(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えたシールド機の設計方法において、
前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定する工程と、
該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、
該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、
前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、
前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の流動状態又は塑性流動状態を確認する工程と、
該確認においてチャンバー内の流動状態又は塑性流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とするシールド機の設計方法。
【請求項２】
チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えた土圧式シールド機の設計方法において、
前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定して前記チャンバー内の仕様を設定する工程と、
該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、
該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、
前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、
前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の塑性流動状態を確認する工程と、
該確認においてチャンバー内の塑性流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とする土圧式シールド機の設計方法。
【請求項３】
前記仕様を複数設定し、
該複数の仕様のそれぞれに基づいて、前記チャンバー内をモデル化する工程から前記流動状態又は塑性流動状態を確認する工程までを実施し、
該確認において複数のチャンバー内の塑性流動状態が適切な仕様のうち、前記土圧式シールド機の掘進に最適な仕様を選択し、
該選択した最適な仕様を満たすように前記土圧式シールド機を設計することを特徴とする請求項２に記載の土圧式シールド機の設計方法。
【請求項４】
前記確認においてチャンバー内の塑性流動状態が不適切な場合は、前記仕様を変更し、
該変更した仕様に基づいて、再び前記土圧式シールド機のチャンバー内をモデル化する工程から前記塑性流動状態を確認する工程までを実施することを特徴とする請求項２又は３に記載の土圧式シールド機の設計方法。
【請求項５】
前記確認は、
前記流速と前記ずり速度との関係を評価し、前記流速と前記ずり速度との関係が所定の範囲内に入っている場合は適切であり、所定の範囲に入っていない場合は不適切であると判定することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の土圧式シールド機の設計方法。
【請求項６】
チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えた泥水式シールド機の設計方法において、
前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定する工程と、
該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、
該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、
前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、
前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の流動状態を確認する工程と、
該確認においてチャンバー内の流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とする泥水式シールド機の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド機の設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市部では地下構造物を構築する際に、交通混雑の激しい道路での工事をスムーズに行うとともに、周辺住民に与える工事の影響を軽減するために、シールド工法が採用されており、特に、トンネル建設時に多く採用されている。また、都市部の地上には十分な作業基地面積を確保することが難しいために、設備配置スペースの必要面積の大きい泥水式シールドに比べて設備配置スペースの必要面積の小さい土圧式シールドによる施工のニーズが高まっている。
