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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-06
(45)【発行日】2024-03-14
(54)【発明の名称】泥水式シールド掘進機およびその掘進方法
(51)【国際特許分類】
E21D 9/13 20060101AFI20240307BHJP
E21D 9/06 20060101ALI20240307BHJP
【ＦＩ】
E21D9/13 B
E21D9/06 301Z
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020050166
(22)【出願日】2020-03-19
(65)【公開番号】P2021147921
(43)【公開日】2021-09-27
【審査請求日】2023-03-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000140292
【氏名又は名称】株式会社奥村組
(73)【特許権者】
【識別番号】591075630
【氏名又は名称】株式会社アクティオ
(74)【代理人】
【識別番号】100101971
【弁理士】
【氏名又は名称】大畑 敏朗
(72)【発明者】
【氏名】木下 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】伊東 俊彦
(72)【発明者】
【氏名】津村 匡洋
(72)【発明者】
【氏名】吉川 直利
(72)【発明者】
【氏名】大塚 努
【審査官】高橋 雅明
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５２－０７０５４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１８０７８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５３－０４１０２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５５－１３１３９６（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００７－２４７２００（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ２１Ｄ ９／１３
Ｅ２１Ｄ ９／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
地山を掘削するカッタヘッドの背面に形成された第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、
前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、
圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変化を緩和する第２のチャンバと、
前記送泥管と前記排泥管とを連通するバイパス配管と、
前記送泥管から分岐して前記第２のチャンバに接続された供給配管と、
前記第２のチャンバから延びて前記排泥管に接続された排出配管と、
前記送泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第１のバルブ、および前記排泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第２のバルブと、
前記バイパス配管の管路を開閉する第３のバルブと、
前記供給配管の管路を開閉する第４のバルブ、および前記排出配管の管路を開閉する第５のバルブと、
前記調圧配管の管路を開閉する第６のバルブと、
前記第２のチャンバに設置され、当該第２のチャンバの水位を、前記第２のチャンバ内の泥水の排出が必要な上限水位、前記第２のチャンバ内の泥水の給排が不要な上端の基準水位および下端の基準水位、前記第２のチャンバ内への泥水の供給が必要な下限水位で検知する水位検知手段と、
前記水位検知手段の検知結果に応じて前記第１～第６のバルブを開閉制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記上限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上端の基準水位になるまで排泥しながら掘進を実行し、
前記上端の基準水位から前記下端の基準水位の範囲内の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバでの給排泥を行わずに掘進を実行し、
前記下限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下端の基準水位になるまで給泥しながら掘進を実行する制御を実行する、
ことを特徴とする泥水式シールド掘進機。
【請求項2】
前記水位検知手段は、前記上限水位よりも高位の水位である掘進停止水位、および前記下限水位よりも低位の水位である掘進停止水位をさらに検知し、前記制御手段は、
前記上限水位よりも高位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上限水位になるまで排泥してから掘進を開始して前記上端の基準水位になるまで排泥を継続し、
前記下限水位よりも下位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下限水位になるまで給泥してから掘進を開始して前記下端の基準水位になるまで給泥を継続する制御を実行する、
ことを特徴とする請求項１記載の泥水式シールド掘進機。
【請求項3】
前記制御手段は、前記水位検知手段の検知結果による制御に先立って、
前記第３のバルブのみを開放し、次に、前記第３のバルブを開放したままで前記第６のバルブを開放し、次に、第１のバルブ、第２のバルブおよび第６のバルブのみを開放して掘進を開始する制御を実行する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の泥水式シールド掘進機。
【請求項4】
前記水位検知手段は、前記第２のチャンバの側壁において上下方向の複数箇所に設置され、泥水による通電の有無で水位を検知する複数の電極センサである、ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の泥水式シールド掘進機。
【請求項5】
地山を掘削するカッタヘッドの背面に形成された第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、
前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、
圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変化を緩和する第２のチャンバと、
前記送泥管と前記排泥管とを連通するバイパス配管と、
前記送泥管から分岐して前記第２のチャンバに接続された供給配管と、
前記第２のチャンバから延びて前記排泥管に接続された排出配管と、
前記送泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第１のバルブ、および前記排泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第２のバルブと、
前記バイパス配管の管路を開閉する第３のバルブと、
前記供給配管の管路を開閉する第４のバルブ、および前記排出配管の管路を開閉する第５のバルブと、
前記調圧配管の管路を開閉する第６のバルブと、
前記第２のチャンバに設置され、当該第２のチャンバの水位を、前記第２のチャンバ内の泥水の排出が必要な上限水位、前記第２のチャンバ内の泥水の給排が不要な上端の基準水位および下端の基準水位、前記第２のチャンバ内への泥水の供給が必要な下限水位で検知する水位検知手段とを備え、
前記水位検知手段の検知結果が前記上限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上端の基準水位になるまで排泥しながら掘進を実行し、
前記水位検知手段の検知結果が前記上端の基準水位から前記下端の基準水位の範囲内の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバでの給排泥を行わずに掘進を実行し、
前記水位検知手段の検知結果が前記下限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下端の基準水位になるまで給泥しながら掘進を実行する制御を実行する、
ことを特徴とする泥水式シールド掘進機の掘進方法。
【請求項6】
