JP2013129984A

JP2013129984A - トンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法

Info

Publication number: JP2013129984A
Application number: JP2011279384A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sugiyama; 雅彦杉山; Naoya Matsuki; 直哉松木; Yasuo Odagaki; 安夫小田垣; Hiroshi Takahashi; 浩史高橋; Yoshizo Kemmochi; 芳蔵釼持; Hiroshi Noguchi; 浩野口; Yasuo Kobayashi; 保雄小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems Ltd; Tokyu Construction Co Ltd
Current assignee: Tokyu Construction Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-07-04

Abstract

【課題】掘進速度の低下や掘進不能となる事態を未然に回避できるトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法を提供する。
【解決手段】カッタヘッド１３の回転方向をカッタヘッド１３の設定回転数やカッタ駆動モータ１４の作動圧力等に応じて自動で交互に反転させて支障物をその鉄筋やＰC鋼線の絡み付きを防止しつつ切削し掘進することができるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、掘進先にＲＣコンクリートやＰＣコンクリート等の支障物があった場合にでもこれを確実に切削すると共に支障物中の鉄筋やＰＣ鋼線の面盤等への絡み付きを防止してトンネルを掘削可能なトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法に関する。

近年、都市土木，下水道工事における排水管等の布設に伴い、地中支障物（ＲＣコンクリートやＰＣコンクリート等の障害物）に遭遇することが多くなってきている。

そこで、最近では、特許文献１で、筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドを回転自在に支持し、該カッタヘッドの先細りの円錐状に傾斜した前面部に複数の土砂用切削ビットと複数の支障物切削ビットを設け、該支障物切削ビットのチップ先端角度を鈍角としたトンネル掘削機が開示されていると共に、前記トンネル掘削機を用いて掘進先の支障物を撤去する際に、支障物及び地盤におけるカッタヘッド中央のフィッシュテールカッタ通過部を先行して削孔しておく支障物撤去方法が開示されている。

また、特許文献２では、Ｈ型鋼や鋼矢板（シートパイル）等の支障物に遭遇した際には、カッタヘッドの形状とセンタービット及び各支障物切削ビットの形状及び配置で効果的に支障物を切削するものが開示されている。即ち、カッタヘッドの面盤及びカッタスポークが円錐状に傾斜する（例えば５〜１０°）傾斜型のカッタヘッドにより、カッタヘッドに傾斜が無いものに比べて、支障物切削範囲が小さくなり、切削抵抗の低減が図れるのである。

特開２００６−１１８２８７号公報特開２０１０−１９６３８６号公報

ところで、近年、支障物中の鉄筋やＰＣ鋼線を切削する場合、トンネル掘削機の面盤等にそれらが絡まり、掘進の妨げとなっている。即ち、カッタビットの切削能力が落ち、掘進速度の低下や最悪掘進不能に陥る。

原因としては、カッタヘッドの回転方向を一定方向に固定し掘進しているため、例えば図５に示すように、徐々に鉄筋やＰＣ鋼線Ｗがカッタヘッド１００のカッタスポーク１０１、面盤１０２及びセンターシャフトの蓋板１０３に配置された土砂用切削ビット１０４や支障物切削ビット１０５等を介して面盤等に巻き付き掘進不能になるのである。

そこで、本発明は、掘進速度の低下や掘進不能となる事態を未然に回避できるトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法を提供することを目的とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機は、
カッタヘッドに支障物切削ビットを備えたトンネル掘削機において、
カッタ駆動モータへの圧油の給,排を切り替える方向切換弁を設け、
地中の支障物を切削する際に、予め入力されたカッタヘッド正，逆回転の設定回転数毎に、カッタヘッドの回転方向を交互に自動で反転させる正逆回転制御を実施すべく前記方向切替弁を切替制御する制御手段を設けた、
ことを特徴とする。

また、
前記カッタ駆動モータの過負荷を検出する検出手段を設け、
前記制御手段は前記検出手段により前記カッタ駆動モータの過負荷を検出した際には、前記設定回転数未満でも強制的に前記正逆回転制御を実施する、
ことを特徴とする。

