特許 7557644 管理土圧の逐次更新システム

(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】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】管理土圧の逐次更新システム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20240919BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 E

E21D9/093 F

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024045998

(22)【出願日】2024-03-22

【審査請求日】2024-03-25

(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】大久保 健治

(72)【発明者】

【氏名】藤井 宣

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 元治

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 高広

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特許第７４９６９１６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２００７－１６２４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９６０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３３３７２（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逐次更新システムであって、
チャンバー内の泥土を排出する排土装置と、
チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、
切羽近傍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近傍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、
を備える、管理土圧の逐次更新システム。

【請求項2】

シールド停止時において、前記チャンバー内の泥土圧が変化していく際に、前記解析部は地盤の変形特性を解析し、前記設定部は解析された前記地盤の変形特性に基づいて管理土圧を設定する、請求項１に記載された、管理土圧の逐次更新システム。

【請求項3】

前記解析部は、前記泥土圧と前記切羽近傍の変位グラフを解析し、前記設定部は、前記グラフの直線回帰判定、又は、勾配判定の少なくともいずれか一方を判定することによって管理土圧を設定する、請求項２に記載された、管理土圧の逐次更新システム。

【請求項4】

前記変位計測手段として、切羽近傍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、管理土圧の逐次更新システム。

【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、管理土圧の逐次更新システム。

【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、管理土圧の逐次更新システム。

【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、管理土圧の逐次更新システム。

【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の逐次更新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】

上述した管理手法１）や２）の泥土圧の管理手法では、地盤の条件等が変化するような場合には、適正な管理土圧を設定できないことになる。

【0009】

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の妥当性を確認する、シールド掘進機における管理土圧の逐次更新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】

【0010】

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逐次更新システムは、チャンバー内の泥土を排出する排土装置と、チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、切羽近傍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近傍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】

【0011】

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逐次更新システムは、チャンバー内の泥土を排出する排土装置と、チャンバー内の泥土圧を計測する圧力計と、切羽近傍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近傍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とともに、より安全で簡易的な手法で、設定された管理土圧の正否を判断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【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】管理土圧の逐次更新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】シールド掘進機の停止中の泥土圧－水平変位の関係を示したグラフを用いた直線回帰判定（判定方法１）について説明する該略説明図である。

【図7】シールド掘進機の停止中の泥土圧－水平変位の関係を示したグラフを用いた勾配判定（判定方法２）について説明する概要説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。なお、以下の説明においては、圧力制御装置を含めた説明としているが、圧力制御装置を伴わなくても本発明は成立する。

【実施例】

【0014】

（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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。このシールド推進ジャッキ１８の推力によって泥土圧が発生する。土圧式シールド１の場合、ジャッキ推力の大きさは、概ねチャンバー内泥土圧と周面摩擦力の和とつり合っているものと考えられる。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。シールド掘進中は、作泥土材（添加材ともいう）が切羽やカッタチャンバ内に掘進地盤の土質に応じて適宜注入される。

【0019】

掘進停止から暫時変位が進む可能性がある中で、測定段取り中に以下の対応を図ることで本発明の目的を確実に実行する。具体的には、掘進停止から測定開始までの間に、泥土圧が下がらないような手段（Ａ）、下がっても計測できる手段（Ｂ）、又は、下がる前に計測できる手段（Ｃ）を実施する。
・掘進停止後、圧力維持装置によって、チャンバー内圧力を維持する（例えば、作泥土材の注入を継続する）・・・手段（Ａ）。
・掘進停止前に管理泥土圧よりも高くして掘進を終了させる（例えば、スクリューコンベア回転速度を減少させて高めに調整する）・・・手段（Ｂ）。
・掘進中に測定段取りを行う（例えば、ビットタイプの測定装置（切羽近傍性状計測装置８）を、掘進停止前に切羽近傍へ送り出す）・・・手段（Ｃ）。
なお、上記３つの手段を採用しなくても、本発明は成立する。

【0020】

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。

【0021】

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が切羽近傍ＦＡ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。

【0022】

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と接触又は切羽Ｆから少し貫入していれば、切羽近傍ＦＡ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内のシールド停止時－例えばセグメント組立時－における自然な圧力低下によって切羽近傍ＦＡ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。

【0023】

次に、図２を用いて、掘進中に測定段取りを行う前述の手段（Ｃ）を実現する切羽近傍性状計測装置８の構成について説明する。本変形例の変位計測手段としての切羽近傍性状計測装置８では、詳細には図示しないが、進退手段としてのジャッキのシリンダ部とロッド部とが、カッタスポーク５１内に格納されている。さらに言えば、切羽近傍性状計測装置８の長さが、カッタスポーク５１の奥行よりも長くなる場合、切羽近傍性状計測装置８の後部は（移動）撹拌翼５４の内部に配置させることも好ましい。

