特許 7496916 管理土圧の設定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-30

(45)【発行日】2024-06-07

(54)【発明の名称】管理土圧の設定システム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20240531BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 E

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023107921

(22)【出願日】2023-06-30

【審査請求日】2023-11-20

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】509098478

【氏名又は名称】岩崎 好規

(73)【特許権者】

【識別番号】510132576

【氏名又は名称】株式会社地域地盤環境研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000207780

【氏名又は名称】大豊建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001793

【氏名又は名称】弁理士法人パテントボックス

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 好規

(72)【発明者】

【氏名】長屋 淳一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 高広

(72)【発明者】

【氏名】藤井 宣

(72)【発明者】

【氏名】大久保 健治

(72)【発明者】

【氏名】平形 和広

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 元治

(72)【発明者】

【氏名】奥田 和男

【審査官】松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５８－２０７４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０１３６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０３１７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１４７１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０６７０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２３３６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１８８２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０３２４９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－０１４８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／０９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド掘進機における管理土圧の設定システムであって、
チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、
前記チャンバー内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段と、
切羽のトンネル縦断方向で坑口方向への変位を計測する変位計測手段と、
掘進停止時に計測される減圧過程の泥土圧とその変化過程に対応して計測された切羽の変位に基づいて、泥土圧－変位グラフから降伏点土圧を求める、解析部と、
求めた降伏点土圧に基づいて、管理土圧を設定する設定部と、
を備える、管理土圧の設定システム。

【請求項2】

シールド掘進機における管理土圧の設定システムであって、
チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、
前記チャンバー内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段と、
切羽の変位を計測する変位計測手段と、
計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部と、
解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部と、を備え、
前記シールド掘進機の停止時に、前記泥土圧変化手段によって前記チャンバー内の泥土圧が減圧されることで、前記解析部によって地盤の変形から主働土圧が求められるようになっている、管理土圧の設定システム。

【請求項3】

前記泥土圧変化手段としてのスクリューコンベアを回転させることで、前記チャンバー内の泥土圧が減圧され、前記解析部は、計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の降伏点を解析することで主働土圧を求める、請求項２に記載された、管理土圧の設定システム。

【請求項4】

前記変位計測手段として、切羽まで到達する探査治具と、前記探査治具の変位を計測する変位センサと、を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、管理土圧の設定システム。

【請求項5】

前記変位計測手段として、多段式傾斜計及び／又は層別沈下計が、掘進予定の地盤内にあらかじめ設置されている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、管理土圧の設定システム。

【請求項6】

前記解析部は、
解析された地盤の変形特性に基づいて、地盤の力学定数を逆解析によって推定し、当該地盤の力学定数を用いてＦＥＭモデルを更新するとともに、
更新されたＦＥＭモデルを用いて、周辺の地盤及び／又は構造物への影響を予測するようになっている、請求項４に記載された、管理土圧の設定システム。

【請求項7】

前記解析部は、
解析された地盤の変形特性に基づいて、地盤の力学定数を逆解析によって推定し、当該地盤の力学定数を用いてＦＥＭモデルを更新するとともに、
更新されたＦＥＭモデルを用いて、周辺の地盤及び／又は構造物への影響を予測するようになっている、請求項５に記載された、管理土圧の設定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールド掘進機において使用されるチャンバー内泥土圧の管理土圧設定システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、土圧式シールドにおけるチャンバー内泥土圧の管理は、切羽の安定を保持しながら周辺地盤の変形や沈下等を生じさせないようにシールドを掘進させるために不可欠なものであり、適正な管理を行うことで周辺地盤の変位を抑制することができる。

