特開 2016-69822 シールド掘進機の掘削土砂密度計測方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-69822(P2016-69822A)

(43)【公開日】2016年5月9日

(54)【発明の名称】シールド掘進機の掘削土砂密度計測方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/13 20060101AFI20160404BHJP

   E21D 9/06 20060101ALI20160404BHJP

   E21D 9/12 20060101ALI20160404BHJP

【ＦＩ】

   E21D9/06 301T

   E21D9/06 301P

   E21D9/12 J

   E21D9/12 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-197206(P2014-197206)

(22)【出願日】2014年9月26日

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391004791

【氏名又は名称】カジマメカトロエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110711

【弁理士】

【氏名又は名称】市東 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100078798

【弁理士】

【氏名又は名称】市東 禮次郎

(72)【発明者】

【氏名】沼宮内 克己

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 寛昌

(72)【発明者】

【氏名】長津 浩太良

(72)【発明者】

【氏名】福田 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】菅野 雄彦

(72)【発明者】

【氏名】中津留 寛介

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 聡

(72)【発明者】

【氏名】天野 潤

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AC04

2D054BA04

2D054DA03

2D054GA12

2D054GA25

2D054GA42

2D054GA52

2D054GA58

2D054GA68

2D054GA89

2D054GA92

2D054GA93

2D054GA95

(57)【要約】

【課題】強力なガンマ線を用いることなくシールド掘進機の掘削直後の掘削土砂の密度を連続的に計測できる方法及び装置を提供する。
【解決手段】シールド掘進機１の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体１４ａ又は１１に貫通孔２９を穿ち，貫通孔２９の反対側面周囲に一端を密着させてシリンダ２１を取り付け，シリンダ２１内に貫通孔２９を塞止するピストン２２を他端側から嵌合させると共にシリンダ２１の外周面にシリンダ２１内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計２３を装着し，ピストン２３の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値により貫通孔２９からシリンダ２１内に吐出された掘削土砂Ｅの密度を計測する。好ましくは，ピストン２３の押し操作により密度計測後の掘削土砂Ｅを貫通孔２９へ戻し，ピストン２２の引き操作と押し操作とを繰り返してピストン２２の複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値により掘削土砂Ｅの密度を求める。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド掘進機の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体に貫通孔を穿ち，前記貫通孔の反対側面周囲に一端を密着させてシリンダを取り付け，前記シリンダ内に貫通孔を塞止するピストンを他端側から嵌合させると共にシリンダ外周面にシリンダ内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計を装着し，前記ピストンの引き操作時のガンマ線密度計の出力値により貫通孔からシリンダ内に吐出された掘削土砂の密度を計測してなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法。

【請求項2】

請求項１の方法において，前記ピストンの押し操作により密度計測後の掘削土砂を貫通孔へ戻してなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法。

【請求項3】

請求項１又は２の方法において，前記ピストンの引き操作と押し操作とを繰り返し，前記ピストンの複数回の引き操作時のガンマ線密度計の出力平均値により掘削土砂の密度を求めてなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法。

【請求項4】

請求項１から３の何れかの方法において，前記壁体を，前記シールド掘進機の掘削土砂を充満させるカッターチャンバーの後方隔壁，又は前記カッターチャンバーから掘削土砂を排出するスクリューコンベアの管壁，又は前記シールド掘進機の切羽面に配置したスポークの中空周壁としてなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法。

【請求項5】

シールド掘進機の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体に穿った貫通孔の反対側面周囲に一端を密着させて取り付けるシリンダ，前記シリンダ内に他端側から嵌合させて貫通孔を塞止するピストン，及び前記シリンダ外周面に装着してシリンダ内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計を備え，前記ピストンの引き操作時のガンマ線密度計の出力値によりシリンダ内に吐出した掘削土砂の密度を計測してなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置。

【請求項6】

請求項５の装置において，前記ピストンの引き操作及び押し操作を駆動するアクチュエータと，前記アクチュエータ及びガンマ線密度計に接続されてアクチュエータによるピストンの引き操作時のガンマ線密度計の出力値により掘削土砂の密度を求める演算手段とを設けてなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置。

【請求項7】

請求項５の装置において，前記アクチュエータによりピストンの引き操作と押し操作とを繰り返し，前記演算手段によりピストンの複数回の引き操作時のガンマ線密度計の出力平均値により掘削土砂の密度を求めてなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置。