【０００３】
しかし、土圧式シールドによる掘削工法は、切羽の安定を保持するうえで重要なチャンバー内における掘削土砂の塑性流動状態の把握方法が確立されておらず完全に地盤変状を抑制することが困難であるために、大断面のシールド工法には適用されることが少なかった。塑性流動化とは、図２１に示すように、掘削土砂に生ずるずり応力がある値（τ0）を超えてずり速度を発生し流動する状態である。ここで、ずり応力とは、掘削土砂内で相対的に速度差を有する流動（以下、ずりひずみという）を生じさせる単位面積当たりの力で、ずり速度とは、ずりひずみの単位時間当たりの変化を表すひずみ速度である。
【０００４】
チャンバー内における掘削土砂の塑性流動状態を把握するために、例えば、特許文献１には、掘削土砂の流動状態を測定するための測定装置が開示されている。また、この特許文献１には、非特許文献１及び２にて示されたチャンバー内の流動解析手法を実際のシールド機に適用した例も開示されている。
【０００５】
この測定装置は、チャンバー内に設置される回転板と該回転板を駆動するためのモータとを備え、このモータを駆動させて回転板を所定角度だけ回転させ、回転抵抗が最大位置において、回転板の主面の直交する方向を掘削土砂の流動方向とし、そのときの回転トルクに対応した値を流速と算出するものである。
【０００６】
そして、非特許文献１及び２にて示された流動解析手法にて、砂地盤、粘度地盤等の複数の地質条件毎にチャンバー内における掘削土砂の流動解析を行って、それぞれの場合における流動方向、流速等を推定し、該流動解析から推定した流動方向及び流速と上述した測定装置にて算出した流動方向及び流速とを照合して、流動解析結果のうち、最も相関の良いものを選択して、これを測定点における流動状態とするものである。
【特許文献１】特開２００５−９０１７４号公報
【非特許文献１】「トンネルと地下」  １９９４年８月  ３５〜３９頁「シールドチャンバ内の泥土・泥水の流動解析」
【非特許文献２】「大林組技術研究所報」Ｎｏ．４８  １９９４年８月  「シールドチャンバ内における掘削土砂流動解析」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の流動解析では、チャンバー内の流動方向、流速のみが推定され、チャンバー内の塑性流動状態を表す指標であるずり速度に関する解析がなされていないという問題点があった。
【０００８】
また、一般的にチャンバー内のアジテータ、固定翼、撹拌装置等の撹拌機構の設置位置、設置台数等の違いにより、チャンバー内の撹拌効果はそれぞれ異なることは知られているが、この撹拌効果の違いを定量的に確認する方法が無いという問題点があった。したがって、シールド機の設計は、過去の類似土質に適用されたシールド機の仕様に基づいて行われており、掘削対象土質に対して最適なシールド機の設計がなされていないという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、シールド機のチャンバー内の仕様に基づいた掘削土砂の流動状態又は塑性流動状態を流動解析にて把握し、掘進に最適な流動状態又は塑性流動状態のチャンバー内の仕様に基づいたシールド機を設計するための設計方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明のシールド機の設計方法は、チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えたシールド機の設計方法において、前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定する工程と、該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の流動状態又は塑性流動状態を確認する工程と、該確認においてチャンバー内の流動状態又は塑性流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とする（第１の発明）。  
本発明によるシールド機の設計方法によれば、シールド機の撹拌機構及び排土機構の仕様に基づいた掘削土砂の流動状態又は塑性流動状態を把握することが可能となる。そして、適切な流動状態又は塑性流動状態となる撹拌機構及び排土機構の仕様に基づいてシールド機を設計することにより、トンネル掘削時にチャンバー内を確実に流動状態又は塑性流動状態にすることが可能となる。
【００１１】
