JPH06129183A - 土圧式シールド機の自動掘進制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 土圧式シールド機の掘進運転を無人化でき
る。 【構成】 カッタディスク３により切削される土砂をカ
ッタチャンバ４内に充満状態に滞留させながらスクリュ
ーコンベア６と排土調整装置７により連続的に排土する
土圧式シールド機１であって、シールドジャッキ５を姿
勢制御部３４で選択制御することによりシールド機１の
推進方向を制御し、スクリュー駆動装置１０、排土調整
装置７およびシールドジャッキ５を土圧制御部３５で制
御することにより、チャンバ４内の土圧を設定土圧に制
御し、自動運転制御部２０により各油圧ポンプユニット
９ａ，１１ａ，２３ａの運転状態および土圧／姿勢制御
機器の運転状態を監視し、この監視結果に基づきシール
ド機１に運転指令および停止指令を与えてシールド機１
を全自動運転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土圧式シールド機の自
動掘進制御装置に関し、特にオペレータの判断を要する
ことなく、土圧式シールド機による掘進を自動的に行う
ことができる土圧式シールド機の自動掘進制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】土圧式シールド工法は、主として、軟弱
地盤を対象として使用されるトンネル工法であり、シー
ルド本体の先端部に設けたカッタディスクを回転させな
がら、シールド本体をシールドジャッキにより推進さ
せ、カッタディスクにより切削される土砂をカッタチャ
ンバ内に充満状態に滞留させながら、スクリューコンベ
アにより連続的に排土することで地中を掘進する。この
工法にあっては、カッタチャンバ内への土砂の取込量
と、その排土量を調整することができるため、切羽の安
定化、地盤の変状防止、施工の安定性の点で優れてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な従来の土圧式シールド工法にあっては、オペレータの
知識や経験などから、地山に応じた適正な土圧を決定
し、この土圧を基本にして、シールドジャッキの推力、
その推進速度、カッタディスクおよびスクリューコンベ
アの回転速度を自動制御するようにしているが、この場
合、シールドジャッキ系、カッタ系およびスクリューコ
ンベア系等の各油圧ポンプユニットの運転状況、シール
ドジャッキ、カッタディスク、およびスクリューコンベ
アなどが正常に運転しているか否かのシールド機の運転
状況、カッタに加わる異常圧力、シールドジャッキへの
異常圧力等のシールド機の異常をオペレータによって監
視し、これらの監視結果を基に坑内にある操作盤をマニ
アル操作することでシールド機を掘進運転するようにし
ていた。このため、オペレータによる高度で複雑な運転
操作が必要になり、熟練を要するほか、多くの人手も要
するという問題があった。

【０００４】本発明は前記不具合を解決するものであ
り、各ポンプユニットの運転状況、シールド機の運転状
況および各種の警報情報を常時監視し、シールド機をそ
れぞれの運転状況に応じて制御することにより、シール
ド機の掘進運転を無人化できるようにした土圧式シール
ド機の自動掘進制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、シールド本体の先端部に設けたカッタディ
スクをカッタ駆動装置により回転させながらシールド本
体をシールドジャッキ群により推進し、前記カッタディ
スクにより切削される土砂をカッタチャンバ内に充満状
態に滞留させながらスクリューコンベアで連続的に排土
するシールド機と、前記シールドジャッキ群に供給され
る作動油を制御する油圧回路および該油圧回路を通して
シールドジャッキ群に作動油を供給する油圧ポンプユニ
ットと、前記カッタ駆動装置に供給される作動油を制御
する油圧回路および該油圧回路を通してカッタ駆動装置
に作動油を供給する油圧ポンプユニットと、前記スクリ
ューコンベアを駆動するスクリュー駆動装置に供給され
る作動油を制御する油圧回路および該油圧回路を通して
スクリュー駆動装置に作動油を供給する油圧ポンプユニ
ットと、前記スクリューコンベアから排出される土砂の
排出量を調整する排土調整装置と、前記カッタチャンバ
内の土圧を計測する土圧計と、前記シールド機の基準推
進方向に対する水平および垂直方向の傾き角を検出し、
この傾き角に応じ前記ジャッキ用油圧回路により前記シ
ールドジャッキ群を選択制御してシールド機の姿勢を制
御する姿勢制御手段と、前記シールドジャッキの油圧回
路、前記カッタディスクの油圧回路および前記排土調整
装置を、前記土圧計で計測した土圧と自動的に設定され
る管理土圧に基づいてカッタチャンバ内の土圧が設定土
圧になるよう制御する土圧制御手段と、前記各油圧ポン
プユニットの運転状況および前記シールドジャッキ、前
記スクリュー駆動装置、前記カッタ駆動装置および排土
調整装置その他の土圧／姿勢制御機器の運転状況を常に
監視し、これらの監視結果に基づき前記姿勢制御手段お
よび土圧制御手段に運転指令および停止指令を与えてシ
ールド機を全自動運転させる自動運転制御手段とを備え
たことを特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明による土圧式シールド機の自動掘進
制御装置の一実施例を示す全体の構成図、図２はシール
ド機の概略構成図である。

