JP5806253B2

JP5806253B2 - 推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法

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Publication number: JP5806253B2
Application number: JP2013079287A
Authority: JP
Inventors: 昌晴富田; 哲夫栗原; 十郎濱田
Original assignee: ヤスダエンジニアリング株式会社
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: JP2014201975A

Description

この発明は、トンネル工事施工における、推進工法又はシールド工法に適用される掘進機の掘進方法に関し、特に掘進機の切削ビットの損傷を抑制するものに係る。

従来のトンネル掘進機である特許文献１は、切削刃を長持ちさせ傷めないようにするために、切削ビット，切削チップ及びその取付構造に工夫を凝らしたカッターヘッドが開示されている。特許文献２は、この出願の出願人を含む出願で、掘進機において、金属部材を含む障害物を探査する電磁波送受信機を開示している。

特開平１１−２１０３７９号公報特開２０１２−２５１９３２号公報

しかし、特許文献１の特殊な切削刃構造を有するカッターヘッドであっても、掘進方向の前方に存在する障害物、例えは、予期しない残され廃棄された鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭などがあった場合は、切削刃が損傷を受け短距離で切削刃を取り替えざるをえない状況が発生する問題があった。掘進機は一旦、切削刃が損傷を受け取り替えることになると、多大の労力と時間を要し、工事計画にも影響するので、工事完了まで、あるいは、所定距離（３００ｍ程度）掘進するまでは、切削刃を取り替えずに工事を終えることが強く要望されている。
この発明は、上述した問題を解消しようとするもので、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる推進工法又はシールド工法用掘進機の掘進方法を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる推進工法又はシールド工法用掘進機の掘進方法は、推進工法又はシールド工法用掘進機において、切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、前記障害物が鉄筋コンクリートの場合は、前記カッターヘッドの掘進速度が０．０５〜１．３ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鉄筋コンクリートを切削するようにしたものである。

また、この発明に係わる推進工法又はシールド工法用掘進機の掘進方法は、推進工法用又はシールド工法用掘進機において、切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、前記障害物が鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭の場合は、前記カッターヘッドの掘進速度が０．０５〜０．１１ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭を切削するようにしたものである。
また、前記障害物センサは、電磁波送受信機である。

さらに、この発明に係わる推進工法又はシールド工法用掘進機の掘進方法は、推進工法用又はシールド工法用掘進機において、切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、前記伸縮装置における前記伸縮ジャッキは複数個であり、複数個の前記伸縮ジャッキを前記伸縮管の内周壁に周方向に分散して配置し、前記カッターヘッドの掘進速度を制御するに当たっては、複数個の前記伸縮ジャッキの中で掘進方向において最先端位置に推進している前記伸縮ジャッキの推進を停止させると共に、最後端位置に推進している前記伸縮ジャッキの油圧を調整して所望の掘進速度になるようにしたものである。

この発明の推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法によれば、カッターヘッドは駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に、障害物センサで金属部材を含む障害物を検出したときは、本体推進ジャッキによる推進を停止し、カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、伸縮装置でカッターヘッドを掘進方向に推進させて、障害物を切削するようにしたので、作業効率の減少を抑えた状態で、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。さらに、伸縮ジャッキを有する伸縮装置を用いて、カッターヘッドを掘進方向に推進させるので、超低速の掘進速度を容易に達成できる。また、鉄筋コンクリートの切削時においても、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。

また、この発明の推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法によれば、カッターヘッドは駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に、障害物センサで金属部材を含む障害物を検出したときは、本体推進ジャッキによる推進を停止し、カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、伸縮装置でカッターヘッドを掘進方向に推進させて、障害物を切削するようにしたので、作業効率の減少を抑えた状態で、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。さらに、伸縮ジャッキを有する伸縮装置を用いて、カッターヘッドを掘進方向に推進させるので、超低速の掘進速度を容易に達成できる。また、鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭の切削時においても、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。
また、障害物センサが、電磁波送受信機であるので、金属部材を含む障害物を精度よく検出できる。

さらに、この発明の推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法によれば、カッターヘッドは駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に、障害物センサで金属部材を含む障害物を検出したときは、本体推進ジャッキによる推進を停止し、カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、伸縮装置でカッターヘッドを掘進方向に推進させて、障害物を切削するようにしたので、作業効率の減少を抑えた状態で、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。さらに、伸縮ジャッキを有する伸縮装置を用いて、カッターヘッドを掘進方向に推進させるので、超低速の掘進速度を容易に達成できる。また、複数個の伸縮ジャッキの掘進方向における推進位置を平均化できると共に、掘進速度を所望の掘進速度に調整できる。

