(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削し掘削土砂を前記チャンバーに取り込み、前記チャンバー内で撹拌混合して、当該土砂の土圧を切羽に作用させることにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の土圧式、泥土圧式の各掘進機を含む土圧系掘進機を使用する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であって、
掘削土砂による圧力及びせん断力が作用する前記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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、
前記チャンバー内の各部に作用する圧力及びせん断力を前記チャンバー内の各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記チャンバー内の各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記チャンバー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、前記チャンバー内の掘削土砂の性状を評価判定する、
ことを特徴とする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。
【請求項２】
チャンバー内における土圧計及びせん断力計、又はセンサの配置位置は、前記チャンバーをなすバルクヘッド及びスキンプレートの内面、撹拌翼の表面、固定翼の表面、アジテータの表面、前記カッターヘッドの前記チャンバーに対向する背面から適宜選定する請求項１に記載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。
【請求項３】
チャンバー内の各部において得られた土水圧力、せん断力、前記せん断力／前記土水圧力の各値を、カッターヘッドの回転角度に基づく前記チャンバー内の土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、コンター図にして表す請求項１又は２に記載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。
【請求項４】
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削するとともに、前記チャンバーに泥水を供給して切羽に泥水を送り加圧することにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の泥水式掘進機を使用する各種の掘削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あって、
地山の切羽による圧力及びせん断力が作用する前記カッターヘッドの各部に、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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、
前記カッターヘッドの各部に作用する圧力及びせん断力を前記カッターヘッドの各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記カッターヘッドの各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記カッターヘッド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、前記カッターヘッド前方の切羽の土質を評価判定する、
ことを特徴とする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。
【請求項５】
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削し掘削土砂を前記チャンバーに取り込み、前記チャンバー内で撹拌混合して、当該土砂の土圧を切羽に作用させることにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の土圧式、泥土圧式の各掘進機を含む土圧系掘進機を使用する各種の掘削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あって、
地山の切羽による圧力及びせん断力が作用する前記カッターヘッドの各部に、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、又は土水圧力とせん断力とを
同時に測定可能なセンサを配置して、
前記カッターヘッドの各部に作用する圧力及びせん断力を前記カッターヘッドの各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記カッターヘッドの各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記カッターヘッド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、前記カッターヘッド前方の切羽の土質を評価判定する、
ことを特徴とする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。
【請求項６】
カッターヘッドにおける土圧計及びせん断力計、又はセンサの配置位置は、カッタスポークの前面、面盤の表面、コピーカッターの先端から適宜選定する請求項４又は５に記載の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。
【請求項７】
カッターヘッドの各部において得られた土水圧力、せん断力、前記せん断力／前記土水圧力の各値を、カッターヘッドの回転角度に基づく前記チャンバー内の土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、コンター図にして表す請求項４乃至６のいずれかに記載の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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、及び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】
その他、この種の評価方法で土圧計を用いるものとして、例えば次のような文献（非特許文献（１）−（３））が公開されている。
（１）チャンバー内掘削土の塑性流動性評価と可視化ツールの開発  土木学会トンネル工学報告集，vol.22,pp.309-315,2012年11月  杉山博一ほか
（２）撹拌条件を考慮したチャンバー内塑性流動性評価方法（その１）  中谷篤史ほか
（３）撹拌条件を考慮したチャンバー内塑性流動性評価方法（その２）  杉山博一ほか
上記（２）、（３）はいずれも土木学会第７０回年次学術講演会  平成２７年９月
これらの報文では、土圧系シールドのチャンバー内塑性流動化の評価として、カッター側に付いている撹拌翼が隔壁に設置した土圧計の近傍を通過する際の土圧の変化、すなわち土圧計と撹拌翼の離隔や撹拌翼の通過速度に対する土圧の変化に着目し、土圧の大きさや振幅と対象土質の硬軟で塑性流動性を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１４−９５１９２号
【非特許文献１】杉山博一ほか  チャンバー内掘削土の塑性流動性評価と可視化ツールの開発  土木学会トンネル工学報告集  vol.22,pp.309-315  2012年11月
【非特許文献２】撹拌条件を考慮したチャンバー内塑性流動性評価方法（その１）中  谷篤史ほか
【非特許文献３】撹拌条件を考慮したチャンバー内塑性流動性評価方法（その２）杉  山博一ほか