【０００７】まず、図２において、１はシールド機であ
り、このシールド機１は、円筒状のシールド本体２と、
このシールド本体２の先端部に回転可能に設けたカッタ
ディスク３と、このカッタディスク３の後部に形成さ
れ、切削された土砂を充満状態に滞留させるチャンバ４
と、シールド本体２を推進させる複数のシールドジャッ
キ５と、チャンバ４内の土砂を排出するスクリューコン
ベア６と、このスクリューコンベア６の開口率を制御す
る排土調整装置７とを備える。

【０００８】また、８はカッタディスク３を正、逆方向
に回転駆動するカッタ駆動装置であり、このカッタ駆動
装置８は油圧モータから構成され、この油圧モータは、
後述する油圧回路９（図１参照）に接続されている。１
０はスクリューコンベア６を駆動するスクリュー駆動装
置であり、このスクリュー駆動装置１０は油圧モータか
ら構成され、この油圧モータは、後述する油圧回路１１
（図１参照）に接続されている。

【０００９】１２はカッタチャンバ４内に泥しょうを注
入する泥しょう注入ポンプユニットであり、この泥しょ
う注入ポンプ１２による泥しょうは注入パイプ１２ａを
通してカッタチャンバ４内に注入され、チャンバ４およ
びスクリューコンベア６内での土砂の粘性を高め、かつ
土砂をスムーズに移動させるようにする。また、１３は
カッタチャンバ４内の土圧を複数箇所で計測する複数の
土圧計、１４は地山に対するシールド本体２の水平方向
の角度を検出するジャイロセンサなどの水平角検出器で
あり、１５は地山に対するシールド本体２の上下方向の
角度を検出する水位計などの垂直角検出器である。

【００１０】次に、図１の構成について述べる。図１に
おいて、２０はシールド機１の運転状況、各油圧ポンプ
ユニットの運転状況およびシールド機１からの各種警報
情報を監視しながら掘進管理データに基づいてシールド
機１を自動運転させる自動運転制御部であり、コンピュ
ータから構成される。

【００１１】自動運転制御部２０の入力側には、シール
ド機１の掘進開始を指令する掘進開始スイッチ２１、シ
ールド機１の非常停止を指令する非常停止スイッチ２
２、シールドジャッキ駆動用油圧回路２３を構成する油
圧ポンプユニット２３ａの起動／停止を検出する運転状
況検出器２４、カッタ駆動用油圧回路９を構成する油圧
ポンプユニット９ａの起動／停止を検出する運転状況検
出器２５、スクリュー駆動用油圧回路１１を構成する油
圧ポンプユニット１１ａの起動／停止を検出する運転状
況検出器２６、泥しょう注入ポンプユニット１２の起動
／停止を検出する運転状況検出器２７、カッタ３が左回
転中か右回転中かを検出するカッタ回転状況検出器２
８、スクリューコンベア６が回転中かを検出するスクリ
ュー回転状況検出器２９、シールドジャッキ５の伸長ス
トロークを検出するストローク検出器３０、油圧回路９
からカッタ駆動装置８に供給される動作油圧からカッタ
駆動装置８に加わるカッタ圧力を検出するカッタ圧検出
器３１、各油圧回路の油圧ポンプユニットを構成する電
動機の異常、各種検出信号および制御信号の伝送系の異
常あるいはシールド機１に異常が生じたことを検出して
異常信号を送出する異常検出部３２、シールド本体２の
ローリングを検出するローリング検出器３３がそれぞれ
接続されている。

【００１２】また、自動運転制御部２０の出力側には、
シールド機１の姿勢制御部３４およびシールド機１の土
圧制御部３５が接続されているとともに、泥しょう注入
ポンプユニット１２、カッタ駆動用油圧回路９の油圧ポ
ンプユニット９ａ、シールドジャッキ駆動用油圧回路２
３の油圧ポンプユニット２３ａ、スクリュー駆動用油圧
回路１１の油圧ポンプユニット１１ａがそれぞれ接続さ
れている。

