JPH09189196A - トンネルボーリングマシンにおけるディスクカッタの最適交換時期判定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディスクカッタの交換時期を正確に予測でき
るトンネルボーリングマシンにおけるディスクカッタの
最適交換時期判定装置を提供すること。 【解決手段】 軸４ａ、４ｂに固定された巻線抵抗６
ａ、６ｂの両端には一定電圧が印加されている。そし
て、コンピュータ８はこの巻線抵抗６ａのグリッパ２ａ
側端子とブラシ７ａとの電圧および巻線抵抗６ｂのグリ
ッパ２ｂ側端子とブラシ７ｂとの電圧を入力してグリッ
パ２ａ、２ｂの張り出し量を計測する。ここで、掘削の
進行と共にディスクカッタが磨耗して坑径が減少するの
で、張り出し量も減少する。したがって、掘削開始点か
ら掘削距離と張り出し量とを順次計測し、その相関式を
求めることにより、ディスクカッタの最適交換時期を知
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ディスクカッタ
がカッタヘッドの外側から取り付けられたトンネルボー
リングマシンにおけるディスクカッタの最適交換時期判
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネルボーリングマシンは、その前部
にカッタヘッドを備え、さらに、このカッタヘッド前面
に多数のディスクカッタが回転自在に取り付けられてい
る。そして、掘削時、カッタヘッドを掘進方向に付勢さ
せつつ回転させる。その際、ディスクカッタは岩盤に圧
着されつつ回転し、これにより、岩盤が破砕される。

【０００３】ところで、このディスクカッタはその使用
量に応じて磨耗するので、最大磨耗状態となった時点で
交換される必要がある。従来、この交換時期を判断する
ために、ディスクカッタの磨耗量が以下のように測定さ
れていた。すなわち、ディスクカッタがカッタヘッドの
内側から取り付けられているトンネルボーリングマシン
の場合、その磨耗量は機械内から直接測定される。

【０００４】一方、ディスクカッタがカッタヘッドの外
側から取り付けられている場合は、その磨耗量を機械内
から測定することができない。したがって、この場合、
トンネルボーリングマシンを掘進方向とは逆の方向に一
定距離後進させた後、測定者がカッタヘッドのハッチを
開けて機械前方に出て磨耗量を直接測定していた。また
は、カッタヘッドの一定回転におけるディスクカッタの
回転量を検出してその回転量の変化を計測することによ
り、あるいは、トンネルボーリングマシン側壁と坑壁と
のクリアランスを測定することにより磨耗量に換算して
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のディスクカッタ磨耗量の測定方法によれば、ディス
クカッタがカッタヘッドの内側から取り付けられている
トンネルボーリングマシンの場合、その磨耗量を機械の
内側から直接測定することができるので、その交換時期
を容易に予測することができる。これに対し、ディスク
カッタがカッタヘッドの外側から取り付けられたトンネ
ルボーリングマシンの場合、作業性に欠点がある、また
は正確な交換時期を判定しにくい等の問題があった。

【０００６】すなわち、機械前方からディスクカッタの
磨耗量を直接測定する方法においては、正確な交換時期
を予測できるものの、測定者が機械前方に出るまでの段
取りおよび測定後の復旧作業にかなりの時間を要するた
め、工程確保に大きな影響を及ぼしていた。また、ディ
スクカッタの回転量からその磨耗量を換算する方法にお
いては、地質要素から受ける影響が大きいため、回転量
と磨耗量との関係に変化が生じやすい。さらに、坑壁と
のクリアランスから磨耗量を換算する方法においては、
坑壁の状態または測定者による測定誤差が生じる。した
がって、これら回転量またはクリアランスの値から換算
した磨耗量は、実際の磨耗量との間に誤差を生じ、この
ため、予測した交換時期が最適な交換時期に対して早す
ぎたり、あるいは遅すぎたりするといった問題が生じて
いた。そして、交換時期が早すぎた場合、交換回数の増
加に伴う工程の遅れやディスクカッタ消費数の増加に伴
うコストの増大を招いていた。また、交換時期が遅すぎ
た場合、ディスクカッタ磨耗量が限界値を超え、ディス
クカッタの偏磨耗またはカッタハブの損傷を招き、コス
トが増大していた。

