要素実験によるミックスシールドのチャンバー圧・液面制御に関する研究

長岡技術科学大学 地盤工学研究室 大森 絵美
指導教官 杉本 光隆

1．はじめに近年，従来の泥水による制御に加えてカッターチャンバーの坑内側にもう一つのエアーチャンバーを設け，この上部にエアーを導入して空気層を形成し，この空気圧を制御することにより，泥水式シールドの切羽水圧の安定をより高度に制御する方式が採用されつつある．
この空気圧制御併用の方式は，空気圧の制御と送・排泥流量による液面高さの制御により，地山側の圧力変動による切羽水圧の変動を空気の圧縮
図-1

実験装置フロー図性を利用してより緩和しようとするものである．
2．研究の目的

表-1
分類
検討

実験結果
Case1

Case2

項目
制御方式

単位

ケース 送排気系
統系統

－

1kPa
kPa
mm
mm

100－－－
0.403-5411－－0.502-6939－－

100
200-103430.391-2010-264
1740.579-2217-40623m /min －kPa-26kPa
30liter
110－-59209

本研究では，実験により空気併用方式の特徴・従来方式 空気併用方式制御方法を把握し，空気併用方式の実機への適用を図ることを目的とする．

σ faceσ air

3.実験条件3.1 実験装置と実験の概略

地山崩壊
（少量）

本実験の位置づけは，小口径の泥水式シールドを想定した実大実験とする．本実験で得られた空気併用方式の特徴・制御方法は定式化できるので，大口径の泥水式シールドにも適用可能と考えられ地山崩壊（大量）る．また，泥水式シールドにおける従来方式の切羽圧管理方法は確立していること，空気併用方式による切羽圧管理の課題は送排気関係であることから，本実験では，泥水の替わりに水を用いるこ閉塞
ｷｬﾋﾞﾃｰｼｮﾝととした．
実験装置は，泥水式シールドにおける切羽圧管最終理として，従来方式と空気併用方式の両方を適用

h min
h maxq in max
Min0Max0h minh max
q in max
Min0Max0h minh max
q in max
Min0Max0Vqm3/min
kPakPammmmm3/min
kPa
kPammmm式と比較して，空気併用方式の特徴・制御方法できる仕様とした．図-1 に実験装置フロー図を示を明らかす．にするため，制御方式を実験因子とした．
3.2 実験因子2）想定事象1）制御方式
想定事象は，定常状態，地山崩壊（少量），地山空気併用方式の空気圧の制御方法については，崩壊（大量），閉塞キャビテーションの 4 つとした．
送気・排気の流量，供給空気圧の設定，その制①定常状態は，切羽水圧一定を想定するとともに，御方法等，未知の部分が多い．そこで，従来方実現場と同様に，バイパス還流から切羽還流への切替え，切羽還流からバイパス還流への切替えもプの速度指令・電流・回転数・運転状況，バイパ考慮することとした．

スバルブの開指令・開閉状況②地山崩壊（小量）は，切羽で地山が崩壊し，切3)送排気関係：コンプレッサー圧，レシーバタン

羽水圧 100kPa で，切羽水圧が 16.7kPa 程度減少す

ク圧ることを想定した．

4)地山崩壊，閉塞キャビテーション：キャビテー③地山崩壊（大量）は，切羽で地山が大きく崩壊

ション発生バルブの開度・開閉状況，放出水量．

し，切羽水圧 100kPa で，切羽水圧が 35～40kPa

放出水量は手動で，その他の計測項目は中央操作程度減少することを想定した．

盤に設置したデータロガーで自動計測した．

④閉塞キャビテーション：排泥管が閉塞し，切羽6.実験結果
実験因子がチャンバー圧σchamber へ与える影響の水圧が急上昇する場合を想定した．
3.3 実験ケース

メカニズムを検討するため，CCV 開度，チャンバ

本報告では，実験因子の想定事象として，「定常ー圧σchamber，供給空気圧σair，チャンバー水位 h，状態→地山崩壊（少量）→地山崩壊（大量）→閉P 速度指令，P 回転数，送排泥流量 qin，qout，注入塞キャビテーション→定常状態」を連続的に発生

