地下连续沟槽挖掘机和使用该挖掘机的挖掘方法

具体实施方式

下面，参照着图1～图4来说明本发明一个实施方式的地下连续沟槽的挖掘方法及其所使用的连续沟槽挖掘机。这个实施方式是本发明的一个实施方式，但本发明并不局限于这个实施方式。

图1是表示本发明的地下连续沟槽的挖掘方法中所使用的连续沟槽挖掘机的结构。

连续沟槽挖掘机1是在下部行进体2上装载着上部回旋体3。在该下部行进体2上安装着门式构架4。下部行进体2安装有作为基础机械、用于在地上行进的履带2a。

在该门式构架4上、上下平行地配置着一对图中没有表示的横向的上油缸和横向的下油缸。由两个油缸对沿着导杆5垂下的作为沟槽挖掘体的刀柱6施加横向挖掘推力。将该刀柱6作为导引件、通过作为挖掘构件的刀具链条7在刀柱周围的旋转而进行挖掘。作为(横向-transverse)行进体的下部行进体将刀柱6间接地支承成能大致沿垂直方向而上下移动。

刀柱6由连接的长箱形构架构成。由设置在该刀柱6的上端部的旋转驱动装置8使驱动轮9旋转。在该驱动轮9和设置在刀柱6下端部的从动轮10之间架设着刀具链条7的循环链条11。在该链条11的外周侧、借助刀头平板而排列着多个挖掘刀头12。旋转驱动装置8由配置在导杆5上的升降油缸的作用而进行升降。

一边使刀具链条7驱动、一边在地下将刀柱6压紧地基的同时使其横向(沿着箭头X方向)移动，由此在它的行进方向上对沟槽T进行挖掘。

这时，从设置在刀柱6下端的喷出口喷出挖掘液、辅助沟槽T的挖掘。或者从喷出口喷出地基固化液，与挖掘土等混合搅拌，形成连续的水泥稳定土壁。

沟槽挖掘和水泥稳定土壁的施工方法有1次基础施工、2次基础施工、或3次基础施工等，可根据施工状况适当地选择任意一种。1次基础施工是沟槽挖掘和水泥稳定土壁的形成这两者同时进行的方法。在进行1次基础施工时，用刀柱6进行挖掘的同时注入固化液。(即前进侧成为挖掘状态、后方侧成为水泥稳定土壁的形成状态)。

2次基础施工是在完成沟槽T的挖掘之后，一边在刀柱的归途上将固化液注入、一边使其移动，沿着沟槽T形成水泥稳定土壁的方法。

3次基础施工是在完成沟槽T的挖掘之后，使刀柱6再移动到挖掘开始位置，在刀柱再次前进的道路上、一边将固化液注入，一边使其移动，沿着沟槽T形成水泥稳定土壁的方法。

图2是表示进行沟槽挖掘控制的结构示意图。

在刀柱6上平行地配置着横向上油缸13和横向下油缸14。由横向下油缸14的推力能使刀柱6压紧在地基上。但是，横向上油缸13产生与横向下油缸14的推压力相反的油缸保持力。

在横向上油缸13上设有用于检测动作压力的压力传感器13a和用于检测油缸冲程的冲程传感器13b。横向下油缸14也同样设有压力传感器14a和冲程传感器14b。

在使刀柱6升降的升降油缸15、16的一方、在图2的油缸16上设有压力传感器16a和冲程传感器16b。该冲程传感器16b具有深度计的机能。

由各个传感器检测的压力信号、冲程信号经由接口17而输入到控制装置18。

位置测定装置19测定挖掘位置并输入到控制装置18。该装置19譬如由GPS(Global Positioning System)或自动跟踪测距仪等构成。

除了这些传感器以外，在控制装置1 8的输入侧连接着由键盘等构成的输入装置20，能输入各种指令和挖掘条件等。

在控制装置18的输出侧连接着譬如由液晶显示装置等构成的监控器21。在画面上遥控显示挖掘条件的设定或挖掘内容的同时，在横向挖掘时还图象显示挖掘状态。

控制装置18对挖掘控制装置22输出挖掘指令。使挖掘控制装置22控制横向油缸13、14发生譬如应与地基强度平衡的推力；应控制升降油缸15、16调整挖掘深度。控制装置18具有插入阻力算出机构、挖掘能量算出机构、地基强度推算机构、挖掘控制机构等机能，进行下面所述的各个程序。