前記水位検知手段は、前記上限水位よりも高位の水位である掘進停止水位、および前記下限水位よりも低位の水位である掘進停止水位をさらに検知し、前記水位検知手段の検知結果が前記上限水位よりも高位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上限水位になるまで排泥してから掘進を開始して前記上端の基準水位になるまで排泥を継続し、
前記水位検知手段の検知結果が前記下限水位よりも下位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下限水位になるまで給泥してから掘進を開始して前記下端の基準水位になるまで給泥を継続する制御を実行する、
ことを特徴とする請求項５記載の泥水式シールド掘進機の掘進方法。
【請求項7】
前記水位検知手段の検知結果による掘進開始に先立って、前記第３のバルブのみを開放し、次に、前記第３のバルブを開放したままで前記第６のバルブを開放し、次に、第１のバルブ、第２のバルブおよび第６のバルブのみを開放して掘進を開始する、
ことを特徴とする請求項５または６記載の泥水式シールド掘進機の掘進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、カッタチャンバ内の泥水に所定の圧力を加えることで切羽を安定させながら地山を掘削してトンネルを形成する泥水式シールド掘進機およびその掘進方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
地盤中にトンネルを構築するシールド工法では、発進立坑内でシールド掘進機を組み立てて発進させ、地中を掘進させる。そして、到達立坑に到達したならば、到達立坑内でシールド掘進機を分解して地上に搬出する。
【0003】
また、シールド工法に用いられるシールド掘進機には、掘削土を泥土化して所定の圧力を与えることにより切羽を安定させながら地山を掘削する泥土圧シールド掘進機や、カッタチャンバ内の泥水に所定の圧力を加えることで切羽を安定させながら地山を掘削する泥水式シールド掘進機などがある。
【0004】
ここで、泥水式シールド掘進機では、泥水が送泥管からカッタチャンバ内に常時供給されており、切羽前方の圧力（土圧および水圧）にカッタチャンバ内の泥水圧で対抗することで切羽を安定させている。そして、掘削時には、カッタチャンバ内に溜められた泥水がカッタチャンバに取り込まれた掘削土とともに排泥管から外部に排出される（掘削モード）。また、セグメント組立時など掘削を休止する際には、送泥管と排泥管とを連通するバイパス配管に設けられたバルブ（バイパス用バルブ）を開放するとともに、送泥管および排泥管のバイパス配管よりもカッタヘッド側に設けられたバルブ（送泥用バルブ・排泥用バルブ）を閉鎖して、カッタチャンバを切り離した状態で泥水を循環させる（バイパスモード）。さらに、セグメントの組み立てが完了して掘削を再開する際には、バイパス用バルブを閉鎖するとともに、送泥用バルブおよび排泥用バルブを開放する。
【0005】
カッタヘッドには、掘削した土砂をカッタチャンバ内に取り込むための隙間があり、カッタチャンバ内の泥水は切羽の地山を押さえる。カッタチャンバ内に供給される泥水には、泥分にベントナイトや高分子添加剤などが混入されており、これによって切羽面に膜（泥膜）を形成して、切羽前方の圧力に対抗している。そして、砂質土で水が抜けやすい地盤などの場合は泥水の流入量が大きくなる（逸泥状態）ので、泥水中の泥分や高分子添加剤を多くするとともに泥水の供給量を増やし、泥水の排出量を増やしてカッタチャンバ内の圧力を安定させる操作を行っている。また、粘質土で水が抜けにくい地盤などの場合は、これとは逆の操作を行っている。
【0006】
ここで、泥水式シールド掘進機での掘削においては、地盤の土質によるカッタチャンバ内の泥水圧の変化に応じて当該カッタチャンバ内に供給する泥水の濃度を調整するとともに、送泥管および排泥管の流量を調節する必要がある。しかしながら、複雑な地盤や高水圧下ではカッタチャンバ内の泥水圧が急激に変化することがあり、このような濃度調整や流量調整が間に合わない場合には、地山への悪影響が生じて崩落の可能性もある。
【0007】
また、バイパスモードから掘削モードに移行する際には、各バルブの閉鎖や開放が瞬時に行なわれるためにカッタチャンバ内の泥水圧が大きく変動し、これに伴って、切羽地山やカッタヘッド、送泥管、排泥管などに悪影響が出る可能性がある。
【0008】
そこで、特許文献１（特開２０１３－０８３１１０号公報）や特許文献２（特開２００２－１８０７８１号公報）には、カッタチャンバとは別に、圧縮空気の弾力性を利用したチャンバを設け、カッタチャンバ内の泥水の水面の変化に対応することで泥水圧の急激な変化を緩和する技術が提案されている。
【0009】
具体的には、特許文献１に記載の技術は、第１のチャンバであるカッタチャンバの後方に第２のチャンバであるエアチャンバを設けてチャンバ全体を縦割りの２槽にした構造である。後方のエアチャンバは、下方でカッタチャンバと接続されて泥水が供給され、上方はコンプレッサに接続されて圧縮空気が供給されるようになっている。そして、カッタチャンバにかかる圧力が変化した場合、エアチャンバ内の水面が上下するが、それに伴って圧縮空気が供給もしくは排出されてカッタチャンバ内の泥水の圧力変動が緩和される。
【0010】
また、特許文献２に記載の技術は、第１のチャンバであるカッタチャンバとは離れたトンネル内に第２のチャンバである圧力調整タンクを設けた構造である。圧力調整タンクは下方がカッタチャンバと接続されて泥水が供給され、上方が圧縮空気を封入したダンパタンクと接続されて圧縮空気が供給される。そして、カッタチャンバにかかる圧力が変化した場合に圧力調整タンク内の水面が上下するが、それに伴って圧縮空気が供給もしくは排出されてカッタチャンバ内の泥水の圧力変動が緩和される。
【0011】
ここで、特許文献３（特開２００３－１２０１７５号公報）や特許文献４（特開２００８－２４８５０９号公報）には、特許文献１のように、第１のチャンバであるカッタチャンバの後方に第２のチャンバであるエアチャンバを設けてチャンバ全体を縦割りの２槽にした構造が開示されている。そして、特許文献３は、カッタチャンバに接続するエアチャンバの底板を泥水の供給口に向けて斜めに形成する発明が記載されており、特許文献４には、エアチャンバ内に設けられた水位検知装置を内側から洗浄する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【文献】特開２０１３－０８３１１０号公報
【文献】特開２００２－１８０７８１号公報
【文献】特開２００３－１２０１７５号公報
【文献】特開２００８－２４８５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
特許文献１や特許文献２に記載の技術では、泥水が第１のチャンバ（カッタチャンバ）から別途設けられた第２のチャンバ（エアチャンバ・圧力調整タンク）に供給される構造となっている。そのため、カッタヘッドから逸泥が生じて多量の泥水が第２のチャンバから第１のチャンバ内に供給される、第２のチャンバ内の泥水が空になって第１のチャンバ内の泥水の圧力変動を十分に緩和できなくなるおそれが発生する。
【0014】
ここで、特許文献３や特許文献４には、第２のチャンバ（エアチャンバ７・圧力調整室６）に水位検知装置（検出器１４・レベルスイッチ２２）を設けて泥水量を検出しておき、所定圧の泥水面となるように泥水を第２のチャンバ内に供給する技術が開示されている。
【0015】
しかしながら、これらの特許文献に記載の技術は、単に第２のチャンバ内に泥水を供給するにとどまるものであって、第２のチャンバ内の泥水の量と泥水式シールド掘進機の掘進との関係についての配慮はなされていない。
【0016】
本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、泥水式シールド掘進機に設けられた第２のチャンバ内の泥水量を調整しながら掘進を行うことのできる技術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】
