JP2000130081A - 先導管の掘進方向修正機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で小口径の推進装置への適用も可
能な推進装置における掘進方向の修正機構の提供。 【解決手段】 推進装置からの推力によって推進される
先導管１の先端に回転駆動可能に装着されるカッタヘッ
ド４を、先細り状であって先端部が先導管１の断面中心
を含み且つ基端側にかけて扇状に周面を展開したテーパ
ブロック４ｂと、このテーパブロック４ｂの周面に配置
した掘削用のビット６ａ，６ｂとから構成する。また、
カッタヘッド４を回転駆動する駆動モータ２の出力軸２
ａの周りに回転角度検出用のディスク８ａ，８ｂ，８ｃ
を備え、その外周を観測面として近接センサ７によって
カッタヘッド４の回動角度を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば下水道管
渠や地中電線管等の推進工法に用いられる推進装置に係
り、特に小口径の推進先導管の掘進方向を設定方向に維
持するための掘進方向修正機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】管渠等の施工に多用されている推進工法
は、予め構築した立坑の中に推進用のジャッキ装置を配
置しておき、立坑に開けた発進坑口から先導管をこのジ
ャッキ装置によって掘削方向に推力を与えながら移動さ
せて掘削していくもので、先導管に推進管を１本ずつ接
続することによって管渠が構築される。

【０００３】このような推進工法では、推進機の先導管
の進行方向が発進坑口から設計通りの位置と方向に維持
されるように厳しく管理する必要がある。すなわち、先
導管がジャッキ装置によるスラストと先端のカッターの
回転によって地山を掘削していくとき、地山の条件や推
進機械の特性によって先導管の進行方向が曲げられてし
まうことがある。このため、先導管の指向方向を掘削完
了までの期間継続して監視する必要があり、進行方向か
らずれたときには先導管の姿勢を変更するように制御す
ることで元の設定された掘削方向となるように矯正操作
される。

【０００４】このような先導管の掘進方向を矯正する方
法として、従来から首振り方式または斜切り管方式が主
に利用されている。

【０００５】首振り方式は、先導管の先端を球面継手に
よって先導管本体に連接し、先導管先端の首振りのため
の油圧ジャッキを配置したものである。そして、首振り
を行う先導管先端部はカッタヘッド自身を動かす方法と
カッタヘッドの外周に配置したフードを動かす方法があ
る。

【０００６】このような首振り式の中で、カッタヘッド
自身を首振りさせるものでは、掘進方向の修正が確実に
できる点で優れているが、フードを首振りさせるものは
若干その修正効果が低いとされている。

【０００７】一方、斜切り管方式は、パイロット管を用
いるものとフードを用いる二つの方式がある。パイロッ
ト管方式は、カッタヘッドと同軸上に配置されその先端
を斜めにカットして傾斜板で塞いだ形状のパイロット管
を備え、推進機を直進させるときにはカッタヘッドとと
もに回転させ、推進方向を修正するときには先端の斜切
り面を曲げる反対方向に位置するようにパイロット管を
停止させるようにしたものである。パイロット管の回転
を停止させている期間では、パイロット管は径が小さい
ので土圧抵抗が最小となる方向に曲げられて推進され
る。したがって、パイロット管の斜切り面の方向を検知
すれば掘進が曲がる方向を知ることができる。また、フ
ード式のものは、先導管の先端に設けたフードの先端を
斜切りするとともにこのフードからカッタヘッドが出没
動作できるようにしたものである。直進掘進のときには
カッタヘッドをフードから突き出して掘削してフードの
影響を殺ぎ、方向修正のときにはフードの中にカッタヘ
ッドを後退させ、フードの長さ方向の不同を利用して掘
進方向を修正している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、首振り式の
場合では、カッタヘッドまたはフードを首振りさせるい
ずれの構成においても、油圧ジャッキと球面継手が必要
である。したがって、油圧ジャッキ及び球面継手が占め
る容量が大きくなり、特に小口径推進管の場合への対応
がむずかしい。一方、油圧ジャッキを小型化することで
対応すると、必要な首振りトルクを得るためには高圧の
油圧回路が必要であり、作動油のリークや部材の応力等
が新たな問題となる。

