JP4523453B2 - 掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、掘進機に関するものである。

泥土圧系シールド掘進機は、掘削土に加泥材と称する添加剤を添加して撹拌し、土に適当な塑性流動性を持たせることにより、切羽を安定させ、地山を掘削する。掘削した土砂は、シールド機内のチャンバに取り込まれた後、一般にスクリューコンベヤで坑内に土砂を取り込んで排出する。

このとき、チャンバ内の土の塑性流動性が小さく閉塞状態となった場合、スクリューコンベヤで掘削土を排出できなかったり、カッタトルクが上昇して掘進不能となったりするため、（１）スクリューコンベヤで坑内に取り込まれた土砂の状況を目視等で確認する方法、（２）ジャッキ推力、カッタトルクなどから判断する方法で、チャンバ内の状況を把握しながら施工が行われていた。

また、（３）シールド機のバルクヘッド部に検出器を取り付けて、チャンバ内の土砂性状を確認する方法が試みられていた（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開昭５８−１９５６９３号公報 特開昭５８−５４１９９号公報

しかしながら、（１）の方法は官能的な手段によって土砂の状況を把握するものであり、熟練した経験者が判断する必要があった。（２）の方法で用いられるジャッキ推力やカッタトルクは定量的な値ではあるが、他の要素も含むため、完全にチャンバ内の土砂の性状を表す指標とは言い難かった。（３）の方法は、バルクヘッド部に装置を取り付けるが、バルクヘッド部は、いわゆる流体で言う境界層に近く、土砂が固着しやすい環境であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、チャンバ内の土砂の性状を、リアルタイムでより合理的に把握できる掘進機および計測装置を提供することにある。

前述した目的を達成するための第１の発明はカッタによる切削面より後方において前記カッタに連結され、チャンバ内に突出して設けられ、前記カッタの回転とともに回転移動する部材にセンサを設け、前記センサによる計測値を用いてチャンバ内の土砂の性状を把握する掘進機であって、前記カッタは、板状のカッタスポークと前記カッタスポークの後方に設けられた板状部材とを具備し、前記部材は、前記板状部材に挿通され、前記板状部材にピン接合されてなり、前記センサの設置位置は、前記カッタ内であり、前記部材と前記板状部材との接合部を支点として、てこの作用点となる位置であることを特徴とする掘進機である。また、第２の発明は、カッタによる切削面より後方において前記カッタに連結され、チャンバ内に突出して設けられ、前記カッタの回転とともに回転移動する部材にセンサを設け、前記センサによる計測値を用いてチャンバ内の土砂の性状を把握する掘進機であって、前記カッタは、板状のカッタスポークと前記カッタスポークの後方に設けられた板状部材とを具備し、前記部材は、前記カッタスポークおよび前記板状部材に挿通され、前記板状部材にピン接合されてなり、前記センサの設置位置は、前記部材の前記カッタスポークから突出した部分であり、前記部材と前記板状部材との接合部を支点として、てこの作用点となる位置であることを特徴とする掘進機である。

カッタに連結され、カッタの回転とともに回転移動する部材は、チャンバ内、または、カッタ内およびチャンバ内に突出して設置される。センサには、例えば、歪みゲージ、ロードセル、シリンダ、圧力センサ、間隙水圧計、ＲＩ計器等が用いられる。また、計測値とは、これらのセンサを用いて取得した部材の変位、部材の変形、部材に作用する力、チャンバ内の土砂の土圧、チャンバ内の土砂の水圧、チャンバ内の土砂の密度および含水比等である。掘進機とは、泥土圧式シールド機や泥水式シールド機等の、カッタで切削した土砂をチャンバに取りこむ形式の掘進機である。

本発明の掘進機によれば、チャンバ内の土砂の性状を、リアルタイムでより合理的に把握できる。

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、掘進機１の軸方向の断面図である。掘進機１は、例えばシールド機等であり、地山を掘削しつつ前進する。図１に示すように、掘進機１は、カッタ３、スキンプレート７、チャンバ９、排土装置１３、隔壁１５、計測装置２０等で構成される。

カッタ３は、筒状のスキンプレート７の前面に設けられ、地山を掘削する板状のカッタスポーク５、カッタスポーク５の後方に設けられた板状部材１７等からなる。隔壁１５は、カッタ３の後方において、スキンプレート７の内部に設けられる。隔壁１５は、スキンプレート７内の空間を前後に区切る。チャンバ９は、板状部材１７と隔壁１５とスキンプレート７に囲まれた空間である。

