ＝
ΔＰｗｉ／［γｗ｛Ｌｓ’／（ｋｓ・Ａｓ）＋Ｌｐ／
（ｋｐ・Ａｐ）｝］により湧水量Ｑを算出し、前記プラ
グゾーンにおける水圧降下量をΔＰｗｐとして、第２
式：ΔＰｗｐ＝γｗ・Ｌｐ・Ｑ／（ｋｐ・Ａｐ）により
水圧降下量ΔＰｗｐを算出し、掘削土砂の見かけ単位体
積重量をγｔ、土砂と鉄の摩擦係数をμ、前記スクリュ
ーコンベアを構成する前記スクリューの回転軸線の傾斜
角をθとして、判定式：γｔ（μｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）
−ΔＰｗｐ／Ｌｐの値を算出し、算出した判定式の値が
正か否かにより、前記スクリューコンベアの止水性能を
判定することを特徴とする。本発明はまた、前記スクリ
ューコンベアを構成する前記スクリューが回転軸の回り
にスクリュー羽根を螺旋状に巻回して形成されているこ
とを特徴とする。本発明はまた、前記スクリューコンベ
アを構成する前記スクリューがリボンスクリューである
ことを特徴とする。

【０００７】本発明のスクリューコンベアの止水性能判
定方法では、スクリューコンベアにおける水圧降下量Δ
Ｐｗｉ、水の単位体積重量γｗ、スクリューコンベアの
スクリュー部における土砂の通過部分長Ｌｓ’、スクリ
ュー部における透水係数ｋｓ、スクリュー部における土
砂の通過部分断面積Ａｓ、プラグゾーンの長さＬｐ、プ
ラグゾーンにおける透水係数ｋｐ、プラグゾーンの断面
積Ａｐを上記第１式の右辺に代入して湧水量Ｑを算出す
る。また、水の単位体積重量γｗ、プラグゾーンの長さ
Ｌｐ、湧水量Ｑ、プラグゾーンにおける透水係数ｋｐ、
プラグゾーンの断面積Ａｐを上記第２式の右辺に代入し
てプラグゾーンにおける水圧降下量ΔＰｗｐを算出す
る。そして、掘削土砂の見かけ単位体積重量γｔ、土砂
と鉄の摩擦係数μ、スクリューコンベアを構成するスク
リューの回転軸線の傾斜角θ、上記水圧降下量ΔＰｗ
ｐ、プラグゾーンの長さＬｐを上記判定式に代入して、
その値を求め、求めた値が正であればスクリューコンベ
アの止水性能は充分であると判定し、一方、負の場合は
不充分であると判定する。したがって、スクリューコン
ベアの止水性能を定量的に判定できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を実施例
にもとづき図面を参照して説明する。図１は本発明のス
クリューコンベアの止水性能判定方法の実施例を説明す
るためのスクリューコンベアの部分断面側面図、図２は
スクリューコンベアを備えた土圧式のシールド機の一例
を示す断面側面図、図３は、図２に示したスクリューコ
ンベアを構成する開口溝とスライド板部分の断面図であ
る。まず、土圧式シールド工法を行うための図２のシー
ルド機２についてスクリューコンベア周辺を中心に説明
する。このシールド機２は、フィッシュテール４、カッ
ターウイング６、混練翼８、カッターチャンバ１０、カ
ッター駆動用モータ１２、シールドジャッキ１４、中折
れジャッキ１６、エレクター１８、セグメント２０、ス
クリューコンベア２２などにより構成されている。

【０００９】スクリューコンベア２２はその先端をカッ
ターチャンバ１０の内部に貫通させて配設され、カッタ
ーチャンバ１０内の掘削土砂はスクリューコンベア２２
により後方に移送され、さらに、掘削土砂は不図示のベ
ルトコンベアにより後方に移送さていく。スクリューコ
ンベア２２はケーシング２４と、回転軸２６と、スクリ
ュー羽根２８とで構成されている。ケーシング２４は筒
状で所定の長さを有し、その長手方向の一端に土砂の入
口３０が形成され、他端側に排土口３２が設けられてい
る。前記入口３０はカッターチャンバ１０内に位置し、
排土口３２側のケーシング２４の端部に駆動機３４が取
り付けられている。回転軸２６はケーシング２４の内部
でケーシング２４と同軸的に配設され、駆動機３４によ
り回転駆動される。スクリュー羽根２８は回転軸２６の
回りに螺旋状に巻回され、その外径は、ケーシング２４
の内周面に臨む大きさで形成されている。排土口３２寄
りの回転軸部分３６は、スクリュー羽根２８が所定の軸
方向長さにわたり取り除かれ、この回転軸部分３６によ
りケーシング２４内に羽根無し空間部３８が形成されて
いる。

