JP3821538B2

JP3821538B2 - トンネル掘削機の掘進制御方法

Info

Publication number: JP3821538B2
Application number: JP13259197A
Authority: JP
Inventors: 光博内海; 享一森岡
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: JPH10317880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質状況に応じて掘進状態を制御するトンネル掘削機の掘進制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネル掘削機（ＴＢＭ）は、先端に複数のディスクカッタを取り付けたカッタヘッドをモータにより回転させながら前進させて、地山を掘進するようになっている。こうして掘進される地山は均一な性状を有さず、掘進するにしたがって地質状況は常に変化するため、熟練の作業者の経験に基づいて地質状況が判断されて、地質状況に応じた掘進作業が行われている。
【０００３】
一方、特開平４−９２０９５号公報においては、地質状況に応じてカッタヘッドの回転速度およびカッタヘッドの推進速度を制御するとともに、カッタヘッドの総推進力を予め定めた値に保持する掘進制御装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように作業者の判断により掘進作業を行うのでは、常に最適な掘進が行えるとは限らず、判断に時間を要したり、判断の誤りにより切羽・坑壁を乱してしまうという問題点がある。また、このような対策として大がかりな支保を構築する必要が生じたり、逆に余裕過多の状態で掘進して施工速度が予定通りに進行されないという問題点もある。さらに、熟練の作業者が必要であったり、作業者の教育が必要であるという問題点がある。
【０００５】
また、前記特開平４−９２０９５号公報に開示されている掘進制御装置は、主に軟弱地山を掘進するシールド掘進機に用いるものであり、この掘進制御装置をＴＢＭに用いて掘進作業を行った場合、弱層部ではカッタヘッド回転速度および掘進速度が速くなり地山を乱してしまい、硬岩部ではカッタヘッド回転速度および掘進速度が遅くなり余裕過多の掘進となるという問題点がある。また、前記掘進制御装置においては、カッタヘッド回転速度および掘進速度の２つの変数を制御する必要があるため、制御が困難であるという問題点もある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、トンネル掘削機を用いてトンネルを施工する際に、省人化，高速掘進，支保軽減が可能であるとともに、トンネル掘進の完全自動化に繋がるトンネル掘削機の掘進制御方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
本発明によるトンネル掘削機の掘進制御方法は、前記目的を達成するために、
トンネル掘削機により地山の掘進作業を行う際に、その地山の地質状況に応じて掘進を制御する掘進制御方法であって、
まず地質状況を判断し、カッタヘッド回転数を、前記地質状況に応じて予め設定されているカッタヘッド回転数に設定した後に、推進ジャッキへ供給する圧油流量を徐々に増加させ、前記推進ジャッキへ供給する圧油流量が所定の流量となった時点で、その流量を保持することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明による掘進制御方法によれば、例えば掘進作業中のデータ等から地山の地質状況が検知された後、カッタヘッド回転数を地質状況に応じて予め設定されているカッタヘッド回転数に設定する。次いで、推進ジャッキへ供給する圧油流量を徐々に増加させ、推進ジャッキへ供給する圧油流量が所定の流量となった時点で推進ジャッキの流量を保持させ、この流量保持の状態で掘進作業が行われる。
【０００９】
このように、カッタヘッド回転数は地質状況に応じて予め設定されているカッタヘッド回転数値に設定されるため、実際に制御が行われるのは推進ジャッキのみである。このため地質状況に応じて容易に最適な掘進状態を自動的に選択することができるため、省人化が図れるとともに、地質が硬岩の場合における高速掘進および地質が軟岩の場合における支保軽減が可能となる。このように、地質状況に応じた状態で掘進することができるので、作業効率がよく、トンネル施工期間を短縮することができるという効果を奏する。
【００１０】
さらに、前述のように掘進作業中のデータを用いて地質状況を判断させることにより、熟練の作業者に比べてより正確に地質状況を判断させることができるとともに、既に実用化されている自動方向制御システムと併せてトンネル施工の完全自動化へ繋げることができる。
