JP3794798B2 - 余掘装置兼地山探査装置及び地山の探査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘進機に装備されるトンネルの外周面又は前方面を余剰に掘削するコピーカッタやオーバカッタ等のカッタビットを有する余掘機能と地山探査機能とを有する余掘装置兼地山探査装置と同装置を使用した地山探査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、トンネル掘進機は円筒状のスキンプレートの前面に設けられた駆動回転する回転カッタで地山を掘削し、その掘削した土砂を回転カッタの背面側に設けられた土砂取込み室に取り込みながら掘進を繰り返し、その掘進ごとにテールプレート後方で順次セグメントを組み立て、トンネルを構築していく。
【０００３】
このトンネル掘進機により曲線施工を行う場合に、上記回転カッタのカッタスポークの先端部に、回転カッタの径方向に出没可能なコピーカッタを設け、掘進機の曲がる側で前記コピーカッタを前記スポークの先端から突出させて、地山の周方向の一部を余剰に掘削して曲線施工を行っている。このときのコピーカッタの突出量は曲線掘削の曲率により変更される。
【０００４】
そのため、従来から前記コピーカッタの突出量を検出するための装置が数多く提案されている。その一つに、例えば特開平８−２１００８８号公報に開示された装置がある。この公報によれば、前記コピーカッタの突出量をポテンショメータを介して電気信号に変換して検出するため、従来の精度誤差が大きい油量検出方式や耐久性に劣るヒモ検出方式と比較して精度と耐久性が向上するというものである。
【０００５】
また、上記トンネル施工にあっては、掘進に必要な地盤強度を予め確認することが必要になる。そのためにこれから掘進する地山の地質を探査することが行われる。この探査装置は、一般的にはトンネル掘進機のスキンプレートの外周に専用の土水圧計、油圧ジャッキ、チューブ、ストロークセンサ等によるの地盤探査要計器類が多数取り付けられ、それらの計器をスキンプレートから外部に露出させている。前記計器類をカッタヘッドに設置しない理由は、主に油圧系統が複雑化するためであった。また、これらの計器は間接的に地盤強度を計測する場合が多いため、精度の点で劣るとして、例えば特開平４−３５７２９４号公報によれば、トンネル掘進機のカッタヘッド中心部に、二重管からなる送排泥方式の削孔装置とその内管の内部に径方向に伸縮し、外管の外部に出没可能な孔内載荷試験装置とを備えた測定管を設置し、トンネル掘進機の切羽地盤の地盤特性を前記孔内載荷試験装置による試験結果より推定し、その結果を予め設定されたトンネル掘進機の姿勢制御に必要な地盤特性と比較して、切羽前方地盤の地盤改良の必要性を判断するというにある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記特開平８−２１００８８号公報に代表されるコピーカッタの突出量測定装置は、いずれも余掘量を設定するための装置であって、地山の特性を探査するために複数の計器が別に設けられているものである。そのため回転カッタヘッドに隣接する後方には多数の計器類が設置されることになり、その設置のために大きな占有空間の必要性を余儀なくされていた。
【０００７】
一方、上記特開平４−３５７２９４号公報に開示された地盤探査装置は単に切羽前方の地盤特性のうち主にその強度を測定するに過ぎないため、地山の硬軟あるいは土質などまでは測定が不可能であり、しかもその構造は極めて複雑で、コストの増加につながるものである。
【０００８】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その具体的な目的は他の機材をもって代替えが可能であるにも関わらず独立して設置される計器類を排除し、しかも高精度で且つ効率的に地山特性の測定を可能にし、更には装置寿命が確保される余掘装置兼地山探査装置と地山の探査方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
