JP7391760B2

JP7391760B2 - トンネル掘削機およびその運転方法

Info

Publication number: JP7391760B2
Application number: JP2020084265A
Authority: JP
Inventors: 健高原; 諒太小峠
Original assignee: 地中空間開発株式会社
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2023-12-05
Anticipated expiration: 2040-05-13
Also published as: JP2021179103A

Description

本発明は、トンネル掘削機およびその運転方法に関する。

従来から、トンネル掘削機においては、カッターヘッドに取り付けられた筒状のカッタードラムと掘削機本体との間に複数の土砂シールが配置されている（例えば、特許文献１参照）。土砂シールは、カッタードラムの軸方向に並んでいる。

一般的に、土砂シール同士の間にはグリス室が形成され、このグリス室にグリス供給装置によってグリスが供給される。

特開平１１－６２４８２号公報

ところで、カッターチャンバー内の切羽圧が高い場合にその切羽圧を複数の土砂シールで分担するという観点からは、グリス室の後方にオイル室を設けることが考えられる。例えば、後方の２つの土砂シールの間にオイル室を形成し、残りの土砂シールの間にグリス室を形成する。この場合、グリス室とオイル室とを隔てる土砂シールが第１バックアップシール、第１バックアップシールの後方に位置する土砂シールが第２バックアップシール、第１バックアップシールよりも前方の土砂シールが止水シールと呼ばれる。止水シールの数は１つである場合もあるし、複数である場合もある。

オイル室には、当該オイル室の圧力が所定圧力（例えば、ゲージ圧で切羽圧の半分程度）に保たれるようにオイル供給装置によってオイルを供給する。これにより、切羽圧が第１バックアップシールと第２バックアップシールとで分担される。

上記のような構成の場合、第２バックアップシールが損傷すると、オイル室の圧力が維持できなくなり、切羽圧の分担が不可となる。

そこで、本発明は、第２バックアップシールが損傷しても切羽圧の分担が可能なトンネル掘削機およびその運転方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のトンネル掘削機の運転方法は、前記トンネル掘削機が、カッタードラムと掘進機本体の間に配置された少なくとも１つの止水シールと、前記少なくとも１つの止水シールとの間にグリス室を形成する第１バックアップシールと、前記第１バックアップシールとの間にオイル室を形成する第２バックアップシールと、を含み、前記グリス室にグリスを供給する工程と、前記オイル室の圧力が所定圧力に保たれるように前記オイル室にオイルを供給する工程と、を含み、前記第２バックアップシールが損傷したときに、前記グリス室にオイルを供給する、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、第２バックアップシールが損傷したときには、第１バックアップシールと止水シールとの間のグリス室にオイルが供給されるため、その止水シールがバックアップシールとして機能するようになる。従って、その止水シールと第１バックアップシールとで切羽圧を分担することができる。

また、本発明のトンネル掘削機は、カッタードラムと掘進機本体の間に配置された少なくとも１つの止水シールと、前記少なくとも１つの止水シールとの間にグリス室を形成する第１バックアップシールと、前記第１バックアップシールとの間にオイル室を形成する第２バックアップシールと、前記グリス室にグリスを供給するグリス供給装置と、前記オイル室の圧力が所定圧力に保たれるように前記オイル室にオイルを供給するオイル供給装置と、を備え、前記オイル供給装置は、前記グリス室にもオイルを供給可能に構成されている、ことを特徴とする。

上記の構成によっても、本発明のトンネル掘削機の運転方法と同様に、第２バックアップシールが損傷したときに第１バックアップシールと止水シールとの間のグリス室にオイルを供給すれば、第１バックアップシールとその前方に位置する止水シールとで切羽圧を分担することができる。

本発明によれば、第２バックアップシールが損傷しても切羽圧の分担が可能なトンネル掘削機およびその運転方法が提供される。

本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機の一部の断面図である。図１の要部の拡大図である。内側土砂シール部用の潤滑システムの概略構成図である。

