(57)【要約】【課題】掘削面の硬度を解析可能な掘削面硬度解析装置および掘削面硬度解析方法の提供を目的とする。【解決手段】本実施の形態の掘削面硬度解析装置１は、走行体Ｗと、走行体Ｗに対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームＢと、ブームＢの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドＣとを有してトンネル内の切羽Ｆを掘削する自由断面掘削機ＥにおけるカッタヘッドＣを駆動するモータＭに流れる電流を検知する電流センサ２と、カッタヘッドＣの掘削開始点を原点として原点に対する座標を検知する座標検知部３と、カッタヘッドＣで切羽Ｆを掘削する際に電流センサ２で検知した電流と座標検知部３で検知した座標とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析部４とを備えている。【選択図】図１
2020101042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行体と、走行体に対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームと、前記ブームの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドとを有してトンネル内の切羽を掘削する自由断面掘削機における前記カッタヘッドを駆動するモータに流れる電流を検知する電流センサと、
前記カッタヘッドの掘削開始点に対する座標を検知する座標検知部と、
前記カッタヘッドで切羽を掘削する際に前記電流センサで検知した前記電流と前記座標検知部で検知した前記座標とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析部とを備えた
ことを特徴とする掘削面硬度解析装置。
【請求項２】
前記解析部は、前回掘削時に得られた前記カッタヘッドの座標から把握される前回掘削面形状と、今回掘削時に得られる前記カッタヘッドの座標から把握される今回掘削面形状とにずれがある場合、前記前回掘削面形状を正しいとして前記今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして前記掘削面の硬度分布を得る
ことを特徴とする請求項１に記載の掘削面硬度解析装置。
【請求項３】
走行体と、走行体に対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームと、前記ブームの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドとを有する自由断面掘削機をトンネルの側面から所定距離だけ離間した位置に平行に配置するとともに、前記走行体に対して左右および上下に中立な位置、或いは前記トンネルの切羽に対して垂直となる位置に前記ブームを配置する位置決めステップと、
前記位置決めステップの後に前記切羽の掘削を開始して、前記カッタヘッドの掘削開始点からの座標と、前記カッタヘッドを駆動するモータに流れる電流とを検知する検知ステップと、
前記検知ステップで得られた前記座標と前記電流とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析ステップとを備えた
掘削面硬度解析方法。
【請求項４】
前記解析ステップでは、前回掘削時に得られた前記カッタヘッドの座標から把握される前回掘削面形状と、今回掘削時に得られる前記カッタヘッドの座標から把握される今回掘削面形状とにずれがある場合、前記前回掘削面形状を正しいとして前記今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして前記掘削面の硬度分布を得る
ことを特徴とする請求項３に記載の掘削面硬度解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削面硬度解析装置及び掘削面硬度解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル掘削をする掘削機には、いくつか種類があるが、断面を任意の形状に掘削するには、自由断面掘削機が用いられる。自由断面掘削機は、たとえば、走行体に対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰可能に取付けたブームの先端にカッタヘッドを備えており、ブームでカッタヘッドを切羽における切削したい位置へ移動させて掘削する。
【０００３】
自由断面掘削機では、カッタヘッドの位置を自動制御して所望するトンネル形状に切羽を掘削する自動掘削が行われる場合がある。自動掘削を可能とするには、トンネル座標系中におけるカッタヘッドの絶対座標が必要であり、また、掘削面の硬度を数値化して評価する場合にも、やはり、カッタヘッドの絶対座標が必要となる。
【０００４】
