(57)【要約】【課題】  低コストで検知精度の高い地中障害物検知装置を備えたトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を提供する。【解決手段】  筒状をなす掘削機本体１と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキ２２と、前記掘削機本体に駆動回転可能に支持され切羽を掘削するカッタヘッド４と、を備えたトンネル掘削機において、前記カッタヘッドに、ユニット本体３１内を油圧ジャッキ３２により出没可能な検知ビット３３を障害物に直接接触させることで障害物を検知する障害物検知ユニット３０を搭載すると共に、当該障害物検知ユニットの油圧ジャッキの位置，ストローク及び油圧をモニタリングするモニタ４７を設けた。【選択図】      図１
2006257642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体に駆動回転可能に支持され切羽を掘削するカッタヘッドと、を備えたトンネル掘削機において、前記カッタヘッドに検知部材を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知する障害物検知ユニットを搭載すると共に、当該障害物検知ユニットによる検知状況をモニタリングするモニタリング装置を設けたことを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項２】
前記検知部材は、半円形状に形成されて前記障害物検知ユニット本体内を伸縮する油圧ジャッキの先端に付設され、当該検知部材が障害物に接触した際に油圧ジャッキが外力で収縮することで障害物の存在を検知することを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機。
【請求項３】
前記検知部材は、切削機能を兼ね備えた検知ビットであることを特徴とする請求項２記載のトンネル掘削機。
【請求項４】
前記検知状況として、前記油圧ジャッキの位置，ストローク及び油圧がモニタリングされることを特徴とする請求項２又は３記載のトンネル掘削機。
【請求項５】
前記障害物検知ユニットはカッタヘッドの反径方向の複数箇所に設けられることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のトンネル掘削機。
【請求項６】
前記障害物検知ユニットはカッタヘッドの周方向の複数箇所に設けられることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のトンネル掘削機。
【請求項７】
前記障害物検知ユニットが障害物の存在を検知した際に推進ジャッキの伸縮とカッタヘッドの回転を停止させる制御機構を備えたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のトンネル掘削機。
【請求項８】
カッタヘッドを回転させつつ推進ジャッキにより掘削機本体を前進させて切羽を切削する際に、カッタヘッドに搭載された障害物検知ユニットの検知部材を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知し得るようにすると共に、当該障害物検知ユニットによる検知状況をモニタリングすることを特徴とするトンネル掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中障害物検知装置を備えたトンネル掘削機及びトンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市土木，下水道工事における排水管等の布設に伴い、地中障害物（グランドアンカーやＨ型鋼等の障害物）に遭遇することが多くなってきている。尚、グランドアンカーは、構造物を地盤に定着するために、引張材（ＰＣ鋼より線を複数本束ねたもの）の両端部を構造物と地盤とにそれぞれ定着し、その中間部分を伸び変形に対して自由にし、これにプレストレスを与えるもので、アンカー体、引張材、アンカー頭部によって構成される構造体の総称である。
【０００３】
この場合、一般的なシールド掘削機では、次のような理由で障害物を撤去することが困難なため、人間が機外の切羽に出て直接ガス溶断などの方法で撤去していた。
（１）切削中の障害物が動いてしまうと、カッタヘッドにからみつき、シールド掘削機が掘進不能に陥ると共にカッタビットが欠損する虞がある。
