JP2670228B2 - トンネル掘削機のグリッパ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は掘進に必要な反力を保持
するための、トンネル掘削機のグリッパ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトンネル掘削機を図７，図８によ
り説明すると、１が掘削機本体の後胴、２が同じく前胴
で、同後胴１の前端部に円筒体が一体に取付けられて、
これに前胴２の後端部が嵌挿されている。また３が上記
後胴１と上記前胴２とを屈曲自在に連結するとともに円
周方向に亘り等間隔に配設された複数本のスラストジャ
ッキ、４が上記前胴２の前後中間周壁に円周方向に間隔
を置いて設けた凹陥部に半径方向への移動を可能に嵌挿
した前胴グリッパ、５が上記後胴１の前後中間周壁に円
周方向に間隔を置いて設けた凹陥部に半径方向への移動
を可能に嵌挿した後胴グリッパ、６，７が上記グリッパ
４，５を半径方向に移動させるための伸縮ジャッキで、
同伸縮ジャッキ６，７が上記グリッパ４，５背後の上記
凹陥部内に設置されている。また８が上記後胴１と上記
前胴２との間をシールするシール部材、９が上記グリッ
パ４，５のシール材、１０が上記前胴２の前端部に回転
可能に取付けたカッタヘッド、１０ａが同カッタヘッド
１０の前面に取付けた多数の土砂切削用ビットで、上記
カッタヘッド１０が上記前胴２内に設置した駆動源（図
示せず）により駆動されるようになっている。また１１
が地盤、１２が既設セグメント、１３が上記後胴１に取
付けた円周方向に複数本のシールドジャッキである。

【０００３】このトンネル掘削機において、前胴グリッ
パ４及び後胴グリッパ５を使用して地盤１１をトンネル
状に掘進する場合は、前胴２の伸縮ジャッキ６を伸長方
向に作動して前胴グリッパ４を凹陥部内から突出させ、
これを地盤１１に押しつけて前胴２を地盤１１に固定す
る一方、後胴１の伸縮ジャッキ７を縮み方向に作動し、
後胴グリッパ５を凹陥部内へ退没させて後胴１の前進を
可能にし、次いでスラストジャッキ３を縮み方向に作動
して後胴１を前胴２の方向へ引き寄せ、次いで前胴２の
伸縮ジャッキ６を縮み方向に作動し、前胴グリッパ４を
凹陥部内へ退没させて前胴２の前進を可能にするととも
に、後胴１の伸縮ジャッキ７を伸長方向に作動し、後胴
グリッパ５を凹陥部内から突出させてこれを地盤１１に
押しつけ、後胴１を地盤１１に固定してトンネル掘削機
の掘削鋼反力を保持可能にし、次いで前胴２の全面に取
付けたカッタヘッド１０を回転させる一方、スラストジ
ャッキ３を伸長方向に作動し、前胴２を前進させて地盤
１１をトンネル状に掘削し、このときの掘削反力を上記
地盤１１に押し付けた後胴グリッパ５により保持する。
そしてスラストジャッキ３がストロークエンドまで伸長
したら、前胴２の伸縮ジャッキ６を伸長方向に作動して
前胴グリッパ４を凹陥部内から突出させ、これを地盤１
１に押し付けて固定する一方、後胴１の伸縮ジャッキ７
を縮み方向に作動して後胴グリッパ５を凹陥部内へ退没
させ、次いでスラストジャッキ３を縮み方向に作動して
後胴１を前胴２の方向へ引き寄せる。それからも同じ要
領で地盤１１をトンネル状に掘進していく。

【０００４】またシールドジャッキ１３を使用して地盤
１１をトンネル状に掘進する場合は、前胴２の前面に取
付けたカッタヘッド１０を回転させる一方、シールドジ
ャッキ１３を伸長方向に作動し、後胴１及び前胴２を前
進させて地盤１１をトンネル状に掘削し、シールドジャ
ッキ１３を縮み方向に作動し、このシールドジャッキ１
３と既設セグメント１２との間に新たなセグメント１２
を打設し、次いでシールドジャッキ１３を伸長方向に作
動し、後胴１及び前胴２を前進させて地盤１１をトンネ
ル状に掘進する。以後同じ要領で地盤１１をトンネル状
に掘進してゆく。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記図７，図８に示す
従来のトンネル掘削機では、下記のような問題点があっ
た。

