(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間支持方式のトンネル掘進機であって、
回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、
前記カッタヘッドを前記回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、
前記カッタヘッドの前記回転軸線から半径方向に所定距離隔てた位置に等角度間隔で配置され、前記カッタヘッドを支持し、かつ、前記カッタヘッドと共に回転するカッタコラムと、
前記カッタヘッドおよび前記カッタコラムを回転駆動するカッタ駆動部と、
前記カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、
前記カッタコラムのうちの等角度間隔で配置された複数の前記カッタコラムに設けられ、前記カッタコラムの前記回転軸線方向の歪みを計測する歪みセンサと、
前記歪みセンサおよび前記回転位置検出部の検出結果に基づき、前記カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けて前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、
前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力は、前記推力による掘進方向の力であって、前記推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である、トンネル掘進機。
【請求項２】
回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、
前記カッタヘッドを前記回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、
前記カッタヘッドを支持し、かつ、前記カッタヘッドと共に回転するカッタ支持部と、
前記カッタヘッドおよび前記カッタ支持部を回転駆動するカッタ駆動部と、
前記カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、
前記カッタヘッドの筒状であるカッタスポーク自体の内側面に設けられ、前記回転軸線方向における前記カッタスポークの曲げ歪みを計測する歪みセンサと、
前記歪みセンサおよび前記回転位置検出部の検出結果に基づき、前記カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けて前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、
前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力は、前記推力による掘進方向の力であって、前記推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である、トンネル掘進機。
【請求項３】
中間支持方式のトンネル掘進機であって、
回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、
前記カッタヘッドを前記回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、
複数の歪みセンサと、
前記カッタヘッドを支持し、かつ、前記カッタヘッドと共に回転し、チャンバ内を周方向に移動する中空筒状部材であり、周方向の対となる側壁面の内側表面に前記歪みセンサがそれぞれ設置されているカッタコラムと、
前記カッタヘッドおよび前記カッタコラムを回転駆動するカッタ駆動部と、
前記カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、
前記歪みセンサおよび前記回転位置検出部の検出結果に基づき、前記カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けて前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、
前記カッタヘッドに作用する前記回転軸線方向の力は、前記推力による掘進方向の力であって、前記推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である、トンネル掘進機。
【請求項４】
前記歪みセンサは、所定の回転角度間隔で３個所以上に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
【請求項５】
前記歪みセンサの近傍に設置された温度センサをさらに備え、
前記データ処理部は、前記温度センサにより検出された前記歪みセンサの近傍の温度に基づいて前記歪みセンサの検出結果を温度補償するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
【請求項６】
前記歪みセンサは、前記カッタスポークの、前記カッタヘッドの前記回転軸線方向に略平行かつ前記カッタヘッドの中心部から外周方向に伸びる設置面に設けられている、請求項２に記載のトンネル掘進機。
【請求項７】
前記歪みセンサが設けられる前記カッタスポークの内側面は、前記カッタヘッドの前記回転軸線方向に略垂直かつ前記カッタヘッドの中心部から外周方向に延びる面である、請求項２に記載のトンネル掘進機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘進機に関し、特に、カッタヘッドを備えたトンネル掘進機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カッタヘッドを備えたトンネル掘進機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、カッタヘッドと、カッタヘッドを支持する中間ビームと、カッタヘッドおよび中間ビームを回転駆動するカッタ駆動部とを備えたトンネル掘進機が開示されている。トンネル掘進機は、カッタ駆動部によりカッタヘッドを回転させながら、推進ジャッキの推力により前進することによって、掘進を行う。
【０００４】
トンネル掘進機による掘削では、事前のボーリング調査等によって掘進経路の地質を大まかに把握することができるものの、予期せぬ埋設物、地層の変化を予め正確に知ることは困難である。そのため、カッタトルク（カッタ駆動部の回転トルク）、ジャッキ推力（推進ジャッキの推力）や掘進速度などをモニタリングしながら掘り進めることが行われている。
【０００５】
