JP2582511B2 - シールド掘進機のカッタ回転制御方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地山の硬軟に応じてカ
ッタ回転速度を調節することにより、カッタビットの摩
耗を低減するようにしたシールド掘進機のカッタ回転制
御方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機の概要を図３に示す。図
示するように、円筒状のシールドフレーム１の前面に、
モータ２により回転駆動されるカッタ３が設けられてい
る。また、シールドフレーム１の内部には、トンネル内
に張設されたセグメント４を反力にとって掘進機を推進
させるシールドジャッキ５が周設されている。

【０００３】このシールド掘進機は、上記シールドジャ
ッキ５を伸長させつつカッタ３を回転させ、カッタ３の
前面に取り付けられたカッタビット６によって地山７を
掘削するものである。掘削された土砂は一時的にカッタ
室８内に取り込まれ、そこからスクリューコンベヤ等
（図示せず）を介してトンネル内に排出されるようにな
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の掘進
機にあっては地山７の硬軟に拘らずカッタ３を一定の回
転速度で運転させていたため、地山７が硬いときには掘
進速度が遅くなりカッタ３が切羽面を滑って空回りして
ビット６の摩耗量が多くなり、逆に地山７が軟らかいと
きには掘進速度が早くなりビット６が切羽面に深く食い
込んで回転負荷が増大してしまうという問題が生じる。

【０００５】すなわち、地山７が硬く掘進速度が遅い場
合には、図４(a) に示すようにカッタビット６が切羽面
９を滑って空回りすることから、単位掘進距離あたりの
ビット６の切羽に対する摺動距離（以下切削長と呼ぶ）
が長くなり、たとえ掘進距離が短くてもビット６の摩耗
が著しい。従って、ビット６の寿命は一概に掘進距離に
比例するとはいえず、ビット交換時期の判断が的確に行
えない。

【０００６】逆に、地山７が軟らかく掘進速度が速い場
合には、図４(b) に示すように切羽面９にカッタビット
６が食い込んで切込深さが深くなり、ビット６に作用す
る負荷すなわちカッタモータ２の負荷が増大する。ま
た、切込深さが深くなることで、カッタビット６は、先
端に取り付けられた超硬チップ６ａではなく、根元のカ
ッタビット母材６ｂで地山７を掘削することになるの
で、カッタビット母材６ｂが摩耗することとなり、ビッ
ト６の欠損を引き起こす虞れがある。

【０００７】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、地山の硬軟に拘らずカッタビットの切削長およ
び切込深さを一定にすることができ、ビットの信頼性の
向上を図ったシールド掘進機のカッタ回転制御方法およ
びその装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第一の発明に係るシール
ド掘進機のカッタ回転制御方法は、カッタビットの切羽
面に対する切込深さを一定にして単位掘進距離あたりの
カッタビットの切羽面に対する螺旋状の摺動距離を一定
とすべく、掘進中に地山が硬く掘進速度が遅くなったと
きにはカッタ回転速度を遅くすると共に地山が軟らかく
掘進速度が速くなったときにはカッタ回転速度を速くす
るように、カッタ回転速度を地山の硬軟に応じて変化す
る掘進速度に比例させたことを特徴としている。

【０００９】第二の発明に係るシールド掘進機のカッタ
回転制御装置は、カッタビットの切羽面に対する切込深
さを一定にして単位掘進距離あたりのカッタビットの切
羽面に対する螺旋状の摺動距離を一定とすべく、掘進中
に地山の硬軟に応じて遅速と変化する掘進速度に比例さ
せて目標カッタ回転速度を設定する決定部と、該決定部
での目標カッタ回転速度と実際のカッタ回転速度とを比
較し、実際のカッタ回転速度を目標カッタ回転速度に合
致させるべくカッタモータを制御する補正部とを備えて
構成されている。

【００１０】

【作用】第一の発明は、掘進中の地山の硬軟に応じて掘
進速度が変化することを利用し、地山が硬く掘進速度が
遅くなったときにはカッタ回転速度を遅くすると共に地
山が軟らかく掘進速度が速くなったときにはカッタ回転
速度を速くすることにより、カッタビットの切羽面に対
する切込深さを地山の硬軟に拘らず一定にして、単位掘
進距離あたりのカッタビットの切羽面に対する螺旋状の
摺動距離を一定としたものである。これにより、カッタ
ビットは切羽面に対して空回りすることなく且つ食い込
み過ぎることなく常に適正な掘削状態となり、単位掘進
距離あたりのカッタビットの摩耗および負荷が一定とな
る。よって、カッタビットの摩耗交換時期を掘進距離に
基づいて的確に判断できる。

