JPH0743272Y2 - シールド掘進機のスクリユウコンベヤ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は、地盤の崩壊を防止しながらトンネルを掘削
する場合に用いられるシールド掘進機のスクリユウコン
ベヤで、詳しくは、前部のカツタで掘削した土砂を後方
へ搬送するスクリユウコンベヤを互いに搬送量が異なる
フロントスクリユウとリアスクリユウとから構成して、
そのフロントおよびリアスクリユウの間に切羽圧力に対
向するサンドプラグゾーン、すなわち止水層を形成する
ようにしたシールド掘進機のスクリユウコンベヤに関す
るものである。

［従来の技術］ 単一のスクリユウコンベヤを備えた一般的なシールド掘
進機においては、その単一のスクリユウコンベヤの回転
数を切羽の土圧変化に応じて制御することにより、スク
リユウコンベヤ内に掘削土砂を充満させて止水層を形成
していたが、この場合は、たとえば細粒土分の少ない滞
水砂礫層や滞水砂層を掘進する際、砂礫等によつて止水
層を形成しても切羽側の土圧に十分に対抗することがで
きず、地下水が止水層に浸入し通り抜け、所定の土圧を
保持するのが困難である。

そこで、従来、実開昭61−193197号公報に開示されてい
るように、スクリユウコンベヤを互いに搬送量が異なる
フロントスクリユウとリアスクリユウとから構成して、
これら両スクリユウ間にサンドプラグゾーンを形成した
ものが提案されている。この先行技術では、掘進作業中
にフロントスクリユウ内、リアスクリユウ内およびサン
ドプラグゾーンの圧力を検出し、この圧力を視認しなが
ら、またはリアスクリユウよりの排土状態を視認しなが
ら、上記フロントスクリユウおよびリアスクリユウの回
転速度を別々に手動で制御することにより、サンドプラ
グゾーンでの土砂の圧密状態を変えてカッタ室内の圧
力、つまり切羽圧力を掘削土砂の性状にかかわらず常に
高圧に保持している。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところで、シールド掘進機による掘進作業においては、
地盤の土圧の変化に対して、スクリュウコンベヤの回転
数を制御して対応させる操作と、掘削速度を変化させて
対応させる操作とがあり、実際の掘進時には、それら両
操作を併用することが多い。しかしながら、上記した従
来のシールド掘進機のスクリュウコンベヤによる場合
は、３つの圧力検知器による検出圧力を視認しながら、
両操作を手動で行わなければならず、その操作のために
両手を使用するので、それ以外の操作を行いにくいとい
う運転上の難点があるだけでなく、掘削速度が大きく変
化した際に、これに迅速に対応させることがむずかしく
て、制御遅れを生じやすいとともに、制御精度も悪く
て、切羽の崩壊を招きやすい。

また、切羽圧力の過不足やサンドプラグゾーンの圧力の
過不足に起因して地盤の崩壊や掘削負荷の異常増大等と
いった異常事態が発生したときも、上記従来のシールド
掘進機のスクリュウコンベヤの場合は、それに対して迅
速に対応させることができないものであった。

この考案は上記のような実情に鑑みてなされたもので、
掘削速度および土質の変化にかかわらず、切羽の圧力を
適正に保持することができ、しかも、そのような制御の
ための運転操作を容易に行うことができ、また、切羽圧
力やサンドプラグゾーンの圧力の過不足に起因する異常
事態の発生に対しても的確、迅速に対応させることがで
きるシールド掘進機のスクリュウコンベヤを提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この考案に係るシールド掘
進機のスクリュウコンベヤは、互いに搬送量が異なるフ
ロントスクリュウとリアスクリュウとの間にサンドプラ
グゾーンを形成して、前部のカッタにより掘削した土砂
を後方へ搬送するシールド掘進機のスクリュウコンベヤ
であって、掘削速度の変化につれて変化する切羽の圧力
を検出して土圧信号を出力する第１の土圧検知器と、土
質に応じて予め設定された設定土圧信号を出力する第１
の土圧設定器と、上記第１の土圧検知器からの土圧信号
および第１の土圧設定器による設定土圧信号を入力とし
て、実際の土圧と設定土圧とを比較して差信号を出力す
る第１の比較器と、上記差信号を受けてリアスクリュウ
の回転数を自動制御する回転数制御器と、このリアスク
リュウの回転数に対して予め設定された比率でフロント
スクリュウの回転数を比例制御する比例制御器と、上記
サンドプラグゾーンの土圧を検出して土圧信号を出力す
る第２の土圧検知器と、この第２の土圧検知器からの土
圧信号と上記第１の土圧検知器からの土圧信号との差を
比較演算して差信号を出力する差動検知器と、許容土圧
差の上・下限を設定する第２の設定器と、上記差動検出
器から出力される差信号と上記第２の設定器による設定
信号とを入力として、実際の差土圧と設定差土圧とを比
較する第２の比較器と、この第２の比較器からの出力信
号を受けて警報具を作動させる警報作動制御器と、上記
第２の比較器からの出力信号を受けて上記リアスクリュ
ウによる土砂搬送を停止する作動停止制御器とを備えた
ものである。

