JP4333545B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、地山側に臨んだ先端部にカッタ部を有する前胴と、前胴に係合乃至連結される後胴とを備えたトンネル掘削機のローリング修正又はローリング抑制に関するものである。

断面円形のシールド機が掘進中にローリングを起こした場合、特許文献１、２記載のようにセグメントを後方に押すための推進ジャッキを周方向に傾倒して伸張させ、シールド機を軸回りに回動させてローリングを修正したり、特許文献３記載のようにローリングを増長させる方向にカッタが揺動するときに推進ジャッキの伸張を止め、ローリングを減退させる方向にカッタが揺動するときに推進ジャッキを伸張させ、カッタが地山から受ける反力を利用してローリングを修正している。

また、断面非円形のシールド機にあっては、径方向外方に突出する部分が邪魔となるため、この部分の周囲を余掘装置で余掘しながら掘進し、余掘した空間にシールドフレームを徐々に案内してローリングを修正している。具体的には、図１３に示すように、断面矩形のシールド機４０が正面視右側にローリングした場合、破線で示すように四隅の左回転側を余掘装置で余掘しながら掘進し、ローリングを修正している。

実公平５−１２３９３号公報 特開平９−１５１６９３号公報 特開２００１−２６２９７２号公報

ところで、推進ジャッキを傾倒させつつ伸張させて行うローリング修正は、推進ジャッキの傾倒角度と、推進ジャッキの伸張長さとで１ストローク当たりのローリング修正角度が決まるが、推進ジャッキを傾倒できる角度は僅かであり、修正に相当の距離掘進する必要があるという課題があった。このため、近接施工や到達点の近くでは対応困難であった。また、周囲を余掘して行うローリング修正にあっても、少なくとも機長と同じ距離掘進する必要があり、径方向外方に突出する部分の周囲を相当量余掘しなければならず、修正困難であるという課題があった。また、中折れ式のシールド掘進機にあっては、前胴と後胴とが分離されているため、前胴がローリングしやすかった。

そこで、本発明の目的は上記課題を解決し、ローリング修正のための掘進をほとんどせずとも容易にローリングを解消又は抑制若しくは防止できるトンネル掘削機を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、地山側に臨んだ先端部にカッタ部を有する前胴と、該前胴に屈曲自在又は伸縮自在に係合乃至連結される後胴とを備えたトンネル掘削機において、上記前胴と後胴とを軸回りに揺動乃至回動自在に係合乃至連結すると共に、前胴と後胴との間に前胴の軸回りへの回動に対して後胴より反力を与えて前胴のローリングを規制乃至抑制する姿勢制御手段を設け、上記前胴と後胴とをそれぞれ断面非円形状の筒体によって形成すると共に、前胴と後胴との接合胴部の一方に他方の接合胴部内に嵌挿結合される嵌挿部を形成し、該嵌挿部の断面形状を被嵌挿接合胴部より角数の多い多角形状あるいは円形に近い形状に形成したものである。

上記被嵌挿接合胴部が断面矩形状に形成されると共に、上記嵌挿部が上記被嵌挿接合胴部のそれぞれの辺に角部を近接させて被嵌挿接合胴部内に収容される断面八角形状に形成され、上記角部に臨む辺の一方を上記被嵌挿接合胴部の辺に当接させる位置から他方を被嵌挿接合胴部の辺に当接させる位置まで嵌挿部を被嵌挿接合胴部に対して揺動可能とするとよい。

また、カッタ部を駆動する駆動装置にカッタ駆動時の負荷を検出する負荷検出手段を設け、該負荷検出手段と上記姿勢制御手段に、負荷検出手段で検出した負荷値より前胴にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように上記姿勢制御手段を制御する制御装置を接続するとよい。

また、前胴と後胴とのそれぞれにローリングを検出するローリング計を設け、これらローリング計と上記姿勢制御手段に、前胴と後胴とを水平にするように上記姿勢制御手段を制御する制御装置を接続してもよい。

姿勢制御手段は、一端が前胴に、他端が後胴に連結されたジャッキを備えて構成され、該ジャッキは、少なくとも一端又は他端の一方を前胴又は後胴の軸方向にスライド自在に連結されるとよい。

