JPH0762980A - トンネル掘削機の掘進制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネル掘削機を硬質岩盤の状況に応じた最
適な掘削速度となるように制御しながらトンネル掘削を
行う。 【構成】 トンネル掘削機によって硬質岩盤を掘削する
際に、カッタ板のトルクを測定して該トルクが設定トル
ク値内となるように制御しながら掘削する。さらに、亀
裂岩盤掘削時にはずり観察を行って推進ジャッキによる
押圧力を減少させると共にカッタ板の回転数を増大させ
ることによりずりが適当な大きさとなるまで制御し、ま
た、崩壊性岩盤掘削時には推進ジャッキによる押圧力を
増大させると共にカッタ板の回転数を減少させ、且つず
りの観察と掘削量とを比較して搬出量が所定量となるよ
うに制御しながら掘削する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘削機によっ
て岩盤を掘削する際に、岩盤の状況に応じた最適な掘削
速度となるように制御するトンネル掘削機の掘進制御方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘削機によって岩盤を掘削しな
がらトンネルを形成していく場合、岩質によってその掘
削状況を変化させる必要がある。例えば、硬質岩盤を掘
削する場合には推進力が上昇すると共にカッタ板の回転
トルクも高くなる一方、掘進速度が低下し、軟質岩盤を
掘削する場合には推進力及びカッタ板の回転トルクが低
下する一方、掘進速度が上昇することになるので、これ
らの状況に対応した制御を行わなければならない。この
ため、従来からシールド掘削機の推進力とカッタ板の回
転トルクを測定し、経験によって岩質に応じた掘進速度
となるように頻繁に調整してトンネルを掘進している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トンネ
ル掘削機には装置としての最適な能力があり、むやみに
カッタ板の回転数や推進力を大きくすることはできな
い。また、掘削対象の岩盤が上記のような硬質岩盤であ
っても亀裂の多い岩盤部分や粒状化している崩壊性岩盤
部などがあり、亀裂の多い岩盤の場合には、カッタ板の
回転数の割りに推進力を大きくすると岩盤がカッタ板か
ら突設しているローラカッタで岩盤が圧砕されることな
く亀裂部分で剥離して大きな岩塊として機内に取り込ま
れ、搬出できなくなる場合が生じる。

【０００４】一方、崩壊性の岩盤の場合には、推進力に
比較してカッタ板の回転数が大きいと、その回転によっ
て掘削ずりの取り込み量が多くなり、切羽が崩壊する虞
れがある。これは、崩壊性の地質は岩盤が塊としてでは
なく粒状化しているので、ローラカッタで圧砕されるこ
となく崩壊するからである。本発明はこのような問題点
に鑑みてなされたもので、亀裂の多い岩盤や崩壊性岩盤
を安全且つ能率よく掘進することを目的とするトンネル
掘削機の掘推制御方法を提供するものである。

【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、本発明の請求項１に記載したトンネル掘削機の掘進
制御方法は、トンネル掘削機によって亀裂の多い岩盤を
含む硬質岩盤を掘削する際に、カッタ板の回転トルクを
測定すると共に掘削したずりの大小を観察し、これらの
回転トルク測定値とずりの観察結果に基づいてカッタ板
の回転数と推進ジャッキによる押圧力をトンネル掘削機
が最大の掘進速度となるように調整することを特徴とし
ている。

【０００６】さらに、本発明の請求項２に記載したトン
ネル掘削機の掘進方制御方法は、トンネル掘削機によっ
て断層等の崩壊性岩盤を含む硬質岩盤を掘削する際に、
カッタ板の回転トルクの測定と掘削したずりの大小の観
察と、実際の掘削量と計算上の掘削量の比較とを行い、
回転トルク測定値とずりの観測結果と掘削量の比較演算
との結果に基づいてカッタ板の回転数と推進ジャッキの
押圧力とをトンネル掘削機が最大の掘進速度となるよう
に調整することを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の請求項３に記載したトンネ
ル掘削機の掘進方制御方法は、カッタ板の回転と推進ジ
ャッキの押圧力とを調整して、硬岩用掘削制御、亀裂岩
盤掘削制御、及び崩壊性岩盤掘削制御のそれぞれを予め
設定しておき、掘削したずりの外観を観察することによ
って、掘削している岩盤を硬岩、亀裂岩盤、崩壊性岩盤
に区分けし、対応する制御を選択して掘削することを特
徴とするものである。

