(57)【要約】      （修正有）【課題】手動操作によってトンネル掘削を行う場合でも、簡単な操作によって曲線部分を含む掘削を実施することが可能なトンネル掘削装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】掘削機は、前胴部と後胴部と所定の中折れ点とパラレルリンク機構と入力部２１と中折れ点位置演算部２３とジャッキ制御部２６とを備えている。パラレルリンク機構は、後胴部に対する前胴部の位置を変更する複数のスラストジャッキを含む。中折れ点位置演算部２３は、入力部２１において受け付けられた操作入力の内容、後胴部の中心線および中心点、前胴部の中心点の位置に基づいて、中折れ点の位置を演算する。ジャッキ制御部２６は、後胴部の中心点、中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成された曲線に対応して前進するようにスラストジャッキのストロークを制御する。【選択図】図３
2015105512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削側表面に複数のカッタを有する前胴部と、
前記前胴部の後方に配置されており、掘削を行う際の反力を得るためのグリッパを有する後胴部と、
前記前胴部と前記後胴部との間に設けられた所定の中折れ点と、
前記前胴部と前記後胴部との間に並列に配置され前記前胴部と前記後胴部戸を連結し前記後胴部に対する前記前胴部の位置を変更する複数のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、
オペレータから前記前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付ける入力部と、
前記入力部において受け付けられた前記操作入力の内容、前記後胴部の中心線および中心点、前記前胴部の中心点の位置に基づいて、前記中折れ点の位置を演算する演算部と、
前記後胴部の中心点、前記中折れ点、前記前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成された曲線に対応して前進するように前記パラレルリンク機構に含まれるそれぞれの前記スラストジャッキのストロークを制御するジャッキ制御部と、
を備えているトンネル掘削装置。
【請求項２】
前記入力部に対してオペレータからの操作入力が受け付けられると、前記ジャッキ制御部は、前記操作入力の内容に基づいて設定された所望の曲率半径Ｒに沿って掘削が実施されるように前記スラストジャッキを制御する、
請求項１に記載のトンネル掘削装置。
【請求項３】
前記ジャッキ制御部は、３次元方向において、前記前胴部の姿勢を制御する、
請求項１または２に記載のトンネル掘削装置。
【請求項４】
前記後胴部に対する前記前胴部の姿勢を検出するために、それぞれの前記スラストジャッキに設けられたストロークセンサを、さらに備えている、
請求項１から３のいずれか１項に記載のトンネル掘削装置。
【請求項５】
前記入力部は、タッチパネル式のモニタである、
請求項１から４のいずれか１項に記載のトンネル掘削装置。
【請求項６】
前記モニタは、前記前胴部の進行方向を設定する上下左右キーと、現在位置と目標位置とのずれ量を表示する表示部と、を有している、
請求項５に記載のトンネル掘削装置。
【請求項７】
前胴部と、前記前胴部の後方に配置された後胴部と、前記前胴部と前記後胴部との間に設けられた所定の中折れ点と、前記前胴部と前記後胴部との間に並列に配置された複数のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、
オペレータから前記前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付けるステップと、
前記後胴部の中心線および中心点、前記前胴部の中心点の位置に基づいて、前記中折れ点の位置を演算するステップと、
前記後胴部の中心点、前記中折れ点、前記前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成された曲線に対応して前進するように前記パラレルリンク機構に含まれるそれぞれの前記スラストジャッキのストロークを制御するステップと、
を備えているトンネル掘削装置の制御方法。
【請求項８】
後胴部と、カッタヘッドを有し前記後胴部に対し相対位置を移動可能に連結された前胴部と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、
前記後胴部の位置に対する前記前胴部の位置を指示するステップと、
前記前胴部の中心線と前記後胴部の中心線の交点である中折れ点の位置を演算するステップと、
前記前胴部の位置と、前記中折れ点の位置と、前記後胴部の位置と、の３点を滑らかに結ぶ曲線を生成するステップと、
前記曲線に沿うように前記前胴部を前記後胴部に対し移動させるステップと、
を備えているトンネル掘削装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルを掘削する際に用いられるトンネル掘削装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械前面にカッタを含むカッタヘッドと、機械後方における左右側面に設けられたグリッパとを備えた掘削機を用いて、トンネルの掘削が行われている。
この掘削機は、左右のグリッパをトンネル左右側壁に対して押し付けた状態で、カッタヘッドを回転させながら切羽に押し付けて、トンネルを掘削していく。
例えば、特許文献１には、岩盤掘削を行うカッタを有する前胴部と、掘削のための反力を得るためのグリッパを有するとともに前胴部とアクチュエータ等を介して連結される後胴部と、を備えた地中掘削機の方向制御法について開示されている。
【０００３】
この地中掘削機では、前胴部と後胴部との間において屈曲させるアクチュエータ（例えば、スラストジャッキ等）を搭載しており、曲線状のトンネルの掘削が可能となる。
