(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種の掘進機による地山の掘削に際し、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力が作用する掘進機の各部に設置され、掘進機の各部に作用する土水圧力及びせん断力を測定する土水圧力・せん断力測定センサであって、
先端に開口を有する略筒状のケースと、
前記ケースの開口面内に配置され、前記土水圧力及びせん断力を受ける受圧部と、
前記ケース内に設置されて前記受圧部を支持し、前記受圧部が前記土水圧力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ前記受圧部が前記せん断力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、前記土水圧力による歪み量及び前記せん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部と、
を備え、
地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力を同時に測定する、
ことを特徴とする土水圧力・せん断力測定センサ。
【請求項２】
ケースは、先端に受圧部を配置可能な開口を有し、後端に感度部のための取付基部を有する有底円筒状のケース本体と、前記ケース本体の周面の後端又は先端に前記ケース本体の軸方向に対して略直角に外側に向けて張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴を有する取付フランジとからなる請求項１に記載の土水圧力・せん断力測定センサ。
【請求項３】
受圧部は、前記ケース内で前記感度部の先端に取り付けられる円形の支持板と、前記支持板に取り付けられ、前記ケースの開口面内に配置される円形の受圧板とからなる請求項１又は２に記載の土水圧力・せん断力測定センサ。
【請求項４】
感度部は、受圧部を先端に支持し、前記受圧部が土水圧力を受けてその土水圧力に応じて歪み変形し、前記受圧部がせん断力を受けてそのせん断力に応じて歪み変形する起歪体と、前記起歪体の歪みの発生位置に貼着され、前記受圧部の受ける土水圧力を測定する土水圧力用歪みゲージ及び前記受圧部の受けるせん断力を測定するせん断力用歪みゲージとを有する請求項１乃至３のいずれかに記載の土水圧力・せん断力測定センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のシールド工法に使用する各種のシールド掘進機や各種の推進工法に使用する各種の掘進器のカッターヘッドの面盤（チャンバー側の面、地山側の面）、カッタースポーク（チャンバー側の面、地山側の面、側面）、チャンバーのバルクヘッド（隔壁）、バルクヘッドに配設されるスクリューコンベア、カッターヘッドの背面に配設される撹拌翼やバルクヘッドに配設される固定翼などに設置され、カッターヘッドを回転し地山を掘削するときの地山とカッターヘッドとの間の土水圧力、せん断力の測定、地山を掘削する間の掘削土砂や泥土がチャンバーやスクリューコンベアに及ぼす土水圧力、せん断力の測定など、土中の土砂その他の流体から受ける土水圧力及びせん断力の測定に使用する土水圧力・せん断力測定センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者らは、先の出願（特許文献１）において、シールド掘進機を使用して掘削する地山の土砂の性質について、砂質土、砂礫は、粘着性がないが、土粒子のかみ合わせ効果やダイレイタンシーがあり、これがカッターの回転、土砂撹拌時の抵抗となり、粘性土は土粒子のかみ合わせ効果は少ないものの、粘着性、つまり土粒子間の吸着、土粒子とカッターや隔壁との吸着があり、これがカッターの回転、土砂撹拌時の抵抗となり、これらの抵抗の大きさは一般に土砂の硬軟によって異なることに着目し、これらの大きさを隔壁やカッタースポーク、又は撹拌翼、固定翼に設置するせん断力計により測定し、その測定値の大小によって土砂の性状を評価する方法を提案した。
【０００３】
また、本願発明者らは、今般、先の出願（特許文献１）に関連して、土圧式シールド掘進機、泥土圧式シールド掘進機などの土圧系シールド掘進機を使用するシールド工法、土圧式掘進機、泥土圧式掘進機などの土圧系掘進機を使用する推進工法など、各種の掘削工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法において、掘進路線上で土被り圧や地下水圧が変化したり、地表やトンネル直上に重量物が存在したりして、掘進路線上で地山の土圧や水圧が変化する場合でも、同一路線内でチャンバー内の掘削土砂の性状を相対的に評価判定すること、併せて土圧式シールド掘進機、泥土圧式シールド掘進機などの土圧系シールド掘進機、泥水式シールド掘進機を使用するシールド工法、土圧式掘進機、泥土圧式掘進機などの土圧系掘進機、泥水式掘進機を使用する推進工法など、各種の掘削工法に用いるカッターヘッド前方の切羽の土質評価判定方法において、カッターヘッド前方の地山の土質を相対的に評価判定することを目的として、新たに、各種の掘削工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法、及びカッターヘッド前方の切羽の土質評価判定方法（特許文献２）を提案した。
【０００４】
これらの方法では、カッターヘッドにより地山を掘削するときの地山とカッターヘッドとの間の土水圧力やせん断力を測定したり、カッターヘッドで地山を掘削する間、掘削土砂や泥土がチャンバーやスクリューコンベアに及ぼす土水圧力やせん断力を測定したりするため、多くの土圧計とせん断力計が、地山の掘削に使用する各種のシールド掘進機のカッターヘッドの面盤（チャンバー側の面、地山側の面）、カッタースポーク（チャンバー側の面、地山側の面、側面）、チャンバーのバルクヘッド（隔壁）、バルクヘッドに配設されるスクリューコンベア、カッターヘッドの背面に配設される撹拌翼やバルクヘッドに配設される固定翼などに、個別の配置により又は略同一位置になるように設置されて、これらの土圧計、せん断力計により、カッターヘッドやチャンバー内の各部に作用する土水圧力、せん断力を測定する。