上記構成のシールド掘進機のスクリュウコンベヤにおい
て、上記第１の比較器へ入力される土圧信号として、上
記第１の土圧検知器からの土圧信号と上記第２の土圧検
知器からの土圧信号とを選択的に切替え可能に構成して
もよい。

〔作用〕

この考案によれば、掘進速度の変化に起因して切羽の圧
力が変化したとき、その切羽圧力から検出した実際の土
圧と、土質に応じて予め設定された設定土圧とが比較さ
れて、その差信号が零となるように、リアスクリュウの
回転数が自動制御される。このリアスクリュウの回転数
の制御によって排土量が変更されて、切羽の圧力が素早
く設定圧力に制御されることになる。次いで、リアスク
リュウの回転数に応じてフロントスクリュウの回転数
が、予め経験的に設定された比率のもとで比例制御され
ることになるため、フロントスクリュウとリアスクリュ
ウとの間に形成されるサンドプラグゾーンにおける掘削
土砂の圧密状態も一定に保たれ、これによって、切羽の
圧力が設定圧力に正確に保持されることになる。

その上、切羽圧力およびサンドプラグゾーンの圧力が過
不足になったときは、その両圧力の差信号と所定の掘進
を続行するのに支障のない範囲になるように設定された
許容土圧差とが比較されて、実際の差土圧が設定差土圧
の許容範囲外であるときは、自動的に警報具を作動させ
て異常を知らせるとともに、リアスクリュウによる土砂
搬送を自動停止して、異常事態での掘進を未然に防止す
ることが可能である。

［実施例］ 以下、この考案の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの考案に係るシールド掘進機の縦断面図を示
し、同図において、１はシールドフレームで、このシー
ルドフレーム１の内側の前面にはシールされたカツタ室
３が形成され、その先端面にデイスクカツタ４が装備さ
れている。５はシールドジヤツキで、このシールドジヤ
ツキ５の推進力により地盤の崩壊を防止しつつ掘進され
る。

６はスクリユウコンベヤで、このスクリユウコンベヤ６
は互いに搬送量が異なるフロントスクリユウ７とリアス
クリユウ８とを前後に直列上に配置して、この両スクリ
ユウ7,8間にサンドプラグゾーン９を形成するように結
合してなり、かつフロントケーシング10の前端部が上記
カツタ室３に開口するとともに、フロントスクリユウ７
の前端部が上記カツタ室３内に突出されている。

上記フロントスクリユウ７のフロントケーシング10およ
びリアスクリユウ８のリヤケーシング11には、それぞ
れ、排土口12,13が形成されており、これら排土口12,13
にはゲート32,33が設けられている。上記フロントスク
リユウ７およびリアスクリユウ８には、各別に駆動回転
するモータ14および15が設けられている。

16は土砂搬送用のベルトコンベヤで、上記カツタ４によ
り掘削され、スクリユウコンベヤ６により後方へ搬送さ
れて排土口12および排土口13から排出される土砂を、シ
ールドフレーム１の後端に接続されるセグメント17内に
おいて後方へ搬出するものである。

第２図は上記のごとき基本構成を有するシールド掘進機
のスクリユウコンベヤ６における回転制御装置の構成を
示す制御系統図であり、同図において、18はカツタ室３
内に取り付けられて切羽の圧力を検出する第１の土圧検
知器、19は第１の設定器で、土質等に応じて予め土圧を
設定するものである。20は第１の比較器で、第１の土圧
検知器18から出力される土圧信号ａと上記第１の設定器
19から出力される設定土圧信号ｂとを入力とし、実際の
切羽の圧力と設定土圧とを比較する。21は回転数制御器
で、上記第１の比較器20から出力される差信号ｃを受け
てモータ15の回転数を増速または減速してリアスクリユ
ウ８の回転数を自動制御するものである。この回転数制
御器21と上記第１の比較器20とにより土圧制御用のコン
トロール22を構成している。