第２の発明の土圧式シールド機の設計方法は、チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えた土圧式シールド機の設計方法において、前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定して前記チャンバー内の仕様を設定する工程と、該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の塑性流動状態を確認する工程と、該確認においてチャンバー内の塑性流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とする。  
本発明による土圧式シールド機の設計方法によれば、土圧式シールド機の撹拌機構及び排土機構の仕様に基づいた掘削土砂の塑性流動状態を把握することが可能となる。そして、適切な塑性流動状態となる撹拌機構及び排土機構の仕様に基づいて土圧式シールド機を設計することにより、トンネル掘削時にチャンバー内を確実に塑性流動状態にすることが可能となる。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、前記仕様を複数設定し、該複数の仕様のそれぞれに基づいて、前記チャンバー内をモデル化する工程から前記流動状態又は塑性流動状態を確認する工程までを実施し、該確認において複数のチャンバー内の塑性流動状態が適切な仕様のうち、前記土圧式シールド機の掘進に最適な仕様を選択し、該選択した最適な仕様を満たすように前記土圧式シールド機を設計することを特徴とする。  
本発明による土圧式シールド機の設計方法によれば、複数の適切な塑性流動状態同士を比較し、この中から掘進に最適な撹拌機構及び排土機構の仕様を選択することが可能となる。そして、この最適な撹拌機構及び排土機構の仕様を満たす土圧式シールド機を設計することにより、大、中断面でも土圧式シールド機にて切羽を安定させた状態で安全に掘削することが可能となる。さらに、円形断面だけでなく、例えば、矩形等の円形以外の断面も掘削することが可能となる。
【００１３】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記確認においてチャンバー内の塑性流動状態が不適切な場合は、前記仕様を変更し、該変更した仕様に基づいて、再び前記土圧式シールド機のチャンバー内をモデル化する工程から前記塑性流動状態を確認する工程までを実施することを特徴とする。  
本発明による土圧式シールド機の設計方法によれば、塑性流動状態を確認した後に撹拌機構及び排土機構の仕様を変更することができるために、流動解析結果を撹拌機構及び排土機構の仕様の変更にフィードバックすることが可能となる。
【００１４】
第５の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、前記確認は、前記流速と前記ずり速度との関係を評価し、前記流速と前記ずり速度との関係が所定の範囲内に入っている場合は適切であり、所定の範囲に入っていない場合は不適切であると判定することを特徴とする。  
本発明による土圧式シールド機の設計方法によれば、流速とずり速度との関係が図にて評価されるために、流速とずり速度との関係が所定の範囲内に入っているか否かを容易に判定することが可能となる。したがって、土圧式シールド工法に熟練した者でなくても判定をすることが可能となる。
【００１５】
第６の発明の泥水式シールド機の設計方法は、チャンバー内に流入する掘削土砂を撹拌するための撹拌機構と、該掘削土砂を排出するための排土機構とを備えた泥水式シールド機の設計方法において、前記撹拌機構及び前記排土機構の仕様をそれぞれ設定する工程と、該設定した仕様に基づいて前記チャンバー内をモデル化する工程と、該モデル化したモデルに基づいて前記チャンバー内の流動状態を流動解析し、前記チャンバー内全体の掘削土砂の流速及びずり速度をシミュレーションする工程と、前記流速及び前記ずり速度を可視化する工程と、前記可視化した結果に基づいてチャンバー内全体の掘削土砂の流動状態を確認する工程と、該確認においてチャンバー内の流動状態が適切な場合は、前記設定した仕様を満たすようにシールド機を設計することを特徴とする。  
本発明による泥水式シールド機の設計方法によれば、泥水式シールド機の撹拌機構及び排土機構の仕様に基づいた掘削土砂の流動状態を把握することが可能となる。そして、適切な流動状態となるチャンバー内の仕様に基づいて泥水式シールド機を設計することにより、トンネル掘削時にチャンバー内を確実に流動状態にすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、説明したように、本発明のシールド機の設計方法によれば、流動解析した結果に基づいてシールド機を設計するために、円形の中、大断面用、矩形断面用のシールド機を設計することができる。また、流動解析により予め流動状態又は塑性流動状態を確認するために、切羽を安定させた状態で安全に掘削することができる。