JP6566764B2 - トンネル掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機によるトンネル掘削方法に関する。

機械掘削方式に使用するトンネル掘削機（自由断面掘削機）は、掘削機本体と、掘削本体に回動可能に設けられたブームと、ブームに支持されたカッタホイール（カッタヘッドやカッタドラム等）と、を備えているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
トンネル掘削機を利用したトンネル施工では、カッタホイールを一定方向に回転させながら、カッタホイールを保持するブームを上下左右に移動させることで地山の掘削を行う。このとき、ブームの伸縮機能あるいは掘削機本体のスラスト機能を利用して、カッタホイールに設けられたカッタ（ディスクカッタやピック等）を岩盤に貫入させる。

特許第３３６２７９４号公報

従来、岩盤へのカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度は、オペレータの経験や感覚により設定されるのが一般的であった。
ところが、地山は随時変化するので、カッタの貫入量が地山の変化に追従していないと、当該貫入量が過大または過小になるおそれがある。
カッタの貫入量が過大である場合は、カッタモータに定格以上の負荷が作用するのでカッタモータが停止したり、トンネル掘削機に損傷が生じてしまう。
また、カッタの貫入量が過小である場合は、カッタホイールが空振りするなど、無駄な動きになることによって、掘削サイクルタイムの延長を招いてしまう。

また、カッタホイールの移動速度が速すぎると、未掘削部分が発生するおそれがあり、逆にカッタホイールの移動速度が遅すぎると掘削サイクルタイムに影響を及ぼしてしまう。
さらに、カッタホイールの移動速度は、カッタホイールに作用する負荷に関わらず、一定の速度に設定するのが一般的である。そのため、掘削済み部分での移動時間はロスタイムとなる。

このような観点から、本発明は、効率的な掘削を可能とする、トンネル掘削機によるトンネル掘削方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、カッタホイールを回転させながら移動させて地山の切削を行うスイングサイクルを複数回繰り返すことにより、地山を掘削するトンネル掘削方法であって、前回のスイングサイクルにおける地山に対するカッタの貫入量、カッタホイールの移動速度およびカッタモータの電流値に基づいて、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度を設定する。また、各回のスイングサイクルでは、切羽の中央下側から切羽の端部に向けてブームを旋回させて横方向に切削し、前記カッタホイールが切羽の端部に到達したら切羽の端部から切羽の中央に向けてブームを旋回させるとともに上方向に回動させ、前記カッタホイールが切羽の中央に到達したらトンネル頂部に向けてブームを上昇させ、前記カッタホイールがトンネル頂部に到達したら切羽の端部に向けてブームを旋回させるとともに下方向に回動させる。

カッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度の設定は、前記電流値が、前記カッタモータの定格電流上限値の８０％未満である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも大きくする。また、前記電流値が、カッタモータの定格電流上限値の９５％以上である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも小さくする。

かかるトンネル掘削方法によれば、前回のスイングサイクルの結果に基づいてカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度を設定するため、最適なモータの電流値によって地山を切削することができる。そのため、効率的な掘削が可能となる。

また、掘削中のカッタモータの電流値に応じて前記カッタホイールの移動速度を変化させるようにすれば、地山の変化に対応した掘削が可能となり、効率的である。
さらに、掘削中のカッタモータの電流値が前記第一の閾値よりも低く設定された第三の閾値（例えば、カッタモータの定格電流上限値の２０％）以下の場合には、前記トンネル掘削機の機械能力最大速度で前記カッタホイールを移動させるようにすれば、カッタホイールの移動時間を短縮させることが可能となり、ひいては、スイングサイクルのサイクルタイムを短縮することができる。

本発明のトンネル掘削機によるトンネル掘削方法によれば、効率的なトンネル掘削が可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネル掘削機を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ矢視図である。 （ａ）および（ｂ）はスイングサイクルを示す模式図である。 カッタの貫入量とカッタモータの電流値との関係を示すグラフである。