したがって、これらの方法には、多くの土圧計とせん断力計が必要となる。
なお、これらの土圧計、せん断力計は汎用品である。土圧計は、土圧（圧力）を検知する略平板形状の計測機材で、片側一方の面が圧力を受け反応（受圧）する受圧面になっている。せん断力計はせん断力を感知する略平板形状の計測機材で、片側一方の面が圧力を受け反応（感知）する受感面になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１４−  ９５１９２
【特許文献２】特願２０１５−２３１６４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えば特許文献２の掘削土砂の性状評価判定方法のように、掘削土砂による圧力及びせん断力が作用するチャンバー内の各部に、土圧計及びせん断力計を略同一の位置となるように近接して配置し、各部の土圧計及びせん断力計により得た両者の値を用いて、チャンバー内の掘削土砂の性状を評価する方法では、チャンバー内に相当数の土圧計、せん断力計を配置する必要があり、中小口径のシールド掘進機の場合、チャンバーを構成するバルクヘッドに土圧計及びせん断力計を設置可能な不可動部分が少なく、また、カッターヘッドを構成するカッタースポークの大きさに制限があり、土圧計及びせん断力計の設置個所や設置空間が少なく、また、実際には、土圧計及びせん断力計の両方を略同一の位置に設置できないことが多い、という問題がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、各種のシールド工法に使用する中小口径以上の各種のシールド掘進機や各種の推進工法に使用する各種の掘進器のカッターヘッドの面盤、カッタースポーク、チャンバーのバルクヘッド、バルクヘッドに配設されるスクリューコンベア、カッターヘッドの背面に配設される撹拌翼やバルクヘッドに配設される固定翼など、２種類の測定器（土圧計やせん断力計）では略同一の位置になるように設置することが困難な狭隘な設置個所や空間にも設置可能で、全体として多くの設置個所や空間に設置して、各設置個所において、１台のセンサで土水圧力とせん断力とを同時に測定することのできる土水圧力・せん断力測定センサを提供すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、各種の掘進機による地山の掘削に際し、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力が作用する掘進機の各部に設置され、掘進機の各部に作用する土水圧力及びせん断力を測定する土水圧力・せん断力測定センサであって、
先端に開口を有する略筒状のケースと、
前記ケースの開口面内に配置され、前記土水圧力及びせん断力を受ける受圧部と、
前記ケース内に設置されて前記受圧部を支持し、前記受圧部が前記土水圧力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ前記受圧部が前記せん断力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、前記土水圧力による歪み量及び前記せん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部と、
を備え、
地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力を同時に測定する、
ことを要旨とする。
また、この土水圧力・せん断力測定センサは、次のように具体化される。
（１）ケースは、先端に受圧部を配置可能な開口を有し、後端に感度部のための取付基部を有する有底円筒状のケース本体と、前記ケース本体の周面の後端又は先端に前記ケース本体の軸方向に対して略直角に外側に向けて張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴を有する取付フランジとからなる。
（２）受圧部は、前記ケース内で前記感度部の先端に取り付けられる円形の支持板と、前記支持板に取り付けられ、前記ケースの開口面内に配置される円形の受圧板とからなる。
（３）感度部は、受圧部を先端に支持し、前記受圧部が土水圧力を受けてその土水圧力に応じて歪み変形し、前記受圧部がせん断力を受けてそのせん断力に応じて歪み変形する起歪体と、前記起歪体の歪みの発生位置に貼着され、前記受圧部の受ける土水圧力を測定する土水圧力測定用歪みゲージ及び前記受圧部の受けるせん断力を測定するせん断力測定用歪みゲージとを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の土水圧力・せん断力測定センサによれば、上記の構成により、このセンサ１台で、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力を同時に測定するようにしたので、各種のシールド工法に使用する中小口径以上の各種のシールド掘進機や各種の推進工法に使用する各種の推進器のカッターヘッドの面盤、カッタースポーク、チャンバーのバルクヘッド、バルクヘッドに配設されるスクリューコンベア、カッターヘッドの背面に配設される撹拌翼やバルクヘッドに配設される固定翼など、２種類の測定器（土圧計やせん断力計）では略同一の位置になるように設置することが困難な狭隘な設置個所や空間にも設置可能で、全体として多くの設置個所や空間に設置して、土水圧力とせん断力とを同時に測定することができる、という本発明独自の格別な効果を奏する。
また、本発明の土水圧力・せん断力測定センサを、本願発明者らが今般出願した特許文献２の各種の掘削工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法、及びカッターヘッド前方の切羽の土質評価判定方法に用いることにより、その効果を確実に実現することができ、その実用性は大きい、という本発明独自の格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態における土水圧力・せん断力測定センサ（Ａ型）の構成を示す図（（ａ）は側面断面図（ｂ）は正面断面図）