また、特許文献１に開示された地中掘削機では、記憶された計画掘削線に基づいて自動掘削され、岩盤質の硬度の変化等によって地中掘削機の進む方向が変化してしまった場合でも、掘削されたトンネルが計画掘削線から外れないように、適宜、オペレータがスラストジャッキのストロークを変えて、前胴の姿勢を調整する必要がある。
【０００４】
前胴部の位置・方向は、直交座標系のＸ，Ｙ，Ｚの３軸と各軸の回転の６自由度の動きが必要であるため、６軸の駆動リンクが必要となる。
６軸駆動リンクの一形態として、６基のスラストジャッキのロッド側を前胴部に、シリンダチューブ側を後胴部に、それぞれ連結したものがある。このような６軸駆動リンクでは、前胴部における後胴部に相対する面の外周縁の近傍に、環状に、複数のスラストジャッキのロッド側が配置され、後胴部における前胴部に相対する面の外周縁の近傍に、環状に、複数のスラストジャッキのロッド側が配置され、いわゆるパラレルリンク構造が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−２６６７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の地中掘削機では、以下に示すような問題点を有している。
ここで、トンネル掘削機を坑道掘削などに用いる場合には、通常のトンネル掘削に比べて、曲率半径Ｒの小さい曲線掘削が必要となる。
従来のトンネル掘削機による曲線掘進は、通常、短い長さの直線掘進を前胴部の姿勢を変更して繰り返すことにより折れ線トンネルを形成して行われる。その際、トンネル掘削装置の前胴の姿勢は、オペレータの経験に基づいて各スラストジャッキストロ−ク量を操作することにより変更されるが、上記パラレルリンクの場合には、ストローク操作と姿勢との関係がオペレータの直感とは異なる場合があるため、操作が難しいという問題がある。
【０００７】
また、実際的な長さの直線掘進の繰り返しにより急曲線トンネルを施工すると、所望の急曲線トンネルと直線掘進により施工された折れ線トンネルとのずれが大きくなるおそれがある。
換言すれば、従来のパラレルリンク機構を搭載したトンネル掘削機では、特に、曲率半径Ｒの小さい曲線部を手動操作によって掘削していく作業は非常に困難性が高いという問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、手動操作によってトンネル掘削を行う場合でも、簡単な操作によって曲線部分を含む掘削を実施することが可能なトンネル掘削装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係るトンネル掘削装置は、前胴部と、後胴部と、中折れ点と、パラレルリンク機構と、入力部と、演算部と、ジャッキ制御部と、を備えている。前胴部は、掘削側表面に複数のカッタを有する。後胴部は、前胴部の後方に配置されており、掘削を行う際の反力を得るためのグリッパを有する。中折れ点は、前胴部と後胴部との間に設けられている。パラレルリンク機構は、前胴部と後胴部との間に並列に配置されて前胴部と後胴部とを連結し後胴部に対する前胴部の位置を変更する複数のスラストジャッキを含む。入力部は、オペレータから前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付ける。演算部は、入力部において受け付けられた操作入力の内容、後胴部の中心線および中心点、前胴部の中心点の位置に基づいて、中折れ点の位置を演算する。ジャッキ制御部は、後胴部の中心点、中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成された曲線に対応して前進するようにパラレルリンク機構に含まれるそれぞれのスラストジャッキのストロークを制御する。
【００１０】
ここでは、前胴部と後胴部との間に設けられた複数のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構によって、後胴部に対して前胴部を前進させていくことで、トンネルの掘削を行うトンネル掘削装置において、後胴部の中心点、演算によって求められる仮想的な中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成される曲線に沿って前胴部を前進させる。
【００１１】
ここで、本トンネル掘削装置は、前胴部と後胴部との間に、中折れ点が設けられている。前胴部は、掘削側における先端部分に複数のカッタを搭載している。後胴部は、グリッパによってトンネルの内壁面において支持される。パラレルリンク機構は、複数（少なくとも６基）のスラストジャッキを有しており、予め設定された目標位置、あるいはオペレータによって入力された目標位置（方向）に応じてそれぞれのスラストジャッキが伸縮することで、後胴部に対する前胴部の位置、姿勢等を制御することができる。
【００１２】
演算部は、オペレータによる操作入力の内容に対応する方向に掘削が行われるように、その操作入力の内容、後胴部の中心線および中心位置、前胴部の中心位置に基づいて、中折れ点の位置を演算によって求める。なお、後胴部の中心線および中心位置は、現在位置を基準にして得ることができる。また、前胴部の中心位置は、後胴部の現在位置とそれぞれのスラストジャッキのストローク量等によって演算によって求めることができる。
【００１３】
ジャッキ制御部は、演算によって求められた中折れ点と、後胴部の中心線および中心位置、前胴部の中心位置とに基づいて演算された進行方向を示す曲線に沿って前胴部が前進するように、パラレルリンク機構に含まれる複数のスラストジャッキを制御する。
これにより、例えば、予め設定された所望の曲線に沿って自動運転中に岩盤質等の変化によって前胴部の進行方向が所定の進行方向からずれてしまった場合でも、オペレータの手動操作（例えば、右方向へ進むように方向キーを押す等）によって進行方向を入力するだけで、目標位置までの前胴部の姿勢を制御して、滑らかな曲線に沿って掘削を行うことができる。
【００１４】
この結果、特に、曲率半径Ｒが小さい曲線に沿った掘削を実施する際に、オペレータの直感に基づく操作が難しいパラレルリンク機構を搭載したトンネル掘削装置であっても、オペレータの簡単な操作入力により、所望の曲線に沿った掘削を実施することができる。