【請求項8】

請求項６又は７の装置において，前記壁体に穿った複数の貫通孔にそれぞれ取り付ける複数のシリンダと各シリンダに装着するピストン及びガンマ線密度計とを設け，前記演算手段により複数の貫通孔における密度計測値から掘削土砂の密度を算出してなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置。

【請求項9】

請求項５から８の何れかの装置において，前記壁体を，前記シールド掘進機の掘削土砂を充満させるカッターチャンバーの後方隔壁，又は前記カッターチャンバーから掘削土砂を排出するスクリューコンベアの管壁，又は前記シールド掘進機の切羽面に配置したスポークの中空周壁としてなるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法及び装置に関し，とくに土圧式ないし泥土圧式シールド掘進機の掘削土砂の密度をガンマ線密度計で計測する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

土圧式のシールド掘進機１は，図４（Ａ）に示すように切羽面２の背後に後方隔壁１１で区画されたカッターチャンバー１０を設け，図４（Ｂ）に示すように切羽面２のカッタービット６で掘削した土砂Ｅをカッタースリット７からカッターチャンバー１０内に取り込んで充満させることにより，切羽面前方の土圧及び地下水圧を抑えながら掘進する（非特許文献１参照）。隔壁１１の後方下部にはカッターチャンバー１０の一端を接続し，掘進に応じて増えるカッターチャンバー１０内の掘削土砂Ｅをスクリューコンベア１４によって隔壁１１の後方のテール部へ順次排出するが，スクリューコンベア１４のモータ（図示せず）の回転数を制御してカッターチャンバー１０及びスクリューコンベア１４の内部に絶えず掘削土砂Ｅを充満させることにより，切羽面前方の土水が機内へ流入するのを防ぐことができる。図中の符号９はシールド掘進機１の周壁であるスキンプレートを示し，符号１９はスキンプレート９のテール部の内周面に組み立てる円筒状のセグメントを示す。

【0003】

図４の実施例は，カッターチャンバー１０の掘削土砂Ｅに添加剤（ベントナイト等）Ｄを注入して練り混ぜて混合泥土とし，その混合泥土をカッターチャンバー１０及びスクリューコンベア１４の内部に充満させる泥土圧式シールド工法を示している。掘削土砂Ｅを添加剤Ｄと練り混ぜて不透水化及び塑性流動化された混合粘土へと変換することにより，土圧式シールドの適用範囲を広げることができる（非特許文献１参照）。図中の符号１２は，カッターチャンバー１０に添加剤Ｄを注入する注入口を示す。

【0004】

土圧式ないし泥土圧式シールド（以下，両者をまとめて土圧式シールドということがある）は，カッターチャンバー１０に取り込む掘削土量Ｗｓとカッターチャンバー１０から排出する排土量Ｗｄとのバランスが崩れると切羽を安定に維持することができなくなり，地中や地表面に大きな変位や変形を引き起こすおそれがある。理論掘削土量Ｗｓは，例えばシールド掘進機１の切羽断面積Ａｓと掘進速度Ｖｓとから算出できる（Ｗｓ＝Ａｓ・Ｖｓ）。これに対して実排土量Ｗｄは，例えばスクリューコンベア１４の回転数から推定できるが，スクリューコンベア１４の回転数はスクリューコンベア内の充填率や土質（密度など）によって左右されるので精度が低い。このため従来の土圧式シールドでは，図４（Ａ）に示すように，例えばスクリューコンベア１４の後方テール部に排出した排出土砂Ｅを積載する台車（ズリトロ台車）１８ａの重量Ｍｄを排土流量測定器４１で連続的に測定し，数日に１回程度の割合で排出土砂Ｅの密度σｄを排土密度測定器４２で測定し，測定した重量Ｍ及び密度σｄから排土量算出装置５０により排土量Ｗｄ（＝Ｍｄ／σｄ）を算出する土量管理が実施されている。