排土装置１３は、隔壁１５に固定される。排土装置１３は、スクリューコンベヤ等である。計測装置２０は、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９、棒状材１９に設置された歪みゲージ２１、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９は、カッタ３に連結された攪拌翼等の部材である。棒状材１９は、一端が板状部材１７に固定されるか、ピン接合される。

掘進機１は、カッタ３を回転させ、カッタスポーク５に取り付けられたビット（図示せず）を用いて地山を掘削する。掘進機１は、カッタ内１１に流入した掘削土をチャンバ９内に取りこんだ後、排土装置１３を用いて排出する。

掘進機１がカッタ３を回転させて地山を掘削すると、カッタ３の板状部材１７に連結された計測装置２０は、掘削土砂が充満したチャンバ９内を回転移動する。計測装置２０の歪みゲージ２１は、チャンバ９内の掘削土砂から受ける力による棒状材１９のたわみ（変位もしくは変形）を計測する。計測装置２０では、コンピュータ（図示せず）等に歪みゲージ２１が計測した計測値を送り、計測値に基づいてチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

次に、第２の実施の形態について説明する。図２は、他の掘進機１ａの軸方向の断面図である。図２に示すように、掘進機１ａは、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、計測装置２０のかわりに計測装置２０ａが設置される。

計測装置２０ａは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９ａ、棒状材１９ａに設置された歪みゲージ２１ａ、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９ａは、カッタ３に連結された攪拌翼等の部材である。

図１に示す計測装置２０では、棒状材１９をチャンバ９側のみに突出させたが、図２に示す計測装置２０ａでは、棒状材１９ａをチャンバ９内とカッタ内１１に突出させる。棒状材１９ａは、板状部材１７に挿通されて、板状部材１７に固定されるか、ピン接合される。歪みゲージ２１ａは、棒状材１９ａのカッタ内１１側に設置される。

掘進機１ａがカッタ３を回転させて地山を掘削すると、カッタ３の板状部材１７に連結された計測装置２０ａは、掘削土砂が充満したチャンバ９内を回転移動する。計測装置２０ａの歪みゲージ２１ａは、チャンバ９内の掘削土砂から受ける力による棒状材１９ａのたわみ（変位もしくは変形）を計測する。計測装置２０ａでは、コンピュータ（図示せず）等に歪みゲージ２１ａが計測した計測値を送り、計測値に基づいてチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

このように、第１、第２の実施の形態では、カッタ３に連結した棒状材１９（棒状材１９ａ）に取り付けた歪みゲージ２１（歪みゲージ２１ａ）を用いて棒状材１９（棒状材１９ａ）のたわみを計測することにより、チャンバ９内の掘削土砂の性状をリアルタイムで確認できる。第１、第２の実施の形態では、カッタ３に連結した棒状材１９（棒状材１９ａ）に歪みゲージ２１（歪みゲージ２１ａ）を取り付けるため、チャンバ９内の掘削土砂の性状を従来の方法と比べて合理的に把握できる。

なお、第１、第２の実施の形態において、計測装置２０（計測装置２０ａ）の棒状材１９（棒状材１９ａ）の形状は棒状に限らない。さらに、計測装置２０（計測装置２０ａ）の歪みゲージ２１（歪みゲージ２１ａ）の設置位置は、図１、図２に示す位置でなくてもよい。計測装置は、カッタ３による切削面より後方においてカッタ３に連結され、カッタ３の回転とともに回転移動するような部材に、チャンバ９内の掘削土砂によるたわみを検出できるように歪みゲージを設置したものであればよい。

図３は、他の掘削機の計測装置付近を示す図である。図３の（ａ）図は、掘削機１ｂの計測装置２０ｂ付近を示す図である。図３の（ａ）図に示すように、掘進機１ｂは、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、計測装置２０のかわりに計測装置２０ｂが設置される。

計測装置２０ｂは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９、棒状材１９に固定された付属部品２７、付属部品２７に設置された歪みゲージ（図示せず）、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９は、一端が板状部材１７に固定されるか、ピン接合される。歪みゲージ（図示せず）は、棒状材１９のたわみを検出できるような位置に設置される。

図３の（ｂ）図は、掘削機１ｃの計測装置２０ｃ付近を示す図である。図３の（ｂ）図に示すように、掘進機１ｃは、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、計測装置２０のかわりに計測装置２０ｃが設置される。