【0024】

次に、図２と図３（ａ）－（ｃ）を用いて、本実施例のシールド停止時－例えばセグメント組立時－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、又は、切羽Ｆから少し貫入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、又は、貫入させたら油圧チャック６３を開放する。
４．チャンバー内泥土圧は基本的に周辺の土水圧よりも高く設定されている。そのため、排土装置１７（及びシールド推進ジャッキ１８）を停止させると、周辺の土水圧との均衡を図りながらチャンバー１６内の泥土圧が少しずつ低下していく。この時変化していくチャンバー内泥土圧を逐次計測していく。
５．この泥土圧の低下に伴って切羽近傍ＦＡが変位するとその変位により探査治具６１がシールド内に押し戻される（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。この時、同時に水圧計２３により水圧も計測する。
８．上記の手順によりチャンバー１６内泥土圧と切羽近傍ＦＡの変位量の関係を求める。
９．切羽変位における変位勾配が把握できた時点で、変位計測及び泥土圧計測を停止する。
１０．その後、シールド推進ジャッキ１８を駆動させてチャンバー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。

【0025】

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。

【0026】

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ると、周辺の土水圧とほぼ均衡しながらチャンバー内泥土圧が低下していき、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。

【0027】

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、排土装置１７（例えば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。

【0028】

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。

【0029】

そして、上述した排土装置１７と、圧力計２２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逐次更新システムＳが構成されている。この他、管理土圧の逐次更新システムＳは、水圧計２３を備えてもよい。

【0030】

（管理土圧の設定フロー）
次に、図５～図６を用いて、本実施例の管理土圧の逐次更新システムＳのフローについて説明する。図５に示すように、管理土圧の逐次更新システムＳのフローは、以下のステップＳ１～Ｓ７を実行することによって実現される。

【0031】

・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（シールド停止前）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に基づいて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。

【0032】

・シールド停止時（ステップＳ４～Ｓ７）
次に、シールド掘進機が停止している状態で、排土装置１７（及びシールド推進ジャッキ１８）を停止する（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停止させる。そうすると、切羽に作用する土水圧と均衡していくため、チャンバー１６内の圧力（泥土圧）は徐々に低下していく。この圧力低下の最中に、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、この圧力低下中には変位計測手段６、７によって切羽近傍ＦＡ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管理土圧値の適／不適が判定される（ステップＳ７）。以下では、ステップＳ７について詳しく説明する。

【0033】

（ステップＳ７の詳細）
シールド停止時の切羽変位計測によって切羽の変位量、同時に計測される圧力計測によってチャンバー内泥土圧が計測される。これらの計測結果から、図６、図７に示すようなチャンバー内泥土圧（例えば横軸）－切羽水平変位（例えば縦軸）のグラフを描くことができる（変形特性の把握：ステップＳ６）。

【0034】

・判定方法１：直線回帰による判定
得られた変形特性が直線で近似されていれば弾性領域、曲線を描くようであれば塑性領域と判断する（図６参照）。すなわち、直線近似されれば適正な管理土圧で管理できていると判断し、継続してシールド掘進し（ステップＳ７のＹＥＳ：ステップＳ３へ移行）、曲線近似されれば管理土圧の再設定（更新）を行う（ステップＳ７のＮＯ：ステップＳ２へ移行）。

【0035】

・判定方法２：勾配による判定
変化するチャンバー内泥土圧が微小な場合、把握された変形特性が直線か曲線かの判断がつかない可能性がある。そこで、把握される変形特性の勾配が、弾性領域又は塑性領域のどちらの勾配と近似しているか対比して判断する。対比する泥土圧－切羽水平変位グラフは事前の土質調査から得た土質定数から設定されたＦＥＭモデルによって推定された当該地盤のグラフとする。この事前解析結果から求められたグラフとの対比により、弾性領域の勾配か塑性領域の勾配であるかを判断し（図７参照）、管理土圧の正否を判断する。

【0036】

すなわち、変形特性の勾配が事前解析の弾性領域に近似されていれば適正な管理土圧で管理できていると判断し継続してシールド掘進し（ステップＳ７のＹＥＳ：ステップＳ３へ移行）、変形特性の勾配が事前解析の塑性領域に近似されていれば管理土圧の再設定（更新）を行う（ステップＳ７のＮＯ：ステップＳ２へ移行）。なお、比較対象となる解析結果は、必ずしも事前土質調査から得られた結果に限定されるものではなく、施工中に更新された前の解析結果を比較対象にしてもよい。

【0037】

（管理土圧の修正）
一般に、管理土圧は（主働土圧＋水圧）＋α（例えばα＝１０～３０ｋＮ／ｍ^２）に設定されている。つまり、シールド掘進中は、チャンバー内泥土圧は「主働土圧＋水圧」より少しだけ高い状態に管理されている。このため、掘進を停止すると切羽に作用する土水圧と均衡していき、チャンバー１６内泥土圧がゆっくり低下していく現象が生じる。