（２）カッタヘッド中央部のフィッシュテールカッタがひどく損傷する。
（３）通常の土砂切削用カッタビットで障害物を切削すると欠けてしまう。
（４）切削した障害物片が大きい場合、カッタヘッドやスクリュコンベアに絡みつき、シールド掘削機が掘進不能に陥る虞がある。
【０００４】
そして、従来では、上述した障害物を音波や電磁波の反射波を利用した所謂地中レーダ等で間接的に検知していた。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１６９３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述した従来の検知装置にあっては、装置が複雑であることからコストアップを招来すると共に、間接的に得られたデータを解析しないと障害物の存在が判明できないことから検知精度が悪く即応性にも欠けるという問題点があった。
【０００７】
ところで、特許文献１には、シールド掘削機において、余堀用のコピーカッタを油圧ジャッキで駆動し、余堀中のコピーカッタが急激な地山の反力を受けた時の油圧ジャッキの押し側の油圧を検知し、この油圧が設定値を超えたら油圧ジャッキの押し側の圧油を瞬時に排出してコピーカッタをカッタヘッドに没入させることで、コピーカッタの破損等を未然に回避するようにした所謂安全装置が開示されている。
【０００８】
本発明は、このような安全装置をさらに発展させて地中障害物検知装置として装置化を図ったもので、低コストで検知精度の高い地中障害物検知装置を備えたトンネル掘削機及びトンネル掘削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】
【０００９】
上述の目的を達成するための本発明のトンネル掘削機は、筒状をなす掘削機本体と、該掘削機本体を前進させる推進ジャッキと、前記掘削機本体に駆動回転可能に支持され切羽を掘削するカッタヘッドと、を備えたトンネル掘削機において、前記カッタヘッドに検知部材を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知する障害物検知ユニットを搭載すると共に、当該障害物検知ユニットによる検知状況をモニタリングするモニタリング装置を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記検知部材は、半円形状に形成されて前記障害物検知ユニット本体内を伸縮する油圧ジャッキの先端に付設され、当該検知部材が障害物に接触した際に油圧ジャッキが外力で収縮することで障害物の存在を検知することを特徴とする。
【００１１】
また、前記検知部材は、切削機能を兼ね備えた検知ビットであることを特徴とする。
【００１２】
また、前記検知状況として、前記油圧ジャッキの位置，ストローク及び油圧がモニタリングされることを特徴とする。
【００１３】
また、前記障害物検知ユニットはカッタヘッドの反径方向の複数箇所に設けられることを特徴とする。
【００１４】
また、前記障害物検知ユニットはカッタヘッドの周方向の複数箇所に設けられることを特徴とする。
【００１５】
また、前記障害物検知ユニットが障害物の存在を検知した際に推進ジャッキの伸縮とカッタヘッドの回転を停止させる制御機構を備えたことを特徴とする。
【００１６】
上述の目的を達成するための本発明のトンネル掘削方法は、カッタヘッドを回転させつつ推進ジャッキにより掘削機本体を前進させて切羽を切削する際に、カッタヘッドに搭載された障害物検知ユニットの検知部材を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知し得るようにすると共に、当該障害物検知ユニットによる検知状況をモニタリングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のトンネル掘削機及びトンネル掘削方法によれば、電磁波などの間接手段を媒介せず、検知部材を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知するので、構造の簡略化によりコストダウンが図れると共に、検知精度も向上され障害物の有無を確実に把握することができる。
【００１８】
