(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切り羽を掘削するカッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するためのスラストジャッキを備えるトンネル掘削機におけるグリッパ押付け力の制御方法であって、
前記スラストジャッキに加わる圧力値に応じて前記グリッパジャッキの坑壁に対する押付け力を制御することを特徴とするグリッパ押付け力の制御方法。
【請求項２】
切り羽を掘削するカッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するためのスラストジャッキを備えるトンネル掘削機におけるグリッパ押付け力の制御装置であって、
前記スラストジャッキに加わる圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段から得られるスラストジャッキの圧力検出値に基づいてグリッパ押付け力を演算する圧力演算手段と、この圧力演算手段から得られるグリッパ押付け力の演算値に基づいてグリッパジャッキの圧力を調整する圧力制御手段とを備えることを特徴とするグリッパ押付け力の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル掘削機におけるグリッパ押付け力の制御方法および制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機は、グリッパを油圧ジャッキにより伸張させてトンネル坑壁に押付けることによって、カッタヘッドを切羽に押付けるスラスト力の反力を得て、地山の掘削を行っている。
【０００３】
従来、このグリッパのトンネル坑壁に対する押付け力（グリッパ押付け力）が、カッタヘッドを切羽に押付けるスラスト力の最大値と釣り合うように油圧回路のリリーフ圧が設定され、いかなる地質状態に対しても例えば健岩部においても弱層部においても、常に一定の押付け力でグリッパはトンネル坑壁に押付けられている。また、地質状態にあわせてグリッパ押付け力を変化させる場合は、作業者の判断で油圧バルブを切り換えることによりグリッパ押付け力を変化させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、掘削される地質状態が悪い場合に必要以上のグリッパ押付け力でトンネル坑壁に掘削反力を得る方法では、トンネル坑壁が崩壊するという問題がある。また、必要な掘削反力をはるかにこえた油圧を油圧ジャッキにかける方法ではエネルギーの損失が大きいという問題もある。さらに、作業者の判断で油圧バルブを切り換える方法では判断のつきにくい地質状態での掘削が困難であるとともに、不慮の事故にもつながるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点を解消するために、掘削される地質状態に応じてグリッパ押付け力を自動的に制御してエネルギー損失を抑えるとともに、トンネル坑壁の崩壊を防ぐことのできるグリッパ押付け力の制御方法および制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
本発明によるグリッパ押付け力の制御方法は、前記目的を達成するために、
切り羽を掘削するカッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するためのスラストジャッキを備えるトンネル掘削機におけるグリッパ押付け力の制御方法であって、
前記スラストジャッキに加わる圧力値に応じて前記グリッパジャッキの坑壁に対する押付け力を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、スラストジャッキに加わる圧力（スラスト力）は地質状態に影響され、例えば掘削される地山の岩強度が高い場合はカッタの切羽への貫入力が高く必要なためスラスト力は高くなり、岩強度が低い場合は逆にスラスト力は低くなる。また、岩強度が高い場合はトンネル坑壁は崩壊しにくく、岩強度が低い場合はトンネル坑壁は崩壊しやすくなる。つまり、スラスト力が高い場合はグリッパジャッキのトンネル坑壁に対する押付け力（グリッパ押付け力）を高くしても崩壊しにくく、スラスト力が低い場合は坑壁が崩壊しやすいためグリッパ押付け力を低くする必要がある。したがって、このスラスト力に応じてグリッパ押付け力を調整することによりトンネル坑壁の崩壊を防ぐことができる。
【０００８】
本発明においては、グリッパ押付け力がカッタヘッドを切り羽に押付けるスラスト力の反力とされるため、スラスト力とグリッパ押付け力とが釣り合う必要がある。例えば、岩強度が高い場合はスラスト力が高くなるとともに高いグリッパ押付け力が必要となり、岩強度が低い場合は掘削しやすいためスラスト力は低くなり高いグリッパ押付け力は不必要となる。したがって、グリッパ押付け力がスラスト力に釣り合うように制御されることにより、グリッパにスラスト力の反力として必要な圧力を与えることができ、エネルギーの損失を抑えることができる。
【０００９】
本発明によるグリッパ押付け力の制御装置は、切り羽を掘削するカッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するためのスラストジャッキを備えるトンネル掘削機におけるグリッパ押付け力の制御方法であって、