図１に、本発明の一実施形態に係るトンネル掘削機１を示す。例えば、トンネル掘削機１は内部でセグメントを組み立てるシールド掘進機である。ただし、本発明は、シールド掘進機以外のトンネル掘削機にも適用可能である。

トンネル掘削機１は、地山を掘削するカッターヘッド２と、カッターヘッド２を回転可能に支持する掘削機本体３を含む。本実施形態では、カッターヘッド２がローラーカッター式であるが、カッターヘッド２はカッタービット式であってもよい。あるいは、カッターヘッド２は、ローラーカッターおよびカッタービットの双方を含んでもよい。

カッターヘッド２は、環状の板であるカッターヘッドフランジ２１を含む。カッターヘッドフランジ２１の前面には、カッターヘッドフランジ２１の中心（掘削機本体３の中心でもある）から放射状に配置された複数のカッターフレーム２２が取り付けられており、これらのカッターフレーム２２に、ローラーカッター２３が支持されている。

一方、カッターヘッドフランジ２１の裏面には、筒状のカッタードラム２４が取り付けられている。カッタードラム２４は、図略の旋回ベアリングを介して掘削機本体３に回転可能に支持されている。

掘削機本体３は、カッタードラム２４を収容する筒状の胴部３１を含む。胴部３１とカッタードラム２４の外周面との間は、外側土砂シール部１１によってシールされている。

また、掘削機本体３は、カッターヘッドフランジ２１の内側開口を閉塞するバルクヘッド３２と、バルクヘッド３２の周縁部から後方に延びる周壁３３を含む。周壁３３とカッタードラム２４の内周面との間は、内側土砂シール部１２によってシールされている。

バルクヘッド３２とカッターヘッド２との間には、カッターチャンバー２０が形成されている。つまり、バルクヘッド３２は、カッターチャンバー２０に面する。カッターチャンバー２０内には、カッターヘッド２により掘削された土砂が流入する。

図２に示すように、外側土砂シール部１１および内側土砂シール部１２のそれぞれは、カッタードラム２４と掘削機本体３（胴部３１または周壁３３）の間に配置された複数の土砂シール４を含む。本実施形態では、これらの土砂シール４がカッタードラム２４の軸方向に並んでいる。

具体的に、土砂シール４は、少なくとも１つの止水シール４１と、止水シール４１の後方に位置する第１バックアップシール４２と、第１バックアップシール４２の後方に位置する第２バックアップシール４３を含む。本実施形態では、止水シール４１の数が２つである。ただし、止水シール４１の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

また、本実施形態では、土砂シール４がシール押え５によってカッタードラム２４に取り付けられている（詳細な構造の図示は省略）。ただし、本実施形態とは逆に土砂シール４がシール押え５によって胴部３１および周壁３３に取り付けられてもよい。

なお、本実施形態では、止水シール４１がカッタードラム２４の軸方向の流れを阻止するように配置されているが、最前段の土砂シール４である止水シール４１は、カッタードラム２４の径方向の流れを阻止するように配置されてもよい。例えば、外側土砂シール部１１では、カッターヘッドフランジ２１の裏面と胴部３１の先端面との間に止水シール４１が配置されてもよい。

次に、図３を参照して、内側土砂シール部１２用の潤滑システムを説明する。なお、外側土砂シール部１１用の潤滑システムは、周壁３３が胴部３１に代わる以外は、内側土砂シール部１２用の潤滑システムと同様である。

止水シール４１同士の間にはグリス室５１が形成されている。また、最も後方に位置する止水シール４１と第１バックアップシール４２との間にもグリス室５２が形成されている。一方、第１バックアップシール４２と第２バックアップシール４３との間にはオイル室５３が形成されている。