【0003】

土圧式シールドでは、チャンバー内泥土圧の管理土圧は、以下の範囲に設定されている。
（受働土圧＋水圧）＞チャンバー内泥土圧（管理土圧）＞（主働土圧＋水圧）
チャンバー内泥土圧が上記範囲内に保持されていれば、切羽の安定は理論上確保されるが、チャンバー内泥土圧が高くなることで、カッタートルクやジャッキ推力の増大を招き、施工上非効率となることから、切羽の安定が確保される範囲で管理土圧を低く設定することが望ましい。そこで、下限値については（主働土圧＋水圧）にプラスαを加えた値を、上限値については前記下限値（主働土圧＋水圧＋α）に施工変動幅を更に考慮した値、または（静止土圧＋水圧）を設定することが一般的である。
なお、ここで言う受働土圧、主働土圧および静止土圧とは、土粒子間で伝達される有効土圧の事を示し、間隙水圧を含まない。一方、チャンバー内泥土圧とは、チャンバー内の土粒子および間隙水を一体と考えた全土圧の事であり、間隙水圧を含む。

【0004】

従来の土圧式シールドにおけるチャンバー内泥土圧の管理手法には、以下に示す１）の方法と２）の方法がある。
１）事前の土質調査により推定される対象地盤の土質定数（φ、Ｃ、γ等）、地下水位や上載荷重から土圧の算定式を用いて、主働土圧、受働土圧や静止土圧などを算定し、その数値を基に、チャンバー内泥土圧の上限値と下限値を設定して管理する方法（例えば、特許文献１参照）。
２）シールドの停止時に測定される停止時チャンバー内泥土圧を基に、管理土圧を設定する方法（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－２３３３７２号公報

【文献】「シールドトンネル工事の安全・安心な施工に関するガイドライン」シールドトンネル施工技術検討会、令和３年１２月、Ｐ．１９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

・管理手法 １）の課題：
事前の土質調査は通常ボーリングにより実施されるが、その頻度は路線延長に対して２００（ｍ）間隔程度で行われることが多い。したがって、調査地点の間で土質条件等が変化する場合には、適正な管理土圧を算定できないことがある。また、土圧の算定式自体が２次元に簡略化された力のつり合いだけに基づく理論的なものであることから、必ずしも実際の３次元状態のシールド切羽地盤の土圧を正確に算定できているとは限らない。

【0007】

・管理手法 ２）の課題：
シールドの停止時に測定される停止時泥土圧は、シールド自体が動くことがなく、かつ、カッタヘッドに面板がない場合は、切羽に作用する土圧を比較的正確に反映していると考えられるが、これらの条件が維持されない場合には、停止時泥土圧が地盤の静止土圧又は主働土圧プラス水圧を表しているとは限らない。

【0008】

そこで、本発明は、仮定や推定による管理土圧の設定ではなく、チャンバー内泥土圧と切羽付近の変位関係を直接計測することで管理土圧を設定する、シールド掘進機の管理土圧の設定システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記目的を達成するために、本発明のシールド掘進機における管理土圧の設定システムは、チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、前記チャンバー内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段と、切羽の変位を計測する変位計測手段と、計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部と、解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部と、を備えている。

【発明の効果】

【0010】

このように、本発明のシールド掘進機における管理土圧の設定システムは、チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、チャンバー内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段と、切羽の変位を計測する変位計測手段と、計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部と、解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部と、を備えている。このような構成であるため、仮定や推定による管理土圧の設定ではなく、チャンバー内の泥土圧と切羽変位の関係を直接計測することで管理土圧を設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】シールド掘進機の内部構造を説明する断面図である。

【図2】探査治具と計測センサの構成について説明する断面図である。

【図3】機内計測式の切羽変位計測方法の説明図である。（ａ）は掘進中の説明図であり、（ｂ）は探査治具の挿入の説明図であり、（ｃ）は変位計測中の説明図である。

【図4】事前設置式の切羽変位計測方法の説明図である。（ａ）は横断面図であり、（ｂ）は縦断面図である。

【図5】管理土圧の設定システムの手順について説明するフローチャートである。

【図6】減圧試験による泥土圧－水平変位の関係を示したグラフである。

【図7】ＦＥＭモデルの概念を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、以下では、土圧式シールド１を例として説明するが、他の形式のシールド掘進機であっても本発明を適用できる。

