(57)【要約】【課題】土圧式シールド工法において、チャンバー内の掘削土の塑性流動性を有効に把握し評価する。【解決手段】チャンバー内の複数個所に掘削土の土圧を計測するための土圧計を攪拌翼の通過軌跡の近傍位置にそれぞれ設置し、土圧計による計測値から攪拌翼が土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値を求めて、それら指標値に基づいてチャンバー内の複数個所における掘削土の塑性流動性を評価する。計測結果を波形データとして取り扱い、その変動状況に基づいて指標値を求める。指標値として偏差土圧及び／又はフーリエ振幅を用いる。評価結果を管理コンピュータのディスプレイに可視化表示する。土圧計の計測値から指標値を演算して塑性流動性を評価し表示するための管理手段としての管理コンピュータを具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削土をチャンバー内において攪拌翼により攪拌して塑性流動性を持たせ、該掘削土の土圧を切羽に作用させることによって切羽を安定化しつつ掘進を行う土圧式シールド工法に適用され、前記チャンバー内における前記掘削土の塑性流動性を評価するための方法であって、
前記チャンバー内の複数個所において前記掘削土の土圧を計測するための複数の土圧計を前記攪拌翼の通過軌跡の近傍位置にそれぞれ設置しておき、前記土圧計による計測値から前記攪拌翼が前記土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値をそれぞれ求めて、それら指標値に基づいて前記チャンバー内の複数個所における前記掘削土の塑性流動性を評価することを特徴とする土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法。
【請求項２】
前記土圧計による土圧の計測を所定のサンプリングタイムで刻々と実施して、その計測結果を波形データとして取り扱い、該波形データの変動状況に基づいて前記指標値を求めることを特徴とする請求項１記載の土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法。
【請求項３】
前記指標値として、前記波形データから排土および掘進の影響を排除して求めた偏差土圧、及び／又は、前記偏差土圧からフーリエ解析により求めたフーリエ振幅を用いることを特徴とする請求項２記載の土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法。
【請求項４】
前記チャンバー内における任意の位置における指標値を、前記土圧計の位置における前記指標値と、前記土圧計と前記任意の位置との間の距離に基づいて演算して推定値として求めて、該推定値に基づいて前記チャンバー内の全体における掘削土の塑性流動性を評価し、その結果を管理コンピュータのディスプレイに可視化表示することを特徴とする請求項３記載の土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法。
【請求項５】
掘削土をチャンバー内において攪拌翼により攪拌して塑性流動性を持たせ、該掘削土の土圧を切羽に作用させることによって切羽を安定化しつつ掘進を行う構成の土圧式シールド掘削機であって、
前記チャンバー内の複数個所において前記掘削土の土圧を計測するための複数の土圧計を前記攪拌翼の通過軌跡の近傍位置にそれぞれ設置し、前記土圧計による計測値から前記攪拌翼が前記土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値をそれぞれ求めるとともに、それら指標値に基づいて前記チャンバー内の複数個所における前記掘削土の塑性流動性を評価し表示するための管理手段を具備してなることを特徴とする土圧式シールド掘削機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は土圧式シールド工法に関わり、特に掘削時におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性を評価するための評価方法、およびその評価方法を実施するための土圧式シールド掘削機に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、土圧式シールド工法は、カッター装置の背後に掘削土を取り込むためのチャンバーを設けた土圧式シールド掘削機を用いて、チャンバー内に取り込んだ掘削土に対して加水ベントナイトや高分子材料等の薬液あるいは気泡等を添加して攪拌翼により攪拌することにより、掘削土に所定の塑性流動性を持たせてその土圧を切羽に作用させて切羽を安定に保持しつつ掘進を行うことを基本とする工法である。