この発明の実施の形態１における推進工法用又はシールド工法用掘進機を示す断面図である。図１に示す伸縮管の拡大縦断面図である。図１に示す伸縮管の拡大横断面図である。実施の形態１における伸縮ジャッキの制御系統図である。鉄筋コンクリートを切削するときのカッターヘッドの掘進速度（ｍｍ／ｍｉｎ）と駆動機のトルク（％）の関係を示す図である。鋼矢板を切削するときのカッターヘッドの掘進速度（ｍｍ／ｍｉｎ）と駆動機のトルク（％）の関係を示す図である。図１に示すカッターヘッド部の拡大縦断面図である。図１に示すカッターヘッド部の拡大前面図である。伸縮装置の他の配置例を示す掘進機の説明図である。実施の形態２の障害物センサである電磁波送受信機を示す構成図である。実施の形態２の電磁波送受信機における回路部を示すブロック構成図である。実施の形態２の電磁波送信機の送信電流と送信磁場を示す波形図である。実施の形態２の電磁波送受信機における初期値のΔφoを示す図である。実施の形態２の電磁波送受信機における掘削時のΔφjを示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である推進工法用又はシールド工法用掘進機を示す断面図である。図において、掘進機１は発進立坑３５の側面に設けられた開口３６よりほぼ水平方向に、油圧で制御される本体推進ジャッキ３７で掘進方向に推進される。この場合は、本体推進ジャッキ３７は、掘進機１のみならず推進管２５も推進する。本体推進ジャッキ３７は発進立坑３５内に設置された支圧壁３８で支持される。掘進機１の先端部には、カッターヘッド４がその回転軸４ａを隔壁５に支承されて配置される。カッターヘッド４には、掘進方向における前部に、複数のローラービット２０と複数の切削ビット２１が保持される。カッターヘッド４の後部側面は、先端円筒体２で覆われており、先端円筒体２の内周側でカッターヘッド４が回転自在に保持される。カッターヘッド４は隔壁５に保持された駆動機（モーター）１３でギヤを介して回転駆動される。駆動機１３は掘進機１が大きくなれば、複数個設置される。

前記先端円筒体２に続いて後続円筒体３が配置される。前記先端円筒体２と後続円筒体３にまたがって方向修正ジャッキ１４が設置され、掘進機１の掘進方向を制御する。後続円筒体３に接続され、つまり、隔壁５に連なる円筒状伸縮管６が設けられる。円筒状伸縮管６には、その内周壁に周方向に等間隔で、例えば６個の伸縮ジャッキ７が設置される。伸縮ジャッキ７は円筒状伸縮管６の掘進方向の前端部と後端部間にまたがって設置され、伸縮ジャッキ７で円筒状伸縮管６を伸長させることにより、超低速の掘進速度で掘進機１、つまりカッターヘッド４を推進させることができる。伸縮管６は円筒状である必要は無く、断面が矩形状であってもよい。また、伸縮ジャッキ７は伸縮管６の内周壁に必ずしも配置する必要はなく、伸縮管６の中央部に配置してもよい。制御盤８は伸縮ジャッキ７を制御する。油圧ポンプ９は伸縮ジャッキ７に作動油を供給する。電磁弁１０は油圧ポンプ９と伸縮ジャッキ７間にある弁で、電磁石と弁を組み合わせ、電流をＯＮ，ＯＦＦすることにより、作動油を流したり、止めたり、又は流れの方向を切り換える。

円筒状注入管１７は前記伸縮管６に接続され、ボーリングマシン１８を設置する筒体である。推進管２５は前記注入管１７に接続され、推進工法において、掘進機１の後方から掘進距離が進むにつれて順次継ぎ足して挿入される筒状の管である。推進管２５は鉄筋コンクリート製が主流で、他に鋼管、ダクタイル鋳鉄管、レジンコンクリート管などがある。

管内操作台車２６は掘進機１の後続の推進管２５内に配置され、掘進機１を作動させる操作盤１５等が設置される。油圧で制御される前記本体推進ジャッキ３７の操作盤も管内操作台車２６に配置されている。さらに、油圧で制御される伸縮ジャッキ７の操作盤４４（後述）も管内操作台車２６に配置されている。管内操作台車２６は、この場合は管内に設置されているが、発進立坑３５の外部でその近傍に設置してもよい。操作盤１５は掘進機１を遠隔で操作できるように、掘進機１のスイッチ、計測メーター類を集約した盤である。動力線１６ｃはカッターヘッド４の駆動機１３に接続され、駆動機１３に電力を供給する。電流計１６ｂは動力線１６ｃを流れる電流を計測し、その検出電流値をトルク計１６ａに出力する。トルク計１６ａは、動力線１６ｃを流れる電流値に基づく、カッターヘッド４の駆動機１３の負荷からカッターヘッド４の掘進時のトルク（％）を推定する。トルク計１６ａは定格トルクを１００トルク（％）として、掘進時のトルク（％）で表示する。