ところで、従来の地山探査装置の構造はコピーカッタやオーバカッタ等の余掘装置に類似する部分が多く、前者が土圧計がある代わりに後者がカッタビットを有している点で相違するに過ぎない。すなわち、例えばコピーカッタやオーバカッタの出没手段には、通常、油圧シリンダが用いられており、切削時における切削抵抗やその貫入量は、同油圧シリンダによっても十分に測定が可能である。
【００１０】
本発明者等は、かかる観点に立ち上記余掘装置に地山探査装置の機能を負荷させることで上記課題が解決できるとの確信に到った。
すなわち、上記目的は本件の請求項１に係る発明の構成である、トンネル掘進機の回転カッタヘッドに装着されて用いられる余掘装置兼地山探査装置であって、カッタビットと、前記カッタビットを出没させる油圧シリンダと、前記油圧シリンダの作動圧を検出する作動圧検出手段と、前記油圧シリンダのストロークを検出するストローク検出手段と、前記油圧シリンダに接続する油圧回路とを有してなり、前記油圧回路は、高圧回路、低圧回路、および前記高圧回路と低圧回路とを切り換える切り換え手段を有してなることを特徴とする余掘装置兼地山探査装置により達成される。
【００１１】
かかる構成からも明らかなごとく、余掘装置のヘッド部の突出において、油圧シリンダの作動圧力とストローク量を検出することにより、地山状況を把握しながら余掘作業を行うことができる。即ち地山状況に応じてカッタヘッドの回転速度を調節しながら、余掘作業を行うことができるので、効率的な余掘作業ができると共に、余掘装置に過大な負荷がかかって破損するのを避けることができる。
【００１２】
また本発明にあっては、前記油圧回路が高圧回路及び低圧回路を有するとともに、両回路の切換手段を有してなる請求項１記載の余掘装置兼地山探査装置である。本発明によれば油圧回路に設けた切換手段により、高圧回路か、あるいは低圧回路かを選択することにより、かかる構成からも明らかなごとく、地山探査装置を別途設置する必要がなく、従来の余剰装置の機構を利用して、効率的に且つ正確に地山の特性を測定することを可能にする。しかも、従来はスペース的に狭いため地山探査装置が取り付けられなかった小口径トンネル機械などにも新たに設置スペースを設けることなく、探査機能を付加させることを可能にする。
【００１３】
請求項２に係る発明にあっては、請求項１の余掘装置兼地山探査装置を使用し、地山の地質探査時には前記油圧回路を低圧側に切り換えるとともに、前記カッタビットを伸長させながら、前記油圧シリンダの作動圧及びストロークを検出して地山の強度を検出する地山探査方法である。本発明によれば切換手段の切換により通常の余掘作業時には高圧回路を用い、地山探査時には請求項２に係る発明のごとく低圧回路に切り換える。このようにすれば、余掘装置を地山中に無理に貫入させずに済み、余掘装置の作動不良や格納不能となるような事故及び地山の状態を乱す事故を未然に防止することができる。
【００１４】
前記地山の探査は、請求項３の発明のように余掘と前記油圧シリンダの作動圧及びストロークの検出とを同時に行う場合と、請求項４の発明のように前記油圧シリンダの作動圧及びストロークを検出時には、前記回転カッタヘッドの回転を停止させる場合とがある。
【００１５】
