JP4734547B2 - シールド掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、馬蹄形断面、楕円形断面或いは矩形断面等の異形断面を掘削するためのシールド掘進機に係り、特に、二つの油圧ジャッキにより駆動されるビームカッタを備えたシールド掘進機に関する。

シールド掘進機は、シールド本体の前部に設けられた回転カッタで地山を掘削して、その後方でセグメントを順次組立てることにより、トンネルを構築していくものである。回転カッタの前面には複数のビットが配置されており、回転カッタを回転させてビットにより地山を掘削するようになっている。

ところで、道路の横方向の占有幅が上下方向の占有幅より大きいことから、道路用トンネルの断面は、円形断面よりも、上下方向に比べて横方向が広くなる馬蹄形断面が理想的である。つまり、道路用トンネルを馬蹄形断面とすると、円形断面に比べて上下方向に無駄な空間が少なく、建設コストが安価となるという利点がある。

馬蹄形断面、楕円形断面或いは矩形断面等の異形断面を掘削するシールド掘進機としては、例えば、シールド本体の前部に設けられ、掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される回転カッタと、その回転カッタのカッタスポークに設けられ、回転カッタの外周縁よりも半径方向外側に出没自在なオーバカッタとを備えたものが知られている。このようなシールド掘進機では、オーバカッタを回転カッタの外周縁よりも半径方向外側に突出させ、そのオーバカッタにより回転カッタの外周縁よりも半径方向外側の領域を掘削するようになっている。

なお、引用文献１には、円形のメインカッタの外周に開閉自在にスイングカッタを設けたシールド掘進機が記載されている。

特開平１１−３０３５８１号公報

本発明者らは、馬蹄形断面、楕円形断面或いは矩形断面等の異形断面を掘削するシールド掘進機を新規開発中である。

このシールド掘進機は、シールド本体の前部に回転自在に設けられたカッタフレームに、その半径方向に沿って且つカッタフレームの周方向に互いに所定角度となるように配置された二つの油圧ジャッキと、ビーム状に形成され、その長手方向端部よりも長手方向内側の部分が二つの油圧ジャッキの伸縮端部に回動自在に支持されたビームカッタ（商標登録出願中）とを備えている。

このシールド掘進機においては、二つの油圧ジャッキを伸縮させることにより、二つの油圧ジャッキの内一方の伸縮端部をカッタフレームの半径方向外側に移動させ、他方の伸縮端部をカッタフレームの半径方向内側に移動させ、ビームカッタの長手方向端部をカッタフレームの半径方向外側に突出させるようになっている。

このようなシールド掘進機にあっては、二つの油圧ジャッキの伸縮端部間の距離は常に一定となるので、二つの油圧ジャッキが伸縮するストロークを正確に制御する必要があるが、二つの油圧ジャッキのストロークを正確に制御することができる制御方法は確立されていないという課題があった。

そこで、本発明の目的は、ビームカッタを駆動する二つの油圧ジャッキのストロークを正確に制御することができるシールド掘進機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、シールド本体の前部に回転自在に設けられたカッタフレームと、該カッタフレームにその半径方向に沿って且つ上記カッタフレームの周方向に互いに所定角度となるように配置された第一及び第二油圧ジャッキと、ビーム状に形成され、その長手方向端部よりも長手方向内側の部分が上記第一及び第二油圧ジャッキの伸縮端部に回動自在に支持されたビームカッタとを備えたシールド掘進機において、上記カッタフレームの回転角度を検出するための回転角度検出手段と、上記第一及び第二油圧ジャッキのストロークをそれぞれ検出するための第一及び第二ストローク検出手段と、上記第一及び第二油圧ジャッキに供給する油量をそれぞれ制御するための第一及び第二制御弁と、これら第一及び第二制御弁の開度を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、上記回転角度検出手段で検出した回転角度に基づいて上記第一及び第二油圧ジャッキのストローク設定値をそれぞれ決定し、且つ、上記第一油圧ジャッキのストローク設定値と上記第一ストローク検出手段で検出された上記第一油圧ジャッキのストローク検出値との偏差がゼロとなるように、上記第一制御弁の開度を制御すると共に、上記第二油圧ジャッキのストローク設定値と上記第二ストローク検出手段で検出された上記第二油圧ジャッキのストローク検出値との偏差がゼロとなるように、上記第二制御弁の開度を制御するものである。

