JP3751357B2 - Excavation method and excavator therefor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、TBM、シールド機などのトンネル掘削機、大型構造物の基礎杭施工用掘削機、地下空間用の地下掘削機などの掘削機において、特にディスクカッタの延命化を図るとともに、岩盤や砂礫などの地層やコンクリートなどを効率良く破砕できるようにした掘削方法およびそのための掘削機に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば、鉄道、道路、導水路、上下水道などのトンネルを施工するに当たっては、TBM(Tunnel Boring Machine) 、シールド機(Shield Machine) などトンネル掘進機が盛んに用いられている。トンネル掘削機(以下、単に掘削機ともいう。)は、前面のカッタヘッドにより連続的に土砂を切削、破砕しながら掘進する掘削機械である。前記TBMは、主に山岳トンネル用に使用される掘削機で岩盤や礫層などの地層を効率的に掘削できるようにカッタヘッドはツースカッタ、ディスクカッタ、インサートカッタ等のローラカッタ方式のカッタ構造を採用している。また、シールド機は含水量の多い砂質土、粘土などの軟弱地盤を効率的に掘削できるように切削ビットを固設したカッタ構造が主に採用されているが、岩盤層や砂礫層に突入した場合を考慮して前記ローラカッタを併用した複合型のものもある。
【0003】
また、大型構造物の基礎掘削用削孔機、地下空間用の地下掘削機などにも同様に岩盤層や砂礫層に対応するためにローラカッタなどを用いたカッター方式が採用されている。
【0004】
これらのローラカッタ式のカッタ構造の内、本発明では特にカッタサドルの外周部にリング状に断面楔状の刃体を有するディスクカッタを対象とするものであり、前記掘削機の掘削ヘッド(カッタヘッド)部に対しては、最も効率的な掘削を実現するように複数のディスクカッタが設計計算に基づいて配置される。そして、ディスクカッタを岩盤に対して一定の推力で押し付けながら掘削ヘッドを回転させることにより、前記ディスクカッタが周方向に転動し岩盤を切削・破砕する。
【0005】
この場合において、掘削の進行とともに、ディスクカッタの刃先が摩耗し削孔速度が徐々に低下する。摩耗したカッタをそのまま使用し続けた場合には、カッタ寿命を延ばすことはできても削孔速度が低下するため、削孔機械設備等の運転経費が嵩みトータル的には削孔単価が上昇する。そこで、削孔単価は削孔速度とカッタの寿命との関数で表されるため、削孔速度を岩石の種類や強度等の地質的条件、推力、回転速度等の運転条件、カッタ形式、クリーニング等を考慮した削孔速度公式から求め、カッタ寿命をカッタ貫入量、回転速度等をファクターとしてカッタ刃先および軸受の摩耗率公式から求めることにより、経済的運転条件を決定し、削孔単価が最低となるところでディスクカッタの交換を行っている。
【0006】
なお、ディスクカッタで岩盤または礫を破砕する場合は、予め岩質・土質等の調査を行い、全く割れ目がない条件から求めたカッタの貫入量に地山の割れ目の影響による係数を加味して最適なカッタ貫入量を決定している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の地山性状のばらつきにより大幅な誤差が生じ易くカッタ寿命や掘進速度に重大な影響を及ぼしている。すなわち、実際に施工を始めた場合に、著しく短時間でカッタの摩耗が進行したり、掘削速度が低下したりすることもあり、その結果カッタ費用の増大や工程の大幅な遅れが生じることがある。
【0008】
また、全削孔費に対して占めるカッタ費の比率が大きいことから、カッタの交換回数が増えればその分だけ必然的に削孔費が増大することになるため、かかる掘削技術の分野では掘削効率を低下させることなくカッタ寿命の延命化を図ること、あるいは削孔効率の向上などが恒久的な課題として存在する。
【0009】
また、掘削機の設計では、予期しない岩質層への突入や設計以上の強度を有する岩質層との遭遇などを考慮して機械的能力に余裕を持たせているが、人為的にリッパビリティ(その岩の掘削し易さの指標を言う)を向上させることが出来れば、掘削機の推進力やディスクカッタの駆動トルクなどの機械的能力を低減できるなどの利点がもたらされる。
【0010】
その他、従来の開放型TBMの場合には、岩盤を破砕させる際に粉塵が発生するため、これが作業環境の悪化を招くなど衛生環境上の問題もある。
【0011】
そこで、本発明の主たる課題は、先ず第1にカッタ寿命の延命化を図るとともに、削孔速度の向上を図ること、第2に人為的にリッパビリティの向上を図ることにより、従来装置と比較して掘削機能力の縮小を可能とすること、および掘削時の粉塵を抑え作業環境の悪化を防止すること等にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、ディスクカッタの刃体ごとに超高圧水を噴射する装射装置を設け、前記ディスクカッタによる掘削面の破砕中に、この掘削面に対してディスクカッタの通過予定線に沿って予め超高圧水により切削溝または割れ目を形成し、かくして形成された前記切削溝または割れ目線上をディスクカッタの刃先が転動しながら前記破砕を行うようにしたことを特徴とするものである。
【0013】
