特開 2022-184642 シールド掘進機の掘削状態検出システム

(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】P2022184642

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】シールド掘進機の掘削状態検出システム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20221206BHJP

   E21D 9/06 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 F

E21D9/06 301Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021092598

(22)【出願日】2021-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂根 英之

(72)【発明者】

【氏名】今井 道男

(72)【発明者】

【氏名】永谷 英基

(72)【発明者】

【氏名】川野 健一

(72)【発明者】

【氏名】佐川 恭一

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054BA03

2D054GA10

2D054GA17

2D054GA64

2D054GA75

2D054GA82

2D054GA92

(57)【要約】      （修正有）

【課題】シールド掘進機において、掘削面全体の掘削状態を把握可能な掘削状態検出システムを提供する。
【解決手段】外殻１１により回転自在に支持され回転駆動されることによって地盤を掘削するカッタヘッド２０を備えたシールド掘進機の掘削状態検出システム６０は、カッタヘッド２０に配線された光ファイバセンサ６１と、外殻１１側に配線された伝送用光ファイバ６６と、伝送用光ファイバ６６と光ファイバセンサ６１とを接続するロータリジョイント６５と、伝送用光ファイバ６６を介して伝送された光ファイバセンサ６１からの反射光に基づいてカッタヘッド２０による掘削状態を演算する演算部７１と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体部により回転自在に支持され回転駆動されることによって地盤を掘削するカッタヘッドを備えたシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、
前記カッタヘッドに配線された光ファイバセンサと、
前記本体部側に配線された伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバと前記光ファイバセンサとを接続する回転継手と、
前記伝送用光ファイバを介して伝送された前記光ファイバセンサからの反射光に基づいて前記カッタヘッドによる掘削状態を演算する掘削状態演算部と、
を備えたシールド掘進機の掘削状態検出システム。

【請求項2】

請求項１に記載のシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、
前記光ファイバセンサは、１本の光ファイバであり、前記カッタヘッドの回転中心から径方向及び周方向に所定の範囲にわたって配線される、
シールド掘進機の掘削状態検出システム。

【請求項3】

請求項２に記載のシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、
前記光ファイバセンサには、歪み計測部と温度計測部とが連続して設けられており、同じ経路上に配線される、
シールド掘進機の掘削状態検出システム。

【請求項4】

請求項１から３の何れか１つに記載のシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、
前記光ファイバセンサは、前記カッタヘッドに設けられたカッタビットの取付部を通るように配線される、
シールド掘進機の掘削状態検出システム。

【請求項5】

請求項１から４の何れか１つに記載のシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、
前記光ファイバセンサは、前記カッタヘッドの背面側に画成され掘削された土砂が流入するチャンバ内に向けて前記カッタヘッドから突出して形成された突起部に沿って配線される、
シールド掘進機の掘削状態検出システム。

【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状態検出システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、回転駆動されることにより地盤を掘削するカッタヘッドを備えたシールド掘進機において、掘削状態の１つの指標となる掘削土砂の温度を測定するために、カッタヘッドに温度検出器を設けた構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－２１３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のシールド掘進機では、掘削面全体における温度を網羅的に把握するために、複数の温度検出器がカッタヘッドに設けられている。このように回転駆動されるカッタヘッドに複数の検出器を設けた場合、各検出器に接続された配線をカッタヘッドの回転軸を介して配策しなければならないことから、検出器の数、すなわち測定点の数を増やすことには限界があり、結果として、掘削面全体の状態を把握することが困難になるおそれがある。

【0005】

本発明は、シールド掘進機おいて、掘削面全体の掘削状態を把握可能な掘削状態検出システム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】

【0006】

本発明は、本体部により回転自在に支持され回転駆動されることによって地盤を掘削するカッタヘッドを備えたシールド掘進機の掘削状態検出システムであって、カッタヘッドに配線された光ファイバセンサと、本体部側に配線された伝送用光ファイバと、伝送用光ファイバと光ファイバセンサとを接続する回転継手と、伝送用光ファイバを介して伝送された光ファイバセンサからの反射光に基づいてカッタヘッドによる掘削状態を演算する掘削状態演算部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、シールド掘進機おいて、掘削面全体の掘削状態を容易に把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る掘削状態検出システムが適用されるシールド掘進機の構成を示す断面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示す断面図である。