また、23は比例制御器で、この比例制御器23は上記リア
スクリユウ８の駆動回転用モータ15の回転数を検出する
回転検出器24の検出信号ｄを受けて上記フロントスクリ
ユウ７の駆動回転用モータ14の回転数を増速または減速
して土質等の掘削土砂の性状に応じて予め経験的に設定
された比率のもとでフロントスクリユウ７の回転数を自
動制御するものである。

以上のような構成のスクリユウコンベヤ６の回転制御装
置のほかに、次に述べるような構成のシールド掘進機の
運転制御装置が併設されている。

すなわち、25は第２の土圧検知器で、サンドプラグゾー
ン９内の土圧を検出する。26は差動検出器で、上記切羽
の圧力を検出する第１の土圧検知器18から出力される土
圧信号ａと、上記第２の土圧検知器25から出力される土
圧信号ｅとの差を比較演算して、その差信号ｆを出力す
る。

27は第２の設定器で、上記切羽の圧力とこれよりも高い
サンドプラグゾーン９の土圧との差が、所定の掘進を続
行するのに支障のない範囲になるように、その許容土圧
差の上・下限を予め設定するものである。28は第２の比
較器で、上記差動検出器26から出力される差信号ｆと上
記第２の設定器27から出力される設定信号ｇとを入力と
して、実際の差土圧と設定差土圧とを比較する。29は警
報作動制御器で、第２の比較器28での比較結果において
実際の差土圧が設定差土圧以下および以上になつたと
き、第２の比較器28から出力される異常信号ｈを受けて
ブザーやランプなどの警報具30を作動させる。31は作動
停止制御器で、第２の比較器28から出力される異常信号
ｈを受けてモータ15に作動停止信号ｉを、またリアスク
リユウ８側の土砂排出口13に開閉自在に装備されたゲー
ト33の開閉駆動装置34に閉止信号ｊをそれぞれ出力する
ものである。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

カツタ４の回転により掘削された土砂はカツタ室３内に
取り込まれて、カツタ室３内に充満する。この充満した
掘削土砂によつてカツタ室３内に地盤の崩壊を防止する
切羽の圧力が発生する。つぎに、カツタ室３内の充満土
砂は、第１図で示すように、カツタ室３内に突出するフ
ロントスクリユウ７によつてフロントケーシング10内に
取り込まれて後方に搬送されサンドプラグゾーン９に供
給される。このサンドプラグゾーン９に入つた土砂は、
リアスクリユウ８により引き続いて後方に搬送される
が、このとき、リアスクリユウ８の回転がフロントスク
リユウ７の回転よりも遅くて搬送量が小さいため、サン
ドプラグゾーン９の土砂は圧縮力を受けて圧密され、こ
こに止水層を形成する。このサンドプラグゾーン９に形
成された止水層の存在により、土砂中の水が止水され、
リアスクリユウ８側への流出が阻止される。これによつ
て、フロントスクリユウ７側の圧力が上昇し上述した切
羽の圧力が高圧に保持される。

この状態で、サンドプラグゾーン９の土砂はリアスクリ
ユウ８によつて後方に搬送され、排出口13からベルトコ
ンベヤ16上に排出されるが、このときもサンドプラグゾ
ーン９にはフロントスクリユウ７により次々と土砂が供
給されるため、サンドプラグゾーン９に上述したような
止水層が連続的に形成され、切羽の高圧が維持されるこ
とになる。

以上のような動作による掘進作業において、掘削速度が
変化すると、カツタ室３内の切羽の圧力が変化する。こ
の切羽の圧力が第１の土圧検知器18で検出されてその土
圧信号ａが第１の比較器20に入力される。つぎに、上記
入力土圧信号ａに相当する実際の土圧と第１の設定器19
から第１の比較器20に入力される設定土圧信号ｂに相当
する設定土圧とが比較されて、その差信号ｃが第１の比
較器20から出力される。ついで、この差信号ｃがリアス
クリユウ８の駆動回転用モータ15の回転数制御器21に入
力されて、そのモータ15の回転数を上記差信号ｃが零に
なるように増速または減速制御する。これによつて、リ
アスクリユウ８の回転数により決定される排出口13から
の排土量が上記切羽の圧力変化に追従して自動制御され
て、切羽の圧力が設定圧力に保持される。