【０００８】

【作用】トンネル掘削機による岩盤の掘削時に、掘削対
象岩盤が硬岩部の場合にはカッタ板の回転トルクが上昇
し、亀裂の多い岩盤部の場合には低下するので、該カッ
タ板の回転トルクをそのカッタ板駆動モータの電流値か
ら検出する一方、掘削したずりの大小を観察することに
よって亀裂の多い岩盤部であるかどうかを判断する。そ
して亀裂の多い岩盤部（ずりの外形が大）であれば、上
記回転トルクの設定範囲内でトンネル掘削機の推進力を
減少させる一方、回転数を増大させ、ずりが適当な大き
さになるまで両者の数値を調整することによりその岩質
に応じた最大の掘進速度でもって能率よく掘削する。

【０００９】また、ずりの外形が小さい場合にはその土
量の多少によって崩壊性岩盤部であるかどうかを判断
し、崩壊性岩盤部であれば、上記回転トルクの設定範囲
内でトンネル掘削機の回転数を減少させる一方、推進力
を増大させ、ずりの量が所定範囲内となるまで両者の数
値を調整することによりその岩質に応じた最大の掘進速
度でもって掘削する。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面について説明す
ると、図１はトンネル掘進制御回路を備えたトンネル掘
削機を示すもので、その胴体は互いに屈折自在に接続し
た前胴体11と中間胴体12と後胴体13とからなり、前胴体
11の開口端にカッタ板14を回転自在に配設していると共
に前胴体11内に張設した隔壁15にカッタ板14の回転駆動
用モータ16を設けてある。

【００１１】さらに、トンネル掘削機内には、カッタ板
14により掘削されて機内に取り込まれたずりを後方に搬
送するためのベルトコンベア17が設けられてあり、該ベ
ルトコンベア17によって搬出されるずりをトンネル後方
側に搬送するための走行台車18を設けてある。また、中
間胴体12内には複数本の推進ジャッキ19が周方向に適宜
間隔毎に配設してあり、これらの推進ジャッキ19の前後
端を前胴体11と後胴体13間に枢着、連結して該推進ジャ
ッキ19の作動によりカッタ板14を備えている前胴体11を
推進させるように構成している。

【００１２】20は後胴体13に配設した複数のグリッパ
で、該後胴体13の内部に配設したジャッキ21によって後
胴体13の外周面から径方向に出没し、トンネル壁面に着
脱自在に圧着して後胴体13を固定させ、この状態で推進
ジャッキ19の伸長によって前胴体11を前進させるもので
ある。なお、前胴体11側にも図示しないグリッパが設け
られていて、前胴体11を固定させた状態で推進ジャッキ
19の収縮により後胴体13を前進させるように構成してい
る。22はベルトコンベア17の上方に配設されたテレビカ
メラ等よりなるずり検知器で、ずりの外形（大きさ）や
色調を観察するものである。

【００１３】23は機内の適所に設置したコンピュータ等
の自動制御システムで、推進ジャッキ19の押圧力や駆動
モータ14の回転数、カッタトルクが岩質に応じて最大限
の能力を発揮する数値を予め学習、実績等によって設定
して記憶させていると共に、上記カッタ板14の回転数や
駆動モータ16のトルク、推進ジャッキ19の押圧力、ずり
の外形や色調、ベルトコンベア17上を走行台車18側に排
出される掘削ずりの重量等を該自動制御システムに入力
させて、最適なカッタ板回転数と推進力をコントローラ
24を介して出力させるように構成している。

【００１４】このように構成したトンネル掘削機による
岩盤の掘削制御方法を説明すると、図２において、トン
ネル掘削機のカッタ板14をモータ16の駆動により回転さ
せると共に推進ジャッキ19を作動させて切羽を押圧し、
硬質岩盤の掘削を開始する。硬質岩盤の掘削には、図
３に示すように、カッタ板14の回転数と推進ジャッキ19
の押圧力とを調整すると共にその時のカッタトルクを駆
動モータ16の電流値を検出することによって測定し、そ
のトルク値と予めトンネル掘削機の能力等に応じて設定
しておいた設定トルク値の範囲とを比較して設定トルク
値の範囲内で掘進速度が最大となるようにする。その時
のカッタ板14の回転数と推進ジャッキ19の推進力（押圧
力）でもって掘進を続行する。掘削されたずりは機内に
取り込まれてベルトコンベア17により後方に搬送され、
その搬送ずりを常時観察する。

【００１５】こうしてカッタ板14のトルク測定を行い
ながら掘進し、その掘進中に亀裂の多い硬質岩盤部や断
層部等で岩盤が粒状化している崩壊性岩盤部に達する
と、該岩盤部を掘削するカッタ板14の回転トルクが減少
することになる。さらに、掘削されたずりの形状が亀裂
岩盤部では大きく、崩壊性岩盤部では小さい状態で機内
に取り込まれたずりの外形の大小が観察によって確認
される。この観察は作業員により行ってずりの形状に応
じた操作をコンピュータに入力してもよいが、ずりの外
形をテレビカメラ等の検知器22によって観察させ、その
大小をコンピュータ等の自動制御システム23に入力させ
て自動化を図ることが好ましい。

