(57)【要約】【課題】地山の緩みを考慮して裏込材の注入量または注入圧を求めることができる裏込材の注入制御装置を提供する。【解決手段】掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置であって、シールドフレーム２の外周面に外方に移動自在に設けられ側部地山と所定面積で接触する接触面１３を有する探子部１２と、該探子部１２をシールドフレーム２の外方に移動させて側部地山に押し付けたときのストロークの変化を測定する検出部２４と、該検出部２４により上記探子部１２が地山の緩みを押し戻したときのストロークの変動を検出したとき、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算する演算部２５とを備えた。【選択図】      図５
2004244805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置であって、シールドフレームの外周面に外方に移動自在に設けられ側部地山と所定面積で接触する接触面を有する探子部と、該探子部をシールドフレームの外方に移動させて側部地山に押し付けたときのストロークの変化を測定する検出部と、該検出部により上記探子部が地山の緩みを押し戻したときのストロークの変動を検出したとき、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算する演算部とを備えたことを特徴とする裏込材の注入制御装置。
【請求項２】
上記検出部は、上記探子部が側部地山に接触したときに制限される第１のストロークを検出した後に、緩んだ状態の側部地山を押し戻したときに制限される第２のストロークを検出し、上記演算部は、その第２のストロークに基づいて裏込材の注入量を演算するものである請求項１記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項３】
上記検出部は、上記第２のストロークを検出したときに探子部が側部地山から受ける圧力を測定するセンサを有し、上記演算部は、その圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算するものである請求項２記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項４】
掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置であって、シールドフレームの外周面に外方に移動自在に設けられ側部地山と所定面積で接触する接触面を有する探子部と、該探子部をシールドフレームの外方に移動させて側部地山に押し付けたときの圧力の変化を測定する検出部と、該検出部により上記探子部が地山の緩みを押し戻したときの圧力の変化を検出したとき、その圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算する演算部とを備えたことを特徴とする裏込材の注入制御装置。
【請求項５】
上記検出部は、上記探子部が側部地山に接触したときに立ち上がる第１の圧力を検出した後に、緩んだ状態の側部地山を押し戻したときに立ち上がる第２の圧力を検出し、上記演算部は、その第２の圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算するものである請求項４記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項６】
上記検出部は、上記第２の圧力を検出したときの探子部のストロークを測定するセンサを有し、上記演算部は、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算するものである請求項５記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項７】
上記探子部は、内部に流体が出し入れされることによって膨張・収縮する袋体からなる請求項１乃至６記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項８】
上記袋体は、シールドフレームの周方向に沿って連続的に帯状に成形されている請求項７記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項９】
上記袋体は、シールドフレームの周方向に沿って間欠的に複数設けられている請求項７記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項１０】
上記袋体の側部地山と接触する部分に、鋼板を設けた請求項８乃至９記載の裏込材の注入制御装置。
