JPH07197777A - 先導管推進装置の掘進方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最適掘進速度を自動設定及びその自動補正を
行うに好適な先導管推進装置の掘進方法を提供する。 【構成】 先導管を土中で掘進させる先導管推進装置の
掘進方法において、(1)予め、各種施工条件Ｆと、これ
らに対応する先導管の各最適掘進速度指標Ｖとの関係Ｒ
を定めておき、(2) 掘進の際し、予め、実際施工条件Ｆ
ａを前記関係Ｒに当てはめて該実際施工条件Ｆａに対応
する先導管の実際最適掘進速度指標Ｖａを求め、(3) 掘
進時は、該実際最適掘進速度指標Ｖａを目標として前記
先導管を土中で掘進させることとした。また予め設定さ
れた最適掘進速度指標Ｖａを目標として先導管を土中で
掘進させる先導管推進装置の掘進方法において、(1) 掘
削土圧変化ΔＰを求め、(2) この掘削土圧変化ΔＰによ
って前記最適掘進速度指標Ｖａを補正し、(3) この補正
値Ｖaoを目標として前記先導管を土中で掘進させること
とした。ここで、掘削土圧変化ΔＰは、掘削トルク変化
ΔＴでもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地中に上下水道管、ガ
ス管、電線管等を埋設するための先導管推進装置の掘進
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】先導管推進装置は、発進立坑から到達立
坑までの間を掘進計画線に沿って発進立坑に備えた推進
ジャッキによって先導管に続いて所定長さのロッド管を
順次継ぎ足しつつ地中へ送り出すものである。先導管の
先端はカッタである。カッタの後端には、掘削土を発進
立坑まで搬送するスクリューが配置されている。尚、カ
ッタとスクリューとは、それぞれ独立して各々の駆動源
によって回転させられる分離形カッタスクリューと、互
いに一体化して一つの駆動源によって回転させられる一
体形カッタスクリューとがある。以下特に断らないとき
は分離形カッタスクリューの先導管推進装置の掘進方法
について説明する。

【０００３】かかる先導管推進装置の掘進速度（推進ジ
ャッキによる推進速度、カッタ回転速度、スクリュー回
転速度）の設定や変更は、掘進の際に生ずる土質や土圧
等の施工条件の変化を、オペレータが掘削土、先導管に
備えた土圧センサからの土圧情報及び各駆動源に備えた
油圧計や回転計等からの駆動情報等を監視することで把
握し、その勘と経験とによって決定し操作するというも
のであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
マニュアル制御では、習熟度の高いオペレータでなけれ
ば、高精度かつ高効率な掘進作業を行うことができな
い。例えば、これら掘進速度の設定や変更の良否によっ
て掘進精度や作業効率が左右されるものとして、切羽の
安定がある。切羽が不安定になると、地山が崩れたり、
掘進方向が曲がったり、また、これらの修正に時間を要
したりする。また、カッタは地山の土質や土圧等の変化
によって急激にストール（回転が停止する現象）し易
く、このストールの阻止操作が不適当であると、忽ちス
トールしてしまい、最適掘進速度への復帰操作に時間を
要す。勿論、オペレータは、単に上記操作だけでなく、
前記掘進方向の修正、滑材の注入、駆動源なる油圧、空
圧、電流、電圧等への監視、ロッド管の継ぎ足し作業
等、さらに先導管推進装置の仕様によっては注水操作や
管内土圧を最適化するためのピンチ弁操作等も加わるた
め、オペレータへの負担は極めて高いのが実情である。

【０００５】本発明は、上記従来技術の実情に鑑み、最
適掘進速度を自動設定及びその自動補正を行うに好適な
先導管推進装置の掘進方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係わる先導管推進装置の掘進方法は、先導
管を土中で掘進させる先導管推進装置の掘進方法におい
て、(1) 予め、各種施工条件Ｆと、これらに対応する先
導管の各最適掘進速度指標Ｖとの関係Ｒを定めておき、
(2) 掘進の際し、予め、実際施工条件Ｆａを前記関係Ｒ
に当てはめて該実際施工条件Ｆａに対応する先導管の実
際最適掘進速度指標Ｖａを求め、(3) 掘進時は、該実際
最適掘進速度指標Ｖａを目標として前記先導管を土中で
掘進させることとした（第１構成）。