下面，对连续沟槽挖掘机1的动作和控制装置18的控制进行说明。

由控制装置18进行的控制是按照如下所述的3个步骤进行的。

步骤A：取得N值的处理。

步骤B：导出水平方向挖掘时的推算横向速度的处理。

步骤C：计测水平方向挖掘时的负荷变化的处理。

下面，详细地说明各个步骤。

步骤A：由进行垂直方向的挖掘而推算实际挖掘对象地基的N值。

程序1.插入阻力Fz的算出

在进行自力插入作业时，控制装置18从安装在升降油缸16上的压力传感器16a得到作用在其升降油缸16上的载荷Fud。

另一方面，作业者对泥浆进行取样，由此计测刀柱周围的液体比重γ，从输入装置20将计测结果输入。

控制装置18对地下的刀柱体积V进行计算。在把c作为单位深度刀柱的体积；把H作为挖掘深度时，则刀柱体积V可由下式(1)求得。

V＝cH                                  ...(1)

接着，对安装在升降油缸16上的旋转驱动装置8、刀柱6等的全部重量W进行计算。

插入阻力Fz可由下式(2)算出。

Fz[kN]＝W-Fud-γV-Ffz                  ...(2)

Fud是升降油缸载荷，提起侧为正、插入侧为负。Ffz是垂直向下方向的摩擦阻力、借助在没有落底的空中飘浮的状态下使升降油缸15、16动作，可由下式(3)求得。

Ffz＝W-Fud-γV                       ...(3)

插入阻力Fz(＞0)是对每一取样作为Fzi[kN](＞0)而加以计算。

程序2.每单位深度所需要的挖掘能量的算出

对每次取样时求得的插入阻力Fzi进行如下的处理。在取样时间为1/n[min]的场合下，用n除Fzi，累积n次。其结果作为1分钟期间的平均值Fzj[kN/min]。

将上述平均值Fzj、累积计算挖掘单位深度L[m]所需要的时间T(＝L/v)[min]分钟，由此得到FzL[kNm]。

将L[m]为1[m]场合下求得的Fzl作为每单位深度所需要的挖掘能量。

程序3.推算换算N值的算出

从推算换算N值与每单位深度的挖掘能量Fzl的关系式(4)换算N值。

推算换算N值＝a Fzl                    ...(4)

其中，a是比例常数，由现场的现状和钻孔参数确定。

在下面的说明中所使用的记号分别定义如下。

Ez：进行纵向挖掘所需要的挖掘能量

Ex：进行横向挖掘所需要的挖掘能量

如果挖掘的体积是相互相同的，则假定为基本上Ez＝Ex

Fz：纵向的平均载荷(实际值)

Sz：纵向的断面积(计算值)

Rz：横向的平均载荷(从挖掘深度开始计算)

Sx：横向的断面积(计算值)

步骤B：由垂直向下的挖掘导出水平方向挖掘时的推算横向速度。

程序4.在垂直向下挖掘时得到的各个值

把从0m到挖掘深度的所有挖掘能量Fzl进行累积，作为总的挖掘能量FzH。

从挖掘总的深度所需要的时间T和挖掘深度H、由下式(5)求得平均垂直向下挖掘速度Vzav[m/min]。

Vzav＝H/T                              ...(5)

同样、由式(6)可求得垂直向下的平均插入阻力Fzav[kN]。

Fzav＝FzH/H                            ...(6)

程序5.水平方向的地基反作用力中的平均深度的导出

从程序3得到的各个深度的推算换算N值、由下式(7)计算力矩，求得地基反作用力平均深度。

Hav＝∑N[i]·h[i]/∑N[i]               ...(7)

其中，Hav：地基反作用力平均深度(横向时)

N[i]：在各个深度处的N值

h[i]：各个深度(0～H[m])

在下列的表1的条件下，Hav为4.211[m]

                表1

程序6.水平方向的平均地基反作用力Fxav的算出

将水平方向的横向油缸最大推力取为Fplmax(由机械的规格确定)。

将水平方向的横向上油缸13和横向下油缸14的安装间隔取为LA(由机械的规格确定)(参照图2)。将下位的横向油缸14的地上高度取为LB(由机械的规格确定)。

由下式(8)、(9)确定的力矩计算求得水平方向的平均地基反作用力Fxav。

FpLmax×LA＝Fxav×(Hav+LB)               ...(8)

Fxav[kN]＝FpLmax·LA/(Hav+LB)        ...(9)

程序7.垂直向下的挖掘投影面积和水平方向挖掘时的挖掘投影面积的算出

由下式(10)求得垂直向下的挖掘投影面积Sz。

Sz＝Bcp(刀柱的宽度)×B(挖掘宽度)      ...(10)

由下式(11)求得水平方向的挖掘投影面积Sx。

Sx＝H(挖掘深度)×B(挖掘宽度)          ...(11)