この場合において、前記超高圧水の噴射圧の範囲としては1000〜3500kgf/cm2 が好適とされる。また、前記超高圧水を噴射するための噴射ノズルにおいて、超高圧水の噴射停止時に微細土粒子の流入による噴射ノズルの目詰まりを防止するため、超高圧水の噴射停止時であっても常時少量の水を噴射し続けながら掘削を行うようにするのが良い。さらに、前記超高圧水中に細粒研磨材を混入させることにより、前記切削溝または割れ目の形成効率を向上させることもできる。
【0014】
上記のように本発明の場合には、ディスクカッタによる破砕が行われる前に、予めディスクカッタの通過予定線上に沿って超高圧水により切削溝または割れ目を形成しておく。したがって、岩盤または砂礫層などの地盤が破砕し易くなるとともに、ディスクカッタ刃先の摩耗も減少するためカッタ寿命が長くなる。また当然に、掘削対象岩石等が破砕し易くなるため掘削速度も向上する。また、人為的に形成した前記切削溝や割れ目によりリッパビリティが向上するため、掘削機の推進力やディスクカッタの駆動トルクなどを減少させることもできる。
【0015】
さらに、開放型TBMにおいて、掘削面に向けて噴射した超高圧水により粉塵が捕捉されるため作業環境も大幅に改善されるようになる。
【0016】
以下、さらに本発明に係る地盤掘削方法の作用効果を明らかにするために、超高圧水併用による掘削方法の破壊メカニズムをディスクカッタのみによる破壊メカニズムとの対比により詳述する。
先ず、図13に示されるように、ディスクカッタ10の刃先10aを岩石に対して貫入させたときの破砕メカニズムについて詳述する(「大口径削孔機械の削孔性に関する研究」昭和53年3月 建設省土木研究所参照)。
図14に示されるように、一般的に微小2次元断面に2つの応力σ1 、σ2 が作用するとき、任意の傾斜面に働く垂直応力σおよび剪断応力は次式(1)、(2)で表される。
【0017】
【数1】
【0018】
微視的に破壊は応力σ2 が引張強度より大きくなったとき、または剪断応力が剪断強度よりも大きくなったときに起こる現象であり、剪断強度はモール・クーロンの理論から主応力に比例する値であるから、剪断破壊は上記(2)式においてモール・クーロンの式の内部摩擦角をφとしたときのλ=π/4−φ/2の角度で発生する。
【0019】
一方、図15に示されるように、半無限板上に線荷重Pが作用するとき、任意の点における応力状態はTimoshenkoとGoodier によって次式(3)によって与えられている。
【0020】
【数2】
【0021】
最大主応力の方向とλf の角度をなす面で破壊が起こるものとすれば、載荷点の直下 r0 の点から出発する破壊線は載荷点を中心とする放射線と常に一定の角度λf をもつ対数ら線になる。すなわち、次式(5)で表される。
【0022】
【数3】
【0023】
また、以上の各式から破壊線に沿った剪断応力τと垂直応力σが、次式で表されるように破壊線は左右両方向にできる。
【0024】
【数4】
【0025】
Maurerは上記(6) 、(7) 式より破壊線に沿う2応力の比が一定になることから下式(8)を与えている。
【0026】
【数5】
【0027】
この関係は最大剪断破壊線(λf =π/4)で、τ。=σに減少することになり、応力は図16(a)に示すように、破壊線に沿って変化し、岩石の表面(θ=±π/2)では0となり、θ=±(π/2−λf )のところで最大となる。また、荷重の直下に最大剪断応力が発生する。図16(b)に示されるクレータの破壊線は岩石表面では剪断応力が0となるから、破壊線に沿って破砕帯の近い部分では剪断破壊が起こり、表面近くでは曲げ荷重による引張破壊が生じていると考えることができる。
【0028】
ところで、カッタ刃先を岩盤の表面に押し付けて貫入させるとき、クレータを発生させるのに必要な最小限の荷重をスレショルド荷重と言う。刃先の貫入圧力がこのスレショルド荷重に関係するため、刃先が摩耗して接触面積が増大するとスレショルド荷重が増大する関係にある。刃先の摩耗幅とスレショルド荷重との関係式を調べたものとしては、Maurer,M,Cによる実験結果がある(The State of Mechanics Knowledge in Drilling,8th symposium on Rock Mechanics AIME,University of Minnesota,Sept.,1966,P.355) 。スレショルド荷重に対して、刃先幅1/2inのツールをBerea sandstone に貫入させた実験から、摩耗幅とスレショルド荷重との関係について図17に示される関係を得ている。同図は刃先の貫入力が図の直線よりも大きい領域ではクレータができるが、その下の領域では岩石の面に刃先の跡がつくだけでクレータができないということを示したもので、刃先が僅かに摩耗しただけでスレショルド荷重が大幅に増加すること、すなわち刃先が摩耗することにより破砕効率が急激に低下する理由を示している。
【0029】
以上の説明より、岩石表面に垂直方向の荷重が加わったときの破壊メカニズムが明らかになるとともに、掘削に従い刃先に摩耗が生じるとスレショルド荷重が増加し削孔効率が低下する理由が明らかとなる。すなわち、ディスクカッタのみによる破壊の場合には、掘削面に対して垂直にかつ刃先先端から作用するディスクカッタの貫入力により擬似半楕円状の剪断破壊線に沿って破壊が発生し、また前記スレショルド荷重についての説明により、破壊能力に関しては刃先先端から岩石側に伝達される貫入力(貫入応力)の影響が大であることが判明した。