【００１１】
本発明において、前記予め設定されているカッタヘッド回転数は、地質状況が硬岩から軟岩に向かうにしたがって小さくなるように設定されるのが好ましい。このように、地質状況が軟岩である場合に、カッタヘッド回転速度を小さくすることによりトンネル坑壁が乱されることなく掘進させることができ、従来のように大がかりな支保を構築する必要がなくなる。一方、地質状況が硬岩である場合は、トンネル坑壁が乱される恐れが少ないため、カッタヘッドの回転速度を大きくすることにより高速掘進を行うことができる。
【００１２】
本発明において、前記地質状況が硬岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量であるのが好ましい。このように地質状況が硬岩である場合、推進ジャッキ流量をスラスト圧が最大時の流量となるまで増加させて、スラスト圧が最大時の流量となった時点で推進ジャッキの流量を保持するように自動的に制御されて高速掘進が行われる。こうして、トンネル坑壁が硬岩である場合は、高速掘進を行っても乱される恐れがないため、施工期間を短縮することができる。
【００１３】
本発明において、前記地質状況が中硬岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量もしくはカッタヘッド駆動電流最大時の流量のいずれかであるのが好ましい。このように地質状況が中硬岩である場合、トンネル坑壁が乱される恐れが少ないものの、硬岩と同様の高速掘進を行うとトンネル坑壁が乱され、また、カッタヘッド駆動モータに過大な負荷がかかる恐れがあるため、推進ジャッキ流量がスラスト圧が最大時の流量もしくはカッタヘッド駆動電流最大時の流量のいずれかの流量となった時点で保持されるように制御されつつ掘進が行われる。こうすることにより、トンネル坑壁を乱すことなく、かつ余裕過多の状態となることなく掘進を行うことができる。
【００１４】
本発明において、前記地質状況が軟岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量、カッタヘッド駆動電流最大時の流量または推進ジャッキ推進速度がカッタヘッド１回転当たりの許容最大切込み量とカッタヘッド回転数との積で得られる掘進速度と等しい時の流量のいずれかであるのが好ましい。このように地質状況が軟岩である場合、トンネル坑壁が乱されたり、またはカッタヘッド駆動モータに過大な負荷がかかる恐れがあるため、推進ジャッキ流量がスラスト圧最大時の流量，カッタヘッド駆動電流最大時の流量もしくはＶｈ＝Ｐｅ・ｎ（Ｖｈ：推進ジャッキ推進速度，Ｐｅ：カッタヘッド１回転当たりの許容最大切込み量，ｎ：カッタヘッド回転数）時の流量のいずれかの流量となった時点でその流量が保持されるように制御されて掘進が行われる。こうすることにより、地山にカッタヘッドの突込み過ぎを抑制することができるため、トンネル坑壁が乱されずに簡素な支保で掘進を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による掘進制御方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
図１には、本発明の一実施例に係る掘進制御装置のシステム構成図が模式的に示されている。
【００２３】
本実施例の掘進制御装置が設けられるトンネル掘進機（ＴＢＭ）１は、カッタヘッドサポート２により前面側に支持されるカッタヘッド３をカッタヘッド駆動電動機４により回転させるとともに、地山５に反力をとるメイングリッパ６と掘削機本体との間に設けられるスラストジャッキ７により掘進を行うものである。
【００２４】
このトンネル掘進機１には、前記カッタヘッド３の回転速度（Ｃ／Ｈ回転速度）を計測するカッタヘッド回転計８、前記カッタヘッド駆動電動機４に接続されてその駆動電流を計測する電流計９およびカッタヘッド回転数を定格回転数以上，定格回転数，定格回転数以下の３段階に設定可能なカッタヘッド駆動電動機コントローラ（カッタヘッド回転数設定手段）１０、また前記スラストジャッキ７に接続されてその油圧圧力を計測する油圧圧力計１１，そのストロークを計測するストローク計１２およびその流量を調整するスラストジャッキ流量コントローラ（推進ジャッキ流量制御手段）１３が備えられている。前記電流計９の出力からは、カッタヘッド３の回転トルク（Ｃ／Ｈトルク）が得られ、前記油圧圧力計１１の出力からはスラストジャッキ７の推進力およびスラスト圧が得られ、前記ストローク計１２の出力からは推進速度が得られる。
【００２５】