【０００９】また、球面継手は製造費用が高くなるほか
保守管理も煩雑になりやすく、磨耗等で間隙が大きくな
ると、油圧ジャッキのストロークがこの間隙によって吸
収されてしまい、カッタヘッドやフードの首振り量が不
足したり首振り角度の検出が十分にできなくなる。

【００１０】一方、斜切り管方式のパイロット管を用い
るものでは、パイロット管の外径が小さいのでその推進
抵抗も低く抑えられるものの、パイロット管と先導管と
の２段の推進となるので、構造が複雑になりやすい。ま
た、斜切り面を持つフードの場合では、首振り式と比べ
てその方向修正の機能の面で十分とはいえない。

【００１１】本発明において解決すべき課題は、構造が
簡単で小口径の推進装置への適用も可能な推進装置にお
ける掘進方向の修正機構を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、推進装置から
の推力によって推進される先導管において、前記先導管
の先端に回転駆動可能に装着されるカッタヘッドを、先
細り状であって先端部が前記先導管の断面中心を含み且
つ基端側にかけて扇状に周面を展開したテーパブロック
と、前記テーパブロックの周面に配置した掘削用のビッ
トとから構成してなることを特徴とする。

【００１３】このような構成において、前記カッタヘッ
ドを回転駆動するための駆動モータを前記先導管の内部
に配置し、前記カッタヘッドの回転中心と同軸配置され
て前記駆動モータに連接される回転軸の周りに回転角度
検出用のディスクを備え、更に前記ディスクの外周を観
測面として前記回転軸の回動角度を検知する検知手段を
備えたものとすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の推進機の先端部の
要部を示す概略縦断面図、図２は先端側から見た正面図
である。

【００１５】図において、円筒状の先導管１は、その先
端側に減速機付きの駆動モータ２を組み込むとともに、
この駆動モータ２の出力軸２ａに同軸上でスプライン継
手２ｃを介して連結した駆動軸２ｂを支持するヘッドブ
ロック１ａを一体に固定したものである。

【００１６】先導管１は従来の推進工法で利用されてい
る推進装置と同様に、発進側の立坑から推進ジャッキに
よって到達立坑側へ圧入される推進管によって推進され
るものである。すなわち、発進坑口から地山中に推進装
置の推力が推進管を経て先導管１に加えられて地山を掘
進していく。そして、推進管を継ぎ足してこの圧入を繰
り返し、管渠を構築する。先導管１が到達立坑に達した
ときにこの先導管１のみが地上側に回収される。

【００１７】このような推進工法においては、先導管１
の推進方向を監視することが重要である。この推進方向
の監視のため、発進側の立坑に備えた推進方向監視用の
レーザ投光器（図示せず）からのレーザを受けて先導管
の１の位置ずれを計測するためのテレビカメラ３ａと先
導管１の傾斜を計測する遠隔傾斜計３ｂを配置してい
る。

【００１８】先導管１のヘッドブロック１ａは、駆動軸
２ｂを支持する軸受１ｂとシール用のシール環１ｃを備
えるとともに排土チャンバ１ｄを環状に形成したもので
ある。そして、排土チャンバ１ｄの正面側には複数の開
口１ｅを開けるとともに背面側には排土管１ｆを連結し
ている。なお、排土管１ｆは従来のものと同様に先端側
に圧縮空気の供給配管を接続するとともに基端側を地上
に設置したバキュームポンプに接続し、圧縮空気の供給
と真空引きによって掘削土砂を排出する。

【００１９】更に、ヘッドブロック１ａの先端面の外周
縁には前方に突き出るリングバンク１ｇを設けるととも
に、中心部には円筒状のガイドスリーブ１ｈを設ける。
このガイドスリーブ１ｈには駆動軸２ｂが回転自在に差
し込まれ、駆動軸２ｂの先端部の六角軸２ｂ−１にはカ
ッタヘッド４が同軸上に連結している。このカッタヘッ
ド４は、ガイドスリーブ１ｈの周りに回転自在に外挿さ
れる部分を偏心スリーブ４ａとするとともにこの偏心ス
リーブ４ａの外周にクラッシャ５を嵌合して一体に固定
している。