【０００７】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、ディスクカッタがカッタヘッドの外側から取
り付けられたトンネルボーリングマシンにおいて、グリ
ッパシリンダのストローク値からディスクカッタの磨耗
量を求めることにより、正確な交換時期を判定すること
ができるトンネルボーリングマシンにおけるディスクカ
ッタの最適交換時期判定装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
側部に設けられたグリッパをトンネル坑壁に張り出し、
前記グリッパを支持点として前方に設けられたカッタヘ
ッドを掘進方向へ付勢させつつ回転させ、該カッタヘッ
ドの前面に取り付けられたディスクカッタにより岩盤を
破砕し、トンネルを形成していくトンネルボーリングマ
シンに設けられ、前記トンネルの坑径に比例した前記グ
リッパのストローク量を検出する検出手段と、前記検出
手段によって検出された前記ストローク量、および掘削
開始点からの掘削距離を入力し、該ストローク量と掘削
距離との相関関係を示す相関式を求め、かつ、該相関式
に、予め設定されたディスクカッタが最大磨耗状態とな
ったときのストローク量を代入することにより、ディス
クカッタを交換すべき交換掘削距離を算出する交換掘削
距離算出手段とを具備することを特徴としている。

【０００９】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のトンネルボーリングマシンにおけるディスクカッタ
の最適交換時期判定装置において、前記検出手段は、前
記グリッパに連結されたシリンダ軸に沿って設けられた
巻線抵抗と、前記巻線抵抗の両端間に一定電圧を印加す
る定電圧電源と、前記シリンダ軸のシリンダ上に、かつ
前記巻線抵抗と摺動するように設けられたブラシとを具
備し、前記巻線抵抗の一端と前記ブラシとの間の電圧を
出力することを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】トンネルボーリングマシンにおい
ては、カッタヘッドの最外周に取り付けられたディスク
カッタが、最も磨耗し、その交換頻度が高い。そして、
この最外周のディスクカッタの交換は、全工期内に行わ
れるディスクカッタの交換のほとんどにおいて行われ
る。

【００１１】そこで、本発明者は、この最外周のディス
クカッタの最適交換時期を判定することができれば、従
来の問題点を解決することが可能であると考えた。そし
て、最外周におけるディスクカッタ磨耗量の増大にとも
なって掘削した坑径が減少することに着目し、本発明を
見い出した。

【００１２】以下、図面を参照して、この発明の実施形
態について説明する。図１および図２はこの発明の一実
施形態による最適交換時期判定装置が設けられたトンネ
ルボーリングマシンの断面図および上面概念図である。

【００１３】この図において、１はシールドである（図
２および図４においては省略）。２ａおよび２ｂはグリ
ッパであり、各々シールド１内の右側および左側に設け
られている。これらのグリッパ２ａ、２ｂは、その上部
がシールド１内で回動可能に支持され、これによりシー
ルド１に設けられた右孔１ａ、左孔１ｂから外側へ張り
出し可能となっている。

【００１４】３ａ、３ｂはグリッパシリンダであり、掘
進方向と垂直方向に、各々の軸４ａ、４ｂの端部が外側
になるように支持台９上に固定されている。そして、こ
れらの軸４ａ、４ｂの端部が各々グリッパ２ａ、２ｂの
下部に回動可能に取り付けられている。これにより、グ
リッパシリンダ３ａ、３ｂの内部の油圧が増減したと
き、軸４ａ、４ｂが伸縮し、グリッパ２ａ、２ｂが外側
へ張り出されたり、内側へ引き入れられたりする。

【００１５】さらに、これらの軸４ａ、４ｂに沿って心
棒５ａ、５ｂが設けられ、各々の端部が軸４ａの端部お
よび軸４ｂの端部に固定されている。そして、これらの
心棒５ａ、５ｂには、巻線抵抗６ａ、６ｂが巻回され、
その両端に一定電圧が印加されている。また、シリンダ
３ａ、３ｂの上部において、７ａ、７ｂはブラシであ
り、各々シリンダ３ａ、３ｂに固定され、かつ、巻線抵
抗６ａ、６ｂに接触している。

【００１６】８はコンピュータであり、その端子Ａがブ
ラシ７ａに、端子Ｂがブラシ７ｂに、さらに、端子Ｃが
巻線抵抗６ａ、６ｂのグリッパ２ａ、２ｂ側の端子に接
続されている。そして、端子ＡＣ間電圧および端子ＢＣ
間電圧から、これらの電圧に比例した軸４ａおよび４ｂ
のストロークを、あらかじめ記憶されている換算テーブ
ルにより求める。さらに、求めた２つのストロークを加
算し、グリッパストロークＧＳを算出する。それととも
に、トンネル掘削開始点からの掘削距離Ｌを入力する
（図示略）。そして、このグリッパストロークＧＳおよ
び掘削距離Ｌの値に基づきディスクカッタの最適交換時
期を判定する。その処理については、後に詳述する。