【0030】
ところで、本発明の場合には、カッタ刃先を岩石に貫入させる直前に該貫入位置に超高圧水により切削溝または割れ目を形成するため、上記した破壊メカニズムと若干異なる破壊メカニズムを採る。すなわち、図11に示されるように、ディスクカッタによる破砕に先立って、予め切削溝または割れ目14が形成されるため、ディスクカッタ刃体10aの刃先Sは掘削対象の岩石等に接触しないか、或いは接触したとしても該刃先Sから岩石等に伝達される貫入力は支配的でない当接状態となる。ディスクカッタからの貫入力は主に、刃体10aの側部傾斜面と前記切削溝または割れ目14との肩部との接触部位U,Uから岩石側に伝達される。このような当接態様を採る場合には、図12に示されるように、斜方向の楔貫入力PU により破壊線K上に垂直応力σN と破壊線Kに沿う剪断力τとが作用し、この剪断力τにより直接的にすべり破壊が行われる。つまり、基本的に掘削対象面に対して垂直方向の貫入力は作用せず、刃先面から斜め方向に楔貫入力PU が直接作用し、両側の破壊部分15、15を夫々横に押し出すようにして破砕する。したがって、剪断力が直接的作用する点で効果的に破砕が行われるようになるともに、同図に示すように、刃先Sは岩石等に接触しないか、または接触したとしても刃先部分に作用する貫入力は小さいため刃先の摩耗が少なくなる。
【0031】
また、本発明では刃先10a先端が直接的に破壊に寄与しない。したがって、前述したような、刃先摩耗によるスレショルド荷重の増大といった現象が起きないかまたは小さいため、長期間に亘り掘削性能を維持し得るようになる。
【0032】
他方、前記掘削方法を行うための本発明掘削機は、掘削ヘッド部に1または複数のディスクカッタを備え、少なくともこの掘削ヘッド部が掘削方向軸回りに回転することにより前記ディスクカッタを転動させ掘削面の破砕を行うようにした掘削機において、前記ディスクカッタの一部または全部を対象として、ディスクカッタによる掘削面の破砕中に、この掘削面に対してディスクカッタの通過予定線に沿う切削溝または割れ目を形成するための超高圧水噴射装置を設け、この超高圧水噴射装置の噴射ノズル部分を球体としその回動位置制御により噴射ノズルの目詰まりを防止したことを特徴とするものである。
【0033】
この場合、前記超高圧水噴射装置において、超高圧水の噴射停止時に微細土粒子の流入による噴射ノズルの目詰まりを防止するため、噴射口に開閉自在の蓋体を設けることもできる。
【0034】
また、TBMやシールド機などのように、複数のディスクカッタを備えた地盤当接部位が中心軸回りに回転自在とされる構造において、前記地盤当接部位の回転中心軸を基準として相対的に遠距離位置に配置されたディスクカッタ群に対してのみ前記超高圧水噴射装置を設けることもできる。回転中心軸部から相対的に遠距離位置に配置されたディスクカッタ群は、前記カッターヘッドの1回転当りの転動距離が相対的に長くなるため、中心側のディスクカッタよりも掘削負荷が大きくなり刃先摩耗の程度も大きくなる。そのため、一般にはディスクカッタの負荷がいくらかでも均等になるように、外周側に取付けるディスクカッタの数を増やすようにしているが、本発明では切削溝または割れ目の形成により掘削負荷の調整が可能であるため、上記のように掘削負荷の大きい外周側のディスクカッタ群のみに超高圧水噴射設備を設けることにより、掘削負荷の均一化を図ることが可能となる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき詳述する。
図1は本発明に係るカッタ部構造を採用したTBMの概略図であり、図2および図3はディスクカッタ部の拡大図である。
図1に示されるように、トンネル掘削機1はマシン本体の前面部にカッタヘッド(本発明にいう掘削ヘッド)2を備え、このカッタヘッド2面に取付けられた複数のディスクカッタ10、10…により地山を連続的に破砕して掘進する。前記ディスクカッタ10は、図2および図3に示されるように、カッタサドル10bの外周にリング状に形成した断面楔形状の刃体10aを有するカッタ構造であり、カッタヘッド2面に固設されたカッタ取付台11に対して軸受13を介して転動自在に取り付けられる。地盤掘削に当たっては、掘削機1内に設けられたスラストジャッキ8によりカッタヘッド2に岩盤当接方向の推進力が与えられた状態で、カッタヘッド2がカッタ駆動用モータ24からの回転駆動力により掘削方向軸回りに回転する。そして、前記ディスクカッタ10、10…が円周方向に転動することにより刃体10aが岩盤、砂礫等の破砕を行う。
【0036】
他方、トンネル掘削機1の胴部は前記カッタヘッド2に続く前胴部3と、後胴部4とからなり、これら前胴部3と後胴部4との接続部に屈折可能な中折れ部5が形成され曲線施工も可能となっている。前記ディスクカッタ10、10…により削り取られた掘削ズリはカッタチャンバ25内に取り込まれ、送水管20を通じて流入した水とともに、排泥管21により地上側まで排出される。
【0037】
また、前記前胴部3にフロントグリッパ6、6を備えるとともに、後方側にメイングリッパ7、7を備え、かつ前胴部3とメイングリッパ7部分とがスラストジャッキ8により連結されている。トンネル掘進機1の推進は、フロントグリッパ6による坑壁支持を開放し、かつメイングリッパ7を伸ばして坑壁に対して反力を取り、スラストジャッキ8を伸長させ前胴部3を前進させることにより掘削を行う。1サイクル長の掘削が完了したならば、前記フロントグリッパ6を伸ばして坑壁に反力を取るとともに、メイングリッパ7による坑壁支持を開放し、スラストジャッキ8を収縮させることにより後胴部4を前方に移動させることにより前進する。トンネル掘削機1の後方ではエレクター22によりセグメント23が組み立てられる。