【００２０】クラッシャ５は、たとえば先端側を先細り
させた戴頭円錐環であり、偏心スリーブ４ａの偏心によ
って図３に示すようにクラッシャ５の外周面とリングバ
ンク１ｇの内周面との間が回転に伴って広がったり狭ま
ったりして岩石等の塊を破砕する。なお、クラッシャ５
の基端側（図１において右端側）の半径はヘッドブロッ
ク１ａの開口１ｅを塞がない程度とすることは無論であ
り、破砕された岩石や土砂は開口１ｅから排土チャンバ
１ｄへ先導管の推進力と排土管の吸引力によって流れ込
む。

【００２１】カッタヘッド４は図２に示すように、中心
角が１８０°以下の劣弧状であって先細りさせたテーパ
ブロック４ｂと、コーン型の２列のビット６ａ，６ｂを
備えたものである。ビット６ａ，６ｂはそれぞれ異なる
回転方向を先端が指向する姿勢として取り付けられ、カ
ッタヘッド４の正転方向及び逆転方向のいずれにも対応
して掘削可能であり、最も外周に配置されたものは先導
管１の外周より５〜１０ｍｍ程度のオーバーカットがで
きるようにする。

【００２２】ここで、カッタヘッド４は先導管１の全断
面に対して劣弧状の範囲を占めるだけで、テーパブロッ
ク４ｂは従来例で説明した斜切り用のパイロット管また
はフードと同様に掘削孔内の土圧に対して偏当たりす
る。そして、この偏当たりを利用して先導管１の掘進方
向を修正するので、カッタヘッド４の回動姿勢を知るこ
とが必要である。このため、図１に示すように、先導管
１の内部に近接センサ７を設けるとともに、駆動モータ
２の出力軸２ａに３枚のディスク８ａ，８ｂ，８ｃを取
り付ける。

【００２３】図４は近接センサ７と３枚のディスク８ａ
〜８ｃの位置配列関係を示す概略図であり、ディスク８
ａ〜８ｃの外周の出っ張った部分を山８ｄとし、引っ込
んだ部分を谷８ｅとする。ディスク８ａの場合では中心
角１８０°が山８ｄで残り１８０°が谷８ｅとなり、デ
ィスク８ｂでは中心角９０°の山８ｄと谷８ｅが交互に
配置され、ディスク８ｃでは中心角４５°の山８ｄと谷
８ｅが交互に配置されている。そして、近接センサ７が
山８ｄに接近しているときオンを表示し、同じく谷８ｅ
に接しているときはオフで表示すれば、４５°刻みで出
力軸２ａの回動角度をディジタル表示することができ
る。

【００２４】以上の構成において、発進立坑の推進ジャ
ッキによって推進駆動される推進管（図示せず）の先端
に連結された先導管１はその先端に取り付けたカッタヘ
ッド４の掘削によって掘進していく。このとき、先導管
１の先端のカッタヘッド４は先導管１の回転断面の一部
を占めて半径方向に偏っているが、回転掘進によってカ
ッタヘッド４が地山を一様に掘削するので、その掘進方
向が曲げられることはない。そして、図５の（ａ）に示
すように、ビット６ａ，６ｂによって図中のハッチング
領域で示すように先導管１周りにオーバーカットを形成
しながら掘進し、カッタヘッド４部分の地山はほぼ円錐
台状に掘削される。

【００２５】なお、カッタヘッド４の回転方向は駆動モ
ータ２の制御によって切り換えることができ、図２にお
いて時計方向に回転するときはビット６ａにより掘削
し、反時計方向に回転するときには他方のビット６ｂに
よる掘削が行われる。また、カッタヘッド４が回転する
ときには、偏心スリーブ４ａの周りに取り付けたクラッ
シャ５も回転する。すなわち図３においてはリングバン
ク１ｇに対して下側にクラッシャ５が偏っているが、カ
ッタヘッド４の回転によってその偏心方向が次第に変わ
っていき、リンクバンク１ｇとクラッシャ５の周面との
間が周期的に拡大収縮する。したがって、掘削された岩
石の塊等はリングバンク１ｇとの間でクラッシャ５によ
る圧縮を受けて破砕され、掘削土砂や破砕分は開口１ｅ
から排土チャンバ１ｄに送り込まれ、排土管１ｆから排
出される。