【図3】本発明の実施形態に係る掘削状態検出システムの構成を示す構成図である。

【図4】図２のＢ－Ｂ線に沿う断面を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0010】

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る掘削状態検出システムによって掘削面における掘削状態が検出されるシールド掘進機１００について説明する。シールド掘進機１００は、地山（地盤）に掘削坑を掘削し、掘削坑の内壁を覆うように後述のセグメントリング１１２を組み立てることによってシールドトンネルＴを構築するものである。図１は、シールド掘進機１００の構成を示す断面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示す断面図である。なお、以下では、シールド掘進機１００が進む方向である切羽側を「前方」とし、その反対の方向である坑口側を「後方」として説明する。

【0011】

図１に示すように、シールド掘進機１００は、泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧式シールド掘進機であり、円筒状の前胴部１０と、円筒状の後胴部３０と、前胴部１０と後胴部３０とを屈曲可能に連結する中折れ部４０と、を備える。

【0012】

前胴部１０は、円筒状の外殻１１（本体部）と、外殻１１の前方端部に配置され外殻１１により回転自在に支持されるカッタヘッド２０と、外殻１１内に設けられカッタヘッド２０の後方に離間して配置される隔壁１２と、を有する。

【0013】

隔壁１２には、ベアリング（不図示）を介してカッタヘッド２０の駆動軸２１を支持し、回転軸Ｃ１（回転中心）を中心としてカッタヘッド２０を回転駆動させるカッタ駆動部１３が設けられる。なお、回転軸Ｃ１は、外殻１１の中心軸とほぼ一致している。

【0014】

カッタ駆動部１３には、減速機構（不図示）を介してカッタヘッド２０の駆動軸２１と連結された電動モータ１４が設けられる。カッタヘッド２０が地山に押し付けられた状態において、電動モータ１４によりカッタヘッド２０が回転駆動されると、地山は回転するカッタヘッド２０によって掘削される。

【0015】

カッタヘッド２０は、外殻１１の外径と略等しい大きさの外径を有する円盤状の構造体であり、図２に示すように、中空円筒状に形成された駆動軸２１と、駆動軸２１の基端が接続されるハブ部２２と、ハブ部２２から放射状に延びる３本のスポーク部２３と、スポーク部２３の先端側が接続される円環状のリング部２４と、隣り合うスポーク部２３間に設けられる面板部２５と、を有する。なお、図２では、カッタヘッド２０以外の構成については省略して示している。

【0016】

スポーク部２３及び面板部２５の掘削面（切羽）と対向する面には、掘削面に向かって突出するカッタビット２６が複数配置され、スポーク部２３と面板部２５との間には、カッタビット２６により掘削された土砂を、カッタヘッド２０、隔壁１２、外殻１１及びカッタ駆動部１３により画成されたチャンバ１５内へと導くための隙間２７が形成される。また、各スポーク部２３には、チャンバ１５内に滞留した掘削土砂を撹拌する撹拌部２８（突起部）がチャンバ１５内に向かって突出して設けられる。また、各面板部２５のチャンバ１５に臨む面には、面板部２５の剛性を向上させるために図示しないリブが複数設けられる。

【0017】

シールド掘進機１００は、チャンバ１５内に滞留した掘削土砂をシールド掘進機１００の後方へと搬出するためにスクリューコンベヤ５０をさらに備える。

【0018】

スクリューコンベヤ５０は、円筒状のケース５１と、ケース５１の内部に組み込まれるオーガ５２と、を有し、図示しないモータによってオーガ５２を回転させることによって、チャンバ１５内の掘削土砂を隔壁１２の後方へと搬出する。

【0019】

後胴部３０は、円筒状の外殻３１と、セグメントリング１１２を組み立てるエレクタ３３と、シールド掘進機１００を前進させる複数のシールドジャッキ３４と、カッタヘッド２０により掘削された掘削坑１１０の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間にグラウト材を注入する裏込め注入装置３５と、セグメントリング１１２の形状を保持する真円保持装置３７と、後胴部３０内に設けられるこれらの装置を支持する支持部３２と、を有する。

【0020】

エレクタ３３は、円弧形状のセグメントピース１１３を把持可能であるとともに、外殻３１の内周面に沿って外殻３１の中心軸Ｃ２方向及び周方向に移動可能に構成される。エレクタ３３によって複数のセグメントピース１１３が外殻３１の内周面に沿って組み立てられることにより、円筒状のセグメントリング１１２が構築される。