【0038】
本発明トンネル掘進機1においては、図2および図3に示されるように、前記ディスクカッタ10、10…の配設部位に近接して、前記ディスクカッタ10により岩盤破砕が行われる直前に、このディスクカッタ10の通過予定線上に向けて超高圧水を噴射し掘削地盤面に対して切削溝または割れ目を形成するための超高圧水噴射装置12が設けられている。前記超高圧水噴射装置12は、図4に示されるように、ノズルヘッド12bと、このノズルヘッド12bの先端に固定された噴射ノズル12aと、好ましくは超高圧水のオンオフ制御を行う制御バルブ12cとから構成される。前記噴射ノズル12aのノズル径は通常0.1〜1.0mm程度であり、材質的にはダイヤモンドが使用されている。
【0039】
また、前記超高圧水噴射装置12はカッタヘッド2に設けられた全てのディスクカッタ10、10…に対して設けることもできるし、またその一部群に対してのみ配設することもできる。この一部群に対して設ける場合の例としては、たとえば各ディスクカッタ10、10…間での摩耗度の偏りを防止するために、カッタヘッド2の回転中心軸を基準として相対的に遠距離位置に配置されたディスクカッタ群に対してのみ設けることができる。また、ディスクカッタ10が2つの刃体10a、10aを有するダブルディスク構造やそれ以上の刃体を有する場合には、図5に示されるように、各刃体10a、10a…に対して夫々超高圧水噴射装置12、12…を設けるようにする。
【0040】
なお、超高圧水噴射装置12の他の態様としては、図示のようにカッタ取付台11を支持台として取付ける方法の他、カッタ取付台11に溝孔を形成して直接的に噴射ノズル12aを取付けることもできる。
【0041】
さらに、前記ノズルヘッド12b部分に研磨材を供給し、研磨材を超高圧水とともに掘削面に噴射することもできる。なお、前記研磨材としては一般的に珪砂(60メッシュ程度)、ガーネット(60〜100メッシュ程度)の他、アルミナ系、鋳鉄グリッド、コランダム等の研磨材が用いられる。
【0042】
他方、本発明トンネル掘削機1の掘削済み坑道内には超高圧水ユニット9が設備される。この超高圧水発生ユニット9で製造された超高圧水が前記超高圧水噴射装置12に送られる。前記超高圧水ユニット9は、油圧ユニット30と給水ユニット31とブースター(増圧機)32とアキュムレータ33とから構成され、油圧ユニット30から吐出された作動油によりブースター32内のピストンが左右に動作され、ウォーターチャンバー内にある水が圧縮され超高圧水となる。また、アキュムレータ33を介在させることにより超高圧水の圧力が一定に保たれるようになっている。通常は、前記超高圧水ユニット9により1000〜4000kgf/cm2 の超高圧水が発生させることができる。
【0043】
前記ディスクカッタ10による岩盤等の破砕は、図2に示されるように、前記ディスクカッタ10による破砕が行われる直前に、前記ディスクカッタ10の通過予定線上に超高圧水噴射装置12から噴射される超高圧水を衝突させて掘削面に切削溝または割れ目14を形成し、ディスクカッタ10の刃先10aが切削溝または割れ目14線上を通過しながら前記破砕が行われるようにする。
【0044】
前記超高圧水噴射装置12の取付けおよび噴射態様としては、図2に示されるようにカッタ取付台11に取り付けた前記超高圧水噴射装置12から掘削面に向けて垂直に超高圧水を衝突させることもできるし、また図6に示されるように、傾斜角をもって衝突させることもできる。また、カッタヘッド2の面盤に前記超高圧水噴射装置12を取付け掘削面に対して噴射することもできる。さらに、図8に示されるように、ディスクカッタ10の刃体10a線上から側方にずらした位置に前記超高圧水噴射装置12を取付け、該斜め位置から通過予定線に対して噴射することもできる。
【0045】
ところで、前記超高圧水を併用した掘削方法は、基本的には岩盤、砂礫層などを対象とするものであり、掘進中に軟弱層に突入した場合には超高圧水を併用することなくディスクカッタのみで掘削を行ってもよい。超高圧水の噴射を停止した場合には、泥水や泥土中の微細土粒子が前記噴射ノズル12aに入り込み、目詰まりを起こす場合があるため、超高圧水の噴射停止時であっても常時少量の水を噴射し続けながら地盤の掘削を行うようにするのが望ましい。また、噴射ノズル12aに開閉自在の蓋体を設けることでノズル目詰まりを防止してもよい。さらに、図9に示されるように、噴射ノズル26を球体とし、これを水圧または油圧により回動位置制御できるようにしておき(図示しない)、超高圧水噴射時には同図の回動位置に位置決めして超高圧水の噴射を行い、噴射停止時には、図10に示されるように、球体ノズル26を回動させることによりノズル口を内部に仕舞い込むようにしてもよい。なお、図9および図10のノズル構造例では別途洗浄水流路27を設け、噴射停止時に逆流水により超高圧水路の洗浄ができるようにしてある。
【0046】
ところで、上記実施の形態では、トンネル掘削機を例に挙げ本発明を説明したが、本発明は他に岩石、コンクリート面などのはつり作業(チッピング作業)、舗装面の剥離作業など、他のディスクカッタを用いた切削、破砕、剥離作業に対しても適用できる。