本発明によれば、ビームカッタを駆動する二つの油圧ジャッキを正確に制御することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。図５は、図２のＶ−Ｖ線矢視断面図である。

図１から図５に示すように、シールド掘進機１は、シールド本体２と、シールド本体２の前部に回転自在に設けられ、円形断面を掘削する回転カッタ３とを備えている。シールド本体２は、上下方向（図１中の上下方向）に比べて横方向（図１中の左右方向）に広い馬蹄形断面であって、上下方向の中央よりも下部側で横幅が最も広くなるように形成されている。回転カッタ３は、掘進方向と平行な軸廻りに回転駆動される。

シールド本体２の後部には、回転カッタ３及び後述するビームカッタ４により掘削した孔内にセグメントを組立ててトンネル（道路用トンネル）を構築するためのエレクタ（図示せず）と、シールド本体２の内周に所定間隔を隔てて複数設けられ、セグメントに反力を取ってシールド本体２を推進させるためのシールドジャッキ（図示せず）とが設けられる。

回転カッタ３と、シールド本体２の前端部近傍に設けられたバルクヘッド（隔壁）５との間には、回転カッタ３及びビームカッタ４により掘削した土砂（掘削土砂）を取り込むチャンバ６が形成される。バルクヘッド５の下部には、これを貫通してチャンバ６に開口するスクリュコンベア７が設けられる。

回転カッタ３は、バルクヘッド５に回転自在に設けられている。回転カッタ３は、その回転中心から半径方向外側に延出し、掘進方向と平行な軸廻りに回転されるカッタフレーム８を有している。カッタフレーム８の前面には、その半径方向中央にセンタビット９が配置され、そのセンタビット９よりも外周側に複数のカッタビット１０が配置されている。これらセンタビット９及びカッタビット１０は、回転カッタ３の外周縁よりも半径方向内側の地山に当接される。カッタフレーム８の後面には、後方に延出してチャンバ６内の掘削土砂を撹拌するための撹拌翼１１が設けられている。

カッタフレーム８は、中心部材１２と、中心部材１２に放射状に取り付けられた複数（図示例では八本）のカッタスポーク１３、１４とを有している。つまり、各カッタスポーク１３、１４は、回転カッタ３の回転中心から半径方向外側に延出している。

ここで、カッタスポーク１３、１４は、第一カッタスポーク１３と第二カッタスポーク１４との二種類から構成されている。本実施形態では、八本のカッタスポーク１３、１４のうち四本が第一カッタスポーク１３とされ、残りの四本が第二カッタスポーク１４とされている。

第一カッタスポーク１３は、回転カッタ３の周方向に所定間隔を隔てて、少なくとも一つの他の第一カッタスポーク１３に隣接される。

第二カッタスポーク１４は、回転カッタ３の周方向に所定間隔を隔てて、第一カッタスポーク１３或いは他の第二カッタスポーク１４に隣接される。

回転カッタ３の周方向に隣接する第一カッタスポーク１３同士、回転カッタ３の周方向に隣接する第二カッタスポーク１４同士、或いは、回転カッタ３の周方向に隣接する第一カッタスポーク１３と第二カッタスポーク１４とは、それらの半径方向中間部にて中間部材１６により連結されている。

周方向に隣接する第一カッタスポーク１３同士は、その外周部にて外周部材１７ａにより連結されている。

周方向に隣接する第二カッタスポーク１４同士は、その外周部にて外周部材１７ｂにより連結されている。

第二カッタスポーク１４は、ビームカッタ４が駆動された際にそのビームカッタ４を挿通し得るように、側部が開放された箱状に形成されている（図１、図２及び図５参照）。

バルクヘッド５には、ギヤ２０を有するリング状部材２１が回転自在に支持されている。リング状部材２１は、回転カッタ３のカッタフレーム８から後方に延出する複数の中間ビーム２２によって、カッタフレーム８と連結されている。中間ビーム２２は、回転カッタ３の周方向に所定間隔を隔てて複数設けられる。シールド本体２内には、リング状部材２１を回転させるための複数の駆動モータ２３（本実施形態では、油圧モータ）が設けられている。駆動モータ２３にはピニオン２４が取り付けられており、そのピニオン２４がリング状部材２１に設けられたギヤ２０と歯合するようになっている。