送信コイル１１は電磁波送受信機（後述）の構成要素であり。先端円筒体２の外周に沿う環状溝に巻回されて設置される。受信コイル１２は電磁波送受信機の構成要素であり、先端円筒体２の外周に設けた凹部に設置されている。排泥バルブ２２は隔壁５に設けられ、泥，土砂の取り込みを制御する。排泥タンク１９は排泥バルブ２２からホースで導かれ掘進機１内に取り込んだ泥，土砂を一旦仮置きするタンクであり、泥，土砂は、排泥タンク１９より外部に真空ポンプ引きで排出される。

掘進機１は、駆動機１３でカッターヘッド４をその外周部の周速度がほぼ一定になるように回転させている。カッターヘッド４の前部の中心部から放射状に多数の切削ビット２１が設置されている。カッターヘッド４の外周部における周速度は、カッターヘッド４の直径が約５．０ｍから０．９ｍの場合、経験的に普通土（砂，粘土，砂質土など礫含有率３０％未満の土質）の場合３０ｍ/minから４０ｍ/min、礫質土（礫率３０％以上の土質）の場合２０ｍ/min程度が掘削の効率が良いとされている。駆動機１３の駆動トルクが３０〜４０トルク（％）となるように、障害物（鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼，鋼管杭，鉄筋コンクリート等）を切削していない通常時（通常運転時）には、本体推進ジャッキ３７がカッターヘッド４を掘進方向の掘進速度が、例えば３０〜４０ｍｍ／ｍｉｎで押し出し推進している。この掘進速度には、幅があり、礫の含有率３０％程度で、２０ｍｍ／ｍｉｎ〜６０ｍｍ／ｍｉｎ、礫の含有率が３０％を超えて多くなれば、１０ｍｍ／ｍｉｎ〜３０ｍｍ／ｍｉｎとなる。駆動機１３の駆動トルクが３０〜４０トルク（％）と低いトルク（％）で運転するのは、劣悪環鏡下で連続、例えば８時間連続運転をする必要があるからである。

トルクを大きくすれば、掘進速度を速くできるが、それに伴って推力（ジャッキ圧）が大きくなる。掘進速度を速くすれば、管路構築作業が早く進むが、駆動機１３、切削ビット２１、本体推進ジャッキ３７、推進管２５にかかる圧力等の負担が大きくなる。また、掘進速度を速くすると、地山の掘進機１周辺の土をきれいに取りきれないで、外周の周辺摩擦力増加につながり、結果推力の増加が起こる。カッターヘッド４の外径は掘進機１外径より直径で５０ｍｍ程度大きくしている。カッターヘッド４が通りすぎた後、この余掘り部に摩擦力を低減する薬剤、即ち（ゼリー状）滑材を掘進機１内部から注入し地山と掘進機１，後続の推進管２５との摩擦を少なくするようにしている。この余掘り部に土が残ると滑材の働きが生かし切れず推力の増加につながる。長距離やカーブ施工の場合推力の増加は致命傷となる。前記のような問題があって、バランスを考えて、前記トルク値での施工につながっている。

図２は図１に示す伸縮管６の拡大縦断面図である。図３は図１に示す伸縮管６の拡大横断面図である。なお、各図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。以下各図において同様とする。伸縮装置は、伸縮管６，伸縮ジャッキ７，制御盤８，油圧ポンプ９，電磁弁１０，インバータ４６を備えている。伸縮管６はその内周壁に周方向に６０°間隔で、６個の伸縮ジャッキ７が設置されている。インバータ４６は交流電流の電圧、周波数を可変電圧可変周波数制御して、油圧ポンプ９用の電動機の回転数を制御し、伸縮ジャッキ７に送り込む作動油の吐出量を制御する。

図４は実施の形態１における伸縮ジャッキ７の制御系統図である。６個の伸縮ジャッキ７を動作させる制御盤８には、操作盤４４，油圧ポンプ９，各伸縮ジャッキ７毎の電磁弁１０（電磁弁ブロック）が接続されている。操作盤４４には、タッチパネル４４ａ，ボリューム調整つまみ４４ｂ，非常停止スイッチ４４ｃを有している。ボリューム調整つまみ４４ｂはインバータ４６の出力を制御する。操作盤４４から情報伝達指示ケーブル５１により指示を受けた制御盤８は、インバータ制御ケーブル５４によりインバータ４６の出力を制御し、油圧ポンプ９による油圧を油圧力管理ケーブル５３により監視する。制御盤８は、注入指示ケーブル５２ａ，抽出指示ケーブル５２ｂにより作動油の注入と抽出を指示する。中立指示ケーブル５２ｃは、注入と抽出における中立操作を指示する。

各電磁弁１０へは、制御盤８から電磁弁開閉指示伝達ケーブル５０を介して電磁弁開閉指示が伝達される。油圧ポンプ９と電磁弁１０とは、油圧注入ホース４８ａと油圧抽出ホース４８ｂで接続されている。各電磁弁１０はそれぞれ各伸縮ジャッキ７と、油圧注入ホース４７ａと油圧抽出ホース４７ｂで接続されている。各伸縮ジャッキ７には、それぞれストロークセンサ４１を有し、自己の伸縮ジャッキ７の伸縮長を計測し、伸縮長伝達ケーブル４９によりその計測伸縮長を制御盤８に伝達している。