計測装置２０ｃは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９ｃ、棒状材１９ｃに設置された歪みゲージ（図示せず）、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９ｃは、所定の角度で板状部材１７に挿通されて、板状部材１７に固定されるか、ピン接合される。歪みゲージ（図示せず）は、棒状材１９ｃのたわみを検出できるような位置に設置される。

図３に示す計測装置２０ｂ、計測装置２０ｃは、カッタ３の回転とともに掘削土砂が充満したチャンバ９内を回転移動し、チャンバ９内の掘削土砂から受ける力による棒状材１９（棒状材１９ｃ）のたわみ（変位もしくは変形）を歪みゲージ（図示せず）で計測し、計測値に基づいてコンピュータ（図示せず）等でチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

図３に示すような計測装置を用いた場合にも、第１、第２の実施の形態と同様に、カッタ３に連結した棒状材に取り付けた歪みゲージを用いて棒状材のたわみを計測することにより、チャンバ９内の掘削土砂の性状をリアルタイムで確認できる。また、カッタ３に連結した棒状材に歪みゲージを取り付けるため、チャンバ９内の掘削土砂の性状を従来の方法と比べて合理的に把握できる。

さらに、図１から図３では、センサとして歪みゲージを用いて、棒状材のたわみを計測したが、歪みゲージ以外のセンサを用いて棒状材の変位や変形を計測してもよい。例えば、図１に示す歪みゲージ２１の位置にロードセル等を設置して、棒状材の変位を計測する場合もある。

また、計測装置では、掘削土砂から受ける力による棒状材の変位や変形以外の値を計測して、チャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する場合もある。

図４は、他の掘削機の計測装置付近を示す図である。図４の（ａ）図は、掘削機１ｄの計測装置２０ｄ付近を示す図である。図４の（ａ）図に示すように、掘進機１ｄは、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、計測装置２０のかわりに計測装置２０ｄが設置される。

計測装置２０ｄは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９ｄ、棒状材１９ｄに設置されたロードセル２３、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９ｄは、板状部材１７に挿通されて、板状部材１７にピン接合される。ロードセル２３は、カッタ内１１に配置される。ロードセル２３は、棒状材１９ｄと板状部材１７の連結部を支点として、てこの作用点となるような位置に配置される。

図４の（ｂ）図は、掘削機１ｅの計測装置２０ｅ付近を示す図である。図４の（ｂ）図に示すように、掘進機１ｅは、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、計測装置２０のかわりに計測装置２０ｅが設置される。

計測装置２０ｅは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９ｅ、棒状材１９ｅに設置されたピン型ロードセル２５、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９ｅは、板状部材１７に挿通されて、板状部材１７にピン接合される。ピン型ロードセル２５は、カッタ内１１に配置される。ピン型ロードセル２５は、棒状材１９ｅと板状部材１７の連結部を支点として、てこの作用点となるような位置に配置される。

図４に示す計測装置２０ｄ、計測装置２０ｅは、カッタ３の回転とともに掘削土砂が充満したチャンバ９内を回転移動し、棒状材１９ｄ、棒状材１９ｅがチャンバ９内の掘削土砂から受ける土圧や水圧等の力をロードセル２３、ピン型ロードセル２５で計測し、計測値に基づいてコンピュータ（図示せず）等でチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

図４では、センサとしてロードセル２３やピン型ロードセル２５を用いたが、棒状材がチャンバ９内の掘削土砂から受ける力を計測してチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する場合、これらのセンサのかわりに、シリンダ等の油圧を計測するセンサや圧力センサを用いてもよい。また、ロードセル２３やピン型ロードセル２５を用いて棒状材がチャンバ９内の掘削土砂から受ける力を計測する場合、棒状材の形状や設置位置は、図４に示すものに限らない。

図５は、他の掘削機１ｆの計測装置付近を示す図である。図５に示すように、掘進機１ｆは、図４に示す掘進機１ｄや掘進機１ｅとほぼ同様の構成であるが、計測装置２０ｄや計測装置２０ｅのかわりに計測装置２０ｆが設置される。

計測装置２０ｆは、カッタ３の板状部材１７に連結され、チャンバ９内に突出した棒状材１９ｆ、棒状材１９ｆに設置されたロードセルまたはピン型ロードセル（図示せず）、コンピュータ（図示せず）等からなる。棒状材１９ｆは、カッタスポーク５および板状部材１７に挿通され、板状部材１７にピン接合される。ロードセルまたはピン型ロードセル（図示せず）は、カッタスポーク５から棒状材１９ｆが突出した部分２９に配置される。ロードセルやピン型ロードセルは、棒状材１９ｆと板状部材１７の連結部を支点として、てこの作用点となるような位置に設置される。