本発明によれば、ローリング修正のための掘進をほとんどせずとも容易にローリングを解消又は抑制若しくは防止できる。

図１は本発明の好適実施の形態を示す推進工法用のトンネル掘削機の側面断面図であり、図２は前胴と後胴と姿勢制御手段の関係を示す正面説明図である。

図１に示すように、トンネル掘削機１は、地山側に臨んだ先端部にカッタ部３を有する前胴５と、前胴５に屈曲自在又は伸縮自在に係合される後胴６とを備えて構成されており、図示しない発進立坑で元押し管２を継ぎ足しつつ元押し管２を元押しすることで推進力を得て、下水トンネル等のトンネル孔を掘削するようになっている。カッタ部３は、前胴５に軸回り揺動自在に設けられている。またさらに、前胴５と後胴６は、軸回りに揺動自在に係合されている。そして、前胴５と後胴６との間には、前胴５の軸回りへの回動に対して後胴６より反力を与えて前胴５のローリングを規制乃至抑制する姿勢制御手段７が設けられている。

図２に示すように、前胴５と後胴６とはそれぞれ断面非円形状、具体的には断面矩形状の筒体によって形成されている。前胴５と後胴６の接合胴部４は、後胴６に形成され前胴５内に嵌挿結合される嵌挿部４ａと、前胴５に形成され嵌挿部４ａを嵌挿させるための被嵌挿接合胴部４ｂとからなる。嵌挿部４ａは、断面形状を被嵌挿接合胴部４ｂより角数の多い多角形状に形成されている。さらに具体的には、被嵌挿接合胴部４ｂは、断面矩形状に形成されており、嵌挿部４ａは被嵌挿接合胴部４ｂのそれぞれの辺１８に角部８を近接させて被嵌挿接合胴部４ｂ内に収容される断面八角形状に形成されている。そしてこれにより、嵌挿部４ａは、角部８に臨む辺８ａ、８ｂの一方を被嵌挿接合胴部４ｂの辺１８に当接させる位置から他方を被嵌挿接合胴部４ｂの辺１８に当接させる位置まで被嵌挿接合胴部４ｂに対して揺動可能となっている。

図１及び図２に示すように、前胴５と後胴６は、中折れジャッキ９を介して屈曲自在又は伸縮自在に連結されており、互いに軸回り揺動自在、かつ屈曲自在となっている。そして、前胴５と後胴６の隙間は変形可能なシール材１０で液密に塞がれており、前胴５と後胴６の揺動及び屈曲を許容しつつ機外からの浸水を防ぐようになっている。

図９に示すように、姿勢制御手段７は、一端が前胴５に、他端が後胴６に連結されたジャッキ１１と、ジャッキ１１に油圧を供給する油圧供給部２４とからなる。油圧供給部２４は、油圧ポンプ２５と、油圧ポンプ２５とそれぞれのジャッキ１１を接続する油圧配管２６と、油圧配管２６に設けられ油圧の供給側と排出側を切り替える電磁切替弁２７とを備えて構成されている。具体的には、ジャッキ１１は油圧ジャッキからなり、前胴５と後胴６の接合胴部４に周方向に離間して複数設けられている。また、図１及び図２に示すように、ジャッキ１１は、少なくとも一端を軸方向にスライド自在に設けられており、前胴５と後胴６の屈曲を許容しつつ前胴５と後胴６に係合されるようになっている。具体的には、ジャッキ１１は、一端を前胴５に回動自在に連結されると共に他端を後胴６に軸方向スライド自在に連結されており、前胴５と後胴６が屈曲するときに他端側をスライドさせることで前胴５と後胴６の屈曲を阻害しないようになっている。後胴６にジャッキ１１を軸方向スライド自在に連結するスライド機構１２は、後胴６の前端部に形成され前方へ延出するガイドレール部１３と、ジャッキ１１の他端に設けられガイドレール部１３に沿って摺動する摺動部材１４とからなる。摺動部材１４は、ガイドレール部１３と前胴５との間に配置される基板部１５と、基板部１５の両側に設けられガイドレール部１３の周方向の両縁に係合される爪部１６とを備えて構成されている。図９に示すように、油圧供給部２４は、油圧ポンプ２５と、油圧ポンプ２５とそれぞれのジャッキ１１を接続する油圧配管２６と、油圧配管２６に設けられ油圧の供給側と排出側を切り替える電磁切替弁２７とを備えて構成されている。

また、カッタ部３を駆動する駆動装置２１には、カッタ３駆動時の負荷を検出する負荷検出手段２２が設けられており、負荷検出手段２２と姿勢制御手段７には、負荷検出手段２２で検出した負荷値より前胴５にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７を制御する制御装置２３が接続されている。