本実施形態では、トンネル掘削機１を利用したトンネル掘削方法について説明する。
本実施形態のトンネル掘削機１は、いわゆる自由断面掘削機であって、図１（ａ）に示すように、掘削機本体２と、カッタホイール３と、ブーム４とを備えている。

掘削機本体２には、図１（ｂ）に示すように、クローラ２１と、ブーム支持部２２と、スラストジャッキ２３と、グリッパ２４とが設けられている。
クローラ２１は、トンネル掘削機１の走行手段である。なお、本実施形態では、クローラ式のトンネル掘削機１を採用するが、トンネル掘削機１の走行手段は限定されるものではなく、例えばタイヤ式（ホイール式）であってもよい。また、トンネル掘削機１は、トンネル内に敷設されたレール上を走行するものでもよい。

クローラ２１は、掘削機本体２に搭載された油圧モータ（図示せず）によって駆動し、油圧モータは掘削に搭載された油圧ポンプ（図示せず）の油圧で駆動する。油圧ポンプは電動モータ（図示せず）により駆動し、電動モータは、坑口側に配設された発電機もしくは商用電源からケーブルを介して送電された電力によって駆動する。掘削機本体２の後部には、ケーブルを移動させるケーブルハンドラ２５が設けられている。

ブーム支持部２２は、掘削機本体２の前端から突出した突出部分２２１を備えており、この突出部分においてブーム４を回動可能に支持している。
ブーム支持部２２は、掘削機本体２に摺動可能に支持されていて、スラストジャッキ２３を伸縮させるとトンネル掘削機１の進行方向に沿って移動する。

スラストジャッキ２３は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ブーム支持部２２と掘削機本体２との間に介設されている。
本実施形態では、４本のスラストジャッキ２３を備えているが、スラストジャッキ２３の数および配置は限定さえるものではない。
本実施形態のスラストジャッキ２３のスラスト量（ストローク長）は１．２ｍとするが、スラストジャッキ２３のスラスト量は限定されるものではない。例えば、０．７ｍ〜１．２ｍの範囲内で適宜設定してもよい。

掘削機本体２は、図１（ｃ）に示すように、グリッパ２４がトンネルの内壁に当接することで固定される。
本実施形態では、掘削機本体２の前後左右にそれぞれグリッパ２４が設けられている（図１（ａ）および（ｂ）参照）。グリッパ２４は、伸縮可能な支持部材２６を介して掘削機本体２に取り付けられている。支持部材２６が伸張することで、グリッパ２４はトンネルの内壁に当接する。
支持部材２６は、掘削機本体２にトンネル掘削機１の移動方向に対して交差する方向での回動が可能に取り付けられている。
なお、本実施形態では４つのグリッパ２４が配設されているが、グリッパ２４の数や配置は限定されるものではない。

カッタホイール３は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、地山の切削を行う部材であって、掘削機本体２の前方に配置されている。
カッタホイール３は、側面視円形を呈しており、ブーム４の先端に回転可能に保持されている。本実施形態のカッタホイール３は、直径が２．７ｍであるが、カッタホイール３の寸法は限定されない。

カッタホイール３の周縁面には、複数のカッタ３１，３１，…が取り付けられている。本実施形態では、カッタ３１としてディスクカッタを採用するが、カッタ３１の構成は限定されない。また、カッタホイール３は、ドラム式であってもよく、カッタホイール３の形状は限定されない。

本実施形態では、カッタホイール３の周縁面に複数のカッタ３１，３１，…が３列に分かれて配設されている。中央の列には８個のカッタ３１，３１，…が等間隔で配設されていて、左右の列にはそれぞれ４個のカッタ３１，３１，…等間隔で配設されている。また、左右の列のカッタ３１は、左右に広がる方向に傾斜している。
なお、カッタ３１の数、配置および向きは限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

ブーム４は、ブーム支持部２２に取り付けられている。
本実施形態のブーム４は、スイングブーム４１とピッチングブーム４２とを備えている。
スイングブーム４１は、底盤と平行な面内において水平旋回可能である。

