JPH0489994A - トンネル掘削機の方向制御装置および方向制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トンネル掘削機の方向制御装置および方向制
御方法に関する。

［従来の技術］ 公共事業投資の充実と各種工事における省人化、高能率
化の発展に伴い、下水道工事、水路トンネル工事、通信
用ケーブル敷設工事等においては、トンネル掘削機の使
用が著しく活発化している。

これらの工事に使用されているトンネル掘削機は円筒形
のシールドの前面に回転式カッタヘッドを取着し、カッ
タヘッドに取着されたディスクカッタ、ビット等により
切羽を掘削、破砕し、すりを取り込みつつ掘進する。

トンネル掘削機はカッタヘッドとシールドとの間に隔壁
があるので、オペレータが直接切羽の状況を視認するこ
とができず、かつ土質は切羽の全断面について必ずしも
同一でないため、掘削抵抗の小さい方に曲がりやすい。

このため、一定距離あるいは一定時間掘進後、トランシ
ットを用いて計画路線に対する現在位置の水平および垂
直方向のずれ量を測定し、今後掘進すべき方向の修正を
行っている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記のような掘進方向制御方法においては
、切羽の土質変化すなわち切羽の全断面における掘削抵
抗のばらつきをあらかじめ把握することがてきないため
、カッタヘットを推進するスラストジヤツキの操作はオ
ペレータの経験や勘に頼って行われている。そのため、
トンネル掘削機の方向制御が不正確となり、１日に数回
行われる測量結果によって計画路線に対するずれ量を絶
えず補正しなければならない。従って掘進方向のずれに
よって実掘削距離が延ひ、掘進方向修正によって掘削土
量が計画値よりも増大するという問題点がある。

また現在位置の測量と、測量データに基づいて今後掘進
すべき方向の修正結果が算出されるまて掘削を中断しな
ければならず、作業能率が悪い。

本発明は上記従来の問題点に着目し、土質によるカッタ
ヘッドの変位特性を事前に把握することによって、掘進
方向誤差を縮小することができるような、トンネル掘削
機の方向制御装置および方向制御方法を提供することを
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本発明に係るトンネル掘削機
の方向制御装置は、シールドの前面に設けたカッタヘッ
トの回転によりトンネル全断面を切削しつつ掘進するト
ンネル掘削機において、カッタヘッドに貫入試験機を設
けるとともに、各スラストジヤツキにそれぞれストロー
クセンサを設け、カッタヘット前面の切羽に対する貫入
試験データと各スラストジヤツキのストローク債とを入
力して処理するデータ処理部と、これらのデータに基づ
いて各スラストジヤツキに付加すべき油圧を算出、設定
する演算部と、各スラストジヤツキ別設定油圧を制御す
る制御部とを備える構成とし、このような構成において
、 貫入試験機に代えて、地中レーダの送受信器をカッタヘ
ットに設け、地中レーダによる反射波の帰来時間と減衰
度とを入力して処理するデータ処理部を備えるものでも
よい。

またトンネル掘削機の方向制御方法は、トンネル掘削機
のカッタノ＼ツドに設けた貫入試験機を用いて、切羽に
対する貫入試験を行い、カッタヘッド前方の地層の各部
位における貫入抵抗と貫入部位によるばらつきとを検出
し、貫入抵抗の大小およびスラストジヤツキのストロー
ク員のばらつきに応してスラストジヤツキに付加する油
圧を個別に調整することにより、掘進方向を制御する構
成とし、あるいは、 貫入試験に代えて、トンネル掘削機のカッタヘットに設
けた地中レーダを用い、切羽に対してマイクロ波を発信
し、カッタヘット前方の地層の各部位における反則波の
帰来時間と減衰度およびこれらのばらつきとを検出し、
前記帰来時間の大小と減衰度とに応してスラストジヤツ
キに付加する油圧を個別に調整するようにしてもよい。

［作用コ 上記構成によれば、カッタヘッドに貫入試験機を設け、
切羽の各部位別に掘削抵抗の大小を把握し、これらのデ
ータに基づいてスラストジヤツキ別に付加油圧を調整す
るとともに、スラストジヤツキのストローク量を検出し
て必要があれば付加油圧を補正することにしたので、掘
削抵抗の大きい部分に対してはスラストジヤツキの付加
油圧が高くなるように制御部から指令信号が発信され、
掘削抵抗の小さい部分に対してはスラストジヤツキの付
加油圧が低くなるように制御部から指令信号が発信され
る。これにより各スラストジヤツキ別に付加油圧が調整
され、切羽における掘削抵抗のばらつきにかかわらずカ
ッタヘッドを所望の方向に掘進させることができる。

