(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価方法であって、
前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析工程と、
前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析工程による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定工程と、
施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定工程により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価工程と
を備え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】
前記評価工程は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価することを特徴とする請求項１に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】
カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価装置であって、
前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析手段と、
前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析手段による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定手段と、
施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定手段により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価手段と
を備え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装置。
【請求項４】
前記評価手段は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価することを特徴とする請求項３に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装置。
【請求項５】
カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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掘削機であって、
請求項３または４に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装置を備え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おけるチャンバー内掘削土の塑性流動性評価方法、評価装置および土圧式シールド掘削機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シールドトンネル工事に適用される土圧式シールド工法が知られている。この工法は、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で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工法である。
【０００３】
この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ため、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否かを掘削中に逐次確認する必要がある。特に昨今においては土圧式シールド工法の大断面化に伴い、チャンバー内の掘削土の塑性流動性を評価するニーズが高まっている。従来の掘削土の塑性流動性を評価するための方法としては、例えば特許文献１〜３に示されるものが知られている。
【０００４】
特許文献１は、チャンバーに設置した回転体のトルクから掘削土の塑性流動性を定性的に判定する方法であり、塑性流動性を定量的に評価することはできない。
【０００５】
特許文献２および特許文献３は、チャンバーに設置した回転体のトルクから掘削土の塑性流動性や流動方向を定量的に評価し、事前に解析的にチャンバー内の塑性流動状態を推定したものと比較することで施工を管理する方法である。この方法は、特殊な回転装置を用いた評価方法であるため、故障が発生する可能性が高い。また、ここでの解析は、従来の数値解析法（例えば、差分法、ＦＥＭ、ＤＥＭ等）を用いることが前提となっているが、掘削土の高粘度大変形流動によって数値的に不安定な現象がおき、解析に不具合が生じるおそれもある。
【０００６】
一方、本発明者らは、特許文献４ならびに現時点で未公開の特許文献５（特願２０１５−１４１７４３号）、特許文献６（特願２０１５−０５２２８２号）および特許文献７（特願２０１５−１３６３９９号）を既に提案している。
【０００７】
特許文献４および特許文献５は、土圧計の変動状態から掘削土の塑性流動性を間接的に評価する方法であり、直接的な評価を行うものではない。また、特許文献６は、チャンバーに設置した回転体のトルクから掘削土の塑性流動性を定量的に評価する方法である。この方法は、上記の特許文献２、３と同様、特殊な回転装置を用いた評価方法であるため、装置の開発・設置費用の増大や故障発生のおそれがないとはいえない。
【０００８】
特許文献７は、粒子法解析（ＭＰＳ解析）によりチャンバー内の撹拌流動状態を推定する方法である。この方法によれば、解析対象が掘削土のような高粘度で大変形する流動体でも、塑性流動状態を数値安定的に解析することができる。ただし、掘削土の塑性流動性（塑性粘度、降伏値等）を解析パラメータとして仮定する必要があるため、適用方法に課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−９７１８１号公報
【特許文献２】特開２００５−９０１７４号公報
【特許文献３】特開２００７−１９１８７８号公報
【特許文献４】特開２０１４−９５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このため、特殊な装置を用いることなく、掘削土の塑性流動性（塑性粘度、降伏値等）を安定して直接推定することのできる技術の開発が求められていた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することのでき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、評価装置および土圧式シールド掘削機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】