【0021】

外殻３１の内周面には、外殻３１とセグメントリング１１２との間の隙間をシールする環状のテールシール３１ａが軸方向に所定の間隔をあけて複数設けられる。テールシール３１ａは、外殻３１とセグメントリング１１２との間の隙間を通じて土砂や水がシールド掘進機１００内に侵入することを防止するために設けられる。

【0022】

また、外殻３１の前方端部の内側には、複数のシールドジャッキ３４が、周方向に所定の間隔をあけて配置される。シールドジャッキ３４のシリンダから突出したロッドの先端部をセグメントリング１１２の側面に当接させた状態でシールドジャッキ３４を伸長作動させると、セグメントリング１１２から得られる反力により、カッタヘッド２０は地山に押し付けられることになる。このように、シールド掘進機１００は、シールドジャッキ３４が既設のセグメントリング１１２を押圧することで得られる反力を、前方へ掘進するための推進力としている。

【0023】

中折れ部４０は、前胴部１０の後端部に設けられ内周側に凹球面が形成された前胴接続部４１と、後胴部３０の前端部に設けられ外周側に前胴接続部４１の凹球面に摺接する凸球面が形成された後胴接続部４２と、前胴部１０と後胴部３０との間に設けられる複数の中折れジャッキ４３と、を有する。

【0024】

中折れジャッキ４３は、シリンダ４３ａとロッド４３ｂとにより構成される油圧ジャッキであり、ロッド４３ｂは、自在継手を介して後胴部３０の前部に固定され、シリンダ４３ａは、自在継手を介して前胴部１０の後部に固定される。

【0025】

このように前胴部１０と後胴部３０とに連結された中折れジャッキ４３を適宜伸縮させることによって、後胴部３０に対する前胴部１０の方向、すなわち、後胴部３０の中心軸Ｃ２方向に対する回転軸Ｃ１方向を任意の方向に屈曲させることができる。

【0026】

上記構成のシールド掘進機１００は、カッタヘッド２０を回転し、スクリューコンベヤ５０により土砂を搬出し、シールドジャッキ３４を伸長させて地山を掘進する。地山には掘削坑１１０が掘削されるとともに、掘削坑１１０の内周面に沿ってセグメントリング１１２が順次組み立てられることによってシールドトンネルＴが構築される。更に、掘削坑１１０の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間に生じる間隙には、裏込め注入装置３５によりグラウト材が注入され、セグメントリング１１２はグラウト材を介して地山に強固に結合された状態となる。

【0027】

また、上記構成のシールド掘進機１００の後方には、シールド掘進機１００の掘進に追従して移動する図示しない複数の後続台車が配置される。後続台車は、シールド掘進機１００の作動を制御する制御装置やシールド掘進機１００に電力を供給する電源装置、シールドトンネルＴを構築するための部材を運搬するために設けられる。

【0028】

次に図３を参照し、シールド掘進機１００により掘削される地山の掘削面（切羽）における掘削状態を検出する掘削状態検出システム６０について説明する。

【0029】

掘削状態検出システム６０は、光ファイバ内に生じる反射光（散乱光）を計測することにより光ファイバが配線された箇所における歪み及び温度を演算するシステムであり、図３に示すように、カッタヘッド２０に配線される光ファイバセンサ６１と、全反射終端を有する参照用光ファイバ６７と、光ファイバセンサ６１及び参照用光ファイバ６７に入射される入射光の波長を連続的に変化させることが可能な光源部７４と、光ファイバセンサ６１及び参照用光ファイバ６７で反射された反射光に基づいて光ファイバセンサ６１が取り付けられた部位の歪み及び温度を演算する演算部７１（掘削状態演算部）と、光源部７４から射出された光を光ファイバセンサ６１と参照用光ファイバ６７とに分岐する一方、光ファイバセンサ６１と参照用光ファイバ６７とで反射された反射光を合波し演算部７１へ出力する光カプラ６８と、光カプラ６８と光ファイバセンサ６１とを光学的に接続し入射光及び反射光を伝送する伝送用光ファイバ６６と、を備える。

【0030】

光ファイバセンサ６１は回転駆動されるカッタヘッド２０に配線される一方、光源部７４及び演算部７１は、カッタヘッド２０を回転自在に支持する外殻１１（本体部）側に設けられた構造体、例えば、後続台車に設置される。このように、光ファイバセンサ６１は、光源部７４及び演算部７１に対して相対的に回転する部材に取り付けられることから、掘削状態検出システム６０は、光ファイバセンサ６１と外殻１１（本体部）側に配線された伝送用光ファイバ６６とを光学的に接続する光ファイバ用のロータリジョイント６５（回転継手）をさらに備える。