【０００６】（１） トンネル掘削機の掘進時、後胴グ
リッパ５を地盤１１に押し付けてトンネル掘削機の掘削
反力を保持するので、地盤１１の地質が半固結堆積層か
らなる軟岩（岩盤の固結度，密度が低く、脆くて崩れ易
い軟岩）の場合には、掘削反力を保持し難く、トンネル
掘削機が後退することにより、ローリングやセグメント
１２の破壊が起こる上に坑内の安全が脅かされる。

【０００７】（２） 曲率半径の小さい急曲掘進の場合
には、余堀りを大きくする必要があり、トンネル掘削機
の機体は横方向に過大な荷重を受ける。その際、上記の
ように掘削反力を保持し難くて掘進速度が低下する。

【０００８】本発明は前記問題点に鑑み提案するもので
あり、その目的は、ローリングやセグメントの破壊を防
止できる上に坑内の安全を確保でき、また急曲掘進時に
掘削速度を低下させない、制御の容易なトンネル掘進機
のグリッパ装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成は、掘削機本体の前胴及び後胴の外周部
にトンネル地盤を掴むグリッパ装置を円周上の複数箇所
に分散して配設し、個々のグリッパは油圧ジャッキであ
るグリッパジャッキにより径方向外向きに張り出すよう
に構成し、このグリッパジャッキの制御を電気油圧サー
ボシステムで行なうように構成したトンネル掘削機のグ
リッパ装置において、グリッパの張り出し方向に位置フ
ィードバックを持たせて張り出し量を制御する変位制御
モードと、前記張り出し方向に圧力フィードバックを持
たせてグリッパ装置とトンネル地盤との接地圧を制御す
る荷重制御モードとを有するとともに、グリッパジャッ
キを縮小する側の圧油を油タンクに排出する管路に電磁
切換弁を設け、荷重制御モードにおいてグリッパジャッ
キを伸長する際にはグリッパジャッキを縮小する側の圧
油を前記電磁切換弁を介して油タンクに排出するよう制
御することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明のトンネル掘削機のグリッパ装置は前記
のように構成されており、前胴のグリッパ装置を伸長方
向に作動して前胴を地盤に固定しているときに、後胴の
グリッパ装置を縮み方向に作動してこれら後胴側の装置
を地盤から離す一方、スラストジャッキを縮み方向に作
動して後胴を前胴の方向へ引き寄せる。また後胴のグリ
ッパ装置を伸長方向に作動して後胴を地盤に固定してい
るときに、前胴のグリッパ装置を縮み方向に作動してこ
れら前胴側の装置を地盤から離す一方、スラストジャッ
キを伸長方向に作動し、前胴を前進させて掘進を行う。

【００１１】この際、後胴のグリッパ装置は、後胴を掘
削されたトンネルの中心部に保持すると共に、前胴が前
進かつ掘進できるだけの反力を保持しなければならない
ので、前者に対しては変位制御機能が、また後者に対し
ては荷重制御機能がそれぞれ発揮される。

【００１２】さらに、荷重制御機能が発揮される荷重制
御モードにおけるグリッパの拡張時には、グリッパジャ
ッキを縮小する側の管路の圧油を電気油圧サーボ弁を介
することなく、電磁切換弁の動作によりこの電磁切換弁
を介して圧油を油タンクに戻す。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１４】先ず、本発明に係るトンネル掘削機のグリ
ッパ装置の基本構造を図４〜図６を用いて説明する。こ
れら図４〜図７において、１５は掘削機本体の前胴、１
６は同じく後胴、２４はこれら前胴１５及び後胴１６の
間を閉じてトンネル掘削機の内部に土砂，地下水等の浸
入を防止する可撓管、２５は上記後胴１６とセグメント
２３との間を閉じてトンネル掘削機の内部に土砂，地下
水等の浸入を防止する可撓管、１７は上記前胴１５と上
記後胴１６とを屈曲自在に連結する円周方向に複数本の
スラストジャッキ、１８は上記前胴１５内に設置した駆
動源、１９は上記前胴１５の前面に球面部２０を介して
回転可能に取付けたカッタヘッド、１９ａは同カッタヘ
ッド１９の前面に取付けた多数のビット、２１は上記前
胴１５の前端部と上記球面部２０との間に介装したシー
ル材で、上記駆動源１８の回転がカッタヘッド１９に伝
えられ、同カッタヘッド１９が前胴１５の中心軸線を中
心に回転するようになっている。また、２２は上記後胴
１６に取付けた円周方向に複数本のシールドジャッキ
で、同シールドジャッキ２２の後端部が既設セグメント
２３に当接するようになっている。グリッパ装置２６
は、上記前胴１５及び後胴１６の外周部の円周方向複数
個所に設置されており、前胴１５及び後胴１６に固定し
たケース２７と、同ケース２７の底部中央部にボルト２
９を介して固定したグリッパジャッキ２８と、同ケース
２７内に半径方向への移動を可能に嵌挿したガイド部材
３０と、同ガイド部材３０の外面中央部に固定した球面
ジョイント３１と、同球面ジョイント３１に係合したグ
リッパ３２とを有している。なお図中３８はシール材、
３９はガイド部材３０とケース２７の中に設置された変
位検出器である。