【００１２】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係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は、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価方法であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析工程と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析工程による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定工程と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定工程により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る他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は、上述した発明において、前記評価工程は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係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装置は、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価装置であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析手段と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析手段による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定手段と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定手段により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る他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装置は、上述した発明において、前記評価手段は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る土圧式シールド掘削機は、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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掘削機であって、上述した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装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係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によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価方法であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析工程と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析工程による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定工程と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定工程により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価工程とを備えるので、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明に係る他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によれば、前記評価工程は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価するので、チャンバー内における掘削土の塑性流動状態をスランプ値、スランプフロー値といった指標で管理することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明に係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装置によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価装置であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析手段と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析手段による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定手段と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定手段により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価手段とを備えるので、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができるという効果を奏する。
【００２０】
また、本発明に係る他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装置によれば、前記評価手段は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価するので、チャンバー内における掘削土の塑性流動状態をスランプ値、スランプフロー値といった指標で管理することができるという効果を奏する。
【００２１】
また、本発明に係る土圧式シールド掘削機によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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掘削機であって、上述した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装置を備えるので、掘削土の塑性流動性を安定して直接推定可能な土圧式シールド掘削機を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係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、評価装置および土圧式シールド掘削機が適用されるカッターフェイス部分の概略側断面図である。
【図２】図２は、本発明に係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、評価装置の実施の形態を示す概略フローチャート図である。
