(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部に回転駆動されるカッタヘッドを有し、シールド本体の後部外面に、シールド本体後部で組み立てられる一次覆工体と地山との間に裏込剤を注入する裏込剤注入管が配設されたシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置であって、
シールド本体の外周面で前記裏込剤注入管より前方適所に形成された収納凹部と、この収納凹部内から外方に出退自在に配設された回転カッタと、この回転カッタを回転駆動するカッタ回転装置と、回転カッタを出退させるカッタ出退装置とを具備し、
前記回転カッタに切削トルクを検出するトルク検出器を設けるとともに、カッタ出退装置による回転カッタの突出速度を検出する突出速度検出手段を設け、
前記トルク検出器の検出信号に基づいてカッタ出退装置による回転カッタの突出速度を制御する切削制御装置を設けた
ことを特徴とするシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置。
【請求項２】
切削制御装置を、
切削トルクの検出値が、最大切削トルクを越えた時に、基準突出速度に０を越えて１未満の係数を乗じた遅いカッタ突出速度となるようにカッタ出退装置を制御し、
最大トルクを越える切削トルクが検出される毎に、基準突出速度に乗じる係数を小さくしてカッタ突出速度をさらに遅くなるようにカッタ出退装置を制御し、
最大トルクを越える切削トルクが検出される回数が所定の回数を越えると、カッタ出退装置を停止するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルを掘削する時に、シールド掘進機の後部で組み立てられた一次覆工体と地山との間に裏込剤を注入する裏込剤注入管がシールド本体の外面に突設されたシールド掘進機において、硬質地盤や岩盤、発進孔や中間孔、到達孔の壁体などの掘削通過時に、裏込剤注入管の破損を防止するための裏込剤注入管用先行カッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の硬い岩盤や地下構造物、既設管などの地中構造物を切削通過時に、シールド本体の外周部に設けられた裏込剤注入管を保護する目的で、本出願人は、前方の地中構造物を掘削する従来の固定カッタに代えて、特願平９−１４０７４０号において回転カッタをシールド本体の外周部に出退させる裏込剤注入管用先行カッタを提案した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被切削物は地中構造物でその硬度や切削難度が個々に相違し、また建築構造物の場合には大きな振動を与えることができないため、スムーズに切削できるのが望ましい。しかし従来のように一義的に決定されたカッタの切削速度では、スムーズな切削が期待できないという問題があった。また上記先行カッタは、シールド本体内に取付けられるため、破損したり、動かなくなった場合に、メンテナンスやカッタの交換が困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決して、硬質岩盤や発進、中間、到達孔の硬質壁体でもスムーズに切削できてカッタの破損を防止できるシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置を提供することを目的としている。
【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請求項１記載の発明は、シールド本体の前部に回転駆動されるカッタヘッドを有し、シールド本体の後部外面に、シールド本体後部で組み立てられる一次覆工体と地山との間に裏込剤を注入する裏込剤注入管が配設されたシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置であって、シールド本体の外周面で前記裏込剤注入管より前方適所に形成された収納凹部と、この収納凹部内から外方に出退自在に配設された回転カッタと、この回転カッタを回転駆動するカッタ回転装置と、回転カッタを出退させるカッタ出退装置とを具備し、前記回転カッタに切削トルクを検出するトルク検出器を設けるとともに、カッタ出退装置による回転カッタの突出速度を検出する突出速度検出手段を設け、前記トルク検出器の検出信号に基づいてカッタ出退装置による回転カッタの突出速度を制御する切削制御装置を設けたものである。