バルクヘッド５には、リング状部材２１を回転自在に支持する支持機構２５が設けられている。支持機構２５は、ケーシング２６と、ケーシング２６内に収容され、リング状部材２１を支持するための軸受２７、２８と、シールド本体２内に土砂が侵入するのを防止するためのシール機構２９とを有している。

回転カッタ３には、回転カッタ３の外周縁よりも半径方向内側の所定位置から回転カッタ３の略半径方向外側に延出し、且つ、回転カッタ３の周方向に互いに所定角度となるように配置された二つのガイドが設けられる。

本実施形態では、上記二つのガイドは、回転カッタ３の周方向に互いに隣接する二本の第一カッタスポーク１３に設けられており、中心部材１２に取り付けられた固定スポーク３０と、固定スポーク３０に収容され、回転カッタ３の半径方向（固定スポーク３０の長手方向）に移動自在なガイドスポーク３１とから構成されている。

各第一カッタスポーク１３にはそれぞれ、各第一カッタスポーク１３の長手方向、つまり回転カッタ３の半径方向に沿って移動自在な支持部３２が設けられている。

各支持部３２は、第一カッタスポーク１３のガイドスポーク３１先端部に設けられたケーシング３３と、ケーシング３３内に収容され、後述するビームカッタ本体３４のピン３５を支持するための軸受３６、３７、３８と、ケーシング３３内に土砂が侵入するのを防止するためのシール機構３９とを有している。

シールド掘進機１は、回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側の地山を掘削するためのビームカッタ４を備えている。ビームカッタ４は、ビーム状に形成されたビームカッタ本体３４を有している。ビームカッタ本体３４は、その長手方向両端部よりも長手方向内側の部分にて各第一カッタスポーク１３の支持部３２に回動自在に支持されている。本実施形態では、ビームカッタ本体３４の長手方向両端部よりも長手方向内側の部分にはピン３５が設けられており、このピン３５にてビームカッタ本体３４は、各第一カッタスポーク１３の支持部３２に回動自在に支持されている。

各支持部３２を、各第一カッタスポーク１３の長手方向、つまり回転カッタ３の半径方向に沿って移動するためのアクチュエータとしての二つの油圧ジャッキ（第一及び第二油圧ジャッキ）４０ａ、４０ｂが設けられる。図３及び図５に示すように、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂはそれぞれ、ガイドスポーク３１に取り付けられたシリンダチューブ４１と、シリンダチューブ４１の一端に装着された円盤状のヘッド４１ｈ（図６参照）と、シリンダチューブ４１の他端に装着された円盤状のキャップ４１ｃ（図６参照）と、シリンダチューブ４１内にその軸方向に摺動自在に設けられ、ヘッド側油圧室４２とキャップ側油圧室４３とを区画するピストン４４（図６参照）と、一端がピストン４４に連結され、他端が中心部材１２に連結されたロッド４５とを有している。つまり、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂは、回転カッタ３のカッタフレーム８に、カッタフレーム８の半径方向に沿って且つカッタフレーム８の周方向に互いに所定角度となるように配置されている。

図６に示すように、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂにはそれぞれ、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂを作動する油圧回路４６が接続されている。第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのヘッド側油圧室４２と油圧回路４６とを結ぶヘッド側油圧供給ライン４７にはそれぞれ、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのヘッド側油圧室４２に供給する油量を制御するためのヘッド側の第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂが設けられている。また、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのキャップ側油圧室４３と油圧回路４６とを結ぶキャップ側油圧供給ライン４９にはそれぞれ、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのキャップ側油圧室４３に供給する油量を制御するためのキャップ側の第一及び第二制御弁５０ａ、５０ｂが設けられている。本実施形態では、ヘッド側の第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂ、キャップ側の第一及び第二制御弁５０ａ、５０ｂとして、サーボ弁を用いている。