【図３】図３は、本発明に係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、評価装置の解析モデルの一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明によるトルク測定値とトルク解析値の照合方法の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明によるスランプ値、スランプフロー値の推定方法の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明に係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装置の実施の形態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係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、評価装置および土圧式シールド掘削機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
［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］
まず、本発明に係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について説明する。
【００２５】
本発明に係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は、チャンバー内に設置された攪拌翼およびアジテータで掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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、チャンバー内における掘削土の塑性流動性を評価する評価方法である。
【００２６】
図１は、土圧式シールド掘削機のカッターフェイス部分を拡大した概略側断面図である。この図に示すように、土圧式シールド掘削機のシールドマシン１０には、カッターフェイス１２の背面と隔壁１４とによって区画形成されたチャンバー１６内の掘削土１８の攪拌効果を高めるために、カッターフェイス１２の背面のカッタースポーク２０に、チャンバー１６内に向けて突出する複数の攪拌翼２２が固定されている。図の例では、説明の便宜上、回転軸２４の上下に２箇所固定した例を示しているがこれに限るものではない。すなわち、攪拌翼２２の設置位置は、チャンバー１６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よく、双方の位置を半径方向に若干ずらして配置した方が全体にわたり広範囲に攪拌することができるのでより好ましい。掘削時にカッターフェイス１２が回転軸２４の周りに回転すると、この回転に連動して背面の攪拌翼２２も回転軸２４の周りに回転し、シールドマシン１０との間に形成したチャンバー１６内に取り込まれる掘削土を攪拌する。
【００２７】
回転軸２４の外周面には、チャンバー１６内に向けて突出するアジテータ２６が設けられている。このアジテータ２６は隔壁１４の外側に設けた駆動モータ２８によりカッターフェイス１２（カッタースポーク２０）と独立して回転駆動するようになっている。また、駆動モータ２８の近傍には、アジテータ２６の回転トルクを測定するためのトルク測定装置３０が設けられている。アジテータ２６の回転トルクと駆動モータ２８に供給する電流値は比例するため、駆動モータ２８の電流値を測定することでトルクを算定することが可能である。
【００２８】
次に、本発明に係る塑性流動性評価方法の具体的手順について説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る塑性流動性評価方法の概略フローチャート図である。この図に示すように、本発明の塑性流動性評価方法は、まず施工に先立って事前に、掘削土と攪拌機構をモデル化した解析モデルを作成しておく（ステップＳ１）。ここで、高粘度流動体である掘削土を、粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象としてモデル化する。この場合、掘削土を、流動体の物性が降伏値と塑性粘度で記述されるビンガム流体でモデル化することができる。なお、このモデル化においては、流動解析の高速化を図るため、流動時には粘塑性流体となり、不動時には高粘性流体となる等価線形近似でビンガム流体を扱うようにしてもよい。
【００３０】
また、掘削土を攪拌するチャンバー１６内の形状をポリゴン（多面体）で近似し、ポリゴンをなす面を、粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とする解析モデルを作成する。ここで、チャンバー１６を形成する外壁の部分は固定ポリゴン壁で、攪拌翼２２およびアジテータ２６は移動ポリゴン壁（移動壁）で表現する。この移動ポリゴン壁は、回転軸２４の周りに回転移動可能である。このようにして作成した実機の解析モデルの一例を図３に示す。この図は、チャンバーを坑内側から見た図であり、シールドマシン１０の隔壁１４などの鋼殻部、掘削土については図示を省略している。
【００３１】
次に、作成した解析モデルにおける掘削土の塑性流動状態を、コンピュータを用いて流動解析する（流動解析工程：ステップＳ２）。解析方法としては高粘度の流動体でも安定的に解析できる陰解法を用いる。
【００３２】
この流動解析工程では、掘削土の塑性流動性（塑性粘度、降伏値）をパラメータとして、掘削土の様々な塑性流動状態を想定したパラメータスタディを実施する。続いて、このパラメータスタディにより、解析モデルにおけるアジテータに発生するトルクの解析値を算定する（トルク解析値算定工程：ステップＳ３）。
【００３３】
こうした施工に先立つ事前解析により、例えば図４の左側に示すような解析結果が得られる。この解析結果では、仮定した塑性粘度と降伏値の様々な組み合わせに対応してアジテータのトルク解析値がテーブル形式で示されている。
【００３４】
次に、施工時に得られたアジテータに発生するトルクの測定値と、ステップＳ３のトルク解析値算定工程により算定したトルクの解析値を照らし合わせて（ステップＳ４）、トルクの測定値に対応した解析モデルにおける掘削土の塑性流動性を、施工時におけるチャンバー内の掘削土の塑性流動性として評価する（評価工程：ステップＳ５）。
【００３５】
この場合、例えばカッターおよびアジテータ２６を回転しながらトルク測定装置３０でアジテータ２６のトルクを測定する。そして、このトルク測定値と、図４の左側の解析結果のテーブルにおけるトルク解析値とを照合し、トルク測定値と一致度の高いトルク解析値を探索し、このトルク解析値に対応する塑性粘度、降伏値を求める。図４の例では、施工時のトルク測定値Ｂ２がテーブル中のトルク解析値Ｂ２に一致する場合を示している。この場合、トルク解析値Ｂ２に対応する塑性粘度は６０Ｐａ・ｓ、降伏値は６００Ｐａと見積もられる。
【００３６】
なお、照合効率を高めるため、上記のパラメータスタディにおいてパラメータの増分を細かくした解析結果を求めておくことが望ましい。あるいは、トルク解析値と塑性粘度、降伏値の関係を補間式や近似曲線式などで規定しておき、これらの式を用いてトルク測定値に対応する塑性粘度、降伏値を算定するようにしてもよい。こうした照合および算定工程を予めコンピュータプログラムによりシステム化しておけば、より一層の省力化を図れる。
