JPS6052277B2 - 泥水式シ−ルド掘進機掘削量制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は泥水式シールド掘進機によるトンネル掘削に於
て高水圧下の軟弱地質てあつても、切羽の崩壊、地盤の
沈下さらにはトンネルの埋没という事態を解消し、安全
且つ能率よく排士し得る泥水シールド掘進機掘削量制御
方法に関する。

従来の泥水シールド掘進機に於ける掘削量制御を第１図
に示す。第１図に於てａはシールド掘進機カッタであり
、カッタチャンバをと坑外に設置された送泥水貯留タン
クｐ及び排泥水貯留タンクｑとの間は送 置− π
一亀゛ｕレ 」８ ｆ １ プ″、ｚ 泥水
管ｅには可変送水ポンプｇ）送泥水濃度検出器に）流量
計ｉ）調整弁ｄが設けられ、排泥水管ｆには排泥水管内
圧力検出器０）可変排泥水ポンプれ）排泥水ポンプｍ、
ｎ）排泥水濃度検出器１、流量計ｊが設けられている。

又制御ラインとしてはカッタチャンバｂ内の圧力を検出
するカッタ内泥水圧力室ｃと調整弁ｄ及び送泥水ポンプ
ｇを結ふＶ）排泥水管内圧力検出器ｏと可変排泥水ポン
プれを結ぶＳが設けられている。上述の構成からなる掘
削量制御ては （ｉ）調節弁ｄはカッタ内泥水圧力室ｃで検出した圧力
でカッタチャンバを内の圧力を制御すると同時に可変送
泥水ポンプｇを制御している為、該ポンプｇは送泥水濃
度に関係なく運転される。

（ｉｉ）可変排泥水ポンプれは排泥水管内圧力検出器ｏ
により制御される為カッタチャンバを内の濃度、カッタ
ａの推進速度に関係なく運転される。

（ｉル 計量計ｉ、ｊ）濃度検出器に、１で検出された
計測値は単に土砂量を演算するためのものである。

（ｉｖ）可変排泥水ポンプれを濃度検出器１で制御する
方法もあるが、該方法も排泥水濃度に応じた排泥水を行
なつているにすぎない。

（ｖ）調節弁ｄ１可変送泥水ポンプｇはカッタ内泥水圧
力室ｃによつて制御される為ポンプｇの送泥水流量を増
加させればカッタ内泥水圧力室ｃで検出する圧力が上昇
し調整弁ｄを絞る。

従つて送泥水流量を思うように増加できず、カッタチャ
ンバ内ｂの圧力を制御することが困難である。又ポンプ
ｇは余分な動力を必要とする。（Ｖｉ）流量計１，ｊ１
濃度検出器Ｋ，ｌはシールド掘進機の近辺になく立坑の
近くにある為掘進距離が長くなるにつれて送、排泥水管
による時間的制御ロスが生じる。― 送泥水濃度検出器
ｋで検出した送泥水管ｅ内の濃度が変ればその都度可変
送泥水ポンプｇ１可変排泥水ポンプｈの送、排泥水流量
の設定値を手動にて再設定する必要がある。

等のことから理論掘削体積を排土するのではなく、経験
により適当な送泥水流量と排泥水流量を決めて掘削土を
排土するものである、つまり従来方式は経験と監視計器
により盲掘削をできる限り改善しているにすぎない。

従つて切羽の崩壊、地盤沈下等による不測の事態を避け
得なかつた。本発明は上述の不具合を是正するもので、
シールド掘進機掘削速度にカッタ掘削断面積を乗じて求
めた理論掘削土量と、送泥水の運搬する土量と排泥水の
運搬する土量との差とが一致する様、送排泥水の比重値
及び送排泥水中の土粒子の比重値に基き送泥水量及び排
泥水流量を調節し、且つ掘削時のカッタチャンバ内の圧
力に応じ送泥水流の一部を排泥水流に短絡せしめカッタ
チャンバ内の圧力調整を行うと共に短絡させた流量を検
出して前記排泥水流量と短絡流量とも加えたものに見合
う流量が排出される様排泥水ポンプを制御する掘削量制
御方法に係るものである。以下本発明の実施例を図面に
基き説明する。