前者にあっては、地山状況に応じて回転カッタヘッドの回転数を調整しながら余掘作業が可能となり、高能率で且つ余掘装置に対する過大な付加が回避できる。また、後者にあっては、例えばセグメント覆工時に探査を行えば、時間の効率的な利用が可能となるばかりでなく、続く掘進に対する地山特性を予め把握することができ、安全性なども確保される。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図示実施例に基づいて具体的に説明する。図面は全て本発明の代表的な１実施例を示しており、図１は本発明の余掘装置兼地山探査装置の一部構成部材として、コピーカッタを適用したトンネル掘進機の正面図、図２は同側断面図、図３は前記コピーカッタ設置部の一部を省略して示す拡大正面図、図４は図３におけるII-II 矢視図、図５は前記余掘装置兼地山探査装置の油圧回路図である。
【００１７】
トンネル掘進機１は一般的な基本構造を備えており、前胴であるスキンプレート２の前面には、中心から放射状に延設された複数本のカッタスポーク３ａの各先端部同士が連結部材をもって円形に連結されてなる円盤状の回転カッタヘッド３が、前記スキンプレート２の内部取付部に駆動モータ４により減速機を介して駆動回転可能に軸支されている。なお、図２において符号５は土砂取込室、６は胴土砂取込室内の切削土砂を後方に搬出するためのスクリュコンベヤ、７はシールドジャッキである。
【００１８】
前記回転カッタヘッド３の上記各カッタスポーク３ａの前面中心線に沿って所定のピッチをもって複数の先行ビット８ａがロウ付けなどの固着手段により固設され、また各カッタスポーク３ａの前面端縁に沿って同じく所定のピッチをもって複数のカッタビット８がロー付けなどの固着手段により固設されている。更に前記回転カッタヘッド３の前面外周部には、所定の位相角をもって順次ゲージカッタ８ｂが固設されている。なお、図１及び図２において、符号９は前記回転カッタヘッド３の前面中央に設置されたアローヘッドであり、同アローヘッド前面の稜線部に沿って多数のカッタビット９ａが前記カッタビット８及び先行ヘッド８ａと同様に固設されている。
【００１９】
そして、前記回転カッタヘッド３の複数のカッタスポーク３ａのうち１８０°の位相差をもって配される２本のカッタスポーク３ａ′の先端部には、本発明の余掘装置兼地山探査装置の一部構成部材をなすコピーカッタ１０が設けられている。
【００２０】
図３及び図４は、前記コピーカッタ１０の取付構造を拡大して示しており、これらの図によれば上記カッタスポーク３ａ′の先端中央部を正面から見て逆台形状に切除した形状としている。なお、図３にあってカッタスポーク３ａ′の前面中央線に沿って配設される上記先行ビット８ａは図示を省略している。前記カッタスポーク３ａ′の先端部に収容固設された油圧シリンダ１１のピストンロッド端にはコピーカッタビット１２が固設される。このコピーカッタビット１２は、略直角三角形の断面形状をもつ６面ブロック体からなり、その直角を挟む短辺部には超硬合金製チップ１２ａが固着されており、同じく直角を挟む長辺部が前記超硬合金製チップ１２ａを上方に向けて前記ピストンロッド端部の左右側面に沿って前述のごとくして固設される。
【００２１】
本実施例にあって、前記構成を備えた前記コピーカッタ１０をカッタスポーク３ａ′に組み込むため、前記カッタスポーク３ａ′の上記先端中央部の切除部分下方の前面が縦長の矩形状に更に切除されるとともに、その矩形状切除部分３ｂに対応する同カッタスポーク３ａ′の背面部には内部空間に向けて支持枠３ｃが内部に向けて突設されている。また、前記矩形状切除部分３ｂと同一形状をもち同切除部分に嵌め込まれる矩形板片３ｄが別途用意される。この矩形板材３ｄの前面には、図１及び図４に示すごとく幅方向の中央線に沿って複数個の先行ビット８ａが固設されており、同矩形板材３ｄの裏面には上記コピーカッタ１０がそのカッタビット１２を上方に向けて、固定板片３ｄ′を介して油圧シリンダ１１が固設されている。
【００２２】