【実施例】

【0013】

（シールド掘進機の構成）
図１は、本発明の実施例を示す縦断側面図である。本実施例のシールド掘進機としての土圧式シールド１は、図１に示すように、スキンプレート（シールド本体筒）２と、隔壁３と、カッタヘッド５と、カッタ回転軸１０と、カッタ駆動部１２と、チャンバー１６と、排土装置１７と、シールド推進ジャッキ１８と、作泥土材供給配管２１と、圧力計２２と、水圧計２３と、操作室内部等に配置された解析部４１及び設定部４２を含む制御部４０を備えている。

【0014】

カッタヘッド５は、カッタスポーク５１と、カッタスポーク５１の前面に設けられた複数のカッタビット５２、・・・と、カッタスポーク５１の前面中央部に設けられたフィッシュテールビット５３と、カッタスポーク５１の背面に設けられた複数の撹拌翼５４、・・・とを有している。カッタヘッド５はカッタ回転軸１０に一体に取り付けられている。

【0015】

カッタ回転軸１０は、隔壁３に設けられた軸受１１と、後述のギアボックス１３の後部に設けられた軸受とに回転自在に支持されている。カッタ回転軸１０はカッタ駆動部１２に連結されている。カッタ駆動部１２は、隔壁３の背面側に設置されたギアボックス１３と、ギアボックス１３に接続された回転駆動源１４と、回転駆動源１４の出力軸とカッタ回転軸１０の間に介在する減速歯車（ギアボックス１３内に配置；図示省略）とを有している。

【0016】

チャンバー１６は、スキンプレート２のフード部２ａと、隔壁３と、切羽Ｆに囲まれた空間にて形成されている。排土装置１７としては、例えばスクリューコンベアが用いられる。排土装置１７における泥土取り込み口は、チャンバー１６に臨むように開口・設置されている。そして、本実施例では、排土装置１７は、泥土圧変化手段としての機能も備えている。

【0017】

さらに、スキンプレート２のテール部２ｂには、セグメント９０を組み立てるためのエレクター１５が設置されている。さらに、シールド推進ジャッキ１８は、スキンプレート２の内部において、円周方向に所要の間隔をおいて複数基設置されている。この他、スキンプレート２の後端部には、テールシール１９が設けられている。

【0018】

そして、本実施例のシールド掘進機としての土圧式シールド１は、切羽又は切羽周辺の変位を計測する変位計測手段６、７をさらに備えている。ここでは、まず図２、図３を用いて、機内から切羽の変位を計測する機内計測式の変位計測手段６について説明し、次に図４を用いて、地上から事前に計器を設置する事前設置式の変位計測手段７について説明する。

【0019】

機内計測式の変位計測手段６は、図２に示すように、隔壁３を貫通して先端６１ａが切羽Ｆまで到達する十分な長さを有する棒状の探査治具６１と、この探査治具６１を把持／開放することでジャッキ６２、６２の伸縮に伴って探査治具６１を移動／開放させる油圧チャック６３と、探査治具６１の末端にこれと一体に取り付けられる検知部６４と、検知部６４のスライド移動をサポートするガイド６５と、検知部６４との距離を計測することで探査治具６１の変位量を計測する変位センサ６６と、探査治具６１の止水装置６７と、止水用のバルブ６８、６８と、から構成されている。

【0020】

したがって、油圧チャック６３で探査治具６１を把持した状態では、ジャッキ６２、６２が伸びると探査治具６１は後退し、ジャッキ６２が縮むと探査治具６１は前進するようになっている。そして、油圧チャック６３を開放した状態では、探査治具６１は自由な状態となる。したがって、開放状態（探査治具６１は自由に移動できる）では、探査治具６１の先端６１ａが切羽Ｆと接触していれば、切羽Ｆの変位に合わせて探査治具６１が（トンネル縦断方向に）移動する。後述するように、本発明では、チャンバー１６内の泥土圧を減圧することによって切羽Ｆが微小にせり出すため、探査治具６１はトンネル縦断方向で坑口方向に移動することになる。