【請求項１１】
上記袋体の前部に、当該前部を支点として屈曲自在に逆流防止板を設けた請求項８乃至９記載の裏込材の注入制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、シールド掘進機１は、筒体状のシールドフレーム２と、その前部に設けられた隔壁３と、隔壁３に回転自在に取り付けられたカッタ４とを備え、カッタ４を回転駆動しつつシールドフレーム２内の推進ジャッキ５を既設セグメント６に押し付け、前進するものである。また、図例のように泥水式シールド掘進機１では、隔壁３に送泥管７と排泥管８とを取り付け、切羽の土圧水圧との均衡を取りつつ掘削土砂を泥水として排出する。
【０００３】
カッタ４の外径は、当該カッタ４によって切削された掘孔の内周面とシールドフレーム２の外周面との間の摺動抵抗を小さくするため、シールドフレーム２の外径よりも多少大きめに設定されている。このため、図４に示すように、カッタ４によって切削された掘孔９の内周面とシールドフレーム２の外周面との間には、所定の余掘りクリアランスＸが形成される。また、セグメント６は、シールドフレーム２の内方で、図示しないエレクタによってリング状に組み立てられる。このため、セグメント６の外周面と掘孔９の内周面との間には、上記余掘りクリアランスＸを含めた所定の間隔（テールボイドＹ）が形成される。
【０００４】
テールボイドＹは、カッタ４の外径から既設セグメント６の外径を減じることで算出される。そして、テールボイドＹには、シールドフレーム２の後部等に設けられた裏込材注入装置１０から裏込材（速効性のコンクリート等）がテールボイドＹに応じた量注入され、地山の崩落を防止している。
【０００５】
なお、関連する先行技術文献として、特許文献１等が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１４１９１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シールド掘進機１によって地山を掘進すると、地山に刺激が加わるため、掘孔９の外方の地山に緩みが生じる。
【０００８】
他方、上述のように算出されたテールボイドＹは地山の緩みを一切考慮していないため、単に算出されたテールボイドＹに応じた量の裏込材を注入しても、緩んだ地山が崩落することを抑えることはできず、地山の崩落が生じ得る。これを回避するためには、算出されたテールボイドＹに応じた量よりもある程度増量した裏込材を注入しなければならない。
【０００９】
しかし、どの程度増量すれば緩んだ地山の崩落を抑えることができるのか不明確であったため、崩落を確実に回避するには余裕をもった増量とせざるを得ず、コストアップの原因となっていた。また、こうして裏込材を増量して注入すると、裏込材の一部が切羽側（カッタ４側）に回り込み、泥水式シールド掘進機１の場合には泥水の性状を悪化させる等の原因となっていた。
【００１０】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、地山の緩みを考慮して裏込材の注入量または注入圧を求めることができる裏込材の注入制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置であって、シールドフレームの外周面に外方に移動自在に設けられ側部地山と所定面積で接触する接触面を有する探子部と、該探子部をシールドフレームの外方に移動させて側部地山に押し付けたときのストロークの変化を測定する検出部と、該検出部により上記探子部が地山の緩みを押し戻したときのストロークの変動を検出したとき、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算する演算部とを備えたものである。
【００１２】
上記検出部は、上記探子部が側部地山に接触したときに制限される第１のストロークを検出した後に、緩んだ状態の側部地山を押し戻したときに制限される第２のストロークを検出し、上記演算部は、その第２のストロークに基づいて裏込材の注入量を演算するものであってもよい。
【００１３】
上記検出部は、上記第２のストロークを検出したときに探子部が側部地山から受ける圧力を測定するセンサを有し、上記演算部は、その圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算するものであってもよい。
【００１４】
第２の発明は、掘進により生じた地山の緩みを考慮して裏込材を注入する裏込材の注入制御装置であって、シールドフレームの外周面に外方に移動自在に設けられ側部地山と所定面積で接触する接触面を有する探子部と、該探子部をシールドフレームの外方に移動させて側部地山に押し付けたときの圧力の変化を測定する検出部と、該検出部により上記探子部が地山の緩みを押し戻したときの圧力の変化を検出したとき、その圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算する演算部とを備えたものである。