【００１０】羽根無し空間部３８を形成するケーシング
２４の下部部分には、図３に示すように、ケーシング２
４の長手方向に沿って延在する開口溝４０が形成され、
また、開口溝４０の両側部分には互いに対向し開口溝４
０の長手方向に沿って延在するガイド溝４２が形成され
ている。ガイド溝４２には、開口溝４０の長さの約２倍
の長さのスライド板４４が摺動可能に結合されている。
また、スライド板４４の長手方向中央には孔４６が設け
られ、この孔４６に連通させて開閉弁４８が設けられて
いる。開閉弁４８はケース５０と弁体（図示せず）とで
構成され、弁体は油圧シリンダ５２によりその開度が調
節され、実施例では、孔４６と開閉弁４８とにより排土
口３２が構成されている。

【００１１】次に、作用について説明すると、トンネル
掘削時、駆動機３４により回転軸２６およびスクリュー
羽根２８が回転すると、カッターチャンバ１０内の土砂
は掻き揚げられていく。そして、油圧シリンダ５２によ
り排土口３２の開口面積を調節することで羽根無し空間
部３８に土砂が堆積され、充満されていき、掻き込み量
より排土量が少なくなるときに、排土口３２の上流の羽
根無し空間部３８にプラグゾーン５４が形成され、これ
によりスクリューコンベア２２内の土砂が抑えられなが
ら安定して移送され、また、カッターチャンバ１０内の
土水圧に対する抵抗力が与えられる。

【００１２】このカッターチャンバ１０内の土水圧に対
する抵抗力の大きさは、スクリューコンベア２２の長さ
や、スクリューコンベア２２の径、プラグゾーン５４の
長さなど種々のパラメータによって決る。そしてプラグ
ゾーン５４内の土圧が正の値であれば、プラグ効果によ
る上記抵抗力の方が土水圧による流体力より大きく、安
定した排土が行えることになる。一方、プラグゾーン５
４内の土圧が負の値のときは、プラグ効果による上記抵
抗力の方が土水圧による流体力より小さく、基本的には
土砂だけで切羽水圧を抑えることは不可能となる。

【００１３】そこで、以下ではまずプラグゾーン５４内
の土圧を、図１を参照しつつ理論的に導出する。まず、
物性値や寸法を表す記号を以下のように決める。 Ｆｆ： 掘削土砂の摩擦力 Ｆｇ： 掘削土砂の重量 Ｆｐ： 土砂に作用する流体力 ｋｐ： プラグゾーン部における透水係数 ｋｓ： スクリュー部における透水係数 μ： 砂と鉄との摩擦係数 Ｋａ： プラグゾーン５４内の土砂から発生する主働土
圧係数（ランキン）＝ｔａｎ² （π／４−φ／２） Ｐ： プラグゾーン５４内の土圧 Ｐｗｉ：切羽水圧 Ｐｗｏ：排土口３２における水圧（大気圧の場合は０Ｋ
ｇｆ／ｃｍ² ） Ｐｗｐ：プラグゾーン始端（スクリュー終端）位置にお
ける水圧 ΔＰｗｉ＝Ｐｗｉ−Ｐｗｏ ΔＰｗｐ＝Ｐｗｐ−Ｐｗｏ（プラグゾーン５４での水圧
降下量） Ｑ： 切羽水圧Ｐｗｉが作用した場合の排土口３２に
おける湧水量 γｔ： 土砂の見かけ単位体積重量 γｗ： 水の単位体積重量 θ： スクリューの傾斜角 Ｌｐ： プラグゾーン長 Ｌｓ： スクリュー長 ｄ₁ ： スクリュー軸径 ｄ₂ ： スクリューケーシング径 ｐ： スクリュー羽根ピッチ Ｌｓ’：スクリュー部における土砂の通過部分長 Ａｓ： スクリュー部における土砂の通過部分断面積 Ａｐ： プラグゾーン面積 まず、土砂の摩擦力Ｆｆは、