【図２】本発明の一実施の形態における土水圧力・せん断力測定センサ（Ｂ型）の構成を示す図（（ａ）は側面断面図（ｂ）は正面断面図）
【図３】（ａ）同各センサの特に土水圧力測定用歪みゲージにより構成された土水圧力測定用ブリッジ回路の構成を示す図（ｂ）同各センサの特にせん断力測定用歪みゲージにより構成されたせん断力測定用ブリッジ回路の構成を示す図
【図４】同各センサの掘進機の各部における取付例、及びその作用を示す図
【図５】同各センサを用いたチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法を示す図
【図６】同各センサを用いた同性状評価判定方法の効果を説明するための図で、縦軸にせん断力Ｓ（せん断応力τ）、横軸に直力Ｎ（直応力σ）をとったMohrの応力場を表す図（砂質土の場合）
【図７】同各センサを用いた同性状評価判定方法の効果を説明するための図で、縦軸にせん断力Ｓ（せん断応力τ）、横軸に直力Ｎ（直応力σ）をとったMohrの応力場を表す図（粘性土の場合）
【図８】同各センサを用いたカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。
図１、図２に土水圧力・せん断力測定センサを示している。
図１、図２に示すように、この土水圧力・せん断力測定センサＭ（以下、単にセンサＭという。）は、各種の掘進機による地山の掘削に際し、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力が作用する掘進機の各部に設置され、掘進機の各部に作用する土水圧力及びせん断力を測定するもので、先端に開口３０を有する略筒状のケース３と、ケース３の開口３０面内に配置され、土水圧力及びせん断力を受ける受圧部４と、ケース３内に設置されて受圧部４を支持し、受圧部４が土水圧力を受けて受圧部４をケース３の軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ受圧部４がせん断力を受けて受圧部４をケース３の軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、土水圧力による歪み量及びせん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部５とを備えて構成される。
また、このセンサＭは、基本的に、掘進機の各部において埋め込み設置され、また、掘進機の各部によって設置形式が異なり、２種類の設置形式があるため、Ａ型、Ｂ型の２種類のセンサＭ（Ａ）、（Ｂ）がある。これらセンサＭ（Ａ）、（Ｂ）はケース３（３Ａ、３Ｂ）の形状のみが若干異なる。
【００１２】
Ａ型のセンサＭ（Ａ）のケース３Ａは、図１に示すように、先端に受圧部４を配置可能な開口３０を有し、後端に感度部５のための取付基部３３を有する有底円筒状のケース本体３１と、ケース本体３１の周面の後端にケース本体３１の軸方向に対して略直角に外側に向けて円形に張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴３４ａを有する取付フランジ３２ａとからなる。
このケース３Ａの場合、ケース本体３１の外周面の先端に浅い溝３１０ａが全周に形成され、この溝３１０ａに断面Ｌ字形の円形のリング部材からなる土砂浸入防止リング３１１ａがケース本体３１の外周面に一体的に環装されて、この土砂浸入防止リング３１１ａによりケース本体３１の先端開口３０と受圧部４との間の隙間が覆われ、この隙間から土砂が侵入するのを防止する。ケース本体３１の後端は底部として塞がれていて、その内側の面の中央に感度部５のための取付基部３３が形成される。取付基部３３は感度部５の基端面の大きさより大きい円形の凹状に形成され、その中心から半径方向所定の位置に複数のねじ挿通部３３１が穿たれる。また、この取付基部３３とは反対側の外側の面にはその中央に取付基部３３よりも大きい円形の浅い凹部３６を形成され、凹部３６の中心と外周との間に円形の凸状部３７が突設されるとともに、この凸状部３７の外側で凹部３６の外周近傍の所定の位置に複数のねじ孔３８が形成され、さらに、この凸状部３７と各ねじ孔３８との間に円周方向に幅狭の浅い溝３９を形成されて、測定ケーブルチャンバー６のための取付部３５が設けられる。なお、この取付フランジ３２の取付基部３３と取付部３５との間には貫通穴（図示省略）が形成され、この貫通穴に感度部５の電気信号を外部に導出するための端子部（図示省略）が併せて設けられる。この取付部３５に取り付けられる測定ケーブルチャンバー６は全体が略ハット形に形成され、一端が肉厚で、その中心にケーブル挿通部６０を有する円筒部６１と、この円筒部６１の他端に外周方向に向けて円形に張り出され、その外周近傍の所定の位置に複数のねじ挿通部６３を有する取付フランジ６２とからなる。この測定ケーブルチャンバー６はケーブル挿通部６０に測定ケーブル７をグランドパッキン６４を介して挿通され、取付部３５の溝３９に防水Ｏリング６５が嵌着されて、円筒部６１の他端が取付部３５の凸状部３７の外周面に嵌合されるとともに、取付フランジ６２が取付部３５の凹部３６に嵌め込まれ、取付ねじ６６を測定ケーブルチャンバー６の取付フランジ６２のねじ挿通部６３を通し取付部３５のねじ孔３８に締結して、チャンバー６内部を水密に密閉して取り付けられる。なお、この測定ケーブルチャンバー６に通された測定ケーブル７は取付基部３３と取付部３５との間に設けられる端子部に電気的に接続される。また、このケース３Ａの取付フランジ３２ａの各取付穴３４ａは全体が同径の円筒形で、取付ねじのねじ部のみが挿通可能になっている。なお、この取付穴３４ａは、取付ねじのねじ部が挿通可能な小径のねじ挿通部と取付ねじの頭部が嵌合可能な大径の頭部嵌合部とからなり、取付ねじを取付フランジ３２ａの後面と面一に埋め込む形式としてもよい。