第２の発明に係るトンネル掘削装置は、第１の発明に係るトンネル掘削装置であって、入力部に対してオペレータからの操作入力が受け付けられると、ジャッキ制御部は、操作入力の内容に基づいて設定された所望の曲率半径Ｒに沿って掘削が実施されるようにスラストジャッキを制御する。
【００１５】
ここでは、オペレータによる操作入力により、所望の曲率半径Ｒに沿って曲線部分の掘削を実施する。
これにより、オペレータの１回の操作入力によって、所望の曲率半径Ｒを維持しながら滑らかな曲線に沿った掘削を実施することができる。
第３の発明に係るトンネル掘削装置は、第１または第２の発明に係るトンネル掘削装置であって、ジャッキ制御部は、３次元方向において、前胴部の姿勢を制御する。
【００１６】
ここでは、後胴部に対する前胴部の向き・姿勢が３次元方向（上・下・左・右方向）において調整可能となるように、パラレルリンク機構に含まれる複数のスラストジャッキを制御する。
これにより、曲線部分を含み、かつ３次元方向におけるトンネルの掘削を、簡単な操作入力だけで容易に実施することができる。
【００１７】
第４の発明に係るトンネル掘削装置は、第１から第３の発明のいずれか１つに係るトンネル掘削装置であって、後胴部に対する前胴部の姿勢を検出するために、それぞれのスラストジャッキに設けられたストロークセンサを、さらに備えている。
ここでは、後胴部に対する前胴部の位置・姿勢を演算するための情報として、それぞれのスラストジャッキに設置されたストロークセンサを用いている。
【００１８】
これにより、ストロークセンサにおける検知結果により、各スラストジャッキのストローク量を検出することで、後胴部に対して前胴部がどういう位置・姿勢にあるのかを、容易に検出することができる。
第５の発明に係るトンネル掘削装置は、第１から第４の発明のいずれか１つに係るトンネル掘削装置であって、入力部は、タッチパネル式のモニタである。
【００１９】
ここでは、オペレータからの操作入力を受け付ける入力部として、タッチパネル式のモニタを用いている。
これにより、オペレータは、手動操作によって前胴部の進行方向を調整する際には、タッチパネル式のモニタを操作するだけで容易に所望の方向へ掘削を実施することができる。
【００２０】
第６の発明に係るトンネル掘削装置は、第５の発明に係るトンネル掘削装置であって、モニタは、前胴部の進行方向を設定する上下左右キーと、現在位置と目標位置とのずれ量を表示する表示部と、を有している。
ここでは、タッチパネル式のモニタにおいて、前胴部の進行方向を設定する上下左右キーと現在位置と目標位置とのずれ量とが表示される。
【００２１】
これにより、オペレータは、ずれ量の変化を見ながら、直感的に微調整が必要な方向キーを押すだけで、容易に所望の方向への掘削を実施することができる。
第７の発明に係るトンネル掘削装置の制御方法は、前胴部と、前胴部の後方に配置された後胴部と、前胴部と後胴部との間に設けられた所定の中折れ点と、前胴部と後胴部との間に並列に配置された複数のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、以下のようなステップを備えている。オペレータから前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付けるステップ。後胴部の中心線および中心点、前胴部の中心点の位置に基づいて、中折れ点の位置を演算するステップ。後胴部の中心点、中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成された曲線に対応して前進するようにパラレルリンク機構に含まれるそれぞれのスラストジャッキのストロークを制御するステップ。
【００２２】
ここでは、前胴部と後胴部との間に設けられた複数のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構によって、後胴部に対して前胴部を前進させていくことで、トンネルの掘削を行うトンネル掘削装置において、後胴部の中心点、演算によって求められる中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成される曲線に沿って前胴部を前進させる。
ここで、本トンネル掘削装置の制御方法では、前胴部と後胴部との間に、仮想的な中折れ点が設けられる。パラレルリンク機構は、複数（少なくとも６基）のスラストジャッキを有しており、予め設定された目標位置、あるいはオペレータによって入力された目標位置（方向）に応じてそれぞれのスラストジャッキが伸縮することで、後胴部に対する前胴部の位置、姿勢等を制御することができる。
【００２３】
中折れ点の位置は、オペレータによる操作入力の内容に対応する方向に掘削が行われるように、その操作入力の内容、後胴部の中心線および中心位置、前胴部の中心位置に基づいて演算によって求められる。なお、後胴部の中心線および中心位置は、現在位置を基準にして得ることができる。また、前胴部の中心位置は、後胴部の現在位置とそれぞれのスラストジャッキのストローク量等によって演算によって求めることができる。
【００２４】
パラレルリンク機構に含まれる複数のスラストジャッキは、演算によって求められた中折れ点と、後胴部の中心線および中心位置、前胴部の中心位置とに基づいて演算された進行方向を示す曲線に沿って前胴部が前進するように制御される。
これにより、例えば、予め設定された所望の曲線に沿って自動運転中に岩盤質等の変化によって前胴部の進行方向が所定の進行方向からずれてしまった場合でも、オペレータの手動操作（例えば、右方向へ進むように方向キーを押す等）によって進行方向を入力するだけで、目標位置までの前胴部の姿勢を制御して、滑らかな曲線に沿って掘削を行うことができる。
【００２５】
この結果、特に、曲率半径Ｒが小さい曲線に沿った掘削を実施する際に、オペレータの直感に基づく操作が難しいパラレルリンク機構を搭載したトンネル掘削装置であっても、オペレータの簡単な操作入力により、所望の曲線に沿った掘削を実施することができる。