第２図に於て１はシールド掘進機本体、２はシールド掘
進機本体１に回転可能に支持されたカッタ、３はシール
ド掘進機本体１を推進させる推進ジャッキ、３６は推進
ジャッキ３に関連し設けた推進速度検出器、４，５は坑
外に設置された送泥水貯留タンク、排泥水貯留タンクで
ある。カッタ２のカッタチャンバ６内には攪拌機３７が
設けられ又カッタチャンバ６と送泥水貯留タンク４、排
泥水貯留タンク５とは送泥水管７及び排泥水管８でそれ
ぞれ接続している。送泥水管７には送泥水ポンプ９、送
泥水遮断弁１０、送泥水遮断弁１０を挾んで２個の手動
仕切弁１１、途中に手動仕切弁１２を有し前記２個の手
動仕切弁１１を挾んで前記送泥水管７に接続されたバイ
パス管１３、該バイパス管１３の接続箇所よりカッタチ
ャンバ６よりに送泥水流量検出器１４、送泥水比重検出
器１５がそれぞれ設けられ、排泥水管８には排泥水ポン
プ１６、トンネル長に応じて適時追加するポンプ１７、
排泥水しや断弁１８、排泥水しや断弁１８を挾んで２個
の手動仕切弁１９、途中に手動仕切弁２０を有し前記２
個の手動仕切弁１９を挾んで前記排泥水管８に接続され
たバイパス管２１、該バイパス管２１の接続箇所よりカ
ッタチャンバ６よりに排泥水流量検出器２２、排泥水比
重検出器２３がそれぞれ設けられている。送泥水管７と
排泥水管８は、バイパス管１３，２１の接続箇所より貯
留タンク４，５側で連絡管２４，２５で連絡され、連絡
管２４には調節弁２６、流量計３３、調節弁２６を挾ん
で２個の手動仕切弁２７、が設けられ、又連絡管２５に
は遮断弁２８、遮断弁２８を挾んで２個の手動仕切弁２
９、手動仕切弁３４を有し前記２個の手動仕切弁２９の
更に外側に接続するバイパス管３０が設けられている。
又カッタチャンバ６内の泥水圧力を検知する為カッタ内
泥水圧力検出器３１を設け該圧力検出器３１と前記調節
弁２６とは制御ライン３２で結ばれている。手動仕切弁
１１，１９，２７，２９、を開け、手動仕切弁１２，２
０，３４を閉じた状態で、送泥水ポンプ９と排泥水ポン
プ１６とをそれぞれに直結した可変速電動機（図示せす
）で駆動し、又ポンプ１７を定速回転電動機（図示せず
）て駆動し泥水を循環させる。

図示しない駆動装置でカッタ２を回転させつつ、推進ジ
ャッキ３でカッタ２を推進させ地山３５を掘削する。掘
削された土砂はカッタチャンバ６内で送泥水貯留タンク
４から送泥水管７を経て送られた送泥水と攪拌機３７で
攪拌され混り合い、排泥水管８を経て排泥水貯留タンク
５に排出する。ここで送泥水遮断弁１０、・排泥水遮断
弁１８、遮断弁２８は掘削、非掘削の状態に応じて開閉
するもので、掘削時には送泥水遮断弁１０、排泥水遮断
弁１８は開、遮断弁２８は閉である。非掘削時には前記
状態の逆となり、泥水はカッタチャンバ６を経ずに送泥
水管７から連絡管２５を経排泥水管８に短絡する。調節
弁２６はカッタ内泥水圧力検出器３１からの信号を受け
流量を調整する機構を有しており、カッタチャンバ６内
の圧力に応じ送泥水管７を流れる送泥水の一部を排泥水
管８に排泥水として直接帰環させるものである。前記手
動仕切弁１１，１２，１９，２０，２７，２９，３４は
送泥水遮断弁１０、排泥水遮断弁１８、遮断弁２８が何
らかの原因で破損した場合、手動にて開閉させ前述の掘
削時、非掘削時に於ける泥水流状態となる様にするもの
である。

次に本装置の制御方法及び制御回路を第３図を参照しつ
つ説明する。本発明の制御方法は、掘削時に於けるシー
ルド掘進機１の推進する速度に基き、送泥水ポンプ９、
排泥水ポンプ１６を制御し理論掘削土量を排土するもの
である。

