JP3948641B2 - Automatic control method for mud pressure shield drilling - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤をシールド掘進する際の切羽に添加材を添加して掘進し、この切羽から掘削された土砂と該添加材が混合された掘削土砂を坑外に排出する泥土圧シールド掘進の自動制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、地盤をシールド掘進する自動制御方法としては、例えば泥水加圧シールド掘進の自動制御方法が知られている。この自動制御方法は、掘削された土砂をスラリーで流体輸送するのが基本となり、掘進と排土とを自動化の対象として設定値に対する自動掘進が主体となっている。更に、この掘進工法の自動方向制御は、シールド掘進機の位置を自動測量し、ファジー推論等によってジャッキパターンを選定し、自動でジャッキを推進させる。又、この掘進工法の自動掘進管理は、自動測量結果や掘進状態の各データを変換して中央に電送し、掘進状態を集中管理するものである。
【0003】
又、他のシールド掘進の自動制御方法として、例えば土圧系シールド機械の自動運転制御方法(特開平6−73978号公報)が知られている。この自動運転制御方法は、土圧、シールドジャッキのスピード及びストローク、排土スクリューの回転数及び回転負荷、カッター回転数及び回転負荷等のシールド掘進に必要な各種計測データをコンピューターに入力し、入力された計測データを多変量解析してシールド機械の所要制御項目の管理数値を算出し、この数値を管理値信号として前記シールド機械の運転機器に出力し、自動的にシールド機械の運転を開始させると共に、前記解析結果から各制御項目の標準偏差値を算出して各制御項目の制御幅を設定し、その制御幅内に運転されるように制御信号を発信して自動的にシールド機械を運転制御するようにしたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記泥水加圧シールド掘進の自動制御方法は、掘進と排土とを自動化の対象とし、設定値に対する自動掘進が主体となり、多様な地盤に対応して設定値を変更し掘進することは出来なかった。
【0005】
一方、土圧系シールド機械の自動運転制御方法は、カッターやスクリューの回転、排土ゲートの開閉等において圧力(荷重)管理を主体に自動化が行なわれているが、地盤の安定度に対応して掘進速度を積極的に上げて自動掘進する自動制御は実施されていない。これは、地盤的に難条件下での施工が多いことや、掘進作業の複雑化に起因する。
【0006】
本発明の課題は、泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、切羽の安定と機械負荷の低減を図ると共に、地盤の安定度に対応して掘進速度を積極的に上げて自動掘進することが可能なことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、地盤をシールド掘進する際の切羽に添加材を添加して掘進し、前記切羽から掘削された土砂と前記添加材とが混合した掘削土砂を、前記切羽の後に溜めて土圧を保ちながら該掘削土砂を坑外に排出する泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、前記地盤が安定している場合には、前記土圧を予め定められた圧力範囲に収めて掘進速度を積極的に上げ、前記地盤が不安定の場合には、前記土圧を予め定められた圧力範囲に収めるように掘進速度を調節することである。
【0008】
切羽に添加材を添加することにより、地盤の崩壊を防止し、且つ止水効果をもたらす。更に、添加材は、その流動性により玉石等の存在の有無によらず切羽の土粒子間や礫間に浸透し、カッターが作用するときに地盤の内部摩擦を低減し掘進抵抗を減少させる。地盤が安定している場合には、土圧を予め定められた圧力範囲に収めて掘進速度を積極的に上げることが出来る。地盤が不安定の場合には、土圧を予め定められた圧力範囲に収めるので安全に安定してこの時の最適な掘進速度で掘進することが出来る。
【0009】
更に、上記泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、前記添加材は、二酸化珪素含有率が1〜60重量%の珪酸質水性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒子と、これらの微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とする珪酸質ペーストである。
【0010】
添加材として上記珪酸質ペーストを用いることにより、上記泥土圧シールド掘進の自動制御方法の作用に加え、更に切羽の止水性及び掘削土砂の保水性が向上し、しかも、地盤の礫率や含水比が変動してもほとんど変わらず安定する。このように、切羽の止水性が向上することにより切羽から水が噴出する怖れを確実に防ぐ。掘削土砂の保水性が向上することにより、該掘削土砂は非常にまとまりの良い性状となる。従って、本泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、種々の土質の地盤に対応出来、且つ掘進効率が向上すると共にコストの低減も図れる。又、排土の公害上の問題もなくなる。更に、掘削土砂の安定した流動性が得られ、切羽への添加ライン内を通過する通過抵抗を小さくし、且つ掘削土砂を坑外に圧送する圧送管内の通過抵抗を小さくして掘削土砂の排出を容易にする。
【0011】
更に、上記いずれかの泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、前記添加材の添加は、前記掘削された土砂に対する該添加材の割合(添加率)が予め設定された値になるように行なわれる。添加率を掘削された土砂に対して最適な値に決めて、その比率で添加することは、上記いずれかの泥土圧シールド掘進の自動制御方法の作用に加え、添加材の量の制御が容易であり、掘進速度も高い値に維持出来る。
【0012】
そして、先のいずれかの泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、前記添加材の添加は、前記掘削された土砂に対する該添加材の割合(添加率)を調節して前記掘進速度を向上させることである。地盤の質が変化した場合には、その地盤の質に合った添加率に調節することにより、先のいずれかの泥土圧シールド掘進の自動制御方法の作用に加え、多様の地盤に対応して掘進速度を大きくすることが出来る。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る泥土圧シールド掘進の自動制御方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0014】
図3は、本発明に係る泥土圧シールド掘進の自動制御方法を適用するに最適なシールド掘進機を地盤と共に示した要部断面図である。泥土圧シールド掘進は、地下の地盤63をシールド掘進するシールド掘進機51の切羽62に、地盤63の崩壊を防止し、且つ止水効果をもたらす添加材を添加して掘進し、切羽62から掘削された掘削土砂60を坑外に排出する。添加材は、切羽62に添加するが、この時、切羽62から掘削された土砂と混合し、土砂と添加材の混合した掘削土砂60は、そのまま坑外に圧送されることによって排出される。
【0015】
添加材は、図示していない地上の添加材供給プラントから圧送ポンプによって切羽62に図示していない長い添加ラインを介して供給される。添加ラインには必要に応じて中継ポンプが設けられる。
【0016】