【００１３】姿勢制御部３４は、シールド機１が予め設
定された方向に向け推進するよう制御するためのもの
で、この姿勢制御部３４の入力側には水平角検出器１４
および垂直角検出器１５が接続されている。また、姿勢
制御部３４の出力側にはジャッキ駆動用油圧回路２３が
接続され、さらにこの油圧回路２３には複数のシールド
ジャッキ５が接続されている。

【００１４】土圧制御部３５は、シールドジャッキ５の
推進速度、スクリューコンベア６の回転速度および排土
調整装置７の排土量を制御することにより、チャンバ４
内の土圧を予め設定した土圧に維持させるためのもの
で、この土圧制御部３５の入力側には土圧計１３が接続
されている。また、土圧制御部３５の出力側には、ジャ
ッキ駆動用油圧回路２３、カッタ駆動用油圧回路９、ス
クリュー駆動用油圧回路１１および排土用油圧回路３６
がそれぞれ接続されている。カッタ駆動用油圧回路９に
はカッタ駆動装置（油圧モータ）８が接続され、スクリ
ュー駆動用油圧回路１１にはスクリュー駆動装置（油圧
モータ）１０が接続され、さらに排土用油圧回路３６に
は、その作動油により駆動されるアクチュエータで動作
されるゲートなどの排土調整装置７が接続されている。

【００１５】なお、前記でシールドジャッキ５、スクリ
ューコンベア６およびカッタディスク３の各油圧回路
は、油圧ポンプユニットのほか、圧力制御弁、流量制御
弁、方向制御弁などから構成され、そして、油圧ポンプ
ユニットは、油圧ポンプおよびこれを駆動する電動機か
ら構成される。また、同様にして排土用油圧回路３６
も、油圧ポンプ、圧力制御弁、流量制御弁等から構成さ
れる。

【００１６】次に、上述のように構成された本実施例の
掘進動作について説明する。シールド機１の掘進準備が
完了した状態において、不図示の監視盤などに設けてあ
る掘進開始スイッチ２１がオペレータによってオン操作
されると、このスイッチ２１のオン信号は自動運転制御
部２０に取り込まれる。自動運転制御部２０では、スイ
ッチ２１のオン信号に基づいてカッタ駆動用油圧回路９
の油圧ポンプユニット９ａ、スクリュー駆動用油圧回路
１１の油圧ポンプユニット１１ａ、ジャッキ駆動用油圧
回路２３の油圧ポンプユニット２３ａ、泥しょう注入ポ
ンプユニット１２および排土用油圧回路３６に運転指令
信号を送出し、それぞれのポンプユニットを起動させ
る。泥しょう注入ポンプユニット１２が起動されること
により、泥しょうをチャンバ４内に連続して注入する。

【００１７】ここで、ジャッキ用、カッタ用、スクリュ
ー用および泥しょう用の各検出器２４〜２７は、対応す
るポンプユニットが正常に起動されたか否かの運転状況
を検出し、その検出信号を自動運転制御部２０に取り込
むことにより各ポンプユニットが正常に起動されたかを
判定する。各ポンプユニットが正常に動作されたことが
認識されると、自動運転制御部２０は姿勢制御部３４お
よび土圧制御部３５にマシン運転指令を出力し、姿勢制
御部３４および土圧制御部３５によりシールド機１を制
御して掘進制御動作させる。

【００１８】すなわち、土圧制御部３５にマシン運転指
令が入力されると、土圧制御部３５では、自動的に設定
される管理土圧と土圧計１３で検出されたチャンバ４内
の土圧に基づいて、ジャッキ駆動用油圧回路２３に油圧
制御指令を与え、この指令に応じ各シールドジャッキ５
に供給される推進のための作動油量および圧力を制御
し、各シールドジャッキ５を推進動作させ、シールド機
１を推進させる。また、管理土圧とチャンバ４内の検出
土圧に基づいて、スクリュー駆動用油圧回路１１に油圧
制御指令を与え、この指令に応じスクリュー駆動装置１
０に供給される作動油量および圧力を制御してスクリュ
ーコンベア６を回転させ、チャンバ４内に充満状態に滞
留される土砂を排土調整装置７を通してコンベア１６
（図２参照）上に連続的に排出する。さらにまた、管理
土圧データとチャンバ４内の検出土圧に基づいて排土用
油圧回路３６を制御し、この油圧回路３６により動作さ
れる排土調整装置７の開口率を調整する。なお、シール
ド機１の掘進時に、回転状況検出器２８で検出されたカ
ッタディスク３の回転状況情報、回転状況検出器２９で
検出されたスクリューコンベア６の回転状況情報および
ストローク検出器３０により検出されたシールドジャッ
キ５のストローク情報は自動運転制御部２０に取り込ま
れ、常時監視される。また、掘進時にカッタ駆動装置８
に加わる圧力を示すカッタ圧検出器３１の出力信号、異
常検出部３２からの信号およびローリング検出部３３の
信号も自動運転制御部２０に取り込まれ、監視される。