更に詳しく言えば地山の掘削土量は掘進機の推進する速
度で決定されるものである。従つて地山の抵抗の変化、
推進ジャッキ３の使用本数、シールド掘進機本体１を駆
動する駆動装置の負荷状態等の変化て掘進機本体１の推
進速度が変れば、掘削土量も時間的変化を生ずる。よつ
てこの変化する掘削土量の時間的変化を推進速度の変化
としてとらえることによりこの推進速度ｖ（ｔ）による
関数として送泥水ポンプ９、排泥水ポンプ１６を適宜制
御し、掘削土量に見合う排土を行ない地山崩壊を防止し
ながら地山を掘削するものてある。第３図に示す制御回
路４０の構成は大別すると地山地質調査データにより設
定値を与える設定．器、地山掘削土を排泥する為に適時
その状態を測定する検出器、入力となるデータ、前述の
器機の発生する信号及び入力データに基き適時演算する
演算器とその演算結果の出力を基に被制御体を制御する
制御器より構成されている。

４１は地山の湿潤密度設定器、４２は地山の含水比設定
器、４３は地山真比重設定器、４４は推進ジャッキ速度
設定器、４５はシールド掘進機掘削断面積定器、４６は
排泥水容積率設定器、４７は排泥水の粒子の真比重設定
器、４８は送泥水容一積率設定器、４９は送泥水の土粒
子の真比重設定器、５０，５１，５２は演算・指示調節
計、５３は送泥水容積率演算器、５４は地山土粒子の体
積率演算器、５５は理論掘削体積演算器、５６は排泥水
容積率演算器、５７は送泥水流量演算器、５８は排泥水
流量演算器、５９は加算器、６０は送泥水の土量演算器
、６１は排泥水の土量演算器、６２は掘削土量演算器、
６３は送泥水側可変速電動機コントローラ、６４は排泥
水側可変速電動機コントローラ、６５，６６，６７，６
８はコンパレータ、６９，７０は比較器、７１，７２は
切替スイッチである。

地山を掘削する場合あらかじめ地質調査によるポーリン
グデータを基に地山の湿潤密度設定器４１で地山の湿潤
密度ρＴＣＴ′イ〕、地山の含水比設定器４２で地山の
含水比Ｗ１地山土粒子の真比重設定器４３で地山土粒子
の真比重Ｇを設定する。

上記設定に基き地山土粒子の体積率演算器５４にて地山
の単位体積当りの土粒子の容積率Ｖｓ″を求めれば、こ
こでρ７は水の密度〔Ｔｌイ〕 となる。

送泥水比重値γＳｗｌｎを送泥水比重検出器１５で測定
し、送泥水の土粒子の真比重設定器４９で送泥水土粒子
真比重γＳｉｎを設定し、それぞれ送泥水容積率演算器
５３に入力すれば、送泥水の単位体積当りの土粒子の容
積率Ｖｓｉｎはで演算できる。

同様に排泥水比重検出器２３で測定した排泥水比重値γ
ＳｗＯｕｔと、排泥水の土粒子の真比重設定器４７で設
定した排泥水土粒子真比重γＳＯｕｔを排泥水容積率演
算器５６に入力すれば、排泥水単位体積当りの土粒子の
容積率ＶｓＯｕｔは＼′ＶｉＷＶＶ＆Ｖ Ａノ ′
＼１ＶＶ−Ｖ Ａノ ＸＶＳで演算できる
。

又理論掘削体積Ｖは推進ジャッキ３の推進速度ＶＣｍ，
Ｉｓ〕とシールド掘進機掘削断面積Δ〔イ〕が与えられ
れば、理論掘削体積演算器５５によりで求められる。

以上の演算結果を送泥水流量演算器５７に入力すれば、
送泥水流ヒ９１は流量演算甲５８により で演門できる。

一方送泥水流量は送泥水流量検出器１４で計測されｑ１
として又排泥水流量は排泥水流量検出器２２で計測され
Ｑ２として与えられるから、ｑ１、Ｑ２、Ｖｓｉｎ．．
ＶｓＯｕｔを、送泥水の土量演算器６０及び排泥水の土
量演算器６１に入力すれば、送泥水土量ＶＳｌ、排泥水
去量ＶＳ２はとなり、実掘削土量Ｖｓ″は掘削土量演算
器６２によりで求められる。

ここで土量の重量Ｗｓを出したい場合は排泥水土粒子真
比重γＳＯｕｔ及び水の密度Ｐ７を前記ＶＳ″に乗算し
てや晶！．， ．一，で重量が算出できる
。併せて必要な演算データ、計測データ等の記録は適宜
記録計を取付け記録できることはいうまでもない。前述
の掘削状態で送泥水流量検出器１牡送泥水比重検出器１
５、排泥水流量検出器２２、排泥水比重検出器２３、カ
ッタ内泥水圧力検出器３１及び制御回路４０を作動させ
る。