【０００７】また、予め設定された最適掘進速度指標Ｖ
ａを目標として先導管を土中で掘進させる先導管推進装
置の掘進方法において、(1) 掘削土圧変化ΔＰを求め、
(2) この掘削土圧変化ΔＰによって前記最適掘進速度指
標Ｖａを補正し、(3) この補正値Ｖaoを目標として前記
先導管を土中で掘進させることとした（第２構成）。

【０００８】尚、上記第２構成において、「掘削土圧変
化ΔＰ」は「掘削トルク変化ΔＴ」としてもよい（第３
構成）。

【０００９】

【作用】第１構成によれば、オペレータの勘や経験に頼
ることなく自動的に、実際最適掘進速度指標Ｖａを設定
でき、またこれを目標として先導管を土中で掘進させる
ことができる。

【００１０】第２構成によれば、掘削時、土質や土圧等
は変化しても、オペレータの勘や経験に頼ることなく自
動的に、掘削土圧変化ΔＰ情報によって当初設定された
最適掘進速度指標Ｖａを補正でき、この補正値Ｖaoを目
標に先導管を土中で掘進させることができる。

【００１１】第３構成は、第２構成における掘削土圧変
化ΔＰを掘削トルク変化ΔＴで代用しただけであり、そ
の作用は、実質的に、第２構成の作用と同じである。

【００１２】

【実施例】以下本発明に最も好適な実施例を説明する。
先ず、本実施例における先導管推進装置の外観構成を図
８を参照して説明する。同図の先導管推進装置は分離形
カッタスクリューである。先導管１の先端はカッタ用油
圧モータ２で回転するカッタ３である。カッタ３の後方
から先導管１及びロッド管４を経て発進立坑まではスク
リュー用油圧モータ５で回転するスクリュー６が内蔵さ
れ、掘削土を発進立坑まで搬送する。発進立坑には、前
記スクリュー用油圧モータ５及び推進ジャッキ７が備え
られている。推進ジャッキ７は先導管１に続いて所定長
さのロッド管４を順次継ぎ足しつつ地中へ送り出す。前
記カッタ用油圧モータ２はカッタ用油圧回路８から、ス
クリュー用油圧モータ５はスクリュー用油圧回路９か
ら、また推進ジャッキ７は推進ジャッキ用油圧回路１０
からの圧油によって駆動される。また、マイコンでなる
制御器１１が備えられている。この制御器１１は、各油
圧回路８、９、１０の可変容量形油圧ポンプの可変容量
手段（例えば斜板ポンプであれば、斜板角変更用サーボ
バルブのソレノイド、図示せず）と通信線Ｓｃ、Ｓｓ、
Ｓｊで接続されている。またこの制御器１１は、カッタ
３に備えられたカッタ回転検出センサ１２（カッタ回転
トルク検出センサ１２Ｔでもよい）と通信線Ｓcnで、カ
ッタ３のチャンバ１３内に備えられたチャンバ内土圧検
出センサ１４と通信線Ｓcpで、先導管１のケーシング１
５内に備えられたケーシング内土圧検出センサ１６と通
信線Ｓkpで、及び、スクリュー６に備えられたスクリュ
ー回転検出センサ１７（スクリュー回転トルク検出セン
サ１７Ｔでもよい）と通信線Ｓsnで結線されている。