さらに、流動解析により流動状態、塑性流動状態を確認することができるために、泥水式シールド機及び土圧式シールド機の設計を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係るシールド機の設計方法の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、発明の理解の便宜上、本実施形態においては、切羽全面に泥土圧を加圧して地盤を掘削するための土圧式シールド機のチャンバー内の仕様として、撹拌機構のカッター、撹拌装置、固定翼、アジテータを設ける場合（以下、ＣＡＳＥ１とする）、カッター、撹拌装置、固定翼を設ける場合（以下、ＣＡＳＥ２とする）、カッター、撹拌装置を設ける場合（以下、ＣＡＳＥ３とする）、カッターのみを設ける場合（以下、ＣＡＳＥ４とする）について説明するが、チャンバー内に設ける機器類についてはこれらに限定されるものではなく、排土機構等の様々な機器類を設置することが可能である。
【００１８】
図１は、本発明の第一実施形態に係るＣＡＳＥ１の土圧式シールド機の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ’矢視図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、土圧式シールド機１は、進行方向前部で切羽の掘削を行うフード部３と、後部で覆工を行うテール部と、フード部３及びテール部を結ぶとともに推進設備等を内方に装備するガーダー部５とから構成され、外部から作用する荷重に対し前述した各部を保護するための矩形筒状の鋼殻からなるスキンプレート９とを備える。
【００２０】
土圧式シールド機１の前部は、土圧式シールド機１の前面側にカッタービットを有するカッター１１と、カッター１１を駆動するための駆動源１３と、駆動源１３の駆動力をカッター１１に伝達する回転軸１５と、掘削土砂に一定の圧力を与えてこれを保持するために隔壁１７とカッター１１とで密閉されたチャンバー１９と、掘削土砂をチャンバー１９から排出するための排土機構２１と、チャンバー１９内の掘削土砂を撹拌、混練するための撹拌装置２３と、掘削土砂と加泥（気泡）材との混練効果を高めるための固定翼２４と、チャンバー１９内の掘削土砂の流動方向及び流速を推定するための測定装置２５とから構成される。
【００２１】
回転軸１５の外周面には、チャンバー１９内に突出するようにアジテータ２７が設けられており、このアジテータ２７は、ガーダー部５内に設置された駆動モータ２９により、カッター１１と独立して回転駆動される。
【００２２】
撹拌装置２３は、土圧式シールド機１の中心軸と同心で、かつ異なる径の３つの円周上にそれぞれ周方向に所定の間隔で配置され、チャンバー１９内に突出するように、カッター１１の背面側に複数台設けられている。
【００２３】
固定翼２４は、土圧式シールド機１の中心軸と同心で、かつ異なる径の３つの円周上にそれぞれ周方向に所定の間隔で配置され、チャンバー１９内に突出するように、隔壁１７の前面側に複数台設けられている。
【００２４】
測定装置２５は、掘削土砂の流動方向と対向するように配置される板状の回転板３１と、回転板３１を駆動するためのモータ３３と、モータ３３の駆動力を回転板３１に伝達するロッド３５と、モータ３３の電流値を測定するための電流測定器３７と、回転板３１の回転角度を検出するための角度検出器３９と、回転板３１を土圧式シールド機１の中心軸方向に移動可能にするためのシリンダ４１とを備える。この測定装置２５は、土圧式シールド機１の中心軸と同心円上で、周方向に所定の間隔で複数台配置され、攪拌装置２３及びアジテータ２７との相互干渉を避ける位置に設けられる。なお、本実施形態においては、測定装置２５は、土圧式シールド機１の中心軸と同心円上で、周方向に所定の間隔で設置する方法について説明したが、この位置に限定されるものではなく、任意の位置に設置することが可能である。
【００２５】
測定装置２５の回転板３１は長方形状の平板であって、平板状の主面がチャンバ内で流動する掘削土砂の流動方向と対向するように配置される。そして、チャンバー１９内で掘削土砂が流動すると、回転板３１の主面は土圧式シールド機１の中心軸と平行な軸線回りに回転する。
【００２６】
図３は、本実施形態に係る土圧式シールド機１の仕様を決定するための手順を示すフロー図である。また、図４は、本実施形態に係る地盤の粒度曲線を示す図である。  
図３のＳ１０において、土圧式シールド機１にて地盤を掘削する際の掘進条件及び土質条件等を設定する。本実施形態においては、例えば、図４に示すような粒度曲線を有する地盤を掘削する。  
そして、図３のＳ１２において、撹拌機構の仕様を設定する。本実施形態においては、図１に示すように、ＣＡＳＥ１のチャンバー１９内には、カッター１１、撹拌装置２３、固定翼２４、アジテータ２７が設けられる。
【００２７】
図５は、本実施形態に係るＣＡＳＥ１のチャンバー１９内をモデル化した図である。図３のＳ２０において、上述した非特許文献２及び３に開示されている方法にて、図５に示すように、ＣＡＳＥ１のチャンバー１９内をモデル化する。
【００２８】