第８の発明に係るトンネル掘削装置の制御方法は、後胴部と、カッタヘッドを有し後胴部に対し相対位置を移動可能に連結された前胴部と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、以下のようなステップを備えている。後胴部の位置に対する前胴部の位置を指示するステップ。前胴部の中心線と後胴部の中心線の交点である中折れ点の位置を演算するステップ。前胴部の位置と、中折れ点の位置と、後胴部の位置と、の３点を滑らかに結ぶ曲線を生成するステップ。曲線に沿うように前胴部を後胴部に対し移動させるステップ。
【００２６】
ここでは、後胴部に対して前胴部を前進させていくことでトンネルの掘削を行うトンネル掘削装置において、後胴部の中心点、演算によって求められる中折れ点、前胴部の中心点のそれぞれの位置から生成される曲線に沿って前胴部を前進させる。
ここで、本トンネル掘削装置の制御方法では、前胴部と後胴部との間に、仮想的な中折れ点が設けられる。中折れ点の位置は、オペレータによる操作入力の内容に対応する方向に掘削が行われるように、その操作入力の内容、後胴部の中心線および中心位置、前胴部の中心位置に基づいて演算によって求められる。なお、後胴部の中心線および中心位置は、現在位置を基準にして得ることができる。また、前胴部の中心位置は、例えば、後胴部の現在位置と前胴部と後胴部とを連結するスラストジャッキのストローク量等によって演算によって求めることができる。
【００２７】
これにより、例えば、予め設定された所望の曲線に沿って自動運転中に岩盤質等の変化によって前胴部の進行方向が所定の進行方向からずれてしまった場合でも、オペレータの手動操作（例えば、右方向へ進むように方向キーを押す等）によって進行方向を入力するだけで、目標位置までの前胴部の姿勢を制御して、滑らかな曲線に沿って掘削を行うことができる。
【００２８】
この結果、特に、曲率半径Ｒが小さい曲線に沿った掘削を実施する際に、オペレータの直感に基づく操作が難しいパラレルリンク機構を搭載したトンネル掘削装置であっても、オペレータの簡単な操作入力により、所望の曲線に沿った掘削を実施することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るトンネル掘削装置によれば、手動操作によってトンネル掘削を行う場合でも、簡単な操作によって曲線部分を含む掘削を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル掘削装置の構成を示す全体図。
【図２】図１の掘削機を用いてトンネル掘削を行う状態を示す断面図。
【図３】図１の掘削機の制御ブロック図。
【図４】図１の掘削機の制御時に用いられる曲線を示す説明図。
【図５】図１の掘削機に対する操作入力を行うモニタの表示画面を示す図。
【図６】図１の掘削機によるトンネル掘削時における手動での掘削制御の流れを示すフローチャート。
【図７】図１のトンネル掘削装置を用いた坑道掘削の手順を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一実施形態に係るトンネル掘削装置およびその制御方法について、図１〜図７を用いて説明すれば以下の通りである。
なお、本実施形態において登場する掘削機（トンネル掘削装置）１０（図１等）は、坑道掘削（図７参照）に用いられる掘削装置であって、ＴＢＭ（トンネルボーリングマシン）のうち、いわゆるグリッパＴＢＭ、ハードロックＴＢＭと呼ばれるものである。また、本実施形態では、掘削機１０によって掘削されるトンネル（第１トンネルＴ１）は、断面が略円形のトンネル（第１トンネルＴ１（図２参照））である。なお、本実施形態に係る掘削機１０によって掘削されるトンネルの断面形状は、円形に限らず、楕円形、複円形、馬蹄形などであってもよい。
【００３２】
（掘削機１０の構成）
本実施形態では、図１に示す掘削機１０を用いて、第１トンネルＴ１（図２等参照）の掘削を行う。なお、本実施形態で説明する掘削機１０は、グリッパ１３ａによって後方支持された状態でカッタヘッド１２を回転させて掘削を行う一般的な構成を備えた掘削機である。
【００３３】
掘削機１０は、岩盤等を掘削しながら前進して第１トンネルＴ１の掘削工事を行う装置であって、図１に示すように、前胴部１１、カッタヘッド１２、後胴部１３、パラレルリンク機構１４、およびベルトコンベア１５を備えている。
前胴部１１は、図１に示すように、カッタヘッド１２とパラレルリンク機構１４との間に配置されており、掘削側先端に設けられたカッタヘッド１２とともに掘削機１０の前部を構成する。また、前胴部１１は、後述するパラレルリンク機構１４に含まれる複数のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆによって、後胴部１３に対する位置・姿勢を変化させる。また、前胴部１１は、図２に示すように、その外周面からトンネルＴ１の側壁Ｔ１ａに対して突出して押し付けられるグリッパ１１ａを有している。これにより、例えば、掘削機１０を後退させる際等に、前胴部１１をトンネルＴ１内において支持しながらパラレルリンク機構１４を伸びる方向に駆動させることで、後胴部１３を後退させることができる。
【００３４】
カッタヘッド１２は、図１に示すように、掘削機１０の先端側に配置されており、略円形のトンネルの中心軸を回転中心として回転することで、先端側表面に設けられた複数のディスクカッタ１２ａによって岩盤等を掘削する。また、カッタヘッド１２は、ディスクカッタ１２ａによって細かく砕かれた岩盤や岩石等を、表面に形成された開口部（図示せず）から内部に取り込む。
【００３５】
後胴部１３は、図１に示すように、掘削機１０の後側に配置されており、掘削機１０の後部を構成する。後胴部１３の幅方向の両側部には、グリッパ１３ａが配設されている。また、後胴部１３と前胴部１１とは、パラレルリンク機構１４によって連結されている。
グリッパ１３ａは、図２に示すように、後胴部１３の外周面から径方向外側に向かって突出することで、掘削中の第１トンネルＴ１の側壁Ｔ１ａに対して押し付けられる。これにより、掘削機１０を第１トンネルＴ１内において支持することができる。
【００３６】