斯かる目的を達成するための本発明に係るトンネル掘削機による支障物切削方法は、
カッタヘッドに備えた支障物切削ビットにより地中の支障物を切削する際に、予め設定されたカッタヘッド正，逆回転の設定回転数毎に、カッタヘッドの回転方向を交互に自動で反転させて切削、掘進する、
ことを特徴とする。

また、
前記前記カッタ駆動モータの過負荷を検出した際には、前記設定回転数未満でも強制的に前記正逆回転制御を実施する、
ことを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法によれば、カッタヘッドの回転方向を自動で交互に反転させて支障物をその鉄筋やＰC鋼線の絡み付きを防止しつつ切削し掘進することができる。

この結果、支障物を切削した後の、地中部分（通常の土砂）の掘進における掘進速度の低下や掘進不能となる事態を未然に回避できると共に、オペレータの労力低減が図れる。

本発明の一実施例を示す泥土圧シールド掘削機の概略構成図である。カッタヘッドの正面図である。カッタヘッドにおける正逆転制御のブロック図である。カッタヘッドにおける正逆転制御のフロー図である。従来の不具合を示すカッタヘッドの正面図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削機及び該トンネル掘削機による支障物切削方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す泥土圧シールド掘削機の概略構成図、図２はカッタヘッドの正面図、図３はカッタヘッドにおける正逆転制御のブロック図、図４はカッタヘッドにおける正逆転制御のフロー図である。

図１に示すように、泥土圧シールド掘削機（トンネル掘削機）は、筒状をなす掘削機本体１０の前部（前胴１０ａ）にはバルクヘッド１１が形成され、このバルクヘッド１１には、リングギア付き軸受１２を介して、カッタフェイスが円錐状に傾斜するカッタヘッド１３が回転自在に支持される。

また、バルクヘッド１１にはカッタ駆動モータ１４が装着され、このカッタ駆動モータ１４の駆動ギア１５がリングギア付き軸受１２のリングギア部に噛み合っている。従って、カッタ駆動モータ１４の駆動により駆動ギア１５が回転すると、リングギア付き軸受１２を介してカッタヘッド１３が回転駆動される。

一方、掘削機本体１０内にはスクリューコンベア１６が配設されており、前端部がバルクヘッド１１を貫通してチャンバー１７に連通されている。また、掘削機本体１０の後部（後胴１０ｂ）にはリングガータ１８が形成され、このリングガータ１８の外周部には周方向に沿って複数のシールドジャッキ１９が配設されると共に、その内周部には旋回モータ２０により旋回駆動される旋回リング２１が旋回可能に支持され、この旋回リング２１にセグメントを組立てる図示しないエレクタ装置が装着されている。

従って、シールドジャッキ１９が掘進方向後方に伸長してそのスプレッダ１９ａを既設のセグメントに押し付けることで、その反力により掘削機本体１０を前進させることができると共に、エレクタ装置により、前進した掘削機本体１０（後胴１０ｂ）と既設のセグメントとの空所に新しいセグメントを組み付けることができる。

また、掘削機本体１０の前胴１０ａと後胴１０ｂとは、球面継手部材２２を介して連結され、前胴１０ａと後胴１０ｂとの間に介装された複数の中折れジャッキ２３の伸縮により掘削機本体１０が所定方向に中折れ可能になっている。

そして、図２にも示すように、カッタヘッド１３は、３つの面盤（カッタフェイス）２４と３本のカッタスポーク（カッタフェイス）２５が周方向へ交互に等配されてセンターシャフト２６と外周リング２７に支持されてなり、各カッタスポーク２５の両側に土砂用切削ビット２８がまた中央部にスポーク取付用の支障物切削ビット２９が多数装着され、各面盤２４に面盤取付用の支障物切削ビット３０が多数装着されている。また、１本のカッタスポーク２５には押出ジャッキ３１によってカッタヘッド１３の径方向に突出可能なコピーカッタ３２が内蔵される。