こうして得られる推進力，推進速度，回転速度，回転トルクは、掘進データとしてパソコン１４に入力される。このパソコン１４には、当該トンネル掘削機１に用いられるディスクカッタの仕様，ディスクカッタ数，ピッチ等が予め既入力データとして入力されている。この掘進データと既入力データとを解析することにより、カッタヘッド１回転当たりの切込み深さと一軸圧縮強度（地質状況）が一義的に決められ、これによって一軸圧縮強度（地質状況）が得られる。
【００２６】
また、このトンネル掘削機１には、カッタヘッド３の直後のサイドサポートの部分に対向するように二つの貫入棒１５が突出退入自在に設けられている。この貫入棒１５には、地山強度測定装置１６が接続されており、この地山強度測定装置１６は、前記貫入棒１５が突出動作により地山に貫入する際の貫入量を測定する貫入量測定機構とその貫入力を測定する貫入力測定機構とを備えている。さらに、この地山強度測定装置１６は、標準となる貫入地質データを予め記憶している貫入地質データ記憶手段を備えているとともに、前記貫入量測定機構と貫入力測定機構とによるそれぞれの測定値とその貫入地質データとから一軸圧縮強度（地質状況）を算出する機能を備えている。なお、この貫入棒１５は、地山が軟質な岩盤からなる場合に適しており、その貫入動作はトンネル掘削機１の推進停止時に行われる。
【００２７】
このようにして、掘進データ（推進力，推進速度，回転速度，回転トルクの測定値）から解析して得られる地質状況と、前記貫入棒１５に関する測定値から算出される地質状況とのうちのいずれか適切な値が選択されて地山の地質状況とされる。この選択機構は、前記パソコン１４または前記地山強度測定装置１６に備えさせることができる。また、前記掘進データから得られる地質状況と、貫入棒１５に関する測定値から得られる地質状況とから適当なパラメータを用いて、最も正解と考えられる地質状況を得ることができる。
【００２８】
こうして地質状況が得られると、前記パソコン１４により地質状況に応じたスラストジャッキ流量とカッタヘッド回転数とに設定するように、それぞれスラストジャッキ流量コントローラ１３とカッタヘッド駆動電動機コントローラ１０とを制御して、適切な自動掘進を行うことができる。
【００２９】
本実施例の掘進制御装置が設けられるトンネル掘削機１による掘削制御方法は、図２にそのフロー図が示されるように、まず、掘進開始の信号がパソコン１４に入力され（Ｓ１）、次いでスラストジャッキ流量およびカッタヘッド回転数の各初期値が、それぞれスラストジャッキ流量コントローラ１３およびカッタヘッド駆動電動機コントローラ１０に入力され掘進が開始する（Ｓ２）。
【００３０】
こうしてトンネル掘削機１により掘進が開始され、前述のように掘進データおよび貫入棒１５に関する測定値により地質状況が検出され（Ｓ３）、硬岩（Ｓ４），中硬岩（Ｓ５），軟岩（Ｓ６）の３種類に判別される。
【００３１】
前記硬岩と判別された地山を掘進する際には、パソコン１４の出力によりスラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ７の流量を増加させるとともに、カッタヘッド駆動電動機コントローラ１０を制御してカッタヘッド回転数を定格回転数以上の一定値に設定する（Ｓ７）。こうして、スラスト圧が最大値となるまでスラストジャッキ流量を増加させ（Ｓ８）、スラスト圧が最大値を示した時点でスラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ７の流量を保持する（Ｓ９）。
【００３２】
前記中硬岩と判断された地山を掘進する際には、パソコン１４の出力によりスラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ７の流量を増加させるとともに、カッタヘッド駆動電動機コントローラ１０を制御してカッタヘッド回転数を定格回転数に設定する（Ｓ１０）。こうして、スラスト圧が最大値となるか、もしくはカッタヘッド駆動電動機の電流値が最大値となるまで、スラストジャッキ流量を増加させて（Ｓ１１）、スラスト圧または電流値のどちらか一方が最大値を示した時点でスラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ７の流量を保持する（Ｓ１２）。
【００３３】
前記軟岩と判断された地山を掘進する際には、パソコン１４の出力によりスラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ７の流量を増加させるとともに、カッタヘッド駆動電動機コントローラ１０を制御してカッタヘッド回転数を定格回転数以下の一定値に設定する（Ｓ１３）。こうして、スラスト圧が最大値となるか、カッタヘッド駆動電動機の電流値が最大となるか、もしくはＶｈ＝Ｐｅ・ｎ（Ｖｈ：スラストジャッキ伸長速度，Ｐｅ：ディスクカッタ許容最大切込み量，ｎ：カッタヘッド回転数）となるまで、スラストジャッキ流量を増加させる（Ｓ１４）。こうして、これらのいずれか１つにあてはまった時点で、スラストジャッキ流量コントローラ１３を制御してスラストジャッキ流量を保持する（Ｓ１５）。