【0017】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、地山を掘削するカッタヘッドの背面に形成された第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変化を緩和する第２のチャンバと、前記送泥管と前記排泥管とを連通するバイパス配管と、前記送泥管から分岐して前記第２のチャンバに接続された供給配管と、前記第２のチャンバから延びて前記排泥管に接続された排出配管と、前記送泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第１のバルブ、および前記排泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第２のバルブと、前記バイパス配管の管路を開閉する第３のバルブと、前記供給配管の管路を開閉する第４のバルブ、および前記排出配管の管路を開閉する第５のバルブと、前記調圧配管の管路を開閉する第６のバルブと、前記第２のチャンバに設置され、当該第２のチャンバの水位を、前記第２のチャンバ内の泥水の排出が必要な上限水位、前記第２のチャンバ内の泥水の給排が不要な上端の基準水位および下端の基準水位、前記第２のチャンバ内への泥水の供給が必要な下限水位で検知する水位検知手段と、前記水位検知手段の検知結果に応じて前記第１～第６のバルブを開閉制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記上限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上端の基準水位になるまで排泥しながら掘進を実行し、前記上端の基準水位から前記下端の基準水位の範囲内の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバでの給排泥を行わずに掘進を実行し、前記下限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下端の基準水位になるまで給泥しながら掘進を実行する制御を実行する、ことを特徴とする。
【0018】
請求項２に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項１記載の発明において、前記水位検知手段は、前記上限水位よりも高位の水位である掘進停止水位、および前記下限水位よりも低位の水位である掘進停止水位をさらに検知し、前記制御手段は、前記上限水位よりも高位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上限水位になるまで排泥してから掘進を開始して前記上端の基準水位になるまで排泥を継続し、前記下限水位よりも下位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下限水位になるまで給泥してから掘進を開始して前記下端の基準水位になるまで給泥を継続する制御を実行する、ことを特徴とする。
【0019】
請求項３に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項１または２記載の発明において、前記制御手段は、前記水位検知手段の検知結果による制御に先立って、前記第３のバルブのみを開放し、次に、前記第３のバルブを開放したままで前記第６のバルブを開放し、次に、第１のバルブ、第２のバルブおよび第６のバルブのみを開放して掘進を開始する制御を実行する、ことを特徴とする。
【0020】
請求項４に記載の本発明の泥水式シールド掘進機は、上記請求項１～３の何れか一項に記載の発明において、前記水位検知手段は、前記第２のチャンバの側壁において上下方向の複数箇所に設置され、泥水による通電の有無で水位を検知する複数の電極センサである、ことを特徴とする。
【0021】
上記課題を解決するため、請求項５に記載の本発明の泥水式シールド掘進機の掘進方法は、地山を掘削するカッタヘッドの背面に形成された第１のチャンバと、前記第１のチャンバ内に泥水を送り込む送泥管と、前記第１のチャンバ内に溜められた泥水を前記第１のチャンバに取り込まれた掘削土とともに外部に排出する排泥管と、圧縮空気および泥水が収容されるとともに調圧配管により前記第１のチャンバと連通され、前記調圧配管を介して前記第１のチャンバとの間を泥水が往来して当該第１のチャンバ内の泥水圧の変化を緩和する第２のチャンバと、前記送泥管と前記排泥管とを連通するバイパス配管と、前記送泥管から分岐して前記第２のチャンバに接続された供給配管と、前記第２のチャンバから延びて前記排泥管に接続された排出配管と、前記送泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第１のバルブ、および前記排泥管における前記バイパス配管との分岐接続点よりも前記第１のチャンバ側の管路を開閉する第２のバルブと、前記バイパス配管の管路を開閉する第３のバルブと、前記供給配管の管路を開閉する第４のバルブ、および前記排出配管の管路を開閉する第５のバルブと、前記調圧配管の管路を開閉する第６のバルブと、前記第２のチャンバに設置され、当該第２のチャンバの水位を、前記第２のチャンバ内の泥水の排出が必要な上限水位、前記第２のチャンバ内の泥水の給排が不要な上端の基準水位および下端の基準水位、前記第２のチャンバ内への泥水の供給が必要な下限水位で検知する水位検知手段とを備え、前記水位検知手段の検知結果が前記上限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上端の基準水位になるまで排泥しながら掘進を実行し、前記水位検知手段の検知結果が前記上端の基準水位から前記下端の基準水位の範囲内の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバでの給排泥を行わずに掘進を実行し、前記水位検知手段の検知結果が前記下限水位の場合には、前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを開放するとともに前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下端の基準水位になるまで給泥しながら掘進を実行する制御を実行する、ことを特徴とする。
【0022】
請求項６に記載の本発明の泥水式シールド掘進機の掘進方法は、上記請求項５記載の発明において、前記水位検知手段は、前記上限水位よりも高位の水位である掘進停止水位、および前記下限水位よりも低位の水位である掘進停止水位をさらに検知し、前記水位検知手段の検知結果が前記上限水位よりも高位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第５のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第４のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記上限水位になるまで排泥してから掘進を開始して前記上端の基準水位になるまで排泥を継続し、前記水位検知手段の検知結果が前記下限水位よりも下位の前記掘進停止水位の場合には、前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを開放するとともに前記第１のバルブ、前記第２のバルブ、前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを閉鎖して前記第２のチャンバ内が前記下限水位になるまで給泥してから掘進を開始して前記下端の基準水位になるまで給泥を継続する制御を実行する、ことを特徴とする。
【0023】
請求項７に記載の本発明の泥水式シールド掘進機の掘進方法は、上記請求項５または６記載の発明において、前記水位検知手段の検知結果による掘進開始に先立って、前記第３のバルブのみを開放し、次に、前記第３のバルブを開放したままで前記第６のバルブを開放し、次に、第１のバルブ、第２のバルブおよび第６のバルブのみを開放して掘進を開始する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、水位検知手段の検知結果が上限水位の場合には、第１のバルブ、第２のバルブ、第５のバルブおよび第６のバルブのみを開放して第２のチャンバ内が上端の基準水位になるまで排泥して掘進を開始し、水位検知手段の検知結果が上端の基準水位から下端の基準水位の範囲内の場合には、第１のバルブ、第２のバルブおよび第６のバルブのみを開放して第２のチャンバでの給排泥を行わずに掘進を実行し、水位検知手段の検知結果が下限水位の場合には、第１のバルブ、第２のバルブ、第４のバルブおよび第６のバルブのみを開放して第２のチャンバ内が下端の基準水位になるまで給泥して掘進を開始するようにしている。
【0025】
これにより、泥水式のシールド掘進機に設けられた第２のチャンバ内の泥水量を調整しながら掘進を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の一実施の形態における泥水式のシールド掘進機の内部を側面から見た概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0028】
図１は本発明の一実施の形態である泥水式シールド掘進機の構成を側面から示す概念図である。
【0029】
図１において、本実施の形態の泥水式シールド掘進機（以下、単に「シールド掘進機」という。）１は、カッタヘッド２を切羽（掘削面）Ｆに押し当てて回転させることにより地山を掘削する際に、カッタヘッド２の背面のスキンプレート３内に設けられたカッタチャンバ（第１のチャンバ）４に送泥管５を通じて泥水を供給し、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆの安定を図るとともに、カッタチャンバ４内に溜められた泥水をカッタチャンバ４内に取り込まれた掘削土とともに排泥管６によってトンネルの外部に排出しながら地山にトンネルを形成する。なお、カッタチャンバ４に送り込まれる泥水は坑外に設置された泥水プラント７に貯留されており、送泥ポンプ８により圧送される。また、泥水には、泥分にベントナイトや高分子添加剤などが混入されており、これにより切羽Ｆに膜（泥膜）を形成して前方の地山の隙間に泥水が流れ込むことを防いでいる。