負荷検出手段２２は、油圧センサ２８からなり、カッタ部３の駆動装置２１に接続される油圧配管系２９に設けられている。

制御装置２３は、油圧センサ２８に接続されると共に姿勢制御手段７の油圧ポンプ２５に接続されており、予めカッタ部３の駆動装置２１の油圧ジャッキ容量とジャッキ１１の油圧ジャッキ容量とを記録した記憶部３０を有する。

次に本実施の形態の作用とローリング抑制方法とについて述べる。

図５及び図６に示すように、トンネル掘削機１を掘進させる場合、トンネル掘削機１を元押ししてトンネル掘削機１に推進力を与えつつ、カッタ部３を揺動させる。このとき、カッタ部３は地山から反力を受け、この反力が前胴５に作用する。図５及び図７に破線で示すように、反力は前胴５をカッタ部３の揺動方向と反対に回動させるように作用する。そして、カッタ部３を揺動させ始めると同時に図９に示す駆動装置２１にかかる負荷を検出する。駆動装置２１の負荷は、油圧として油圧センサ２８で検出する。この後、油圧センサ２８で検出した油圧と、予め記憶部３０に記録されたカッタ部３の駆動装置２１の油圧ジャッキ容量とから前胴５にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７を制御する。すなわち、カッタのモーメントと、前胴のモーメントとが釣り合うようにジャッキに油圧を供給する。

図８に示すように、カッタ部３が地山から受ける反力と、姿勢制御手段７で発生する力とが釣り合い、前胴５がローリングするのを未然に防ぐことができる。特に、揺動カッタ部３においては、揺動方向によって地山から受ける反力が異なることがあり、この反力の違いによって徐々にローリングを起こすことがあったが、揺動方向を転換する度にカッタ部３の駆動装置２１に作用する負荷を測定し、前胴５に作用するローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７を制御することで、ローリングを未然に防ぐことができる。

このように、前胴５と後胴６とを軸回りに揺動自在に係合すると共に、前胴５と後胴６との間に前胴５の軸回りへの回動に対して後胴６より反力を与えて前胴５のローリングを規制乃至抑制する姿勢制御手段７を設けたため、後胴６に対して前胴５を揺動させることでローリング修正のための掘進をほとんどせずとも容易にローリングを解消できる。

また、前胴５と後胴６とをそれぞれ断面非円形状の筒体によって形成すると共に、前胴５と後胴６との接合胴部４の一方に他方の接合胴部４内に嵌挿結合される嵌挿部４ａを形成し、嵌挿部４ａの断面形状を被嵌挿接合胴部４ｂより角数の多い多角形状に形成したため、前胴５と後胴６を簡易な構造で軸回り揺動自在に形成できる。

そして、被嵌挿接合胴部４ｂが断面矩形状に形成されると共に、嵌挿部４ａが被嵌挿接合胴部４ｂのそれぞれの辺１８に角部８を近接させて被嵌挿接合胴部４ｂ内に収容される断面八角形状に形成され、角部８に臨む辺８ａ、８ｂの一方を被嵌挿接合胴部４ｂの辺１８に当接させる位置から他方を被嵌挿接合胴部４ｂの辺１８に当接させる位置まで嵌挿部４ａを被嵌挿接合胴部４ｂに対して揺動可能としたため、断面矩形状の前胴５と後胴６を簡易な構造で軸回り揺動自在に形成できる。

カッタ部３を駆動する駆動装置２１にカッタ部３駆動時の負荷を検出する負荷検出手段２２を設け、負荷検出手段２２と姿勢制御手段７に、負荷検出手段２２で検出した負荷値より前胴５にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７を制御する制御装置２３を接続したため、簡易な構造で容易にトンネル掘削機１のローリングを抑制又は防止することができる。

また、姿勢制御手段７は、一端が前胴５に、他端が後胴６に連結されたジャッキ１１を備えて構成され、ジャッキ１１は、少なくとも一端又は他端の一方を前胴５又は後胴６の軸方向にスライド自在に連結されるものとしたため、姿勢制御手段７を簡易な構造にでき、安価に製作できると共に、トンネル掘削機１の中折れを許容しつつ前胴５を揺動させることができる。

そして、カッタ部３を回転又は揺動させて掘削したとき前胴５にかかるローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７で前胴５に回転力を付与させ、トンネル掘削機１のローリングを抑制するため、トンネル掘削機１のローリングを未然に防ぐことができ、ローリング修正のための掘進をほとんどせずとも容易にローリングを解消できる。そして、ローリングを未然に防ぐことができるため、カッタ部３の外周側を余掘りする余掘装置（図示せず）を省くことができる。