【0038】

そして、設定部４２は、上述した直線回帰判定、勾配判定、又は、両方の手法により解析部４１が適切と判断した場合には（ステップＳ７のＹＥＳ）、現状のチャンバー内泥土圧を維持することが適切と判断し、そのまま掘進が継続される。他方、設定部４２は、解析部４１が不適切と判断した場合には（ステップＳ７のＮＯ）、現状のチャンバー内泥土圧は適切な値よりも小さいと判断して、チャンバー内泥土圧を所定量だけ増加する（ステップＳ２）。増加する所定量としては、１０～２０ｋＮ／ｍ^２程度とする。なお、増加すべき所定量は、土質等の諸条件や設定している管理土圧で変化するため、次サイクル掘進完了時（当該サイクルで連続して計測してもよい）に本発明の試験を再度実施して弾性領域に判定されるかを確認することが望ましい。

【0039】

その後、別工程として、以下に説明する３Ｄ－ＦＥＭモデル解析を実施することも可能である。ただし、３Ｄ－ＦＥＭモデル解析までは本発明では必須ではなく、勾配の判定に基づいて管理土圧の再設定（修正）がされれば十分である。
（３Ｄ－ＦＥＭモデル解析）
そして、シールド掘進機の停止中に解析された地盤の力学定数を用いて、３Ｄ－ＦＥＭ解析が実行される。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。

【0040】

すなわち、掘進停止時の変位と泥土圧の計測に基づい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、地盤の力学定数が計算される。このように計算された地盤の力学定数を用いて、３Ｄ－ＦＥＭ解析が実行される。

【0041】

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。そして、有害であれば、管理土圧が変更されて、解析をやり直す。一方、無害であれば、次の位置・時刻において、管理土圧の逐次更新システムＳが実行される。

【0042】

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。

【0043】

（解析と設定）
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。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、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。３Ｄ－ＦＥＭモデル解析が不要な場合には、主働土圧に基づいて管理土圧が再設定される。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（例えば１０～３０ｋＮ／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、３Ｄ―ＦＥＭモデル解析が実行される。

【0044】

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」）。

【0045】

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

【0046】

（１）上述してきたように、本実施例の管理土圧の逐次更新システム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逐次更新システムＳであって、チャンバー１６内の泥土を排出する排土装置１７と、チャンバー１６内の泥土圧を計測する圧力計２２と、切羽近傍ＦＡ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、管理土圧の逐次更新システム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（又は更新）できる。

【0047】

（２）また、シールド停止時において、チャンバー１６内の泥土圧が変化していく際に、解析部４１は地盤の変形特性を解析し、設定部４２は解析された地盤の変形特性に基づいて管理土圧を設定する。このようにシールド停止時における、圧力低下を利用することで、減圧試験などを実施することなく（積極的に減圧することなく）、周辺土水圧との均衡を図ろうとすることによるチャンバー内泥土圧の低下によって変形特性を解析して管理土圧を設定（もしくは改定）できる。

【0048】

具体的には、シールド停止時のうち、例えばセグメント組立時において、排土装置１７の停止中に、チャンバー１６内の泥土圧が低下していく際に、解析部４１は地盤の変形特性を解析し、設定部４２は解析された地盤の変形特性に基づいて管理土圧を設定するため、作業が非常に簡易であり、シールドの掘進工程に影響を与えることがない。また、周辺地盤の緩みを誘発するリスクが減少し、安全にシールド掘進を継続できる。

【0049】

（３）また、解析部４１は、泥土圧と切羽の変位のグラフの勾配を計算し、設定部４２は、直線回帰判定、又は、勾配判定の少なくともいずれか一方によって管理土圧を更新する。このような構成であれば、数点の計測値を用いて管理土圧の正否を判断すればよいため、主働土圧などの降伏点土圧まで圧力を変化させることなく、安全かつ確実に管理土圧を設定（又は、改定、更新）できる。

【0050】

（４）また、変位計測手段６として、隔壁３を貫通して切羽近傍ＦＡ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、機内から切羽近傍ＦＡ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。

【0051】

（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、切羽近傍ＦＡ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。

【0052】

（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。

【0053】

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。

【0054】

例えば、実施例では、変位計測手段として探査治具６１が隔壁３を貫通して切羽近傍ＦＡ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し、カッタスポークに配置（切羽近傍性状計測装置８を利用）してもよい。また、実施例では、水圧計２３がスキンプレート２の上部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の他の部分やカッタヘッド５等に取付けても良い。

【0055】

また、実施例では、実測値のチャンバー内泥土圧－変位量グラフの勾配と、事前のＦＥＭ解析結果から推定（予測）された勾配との比較を実施したが、これに限定されるものではない。比較対象としては、解析結果の他に、各回（前回や前々回）のセグメント組立時のチャンバー泥土圧－変位量グラフの勾配（実測値）との比較を考慮することもできる。

【符号の説明】

【0056】

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
８ ：切羽近傍性状計測装置（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
１７Ａ ：圧力制御装置（排土装置を含む）
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 ：管理土圧の逐次更新システム
Ｆ ：切羽
ＦＡ ：切羽近傍

【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の妥当性を確認する、シールド掘進機における管理土圧の逐次更新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逐次更新システムＳである。管理土圧の逐次更新システムＳは、チャンバー１６内の泥土を排出する排土装置１７と、チャンバー１６内の泥土圧を計測する圧力計２２と、切羽近傍ＦＡ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近傍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】