パラレルリンク機構１４は、図１に示すように、掘削機１０の前後方向における中程に配置されており、掘削機１０の中胴部を構成する。また、パラレルリンク機構１４は、油圧アクチュエータである６基のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを有している。このため、前胴部１１と後胴部１３との間においてそれぞれのスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを伸縮させることで、後胴部１３に対する前胴部１１の姿勢（向き）が所望の方向になるように制御しながら、カッタヘッド１２によって第１トンネルＴ１を掘削していく。
【００３７】
６基のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆは、リンクとして前胴部１１と後胴部１３との間に並列に配置されており、前胴部１１と後胴部１３とを連結している。そして、６基のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのロッド側、シリンダチューブ側は、前胴部１１と後胴部１３とのそれぞれの対向面における外周部分に沿って配置されている。また、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを伸縮させることで、後胴部１３に対して前胴部１１を前進させて、あるいは前胴部１１に対して後胴部１３を後進させて、掘削機１０を少しずつ前進・後進させていくことができる。
【００３８】
本実施形態のように、複数のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを含むパラレルリンク機構１４を備えた掘削機１０では、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク操作と実際の前胴部１１の姿勢との関係がオペレータの直感とは異なる場合があるため、操作が難しい。特に、曲率半径Ｒが小さい曲線部を手動操作によって掘削していく作業は、非常に困難性が高い。
【００３９】
本実施形態では、このような困難性の高い急曲線部を含む掘削作業時において、効果的な制御を実行することにより簡単な入力操作だけで容易に所望の曲線部の掘削を実施することを可能とするものであるが、これを実現するための掘削機１０の制御方法については、後段にて詳述する。
ベルトコンベア１５は、前胴部１１と後胴部１３との間に設けられており、カッタヘッド１２によって掘削された岩盤や砂等を、前胴部１１から後胴部１３へと搬送する。
【００４０】
なお、このベルトコンベア１５の付近には、掘削機１０の前後方向における屈曲ポイントとなる仮想的な中折れ点Ｐｘ（図４参照）を有している。このため、掘削機１０が所望の曲線に沿って掘進していく際には、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量が調整され、この仮想的な中折れ点Ｐｘを屈曲ポイントとして前胴部１１が後胴部１３に対して斜めになることで、直進方向以外の方向への掘削も可能となる。
【００４１】
掘削機１０は、以上の構成により、グリッパ１３ａが第１トンネルＴ１の側壁Ｔ１ａに対して圧接されることで、第１トンネルＴ１内において移動しないように保持された状態で、先端側のカッタヘッド１２を回転させながらパラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを伸ばしてカッタヘッド１２を押し付けることで岩盤等を掘削し前進させる。このときに、掘削機１０では、細かく砕かれた岩石等をベルトコンベア等を用いて後方へと運搬する。このようにして、掘削機１０は、第１トンネルＴ１（図２参照）を掘り進んでいくことができる。
【００４２】
（掘削機１０の制御ブロック）
本実施形態の掘削機１０は、図３に示すように、内部に、入力部２１と、後胴姿勢読込部２２と、中折れ点位置演算部２３と、前胴姿勢演算部２４と、掘進曲線演算部２５と、ジャッキ制御部２６と、を含む制御ブロックが構成される。
入力部２１は、後述するタッチパネル式のモニタ表示画面５０（図５参照）を介して、オペレータからの操作入力を受け付ける。具体的には、前胴部１１の掘進（前進）する方向を手動操作する際に、方向入力部５２の各種キー５２ａ〜５２ｄ（図５参照）等の操作を受け付ける。
【００４３】
後胴姿勢読込部２２は、後胴部１３の現在位置（グリッパ１３ａの位置等）から、その中心位置Ｐ１および中心線Ｃ１（向き）を求める（図４参照）。なお、後胴部１３の中心位置Ｐ１、中心線Ｃ１については、例えば、１日１回、３点のプリズム（図示せず）を用いた外部からの測量によって求めることができる。
中折れ点位置演算部２３は、後胴姿勢読込部２２において求められた後胴部１３の中心位置Ｐ１・中心線Ｃ１の位置情報と、前胴部１１が進むべき目標位置に関する情報と、に基づいて、仮想的な中折れ点Ｐｘ（図４参照）の位置を演算によって求める。
【００４４】
前胴姿勢演算部２４は、後胴姿勢読込部２２において求められた後胴部１３の中心位置Ｐ１・中心線Ｃ１の位置情報と、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量とに基づいて、後胴部１３に対する前胴部１１の中心位置Ｐ２・姿勢（中心線Ｃ２）を演算する。より具体的には、前胴姿勢演算部２４は、図３に示すように、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆにそれぞれ取り付けられたストロークセンサ１６ａ〜１６ｆと接続されており、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量を取得する。これにより、前胴姿勢演算部２４は、前胴部１１の位置・姿勢を演算する際に必要な、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量に関する情報を得ることができる。
【００４５】
掘進曲線演算部２５は、図４に示すように、後胴部１３の中心位置Ｐ１および中心線Ｃ１に関する情報、仮想的な中折れ点Ｐｘに関する位置情報、オペレータによる手動操作に応じた目標位置となる前胴部１１の中心位置Ｐ２に関する情報とに基づいて、後胴部１３の中心位置Ｐ１と目標位置となる前胴部１１の中心位置Ｐ２とを結ぶ滑らかな３次元曲線を演算によって求める。