グリス室５１，５２には、グリス供給装置６によって半固体のグリスが供給される。具体的に、グリス供給装置６は、グリスを貯留するタンク６１（例えば、ドラム缶またはペール缶）と、吸入ライン６２によりタンク６１と接続されたポンプ６３を含む。ポンプ６３は、吐出ライン６４によりグリス室５１と接続され、吐出ライン６５によりグリス室５２と接続されている。ポンプ６３は、低い回転数で連続的に稼働してもよいし、ある程度高い回転数で間欠的に稼働してもよい。

吐出ライン６４，６５の上流側部分は、互いに合流して共通の流路となっている。吐出ライン６４，６５の下流側部分（互いに並列な部分）には、開閉弁６６，６７がそれぞれ設けられている。

オイル室５３には、オイル供給装置７によって、当該オイル室５３の圧力が所定圧力に保たれるように液体のオイルが供給される。例えば、所定圧力は、ゲージ圧で、カッターチャンバー２０内の切羽圧の半分程度である。

具体的に、オイル供給装置７は、オイルを貯留するタンク７１と、吸入ライン７２によりタンク７１と接続されたポンプ７３を含む。ポンプ７３は、吐出ライン７４によりオイル室５３と接続されている。本実施形態では、オイル室５３からタンク７１まで排出ライン７５が延びており、タンク７１とオイル室５３との間でオイルが循環される。排出ライン７５にはリリーフ弁７６が設けられており、このリリーフ弁７６のリリーフ圧が上述した所定圧力に設定されている。例えば、ポンプ７３は、一定の回転数で連続的に稼働する。

本実施形態では、リリーフ弁７６が電磁リリーフ弁であり、制御装置９により制御される。例えば、制御装置９は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージと、ＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭまたはストレージに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行される。

制御装置９は、圧力センサ９１，９２と電気的に接続されている。圧力センサ９１は、オイル室５３の圧力を検出する。本実施形態では、圧力センサ９１が周壁３３に設けられているが、圧力センサ９１は吐出ライン７４に設けられてもよいし、排出ライン７５におけるリリーフ弁７６よりも上流側の部分に設けられてもよい。制御装置９は、圧力センサ９１で検出される圧力に基づいて第２バックアップシール４３が損傷したか否かを判定する。

圧力センサ９２は、図１に示すようにバルクヘッド３２に設けられ、カッターチャンバー２０内の切羽圧を検出する。制御装置９は、圧力センサ９２で検出される切羽圧に応じてリリーフ弁７６のリリーフ圧（上記の所定圧力）を変更する。

ただし、上記の所定圧力は、必ずしも制御装置９により変更される必要はなく、固定値であってもよい。所定圧力が固定値である場合、リリーフ弁７６が、リリーフ圧が手動で変更可能な、あるいは変更不能なリリーフ弁であってもよい。

また、排出ライン７５は、必ずしもオイル室５３から延びている必要はなく、吐出ライン７４から分岐してもよい。この場合、オイルが吐出ライン７４の途中からタンク７１へ戻されるように循環する。また、リリーフ弁７６の代わり流量制御弁が排出ライン７５に設けられ、圧力センサ９１で検出される圧力が上述した所定圧力になるように流量制御弁が制御装置９によりフィードバック制御されてもよい。

吐出ライン７４には開閉弁７７が設けられている。また、排出ライン７５にも、リリーフ弁７６の上流側に開閉弁７８が設けられている。

さらに、本実施形態では、オイル供給装置７がグリス室５２にもオイルを供給可能に構成されている。すなわち、オイル供給装置７は２つの分岐ライン８１，８３を含む。

分岐ライン８１は、開閉弁７７の上流側で吐出ライン７４から分岐しており、グリス室５２につながっている。分岐ライン８３は、開閉弁７８とリリーフ弁７６の間で排出ライン７５から分岐しており、グリス室５２につながっている。分岐ライン８１，８３には開閉弁８２，８４がそれぞれ設けられている。