【０００３】
このような土圧式シールド工法においては、掘削土による土圧を切羽の全面に対して均一かつ安定に作用させることが重要であるから、チャンバー内における掘削土の塑性流動性を適切に設定しかつ安定に維持する必要がある。そして、そのためには掘削土がチャンバー内全体において均一に塑性流動化しているかどうかを掘削中に逐次確認する必要があり、特許文献１にはそのための方法についての提案がある。
【０００４】
特許文献１に示される方法は、回転フラッパー式の測定装置をチャンバー内に突出させて設けてそれを掘削土中において回転させた際の回転トルクを測定することにより、測定装置が掘削土から受ける抵抗力に基づいて掘削土の塑性流動性（つまりは掘削土の硬軟の状況）を評価するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９１８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の方法では、掘削時におけるチャンバー内における掘削土の塑性流動性をリアルタイムで直接的に把握し管理できるものではあるが、測定装置が掘削土から常に抵抗を受けるために頻繁に故障し易いものであり、その点で実用的ではなく広く普及するに至っていない。
また、測定装置をチャンバー内に突出させて設ける必要があるからその設置位置が制約されるものであり、通常はカッター装置や攪拌翼の回転と干渉しないようにチャンバー内の最外周縁部の１個所に設置するしかなく、したがってチャンバー内全体の塑性流動性を広範囲にわたって把握することは困難である。
【０００７】
以上のように、現時点ではチャンバー内における掘削土の塑性流動性を精度良くしかも広範囲にわたって評価するための有効適切な手法は確立しておらず、それを可能とする有効適切な手段の開発が必要とされているのが実状である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑み、請求項１記載の発明は、掘削土をチャンバー内において攪拌翼により攪拌して塑性流動性を持たせ、該掘削土の土圧を切羽に作用させることによって切羽を安定化しつつ掘進を行う土圧式シールド工法に適用され、前記チャンバー内における前記掘削土の塑性流動性を評価するための土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法であって、前記チャンバー内の複数個所において前記掘削土の土圧を計測するための複数の土圧計を前記攪拌翼の通過軌跡の近傍位置にそれぞれ設置しておき、前記土圧計による計測値から前記攪拌翼が前記土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値をそれぞれ求めて、それら指標値に基づいて前記チャンバー内の複数個所における前記掘削土の塑性流動性を評価することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の評価方法であって、前記土圧計による土圧の計測を所定のサンプリングタイムで刻々と実施して、その計測結果を波形データとして取り扱い、該波形データの変動状況に基づいて前記指標値を求めることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の評価方法であって、前記指標値として、前記波形データから排土および掘進の影響を排除して求めた偏差土圧、及び／又は、前記偏差土圧からフーリエ解析により求めたフーリエ振幅を用いることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の評価方法であって、前記チャンバー内における任意の位置における指標値を、前記土圧計の位置における前記指標値と、前記土圧計と前記任意の位置との間の距離に基づいて演算して推定値として求めて、該推定値に基づいて前記チャンバー内の全体における掘削土の塑性流動性を評価し、その結果を管理コンピュータのディスプレイに可視化表示することを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、掘削土をチャンバー内において攪拌翼により攪拌して塑性流動性を持たせ、該掘削土の土圧を切羽に作用させることによって切羽を安定化しつつ掘進を行う構成の土圧式シールド掘削機であって、前記チャンバー内の複数個所において前記掘削土の土圧を計測するための複数の土圧計を前記攪拌翼の通過軌跡の近傍位置にそれぞれ設置し、前記土圧