【００２６】ここで、先導管１の掘進進行中に地山に含
まれた転石等にカッタヘッド４が衝突したりして推進方
向が曲げられてしまうことがあるので、このような曲が
りを矯正する。たとえば、テレビカメラ３ａによる撮像
によって推進方向が所定の軌道よりも上側に傾いていく
ことが検知されたときには、図１，図２及び図５の
（ａ）に示すように、カッタヘッド４が先導管１の回転
断面の上側になる位置で停止させる。このカッタヘッド
４の位置の設定は、図４で示した近接センサ７と３枚の
ディスク８ａ，８ｂ，８ｃを利用することで実行可能で
ある。

【００２７】次いで、発進立坑の推進ジャッキを駆動し
て先導管１にスラストを加える。このとき、カッタヘッ
ド４部分が入り込んでいる地山部分は、スラストが加わ
る前にカッタヘッド４の回転によって軟化し、排土も行
われているので密度は疎となっている。すなわち、図５
の（ａ）において、カッタヘッド４のテーパブロック４
ｂの下側にハッチングで示された領域の地山は軟らかく
また疎になっているので、先導管１にスラストが加わる
とカッタヘッド４は図５の（ｂ）に示す矢印の方向を向
くような力が加わって姿勢を変える。したがって、導管
１は軸線を斜め下向きに次第に変え、その位置も下方に
移動する。

【００２８】このように先導管１の位置が下方に下がっ
たことをテレビカメラ３ａで確認した後には、駆動モー
タ２を再起動してカッタヘッド４を回転させて掘削を再
開する。このとき、この変位の修復状態をテレビカメラ
３ａによる撮像によって確認し、修正不良であれば先の
修正を繰り返し、先導管１はこの修正された姿勢を基に
掘削していき、その結果先導管１の掘進方向は計画位置
に補正される。

【００２９】なお、先導管１の推進方向のずれは上下方
向の変位が左右方向よりも掘進には重大な影響を及ぼす
ので、先導管１の内部に備えた遠隔傾斜計３ｂによって
先導管１の変位量の外に傾斜角度を確認して、修正動作
を確実に行わせる。すなわち、上下や左右方向の変位に
対しては、変位した向きと同じ側にカッタヘッド４を回
動させて停止させ、その後は先に説明した要領で先導管
１の掘進方向を修正すればよい。

【００３０】図６〜図８は別の例であって、これはカッ
タヘッド４に備えるビットを通常使用されている掘削ビ
ットとするとともに、カッタヘッド４の回動角度をアナ
ログ的に検知できるようにしたものである。なお、先の
例と同じ構成部材については共通の符号で指示し、その
詳細な説明は省略する。

【００３１】図６及び図７に示すように、カッタヘッド
４のテーパブロック４ｂには、３列のビット９ａ，９
ｂ，９ｃが取り付けられている。これらのビット９ａ〜
９ｃは従来から利用されている先導管用のカッタに常用
されているものである。そして、先導管１の内部には非
接触変位センサ１０を備えるとともに、駆動モータ２の
出力軸２ａにはカッタヘッド４の回動姿勢の検知のため
のディスク１１を取り付けている。

【００３２】非接触変位センサ１０は光学式又は電気式
のものでディスク１１の周面との間の距離に応じた信号
を出力する。そして、ディスク１１は図７に示すよう
に、中心周りの全包囲の半径が一様に変化する外周面を
形成したもので、その回転角度と非接触変位センサ１０
までの距離の関係を予め演算系に組み込むことによって
ディスク１１の回転角度を知ることができる。したがっ
て、先の例と同様にディスク１１の回転姿勢を利用して
カッタヘッド４の回動角度を検知できる。