更に、掘進中にスラストジヤツキのストローク量を検出
し、必要に応じてスラストジヤツキ付加油圧を補正する
ことにしたので、掘進方向を高精度に制御することがで
きる。

また掘削抵抗の大小を把握する手段として地中レーダを
用い、反射波の帰来時間の長短と減衰度とによってスラ
ストジヤツキの付加油圧を調整する場合も、上記と同様
にカッタヘッドを所望の方向に掘進させることができる
。

［実施例コ 以下に本発明に係るトンネル掘削機の方向制御装置の実
施例について、図面を参照して詳細に説明する。

第１図は請求項（１）記載のトンネル掘削機の概略側面
構造図、第２図は方向制御システムの概略構成図である
。第１図において、カッタヘッドｌの前面にはディスク
カッタ、ビット等が所定間隔で配設され、前シールド２
にフロントグリッパ３、後シールド４にリヤグリッパ５
とシールドジヤツキ６とがそれぞれ設けられ、前後のシ
ールド２．４の内周に沿って複数個のスラストジヤツキ
７が設けられている。また後シールド４の後方には、掘
削したトンネル部分に敷設されたセグメント８が続いて
いる。　　前記カッタヘットｌのディスクカッタまたは
ビットの脇の、カッタヘッド１の半径上に３個の貫入試
験機９が設けられ、各スラストジヤツキ７にはそれぞれ
ストロークセンサ７ａが配設されている。

貫入試験機９は一端に円錐部を備え、他端にボールねじ
を有するロッド９ａと、前記ボールねしに螺合するナツ
トとを備え、このナツトに結合された電動機の回転によ
ってロッドを前後進させる構造になっている。また電動
機に流れる電流値は第２図に示すように、コントローラ
１０のデータ処理部１０ａに入力され、データ処理部１
０ａで処理されたデータは、演算部１０ｂを経て制御部
１０ｃに入力され、ここからスラストジヤツキ制御弁１
１に出力される。

貫入試験機９は、先端に円錐部を備えたロット９ａと、
このロット９ａに結合された油圧シリンダおよび油圧セ
ンサとからなるものでもよく、ロッド９ａは先端が平面
であってもよい。また貫入試験機９は、カッタヘッド１
の互いに直交する直径上にそれぞれ数個ずつ設置しＣも
よい。　（この場合は、上下左右４方向の貫入試験が１
回で完了する。　） 次にこの方向制御装置を用いて行うトンネル掘削機の方
向制御方法について直進時を例にとって説明する。

トンネル掘削機により一定距離または一定時間掘進後、
掘進を停止し、貫入試験を行う。一般にはセグメント１
個分の掘進が完了し、セグメント８を敷設する際に貫入
試験機用電動機沿駆動し、ロッド９ａを切羽に押し込む
。このときに電動機に流れた電流値を検出して、第２図
に示すようにコントローラ１０のデータ処理部１０ａに
入力する。本実施例のようにカッタヘッド１の半径上に
３個の貫入試験機９を設けた場合は、たとえばカッタヘ
ッド１を９０°ずつ回転させて計４回貫入試験を行い、
１２個の電流値データをそれぞれデータ処理部１０ａに
入力することになる。これらの電流値から、切羽の上下
左右の各部位について掘削抵抗がどのようにばらついて
いるかを把握することができる。

これらのデータは演算部１０ｂに入力され、演算部１０
ｂにおいて切羽の掘削抵抗のばらつきに応じて各スラス
トジヤツキごとの付加油圧を演算し、更に演算結果に基
づいて、制御部１０ｃから各スラストジヤツキ７に付加
する油圧を制御するスラストジヤツキ制御弁１１に対し
て指令信号が出力される。

このようにして第３図に示す通り、掘進開始によるカッ
タヘッドの回転と同時に各スラストジヤツキ制御弁１１
は前記指令に応して作動するので、切羽の掘削抵抗に応
してスラストジヤツキの付加油圧が調整され、カッタヘ
ットは上下左右が均等に堀進し、所望の方向を維持する
。

カッタヘット１はスラストジヤツキ７の作動によって切
羽を掘削しつつ前進するが、スラストジヤツキ７の作動
量は各スラストジヤツキに設けられたストロークセンサ
７ａによって検出され、データ処理部１０ａに入力され
る。直進すべきときにスラストジヤツキのストローク量
にばらつきがある場合は、さきに設定したスラストジヤ
ツキ別付加油圧に対して各スラストジヤツキのストロー
ク量に基づく補正が演算部１０ｂて行われ、その結果に
基づいた指令信号がスラストジヤツキ制御弁１１に出力
される。