【００１５】
上記検出部は、上記探子部が側部地山に接触したときに立ち上がる第１の圧力を検出した後に、緩んだ状態の側部地山を押し戻したときに立ち上がる第２の圧力を検出し、上記演算部は、その第２の圧力に基づいて裏込材の注入圧を演算するものであってもよい。
【００１６】
上記検出部は、上記第２の圧力を検出したときの探子部のストロークを測定するセンサを有し、上記演算部は、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算するものであってもよい。
【００１７】
上記上記探子部は、内部に流体が出し入れされることによって膨張・収縮する袋体からなってもよい。上記袋体は、シールドフレームの周方向に沿って連続的に帯状に成形されていてもよい。上記袋体は、シールドフレームの周方向に沿って間欠的に複数設けられていてもよい。上記袋体の側部地山と接触する部分に、鋼板を設けてもよい。上記袋体の前部に、当該前部を支点として屈曲自在に逆流防止板を設けてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１９】
本実施形態に係る裏込材の注入制御装置１１は、上述した図１〜図５に示すシールド掘進機１に取り付けられる。
【００２０】
図４及び図５に示すように、上記注入制御装置１１は、シールドフレーム２の外周面に径方向に移動自在に設けられた探子部１２を有する。探子部１２は、側部地山（掘孔９の内周面）と所定面積で接触する接触面１３を有する。探子部１２は、本実施形態では、内部に流体が出し入れされることによって膨張・収縮する袋体１４（ゴム質等）からなる。袋体１４は、図２に示すように、シールドフレーム２の周方向に沿って連続的に帯状に成形されてもよく、図３に示すように、シールドフレーム２の周方向に沿って間欠的に複数設けられていてもよい。
【００２１】
袋体１４は、具体的には、シールドフレーム２の周方向に沿って形成されたゴム質等の膜体からなり、その前縁及び後縁を夫々アンカー１５、１６によってシールドフレーム２に固定して構成されている。袋体１４は、その収縮時に側部地山との接触摩耗を回避するため、シールドフレーム２に設けられた凹部１７に取り付けられている。凹部１７は、シールドフレーム２の一部を輪切り状に欠落させ、その欠落部１８に断面コ字のリング状に形成された連結板１９を介設して構成される。連結板１９には、前部ブロック２０と後部ブロック２１とがそれぞれボルトによって取り付けられ、前部ブロック２０には、袋体１４の前縁がアンカー１５で固定され、後部ブロック２１には、袋体１４の後縁がアンカー１６で固定されている。
【００２２】
連結板１９には、袋体１４の内部に流体（シリコンオイル、水、ガス、空気等、以下同じ）を注入排出する配管２２が設けられている。配管２２には、図６に示すように、袋体１４の内部に流体を単位時間当たり一定量ずつ注入するポンプ２３が接続されている。配管２２は、袋体１４の内部に流体を偏りなく注入するため、図２又は図３に示すように、シールドフレーム２の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられている。袋体１４は、流体が注入されると膨張し、その一部が側部地山（掘孔９の内周面）に接触する。この部分が探子部１２の接触面１３となる。
【００２３】
後部ブロック２１には、袋体１４を膨張させて側部地山（掘孔９の内周面）に押し付けたとき、その径方向膨らみ量（径方向ストローク）を測定する検出部２４が設けられている。検出部２４は、超音波距離計、レーザ距離計又は電磁波距離計等からなる。検出部２４には、袋体１４が緩んだ地山を元の状態にまで押し戻したときのストロークの変動を検出したとき、そのストロークに基づいて裏込材の注入量を演算する演算部２５が接続されている。演算部２５は、算出された注入量に合致するように裏込材の注入ポンプ２６を作動させる。
【００２４】
詳しくは、図６に示すように、ポンプ２３によって袋体１４の内部に流体を単位時間当たり一定量ずつ注入すると、袋体１４が徐々に膨らみ、径方向の膨らみ量（径方向ストローク）が大きくなる。そして、袋体１４は、径方向の膨らみ量が図４及び図５に示す余掘りクリアランスＸとなると、その一部（接触面１３）が掘孔９の内周面に接触し、径方向の膨らみ量が制限される。この制限された袋体１４の径方向の膨らみ量を検出部２４によって検出し、これを第１ストロークとする。
【００２５】