【００１３】上記先導管推進装置において、制御器１１
は次の自動制御を行う。

【００１４】第１実施例は、実際最適掘進速度指標Ｖａ
を自動的に求めてこれを目標として掘進させる例であ
る。図１のフローチャートを参照して説明する。掘進に
先立ち予め、例えば下記の表１に示すように、各種施工
条件Ｆ（土質Ｄ、Ｎ値、先導管１の管径φ）と、これら
に対応する各最適掘進速度指標Ｖ（推進ジャッキ７の推
進速度Ｖｊ、カッタ回転速度Ｎｃ、スクリュー回転速度
Ｎｓ）との関係Ｒを定めておく(1) 。

【００１５】

【表１】

【００１６】そして掘進に際し、予め、実際施工条件Ｆ
ａ（Ｄ、Ｎ値、φ）を前記関係Ｒに当てはめることによ
って該実際施工条件Ｆａ（Ｄ、Ｎ値、φ）に対応する最
適掘進指標Ｖａ（Ｖja、Ｎca、Ｎsa）を導き出し、この
最適掘進指標Ｖａを目標値として、各掘進手段２、５、
７を駆動して掘進する((2)〜(4))。

【００１７】他の実施例を項目列挙する。一体形カッタ
スクリューの場合は、例えば上記表１において、カッタ
回転速度Ｎｃをスクリュー回転速度Ｎｓと見做せばよ
い。

【００１８】施工条件Ｆは、第１実施例のように、土質
Ｄ、Ｎ値、先導管の管径φだけに限る必要はなく、例え
ば地表面から先導管上面までの深さ（いわゆる土被り量
ｘ）や地上建造物の有無（土圧変化）等も加味して設定
するのがよい。またＮ値はコーン指数等の他の土質条件
を示す値であってもよい。また管径φだけに限る必要は
なく、例えば該先導管推進装置の駆動力やカッタの種類
等によってもよい。このように、施工条件Ｆは、多種多
様考慮することができる。

【００１９】関係Ｒは、第１実施例の表１のように、マ
トリクスで対応させてばかりでなく、関数としてもよ
い。つまり、地山の土質が硬ければ、推進速度Ｖｊを下
げ、カッタ回転速度Ｎｃ及びスクリュー回転速度Ｎｓを
早める必要があり、このように、これらはある程度、線
形で比例関係にあるため関数で示すことができる。

【００２０】次に、第１実施例によって得られた実際最
適掘進指標Ｖａの補正に係わる実施例を説明する。もっ
とも、従来通り、オペレータが勘と経験とで設定した実
際最適掘進指標Ｖａに対しても、以降の実施例を適用で
きること言うまでもない。

【００２１】第２実施例は、チャンバ内土圧Ｐｃによる
スクリュー回転速度Ｎsaの補正制御例である。図２のフ
ローチャートを参照して説明する（尚、回転数と回転速
度とは同義語とみなす）。(1) 予め基準チャンバ内土圧
Ｐcsを記憶し、(2) チャンバ内土圧検出センサ１４から
通信線Ｓcpを介して実際チャンバ内土圧Ｐcaを入力する
と共に、スクリュー回転検出センサ１７から通信線Ｓsn
を介して実際スクリュー回転数Ｎsaを入力し、(3) 実際
チャンバ内土圧Ｐcaを基準チャンバ内土圧Ｐcsで比較
し、(4) Ｐcs≧Ｐcaであるときは、新スクリュー回転数
Ｎso（＝Ｎsa−ΔＮsa＝Ｎsa−k1（Ｐcs−Ｐca））を設
定し（勿論、新スクリュー回転数Ｎsoは、前記スクリュ
ー回転速度Ｎsaの補正済み回転数である）、(5) この新
スクリュー回転数Ｎsoに相当する指令電流を、通信線Ｓ
ｓを介し、スクリュー用油圧回路９中の油圧ポンプの可
変容量手段へ送り、該油圧ポンプの吐出油量Ｑｓ＋ΔＱ
ｓを変更する。この結果、新スクリュー回転数は前記Ｎ
soへと近づく（尚、この新スクリュー回転数Ｎsoが本発
明の補正値Ｖaoに相当する、以下同様）。