伸縮ジャッキ７を有する伸縮装置は次のように動作する。掘進機１が障害物を切削していない通常時で、本体推進ジャッキ３７がカッターヘッド４を掘進方向に推進しているときは、伸縮ジャッキ７を有する伸縮装置は待機状態で維持されている。待機状態において制御盤８は、インバータ４６により油圧ポンプ９を動作させ、油圧により各電磁弁１０を介して各伸縮ジャッキ７を動作させ、各伸縮ジャッキ７の全伸縮長（例えば３００ｍｍ）の中間点まで、各伸縮ジャッキ７を伸長させて待機させている。これは、カッターヘッド４が障害物をかみ込んだとき、バックするためである。

各伸縮ジャッキ７の待機状態において、実施の形態１では、通常時にはカッターヘッド４を本体推進ジャッキ３７で掘進方向に推進し、障害物を切削する非通常時には、本体推進ジャッキ３７によるカッターヘッド４の掘進方向の推進を停止させ、カッターヘッド４の駆動機１３による回転と共に、カッターヘッド４を前記伸縮装置で掘進方向に推進させ障害物を細かく屑状に切削する。又は、障害物の、例えば１ｍ手前で本体推進ジャッキ３７によるカッターヘッド４の掘進速度を緩めて障害物にゆっくり当て、本体推進ジャッキ３７によるカッターヘッド４の推進を停止させ、カッターヘッド４の駆動機１３による回転と共に、カッターヘッド４を前記伸縮装置で掘進方向に推進させ障害物の切削を開始する。もしくは、掘進方向の前方のどの位置に障害物があるかが分かっている場合もある。そのときも同様に、障害物の１ｍ手前で緩めて障害物にゆっくり当て、本体推進ジャッキ３７によるカッターヘッド４の推進を停止させ、カッターヘッド４の駆動機１３による回転と共に、カッターヘッド４を前記伸縮装置で掘進方向に推進させ障害物の切削を開始する。このとき、制御盤８が操作盤４４からカッターヘッド４を所望の掘進速度（例えば、超低速である０．０５〜１．３ｍｍ／ｍｉｎ）で掘進方向に掘進させるように指示を受けると、制御盤８は各電磁弁１０を介して各伸縮ジャッキ７に単位時間当たりの作動油量を調整し供給し、各伸縮ジャッキ７を所望の掘進速度で伸長させる。このとき、各伸縮ジャッキ７の伸縮長は、ストロークセンサ４１で測定されて制御盤８に伝達される。

制御盤８は、各伸縮ジャッキ７の伸縮長を均等に伸縮するように各電磁弁における注入，抽出，中立操作を自動演算し、各伸縮ジャッキ７の伸縮長を均一に保つように制御している。このとき、複数個の伸縮ジャッキ７の掘進方向における推進位置を平均化し、掘進速度を所望の掘進速度に調整するために、複数個の伸縮ジャッキ７の中で掘進方向において最先端位置に推進している伸縮ジャッキ７への作動油の供給を止めて推進を停止させると共に、最後端位置に推進している伸縮ジャッキ７への作動油の供給を調整して所望の掘進速度になるように操作している。実施の形態１では、カッターヘッド４を超低速である所望の掘進速度で推進するために、前記操作方法に加え、伸縮ジャッキ７を有する専用の伸縮装置を使用している。本体推進ジャッキ３７では、通常時の掘進速度（例えば、４０ｍｍ／ｍｉｎ）の１／５００の掘進速度（例えば、０．０８ｍｍ／ｍｉｎ）を得ることは不可能である。このため、カッターヘッド４及び掘進機本体を推進する本体推進ジャッキ３７に比較して、伸縮ジャッキ７を使用することにより、小型化でき、所望の掘進速度に制御することが容易である。

推進工事の場合、本体推進ジャッキ３７にかかる推力は、掘進機１先端部（カッターヘッド部）抵抗力と周辺摩擦力をプラスしたものになる。伸縮ジャッキ７は実施の形態１では掘進機１の隔壁５に近い位置に設置されるので、伸縮ジャッキ７にかかる圧力は掘進機１先端部（カッターヘッド部）抵抗力となり、施工距離にもよるが、例えば、施工距離３００ｍで先端部抵抗力を１００ｋＮ（キロニュートン）とすれば、総抵抗力は１０００ｋＮ程度になる。そのため上述の実施の形態１では、本体推進ジャッキ３７に比べて伸縮ジャッキ７は１／１０の揚力のものを用意すればよく、小型化が可能となる。