そして、上記のように制御されモータ15の回転数が回転
検出器24により検出され、その検出信号ｄを受けて比例
制御器23が作動してフロントスクリユウ７の駆動回転用
モータ14の回転数がリアスクリユウ８の回転数に応じ
て、設定比率のもとで比例制御される。これによつて、
上記サンドプラグゾーン９での掘削土砂の圧密状態が一
定に保たれ、このサンドプラグゾーン９による止水効
果、保圧効果が安定良く保持されることになる。

また、上記サンドプラグゾーン９内の土圧が第２の土圧
検知器25により検出され、その土圧信号ｅと切羽の圧力
を検出する上記第１の土圧検知器18から出力される土圧
信号ａとが差動検出器26において比較演算されて、その
差信号ｆが第２の比較器28の一方に入力される。同時
に、この第２の比較器28に第２の設定器27から出力され
る設定信号ｇが入力される。この第２の比較器28におい
ては、上記差信号ｆに相当する切羽の圧力とサンドプラ
グゾーン９の圧力との実際の差圧と上記設定信号ｇに相
当する許容設定差圧とが比較される。

この比較において、実際の差圧が設定差圧以下および以
上になつたときに出力される異常信号30を作動させて異
常を知らせる。同時に、作動停止制御器31を介してモー
タ15に作動停止信号ｉを、かつゲート33に閉止信号ｊを
それぞれ出力してリアスクリユウ８による搬送を停止す
る。つまり掘進の運転を制御する。

以上のように、掘削速度の変化にもとづいて切羽の圧力
が変化したとき、その切羽の圧力を検出する第１の土圧
検知器18による検出土圧信号をフイードバツクして、リ
アスクリユウ８の回転数を自動制御して、この回転数に
よつて決定される排土量を自動的に制御しているから、
切羽の圧力制御が正確かつ迅速になる。

ところで、第１の土圧検知器18からモータ14を制御し、
その後にモータ15を制御することが考えられる。この場
合も切羽の圧力と密接な関係にある排土量を制御するこ
とはできるが、前述の制御方式の方が、排土量を決定す
るリアスクリユウ８の回転数を直接制御するので、より
正確にかつ迅速に制御できる。

ところで、サンドプラグゾーン９はカツタ室３の切羽の
圧力を所定値に保つために形成されるものであるが、こ
のサンドプラグゾーン９の圧力を検知して、フロントス
クリユウ７の回転数を直接制御することも考えられる。
ところが、こうすると、第１の設定器19およびコントロ
ーラ22に相当する制御装置が別途必要になる。これに対
し、この考案にかかる制御装置は、回転検出器24と比例
制御器23とを用いて、フロントスクリユウ14の回転数を
制御しているから、制御装置の構成が簡易になる。

また、上記したようなシールド掘進機の運転制御装置の
設置によって切羽圧力の過不足やサンドプラグゾーン９
の圧力の過不足に起因する地盤の崩壊、掘削負荷の異常
な増大、スクリユウコンベヤ６に対する異常負荷の発生
等といつた異常事態での掘進を未然に防止することがで
きる。

なお、上記実施例で示したスクリユウコンベヤ６の回転
制御ならびに運転制御の全てを、コンピユータによるプ
ログラム制御でおこなつても良い。

なお、上記実施例では、第１の土圧検知器18によつてカ
ツタ室３内の切羽圧力を検出し、その検出土圧信号ａを
第１の比較器20に入力するようなフイードバツク制御系
について説明したが、カツタ室３内の切羽圧力とほぼ一
定の関係にあるサンドプララグゾーン９の土圧を検出し
て、これを第１の比較器20に入力するようなフイードバ
ツク制御系を構成しても良い。さらに、第３図に示すよ
うに、カツタ室３内の切羽圧力を検出する第１の土圧検
知器18とサンドプラグゾーン９の土圧を検出する第２の
土圧検知器25からの検出土圧信号a,kをスイツチ35を介
して選択的に第１の比較器20に入力するように構成し
て、切羽圧力のフイードバツク制御を上記した２系統間
において切替え使用しても良い。なお、第３図におい
て、他の構成は第２図と同一であるため、同一の符号を
付して、それらの詳しい説明を省略する。