そのため、従来のトンネル掘削作業では、自由断面掘削機の後方に光学式のトータルステーションを設置して、自由断面掘削機のピッチング、ヨーイングおよびローリングといった姿勢を光学式のトータルステーションで絶えず把握して、カッタヘッドの絶対座標の特定を行っていた（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２３６５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学式のトータルステーションは、自身が自由断面掘削機に設置されるプリズムターゲットを追尾してレーザー光を発射して、プリズムターゲットが反射したレーザー光を受光して自由断面掘削機の姿勢を計測する。
【０００７】
ところが、切羽の掘削中は、カッタヘッドによって削られた岩盤が粉塵となって空気中に舞い散るため、粉塵によってレーザー光が遮られてカッタヘッドの絶対座標を検知できなくなってしまう。
【０００８】
よって、従来の自由断面掘削機の姿勢をトータルステーションで把握してカッタヘッドの絶対座標を求めるシステムでは、カッタヘッドの座標を利用して掘削面の硬度を解析することが困難な場合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、掘削面の硬度を解析可能な掘削面硬度解析装置および掘削面硬度解析方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の掘削面硬度解析装置は、走行体と、走行体に対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームと、ブームの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドとを有してトンネル内の切羽を掘削する自由断面掘削機におけるカッタヘッドを駆動するモータに流れる電流を検知する電流センサと、カッタヘッドの掘削開始点を原点として原点に対する座標を検知する座標検知部と、カッタヘッドで切羽を掘削する際に電流センサで検知した電流と座標検知部で検知した座標とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析部とを備えている。このように構成された掘削面硬度解析装置は、カッタヘッドのトンネル座標系における絶対座標をモニタせずとも、自由断面掘削機のカッタヘッドの掘削開始点を原点からの移動をモニタすることで掘削面中のカッタヘッドの位置を特定でき、その位置における硬度を求め得る。
【００１１】
また、掘削面硬度解析装置は、解析部が前回掘削時に得られたカッタヘッドの座標から把握される前回掘削面の形状と、今回掘削時に得られるカッタヘッドの座標から把握される今回掘削面の形状とにずれがある場合、前回掘削面形状を正しいとして今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして掘削面の硬度分布を得てもよい。このように構成された掘削面硬度解析装置によれば、オフセット処理によって掘削面のずれを補正するから、トンネル座標系におけるカッタヘッドの絶対座標を把握しなくとも、精度よく掘削面の硬度分布を求めることができる。
【００１２】
また、本実施の形態の掘削面硬度解析方法は、走行体と、走行体に対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームと、ブームの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドとを有する自由断面掘削機をトンネルの側面から所定距離だけ離間した位置に平行に配置するとともに、走行体に対して左右および上下に中立な位置、或いはトンネルの切羽に対して垂直となる位置にブームを配置する位置決めステップと、位置決めステップの後に切羽の掘削を開始してカッタヘッドの掘削開始点からの座標とカッタヘッドを駆動するモータに流れる電流とを検知する検知ステップと、検知ステップで得られた座標と電流とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析ステップとを備えている。このように構成された掘削面硬度解析方法によれば、カッタヘッドのトンネル座標系における絶対座標をモニタせずとも、自由断面掘削機のカッタヘッドの掘削開始点を原点からの移動をモニタすることで掘削面中のカッタヘッドの位置を特定でき、その位置における硬度を求め得る。
【００１３】
さらに、本実施の形態の掘削面硬度解析方法は、解析ステップにおいて、前回掘削時に得られたカッタヘッドの座標から把握される前回掘削面の形状と、今回掘削時に得られるカッタヘッドの座標から把握される今回掘削面の形状とにずれがある場合、前回掘削面形状を正しいとして今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして掘削面の硬度分布を得る。このように構成された掘削面硬度解析方法によれば、オフセット処理によって掘削面のずれを補正するから、トンネル座標系におけるカッタヘッドの絶対座標を把握しなくとも、精度よく掘削面の硬度分布を求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の掘削面硬度解析装置および掘削面硬度解析方法によれば、掘削面の硬度を解析できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施の形態における掘削面硬度解析装置が適用された自由断面掘削機の側面図である。