【0031】

光ファイバセンサ６１は、複数の回折格子（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）が設けられた光ファイバで構成される歪み計測部６２と、一般的な光ファイバで構成される温度計測部６３と、が接続された１本の光ファイバであり、歪み計測部６２と温度計測部６３との接続部を折返し部６１ａとして、歪み計測部６２と温度計測部６３とが同じ経路に沿って配策されるようにカッタヘッド２０に取り付けられる。カッタヘッド２０に対する光ファイバセンサ６１の具体的な配線例については後述する。

【0032】

ロータリジョイント６５は、光ファイバセンサ６１の一方の端部である歪み計測部６２の始端６２ａが接続される回転部６５ａと、外殻１１（本体部）側に配線された伝送用光ファイバ６６の一端が接続される非回転部６５ｂと、を有する。図１に示すように、回転部６５ａは、カッタヘッド２０の駆動軸２１の端部に取り付けられ、非回転部６５ｂは、隔壁１２に設けられたカッタ駆動部１３にブラケット６５ｃを介して取り付けられる。なお、光ファイバセンサ６１の他方の端部である温度計測部６３の終端６３ｅは、光ファイバセンサ６１が断線した場合に備えて、回転部６５ａに接続される歪み計測部６２の始端６２ａの周辺、例えば、ロータリジョイント６５の回転部６５ａの周辺に留め置かれる。

【0033】

演算部７１（掘削状態演算部）は、光ファイバセンサ６１及び参照用光ファイバ６７で反射された反射光の合波（干渉光）を受光する受光器７２と、受光器７２で検出された反射光の波長に基づいて歪みの大きさ及び温度を演算するとともに、光ファイバセンサ６１及び参照用光ファイバ６７に入射光が入射されてから反射光が戻るまでの時間に基づいて、演算された歪み及び温度が生じている位置を演算する演算装置７３と、を有する。

【0034】

演算装置７３は、具体的には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは演算装置７３に接続された光源部７４及び受光器７２との情報の入出力に使用される。演算装置７３は、複数のマイクロコンピュータで構成されていてもよい。なお、動作回路としては、ＣＰＵに代えてまたはＣＰＵとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

【0035】

次に、上記構成の掘削状態検出システム６０で行われる歪み及び温度の計測方式について説明する。

【0036】

歪みの計測は、光ファイバセンサ６１の歪み計測部６２で反射された反射光と、参照用光ファイバ６７で反射された反射光と、に基づいて公知のＯＦＤＲ（Optical Frequency Domain Reflectometry）方式により行われる。具体的には、演算装置７３によって、波長の変化から歪みの大きさが演算され、複数の回折格子が設けられた光ファイバで構成される歪み計測部６２で反射された反射光と参照用光ファイバ６７で反射された反射光との時間差から、歪み計測部６２内の何れの回折格子において波長の変化が生じたかが特定される。これにより、回折格子が設けられる部分における歪みをそれぞれ測定することが可能となり、歪み計測部６２に沿ってほぼ連続的に歪みの大きさを測定することができる。

【0037】

温度の計測は、光ファイバセンサ６１の温度計測部６３で反射された反射光に基づいてラマン散乱を利用した公知のＲＯＴＤＲ（Raman Optical Time Domain Reflectometry）方式により行われる。具体的には、演算装置７３によって、温度計測部６３で反射されたラマン後方散乱光の強度から温度が演算され、光ファイバセンサ６１に入射光が入射されてから入射光がラマン後方散乱光として入射端に戻るまでの時間から、温度計測部６３内の何れの位置において反射されたラマン後方散乱光であるかが特定される。これにより、温度計測部６３に沿って連続的に温度を測定することができる。

【0038】

なお、歪み及び温度の計測は、上記方式に限定されず、光ファイバセンサ６１の後方散乱光に基づいて計測することができれば他の方式により行われてもよく、例えば、ブリルアン散乱を利用した公知のＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）方式で行われてもよいし、上述の方式とＢＯＴＤＲ方式とを組み合わせて行われてもよい。図３に示されるシステム構成は、歪み及び温度を計測する方式に応じて、適宜変更される。