【００３７】
こうして評価された掘削土の塑性流動性は、必要に応じてコンピュータのディスプレイ等に可視化表示することが望ましい。このようにすれば、利用者はカッター回転時または停止時にディスプレイの表示内容を監視することでチャンバー１６内の掘削土の塑性流動性をリアルタイムに精度良く連続的に把握することができ、それに基づき添加材（加泥材、気泡材等）の注入管理などの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。このため、塑性流動性の管理を高精度に行うことができる。
【００３８】
このように、本実施の形態によれば、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができる。
【００３９】
また、本発明における流動解析工程では、高粘度の流動体でも安定的に解析できる陰解法、流動体が大変形しても解析格子が破綻しない粒子法を採用している。したがって、本発明によれば、解析対象が掘削土のような高粘度で大変形する流動体でも安定的に解析することができる。これにより、掘削土の塑性流動性を安定して評価することができる。
【００４０】
また、本発明の流動解析工程によれば、圧力だけでなく、流動体である掘削土の速度やせん断速度も得ることができ、さらに塑性流動関数によって、塑性流動化指数も求めることができる。また、多面体のポリゴン壁を剛体でなく、弾性体として取り扱うことで、流動体による圧力による変形や応力を算定し、掘削に伴う部材変状を評価・設計することができる。当然のことながら、流動体の寸法効果を加味することで、実物大でのチャンバー内掘削土の塑性流動性を評価することができる。
【００４１】
上記の実施の形態において、例えば下記の参考文献１に記載の方法などにより、塑性粘度、降伏値からスランプ値、スランプフロー値等を推定することも可能である。図５は、下記の参考文献１に記載の図−１０（フロー値およびスランプ値とレオロジー定数の関係）を使った推定方法の一例である。例えば、上記の実施の形態で評価された掘削土の塑性粘度が６０Ｐａ・ｓ、降伏値が６００Ｐａであったとすると、この図において、η＝０．０６ｋＰａ・ｓ（＝６０Ｐａ・ｓ）、τｙ＝６ｇｆ／ｃｍ２（＝６００Ｐａ）の線の交点を求めることにより、スランプ値は２０ｃｍ程度と推定することができる。このように、予め塑性粘度、降伏値と、スランプ値、スランプフロー値との関係を把握しておけば、評価した塑性粘度、降伏値をこの関係に当てはめることで、スランプ値、スランプフロー値を推定することができる。
【００４２】
［参考文献１］  谷川恭雄、森博嗣、筒井一仁、黒川善幸：「スランプ試験およびすべり抵抗試験によるフレッシュコンクリートのレオロジー定数の測定」、第８回コンクリート工学年次講演会論文集、ｐｐ.３８１−３８４、図−１０、１９８６年
【００４３】
このように、上記の実施の形態によれば、チャンバー内における掘削土の塑性流動状態を「塑性粘度、降伏値」、あるいは「スランプ値、スランプフロー値」といった指標で管理することが可能となる。こうした指標は施工時の添加材（加泥材、気泡材など）の添加量を制御する指標として使えるため、施工管理の合理化、省力化に資することとなる。
【００４４】
［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装置］
次に、本発明に係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装置について説明する。
【００４５】
図６に示すように、本発明に係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装置４０は、上記の本発明に係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を装置として具現化したものであり、解析モデル作成手段４２と、流動解析手段４４と、トルク解析値算定手段４６と、評価手段４８と、可視化手段５０とを備える。
【００４６】
解析モデル作成手段４２は、掘削土と攪拌機構をモデル化した解析モデルを作成するものであり、ＣＰＵを有するコンピュータにより構成することができる。より具体的には、解析モデル作成手段４２は、高粘度流動体である掘削土を、粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象としてモデル化する。この場合、掘削土を、流動体の物性が降伏値と塑性粘度で記述されるビンガム流体でモデル化することができる。なお、このモデル化においては、流動解析の高速化を図るため、流動時には粘塑性流体となり、不動時には高粘性流体となる等価線形近似でビンガム流体を扱うようにしてもよい。
【００４７】
また、解析モデル作成手段４２は、掘削土を攪拌するチャンバー１６内の形状をポリゴン（多面体）で近似し、ポリゴンをなす面を、粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とする解析モデルを作成する。ここで、チャンバー１６を形成する外壁の部分は固定ポリゴン壁で、攪拌翼２２およびアジテータ２６は移動ポリゴン壁（移動壁）で表現する。この移動ポリゴン壁は、回転軸２４の周りに回転移動可能である。
【００４８】
流動解析手段４４は、解析モデル作成手段４２で作成した解析モデルにおける掘削土の塑性流動状態を流動解析するものであり、ＣＰＵを有するコンピュータにより構成することができる。なお、解析方法としては高粘度の流動体でも安定的に解析できる陰解法を用いる。
【００４９】
トルク解析値算定手段４６は、掘削土の塑性流動性（塑性粘度、降伏値）をパラメータとする流動解析手段４４を用いたパラメータスタディにより、解析モデルにおけるアジテータに発生するトルクの解析値を算定するものである。このトルク解析値算定手段４６は、施工に先立つ事前解析として実行され、これにより例えば図４の左側に示すようなテーブル形式のトルク解析値が得られる。
【００５０】
評価手段４８は、施工時に得られたアジテータのトルク測定値と、トルク解析値算定手段４６により算定したトルク解析値を照らし合わせて、トルク測定値に対応した解析モデルにおける掘削土の塑性流動性を、施工時におけるチャンバー内の掘削土の塑性流動性として評価するものである。
【００５１】
この場合、例えばカッターおよびアジテータ２６を回転しながらトルク測定装置３０でアジテータ２６のトルクを測定して、図４の左側に示すようなトルク解析値と照合する。そして、トルク測定値と一致度の高いトルク解析値を探索し、このトルク解析値に対応する塑性粘度、降伏値を求める。なお、上述したように、照合効率を高めるため、トルク解析値と塑性粘度、降伏値の関係を補間式や近似曲線式などで規定しておき、これらの式を用いてトルク測定値に対応する塑性粘度、降伏値を算定するようにしてもよい。こうした照合および算定工程を予めコンピュータプログラムによりシステム化しておけば、より一層の省力化を図れる。
【００５２】
なお、評価手段４８は、上述したように、例えば上記の参考文献１に記載の方法などにより、塑性粘度、降伏値からスランプ値、スランプフロー値等を推定してもよい。この場合、塑性粘度、降伏値からスランプ値、スランプフロー値等を推定する工程を予めコンピュータプログラムなどによりシステム化しておけば、より一層の省力化を図れる。