【0047】
【発明の効果】
以上詳説のとおり、本発明によれば、ディスクカッタによる破砕に先立って、予め切削溝または割れ目を形成するようにしたため、カッタ寿命の延命化を図ることができるようになる。また、岩石等が破砕し易くなるため削孔速度が向上するとともに、従来装置と比較して掘削機能力を縮小化することも可能となる。さらに、掘削時の粉塵を抑え作業環境の悪化を防止することができるようになるなど種々の利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】トンネル掘削機の概略図である。
【図2】本発明に係るディスクカッタ部構造の側面図である。
【図3】本発明に係るディスクカッタ部構造の平面図である。
【図4】超高圧水噴射装置の詳細図である。
【図5】ダブルディスク構造の場合の平面図である。
【図6】他の超高圧水噴射態様図である。
【図7】他の超高圧水噴射態様図である。
【図8】他のノズル構造例における超高圧水噴射時の縦断面図である。
【図9】他のノズル構造例における超高圧水停止時の縦断面図である。
【図10】他の超高圧水噴射態様図である。
【図11】本掘削方法の場合の破砕概念図である。
【図12】破砕部分の拡大模式図である。
【図13】ディスクカッタのみにより破砕概念図である。
【図14】ディスクカッタのみによる破壊メカニズムの説明図である。
【図15】ディスクカッタのみによる破壊メカニズムの説明図である。
【図16】ディスクカッタのみによる破壊メカニズムの説明図である。
【図17】スレショルド荷重の説明図である。
【符号の説明】
1…トンネル掘削機、2…カッタヘッド、3…前胴部、4…後胴部、5…中折れ部、6…フロントグリッパ、7…メイングリッパ、8…スラストジャッキ、9…超高圧水発生ユニット、10…ディスクカッタ、10a…刃体、11…カッタ取付台、12…超高圧水噴射装置、12a…噴射ノズル、12b…ノズルヘッド、12c…オンオフバルブ、30…油圧ユニット、31…給水ユニット、32…ブースター、33…アキュムレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the excavator such as a tunnel excavator such as a TBM, a shield machine, a foundation pile construction excavator for a large structure, an underground excavator for an underground space, etc. The present invention relates to an excavation method and an excavator for the excavation method capable of efficiently crushing strata such as gravel and concrete.
[0002]
[Prior art]
For example, tunnel construction machines such as TBM (Tunnel Boring Machine ) and shield machines (Shield Machine ) are actively used to construct tunnels such as railways, roads, water conduits, and water and sewage systems. A tunnel excavator (hereinafter also simply referred to as an excavator) is an excavation machine that excavates while cutting and crushing earth and sand continuously with a cutter head on the front surface. The TBM is an excavator mainly used for mountain tunnels, and the cutter head has a roller cutter type cutter structure such as a two-cutter, a disc cutter, an insert cutter, etc. so that it can efficiently excavate formations such as rocks and gravel layers. Adopted. In addition, the shield machine mainly uses a cutter structure with a cutting bit fixed so that soft ground such as sandy soil and clay with high water content can be efficiently excavated, but it enters the bedrock layer and gravel layer. In consideration of such cases, there is a composite type using the roller cutter together.