前記スラストジャッキに加わる圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段から得られるスラストジャッキの圧力検出値に基づいてグリッパ押付け力を演算する圧力演算手段と、この圧力演算手段から得られるグリッパ押付け力の演算値に基づいてグリッパジャッキの圧力を調整する圧力制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、圧力検出手段によってスラストジャッキに加わる圧力（スラスト力）が検出され、この検出された値（検出値）に基づいて圧力演算手段によってスラスト力の反力として必要な力、つまりグリッパジャッキのトンネル坑壁に対する押付け力（グリッパ押付け力）が演算され、この演算値に基づいて圧力制御手段によりグリッパ押付け力が調整されるようにされている。
【００１１】
前記スラスト力および坑壁の崩壊は掘削される地質状態に影響されるため、例えば地山の岩強度が高い場合はスラスト力も高くなり崩壊しにくく、地山の岩強度が低い場合はスラスト力も低くなり崩壊しやすい。また、グリッパ押付け力はカッタヘッドを切羽に押付けるスラスト力の反力となるため、スラスト力とグリッパ押付け力とが釣り合う必要がある。このため、スラスト力が検出されて、このスラスト力の検出値と釣り合うように演算されたグリッパ押付け力の値にグリッパ押付け力が制御されることにより、地質状態に応じてグリッパ押付け力が自動的に制御されることとなりトンネル坑壁の崩壊を防ぐことができる。また、グリッパにスラスト力の反力に必要な圧力を与えることができるため、エネルギーの損失を抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるグリッパ押付け力の制御方法および制御装置の具体的実施例について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の縦断面概略図である。
【００１４】
本実施例のトンネル掘削機１においては、中心部に前後方向にメインビーム２が延設されている。このメインビーム２の前部にはカッタヘッドサポート３を介してカッタヘッド４が回転自在に支承され、このメインビーム２の後部にはグリッパジャッキ５によりグリッパ６がトンネル坑壁に対して接離可能に、かつメインビームに対して前後方向に摺動可能に設けられている。また、前記カッタヘッドサポート３とグリッパ６との間にはスラストジャッキ７が伸縮自在に連接されている。
【００１５】
前記スラストジャッキ７およびグリッパジャッキ５は、図２に示される油圧回路によって制御されている。前記スラストジャッキ７にかけられる油圧力は圧力検出器８により検出されてコントローラ１０に伝送されるようにスラストジャッキ７に圧力検出器８が設けられ、この圧力検出器８にコントローラ１０が接続されている。同様に、グリッパジャッキ５にかけられる油圧力はグリッパ圧力検出器９によりコントローラ１０に伝送されるようにグリッパジャッキ５にグリッパ圧力検出器９が設けられ、この圧力検出器９にコントローラ１０が接続されている。このコントローラ１０はサーボバルブ１１に接続され、このサーボバルブ１１がコントローラ１０により制御されてグリッパジャッキ５にかかる油圧力が調整されるようにされている。例えば、サーボバルブ１１がａポートに接続されているときはヘッド側１２が加圧されるためグリッパジャッキ５が収縮され、ｃポートに接続されているときはボトム側１３が加圧されるためグリッパジャッキ５が伸張される。また、ｂポートに接続されているときは油圧力は保持される。
【００１６】
図３にグリッパ押付け力の制御方法のフローチャートが示されている。このフローにおいては、まずグリッパジャッキ５のトンネル坑壁に対する押付け力（グリッパ押付け力）ＦG を最小の圧力ＦG0にセットしてそのグリッパジャッキ５を伸張させる（Ｓ１）。次いで、スラストジャッキ７の油圧力（スラスト力）Ｆthを上昇させて、スラストジャッキ７を伸張させる（Ｓ２）。このとき、前記スラスト力Ｆthの値は圧力検出器８により検知され（Ｓ３）、コントローラ１０においてグリッパ押付け力ＦG とスラスト力Ｆthの検知値との間にＦth＝μ・ＦG （ただし、μはトンネル坑壁−グリッパ５間の摩擦係数，安全率で決まる係数）の関係が成り立つかどうかを判断する（Ｓ４）。この関係が成り立つ場合には、サーボバルブ１１をｂポートに接続し、グリッパ押付け力ＦG を保持させる（Ｓ５）。一方、前記関係が成り立たない場合には、サーボバルブ１１をａポートまたはｃポートに接続してグリッパ押付け力ＦG が前記関係式を満たすように調整する（Ｓ６）。
【００１７】
このように、本実施例ではスラスト力Ｆthの検知値に応じてグリッパ押付け力ＦG が変化するようにされている。前記スラスト力Ｆthは掘削される地質状態に応じて変化し、地山の岩強度が高い場合にはスラスト力Ｆthも高くなり、岩強度が低い場合にはスラスト力Ｆthも低くなる。このため、スラスト力Ｆthが高い程、トンネル坑壁が丈夫であるためグリッパ押付け力ＦG を高くしても坑壁の崩壊は起こらない。また、スラスト力Ｆthが小さい程、トンネル坑壁が脆いためグリッパ押付け力ＦG を低くする必要がある。したがって、スラスト力Ｆthとグリッパ押付け力ＦG とが前記関係を満たすようにグリッパ押付け力ＦG を制御することにより、トンネル坑壁の崩壊を防ぐことができる。
【００１８】