また、カッタフェイスの中央部とも言えるセンターシャフト２６における円錐状の蓋板３５の表面には、センタービット３６とその周囲に位置して蓋板取付用の支障物切削ビット３７が装着される。尚、上述した各種ビットの構造、形状は特許文献２等で公知であるので、それらを参照してここでは説明は省略する。

そして、本実施例では、前記カッタ駆動モータ１４は油圧ポンプ３８からの圧油の給，排で回転すると共に、電磁式の方向切替弁３９により正，逆回転され、地中における支障物（ＲＣコンクリートやＰＣコンクリート等）中の鉄筋やＰＣ鋼線がカッタヘッド１１の面盤等に絡み付くのを防止するようになっている。

前記方向切替弁３９は、図３に示すように、コントローラ（制御手段）４０により切替制御される。このコントローラ４０には、カッタ駆動モータ１４の作動圧力を検出する油圧センサ４１（図１参照）と、カッタヘッド１３の回転数を検出する手段として当該回転数と相関関係にあるカッタ駆動モータ１４の回転数を検出するロータリエンコーダ等の回転センサ４２（図１参照）の検出信号が入力される。

コントローラ４０は、上述した各種検出信号とオペレータによる正，逆回転の設定回転数入力及び正逆回転制御開始・終了ボタンのＯＮ操作に基づいて、方向切替弁３９を切替制御してカッタヘッド１３の回転方向を交互に自動で反転させると共に油圧ポンプ３８を駆動制御してカッタヘッド１３の回転速度を自動（可変）制御するようになっている。

尚、前記正逆回転制御開始・終了ボタンのＯＮ／ＯＦＦ操作に代えて、支障物が存在する位置は予め予測できるので、掘進距離等から正逆回転制御の開始時期及び終了時期を自動的に検出するようにしても良い。また、本実施例では、カッタヘッド１３の正逆回転制御をカッタ駆動モータ１４の作動圧力に応動させたり、カッタヘッド１３の回転速度に連動させたりしているが、これらの制御は特に実施しなくても良い。

従って、このように構成された泥土圧シールド掘削機にてトンネルを掘削するには、図１に示すように、カッタ駆動モータ１４によりカッタヘッド１３を回転させながら複数のシールドジャッキ１９を伸長すると、既設のセグメントへの押し付け反力によって掘削機本体１０が前進し、センタービット３６と蓋板取付用の支障物切削ビット３７と土砂用切削ビット２８とスポーク取付用の支障物切削ビット２９と面盤取付用の支障物切削ビット３０とが、前方に位置するものから順に、前方の地盤（切羽）を掘削する。

そして、掘削された土砂はチャンバー１７内に取り込まれ、スクリューコンベヤ１６によって外部に排出される。その後、シールドジャッキ１９の何れか一つを縮み方向に作動して既設のセグメントとの間に空所を形成し、エレクタ装置によってこの空所に新しいセグメントを装着する。この作業の繰り返しによってトンネルを連続的に掘削形成していくことになる。

この掘削途中で、ＲＣコンクリートやＰＣコンクリート等の支障物に遭遇した際には、前述したコントローラ４０によりカッタヘッド１３の正逆回転制御が実施されると共に、前述したようなカッタヘッド１３の形状とセンタービット３６及び各支障物切削ビット２９，３０，３７の形状及び配置で効果的に支障物を切削することができる。

前記コントローラ４０による正逆回転制御を図４のフロー図に基づいて説明する。

先ず、ステップＰ１でオペレ-タによりカッタヘッド１３の正逆回転の設定回転数が入力される。例えば、右に３回転、左に３回転と入力されるのである。

次に、ステップＰ２で、シールド掘削機が支障物に接近して、オペレ-タにより正逆回転制御開始・終了ボタンがＯＮされると同時に、ステップＰ３で油圧センサ４１によるカッタ駆動モータ１４における作動圧力（油圧Ｐ₀）の検出が開始される。

これにより、方向切替弁３９の切替制御によって、カッタヘッド１３が例えば右に３回転した後、左に３回転し、以後このような反転操作が設定回転数毎に自動で繰り返され、支障物中の鉄筋やＰＣ鋼線の面盤等への絡み付きが防止される。