[0003]
In addition, a cutter method using a roller cutter or the like is also adopted for a drilling machine for foundation excavation of a large structure, an underground excavation machine for underground space, and the like in order to cope with a bedrock layer and a gravel layer.
[0004]
Among these roller cutter type cutter structures, the present invention is particularly intended for a disk cutter having a wedge-shaped blade body in a ring shape on the outer periphery of the cutter saddle, and the excavating head (cutter head) of the excavator A plurality of disk cutters are arranged on the part based on the design calculation so as to realize the most efficient excavation. Then, by rotating the excavation head while pressing the disk cutter against the rock with a constant thrust, the disk cutter rolls in the circumferential direction to cut and crush the rock.
[0005]
In this case, as the excavation progresses, the cutting edge of the disk cutter is worn, and the drilling speed gradually decreases. If the worn cutter continues to be used as it is, the drilling speed will decrease even if the cutter life can be extended, so the operating costs of the drilling machine equipment etc. will increase and the drilling unit price will increase overall. To do. Therefore, the drilling unit price is expressed as a function of the drilling speed and cutter life. Therefore, the drilling speed is defined by geological conditions such as rock type and strength, operating conditions such as thrust and rotational speed, cutter type, and cleaning. The cost is calculated from the formula of the drilling speed considering the above, and the economical operating conditions are determined by calculating the cutter life from the formula of the cutter blade edge and the bearing wear rate using factors such as cutter penetration and rotational speed as factors. The disk cutter is being replaced.
[0006]
When crushing rocks or gravel with a disc cutter, investigate the rock and soil in advance, and add the coefficient due to the cracks in the ground to the amount of intrusion of the cutter determined from the condition that there is no fracture. The optimum amount of cutter penetration is determined.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, a large error is likely to occur due to variations in actual natural ground properties, which seriously affects the cutter life and the excavation speed. That is, when construction is actually started, the wear of the cutter may proceed in a very short time or the excavation speed may decrease, resulting in an increase in cutter cost and a significant delay in the process. is there.
[0008]
In addition, since the ratio of the cutter cost to the total drilling cost is large, the drilling cost will inevitably increase as the number of cutter replacement increases. There are permanent issues such as extending the cutter life without reducing the efficiency, or improving the drilling efficiency.
[0009]
In excavator design, there is a margin in mechanical capacity in consideration of unexpected entry into a rocky layer or encountering a rocky layer that is stronger than designed. The ability to improve the rockability (which is an index of the ease with which the rock can be excavated) has the advantage of reducing mechanical capabilities such as the excavator propulsion force and disc cutter drive torque.
[0010]
In addition, in the case of the conventional open type TBM, dust is generated when the rock is crushed, which causes a problem in the sanitary environment such as causing deterioration of the working environment.
[0011]
Therefore, the main problems of the present invention are as follows. First, the cutter life is prolonged, the drilling speed is improved, and secondly, the improvement of ripperability is artificially made. Therefore, it is possible to reduce the excavating function force and to suppress the dust during excavation to prevent the working environment from deteriorating.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an irradiation device for injecting ultra-high pressure water for each blade of a disk cutter, and during the crushing of the excavation surface by the disc cutter, A cutting groove or a crack is formed in advance by ultra-high pressure water along the planned passage line, and the crushing is performed while the cutting edge of the disk cutter rolls on the cutting groove or the crack line thus formed. To do.
[0013]
In this case, 1000 to 3500 kgf / cm 2 is preferable as the range of the injection pressure of the ultrahigh pressure water. Further, in the injection nozzle for injecting the ultra-high pressure water, in order to prevent clogging of the injection nozzle due to the inflow of fine soil particles when the injection of the ultra-high pressure water is stopped, it is always possible even when the injection of the ultra high pressure water is stopped It is better to dig while continuing to spray a small amount of water. Furthermore, the formation efficiency of the said cutting groove or a crack can also be improved by mixing a fine-grain abrasive | polishing material in the said ultrahigh pressure water.
[0014]
As described above, in the case of the present invention, before crushing by a disk cutter, a cutting groove or a crack is formed in advance by ultra-high pressure water along a planned passage line of the disk cutter. Accordingly, the ground such as the bedrock or the gravel layer is easily crushed and the wear of the disk cutter edge is reduced, so that the cutter life is extended. Naturally, the excavation speed is also improved because the rock to be excavated is easily crushed. Further, since the ripperability is improved by the artificially formed cutting grooves and cracks, the driving force of the excavator and the driving torque of the disk cutter can be reduced.