【０００６】
上記構成によれば、硬質岩盤や硬質地下構造体により、過大な掘削負荷が回転カッタにかかると、これをトルク検出器により検出して、回転カッタの突出速度が遅くなるように制御することで、スムーズな切削が可能となり、回転カッタが破損することもない。
【０００７】
また請求項２記載の発明は、前記構成の切削制御装置を、切削トルクの検出値が、最大トルクを越えた時に、基準突出速度に０を越えて１未満の係数を乗じた遅いカッタ突出速度となるようにカッタ出退装置を制御し、最大トルクを越える切削トルクが検出される毎に、基準突出速度に乗じる係数を小さくしてカッタ突出速度をさらに遅くなるようにカッタ出退装置を制御し、最大トルクを越える切削トルクが検出される回数が所定の回数を越えると、カッタ出退装置を停止するように構成したものである。
【０００８】
上記構成によれば、回転カッタの突出速度を複数段にわたって制御することができて、適正な速度で切削が可能となり、また過大切削トルクの検出が所定の回数を越えると、カッタ出退装置を停止するので、回転カッタの破損を確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る裏込剤注入管用先行カッタ装置の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１０】
図２，図３に示すように、シールド本体１の外周面の裏込剤注入管６より前方の対応位置に、シールド本体１の大気室１ｂに連通する開口部２が形成されている。この開口部２には、有底筒状の外筒３がスキンプレート１ａ面に固着されて、排土装置４付きの収納凹部５が形成されている。さらにシールド本体１には、収納凹部５内にシールド本体１の半径方向に出退自在に配設された回転カッタ１１と、この回転カッタ１１を回転駆動するための油圧式カッタ回転装置１２と、回転カッタ１１をシールド本体１の半径方向に出退駆動させるためのカッタ出退装置１３と、開口部２を開閉するゲート１４とが設けられている。また、このカッタ装置には、回転カッタ１１の切削をスムーズに行うとともに、破損を防止する切削制御装置１０が設けられている。
【００１１】
前記回転カッタ１１は、裏込剤注入管６の幅と略同一径に設定され、外筒３内に軸受ブッシュ１６を介して摺動及び回転可能に配置された可動内筒１７と、この可動内筒１７内に十字状に架設された十字枠１８と、この十字枠１８の可動内筒１７より上方に突出する先端部に固着されたカッタ部２１とで構成されている。
【００１２】
前記カッタ部２１は、図６，図７に示すように、リングフレーム２１ａ上に十字フレーム２１ｂが固着され、さらにリングフレーム２１ａ上に周方向一定間隔ごとにビット取付フレーム２１ｃが立設されている。そしてこれら十字フレーム２１ｂおよびビット取付フレーム２１ｃの外周側で回転方向前部に、切削面に面接触して切削する面切削ビットである外周面切削ビット２２Ａが取り付けられるとともに、外周面切削ビット２２Ａによる切削面より突出して所定のピッチで切削面に周方向の溝を形成し硬質地盤に内在された強化繊維等を切断する溝切削ビットである複数の円弧形外周溝切削ビット２３Ａが軸心方向に所定間隔ごとに突出されている。また十字フレーム２１ｂおよびビット取付フレーム２１ｃの先端面に、切削面に面接触して切削する面切削ビットである先端面切削ビット２２Ｂが取り付けられるとともに、先端面切削ビット２２Ｂによる切削面より突出して半径方向に所定のピッチで回転方向の溝を形成し硬質地盤に内在された強化繊維等を切断する複数の円弧形の溝切削ビットである先端溝切削ビット２３Ｂが半径方向に所定間隔ごとに突出されている。そして、リングフレーム２１ａ内で十字フレーム２１ｂの間の空間部が収容凹部５に連通する切削片の取入口２４に構成されている。
【００１３】
前記カッタ回転装置１２は、図２，図３に示すように、十字枠１８の下面中央部に突設されたカッタ軸３１が、外筒３の底壁部に固着されたシールボックス３２を貫通して移動枠３３の軸受３４に回転自在に支持されている。そして移動枠３３に取り付けられた油圧式カッタ回転モータ３５がスプロケットホイール３６，３７及びチェン３８を介してカッタ軸３１に連動連結されて構成されている。