【図２】自由断面掘削機で切羽を掘削する際の自由断面掘削機の配置を説明する図である。
【図３】（Ａ）は、硬い岩盤を掘削した場合の電流波形を示した図である。（Ｂ）は、軟らかい岩盤を掘削した場合の電流波形を示した図である。
【図４】一実施の形態の掘削面硬度解析装置における掘削面の硬度の判定手順の第一例を説明する図である。
【図５】一実施の形態の掘削面硬度解析装置における掘削面の硬度の判定手順の第二例を説明する図である。
【図６】大きな亀裂が有る岩盤と小さな亀裂が有る岩盤を掘削した場合の電流波形を示した図である。
【図７】一実施の形態の掘削面硬度解析装置における掘削面の硬度の判定手順の第三例を説明する図である。
【図８】一実施の形態の掘削面硬度解析装置の解析部の掘削面の硬度分布の表示の仕方について説明する図である。
【図９】一実施の形態の掘削面硬度解析装置の解析部の掘削面の硬度分布の他の表示の仕方について説明する図である。
【図１０】一実施の形態の掘削面硬度解析装置の姿勢について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における掘削面硬度解析装置１は、図１に示すように、切羽を掘削する自由断面掘削機ＥのブームＢの先端に設けられるカッタヘッドＣを駆動するモータＭに流れる電流を検知する電流センサ２と、カッタヘッドＣの走行体Ｗに対する座標を検知する座標検知部３と、電流センサ２で検知した電流と座標検知部３で検知した座標とに基づいてカッタヘッドＣが掘削した掘削面の硬度分布を得る解析部４とを備えて構成されている。
【００１７】
以下、掘削面硬度解析装置１の各部について詳細に説明する。まず、掘削面硬度解析装置１が適用される自由断面掘削機Ｅは、クローラを備えた走行体Ｗと、走行体Ｗに対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取付けられて伸縮可能なブームＢと、ブームＢの先端に回転可能に装着されるカッタヘッドＣと、カッタヘッドＣを回転駆動するモータＭとを備えて構成されている。
【００１８】
ブームＢは、前述したように、走行体Ｗに対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰の他に、伸縮できるようになっており、旋回用、俯仰用および伸縮用の図示しないアクチュエータを備えている。
【００１９】
そして、自由断面掘削機Ｅのオペレータは、モータＭによってカッタヘッドＣを駆動しつつ、前記アクチュエータを駆動してブームＢを旋回、俯仰および伸縮させてカッタヘッドＣを切羽の掘削したい位置へ配置するととともにカッタヘッドＣを略一定の押圧力で切羽に押し付けて切羽における岩盤を掘削する。モータＭは、図示しない電源から一定電圧の電力供給を受けてカッタヘッドＣを回転駆動するようになっている。
【００２０】
このように、自由断面掘削機Ｅは、オペレータの操作によって切羽を掘削する掘削機となっており、オペレータは、自由断面掘削機Ｅを操作してトンネル設計図に従って切羽を当該トンネル設計図通りに掘削する。
【００２１】
電流センサ２は、所定のサンプリング周期でモータＭに流れる電流を順次検知して、検知した電流を解析部４へ入力する。座標検知部３は、ブームＢの旋回用、俯仰用および伸縮用のアクチュエータのそれぞれの変位（ストローク量）を検出するストロークセンサ３ａ，３ｂ，３ｃと、各ストロークセンサ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した各アクチュエータの変位からカッタヘッドＣの走行体Ｗに対する座標を求める演算部３ｄとを備えている。
【００２２】
ブームＢは、走行体Ｗに対して旋回および俯仰するとともに、自身が伸縮するので、ブームＢの走行体Ｗに対する旋回量および俯仰量と、自身の伸縮量が分かれば、走行体Ｗに対するブームＢの左右方向の角度、上下方向の角度姿勢およびブームＢの現在長さを把握できる。また、カッタヘッドＣの全長は既知である。よって、各ストロークセンサ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した各アクチュエータの変位から走行体Ｗに対するカッタヘッドＣの位置を把握でき、演算部３ｄは、これら変位からカッタヘッドＣの位置を座標として求める。
【００２３】