また、検知部材は、半円形状に形成されて前記障害物検知ユニット本体内を伸縮する油圧ジャッキの先端に付設され、当該検知部材が障害物に接触した際に油圧ジャッキが外力で収縮することで障害物の存在を検知することにより、外力（反力）を受けると油圧ジャッキは迅速かつ円滑に収縮することができ、その検知精度を高めることができる。また、検知部材は、切削機能を兼ね備えた検知ビットであることにより、検知部材の耐久性を高められる。また、検知状況として、前記油圧ジャッキの位置，ストローク及び油圧がモニタリングされることにより、障害物の有無をより確実に把握することができる。また、障害物検知装置はカッタヘッドの反径方向や周方向に複数個設けられることにより、障害物の検知精度を上げることができる。また、障害物検知ユニットが障害物の存在を検知した際に推進ジャッキの伸縮とカッタヘッドの回転を停止させる制御機構を備えたことにより、トンネル掘削機の健全性を良好に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係るトンネル掘削機及びトンネル掘削方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の側断面図、図２は同じく正面図、図３は障害物検知ユニットの拡大断面図、図４は障害物検知ユニットの作用状態図、図５は障害物検知装置の全体構成図、図６はモニタの説明図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、泥土圧式シールド掘削機（トンネル掘削機）の筒状をなす掘削機本体１の隔壁（バルクヘッド）３には、カッタヘッド４が軸受等を介して回転自在に装着される。カッタヘッド４の前面にはその回転中心部から放射状をなして６本のカッタスポーク５がその各々の間に面板６を配して固定される。このカッタスポーク５及び面板６には多数のカッタビット７が装着されると共に、等配された３本のカッタスポーク５の先端部（カッタヘッド４の外周側端部）には後述する障害物検知ユニット３０が装着される。また、カッタヘッド４の回転中心部にはフィッシュテールカッタ８が装着される。さらに、カッタヘッド４の径方向へ油圧ジャッキ９により伸縮（出没）可能に、適当数（図中では２個）のコピーカッタ１０が装着される。そして、カッタヘッド４の後部にはリングギア１１が固定される。
【００２２】
一方、前記隔壁３には、カッタヘッド駆動手段としてのカッタ旋回モータ１２が取り付けられ、このカッタ旋回モータ１２の駆動ギア１３が前記リングギア１１に噛み合っている。従って、カッタ旋回モータ１２を稼働して駆動ギア１３を回転駆動すると、リングギア１１を介してカッタヘッド４が回転される。また、隔壁３の中央部には、ロータリジョイント１４が組み付けられ、このロータリジョイント１４を介して前記コピーカッタ１０の油圧ジャッキ９等に対し図示しない油圧源からの圧油の給，排が行われるようになっている。
【００２３】
前記掘削機本体１の内部にはスクリューコンベヤ１７が配設され、カッタヘッド４で掘削された土砂をトンネルの後方へ排出可能になっている。即ち、スクリューコンベヤ１７の前端部（取出口）が隔壁３の下部を貫通して前記カッタヘッド４と隔壁３とで画成されたチャンバ室１８に開口すると共に、後下部に設けた排出口（ジャッキ１９駆動のゲート２０で開閉される）がトンネル内の長手方向に配設された図示しないベルトコンベア上に対向するのである。このスクリューコンベヤ１７は、後上がりに傾斜して配置された円筒管１７ａの内部に、駆動モータ１７ｂによって回転可能にスクリュー翼１７ｃが装着されてなる。
【００２４】
前記掘削機本体１の内周部には、覆工部材としてトンネルの内周面に構築された（組み立てられた）既設のセグメントＳに対し伸縮し得る推進ジャッキ２２が円周方向へ所定間隔離間して多数本配設される。また、掘削機本体１の後端部は、テールシール２３を介して前記既設セグメントＳの外周に嵌合している。また、掘削機本体１の後部には前記セグメントＳを組み立てるエレクタ２５と後方張出台２４が組み付けられ、この後方張出台２４上に組み立てたセグメントＳの真円保持を行うセグメントアジャスタ２６が装備される。
【００２５】
前記障害物検知ユニット３０は、図３及び図４に示すように、カッタスポーク５背面のケーシング５ａ内に設けられ、筒状のユニット本体３１と該ユニット本体３１内に収装された油圧ジャッキ３２と該油圧ジャッキ３２のシリンダ３２ａ先端に固着された検知ビット（検知部材）３３からなる。
【００２６】
前記検知ビット３３は、カッタヘッド４上に装着されたカッタビット７と同じタイプのものである。即ち、チップ先端角度が鈍角であると共に、切削方向（カッタヘッド４の周方向）に対称な半円形状に形成されて一つのビットでカッタヘッド４の左，右両回転に対応可能となっているのである。従って、一般的な土砂用切削ビットに比べて、切削効率や耐久性が高い。また、検知ビット３３の円弧長を長くするために、ビット幅Ｗをカッタヘッド４上に装着されたカッタビット７のそれより大きく設定している（例えば200mm→270mm）。