【００１１】第二の発明によれば、決定部は、掘進中に
地山の硬軟に応じて変化する掘進速度に比例させて、単
位掘進距離あたりのカッタビットの切羽面に対する螺旋
状の摺動距離を一定とするように、目標カッタ回転速度
を設定する。そして、補正部は、決定部で設定された目
標カッタ回転速度と実際のカッタ回転速度とを比較し、
実際のカッタ回転速度を目標カッタ回転速度に合致させ
るべくカッタモータを制御する。これにより、カッタビ
ットは切羽面に対して空回りすることなく且つ食い込み
過ぎることなく常に適正な掘削状態となり、単位掘進距
離あたりのカッタビットの摩耗および負荷が一定とな
る。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図１および図２に基づい
て説明する。

【００１３】図１に示すように、シールド掘進機自体に
ついては従前のものと略同様の構成となっている。つま
り、円筒状のシールドフレーム１の前面にカッタビット
６を有するカッタ３が回転自在に取り付けらており、こ
のカッタ３はギヤ１０，１１を介してカッタモータ２に
よって回転駆動されるようになっている。また、シール
ドフレーム１の内部には、セグメント４を反力にとって
掘進機を推進させるシールドジャッキ５が周設されてい
る。

【００１４】本実施例の特長とするところは、上記カッ
タ３の回転軸３ａに単位時間あたりのカッタ３の回転数
（カッタ回転速度Ｎ）をカウントするカッタ回転速度セ
ンサ１２を設け、上記シールドジャッキ５に単位時間あ
たりのジャッキ伸長長さ（掘進速度Ｖ）を検出する掘進
速度センサ１３を設け、掘進速度Ｖに応じてカッタ回転
速度Ｎを適宜制御するようにした点にある。この点を以
下に述べる。

【００１５】上記掘進速度センサ１３により検出された
掘進速度Ｖは決定部１４に送られる。この決定部１４で
は掘進速度Ｖに比例させて目標カッタ回転速度Ｎｃが決
定される。つまり、掘進速度Ｖが遅いときには目標カッ
タ回転速度Ｎｃを遅く、掘進速度Ｖが速いときには目標
カッタ回転速度Ｎｃを速くする。但し、掘進速度Ｖが0
〜20mm／min のときは目標カッタ回転速度Ｎｃを0.5rpm
（最低回転数）に保ち、Ｖが110 mm／min 以上になった
ときにはＮｃを2.5rpm（最高回転数）に保つ。これによ
り、掘進速度Ｖが非常に遅い場合にカッタ３の回転が止
まってしまうことを防止し、掘進速度Ｖが非常に速い場
合にカッタ３が過回転になることを防止している。

【００１６】この決定部１４にて決定された目標カッタ
回転速度Ｎｃは比較器１５に送られる。また、比較器１
５には上記カッタ回転速度センサ１２により検出された
実際のカッタ回転速度Ｎが送られてくる。比較器１５
は、これら目標カッタ回転速度Ｎｃと実際のカッタ回転
速度Ｎとを比較し、そのズレ量ΔＮｃを検出するもので
ある。ズレ量ΔＮｃは補正器１６に送られる。補正器１
６は、ズレ量ΔＮｃに基づいてカッタモータ２を適宜制
御し、実際のカッタ回転速度Ｎを目標カッタ回転速度Ｎ
ｃに合致させるものである。

【００１７】この構成によれば、地山７が硬く掘進速度
Ｖが遅いときにはカッタ回転速度Ｎが遅く、地山７が軟
らかく掘進速度Ｖが速いときにはカッタ回転速度Ｎが速
くなる。この結果、カッタ３の前面に設けられたカッタ
ビット６は、地山７の硬軟に拘らず図４(a) に一点鎖線
で示すように、切羽９ａに対して空回りすることなく且
つ食い込み過ぎることなく常に適正な掘削状態となる。

【００１８】よって、地山７の硬軟に拘らずカッタビッ
ト６の切削長（単位掘進距離あたりのビット６の切羽面
９に対する摺動距離）が一定となり、ビット６の摩耗量
は途中で土質が変わらない限り掘進距離にのみ依存する
こととなる。この結果、カッタビット６の寿命・交換時
期を、掘進距離に基づいて的確に判断することが可能と
なる。

【００１９】また、地山７の硬軟に拘らずカッタビット
６の切込深さｔが一定となるので、常にビット６先端の
超硬チップ６ａで地山を掘削でき、ビット６の信頼性が
向上する。さらに、ビット６に加わる負荷が常に一定と
なるので、カッタモータ２の負荷も一定となり、モータ
２の信頼性が向上する。

【００２０】上記掘進速度Ｖと目標カッタ回転速度Ｎｃ
とを、一次の比例関係とした理由を以下に説明する。

【００２１】カッタビット６の摩耗量δは以下の式によ
って算出されることが知られている。

【００２２】δ＝（π・Ｄｘ・Ｎｃ・Ｌ・η）／Ｖ δ：カッタビットの摩耗量 π：円周率 Ｄｘ：ビット取付最大外径 Ｎｃ：カッタ回転速度 Ｌ：総掘削長 η：摩耗係数 Ｖ：掘進速度 ここで、カッタビット６の摩耗量δを掘削始めから掘削
終りまでの総掘削長Ｌにおいてある値に設定すれば、
π，Ｄｘ，Ｌ，ηは定数なので、Ｖ／Ｎｃは次式によっ
て求められる。