各支持部３２を回転カッタ３の半径方向外側に移動させる際には、油圧回路４６、ヘッド側の第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂ、キャップ側の第一及び第二制御弁５０ａ、５０ｂを伸長側に作動させて、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂを伸長させる。一方、各支持部３２を回転カッタ３の半径方向内側に移動させる際には、油圧回路４６、ヘッド側の第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂ、キャップ側の第一及び第二制御弁５０ａ、５０ｂを縮退側に作動させて、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂを縮退させる。

図１及び図４に示すように、ビームカッタ本体３４の長手方向両端部の前面には、複数のカッタビット５１が配置されている。これらカッタビット５１は、回転カッタ３のカッタビット１０よりもわずかに掘進方向後方に配置される。つまり、ビームカッタ本体３４の長手方向両端部が回転カッタ３の外周縁よりも半径方向内側に位置した状態では、ビームカッタ本体３４の長手方向両端部（カッタビット５１）は地山には当接されずチャンバ６内の掘削土砂を撹拌するのみである。また、ビームカッタ本体３４の長手方向一端部が回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側に突出した状態では、ビームカッタ本体３４の長手方向一端部（カッタビット５１）が回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側の地山に当接されて地山を掘削し、ビームカッタ本体３４の長手方向他端部（カッタビット５１）は地山には当接されずチャンバ６内の掘削土砂を撹拌するのみである。

シールド掘進機１は、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂによってビームカッタ本体３４の長手方向一端部を回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側に突出させるための制御手段としてのコントローラ５２を備えている（図６参照）。コントローラ５２は、ヘッド側の第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂ、キャップ側の第一及び第二制御弁５０ａ、５０ｂの開度をそれぞれ制御するようになっている。

ビームカッタ本体３４の長手方向一端部を回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側に突出させる際には、回転カッタ３の周方向に互いに隣接する二本の第一カッタスポーク１３のうち一方の第一カッタスポーク１３に設けられた一方の支持部３２を回転カッタ３の半径方向外側に移動させることにより、ビームカッタ本体３４の長手方向一端部が回転カッタ３の半径方向外側に移動されると共に、他方の第一カッタスポーク１３に設けられた他方の支持部３２を回転カッタ３の半径方向内側に移動させることにより、ビームカッタ本体３４の長手方向一端部が上記一方の支持部３２回りに回転カッタ３の半径方向外側へと回動される。

コントローラ５２には、回転カッタ３（カッタフレーム８）の回転角度を検出するための回転角度検出手段としての回転角度センサ５３が接続されている（図７参照）。また、コントローラ５２には、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストロークをそれぞれ検出するための第一及び第二ストローク検出手段としての第一及び第二ストロークセンサ５４ａ、５４ｂが接続されている（図６及び図７参照）。

以下、コントローラ５２による第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂの制御について図７により説明する。

図７に示すように、コントローラ５２は、回転角度センサ５３で検出された回転カッタ３の回転角度をルックアップテーブル５５に入力して第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストローク設定値をそれぞれ決定する。ルックアップテーブル５５には、回転カッタ３の回転角度に応じた第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストローク設定値が予め求められて入力されており、ルックアップテーブル５５に回転カッタ３の回転角度を入力することによって、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストローク設定値が求められる。

次いで、コントローラ５２は、第一油圧ジャッキ４０ａのストローク設定値と、第一ストロークセンサ５４ａで検出された第一油圧ジャッキ４０ａのストローク検出値とのストローク偏差を求め（ストローク偏差＝ストローク設定値−ストローク検出値）、そのストローク偏差がゼロとなるようなヘッド側の第一制御弁４８ａの開度、キャップ側の第一制御弁５０ａの開度等を決定する（Ｐ制御又はＰＩ制御）。

また、コントローラ５２は、第二油圧ジャッキ４０ｂのストローク設定値と、第二ストロークセンサ５４ｂで検出された第二油圧ジャッキ４０ｂのストローク検出値とのストローク偏差を求め（ストローク偏差＝ストローク設定値−ストローク検出値）、そのストローク偏差がゼロとなるようなヘッド側の第二制御弁４８ｂの開度、キャップ側の第二制御弁５０ｂの開度等を決定する（Ｐ制御又はＰＩ制御）。