図５に示す計測装置２０ｆは、カッタ３の回転とともに掘削土砂が充満したチャンバ９内を回転移動し、チャンバ９内の掘削土砂から受ける力による棒状材１９ｆの変位をロードセルやピン型ロードセル（図示せず）で計測し、計測値に基づいてコンピュータ（図示せず）等でチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

図４、図５に示すような計測装置を用いた場合にも、カッタ３に連結した棒状材に取り付けたロードセルやピン型ロードセルを用いて棒状材が受ける力を計測することにより、チャンバ９内の掘削土砂の性状をリアルタイムで確認できる。また、カッタ３に連結した棒状材にロードセルやピン型ロードセルを取り付けるため、チャンバ９内の掘削土砂の性状を従来の方法と比べて合理的に把握できる。

次に、第３の実施の形態について説明する。図６は、掘進機３１の軸方向の断面図、図７は、掘進機３１の周方向の断面図である。図７は、図６のＡ−Ａによる断面図を示す。図６、図７に示すように、掘進機３１は、カッタ３、スキンプレート７、チャンバ９、排泥管３３、送泥管３５、計測装置２０等で構成される。

掘進機３１は、掘進機１とほぼ同様の構成であるが、隔壁１５に、排土装置１３が設置されず、排泥管３３と送泥管３５とが設置される点と、計測装置２０の設置箇所とが掘進機１とは異なる。

排泥管３３は、掘進機３１の下半部の隔壁１５に固定され、送泥管３５は、掘進機３１の上半部の隔壁１５に固定される。計測装置２０は、構成や板状部材１７との連結方法は、掘進機１に設置されたものと同様であるが、掘進機３１では、計測装置２０の棒状材１９を板状部材１７の外周付近に連結するのが望ましい。すなわち、掘進機３１では、計測装置２０を、棒状材１９とスキンプレート７との距離が棒状材１９と掘進機３１の中心との距離よりも小さくなるような位置に設置するのが望ましい。

掘進機３１は、図７の矢印Ｂに示す方向にカッタ３を回転させ、カッタスポーク５に取り付けられたビット（図示せず）を用いて地山を掘削する。掘進機３１は、カッタ内１１に流入した掘削土をチャンバ９内に取りこみ、送泥管３５からチャンバ９内に送りこまれた送泥水と混合した後、排泥管３３を用いて排出する。

掘進機３１がカッタ３を回転させて地山を掘削すると、カッタ３の板状部材１７に連結された計測装置２０は、泥水３９や土砂３７（図７）が充満したチャンバ９内を回転移動する。計測装置２０の歪みゲージ２１は、チャンバ９内の泥水３９や土砂３７から受ける力による棒状材１９のたわみ（変位もしくは変形）を計測する。計測装置２０では、コンピュータ（図示せず）等に歪みゲージ２１が計測した計測値を送り、計測値に基づいてコンピュータ（図示せず）等でチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

掘削機３１のチャンバ９内では、掘削土と送泥水とが混合されるが、砂や砂礫地盤の場合で、泥水の粘性が低くなると、図７に示すように、土砂３７がチャンバ９内の下方に沈降しやすくなる。チャンバ９内に土砂３７が堆積していると、計測装置２０が土砂３７内を移動しているときの抵抗が、泥水３９内を移動しているときの抵抗より大きくなるため、歪みゲージ２１による計測値が変化する。

計測装置２０を用いることにより、歪みゲージ２１による計測値とカッタ３の回転角との関係から、土砂３７の堆積範囲を検知することができる。また、歪みゲージ２１による計測値から土砂３７の固化度を把握し、チャンバ９内の土砂３７による閉塞を検知することができる。

このように、第３の実施の形態では、カッタ３に連結した棒状材１９に取り付けた歪みゲージ２１を用いて棒状材１９のたわみを計測することにより、チャンバ９内の掘削土砂の性状をリアルタイムで確認できる。第３の実施の形態では、カッタ３に連結した棒状材１９に歪みゲージ２１を取り付けるため、チャンバ９内の掘削土砂の性状を、土砂３７の堆積の有無や堆積範囲を含めて、合理的に把握できる。

なお、第３の実施の形態において、計測装置２０の棒状材１９の形状は棒状に限らない。また、計測装置２０の歪みゲージ２１の設置位置は、図６に示す位置でなくてもよい。計測装置は、例えば図３に示すように、カッタ３による切削面より後方においてカッタ３に連結され、カッタ３の回転とともに回転移動するような部材に、チャンバ９内の掘削土砂によるたわみを検出できるように歪みゲージを設置したものであればよい。