【００１５】次に前記図４〜図６に示すトンネル掘削機
のグリッパ装置の作用を具体的に説明する。グリッパ装
置２６を使用して不安定な地盤１１をトンネル状に掘進
する場合は、前胴１５のグリッパ装置２６のグリッパジ
ャッキ２８を伸長方向に作動してガイド部材３０とグリ
ッパ３２とを半径方向外方へ移動させ、同グリッパ３２
をケース２７内から突出させて地盤１１に押し付ける。

【００１６】一方、後胴１６のグリッパ装置２６のグリ
ッパジャッキ２８を縮み方向に作動し、ガイド部材３０
とグリッパ３２とを半径方向内方へ移動させ、グリッパ
３２を地盤１１から離して後胴１６の前進を可能にし、
次いでストラストジャッキ１７を縮み方向に作動して後
胴１６を前胴１５の方向へ引き寄せる。

【００１７】次いで前胴１５のグリッパ装置２６のグリ
ッパジャッキ２８を縮み方向に作動し、ガイド部材３０
とグリッパ３２とを半径方向内方へ移動させ、グリッパ
３２を地盤１１から離して前胴１５の前進を可能にする
とともに、後胴１６のグリッパ装置２６のグリッパジャ
ッキ２８を伸長方向に作動してガイド部材３０とグリッ
パ３２とを半径方向外方へ移動させ、同グリッパ３２を
ケース２７内から突出させて地盤１１に押し付け、後胴
１６を地盤１１に固定して、トンネル掘削機の掘削反力
を保持可能にする。

【００１８】次いで前胴１５の前面に取付けたカッタヘ
ッド１０を回転させるとともにスラストジャッキ１７を
伸長方向に作動し、前胴１５を前進させて地盤１１をト
ンネル状に掘削し、このときの掘削反力を上記地盤１１
に押し付けた後胴１６のグリッパ装置２６により保持す
る。そして、スラストジャッキ１７がストロークエンド
まで伸長したら、前胴１５のグリッパ装置２６を伸長方
向に作動し、グリッパ３２を地盤１１に押し付けて固定
する一方、後胴１６のグリッパ装置２６を縮み方向に作
動してグリッパ３２を地盤１１から離し、次いでスラス
トジャッキ１７を縮み方向に作動して後胴１６を前胴１
５の方向へ引き寄せる。以後同じ要領で地盤１１をトン
ネル状に掘進してゆく。

【００１９】かかる掘削作業において、地盤１１の条件
や掘進施工法等によっては、前記前胴１５及びカッタヘ
ッド１９や後胴１６をトンネルの中心に保持することが
必要である。この場合には、グリッパ装置２６の伸長方
向への変位量やこの変位に伴って発生する地盤１１との
接地圧を制御することで、前記保持力を確認することが
できる。

【００２０】このため、本実施例では、グリッパジャッ
キ２８において、図１〜図３に示す制御方式が採用され
ている。図１はグリッパジャッキ２８の制御ブロック
図、図２は同じく油圧回路図、図３は同じく制御フロー
チャートである。