【0030】
泥水式のシールド掘進機１は泥水の浸透による切羽Ｆの安定効果があるため、水圧の高い地盤での施工に適している。一方、透水性の高い地盤、巨石地盤では、地盤からの泥水の流入量が大きくなる逸泥が発生するおそれがあることから、泥水中の泥分や高分子添加剤を多くするとともに泥水の供給量を増やし、泥膜を補強してカッタチャンバ内の圧力を安定させるようにする。
【0031】
シールド掘進機１を構成するカッタヘッド２は、地山の切羽Ｆを掘削する正面視円形状の掘削部材であり、スキンプレート３の前面にスキンプレート３の周方向に沿って正逆方向に回転自在の状態で設置されている。
【0032】
本実施の形態において、カッタヘッド２には面板タイプが採用されており、前面（切羽Ｆに対向する面）には、玉石等の破砕や地山の掘削を行う複数のビットやスクレーパツース（何れも図示せず）が装着されている。また、カッタヘッド２には、当該カッタヘッド２の回転により掘削された土砂等をカッタチャンバ４内に取り込むための土砂取込口（図示せず）が形成されている。
【0033】
カッタヘッド２の後方に位置するスキンプレート３は、例えば径方向の断面が円筒状になった鋼製板により形成されている。このスキンプレート３の前面（カッタヘッド２が設置された位置）から内方に後退した位置には、当該スキンプレート３内を切羽側と機内側とに区画する隔壁９が設置されている。そして、スキンプレート３の切羽側すなわちカッタヘッド２と隔壁９との間に、カッタチャンバ４が設けられている。
【0034】
カッタチャンバ４は、カッタヘッド２の回転により掘削された土砂等を取り込み、送泥管５を通じて供給された泥水と混合する空間（チャンバ）であり、前述のように、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆを押さえて安定化させる。
【0035】
一方、スキンプレート３の機内には、カッタヘッド２を正逆方向に回転させるカッタ駆動部、前後に分割されて屈曲可能となったスキンプレート３（前胴プレート・後胴プレート）を相互に連結するとともにシールド掘進機１の推進方向を修正する中折れジャッキ、スキンプレート３の後方に敷設されたセグメントに反力をとってシールド掘進機１を前進させるシールドジャッキ、スキンプレート３の後端付近において複数のピースを環状に組み立ててトンネルの内周にセグメントを構築するエレクタなどが設置されている。
【0036】
さらに、スキンプレート３の機内から坑外に延びるようにして、前述の送泥管５と排泥管６とが設置されている。
【0037】
送泥管５は、カッタチャンバ４内に泥水を供給する配管であり、例えば、鋼材により形成されている。送泥管５の先端部（放泥口）は、隔壁９の正面内上部を貫通してカッタチャンバ４に達している。これにより、送泥管５を通じて圧送された泥水は、シールド掘進機１の正面内上部からカッタチャンバ４内に供給される。この送泥管５はトンネルの抗口に向かって延び、途中に配置された前述の送泥ポンプ８を介してトンネルの外部の泥水プラント７に接続されている。なお、泥水プラント７は、トンネルの外部の泥水処理装置（図示せず）に接続されている。
【0038】
排泥管６は、カッタチャンバ４内の排泥水（掘削土と泥水との混合泥水）をトンネルの外部に排出する配管であり、例えば、鋼材により形成されている。排泥管６の先端部（吸泥口）は、隔壁９の正面内下部を貫通してカッタチャンバ４に達している。これにより、カッタチャンバ４内の排泥水は、シールド掘進機１の正面内下部から排出される。排泥管６はトンネルの抗口に向かって延び、途中に配置された排泥ポンプ１０を介してトンネルの外部の泥水処理装置に接続されている。
【0039】
すなわち、カッタチャンバ４内の排泥水は、排泥管６を通じてトンネルの外部の泥水処理装置に送られ、そこで土砂と泥水とに分離され比重や粘性等が調整された後、泥水プラント７に送られて再び送泥管５を通じてカッタチャンバ４へ送られる。
【0040】
図１に示すように、本実施の形態のシールド掘進機１には、カッタチャンバ４の後方に補助チャンバ（第２のチャンバ）１１が設置されている。補助チャンバ１１は調圧配管１３によりカッタチャンバ４と連通しており、カッタチャンバ４との間を泥水が往来するようになった小型の圧力容器である。
【0041】
補助チャンバ１１は調圧配管１３でカッタチャンバ４と連結されているために、チャンバ内の下層は泥水層（貯留泥水）となっている。本実施の形態において、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置は、カッタチャンバ４の中央よりも上部の位置となっている。これは、補助チャンバ１１の役目は圧力の調整であるから、泥水の濃度は機能に影響しないため、チャンバ内の泥水の濃度が薄いことが望ましいからである。すなわち、カッタチャンバ４内の泥水は底部付近が濃く、上部になるにつれて薄くなっているため、調圧配管１３をカッタチャンバ４の底部付近に接続すると、濃度が高い泥水、つまり土砂を多く含んだ泥水が補助チャンバ１１に流入しやすくなるため、濃度の薄い泥水を取り込む必要から、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置を前述のようにしたものである。但し、泥水濃度の条件などによっては、調圧配管１３のカッタチャンバ４の接続位置は、カッタチャンバ４の中央よりも下部となっていてもよい。
【0042】
なお、本実施の形態では、調圧配管１３は補助チャンバ１１の底部を含む位置に接続されている。これは、調圧配管１３が確実に補助チャンバ１１内の泥水層に面するようにするためである。但し、必ずしもこのような接続形態になってなくてもよい。
【0043】
また、図示するように、コンプレッサ１６から圧縮空気の供給を受けるレシーバタンク１４が設置され、このレシーバタンク１４は空圧配管１５を介して補助チャンバ１１と常時接続されている。よって、補助チャンバ１１内の上部は圧縮空気層となっている。さらに、補助チャンバ１１の上面には、チャンバ内の空圧を設定値に保持するリリーフ弁（圧力制御弁）１７が取り付けられている。本実施の形態では、コンプレッサ１６で生成される圧縮空気は０．７５ＭＰａ（ＭＡＸ）であり、コンプレッサ１６とレシーバタンク１４との間に設置された図示しない調圧バルブにより０．３１～０．３５ＭＰａ程度に減圧されてレシーバタンク１４内に送り込まれる。減圧された圧縮空気はレシーバタンク１４から補助チャンバ１１内に送り込まれ、補助チャンバ１１の内部が０．３ＭＰａになるようにリリーフ弁１７で制御されるようになっている。なお、リリーフ弁１７の開度は、制御のし易さの見地から１０％程度にするのが望ましい。
【0044】
また、レシーバタンク１４内の圧力が０.３１ＭＰａより低くなるとコンプレッサ１６が稼働し、０.３５ＭＰａより高くなると停止する。そして、レシーバタンク１６からは常に補助チャンバ１１に圧縮空気が供給されている。その上で、補助チャンバ１１のリリーフ弁１７から常に空気を排出し続けることで、安定した気圧を保つことができる。
【0045】
なお、本実施の形態では、補助チャンバ１１の容量５.０ｍ３に対し、レシーバタンク１４の容量２.２６ｍ３となっている。なお、コンプレッサ１６は最大出力で使用するものとし、出力の大きいものが望ましい。
【0046】
そして、このようにして補助チャンバ１１の内部圧力が一定に保たれているため、カッタチャンバ４の圧力の変化に応じて調圧配管１３から泥水が流入して泥水層の水面高さが変化しても、上層の圧縮空気が空気圧ダンパとして切羽圧の変化を吸収することで、カッタヘッド２の切羽Ｆに対する圧力を一定に保つことができることになる。
【0047】
なお、レシーバタンク１４はコンプレッサ１６と常時接続されているが、レシーバタンク１４内の圧縮空気の圧力が一定値を超えるとコンプレッサ１６が停止し、レシーバタンク１４内の圧力が所定以上に上昇することが防止されている。
【0048】
ここで、本実施の形態において、空圧配管１５は１本だけになっている。しかしながら、空圧配管１５を複数本設けておき、通常は１本の空圧配管１５だけでレシーバタンク１４から補助チャンバ１１内に圧縮空気を供給するようにしておき、補助チャンバ１１内の圧力が急激に低下した場合には他の空圧配管１５も使用して同時に多量の圧縮空気を補助チャンバ１１内に供給するようにして、当該補助チャンバ１１内の圧力を速やか所定のレベルに戻すようにしてもよい。また、空圧配管１５を複数本設けておけば、一方の空圧配管１５に不具合があった場合でもすぐに対応が可能になる。
【0049】
なお、レシーバタンク１４とコンプレッサ１６とで構成される圧縮空気供給手段は、シールド掘進機１の前進に追随して前進する後続台車に搭載されている。