この油圧シリンダ１１は、図３及び図４において矩形板片３ｄの裏面下方に突設された左右一対のブラケット３ｅに、シリンダ本体１１ａの下端をピン結合により取付けられている。また、前記矩形板片３ｄの裏面略中央部付近を摺動する、それぞれ左右一対の摺動片３ｆがボルト等の締結具をもって油圧シリンダ本体１１ａに固定され、油圧シリンダ本体１１ａが回転しようとするのを阻止する。更に、金属製筒体３ｇに前記シリンダ本体１１ａの外周面が摺動自在に挿嵌されており、同金属製筒体３ｇの上端縁には水平に固定片３ｈが突設されている。
【００２３】
こうしてシリンダ本体１１ａの外周面を摺動自在に挿嵌した金属製筒体３ｇは、上記矩形板材３ｄの裏面に溶接などにより固着される。いま、前記矩形板片３ｄの裏面に前述のごとくして固定されたコピーカッタ１０は、上記カッタスポーク３ａ′の上記矩形状切除部分３ｂに嵌め込まれ、前記金属製筒体３ｇの背面側に突設する固定片３ｈを上記支持枠３ｃの上面にボルトなどの締結具により固着して、コピーカッタ１０の前記カッタスポーク３ａ′の上端部への組込みが完了する。
【００２４】
かかる構成により、コピーカッタ１０はトンネルの曲線区間等において余掘りの必要性が生じると、その曲線区間の曲率に基づいて回転カッタヘッド３の外周からの上記コピーカッタ１０の突出量が決定され、同突出量に応じた油圧を図５に示す油圧回路を通して上記油圧シリンダ１１に供給し、ピストンロッド１１ｂを伸長させてコピーカッタ１０のヘッド部１０ａを所定量突出させる。この突出にあたり、通常は本発明に特有の図５に示す油圧回路を高圧回路側に切り換えるとともに、その突出が終了すると回転駆動モータ４を作動させて回転カッタヘッド３をトンネル曲線内側で正逆転させながら余掘を行うと同時に掘進する。前記油圧回路において、コピーカッタ１０の突出量をシーケンス制御可能な場合には、回転カッタヘッド３の一回転中に所定の回転角度位置において前記コピーカッタ１０の突出量を順次変更制御させることによっても、同様の余掘りが可能である。
【００２５】
図５の回路図は、本発明にあって前記コピーカッタ１０に地山探査機能を発揮させるための特有の回路構成を有している。すなわち、同図において符号１１は複合式の上記油圧シリンダを示し、その油圧入力側油路１３と油圧戻し側油路１４がそれぞれ高圧側回路Ｈと低圧側回路Ｌに分岐して配され、両回路Ｈ，Ｌは切換弁１５，１６を介して切り換え可能とされている。前記高圧回路Ｈはリリーフ弁１７により高圧を保障し、低圧回路Ｌは減圧弁１８により低圧が保障される。
【００２６】
また、高圧側回路Ｈ及び低圧側回路Ｌは、それぞれロッキング回路Ｒ１，Ｒ２を有しており、高圧側又は低圧側に回路が切り換えられると、油圧が切り換えられた側の回路にのみ油圧が流れるようにしている。
【００２７】
そして、図示例によれば前記高圧側回路Ｈ及び低圧側回路Ｌの油圧出力側及び／又は油圧戻し側の油路中に、圧力センサ１９及びストロークセンサ２０が設けられ、これらの圧力センサ１９及びストロークセンサ２０は図示を省略した制御部の演算比較回路と接続されており、例えば前記圧力センサ１９及びストロークセンサ２０による検出量が電気的に変換され、前記制御部において記憶部に予め記憶された圧力又はストローク長と比較して、地山の特性を判断する。前記圧力センサ１９としては検出量を電気的に変換するのであれば、ストレンゲージ式圧力計を用いると有効であるが、他にブルドン管やピストン式等の機械的方式の圧力センサを用いることもできる。また、前記ストロークセンサ２０についても、図示例によれば流量計を用いているが、例えば特開平８−２１００８８号公報に開示されているようにポテンショメータを用いることもできる。
【００２８】
さて、以上の構成を備えた本実施例のコピーカッタ兼地山探査装置によれば、地山の特性を探査することなく余掘りを行うときは、既述した手順でコピーカッタ１０の油圧回路を高圧側回路Ｈに切り換え、余掘りと同時に通常の操作に基づいて掘進を行う。いま、地山の特性を探査する必要が生じたときは、通常は、回転カッタヘッド３の回転を停止させ、同時にコピーカッタ１０の油圧シリンダ１１に供給する油圧を低圧側回路Ｌに切り換えて作動し、そのときの作動圧力変化及び油圧の流量変化を検出し、制御部において地山の圧力及び地山の硬軟度などを測定する。