次に、ステップＰ４で前記油圧Ｐ₀が予め設定された一定圧力Ｐ₀（Ｐ₀≒１７ＭＰａ）以下か否かを判断し、可であれば今まで通り設定回転数毎に正逆回転制御を実施する一方、否であればステップＰ２に戻り、前記設定回転数未満であっても強制的に正逆回転制御を実施して鉄筋等の絡み付きを防止する。また、この際、油圧ポンプ３８を駆動制御して速度低下したカッタヘッド１３の回転速度を増速するようになっている。尚、油圧ポンプ３８を駆動制御する代わりに油圧ポンプ３８の稼働台数を増やすことでカッタヘッド１３の回転速度を増速することもできる。

次に、ステップＰ５でシールド掘削機が支障物から離反して、オペレ-タにより正逆回転制御開始・終了ボタンがＯＦＦされると、カッタヘッド１３の正逆回転制御が終了し、以後これを繰り返す。

このようにして本実施例によれば、カッタヘッド１３の回転方向を右回り、左回りと自動で交互に反転させ、掘進するようにしたので、支障物中に存在する鉄筋やＰＣ鋼線の絡み付きを防止することができる。この結果、支障物を切削した後の、地中部分（通常の土砂）の掘進における掘進速度の低下や掘進不能となる事態を未然に回避できると共に、オペレータの労力低減が図れる。

さらに、カッタ駆動モータ１４の作動圧力との連動により、カッタヘッド１３の設定回転数未満であっても自動でカッタヘッド１３の回転方向を切り替えるので、鉄筋等の絡み付き防止に一層効果が増す。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、カッタヘッド１３の回転数を検出する手段として別の回転センサを用いたり、カッタ駆動モータ１４の過負荷を油圧センサ４１以外の別の検出手段で検出しても良い。

本発明に係るトンネル掘削機は、泥土圧シールド掘削機に限らず、泥水式シールド掘削機、機械式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）等にも適用することができる。

１０掘削機本体
１１バルクヘッド
１２リングギア付き軸受
１３カッタヘッド
１４カッタ駆動モータ
１５駆動ギア
１６スクリューコンベア
１７チャンバー
１８リングガータ
１９シールドジャッキ
２０旋回モータ
２１旋回リング
２２球面継手部材
２３中折れジャッキ
２４面盤
２５カッタスポーク
２６センターシャフト
２７外周リング
２８土砂用切削ビット
２９スポーク取付用の支障物切削ビット
３０面盤取付用の支障物切削ビット
３１押出ジャッキ
３２コピーカッタ
３５蓋板
３６センタービット
３７蓋板取付用の支障物切削ビット
３８油圧ポンプ
３９方向切替弁
４０コントローラ
４１油圧センサ
４２回転センサ

Claims

カッタヘッドに支障物切削ビットを備えたトンネル掘削機において、
カッタ駆動モータへの圧油の給,排を切り替える方向切換弁を設け、
地中の支障物を切削する際に、予め入力されたカッタヘッド正，逆回転の設定回転数毎に、カッタヘッドの回転方向を交互に自動で反転させる正逆回転制御を実施すべく前記方向切替弁を切替制御する制御手段を設けた、
ことを特徴とするトンネル掘削機。
前記カッタ駆動モータの過負荷を検出する検出手段を設け、
前記制御手段は前記検出手段により前記カッタ駆動モータの過負荷を検出した際には、前記設定回転数未満でも強制的に前記正逆回転制御を実施する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
カッタヘッドに備えた支障物切削ビットにより地中の支障物を切削する際に、予め設定されたカッタヘッド正，逆回転の設定回転数毎に、カッタヘッドの回転方向を交互に自動で反転させて切削、掘進する、
ことを特徴とするトンネル掘削機による支障物切削方法。
前記カッタ駆動モータの過負荷を検出した際には、前記設定回転数未満でも強制的に前記正逆回転制御を実施する、
ことを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削機による支障物切削方法。