【００１７】一方、支持台９はメインビーム１０上を掘
進方向に移動可能に設けられている。そして、図２に示
すように、このメインビーム１０前部と支持台９との間
において、１１ａおよび１１ｂはスラストシリンダであ
り、その端部がメインビーム１０前部に、また他端部で
ある軸端部が支持台９に取り付けられている。これによ
り、スラストシリンダ１１ａ、１１ｂが伸縮したとき、
支持台９がメインビーム１０上を移動する。

【００１８】１２ａおよび１２ｂはサイドサポートであ
り、メインビーム１０前部における右側および左側に設
けられ、掘進方向と垂直方向に、互いに反対方向に伸縮
する。１３はカッタヘッドであり、掘進方向を軸方向と
して回転する。１４はディスクカッタであり、カッタヘ
ッド１３の前面に複数個設けられている。このディスク
カッタ１４は、図３（ａ）に示すようにソロバン玉型に
形成され、そのリング１４ａが回転自在にカッタヘッド
１３の外側に設けられている。そして、このディスクカ
ッタ１４は、その使用量に応じて同図（ｂ）のように磨
耗する。したがって、カッタヘッド１３の最外周に取り
付けられたディスクカッタ１４が磨耗すると、坑径が小
さくなる。１５は坑壁である。

【００１９】次に、このように構成されたトンネルボー
リングマシンにおけるディスクカッタの最適交換時期判
定装置の動作について、図４を参照して説明する。ま
ず、図４（ａ）に示すように、スラストシリンダ１１
ａ、１１ｂが縮んだ状態において、グリッパシリンダ３
ａ、３ｂの内部の油圧が増加される。これにより、軸４
ａ、４ｂが伸び、グリッパ２ａ、２ｂがシールド１外側
へ張り出され、坑壁１５に付勢する。また、それととも
に、サイドサポート１２ａ、１２ｂが内側へ引き入れら
れる。このとき、コンピュータ８が、端子ＡＢ間電圧、
端子ＢＣ間電圧、および掘削距離Ｌを入力し、グリッパ
ストロークＧＳを算出する。

【００２０】次に、図４（ｂ）に示すように、グリッパ
２ａ、２ｂが坑壁１５に付勢し、かつサイドサポート１
２ａ、１２ｂが縮んだ状態において、スラストシリンダ
１１ａ、１１ｂを伸ばすともに、カッタヘッド１３を回
転させる。これにより、ディスクカッタ１４が同心円を
描きつつ岩盤を破砕し、メインビーム１０がグリッパ２
ａ、２ｂから反力を受けて掘進方向へ進む。

【００２１】次いで、スラストシリンダ１１ａ、１１ｂ
が最大長に伸ばされると、図４（ｃ）に示すように、グ
リッパシリンダ３ａ、３ｂ内の油圧を減少させてグリッ
パ２ａ、２ｂを内側へ引き入れる。それとともに、サイ
ドサポート１２ａ、１２ｂを外側へ伸ばし、坑壁１５に
付勢させる。その後、スラストシリンダ１１ａ、１１ｂ
を縮める。これにより、支持台９がメインビーム１０上
を掘進方向へ移動する。以後、図４（ａ）〜（ｃ）に示
した動作を繰り返すことにより、岩盤が掘削され、トン
ネルが形成されていく。

【００２２】このような過程において、ディスクカッタ
１４は掘削の進行とともに磨耗し、カッタヘッド１３の
最外周に設けられたディスクカッタ１４の磨耗量にとも
なって、トンネルの坑径が減少する。したがって、グリ
ッパストロークＧＳは、掘削の進行とともに減少する。
この様子を図５に示す。

【００２３】この図に示すように、グリッパストローク
ＧＳと掘削距離Ｌとは、相関式の形で表すことができ
る。したがって、この式に、予め求められている最終グ
リッパストロークＧＳｅすなわち最外周のディスクカッ
タ１４が最大磨耗状態となったときのグリッパストロー
クＧＳを代入することにより、ディスクカッタ１４を交
換すべき交換掘削距離Ｌｅを求めることができる。した
がって、この距離に到達した時点でディスクカッタ１４
を交換すればよい。

【００２４】本発明においては、コンピュータ８が、予
め最終グリッパストロークＧＳｅを記憶している。そし
て、掘削の進行とともに、図４（ａ）に示す状態におい
てグリッパストロークＧＳおよび掘削距離Ｌを順次入力
し、それらの値から相関式を求める。さらに、その相関
式に最終グリッパストロークＧＳｅを代入して交換掘削
距離Ｌｅを計算し、同掘削距離Ｌｅに到達する前にこの
結果を出力する。この場合、計算結果が、コンピュータ
に備えられた画面（図示略）に表示されるとしてもよ
く、また、同コンピュータに接続されたプリンタ（図示
略）によって印刷されるとしてもよい。