シールド掘進機51の切羽カッター52が設けられている面版53には添加材の添加口が複数設けられている。面版53の後側(切羽の地盤と反対側)には土圧室55が設けられ、土圧室55には土圧計57が設置されている。この土圧室55に連なってリボンスクリュー56が設けられ、リボンスクリュー56の後部はサンドプラグゾーン58となっている。59は排土ゲートを示す。土圧室55内には切羽62から掘削され添加材と混合した掘削土砂60が充満している。この掘削土砂60は、玉石61が多く含まれているものを示しているが、排土ゲート59に接続された図示していないベルトコンベアと、この下側に設けられた図示していない地下ホッパー及び圧送ポンプとにより圧送管を経由して坑外の地上ホッパーに排出される。
【0017】
上記泥土圧シールド掘進において、添加材としては珪酸質ペーストを使用する。珪酸質ペーストは、例えば本出願人等が先に開示した特開平9−88475号公報に示されているものを好適に使用することが出来る。この珪酸質ペーストは、二酸化珪素(SiO2)の含有率が約1〜60重量%の珪酸質水性ゼリーを用いるが、そのまま用いるのではなく、破砕することによって生成した微細粒子と、これらの微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とするものである。
【0018】
前記珪酸質水性ゼリーを破砕して形成する微細粒子の粒径は、掘進する地盤の土質に対応して変更するが、300μmを目安とし、それ以下となるようにすれば、種々の土質の地盤に対応出来る。300μmを超えるものを主とするときは、上記流動性が低下してくることから微細粒子の粒径は約300μm以下のものを主とするようにする方が好ましい。又、SiO2の含有率が約1〜60重量%の範囲外になると、上記珪酸質水性ゼリーを破砕しても上記性質の珪酸質ペーストにはなりにくいので、SiO2の含有率は約1〜60重量%の範囲内、好ましくは3〜30重量%とする。
【0019】
又、珪酸質ペーストを微細粒子の粒径から規定せずに粘度の値から規定することも出来る。粘度が約50cps 〜100万cps であり、このペーストを用いることにより前記と同様の作用が得られる。この粘度範囲の珪酸質ペーストはチクソトロピックな性質を示す。ここで粘度の測定方法は、温度20℃、B型粘度計でローター回転数12rpm である。
【0020】
本実施の形態で用いられる珪酸質水性ゼリーは、水ガラス等水溶性珪酸塩の水溶液に、各種酸や塩類、例えば、硫酸、塩酸、酢酸、くえん酸、食塩、硫酸マグネシウム等を加えることにより得られる。
【0021】
珪酸質ペーストを構成する液体としては、水又は本発明の目的が達成される限りにおいて無機成分や有機成分が適宜添加された水溶液或いは水分散液が用いられる。珪酸質水性ゼリーはそれ自体が水を内包しており、該ゼリーをそのまま破砕すればゼリー内部に取り込まれていた水の一部が外部に解放される。珪酸質水性ゼリーの種類によっては、その解放された水だけで、即ち更に液体を加えなくても、当該ペーストに必要な流動性を持たせることが出来るものもある。破砕によって外部に開放された水の量だけでは足りない場合に前記液体を加える。この水等の液体は、微細粒子間にその再結合を妨げる如く介在し、これによりペーストの安定した流動性が得られるものである。
【0022】
更に、珪酸質ペーストは、上記破砕された微細粒子の他に、任意の成分、たとえば泥漿、高分子吸水剤や水溶性高分子等を含有してもよい。
【0023】
又、珪酸質ペーストとして、更に本出願人等が提出したものを使用しても良い(特願平8−268159号、平成8年10月9日提出)。この珪酸質ペーストは、上記珪酸質ペーストと同じく、二酸化珪素含有率が1〜60重量%の珪酸質水性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒子と、これらの微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とし、更に分子量が200万〜3000万のポリアクリル酸塩を0.01〜10kg/m3添加したものである。
【0024】
ポリアクリル酸塩の種類は、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウムが適している。特にポリアクリル酸ナトリウムが好ましい。尚、ポリアクリル酸塩は、アクリル酸ナトリウム等とアクリルアミド等との共重合体であっても良い。又、ポリアクリル酸塩の分子量は、通常200万〜3000万のものであればほとんどの地盤に対応できる。特に500万〜2000万の範囲が効果の点で安定している。ポリアクリル酸塩の珪酸質ペーストへの添加量は、0.01〜10kg/m3が上記目的達成の上でよい。更に0.3〜2kg/m3の範囲が目的達成上良く、特に0.5〜1kg/m3の範囲が安定している。
【0025】
珪酸質ペーストにその1000リットル当り、分子量が200万〜3000万のポリアクリル酸塩を0.01〜10kg添加することにより、該珪酸質ペーストの性能が改善される。即ち、切羽の止水性及び掘削土砂の保水性が、ポリアクリル酸塩を添加しない場合に比して向上する。しかも、それは地盤の礫率や含水比が変動してもほとんど変わらず安定している。このように掘削土砂の保水性が向上するため、該掘削土砂は非常にまとまりの良い性状となる。このような性状改善により切羽から水が噴出する恐れを確実に防げる。その結果、例えば、砂層や礫率が70%以下の砂礫層に用いられていた珪酸質ペーストを該ポリアクリル酸塩の添加によりそのまま礫率が70%以上の玉石混じり砂礫層の掘削に用いることが可能となる。特にポリアクリル酸塩の添加量を増減しても保水性はほとんど変わらず安定している。
【0026】
従って、このポリアクリル酸塩添加の珪酸質ペーストを添加材として用いることにより、シールド掘進の対象地盤、即ち地下水が豊富な砂、砂礫、玉石層等の地盤に対して、その含水比や礫率等の大きな変動があっても他の性能の珪酸質ペーストに取り換える必要なく、そのまま掘進を続行することが出来、掘進効率が向上すると共にコストの低減も図れる。
【0027】
ところで、本実施の形態の泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、図3で説明した泥土圧シールド掘進において、添加材として先の珪酸質ペーストを用いると共に、掘削すべき地盤63が安定している場合には、土圧室55の土圧を予め定められた圧力範囲に収めて掘進速度を積極的に上げ、地盤63が不安定の場合には、前記土圧を予め定められた圧力範囲に収めるように掘進速度を調節する。更に、添加材は、掘削された土砂に対する該添加材の割合(添加率)が予め設定された値になるように添加されるか、又は、前記掘削された土砂に対する該添加材の割合(添加率)を調節して前記掘進速度を向上させるように行なわれる。
【0028】
添加材として珪酸質ペーストを用いることにより、その流動性により玉石等の存在の有無によらず切羽の土粒子間や礫間に浸透し、カッターが作用するときに地盤の内部摩擦を低減し掘進抵抗を減少させる。地盤が安定している場合には、土圧を予め定められた圧力範囲に収めて掘進速度を積極的に上げ、地盤が不安定の場合には、土圧を予め定められた圧力範囲に収めるので安全に安定してこの時の最適な掘進速度で掘進することが出来る。
【0029】
更に、珪酸質ペーストの添加材は、切羽62の止水性及び掘削土砂60の保水性を向上させ、地盤63の崩壊を防止し止水効果をもたらす。しかも、地盤63の礫率や含水比が変動してもほとんど変わらず安定する。このように、切羽62の止水性が向上することにより切羽62から水が噴出する怖れを確実に防ぐ。掘削土砂60の保水性が向上することにより、該掘削土砂は非常にまとまりの良い性状となる。従って、本泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、種々の土質の地盤に対応出来、且つ掘進効率が向上すると共にコストの低減も図れる。又、排土の公害上の問題もなくなる。更に、掘削土砂の安定した流動性が得られ、切羽への添加ライン内を通過する通過抵抗を小さくし、且つ掘削土砂を坑外に圧送する圧送管内の通過抵抗を小さくして掘削土砂の排出を容易にする。
【0030】
添加率を掘削された土砂に対して最適な値に決めて、その比率で添加することは、添加材の量の制御が容易であり、掘進速度も高い値に維持出来る。そして、地盤の質が変化した場合には、その地盤の質に合った添加率に調節することにより、多様の地盤に対応して掘進速度を大きくすることが出来る。