【００１４】

【数１】

【００１５】土砂の重量Ｆｇは、

【００１６】

【数２】

【００１７】と表され、プラグゾーン５４の土砂に作用
する流体力は

【００１８】

【数３】

【００１９】と表される。そして、図１において圧力の
釣合状態は次式で表される。ただし、検討位置はプラグ
ゾーン５４内の微小部分（Δｘ）とする。

【００２０】

【数４】

【００２１】ゆえに、

【００２２】

【数５】

【００２３】ここで、

【００２４】

【数６】

【００２５】

【数７】

【００２６】とおくと、

【００２７】

【数８】

【００２８】となり、これより

【００２９】

【数９】

【００３０】が得られる。境界条件ｘ＝０のとき、排土
口３２での圧力Ｐ＝０Ｋｇｆ／ｃｍ² であるから、Ｃ＝
−Ｂ／Ａとなり、したがって

【００３１】

【数１０】

【００３２】よって、

【００３３】

【数１１】

【００３４】が得られる。（１１）式は、ΔＰｗｐ／Ｌ
ｐが水圧の項を考慮した理論式となっている。またダル
シー（Ｄａｒｃｙ）の法則より

【００３５】

【数１２】

【００３６】排土口３２における湧水量Ｑは、

【００３７】

【数１３】

【００３８】このとき（１１）式に含まれるプラグゾー
ン５４内の水圧降下量ΔＰｗｐは、次式より求まる。

【００３９】

【数１４】

【００４０】（１１）式で表されるプラグゾーン５４内
の土圧Ｐが、上述のように正の値であれば安定した排土
が行え、一方、負の値のときは基本的には土砂だけで切
羽水圧を抑えることは不可能となる。ところで、（１
１）式において分母および［］内は常に正であるため、
本発明に係わる判定式である分子の

【００４１】

【数１５】

【００４２】が正であるか負であるかにより、安定に排
土を行えるか否かが決り、したがってスクリューコンベ
アの止水性能を判定できる。すなわち、判定式（１５）
式の値を算出し、算出した値が正であれば、スクリュー
コンベア２２は必要な止水性能を備えていると判定で
き、一方、判定式の値が負のときはスクリューコンベア
２２の止水性能は不充分であると判定できる。

【００４３】したがって、スクリューコンベア２２の止
水性能を判定するためには、まずスクリューコンベア２
２における水圧降下量ΔＰｗｉ、水の単位体積重量γ
ｗ、スクリューコンベア２２のスクリュー部における土
砂の通過部分長Ｌｓ’、スクリュー部における透水係数
ｋｓ、スクリュー部における土砂の通過部分断面積Ａ
ｓ、プラグゾーン５４の長さＬｐ、プラグゾーン５４に
おける透水係数ｋｐ、プラグゾーン５４の断面積Ａｐを
（１３）式（本発明に係わる第１式）の右辺に代入して
湧水量Ｑを算出する。

【００４４】そして、水の単位体積重量γｗ、プラグゾ
ーン５４の長さＬｐ、湧水量Ｑ、プラグゾーン５４にお
ける透水係数ｋｐ、プラグゾーン５４の断面積Ａｐを
（１４）式（本発明に係わる第２式）の右辺に代入して
プラグゾーン５４における水圧降下量ΔＰｗｐを算出す
る。

【００４５】その上で、掘削土砂の見かけ単位体積重量
γｔ、土砂と鉄の摩擦係数μ、スクリューの回転軸線の
傾斜角θ、上記水圧降下量ΔＰｗｐ、プラグゾーン５４
の長さＬｐを上記判定式に代入して、その値を求める。
そして求めた値が正であればスクリューコンベア２２の
止水性能は充分であると判定し、一方、負の場合は不充
分であると判定する。したがって、本実施例の止水性能
判定方法によりスクリューコンベア２２の止水性能を定
量的に判定することができる。その結果、要求される止
水性能を備えたスクリューコンベアを確実に選定でき、
必要以上に大型のスクリューコンベアを用いるといった
無駄も解消することができる。