[0015]
Further, in the open TBM, dust is captured by the ultrahigh pressure water sprayed toward the excavation surface, so that the working environment is greatly improved.
[0016]
Hereinafter, in order to clarify the operational effects of the ground excavation method according to the present invention, the destruction mechanism of the excavation method using ultra-high pressure water will be described in detail in comparison with the destruction mechanism using only the disk cutter.
First, as shown in FIG. 13, the crushing mechanism when the
As shown in FIG. 14, when two stresses σ 1 and σ 2 are generally applied to a minute two-dimensional cross section, the normal stress σ and shear stress acting on an arbitrary inclined surface are expressed by the following equations (1) and (2 ).
[0017]
[Expression 1]
[0018]
Microscopic failure is a phenomenon that occurs when the stress σ 2 is greater than the tensile strength, or when the shear stress is greater than the shear strength, and the shear strength is proportional to the principal stress from the theory of Morse-Coulomb. Therefore, the shear fracture occurs at an angle of λ = π / 4−φ / 2 where φ is the internal friction angle of the Mole-Coulomb equation in the above equation (2).
[0019]
On the other hand, as shown in FIG. 15, when a line load P acts on a semi-infinite plate, the stress state at an arbitrary point is given by Timoshenko and Goodier by the following equation (3).
[0020]
[Expression 2]
[0021]
If fracture occurs at a plane that forms an angle of λ f with the direction of the maximum principal stress, the fracture line starting from the point r 0 immediately below the loading point is always at a constant angle λ f with the radiation centered on the loading point. Logarithmic lines with That is, it is represented by the following formula (5).
[0022]
[Equation 3]
[0023]
Further, from the above equations, the shear line τ and the vertical stress σ along the fracture line can be expressed in the left and right directions as represented by the following formula.
[0024]
[Expression 4]
[0025]
Maurer gives the following equation (8) because the ratio of two stresses along the fracture line is constant from the above equations (6) and (7).
[0026]
[Equation 5]
[0027]
This relationship is the maximum shear fracture line (λ f = π / 4), τ. As shown in FIG. 16A, the stress changes along the fracture line and becomes 0 at the rock surface (θ = ± π / 2), and θ = ± (π / It becomes maximum at 2-λ f ). In addition, a maximum shear stress is generated immediately below the load. The fracture line of the crater shown in FIG. 16 (b) has a shear stress of 0 on the rock surface. Therefore, a shear fracture occurs near the fracture zone along the fracture line, and a tensile fracture due to bending load occurs near the surface. Can be considered.
[0028]
By the way, when the cutter blade edge is pressed against the surface of the rock and penetrated, the minimum load necessary for generating a crater is called a threshold load. Since the penetration pressure of the cutting edge is related to this threshold load, the threshold load increases as the cutting edge wears and the contact area increases. There is an experimental result by Maurer, M, C to investigate the relational expression between the wear width of the cutting edge and the threshold load (The State of Mechanics Knowledge in Drilling, 8th symposium on Rock Mechanics AIME, University of Minnesota, Sept. , 1966, P.355). FIG. 17 shows the relationship between the wear width and the threshold load from an experiment in which a tool having a cutting edge width of 1/2 inch is inserted into the Berea sandstone with respect to the threshold load. The figure shows that the crater is created in the area where the penetration of the cutting edge is larger than the straight line in the figure, but in the area below it, the crater cannot be formed just by marking the cutting edge on the rock surface. This shows the reason why the threshold load greatly increases with only slight wear, that is, the crushing efficiency rapidly decreases due to wear of the cutting edge.
[0029]
From the above explanation, the fracture mechanism when a vertical load is applied to the rock surface is clarified, and the reason why the threshold load increases and the drilling efficiency decreases when wear occurs on the cutting edge as excavation occurs. That is, in the case of the failure only by the disc cutter, the fracture occurs along the quasi-semi-elliptical shear fracture line due to the penetration of the disc cutter acting from the tip of the blade perpendicular to the excavation surface, and the threshold From the explanation of the load, it was found that the influence of penetration input (penetration stress) transmitted from the tip of the cutting edge to the rock side is large in terms of fracture capability.
[0030]
By the way, in the case of this invention, in order to form a cutting groove or a crack with ultra-high pressure water at the penetration position immediately before the cutter blade edge penetrates into the rock, a fracture mechanism slightly different from the above fracture mechanism is adopted. That is, as shown in FIG. 11, since the cutting groove or crack 14 is formed in advance prior to crushing by the disc cutter, the cutting edge S of the
[0031]
In the present invention, the tip of the
[0032]
On the other hand, the excavator of the present invention for performing the excavation method includes one or more disc cutters in the excavation head portion, and at least the excavation head portion rotates about the excavation direction axis to roll the disc cutter. In an excavator adapted to crush the excavation surface, cutting along the planned cutting line of the disc cutter with respect to the excavation surface during crushing of the excavation surface by the disc cutter for a part or all of the disc cutter An ultra-high pressure water injection device for forming a groove or a crack is provided , and the injection nozzle portion of the ultra-high pressure water injection device is a sphere, and its injection position is prevented by clogging the injection nozzle. It is.