掘削時にカッタ部３の駆動装置２１にかかる負荷を検出し、この負荷より前胴にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように姿勢制御手段７を制御するため、前胴５にかかるローリング力をほぼ完全に打ち消すことができ、容易にローリングを抑制若しくは防止できる。

なお、揺動カッタ部３を有するトンネル掘削機１について説明したが、カッタ部３は、前胴５に回転自在に設けた回転カッタ部３であってもよい。

トンネル掘削機１は、断面矩形状のものについて説明したが、トンネル掘削機１の断面形状は他の非円形状であってもよい。

前胴５と後胴６は屈曲自在かつ揺動自在に係合されるものとしたが、前胴５と後胴６は互いに連結されるものであってもよく、角度に制限なく回動自在であってもよい。

嵌挿部４ａは、断面形状を被嵌挿接合胴部４ｂより角数の多い多角形状に形成するものとしたが、円形に近い形状に形成してもよい。

姿勢制御手段７はジャッキ１１を備えて構成されるものとしたが、ジャッキ１１以外の他の駆動装置を備えて構成してもよい。

そして、姿勢制御手段７を構成するジャッキ１１は油圧式に限るものではなく、機械式であってもよく他の形式であってもよい。

また、ジャッキ１１は後胴６に軸方向スライド自在に連結されるものとしたが、前胴５に軸方向スライド自在に連結するものとしてもよく、前胴５と後胴６の双方に軸方向スライド自在に連結するものとしてもよい。またさらに、図１１に示すように、ジャッキ１１の両端を球面台座６０を介して前胴５と後胴６とにそれぞれ設け、後胴６に対する前胴５の軸回りの回動を許容すると共に、前胴５と後胴６の屈曲又は伸縮を許容するように構成してもよい。

元押し型のトンネル掘削機１について述べたが、トンネル掘削機１は後胴５に推進ジャッキ（図示せず）を有し、後胴５内でトンネル壁を構築すると共に推進ジャッキでトンネル壁を後方に押し、トンネル壁に反力を得て掘進力を得るシールド掘進機（図示せず）であってもよい。

また、トンネル掘削機１は、セグメント組立と掘削を同時に行うことが可能なように前胴と後胴とを軸方向に伸縮自在に連結した複胴式同時掘進シールドであってもよい。この場合、図１０に示すように複胴式同時掘進シールド５０は、前胴５１と後胴５２との軸回りの回動を許容すると共に、前胴５１と後胴５２との間に姿勢制御手段５３たるジャッキ５４を設けて構成するとよい。カッタ部５５の駆動装置（図示せず）にかかる負荷を検出し、この負荷より前胴５１にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように姿勢制御手段５３を制御することで前胴５１にかかるローリング力をほぼ完全に打ち消すことができ、容易にローリングを抑制又は防止できる。トンネル掘削機１は方向制御付推進機であってもよい。

次にトンネル掘削機１が後胴６ごとローリングしてしまった場合のローリング修正について述べる。

図３に示すように、トンネル掘削機１を掘進させているとき、ローリングが発生したら、まず、前胴５をローリング方向と逆の方向に回動させるようにそれぞれのジャッキ１１を伸縮させる。これにより、図４に示すように前胴５の姿勢が元に戻る。このとき、被嵌挿接合胴部４ｂが断面矩形状に形成されると共に、嵌挿部４ａが被嵌挿接合胴部４ｂのそれぞれの辺１８に角部８を近接させて被嵌挿接合胴部４ｂ内に収容される断面八角形状に形成されているため、前胴５と後胴６は互いに干渉することなく円滑に揺動できる。また、後胴６はセグメントに連結又はシールドジャッキを介して接触されているため、前胴５を確実に揺動することができる。

この後、ジャッキ１１の伸縮を自由とし、トンネル掘削機１を元押掘進させることで後胴６は地山に形成された前胴５の掘進軌跡に沿って回動され、元の姿勢に戻ることとなる。

姿勢制御手段７の制御に変更を加えた他の実施の形態について述べる。なお、負荷検出手段２２と制御装置２３を他のものに変更する以外は上述と同様である。上述と同様の構成については説明を省き、同符号を付す。

図１２に示すように、前胴５と後胴６とのそれぞれにローリングを検出するローリング計６５、６６を設け、これらローリング計６５、６６と姿勢制御手段７に、前胴５と後胴６とを水平にするように姿勢制御手段７を制御する制御装置６７を接続する。ローリング計６５、６６は、前胴５又は後胴６の水平度を検出する傾斜計からなる。制御装置６７は、所定時間ごとにローリング計６５、６６からローリング情報（前胴５と後胴６の傾斜角度）を取得し、ローリングが検出されたとき姿勢制御手段７を制御するように構成されている。