【００１４】
また前記カッタ回転モータ３５は、図１に示すように、シールド本体１に内蔵された油圧ユニットの油圧ポンプ４１からモータ用油圧管４２を介して圧油が供給されており、モータ用油圧管４２に介在されたモータ切替弁４３により、停止および正逆回転が操作される。またこのカッタ回転モータ３５には、油圧の出入り口に介装された圧力変換器４４ａ，４４ｂを具備したトルク検出器４４が設けられており、このトルク検出器４４により回転カッタ１１の切削トルクを検出することができる。
【００１５】
前記カッタ出退装置１３は、図３に示すように、外筒３の外周面に突設したブラケット５１に連結ピン５２を介して左右一対の油圧式カッタ出退シリンダ５３が配設され、その各カッタ出退シリンダ５３のピストンロッド５３ａの先端部が移動枠３３に突設した左右一対のアーム５４にそれぞれ連結ピン５５を介して連結されて構成されている。またこれらカッタ出退シリンダ５３には、ピストンロッド５３ａの位置を検出する変位計５６が設けられており、この変位計５６からの検出値を回転カッタ１１の突出速度に変換する図４の切削制御装置１０の位置／速度変換部１０ｂとにより突出速度検出手段が構成されている。さらに、図１に示すように、これらカッタ出退シリンダ５３には、前記油圧ユニットの油圧ポンプ４１からシリンダ用油圧管４５を介して圧油が供給されており、シリンダ用油圧管４５に介在された切替えおよび流量連続調整可能な出退用サーボ弁４６（または電磁比例弁）によりカッタ出退シリンダ５３に供給される圧油量が調整されて回転カッタ１１の突出速度が制御される。
【００１６】
前記排土装置４は、図２に示すように、収納凹部５に接続された開閉弁６１付き送泥管６２と、収納凹部５からカッタヘッド後部の圧力室２ｃに接続された排泥管６３とから構成されている。
【００１７】
前記ゲート１４は、図３に示すように、外筒３の上部に形成されたゲート用凹部１４ａ内に、ゲート板１４ｂがスライド自在に嵌合され、ゲート板１４ｂに連結された油圧式ゲート開閉シリンダ６４により開閉される。
【００１８】
前記切削制御装置１０は、図１，図４に示すように、トルク検出器４４から入力された実測トルクＴNから回転カッタ１１の突出速度目標値ＶKを演算する目標速度設定部１０ａと、カッタ出退シリンダ５３の変位計５６の実測位置から実速度ＶNを演算する位置／速度変換部１０ｂと、変位計５６の実測位置から突出ストローク限を判断して目標速度設定部１０ａに出力する最大ストローク検出部１０ｃと、突出速度目標値ＶKから実速度ＶNを減算する減算器１０ｄと、減算器１０ｄからの速度偏差を弁の開度信号に変換する積分器１０ｅとが具備されている。
【００１９】
そして、目標速度設定部１０ａでは、図５に示すように、基準突出速度ＶSでカッタ出退シリンダ５３を駆動し（ＳＴＥＰ１）、トルク検出器４４で検出された実測トルクＴNが予め設定された最大切削トルクＴMAXを越えた時に（ＳＴＥＰ２）、カッタ基準突出速度ＶSに予め設定された係数αSを乗じて目標値ＶKを演算し（ＳＴＥＰ３）、回転カッタ１１の突出速度の目標値ＶKは出力する。この係数αは、０＜α＜１の範囲から選択されて、最大切削トルクＴMAXを越える実測トルクＴNを検出する回数Ｋが増加するごとに減少される値で、たとえばαK＝αS−０．１×Ｋに設定されている。
【００２０】
次いで、最大切削トルクＴMAXを越える実測トルクＴNを検出した回数Ｋが予め設定された回数Ｎと等しく（Ｋ＝Ｎ）なった時に、目標値ＶN＝０として出退用サーボ弁４６を閉じ（ＳＴＥＰ４）、カッタ出退シリンダ５３を停止するように構成されている。
【００２１】
上記構成において、カッタヘッド１により例えば土留め用ＮＯＭＳＴ壁などの硬質壁体を掘削する場合には、シールド本体２の掘進を回転カッタ１１の掘削直径より小さい間隔で間欠移動させ、停止時にゲート１４を開動させて開口部２を開放し、カッタ回転装置１２およびカッタ出退装置１３により回転カッタ１１を突出移動させて硬質地盤に先行穴を形成する。この時、先端溝切削ビット２３Ｂにより切削面に回転方向の溝が形成され、溝が形成された切削面に先端面切削ビット２２Ｂが面接触して切削することにより、強化繊維が内在された硬質壁体を効果的に切削除去することができる。