【0050】
さらに、補助チャンバ１１には送泥管５から分岐した供給配管１２が接続されており、送泥管５を流れる泥水は、補助チャンバ１１にも流入可能になっている。また、補助チャンバ１１の底面から延びるようにして、排出配管１８が排泥管６に接続されている。さらに、送泥管５と排泥管６とは、バイパス配管１９により直接（つまり、カッタチャンバ４を介することなく）接続されている。
【0051】
ここで、補助チャンバ１１から延びる排出配管１８を排泥管６に接続したのは、排泥管６内の流水の圧力で補助チャンバ１１内に溜まった砂分を排出配管１８を介して吸引することができるからである。なお、補助チャンバ１１内の土砂を効率的に排出するためには、排出配管１８は補助チャンバ１１の底面から延びるように接続されているのがよい。
【0052】
また、図示するように、排出配管１８の排泥管６との合流接続点Ｐｍは、前述した排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向上流側となっている。これは、合流接続点Ｐｍを排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向下流側にすると、排泥管６内の圧力が大きい場合に、補助チャンバ１１内に対する吸引力が強すぎて補助チャンバ１１内の水位が下がりすぎることが考えられるからである。但し、補助チャンバ１１内の土砂の沈下量が多い場合は、合流接続点Ｐｍを排泥ポンプ１０よりも泥水の流動方向下流側にしてもよく、さらに、合流接続点Ｐｍの上流側および下流側に排泥ポンプ１０を接続して、状況に応じて選択的に稼働させるようにしてもよい。
【0053】
図示するように、送泥管５におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ１よりもカッタチャンバ４側には第１のバルブＶ１が、排泥管６におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ２よりもカッタチャンバ４側には第２のバルブＶ２が取り付けられている。また、バイパス配管１９には第３のバルブＶ３が、供給配管１２には第４のバルブＶ４が、排出配管１８には第５のバルブＶ５が、調圧配管１３には第６のバルブＶ６が取り付けられている。さらに、補助チャンバ１１と排泥タンク２０とを連結するドレイン管２１には第７のバルブＶ７が取り付けられている。
【0054】
これら第１のバルブＶ１～第７のバルブＶ７は何れもそれぞれの管路を開閉するためのものであり、本実施の形態においては、シールド掘進機１の作業状態（地山掘削作業中・地山掘削作業停止中）を示すデータ、カッタチャンバ４内の泥水の圧力計および濃度計による計測値、補助チャンバ１１内のレベルチェッカ２２および電極センサＳおよび圧力計による計測値などが収集され、これらに基づいて図示しない制御部（制御手段）に制御されるモータなどのアクチュエータによって自動的に開閉操作されるようになっている。
【0055】
但し、制御部を設けることなく、オペレータがアクチュエータを介して第１のバルブＶ１～第７のバルブＶ７を開閉操作するようにしてもよい。また、これら第１のバルブＶ１～第７のバルブＶ７には開度調整バルブを用いて、より緻密な操作ができるようにしてもよい。
【0056】
なお、排出配管１８に取り付けられた第５のバルブＶ５の排泥管６側には、逆止弁（第８のバルブ）Ｖ８が設置されている。これは、排泥管６内の水圧の方が排出配管１８内の水圧よりも高くなっている場合に、泥水が排泥管６から排出配管１８を通って補助チャンバ１１内に逆流する事態を阻止するためである。
【0057】
なお、前述のように、本実施の形態において、補助チャンバ１１の底面にはドレイン管２１を介して排泥タンク２０が接続されている。そして、補助チャンバ１１内の泥水が土砂を多く含んだ場合には、ドレイン管２１に設けられた第７のバルブＶ７を開いて補助チャンバ１１内の土砂を排泥タンク２０に排出するようになっている。したがって、補助チャンバ１１内の泥水をドレイン管２１から排出しても、泥水でトンネル内が汚染されることがない。なお、排泥タンク２０内の泥水は、図示しないバキューム掃除機で負圧吸引して機外に排出される。
【0058】
このように、本実施の形態のシールド掘進機１では、補助チャンバ１１からの泥水の排出経路として、排出配管１８から排泥管６に排出する第１の経路、およびドレイン管２１から排泥タンク２０に排出する第２の経路の２経路が設けられている。これは、補助チャンバ１１内の泥水を排出する必要が生じたにもかかわらず、排泥管６内の水圧が高いために第１の経路での排出ができなくなったときを想定したものである。但し、第１の経路による泥水の排出が可能な状態であっても、第２の経路で、あるいは第１の経路と第２の経路とを併用して排出してもよい。さらに、第１の経路および第２の経路の何れか一方の経路だけが設けられていてもよい。
【0059】
図４に示すように、補助チャンバ１１内には、電極センサ（水位検知手段）Ｓが補助チャンバ１１の側壁において上下方向の７箇所（電極センサＳ１～Ｓ７）に設置されている。なお、ここでは、最上部の電極センサを符号Ｓ１とし、そこから下方に向かって符号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７の電極センサとする。
【0060】
さて、この電極センサＳは、絶縁体を介して離間されて先端が補助チャンバ１１の内部に面している２本の電極を備えており、これらの電極間の通電の有無を検知することで、当該センサＳにまで泥水が存在しているか否か（通電すれば泥水が存在している）が検知される。そして、前述のように、電極センサＳは補助チャンバ１１の側壁において上下方向の７箇所に設置されているので、どの電極センサＳまでが通電しているかによって補助チャンバ１１内の水位（Ｈ）を検知することができる。
【0061】
図４に示すように、水位（Ｈ）を測定するためのそれぞれの電極センサＳ１～Ｓ７の位置が補助チャンバ１１内のレベルＬ１～レベルＬ７に対応している。たとえば、電極センサＳ３～Ｓ７が通電していれば、補助チャンバ１１内の水位は電極センサＳ３の位置に対応したレベルＬ３となる。なお、複数の電極センサ（電極センサＳ１～Ｓ７）の間隔は均等ではなくてもよい。
【0062】
ここで、図５に示すように、補助チャンバ１１内の水位に対応したレベルＬ１～レベルＬ７は、次のような内容になっている。
【0063】
すなわち、レベルＬ１は、掘進停止水位（異常高位）のレベルであり、泥水がバイパス配管１９を通って（つまり、カッタチャンバ４を通らずに）環流するバイパス環流モードにするとともに第６のバルブＶ６を閉鎖して、レベルＬ２まで泥水を排出する動作内容である。なお、レベルＬ１はバイパス環流モードであるために、レベルＬ１を脱出するまで掘進は停止（緊急停止）される。レベルＬ２は、上限水位のレベルであり、ここまで水位が低下したら泥水がカッタチャンバ４を通って（つまり、バイパス配管１９を通らずに）環流するカッタチャンバ環流モードにしてレベルＬ３まで泥水の排出を継続しながら掘進を実行する動作内容である。レベルＬ３は、基準水位（上端）のレベルであり、カッタチャンバ環流モードにしておいて、補助チャンバ１１への給排泥（供給配管１２からの給泥、排出配管１８からの排泥）は行わずに掘進を実行する動作内容である。レベルＬ４は基準水位のレベル、レベルＬ５は基準水位（下端）のレベルであり、動作内容はレベルＬ３と同じである。レベルＬ６は、下限水位のレベルであり、カッタチャンバ環流モードにしてレベルＬ５まで泥水を供給して掘進を実行する動作内容である。そして、レベルＬ７は、掘進停止水位（異常高位）のレベルであり、バイパス環流モードにするとともに第６のバルブＶ６を閉鎖して、レベルＬ６まで泥水を供給する動作内容である。なお、レベルＬ７もバイパス環流モードであるために、レベルＬ７を脱出するまで掘進は停止（緊急停止）される。なお、レベルＬ６は、下限水位のレベルであり、ここまで水位が上昇したらカッタチャンバ環流モードにしてレベルＬ５まで泥水の供給を継続しながら掘進を実行する動作内容である。
【0064】
なお、カッタチャンバ環流モードでは、送泥管５を通じて泥水プラント７に貯留されている泥水を送泥ポンプ８によりカッタチャンバ４内に供給し、カッタチャンバ４内の泥水圧力を切羽Ｆの土圧および地下水圧に見合う圧力にして切羽Ｆの安定を図るとともに、カッタチャンバ４内に溜められた泥水をカッタチャンバ４内に取り込まれた掘削土とともに排泥管６によってトンネルの外部の泥水プラント７を介して環流させながら地山にトンネルを形成する。また、カッタチャンバ４内の泥水圧力の変動に応じて、調圧配管１３を介してカッタチャンバ４と補助チャンバ１１との間で泥水が往来して、カッタチャンバ４内の圧力変動が緩和される。
【0065】
ここで、図５において、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６の開閉は図示するようになっているが、詳細については後述するフローチャートと併せて説明する。