該状態に於て、シールド掘進機掘削断面積設定器４５の
設定信号、及び推進速度検出器３６で検出した速度信号
７６を理論掘削体積演算器５５に入力する。

送泥水の土粒子の真比重設定器４９の設定信号と、送泥
水比重検出器１５で検出した送泥水比重値を７７なる信
号で送泥水容積率演算器５３に入力する。地山の湿潤密
度設定器４１、地山の含水比設定器４２、地山の土粒子
の真比重設定器４３でそれぞれ設定した設定信号を地山
土粒子の体積率演算器５４に入力する。排泥水の土粒子
の真比重設定器４７で設定した設定信号と、送泥水比重
検出器２３で検出した排泥水比重値を７８なる信号て排
泥水容積率演算器５６に入力する。演算・指示調節計５
０，５１は切替スイッチ７１，７２がＨ側に切替えられ
ている時は送泥水容積率設定器４８、ジャッキ推進速度
設定器４４による設定信号で演算作動し該結果を送泥水
流量演算器５７に伝送し、Ａ側に切替えられている時は
送泥水容積率演算器５３からの信号及び理論掘削体積演
算器５５からの信号を優先し送泥水流量演算器５７に伝
送する。以下Ａ側に切替えられている場合について述べ
る。

演算・指示調節計５２は排泥水容積率設定器４６による
設定信号と排泥水容積率演算器５６の演算結果とを比較
演算し、その偏差分を出力とする。ここで排泥水容積率
設定器４６の設定は排泥水管８の管径、管内流速、土砂
の沈澱スピード等を総合的に考慮する。以上述べた演算
・指示調節計５０、地山土粒子の体積率演算器５牡理論
掘削体積演算器５５、演算・指示調節計５２の出力信号
は送泥水流量演算器５７に入力され、該演算結果はコン
パレータ６５，６６を通し送泥水側可変速電動機コント
ローラ６３に入力される。又送泥水流量演算器５７の演
算結果と、理論掘削体積演算器５５の演算結果は排泥水
流量演算器５８に入力され、該演算結果はコンパレータ
６７、加算器５９、コンパレータ６８を通し排泥水側可
変速電動機コントローラ６４に入力される。電動機コン
トローラ６３，６４に入力された信号は、可変速電動機
の制御信号となり送泥水ポンプ９の回転数Ｎ１、排泥水
ポンプの回転数Ｎ２を制御する。比較検出器６９，７０
はポンプ９，１６の制御信号をフィードバックし、コン
パレータ６６，６８により出力された信号と等価かどう
かをたえずコンパレータ６６，６８で比較させるための
ものである。もしコンパレータ６６，６８の信号に対し
ポンプの回転数Ｎｌ，Ｎ２がそれぞれ増減していれば、
その偏差分がコンパレータ６６，６８を通し再び電動機
コントローラ６３，６４に印加される。よつてポンプ９
，１６の回転数Ｎｌ，Ｎ２は常にコンパレータ６６，６
８の出力信号と等価な回転数となつてポンプ９，１６の
吐出泥水流量が制御される。又流量演算器５７，５８で
演算された送排泥水流量が実際に送泥水管７、排泥水管
８内の流量と等価であるかどうかをチェックする必要が
ある。

何故なら送泥水管７から連絡管２４、調節弁２６を通し
排泥水管８に短絡する流量Δｑがあるからである。この
短絡するΔｑは理論掘削体積Ｖに誤“差を生ぜしめる故
補正する必要がある。以下補正について説明する。送泥
水流量検出器１４で流量ｑ１を検出し、該検知信号７３
をコンパレータ６５へ入力し、コンパレータ６５におい
て送泥水流量演算器５７の演算結果と検知信号７３とを
比較する。この時偏差が生ずればコンパレータ６５によ
り該偏差分に見合つた信号を更にコンパレータ６６を通
し電動機コントローラ６３に入力しポンプの回転数Ｎ１
を変速する。又排泥水流量検出器２２で流量Ｑ２を検出
し、該検知信号７４をコンパレータ６７へ入力し、検知
信号７４と排泥水流量演算器５８の演算結果とをコンパ
レータ６７で比較し偏差があれば該偏差分の信号を加算
器５９、コンパレータ６８を通して電動機コントローラ
６４に入力する。更に短絡する流量Δｑを排出しなけれ
ばならないから、流量計３３で流量Δｑを計測し該検知
信号７５を加算器５９に入力しコンパレータ６８を通し
て電動機コントローラ６４に入力する。電動機コントロ
ーラ６４は入力された前記２つの補正入力より排泥水ポ
ンプ１６の回転数Ｎ２を変速する。ここで調節弁２６が
全閉の時は加算器５９は加算器として作動するがコンパ
レータ６７の出力信号はコンパレータ６８にそのまま伝
送されることはいうまでもない。又送泥水比重検出器１
５、送泥水比重検出器２３で検出した値、送泥水比重値
、排泥水比重値及び推進速度検出器３６で検出したジャ
ッキ推進速度が変化しても前述と同様の操作で理論掘削
体積を排土し得る。