その後、袋体１４の内部に流入された流体は、袋体１４を径方向ではなく軸方向（図５における左右方向）に膨張させる。そして、流入され続ける流体によって、袋体１４の内圧が掘進によって緩んだ土砂を押し上げる圧以上となったなら、図６に示すように、袋体１４は再び径方向に膨張する。そして、流入され続ける流体によって、袋体１４が緩んだ土砂を元の状態（締まった圧密状態）となるまで押し上げたならば、以降、袋体１４の径方向の膨張は、締まった土砂によって制限される。この制限された袋体１４の径方向の膨らみ量を検出部２４によって検出し、これを第２ストロークとする。
【００２６】
すなわち、図６に示すように、袋体１４に流体を一定の割合で注入すると、袋体１４の径方向膨らみ量（径方向ストローク）は、流体の注入に伴って立ち上がり、図５に示す余掘りクリアランスＸ（第１ストローク）で一旦飽和し、流体の注入を続けることで再び立ち上がり、緩んだ土砂を元の状態（締まった圧密状態）まで押し上げるストローク（第２ストローク）となったとき再び飽和する。そして、検出部２４は、最初の飽和ストロークを第１ストロークとして検出し、次の飽和ストロークを第２ストロークとして検出する。
【００２７】
上記第１及び第２ストロークは、演算部２５に入力される。演算部２５は、第２ストロークと既設セグメント６の外径とに基づいて、地山の緩み量を考慮したテールボイド（図５中の単純ボイドＹ＋緩み分ボイドＺ）を算出する。そして、算出されたテールボイド（Ｙ＋Ｚ）と推進ジャッキ５による前進速度とを考慮して、裏込材の注入量を算出する。そして、その注入量になるように、裏込材の注入ポンプ２６を制御する。これにより、地山の緩みを考慮した注入量で裏込材を注入することができる。よって、裏込材の消費量を最小限に抑えつつ、緩んだ地山の崩落を防止できる。
【００２８】
また、裏込材の注入時に、袋体１４を膨張させて掘孔９の内周面との間を全周に亘ってリング状にシールすることにより、シールドフレーム２のテール部から排出された裏込材がシールドフレーム２を伝って前方に移動して切羽側（カッタ４側）に回り込むことを防止できる。よって、泥水式シールド掘進機１の泥水に裏込材が混ざることによって生じる泥水の性状悪化を回避できる。
【００２９】
また、検出部２４が第２ストロークを検出したとき、袋体１４の内圧（探子部１２が側部地山から受ける圧力）を配管２２の途中等に介設した圧力センサ４０によって測定し、その圧力と等しい圧力で裏込材を注入してもよい。この場合、演算部２５は、裏込材の注入ポンプ２６の吐出圧を、第２ストローク時の袋体１４の内圧に設定する。これにより、地山の緩みを考慮した注入圧で裏込材を注入することができる。
【００３０】
図９は、上記袋体１４の側部地山と接触する部分に、鋼板２７を設けたものである。鋼板２７は、袋体１４（ゴム質等）の伸縮を許容するために、シールドフレーム２の周方向に所定間隔を隔てて短冊状に複数配置されている。かかる鋼板２７により、シールド掘進機１の掘進中に袋体１４を膨らませた状態に保っても、袋体１４が掘孔９の内周面から受ける損傷・摩耗を回避できる。よって、裏込材の切羽側への漏洩を常時シールできる。
【００３１】
図８は、上記袋体１４の前部に、当該前部を支点として屈曲自在に逆流防止板２８を設けたものである。逆流防止板２８の内部または外側面には、逆流防止板２８が掘孔９の内周面に押し付けられたとき、逆流防止板２８の形状を保つための鋼板（図示せず）が設けられている。鋼板は、袋体１４（ゴム質等）の伸縮を許容するために、シールドフレーム２の周方向に所定間隔を隔てて短冊状に複数配置されている。
【００３２】
かかる逆流防止板２８を設けることにより、シールド掘進機１の掘進中に袋体１４を膨らませた状態に保っても、袋体１４が掘孔９の内周面から受ける損傷・摩耗を回避できると共に、シールドフレーム２のテール側から噴射された裏込材が切羽側に逆流することを確実に防止できる。但し、この場合、検出部２４によって測定される袋体１４の径方向の膨らみ量（径方向ストローク）は、実際の側部地山までのクリアランスと一致しないため、検出部２４による測定値に所定の補正係数を乗じる必要がある。
【００３３】
図１０は、上記端子部１２としてこれまでの実施形態のように袋体１４ではなく、シリンダ３０を用いたものである。シリンダ３０は、シールドフレーム２の内周面に取り付けられたヘッド部３１と、ヘッド部３１に設けられ当該ヘッド部３１内に流体を注入出することで出没するピストン部３２と、ピストン部３２の先端に設けられ所定の接触面（受圧面積）で掘孔９の内周面に当接する受圧部３３とを有する。
【００３４】
受圧部３３は、掘孔９の曲率（シールドフレーム２の曲率と略等しい）に合わせて円弧板状に形成されている。受圧部３３の受圧面積は、ピストン部３２をヘッド部３１から径方向外方に突出させて受圧部３３を掘孔９の内周面に押し付けたとき、地山に嵌入することなく地山を押さえて地山の緩みと締まりとを判断できる程度の大きさに設定されている。