【0021】

次に、図２と図３（ａ）－（ｃ）を用いて、本実施例の減圧試験における、探査治具６１と変位センサ６６を有する変位計測手段６の操作手順について説明する。
１．シールド掘進時は、探査治具６１は隔壁３位置まで縮めた状態となっている（図３（ａ））。
２．シールド停止後、油圧チャック６３で探査治具６１を把持して先端６１ａが切羽Ｆ面に接する位置までスライドさせる（図３（ｂ）参照）。ジャッキ６２は縮められる。
３．探査治具６１の先端６１ａを切羽Ｆに押し当てたら油圧チャック６３を開放する。
４．排土手段を微速に稼働させ、チャンバー１６内の泥土圧を少しずつ減圧する。
５．減圧に伴って切羽Ｆが変位するとその変位により探査治具６１がシールド内に押される（図３（ｃ）参照）。
６．探査治具６１には、シールド内に計測装置（検知部６４、変位センサ６６）が取り付けられている。変位量は検知部６４を通して変位センサ６６で計測される。
７．変位センサ６６から計測値がＰＣへ送られる。同時に隔壁３に設けた圧力計２２によりチャンバー１６内泥土圧が計測される。
８．上記の手順によりチャンバー１６内泥土圧と切羽Ｆ変位量の関係を求める。
９．切羽変位における遷移領域（降伏点を含む）の全部もしくは一部が明らかになった時点で、減圧試験を停止する。
１０．例えば、排土手段を逆転し泥土を戻してチャンバー１６内泥土圧を初期の状態まで増圧する。
１１．油圧チャック６３で探査治具６１を把持して、ジャッキ６２操作により引き戻し探査治具６１を隔壁３位置まで縮める（図３（ａ））。ジャッキ６２は伸ばされる。

【0022】

上述した機内計測式の変位計測手段６の構成のうち、変位を計測する構成については、地上から事前に設置する、事前設置式の多段式傾斜計（又は層別沈下計）７１－７４、７５－７８に代えることもできる。すなわち、事前設置式の変位計測手段７は、図４に示すように、地表から所定の深さ位置に複数の多段式傾斜計７１－７４、７５－７８が設置される。設置位置としては、例えば、トンネル掘進予定位置の切羽近傍に加えて、その直上や左右にずれた位置（及びその直上）まで含まれることが好ましい。

【0023】

つまり、事前に地上から多段式傾斜計７１－７４や層別沈下計などをシールド通過予定の断面内にあらかじめ設置し、計測装置直前でシールド掘進を一時停止させ、減圧試験を実施することで地盤の変位を計測することが可能となる。これらの多段式傾斜計７１－７４は、シールド通過予定箇所に所定の間隔で埋設されることが好ましい。この場合、従来のボーリング間隔（２００（ｍ））よりも狭い間隔で埋設することが好ましい。

【0024】

この他、土圧式シールド１は、制御部４０をさらに備えている。制御部４０は、例えば、メモリ、ＣＰＵ、ＳＳＤなどを有する汎用のパーソナルコンピュータである。制御部４０では、土圧式シールド１の管理土圧が設定されて掘進を制御する。すなわち、掘進中は、シールド推進ジャッキ１８によって土圧式シールド１を前進させつつ、泥土圧変化手段としての排土装置１７（スクリューコンベア）によって泥土を排出することで泥土圧を変化させ、同時に圧力計２２によって泥土圧を計測している。さらに、水圧計２３によって、水圧が計測されている。なお、後述する解析部４１及び設定部４２の機能は、土圧式シールド１の掘進を制御する制御部４０とは別個の制御部（演算装置；パーソナルコンピュータ）で実行することももちろん可能である。この意味で、制御部は「演算部」と称することもできる。

【0025】

そして、本実施例の制御部４０は、計測された泥土圧と計測された切羽の変位（例えば水平変位）に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部４１としての機能と、解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部４２としての機能と、をさらに有している。なお、制御部４０には、通信ケーブル４３を介して、圧力計２２からの泥土圧値、水圧計２３からの水圧値、及び、変位センサ６６からの入力値（変位）が入力される他、キーボードやマウスといった入力手段が接続されている。さらに、制御部４０には、出力手段としてモニタや別の掘進管理用のＰＣなどが接続されている。解析部４１と設定部４２の機能については、次に説明する制御フローにおいて説明する。