【００２２】上記作用を説明する。工程(4) において、
Ｐcs≧Ｐcaであるときは、切羽が一瞬にして崩壊する恐
れがある。別言すれば、基準チャンバ内土圧Ｐcsは、切
羽が一瞬にして崩壊しない水準で設定する。従って、工
程(4) によれば、Ｐcs≧Ｐcaであるときは、直ちにスク
リュー回転Ｎsaが下げ、掘削土の搬送を抑制するため、
実際チャンバ内土圧Ｐcaは、少なくともチャンバ内基準
土圧Ｐcsまで高められ、前記切羽の崩壊が阻止されるよ
うになる。補正係数ｋ１を説明する。実際チャンバ内土
圧Ｐcaが低い程、スクリュー回転数Ｎsaの下げ幅ΔＮsa
を大きくする必要がある。つまり、スクリュー回転数Ｎ
saの下げ幅ΔＮsaと実際チャンバ内土圧Ｐcaとは線形で
比例関係にある。このため、上記補正係数k1は、実験等
により求めておくことができる( 以下に現れる補正係数
K2〜k12 も同様の考え方である)。つまり、上記新スク
リュー回転数Ｎsoは、Ｎso＝Ｎsa−k1ΔＰｃ＝Ｎsa−k1
（Ｐcs−Ｐca）と言う単純な数式でも求めることができ
る。左式から分かるように、ある程度、線形による比例
関係にあるのであって、勿論、実験等によって、より現
実に則した他の数式に当てはめてもよいことは言うまで
もない。

【００２３】第２実施例によれば、最適推進速度Ｖja及
び最適カッタ回転速度Ｎsaを変更することなく、実際チ
ャンバ内土圧Ｐcaの検出で土質や土圧等の変化を代用
し、これにより、土質や土圧等の変化に応じた最適スク
リュー回転数Ｎsoで自動補正掘進することができる。こ
の結果、切羽の一瞬による崩壊や該スクリュー回転のス
トールを阻止することができる。

【００２４】第３実施例、ケーシング内土圧Ｐｋによる
スクリュー回転速度Ｎsaの補正制御例である。図３のフ
ローチャートを参照して説明する。(1) 予め基準ケーシ
ング内土圧ＰKsを記憶し、(2) ケーシング内土圧検出セ
ンサ１６から通信線Ｓkpを介して実際ケーシング内土圧
Ｐkaを入力すると共に、スクリュー回転検出センサ１７
から通信線Ｓsnを介して実際スクリュー回転数Ｎsaを入
力し、(3) 実際ケーシング内土圧Ｐkaを基準ケーシング
内土圧ＰKsで比較し、(4) 実際ケーシング内土圧Ｐkaが
基準ケーシング内土圧ＰKsの例えば±１０％以外である
ときは、新スクリュー回転数Ｎso（＝Ｎsa−ΔＮsa＝Ｎ
sa−k2（ＰKs−Ｐka））を設定し、(5) この新スクリュ
ー回転数Ｎsoに相当する指令電流を、通信線Ｓｓを介
し、スクリュー用油圧回路９中の油圧ポンプの可変容量
手段へ送り、該油圧ポンプの吐出油量Ｑｓ＋ΔＱｓを変
更する。この結果、新スクリュー回転数は前記Ｎsoへと
近づく。

【００２５】上記作用を説明する。工程(4) において、
実際ケーシング内土圧Ｐkaが基準ケーシング内土圧ＰKs
に対して小さくても大きくても、切羽は不安定になる。
従って、工程(4) によれば、実際ケーシング内土圧Ｐka
が基準ケーシング内土圧ＰKsに対して小さい場合（ＰKa
＜０．９ＰKs）はスクリュー回転Ｎsaを下げ、逆に大き
い場合（Ｐka＞１．１ＰKs）はスクリュー回転Ｎsaを上
げる。このようにすることで切羽の安定は勿論のこと、
該スクリュー回転のストールも阻止できる。