そして、コントローラ５２は、決定した開度等に応じて第一及び第二制御弁４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂを制御して、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂに供給する油量を調節することで、第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストロークを所定値となるように制御する。

次に、本実施形態の作用を説明する。

地山を掘削する際には、図８に示すように、駆動モータ２３により回転カッタ３を回転駆動させると、その回転カッタ３によって地山が円形断面に掘削されて、円形断面の孔が形成される。

また、図８から図１０に示すように、回転カッタ３の回転角度に応じて、ビームカッタ本体３４の長手方向一端部を回転カッタ３の外周縁よりも半径方向外側に突出させると、回転カッタ３により形成された円形断面の孔の外周縁よりも半径方向外側の未掘削領域の地山が、ビームカッタ４（カッタビット５１）により掘削されて、円形断面の孔に連続された馬蹄形断面の孔が形成される。

ここで、本実施形態では、コントローラ５２が、回転角度センサ５３で検出されたカッタフレーム８の回転角度に基づいて第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストローク設定値をそれぞれ決定すると共に、第一及び第二ストロークセンサ５４ａ、５４ｂで第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストローク検出値をそれぞれ検出し、且つ、第一油圧ジャッキ４０ａのストローク設定値とストローク検出値とのストローク偏差がゼロとなるように、第一制御弁４０ａの開度を制御すると共に、第二油圧ジャッキ４０ｂのストローク設定値とストローク検出値とのストローク偏差がゼロとなるように、第二制御弁４０ｂの開度を制御するようにしている。

このように第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂのストロークを制御することで、二つの油圧ジャッキ（第一及び第二油圧ジャッキ４０ａ、４０ｂ）のストロークを正確に制御することが可能となり、ビームカッタ４によって掘削される馬蹄形断面の位置誤差を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 図２のＶ−Ｖ線矢視断面図である。 油圧ジャッキの概略図である。 制御手段による油圧ジャッキの制御を示すブロック図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。 馬蹄形断面を掘削するシールド掘進機の正面図である。

符号の説明

１ シールド掘進機
２ シールド本体
４ ビームカッタ
８ カッタフレーム
４０ａ 油圧ジャッキ（第一油圧ジャッキ）
４０ｂ 油圧ジャッキ（第二油圧ジャッキ）
４８ａ 制御弁（ヘッド側の第一制御弁）
４８ｂ 制御弁（ヘッド側の第二制御弁）
５０ａ 制御弁（キャップ側の第一制御弁）
５０ｂ 制御弁（キャップ側の第二制御弁）
５２ コントローラ（制御手段）
５３ 回転角度センサ（回転角度検出手段）
５４ａ ストロークセンサ（第一ストローク検出手段）
５４ｂ ストロークセンサ（第二ストローク検出手段）

Claims (1)

1. シールド本体の前部に回転自在に設けられたカッタフレームと、該カッタフレームにその半径方向に沿って且つ上記カッタフレームの周方向に互いに所定角度となるように配置された第一及び第二油圧ジャッキと、ビーム状に形成され、その長手方向端部よりも長手方向内側の部分が上記第一及び第二油圧ジャッキの伸縮端部に回動自在に支持されたビームカッタとを備えたシールド掘進機において、
   上記カッタフレームの回転角度を検出するための回転角度検出手段と、上記第一及び第二油圧ジャッキのストロークをそれぞれ検出するための第一及び第二ストローク検出手段と、上記第一及び第二油圧ジャッキに供給する油量をそれぞれ制御するための第一及び第二制御弁と、これら第一及び第二制御弁の開度を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、上記回転角度検出手段で検出した回転角度に基づいて上記第一及び第二油圧ジャッキのストローク設定値をそれぞれ決定し、且つ、
   上記第一油圧ジャッキのストローク設定値と上記第一ストローク検出手段で検出された上記第一油圧ジャッキのストローク検出値との偏差がゼロとなるように、上記第一制御弁の開度を制御すると共に、
   上記第二油圧ジャッキのストローク設定値と上記第二ストローク検出手段で検出された上記第二油圧ジャッキのストローク検出値との偏差がゼロとなるように、上記第二制御弁の開度を制御することを特徴とするシールド掘進機。

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