【0005】

また，図４（Ｃ）に示すように，スクリューコンベア１４の後方に接続した排土ダクト１７に電磁式の排土流量測定器４１とガンマ線透過式の排土密度測定器４３とを取り付け，排土量算出装置５０において流量測定器４１で測定した流量Ｖｄと排土ダクト１７の断面積Ａｓとから排土量Ｗｄ（＝Ｖｄ・Ａｓ）を算出すると共に，密度測定器４３で測定した密度σｄから排土重量Ｍｄ（＝Ｗｄ・σｄ）を算出する土量管理が提案されている（特許文献１及び２，非特許文献２参照）。図４（Ｃ）の排土密度測定器４３の断面図を図４（Ｄ）に示す。図４（Ｄ）に示すガンマ線透過式の密度測定器４３は，ダクトの径を挟んで対向配置されたガンマ線の線源４５及び検出器４６と，それらを覆う遮蔽箱４９とを有し，排土ダクト１７の管壁１７ａに締付ける形で装着される。線源４５の出射するガンマ線の吸収・散乱とその経路上の流体の密度との間には相関関係があるので，検出器４６の出力値（係数率）と掘削土砂Ｅの密度との関係式を予め求めておけば，例えば検出器４６に接続した演算装置４７で掘削土砂Ｅの密度σｄを算出することができる。図中の符号４８は，演算装置４７に接続されたディスプレイ，プリンタ等の表示装置を示す。

【0006】

更に，図４（Ｅ）に示すように，スクリューコンベア１４にガンマ線透過式の排土密度測定器４４を取り付け，排土量算出装置５０において排土ダクト１７上の排土流量測定器４１で測定した流量Ｖｄから排土量Ｗｄを算出すると共に，スクリューコンベア１４上の密度測定器４４で測定した密度σｄから排土重量Ｍｄを算出する土量管理が提案されている（特許文献３参照）。図４（Ｅ）の排土密度測定器４４の断面図を図４（Ｆ）に示す。図４（Ｆ）に示すガンマ線透過式の密度測定器４４は，スクリューコンベア１４のスクリュー羽根１６の外周部分に切欠き部１６ａを形成し，その切欠き部１６ａに埋め込まれたガンマ線の線源４５と，その切欠き部１６ａと対向するスクリューコンベア管壁１４ａの外周面に配置された検出器４６と，検出器４６に接続された演算装置４７とを有する。スクリューコンベア１４は内部に回転軸１５が設けられているが，図４（Ｅ）のような密度測定器４４を用いることにより，スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度σｄを測定することが期待できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１−１４６０９８号公報

【特許文献2】特開平４−０１１１９３号公報

【特許文献3】特開２００１−０９８８９２号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】シールド工法入門編集委員会編「シールド工法入門」社団法人地盤工学会，平成４年９月２０日発行

【非特許文献2】坪井広美ほか「泥土圧シールドにおける掘削土量管理方法」土木学会第５６回年次学術講演会講演概要集，２００１年１０月発行，インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｃｅ．ｏｒ．ｊｐ／ｌｉｂｒａｒｙ／ｏｐｅｎ／ｐｒｏｃ／ｍａｇｌｉｓｔ２／０００３５／２００１／０６／ｍｇ０３．ｈｔｍ）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし，図４（Ａ）のように数日に１回程度の割合で排出土砂Ｅの密度σｄを測定する方法では，排土量Ｗｄないし排土重量Ｍｄ（以下，両者をまとめて排土量Ｗｄということがある）の変動を迅速に把握することは難しい。これに対して，図４（Ｃ）のように密度測定器４３を排土ダクト１７に取り付ける方法によれば，排出土砂Ｅの密度σｄを連続的に測定できるので，排土量Ｗｄの変動を迅速に把握できる。ただし，カッターチャンバー１０内の掘削直後の排出土砂Ｅは地中と同じ応力状態であるのに対し，チャンバー１０から離れた排土ダクト１７後方の排出土砂Ｅは応力から開放されて空気が進入するので，図４（Ｃ）のような排土ダクト１７上の密度測定器４４では，チャンバー１０内の排出土砂Ｅの密度を求められない問題点がある。土圧式シールドの土量管理では，上述したように地山土量と比較可能な排土量Ｗｄを算出する必要があり，そのような排土量Ｗｄを精度よく算出するためには，できるだけ地中と同様の応力状態の掘削土砂Ｅの密度を求めることが重要となる。

【0010】

図４（Ｅ）のように密度測定器４４をスクリューコンベア１４上に取り付ければ，カッターチャンバー１０から排出された直後の掘削土砂Ｅの密度を求めることが期待できる。しかし，図４（Ｅ）の方法は，スクリュー羽根１６に切欠き部１６ａを形成するので，その切欠きによってスクリューコンベア１４の排土効率が低下するおそれ，或いは掘削土砂中の水分が噴発するおそれがある。また，切欠き部１６ａから徐々にスクリュー羽根１６が摩耗して線源４５が露出し，線源４５が破損しやすい問題点がある。更に，切欠き部１６に線源４５を埋め込むため，配線が複雑になるので実装が難しく，配線の破損が生じやすい問題点もある。排土効率の低下や線源４５・配線の破損は測定機能の中断に繋がるので，連続的な測定の妨げとなる。