【0066】
なお、本実施の形態では、電極センサＳ１～Ｓ７により水位をレベルＬｌ～レベルＬ７の７段階で検知することとしているが、これ以上あるいはこれ以下としてもよい。すなわち、少なくとも電極センサＳを３台設けて、上限水位、基準水位および下限水位の３種類の水位を検知できるようにしてもよい。本実施の形態に示すように、基準水位には、レベルＬ３：基準水位（上端）、レベルＬ４：基準水位およびレベルＬ５：基準水位（下端）を設けて基準水位となる水位幅を広くしているように、単一の基準水位とする場合には、同様に水位幅を広くするのが望ましい。また、掘進停止水位（異常高位）および掘進停止水位（異常高位）は検知しなくてもよい。これは、上限水位および下限水位を例えば基準水位の上下端レベルにしておけば、掘進停止水位（異常高位）や掘進停止水位（異常高位）に至るリスクがほとんど無視できるからである。
【0067】
また、例えば、逸泥が極端に大きい地層を掘削する場合には、９段階として補助チャンバ１１内の水位がレベルＬ８まで下がったら緊急停止のための作業を開始するようにしてもよい。特に、補助チャンバ１１の形状が上下に細長く、容量が小さい場合に、水位を多段階で検知することが有効である。
【0068】
補助チャンバ１１内には、レベルチェッカ（流向検知手段）２２が設置されている。本実施の形態において、送信されてから水面で反射して受信されるまでのガイドプロープ上を伝達するパルス信号の時間から水面高さを測定するガイドパルス式のレベルチェッカ２２が用いられている。このレベルチェッカ２２は、補助チャンバ１１内の水位の増減を計測することにより、補助チャンバ１１とカッタチャンバ４との間を往来する泥水の流向（泥水がどちらの方向に流れているか）を検知するためのものである。
【0069】
以上のような構成を有するシールド掘進機１において、補助チャンバ１１の水位に応じた第１のバルブＶ１～第７のバルブＶ７の開閉による泥水の流れについて、図２～図６を用いて説明する。なお、管路を開閉して泥水の流れを制御する第１のバルブＶ１～第７のバルブＶ７は、前述のように制御部によって制御されている。また、第７のバルブＶ７は補助チャンバ１１からの泥水の排出のために開閉されるものであって第５のバルブＶ５と同様の機能を有するものであるが、説明の煩雑化を回避するために、第７のバルブＶ７についての動作説明は簡略化する。
【0070】
すなわち、補助チャンバ１１からの排泥停止では、第５のバルブＶ５および第７のバルブＶ７が何れも閉鎖されるのに対して、補助チャンバ１１からの排泥では、第５のバルブＶ５および第７のバルブＶ７の何れか一方、あるいは両方を開放して行われる。よって、補助チャンバ１１から排泥しないときには、第５のバルブＶ５も第７のバルブＶ７も閉鎖位置になっているが、補助チャンバ１１から排泥するときには、第５のバルブＶ５が開放位置で第７のバルブＶ７が閉鎖位置、第５のバルブＶ５が閉鎖位置で第７のバルブＶ７が開放位置、第５のバルブＶ５も第７のバルブＶ７も開放位置の３パターンがある。
【0071】
しがたって、排出配管１８の第５のバルブＶ５、およびドレイン管２１の第７のバルブＶ７の何れか一方あるいは両方を備えている場合、後述する図５および図６ならびにこれらの説明において、第５のバルブＶ５が閉鎖位置（ＣＬ（Ｃｌｏｓｅ））であるとは第７のバルブＶ７も閉鎖位置であることを意味し、第５のバルブＶ５が開放位置（ＯＰ（Ｏｐｅｎ））であるとは第５のバルブＶ５および第７のバルブＶ７の何れか一方あるいは両方ともが開放位置であることを意味する。
【0072】
ここで、図２および図３において、泥水の流れる管路は太い実線で、泥水が流れたり流れなかったりする管路は太い破線で、それぞれ示している。また、図２は、泥水がカッタチャンバ４を通って（つまり、バイパス配管１９を通らずに）環流するカッタチャンバ環流モードであり、図３は、泥水がバイパス配管１９を通って（つまり、カッタチャンバ４を通らずに）環流するバイパス環流モードを示している。
【0073】
また、図６のフローチャートにおいて、図中にも記載したように、Ｖ１～Ｖ６は第１のバルブ～第６のバルブを、ＯＰ（Ｏｐｅｎ）はバルブＶが開放位置であることを、ＣＬ（Ｃｌｏｓｅ）はバルブＶが閉鎖位置であることを、バイパス環流モードとは、第１のバルブＶ１がＣＬ、第２のバルブＶ２がＣＬ、第３のバルブＶ３がＯＰとなるモード（つまり、泥水がバイパス配管１９を通って環流するモード）を、カッタチャンバ環流モードとは、第１のバルブＶ１がＯＰ、第２のバルブＶ２がＯＰ、第３のバルブＶ３がＣＬとなるモード（つまり、泥水がカッタチャンバ４を通って環流するモード）を、Ｈは電極センサＳ１～Ｓ７による補助チャンバ１１内の水位を、Ｌ１～Ｌ７は補助チャンバ１１内の水位Ｈについてのレベルを、それぞれ意味している。
【0074】
さて、図６において、先ず、泥水式シールド掘進機１をバイパス環流モード（図３）にして第３のバルブＶ３のみを開放し（ステップＳｔ０１）、次に、第３のバルブＶ３を開放したままで第６のバルブＶ６を開放し（ステップＳｔ０２）、続いて、カッタチャンバ環流モード（図２）に移行して第１のバルブＶ１および第２のバルブＶ２のみを開放し（ステップＳｔ０３）、掘進を開始する（ステップＳｔ０４）。このとき、ステップＳｔ０２において調圧配管１３に設けられた第６のバルブＶ６が開放されているので、ステップＳｔ０３のカッタチャンバ環流モードで第１のバルブＶ１が開放されて送泥管５からカッタチャンバ４内に一気に泥水が流入したとき、泥水が調圧配管１３を介して補助チャンバ１１に流入し、圧縮空気が供給されている補助チャンバ１１内の水面上昇によりカッタチャンバ４内の水圧の上昇が緩和されてカッタヘッド２に対する急激な負荷が低減される。
【0075】
ステップＳｔ０４において掘進を開始したならば、次に、水位計測を行う（ステップＳｔ０５）を行う。
【0076】
また、本実施の形態においては、ステップＳｔ０１～ステップＳｔ０４を経てステップＳｔ０５を実行しているが、補助チャンバ１１内に既にある程度の泥水が入っているので、ステップＳｔ０１～ステップＳｔ０４を省略してもよい。但し、シールド掘進機１のスムーズなオペレーションのためには、ステップＳｔ０１～ステップＳｔ０４を実行するのが望ましい。
【0077】
さて、図６に戻り、ステップＳｔ０５での水位計測の結果、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ７より少ないか否かが判断される（ステップＳｔ０６）。そして、ステップＳｔ０６において補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ７より少なくない（多い）と判断された場合には、次に、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ１より多いか否かが判断される（ステップＳｔ０７）。
【0078】
このように、ステップＳｔ０６とステップＳｔ０７とにおいては、補助チャンバ１１の水位Ｈが掘進停止水位（レベルＬ７：異常低位、レベルＬ１：異常高位）を超えた状態であるか否かが判断される。そして、ステップＳｔ０６およびステップＳｔ０７において、何れも「ＮＯ（否）」と判断されたということは、補助チャンバ１１の水位Ｈが掘進停止水位を超えていないことを意味する。
【0079】
さて、ステップＳｔ０７において補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ１より多くない（少ない）と判断された場合には、次に、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ６より少ないか否かが判断される（ステップＳｔ０８）。そして、ステップＳｔ０８において補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ６より少なくない（多い）と判断された場合には、次に、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ２より多いか否かが判断される（ステップＳｔ０９）。
【0080】
このように、ステップＳｔ０８とステップＳｔ０９とにおいては、補助チャンバ１１の水位Ｈが上下限水位（レベルＬ２：上限水位、レベルＬ６：下限水位）を超えた状態であるか否かが判断される。そして、ステップＳｔ０８およびステップＳｔ０９において、何れも「ＮＯ（否）」と判断されたということは、補助チャンバ１１の水位Ｈが上下限水位をも超えていないことを意味する。
【0081】
したがって、これらのステップＳｔ０６～ステップＳｔ０９で「ＮＯ（否）」と判断されたことから、補助チャンバ１１の水位Ｈは標準水位内となっている、つまりレベルＬ３（標準水位（上限））～レベルＬ４（標準水位））、あるいはレベルＬ４（標準水位）～レベルＬ５（標準水位（下限）））となっていることになる。したがって、カッタチャンバ環流モード（ステップＳｔ０３）の下で開始されたシールド掘進機１による掘進（ステップＳｔ０４）が実行され続ける。すなわち、カッタチャンバ４内の泥水圧力の変動に応じて、調圧配管１３を介してカッタチャンバ４と補助チャンバ１１との間で泥水が往来して、カッタチャンバ４内の圧力変動が緩和されながら地山が掘削されていく。