【００４６】
この曲線は、上述した後胴部１３の中心位置Ｐ１、前胴部１１の中心位置Ｐ２、中折れ点Ｐｘという３点を制御点とするパラメトリック曲線であって、後胴部１３の中心線Ｃ１と前胴部１１の中心線Ｃ２とを接線としている。なお、本実施形態でのパラメトリック曲線は２次ベジェ曲線である。
すなわち、本実施形態では、後胴部１３の中心位置Ｐ１を１つ目の制御点、中折れ点Ｐｘを２つ目の制御点、前胴部の中心位置Ｐ２を３つ目の制御点として、精度良く３次元の円弧軌跡を近似することができる。よって、２つ目の制御点を中折れ中心として用いることで、１次元のパラメータ変化で、３次元的曲率半径Ｒ施工の軌跡（目標値）を演算によって求めることができる。この結果、小さな曲率半径Ｒを含む曲線に沿った掘削時や直進掘削時において、同一のパラメトリック曲線上の点として目標位置を設定することができる。
【００４７】
ジャッキ制御部２６は、掘進曲線演算部２５において演算によって求められたベジェ曲線に沿って前胴部１１が掘削を行うように、パラレルリンク機構１４に含まれる各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量を制御する。
これにより、オペレータが簡単な入力操作をするだけで、滑らかな曲線（２次ベジェ曲線）に沿った掘削を実施することができる。
【００４８】
＜モニタ表示画面５０＞
本実施形態の掘削機１０は、オペレータからの操作入力を受け付ける入力部２１として、図５に示すように、タッチパネル式のモニタ表示画面５０を用いている。本実施形態では、掘進目標位置を入力するインターフェースとして、モニタ表示画面５０を介して、上下方向、左右方向、前進方向の３点を入力することができる。
【００４９】
モニタ表示画面５０には、図５に示すように、掘進・後退設定部５１と、方向入力部５２と、ジャッキ操作部５３と、ずれ量表示部５４と、が表示される。
掘進・後退設定部５１は、掘削機１０の移動方向（前進・後退）を切り替えるスイッチであって、掘進ボタン５１ａと、後退ボタン５１ｂとを有している。
掘進ボタン５１ａは、掘削機１０を前進させる際に押下される。そして、掘進ボタン５１ａが押下されると、掘削機１０が前進するように、カッタヘッド１２、後胴部１３のグリッパ１３ａおよびパラレルリンク機構１４の制御が行われる。
【００５０】
後退ボタン５１ｂは、所望の位置までトンネル掘削が完了した場合等に掘削機１０をトンネルに沿って後退させる際に押下される。そして、後退ボタン５１ｂが押下されると、掘削機１０が前進するように、後胴部１３のグリッパ１３ａおよびパラレルリンク機構１４の制御が行われる。
方向入力部５２は、目標位置に向かって掘進中にずれが生じた場合にオペレータによって操作され、複数の方向ボタン（上ボタン５２ａ、下ボタン５２ｂ、右ボタン５２ｃ、左ボタン５２ｄ）を有している。
【００５１】
上ボタン５２ａ、下ボタン５２ｂ、右ボタン５２ｃ、左ボタン５２ｄは、オペレータがずれ量表示部５４を見ながらずれ量がどの方向に生じているかを確認しながら、ずれ量が小さくなる方向のボタンが操作される。これにより、オペレータは、ずれ量表示部５４を見ながら、直感的にずれ量を解消する方向にボタン操作するだけで、掘削機１０が目標位置に向かって掘進していくように制御することができる。
【００５２】
ジャッキ操作部５３は、パラレルリンク機構１４に含まれる６基のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆの動作を設定する操作入力部であって、伸ボタン５３ａ、止ボタン５３ｂ、
縮ボタン５３ｃを有している。
伸ボタン５３ａは、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを伸びる方向に駆動させる際に操作される。
【００５３】
止ボタン５３ｂは、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆの動きを停止させる際に操作される。
縮ボタン５３ｃは、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを縮める方向に駆動させる際に操作される。
ずれ量表示部５４は、後胴部１３に対する前胴部１１の位置・姿勢、および、現在、掘進中の掘削機１０の前胴部１１が目標位置に対してどの程度ずれているのかを表示する。また、ずれ量表示部５４は、第１表示部５４ａと、第２表示部５４ｂとを有している。
【００５４】
第１表示部５４ａは、後胴部１３の中心位置Ｒ１、中心線Ｒと、前胴部１１の中心位置Ｆ１、中心線Ｆ、外形線（姿勢）Ａと、掘削装置の中折れ点Ｐｘと、予め設定された所望の曲線である計画掘削線ＤＬと、を表示する。第１表示部５４ａは、中折れ点Ｐｘを基準にして、前胴部１１の中心位置（前胴原点）Ｆ１がどの方向に向いているかを示している。図５に示す例では、前胴部１１の中心位置が右方向にずれていることを示している。また、第１表示部５４ａは、計画掘削線ＤＬから前胴部中心位置Ｆ１のずれを表示している。図５では、計画掘削線ＤＬは、図を見易くするために、右にずらして表示されている。
【００５５】
第２表示部５４ｂは、中折れ点Ｐｘを中心位置として、正面視において前胴部１１の中心位置が上下・左右方向においてどの方向にずれているかを表示する。図５に示す例では、前胴部１１の中心位置が後胴部１３の中心位置に対して右やや上にずれていることを示している。
本実施形態では、オペレータが図５に示すモニタ表示画面５０に操作入力を行うことで、以下のような操作を実施することができる。
【００５６】
具体的には、掘進ボタン５１ａをＯＮ状態とし、伸ボタン５３ａが押下されると、後胴部１３のグリッパ１３ａがトンネルの側壁に向かって張り出して、前胴部１１のグリッパ１１ａは張り出さず、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが伸びる方向に駆動される。これにより、後胴部１３の位置はそのままで、前胴部１１だけを前進させることができる。
【００５７】