【００２９】
また、本発明では回転カッタヘッド３の回転を停止することなく、地山の特性を測定しつつ、掘進と余掘りとを同時に行うこともできる。すなわち、例えば回転カッタヘッドの回転角度を図示せぬ測定装置により測定しつつ、余剰の必要な角度範囲において、上記コピーカッタ１０を設定されたストローク長に応じて伸縮させ、掘進と余掘りと行う。このとき同時に上述のごとく地山の特性を測定することにより、掘進時における地山の状況を常に把握でき、その状況に応じて回転カッタヘッド３の回転数を制御しながら余掘りが行えるため、最も効率的な余掘作業を可能とし、同時に余掘装置に過大な負荷がかかることを回避できる。
【００３０】
以上の説明は、余掘装置としてコピーカッタを例に挙げているが、例えば地盤改良などのためのトンネル前方の余掘装置であるオーバカッタに上記地山探査機能を付加させることも、本発明に当然に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の余掘装置兼地山探査装置を装備したトンネル掘進機の正面図である。
【図２】前記トンネル掘進機の回転カッタヘッド部を中心とする要部の側断面図である。
【図３】前記余掘装置の一例であるコピーカッタの装着状態を示す要部の拡大正面図である。
【図４】図３のII-II 矢視図である。
【図５】本発明の実施例である余掘装置兼地山探査装置に適用される油圧回路図である。
【符号の説明】
１ トンネル掘進機
２ スキンプレート
３ 回転カッタヘッド
3a, 3a′ カッタスポーク
３ｂ 矩形状切除部分
３ｃ 支持枠
３ｄ 矩形板片
３ｄ′ 固定板片
３ｅ ブラケット
３ｆ 摺動片
３ｇ 金属製筒体
３ｈ 固定片
４ 駆動モータ
５ 土砂取込室
６ スクリュコンベヤ
７ シールドジャッキ
８ カッタビット
８ａ 先行ビット
８ｂ ゲージカッタ
９ アローヘッド
９ａ カッタビット
１０ コピーカッタ
１０ａ ヘッド部
１１ 油圧シリンダ
１１ａ シリンダ本体
１１ｂ ピストンロッド
１２ コピーカッタビット
１２ａ 超硬合金製チップ
１３ 油圧入力側油路
１４ 油圧戻し側油路
１５，１６ 切換弁
１７ リリーフ弁
１８ 減圧弁
１９ 圧力センサ
２０ ストロークセンサ
Ｈ 高圧回路
Ｌ 低圧回路
Ｒ１，Ｒ２ ロッキング回路

Claims (4)

1. トンネル掘進機の回転カッタヘッドに装着されて用いられる余掘装置兼地山探査装置であって、
   カッタビットと、
   前記カッタビットを出没させる油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダの作動圧を検出する作動圧検出手段と、
   前記油圧シリンダのストロークを検出するストローク検出手段と、
   前記油圧シリンダに接続する油圧回路とを有してなり、
   前記油圧回路は、高圧回路、低圧回路、および前記高圧回路と低圧回路とを切り換える切り換え手段を有してなることを特徴とする余掘装置兼地山探査装置。
2. 請求項１記載の余掘装置兼地山探査装置を使用し、地山の地質探査時には前記油圧回路を低圧側に切り換えるとともに、前記カッタビットを伸長させながら、前記油圧シリンダの作動圧及びストロークを検出して地山の強度を検出する地山探査方法。
3. 余掘と前記油圧シリンダの作動圧及びストロークの検出とを同時に行う請求項２記載の地山探査方法。
4. 前記油圧シリンダの作動圧及びストロークの検出時には、前記回転カッタヘッドの回転を停止させる請求項２記載の地山探査方法。」

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