【0031】
ここで、地盤の種類としてはシルト層から砂層、礫層まであるが、その安定度の目安としては均等係数Ucでおおよそ判断することが出来る。一般にUcが4〜5以下の土は粒度分布が悪く安定度が低い地盤と云え、10以上の土は粒度分布が良く、安定度が高い地盤と云える。均等係数Ucは、粒径加積曲線の通過質量百分率60%、10%にそれぞれ相当する粒径D60、D10(有効径)をとり、Uc=D60/D10で定義される値である(土質試験法−第2回改訂版−土質工学会編)。
【0032】
又、切羽の安定が難しい(崩壊性が大きい)とされる地盤は、概ね次の特性のものである。
【0033】
▲1▼ 細粒分(粒径0.074mm程度)が10%以下
▲2▼ 透水係数k=(1/102)cm/秒以上
▲3▼ 水圧0.5〜0.7kgf/cm2以上
本泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、従来上記のような切羽の安定が難しいとされた地盤や礫率60%程度までの幅広い地盤を対象とすることが出来、特に砂層は、均等係数Ucが10未満の均等粒度のものも対象とすることが出来、多種の地盤の土質状況の変化に対応可能となり、その変化因子を最小にする。
【0034】
更に、本泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、切羽62への珪酸質ペーストの添加は、土圧を予め定められた圧力範囲に収めるように添加ラインから添加され、その添加量は地盤の有効間隙率又は間隙率を目安に行なわれ、掘削土砂60が均一に混合された状態の塑性化土に改良されるように調節される。土圧の予め定められた圧力範囲、即ち管理土圧の範囲は、例えば1.5kgf/cm2〜2.0kgf/cm2とする。管理土圧が1.5kgf/cm2未満の場合は、圧力が低過ぎて止水性が劣り、且つ地盤の崩壊を招く怖れがある。土圧が2.0kgf/cm2を超える場合は、圧力が高過ぎて装置の無用な故障、設備費の増大等不経済である。
【0035】
珪酸質ペーストの添加率は、予め設定された値にするが、掘進しようとする土砂に対して5〜40体積%の範囲で設定され、特に10〜30体積%の範囲が好ましい。添加率が5体積%未満の場合は、切羽の止水性及び掘削土砂の保水性が劣り、且つ切羽への添加ライン内の通過抵抗と、掘削土砂の坑外への圧送抵抗とが大きく掘削土砂の添加と排出を困難にする。添加率が30体積%を超えてくると、切羽の止水性が劣り始め、且つ掘削土砂の流動性が高くなる傾向があるが、更に添加率が40体積%を超える場合は、添加材の量が多過ぎて、かえって切羽の止水性が劣り、且つ掘削土砂の流動性が高過ぎて、漏洩その他によって取り扱いが困難となり、添加材が多く不経済である。
【0036】
図1は、本発明に係る泥土圧シールド掘進の自動制御方法の一実施の形態を説明する概略線図である。泥土圧シールド掘進の自動制御は、スタート1から開始し、カッター圧2でシールド掘進機のカッター圧を測定する。カッター圧判定3でカッター圧が高ければ添加材添加4で添加材を添加して再度カッター圧を測定する。カッター圧判定3でカッター圧が適正であれば、添加材添加5で予め設定された添加率、例えば15体積%になるように添加される。
【0037】
次に添加材の添加圧判定6に移る。添加材の添加圧が規定の圧力範囲にない場合は、添加圧増減7で添加圧を調整し、再度添加圧を判定する。添加圧が規定の圧力範囲にある場合は次の土圧判定8に移る。土圧判定8において、予め定められた圧力範囲にない場合は、スクリュー回転数制御、添加材調整等を行なって再度土圧判定を行なう。土圧が予め定められた圧力範囲にある場合は次のスクリュー回転判定10に移行する。スクリュー回転数が規定の範囲にない場合は添加材調整11によって添加材の量を調整し再度スクリュー回転判定10を行なう。以上のカッター圧測定2からスクリュー回転判定10の範囲は運転準備動作に相当する。
【0038】
次に、スクリュー回転数が規定の範囲にある場合は、ゲート開12に移り、排土ゲート59の開度を調節する。次にジャッキ推進13でジャッキ速度を調節する。ジャッキ速度を調節した後、ジャッキ圧判定14でジャッキ圧が規定の範囲になるようにジャッキ速度調整15でジャッキ速度を調整する。ジャッキ速度の調整後に、土圧調整16で添加材の量とスクリュー回転数の調整を行なって土圧室55の土圧を調整する。以上のゲート開12からジャッキ圧判定14の範囲は運転直前動作に相当する。
【0039】
ジャッキ圧が規定の範囲にあれば、掘進ストローク17で終了判定を行なう。掘進ストロークが規定の値に達していなければ運転を継続し、土圧制御方式18に移行する。土圧制御方式18は、地盤の安定度に応じて速度向上型か切羽安定型かの選定を自動或いはオペレータが行ない、それぞれの型で自動制御する。
【0040】
速度向上型制御は、地盤が安定している場合に選定され、土圧を予め定められた圧力範囲に収めて掘進速度を積極的に上げる。この時、土圧が小さい時は掘進速度をあげ、土圧が大きい時は掘進速度を維持して排土量を大きくするようにする。このためにスクリュー回転数、排土ゲート開度等を調整する。スクリュー回転数、排土ゲート開度等が限界のときは掘進速度を減ずる。
【0041】
切羽安定型制御は、地盤が不安定の場合に選定され、土圧を予め定められた圧力範囲に収めるように掘進速度を調節する。この時、土圧が小さい時は掘進速度を維持し、土圧が大きい時は掘進速度を減ずる。この時、スクリュー回転数、排土ゲート開度等を調整する。
【0042】
上記土圧制御方式18で制御する一方、動作符号19でスクリューの回転数を調整しつつスクリュー圧のチェックと、ジャッキ速度を調整しつつジャッキ圧のチェックと、添加率の調整をしつつカッター圧のチェックとを行ない再度推進ストロークの終了判定17を行なう。
【0043】
推進ストロークの終了判定17で推進ストロークが所定の値に達したものと判定された場合には、運転終了動作20に移行し、ジャッキoff、土圧チェック(添加材調整、推進調整)、ゲートoff、スクリュoff、カッターoff、添加材offの各動作を行ない、推進終了21とする。次に、セグメント組立22で次の掘進のためのセグメントを組み立て再びスタート1に戻る。以上の推進ストローク終了判定17から運転終了動作20の範囲は運転中動作に相当する。
【0044】
又、本実施の形態の泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、機器保護に伴う常時監視機能がある。通常掘進オペレーターは掘進中、シールド掘進機の各機器に過負荷がかからないよう常時監視を行なう。機械的過負荷に関してはシールド掘進機の各機器単独で過負荷異常を検知出来るようにしている。本システムでは、各機器の過負荷発生を事前に定められた管理値により管理し、その過負荷発生の要因消去の処置をとる。具体的には以下の監視を行なう。
【0045】
1)スクリュー圧監視:スクリュー圧が管理値を越える時は、スクリューパワーユニット保護のためスクリュー回転数を減ずる。
【0046】
2)ジャッキ圧監視:ジャッキ圧(推力)が管理値を越える時は、ジャッキ圧パワーユニット保護のためジャッキ速度を減ずる。
【0047】
3)カッター圧監視:カッター圧(トルク)が管理値を越える時は、カッター圧パワーユニット、カッター面版保護のため添加材量を増す、もしくはジャッキ速度を減ずる。
【0048】
更に、本実施の形態の泥土圧シールド掘進の自動制御方法は、掘進中の土圧安定制御だけにとどまらず、完全自動化に向けた1リング掘進作業そのものを自動化する。1リング掘進作業は、各種ユニットの起動に始まり、初動状態>安定掘進まで各種機器調節>掘進中制御(監視)>1リング掘進による掘進停止動作までを云い、この全てを自動化する(ワンボタン運転(シーケンシャル制御))。
制御する対象としては、