計による計測値から前記攪拌翼が前記土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値をそれぞれ求めるとともに、それら指標値に基づいて前記チャンバー内の複数個所における前記掘削土の塑性流動性を評価し表示するための管理手段を具備してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、攪拌翼が土圧計の近傍位置を通過する際における土圧の変動状態が掘削土の硬軟の状況をすなわち塑性流動性を反映することから、土圧計の計測値からその時点のその位置における掘削土の塑性流動性を有効に把握し評価することが可能である。
したがって本発明によれば、特許文献１に示される従来法による場合（チャンバー内に突出させた測定装置によって掘削土の塑性流動性を直接的に測定する場合）のように測定装置が頻繁に故障してしまう懸念はなく、またチャンバー内に複数の土圧計を支障なく設置することが可能であるから、チャンバー内全体の塑性流動性を広範囲にわたって把握し評価することが可能であり、それに基づき適切な施工管理を行いつつ掘削を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態を示すもので、（ａ）は本実施形態の土圧式シールド掘削機の先端部の概略構成を示す側面図、（ｂ）は正面図（（ａ）におけるｂ−ｂ線視断面図）、（ｃ）は土圧計と攪拌翼の位置関係を示すための要部拡大図である。
【図２】同、本発明の原理についての説明図であり、（ａ）は土圧計による計測値としての波形データを示す図、（ｂ）はその波形データからジャッキ推力と排土の影響を除外した偏差土圧を示す図である。
【図３】同、本発明における指標値を示すもので、（ａ）は偏差土圧を示す図、（ｂ）はフーリエ振幅を示す図である。
【図４】同、任意の点の指標値を推定するための演算手法についての説明図である。
【図５】同、管理コンピュータへの可視化表示パターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図５を参照して、本発明の土圧式シールド工法におけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法および土圧式シールド工法の実施形態について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の評価方法を適用するために用いる土圧式シールド掘削機の概略構成を示すものである。
これは、基本的には通常の土圧式シールド工法において用いる土圧式シールド掘削機と同様に、（ａ）に示すようにスキンプレート１の先端部を隔壁２により区画形成して掘削土を取り込むためのチャンバー３を設け、カッター装置４により切羽を掘削することで生じる掘削土をチャンバー３内に取り込み、チャンバー３内の掘削土に対して加水ベントナイトや高分子材料等の薬液あるいは気泡等を添加して攪拌することにより掘削土に所定の塑性流動性を持たせ、その土圧を切羽に作用させて切羽を安定化しつつ掘進を行うように構成したものである。
【００１６】
本実施形態では、チャンバー３内における掘削土の攪拌をカッター装置４の背部に設けた攪拌翼５により行うようにしており、かつ、その攪拌翼５の回転軌跡の近傍位置にチャンバー３内における掘削土の土圧を計測するための土圧計６を複数個所に設置しておいて、それら土圧計６による計測値に基づいて図示しない管理コンピュータ（管理手段）によってチャンバー３内における掘削土の塑性流動性を評価し表示しつつ掘削を行うようにしている。
【００１７】
すなわち、（ａ）に示すようにカッター装置４の背部の外周縁部には回転中心である軸芯を挟んで両側の位置にそれぞれ攪拌翼５（本実施形態ではそれらの２つの攪拌翼５の形状と設置位置が異なっているので、それらを区別する場合には一方を攪拌翼５ａ、他方を攪拌翼５ｂとする）がチャンバー３内に突出する状態で設けられ、カッター装置４の回転とともにそれら攪拌翼５がチャンバー３内において円形の回転軌跡を描いて移動することによりチャンバー３内の掘削土を攪拌するようになっている。
それら攪拌翼５の設置位置は、チャンバー３内の全体において掘削土に対する効率的な攪拌効果が得られるように任意に設定すれば良く、その限りにおいて双方の攪拌翼５の回転軌跡を合致させる（つまり軸芯から等距離の位置に設置する）ことでも良いが、それよりも双方の位置を半径方向に若干ずらした方が全体にわたって広範囲に攪拌することができるのでより好ましい。図示例では（ａ）に示すように一方の攪拌翼５ａよりも他方の攪拌翼５ｂをやや径方向外側に設置してある。