Ｂ型のセンサＭ（Ｂ）のケース３Ｂは、図２に示すように、先端に受圧部４を配置可能な開口３０を有し、後端に感度部５のための取付基部３３を有する有底円筒状のケース本体３１と、ケース本体３１の周面の先端にケース本体３１の軸方向に対して略直角に外側に向けて円形に張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴３４ｂを有する取付フランジ３２ｂとからなる。
このケース３Ｂの場合、ケース本体３１先端の開口３０縁部全周に浅い溝３１０ｂが円周方向に形成され、この溝３１０ｂに平坦形の円形のリング部材からなる土砂浸入防止リング３１１ｂがケース本体３１の開口３０縁部に一体的に環装されて、この土砂浸入防止リング３１１ｂによりケース本体３１の先端開口３０と受圧部４との間の隙間が覆われ、この隙間から土砂が侵入するのを防止する。ケース本体３１の後端は、Ａ型のケース３Ａと同様で、底部として塞がれ、その内側の面に感度部５のための取付基部３３が形成され、外側の面に取付部３５が設けられ、取付部３５に測定ケーブルチャンバー６が取り付けられる（図１参照）。また、このケース３Ｂの取付フランジ３２ｂの各取付穴３４ｂは、取付ねじのねじ部が挿通可能な小径のねじ挿通部と取付ねじの頭部が嵌合可能な大径の頭部嵌合部とからなり、取付ねじを取付フランジ３２ｂの前面と面一に埋め込む形式になっている。
【００１３】
受圧部４は、図１、図２に示すように、ケース３内で感度部５の先端に取り付けられる円形の支持板４２と、支持板４２に取り付けられ、ケース３の開口３０面内に配置される円形の受圧板４１とからなる。
この受圧部４の場合、支持板４２はケース本体３１内に嵌合可能にケース本体３１の内径と略同じ又は僅かに小さい外径を有する円形の板からなり、その片側一方の面はフラットで、片側他方の面は中央に円形の凹部４２０を形成されて、その底部の直径上の位置に複数のねじ挿通孔４２１が片側一方の面に貫通して穿たれ、この凹部４２０の外側に周方向に等間隔に複数のねじ孔４２２が形成され、さらに、外周面には軸方向中間部に幅狭の浅い溝４２３が全周に亘って形成され、この溝４２３に防水Ｏリング４２４が嵌着される。受圧板４１は支持板４２と同様にケース本体３１の先端開口３０内に嵌合可能に開口３０の内径と略同じ又は僅かに小さい外径を有する円形の板からなり、その片側一方の面の中央には支持板４２の凹部４２０に対して奥側に所定のスペースを残して嵌入可能に円形の凸部４１１が形成されるとともに、この凸部４１１の外周に幅狭の浅い溝４１２が全周に亘って形成され、さらに、外周部には支持板４２の各ねじ孔４２２に連通可能に周方向に等間隔に複数のねじ挿通孔４１３が形成される。受圧部４はこのような構成からなり、支持板４２が片側一方の面を後述する感度部５の先端に向けて感度部５に複数の取付ねじ４３を介して取り付けられた後、受圧板４１が支持板４２の片側他方の面に複数の取付ねじ４４を介して取り付けられる。この点は後述する。
【００１４】
感度部５は、図１、図２に示すように、受圧部４を先端に支持し、受圧部４が土水圧力を受けてその土水圧力に応じて歪み変形し、受圧部４がせん断力を受けてそのせん断力に応じて歪み変形する起歪体５１と、起歪体５１の歪みの発生位置に貼着され、受圧部４の受ける土水圧力を測定する土水圧力測定用歪みゲージ５２及び受圧部４の受けるせん断力を測定するせん断力測定用歪みゲージ５３とを有する。
この感度部５の場合、平行板ばね型のロードセルが採用され、起歪体５１はニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などからなる弾性体の長方形のブロックで上下に薄肉の歪み部を有し、土水圧力測定用、せん断力測定用の各歪みゲージ５２、５３は起歪体５１の上下の各面において幅方向中央を境に対称的な配置で、土水圧力測定用の歪みゲージ５２が起歪体５１の上下の歪み部にそれぞれ２箇所ずつ合計４か所に貼着され、せん断力測定用の歪みゲージ５３が起歪体５１の上下の歪み部にそれぞれ２箇所ずつ合計４か所に貼着される。そして、これら４つの土水圧力測定用歪みゲージ５２、せん断力測定用の歪みゲージ５３はそれぞれ、図３（ａ）、（ｂ）にＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で示すように、ブリッジ回路に接続されて、土水圧力測定用ブリッジ回路５２Ｃ、せん断力測定用ブリッジ回路５３Ｃが構成され、これらのブリッジ回路５２Ｃ、５３Ｃの入力端及び出力端がそれぞれ、ケース３の取付フランジ３２に設けられる端子部に電気的に接続されて、各ブリッジ回路５２Ｃ、５３Ｃから得られる電気信号が測定ケーブル７により外部に導出される。
また、この感度部５の場合、起歪体５１の先端部に受圧部４の支持板４２の各ねじ挿通孔４２１に連通可能に複数のねじ孔５１１が形成され、起歪体５１の基端部にケース３の取付フランジ３２の各ねじ挿通部３３１に連通可能に複数のねじ孔５１２が形成される。このようにして感度部５は起歪体５１の基端部が取付フランジ３２の内面の取付基部３３に当接して設置された状態で、取付ねじ５４を取付フランジ３２の外側から各ねじ挿通部３３１に通し、感度部５（起歪体５１）の基端部の各ねじ孔５１２に締結して固定される。そして、ケース３に固定された感度部５（起歪体５１）の先端部に支持板４２が取り付けられて、この支持板４２に受圧板４１が取り付けられる。この場合、支持板４２は片側一方の面を感度部５に向けてケース３内に挿入され、支持板４２の中央が感度部５の先端に当接されて、この状態で取付ねじ４３を支持板４２の各ねじ挿通孔４２１を通し感度部５先端の各ねじ孔５１１に締結して固定される。そして、受圧板４１は片側一方の面の凸部４１１外周の溝４１２に防水Ｏリング４１４を嵌着され、この凸部４１１が支持板４２の凹部４２０に嵌合されて、受圧板４１の片側一方の面と支持板４２の片側他方の面が面接触され、この状態で取付ねじ４４を受圧板４２の外周部の各ねじ挿通孔４１３に通し、支持板４２の外周部の各ねじ孔４２２に締結して固定される。なお、これにより、ケース３内部はケース３と支持板４２との間の防水Ｏリング４２４により、支持板４２と受圧板４１との間が防水Ｏリング４１４により水密に密閉される。