【００２６】第４実施例は、上記第２実施例と第３実施
例とを折衷したものである。即ち、上記第２実施例と第
３実施例とにおける工程(1) 〜(4) はそのまま同時に行
い、双方の新スクリュー回転数Ｎso、Ｎsoのいずれか小
さい方でスクリュウ６を駆動させるものである。このよ
うにすることで、切羽の安定は勿論のこと、該スクリュ
ー回転のストールも阻止できる。

【００２７】以下他の実施例を説明する。先ず、上記第
３及び第４実施例では、新スクリュー回転数Ｎsoは、
（Ｎso＝Ｎsa−k2（Ｐks−Ｐka））で求められた。とこ
ろが、この新スクリュー回転数Ｎsoは、（Ｎsa−k3（Ｔ
cs−Ｔca））でも、また、（Ｎsa−k4（Ｔss−Ｔsa））
でも求めることができる。ここで、Ｔcsは基準カッタ回
転トルクである。Ｔcaは実際カッタ回転トルクであり、
回転トルク検出センサ１２Ｔから入力する。Ｔssは基準
スクリュー回転トルクである。Ｔsaは実際スクリュー回
転トルクであり、回転トルク検出センサ１７Ｔから入力
する。尚、これら実際カッタ回転トルクＴca及び実際ス
クリュー回転トルクＴsaは、通常、上述のような、回転
トルク検出センサ１２Ｔ、１７Ｔによって検出される
が、例えば各回転油圧モータの油圧と、その一回転当た
りの吐出容量との積でも求めることができる。ここで、
油圧は油圧計で検出できる。後者一回転当たりの吐出流
量は、可変容量形油圧ポンプならばその可変角度で知る
ことができる。また固定容量形油圧ポンプならばその検
出油圧自体をトルクの代用値とすることができる。つま
り、このような入力手段で得られるトルクもまた、本発
明（第３発明）に含まれるものと定義しておく（以下同
様）。

【００２８】また上記第１実施例〜第３実施例は、実際
最適掘進指標Ｖａ（推進速度Ｖja、カッタ回転速度Ｎc
a、スクリュー回転速度Ｎsa）におけるスクリュー回転
速度Ｎsaだけについての補正の実施例であるが、推進速
度Ｖja及びカッタ回転速度Ｎcaの自動補正も、それぞれ
上記同様に行うことができる。

【００２９】先ず、新推進速度Ｖjoは、〔Ｖja−k5（Ｐ
cs−Ｐca）、図４参照（チャンバ土圧Ｐcaを検出して推
進速度Ｖjaを補正する例）〕、〔Ｖja−k6（ＰKs−ＰK
a）、図５参照（ケーシング土圧ＰKaを検出して推進速
度Ｖjaを補正する例）〕、〔Ｖja−k7（Ｔcs−Ｔca）、
図６参照（カッタ回転トルクＴcaを検出して推進速度Ｖ
jaを補正する例）〕又は〔Ｖja−k8（Ｔss−Ｔsa）、図
７参照（スクリュー回転トルクＴsaを検出して推進速度
Ｖjaを補正する例）〕等で求まり、カッタ回転速度Ｎca
及びスクリュー回転速度Ｎsaを一定としたまま、負荷変
動に応じて推進速度Ｖjaだけを補正している。

【００３０】次に、カッタ回転速度Ｎcoも、〔Ｎca−k9
（Ｐcs−Ｐca）〕、〔Ｎca− k10（ＰKs−ＰKa）〕、
〔Ｎca− k11（Ｔcs−Ｔca）〕又は〔Ｎca− k12（Ｔss
−Ｔsa）〕等で求まり、推進速度Ｖja及びスクリュー回
転速度Ｎsaを一定としたまま、負荷変動に応じてカッタ
回転速度Ｎcaだけを補正している。これらのフローチャ
ートは、図２〜図７に準ずるので図示しない。