グリス供給装置６の開閉弁６６，６７およびオイル供給装置７の開閉弁７７，７８，８２，８４は、上述した制御装置９により制御される。ただし、図３では、図面の簡略化のために一部の信号線のみを描いている。本実施形態では、制御装置９による開閉弁６６，６７，７７，７８，８２，８４の制御により、トンネル掘削機１の運転方法が実行される。

制御装置９は、上述したように、圧力センサ９１で検出されるオイル室５３の圧力に基づいて第２バックアップシール４３が損傷したか否かを判定する。具体的に、制御装置９は、圧力センサ９１で検出される圧力が閾値を下回ったときに、第２バックアップシール４３が損傷したと判定する。一方、圧力センサ９１で検出される圧力が閾値を上回っているときは、制御装置９は、第２バックアップシール４３が損傷していないと判定する。

上記の閾値は、例えば、上記の所定圧力に所定割合（例えば、５０％）を掛け合わせて算出されてもよいし、上記の所定圧力から所定値を差し引いて算出されてもよい。

ただし、第２バックアップシール４３が損傷したか否かの判定方法はこれに限られるものではない。例えば、オイル室５３へのオイル供給量とオイル室５３からのオイル排出量を計測し、オイル排出量がオイル供給量の所定割合以下となったときに、第２バックアップシール４３が損傷したと判定してもよい。

第２バックアップシール４３が損傷していないと判定したときは、制御装置９は、グリス供給装置６の開閉弁６６，６７を開く。これにより、グリスがグリス室５１，５２に供給される。また、制御装置９は、オイル供給装置７の開閉弁８２，８４を閉じ、開閉弁７７，７８を開く。これにより、オイルは、グリス室５２には供給されずに、オイル室５３の圧力が所定圧力に保たれるようにオイル室５３に供給される。

一方、第２バックアップシール４３が損傷したと判定したときは、制御装置９は、グリス供給装置６の開閉弁６７を閉じる。これにより、グリス供給装置６によるグリス室５２へのグリスの供給が停止される。また、制御装置９は、オイル供給装置７の開閉弁７７，７８を閉じ、開閉弁８２，８４を開く。これにより、オイル供給装置７によるオイル室５３へのオイルの供給が停止されるとともに、オイル供給装置７によりグリス室５２にオイルが供給される。このとき、グリス室５２の圧力は、上述したリリーフ弁７６の機能によって前記所定圧力に保たれる。

以上説明したように、本実施形態のトンネル掘削機１の運転方法では、第２バックアップシール４３が損傷したときには、第１バックアップシール４２と止水シール４１との間のグリス室５２にオイルが供給されるため、その止水シール４１がバックアップシールとして機能するようになる。従って、その止水シール４１と第１バックアップシール４２とで切羽圧を分担することができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、グリス供給装置６の開閉弁６６，６７およびオイル供給装置７の開閉弁７７，７８，８２，８４は、必ずしも制御装置９により制御される必要はなく、作業員によって手動で操作されてもよい。

また、オイル供給装置７の分岐ライン８１，８３が省略され、第２バックアップシール４３が損傷したときに、吐出ライン７４および排出ライン７５の接続先を作業員がオイル室５３からグリス室５２に変更することでオイル供給装置７によるグリス室５２へのオイルの供給を行ってもよい。

さらに、バックアップシールの数は、必ずしも２つである必要はなく、３つ以上であってもよい。すなわち、図示は省略するが、第２バックアップシール４３の後方に、第２バックアップシール４３との間にオイル室を形成する第３バックアップシールが配置されてもよい。さらには、第３バックアップシールの後方に、第３バックアップシールとの間にオイル室を形成する第４バックアップシールが配置されてもよい。