【0011】

或いは，スクリューコンベア１４は比較的大径（例えばφ＝９０〜１２０ｃｍ）であることも多いが，比較的強力なガンマ線の線源４５を用いた密度測定器４３（図４（Ｄ）参照）をスクリューコンベア１４に取り付けて，カッターチャンバー１０から排出された直後の掘削土砂Ｅの密度を求めることも考えられる。しかし，強力なガンマ線を用いることは作業員の安全上問題があり，作業安全上の対策が別途必要となりうる。シールド掘進機の排土量Ｗｄを迅速に且つ精度よく把握するためには，従来と同程度の強さのガンマ線を用いて，地中ないしカッターチャンバー１０内と同様の応力状態のまま掘削土砂Ｅの密度を連続的に測定できる技術の開発が必要である。

【0012】

そこで本発明の目的は，強力なガンマ線を用いることなくシールド掘進機の掘削直後の掘削土砂の密度を連続的に計測できる方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

図１の実施例を参照するに，本発明によるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法は，シールド掘進機１の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体１４ａ又は１１（例えばスクリューコンベア１４の管壁１４ａ又はカッターチャンバー１０の後方隔壁１１）に貫通孔２９を穿ち（図１（Ｂ）参照），貫通孔２９の反対側面周囲に一端を密着させてシリンダ２１を取り付け，シリンダ２１内に貫通孔２９を塞止するピストン２２を他端側から嵌合させると共にシリンダ２１の外周面にシリンダ２１内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計２３を装着し，ピストン２３の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値により貫通孔２９からシリンダ２１内に吐出された掘削土砂Ｅの密度σｄを計測してなるものである（図１（Ｄ）参照）。

【0014】

また，図１（Ｃ）及び（Ｄ）のブロック図を参照するに，本発明によるシールド掘進機の掘削土砂密度計測装置は，シールド掘進機１の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体１４ａ（スクリューコンベア１４の管壁１４ａ）に穿った貫通孔２９の反対側面周囲に一端を密着させて取り付けるシリンダ２１，シリンダ２１内に他端側から嵌合させて貫通孔２９を塞止するピストン２２，及びシリンダ２１の外周面に装着してシリンダ２１内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計２３を備え，ピストン２３の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値により貫通孔２９からシリンダ２１内に吐出された掘削土砂Ｅの密度σｄを計測してなるものである（図１（Ｄ）参照）。

【0015】

好ましくは，図１（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように，ピストン２２の引き操作及び押し操作を駆動するアクチュエータ３６と，アクチュエータ３６及びガンマ線密度計２３に接続されてアクチュエータ３６によるピストン２２の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値により掘削土砂Ｅの密度σｄを求める演算手段３０とを設ける。望ましくは，ピストン２３の押し操作により密度計測後の掘削土砂Ｅを貫通孔２９へ戻す。アクチュエータ３６によりピストン２２の引き操作と押し操作とを繰り返し，演算手段３０によりピストン２２の複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値により掘削土砂Ｅの密度σｄを求めることができる。

【0016】

更に好ましくは，図１（Ｂ）に示すように，壁体１４ａに穿った複数の貫通孔２９にそれぞれ取り付ける複数のシリンダ２１と各シリンダ２１に装着するピストン２２及びガンマ線密度計２３を設け，演算手段３０により複数の貫通孔２９における密度計測値から掘削土砂Ｅの密度σｄを算出する。本発明は，図１のようなスクリューコンベア１４の管壁１４ａに適用できるほか，図２（Ａ）のようなシールド掘進機１の掘削土砂Ｅを充満させるカッターチャンバー１０の後方隔壁１１に適用することができ，更に図２（Ｂ）及び図３のようなシールド掘進機１の切羽面２に配置したスポーク５の中空周壁５ａに適用することも可能である。

【発明の効果】

【0017】

本発明によるシールド掘進機の掘削土砂密度計測方法及び装置は，シールド掘進機１の掘削土砂圧が片側面に加わる壁体１４ａに穿った貫通孔２９の反対側面周囲にシリンダ２１の一端を密着させて取り付け，シリンダ２１内に貫通孔２９を塞止するピストン２２を他端側から嵌合させると共に，シリンダ２１の外周面にシリンダ２１内の密度を非接触で測定するガンマ線密度計２３を装着し，ピストン２３の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値により貫通孔２９からシリンダ２１内に吐出された掘削土砂Ｅの密度σｄを計測するので，次の効果を奏する。