【0039】

また、ＯＦＤＲ方式により計測される歪みは、温度変化の影響を受けることから、ＯＦＤＲ方式によって歪みを計測する場合には、温度依存性が高く歪みの影響を受けないラマン散乱を利用したＲＯＴＤＲ方式により計測された温度によって、温度の影響を補償することが好ましい。

【0040】

続いて、図２及び図４を参照し、カッタヘッド２０への光ファイバセンサ６１の配線例について説明する。図４は、図２のＢ－Ｂ線に沿う撹拌部２８における断面を示す断面図である。

【0041】

図２に示すように、光ファイバセンサ６１は、カッタヘッド２０の掘削面に対向する面とは反対側の面、すなわち、チャンバ１５に臨む面に、回転軸Ｃ１を中心として、回転軸Ｃ１から径方向及び周方向に所定の範囲にわたって配線される。

【0042】

具体的には、ロータリジョイント６５に接続された歪み計測部６２の始端６２ａから延びる歪み計測部６２の第１部分６２ｂは、回転軸Ｃ１を中心としてハブ部２２に渦巻き状に配線される。

【0043】

そして、第１部分６２ｂに連続する歪み計測部６２の第２部分６２ｃは、ハブ部２２に隣接する何れかの面板部２５に配線される。図２に示す例では、ハブ部２２の左側に位置する面板部２５に配線される。

【0044】

面板部２５では、面板部２５に設けられた複数のカッタビット２６の取付部またはその周辺を通るとともに、面板部２５を周方向に沿って横断するように配線される。図２に示す例では、面板部２５の形状が略扇状であることから、歪み計測部６２の第２部分６２ｃもこれに合わせて略扇状に配線されている。

【0045】

第２部分６２ｃに連続する歪み計測部６２の第３部分６２ｄは、面板部２５に隣接するスポーク部２３に設けられた撹拌部２８に沿って配線される。具体的には、図４に示すように、撹拌部２８の基端部２８ａから先端部２８ｂに向かい、先端部２８ｂにおいてカッタヘッド２０の回転方向に沿って所定の長さ配線された後、撹拌部２８の先端部２８ｂから基端部２８ａに向かって配線される。つまり、第３部分６２ｄは、カッタヘッド２０の回転方向に所定の間隔をあけた状態で基端部２８ａと先端部２８ｂとの間を往復するように撹拌部２８に配線される。

【0046】

第３部分６２ｄに連続する歪み計測部６２の第４部分６２ｅは、第３部分６２ｄが配線されたスポーク部２３を挟んで第２部分６２ｃが配線された面板部２５とは反対側に設けられた面板部２５に、第２部分６２ｃと同様にして配線される。

【0047】

第４部分６２ｅは歪み計測部６２の終端部分であるため、第４部分６２ｅには、温度計測部６３の先端部分である第１部分６３ａが接続されている。つまり、歪み計測部６２の終端部分である第４部分６２ｅが配線される面板部２５には、図２に示すように、光ファイバセンサ６１の折返し部６１ａが配置されることになる。

【0048】

折返し部６１ａで折り返された温度計測部６３の第１部分６３ａは、先に配線された歪み計測部６２の第４部分６２ｅに沿って面板部２５に配線される。

【0049】

そして、第１部分６３ａに連続する温度計測部６３の第２部分６３ｂは、図４に示すように、先に配線された歪み計測部６２の第３部分６２ｄに沿って撹拌部２８に配線され、第２部分６３ｂに連続する温度計測部６３の第３部分６３ｃは、先に配線された歪み計測部６２の第２部分６２ｃに沿っての面板部２５に配線される。

【0050】

さらに、第３部分６３ｃに連続する温度計測部６３の第４部分６３ｄは、先に配線された歪み計測部６２の第１部分６２ｂに沿ってハブ部２２に渦巻き状に配線される。

【0051】

そして、温度計測部６３の終端６３ｅは、上述のように、光ファイバセンサ６１が断線したときの場合に備え、ロータリジョイント６５の回転部６５ａに接続される歪み計測部６２の始端６２ａの周辺に留め置かれる。

【0052】

このように１本の光ファイバで構成される光ファイバセンサ６１は、カッタヘッド２０に対して、いわゆる一筆書きで配線される。

【0053】

なお、実際に光ファイバセンサ６１をカッタヘッド２０に配線する場合には、歪み計測部６２と温度計測部６３とを束ねて、折返し部６１ａを先端とした状態で配策した方が効率的である。