【００２７】
前記油圧ジャッキ３２は、そのシリンダ３２ａがユニット本体３１内をメタル軸受３４を介して掘進方向に摺動可能になっていると共に回り止め３５により回転不能になっている。一方、シリンダ３２ａ内に収装されたピストン３２ｂのロッド先端がシリンダ３２ａ外に突出してユニット本体３１に結合されている。
【００２８】
そして、油圧系統の縮みライン３６から油圧が供給されると、図３に示す縮み限状態まで油圧ジャッキ３２が収縮し（シリンダ３２ａが掘進方向後方へ摺動する）、反対に伸びライン３７から油圧が供給されると、図４に示す伸び限状態まで油圧ジャッキ３２が伸長する（シリンダ３２ａが掘進方向前方へ摺動する）ようになっている。縮み限状態では、検知ビット３３はカッタヘッド４上に装着されたカッタビット７よりも例えば50mm低い状態（没入状態）となり、摩耗防止と通常掘削時の負荷軽減を図っている一方、伸び限状態では、検知ビット３３はカッタヘッド４上に装着されたカッタビット７よりも例えば100mm高い状態（突出状態）となり、障害物が切羽に存在した場合には、最初に遭遇するように図っている。
【００２９】
図５に示すように、前記各障害物検知ユニット３０における油圧ジャッキ３２の油圧系統は、個別作動を目的として独立系統とし、カッタヘッド４へは、前述したロータリジョイント１４を経由して油圧を供給している。
【００３０】
各油圧系統は電磁弁３８を介してポンプ３９及びタンク４０に接続されると共に、伸びライン３７には、リリーフ弁４１、圧力計４２、圧力発振器４３及び流量計４４がそれぞれ介装される。そして、圧力発振器４３及び流量計４４の検出信号は、前述したリングギア１１部に設置（ロータリジョイント１４に設置することも可能）されたロータリエンコーダ（カッタヘッド旋回角度センサ）４５の検出信号と共に運転操作盤４６に入力され、そのモニタ（モニタリング装置）４７（図６参照）に各障害物検知ユニット３０の位置（角度），ストローク及び油圧（検知状況）が表示されるようになっている。位置はロータリエンコーダ４５から、ストロークは流量計４４から、油圧は圧力発振器４３からそれぞれ導かれる。従って、各障害物検知ユニット３０とその油圧系統とモニタ４７を含む運転操作盤４６等で障害物検知装置が構成される。
【００３１】
前記モニタ４７は、図６に示すように、No.1〜No.3の三つの障害物検知ユニット３０の位置を点滅ランプに色分けして表示（点灯）するランプ表示部４７ａと、No.1〜No.3の三つの障害物検知ユニット３０の油圧，ストローク及び位置を色分けした数値で表示する数値表示部４７ｂと、No.1〜No.3の三つの障害物検知ユニット３０の油圧，ストローク及び位置をカッタヘッド４の２回転分（現在と一つ前）に亙ってグラフに色分けして表示するグラフ表示部４７ｃと、自動制御下におけるNo.1〜No.3の三つの障害物検知ユニット３０の動作不良を警告するアラーム表示部４７ｄ等を有している。
【００３２】
このように構成されるため、泥土圧式シールド掘削機による掘削にあたっては、先ず、全ての推進ジャッキ２２が縮んだ初期位置（図１の状態）で、カッタ旋回モータ１２を稼働させてカッタヘッド４を回転させる。
【００３３】
次に、前記状態から全て又は任意の推進ジャッキ２２を伸ばして掘削機本体１を１ストローク推進（前進）させる。この際、推進反力は既設セグメントＳで受ける。そして、この推進により、カッタヘッド４に装着された多数のカッタビット７が前方の地盤を掘削する。掘削された土砂はチャンバ室１８からスクリューコンベヤ１７等によって外部に排出される。
【００３４】
次に、カッタヘッド４の旋回を止めた状態で、推進ジャッキ２２を部分的に順次縮めてエレクタ２５及びセグメントアジャスタ２６によりセグメントＳを組み立てると共にその真円保持を行う。
【００３５】
以降、前述した工程を繰り返して、所定長さのトンネルを掘削・形成していく。
【００３６】
そして、前述した掘削下で、グランドアンカーやＨ型鋼等の障害物に遭遇しそうな場合は、一旦カッタヘッド４の旋回と推進ジャッキ２２の伸長を停止して、各障害物検知ユニット３０の油圧ジャッキ３２を伸び限（例えば150mm）まで伸長させ、その後に掘削を再開する。この際、各障害物検知ユニット３０の油圧系統内のリリーフ弁４１は、土砂掘削中に伸び限ストローク（例えば150mm）を維持できる最小圧力値にセットしておく。
【００３７】