図５は障害物である鉄筋コンクリート（人孔：マンホール付）を切削するときのカッターヘッド４の掘進速度（ｍｍ／ｍｉｎ）と駆動機１３のトルク（％）の関係を示す図である。駆動機１３のトルク（％）を通常時の所定トルク（％）｛例えば、４０トルク（％）｝以下である掘進速度０．０５〜１．３ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鉄筋コンクリートを切削するようにすれば、鉄筋コンクリートの切削時においても、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッド４の切削ビットの損傷を抑えることができる。鉄筋コンクリートであるＲＣ杭，ＰＣ杭，擁壁も前記鉄筋コンクリートにおける掘進速度と同様に扱うことができる。

図６は障害物である鋼矢板を切削するときのカッターヘッド４の掘進速度（ｍｍ／ｍｉｎ）と駆動機１３のトルク（％）の関係を示す図である。駆動機１３のトルク（％）を通常時の所定トルク（％）｛例えば、４０トルク（％）｝以下である掘進速度０．０５〜０．１１ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鋼矢板を切削するようにすれば、鋼矢板の切削時においても、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。鉄製構造物，鋼材，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼，鋼管杭も前記鋼矢板における掘進速度と同様に扱うことができる。
また、障害物が木材（松杭，その他木杭，流木）の場合は、掘進速度を５．０〜１０．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲に切削すれば、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。

図７は図１に示すカッターヘッド部の拡大縦断面図である。図８は図１に示すカッターヘッド部の拡大前面図である。ローラービット２０はカッターヘッド４に取り付けられ、地盤に押し当てられ、カッターヘッド４の回転に伴い自身も回転しながら地盤を削ったり、岩を割ったりする。切削ビット２１はカッターヘッド４に動かないよう堅固に取り付けられ、カッターヘッド４の回転により、地盤を削り取る。ローラービット２０における、図８で示すカッターヘッド４の前面の配置は、カッターヘッド４が回転したとき、対向する地盤の全面をいずれかのローラービット２０が当たるように、カッターヘッド４の前面における位置が工夫されている。また、切削ビット２１における、図８で示すカッターヘッド４の前面の配置は、カッターヘッド４が回転したとき、対向する地盤の中心部を除く全面をいずれかの切削ビット２１が当たるように、カッターヘッド４の前面における位置が工夫されている。なお、２２ａは排泥バルブ２２の開口であり、２は先端円筒体である。

図９は、伸縮装置の他の配置例を示す掘進機の説明図である。伸縮装置は先端円筒体２と推進管２５の間に配置されている。伸縮装置はカッターヘッド４の隔壁５より後段にあれば良く、本体推進ジャッキ３７と並列に配置しても良い。図９では、伸縮ジャッキ７は伸縮管前部６ａと伸縮管後部６ｂ間にまたがって配置され、伸縮管後部６ｂを伸縮ジャッキ７の反力受けとして、伸縮管前部６ａを押し出す。伸縮ジャッキ７は模式的に表面に記載している。伸縮管伸縮部６ｃは伸縮に伴って外部から内部に漏水を起こさない構造である。

実施の形態２．
実施の形態２では、カッターヘッド４の掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサを備え、カッターヘッド４は駆動機１３の所定トルク以下の通常掘進速度で本体推進ジャッキ３７で掘進方向に推進され、掘進中に障害物センサで金属部材を含む障害物を検出したときは、本体推進ジャッキ３７による推進を停止し、カッターヘッド４の掘進速度を、通常掘進速度より遅く前記所定トルク以下の掘進速度になるように、伸縮装置でカッターヘッド４を掘進方向に推進させて、障害物を切削するようにしたものである。

障害物センサとなる１例としての電磁波送受信機について説明する。図１０は実施の形態２の障害物センサである電磁波送受信機を示す構成図である。６３は掘進機１（の運転部）に設置された送信機で、交流１００Ｖ電源７３より電力が供給される。１１は送信コイルで、掘進機１の先端円筒体２の環状溝に、例えばエナメル線で１０〜１００ターンを巻回させ、送信機６３の出力端に接続されている。送信コイル１１は、電磁波である磁場（１次磁場）７０を、カッターヘッド４前方の地中に送信する。送信コイル１１を埋め込み納めた環状溝の表面部は、エポキシ樹脂で被い固めて保護と防水を施している。送信機６３と送信コイル１１とで、電磁波送信機を構成している。

６４は掘進機１（の運転部）に設置された受信機である。受信コイル１２は、電磁波送信機から送信され地中を伝搬した電磁波を受けることによって生じる障害物６９（例えば、鋼材，鋼矢板，Ｉ型鋼，Ｈ型鋼，鉄製金属，鋳鉄，アルミニウムや大中口径水道鉄管等）による誘導磁場（２次磁場）７１を受信し、受信機６４に入力する。７２は電磁波を受けることによって生じる障害物６９の誘導電流である。受信コイル１２は、先端円筒体２の外周に設けた凹部に設置され、エポキシ樹脂で被い保護と防水を施している。受信機６４と受信コイル１２とで電磁波受信機を構成している。受信コイル１２は、その軸が送信コイル１１の軸と平行方向になるように、配置されている。これは前方の障害物から出た誘導磁場７１の方向が、送信磁場７０と同方向になるので、誘導磁場７１が感度良く受信コイル１２に受信できるようにするためである。