【0026】

そして、上述した圧力計２２と、泥土圧変化手段としての排土装置１７と、変位計測手段６（７）と、解析部４１及び設定部４２を含む制御部４０と、によって、本発明の管理土圧の設定システムＳが構成されている。この他、水圧計２３を備える。

【0027】

（作用）
次に、図５～図７を用いて、本実施例の管理土圧の設定システムＳのフローについて説明する。図５に示すように、管理土圧の設定システムＳのフローは、以下のステップＳ１～Ｓ１４を実行することによって実現される。

【0028】

・初期値の処理（ステップＳ１）
はじめに、ボーリング試験等によって設定されている初期算定土圧に基づいて（ステップＳ１）、管理土圧の初期値を設定する（ステップＳ２）。そして、この管理土圧の初期値にしたがって、シールドを掘進していく（ステップＳ３）。つまり、シールドが掘進を開始して初期の段階（減圧試験実施前）では、事前土質調査による土質定数から算出した理論土圧を基に管理土圧を設定する。または、３Ｄ－ＦＥＭモデルに事前土質調査による地盤の力学定数を与え、土圧と地盤の変位関係から管理土圧を設定する。

【0029】

・減圧試験（ステップＳ４～Ｓ８）
次に、シールド掘進機が停止している状態で、チャンバー内泥土圧を減圧する（ステップＳ４）。すなわち、セグメント９０の組立時などの掘進停止時において、スクリューコンベアを微速で回転させることでチャンバー１６内の泥土を徐々に排出し減圧していく。減圧中には圧力計２２により泥土圧を計測する。同時に、水圧計２３によって水圧を計測する。さらに、減圧中には変位計測手段６、７によって切羽Ｆの変位を直接に計測する（ステップＳ５）。計測された泥土圧と切羽の変位（例えば水平変位）に基づいて、変形特性を把握する（ステップＳ６）。すなわち、泥土圧－切羽変位をグラフ上にプロットし変形特性を求める。変形特性が把握されれば、逆解析によって（ステップＳ７）、地盤の力学定数が解析される（ステップＳ８）。

【0030】

・３Ｄ－ＦＥＭモデル解析（ステップＳ９～Ｓ１２）
そして、減圧試験によって解析された地盤の力学定数を用いて、図７に示すような、３Ｄ－ＦＥＭ解析が実行される（ステップＳ９）。そして、この３Ｄ－ＦＥＭモデル解析によって、周辺地盤・隣接構造物への影響が予測される（ステップＳ１０）。

【0031】

すなわち、減圧試験によって対象地盤の変形特性が明らかになれば、ボーリング調査などから想定されている地盤構成や測定されている水圧などの原位置の境界条件に基づく地盤モデルに対する逆解析によって（ステップＳ７）、地盤の力学定数が計算される（ステップＳ８）。このように計算された地盤の力学定数を用いて、図７に示すような、３Ｄ－ＦＥＭ解析が実行される（ステップＳ９）。

【0032】

解析の結果、地表面沈下量などが許容変位量以下となるか等の判断によって、有害影響の有無が判定される（ステップＳ１１）。そして、有害であれば（ステップＳ１１の「有」）、管理土圧が変更されて（ステップＳ１２）、解析をやり直す（ステップＳ９～Ｓ１１）。一方、無害であれば（ステップＳ１１の「無」）、ステップＳ２に戻って次の位置・時刻において、管理土圧の設定システムＳが実行される。

【0033】

ここにおいて、力学定数とは、例えば、ヤング率、ポアソン比、内部摩擦角、粘着力などである。この現場挙動に基づいて得られた地盤特性によるＦＥＭモデルを採用してシミュレーションを行うことにより、合理的な挙動シミュレーションが可能となる。以上のような現場挙動に基づく合理的なシミュレーションにより、地表面沈下や隣接構造物への影響などが事前に、かつ、より正確に予測可能となり、周辺への影響を最小とする、あるいは地盤変位等の規制値に対応した管理土圧を設定することができる。