【００２３】 Ｖ／Ｎｃ＝（π・Ｄｘ・Ｌ・η）／δ＝Const このＶ／Ｎｃ＝Const により、目標カッタ回転速度Ｎｃ
は掘進速度Ｖに比例することが解る。この定数 Constは
次のようにして求める。

【００２４】カッタビット６の切羽面９に対する切込深
さｔは以下の式によって算出されることが知られてい
る。

【００２５】ｔ＝Ｖ／（Ｎｃ・ｎ） ｔ：カッタビットの切込深さ Ｖ：掘進速度 Ｎｃ：目標カッタ回転速度 ｎ：ビット条数（同一回転半径上のビット数） この式を変形すれば、目標カッタ回転速度Ｎｃは、 Ｎｃ＝Ｖ／（ｔ・ｎ） となり、切込深さｔを図４(a) に示す超硬チップの先端
から中央までの長さとすれば、ｔおよびｎが共に定数と
なるので、結局、目標カッタ回転速度Ｎｃは掘進速度Ｖ
に比例し、その比例定数は１／（ｔ・ｎ）となることが
解る。

【００２６】なお、図２にこの掘進機を用いてトンネル
工事をした場合における掘進速度Ｖに対するカッタ回転
速度Ｎの変化の様子を示した。図示するように掘進速度
Ｖが遅くなるとカッタ回転速度Ｎも遅くなり、Ｖが速く
なるとＮも速くなる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような優れた効果を発揮できる。

【００２８】(1) 地山の硬軟に拘らずカッタビットの切
削長（単位掘進距離あたりのビットの切羽に対する摺動
距離）を一定にすることができるので、カッタビットの
信頼性が向上し、長距離掘削を推進できる。

【００２９】(2) 地山の硬軟に拘らずカッタビットの切
削長を一定にすることができるので、ビットの摩耗は土
質が一定ならば掘進距離にのみに依存することとなり、
ビットの寿命・交換時期を的確に判断できる。

【００３０】(3) 地山の硬軟に拘らずカッタビットの切
羽面に対する切込深さを一定にすることができるので、
ビットに作用する負荷およびカッタモータに作用する負
荷が一定となり、これらの信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すシールド掘進機のカッ
タ回転制御方法およびその装置の説明図である。

【図２】上記掘進機を用いてトンネル工事をした場合に
おける掘進速度Ｖに対するカッタ回転速度Ｎの変化の様
子を示す図である。

【図３】シールド掘進機の概略図である。

【図４】カッタビットが切羽を切削する様子を示す図で
あり、(a) は地山が硬い場合、(b) は地山が軟らかい場
合を示す。

【符号の説明】 ３ カッタ ３ａ カッタ回転軸 ５ 推進ジャッキとしてのシールドジャッキ ６ カッタビット ７ 地山 ９ 切羽 １２ カッタ回転速度センサ １３ 掘進速度センサ １４ 決定部 １５，１６ 補正部としての比較器，補正器 Ｖ 掘進速度 Ｎ カッタ回転速度 Ｎｃ 目標カッタ回転速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今川 勉 東京都港区元赤坂一丁目３番８号 鹿島 建設株式会社 東京支店内 (72)発明者 石野 智文 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播 磨重工業株式会社 愛知工場内 (72)発明者 藤井 茂男 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播 磨重工業株式会社 愛知工場内 (56)参考文献 特開 昭63−32091（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−103296（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カッタビットの切羽面に対する切込深さ
   を一定にして単位掘進距離あたりのカッタビットの切羽
   面に対する螺旋状の摺動距離を一定とすべく、掘進中に
   地山が硬く掘進速度が遅くなったときにはカッタ回転速
   度を遅くすると共に地山が軟らかく掘進速度が速くなっ
   たときにはカッタ回転速度を速くするように、カッタ回
   転速度を地山の硬軟に応じて変化する掘進速度に比例さ
   せたことを特徴とするシールド掘進機のカッタ回転制御
   方法。
2. 【請求項２】 カッタビットの切羽面に対する切込深さ
   を一定にして単位掘進距離あたりのカッタビットの切羽
   面に対する螺旋状の摺動距離を一定とすべく、掘進中に
   地山の硬軟に応じて遅速と変化する掘進速度に比例させ
   て目標カッタ回転速度を設定する決定部と、該決定部で
   の目標カッタ回転速度と実際のカッタ回転速度とを比較
   し、実際のカッタ回転速度を目標カッタ回転速度に合致
   させるべくカッタモータを制御する補正部とを備えたこ
   とを特徴とするシールド掘進機のカッタ回転制御装置。