６７は掘進機１の外部に設置されたコンピュータで、入力端末を有し前記電磁波受信機と接続され、前記電磁波受信機で受信された電磁波における障害物が有るときと無いときの位相（又は位相角差）の変化を解析する位相変化解析装置を有している。６８はコンピュータ６７に接続され、位相変化解析装置の解析結果が表示されるモニタである。コンピュータ６７とモニタ６８は、実施の形態１の管内操作台車２６に載置してもよい。図１１は電磁波送受信機における回路部を示すブロック構成図である。送信機６３は電源７３に接続された周波数発生装置８１とこれに接続された送信波増幅器８２で構成されており、送信波増幅器８２は送信コイル１１に接続されている。周波数発生装置８１は、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの低周波数の交流を用いている。特に、周波数発生装置８１の周波数（送信周波数）は１０００Ｈｚ〜３８００Ｈｚの周波数を使うのが効率的である。

受信機６４は、受信コイル１２に接続された受信フィルタ８３と、これに接続されたＡ／Ｄ変換器８４で構成されており、Ａ／Ｄ変換器８４はコンピュータ６７に接続されている。コンピュータ６７はＡ／Ｄ変換器８４を介して受け取った計測データを解析することで、カッターヘッド４前方の障害物６９の存在の有無を判定する。受信コイル１２は、互いに離間して複数個設けてもよい。例えば、２個の受信コイル１２をそれぞれ受信機６４に時分割的に切替接続して受信する。受信波形は送信磁場７０と誘導磁場７１の合成波形である。ただし、送信磁場７０はcos(ωt)、誘導磁場７１はsin(ωt)の波でありフーリエ解析により分離できる。

障害物６９により発生した誘導磁場７１を電磁波受信機で捉えることにより障害物６９の有無が分かる。また、複数の受信コイル１２を用いれば、それら受信コイル１２の出力（位相）の差により、障害物６９の存在方向が解る。障害物６９を事前に感知することにより、事故を未然に防ぐことができる。

実際の探査方法：
実際には、受信コイル１２により受信した誘導磁場７１は、（ａ）障害物６９の誘導磁場７１、（ｂ）送信した磁場７０、そして（ｃ）マシンや周辺の地盤による誘導磁場からなる。これら３種（ａ〜ｃ）の混ざり合った磁場の中から（ａ）障害物６９の誘導磁場７１のみを抽出する方法を以下に述べる。
（１）事前に障害物６９のない位置で初期値となる磁場（ｄ）を測定する。この初期値となる磁場（ｄ）は、（ｂ）と（ｃ）の混合した磁場である。
（２）次に、掘削中に磁場を測定する。障害物６９が前方に存在する位置に来ると、初期値の磁場（ｄ）に（ａ）障害物６９の誘導磁場が加算される。
（３）（ａ）を分離し障害物を見分ける。この見分けは、例えば、位相差（位相角差）で行う。

図によって、位相差（位相角差）を表してみる。図１２は電磁波送信機の送信電流と送信磁場を示す波形図である。９１は送信電流波形又は送信磁場波形を示す。図１３は初期値のΔφoを示す図である。１０１は送信磁場波形である。１０２はマシンによる誘導磁
場波形、１０３は周辺の地盤による誘導磁場波形、１０４は初期値となる測定磁場波形、１０５は電流値位相ずれ補正角を示す。図１４は掘削時のΔφjを示す図である。１１１は送信磁場波形、１１２は障害物による誘導磁場波形hcj＝rcj・sin(ωt-φcj)、１１３は掘削時の測定磁場波形、１１４は電流値位相ずれ補正角を示す。

解析方法：
（１）送信機６３から流す送信電流をIcjとする。ここでIcjはjの測定を行った時の電流値を意味する。
Icj＝Scj・cos(ωt-φcj)
ここで、Scj：電流強度、t：時間[sec]、ω：角周波数(＝2πf) f：周波数[Hz]
φcj：位相角[°]
次にIcjによって発生する送信磁場１１１をHcjとすると、
Hcj＝Rcj・cos(ωt-φcj)
ここで、Rcj：磁場強度であり、送信機６３から流す電流と同相である。
（２）初期値となる測定磁場をＨoとする。
Ｈo＝Ro・cos(ωt-φo)
ここで、Ro：磁場強度、φo：位相角[°]
（３）掘削時の測定磁場をＨjとする。
Ｈj＝Rj・cos(ωt-φj)
ここで、Rj：磁場強度、φj：位相角[°]
このように、初期値（例えば、障害物が無い時）と掘削時（例えば、障害物が有る時）とで、位相角に違いが生じるので、電磁波受信機で受信された電磁波（測定磁場）における障害物が有るときと無いときの位相の変化を解析する位相変化解析装置を備えたことにより、障害物を探査することができる。