各障害物検知ユニット３０の検知ビット３３が障害物に遭遇すると、油圧ジャッキ３２は外力（反力）で縮められ、その時に作動油はリリーフ弁４１から逃がされる。この作動油の流れは流量計４４でストロークに換算され、前述した運転操作盤４６のモニタ４７に表示される。この時の油圧変化も前述した圧力発振器４３を介してモニタ４７に表示される。尚、各障害物検知ユニット３０の位置も前述したようにモニタ４７に常時表示されているので、障害物の位置を正確に把握することができる。
【００３８】
この際、前記検知ビット３３は切削方向に半円形状に形成されているため、油圧ジャッキ３２のシリンダ３２ａがメタル軸受３４により半分以上の長さに亙ってユニット本体３１に支持されていることも相俟って、外力（反力）を受けると油圧ジャッキ３２は迅速かつ円滑に収縮することができ、その検知精度を高めることができる。
【００３９】
また、障害物検知の精度向上を図ると共に泥土圧式シールド掘削機の健全性を良好に保持するために、下記のインタロック機構（制御機構）を装備すると好適である。
（１）いずれかの障害物検知ユニット３０が予め設定しておいたストロークまで縮んだ時点でブザー吹鳴等の警報を発する。
（２）いずれかの障害物検知ユニット３０が予め設定しておいたストロークまで縮んだ時点でカッタヘッド４の旋回（回転）と推進ジャッキ２２の伸長を停止する。
（３）いずれかの障害物検知ユニット３０が予め設定しておいたストロークまで縮んだ後に、自動的に伸び限ストローク（例えば150mm）に復旧する。
【００４０】
このようにして、本実施例では、電磁波などの間接手段を媒介せず、検知ビット３３を障害物に直接接触させることで障害物の存在を検知するので、構造の簡略化によりコストダウンが図れると共に、検知精度も向上される。本実施例では、カッタヘッド１回転に対して３回の検知が行われるので、より一層検知精度が向上される。
【００４１】
尚、上記実施例では、障害物検知ユニット３０を３個搭載した例を示したが、図２に鎖線で示したように、図示しない攪拌棒やカッタヘッド支持ビーム４ａ等を利用して３箇所×３列、適宜周方向位置（角度）を変えて設けても良い。また、同軌跡に設けずに１箇所×９列等でも良い。要するに障害物検知ユニット３０の搭載数を増加することで、障害物の検知精度を上げることができるのである。
【００４２】
また、検知部材として、耐久性を高めるために切削可能な検知ビット３３を用いたが、単なる耐久性のある半円形状のブロック体でも良い。また、トンネル掘削機としては、泥土圧式シールド掘削機に限らず、泥水式シールド掘削機やトンネルボーリングマシーン等を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例を示す泥土圧式シールド掘削機の側断面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】障害物検知ユニットの拡大断面図である。
【図４】障害物検知ユニットの作用状態図である。
【図５】障害物検知装置の全体構成図である。
【図６】モニタの説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  掘削機本体
３  隔壁
４  カッタヘッド
５  カッタスポーク
５ａ  ケーシング
６  面板
７  カッタビット
８  フィッシュテールカッタ
９  油圧ジャッキ
１０  コピーカッタ
１１  リングギア
１２  カッタ旋回モータ
１３  駆動ギア
１４  ロータリジョイント
１７  スクリューコンベヤ
１８  チャンバ室
１９  ジャッキ
２０  ゲート
２２  推進ジャッキ
２３  テールシール
２４  後方張出台
２５  エレクタ
２６  セグメントアジャスタ
３０  障害物検知ユニット
３１  ユニット本体
３２  油圧ジャッキ
３２ａ  シリンダ
３２ｂ  ピストン
３３  検知ビット
３４  メタル軸受
３５  回り止め
３６  縮みライン
３７  伸びライン
３８  電磁弁
３９  ポンプ
４０  タンク
４１  リリーフ弁
４２  圧力計
４３  圧力発振器
４４  流量計
４５  ロータリエンコーダ
４６  運転操作盤
４７  モニタ
４７ａ  ランプ表示部
４７ｂ  数値表示部
４７ｃ  グラフ表示部
４７ｄ  アラーム表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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