【0054】

また、上述の光ファイバセンサ６１の配線は、一例に過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、光ファイバセンサ６１は、面板部２５と撹拌部２８とのうち、どちらに先に配線されてもよいし、面板部２５のみに配線されてもよい。また、光ファイバセンサ６１は、一部の面板部２５だけではなく、すべての面板部２５に配線されてもよい。また、歪み及び温度の何れかの測定が不要な部分に対しては、歪み計測部６２と温度計測部６３とのうち、何れか一方のみを配線するようにしてもよい。

【0055】

カッタヘッド２０への光ファイバセンサ６１の取付けは、接着剤を介してカッタヘッド２０の表面に光ファイバセンサ６１を接着することによって行われる。なお、駆動軸２１やスポーク部２３、面板部２５に設けられた図示しないリブには、必要に応じて光ファイバセンサ６１を通すための貫通孔が設けられる。

【0056】

また、光ファイバセンサ６１が取り付けられる面は、チャンバ１５に臨んでおり、掘削された土砂に接した状態となっていることから、光ファイバセンサ６１の断線を防止するために、光ファイバセンサ６１を覆う図示しない防護カバーが光ファイバセンサ６１に沿って設けられる。なお、防護カバーを設けることに代えて、カッタヘッド２０の表面に形成された図示しない溝に光ファイバセンサ６１を埋め込み、光ファイバセンサ６１が配線された溝を蓋で覆うようにしてもよい。

【0057】

このように光ファイバセンサ６１をカッタヘッド２０に対して配線することにより、地山を掘削する際に回転駆動されるカッタヘッド２０における歪み及び温度を光ファイバセンサ６１によって容易に計測することができる。したがって、複数の圧力センサや温度センサをカッタヘッド２０に配置した場合と比較し、簡素な構成によってカッタヘッド２０により掘削される掘削面全体の掘削状態を網羅的に把握することが可能となる。

【0058】

具体的には、例えば、カッタヘッド２０の中心部であるハブ部２２に配線された光ファイバセンサ６１により計測された歪みが大きい場合や温度が比較的高い場合には、カッタヘッド２０の中央付近に掘削土砂が滞留している、つまり、掘削土砂の流動性が低下していることが把握される。

【0059】

また、面板部２５は、外部からの荷重や圧力に応じて変形し易い平板状であることから、カッタヘッド２０の回転に伴い位置が変わる面板部２５に配線された光ファイバセンサ６１により計測された歪み及び温度が、掘削面の特定の位置に面板部２５が差し掛かったときに上昇する場合には、その位置における地盤が固いことが把握される。

【0060】

特に、カッタビット２６の取付部における歪みの変化が大きい場合、掘削面内の地盤に比較的固い部分があることが推定され、別の位置に設けられたカッタビット２６の取付部における歪みも参照することによって、掘削面全体の硬さ分布を把握することが可能である。

【0061】

また、撹拌部２８に配線された光ファイバセンサ６１により計測された歪みが大きい場合、チャンバ１５内の撹拌抵抗が大きくなっている、すなわち、チャンバ１５内の掘削土砂の流動性が低下していることが把握される。

【0062】

このようにして把握された掘削面全体の掘削状態に基づいて、カッタヘッド２０の回転速度やスクリューコンベヤ５０によるチャンバ１５内の掘削土砂の排出速度、シールド掘進機１００の進行速度、掘削面に向けて添加される添加剤の量、チャンバ１５内に添加される添加剤の量を適宜制御することによって、シールド掘進機１００による掘削を最適化することができる。

【0063】

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

【0064】

本実施形態では、カッタヘッド２０に配線された光ファイバセンサ６１と、外殻１１側に配線された伝送用光ファイバ６６と、がロータリジョイント６５により接続され、伝送用光ファイバ６６を介して伝送された光ファイバセンサ６１からの反射光に基づいてカッタヘッド２０による掘削状態が演算部７１によって演算される。このように地山を掘削する際に回転駆動されるカッタヘッド２０における歪み及び温度を光ファイバセンサ６１によって計測することが可能になることで、複数の圧力センサや温度センサをカッタヘッド２０に配置した場合と比べて、簡素な構成によって掘削面全体の掘削状態を容易に網羅的に把握することができる。