【0018】

（イ）スクリューコンベア１４の管壁１４ａに貫通孔２９を設けて本発明を適用すれば，スクリューコンベア１４に対してピストン２３の口径を比較的小さくすることができるので，強力なガンマ線を用いることなくスクリューコンベア１４内の掘削直後の掘削土砂の密度を計測することができる。
（ロ）また，通常時はピストン２３の押し操作により貫通孔２９が塞止され，必要時のみピストン２３の引き操作により貫通孔２９を開放して掘削土砂Ｅの密度を計測できるので，スクリューコンベア１４の機能に影響を与えることなく，スクリューコンベア１４内と同様の応力状態の掘削土砂Ｅの密度を計測することができる。
（ハ）また，ピストン２２の引き操作と押し操作とを繰り返することにより，スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度を連続的に計測することができる。
（ニ）スクリューコンベア１４だけでなく，シールド掘進機１のカッターチャンバー１０の後方隔壁１１，又は切羽面２のスポーク５の中空周壁５ａに本発明を適用することにより，地中の又は掘削直後の掘削土砂Ｅの密度を直接的に且つ連続的に計測することも可能である。

【0019】

（ホ）ピストン２３の引き操作時に掘削土砂Ｅのサンプルを貫通孔２９からシリンダ内に吐出させて密度を計測し，ピストン２３の押し操作により密度計測後の掘削土砂Ｅのサンプルを貫通孔２９へ戻すことができるので，測定サンプルの廃棄処分等が不要である。
（ヘ）掘削土砂Ｅの一部分のサンプルから密度を計測するため，掘削土砂Ｅの全体にバラツキのあると全体の密度との誤差が大きくなりうるが，ピストン２２の複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値を求めることにより，全体の密度との誤差を小さく抑えることが期待できる。
（ト）更に，壁体１４ａに穿った複数の貫通孔２９にそれぞれ本発明を適用し，複数の貫通孔２９における密度計測値から掘削土砂Ｅの密度を算出することにより，バラツキのある掘削土砂Ｅの全体の密度を精度よく推定することも期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。

【図1】土圧式シールド掘進機のスクリューコンベアに適用した本発明の掘削土砂密度計測装置の一実施例の説明図である。

【図2】本発明の掘削土砂密度計測装置を土圧式シールド掘進機のカッターチャンバーの後方隔壁に適用した実施例の説明図である。

【図3】本発明の掘削土砂密度計測装置を土圧式シールド掘進機の切羽面のスポーク中空周壁に適用した実施例の説明図である。

【図4】従来の土圧式シールドにおける掘削土砂の密度計測方法の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は，土圧式シールド掘進機１のスクリューコンベア１４の管壁１４ａに適用した本発明の掘削土砂密度計測装置２０の実施例を示す。図１（Ａ）のシールド掘進機１は，図４（Ｂ）の場合と同様に切羽面２のカッタービット６で地山を掘削し，掘削土砂Ｅをカッタースリット７からカッターチャンバー１０内に取り込んで充満させ，必要に応じて添加剤Ｄを注入して練り混ぜて混合泥土とするものである。カッターチャンバー１０内の掘削土砂Ｅは，後方隔壁１１に接続したスクリューコンベア１４に充満させながら順次送り出され，その後方に接続した排土ダクト１７を介して台車（ズリトロ台車）１８ａに搭載して排出される。台車１８ａに代えて，図４（Ｃ）に示すように，排土ダクト１７の後方にベルトコンベア１８ｂを配置して掘削土砂Ｅを排出する場合もある。カッターチャンバー１０及びスクリューコンベア１４に掘削土砂Ｅを充満させて切羽面前方の土圧及び地下水圧に対抗しながら，スキンプレート９のテール部に組み立てたセグメント１９に反力をとって掘進する。

【0022】

図示例の密度計測装置２０は，図１（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように，内周面（片側面）に掘削土砂圧が加わるスクリューコンベア１４（例えばφ＝９０〜１２０ｃｍ）の管壁１４ａに貫通孔２９を設け，その貫通孔２９の外周面（反対側面）の周囲に一端を密着させて取り付けるシリンダ２１と，シリンダ２１内に嵌合させるピストン２２と，シリンダ２１の外周面に装着するガンマ線密度計２３とを有する。管壁１４ａ上の貫通孔２９を設ける位置にとくに制限はないが，カッターチャンバー１０から排出された直後の掘削土砂Ｅの密度σｄを計測するため，できるだけカッターチャンバー１０の後方隔壁１１に近い管壁１４ａ上の部位を選択して貫通孔２９を設けることが望ましい。