1)アナログ:ジャッキ速度、添加材添加と量、スクリュー回転数、ゲート開度2)ディジタル:各種パワーユニット起動・停止、ジャッキ押し・引き・選択(除 方向制御)、カッター回転数・方向、スクリュー回転数・方向、ゲート開度図2は、図1における切羽安定型制御を説明する概略線図である。泥土圧シールド掘進30の際、次の各要因▲1▼〜▲5▼に対してどのような問題点、現象31があり、対策、検討事項32は何かを示す線図である。これら問題点、現象が対策、検討事項によって解決されることによって適用可能となる。
【0049】
▲1▼ 土砂の取込み:玉石・礫の処理
▲2▼ 土砂の流動性:掘削〜排土
▲3▼ 土砂の止水性
▲4▼ 切羽の安定
▲5▼ 掘進管理:土圧、カッター圧、速度、推進力、掘削土量他
【0050】
【発明の効果】
本発明の泥土圧シールド掘進の自動制御方法によれば、泥土圧シールド掘進の自動制御方法において、切羽の安定と機械負荷の低減が図れ、地盤の安定度に対応して掘進速度を積極的に上げて自動掘進することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る泥土圧シールド掘進の自動制御方法の一実施の形態を説明する概略線図である。
【図2】図1における切羽安定型制御を説明する概略線図である。
【図3】本発明に係る泥土圧シールド掘進の自動制御方法を適用するに最適なシールド掘進機を地盤と共に示した要部断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a mud pressure shield excavation method in which an additive is added to the face when the ground is shielded, and the earth excavated from the face and the excavated earth mixed with the additive are discharged to the outside of the well. The present invention relates to an automatic control method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an automatic control method for shield excavation of the ground, for example, an automatic control method for muddy water pressure shield excavation is known. In this automatic control method, the excavated earth and sand are fluidly transported by slurry, and automatic excavation with respect to a set value is mainly performed with excavation and soil removal being automated. Furthermore, the automatic direction control of this excavation method automatically measures the position of the shield excavator, selects a jack pattern by fuzzy reasoning, etc., and automatically propels the jack. Also, the automatic excavation management of this excavation method is to centrally manage the excavation state by converting the automatic survey results and the data of the excavation state and transmitting them to the center.
[0003]
As another shield tunnel automatic control method, for example, an automatic operation control method (Japanese Patent Laid-Open No. 6-73978) of an earth pressure shield machine is known. This automatic operation control method inputs various measurement data necessary for shield excavation such as earth pressure, shield jack speed and stroke, earthing screw rotation speed and rotation load, cutter rotation speed and rotation load into a computer, and inputs them. Multivariate analysis of the measured data is performed to calculate the management numerical value of the required control items of the shield machine, and this numerical value is output as a management value signal to the operating device of the shield machine to automatically start the operation of the shield machine At the same time, the standard deviation value of each control item is calculated from the analysis result, the control width of each control item is set, and a control signal is transmitted so that the control machine is operated within the control width to automatically operate the shield machine. It is intended to be controlled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the automatic control method of the muddy water pressure shield excavation is subject to automation of excavation and earth removal, and automatic excavation with respect to the set value is the main, changing the set value corresponding to various grounds and excavating I could not do it.
[0005]
On the other hand, the automatic operation control method for earth pressure shield machines is automated mainly for pressure (load) management in the rotation of cutters and screws, opening and closing of the earth discharge gate, etc., but it corresponds to the stability of the ground. No automatic control has been implemented to increase the excavation speed actively for automatic excavation. This is due to the fact that there are many constructions under difficult ground conditions and the complexity of excavation work.