また、掘進ボタン５１ａをＯＮ状態とし、縮ボタン５３ｃが押下されると、後胴部１３のグリッパ１３ａは張り出さず、前胴部１１のグリッパ１１ａが側壁に対して張り出した状態で、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが縮む方向に駆動される。これにより、前胴部１１の位置はそのままで、後胴部１３の位置を掘削方向に後進させることができる。
【００５８】
さらに、後退ボタン５１ｂをＯＮ状態とし、伸ボタン５３ａが押下されると、後胴部１３のグリッパ１３ａは張り出さず、前胴部１１のグリッパ１１ａが張り出した状態で、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが伸びる方向に駆動される。これにより、前胴部１１の位置はそのままで、後胴部１３だけを後退させることができる。
また、後退ボタン５１ｂをＯＮ状態とし、縮ボタン５３ｃが押下されると、後胴部１３のグリッパ１３ａが張り出し、前胴部１１のグリッパ１１ａが張り出さない状態で、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが縮む方向に駆動される。これにより、後胴部１３の位置はそのままで、前胴部１１だけを後退させることができる。
【００５９】
＜掘削機１０の制御方法＞
本実施形態の掘削機１０の制御方法について、図６のフローチャートを用いて説明すれば以下の通りである。
すなわち、本実施形態の掘削機１０では、例えば、設計図に基づいて設定された曲線に沿って自動掘削運転中に、岩盤質の変化等に起因して、図５に示すずれ量表示部５４に表示されるずれ量が所定量を超えた場合には、目標位置に向かって掘削が実施されるように、オペレータが手動で方向入力部５２の操作を行う。
【００６０】
具体的には、まず、ステップＳ１１において、手動操作入力による掘削機１０の制御が開始されると、ステップＳ１２において、後胴部１３の現在位置から後胴部１３の中心位置Ｐ１の位置、中心線Ｃ１が求められる。そして、後胴部１３の中心位置Ｐ１および中心線Ｃ１の情報、およびパラレルリンク機構１４に含まれる複数のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量から、前胴部１１の中心位置を求める。
【００６１】
なお、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストローク量については、各スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆに取り付けられたストロークセンサ１６ａ〜１６ｆ（図３参照）から取得することができる。なお、ストロークセンサ１６ａ〜１６ｆは、シリンダチュ−ブに対するピストンロッドの位置（ストローク）を検出する位置センサである。
次に、ステップＳ１３では、ステップＳ１２において求められた後胴部１３の中心位置Ｐ１および中心線Ｃ１の情報、前胴部１１の中心位置Ｐ２の情報に基づいて、演算によって中折れ点Ｐｘが求められる。
【００６２】
次に、ステップＳ１４では、方向入力部５２の各方向ボタン（上ボタン５２ａ、下ボタン５２ｂ、右ボタン５２ｃ、左ボタン５２ｄ）がオペレータによって操作され、カッタヘッド１２（前胴部１１）の目標位置が入力される。
なお、各方向ボタンは、オペレータによって繰り返し押下されることで、目標位置を所望の方向に設定することができる。
【００６３】
次に、ステップＳ１５では、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが伸張した状態での前胴部１１の中心位置Ｐ２を演算によって求める。
次に、ステップＳ１６では、ステップＳ１５において演算によって求められた前胴部１１の中心位置Ｐ２と後胴部１３の現在の中心位置Ｐ１とから、パラレルリンク機構１４のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが伸張した状態での中折れ点Ｐｘの位置を演算によって求める。
【００６４】
次に、ステップＳ１７では、ステップＳ１５，１６において求められたスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆが伸張した状態での前胴部１１の中心位置Ｐ２、後胴部１３の中心位置Ｐ１、および中折れ点Ｐｘに基づいて、これら３次元空間にある３点を制御点とするパラメトリック曲線を演算によって求める。
具体的には、パラメトリック曲線は、媒介変数ｔの２次式で示される２次ベジェ曲線Ｐ12であり、以下の関係式（１）によって求めることができる。
【００６５】
Ｐ12(ｔ)＝(１−ｔ)2Ｐ0＋２(１−ｔ)ｔＰ1＋ｔ2Ｐ2・・・・・・（１）
ここで、制御点Ｐ0は後胴部１３の中心位置Ｐ１、Ｐ1は中折れ点Ｐｘ、Ｐ2は前胴部１１の中心位置Ｐ２を示している。各Ｐ1、Ｐｘ、Ｐ2は３次元の空間座標である。関係式（１）によって３次元空間を通り１つのピークを持つ２次曲線が生成される。
これにより、目標位置入力によるパラレルリンク機構１４のジャッキ制御において、目標位置、中折れ位置、後胴位置の３点を制御点とする２次ベジェ曲線を演算することで、そのベジェ曲線に沿ってスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのストロークを制御することができる。
【００６６】
次に、ステップＳ１８では、ステップＳ１７において求められたベジェ曲線に基づいて、実際に、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを制御しながら掘進していく。
本実施形態の掘削機１０では、以上の様な制御方法により、オペレータによる手動操作の入力を受け付けて微調整しながら掘削を行う場合でも、後胴部１３の中心位置Ｐ１、中心線Ｃ１から目標位置となる前胴部１１の中心位置Ｐ２および中折れ点Ｐｘを演算し、位置Ｐ１、Ｐ２，Ｐｘの３点を制御点とするベジェ曲線に沿って掘削が行われる。
【００６７】
これにより、曲線を含む掘削を実施する際に、スラストジャッキ１４ａ〜１４ｆのサーボ制御の目標値の計算を幾何学的に容易に行うことができるため、簡単な操作入力だけで滑らかな曲線に沿って掘削を行うことができる。