次にローリング計６５、６６と制御装置６７を用いたローリング抑制方法について述べる。

前胴５側のローリング計６５でローリングを検出したとき、制御装置６７はローリングを戻すように姿勢制御手段７たるジャッキ１１を伸縮させ、前胴５を水平にする。また、前胴５側と後胴６側のローリング計６５、６６でそれぞれローリングを検出したとき、制御装置６７はジャッキ１１を伸縮させて前胴５のローリングを解消したのち、ジャッキ１１の伸縮を自由とし、トンネル掘削機６８を元押掘進させることで後胴６を地山に形成された前胴５の掘進軌跡に沿って回動させて後胴６のローリングを解消する。ローリング計６５、６６で逐次ローリングを検出しながらジャッキ１１の制御ができるため、簡単かつ迅速にローリングを解消できる。そして、ローリング計の精度を高いものとすることで実質的にローリングを抑制又は防止することができる。

本発明の好適実施の形態を示す推進工法用トンネル掘削機の側面断面図である。 前胴と後胴と姿勢制御手段の関係を示す正面説明図である。 ローリングしたトンネル掘削機の正面説明図である。 ローリング修正中のトンネル掘削機の正面説明図である。 ローリング抑制中のトンネル掘削機の斜視説明図である。 カッタの揺動方向を示すトンネル掘削機の正面説明図である。 前胴に作用するローリング力の方向を示すトンネル掘削機の正面説明図である。 ローリング抑制中のトンネル掘削機の正面断面説明図である。 トンネル掘削機のローリング抑制装置を示す回路図である。 他の実施の形態を示すトンネル掘削機の側面説明図である。 他の実施の形態を示すトンネル掘削機の側面説明図である。 他の実施の形態を示す回路図である。 従来のローリング修正方法を示すシールド掘進機の正面説明図である。

符号の説明

１ トンネル掘削機
３ カッタ部
４ 接合胴部
４ａ 嵌挿部
４ｂ 被嵌挿接合胴部
５ 前胴
６ 後胴
７ 姿勢制御手段
１１ ジャッキ
２１ 駆動装置
２２ 負荷検出手段
２３ 制御装置
６５ ローリング計
６６ ローリング計
６７ 制御装置
６８ トンネル掘削機

Claims (5)

1. 地山側に臨んだ先端部にカッタ部を有する前胴と、該前胴に屈曲自在又は伸縮自在に係合乃至連結される後胴とを備えたトンネル掘削機において、上記前胴と後胴とを軸回りに揺動乃至回動自在に係合乃至連結すると共に、前胴と後胴との間に前胴の軸回りへの回動に対して後胴より反力を与えて前胴のローリングを規制乃至抑制する姿勢制御手段を設け、上記前胴と後胴とをそれぞれ断面非円形状の筒体によって形成すると共に、前胴と後胴との接合胴部の一方に他方の接合胴部内に嵌挿結合される嵌挿部を形成し、該嵌挿部の断面形状を被嵌挿接合胴部より角数の多い多角形状あるいは円形に近い形状に形成したことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 上記被嵌挿接合胴部が断面矩形状に形成されると共に、上記嵌挿部が上記被嵌挿接合胴部のそれぞれの辺に角部を近接させて被嵌挿接合胴部内に収容される断面八角形状に形成され、上記角部に臨む辺の一方を上記被嵌挿接合胴部の辺に当接させる位置から他方を被嵌挿接合胴部の辺に当接させる位置まで嵌挿部を被嵌挿接合胴部に対して揺動可能とした請求項１記載のトンネル掘削機。
3. カッタ部を駆動する駆動装置にカッタ駆動時の負荷を検出する負荷検出手段を設け、該負荷検出手段と上記姿勢制御手段に、負荷検出手段で検出した負荷値より前胴にかかるローリング力を求め、そのローリング力を打ち消すように上記姿勢制御手段を制御する制御装置を接続した請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
4. 前胴と後胴とのそれぞれにローリングを検出するローリング計を設け、これらローリング計と上記姿勢制御手段に、前胴と後胴とを水平にするように上記姿勢制御手段を制御する制御装置を接続した請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
5. 姿勢制御手段は、一端が前胴に、他端が後胴に連結されたジャッキを備えて構成され、該ジャッキは、少なくとも一端又は他端の一方を前胴又は後胴の軸方向にスライド自在に連結される請求項１〜４いずれかに記載のトンネル掘削機。

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