【００１８】
そして、（ａ）に示すように、上記のチャンバー３を区画形成している隔壁２には、チャンバー３内において攪拌される掘削土の土圧を計測するための複数の土圧計６がそれぞれ攪拌翼５の通過軌跡の近傍位置に対して設置されていて、カッター装置４の回転に伴ってその背部に設置されている攪拌翼５が（ｃ）に示すようにそれぞれの土圧計６の近傍を自ずと通過するようになっている。
図示例では、（ｂ）に示すように土圧計６の設置位置を、攪拌翼５の回転軌跡である仮想円を周方向にほぼ均等に６等分する位置としており、したがってチャンバー３内の頂部と底部および高さ方向の中間部にそれぞれ２個所ずつの計６個所に対して土圧計６が円形をなすようにほぼ等間隔で分散配置されている。
【００１９】
本実施形態では、それぞれの土圧計６によってチャンバー３内の掘削土の土圧を各点において計測し、それらの計測値から攪拌翼５がそれぞれの土圧計６の近傍位置を通過する際における土圧の変動状況の指標となる指標値をそれぞれ求め、それら指標値に基づいてチャンバー３内の全体における掘削土の塑性流動性を評価するものである。
特に本実施形態では、掘削時における土圧計６による土圧計測を所定のサンプリングタイム（たとえば0.25秒間隔）で刻々とほぼ連続的に実施してその計測結果を波形データとして取り扱い、その波形データの変動状況に基づいて指標値としての偏差土圧およびフーリエ振幅を求め、それら偏差土圧やフーリエ振幅に基づいて塑性流動性を評価することを主眼とし、そのための管理手段としての管理コンピュータ（図示略）を具備したものとなっている。
【００２０】
本発明の原理について図２〜図３を参照して説明する。
土圧計６により計測されるチャンバー３内全体の平均的な土圧は、掘進の際にはジャッキ推力の影響により大きく上昇するとともに、チャンバー３から排土がなされた際には大きく低下するので、上記のようにごく短いサンプリングタイムでほぼ連続的に計測することで得られる計測値は基本的には図２（ａ）に示すように全体として上昇と低下を繰り返すような波形を呈するものとなる。
【００２１】
そのような基本的な波形に対して、攪拌翼５が任意の土圧計６の近傍位置を通過した際には、攪拌翼５によって掘削土が直近の土圧計６に対して押圧される影響を受けてその土圧計６による計測値が一時的に僅かに上昇する。
その際の土圧の上昇の度合いは常に一定ではなく、土圧計６の近傍位置におけるその時点の掘削土の塑性流動性に応じて変動するものとなり、掘削土の塑性流動性が低い場合（掘削土が硬くて流動し難い場合）には計測値は顕著に上昇するが、塑性流動性が高い場合（掘削土が柔らかくて十分に流動する場合）には計測値はあまり上昇しないという相関関係にある。
【００２２】
そこで本発明はその際の上昇の度合いを精度良く把握するべく、まず図２（ａ）に示すような土圧計６の計測値としての波形データからジャッキ推力と排土の影響を排除して、（ｂ）に示すような偏差土圧のデータを求める（具体的には土圧計６の計測値から全土圧平均値を差し引けば良い）。
【００２３】
この偏差土圧のデータは、攪拌翼５が通過するたびにピークを生じるものとなり、そのピークの大きさと掘削土の硬軟との間には図３（ａ）に示すように明白な相関関係がある（上述したようにピークの値は掘削土が硬い場合ほど大きくなり、柔らかいほど小さくなる）から、この偏差土圧のデータにおけるピーク値を指標値として掘削土の硬軟つまりは塑性流動性を把握し評価することが可能である。
【００２４】
さらに、上記の偏差土圧のデータに対してさらにフーリエ解析を実施して、土圧変動の特性を周期と関連させて示すためのパワースペクトルを求め、そのパワースペクトルから図３（ｂ）に示すようなフーリエ振幅を求めれば、このフーリエ振幅のデータも攪拌翼５が通過する際に掘削土の硬軟に応じたピークが生じるものとなるから、このデータもチャンバー３内における掘削土の塑性流動性を反映した指標値とすることができ、これから塑性流動性を評価することができる。
【００２５】
したがって、本実施形態によれば、図３（ａ）に示す偏差土圧のデータ及び/又は図３（ｂ）に示すフーリエ振幅のデータを指標値として（換言すれば、偏差土圧とフーリエ振幅のいずれか一方または双方のデータを指標値として）、それら指標値としての偏差土圧やフーリエ振幅におけるピーク値と塑性流動性との定性的および定量的な関係を予め実験的にあるいは理論的に求めておけば、それらの指標値から掘削時におけるチャンバー３内のそれぞれの土圧計６の位置での掘削土の塑性流動性を管理コンピュータにより刻々と把握し評価することが可能であり、その結果を施工管理に有効に利用することが可能となる。