[0033]
In this case, the in the ultra-high pressure water injection system, in order to prevent clogging of the injection nozzle due to the inflow of the fine soil particles during injection stop ultrahigh pressure water, Ru can also be provided a cover member openably to the injection port.
[0034]
In addition, in a structure in which a ground contact portion having a plurality of disc cutters is rotatable about a central axis, such as a TBM or a shield machine, the relative position with respect to the rotation center axis of the ground contact portion is relatively It is also possible to provide the ultrahigh pressure water jetting device only for the disk cutter group disposed at a long distance position. The disk cutter group disposed at a relatively far position from the rotation center shaft portion has a relatively long rolling distance per rotation of the cutter head, and therefore has a larger excavation load than the disk cutter on the center side. As a result, the degree of edge wear increases. Therefore, in general, the number of disk cutters attached to the outer peripheral side is increased so that the load of the disk cutter is evenly distributed. However, in the present invention, the excavation load can be adjusted by forming a cutting groove or a crack. Therefore, as described above, it is possible to make the excavation load uniform by providing the ultrahigh pressure water injection equipment only on the outer peripheral disk cutter group having a large excavation load.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a TBM employing a cutter structure according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are enlarged views of a disk cutter part.
As shown in FIG. 1, a
[0036]
On the other hand, the trunk part of the
[0037]
Further, the front body portion 3 is provided with
[0038]
In the
[0039]
Further, the super high pressure
[0040]
In addition, as another aspect of the ultra-high pressure
[0041]
Further, an abrasive can be supplied to the
[0042]
On the other hand, an ultra-high pressure water unit 9 is installed in the excavated tunnel of the
[0043]
As shown in FIG. 2, the crushing of the rock or the like by the
[0044]
As the attachment and injection mode of the ultrahigh pressure
[0045]
By the way, the excavation method using the ultra-high pressure water is basically intended for the bedrock, the gravel layer, etc., and the disk without using the ultra-high pressure water when entering the soft layer during excavation. Excavation may be performed only with a cutter. When the injection of ultra-high pressure water is stopped, fine soil particles in the muddy water or mud may enter the
[0046]
By the way, in the above embodiment, the present invention has been described by taking a tunnel excavator as an example. However, the present invention is not limited to other discs such as a rocking work (chipping work) such as a rock or a concrete surface, and a pavement peeling work. It can also be applied to cutting, crushing, and peeling operations using a cutter.
[0047]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since the cutting grooves or cracks are formed in advance prior to crushing by the disc cutter, the life of the cutter can be extended. Further, since rocks and the like are easily crushed, the drilling speed is improved and the excavation function force can be reduced as compared with the conventional apparatus. Furthermore, various advantages are brought about such as being able to suppress dust during excavation and prevent deterioration of the working environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a tunnel excavator.
FIG. 2 is a side view of the disc cutter structure according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of a disc cutter structure according to the present invention.
FIG. 4 is a detailed view of an ultrahigh pressure water injection device.
FIG. 5 is a plan view of a double disc structure.
FIG. 6 is another super high pressure water injection mode diagram.
FIG. 7 is another super high pressure water jet mode diagram.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view at the time of super-high pressure water injection in another nozzle structure example.
FIG. 9 is a vertical cross-sectional view when stopping ultra-high pressure water in another nozzle structure example.
FIG. 10 is another super high pressure water jet mode diagram.
FIG. 11 is a conceptual diagram of crushing in the case of this excavation method.
FIG. 12 is an enlarged schematic view of a crushing portion.
FIG. 13 is a conceptual diagram of crushing only with a disk cutter.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a destruction mechanism using only a disc cutter.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a destruction mechanism using only a disk cutter.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a destruction mechanism using only a disk cutter.
FIG. 17 is an explanatory diagram of a threshold load.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ディスクカッタの一部または全部を対象として、ディスクカッタによる掘削面の破砕中に、該掘削面に対してディスクカッタの通過予定線に沿う切削溝または割れ目を形成するための超高圧水噴射装置を設け、該超高圧水噴射装置の噴射ノズル部分を球体としその回動位置制御により、噴射停止時における噴射ノズルの目詰まりを防止したこと、を特徴とする掘削機。In the excavator provided with one or a plurality of disc cutters in the excavation head portion, and at least the excavation head portion rotates around the excavation direction axis to roll the disc cutter to crush the excavation surface.
An ultra-high pressure water jet device for forming a cutting groove or a crack along a planned line of passage of the disc cutter on the excavation surface during crushing of the excavation surface by the disc cutter for a part or all of the disc cutter The excavator is characterized in that the injection nozzle portion of the ultra-high pressure water injection device is a sphere, and clogging of the injection nozzle when the injection is stopped is prevented by controlling its rotational position.
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