【００３１】勿論、実際最適掘進指標Ｖａ（推進速度Ｖ
ja、カッタ回転速度Ｎca、スクリュー回転速度Ｎsa）の
上記自動補正は、上述のように、個々で行うのもよく、
又は、幾つか若しくは総てを組み合わせて使用してもよ
い。

【００３２】上記実施例によれば、掘進中における負荷
変動に応じて、掘進速度（推進速度、カッタ回転速度、
スクリュー回転速度）を個々に又は幾つかを組み合わせ
て自動補正できるため、切羽が不安定となったり、スト
ールが生じたりするようなことがなくなる。勿論、一体
形カッタスクリューについても同様の効果を奏するが、
これは、自由度２（推進速度、カッタスクリュー回転速
度）であるため、自由度３（推進速度、カッタ回転速
度、スクリュー回転速度）の分離形カッタスクリューよ
りも、組み合わせ効果は低下する。別言すれば、自由度
が高い程、オペレータによるマニュアル操作は困難を究
めるようになるのであるから、例えば分離形カッタスク
リューのように、自由度が高い先導管推進装置程、その
掘進方法は、オペレータにおける負担を軽減するように
なる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１発明
なる先導管推進装置の掘進方法によれば、最適掘進速度
を自動設定してこれで掘進するようにしたため、従来技
術のように、オペレータの勘や経験による掘進速度の設
定よりも、はるかに作業効率は向上し、オペレータへの
負担も軽減する。

【００３４】第２及び第３発明なる先導管推進装置の掘
進方法によれば、掘進中における負荷変動に即応して、
掘進速度（推進速度、カッタ回転速度、スクリュー回転
速度）を個々に又は幾つかを組み合わせて自動補正でき
るため、切羽が不安定となっり、ストールが生じたりす
るようなことがなくなる。勿論、従来技術のように、オ
ペレータの勘や経験による掘進速度の補正よりも、はる
かに作業効率は向上し、かつ、オペレータへの負担が軽
減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のフローチャート図である。

【図２】第２実施例のフローチャート図である。

【図３】第３実施例のフローチャート図である。

【図４】その他実施例のフローチャート図である。

【図５】その他実施例のフローチャート図である。

【図６】その他実施例のフローチャート図である。

【図７】その他実施例のフローチャート図である。

【図８】実施例を用いた先導管推進装置の外観構成図で
ある。

【符号の説明】

Ｆ 施工条件 Ｖ 最適掘進速度指標 Ｒ 関係 Ｆａ 実際施工条件 Ｖａ 実際最適掘進速度指標 ΔＰ 掘削土圧変化 Ｖao 補正済み実際最適掘進速度指標 ΔＴ 掘削トルク変化

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 松幸 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先導管を土中で掘進させる先導管推進装
   置の掘進方法において、(1) 予め、各種施工条件Ｆと、
   これらに対応する先導管の各最適掘進速度指標Ｖとの関
   係Ｒを定めておき、(2) 掘進の際し、予め、実際施工条
   件Ｆａを前記関係Ｒに当てはめて該実際施工条件Ｆａに
   対応する先導管の実際最適掘進速度指標Ｖａを求め、
   (3) 掘進時は、該実際最適掘進速度指標Ｖａを目標とし
   て前記先導管を土中で掘進させることを特徴とする先導
   管推進装置の掘進方法。
2. 【請求項２】 予め設定された最適掘進速度指標Ｖａを
   目標として先導管を土中で掘進させる先導管推進装置の
   掘進方法において、(1) 掘削土圧変化ΔＰを求め、(2)
   この掘削土圧変化ΔＰによって前記最適掘進速度指標Ｖ
   ａを補正し、(3) この補正値Ｖaoを目標として前記先導
   管を土中で掘進させることを特徴とする先導管推進装置
   の掘進方法。
3. 【請求項３】 掘削土圧変化ΔＰは、掘削トルク変化Δ
   Ｔである請求項２記載の先導管推進装置の掘進方法。