図６は、本実施形態に係る流動解析の入力条件を示す図である。図３のＳ２２において、モデル化したモデル及び入力条件（後に示す）に基づいて、上述した非特許文献２及び３に開示されている方法にて掘削土砂の流動解析を行い、流速及びずり速度をシミュレーションする。
【００２９】
流動解析に用いる基礎方程式は、チャンバー１９内の掘削土砂を地山の土砂と加泥（気泡）材とから構成される流体と仮定し、密度成層を考慮した非圧縮ナビエ・ストークス方程式を用いた。また、カッター１１の回転などの複雑な移動境界部分には動的マルチブロック法を適用した。
【００３０】
本実施形態において、流動解析の入力条件は、図６に示すように、例えば、アジテータ２７の回転数は１．３６５ｒｐｍ、カッター１１の回転数は０．４６ｒｐｍ、土圧式シールド機１の掘進速度は２０ｍｍ／ｍｉｎである。さらに、流動解析の入力条件として、地山密度と加泥（気泡）材密度の体積占有率比により算出される流体密度、各土質における粘度式等も入力する。
【００３１】
図７、図８は、本実施形態に係るすべてのＣＡＳＥのチャンバー１９内における掘削土砂の流速分布図、ずり速度分布図である。図７及び図８は、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍における解析結果である。本実施形態において、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍とは、それぞれ隔壁１７から、例えば、１．７ｍ、０．９ｍ、０．４５ｍ前方の位置とする。
【００３２】
図３のＳ３４において、流速及びずり速度を図７、図８に示すように可視化する。流速はベクトル表示され、矢印の長さ、方向により、それぞれ掘削土砂の流動する流速、流向が表示される。また、ずり速度はスカラー表示され、色の濃淡により、速度の大きさが表示される。
【００３３】
チャンバー１９内の掘削土砂には、カッター１１の回転により流速が与えられるとともに、撹拌装置２３及びアジテータ２７等によりずり応力が生じる。チャンバー１９内の掘削土砂が塑性流動状態である場合は、ずり応力が生じる際に、ずり速度が発生すると推測される。
【００３４】
図７のＣＡＳＥ１、図８のＣＡＳＥ１に示すように、本実施形態においては、横断方向において、流速及びずり速度の分布は、土圧式シールド機１の外周付近とアジテータ２７周辺と回転軸１５付近とでは一様にならず、それぞれ異なる状態が確認される。また、縦断方向においても、流速及びずり速度の分布は、カッターフェース近傍とチャンバー１９中央付近と隔壁１７近傍付近とでは、一様にならず、それぞれ異なる状態が確認される。
【００３５】
図９は、本実施形態に係る掘削土砂の流動状態を示す図である。図９に示すように、流速とずり速度との関係に着目してチャンバー１９内の掘削土砂の流動状態を分類すると、Ｉの領域は、適切な流速及びずり速度が得られているために、チャンバー１９内の掘削土砂は塑性流動化していると推測される。また、IIの領域は、流速が小さく、かつ、ずり速度も小さいために、チャンバー１９内の掘削土砂は、塑性流動化していない状態、又は、掘削土砂が滞留し、攪拌されにくい状態であると推測される。そして、IIIの領域は、流速が小さく、かつ、ずり速度が大きいために、チャンバー１９内の掘削土砂は、流動性が非常に高い状態であると推測される。IVの領域は、流速が大きく、かつ、ずり速度が小さいために、チャンバー１９内の掘削土砂は、塑性流動化していない状態、又は、攪拌効果が少ない箇所であると推測される。
【００３６】
図１０、図１１、図１２は、それぞれ本実施形態に係るカッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍の掘削土砂の流動状態を示す図であり、縦軸は流速、横軸は対数表示したずり速度である。また、横断方向の領域を（１）アジテータ２７領域（０〜１／３Ｒ 、Ｒはシールド半径とする）、（２）カッター支持部（１／３Ｒ〜２／３Ｒ）、（３）外周部（２／３Ｒ〜１Ｒ）の３つに区分して、流速とずり速度との関係を示した。
【００３７】
図３のＳ３６において、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍における流速とずり速度との関係をそれぞれ評価する。図１０〜図１２に示すように、カッターフェース付近よりもチャンバー１９中央付近が、また、チャンバー１９中央付近よりも隔壁１７近傍が流速とずり速度との関係はグラフ中央付近に推移している。これは、掘削土砂がカッターフェース近傍から隔壁１７近傍に移動すると、撹拌装置２３及びアジテータ２７の効果により塑性流動化している状態である。また、実施工において、排土状況が良好で切羽の安定が図れていたことを考慮すると、本流動解析結果はチャンバー１９内の土砂が適切に塑性流動化している場合をシミュレーションしており、解析精度が高いことを示している。
【００３８】
次に、チャンバー１９内の撹拌機構の仕様をＣＡＳＥ２に変更した場合について説明する。  