つまり、座標検知部３が検知するカッタヘッドＣの座標は、トンネル座標系中の絶対座標ではなく、走行体Ｗに対するカッタヘッドＣの相対的な位置を示す座標である。よって、座標検知部３が検知するカッタヘッドＣの座標は、走行体ＷにブームＢを旋回可能に装着するターレットの旋回中心を原点した座標系中のカッタヘッドＣの先端位置を示す座標である。そして、座標検知部３は、検知したカッタヘッドＣの座標を解析部４へ入力する。
【００２４】
掘削を始めるに当たり、オペレータは、図２に示すように、トンネルの側面から予め決められた所定距離だけ離間した位置に自由断面掘削機Ｅをトンネルの側面Ｔに対して平行に配置して、ブームＢを切羽Ｆに対して垂直にしてカッタヘッドＣを切羽Ｆに当てる（位置決めステップ）。なお、自由断面掘削機Ｅをトンネルの側面Ｔに平行に配置するとは、この場合、走行体Ｗの進行方向である前後方向をトンネルの側面Ｔと平行にすることである。そして、このように自由断面掘削機ＥとブームＢの配置によって位置決めされたカッタヘッドＣの位置を原点とし、掘削中に移動するカッタヘッドＣの原点に対する位置座標を座標検知部３で検知して解析部４に入力する。なお、カッタヘッドＣの座標の原点の決め方は、前述した以外にも、トンネルの側面から予め決められた所定距離だけ離間した位置に自由断面掘削機Ｅをトンネル側面に対して平行に配置したうえで、走行体Ｗに対してブームＢが左右の旋回方向の中央であって且つ上下の俯仰方向の中央である中立位置に位置決めして切羽ＦにカッタヘッドＣを当接させた位置を原点としてもよい。このように、切削を始める際に必ずカッタヘッドＣの原点の位置を決めることで、掘削開始点が定まり、座標検知部３は、カッタヘッドＣの座標を検知できる。また、このように、一回の掘削作業を開始する度に、自由断面掘削機Ｅをトンネル側面から所定距離離間した位置にトンネル側面に対して平行に配置するとともに、ブームＢを切羽Ｆに垂直にするか走行体Ｗに対して中立な位置に配置して、カッタヘッドＣを切羽Ｆへ当接させた位置を掘削開始点するので、掘削回ごとに切羽Ｆ中での掘削開始点が大きくずれずにすむ。
【００２５】
そして、オペレータの操作によって自由断面掘削機Ｅによる切羽Ｆの掘削が開示されると、電流センサ２がカッタヘッドＣを駆動するモータＭの電流と検知し、座標検知部３がカッタヘッドＣの掘削開始点からの位置を座標として検知して（検知ステップ）、これら電流と座標とを解析部４に入力する。
【００２６】
解析部４は、電流センサ２が検知した電流と座標検知部３が検知した座標の入力を受けて、カッタヘッドＣが掘削した掘削面の硬度分布を求める（解析ステップ）。解析部４は、有線通信にて電流センサ２と座標検知部３からの電流の入力を受けてもよいし、無線通信によってもよい。また、解析部４は、トンネル工事を管理する管理事務所に設置されている。なお、解析部４は、自由断面掘削機Ｅに設置されていてもよい。座標検知部３の演算部３ｄは、ストロークセンサ３ａ，３ｂ，３ｃが検出する変位を受け取れれば解析部４と同様に管理事務所に設置されていてもよい。
【００２７】
解析部４は、座標検知部３が検知したカッタヘッドＣの座標が得ら得た時刻に電流センサ２が検知した電流を解析して、掘削面中のその座標に対応する部位の硬度を判定する。オペレータは、ブームＢを駆動してカッタヘッドＣを移動させつつ切羽をトンネル形状となるように掘削を進める。そして、切羽の掘削が進んで予め決められた深さまで掘削が進んで一回の掘削が終了すると、トンネル側面の崩落を防ぐために支保工を設置する建込み作業とコンクリートの吹き付け作業を行う。この作業を繰り返すことでトンネルの掘削が進んでいくが、一回の切羽の掘削が終わると、カッタヘッドＣの座標の軌跡は、掘削面と同じ形状となり、一回目の掘削における座標と電流の情報収集を終了する。なお、一回の掘削でトンネルの全断面を掘削する場合には、カッタヘッドＣの掘削開始点である原点からの移動軌跡を描いて、これを掘削面とすると掘削面はトンネル断面と同形状となる。二回目以降の掘削時には、また、その都度、前記座標と電流の情報を収集される。解析部４は、一回の掘削ごとに座標に対応して硬度を求めて掘削面中の硬度分布を求める。つまり、複数回掘削を行えば、解析部４は、複数回分の掘削面の硬度分布を求める。また、解析部４は、掘削が終了する都度、掘削面の硬度分布を求めてもよいし、複数回分の掘削による掘削面の硬度分布を纏めて求めてもよい。
【００２８】
ここで、カッタヘッドＣは、自由断面掘削機Ｅが掘削中は、ブームＢ側から図示しないアクチュエータによって附勢されており、切羽に対して略一定の押付力にて押し付けられて切羽における岩盤を掘削する。カッタヘッドＣは、掘削中に岩盤側から常に抵抗を受けて回転駆動されており、岩盤側からのカッタヘッドＣに作用する抵抗が変化するとカッタヘッドＣを駆動するモータＭの出力トルクも変動する。モータＭは、前述の通り、切羽を掘削する際に、図外の電源から一定電圧の電力供給を受けてカッタヘッドＣを回転駆動しているので、トルクが変動するとモータＭの巻線に流れる電流も変動する。
【００２９】