【００２１】図１に示すように、モード選択器５１は、
サーボ増幅器５９への入力信号を切り換える切換器５
８，電磁切換弁６３，及び圧力設定器６５の動作を制御
するものである。切換器５８は、位置設定器５２の出力
信号もしくは、荷重設定器５３の出力信号の何れか一方
を選択してサーボ増幅器５９に入力する。電磁切換弁６
３は、モード選択器５１で選択するモードが荷重制御モ
ードであってグリッパジャッキ２８を伸長方向に作動す
る場合に動作するようモード選択器５１で制御する。す
なわち、モード選択器５１では、変位制御モードもしく
は荷重制御モードの何れかを選択し、前者の場合は縮小
状態から最大（トンネル内壁面接触）まで自由に変位し
て最大時点で荷重制御モードに切換えるので、この切換
え信号により電磁切換弁６３を動作させることができ
る。このときサーボ増幅器５９の出力信号によりグリッ
パジャッキ２８が伸長モードであることを表わす信号を
生成し、この信号とモード選択器５１の出力信号により
得られるモードを表わす信号とのＡＮＤ信号によって電
磁切換弁６３を動作させるように構成しても良い。圧力
設定器６５は、モード選択器５１で何れか一方を選択す
る変位制御モードもしくは荷重制御モードに応じて油圧
源６４の吐出圧油を設定するためのものである。ちなみ
に、変位制御モードの場合、中位の圧力に、また荷重制
御モードの場合、最高圧力になるように圧力調整され
る。中心監視器５４は前胴１５あるいは後胴１６の中心
とトンネルの中心とのずれを検出するものである。加算
器５５，５６，５７は、それぞれの入力信号と実態との
ずれを偏差信号としてサーボ増幅器５９へ伝達する。こ
のサーボ増幅器５９の信号で電気油圧サーボ弁６０が作
動し、油圧源６４からの油をグリッパジャッキ２８へ給
排する。そしてグリッパジャッキ２８の作動量（変位
量）は、前述した変位検出器３９で検出し、また作動力
（負荷荷電）は圧力検出器６２で検出してそれぞれの加
算器５５，５７へフィードバックするように構成してあ
る。

【００２２】図２は本実施例に係る油圧回路を示す油圧
回路図である。同図に示すように、油圧源６４で圧油を
発生し、圧力設定器（電磁リリーフ弁）６５で中位の圧
力及び最高圧力が設定される。なお、同図は電気油圧を
サーボ弁６０以降グリッパ３２まで２系統を示している
が、これは図５に示した円周等配の４つのグリッパ装置
２６の内の１対を示したものであり、他系統のものも同
様に構成されている。

【００２３】かかる油圧回路において、サーボ増幅器５
９の信号を受けた電気油圧サーボ弁６０は、その信号の
正負，大きさによりＡ，Ｂ，Ｃの３つのポジションが切
換わり、グリッパジャッキ２８へ圧油を給，排し、これ
を作動させる。グリッパジャッキ２８の変位は変位検出
器３９で検出され、出力荷重は圧力検出器６２で検出さ
れた圧力とジャッキの受圧面積で測定される。

【００２４】電磁切換弁６３は、グリッパ３２を縮小す
る側の油圧管路に介設してあり、その動作時には、前記
油圧管路の圧油を電気油圧サーボ弁６０を介することな
く、油タンク６６に排出するように構成してある。

【００２５】図３は、図１及び図２に示した制御装置の
制御動作を示すフローチャートであり、先ずステップＰ
₁ でグリッパ装置２６，スラストジャッキ１７，シール
ドジャッキ２２等の初期条件を設定した後、ステップＰ
₂ でグリッパ装置２６が伸長してグリッパ３２がトンネ
ル内の地盤１１に当接するようにグリッパジャッキスト
ロークを設定する。

【００２６】次いで、ステップＰ₃ で、モード選択器５
１の動作によりグリッパジャッキ２８の位置決め制御で
ある変位制御モードになり、そして、ステップＰ₄ で偏
差が最小となると、ステップＰ₅ でグリッパジャッキ２
８に微少な伸び信号を与え、グリッパ３２を地盤１１に
接触させる。

【００２７】次いで、ステップＰ₆ でグリッパジャッキ
２８の伸長側の圧力と引き戻し側の圧力に圧力差が発生
すると、ステップＰ₇ で荷重制御モードになる。荷重制
御モードでは、グリッパ３２と地盤１１との接地圧を保
つことと（ステップＰ₈ 参照）、前胴１５あるいは後胴
１６がトンネルの中心に合うように偏心量を修正する機
能がある（ステップＰ₉ 及びステップＰ₁₀参照）。即
ち、地盤１１に片寄っている側のグリッパジャッキ２８
の圧力を高めてトンネル中心偏差を最小にするのであ
る。