【００２２】
この時、切削制御装置１０により回転カッター１１の突出移動速度を制御し、回転カッター１１に最大切削トルクＴMAXを越える過大な負荷がかかった場合には、切削制御装置１０により突出速度Ｖが制御されて適正な負荷で切削するように制御され、スムーズに切削されて回転カッタ１１の破損を確実に防止することができる。
【００２３】
そして、切削片が回転カッタ１１の取入口２４から収納凹部５内に回収され、その回収した切削片が送泥管６２を介して収納凹部５内に供給した泥水によりスラリー状された後、排泥管６３を介してカッタヘッド側の圧力室２ｃ内に流入され、掘削土砂といっしょにスラリー輸送で地上まで排出される。これを繰り返すことにより、先行穴を連続させて裏込剤注入管の損傷を防止する先行溝を形成することができる。
【００２４】
また硬質地盤の掘削終了後、ゲート１４が閉動させて開口部２が閉鎖されることにより（図２実線参照）、その開口部２から収納凹部５内に土砂が流入されるのが阻止され、これにより地山の崩壊を防止することができる。
【００２５】
上記実施の形態によれば、切削制御装置１０により、回転カッタ１１の突出速度を制御して回転カッタ１１に過大な負荷がかかるのを防止するので、硬質壁体をスムーズ切削することができ、回転カッタ１１が破損し、掘削不能になることがない。しかもこの硬質構造物の硬度や切削難度に応じて切削することができ、また建築構造物の場合にも大きな振動を与えることがなくスムーズに切削することができる。したがって、回転カッタ１１が破損したり、動かなくなることが無く、メンテナンスや回転カッタ１１の交換が不要となる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、油圧式のカッタ回転モータ３５およびカッタ出退シリンダ５３を使用したが、もちろん電動モータおよび電動シリンダを採用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上に述べたごとく、請求項１記載の発明によれば、硬質岩盤や硬質地下構造体により、過大な掘削負荷が回転カッタにかかると、これをトルク検出器により検出して、回転カッタの突出速度が遅くなるように制御することで、スムーズな切削が可能となり、回転カッタが破損することがない。
【００２８】
また請求項２記載の発明によれば、回転カッタの突出速度を複数段にわたって制御することができて、適正な速度での切削が可能となり、また過大切削トルクの検出が所定の回数を越えると、カッタ出退装置を停止するので、回転カッタの破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシールド掘進機の裏込剤注入管用先行カッタ装置の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同先行カッタ装置の縦断面図である。
【図３】同先行カッタ装置の横断面図である。
【図４】同先行カッタ装置の切削制御装置の関数ブロック図である。
【図５】同切削制御装置の目標速度設定部におけるフローチャートである。
【図６】同回転カッタのカッタ部を示す平面図である。
【図７】同回転カッタのカッタ部を示す側面図である。
【符号の説明】
１    シールド本体
２    開口部
４    排土装置
５    収納凹部
６    裏込剤注入管
１０    切削制御装置
１０ａ  目標速度設定部
１１    回転カッタ
１２    カッタ回転装置
１３    カッタ出退装置
１４    ゲート
３５    カッタ回転モータ
４４    トルク検出器
４６    出退用サーボ弁
５３    カッタ出退シリンダ
５６    変位計
【図１】
0003640513.tif 000002
【図２】
0003640513.tif 000003
【図３】
0003640513.tif 000004
【図４】
0003640513.tif 000005
【図５】
0003640513.tif 000006
【図６】
0003640513.tif 000007
【図７】
0003640513.tif 000008