本実施形態では、スイングブーム４１の左右にスイングシリンダ４３，４３が配設されている。スイングシリンダ４３は、一端がスイングブーム４１に取り付けられていて、他端がブーム支持部２２に取り付けられている。一方のスイングシリンダ４３が伸張するとともに他方のスイングシリンダ４３が収縮することで、スイングブーム４１が左右に回動する。

ピッチングブーム４２は、スイングブーム４１の先端を中心にして、上下方向に回動可能である。ピッチングブーム４２の先端には、カッタホイール３が回転可能に支持されている。
本実施形態では、ピッチングブーム４２の上面に沿ってピッチングシリンダ４４が配設されている。ピッチングシリンダ４４の一端はピッチングブーム４２に取り付けられていて、他端はスイングブーム４１に取り付けられている。ピッチングブーム４２は、ピッチングシリンダ４４が伸縮することにより、上下方向に回動する。

次に、トンネル掘削機１を利用したトンネル掘削方法について説明する。
トンネル掘削方法は、カッタホイール３を回転させながら移動させて地山の切削を行うスイングサイクルを複数回繰り返すことにより地山を掘削する。
本実施形態では、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、切羽Ｋの右側（切羽右側）Ｋ_Ｒと左側（切羽左側）Ｋ_Ｌとに分割して交互に掘削する。すなわち、トンネル掘削機１により切羽右側Ｋ_Ｒを所定延長（例えば１ｍ）掘進した後、トンネル掘削機１を移動させて、切羽左側Ｋ_Ｌの切削を行う。なお、切羽Ｋの切削は、切羽左側Ｋ_Ｌから行ってもよい。また、切羽切削時の分割数は、トンネル断面形状に応じて適宜設定すればよく、例えば、トンネル断面が小さい場合には分割する必要はなく、トンネル断面が大きい場合には３つ以上に分割してもよい。

切羽右側Ｋ_Ｒを切削する際は、スイングサイクルを繰り返し実施することにより、所定延長（例えば１ｍ）切削する。以下、スイングサイクルの一例を示す。なお、以下に示すスイングサイクルは、トンネルの中央部に切削開始位置を設定しているが、切削開始位置は、トンネルの左右の端部に設定してもよい。
各回のスイングサイクルでは、まず、切羽Ｋの中央部下側（切削開始位置）にカッタホイール３を配設し、カッタホイール３を回転させつつスラストジャッキ２３を伸張させる。こうすることでカッタ３１を岩盤に貫入させる。

なお、カッタ３１の岩盤への貫入量およびカッタホイール３の移動速度は、前回のスイングサイクルにおける地山に対するカッタ３１の貫入量、カッタホイール３の移動速度およびカッタモータの電流値に基づいて設定する。
本実施形態では、前回のスイングサイクルにおけるカッタモータの電流値が、カッタモータの定格電流上限値の８０％未満（第一の閾値）である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタ３１の貫入量およびカッタホイール３の移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも大きくする。一方、前回のスイングサイクルにおけるカッタモータの電流値が、カッタモータの定格電流上限値の９５％以上（第二の閾値）である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも小さくする。
なお、カッタ３１の岩盤への貫入量およびカッタホイール３の移動速度の設定方法（基準）は、限定されるものではない。例えば、前記のスイングサイクルにおけるカッタモータの電流値とカッタモータの定格電流上限値との関係により、カッタ３１の貫入量を算出してもよい。

次に、図２（ａ）に示すように、カッタ３１を岩盤に貫入させた状態で、切羽Ｋの右端部に向けてブーム４を右側に旋回させて、切羽Ｋを横方向に切削する（矢印Ｓ１）。
カッタホイール３が切羽Ｋの右端部に到達したら、切羽Ｋの中央に向けてブーム４を左側に旋回させるとともに上方向に回動させる（矢印Ｓ２）。
カッタホイール３が切羽Ｋの中央に到達したら、トンネル頂部に向けてブーム４を上昇させる（矢印Ｓ３）。
カッタホイール３がトンネル頂部に到達したら、切羽Ｋの右端部に向けてブーム４を右側に旋回させるとともに下方向に回動させる（矢印Ｓ４）。