【００２５】これにより、作業者は、掘削の進行状況を
考慮して出力された交換掘削距離Ｌｅに到達する時期を
予測および設定することができる。したがって、ディス
クカッタ１４交換のための準備等を効率よく行うことが
できる。

【００２６】そして、設定した交換時期になったとき、
作業者はディスクカッタ１４を交換する。また、このと
き、グリッパストロークＧＳが最終グリッパストローク
ＧＳｅに到達したことによって、コンピュータ８がブザ
ー（図示略）を鳴らす。または、ランプ（図示略）を点
灯させるとしてもよい。

【００２７】なお、上述したトンネルボーリングマシン
におけるディスクカッタの最適交換時期判定装置におい
ては、軸４ａ、４ｂのストロークに比例した電圧を検出
することによってグリッパストロークＧＳを計測すると
したが、他の方法によっても同ストロークＧＳを計測す
ることが可能である。例えば、グリッパシリンダ３ａ、
３ｂ内の油圧を検出するセンサを設け、コンピュータ８
が、グリッパ２ａ、２ｂの張り出し時に掘削距離Ｌとと
もにこのセンサからの検出信号を入力する。この場合、
グリッパシリンダ３ａ、３ｂ内の油圧は、グリッパ２
ａ、２ｂが、引き入れられた状態から坑壁１５に接触す
る状態までの間はほぼ一定であるが、グリッパ２ａ、２
ｂが坑壁１５に付勢したとき、急激に上昇する。したが
って、コンピュータ８は、油圧レベルの変化時間からこ
の時間に比例したグリッパストロークＧＳを計測するこ
とができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、グリッパシリンダのストローク値を測定することに
より、ディスクカッタの磨耗状態を容易に知ることがで
きる。さらに、掘削距離とグリッパシリンダのストロー
ク値とを掘削開始から順次計測することにより、ディス
クカッタの磨耗の推移を知ることができ、これにより、
ディスクカッタが最大磨耗状態となる掘削距離を予め求
めることができる。したがって、ディスクカッタの交換
時期を正確に予測することができ、掘削作業の高効率化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態によるトンネルボーリン
グマシンにおけるディスクカッタの最適交換時期判定装
置が設けられたトンネルボーリングマシンの構成を示す
断面図である。

【図２】同トンネルボーリングマシンの上面概念図であ
る。

【図３】カッタヘッドの外側から取り付けられたディス
クカッタの形状を示す概念図（ａ）および磨耗した状態
を示す概念図（ｂ）である。

【図４】この発明の一実施形態によるトンネルボーリン
グマシンにおけるディスクカッタの最適交換時期判定装
置が設けられたトンネルボーリングマシンの動作を示す
概念図である。

【図５】同トンネルボーリングマシンにおける掘削距離
とグリッパストロークとの相関関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】 ２ａ、２ｂ……グリッパ、 ３ａ、３ｂ……グリッパシ
リンダ、４ａ、４ｂ……軸、 ５ａ、５ｂ……心棒、
６ａ、６ｂ……巻線抵抗、７ａ、７ｂ……ブラシ、 １
３……カッタヘッド、１４……ディスクカッタ、 １５
……坑壁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 側部に設けられたグリッパをトンネル坑
   壁に張り出し、前記グリッパを支持点として前方に設け
   られたカッタヘッドを掘進方向へ付勢させつつ回転さ
   せ、該カッタヘッドの前面に取り付けられたディスクカ
   ッタにより岩盤を破砕し、トンネルを形成していくトン
   ネルボーリングマシンに設けられ、 前記トンネルの坑径に比例した前記グリッパのストロー
   ク量を検出する検出手段と、 前記検出手段によって検出された前記ストローク量、お
   よび掘削開始点からの掘削距離を入力し、該ストローク
   量と掘削距離との相関関係を示す相関式を求め、かつ、
   該相関式に、予め設定されたディスクカッタが最大磨耗
   状態となったときのストローク量を代入することによ
   り、ディスクカッタを交換すべき交換掘削距離を算出す
   る交換掘削距離算出手段とを具備することを特徴とする
   トンネルボーリングマシンにおけるディスクカッタの最
   適交換時期判定装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段は、前記グリッパに連結さ
   れたシリンダ軸に沿って設けられた巻線抵抗と、 前記巻線抵抗の両端間に一定電圧を印加する定電圧電源
   と、 前記シリンダ軸のシリンダ上に、かつ前記巻線抵抗と摺
   動するように設けられたブラシとを具備し、前記巻線抵
   抗の一端と前記ブラシとの間の電圧を出力することを特
   徴とする請求項１記載のトンネルボーリングマシンにお
   けるディスクカッタの最適交換時期判定装置。