＜トンネル掘削方法＞
本実施形態に係る掘削機１０による掘削方法について、図７を用いて説明すれば以下の通りである。
【００６８】
すなわち、本実施形態では、上述した掘削機１０を制御して、以下のように坑道掘削を行う。
図７は、既設の２本のトンネルＴ０から、互いに略平行な３本の第１掘削線Ｌ１に沿って、３本の第１トンネルＴ１を掘削していく手順を示している。
なお、図７では、掘削機１０は掘削機１０のための駆動源等を備えたバックアップトレーラ３１を従えて、既設のトンネルＴ０と第１トンネルＴ１へと分岐していく位置まで掘削機１０を牽引車によって移動させていく状態を示している。
【００６９】
このとき、既設のトンネルＴ０から第１トンネルＴ１へ分岐する曲率半径Ｒが小さい部分には、コーナー用反力受け部３０が設置されている。これにより、第１トンネルＴ１へ分岐する曲率半径Ｒが小さい曲線部においても、掘削機１０は、グリッパ１３ａをコーナー用反力受け部３０に当接させながら第１トンネルＴ１の掘削を進めていくことができる。
【００７０】
次に、図７に示すように、第１掘削線Ｌ１に沿って、掘削機１０によって岩盤等を掘削しながら、掘削機１０およびバックアップトレーラ３１を移動させていく。これにより、第１トンネルＴ１を所望の位置に形成することができる。
次に、離間した位置に形成された既設のトンネルＴ０まで掘削が完了して第１トンネルＴ１がトンネルＴ０，Ｔ０間を貫通すると、掘削機１０とバックアップトレーラ３１は、牽引車によって後退して初期位置まで戻される。
【００７１】
なお、第１トンネルＴ１がトンネルＴ０まで到達した部分には、コーナー用反力受け部３０が設置されている。
次に、掘削された第１トンネルＴ１に略平行な新たな第１トンネルＴ１を掘削するために、再度、第１掘削線Ｌ１に沿って掘削機１０を移動させる。
次に、これらの手順を繰り返して互いに略平行な第１トンネルＴ１を３本掘削する。
【００７２】
これにより、本実施形態の掘削機１０によれば、曲率半径Ｒが小さい曲線部を含む坑道掘削を行う場合でも、上述した掘削機１０の制御方法によって、簡単な操作入力によって滑らかな曲線に沿って掘削を実施することができる。
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００７３】
（Ａ）
上記実施形態では、６基のスラストジャッキ１４ａ〜１４ｆを含むパラレルリンク機構１４を備えた掘削機１０を例として挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
パラレルリンク機構を構成するスラストジャッキの基数は、例えば、８基、１０基等、６本より多ければ何基でもよい。
【００７４】
（Ｂ）
上記実施形態では、オペレータの操作入力を受け付けるインターフェースとして、タッチパネル式のモニタ表示画面５０を用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、タッチパネル式のモニタ以外にも、一般的なＰＣ画面を見ながらキーボードやマウス等で操作入力を行ってもよい。
【００７５】
（Ｃ）
上記実施形態では、モニタ表示画面５０に、各種操作部（掘進・後退設定部５１と、方向入力部５２と、ジャッキ操作部５３と、ずれ量表示部５４）を配置した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、モニタ表示画面に表示させる表示態様としては、他の態様を採用してもよい。
【００７６】
（Ｄ）
上記実施形態では、生成する曲線としてパラメトリック曲線である２次ベジェ曲線を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、パラメトリック曲線としてスプライン曲線を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のトンネル掘削装置は、手動操作によってトンネル掘削を行う場合でも、簡単な操作によって曲線部分を含む掘削を実施することができるという効果を奏することから、トンネル掘削を行う掘削機に対して広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１０      掘削機（トンネル掘削装置）
１１      前胴部
１１ａ    グリッパ
１２      カッタヘッド
１２ａ    ディスクカッタ
１３      後胴部
１３ａ    グリッパ
１４      パラレルリンク機構
１４ａ〜１４ｆ  スラストジャッキ
１５      ベルトコンベア
１６ａ〜１６ｆ  ストロークセンサ
２１      入力部
２２      後胴姿勢読込部
２３      中折れ点位置演算部（演算部）
２４      前胴姿勢演算部
２５      掘進曲線演算部
２６      ジャッキ制御部
３０      反力受け部
３１      バックアップトレーラ
５０      モニタ表示画面
５１      掘進・後退設定部
５１ａ    掘進ボタン
５１ｂ    後退ボタン
５２      方向入力部
５２ａ    上ボタン
５２ｂ    下ボタン
５２ｃ    右ボタン
５２ｄ    左ボタン
５３      ジャッキ操作部
５３ａ    伸ボタン
５３ｂ    止ボタン
５３ｃ    縮ボタン
５４      ずれ量表示部
５４ａ    第１表示部
５４ｂ    第２表示部
Ｃ１      後胴部の中心線
Ｃ２      前胴部の中心線
Ｌ１      第１掘削線
Ｐ１      後胴部の中心位置
Ｐ２      前胴部の中心位置
Ｐｘ      中折れ点
Ｔ０      トンネル
Ｔ１      第１トンネル
Ｔ１ａ    側壁
【図１】
2015105512.tif 000003
【図２】
2015105512.tif 000004
【図３】
2015105512.tif 000005
【図４】
2015105512.tif 000006
【図５】
2015105512.tif 000007
【図６】
2015105512.tif 000008
【図７】
2015105512.tif 000009