カッタヘッドＣで硬い岩盤を掘削する場合、カッタヘッドＣが岩盤に食い込みにくいので、カッタヘッドＣと岩盤との間で滑りが生じやすい。よって、掘削中にカッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗は、平均的に低くなる傾向となるので、図３（Ａ）に示すように、モータＭの平均トルクも低くなり、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値も低くなる。また、岩盤が硬い場合、カッタヘッドＣで岩盤を掘削すると岩盤から大きな塊の岩が剥がれやすい。このように大きな塊の岩が岩盤から剥がれる場合、岩が岩盤から剥がれる前にはカッタヘッドＣに大きな抵抗が作用し、岩が岩盤から剥がれた後ではカッタヘッドＣに作用する抵抗は著しく小さくなる。よって、岩が岩盤から剥がれる前後においては、モータＭのトルクが大きく変動するから、図３（Ａ）に示すように、モータＭに流れる電流も大きく変動する。したがって、カッタヘッドＣが掘削中の岩盤が硬い場合、モータＭの電流の波形の波高値、つまり、電流波形の振幅は大きくなる傾向を示す。
【００３０】
他方、カッタヘッドＣで軟らかい岩盤を掘削する場合、カッタヘッドＣが岩盤に食い込みやすいので、カッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗は平均的に高くなる傾向となる。よって、図３（Ｂ）に示すように、モータＭの平均トルクが高くなり、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値も高くなる。また、岩盤が軟らかい場合、カッタヘッドＣで岩盤を掘削すると、岩盤が削られやすいために岩盤から粒子の細かい石が削り取られる。このようにカッタヘッドＣの掘削により細かい石が岩盤から削り取られる場合、カッタヘッドＣが受ける抵抗の変動は、硬い岩盤を掘削する場合に比較して小さくなる。よって、図３（Ｂ）に示すように、カッタヘッドＣが掘削中の岩盤が軟らかい場合、モータＭの電流の波形の波高値は小さくなる傾向を示す。
【００３１】
以上より、解析部４は、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値と、電流の波形の波高値に基づいて、カッタヘッドＣが位置する座標における箇所の岩盤の硬度を求める。具体的には、解析部４は、図４に示すように、電流の絶対値の平均値が低く、且つ、電流の波形の波高値が高い程、岩盤の硬度が高く、電流の絶対値の平均値が高く、且つ、電流の波形の波高値が低い程、岩盤の硬度が低くなる。よって、解析部４は、岩盤の硬度を電流の絶対値の平均値と電流の波形の波高値とに基づいて硬度を求める。
【００３２】
なお、波高値については、カッタヘッドＣの座標が同じ地点にあるときに収集される電流の波形の振幅の平均値或いは当該電流波形における振幅の大きなものを決められた個数を抽出して抽出した振幅の平均値を波高値としてもよいし、当該電流波形における最大振幅を波高値としてもよい。
【００３３】
また、解析部４の解析において、岩盤が硬いか軟らかいかが分かればよい場合には、モータＭの電流の波形の振幅である波高値に対して基準波高値を設定するとともに、電流の絶対値の平均値に対して基準平均値を設定し、波高値と基準波高値の比較結果と電流の絶対値の平均値と基準平均値の比較結果に基づいて岩盤の硬軟いずれかであるかを判定すればよい。より詳細には、解析部４は、モータＭの電流の波形における波高値が基準波高値より高く、且つ、前記電流の絶対値の平均値が基準平均値より低い場合、岩盤が硬岩で組成されていると判定し、前記電流の波形における波高値が基準波高値より低く、且つ、前記電流の絶対値の平均値が基準平均値より高い場合、岩盤が軟岩で組成されていると判定すればよい。なお、電流の波形の波高値の高低を判定するための基準となる基準波高値と、電流の絶対値の平均値の高低を判定するための基準となる基準平均値は、たとえば、実機で岩盤を掘削して得られるデータと岩盤の硬度調査の結果とを参酌して決めればよい。
【００３４】
カッタヘッドＣで硬い岩盤を掘削する場合、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値と同様に、電流の実効値も低くなり、カッタヘッドＣで軟らかい岩盤を掘削する場合、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値と同様に、電流の実効値も高くなる。よって、解析部４は、掘削面の硬度を求める際に、電流の波形の波高値と共に使用する解析材料として、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値の代わりに当該電流の実効値を用いてもよい。この場合、解析部４は、モータＭに流れる電流の実効値と、電流の波形の波高値に基づいて、掘削面の硬度を求めればよい。具体的には、図５に示すように、電流の実効値が低く、且つ、電流の波形の波高値が高い程、岩盤の硬度が高く、電流の実効値が高く、且つ、電流の波形の波高値が低い程、岩盤の硬度が低くなる。よって、解析部４は、電流の実効値と電流の波形の波高値とに基づいて掘削面の硬度を求めてもよい。
【００３５】