【００５３】
可視化手段５０は、評価手段４８で評価された掘削土の塑性流動性を可視化表示するものであり、例えばディスプレイにより構成することができる。利用者はカッター回転時または停止時にディスプレイの表示内容を監視することでチャンバー１６内の掘削土の塑性流動性をリアルタイムに精度良く連続的に把握することができ、それに基づき添加材（加泥材、気泡材等）の注入管理などの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。このため、塑性流動性の管理を高精度に行うことができる。
【００５４】
このように、本実施の形態によれば、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができる。
【００５５】
［土圧式シールド掘削機］
次に、本発明に係る土圧式シールド掘削機について説明する。
【００５６】
本発明に係る土圧式シールド掘削機は、カッタースポーク２０側に設置された攪拌翼２２およびカッタースポーク２０とは独立して回転駆動するアジテータ２６により、チャンバー１６内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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掘削機であって、上記の本発明に係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装置４０を備えたものである。したがって、本実施の形態によれば、上記の塑性流動性評価装置４０で説明したものと同様の作用効果を奏することができる。
【００５７】
以上説明したように、本発明に係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によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価方法であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析工程と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析工程による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定工程と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定工程により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価工程とを備えるので、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができる。
【００５８】
また、本発明に係る他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によれば、前記評価工程は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価するので、チャンバー内における掘削土の塑性流動状態をスランプ値、スランプフロー値といった指標で管理することができる。
【００５９】
また、本発明に係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装置によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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評価装置であって、前記掘削土を粒子の集まりとして表現するとともに、この粒子の動きを計算によって解析する粒子法の解析対象とする一方、前記掘削土を攪拌する前記チャンバー内の形状を多面体で近似して、この多面体をなす面を、前記粒子が通過しないように斥力が生じる仮想的な反発力を分布させた壁による剛体とするとともに、前記攪拌翼および前記アジテータを移動可能な移動壁で表現した解析モデルを作成し、作成した前記解析モデルにおける前記掘削土の流動解析を行う流動解析手段と、前記掘削土の塑性流動性をパラメータとして前記流動解析手段による流動解析を行い、前記解析モデルにおける前記アジテータに発生するトルクの解析値を算定するトルク解析値算定手段と、施工時に得られた前記アジテータに発生するトルクの測定値と、前記トルク解析値算定手段により算定したトルクの解析値を照らし合わせて、トルクの測定値に対応した前記解析モデルにおける前記掘削土の塑性流動性を、施工時における前記掘削土の塑性流動性として評価する評価手段とを備えるので、アジテータのトルクを測定することで、特殊な装置を用いることなく掘削土の塑性流動性を安定して直接推定することができる。
【００６０】
また、本発明に係る他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装置によれば、前記評価手段は、スランプ値、スランプフロー値の少なくとも一方を前記掘削土の塑性流動性として評価するので、チャンバー内における掘削土の塑性流動状態をスランプ値、スランプフロー値といった指標で管理することができる。
【００６１】
また、本発明に係る土圧式シールド掘削機によれば、カッタースポーク側に設置された攪拌翼および前記カッタースポークとは独立して回転駆動するアジテータにより、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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掘削機であって、上述した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装置を備えるので、掘削土の塑性流動性を安定して直接推定可能な土圧式シールド掘削機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係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、評価装置および土圧式シールド掘削機は、カッタースポーク側に設置された攪拌翼により、チャンバー内の掘削土を攪拌してこの掘削土に塑性流動性を付与し、この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有用であり、特に、掘削土の塑性流動性を安定して直接推定するのに適している。
【符号の説明】
【００６３】
１０  シールドマシン
１２  カッターフェイス
１４  隔壁
１６  チャンバー
１８  掘削土
２０  カッタースポーク
２２  攪拌翼
２４  回転軸
２６  アジテータ
２８  駆動モータ
３０  トルク測定装置
４０  塑性流動性評価装置
４２  解析モデル作成手段
４４  流動解析手段
４６  トルク解析値算定手段
４８  評価手段
５０  可視化手段
【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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