[0006]
It is an object of the present invention to enable automatic excavation by actively increasing the excavation speed in accordance with the stability of the ground in addition to aiming to stabilize the face and reduce the mechanical load in the mud pressure shield excavation automatic control method. It is a thing.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention digs by adding an additive to the face when shield excavating the ground, and excavates the earth and sand excavated from the face and the additive to mix the excavated earth and sand of the face. In an automatic control method for mud pressure shield excavation that accumulates later and discharges the excavated earth and sand while maintaining the earth pressure, when the ground is stable, the earth pressure is kept within a predetermined pressure range. Then, the excavation speed is positively increased, and when the ground is unstable, the excavation speed is adjusted so that the earth pressure falls within a predetermined pressure range.
[0008]
By adding an additive to the face, the ground is prevented from collapsing and a water stop effect is brought about. Furthermore, the additive penetrates between the soil particles and gravel of the face regardless of the presence or absence of cobblestone or the like due to its fluidity, and reduces the internal friction of the ground and reduces the excavation resistance when the cutter acts. When the ground is stable, the excavation speed can be positively increased by keeping the earth pressure within a predetermined pressure range. When the ground is unstable, the earth pressure is within a predetermined pressure range, so that the earth can be safely and stably digging at the optimum digging speed at this time.
[0009]
Further, in the mud pressure shield drilling automatic control method, the additive material includes fine particles generated by crushing siliceous aqueous jelly having a silicon dioxide content of 1 to 60% by weight, and between these fine particles. It is a siliceous paste whose main component is a liquid that intervenes and has fluidity throughout.
[0010]
By using the siliceous paste as an additive, in addition to the action of the automatic control method of the mud pressure shield excavation, the water stoppage of the face and the water retention of the excavated earth and sand are further improved, and the gravel ratio and water content ratio of the ground are improved. Even if fluctuates, it remains almost unchanged. As described above, the water stoppage of the face is improved, thereby reliably preventing fear of water erupting from the face. By improving the water retention capacity of the excavated earth and sand, the excavated earth and sand becomes a very coherent property. Therefore, the present mud pressure shield excavation automatic control method can cope with various soils, improves the excavation efficiency and reduces the cost. In addition, the problem of soil pollution is eliminated. Furthermore, stable fluidity of the excavated sediment is obtained, the passage resistance passing through the addition line to the face is reduced, and the passage resistance in the pumping pipe for pumping the excavated sediment out of the mine is reduced to discharge the excavated sediment. To make it easier.