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の土圧式シールド工法に用いるチャンバー内掘削土の性状測定評価方法では、例えば土被り圧や地下水圧が略一定の場合には、特許文献１に示すせん断力のみの相対変化でチャンバー内の掘削土砂の性状を評価することができるものの、実際のシールド工事においては、シールド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するなど、シールド路線上で地山の土圧や水圧が変化する場合があり、このような場合、測定されるせん断力が土砂の性状によって変化するだけでなく、土砂の性状が同じでも、チャンバー内の圧力の状態によって値が変化する可能性があり、この場合、土砂性状の適正な評価を阻害する恐れがある、という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題を解決するもので、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、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削し掘削土砂を前記チャンバーに取り込み、前記チャンバー内で撹拌混合して、当該土砂の土圧を切羽に作用させることにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の土圧式、泥土圧式の各掘進機を含む土圧系掘進機を使用する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であって、
掘削土砂による圧力及びせん断力が作用する前記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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、
前記チャンバー内の各部に作用する圧力及びせん断力を前記チャンバー内の各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記チャンバー内の各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記チャンバー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、前記チャンバー内の掘削土砂の性状を評価判定する、
ことを要旨とする。
また、このチャンバー内の掘削土砂の性状評価判定方法は、次のように具体化される。
（１）チャンバー内における土圧計及びせん断力計、又はセンサの配置位置は、前記チャンバーをなすバルクヘッド及びスキンプレートの内面、撹拌翼の表面、固定翼の表面、アジテータの表面、前記カッターヘッドの前記チャンバーに対向する背面から適宜選定する。
（２）チャンバー内の各部において得られた土水圧力、せん断力、前記せん断力／前記土水圧力の各値を、カッターヘッドの回転角度に基づく前記チャンバー内の土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、コンター図にして表す。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明は、
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削するとともに、前記チャンバーに泥水を供給して切羽に泥水を送り加圧することにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の泥水式掘進機を使用する各種の掘削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あって、
地山の切羽による圧力及びせん断力が作用する前記カッターヘッドの各部に、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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、
前記カッターヘッドの各部に作用する圧力及びせん断力を前記カッターヘッドの各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記カッターヘッドの各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記カッターヘッド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、前記カッターヘッド前方の切羽の土質を評価判定する、
ことを要旨とする。
さらに、上記目的を達成するために、本発明は、
先端にカッターヘッドを有し、前記カッターヘッドの後部にチャンバーを備え、前記カッターヘッドで前記カッターヘッド前方の地山の掘削面である切羽を掘削し掘削土砂を前記チャンバーに取り込み、前記チャンバー内で撹拌混合して、当該土砂の土圧を切羽に作用させることにより切羽を安定化させ、地山を掘進する形式の土圧式、泥土圧式の各掘進機を含む土圧系掘進機を使用する各種の掘削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あって、
地山の切羽による圧力及びせん断力が作用する前記カッターヘッドの各部に、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、又は土水圧力とせん断力とを
同時に測定可能なセンサを配置して、
前記カッターヘッドの各部に作用する圧力及びせん断力を前記カッターヘッドの各部に配置された略同一の位置の前記土圧計及び前記せん断力計、又は前記カッターヘッドの各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な前記センサにより測定し、
前記カッターヘッド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、前記カッターヘッド前方の切羽の土質を評価判定する、
ことを要旨とする。
また、これらカッターヘッド前方の地山切羽の土質評価判定方法は、次のように具体化される。
（１）カッターヘッドにおける土圧計及びせん断力計、又はセンサの配置位置は、カッタスポークの前面、面盤の表面、コピーカッターの先端から適宜選定する。
（２）カッターヘッドの各部において得られた土水圧力、せん断力、前記せん断力／前記土水圧力の各値を、カッターヘッドの回転角度に基づく前記カッターヘッドの土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、コンター図にして表す。
【発明の効果】
【０００９】
（１）本発明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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、チャンバー内の各部に作用する圧力及びせん断力をチャンバー内の各部に配置された略同一の位置の土圧計及びせん断力計、又はチャンバー内の各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサにより測定し、チャンバー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、という本発明独自の格別な効果を奏する。
この場合、チャンバー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、カッターヘッドの回転角度に基づくチャンバー内の土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、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、という利点を有する。