水量 Vq の時系列データを図-2 に示す．また，チさせた従来方式(Case1)と空気併用方式(Case2)の 2

ャンバー最低水位 hmin，最高水位 hmax，最大送泥ケースを示す．

流量 qinmax，チャンバー最小圧変化 Min0，最大圧

4.実験方法変化 Max0，最終注入水量 Vq を表-1 に示す．

1）従来方式6.1 従来方式

従来方式は，メインチャンバーとエアーチャン

1）地山崩壊バーを満水として，通常の泥水式シールドと同様チャンバーから外部に排水が開始されると，2に，切羽水圧（メインチャンバー圧）（PT1）が所秒遅れて，チャンバー圧σchamber が減少し出し，同定の圧力となるように送泥ポンプ（P1）の送泥流時に，送泥流量 qin が増加を開始する．その後，安量，排泥ポンプ（P2）の排泥流量を制御した．

定した制御がなされ，排泥が停止された後，σchamber2）空気併用方式が設定切羽水圧σface に復するまでに要した時間は，空気併用方式は，メインチャンバーを満水とし， 地山崩壊（少量），（大量）で，それぞれ，6 秒，5エアーチャンバーの上半部をエアーで満たして，秒であった．この後，σchamber が最大圧を示した後，切羽水圧（PT1）が所定の圧力となるように，送設定切羽水圧σface に復した．この間，P1 速度指令

気管のエアー減圧調整バルブ（RCV）を所定圧力は 100%以下で，注入水量 Vq は合計 103 litter とな（切羽水圧）に設定し，送気管のエアー調整バルった．

ブ（ACV）により送気量を制御した．さらに，液2)

面 水 位 が 所定 の 位 置とな る よ う に送 泥 ポ ンプ

閉塞キャビテーション
チャンバーからの排泥流量 qout が減少し始めて（P1）の送泥流量を制御した．

から，3 秒遅れて，チャンバー圧σchamber が増加し5.計測項目出し，同時に，送泥流量 qin，排泥流量 qout が減少

1)チャンバー関係：メインチャンバー圧，エアーを開始する．その後，qin，qout はともに 0.03m3/min

チャンバー圧，エアーチャンバー水位．
（以後，メとなり，安定した制御がなされ，キャビテーショインチャンバー圧をチャンバー圧，エアーチャンンが停止された後，σchamber がσface に復するまでにバー水位をチャンバー水位と呼ぶ）

要した時間は 2 秒であった．この後，σchamber が最2)送排泥関係：送泥・排泥流量，送泥・排泥ポン小圧を示した後，設定切羽水圧σface に復した．この間，P1 速度指令は 100%以下で，P2 速度指令はンバー水位＜設定値となる．数秒後に，送泥流量100%で，注入水量 Vq は漸増し，最終的には合計送泥流量 qin＞排泥流量 qout となって，qin が急増し，110 litter となった．P2 速度指令 100%に対して，注入水量 Vq が増加に転じ，チャンバー水位は設定

qout≒0 となったのは，排泥管のキャビテーション値に復する．

発生バルブの開度を 15%として排泥管を閉塞した②チャンバー圧：閉塞キャビテーション開始数秒

結果，qin=0 となった．

後に，チャンバー圧σchamber は最大値を取るが，す6.2 空気併用方式

ぐに，σchamber≒σface となり，閉塞キャビテーショ

1）地山崩壊ン終了後，チャンバー水位が最小値を取る前に，①チャンバー水位：チャンバーから外部に排水がチャンバー圧σchamber は最小値を取る．その後，す開始されると，チャンバー水位が減少し，それにぐに，σchamber≒σface となる．

伴い，送泥流量 qin が急増し，注入水量 Vq が増加

6.3 従来方式と空気併用方式の比較する．この結果，チャンバー水位が増加に転ずる

1)地山崩壊：従来方式より空気併用方式の方が，と，送泥流量 qin は漸減し，チャンバー最高水位

チャンバー最小圧が大きく（最小圧偏差＞0），最＞設定値となる．この後，送泥流量 qin＜排泥流量大圧は小さく（最大圧偏差＜0），その結果，チャqout となって，注入水量 Vq が減少し，緩やかにチンバー圧力差は小さく（圧力差偏差＜0）なった．