【００１６】ずりの外形が大きい場合には亀裂の多い硬
質岩盤部であるために、その亀裂岩盤部の掘削に適した
掘進制御を行う。即ち、亀裂岩盤部であることが確認
されると、コンピュータ等の自動制御システム23からの
指令によって、図４に示すように、推進ジャッキ19によ
る押圧力を減少させると共にカッタ板14の回転数を増大
させて亀裂岩盤の掘削に適した条件に自動的に制御す
る。即ち、作動中のカッタトルクを計測し、そのトルク
が上記設定トルク値内であれば調整した推進押圧力と回
転数でもって掘削し、掘削されたずりを観察してその大
きさが搬出可能な大きさになっていればカッタトルクを
計測しながら掘削を続行する。

【００１７】一方、カッタ板14の回転トルクが設定トル
ク値以下となっていることを検出すると、その時のカッ
タ板14の回転数が能力の最大値に達しているかどうかを
判定し、最大値以下であればその回転数を増大させて設
定トルク値内となるように調整する。また、カッタ板14
の回転数が最大値に達していれば、推進ジッャキ19の押
圧力が最低かどうかを検出し、最低値に達していない場
合には推進ジャッキ19の押圧力をさらに減少させて設定
トルク値内になるようにして可能な限り最大の掘進速度
になるようにする。一方、最低値に達している場合には
掘削を停止して別途対策を行う。即ち、回転数を最大に
し、押圧力を最低にしても設定トルク値内にならない場
合には、設定トルク値を変更するか、薬液注入等によっ
て岩盤を強固にする等の対策を講じる。

【００１８】また、ずり観察によってずりの大きさが搬
出可能な大きさ以上となっている場合には、観察を経
て上記した亀裂岩盤部の掘削制御回路に戻って推進ジ
ャッキ19による押圧力を減ずると共に回転数を増大さ
せ、トルク計測を行いながら設定トルク値内となるよう
に調整して亀裂岩盤部を掘削するものである。

【００１９】次に、硬質岩盤の掘進中にカッタ板14の回
転トルクが減少し、掘削ずりの外形が小さいことを確認
した場合、或いは亀裂岩盤を掘進中に岩盤の構成が変化
して掘削ずりの外形が小さいことを確認した場合、ずり
搬送途上において、ロードセル或いは超音波センサー等
の計測装置でずり量を計測し、その搬出ずり量とトンネ
ル掘削機の一定掘進長とトンネル断面積から計算によっ
て求まるずり量とを比較する。そして、搬出ずり量が計
算量に等しい場合には上記した硬質岩盤掘削の制御回
路に戻り、所定のカッタトルクとなるように調整しなが
ら岩盤掘削を続ける。

【００２０】一方、搬出ずり量が計算量よりも多い場合
には、崩壊性岩盤部を掘削中であって切羽が崩壊してい
ることを示している。この崩壊性岩盤部の掘削制御
は、図５に示すように崩壊性岩盤であることが上記ずり
量比較によって確認されると、まず、トンネル掘削機の
カッタ板14の回転数を減少させて掘削ずりの取り込み量
を減少させると共に推進ジャッキ19の押圧力を増大させ
てカッタ板14で切羽を押さえて切羽の崩壊を防止しなが
ら掘進する。

【００２１】そして、その制御時のカッタトルクを計測
し、該トルクが上記設定トルク値内であればずり量の計
測を行うとともに掘進長とトンネル断面積から計算によ
って求まる掘削量とを比較し、実際のずり量が多い場合
には再び回転数の減、押圧力の増を行い、上記設定トル
ク値内で掘削ずり量が上記計算値と等しくなるまで繰り
返し、カッタ板14の回転数と推進ジャッキ19の押圧力を
調整、制御し、掘進する。そして、掘削ずり量と上記計
算値とが等しくなれば、ずりの外形や色を観察する。こ
の観察によって外形が小さいが硬岩掘削によるずりの外
形より大きいとか、ずりの色が茶褐色であるとかの崩壊
性岩盤の外観を示す時は、引き続きずり量の計測と計算
値との比較を行いながら掘削を続行する。