【００２６】
このような本実施形態の評価方法による場合には、土圧計をチャンバー３に面して設置するだけで良いから、特許文献１に示される従来法による場合のように測定装置が頻繁に故障してしまう懸念はないし、またチャンバー３内の所望位置に複数（多数）の土圧計６を支障なく設置することが可能であるから、チャンバー３内全体の塑性流動性を広範囲に評価することも可能であり、その点で従来法に比べて格段に有効である。
【００２７】
なお、本実施形態の評価方法によりチャンバー３内全体における掘削土の塑性流動性を評価するためには、土圧計６による土圧計測点を可及的に多く設定することが好ましいことは当然であるが、あまり多くの土圧計６を設置することは現実的ではないので、上記実施形態のように６個所程度とすることが現実的であるし、少なくとも４個所程度とすることでもチャンバー３内全体の塑性流動性を実用的な程度で把握し評価することが可能である。
また、本実施形態では攪拌翼５が通過する際の土圧変動を検出することを基本とすることから、土圧計６の設置位置は可及的に攪拌翼５の通過位置の近傍とすることが好ましいことが当然ではあるが、攪拌翼５が通過する際の土圧変動を有意に検出し得る位置であれば土圧計６の設置位置は厳密に規定する必要はない。
いずれにしても、土圧計６によるデータのサンプリングタイムは、実質的に連続的な波形データを得るようにごく短くする（たとえば上記実施形態のように0.25秒間隔程度とする）ことが好ましいが、施工管理上において必要なデータを採取し得る限りにおいて任意に設定すれば良い。
【００２８】
さらに、チャンバー３内全体における塑性流動性をより直観的に把握し評価するためには、土圧計６の設置位置における指標値に基づいて任意の位置における指標値を以下の手法により推定することにより、土圧計６の設置位置のみならずチャンバー３内全体での塑性流動性を推定し評価することが好ましい。
【００２９】
すなわち、本実施形態においては、図４に示すように、チャンバー３内における任意の点Ｐにおける指標値の推定値Ｖｐを、土圧計６の計測値に基づいて実際に演算した各点における指標値Ｖ１〜Ｖ６と、土圧計６の設置位置と任意の点Ｐとの間の距離Ｌ１〜Ｌ６に基づいて、（１）式により演算することで求めることができる。
（１）式における係数α1〜α6は、任意の点Ｐに対する土圧計６の位置における指標値Ｖ１〜Ｖ６からの影響度を示す重み付けの係数であり、これらの係数α1〜α6はそれぞれ（２）式で求められる。（２）式における指数ｎはｎ＝１とすれば良いが、距離による影響をより重視する場合にはｎ＝２あるいはｎ＝３とすることでも良い。
【００３０】
そして、上記の点Ｐをチャンバー３内の全体にわたって多数個所に設定してそれら各点での指標値を推定値Ｖｐとしてそれぞれ求め（そのためには各点の位置（座標）に対応するＬ１〜Ｌ６の値をパラメータとして（２）式および（１）式による演算を繰り返せば良い）、その結果を管理コンピュータのディスプレイに刻々と可視化表示することにより、作業員がディスプレイを目視監視することでチャンバー３内全体の塑性流動状態を直観的にかつ容易に評価することが可能となり、それに基づいて適切な施工管理を行うことが可能となる。
その場合のディスプレイでの可視化表示の形式は任意であるが、たとえば図５に示すようにチャンバー３を示す領域を塑性流動性に応じて色別表示したり濃淡を分けて表示することが考えられる。具体的には、たとえば掘削土が過度に硬い領域を赤く表示し、過度に柔らかい領域を青く表示し、適切な領域を白く表示したり、あるいは塑性流動性が悪い領域ほど濃く良い領域ほど薄く表示するようなことも考えられる。
【００３１】
以上で本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の評価方法の具体的な手法、たとえば土圧計の計測値から指標値を演算するための具体的な演算手法や、指標値に基づいて塑性流動性を評価し表示するための具体的な評価手法や表示手法、また本発明の評価方法を実施するために用いる土圧式シールド掘削機の各部の具体的な構成については、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の設計的変更や応用が可能であることは当然である。
【符号の説明】
【００３２】
１  スキンプレート
２  隔壁
３  チャンバー
４  カッター装置
５  攪拌翼
６  土圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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