【００１５】
このようにしてセンサＭは、各種の掘進機の各部に、取付フランジ３２を取付ねじにより固定することにより設置され、各部においてこのセンサ１台で、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力を同時に測定できるようになっている。
図４に掘進機の各部取付部におけるセンサＭ（Ａ）、（Ｂ）の取付例、及びその作用を例示している。図４に示すように、掘削機の各部には、センサＭ（Ａ）、（Ｂ）を埋め込み設置するため、取付部が形成されるが、各部によって取付部の形態が少し異なり、Ａ型、Ｂ型の２種類の取付部が設けられる。Ａ型の取付部Ｐ１はセンサＭ（Ａ）の取付フランジ３２ａを除くケース本体３１のみを嵌挿可能に全体が同径の穴のみからなり、その挿入側の開口周囲に複数のねじ孔が形成される。Ｂ型の取付部Ｐ２はセンサＭ（Ｂ）のケース本体３１を取付フランジ３２ｂとともに嵌挿可能な小径の穴と大径の穴とからなり、大径の穴内で小径の穴の周囲に複数のねじ孔が形成される。例えば、センサＭをチャンバー１２のバルクヘッド１２１の内面などに取り付ける場合は、Ａ型のケース３ＡのセンサＭ（Ａ）が使用され、バルクヘッド１２１の内面にＡ型の取付部Ｐ１が形成されて、このセンサＭ（Ａ）のケース本体３１がバルクヘッド１２１のＡ型の取付部Ｐ１に後方から嵌挿され、取付フランジ３２ａがバルクヘッド１２１の外面に当接されて、複数の取付ねじが取付フランジ３２ａの各取付穴３４ａに挿通され、バルクヘッド１２１のねじ孔に締結されて固定される。これにより、センサＭ（Ａ）はバルクヘッド１２１の内面に埋め込まれ、先端の受圧部４がバルクヘッド１２１の内面に沿って表出される。また、センサＭをバルクヘッド１２１に突設される固定翼１３２の先端などに取り付ける場合は、Ｂ型のケース３ＢのセンサＭ（Ｂ）が使用され、固定翼１３２の先端にＢ型の取付部Ｐ２が形成されて、このセンサＭ（Ｂ）のケース本体３１が取付フランジ３２ｂとともに固定翼１３２のＢ型の取付部Ｐ２に前方から嵌挿され、取付フランジ３２ｂが取付部Ｐ２の小径の穴の周囲に当接されて、複数の取付ねじが取付フランジ３２ｂの各取付穴３４ｂに挿通され、固定翼１３２のねじ孔に締結されて固定される。これにより、センサＭ（Ｂ）は固定翼１３２の先端面に埋め込まれ、先端の受圧部４が固定翼１３２の先端面に沿って表出される。
このようにして掘進機の各部に埋設された各センサＭは、受圧部４が土水圧力（受圧部４の受圧面に対して略垂直の圧力）を受けると、（図１、図２参照）受圧部４が感度部５の起歪体５１の歪み変形によりケース３の開口３０面内の定位置からケース３の基端側に後退し、このときの起歪体５１の歪み量が土水圧力測定用の４つの歪みゲージ５２の抵抗変化により電気信号として測定される。なお、受圧部４は土水圧力を受けない状態では、起歪体５１の弾性復帰により受圧部４がケース３の開口３０面内の定位置に戻される。
また、受圧部４がせん断力（受圧部４の受圧面に対して略平行の力）を受けると、（図１、図２参照）受圧部４が感度部５の起歪体５１の歪み変形によりケース３の開口３０面内で揺動し、このときの起歪体５１の歪み量がせん断力測定用の４つの歪みゲージ５３の抵抗変化により電気信号として測定される。なお、受圧部４はせん断力を受けない状態では、起歪体５１の弾性復帰により受圧部４がケース３の開口３０面内の定位置に戻される。そして、これらの電気信号は測定ケーブル７により外部に出力され、測定ケーブル７に接続された図示されない表示器などに表示される。
【００１６】
したがって、このセンサＭによれば、このセンサ１台で、地山の切羽又は掘削土砂による土水圧力及びせん断力を同時に測定するようにしたので、各種のシールド工法に使用する中小口径以上の各種のシールド掘進機や各種の推進工法に使用する各種の推進器の各部で、２種類の測定器（土圧計やせん断力計）では略同一の位置になるように設置することが困難な狭隘な設置個所や空間にも設置可能で、全体として多くの設置個所や空間に設置して、土水圧力とせん断力とを同時に測定することができる。
【００１７】
図５にこのセンサＭの使用例を示している。これは、本願発明者が先に提案した方法をこのセンサＭを用いて実施するものである。
図５に示すように、先端にカッターヘッド１１を有し、カッターヘッド１１の後部にチャンバー１２を備える泥土圧式シールド掘進機１（以下、単に掘進機１という。）を使用して行う泥土圧式シールド工法では、カッターヘッド１１前方の地山の掘削面である切羽Ｇを掘削し、掘削した土砂をチャンバー１２に取り込み、加泥材を注入して、カッターヘッド１１並びにチャンバー１２内に配置される撹拌翼１３１、固定翼１３２により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有する泥土に変換し、この泥土をチャンバー１２内とチャンバー１２から後方に延びるスクリューコンベア１４などからなる排土装置内に充満させ、この状態を維持しながらシールドジャッキ１５の推力によりチャンバー１２内の泥土に泥土圧を発生させて、この土砂の土圧を切羽に作用させることにより切羽Ｇの土圧と地下水圧に対抗して、切羽Ｇを安定化させ、掘進機１をその推進量と排土量のバランスを図りながら地山を掘進することが行われる。
このような泥土圧式シールド工法においては、切羽Ｇの安定を適切に保つために、チャンバー１２内の掘削土砂を良好に塑性流動化する必要があり、このため、チャンバー１２内掘削土砂の性状の適切な評価が重要となる。
そして、このチャンバー１２内の掘削土砂の性状評価判定方法では、掘削土砂による圧力及びせん断力が作用するチャンバー１２内の各部に、複数の土水圧力・せん断力測定センサＭ（以下、単にセンサＭという。）をそれぞれの受圧面を基本的にチャンバー１２の内側に向けて取り付け、チャンバー１２内の各部に作用する土水圧力及びせん断力をセンサＭにより測定し、チャンバー１２内の各部におけるせん断力の値を土水圧力の値で除して得た数値によって、チャンバー１２内の掘削土砂の性状を評価判定する。