更に送泥水流量検出器１牡排泥水流量検出器２２の計測
結果Ｑｌ，ｑ２をもとに送泥水の土量演算器６０、排泥
水の土量演算器６１及び掘削土量演算器６２より実掘削
土量Ｖｓ″が算出できる。尚前述の切替スイッチ７１，
７２をＨ側に切替れば手動にてシールド掘進機の制御系
を作動し得．る。

又本実施例ではポンプ９，１６を可変速電動機に直結し
て流量調整を行なつたが、ポンプ９，１６を定吐出ポン
プとし、それぞれの吐出側に調節弁３８，３９を設け、
調節弁３８にコンパレータ６５からの信号調節弁３９に
加算器５９からの．信号をそれぞれ入力し流量調整を行
なつても同様に制御し得ることはいうまでもない（第４
図参照）。以上の如く構成した本発明を泥水シールド掘
進機に採用すれば以下に記す種々の優れた効果を発揮し
得る。

（１）理論掘削土量を適時その時々の状態に応じ制御し
ながら排土でき、ずり取り込み量とずり排土量を等しく
することができるので、切羽の崩壊、流出、地盤沈下を
防止できる。

（１１）排泥水容積率の設定を行ない推進速度を入力す
るだけで系全体を自動制御できるので取扱いがたやすく
、人的誤操作がない。

（Ｉｉｉ）排泥密度に応じた制御を行つている為、後方
の処理プラントの土砂分離効率が良く送排泥水の為にポ
ンプは余分な動力を必要としないのでランニングコスト
が低下する。

（Ｉｖ）制御系の時間的遅れが非常に少なく従つて制御
系の応答性がよい。

（Ｖ）排土の管理が容易で能率的に行なえ、土砂搬送の
完全自動制御が可能である。

（ｖｌ） 従来流量と圧力を同一管路で制御していた為
流量の増減と圧力の増減の２要素を同時に満足させる制
御は非常に不安定であつたが、送泥水管あるいは排泥水
管の途中に切羽圧力制御用のバルブがなく、送泥水管と
排泥水管との間にバイパス（連絡）回路を設け制御して
いるので急激な負荷変動に対しても切羽への影響が非常
に少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のシールド掘進機の制御系の概略図、第２
図は本発明の実施例の概略図、第３図は本発明の実施例
に於ける制御回路図、第４図は本発明の他の実施例の部
分概略図を示す。 １はシールド掘進機本体、２はカッタ、３は推進ジャッ
キ、７は送泥水管、８は排泥水管、９は送泥水ポンプ、
１０は送泥水遮断弁、１４は送泥水流量検出器、１５は
送泥水比重検出器、１６は排泥水ポンプ、１８は排泥水
遮断弁、２２は排泥水流量検出器、２３は送泥水比重検
出器、２４，２５は連絡管、２６は調節弁、２８は遮断
弁、３１は泥水圧力検出器、３６は推進速度検出器、４
０は制御回路を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 泥水モールド掘進機に於て、シールド掘進機掘削速
   度にカッタ掘削断面積を乗じ求めた理論掘削土量と、送
   泥水の運搬する土量と排泥水の運搬する土量との差とが
   一致する様、送排泥水の比重値及び送排泥水中の土粒子
   比重値に基き送泥水流量及び排泥水流量を調節し、且つ
   掘削時のカッタチャンバ内の圧力に応じ送泥水流の一部
   を排泥水流に短絡せしめカッタチャンバ内の圧力調整を
   行うと共に短絡させた流量を検出して前記排泥水流量と
   短絡流量とを加えたものに見合う流量が排出される様排
   泥水ポンプを制御する掘削量制御方法。