【0065】

また、本実施形態では、カッタヘッド２０に配線される光ファイバセンサ６１は１本だけであることから、複数の圧力センサや温度センサをカッタヘッド２０に配置した場合と比べて配線が大幅に減って計測システムが簡素化されメンテナンスも容易になる。このため、シールド掘進機１００に光ファイバセンサ６１を用いた上記構成の掘削状態検出システム６０を適用した場合の設置コストや運用コストを低減させることができる。

【0066】

また、本実施形態では、歪み計測部６２と温度計測部６３とが同じ経路に配線されているため、歪み計測部６２で計測された歪みを温度計測部６３で測定された温度によって補償することができる。このため、カッタヘッド２０に生じる歪みの検出精度が向上し、結果として、掘削面全体の掘削状態を精度よく把握することが可能となる。

【0067】

また、本実施形態では、ロータリジョイント６５に接続される光ファイバセンサ６１の一方の端部である歪み計測部６２の始端６２ａの周辺に、光ファイバセンサ６１の他方の端部である温度計測部６３の終端６３ｅが留め置かれている。このため、例えば、光ファイバセンサ６１が終端６３ｅよりも始端６２ａに近い箇所において断線した場合には、ロータリジョイント６５に接続される光ファイバセンサ６１の端部を始端６２ａから終端６３ｅに変更することによって、比較的長い範囲において歪み及び温度の計測を継続させることができる。

【0068】

次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、以下のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

【0069】

上記実施形態では、温度計測部６３は、一般的な光ファイバで構成されている。これに代えて、温度計測部６３も歪み計測部６２と同様に、複数の回折格子（ＦＢＧ）が設けられた光ファイバによって構成されてもよい。

【0070】

また、上記実施形態では、光ファイバセンサ６１は、チャンバ１５内の掘削土砂の流動性を把握するために、撹拌部２８に配線されている。光ファイバセンサ６１が配線される部材は、撹拌部２８に限定されず、チャンバ１５内の撹拌抵抗を把握することができれば、どのような部材に配線されていてもよく、例えば、チャンバ１５内に向かって突出して形成された何らかの突起部に配線されていてもよい。

【0071】

また、上記実施形態では、カッタヘッド２０は、３本のスポーク部２３と、スポーク部２３の間に設けられる３つの面板部２５と、を有している。カッタヘッド２０の構成は、これに限定されず、複数のカッタビット２６を有するとともに、カッタビット２６により掘削された土砂をチャンバ１５内へと導くための隙間２７が設けられていればどのような構成であってもよい。光ファイバセンサ６１は、カッタヘッド２０の構成に合わせて、カッタビット２６の取付部やその周辺を通るように、また、外部からの荷重や圧力に応じて変形し易い平面部を通るように適宜配線される。

【0072】

また、上記実施形態では、光ファイバセンサ６１は、カッタヘッド２０のチャンバ１５に臨む面に配線されている。これに代えて、光ファイバセンサ６１は、カッタヘッド２０の掘削面に臨む面に配線されてもよい。なお、光ファイバセンサ６１の断線を防止する観点からは、チャンバ１５に臨む面に配線することが好ましい。

【0073】

また、上記実施形態では、ロータリジョイント６５を介して光学的に接続される光ファイバセンサ６１と伝送用光ファイバ６６とは、それぞれ１本である。これに代えて、ロータリジョイント６５が２本以上の複数本の光ファイバを接続可能な構成を備えている場合、光ファイバセンサ６１と伝送用光ファイバ６６とは、それぞれ複数本であってもよい。

【0074】

また、上記実施形態では、シールド掘進機１００は、いわゆる泥土圧式シールド掘進機である。これに代えて、シールド掘進機１００は、チャンバ１５内に対して泥水を給排することによりチャンバ１５内に滞留した掘削土砂をシールド掘進機１００の後方へと搬出する泥水給排装置を備えた、いわゆる泥水圧式シールド掘進機であってもよい。

【0075】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0076】

１００・・・シールド掘進機
１１・・・外殻（本体部）
１５・・・チャンバ
２０・・・カッタヘッド
２６・・・カッタビット
２８・・・撹拌部（突起部）
６０・・・掘削状態検出システム
６１・・・光ファイバセンサ
６１ａ・・・折返し部
６２・・・歪み計測部
６３・・・温度計測部
６５・・・ロータリジョイント（回転継手）
６６・・・伝送用光ファイバ
６７・・・参照用光ファイバ
７１・・・演算部（掘削状態演算部）
７４・・・光源部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】