また、前記スラスト力Ｆthは掘削力に等しいため、グリッパ押付け力ＦG でグリッパ６をトンネル坑壁に押付けることにより発生するグリッパ支持力μ・ＦG がスラスト力Ｆthより小さければトンネル掘削機１が後退する。このため、グリッパ支持力μ・ＦG とスラスト力とが釣り合う必要があり、グリッパ押付け力ＦG がスラスト力Ｆthから演算される値よりも小さい場合はサーボバルブ１１はｃポートに接続されてグリッパ押付け力ＦG が加圧され、演算値に等しくなるとｂポートに接続され圧力保持状態となるように制御される。また、スラスト力Ｆthが低い程、掘削される地山は崩壊しやすいためグリッパ支持力μ・ＦG がスラスト力Ｆthより大きければトンネル坑壁が崩壊し、結果的にグリッパ支持力が得られなくなる。このため、グリッパ押付け力ＦG はスラスト力Ｆthから演算される値よりも大きい場合はサーボバルブ１１はａポートに接続されてグリッパ押付け力ＦG が減圧され、演算値に等しくなるとｂポートに接続され圧力保持状態となるように制御される。
【００１９】
したがって、グリッパ押付け力ＦG をスラスト力Ｆthに応じて制御することによりグリッパとしての機能を果たしつつ地質状態に応じてグリッパ押付け力を自動的に変化させてトンネル坑壁の崩壊を防ぐことができる。また、同時に掘削反力に必要な力としてグリッパ押付け力を制御できるため、エネルギーの損失を抑えることもできる。
【００２０】
図４には、本実施例の油圧回路の第１変形例が示されている。この例では、前記スラストジャッキ７にかけられる油圧力は圧力検出器８により検知されコントローラ１０に伝送されるように、スラストジャッキ７に圧力検出器８が設けられ、この圧力検出器８にはコントローラ１０が接続されている。このコントローラ１０には電磁比例リリーフ弁１４が接続され、この電磁比例リリーフ弁１４はグリッパジャッキ５のボトム側回路１５とヘッド側回路１６との間に設けられ、このボトム側回路１５およびヘッド側回路１６は電磁弁２１を経てグリッパジャッキ５に接続されている。
【００２１】
このように構成されているので、前記スラストジャッキ７にかけられた油圧力（スラスト力）Ｆthは圧力検出器８により検知され、この検知値はコントローラ１０に伝送される。このコントローラ１０において、本実施例と同様にＦth＝μ・ＦG （ただし、μはトンネル坑壁−グリッパ５間の摩擦係数，安全率で決まる係数）の関係を満たすようなグリッパ押付け力ＦG が演算される。そして、このグリッパ押付け力ＦG を演算値に設定するように電磁比例リリーフ弁１２を制御することによりグリッパ押付け力ＦG が調整される。
【００２２】
図５には、本実施例の油圧回路の第２変形例が示されている。この例では、前記スラストジャッキ７にかけられる油圧力は圧力検出器８により検知されコントローラ１０に伝送されるように、スラストジャッキ７に圧力検出器８が設けられ、この圧力検出器８にはコントローラ１０が接続されている。このコントローラ１０には設定圧の異なる２段リリーフ弁１７が接続され、この２段リリーフ弁１７（１７ａ，１７ｂ）はグリッパジャッキ５のボトム側回路１５とヘッド側回路１６との間に設けられ、このボトム側回路１５およびヘッド側回路１６は電磁弁２１を経てグリッパジャッキ５に接続されている。
【００２３】
このような構成において、前記スラストジャッキ７にかけられた油圧力（スラスト力）Ｆthは圧力検出器８により検知され、この検知値はコントローラ１０に伝送される。このコントローラ１０において、本実施例と同様にＦth＝μ・ＦG （ただし、μはトンネル坑壁−グリッパ５間の摩擦係数，安全率で決まる係数）の関係を満たすようなグリッパ押付け力ＦG が演算される。ただし、この第２変形例では２段リリーフ弁１７で制御するため、演算式に範囲をもたせＦthとＦG との関係を階段状とする必要がある。このグリッパ押付け力ＦG を演算値に設定するように２段リリーフ弁１７をＡポートまたはＢポートに切り替えることによりグリッパ押付け力ＦG を調整することができる。
【００２４】
前記第２変形例においては、２段リリーフ弁を用いているが多段のリリーフ弁を用いてもよい。しかし、スラスト力に応じて連続的にグリッパ押付け力を変化させることができる本実施例および第１変形例の油圧回路を用いる方が好ましい。
【００２５】
なお、図１に示すように、本実施例ではメインビームを有するトンネル掘削機であるが、メインビームを持たずシールドシェル２２で外部を覆われた型式のトンネル掘進機２３（図６）でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係るトンネル掘削機の縦断面概略図である。
【図２】図２は、本実施例の油圧回路図である。
【図３】図３は、本実施例のグリッパ押付け力ＦG の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本実施例の油圧回路の第１変形例である。
【図５】図５は、本実施例の油圧回路の第２変形例である。
【図６】図６は、別実施例に係るトンネル掘削機の縦断面図概略図である。
【符号の説明】
１  トンネル掘削機
２  メインビーム
３  カッタヘッドサポート
４  カッタヘッド
５  グリッパジャッキ
６  グリッパ
７  スラストジャッキ
８  圧力検出器（圧力検出手段）
１０  コントローラ（圧力演算手段）
１１  サーボバルブ（圧力制御手段）
１４  電磁比例リリーフ弁（圧力制御手段）
１５  ２段リリーフ弁（圧力制御手段）
【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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