【００３５】
すなわち、受圧部３３の受圧面積が余り小さいと、径方向外方に突出されたとき地山に嵌入してしまうため、地山の緩みと締まりとを判断できないのである。受圧部３３とシールドフレーム２との間には、保護膜３４が介設されている。ピストン部３２を収縮させるとき、受圧部３３とシールドフレーム２との間に土砂が噛み込むことを防止するためである。
【００３６】
シリンダ３０のヘッド部３１には、図７に示すように、ポンプ２３によって流体（シリコンオイル等）が単位時間当たり一定量ずつ注入される。これにより、ピストン部３２が徐々に突出して受圧部３３が掘孔９の内周面に突き当たる。すると、ピストン部３２の突出が制限されるため、ヘッド部３１の内圧が立ち上がる。これを第１圧力とする。第１圧力は、ヘッド部３１とポンプ２３との間に介設された検出部（圧力センサ）３５で検出される。
【００３７】
その後、ピストン部３２は、引き続きヘッド部３１の内部に流入される流体によって、受圧部３３で緩んだ地山を圧密しながら突出し、緩んだ地山が元の状態（締まった圧密状態）となるまで突出すると、締まって圧密状態となった地山によって突出が制限される。よって、そのポイントでヘッド部３１の内圧が更に立ち上がる。これを第２圧力とする。第２圧力は、検出部３５で検出される。
【００３８】
すなわち、図７に示すように、シリンダ３０のヘッド部３１に流体を一定の割合で注入すると、ヘッド部３１の内圧は、受圧部３３が掘孔９の内周面に当接するときに立ち上がり（第１圧力）、受圧部３３が緩んだ地山が元の状態（締まった圧密状態）となるまで押し上げたときに更に立ち上がる（第２圧力）。そして、検出部３５は、最初の圧力変化点を第１圧力として検出し、次の圧力変化点を第２圧力として検出する。
【００３９】
上記第１及び第２圧力は、演算部３６に入力される。演算部３６は、第２圧力と等しい圧力に裏込材の注入ポンプ２６の吐出圧を設定する。これにより、地山の緩みを考慮した注入圧で裏込材を注入することができ、緩んだ地山の崩落を確実に防止できると共に、裏込材の消費量を最小限に抑えることができる。
【００４０】
また、検出部３５が第２圧力を検出したとき、ピストン部３２の突出長さをシリンダ３０に内蔵されたセンサによって測定し、その突出長さと既設セグメント６の外径とに基づいて地山の緩みを考慮したテールボイド（Ｙ＋Ｚ）を算出し、算出されたテールボイド（Ｙ＋Ｚ）と推進ジャッキ５による前進速度とを考慮して、地山の緩みを考慮した裏込材の注入量を算出し、その注入量になるように裏込材の注入ポンプ２６を制御してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る裏込材の注入制御装置によれば、地山の緩みを考慮して裏込材の注入量または注入圧を求めることができる。よって、裏込材の消費量を最小限に抑えつつ、地山の崩落を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る裏込材の注入制御装置を備えたシールド掘進機の側断面図である。
【図２】上記裏込材の注入制御装置を備えたシールド掘進機の横断面図である。
【図３】変形例を示すシールド掘進機の横断面図である。
【図４】上記裏込材の注入制御装置の側断面図である（作動前）。
【図５】上記裏込材の注入制御装置の側断面図である（作動後）。
【図６】上記裏込材の注入制御装置の作動説明図である（ストローク式）。
【図７】上記裏込材の注入制御装置の作動説明図である（圧力式）。
【図８】変形例を示す側断面図である。
【図９】変形例を示す側断面図である。
【図１０】変形例を示す側断面図である。
【符号の説明】
２      シールドフレーム
１１    注入制御装置
１２    探子部
１３    接触面
１４    探子部としての袋体
２４    検出部
２５    演算部
２７    鋼板
２８    逆流防止板
３０    探子部としてのシリンダ
３５    検出部
３６    演算部
【図１】
2004244805.tif 000003
【図２】
2004244805.tif 000004
【図３】
2004244805.tif 000005
【図４】
2004244805.tif 000006
【図５】
2004244805.tif 000007
【図６】
2004244805.tif 000008
【図７】
2004244805.tif 000009
【図８】
2004244805.tif 000010
【図９】
2004244805.tif 000011
【図１０】
2004244805.tif 000012