実際的には、より正確度を上げるために、
（４）(*1計算)により、以下の各位相角の値を計算する。
電流値位相ずれ補正：
Δφo＝φo-φco
Δφj＝φj-φcj
ここで、φco：送信機６３から流す初期値の電流をIcoとすると、
Ico＝Sco・cos(ωt-φco)、送信磁場Hco＝Rco・cos(ωt-φco)となるが、その時の位相角[°]である。
初期値補正：
Δφoj＝Δφj-Δφo
Δφojは、障害物６９が存在した場合、誘導磁場１１２のためにある値を示す。逆に、障害物６９がなければΔφoj≒0となる。
このΔφojの値を、数値、あるいは図化することにより障害物の有無を探査する。

(*1計算)
一般式として、Ｈ：磁場、R：受信磁場強度、φ：位相角とする。
Ｈ=Rcos(ωt-φ)
Ｈ=R(cos(φ)cos(ωt) + sin(φ)sin(ωt))
フーリエ解析を用いて、
cos(ωt)の項を取り出すと、A＝Rcos(φ)
sin(ωt)の項を取り出すと、B＝Rsin(φ)
B/A＝(Rsin(φ))/(Rcos(φ))
B/A＝tan(φ)
∴ φ=tan^-1(B/A)

つまり、
初期値のΔφo＝初期の受信コイルによる測定磁場の位相角―初期の送信磁場（又は送信電流）の位相角掘削時のΔφj＝掘削時の受信コイルによる測定磁場の位相角―掘削時の送信磁場（又は送信電流）の位相角位相角差Δφoj＝掘削時のΔφj―初期値のΔφoが障害物６９が存在した場合、誘導磁場１１２のためにある値を示す。逆に、障害物６９がなければΔφoj≒0となる。

このように、電磁波受信装置で受信された電磁波（測定磁場）の位相角と、電磁波送信装置の送信磁場又は送信電流の位相角との位相角差における、障害物が有るときと無いときの位相角差の変化を解析する位相変化解析装置を備えたことにより、障害物をより正確に探査することができる。

実測結果では、送信機６３の周波数発生装置８１の周波数が、２０００Ｈｚで、初期値のΔφo＝５．０１３°であり、カッターヘッド前方２ｍの位置の障害物を感知したときの掘削時のΔφj＝５．２２４°であった。そのため、位相角差Δφoj＝Δφj-Δφo＝５．２２４°−５．０１３°＝０．２１１°となった。実測結果では、インピーダンス解析より遠く、例えば２ｍ程度で、障害物を検知できた（特開２０１２−２５１９３２号公報参照）。

実測結果では、全面に鋼矢板があると、
（ａ）受信センサと鋼矢板の距離が１．５ｍ〜１．０ｍ付近で位相のズレが０．０７°程度変化した。
（ｂ）受信センサと鋼矢板の距離が１．０ｍ以下になると計測値が常に０・０７°以上となった。
（ｃ）受信センサと鋼矢板の距離が０.５ｍ以下になると計測値が常に０・１４°以上となった。

以上では、金属部材を含む障害物センサとして、電磁波送受信機を例として説明したが、音響診断センサ（シールド音響診断システム）でもよい。
実施の形態２において、カッターヘッド４を駆動機１３で回転させる。駆動機１３の所定トルク以下、例えば４０トルク（％）以下で運転する。障害物がない通常時では、カッターヘッド４を本体推進ジャッキ３７で、通常掘進速度、例えば４０ｍｍ／ｍｉｎで掘進方向に推進させる。このとき、伸縮装置の伸縮ジャッキ７は中間点まで伸長した待機状態にある。掘進中に障害物センサで金属部材を含む障害物６９を検出したときは、本体推進ジャッキ３７による推進を停止する。ここで、探査ロッドを挿入したり、内視鏡を挿入して、障害物６９までの距離を確認することもできる。距離が確認できれば、本体推進ジャッキ３７を再稼働してその距離だけ掘進機１をゆっくり前進させて、突き当たれば、本体推進ジャッキ３７を停止させる。次に、カッターヘッド４の掘進速度を、通常時の掘進速度より遅く前記所定トルク以下の掘進速度になるように、伸縮装置の伸縮ジャッキ７でカッターヘッド４を掘進方向に推進させて、障害物６９を切削する。

伸縮ジャッキ７でカッターヘッド４を掘進方向に推進させて、障害物６９を切削するときの掘進速度は、実施の形態１と同様に、鉄筋コンクリートを切削する場合は０，０５〜１．３ｍｍ／ｍｉｎの範囲で、鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭の場合は、０，０５〜０．１１ｍｍ／ｍｉｎの範囲で実施することにより、所定トルク以下で掘進することができ、カッターヘッドの切削ビットの損傷を抑えることができる。