【0034】

・解析と設定（ステップＳ１３～Ｓ１４）
他方で、地盤の変形特性が把握されれば、図６に示すような、泥土圧－変位グラフから、降伏点土圧が解析によって求められる（ステップＳ１３）。すなわち、制御部４０の解析部４１は、急激に勾配が大きくなる点を求め、この点を降伏点とみなし、主働土圧を求める。例えば、弾性領域の複数のプロットから最小二乗法で近似直線を求め、塑性領域の複数のプロットから最小二乗法で近似直線を求め、これらの交点を降伏点とすることができる。あるいは、移動平均から大きく外れたプロットが連続して出現したことをもって遷移領域に入ったことを推定することができる。そして、近隣に建物が存在している等の理由によって、３Ｄ－ＦＥＭモデル解析が必要な場合には（ステップＳ１４の「要」）、３Ｄ－ＦＥＭ解析によって、周辺地盤・隣接構造物への影響が予測される（ステップＳ１０）。３Ｄ－ＦＥＭモデル解析が不要な場合には（ステップＳ１４の「不要」）、主働土圧に基づいて管理土圧が再設定される（ステップＳ２）。具体的には、掘進時におけるチャンバー１６内の管理土圧は、主働土圧プラス水圧を下回らないようにすることが必要となるので、求めた主働土圧＋水圧にプラスα（０～２０ｋＮ／ｍ^２）を加えた値を管理土圧の下限値とする。他方、管理土圧の上限値は、主働土圧（降伏点土圧）から逆算されたＣ、φを用いて理論的に計算しても良いし、上記下限値に施工変動幅を更に考慮した値としても良い。他方、３Ｄ－ＦＥＭモデル解析が必要な場合には（ステップＳ１４の「要」）、３Ｄ―ＦＥＭモデル解析が実行される（ステップＳ９）。

【0035】

このようにして、観測されているデジタル数値（観測値）とモデル地盤によって解析から求められるデジタル数値（解析値）を照合させて、モデル修正を常に行いながらシールド切羽進行に伴う地盤の変化に整合するモデル地盤の構築が実現されるようになっている（いわゆる「デジタルツイン」）。

【0036】

（効果）
次に、本実施例の管理土圧の設定システムＳの奏する効果を列挙しながら説明する。

【0037】

（１）上述してきたように、本実施例の管理土圧の設定システムＳは、シールド掘進機としての土圧式シールド１における管理土圧の設定システムＳであって、チャンバー１６内の泥土圧を計測する圧力計２２と、チャンバー１６内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段としての排土装置１７と、切羽Ｆの変位を計測する変位計測手段６、７と、計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部４１と、解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部４２と、を備えている。このような構成であるため、管理土圧の設定システムＳであれば、仮定や推定による管理土圧の設定ではなく、チャンバー内の泥土圧と切羽の変位の関係を直接計測することで管理土圧を設定できる。

【0038】

（２）また、シールド掘進機の停止時に、泥土圧変化手段としての排土装置１７によって泥土を若干排出することによりチャンバー１６内の泥土圧が減圧されることで、解析部４１によって地盤の変形から主働土圧が求められるようになっている。したがって、シールド掘進機の掘進停止時－例えばセグメント組立時－にチャンバー１６内を微小に減圧して切羽Ｆをチャンバー１６側に僅かに変位させて、泥土圧と切羽変位量の関係グラフにおける遷移領域から降伏点を解析することで主働土圧を直接求めることができる。

【0039】

（３）さらに、土圧変化手段としての排土装置（スクリューコンベア）１７を回転させることで、チャンバー１６内の泥土圧が減圧され、解析部４１は、計測された泥土圧と計測された切羽Ｆの変位に基づいて地盤の降伏点を解析することで主働土圧を求めるようになっているため、既存の機械設備を利用しつつ、きわめてシンプルな手法によって、主働土圧を直接に求めることができる。