【００４６】なお、本実施例では、スクリューコンベア
２２のスクリューは回転軸２６の回りにスクリュー羽根
２８を螺旋状に巻回して形成されているとしたが、回転
軸２６のないリボンスクリューを用いた場合にも本発明
は有効であり、基本的に同じ手順でスクリューコンベア
２２の止水性能を判定することができる。また、本実施
例では土圧式シールド機に装備するスクリューコンベア
２２を例に説明したが、泥土圧式シールド機に装備する
スクリューコンベアに対しても本発明を適用して同様の
効果を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスクリュー
コンベアの止水性能判定方法では、スクリューコンベア
における水圧降下量ΔＰｗｉ、水の単位体積重量γｗ、
スクリューコンベアのスクリュー部における土砂の通過
部分長Ｌｓ’、スクリュー部における透水係数ｋｓ、ス
クリュー部における土砂の通過部分断面積Ａｓ、プラグ
ゾーンの長さＬｐ、プラグゾーンにおける透水係数ｋ
ｐ、プラグゾーンの断面積Ａｐを次の第１式の右辺に代
入して湧水量Ｑを算出する。 第１式： Ｑ＝ΔＰｗｉ／［γｗ｛Ｌｓ’／（ｋｓ・Ａ
ｓ）＋Ｌｐ／（ｋｐ・Ａｐ）｝］ また、水の単位体積重量γｗ、プラグゾーンの長さＬ
ｐ、湧水量Ｑ、プラグゾーンにおける透水係数ｋｐ、プ
ラグゾーンの断面積Ａｐを次の第２式の右辺に代入して
プラグゾーンにおける水圧降下量ΔＰｗｐを算出する。 第２式： ΔＰｗｐ＝γｗ・Ｌｐ・Ｑ／（ｋｐ・Ａｐ） そして、掘削土砂の見かけ単位体積重量γｔ、土砂と鉄
の摩擦係数μ、スクリューコンベアを構成するスクリュ
ーの回転軸線の傾斜角θ、上記水圧降下量ΔＰｗｐ、プ
ラグゾーンの長さＬｐを次の判定式に代入して、その値
を求め、求めた値が正であればスクリューコンベアの止
水性能は充分であると判定し、一方、負の場合は不充分
であると判定する。 判定式： γｔ（μｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）−ΔＰｗｐ／
Ｌｐ したがって、本発明のスクリューコンベアの止水性能判
定方法では、スクリューコンベアの止水性能を定量的に
判定できる。その結果、要求される止水性能を備えたス
クリューコンベアを確実に選定でき、必要以上に大型の
スクリューコンベアを用いるといった無駄も解消するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスクリューコンベアの止水性能判定方
法の実施例を説明するためのスクリューコンベアの部分
断面側面図である。

【図２】スクリューコンベアを備えた土圧式のシールド
機の一例を示す断面側面図である。

【図３】図２に示したスクリューコンベアを構成する開
口溝とスライド板部分の断面図である。

【符号の説明】

２ シールド機 １０ カッターチャンバ １４ シールドジャッキ １６ 中折れジャッキ ２２ スクリューコンベア ２４ ケーシング ２６ 回転軸 ２８ スクリュー羽根 ３４ 駆動機 ３８ 羽根無し空間部 ４０ 開口溝 ４２ ガイド溝 ４４ スライド板 ４８ 開閉弁 ５４ プラグゾーン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 土圧式または泥土圧式シールドに装備さ
   れ、シールド前端のカッターチャンバ内の掘削土砂を圧
   密状態としてシールド後方に移送するスクリューコンベ
   アの止水性能を判定する方法であって、 前記スクリューコンベアにおける水圧降下量をΔＰｗ
   ｉ、水の単位体積重量をγｗ、前記スクリューコンベア
   のスクリュー部における土砂の通過部分長をＬｓ’、前
   記スクリュー部における透水係数をｋｓ、前記スクリュ
   ー部における前記土砂の通過部分断面積をＡｓ、前記ス
   クリューコンベアの後端部に形成されたプラグゾーンの
   長さをＬｐ、前記プラグゾーンにおける透水係数をｋ
   ｐ、前記プラグゾーンの断面積をＡｐ、前記スクリュー
   コンベアの後端部に設けられた排土口における湧水量を
   Ｑとして、 第１式： Ｑ＝ΔＰｗｉ／［γｗ｛Ｌｓ’／（ｋｓ・Ａ
   ｓ）＋Ｌｐ／（ｋｐ・Ａｐ）｝］ により湧水量Ｑを算出し、 前記プラグゾーンにおける水圧降下量をΔＰｗｐとし
   て、 第２式： ΔＰｗｐ＝γｗ・Ｌｐ・Ｑ／（ｋｐ・Ａｐ） により水圧降下量ΔＰｗｐを算出し、 掘削土砂の見かけ単位体積重量をγｔ、土砂と鉄の摩擦
   係数をμ、前記スクリューコンベアを構成する前記スク
   リューの回転軸線の傾斜角をθとして、 判定式： γｔ（μｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）−ΔＰｗｐ／
   Ｌｐ の値を算出し、算出した判定式の値が正か否かにより、
   前記スクリューコンベアの止水性能を判定する、 ことを特徴とするスクリューコンベアの止水性能判定方
   法。
2. 【請求項２】 前記スクリューコンベアを構成する前記
   スクリューは回転軸の回りにスクリュー羽根を螺旋状に
   巻回して形成されている請求項１記載のスクリューコン
   ベアの止水性能判定方法。
3. 【請求項３】 前記スクリューコンベアを構成する前記
   スクリューはリボンスクリューである請求項１記載のス
   クリューコンベアの止水性能判定方法。