また、カッターヘッドの掘進方向の障害物を探査する障害物センサを備え、カッターヘッドを本体推進ジャッキで掘進方向に推進させ、前記障害物センサで掘進方向の障害物を検出したときは、本体推進ジャッキによるカッターヘッドの推進を停止させた状態で、カッターヘッドを伸縮装置で掘進方向に推進させて、障害物を切削するようにしてもよい。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１掘進機２先端円筒体
３後続円筒体４カッターヘッド
４ａ回転軸５隔壁
６伸縮管６ａ伸縮管前部
６ｂ伸縮管後部６ｃ伸縮管伸縮部
７伸縮ジャッキ８制御盤
９油圧ポンプ１０電磁弁
１１送信コイル１２受信コイル
１３駆動機１４方向修正ジャッキ
１５操作盤１６ａトルク計
１６ｂ電流計１６ｃ動力線
１７注入管１８ボーリングマシン
１９排泥タンク２０ローラービット
２１切削ビット２２排泥バルブ
２５推進管２６管内操作台車
３５発進立坑３６開口
３７本体推進ジャッキ３８支圧壁
４１ストロークセンサ４４操作盤
４４ａタッチパネル４４ｂボリューム調整つまみ
４４ｃ非常停止スイッチ４６インバータ
４７ａ油圧注入ホース４７ｂ油圧抽出ホース
４８ａ油圧注入ホース４８ｂ油圧抽出ホース
４９伸縮長伝達ケーブル５０電磁弁開閉指示伝達ケーブル
５１情報伝達指示ケーブル５３油圧力管理ケーブル
５２ａ注入指示ケーブル５２ａ５２ｂ抽出指示ケーブル
５２ｃ中立指示ケーブル５３油圧管理ケーブル
５４インバータ制御ケーブル６３送信機
６４受信機６７コンピュータ
６８モニタ６９障害物
７０送信磁場７１障害物の誘導磁場
７２誘導電流７３電源
８１周波数発生装置８２送信波増幅器
８３受信フィルタ８４Ａ／Ｄ変換器
９１送信電流波形１０１送信磁場波形
１０２マシンの誘導磁場波形１０３地盤の誘導磁場波形
１０４初期値の測定磁場波形１０５電流値位相ずれ補正角
１１１送信磁場波形１１２障害物の誘導磁場波形
１１３掘削時の測定磁場波形１１４電流値位相ずれ補正角。

Claims

推進工法用又はシールド工法用掘進機において、
切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、
前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、
前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、
この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、
前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、
前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、
前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、
前記障害物が鉄筋コンクリートの場合は、前記カッターヘッドの掘進速度が０．０５〜１．３ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鉄筋コンクリートを切削するようにした推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法。
推進工法用又はシールド工法用掘進機において、
切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、
前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、
前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、
この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、
前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、
前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、
前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、
前記障害物が鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭の場合は、前記カッターヘッドの掘進速度が０．０５〜０．１１ｍｍ／ｍｉｎの範囲で前記鋼材，鋼矢板，Ｈ型鋼，Ｉ型鋼又は鋼管杭を切削するようにした推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法。
前記障害物センサは、電磁波送受信機である請求項１又は請求項２記載の推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法。
推進工法用又はシールド工法用掘進機において、
切削ビットを前部に有し隔壁に回転軸が支承されるカッターヘッドと、
前記カッターヘッドと共に掘進機本体を掘進方向に推進させる本体推進ジャッキと、
前記カッターヘッドを回転駆動させる駆動機と、
この駆動機の駆動トルクを検出するトルク計と、
前記隔壁に連なる伸縮管に配置され前記カッターヘッドを掘進方向に推進させる掘進速度を可変し得る伸縮ジャッキを有する伸縮装置と、
前記カッターヘッドの掘進中に金属部材を含む障害物を探査する障害物センサとを備え、
前記カッターヘッドは前記駆動機の所定トルク以下の通常掘進速度で前記本体推進ジャッキで掘進方向に推進され、掘進中に前記障害物センサで金属部材を含む前記障害物を検出したときは、前記本体推進ジャッキによる推進を停止し、前記カッターヘッドの掘進速度を、前記通常掘進速度より遅く、前記通常掘進速度時と同じ前記所定トルク以下の掘進速度になるように、前記伸縮装置で前記カッターヘッドを掘進方向に推進させて、前記障害物を切削し、
前記伸縮装置における前記伸縮ジャッキは複数個であり、複数個の前記伸縮ジャッキを前記伸縮管の内周壁に周方向に分散して配置し、前記カッターヘッドの掘進速度を制御するに当たっては、複数個の前記伸縮ジャッキの中で掘進方向において最先端位置に推進している前記伸縮ジャッキの推進を停止させると共に、最後端位置に推進している前記伸縮ジャッキの油圧を調整して所望の掘進速度になるようにした推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法。
前記障害物センサは、電磁波送受信機である請求項４記載の推進工法用又はシールド工法用掘進機の掘進方法。