【0082】
そして、ステップＳｔ１０において、推進ジャッキが伸びきったかどうかが判断され、伸びきったと判断された場合には、バイパス環流モードにし（ステップＳｔ１１）、シールド掘進機１の掘進を停止させる（ステップＳｔ１２）。そして、トンネルを構築するために、図示しないセグメントをリング状に組み立てる（ステップＳｔ１３）。
【0083】
なお、ステップＳｔ１０において、推進ジャッキが伸びきっていないと判断された場合には、シールド掘進機１をさらに前進させる必要があることから、前述したステップＳｔ０５に戻る。
【0084】
そして、ステップＳｔ１３においてセグメントの組み立てが完了すると、ステップＳｔ４４において、１日の作業が終了したかどうかが判断され、終了したと判断された場合には、第４のバルブＶ４、第５のバルブＶ５および第６のバルブＶ６を閉鎖する（ステップＳｔ４５）。また、ステップＳｔ４４において、１日の作業が終了していないと判断された場合には、前述したステップＳｔ０３に戻る。
【0085】
さて、補助チャンバ１１の水位Ｈが常に標準水位内であれば、以上のようなステップＳｔ０１からステップＳｔ１３に至るステップを順次経由することができてスムーズな掘進が行われる。しかしながら、地盤の状態によってはカッタチャンバ４への掘削泥水の流入量が変動することから、補助チャンバ１１内の泥水をカッタチャンバ４との間で往来させてカッタチャンバ４内の泥水圧の急激な変化を緩和している。そのため、補助チャンバ１１内の水位Ｈは必ずしも常に標準水位内にあるとは限らない。
【0086】
そのようなことから、本フローチャートに示すように、補助チャンバ１１の水位Ｈが適宜チェックされて、チェック結果に応じた処理が実行されることになっている。
【0087】
さて、このような補助チャンバ１１の水位Ｈのチェックとして、前述のステップＳｔ０６において、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ７（掘進停止水位（異常低位））より少ないと判断された場合には、図５のレベルＬ７に従って、シールド掘進機１の掘進を停止し（ステップＳｔ１４）、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６をレベルＬ７に対応した状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４を開放するとともに第５のバルブＶ５および第６のバルブＶ６を閉鎖してから（ステップＳｔ１５）、バイパス環流モードにする（ステップＳｔ１６）。これにより、送泥管５から供給配管１２を通って泥水が補助チャンバ１１へと供給が開始される（ステップＳｔ１７）。
【0088】
なお、バイパス環流モードにおいては、補助チャンバ１１内に泥水の供給（ステップＳｔ１７や後述するステップＳｔ３３）または泥水の排出（後述するステップＳｔ２６やステップＳｔ３９）を行う。このため、供給配管１２の送泥管５との分流接続点Ｐｓや排出配管１８の排泥管６との合流接続点Ｐｍは、送泥管５におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ１や排泥管６におけるバイパス配管１９との分岐接続点Ｐｂ２よりも発進坑口側に設置されることが望ましい（図１～図３参照）。
【0089】
そして、ステップＳｔ０５と同様の水位計測を行い（ステップＳｔ１８）、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ６（下限水位）より多いか否かが判断される（ステップＳｔ１９）。そして、レベルＬ６より多いと判断された場合には、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ６に従った状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４および第６のバルブＶ６を開放するとともに第５のバルブＶ５を閉鎖してから（ステップＳｔ２０）、カッタチャンバ環流モードにする（ステップＳｔ２１）。これにより、送泥管５から供給配管１２を通って泥水が補助チャンバ１１に供給されるとともに調圧配管１３が開放され、シールド掘進機１の掘進が開始する（ステップＳｔ２２）。なお、掘進開始後は、後述するステップＳｔ３４に移行する。
【0090】
なお、ステップＳｔ１９において、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ６より多くなっていない（少ない）と判断された場合には、多くなるまで給泥が実行される。
【0091】
次に、前述のステップＳｔ０７において補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ１（掘進停止水位（異常高位））より多いと判断された場合には、図５のレベルＬ１に従って、シールド掘進機１の掘進を停止し（ステップＳｔ２３）、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６をレベルＬ１に対応した状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４および第６のバルブＶ６を閉鎖するとともに第５のバルブＶ５を開放してから（ステップＳｔ２４）、バイパス環流モードにする（ステップＳｔ２５）。これにより、補助チャンバ１１への給泥が停止されるとともに、補助チャンバ１１内の泥水が排出配管１８を介して排泥管６へと排出が開始される（ステップＳｔ２６）。
【0092】
そして、ステップＳｔ０５と同様の水位計測を行い（ステップＳｔ２７）、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ２（上限水位）より低くなったか否かが判断される（ステップＳｔ２８）。そして、レベルＬ２より低くなったと判断された場合には、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ２に従った状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４を閉鎖するとともに第５のバルブＶ５および第６のバルブＶ６を開放してから（ステップＳｔ２９）、カッタチャンバ環流モードにする（ステップＳｔ３０）。これにより、泥水が補助チャンバ１１から排出配管１８から排泥管６へと排出されるとともに調圧配管１３が開放され、シールド掘進機１の掘進が開始する（ステップＳｔ３１）。なお、掘進開始後は、後述するステップＳｔ４０に移行する。
【0093】
なお、ステップＳｔ２８において、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ２より少なくなっていない（多い）と判断された場合には、少なくなるまで排泥が実行される。
【0094】
次に、ステップＳｔ０８において、水位ＨがレベルＬ６（下限水位）より少ないと判断された場合には、図５のレベルＬ６に従って、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６をレベルＬ６に対応した状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４および第６のバルブＶ６を開放するとともに第５のバルブＶ５を閉鎖し（ステップＳｔ３２）、補助チャンバ１１内に給泥を開始する（ステップＳｔ３３）。
【0095】
そして、ステップＳｔ０５と同様の水位計測を行い（ステップＳｔ３４）、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ５（基準水位（下端））より高くなったか否かが判断される（ステップＳｔ３５）。そして、レベルＬ５より高くなったと判断された場合には、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ５に従った状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４および第５のバルブＶ５を閉鎖するとともに第６のバルブＶ６を開放してから（ステップＳｔ３６）、補助チャンバ１１への給泥を停止する（ステップＳｔ３７）。なお、補助チャンバ１１への給泥を停止するのは、補助チャンバ１１内が基準水位となっているからである。また、ステップＳｔ３７で給泥を停止したならば、前述したステップＳｔ０５に戻る。
【0096】
なお、ステップＳｔ３５において、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ５より多くなっていない（少ない）と判断された場合には、多くなるまで給泥が実行される。
【0097】