【００３４】
このように、掘削する地質状況（硬岩，中硬岩，軟岩）のぞれぞれに対応したスラストジャッキ流量を保持しつつ掘進させる。こうして掘進するにしたがって地質状況は変化するため、掘進を終了しない場合は再び地質状況を判断させ、前述の操作を繰り返すことにより掘進が行われる（Ｓ１６）。一方、掘進を終了させる場合は、スラストジャッキ流量保持およびカッタヘッド回転を中止させる（Ｓ１７）。
【００３５】
本実施例においては、トンネル掘削機１による掘進中に得られるデータを利用して地質状況を自動的に把握することができ、掘削する地質状況が硬岩の場合は、地山を乱す恐れがないため、カッタヘッド回転数を増加させるとともに、スラストジャッキ流量を増加させてディスクカッタを切羽に押しつける限界まで掘進速度を速めて高速掘進を行うことができる。一方、掘削する地質状況が軟岩の場合は、カッタヘッド回転数およびスラストジャッキ推進速度を制御して地山を乱さないように掘進されるため、大がかりな支保を構築する必要がなくなる。また、中硬岩の場合もカッタヘッド回転数およびスラストジャッキ推進速度を制御し、地山が乱されず、かつ余裕過多の状態となることなく掘進作業を行うことができる。
【００３６】
したがって、この掘進制御方法および掘進制御装置により、容易に適切な掘進状態を自動的に選択することができるため、省人化を図ることができるとともに、高速掘進および支保軽減が可能となり、トンネル施工期間を短縮することができるという効果を奏する。また、既に実用化されているトンネル掘削機の自動方向制御システムとともに、トンネル掘削の完全自動化に繋がるものである。
【００３７】
また、本実施例においては、前記カッタヘッドの回転数が地質状況に応じて定格回転数以上，定格回転数，定格回転数以下の３段階のいずれかに設定させて、スラストジャッキの流量のみを制御すればよく、掘進制御を容易に行うことができる。
【００３８】
本実施例においては、地質状況の検出が掘進データもしくは地山強度測定装置により行われているが、地質状況の判断を作業者が行ってもよい。また、掘進データもくは地山強度測定装置１４の選択も作業者が行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る掘進制御装置のシステム構成図の模式図である。
【図２】図２は、本実施例のトンネル掘削機の掘進制御方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１トンネル掘削機
２カッタヘッドサポート
３カッタヘッド
４カッタヘッド駆動電動機
５地山
６メイングリッパ
７スラストジャッキ
８カッタヘッド回転計
９カッタヘッド駆動電動機電流計
１０カッタヘッド駆動電動機コントローラ
１１油圧圧力計
１２ストローク計
１３スラストジャッキ流量コントローラ
１４パソコン
１５貫入棒
１６地山強度測定装置

Claims

トンネル掘削機により地山の掘進作業を行う際に、その地山の地質状況に応じて掘進を制御する掘進制御方法であって、
まず地質状況を判断し、カッタヘッド回転数を、前記地質状況に応じて予め設定されているカッタヘッド回転数に設定した後に、推進ジャッキへ供給する圧油流量を徐々に増加させ、前記推進ジャッキへ供給する圧油流量が所定の流量となった時点で、その流量を保持することを特徴とするトンネル掘削機の掘進制御方法。
前記予め設定されているカッタヘッド回転数は、地質状況が硬岩から軟岩に向かうにしたがって小さくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機の掘進制御方法。
前記地質状況が硬岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量であることを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル掘削機の掘進制御方法。
前記地質状況が中硬岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量もしくはカッタヘッド駆動電流最大時の流量のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル掘削機の掘進制御方法。
前記地質状況が軟岩である場合における前記所定の流量は、スラスト圧最大時の流量、カッタヘッド駆動電流最大時の流量または推進ジャッキ推進速度がカッタヘッド１回転当たりの許容最大切込み量とカッタヘッド回転数との積で得られる掘進速度と等しい時の流量のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル掘削機の掘進制御方法。