程序8.水平方向挖掘时的推算速度的算出

当认为表面压力与挖掘速度成比例时，根据程序5、6、7，下式(12)的关系式成立。

Vxav∶Vzav＝Fxav/Sx∶Fzav/Sz＝Fxav×Bcp∶Fzav×H    ...(12)

由式(12)导出下式(13)。

Vxav＝Vzav×Fxav×Bcp/(Fzav×H)        ...(13)

步骤C：计算水平方向挖掘时的负荷变化。

程序.9水平方向挖掘时的地基反作用力的算出

用压力传感器14a计测水平方向挖掘时的横向下油缸推力FpL(绝对值)。

用压力传感器13a计测水平方向挖掘时的横向上油缸推力FpU(绝对值)。

由下式(14)求得地基反作用力Rx。

Rx＝FpL-FpU                           ...(14)

程序10.单位水平距离挖掘能量的算出

导出每次取样时的水平地基反作用力Rxi。

即、取样时间是1/n[min]的场合，用n除Rxi、进行n次累积。

由此，将Rxj[kN/min]作为1分钟的平均值。

将Rxj累积计算挖掘单位水平距离L[m]所需要的时间T分钟(＝L/V)[min]、得到Rx1[kNm]。

将L[m]是1[m]的场合Rx1作为每单位水平距离的挖掘能量。

程序11.与负荷变化相适应的挖掘的控制

借助使程序10的每单位水平距离的挖掘能量Rx1在平均移动例如0.1[m]单位的同时加以更新，而且显示Rx1的值，使操作员识别负荷变化。

通过计算Rx1起、也可以由下式(15)计算地基反作用力的平均深度Hav。

Hav＝FpL×LA/Rx1-LB                      ...(15)

Rx1的值或Hav的值被作为地基变化的评价指数。

挖掘控制装置22自动地对深度进行调节，使Rx1的值始终为大致的定值。

而且，在将刀柱6的下端插入到不透水层或支承地基等支承层上而进行水平方向挖掘的场合下，对刀柱6进行深度方向上的控制，使Rx1的值在规定的范围内。这样，即使是支承层的水平面处在上下变化的场合下，也能将插入到支承层中的刀柱6的深度随着支承层的水平面而大致保持成一定。其结果就能进行落底管理。

在挖掘能量Rx1的值超出规定的范围时，挖掘控制装置22就进行使刀柱6的倾斜发生变更，或进行使刀具链条的行进方向发生变化等的调整挖掘。

图3是表示在监控器21的画面上所显示的施工模式画面。监控器21的显示画面30的左侧配置着平面内监控器部30a、监控器21的显示画面30的中央配置着平面外监控器部30b。

在平面内监控器部30a的左端显示着倾斜计设置深度(在这个例子中是用d1、d2表示)、在平面内监控器30a的下端部显示着现在的深度。

还分别显示由基础机械本体的倾斜计和驱动部的倾斜计测定的角度，在其右侧显示位移。

山体挖掘线L1是将各个倾斜计的位置作成0标记，用连接这些标记的直线表示。

在刀柱6朝横向位移时、该标记0朝横向移动，山体挖掘线L1也就与此相对应地移动。

在平面内监控器部30a中，当向右方进行挖掘时，以山体挖掘线L1为基准，将其右侧涂上表示山体的例如茶色、将左侧涂上表示沟槽挖掘完了的例如天然羊毛色。当然，从刀柱6的下端开始的下方也涂上茶色。

这样，挖掘完了的区域和未挖掘区域的界面就被可视地显示。而挖掘刀头移动到新的挖掘点则由位置测定装置19算出。对该挖掘点上的挖掘能量和挖掘体积进行计算。挖掘能量是从横向油缸13、14、升降油缸15、16、旋转驱动装置8的油缸马达的输出而求得。另一方面、挖掘体积是从挖掘开始时的界面形状和挖掘结束时的界面形状之差求得。

用挖掘体积、挖掘时间和刀头载荷、从微小切入理论人手，可以精度良好地求得地基的强度。可以将应变计的数据用作提高刀头载荷精度的手段。

另一方面，平面外监控器部30b是将直线L2的左侧表示沟槽挖掘机的本体侧、将右侧表示外侧。

把由基础机械本体的倾斜计和驱动部的倾斜计测定的角度表示在左侧，把位移表示在右侧。

在画面左下的范围30c中，分别用数值表示单位平均地基反作用力Rx[kN]和平均地基反作用力深度Hav[m]。

该Rx和Hav构成上述的地基变化的评价指数。

图4是表示自力插入的画面。

在监控器40左侧的面内监控器部40a中显示着刀柱6在地下插入的状态，表示插入深度。

画面左端表示插入时的各个数值。具体地说、d3表示驱动部·刀柱自重W；d4表示比重γ；d5表示刀柱在地下部的体积Vc；d6表示作用在这个刀柱上的浮力；d7表示插入阻力；d8表示单位深度插入阻力的时间积分值；d9表示换算N值；d10表示总插入阻力的积分值；d11表示推算横向(水平)速度。