次に、ステップＳｔ０９において、水位ＨがレベルＬ２（上限水位）より多いと判断された場合には、図５のレベルＬ２に従って、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６をレベルＬ２に対応した状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４のバルブを閉鎖するとともに第５のバルブＶ５および第６のバルブＶ６を開放し（ステップＳｔ３８）、補助チャンバ１１から排泥を開始する（ステップＳｔ３９）。
【0098】
そして、ステップＳｔ０５と同様の水位計測を行い（ステップＳｔ４０）、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ３（基準水位（上端））より低くなったか否かが判断される（ステップＳｔ４１）。そして、レベルＬ３より低くなったと判断された場合には、第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ３に従った状態にする。すなわち、第４のバルブＶ４および第５のバルブＶ５を閉鎖するとともに第６のバルブＶ６を開放してから（ステップＳｔ４２）、補助チャンバ１１の排泥を停止する（ステップＳｔ４３）。なお、補助チャンバ１１の排泥を停止するのは、補助チャンバ１１内が基準水位なっているからである。また、ステップＳｔ４３で排泥を停止したならば、前述したステップＳｔ０５に戻る。
【0099】
なお、ステップＳｔ４１において、補助チャンバ１１の水位ＨがレベルＬ３より多いと判断された場合には、少なくなるまで排泥が実行される。
【0100】
ここで、図５に示すように、レベルＬ３（基準水位（上端））、レベルＬ４（基準水位）およびレベルＬ５（基準水位（下端））における第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６の開閉位置は全て同一になっている。そして、以上の図６における説明では、「第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ４（基準水位）に従った状態にする」との処理は存在しない。これは、補助チャンバ１１内の水位が、ステップＳｔ０８においてレベルＬ６（下限水位）よりも多く、ステップＳｔ０９においてレベルＬ２（上限水位）よりも少ないと判断されれば、つまり、補助チャンバ１１内の水位がレベルＬ３～レベルＬ５（基準水位（上端）～基準水位（下端））の間にあれば第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６の開閉位置を変更する必要がないため、あえて「水位ＨがレベルＬ４（基準水位）より多い（あるいは少ない）」との判断、および「第１のバルブＶ１～第６のバルブＶ６を図５のレベルＬ４（基準水位）に従った状態にする」との処理を実行する必要がないからである。但し、水位ＨがレベルＬ４より多いか少ないかに係わる処理を実行するようにしても差し支えない。
【0101】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電極センサＳの検知結果が上限水位のレベルＬ２の場合には、第１のバルブＶ１、第２のバルブＶ２、第５のバルブＶ５および第６のバルブＶ６のみを開放して補助チャンバ１１内が基準水位のレベルＬ３になるまで排泥して掘進を開始し、電極センサＳの検知結果が基準水位のレベルＬ３～Ｌ５の場合には、第１のバルブＶ１、第２のバルブＶ２および第６のバルブＶ６のみを開放して補助チャンバ１１での給排泥を行わずに掘進を実行し、電極センサＳの検知結果が下限水位のレベルＬ６の場合には、第１のバルブＶ１、第２のバルブＶ２、第４のバルブＶ４および第６のバルブＶ６のみを開放して補助のチャンバ１１内が基準水位になるまで給泥して掘進を開始するようにしている。
【0102】
したがって、泥水式のシールド掘進機１に設けられた補助チャンバ１１内の泥水量を調整しながら掘進を行うことが可能になる。
【0103】
なお、本実施の形態においては、前述のように、カッタチャンバ４が逸泥状態かどうかは逸泥量の算定結果から判断される。
【0104】
具体的に、カッタチャンバ４内の逸泥状態での泥水の濃度の調整については次にようにしている。すなわち、１日の逸泥量（＝（送泥量＋掘削土量）－排泥量）が全体量の１０％以上のときを逸泥状態としている。泥水濃度は比重で管理しており、標準が１．２として、逸泥状態の場合は１．２５まで上げるようにしている。また、泥水の比重は最大で１．３程度とし、逸泥量が大きくない場合は標準を１．２２としている。
【0105】
また、１日の逸泥量が全体量の１％以下になったら逸泥が収まったと判断し、泥水の濃度を１．２まで戻す可能性を検討する。ここで、泥水の濃度を１．２まで戻さない余地を残したのは、泥水の濃度を変更する場合には、地上の振動ふるいやシックナーバックフィルタなどについて変更するなど大掛かりな調整が必要なためであり、泥水の濃度を上げた状態で掘削することに問題がない場合は、そのまま続けることが望ましいからである。
【0106】
また、逸泥とは逆に、切羽Ｆの水圧が高くなり、地下水がカッタチャンバ４に流入して水位が上昇する場合がある。本実施の形態において、このときの許容値はプラスマイナス３％としており、水位の上昇が３％以上の状態が丸１日続いた場合には、カッタチャンバ４の泥土圧を漸増させて切羽Ｆとのバランスを取る。カッタチャンバ４内の泥土圧は図示しない土圧計により管理値（地盤の主働土圧と受働土圧の間）の範囲内で調整し、許容値内に戻ったら泥土圧を戻す。なお、この間は、補助チャンバ１１内の空気圧も泥土圧に合わせて標準値よりも高くなるように調整する。
【0107】
なお、補助チャンバ１１内の泥水が例えばレベルＬ６まで下がった場合、泥水濃度を濃くしたうえで補助チャンバ１１に泥水を供給するが、それでも補助チャンバ１１の水位がレベルＬ６とレベルＬ５を往復する状態が数日（たとえば、２、３日）続く場合には、管理者が基準水位（下端）をレベルＬ４に変更するといった措置を取ることができる。
【0108】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。
【0109】
たとえば、水位検知手段は、本実施の形態のように泥水による通電の有無で水位を検知する電極センサＳに限定されるものではなく、補助チャンバ１１内の水位を検知する機能を備えた様々なものを適用することができる。したがって、設置箇所は補助チャンバ１１の側壁ではなく、内部であってもよい。
【0110】
また、流向検知手段は、本実施の形態のようにガイドパルス式のレベルチェッカ２２は限定されるものではなく、水圧式、超音波式、電波式、フロート式、光学式などであってもよい。さらに、レベルチェッカ２２に代えて、調圧配管１３に流向計（流向検知手段）を設置し、補助チャンバ１１とカッタチャンバ４との間を往来する泥水の流向を検知するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0111】
以上の説明では、本発明を泥水式のシールド掘進機に適用した場合について説明したが、カッタヘッドの形状や構造等、本発明にかかわらない点については、特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0112】
１ シールド掘進機
２ カッタヘッド
３ スキンプレート
４ カッタチャンバ（第１のチャンバ）
５ 送泥管
６ 排泥管
７ 泥水プラント
８ 送泥ポンプ
９ 隔壁
１０ 排泥ポンプ
１１ 補助チャンバ（第２のチャンバ）
１２ 供給配管
１３ 調圧配管
１４ レシーバタンク
１５ 空圧配管
１６ コンプレッサ
１７ リリーフ弁（圧力制御弁）
１８ 排出配管
１９ バイパス配管
２０ 排泥タンク
２１ ドレイン管
２２ レベルチェッカ（流向検知手段）
Ｆ 切羽
Ｈ 補助チャンバ内の水位
Ｐｂ１，Ｐｂ２ 分岐接続点
Ｐｍ 合流接続点
Ｓ、Ｓ１～Ｓ７ 電極センサ（水位検知手段）
Ｌ１～Ｌ７ 補助チャンバ内の水位についてのレベル
Ｖ１～Ｖ７ 第１のバルブ～第７のバルブ
Ｖ８ 逆止弁（第８のバルブ）
２ カッタヘッド
３ スキンプレート
４ カッタチャンバ（第１のチャンバ）
５ 送泥管
６ 排泥管
７ 泥水プラント
８ 送泥ポンプ
９ 隔壁
１０ 排泥ポンプ
１１ 補助チャンバ（第２のチャンバ）
１２ 供給配管
１３ 調圧配管
１４ レシーバタンク
１５ 空圧配管
１６ コンプレッサ
１７ リリーフ弁（圧力制御弁）
１８ 排出配管
１９ バイパス配管
２０ 排泥タンク
２１ ドレイン管
２２ レベルチェッカ（流向検知手段）
Ｆ 切羽
Ｈ 補助チャンバ内の水位
Ｐｂ１，Ｐｂ２ 分岐接続点
Ｐｍ 合流接続点
Ｓ、Ｓ１～Ｓ７ 電極センサ（水位検知手段）
Ｌ１～Ｌ７ 補助チャンバ内の水位についてのレベル
Ｖ１～Ｖ７ 第１のバルブ～第７のバルブ
Ｖ８ 逆止弁（第８のバルブ）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】