図１３は、本実施形態に係るＣＡＳＥ２の土圧式シールド機１の断面図である。図３のＳ１２において、図１３に示すように、ＣＡＳＥ２のチャンバー１９内には、カッター１１、撹拌装置２３、固定翼２４が設けられる。  
図１４は、本実施形態に係るＣＡＳＥ２のチャンバー１９内をモデル化した図である。図１４に示すように、再び、図３のＳ２０において、ＣＡＳＥ１の場合と同様にＣＡＳＥ２の土圧式シールド機１のチャンバー１９内をモデル化する。
【００３９】
そして、再び、図３のＳ２２において、ＣＡＳＥ２のモデル及びＣＡＳＥ１と同様の入力条件に基づいて、流動解析を行い、流速及びずり速度をシミュレーションする。  
それから、再び、図３のＳ３４において、流速及びずり速度を図７のＣＡＳＥ２、図８のＣＡＳＥ２に示すように可視化する。  
そして、再び、図３のＳ３６において、ＣＡＳＥ２の場合においてもＣＡＳＥ１の場合と同様に、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍における流速とずり速度との関係をそれぞれ評価し（図示しない）、塑性流動状態を確認する。
【００４０】
次に、チャンバー１９内の撹拌機構の仕様をＣＡＳＥ３に変更した場合について説明する。  
図１５は、本実施形態に係るＣＡＳＥ３の土圧式シールド機１の断面図、図１６は、図１５のＢ−Ｂ’矢視図である。  
図３のＳ１２において、図１５及び図１６に示すように、ＣＡＳＥ３のチャンバー１９内には、カッター１１、撹拌装置２３が設けられる。
【００４１】
図１７は、本実施形態に係るＣＡＳＥ３のチャンバー１９内をモデル化した図である。図１７に示すように、再び、図３のＳ２０において、ＣＡＳＥ１の場合と同様にＣＡＳＥ３の土圧式シールド機１のチャンバー１９内をモデル化する。
【００４２】
そして、再び、図３のＳ２２において、ＣＡＳＥ３のモデル、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ２と同様の入力条件に基づいて、流動解析を行い、流速及びずり速度をシミュレーションする。  
それから、再び、図３のＳ３４において、流速及びずり速度を図７のＣＡＳＥ３、図８のＣＡＳＥ３に示すように可視化する。  
そして、再び、図３のＳ３６において、ＣＡＳＥ３の場合においてもＣＡＳＥ１、２の場合と同様に、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍における流速とずり速度との関係をそれぞれ評価し（図示しない）、塑性流動状態を確認する。
【００４３】
最後に、チャンバー１９内の撹拌機構の仕様をＣＡＳＥ４に変更した場合について説明する。  
図１８は、本実施形態に係るＣＡＳＥ４の土圧式シールド機１の断面図、図１９は、図１８のＣ−Ｃ’矢視図である。  
図３のＳ１２において、図１８及び図１９に示すように、ＣＡＳＥ４のチャンバー１９内には、カッター１１のみが設けられる。  
図２０は、本実施形態に係るＣＡＳＥ４のチャンバー１９内をモデル化した図である。図２０に示すように、再び、図３のＳ２０において、ＣＡＳＥ１の場合と同様にＣＡＳＥ４の土圧式シールド機１のチャンバー１９内をモデル化する。
【００４４】
そして、再び、図３のＳ２２において、ＣＡＳＥ４のモデル、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ２とＣＡＳＥ３と同様の入力条件に基づいて、流動解析を行い、流速及びずり速度をシミュレーションする。  
それから、再び、図３のＳ３４において、流速及びずり速度を図７のＣＡＳＥ４、図８のＣＡＳＥ４に示すように可視化する。  
そして、再び、図３のＳ３６において、ＣＡＳＥ４の場合においてもＣＡＳＥ１〜３の場合と同様に、カッターフェース近傍、チャンバー１９中央付近、隔壁１７近傍における流速とずり速度との関係をそれぞれ評価し（図示しない）、塑性流動状態を確認する。
【００４５】
これらのＣＡＳＥ１〜４の塑性流動状態をそれぞれ確認する際に、流速とずり速度との関係が上述したＩの範囲に入り、塑性流動状態が適切な場合のＣＡＳＥのみの塑性流動状態を図３のＳ４０において比較する。
【００４６】
そして、適正な塑性流動状態同士を比較した中で掘進に最適な塑性流動状態を選択し、この塑性流動状態における撹拌機構の仕様を決定する。本実施形態においては、例えば、ＣＡＳＥ１のチャンバー１９内にカッター１１、撹拌装置２３、固定翼２４、アジテータ２７を設けた撹拌機構を選択する。  
この選択した撹拌機構の仕様を満たすように、図３のＳ４２において、例えば、土圧式シールド機１のカッター１１の必要トルク、該トルクを出力するためのモータの選定、アジテータ２７用モータの選定、チャンバー１９周囲のシール構造等の土圧式シールド機１に関する設計を行う。
【００４７】