【0040】

（４）また、変位計測手段６として、隔壁３を貫通して切羽Ｆまで到達する探査治具６１と、隔壁３よりも坑口側において探査治具６１の変位を計測する変位センサ６６と、を有している。このため、探査治具６１と変位センサ６６によって、機内から切羽Ｆの変位を直接に計測できる。このため、変位センサ６６自体は汚れにくく、故障しにくい。なお、変位計測手段６は探査治具や変位センサー等を隔壁前方のチャンバー１６内に設置することで、隔壁３を貫通させない構造としても良い。

【0041】

（５）さらに、変位計測手段７として、多段式傾斜計及び／又は層別沈下計７１－７８が、掘進予定の地盤内にあらかじめ設置されているため、切羽Ｆの周辺に加えて、地表面近くの計測点まで広い領域の変位を直接計測できる。

【0042】

（６）加えて、解析部４１は、解析された地盤の変形特性に基づいて、地盤の力学定数を逆解析によって推定し、推定された地盤の力学定数を用いてＦＥＭモデルを更新するとともに、更新されたＦＥＭモデルを用いて、周辺の地盤及び／又は構造物への影響を予測するようになっている。このため、完全なリアルタイムではないものの、リアルタイム更新に近い、従来よりも大幅に細かい間隔でＦＥＭモデルを更新することで、地盤の特性を実際の特性に大きく近づけることができる。このため、ＦＥＭモデルによる予測・影響評価をきわめて高い精度で実現できる。

【0043】

以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

【0044】

例えば、実施例では、探査治具６１が隔壁３を貫通して切羽Ｆまで到達する例について説明したが、これに限定されるものではなく、探査治具６１はチャンバー１６内で進退移動可能に構成されていれば、隔壁３を貫通しなくてもよい。また、実施例では、水圧計２３が隔壁３に取付けられているが、これに限定されるものではなく、例えばスキンプレート２やカッタヘッド５等に取付けても良い。

【0045】

また、実施例では、制御フローにおいて３Ｄ―ＦＥＭモデル解析の「要／不要」で工程を分けたが、これに限定されるものではなく、常に３Ｄ―ＦＥＭモデル解析を実施するように構成することももちろんできる。

【符号の説明】

【0046】

１ ：土圧式シールド
２ ：スキンプレート
２ａ ：フード部
２ｂ ：テール部
３ ：隔壁
５ ：カッタヘッド
６ ：変位計測手段
７ ：変位計測手段
１０ ：カッタ回転軸
１１ ：軸受
１２ ：カッタ駆動部
１３ ：ギアボックス
１４ ：回転駆動源
１５ ：エレクター
１６ ：チャンバー
１７ ：排土装置
１８ ：シールド推進ジャッキ
１９ ：テールシール
２１ ：作泥土材供給配管
２２ ：圧力計
２３ ：水圧計
４０ ：制御部
４１ ：解析部
４２ ：設定部
４３ ：通信ケーブル
５１ ：カッタスポーク
５２ ：カッタビット
５３ ：フィッシュテールビット
５４ ：撹拌翼
６１ ：探査治具
６１ａ ：先端
６２ ：ジャッキ
６３ ：油圧チャック
６４ ：検知部
６５ ：ガイド
６６ ：変位センサ
６７ ：止水装置
６８ ：バルブ
７１－７８ ：多段式傾斜計（又は層別沈下計）
９０ ：セグメント
Ｓ ：管理土圧の設定システム
Ｆ ：切羽

【要約】

【課題】仮定や推定による管理土圧の設定ではなく、チャンバー内の泥土圧と切羽変位の関係を直接計測することで管理土圧を設定する、シールド掘進機の管理土圧の設定システムを提供する。
【解決手段】シールド掘進機としての土圧式シールド１における管理土圧の設定システムである。管理土圧の設定システムは、チャンバー１６内の泥土圧を計測する圧力計２２と、チャンバー１６内の泥土圧を変化させる泥土圧変化手段としての排土装置１７と、切羽Ｆの変位を計測する変位計測手段６、７と、計測された泥土圧と計測された切羽の変位に基づいて地盤の変形特性を解析する解析部４１と、解析された変形特性に基づいて、管理土圧を設定する設定部４２と、を備えている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】