また、前記実施形態では、制御装置９が第２バックアップシール４３が損傷したと判定したとき（圧力センサ９１で検出される圧力が閾値を下回ったとき）に、グリス供給装置６によるグリス室５２へのグリスの供給が停止されたが、グリス供給装置６によるグリス室５２へのグリスの供給は継続されてもよい。ただし、グリス供給装置６によるグリス室５２へのグリスの供給が停止されれば、第２バックアップシール４３が損傷したときに、第１バックアップシール４２と止水シール４１との間のグリス室５２をオイル室に切り換えることができる。

（まとめ）
本発明のトンネル掘削機の運転方法は、前記トンネル掘削機は、カッタードラムと掘進機本体の間に配置された少なくとも１つの止水シールと、前記少なくとも１つの止水シールとの間にグリス室を形成する第１バックアップシールと、前記第１バックアップシールとの間にオイル室を形成する第２バックアップシールと、を含み、前記グリス室にグリスを供給する工程と、前記オイル室の圧力が所定圧力に保たれるように前記オイル室にオイルを供給する工程と、を含み、前記第２バックアップシールが損傷したときに、前記グリス室にオイルを供給する、ことを特徴とする。

前記第２バックアップシールが損傷したときに、前記グリス室へのグリスの供給を停止してもよい。この構成によれば、第２バックアップシールが損傷したときに、第１バックアップシールと止水シールとの間のグリス室をオイル室に切り換えることができる。

例えば、上記のトンネル掘削機は、前記オイル室の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサで検出される圧力が閾値を下回ったときに前記第２バックアップシールが損傷したと判定し、前記オイル供給装置が前記グリス室にオイルを供給するように前記オイル供給装置を制御する制御装置と、をさらに備えてもよい。

前記制御装置は、前記圧力センサで検出される圧力が閾値を下回ったときに前記グリス供給装置が前記グリス室へのグリスの供給を停止するように前記グリス供給装置を制御してもよい。この構成によれば、第２バックアップシールが損傷したときに、第１バックアップシールと止水シールとの間のグリス室をオイル室に切り換えることができる。

１トンネル掘削機
２４カッタードラム
３掘削機本体
４１止水シール
４２第１バックアップシール
４３第２バックアップシール
５１，５２グリス室
５３オイル室
６グリス供給装置
７オイル供給装置
９制御装置
９１，９２圧力センサ

Claims

トンネル掘削機の運転方法であって、
前記トンネル掘削機は、カッタードラムと掘進機本体の間に配置された少なくとも１つの止水シールと、前記少なくとも１つの止水シールとの間にグリス室を形成する第１バックアップシールと、前記第１バックアップシールとの間にオイル室を形成する第２バックアップシールと、を含み、
前記グリス室にグリスを供給する工程と、
前記オイル室の圧力が切羽圧よりも低い所定圧力に保たれるように前記オイル室にオイルを供給する工程と、を含み、
前記第２バックアップシールが損傷したときに、前記グリス室へのグリスの供給を停止するとともに、前記グリス室にオイルを供給して前記グリス室の圧力を前記所定圧力に保つ、トンネル掘削機の運転方法。
カッタードラムと掘進機本体の間に配置された少なくとも１つの止水シールと、
前記少なくとも１つの止水シールとの間にグリス室を形成する第１バックアップシールと、
前記第１バックアップシールとの間にオイル室を形成する第２バックアップシールと、
前記グリス室にグリスを供給するグリス供給装置と、
前記オイル室の圧力が切羽圧よりも低い所定圧力に保たれるように前記オイル室にオイルを供給するオイル供給装置であって、前記グリス室にもオイルを供給可能に構成されたオイル供給装置と、
前記オイル室の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサで検出される圧力が閾値を下回ったときに前記第２バックアップシールが損傷したと判定し、前記グリス供給装置が前記グリス室へのグリスの供給を停止するように前記グリス供給装置を制御するとともに、前記オイル供給装置が前記グリス室にオイルを供給して前記グリス室の圧力を前記所定圧力に保つように前記オイル供給装置を制御する制御装置と、
を備える、トンネル掘削機。