切削中のカッタモータの電流値は、制御装置に随時送信されるとともに制御装置の記憶部に記憶される。制御装置は、切削中のカッタモータの電流値とカッタモータの定格電流上限値と比較し、当該電流値に応じてカッタホイール３の移動速度を変化させる。なお、切削中のカッタモータの電流値は、カッタモータの定格電流上限値付近に設定するのが望ましい。
すなわち、カッタモータの電流値が大きい場合（例えば、カッタモータの定格電流上限値の９５％以上である場合）にはカッタホイールの移動速度を遅くして切削を確実に行い、カッタモータの電流値が小さい場合（例えば、カッタモータの定格電流上限値の８０％未満である場合）には、カッタホイール３の移動速度を速めてスイング時間の短縮を図る。
さらに、掘削中のカッタモータの電流値が閾値（本実施形態ではカッタモータの定格電流上限値の２０％（第三の閾値））以下の場合（カッタモータに負荷がほとんどかからない場合）には、トンネル掘削機１の機械能力最大速度でカッタ３１を移動させる。なお、本実施形態では第三の閾値をカッタモータの定格電流上限値の２０％以下に設定したが、第三の閾値はこれに限定されるものではなく、カッタモータの定格電流上限値の３０％以下となるように適宜設定すればよい。

そして、カッタホイール３が切羽Ｋの右端部に到達したら、切羽Ｋの中央部下側（切削開始位置）に向けて、ブーム４を左方向に旋回させる（矢印Ｓ５）。
このとき、カッタホイール３は、いわゆる空振りの状態となるので、カッタホイール３は機械能力最大速度で移動させる。

切羽右側Ｋ_Ｒにおいてスラストジャッキ２３を伸張させつつ、スイングサイクルを複数回行って所定延長の掘削が終了したら、トンネル掘削機１をトンネルの左側に移動させて、切羽左側Ｋ_Ｌの切削を行う。
切羽左側Ｋ_Ｌを切削する際は、切羽右側Ｋ_Ｒの切削と同様に、スイングサイクルを繰り返す。切羽左側Ｋ_Ｌのスイングサイクルでは、まず、切羽Ｋの中央部下側（切削開始位置）にカッタホイール３を配した状態で、カッタホイール３を回転させつつスラストジャッキ２３を伸張させる。こうすることでカッタ３１を岩盤に貫入させる。

次に、図２（ｂ）に示すように、カッタ３１を岩盤に貫入させた状態で、切羽Ｋの左端部に向けてブーム４を旋回させて、切羽Ｋを横方向に切削する（矢印Ｓ６）。
カッタホイール３が切羽Ｋの左端部に到達したら、切羽Ｋの中央に向けてブーム４を右側に旋回させるとともに上方向に回動させる（矢印Ｓ７）。
カッタホイール３が切羽Ｋの中央に到達したら、トンネルの頂部に向けてブーム４を上上昇させる（矢印Ｓ８）。
カッタホイール３がトンネルの頂部に到達したら、切羽Ｋの左端部に向けてブーム４を左側に旋回させるとともに下方向に回動させる（矢印Ｓ９）。
そして、カッタホイール３が切羽Ｋの左端部に到達したら、切羽Ｋの中央部下側（切削開始位置）に向けて、ブームを右方向に旋回させる（矢印Ｓ１０）。

本実施形態のトンネル掘削方法によれば、前回のスイングサイクルの結果に基づいてカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度を設定するため、地山状況に応じた、カッタモータの最適な電流値によって切削することができる。そのため、効率的な掘削が可能となる。
すなわち、前回のスイングサイクルのデータに基づいて、地山状況に応じた最適な貫入量によって地山の切削を行うため、カッタモータへの過負荷および機械構造体の損傷を抑制し、無駄な動きを最小限に抑えることによるサイクルタイムの短縮を可能としている。