ャンバー水位は設定値に収束する．なお，地山崩

この傾向は，地山崩壊（大量）の方が大きい．

壊（大量）の場合には，P1 速度指令が 100%とな

2)閉塞キャビテーション：地山崩壊と同様に，従り，送泥流量 qin は P1 ポンプの定格 0.6m3/min に来方式より空気併用方式の方がチャンバー最大圧近づく．

が小さく，最小圧は大きく，その結果，チャンバ②チャンバー圧：チャンバーから外部に排水が開ー圧力差は小さくなった．

始されると，チャンバー水位の減少に伴い，チャ7.考察ンバー圧σchamber も減少する．その後，送気により，従来方式と空気併用方式のチャンバー圧制御メ

チャンバー水位＜設定値で， σchamber＝σface となっカニズムは以下のように考えられる．

た後，チャンバー水位の増加に伴い，チャンバー

1)地山崩壊圧最大値＞σface となる．さらに，排気により，チ従来方式：チャンバーから外部に排水すると，

ャンバー水位＞設定値で，σchamber＝σface に収束す

泥水の体積減少 ∆V に伴い，σchamber が減少する．

る．

σchamber 減少を検知し，送泥ポンプ P1 へ指令（P1③供給空気圧（レシーバタンク圧）：供給空気圧

速度指令）を出し，P1 の回転数（P1 回転数）をσair は，チャンバー圧σchamber の減少に少し遅れて上げ，送泥流量 qin を増加させる．その結果，注入減少し出し，σchambe が増加に転じてから最小値を水量 Vq が増加する．これによって，σchamber を増取り，その後，設定供給空気圧σair に復する．

加させ，σchamber がσface に復するように制御する．

2）閉塞キャビテーション

空気併用方式：チャンバーから外部に排水すると，①チャンバー水位：閉塞キャビテーション開始に

泥水の体積減少 ∆V に伴い，チャンバー水位 h がより，チャンバー水位は増加するが，送泥流量 qin低下する．これに伴い，エアーチャンバーの空気が急減し，0≒送泥流量 qin＜排泥流量 qout となっが膨張し，σchamber が減少する．h 低下を検知し，て，注入水量 Vq が減少し，チャンバー水位は漸減

送泥ポンプ P1 へ指令を出し，P1 の回転数を上げ，する．閉塞キャビテーション終了後，排泥流量 qout

送泥流量 qin を増加させる．その結果，注入水量＝設定値となり，チャンバー水位は急減し，チャVq が増加する．これによって，h を上昇させ，hが設定値に復するように制御する． σchamber＞設の回転数（P2 回転数）を上げ，排泥流量 qout を増定切羽水圧σface となった場合には，排気流量が増加させる．これによって，σchamber を減少させ，σ加し，σchamber＝σface に収束する．

chamber が2)閉塞キャビテーション
従来方式：キャビテーションバルブ（CCV2）σface に復するように制御する．

空気併用方式：地山崩壊とほぼ同様．
8.まとめを所定の開度，設定時間で閉め，チャンバーから従来方式と空気併用方式による地山崩壊，閉塞の排泥流量を減少させる．その結果，σchamber が増キャビテーションの制御メカニズムを明らかにす

加すると，送泥ポンプ P1 へ指令を出し，P1 の回るとともに，従来方式より空気併用方式の方がチ転数を下げ，送泥流量 qin を減少させるとともに， ャンバー圧変動抑制効果が大きいことを確認した．
排泥ポンプ P2 へ指令（P2 速度指令）を出し，P2

ｴｱﾁｬﾝﾊﾞｰ水位(mm) エア供給圧(kPa)

チャンバ圧(kPa)

CCV開度(%)

100
CCV0CCV2806040200300
250200150
100500800

メインチャンバ
エアチャンバ

レシーバタンク
600
400
2000400
超音波水位計200
電極式水位計0-200

P速度指令(%)-400
100
P1P280604020P回転数(rpm)

02000
P1
P2

1500
1000
500

注入水量(L)流量(m3/min)

01.0
送泥流量
排泥流量

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
300
250
200
150
100
500

注入水量

030 60 90 120 150 180 210 240 270 300 030 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Time(sec)

Time(sec)

Case1

Case2

従来方式
切羽水圧100kPa

図-2

空気併用方式
切羽水圧100kPa
供給空気圧200kPa

計測データの時系列変化