また、解析部４は、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値と、トルク変動に起因してモータＭの電流の波形に現れる振動成分の周波数とに基づいて掘削面の硬度を求めてもよい。カッタヘッドＣで硬い岩盤を掘削する場合、カッタヘッドＣで岩盤を掘削すると岩盤から順次岩が剥がれるので、カッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗が大きく変動し、モータＭのトルク変動の周期も短くなる。他方、カッタヘッドＣで軟らかい岩盤を掘削する場合にはトルク変動が少ないために、モータＭのトルク変動の周期が長くなる。図３に示すように、トルク変動に起因してモータＭの電流の波形に現れる振動成分の周波数はモータＭの電流波形の包絡線に一致する。そこで、前記トルク変動に起因してモータＭの電流の波形に現れる振動成分の周波数に着目すると、図３に示すように、硬い岩盤を掘削した場合の電流の波形（図３（Ａ）中実線）の包絡線（図３（Ａ）中破線）の周波数の方が軟らかい岩盤を掘削した場合の電流の波形（図３（Ｂ）中実線）の包絡線（図３（Ｂ）中破線）の周波数より高くなる。したがって、解析部４は、電流センサ２から入力されるモータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数を求め、この周波数から掘削面の硬度を求めればよい。
【００３６】
前記包絡線を得るには、たとえば、ヒルベルト変換によってもよいし、包絡線検波器を用いてもよい。なお、トルク変動に起因してモータＭの電流の波形に現れる振動成分の周波数を得るには、包絡線を求める他、以下のようにしてもよい。検知したモータＭの電流からモータＭを駆動するために要求される電流の駆動周波数よりも低周波のトルク変動に起因する振動成分の周波数成分を抽出するローパスフィルタ或いはバンドパスフィルタで前記電流を濾波して前記振動成分を抽出し、抽出した振動成分から周波数を求めてもよい。
【００３７】
さらに、岩盤が硬い場合であって、岩盤に亀裂が有る場合、亀裂の大小によって、カッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗に差があり、岩盤の亀裂が大きい程、カッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗の平均値が低くなる。したがって、図６に示すように、大きな亀裂が有る硬い岩盤を掘削する場合の電流波形（図６中実線）と、小さな亀裂が有る硬い岩盤を掘削する場合の電流波形（図６中破線）とを比較すると、亀裂が大きくなる程、電流の絶対値の平均値が低くなる。よって、解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が高く、且つ、電流の絶対値の平均値が低い場合、掘削面における岩盤が大きな亀裂を含む硬岩で組成されていると評価し、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が高く、且つ、電流の絶対値の平均値が高い場合、掘削面における岩盤が小さな亀裂を含む硬岩で組成されていると評価してもよい。
【００３８】
これに対して、カッタヘッドＣで軟らかい岩盤を掘削する場合、カッタヘッドＣで岩盤を掘削すると岩盤が削られやすいのでカッタヘッドＣが岩盤から受ける抵抗の変動は少なく、モータＭのトルク変動の周期も長くなる。つまり、前記トルク変動に起因してモータＭの電流の波形に現れる振動成分の周波数は低くなる。したがって、電流センサ２から入力されるモータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が低い場合、岩盤が軟岩で組成されている可能性がある。また、カッタヘッドＣで軟らかい岩盤を掘削する場合、カッタヘッドＣが岩盤に食い込みやすいので、モータＭの平均トルクが高くなり、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値が高くなる。よって、解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が低く、且つ、電流の絶対値の平均値が高い場合に、掘削面が軟岩で組成されていると評価してもよい。
【００３９】
このことから、掘削面の硬度の他に、亀裂の大小まで解析する場合、解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数とモータＭに流れる電流の絶対値の平均値とに基づいて硬度と亀裂の大小を解析してもよい。具体的には、解析部４は、図７に示すように、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数の高低によって硬度を求める。そして、掘削面の岩盤が硬岩であるか軟岩であるかを判定するための基準として、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数に対して予め基準周波数を設定するとともに、亀裂の大小を判定するための判定基準として電流の絶対値の平均値に対して基準平均値を設定する。解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が基準周波数より高い場合に、電流の絶対値の平均値が基準平均値以上か未満かによって亀裂の大小を判定すればよい。硬岩と軟岩の判定基準で基準周波数と、亀裂の大小の判定気群となる基準平均値は、たとえば、実機で岩盤を掘削して得られるデータと岩盤の硬度調査の結果とを参酌して決めればよい。なお、解析部４は、掘削面の硬度と亀裂の大小を前記周波数と電流の平均値とに基づいて数値で出力するようにしてもよい。