[0011]
Furthermore, in any one of the above mud pressure shield excavation automatic control methods, the addition of the additive is performed so that the ratio (addition rate) of the additive to the excavated earth and sand becomes a preset value. . It is easy to control the amount of additive material in addition to the action of any of the above mud pressure shield drilling automatic control methods by determining the addition rate to the optimum value for the excavated sediment and adding it at that ratio And the excavation speed can be maintained at a high value.
[0012]
And in one of the previous mud pressure shield drilling automatic control methods, the addition of the additive is to adjust the ratio (addition rate) of the additive to the excavated earth and sand to improve the drilling speed. It is. When the quality of the ground changes, by adjusting the addition rate to match the quality of the ground, in addition to the action of any of the previous mud pressure shield drilling automatic control method, it corresponds to various ground The excavation speed can be increased.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of an automatic control method for mud pressure shield excavation according to the present invention will be described in detail based on the drawings.
[0014]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part showing an optimum shield machine together with the ground for applying the mud pressure shield machine automatic control method according to the present invention. The mud pressure shield digging is carried out by adding an additive that prevents the
[0015]
The additive is supplied from a ground additive supply plant (not shown) to the
[0016]
The
[0017]
In the mud pressure shield drilling, siliceous paste is used as an additive. As the siliceous paste, for example, those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-88475 previously disclosed by the present applicant can be suitably used. This siliceous paste uses a siliceous aqueous jelly having a silicon dioxide (SiO 2 ) content of about 1 to 60% by weight. However, the siliceous paste is not used as it is, but fine particles produced by crushing, and these fine particles It is mainly composed of a liquid that is interposed between particles and has fluidity as a whole.
[0018]
The particle size of the fine particles formed by crushing the siliceous water-based jelly is changed according to the soil quality of the ground to be excavated. It can respond to. When the main particle is more than 300 μm, the fluidity is lowered, and therefore, it is preferable that the particle size of the fine particles is mainly about 300 μm or less. When the content of SiO 2 is outside the range of about 1 to 60% by weight, the siliceous aqueous jelly is not easily formed into a siliceous paste having the above properties, so the content of SiO 2 is about 1 Within the range of ˜60 wt%, preferably 3˜30 wt%.
[0019]
Further, the siliceous paste can be defined from the viscosity value without defining from the particle size of the fine particles. The viscosity is about 50 cps to 1 million cps. By using this paste, the same action as described above can be obtained. Siliceous paste in this viscosity range exhibits thixotropic properties. Here, the viscosity is measured at a temperature of 20 ° C. with a B-type viscometer at a rotor speed of 12 rpm.
[0020]
The siliceous aqueous jelly used in the present embodiment is obtained by adding various acids and salts such as sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, sodium chloride, magnesium sulfate to an aqueous solution of water-soluble silicate such as water glass. It is done.
[0021]
As the liquid constituting the siliceous paste, water or an aqueous solution or aqueous dispersion to which an inorganic component or an organic component is appropriately added is used as long as the object of the present invention is achieved. The siliceous aqueous jelly itself contains water. If the jelly is crushed as it is, a part of the water taken into the jelly is released to the outside. Some types of siliceous aqueous jelly can give the paste the necessary fluidity with only the freed water, ie, no additional liquid. When the amount of water released to the outside by crushing is not enough, the liquid is added. The liquid such as water is interposed between the fine particles so as to prevent the recombination thereof, whereby a stable fluidity of the paste can be obtained.
[0022]
Further, the siliceous paste may contain an optional component such as a slurry, a polymer water-absorbing agent, a water-soluble polymer and the like in addition to the crushed fine particles.
[0023]
Moreover, you may use what was further submitted by this applicant etc. as a siliceous paste (Japanese Patent Application No. 8-268159, filed on October 9, 1996). This siliceous paste, like the siliceous paste, flows between the fine particles produced by crushing siliceous aqueous jelly having a silicon dioxide content of 1 to 60% by weight, and flows between these fine particles. And a polyacrylic acid salt having a molecular weight of 2 million to 30 million added thereto and 0.01 to 10 kg / m 3 .
[0024]
As the polyacrylate, sodium polyacrylate, potassium polyacrylate, and ammonium polyacrylate are suitable. Particularly preferred is sodium polyacrylate. The polyacrylate may be a copolymer of sodium acrylate or the like and acrylamide or the like. Moreover, if the molecular weight of polyacrylate is usually 2 million to 30 million, it can cope with almost all ground. In particular, the range of 5 million to 20 million is stable in terms of effect. The addition amount of the polyacrylate to the siliceous paste may be 0.01 to 10 kg / m 3 for achieving the above object. Further 0.3~2kg / m 3 ranges purposes achieve good, particularly the range of 0.5~1kg / m 3 is stable.
[0025]
The performance of the siliceous paste is improved by adding 0.01 to 10 kg of polyacrylate having a molecular weight of 2 million to 30 million per 1000 liters of the siliceous paste. In other words, the water resistance of the face and the water retention of the excavated earth and sand are improved as compared with the case where no polyacrylate is added. Moreover, it remains stable even if the ground gravel rate and water content change. Thus, since the water retention of excavated earth and sand improves, this excavated earth and sand becomes a very good property. Such a property improvement can surely prevent water from being ejected from the face. As a result, for example, siliceous paste used in sand layers and gravel layers with a gravel rate of 70% or less should be used for excavation of gravel layers mixed with cobbles with a gravel rate of 70% or more by adding the polyacrylate. Is possible. In particular, even if the amount of polyacrylate added is increased or decreased, the water retention is almost unchanged and stable.