さらに、第３の実施の形態においても、第１および第２の実施の形態で図４から図５を用いて説明したような、センサとしてロードセル２３やピン型ロードセル２５、シリンダ等の油圧を計測するセンサ、圧力センサ等を用いた他の計測装置を適用することができる。他の計測装置を用いた場合にも、チャンバ９内の掘削土砂の性状を、土砂３７の堆積の有無や堆積範囲を含めて、合理的に把握できる。

第１、第２の実施の形態では、掘進機１（掘進機１ａ）に複数の計測装置２０（計測装置２０ａ）を設置し、第３の実施の形態では、掘進機３１に１つの計測装置２０を設置したが、計測装置の設置数は、これらに限らない。計測装置の設置数や設置箇所は、掘進機の種類や計測の目的に応じて設定される。例えば、図１、図２に示すような泥土圧式シールド機では、計測装置は、チャンバ内の土砂の性状を適切に把握できる位置を通過するように設置される。図６に示すような泥水式シールド機では、計測装置は、チャンバ内で堆積土砂が生じる可能性のある位置を通過するように設置される。

以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる掘進機および計測装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

図１から図３、図６、図７では、歪みゲージ等を用いて棒状材の変位や変形を計測してチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する計測装置について、図４および図５では、ロードセル等を用いて棒状材にかかる力を計測してチャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する計測装置について説明したが、計測装置に用いるセンサやセンサで計測する計測値の種類はこれらに限らない。

例えば、計測装置を、カッタ３による切削面より後方においてカッタ３に連結され、カッタ３の回転とともに回転移動する部材と、その部材に設置した間隙水圧計と、コンピュータ等とで構成してもよい。この場合、間隙水圧計によりチャンバ９内の掘削土砂の水圧を計測して、チャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

また、計測装置を、カッタ３による切削面より後方においてカッタ３に連結され、カッタ３の回転とともに回転移動する部材と、その部材に設置したＲＩ計器と、コンピュータ等とで構成してもよい。この場合、ＲＩ計器によりチャンバ９内の掘削土砂の密度および含水比を計測して、チャンバ９内の掘削土砂の性状を把握する。

第１、第２の実施の形態では泥土圧式シールド機を、第３の実施の形態は泥水式シールド機を例に挙げて説明したが、本発明の掘進機および計測装置は、これらのシールド機以外の掘進機にも適用できる。

掘進機１の軸方向の断面図 掘進機１ａの軸方向の断面図 他の掘削機の計測装置付近を示す図 他の掘削機の計測装置付近を示す図 他の掘削機１ｆの計測装置２０ｆ付近を示す図 掘進機３１の軸方向の断面図 掘進機３１の周方向の断面図

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、３１………掘進機
３………カッタ
９………チャンバ
１１………カッタ内
１５………隔壁
１７………板状部材
１９、１９ａ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ………棒状材
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ………計測装置
２１、２１ａ………歪みゲージ
２３………ロードセル
２５………ピン型ロードセル

Claims (3)

1. カッタによる切削面より後方において前記カッタに連結され、チャンバ内に突出して設けられ、前記カッタの回転とともに回転移動する部材にセンサを設け、前記センサによる計測値を用いてチャンバ内の土砂の性状を把握する掘進機であって、
   前記カッタは、板状のカッタスポークと前記カッタスポークの後方に設けられた板状部材とを具備し、
   前記部材は、前記板状部材に挿通され、前記板状部材にピン接合されてなり、
   前記センサの設置位置は、前記カッタ内であり、前記部材と前記板状部材との接合部を支点として、てこの作用点となる位置であることを特徴とする掘進機。
2. カッタによる切削面より後方において前記カッタに連結され、チャンバ内に突出して設けられ、前記カッタの回転とともに回転移動する部材にセンサを設け、前記センサによる計測値を用いてチャンバ内の土砂の性状を把握する掘進機であって、
   前記カッタは、板状のカッタスポークと前記カッタスポークの後方に設けられた板状部材とを具備し、
   前記部材は、前記カッタスポークおよび前記板状部材に挿通され、前記板状部材にピン接合されてなり、
   前記センサの設置位置は、前記部材の前記カッタスポークから突出した部分であり、前記部材と前記板状部材との接合部を支点として、てこの作用点となる位置であることを特徴とする掘進機。
3. 前記センサは、ロードセルまたはピン型ロードセルであることを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の掘進機。

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