以上説明した本実施形態における土圧式シールド機１の設計方法によれば、土圧式シールド機１のチャンバー１９内の仕様に基づいた掘削土砂の塑性流動状態を把握することが可能となる。そして、そして、適切な塑性流動状態となるチャンバー１９内の仕様に基づいて土圧式シールド機１を設計することにより、トンネル掘削時にチャンバー１９内を確実に塑性流動状態にすることが可能となる。
【００４８】
また、複数の適切な塑性流動状態同士を比較し、この中から掘進に最適なチャンバー１９内の仕様を選択することが可能となる。そして、この最適なチャンバー１９内の仕様を満たす土圧式シールド機１を設計することにより、大、中断面でも土圧式シールド機１にて切羽を安定させた状態で安全に掘削することが可能となる。さらに、円形断面だけでなく、例えば、矩形等の円形以外の断面も掘削することが可能となる。
【００４９】
そして、塑性流動状態を確認した後にチャンバー１９内の仕様を変更することができるために、流動解析結果をチャンバー１９内の仕様の変更にフィードバックすることが可能となる。
【００５０】
さらに、流速とずり速度との関係が図表にて評価されるために、流速とずり速度との関係が所定の範囲内に入っているか否かを容易に判定することが可能となる。したがって、土圧式シールド工法に熟練した者でなくても判定をすることが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、チャンバー１９内の仕様の設定において、撹拌機構の撹拌装置２３、固定翼２４、アジテータ２７を用いる方法について説明したが、チャンバー１９内に設けられる機器類についてはこれらに限定されるものではなく、例えば、排土機構等の他の機器類を設置することが可能である。そして、チャンバー１９内に設けられた機器類すべてにおいて塑性流動状態に関する影響を確認することが可能である。さらに、排土機構２１についても流動解析をする場合においては、排土機構の径、設置位置、設置台数等について仕様を設定することが可能である。
【００５２】
なお、本実施形態においては、土圧式シールド機１を設計するために、チャンバー１９内の塑性流動状態を解析し、流速及びずり速度をシミュレーションする方法について説明したが、これに限定されるものではなく、チャンバー内の流動状態を解析し、流速をシミュレーションして切羽全面に泥水圧を加圧して地盤を掘削するための泥水式シールド機を設計することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るＣＡＳＥ１の土圧式シールド機の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’矢視図である。
【図３】本実施形態に係る土圧式シールド機の仕様を決定するための手順を示すフロー図である。
【図４】本実施形態に係る地盤の粒度曲線を示す図である。
【図５】本実施形態に係るＣＡＳＥ１のチャンバー内をモデル化した図である。
【図６】本実施形態に係る流動解析の入力条件を示す図である。
【図７】本実施形態に係るすべてのＣＡＳＥのチャンバー内における掘削土砂の流速分布図である。
【図８】本実施形態に係るすべてのＣＡＳＥのチャンバー内における掘削土砂のずり速度分布図である。
【図９】本実施形態に係る掘削土砂の流動状態を示す図である。
【図１０】本実施形態に係るカッターフェース近傍の流動状態を示す図である。
【図１１】本実施形態に係るチャンバー中央付近の流動状態を示す図である。
【図１２】本実施形態に係る隔壁近傍の流動状態を示す図である。
【図１３】本実施形態に係るＣＡＳＥ２の土圧式シールド機の断面図である。
【図１４】本実施形態に係るＣＡＳＥ２のチャンバー内をモデル化した図である。
【図１５】本実施形態に係るＣＡＳＥ３の土圧式シールド機の断面図である。
【図１６】図１５のＢ−Ｂ’矢視図である。
【図１７】本実施形態に係るＣＡＳＥ３のチャンバー内をモデル化した図である。
【図１８】本実施形態に係るＣＡＳＥ４の土圧式シールド機の断面図である。
【図１９】図１８のＣ−Ｃ’矢視図である。
【図２０】本実施形態に係るＣＡＳＥ４のチャンバー内をモデル化した図である。
【図２１】掘削土砂の塑性流動状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  土圧式シールド機
３  フード部
５  ガーダー部
９  スキンプレート
１１  カッター
１３  駆動源
１５  回転軸
１７  隔壁
１９  チャンバー
２１  排土機構
２３  撹拌装置
２４  固定翼
２５  測定装置
２７  アジテータ
２９  駆動モータ
３１  回転板
３３  モータ
３５  ロッド
３７  電流測定器
３９  角度検出器
４１  シリンダ
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図７】
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【図８】
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