[0026]
Therefore, by using this polyacrylate-added siliceous paste as an additive, the moisture content and gravel ratio of the ground for shield excavation, that is, the ground such as sand, gravel, and cobblestone layers rich in groundwater. Even if there is a large fluctuation, etc., the excavation can be continued as it is without replacing with a siliceous paste having other performance, so that the excavation efficiency can be improved and the cost can be reduced.
[0027]
By the way, the automatic control method of the mud pressure shield excavation according to the present embodiment uses the previous siliceous paste as an additive in the mud pressure shield excavation described with reference to FIG. 3, and the
[0028]
By using siliceous paste as an additive, it penetrates between the soil particles and gravel of the face regardless of the presence or absence of cobblestone, etc. due to its fluidity, reducing the internal friction of the ground when the cutter acts and digging Reduce resistance. When the ground is stable, the earth pressure is kept in a predetermined pressure range and the excavation speed is positively increased. When the ground is unstable, the earth pressure is kept within a predetermined pressure range. Therefore, it is possible to dig at the optimum digging speed at this time stably and stably.
[0029]
Furthermore, the additive of siliceous paste improves the water stoppage of the
[0030]
By determining the addition rate to an optimum value for the excavated earth and sand and adding it at that ratio, the amount of the additive can be easily controlled, and the excavation speed can be maintained at a high value. And when the quality of the ground changes, the excavation speed can be increased corresponding to various grounds by adjusting the addition rate according to the quality of the ground.
[0031]
Here, the types of ground include silt layers, sand layers, and gravel layers, but the stability can be roughly determined by the uniformity coefficient Uc. In general, soil with Uc of 4 to 5 or less can be said to be ground with poor particle size distribution and low stability, and soil with 10 or more can be said to have good particle size distribution and high stability. The uniformity coefficient Uc is a value defined by Uc = D 60 / D 10 with particle diameters D 60 and D 10 (effective diameters) corresponding to the passing mass percentage of 60% and 10% of the particle size accumulation curve, respectively. Yes (soil test method-2nd revised edition-edited by Japan Society for Geotechnical Engineering).
[0032]
In addition, the ground where it is difficult to stabilize the face (large disintegration) has the following characteristics.
[0033]
(1) Fine particle content (particle size of about 0.074 mm) is 10% or less ( 2 ) Water permeability coefficient k = (1/10 2 ) cm / sec or more ( 3 ) Water pressure 0.5 to 0.7 kgf / cm 2 or more This mud pressure shield digging automatic control method can be applied to the ground where it has been difficult to stabilize the face as described above and a wide ground up to about 60% gravel rate, especially the sand layer is the uniformity coefficient Uc It is possible to target those having a uniform grain size of less than 10, which can cope with changes in soil conditions of various types of ground and minimize the change factors.
[0034]
Furthermore, in the automatic control method of the mud pressure shield excavation, the addition of siliceous paste to the
[0035]
The addition rate of the siliceous paste is set to a preset value, but is set in a range of 5 to 40% by volume with respect to earth and sand to be excavated, and a range of 10 to 30% by volume is particularly preferable. When the addition rate is less than 5% by volume, the water stoppage of the face and the water retention capacity of the excavated sediment are inferior, and the passage resistance in the addition line to the face and the pressure resistance of the excavated sediment to the outside of the pit are large. Makes adding and discharging difficult. When the addition rate exceeds 30% by volume, the water stoppage of the face begins to be inferior and the fluidity of the excavated earth tends to be high, but when the addition rate exceeds 40% by volume, the amount of additive However, the water stoppage of the face is inferior, and the fluidity of the excavated earth is too high, making it difficult to handle due to leakage or the like, and there are many additives and it is uneconomical.
[0036]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of an automatic control method for mud pressure shield excavation according to the present invention. Automatic control of mud pressure shield digging starts from start 1 and measures the cutter pressure of the shield digging machine at cutter pressure 2. If the cutter pressure is high in the cutter pressure determination 3, the additive is added in
[0037]
Next, the process proceeds to additive pressure judgment 6 for the additive. When the addition pressure of the additive is not within the specified pressure range, the addition pressure is adjusted by the addition pressure increase / decrease 7 and the addition pressure is determined again. When the addition pressure is within the specified pressure range, the process proceeds to the next earth pressure determination 8. When the earth pressure determination 8 is not within the predetermined pressure range, the earth pressure determination is performed again by performing screw rotation speed control, additive material adjustment, and the like. When the earth pressure is in a predetermined pressure range, the process proceeds to the next
[0038]
Next, when the screw rotation speed is within a specified range, the process proceeds to the gate opening 12 to adjust the opening degree of the
[0039]
If the jack pressure is within a specified range, the end determination is made with the
[0040]
The speed-enhanced control is selected when the ground is stable and actively increases the excavation speed by keeping the earth pressure within a predetermined pressure range. At this time, when the earth pressure is low, the excavation speed is increased, and when the earth pressure is high, the excavation speed is maintained to increase the amount of soil discharged. For this purpose, the screw rotation speed, the earthing gate opening degree, etc. are adjusted. When the screw speed, earthing gate opening, etc. are the limits, the excavation speed is reduced.