【００４０】
なお、図示はしないが、大きな亀裂が有る硬い岩盤を掘削する場合の電流波形と、小さな亀裂が有る硬い岩盤を掘削する場合の電流波形とを比較すると、亀裂が大きくなる程、電流の絶対値の平均値と同様に電流の実効値が低くなる。よって、解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が高く、且つ、電流の実効値が低い場合、岩盤が大きな亀裂を含む硬岩で組成されていると判定してもよい。また、解析部４は、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数が高く、且つ、電流の実効値が高い場合、岩盤が小さな亀裂を含む硬岩で組成されていると判定してもよい。つまり、解析部４は、掘削面の亀裂の大小の解析において、モータＭの電流の波形に現れるトルク変動による振動成分の周波数と共に使用する判定材料として、モータＭに流れる電流の絶対値の平均値の代わりに当該電流の実効値を用いてもよい。
【００４１】
解析部４は、前述した掘削面の硬度の解析手法のいずれかを採用して、掘削回数分の掘削面の硬度を求める。そして、解析部４は、図１に示すように、解析結果を表示する表示部４ａを備えており、カッタヘッドＣの位置の座標に関連付けされた硬度を色によって表現して、掘削面の硬度分布を表示部４ａへ出力する。
【００４２】
具体的には、解析部４は、図８に示すように、掘削面の硬度分布を色で表現して表示部４ａに出力させる。オペレータが色の違いによって硬度を直感的に理解できるよう、解析部４は、サーモグラフィーのように硬度に応じて色が変化するようにして掘削面の硬度を可視化して表示部４ａに表示させる。たとえば、解析部４は、硬度が高いと赤（黒塗り部分）、中程度あると黄色（ハッチング部分）、低いと青（ハッチング無し）といったように、硬度に応じた色を表示部４ａに表示させる。
【００４３】
ここで、自由断面掘削機Ｅを操作するオペレータは、カッタヘッドＣを移動させて切羽を掘削して設計図通りにトンネルを掘るので、カッタヘッドＣの移動軌跡をたどるとトンネルの断面形状と同じ形状となる。解析部４が一回の掘削によって得られた座標と電流を処理して硬度を求めて、表示部４ａにカッタヘッドＣの座標に対応する硬度を表す色を表示させると、表示部４ａにはトンネル断面形状と同じ形状の色付けされた掘削面が表示される。
【００４４】
なお、解析部４は、図９に示すように、掘削面をメッシュ化して、各メッシュ内の座標中の硬度の平均値で当該メッシュの色を決定して、表示部４ａに表示させてもよいし、また、色の代わりに硬度の平均値をそのまま当該メッシュの硬度として表示部４ａに表示させてもよい。
【００４５】
また、自由断面掘削機Ｅは、走行体Ｗが走行するトンネル内の地面の形状によって、走行体Ｗが前後および左右に傾く場合があるほか、切羽に対して走行体Ｗが正対せず斜め姿勢で対向してしまう場合がある。つまり、図１０に示すように、走行体Ｗがｙ軸周りのピッチング、ｘ軸周りのローリング、ｚ軸周りのヨーイングによって、切羽に対して走行体Ｗが正対できない場合がある。切羽の掘削に際して走行体Ｗが切羽に対して正対しない状態で切羽を掘削すると、カッタヘッドＣの座標の軌跡をたどって得られる掘削面が前回掘削時の掘削面と位置的にずれてしまう。というのは、掘削面硬度解析装置１で把握しているのは走行体Ｗに対するカッタヘッドＣの座標であり、解析部４では、トンネル座標系におけるカッタヘッドＣの絶対座標が分からないので、走行体Ｗの姿勢が掘削するごとに変化すると、カッタヘッドＣの移動軌跡と硬度とを単に表示部４ａに表示させると、掘削回ごとの得られる掘削面が位置的にずれてしまう。
【００４６】
そこで、このようなずれを補正するため解析部４は、前回の掘削時に得られた掘削面を正しい位置として、今回の掘削時に得られた掘削面の位置をずれた分だけオフセットして座標を修正する。この座標修正については、たとえば、解析部４は、前回に得られた掘削面をテンプレートとして、今回に得らえた掘削面とテンプレートの掘削面とが一致するオフセット量を求めて、今回に得られた掘削面の座標を得られたオフセット量によってオフセットすればよい。
【００４７】