またトンネル掘削機を曲進させる場合は、上述したよう
に掘削抵抗のばらつきに基づくスラストジヤツキ別付加
油圧の調整に加えて、曲率に応じたストローク調整量が
演算部で算出され、制御部から各スラストジヤツキ制御
弁１１に指令信号が出力される。

第４図は請求項（２）記載のトンネル掘削機の概略側面
構造図で、カッタヘット１に地中レーダの送受信器１２
が取着され、第５図に示すように受信器で受けた反射液
は、地中レーダ本体１２ａを経てコントローラ１０のデ
ータ処理部１０ａに人力される。

カッタヘッド１前面の地層の各位置に向けて地中レーダ
からマイクロ波を発信すると、土質の状態によって反射
液の帰来時間や減衰度に差を生しるので、これらのデー
タから掘削抵抗の大小を推定することができる。この場
合も、上記貫入試験機を用いる場合と同様の手順で掘進
方向制御が行われる。

上記による掘進方向制御精度を更に向上させるため、過
去の貫入試験データあるいは地中レーダによる反則波デ
ータとスラストジヤツキ別付加油圧との相関を蓄積する
データ記憶装置をコントローラに追設し、各スラストジ
ヤツキ別付加油圧を演算する際に前記記憶装置のデータ
と今回の演算結果とを対比して修正した演算結果を制御
部に入力するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、掘削に先たってカ
ッタヘッドに取着した貫入試験機あるいは地中レータを
用いて切羽の掘削抵抗のばらつきを把握し、これらのデ
ータに基づいてスラストジヤツキの油圧を調整するよう
にし、掘進開始後はスラストジヤツキのストローク量の
ばらつきを検出してスラストジヤツキ付加油圧を補正す
ることにしたので、トンネル掘削機の掘進方向制御の精
度を大幅に向上させることができる。

また方向制御の精度向上に伴い、掘進方向誤差測定と方
向修正のための計算時間、掘削時間等が短縮され、作業
能率を向上させることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項（１）の実施例に係る方向制御装置を備
えたトンネル掘削機の概略構造図、第２図は第１図に基
づく方向制御システムの概略構成図、第３図は同じく方
向制御のフローを示す図、第４図は請求項（２）の実施
例に係る方向制御装置を備えたトンネル掘削様の概略構
造図、第５図は第４図に基づく方向制御システムの概略
構成図である。 １・・・カッタｌベツド　　７・・・スラストジヤツキ
７ａ・・・ストロークセンサ ９・・・貫入試験機　　１０ａ・・・データ処理部１０
ｂ・・・演算部　　　１０ｃ・・・制御部１２・・・地
中レーダ送受信器 特許出願人　株式会社小松製作所 ゝ７ａ 第 図 第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シールドの前面に設けたカッタヘッドの回転によ
   りトンネル全断面を切削しつつ掘進するトンネル掘削機
   において、カッタヘッドに貫入試験機を設けるとともに
   、各スラストジャッキにそれぞれストロークセンサを設
   け、カッタヘッド前面の切羽に対する貫入試験データと
   、各スラストジャッキのストローク量とを入力して処理
   するデータ処理部と、これらのデータに基づいて各スラ
   ストジャッキに付加すべき油圧を算出、設定する演算部
   と、各スラストジャッキ別設定油圧を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とするトンネル掘削機の方向制御装
   置。
2. （２）貫入試験機に代えて、地中レーダの送受信器をカ
   ッタヘッドに設け、地中レーダによる反射波の帰来時間
   と減衰度とを入力して処理するデータ処理部を備えたこ
   とを特徴とする請求項（１）記載のトンネル掘削機の方
   向制御装置。
3. （３）トンネル掘削機のカッタヘッドに設けた貫入試験
   機を用いて、切羽に対する貫入試験を行い、カッタヘッ
   ド前方の地層の各部位における貫入抵抗と貫入部位によ
   るばらつきとを検出し、貫入抵抗の大小およびスラスト
   ジャッキのストローク量のばらつきに応じてスラストジ
   ャッキに付加する油圧を個別に調整することにより、掘
   進方向を制御することを特徴とするトンネル掘削機の方
   向制御方法。
4. （４）貫入試験に代えて、トンネル掘削機のカッタヘッ
   ドに設けた地中レーダを用い、切羽に対してマイクロ波
   を発信し、カッタヘッド前方の地層の各部位における反
   射波の帰来時間と減衰度およびこれらのばらつきとを検
   出し、前記帰来時間の大小と減衰度とに応じてスラスト
   ジャッキに付加する油圧を個別に調整することを特徴と
   する請求項（３）記載のトンネル掘削機の方向制御方法
   。