[0041]
Face stable control is selected when the ground is unstable, and the excavation speed is adjusted so that the earth pressure falls within a predetermined pressure range. At this time, the excavation speed is maintained when the earth pressure is small, and the excavation speed is decreased when the earth pressure is large. At this time, the screw rotation speed, the earthing gate opening degree, etc. are adjusted.
[0042]
While controlling by the earth pressure control system 18, the cutter pressure is checked while adjusting the screw speed, the jack pressure while adjusting the jack speed, and the addition rate by adjusting the number of rotations of the screw by the operation code 19. The propulsion
[0043]
When it is determined in the propulsion
[0044]
In addition, the mud pressure shield excavation automatic control method of the present embodiment has a constant monitoring function associated with equipment protection. Normally, the excavation operator constantly monitors the excavator so that it does not overload each device of the shield excavator. With regard to mechanical overload, each shield machine can detect an overload abnormality independently. In this system, the overload occurrence of each device is managed by a predetermined management value, and the cause of the overload occurrence is deleted. Specifically, the following monitoring is performed.
[0045]
1) Screw pressure monitoring: When the screw pressure exceeds the control value, the screw speed is reduced to protect the screw power unit.
[0046]
2) Jack pressure monitoring: When the jack pressure (thrust) exceeds the control value, the jack speed is reduced to protect the jack pressure power unit.
[0047]
3) Cutter pressure monitoring: When the cutter pressure (torque) exceeds the control value, increase the amount of additive material or reduce the jack speed to protect the cutter pressure power unit and cutter face plate.
[0048]
Furthermore, the automatic control method for mud pressure shield excavation according to the present embodiment is not limited to earth pressure stability control during excavation, but also automates one-ring excavation work itself for full automation. One-ring excavation work starts from the start of various units, and the initial movement state> Various equipment adjustments until stable excavation> Control during excavation (monitoring)> Digging stop operation by one-ring excavation, all of which are automated (one-button operation) (Sequential control)).
As an object to control,
1) Analog: Jack speed, additive addition and amount, screw rotation speed, gate opening 2) Digital: Start / stop of various power units, jack push / pull / select (extraction direction control), cutter rotation speed / direction, screw rotation Number / Direction, Gate Opening FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the face stable control in FIG. When the mud pressure shield digging 30 is performed, it is a diagram showing what problems and phenomena 31 exist for each of the following factors {circle around (1)} to {circle around (5)}, and what countermeasures and
[0049]
▲ 1 ▼ Sediment uptake: cobblestone and gravel treatment ▲ 2 Sediment fluidity: excavation to earth removal ③ Sediment water stoppage ▲ 4 ▼ Face stability ▲ 5 ▼ Drilling management: earth pressure, cutter pressure, speed , Propulsion, excavated soil volume, etc. [0050]
【The invention's effect】
According to the mud pressure shield drilling automatic control method of the present invention, in the mud pressure shield drilling automatic control method, the face can be stabilized and the mechanical load can be reduced, and the drilling speed can be positively adjusted according to the stability of the ground. It is possible to dig up and dig up automatically.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an embodiment of an automatic control method for mud pressure shield excavation according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the face stable control in FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part showing an optimum shield machine together with the ground for applying the mud pressure shield machine automatic control method according to the present invention.
Claims (3)
前記添加材は、二酸化珪素含有率が1〜60重量%の珪酸質水性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒子と、これらの微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とする珪酸質ペーストであり、
前記地盤が安定している場合には速度向上型制御が行われ、前記地盤が不安定の場合には切刃安定型制御が行われ、
前記速度向上型制御は、前記土圧が予め定められた設定圧力範囲より小さいときは掘進速度を上げて該土圧が前記設定圧力範囲内に収まるようにし、前記土圧が前記設定圧力範囲より大きいときは掘進速度をそのまま維持して前記土圧室外への前記排土ゲートを介する排土量を多くして該土圧が前記設定圧力範囲内に収まるようにし、
前記切刃安定型制御は、前記土圧が予め定められた設定圧力範囲より小さいときは掘進速度をそのまま維持して前記土圧室外への前記排土ゲートを介する排土量を減じて前記土圧が前記設定圧力範囲内に収まるようにし、前記土圧が前記設定圧力範囲より大きいときは掘進速度を減じて該土圧が前記設定圧力範囲内に収まるようにすることを特徴とする泥土圧シールド掘進の自動制御方法。An additive is added to the face when shield excavating the ground, and the excavated earth and sand mixed with the additive excavated from the face is accumulated in an earth pressure chamber after the face, and the soil is collected . In the automatic control method of mud pressure shield digging that discharges the excavated earth and sand through the discharge gate while maintaining the earth pressure in the pressure chamber ,
The additive mainly includes fine particles produced by crushing siliceous aqueous jelly having a silicon dioxide content of 1 to 60% by weight, and a liquid that is interposed between these fine particles and has fluidity as a whole. It is a siliceous paste as a component,
When the ground is stable, speed-enhancing control is performed, and when the ground is unstable, cutting edge stable control is performed,
The speed-enhanced control increases the excavation speed when the earth pressure is smaller than a predetermined set pressure range so that the earth pressure falls within the set pressure range, and the earth pressure is lower than the set pressure range. When it is large, the excavation speed is maintained as it is, and the amount of earth discharged through the earth discharging gate to the outside of the earth pressure chamber is increased so that the earth pressure is within the set pressure range,
When the earth pressure is smaller than a predetermined set pressure range, the cutting edge stabilization type control maintains the excavation speed and reduces the amount of earth discharged through the earth gate to the outside of the earth pressure chamber. A mud pressure , wherein the earth pressure falls within the set pressure range, and when the earth pressure is larger than the set pressure range, the excavation speed is reduced so that the earth pressure falls within the set pressure range. Automatic control method for shield drilling.
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