【0023】

図示例の貫通孔２９は，スクリューコンベア１４の管壁１４ａに所定径（例えばφ＝２０〜３０ｃｍ）の開口を穿ち，その開口の内縁部を管壁１４ａの外周面側へ折り曲げてフランジ付き立ち上がり部２１ａを形成したものである。必要に応じて，図１（Ｂ）に示すように管壁１４ａに複数の貫通孔２９を設け，そこから選択した任意の又は全ての貫通孔２９に密度計測装置２０を取り付けることができる。

【0024】

図示例のシリンダ２１は，貫通孔２９と同程度の口径（例えばφ＝２０〜３０ｃｍ）であって，貫通孔２９の周囲の立ち上がり部２１ａと，立ち上がり部２１ａの先端に密着して取り付ける中間筒状部２１ｂと，中間筒状部２１ｂの先端に密着して取り付けるピストンロッドカバー部２１ｃとで構成されている。カバー部２１ｃには，ピストン２２のロッドを挿通する摺動孔２１ｄが形成されている。各部分２１ａ，２１ｂ，２１ｃの密着端にそれぞれフランジを設け，必要に応じてガスケット等を挟み込んだうえで，フランジを突き合わせてボルトナットで締めつけて密着させることにより，貫通孔２９の外周面周囲に一端を密着させたシリンダ２１を形成する。ただし，シリンダ２１の構成は図示例に限定されるものではない。

【0025】

図示例のピストン２２は，シリンダ２１の他端側から嵌合して貫通孔２９を塞止するピストンヘッド２２ａと，シリンダ２１のカバー部２１ｃの摺動孔２１ｄに挿通するロッドとを有する。図１（Ｃ）はピストン２３の押し操作時を表し，ピストンヘッド２２ａにより貫通孔２が塞止されることを示す。また，図１（Ｄ）はピストン２２の引き操作時を表し，ピストンヘッド２２ａの撤退位置までスクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅがシリンダ２１内に吐出されることを示す。図示例のシリンダ２１のカバー部２１ｃはピストン２２の撤退位置を規定するリミッタ機能を果たしており，カバー部２１ｃで規定された撤退位置までシリンダ２１を引き込むことによりシリンダ２１の中間筒状部２１ｂに掘削土砂Ｅを充満させることができる。必要に応じて，シリンダ２１の中間筒状部２１ｂに掘削土砂Ｅの未充填部分が生じないように，引き込んだシリンダ２１を若干押し戻して掘削土砂Ｅを押圧してもよい。更に，引き操作に続く押し操作により，シリンダ２１内に吐出された掘削土砂Ｅを貫通孔２９からスクリューコンベア１４内へ戻すことができるので，吐出された掘削土砂Ｅの廃棄処分等は不要である。

【0026】

図示例のガンマ線密度計２３は，図４（Ｄ）の密度測定器４３と同様に，シリンダ２１の径を挟んで対向配置されたガンマ線の線源２６及び検出器２７と，検出器４６の出力値（係数率）から透過経路上の流体の密度を求める演算装置２８とを有し，シリンダ２１の中間筒状部２１ｂの外表面に締付ける形で装着される。検出器４６の出力値（係数率）と掘削土砂Ｅの密度との関係式を予め求めてガンマ線密度計２３に記憶しておけば，シリンダ２１の中間筒状部２１ｂに掘削土砂Ｅを充満させたときの演算装置２８の出力値から掘削土砂Ｅの密度σｄを求めることができる。ガンマ線密度計２３は，後述する演算手段３０に演算装置２８の出力値の信号を送出することができ，演算手段３０を介してディスプレイ，プリンタ等の表示手段３３に演算装置２８の出力値を表示することができる（図１（Ｄ）参照）。

【0027】

好ましくは，図示例の密度計測装置２０のように，ピストン２２の引き操作及び押し操作を自動的に駆動するアクチュエータ３６と，アクチュエータ３６及びガンマ線密度計２３に接続された演算手段３０とを設ける。図示例のアクチュエータ３６は，通常時はピストン２３の押し操作を駆動して貫通孔２９を塞止し，例えばシールド掘進機１の掘削ストローク毎又は一定時間毎にピストン２２の引き操作を一時的に駆動する。また，ピストン２２の操作状態（引き操作状態又は押し操作状態）の信号を演算手段３０に出力する。演算手段３０の一例は，メモリ等である記憶手段３１と内蔵プログラムである密度計測手段３２とが内蔵されたコンピュータである。演算手段３０の密度計測手段３２は，アクチュエータ３６の引き操作信号に基づきシリンダ２１の中間筒状部２１ｂに掘削土砂Ｅが充満していると判断し，その時のガンマ線密度計２３の出力値により掘削土砂Ｅの密度σｄを求める。