【００１８】
この評価判定方法においては、特にチャンバー１２内のセンサＭの配置位置として、チャンバー１２の内面、撹拌翼１３１の表面、固定翼１３２の表面、アジテータの表面（不図示）、カッターヘッド１１のチャンバー１２に対向する背面にそれぞれ、センサＭを設置して、泥土がチャンバー１２の内面、撹拌翼１３１の表面、固定翼１３２の表面、アジテータの表面、カッターヘッド１１の背面に作用する圧力及びせん断力を計測する。
この場合、チャンバー１２の内面はチャンバー１２の底となるバルクヘッド（隔壁）１２１、及びチャンバー１２の内周面となるシールドスキンプレート１０の前端部側内周面であり、このチャンバー１２に設置するセンサＭは、センサＭの受圧面がチャンバー１２のバルクヘッド１２１とシールドスキンプレート１０の前端部側内周面に略同一面となるように、チャンバー１２のバルクヘッド１２１とシールドスキンプレート１０の前端部側内周面の適宜の計測位置に埋め込み設置する。
撹拌翼１３１の表面は、カッターヘッド（カッタースポーク）１１の背面に突設されてチャンバー１２に向けて延び、カッターヘッド１１とともに回転される撹拌翼１３１の周面であり、固定翼１３２の表面は、チャンバー１２のバルクヘッド１２１に固定されてシールドスキンプレート１０の前端部に向けて延びる固定翼１３２の周面であり、この撹拌翼１３１、固定翼１３２に設置するセンサＭは、センサＭの受圧面をカッターヘッド１１の回転方向に対して略直交する方向に向けて、すなわちセンサＭの受圧面がチャンバー１２内の掘削土砂の流れに略対向するように、又はカッターヘッド１１の回転方向と略平行にして、すなわちセンサＭの受圧面がチャンバー１２内の掘削土砂の流れに略沿うように設置する。
なお、この場合、カッターヘッド１１は正転方向又は逆転方向に回転可能になっているので、いずれの方向の回転に対しても撹拌翼１３１、固定翼１３２のセンサが掘削土砂に反応できるように、２方向のセンサＭを設置してもよい。また、この場合、センサＭはその受圧面をシールド掘進機１の軸芯に向けて設置してもよく、シールド掘進機１の周面（シールドスキンプレート１０の内周面）に向けて設置してもよく、さらに、２方向のセンサＭを設置してもよい。また、センサＭはその受圧面をシールド掘進機１の後方、すなわちチャンバー１２のバルクヘッド１２１に向けて設置してもよく、シールド掘進機１の前方、すなわちカッターヘッド１１の背面に向けて設置してもよく、さらに、その２方向のセンサＭを設置してもよい。また、センサＭは上記各種の設置形式を組み合せて設置してもよい。さらに、このセンサＭは撹拌翼１３１、固定翼１３２の先端に設置されてもよく、この場合、受圧面をカッターヘッド１１の回転方向と略平行に向ければよい。
アジテータについては特に図示していないが、アジテータの表面に設置するセンサはその受圧面をアジテータの回転方向に対して略直交する方向に向けて又は略平行に設置する。
なお、この場合、アジテータは正転方向又は逆転方向に回転可能になっているので、いずれの方向の回転に対してもアジテータのセンサが掘削土砂に反応できるように、２方向のセンサＭを設置してもよい。
カッターヘッド（カッタースポーク）１１の背面に設置するセンサＭはその受圧面をカッターヘッド１１の回転方向に対して略直交する方向に向けて又は略平行に設置する。
なお、この場合、カッターヘッド１１は正転方向又は逆転方向に回転可能になっているので、いずれの方向の回転に対してもカッターヘッド１１のセンサが掘削土砂に反応できるように、２方向のセンサＭを設置してもよい。
【００１９】
このようにしてこのチャンバー１２内の掘削土砂の性状評価判定方法では、掘進機１のカッターヘッド１１で掘削した土砂をカッターヘッド１１後部に設けたチャンバー１２に取り込み、加泥材を注入して、チャンバー１２内の撹拌翼１３１、固定翼１３２、アジテータにより撹拌混合する間、この撹拌混合時の土砂の流動により、チャンバー１２を構成するバルクヘッド１２１及びシールドスキンプレート１０の内面、撹拌翼１３１及び固定翼１３２の表面、アジテータの表面、カッターヘッド１１の背面にそれぞれ圧力、せん断力が発生し、その大きさは一般に土砂の硬軟によって異なるので、その大きさを各センサＭにより測定し、これにより得たせん断力の値を土水圧力の値で除した数値（「せん断力／土水圧力」で算出される掘削土砂とバルクヘッド１２１などチャンバー１２内の各部との摩擦係数に相当）の大きさ（大小）で、掘削土砂の性状を評価する。このようにせん断力の値を土水圧力の値で除して無次元化することで、土被り圧や地下水圧、さらに重量物などによる土圧の変化に影響されることなしに、チャンバー１２内の掘削土砂の性状を相対評価することが可能となる。
図６，図７は縦軸にせん断力Ｓ（せん断応力τ）、横軸に直力Ｎ（直応力σ）をとったMohrの応力場を表す。せん断力計（センサＭ）はＳ1，Ｓ2，Ｓ3を測定するものであり、土圧計（センサＭ）は測定される土水圧に当該受圧面積を乗ずることで直力Ｎを算出するものである。直力Ｎの大きさは土被り圧や地下水圧、さらに重量物などによって変化する。
図６は砂質土の場合で、状態(1)はある粘着力Ｃ（一般にはほとんど0に近い）と内部摩擦角φ1を有する原地盤の状態とする。これに加泥材を添加し撹拌すると、砂粒子のかみ合わせの抵抗が減少し、状態(2)（内部摩擦角φ2）、または状態(3)（内部摩擦角φ3）の性状となる（φ1>φ2>φ3）。
一方，理論上ある直力場Ｎ（直応力場σ）において、状態(1),(2),(3)でそれぞれせん断力Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3（またはせん断応力τ1，τ2，τ3）が表される（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3は状態(1),(2),(3)を表す直線と直応力場Ｎを通り縦軸に並行な直線との交点をも表す）。また、せん断力／土水圧力は，ある直力場Ｎ（直応力場σ）において、状態(1),(2),(3)に応じてＳ1/Ｎ，Ｓ2/Ｎ，Ｓ3/Ｎを表すもので、これは原点ＯとそれぞれＳ1，Ｓ2，Ｓ3を結ぶ直線の勾配を表す（Ｓ1/Ｎ>Ｓ2/Ｎ>Ｓ3/Ｎ）。