［考案の効果］ 以上のように、この考案によれば、掘削速度の変化に対
する切羽の圧力の制御を自動化したので、先行技術でみ
られるような圧力検知器を視認しながらの手動操作が不
要となり、切羽の圧力コントロールを容易に、かつ遅れ
などをまねくことなく、迅速、正確に行なうことができ
る。しかも、検出した切羽の圧力により、まずリアスク
リユウの回転数を制御することで、排土量を決定して、
切羽の圧力を適確にコントロールすることができ、次に
フロントスクリユウの回転数をリアスクリユウの回転数
に対し比例制御することで、サンドプラグゾーンでの掘
削土砂の圧密状態も一定に保つて、コントロールされた
切羽の圧力を確保することができる。その上、切羽圧力
およびサンドプラグゾーンの圧力が過不足になったとき
は、その両圧力の差信号と所定の掘進を続行するのに支
障のない範囲になるように設定された許容土圧差との比
較結果として、自動的に警報具を作動させて異常を知ら
せるとともに、リアスクリュウによる土砂搬送を自動停
止して、異常事態での掘進を未然に防止することができ
る。

加えて、運転者は、地盤の土圧の変化に対して掘削速度
を変化させる操作に専念すればよいので、実際の掘進作
業時における運転操作を非常に容易なものとできる。

また、リアスクリュウ、フロントスクリュウを別々に制
御する場合に比べて、比較器、設定器、回転数制御器と
いつた制御系の構成要素を２組設ける必要がなく、比例
制御器を付加するだけでよいから、制御系の構成が簡易
になるという効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例によるシールド掘進機の要
部の断面図、第２図はスクリユウコンベヤにおける回転
制御装置および運転制御装置を示す制御系統図、第３図
は他の実施例を示す制御系統図である。 ４……カツタ、６……スクリユウコンベヤ、７……フロ
ントスクリユウ、８……リアスクリユウ、９……サンド
プラグゾーン、18……第１の土圧検知器、19……第１の
土圧設定器、20……第１の比較器、21……回転数制御
器、23……比例制御器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−106900（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−193197（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに搬送量が異なるフロントスクリュウ
   とリアスクリュウとの間にサンドプラグゾーンを形成し
   て、前部のカッタにより掘削した土砂を後方へ搬送する
   シールド掘進機のスクリュウコンベヤであって、掘削速
   度の変化につれて変化する切羽の圧力を検出して土圧信
   号を出力する第１の土圧検知器と、土質に応じて予め設
   定された設定土圧信号を出力する第１の土圧設定器と、
   上記第１の土圧検知器からの土圧信号および第１の土圧
   設定器による設定土圧信号を入力として、実際の土圧と
   設定土圧とを比較して差信号を出力する第１の比較器
   と、上記差信号を受けてリアスクリュウの回転数を自動
   制御する回転数制御器と、このリアスクリュウの回転数
   に対して予め設定された比率でフロントスクリュウの回
   転数を比例制御する比例制御器と、上記サンドプラグゾ
   ーンの土圧を検出して土圧信号を出力する第２の土圧検
   知器と、この第２の土圧検知器からの土圧信号と上記第
   １の土圧検知器からの土圧信号との差を比較演算して差
   信号を出力する差動検出器と、許容土圧差の上・下限を
   設定する第２の設定器と、上記差動検出器から出力され
   る差信号と上記第２の設定器による設定信号とを入力と
   して、実際の差土圧と設定差土圧とを比較する第２の比
   較器と、この第２の比較器からの出力信号を受けて警報
   具を作動させる警報作動制御器と、上記第２の比較器か
   らの出力信号を受けて上記リアスクリュウによる土砂搬
   送を停止する作動停止制御器とを備えたシールド掘進機
   のスクリュウコンベヤ。
2. 【請求項２】上記第１の比較器へ入力される土圧信号と
   して、上記第１の土圧検知器からの土圧信号と上記第２
   の土圧検知器からの土圧信号とが選択的に切替え可能に
   構成されている実用新案登録請求の範囲第１項記載のシ
   ールド掘進機のスクリュウコンベヤ。