また、一回の掘削作業を開始する度に、自由断面掘削機Ｅをトンネル側面から所定距離離間した位置にトンネル側面に対して平行に配置するとともに、ブームＢを切羽Ｆに垂直にするか走行体Ｗに対して中立な位置に配置して、カッタヘッドＣを切羽Ｆへ当接させた位置を掘削開始点するので、掘削回ごとに切羽Ｆ中での掘削開始点が大きくずれることがなく、オフセット量も大きくならずに済む。
【００４８】
以上のように、本実施の形態の掘削面硬度解析装置１は、走行体Ｗと、走行体Ｗに対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームＢと、ブームＢの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドＣとを有してトンネル内の切羽Ｆを掘削する自由断面掘削機ＥにおけるカッタヘッドＣを駆動するモータＭに流れる電流を検知する電流センサ２と、カッタヘッドＣの掘削開始点を原点として原点に対する座標を検知する座標検知部３と、カッタヘッドＣで切羽Ｆを掘削する際に電流センサ２で検知した電流と座標検知部３で検知した座標とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析部４とを備えている。
【００４９】
このように構成された掘削面硬度解析装置１は、カッタヘッドＣのトンネル座標系における絶対座標をモニタせずとも、自由断面掘削機ＥのカッタヘッドＣの掘削開始点を原点からの移動をモニタすることで掘削面中のカッタヘッドＣの位置を特定でき、その位置における硬度を求め得る。よって、本実施の形態の掘削面硬度解析装置１によれば、掘削面の硬度を解析できる。
【００５０】
また、本実施の形態の掘削面硬度解析装置１は、解析部４が前回掘削時に得られたカッタヘッドＣの座標から把握される前回掘削面の形状と、今回掘削時に得られるカッタヘッドの座標から把握される今回掘削面の形状とにずれがある場合、前回掘削面形状を正しいとして今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして掘削面の硬度分布を得る。このように構成された掘削面硬度解析装置１によれば、オフセット処理によって掘削面のずれを補正するから、トンネル座標系におけるカッタヘッドＣの絶対座標を把握しなくとも、精度よく掘削面の硬度分布を求めることができる。
【００５１】
さらに、解析部４は、トンネル外の事務所に設置されてもよい。このように解析部４をトンネル外の事務所に設置すれば、座標と電流の処理を行う精密機器である解析部４を振動や粉塵に晒される恐れのない事務所で管理および運用でき、解析部４を耐震性および防塵性を考慮した作りにする必要が無いので、掘削面硬度解析装置１のコストを低減できる。なお、解析部４は、自由断面掘削機Ｅ内に設置されてもよい。
【００５２】
また、本実施の形態の掘削面硬度解析方法は、走行体Ｗと、走行体Ｗに対して左右方向への旋回と上下方向への俯仰とを可能に取り付けられるブームＢと、ブームＢの先端に回転可能に取り付けられるカッタヘッドＣとを有する自由断面掘削機Ｅをトンネルの側面から所定距離だけ離間した位置に平行に配置するとともに、走行体Ｗに対して左右および上下に中立な位置、或いはトンネルの切羽Ｆに対して垂直となる位置にブームＢを配置する位置決めステップと、位置決めステップの後に切羽Ｆの掘削を開始してカッタヘッドＣの掘削開始点からの座標とカッタヘッドＣを駆動するモータＭに流れる電流とを検知する検知ステップと、検知ステップで得られた座標と電流とに基づいて掘削面の硬度分布を得る解析ステップとを備えている。このように構成された掘削面硬度解析方法によれば、カッタヘッドＣのトンネル座標系における絶対座標をモニタせずとも、自由断面掘削機ＥのカッタヘッドＣの掘削開始点を原点からの移動をモニタすることで掘削面中のカッタヘッドＣの位置を特定でき、その位置における硬度を求め得る。よって、本実施の形態の掘削面硬度解析方法によれば、掘削面の硬度を解析できる。
【００５３】
さらに、本実施の形態の掘削面硬度解析方法は、解析ステップにおいて、前回掘削時に得られたカッタヘッドＣの座標から把握される前回掘削面の形状と、今回掘削時に得られるカッタヘッドの座標から把握される今回掘削面の形状とにずれがある場合、前回掘削面形状を正しいとして今回掘削面形状を前記ずれ分だけオフセットして掘削面の硬度分布を得る。このように構成された掘削面硬度解析方法によれば、オフセット処理によって掘削面のずれを補正するから、トンネル座標系におけるカッタヘッドＣの絶対座標を把握しなくとも、精度よく掘削面の硬度分布を求めることができる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・掘削面硬度解析装置、２・・・電流センサ、３・・・座標検知部、４・・・解析部、Ｂ・・・ブーム、Ｃ・・・カッタヘッド、Ｅ・・・自由断面掘削機、Ｆ・・・切羽、Ｍ・・・モータ、Ｔ・・・トンネルの側面、Ｗ・・・走行体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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