すなわち，Ｓ1/Ｎ，Ｓ2/Ｎ，Ｓ3/Ｎを算出評価することは状態(1),(2),(3)の内部摩擦角φ1，φ2，φ3を評価することと同値であるので、掘削土砂の性状を相対評価できると言える。
図７は粘性土の場合で、状態(1)はある内部摩擦角φ（一般にはほとんど0に近い）と粘着力Ｃ1を有する原地盤の状態とする。これに加泥材を添加し撹拌すると、土粒子間の分子間力が減少し、状態(2)（粘着力Ｃ2），または状態(3)（粘着力Ｃ3）の性状となる（Ｃ1>Ｃ2>Ｃ3）。
一方，理論上ある直力場Ｎ（直応力場σ）において，状態(1),(2),(3)でそれぞれせん断力Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3（またはせん断応力τ1，τ2，τ3）が表される（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3は状態(1),(2),(3)を表す直線と直応力場Ｎを通り縦軸に並行な直線との交点をも表す）。また、せん断力／土水圧力は、ある直力場Ｎ（直応力場σ）において、状態(1),(2),(3)に応じてＳ1/Ｎ，Ｓ2/Ｎ，Ｓ3/Ｎを表すもので、これは原点ＯとそれぞれＳ1，Ｓ2，Ｓ3を結ぶ直線の勾配を表す（Ｓ1/Ｎ>Ｓ2/Ｎ>Ｓ3/Ｎ）。
すなわち，Ｓ1/Ｎ，Ｓ2/Ｎ，Ｓ3/Ｎを算出評価することは状態(1),(2),(3)の粘着力Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3を評価することと同値であるので，掘削土砂の性状を相対評価できると言える。
【００２０】
そして、チャンバー１２内の各部において得られた土水圧力、せん断力、せん断力／土水圧力の各値を、カッターヘッド１１の回転角度に基づくチャンバー１２内のセンサＭの位置とともに、一般のＰＣ（パーソナルコンピュータ）で既存のソフトウェアを用いてデータ処理し、その結果をＰＣのディスプレイ上にコンター図化して表すことにより、チャンバー１２内の掘削土の性状を可視化することが可能である。
【００２１】
以上説明したように、このセンサＭは、中小口径に限らず大口径の泥土圧式シールド掘進機１のチャンバー１２に装備される土圧計及びせん断力計に代えて用いることができ、全体として少ないセンサ数で、チャンバー１２内の掘削土砂の性状を評価判定することができる。また、このセンサＭは、中小口径に限らず大口径の泥土圧式シールド掘進機１のチャンバー１２内に装備される土圧計及びせん断力計に代えて用いることにより、従来と同一のセンサ数でより多くの測定値を得ることができ、チャンバー１２内の掘削土砂の性状をより高精度に評価することができる。
そして、このセンサＭを用いたチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法によれば、掘削土砂による圧力及びせん断力が作用するチャンバー１２内の各部に、複数のセンサＭを設置し、チャンバー１２内の各部に作用する圧力及びせん断力をセンサＭにより同時に測定し、チャンバー１２内の各部におけるせん断力の値を土水圧力の値で除して得た数値（「せん断力／土水圧力」で算出される掘削土砂とバルクヘッド１２１などチャンバー１２内の各部との摩擦係数に相当）の大きさ（大小）によって、チャンバー１２内の掘削土砂の性状を評価判定するようにしたので、掘進路線上で土被り圧や地下水圧が変化したり、地表やトンネル直上に重量物が存在したりして、掘進路線上で地山の土圧や水圧が変化する場合でも、同一路線内でチャンバー１２内の掘削土砂の性状を相対的に評価判定することができる。
また、この場合、チャンバー１２内の各部において得られた土水圧力、せん断力、せん断力／土水圧力の各値を、カッターヘッド１１の回転角度に基づくチャンバー１２内のセンサＭの位置とともに、コンター図にして表すことで、チャンバー１２内の掘削土砂の性状を可視化して容易に確認することができる。
【００２２】
なお、この実施の形態では、泥土圧式シールド掘進機を使用する泥土圧式シールド工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法について例示したが、土圧式シールド掘進機を使用する土圧式シールド工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法にも同様に適用することができ、この場合でも、上記実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００２３】
さらに、この実施の形態で例示した泥土圧式シールド工法に用いるチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法は、土圧式シールド掘進機を使用する土圧式シールド工法、泥土圧式シールド掘進機を使用する泥土圧式シールド工法、泥水式シールド掘進機を使用する泥水式シールド工法において、カッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法にも利用することができる。
【００２４】
次に、これらの工法のうち、泥水式シールド掘進機を使用する泥水式シールド工法に用いるカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法について、図８を用いて説明する。
【００２５】
図８に示すように、先端にカッターヘッド２１を有し、カッターヘッド２１の後部にチャンバー２２を備える泥水式シールド掘進機２（以下、単に掘進機２という。）を使用して行う泥水式シールド工法に用いるカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法では、カッターヘッド２１でカッターヘッド２１前方の地山の掘削面である切羽Ｇを掘削するとともに、チャンバー２２に泥水を供給して切羽Ｇに泥水を送り加圧することにより切羽Ｇを安定化させ、地山を掘進することが行われる。