（２）本発明の各種の掘削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よれば、地山の切羽による圧力及びせん断力が作用するカッターヘッドの各部に、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、又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置して、カッターヘッドの各部に作用する圧力及びせん断力をカッターヘッドの各部に配置された略同一の位置の土圧計及びせん断力計、又はカッターヘッドの各部に配置された土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサにより測定し、カッターヘッド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、カッターヘッド前方の切羽の土質を評価判定するようにしたので、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ができる、という本発明独自の格別な効果を奏する。
この場合、カッターヘッド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、カッターヘッドの回転角度に基づくカッターヘッドの土圧計及びせん断力計、又はセンサの位置とともに、コンター図にして表すことで、地山の切羽の土質を可視化して容易に確認することができる、という利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態による泥土圧式シールド工法に用いるチャンバー内掘削土砂の性状評価判定方法を示す図
【図２】同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３】同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４】同方法に関する実験に用いる掘進機の要部の構成を示す図
【図５】同方法に関する実験の概要を示す図
【図６】同方法に関する実験のケースを示す図
【図７】同方法に関する実験の結果を示す図
【図８】本発明の一実施の形態によ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に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を示している。
【００１２】
図１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、土圧計１６及びせん断力計１７を略同一の位置となるように近接配置し、それぞれの受圧面、受感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圧力及びせん断力を土圧計１６及びせん断力計１７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。
なお、ここで土圧計１６は、チャンバー１２内の各部で発生する土圧（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１７はチャンバー１２内の各部、各部材と掘削土砂との間で発生する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。
【００１３】
この評価判定方法においては、特にチャンバー１２内の土圧計１６及びせん断力計１７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、土圧計１６及びせん断力計１７を略同一の位置となるように近接して設置して、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に設置する土圧計１６及びせん断力計１７は、土圧計１６の受圧面、せん断力計１７の受感面がチャンバー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に設置する土圧計１６及びせん断力計１７は、土圧計１６の受圧面、せん断力計１７の受感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、すなわち土圧計１６の受圧面、せん断力計１７の受感面がチャンバー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、すなわち土圧計１６の受圧面、せん断力計１７の受感面がチャンバー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の土圧計１６、せん断力計１７が掘削土砂に反応できるように、２方向の土圧計１６、せん断力計１７を設置してもよい。また、この場合、土圧計１６、せん断力計１７はその受圧面、受感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方向の土圧計１６、せん断力計１７を設置してもよい。また、土圧計１６、せん断力計１７はその受圧面、受感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方向の土圧計１６、せん断力計１７を設置してもよい。また、土圧計１６、せん断力計１７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、この土圧計１６、せん断力計１７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、受感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土圧計、せん断力計はその受圧面、受感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土圧計、せん断力計が掘削土砂に反応できるように、２方向の土圧計、せん断力計を設置してもよい。
カッターヘッド（カッタースポーク）１１の背面に設置する土圧計１６、せん断力計１７はその受圧面、受感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の土圧計１６、せん断力計１７が掘削土砂に反応できるように、２方向の土圧計１６、せん断力計１７を設置してもよい。
【００１４】
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、その大きさを各土圧計１６及び各せん断力計１７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などチャンバー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２，図３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１７はＳ1，Ｓ2，Ｓ3を測定するものであり、土圧計１６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２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を通り縦軸に平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３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を通り縦軸に平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。
【００１５】
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内の土圧計１６及びせん断力計１７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。
【００１６】