【００１９】このように、シールドジャッキ５の推進速
度、スクリューコンベア６の回転数および排土調整装置
７の開口率を土圧に応じ制御することにより、チャンバ
４内の土圧を管理土圧に保持して切羽の安定化を図る。

【００２０】一方、姿勢制御部３４に自動運転制御部２
０からマシン運転指令が入力されると、姿勢制御部３４
では、水平角検出器１４で検出された、基準推進方向に
対するシールド本体２の水平方向の傾き角および垂直角
検出器１５で検出された、基準推進方向に対するシール
ド本体２の垂直方向の傾き角に基づいてジャッキ駆動用
油圧回路２３にジャッキ選択指令を与え、選択されたシ
ールドジャッキ５への作動油を制御することにより、シ
ールド機１を設定された推進方向を向くように姿勢制御
する。

【００２１】シールド機１の掘進動作中に、ストローク
検出器３０により検出されたシールドジャッキ５の伸長
ストロークが予め設定した値（セグメント１７の幅寸法
に相当）に達したことが自動運転制御部２０で判定され
ると、自動運転制御部２０から各油圧回路９，１１，２
３に運転停止指令が送出され、これにより各油圧ポンプ
ユニット９ａ，１１ａ，２３ａを停止させてカッタディ
スク３、スクリューコンベア６およびシールドジャッキ
５を停止させる。そして、全ての機器が異常なく停止す
ると、再び掘進開始スイッチ２１がオン操作されるまで
待機する。

【００２２】シールド機１の掘進動作中に、ローリング
検出器３３により検出されたシールド本体２の左または
右方向へのローリング角が予め設定した角度以上になっ
たこことが自動運転制御部２０で判定されると、この判
定信号が土圧制御部３５に送出される。この判定信号を
受けた土圧制御部３５では、現在のカッタの回転方向を
反転させる指令信号を油圧制御回路９に出力し、これに
より油圧回路９からカッタ駆動装置８に供給される作動
油の流れ方向を逆にしてカッタディスク３を逆方向に回
転駆動し、シールド本体２を正常な位置に戻す。

【００２３】また、非常停止スイッチ２２がオンされた
り、あるいは異常検出部３２により、各油圧回路および
これにより制御される機器等の異常が検出されると、こ
の異常を判定した自動運転制御部２０が姿勢制御部３４
および土圧制御部３５に停止指令を送出し、これにより
各油圧回路を停止させると同時に各機器を停止してシー
ルド機１の掘進を速やかに停止させる。

【００２４】また、カッタ圧検出器３１で検出されたカ
ッタディスク３のトルクが予め設定された値以上になっ
たことが自動運転制御部２０で判定されると、この判定
信号が土圧制御部３５を介してジャッキ駆動用油圧回路
２３に出力され、油圧回路２３から各シールドジャッキ
５に供給される作動油を停止して、シールド機１の掘進
を一旦停止させる。そして、スクリューコンベア６によ
るチャンバ４内の土砂の排土に伴いカッタ駆動装置８に
かかるカッタ圧が設定値以下になったことが判定される
と、ジャッキ駆動回路２３により各シールドジャッキ５
が再び推進動作され、掘進が再開される。

【００２５】上述のような本実施例においては、シール
ド機の姿勢制御部および土圧制御部に加えて、自動運転
制御部を追加し、この自動運転制御部により、シールド
機の各油圧ポンプユニットの運転状況、油圧ポンプユニ
ットおよび油圧回路により制御される土圧／姿勢制御用
機器の運転状況、土圧／姿勢制御用機器および油圧ポン
プユニットの異常状態を常に監視し、これらに異常が生
じていないときは、油圧ポンプユニット、泥しょう注入
ポンプユニットを起動し、かつカッタおよびスクリュー
コンベア、その排土調整装置を動作させるとともにシー
ルドジャッキを推進させて掘進動作させ、そして、掘進
中は姿勢制御部によりシールド機の姿勢を予め決められ
た方向に制御し、さらに土圧制御部により、ジャッキス
ピード、スクリュー回転数および排土調整装置の開口率
を制御して、チャンバ４内の土圧を管理土圧に制御し、
また、シールド機のローリング角が設定値以上になった
ときはカッタの回転方向を反転し、また、カッタ圧が設
定値以上になった場合は、ジャッキの推進を一旦停止さ
せ、その後設定値以下になったときに再び掘進を再開さ
せ、さらに掘進時のジャッキストロークが設定値に達し
たときは、ジャッキ，スクリューおよびカッタを停止さ
せるとともに、油圧ポンプユニットも停止し、再び掘進
開始指令が出力されるまで待機させる自動運転方式にし
たので、人手を要することなく土圧式シールド機の全自
動掘進制御を行うことができる。