そして、このカッターヘッド２１の地山切羽の土質評価判定方法では、地山の切羽Ｇによる圧力及びせん断力が作用するカッターヘッド２１の各部に、複数のセンサＭをそれぞれの受圧面を基本的に地山の切羽に向けて取り付け、カッターヘッド２１の各部に作用する圧力及びせん断力をセンサにより測定し、カッターヘッド２１の各部におけるせん断力の値を土水圧力の値で除して得た数値によって、カッターヘッド２１前方の切羽Ｇの土質を評価判定する。
【００２６】
この評価判定方法においては、特にカッターヘッド２１におけるセンサＭの配置位置として、カッターヘッド２１の面盤２１１の最外周部、コピーカッター２１２の先端などから適宜選定する。
【００２７】
このようにしてこのカッターヘッド２１前方の地山切羽の土質評価判定方法では、掘進機２の掘進停止中に、カッターヘッド２１を１回転以上回転させ、同時に、センサＭで土水圧力及びせん断力を測定し、これにより得たせん断力の値を土水圧力の値で除した数値（「せん断力／土水圧力」で算出される切羽Ｇ外周とカッターヘッド２１の面盤２１１の最外周部、コピーカッター２１２の先端との摩擦係数に相当）の大きさ（大小）で、地山切羽Ｇの土質を評価判定する。このようにせん断力の値を土水圧力の値で除して無次元化することで、土被り圧や地下水圧、さらに重量物などによる土圧の変化に影響されることなしに、カッターヘッド２１前方の地山切羽Ｇの土質を相対評価することが可能となる。
そして、カッターヘッド２１の各部において得られた土水圧力、せん断力、せん断力／土水圧力の各値を、カッターヘッド２１の回転角度に基づくカッターヘッド２１各部のセンサＭの位置とともに、一般のＰＣ（パーソナルコンピュータ）で既存のソフトウェアを用いてデータ処理し、その結果をＰＣのディスプレイ上にコンター図化して表すことにより、カッターヘッド２１前方の地山切羽Ｇの土質を可視化することが可能である。
【００２８】
以上説明したように、このセンサＭは、泥水式シールド掘進機２において、カッターヘッド２１の各部、例えば側面などの狭隘な場所にでも設置することができ、カッターヘッド２１回転時の地山の抵抗を測定することができる。
そして、このセンサＭを用いたカッターヘッド２１前方の地山切羽の土質評価判定方法によれば、地山の切羽Ｇによる圧力及びせん断力が作用するカッターヘッド２１の各部に、複数のセンサＭを設置し、掘進停止中にカッターヘッド２１を１回転以上回転して、カッターヘッド２１の各部に作用する圧力及びせん断力をセンサＭにより測定し、カッターヘッド２１の各部におけるせん断力の値を土水圧力の値で除して得た数値（「せん断力／土水圧力」で算出される切羽Ｇとカッターヘッド２１の各部との摩擦係数に相当）の大きさ（大小）によって、カッターヘッド２１前方の切羽Ｇの土質を評価判定するようにしたので、カッターヘッド２１前方の地山Ｇの土質を相対的に評価判定することができる。
また、この場合、カッターヘッド２１の各部において得られた土水圧力、せん断力、せん断力／土水圧力の各値を、カッターヘッド２１の回転角度に基づくカッターヘッド２１の各部のセンサＭの位置とともに、コンター図にして表すことで、地山の切羽Ｇの土質を可視化して容易に確認することができる。
【００２９】
なお、この実施の形態では、泥水式シールド掘進機を使用する泥水式シールド工法に用いるカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法について例示したが、土圧式シールド掘進機を使用する土圧式シールド工法や泥土圧式シールド掘進機を使用する泥土圧式シールド工法に用いるカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法にも同様に適用することができ、この場合でも、上記実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  泥土圧式シールド掘進機
１０  シールドスキンプレート
１１  カッターヘッド
１１０  カッターモーター
１２  チャンバー
１２１  バルクヘッド（隔壁）
１３１  撹拌翼
１３２  固定翼
１４  スクリューコンベア（排土装置）
１５  シールドジャッキ
Ｇ  切羽（地山）
Ｔ  土槽
Ｓ  地盤
２  泥水式シールド掘進機
２１  カッターヘッド
２１１  面盤
２１２  コピーカッター
２２  チャンバー
２６  土圧計
２７  せん断力計
Ｇ  切羽（地山）
Ｍ（Ａ）、（Ｂ）  土水圧力・せん断力測定センサ
３（３Ａ、３Ｂ）  ケース
３０  開口
３１  ケース本体
３１０ａ、３１０ｂ  溝
３１１ａ、３１１ｂ  土砂浸入防止リング
３２ａ、３２ｂ  取付フランジ
３３  取付基部
３３１  ねじ挿通部
３４ａ、３４ｂ  取付穴
３５  取付部
３６  凹部
３７  凸状部
３８  ねじ孔
３９  溝
４  受圧部
４１  受圧板
４１１  凸部
４１２  溝
４１３  ねじ挿通孔
４１４  防水Ｏリング
４２  支持板
４２０  凹部
４２１  ねじ挿通孔
４２２  ねじ孔
４２３  溝
４２４  防水Ｏリング
４３  取付ねじ
４４  取付ねじ
５  感度部
５１  起歪体
５１１  ねじ孔
５１２  ねじ孔
５２  土水圧力測定用歪みゲージ
５２Ｃ  土水圧力測定用ブリッジ回路
５３  せん断力測定用歪みゲージ
５３Ｃ  せん断力測定用ブリッジ回路
５４  取付ねじ
６  測定ケーブルチャンバー
６０  ケーブル挿通部
６１  円筒部
６２  取付フランジ
６３  ねじ挿通部
６４  グランドパッキン
６５  防水Ｏリング
６６  取付ねじ
７  測定ケーブル
Ｐ１  Ａ型の取付部
Ｐ２  Ｂ型の取付部
【図１】
0006590368.tif 000002
【図２】
0006590368.tif 000003
【図３】
0006590368.tif 000004
【図４】
0006590368.tif 000005
【図５】
0006590368.tif 000006
【図６】
0006590368.tif 000007
【図７】
0006590368.tif 000008
【図８】
0006590368.tif 000009