【0028】

ただし，図示例のようなアクチュエータ３６及び演算手段３０ｈは本発明の密度計測装置２０にとって必須のものではなく，例えばピストン２２の押し引きを手動で操作し，ピストン２３を手動で引いた時の表示手段３３を読み取ることにより掘削土砂Ｅの密度σｄを求めることができる。通常時はピストン２３の押し操作状態として貫通孔２９を塞止し，必要時のみピストン２３の引き操作により掘削土砂Ｅの密度σｄを求めることにより，スクリューコンベア１４の機能に影響を与えることなく，スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度σｄを把握することができる。また，ピストン２２の引き操作と押し操作とを適宜間隔で繰り返することにより，スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度σｄを連続的に把握することができる。

【0029】

望ましくは，アクチュエータ３６によりピストン２２の引き操作と押し操作とを一定時間おきに繰り返し，演算手段３０によりピストン２２の複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値により掘削土砂Ｅの密度σｄを求める。図示例の密度計測装置２０は，ピストン２２の引き操作によりスクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの一部をシリンダ２１内に吐出して密度を計測するので，スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度分布にバラツキがあると，ガンマ線密度計２３の出力値と掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差が大きくなりうる。このような場合でも，ピストン２２の引き操作及び押し操作を繰り返し，複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値を求めることにより，掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差を小さく抑えることが期待できる。例えば，複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力値を演算手段３０の記憶手段３１に順次記憶しておき，新しいガンマ線密度計２３の出力値を入力したときに，過去の所定回数分の出力値の平均値を求めて表示手段３３へ表示する。

【0030】

更に望ましくは，図１（Ｂ）に示すようにスクリューコンベア１４の管壁１４ａに複数の貫通孔２９を設け，複数の貫通孔２９にそれぞれ取り付けた密度計測装置２０の密度計測値から例えば平均値として掘削土砂Ｅの密度σｄを算出する。スクリューコンベア１４内の掘削土砂Ｅの密度分布にバラツキがある場合に，各貫通孔２９の密度計測装置２０の密度計測値は掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差が大きくなりうるが，複数の貫通孔２９の密度計測装置２０の密度計測値の平均値を求めることにより，掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差を小さく抑えることが期待できる。また，この場合において，各貫通孔２９の密度計測装置２０において複数回の引き操作時の出力平均値から掘削土砂Ｅの密度を計測することにより，掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差を一層小さく抑えることが期待できる。

【0031】

例えば，カッターチャンバー１０内の掘削土砂Ｅに添加剤Ｄとして特殊気泡剤で作られた気泡を注入して混合粘土とする泥土圧式シールド工法（気泡シールド工法）では，チャンバー１０から混合粘土が放出されて減圧されると，空気量が急激に増加して密度が減少する。このため，例えば図４（Ｃ）のようにスクリューコンベア１４から排出後の掘削土砂Ｅの密度を測定する方法では，泡が消えるまで長時間待たなければ掘削土砂Ｅの密度を精度よく求めることは難しい。これに対し本発明によれば，ピストンの押し操作により，スクリューコンベア１４内の応力状態の掘削土砂Ｅの密度σｄを精度よく求めることができ，しかもピストン２２の引き操作と押し操作とを繰り返することで掘削土砂Ｅの密度σｄを連続的に把握することができるので，気泡シールド工法における排土量Ｗｄを精度よく把握することができる。

【0032】

こうして本発明の目的である「強力なガンマ線を用いることなくシールド掘進機の掘削直後の掘削土砂の密度を連続的に計測できる方法及び装置」の提供を達成できる。

【0033】

以上，スクリューコンベア１４の管壁１４ａに密度計測装置２０を適用した実施例について説明したが，図２（Ａ）に示すように，本発明の密度計測装置２０をシールド掘進機１の掘削土砂Ｅを充満させるカッターチャンバー１０の後方隔壁１１に適用し，カッターチャンバー１０内の掘削直後の掘削土砂Ｅの密度を直接的に計測することも可能である。この場合は，片側面（切羽側面）に掘削土砂圧が加わる隔壁１１に貫通孔２９を設け，その貫通孔２９の反対側面の周囲にシリンダ２１の一端を密着させて取り付け，そのシリンダ２１内にピストン２２を嵌合させると共にシリンダ２１の外周面にガンマ線密度計２３を装着する。