また、掘削中のカッタモータの電流値に応じてカッタホイール３の移動速度を変化させるため、地山の変化に対応した掘削が可能となり、効率的である。
さらに、カッタホイール３による切削がいわゆる空振りの状態になる場合には、トンネル掘削機１の機械能力最大速度でカッタホイール３を移動させるため、カッタホイール３の移動時間を短縮させることが可能となり、ひいては、スイングサイクルのサイクルタイムを短縮することができる。

以下、カッタモータの電流値に基づいたカッタ３１の岩盤への貫入量およびカッタホイール３の移動速度の設定方法の一例（実施例）を示す。なお、カッタモータの定格電流は１４１（Ａ）とする。
本実施例では、標準的な岩盤に対して、カッタ３１の貫入量を６ｍｍ（実施例１）、９ｍｍ（実施例２）および１３ｍｍ（実施例３）として、カッタホイール３の移動速度を１４ｍ／ｍｉｎによって切削した場合の電流値を測定した。図３および表１に測定結果を示す。

図３および表１に示すように、実施例１〜３におけるカッタモータの電流値（平均値）は、それぞれ５０．６１（Ａ）、５９．０１（Ａ）、７１．６８（Ａ）であった。
各実施例の電流値に基づいて、式１により各実施例の上限値を算出すると、上限値はそれぞれ６８．５８（Ａ）、９７．８０（Ａ）、１４１．９６（Ａ）となった。
上限値＝平均値＋標準偏差×２ ・・・ 式１

次に、上現値に対する定格電流の割合を算出すると、それぞれ２．０６、１．４４および０．９９となった。
したがって、修正貫入量は、前回の貫入量にこの割合を乗じた値とすればよく、実施例１〜３の修正貫入量は、それぞれ１２．３４ｍｍ，１２．９８ｍｍ，１２．９１ｍｍとすればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態のトンネル掘削機のトンネル施工方法が適用可能なトンネルは、機械掘削方式のトンネルであればよく、その規模や用途は限定されるものではない。
前回の切削時のカッタモータの電流値を利用した今回の切削時のカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度を決定方法は、前記に示した方法（割合や計算方法）に限定されるものではない。
また、切削時のカッタホイールの速度は、予め設定された速度で行ってもよく、必ずしも掘削中のカッタモータの電流値に応じて変化させる必要はない。

１ トンネル掘削機
２ 掘削機本体
３ カッタホイール
３１ カッタ
４ ブーム

Claims (2)

1. カッタホイールを回転させながら移動させて地山の切削を行うスイングサイクルを複数回繰り返すことにより、地山を掘削するトンネル掘削方法であって、
   前回のスイングサイクルにおける地山に対するカッタの貫入量、カッタホイールの移動速度およびカッタモータの電流値に基づいて、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度を設定し、
   各回のスイングサイクルでは、
   切羽の中央下側から切羽の端部に向けてブームを旋回させて横方向に切削し、
   前記カッタホイールが切羽の端部に到達したら、切羽の端部から切羽の中央に向けてブームを旋回させるとともに上方向に回動させ、
   前記カッタホイールが切羽の中央に到達したら、トンネル頂部に向けてブームを上昇させ、
   前記カッタホイールがトンネル頂部に到達したら、切羽の端部に向けてブームを旋回させるとともに下方向に回動させる
   ことを特徴とする、トンネル掘削方法。
2. 前記電流値が、前記カッタモータの定格電流上限値の８０％未満である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも大きくし、
   前記電流値が、前記カッタモータの定格電流上限値の９５％以上である場合には、今回のスイングサイクルにおけるカッタの貫入量およびカッタホイールの移動速度のうちの少なくとも一方を、前回のスイングサイクルよりも小さくすることを特徴とする、請求項１に記載のトンネル掘削方法。

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