【００２６】なお、本発明は、上記実施例に示す構成の
ものに限定されず、請求項に記載した範囲を逸脱しない
限り、種々の変形が可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
ールド機の姿勢制御手段および土圧制御手段に加えて、
自動運転制御手段を追加し、この自動運転制御手段によ
り、シールド機の各油圧ポンプユニットの運転状況、油
圧ポンプユニットおよび油圧回路により制御される土圧
／姿勢制御用機器の運転状況、土圧／姿勢制御用機器お
よび油圧ポンプユニットの異常状態を常に監視し、これ
らの監視結果に基づいてシールド機を自動的に制御する
ようにしたので、シールド機の掘進運転を無人化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による土圧式シールド機の自動掘進制御
装置の一実施例を示す全体の構成図である。

【図２】本実施例における土圧式シールド機の概略断面
図である。

【符号の説明】

１ シールド機 ２ シールド本体 ３ カッタディスク ４ カッタチャンバ ５ シールドジャッキ ６ スクリューコンベア ７ 排土調整装置 ８ カッタ駆動装置 ９ カッタ駆動用油圧回路 ９ａ 油圧ポンプユニット １０ スクリュー駆動装置 １１ スクリュー駆動用油圧回路 １１ａ 油圧ポンプユニット １２ 泥しょう注入ポンプユニット １３ 土圧計 １４ 水平角検出器 １５ 垂直角検出器 ２０ 自動運転制御部 ２１ 掘進開始スイッチ ２２ 非常停止スイッチ ２３ シールドジャッキ駆動用油圧回路 ２３ａ 油圧ポンプユニット ２４〜３１ 検出器 ３２ 異常検出部 ３３ ローリング検出器 ３４ 姿勢制御部 ３５ 土圧制御部 ３６ 排土用油圧回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド本体の先端部に設けたカッタデ
   ィスクをカッタ駆動装置により回転させながらシールド
   本体をシールドジャッキ群により推進し、前記カッタデ
   ィスクにより切削される土砂をカッタチャンバ内に充満
   状態に滞留させながらスクリューコンベアで連続的に排
   土するシールド機と、 前記シールドジャッキ群に供給される作動油を制御する
   油圧回路および該油圧回路を通してシールドジャッキ群
   に作動油を供給する油圧ポンプユニットと、 前記カッタ駆動装置に供給される作動油を制御する油圧
   回路および該油圧回路を通してカッタ駆動装置に作動油
   を供給する油圧ポンプユニットと、 前記スクリューコンベアを駆動するスクリュー駆動装置
   に供給される作動油を制御する油圧回路および該油圧回
   路を通してスクリュー駆動装置に作動油を供給する油圧
   ポンプユニットと、 前記スクリューコンベアから排出される土砂の排出量を
   調整する排土調整装置と、 前記カッタチャンバ内の土圧を計測する土圧計と、 前記シールド機の基準推進方向に対する水平および垂直
   方向の傾き角を検出し、この傾き角に応じ前記ジャッキ
   用油圧回路により前記シールドジャッキ群を選択制御し
   てシールド機の姿勢を制御する姿勢制御手段と、 前記シールドジャッキの油圧回路、前記カッタディスク
   の油圧回路および前記排土調整装置を、前記土圧計で計
   測した土圧と自動的に設定される管理土圧に基づいてカ
   ッタチャンバ内の土圧が設定土圧になるよう制御する土
   圧制御手段と、 前記各油圧ポンプユニットの運転状況および前記シール
   ドジャッキ、前記スクリュー駆動装置、前記カッタ駆動
   装置および排土調整装置その他の土圧／姿勢制御機器の
   運転状況を常に監視し、これらの監視結果に基づき前記
   姿勢制御手段および土圧制御手段に運転指令および停止
   指令を与えてシールド機を全自動運転させる自動運転制
   御手段と、 を備えたことを特徴とする土圧式シールド機の自動掘進
   制御装置。