【００３３】この図６〜図８の構成においても、先導管
１の掘進方向がずれたとき、その変位方向と同じ側にカ
ッタヘッド４の位置を設定することで、掘進方向の修正
が可能である。

【００３４】なお、ビット９ａ〜９ｃは先の例のコーン
型のビット６ａ，６ｂに比べると突き出し長さが短い
が、カッタヘッド４周りでの掘削の状況は若干相違す
る。しかしながら、先導管１の掘進方向の修正において
は、いずれのビットを用いてもテーパブロック４ｂの周
りの土砂が掘削されて軟化し排土によって疎になるのを
利用して方向修正するので、ビットの違いが掘進方向の
修正の良否を決めることはなく、いずれの場合でも良好
な修正の操作が可能である。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明では、カッタヘッドにテ
ーパブロックを形成するだけで掘進方向を修正できるの
で、加工が難しくて高価な球面継手や油圧ジャッキ等の
揺動機構や褶動機構を必要とせず、簡単な構造でコンパ
クト化でき、小口径の推進機にも最適に利用できる。

【００３６】請求項２の発明では、先導管内の回転軸の
回転角度をその周りのディスクと先導管内に配置した検
知手段によって知ることができるので、たとえば発進立
坑側から望遠鏡等の光学的な手段で標的を観察して回転
角度を知る場合に比べると、標的の遠近を問わず回転角
度を正確に把握でき、カッタヘッドの姿勢を適正化して
正しい掘進方向への修正が可能となる。また、発進立坑
側から先導管まで光の通る空所を設ける必要がないた
め、推進管内で配管類や電気配線類及び強度材等の配置
が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の推進方向修正機構を備えた先導管及
びカッタヘッド部分の要部を示す縦断面図である。

【図２】 先導管及びカッタヘッドをその先端側から見
た正面図である。

【図３】 偏心スリーブ周りのクラッシャの偏心構造を
示す要部の縦断面図である。

【図４】 近接センサとディスクの配置を示す概略図で
ある。

【図５】 掘進状況の概略図であって、同図の（ａ）は
直進掘進を示し、同図の（ｂ）は下向きに変位した後の
推進方向の修正を示す。

【図６】 常用の掘削ビットと非接触変位センサを備え
る例を示す要部の縦断面図である。

【図７】 図６の例の正面図である。

【図８】 非接触センサとディスクの配置を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ 先導管 １ａ ヘッドブロック １ｄ 排土チャンバ １ｅ 開口 １ｆ 排土管 １ｇ リングバンク １ｈ ガイドスリーブ ２ 駆動モータ ２ａ 出力軸 ２ｂ 駆動軸 ２ｃ スプライン継手 ３ａ テレビカメラ ３ｂ 遠隔傾斜計 ４ カッタヘッド ４ａ 偏心スリーブ ４ｂ テーパブロック ５ クラッシャ ６ａ，６ｂ ビット ７ 近接センサ ８ａ，８ｂ，８ｃ ディスク ８ｄ 山 ８ｅ 谷 ９ａ，９ｂ，９ｃ ビット １０ 非接触変位センサ １１ ディスク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 推進装置からの推力によって掘進方向に
   推進される先導管において、前記先導管の先端に回転駆
   動可能に装着されるカッタヘッドを、先細り状であって
   先端部が前記先導管の断面中心を含み且つ基端側にかけ
   て扇状に周面を展開したテーパブロックと、前記テーパ
   ブロックの周面に配置した掘削用のビットとから構成し
   てなる先導管の掘進方向修正機構。
2. 【請求項２】 前記カッタヘッドを回転駆動するための
   駆動モータを前記先導管の内部に配置し、前記カッタヘ
   ッドの回転中心と同軸配置されて前記駆動モータに連接
   される回転軸の周りに回転角度検出用のディスクを備
   え、更に前記ディスクの外周を観測面として前記回転軸
   の回動角度を検知する検知手段を備えてなる請求項１記
   載の先導管の掘進方向修正機構。