如上所述、驱动部·刀柱自重W是在计算插入阻力时必要的参数。比重γ是在计算刀柱6的浮力时必要的参数。地下部的体积vc是在浮力计算中、对刀柱的地下部分进行特定计算时必要的参数。

由这些值求得浮力、插入阻力Fz、总插入阻力的积分值FzH，最终求得在水平方向挖掘中作为指标的推算横向速度Vxav。

从上述说明可见，本发明的地下连续沟槽的挖掘方法的主题是借助把设有挖掘工具的刀柱插入到地下的垂直方向的挖掘以及使支承刀柱的基础机械向水平方向移动而进行的水平方向的挖掘、连续地形成挖掘沟槽的地下连续沟槽的挖掘方法；其中，在把刀柱插入到规定深度的同时求得插入阻力、根据这阻力推算深度方向的地基强度，用与这推算的地基强度相平衡的推力进行挖掘。

根据这个方法，由于在将刀柱插入时求得插入阻力、推算深度方向的地基强度、并且在参照该推算值的同时进行挖掘，因而就能进行合适的把握了地基特性的挖掘。

在这个方法中，如果根据插入阻力求出每单位深度所需要的挖掘能量，就能进行与连续沟槽挖掘机的能力相称的挖掘。

如果从挖掘能量推算表示地基强度的N值，则能得到在总的挖掘断面上的N值。因此，与以前的根据由钻孔调查所得到部分N值而进行挖掘的方法相比较，能更正确地对地基进行评价。

所谓N值是指由标准插入试验所得到值，如果看了这个N值的深度方向的分布，则能把握挖掘深度范围内的地基强度高的部位、地基强度低的部位。

如果根据换算N值、算出水平方向的地基反作用力中的平均深度；从该平均深度算出水平方向的平均地基反作用力、算出垂直向下的挖掘投影面积和水平方向挖掘时的挖掘投影面积，从作用在上述挖掘投影面积上的表面压力和挖掘速度的关系式算出水平方向挖掘时的挖掘速度，则能从垂直方向的挖掘速度的结果推算水平方向的挖掘速度。由此就能容易地进行施工计划的策划和确定。

如果借助算出刀柱的水平方向挖掘时的地基反作用力、从这地基反作用力算出单位水平距离中的挖掘能量，由此一边计测挖掘负荷、一边进行挖掘，则能在进行水平方向挖掘的同时求得在这挖掘上所花费的能量。这样，就能根据这挖掘能量的变化容易地把握水平方向的挖掘状态。

而且，如果将挖掘控制成由于水平方向的挖掘而随时算出的单位水平距离中的挖掘能量的变化量保持在规定范围内，则即使地基的状况发生变化，也能挖掘一定质量的连续沟槽。

如果在将刀柱插入到支承层的状态下、使其向水平方向移动而进行沟槽挖掘，并且将单位水平距离中的挖掘能量的变化量保持在规定范围内地在深度方向对刀柱进行控制，则即使透水层和地基等的支承层的水平面有上下的变化，也能随着这个支承层而挖掘一定深度的连续沟槽。

如果在单位水平距离中的挖掘能量的变化量超出规定范围时进行调整挖掘，则能不引起过载地进行挖掘。

本发明的地下连续沟槽挖掘机是借助将设有挖掘工具的刀柱插入到地下的垂直方向的挖掘、和使支承刀柱的基础机械沿着水平方向移动而进行水平方向的挖掘而连续地形成挖掘沟槽的，其中设有：使刀柱插入到规定深度的同时求出插入阻力的插入阻力算出机构；根据该插入阻力、算出每单位深度的挖掘能量的挖掘能量算出机构；从该挖掘能量推算深度方向的地基强度的地基强度推算机构；用与该推算的地基强度相平衡的推力进行挖掘的挖掘控制机构。

这时，在将刀柱插入到规定深度的同时求出插入阻力，根据该插入阻力进行深度方向地基强度的推算，用与该推算的地基强度相平衡的推力进行挖掘。因此就能把握地基特性进行合适的挖掘。

虽然上面公开了本发明的一个实施方式，但本发明的保护范围并不局限于这个实施方式。