本願発明者らはこの性状評価判定方法に関する実験を行った。この実験では、実際の工事に供した直径２ｍ級の泥土圧式シールド掘進機を利用し、図４に示すように、チャンバー１２のバルクヘッド１２１に土圧計１６とせん断計１７とを略同一の位置となるように取り付け、図５に示すように、土槽Ｔ内に砂質土又は粘性土の地盤Ｓを作製して、この地盤Ｓに掘進機１を掘進させた。そして、その土圧、せん断力を測定し、せん断力／土水圧力の評価を試みた。
実験のケースは、図６に示すとおり、合計８ケースで、砂質土では、加泥材の種類、撹拌機構（この場合、固定翼の有無）の相違、カッター回転速度、掘進速度の変化により実験を実施して、その相対比較を行い、粘性土では、加泥材は１種類で、撹拌機構（この場合、固定翼の有無）の相違、掘進速度の変化により実験を実施して、その相対比較を行った。
図７に代表的な実験結果を示す。図７の横軸は掘進機１を掘進させた距離を表す。図７の左縦軸は「せん断力／土水圧力」を表す。この場合、「せん断力／土水圧力」の正負はカッターヘッド１１の回転方向の右、左に相当する。図７の右縦軸は砂質土での実験における地下水位の推移を表す。この場合、図５の土槽の天端をＧＬ−０として表記した。
図７（ａ）のケース１は、掘進機１を砂質土で加泥材を用いずに掘進させた場合で、せん断力が最も大きくなるケースである。この場合、掘進距離０〜５００ｍｍの範囲は掘進の初期段階で、掘進距離に対する排土量の制御が適切でなくチャンバー１２内の塑性流動が不適切であると考えられるので、掘進距離６００〜１５００ｍｍの値を以降の比較の基準とする。
図７（ｂ）のケース２は、掘進機１を砂質土で加泥材に高分子系材料を用いて掘進させた場合で、高分子系材料の効果により、土粒子間のかみ合わせ効果がケース１と比べて小さくなっている。
図７（ｃ）のケース６は、掘進機１を砂質土で加泥材に気泡を用いて掘進させた場合で、ケース１の加泥材を用いていない砂のみの場合、ケース２の加泥材に高分子系材料を用いた場合よりもさらに土粒子間のかみ合わせ効果が小さくなり、「せん断力／土水圧力」が小さくなっている。砂のみ＞高分子系材料＞気泡の順で値が小さくなっていることから、加泥材による塑性流動の良否を表していると考えられる。
図７（ｄ）のケース４は、固定翼のない掘進機を砂質土でケース２と同様に加泥材に高分子系材料を用いて掘進させた場合で、このケースでは、「せん断力／土水圧力」が大きく、また変動している。これはバルクヘッド１２１に固定翼がなく、チャンバー１２内の掘削土砂がカッターヘッド１１とともに供回りし、適切に撹拌されなかった可能性が考えられる。また、排土を確認したところ、一部で砂のみが排出され、加泥材が適切に混合撹拌されていなかったことから、チャンバー１２内で塑性流動化が適切に行われなかったと考えられる。
図７（ｅ）のケース８は、掘進機１を粘性土で加泥材に水を用いて掘進させた場合である。この場合、掘進距離０〜２００ｍｍは切羽圧のバランス、排土量の制御が適切でなかったので、掘進距離３００〜１５００ｍｍで評価すると、ケース１と同レベルの「せん断力／土水圧力」で、かつ値の振れが大きくなっている。これは粘性土の粘着力により土粒子がバルクヘッド１２１に固結しようとすることが可能性として考えられる。
今回の実験は数限られたものであり、チャンバー１２内の圧力が実工事の場合よりも小さいので、「せん断力／土水圧力」も微少であり、少しの土質の変化でその大きさや振れが変化する。実工事では切羽圧である土水圧力も大きくなり、せん断力も大きくなるので、より明確な指標判断が可能になると考えられる。
【００１７】
以上説明したように、この泥土圧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、土圧計１６及びせん断力計１７を略同一の位置となるように近接して設置し、チャンバー１２内の各部に作用する圧力及びせん断力を土圧計１６及びせん断力計１７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（「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などチャンバー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。
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内の土圧計１６及びせん断力計１７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。
【００１８】
なお、この実施の形態では、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たものとして例示したが、土圧計及びせん断力計に代えて、土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置してもよい。このようにして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。
また、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、土圧計２６及びせん断力計２７を略同一の位置となるように近接配置し、それぞれの受圧面、受感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土圧計２６及びせん断力計２７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。
【００２２】
この評価判定方法においては、特にカッターヘッド２１における土圧計２６及びせん断力計２７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。
【００２３】
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、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各部の土圧計２６及びせん断力計２７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。
【００２４】
以上説明したように、この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、土圧計２６及びせん断力計２７を略同一の位置となるように近接して設置し、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土圧計２６及びせん断力計２７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。
そして、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の各部の土圧計２６及びせん断力計２７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。
【００２５】
なお、この実施の形態では、切羽による圧力及びせん断力が作用するカッターヘッドの各部に、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たものとして例示したが、土圧計及びせん断力計に代えて、土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配置してもよい。このようにして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。
また、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】
【００２６】
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
１６  土圧計
１７  せん断力計
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）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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