【0034】

カッターチャンバー１０の後方隔壁１１に密度計測装置２０を適用した場合も，上述したスクリューコンベア１４に適用した場合と同様に，通常はピストン２３の押し操作により貫通孔２９が塞止し，例えばシールド掘進機１の掘削ストローク毎又は一定時間毎にピストン２２の引き操作を一時的に駆動して掘削土砂Ｅの密度を求めることができる。また，ピストン２２の引き操作と押し操作とを繰り返し，複数回の引き操作時のガンマ線密度計２３の出力平均値から掘削土砂Ｅの密度を求めることにより，カッターチャンバー１０内の掘削土砂Ｅの密度分布にバラツキがある場合でも，掘削土砂Ｅの全体の密度との誤差を小さく抑えることができる。

【実施例1】

【0035】

図２（Ｂ）は，本発明の密度計測装置２０を土圧式シールド掘進機１の切羽面２に配置したスポーク５の中空周壁５ａに適用した実施例を示し，図３は，そのシールド掘進機１の切羽面２の拡大図を示す。土圧式シールド掘進機１の切羽面２には，中心部のフィッシュテールから放射状にスポーク５を配置してカッタービット６を取り付けることがあり，そのようなスポーク５にはカッタービット６の交換時に作業員が通行できる程度の中空部を設ける場合がある。図示例では，図３（Ｂ）に示すように，片側面（外側面）に掘削土砂圧が加わるスポーク５の中空周壁５ａに貫通孔２９を設け，その貫通孔２９の反対側面（内側面）の周囲にシリンダ２１の一端を密着させて取り付け，そのシリンダ２１内にピストン２２を嵌合させると共にシリンダ２１の外周面にガンマ線密度計２３を装着している。

【0036】

図２（Ｂ）の実施例のようにスポーク５の中空周壁５ａに本発明を適用することにより，地中において掘削直後の掘削土砂Ｅの密度を計測することができ，カッターチャンバー１０内の土砂の比重に偏り・ムラ（一か所に滞留・閉塞していること）がないか否かを確認することが可能となる。チャンバー１０内の土砂の比重に偏り・ムラが検出された場合は，例えばシールド掘進機１の掘進を一旦止め，切羽面２のカッタ回転によって混練することにより比重の偏り・ムラを解消することができる。或いは，カッターチャンバー１０内に注入して掘削土砂Ｅと練り混ぜる添加剤Ｄの添加量又は材質を変更することにより，比重の偏り・ムラを解消することも可能である。

【符号の説明】

【0037】

１…シールド掘進機 ２…切羽面（カッターヘッド）
３…フィッシュテール ５…スポーク
５ａ…中空周壁
６…カッタービット ７…カッタースリット
８…モータ ９…スキンプレート
１０…カッターチャンバー １１…チャンバー隔壁（後方隔壁）
１２…添加剤注入口 １４…スクリューコンベア
１４ａ…管壁 １５…回転軸
１６…スクリュー羽根 １６ａ…切欠き部
１７…排土ダクト １７ａ…（排土ダクトの）管壁
１８ａ…台車（ズリトロ台車） １８ｂ…ベルトコンベア
１９…セグメント
２０…計測装置 ２１…シリンダ
２１ａ…立ち上がり部 ２１ｂ…中間筒状部
２１ｃ…ピストンロッドカバー部 ２１ｄ…摺動孔
２２…ピストン ２２ａ…ピストンヘッド（塞止部）
２３…密度測定器 ２６…線源
２７…検出器 ２８…演算装置
２９…貫通孔
３０…演算手段（コンピュータ） ３１…記憶手段
３２…密度計測手段 ３３…表示手段
３６…アクチュエータ ３７…引き・押し操作機構
４１…排土流量測定器 ４２…排土密度測定器
４３，４４…排土密度測定器 ４５…線源
４６…検出器 ４７…演算装置
４８…表示装置 ４９…遮蔽箱
５０…排土量算出装置
Ａ…切羽面積 Ｖ…掘進速度
Ｅ…掘削土砂 Ｄ…添加剤
Ｗｓ…掘削土量 Ｗｄ…排土量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】