【００２２】上記崩壊性岩盤部の掘削制御において、カ
ッタトルクが設定トルク値以下になった場合には、推進
ジャッキ19によるカッタ板押圧力が最大値になっている
かどうかを判定し、最大値以下であればその押圧力を増
大させて再びトルク計測を行い、設定トルク値以上で且
つその押圧力が最大値以上となっていれば、カッタ板14
の回転数を判定してこの回転数も最低の場合には掘進を
停止させ、上記亀裂岩盤と同様に別途対策を施し、回転
数が最低値に達していない場合にはカッタ板14の回転数
を減じ、押圧力を増大する回路に戻り、カッタ板14のト
ルク値が設定内になるようにして可能な限り最大の掘進
速度になるようにする。

【００２３】なお、予めカッタ板の回転と推進ジャッキ
の押圧力とを調整して、硬岩用掘削制御、亀裂岩盤掘削
制御、及び崩壊性岩盤掘削制御のそれぞれを設定してお
き、掘削したずりの外観を観察することによって、掘削
している岩盤を硬岩、亀裂岩盤、崩壊性岩盤に区分け
し、上記対応する制御を選択して掘削することも可能で
ある。

【００２４】このように、亀裂岩盤部や崩壊性岩盤部を
含む硬質岩盤をトンネル掘削機によって掘進する際に、
予め、掘削対象岩盤に対応した最適な掘進速度、即ち、
カッタトルクと推進ジャッキ19による押圧力とを実績及
び学習によって求めて、これらのデータをコンピュータ
等からなる自動制御システム23に入力しておき、トンネ
ル掘進中におけるカッタトルクと推進ジャッキ19による
押圧力、及びずりの外形と掘削土量を上記自動制御シス
テムに入力して演算処理することにより、トンネル掘削
機の掘進速度を切羽の状況に応じて自動制御するもので
ある。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明のトンネル掘削機の
掘進制御方法によれば、トンネル掘削機によって亀裂の
多い岩盤部や断層等の崩壊性岩盤部を含む硬質岩盤を掘
削する際に、カッタ板の回転トルクを測定すると共に掘
削したずりの大小を観察し、亀裂の多い岩盤部の場合に
は回転トルク測定値とずりの観察結果に基づいてカッタ
板の回転数と推進ジャッキの押圧力を最大の掘進速度と
なるように調整する一方、崩壊性岩盤部の場合にはカッ
タ板の回転トルクの測定と掘削したずりの大小の観察
と、実際の掘削土量と計算上の掘削土量との比較を行
い、その演算結果に基づいてカッタ板の回転数と推進ジ
ャッキの押圧力とをトンネル掘削機が最大の掘進速度と
なるように調整するものであるから、切羽の崩壊や掘削
ずりの取り込み量を抑制しながらカッタ板駆動モータ及
び推進装置等の能力の範囲内で硬質岩盤の切羽状況に応
じた最適な掘進速度となるようにトンネル掘削機を制御
することができ、安全にして且つ能率のよいトンネル掘
削が可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】制御回路を備えたトンネル掘削機の簡略縦断側
面図、

【図２】全体の制御回路図、

【図３】硬質岩盤掘削制御回路図、

【図４】亀裂岩盤掘削制御回路図、

【図５】崩壊性岩盤掘削制御回路。

【符号の説明】 硬質岩盤掘削 トルク測定 亀裂岩盤掘削 ずり観察 崩壊性岩盤掘削 14 カッタ板 16 駆動モータ 19 推進ジャッキ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機によって亀裂の多い岩盤
   を含む硬質岩盤を掘削する際に、カッタ板の回転トルク
   を測定すると共に掘削したずりの大小を観察し、これら
   の回転トルク測定値とずりの観察結果に基づいてカッタ
   板の回転数と推進ジャッキによる押圧力をトンネル掘削
   機が最大の掘進速度となるように調整することを特徴と
   するトンネル掘削機の掘進制御方法。
2. 【請求項２】 トンネル掘削機によって断層等の崩壊性
   岩盤を含む硬質岩盤を掘削する際に、カッタ板の回転ト
   ルクの測定と掘削したずりの大小の観察と、実際の掘削
   量と計算上の掘削量の比較とを行い、回転トルク測定値
   とずりの観測結果と掘削量の比較演算との結果に基づい
   てカッタ板の回転数と推進ジャッキの押圧力とをトンネ
   ル掘削機が最大の掘進速度となるように調整することを
   特徴とするトンネル掘削機の掘進制御方法。
3. 【請求項３】 カッタ板の回転と推進ジャッキの押圧力
   とを調整して、硬岩用掘削制御、亀裂岩盤掘削制御、及
   び崩壊性岩盤掘削制御のそれぞれを予め設定しておき、
   掘削したずりの外観を観察することによって、掘削して
   いる岩盤を硬岩、亀裂岩盤、崩壊性岩盤に区分けし、対
   応する制御を選択して掘削することを特徴とするトンネ
   ル掘削機の掘進制御方法。