【００２８】ステップＰ₁₀でトンネル中心偏差が最小に
なると、ステップＰ₁₁で掘削作業が開始される。この
際、前胴１５のグリッパ装置２６を変位制御モードでス
ラストジャッキ１７の伸長にともなって前進する必要が
あり、後胴１６のグリッパ装置２６は、荷重制御モード
で地盤１１に強固に保持されている。

【００２９】ステップＰ₇ の荷重制御モードにおいて、
グリッパジャッキ２８を伸長させる場合には電磁切換弁
６３を動作させ、この電磁切換弁６３を介して圧油を油
タンク６６に排出する。

【００３０】なお、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内で各種の変更が可能で
あることは言う迄もない。

【００３１】

【発明の効果】本発明のトンネル掘削機のグリッパ装置
は、前記のように前胴のグリッパ装置を伸長方向に作動
し、さらにグリッパジャッキを変位制御あるいは荷重制
御させて前胴を地盤に固定しているときに、後胴のグリ
ッパ装置を縮み方向に作動してこれら後胴側の装置を地
盤から離す一方、スラストジャッキを縮み方向に作動し
て後胴を前胴の方向へ引き寄せる。また後胴のグリッパ
装置を伸長方向に作動し、さらにグリッパジャッキを変
位制御あるいは荷重制御させて後胴を地盤に固定してい
るときに、前胴のグリッパ装置を縮み方向に作動してこ
れら前胴側の装置を地盤から離す一方、スラストジャッ
キを伸長方向に作動し、前胴を前進させて掘進を行うこ
とができる。従って、地盤の地質が半固結堆積層からな
る軟岩（岩盤の固結度，密度が低く，脆くて，崩れ易い
軟岩）の場合でも、掘削反力を十分保持でき、トンネル
掘削機を後退させることがなくてローリングやセグメン
トの破壊を防止できる上に、坑内の安全を確保できる。

【００３２】また曲率半径の小さい急曲掘進の場合に
は、余掘りを大きくする必要があり、トンネル掘削機の
機体は横方向に過大な荷重を受けるが、本発明では、上
記のように掘削反力をグリッパ装置により保持するの
で、掘進速度を低下させない効果がある。

【００３３】さらに、本発明によれば、荷重制御モード
においてグリッパを拡張方向に移動させる際には、電気
油圧サーボ弁を介することなく、電磁切換弁を介して油
タンクに圧油を排出するように構成したので、電気油圧
サーボ弁を介して油タンクに圧油を排出する場合に較べ
制御が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すブロック線図である。

【図２】本発明の実施例に係る油圧回路を示す回路図で
ある。

【図３】本発明の実施例を示すフローチャートである。

【図４】グリッパ装置を有するトンネル掘削機の先端部
分を示す縦断面図ある。

【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】図４におけるグリッパ部分を抽出・拡大して示
す断面図である。

【図７】従来技術に係るグリッパ装置を有するトンネル
掘削機の先端部分を示す縦断面図である。

【図８】図７のVIII-VIII 線断面図である。

【符号の説明】

１５ 前胴 １６ 後胴 ２６ グリッパ装置 ２８ グリッパジャッキ ３９ 変位検出器 ５１ モード選択器 ５２ 位置設定器 ５３ 荷重設定器 ５４ 中心監視器 ５５，５６，５７ 加算器 ５８ 切換器 ５９ サーボ増幅器 ６０ 電気油圧サーボ弁 ６２ 圧力検出器 ６３ 電磁切換弁 ６５ 圧力設定器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削機本体の前胴及び後胴の外周部にト
   ンネル地盤を掴むグリッパ装置を円周上の複数箇所に分
   散して配設し、個々のグリッパは油圧ジャッキであるグ
   リッパジャッキにより径方向外向きに張り出すように構
   成し、このグリッパジャッキの制御を電気油圧サーボシ
   ステムで行なうように構成したトンネル掘削機のグリッ
   パ装置において、 グリッパの張り出し方向に位置フィードバックを持たせ
   て張り出し量を制御する変位制御モードと、前記張り出
   し方向に圧力フィードバックを持たせてグリッパ装置と
   トンネル地盤との接地圧を制御する荷重制御モードとを
   有するとともに、グリッパジャッキを縮小する側の圧油
   を油タンクに排出する管路に電磁切換弁を設け、荷重制
   御モードにおいてグリッパジャッキを伸長する際にはグ
   リッパジャッキを縮小する側の圧油を前記電磁切換弁を
   介して油タンクに排出するよう制御することを特徴とす
   るトンネル掘削機のグリッパ装置。