掘削中には、異種の地層間を跨がるように掘進したり、埋設物または礫に遭遇したりする場合があり、その場合、カッタヘッドには、偏荷重（カッタヘッドに作用する力の分布の偏り）が発生することになる。偏荷重の発生は、カッタヘッドおよびカッタ駆動部の損傷や、カッタビット（掘削刃）の異常摩耗などの要因になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２７３８８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のジャッキ推力などからカッタヘッドに作用する力の分布を推定しようとしても、トンネル掘進機の胴体と地山との抵抗を正確に見積もることができないことや、カッタヘッドに偏荷重が作用しても胴体が地山によって支えられているために推進ジャッキの推力には偏荷重が反映され難いことなどの理由から、力の分布を精度良く推定することは困難である。そのため、従来、カッタヘッドに作用する力の分布を精度良く検出することができないという問題点がある。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、カッタヘッドに作用する力の分布を精度良く検出することが可能なトンネル掘進機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるトンネル掘進機は、中間支持方式のトンネル掘進機であって、回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、カッタヘッドを回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、カッタヘッドの回転軸線から半径方向に所定距離隔てた位置に等角度間隔で配置され、カッタヘッドを支持し、かつ、カッタヘッドと共に回転するカッタコラムと、カッタヘッドおよびカッタコラムを回転駆動するカッタ駆動部と、カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、カッタコラムのうちの等角度間隔で配置された複数のカッタコラムに設けられ、カッタコラムの回転軸線方向の歪みを計測する歪みセンサと、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けてカッタヘッドに作用する回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、カッタヘッドに作用する回転軸線方向の力は、推力による掘進方向の力であって、推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である。
この発明の第２の局面におけるトンネル掘進機は、回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、カッタヘッドを回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、カッタヘッドを支持し、かつ、カッタヘッドと共に回転するカッタ支持部と、カッタヘッドおよびカッタ支持部を回転駆動するカッタ駆動部と、カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、カッタヘッドの筒状であるカッタスポーク自体の内側面に設けられ、回転軸線方向におけるカッタスポークの曲げ歪みを計測する歪みセンサと、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けてカッタヘッドに作用する回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、カッタヘッドに作用する回転軸線方向の力は、推力による掘進方向の力であって、推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である。
この発明の第３の局面におけるトンネル掘進機は、中間支持方式のトンネル掘進機であって、回転軸線周りに回転するカッタヘッドと、カッタヘッドを回転軸線方向に沿って推進させる推力を発生する推進ジャッキと、複数の歪みセンサと、カッタヘッドを支持し、かつ、カッタヘッドと共に回転し、チャンバ内を周方向に移動する中空筒状部材であり、周方向の対となる側壁面の内側表面に歪みセンサがそれぞれ設置されているカッタコラムと、カッタヘッドおよびカッタコラムを回転駆動するカッタ駆動部と、カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けてカッタヘッドに作用する回転軸線方向の力を取得するデータ処理部とを備え、カッタヘッドに作用する回転軸線方向の力は、推力による掘進方向の力であって、推力の反力として地山から作用する力の方向と対向する方向の力である。
【００１０】
この発明の第１〜第３の局面によるトンネル掘進機では、上記のように、カッタヘッドのカッタスポーク自体またはカッタコラムに歪みセンサを設けることによって、ジャッキ推力などからカッタヘッドに作用する力を推定する場合と異なり、カッタヘッドまたはカッタコラムに発生する歪みから、カッタヘッドに実際に作用する力をより直接的に、精度良く検出することができる。そして、カッタヘッドの回転方向の位置を検出する回転位置検出部と、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタヘッドの回転方向の位置と対応付けてカッタヘッドに作用する力を取得するデータ処理部とを設けることによって、歪みセンサから得られるカッタヘッドに作用する力を、たとえばカッタヘッドの１回転分（３６０度）にわたる回転方向の分布として取得することができる。これらにより、本発明によれば、カッタヘッドに作用する力の分布を精度良く検出することができる。この結果、得られた力の分布からカッタヘッドに偏荷重が発生しているか否かおよび偏荷重が発生している回転方向の位置を判別することができるので、地層の変化や埋設物の存在および位置を早期に把握することが可能となり、地層の変化や埋設物の存在に起因するカッタヘッドおよびカッタ駆動部の損傷やカッタビットの異常摩耗などの未然防止を図ることが可能となる。また、回転軸線方向の力の分布において偏荷重が存在しているか否かに基づいて、現在掘削している掘進方向前方の地層の急な変化や、埋設物などに遭遇したことを把握できるとともに、地層の変化箇所や埋設物の掘削面に対する位置を把握することが可能となる。また、回転軸線方向の力の分布において、全体（平均）としては許容範囲内に収まっていても局所的に大きな荷重が発生している場合など、カッタヘッドの軸受やシール部への局所的な負荷の発生を把握することが可能となる。これらの状況を把握することによって、トンネル掘削工事におけるトラブルの未然防止に役立てることが可能となる。
【００１２】
上記第１〜第３の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、歪みセンサは、所定の回転角度間隔で３個所以上に設けられている。このように構成すれば、カッタヘッドの１回転分の力の分布を、より少ない回転角度で取得することができる。たとえば１２０度間隔の３つの歪みセンサを設ければ、１／３回転で１回転分の力の分布を取得することができるようになるので、カッタヘッドへの偏荷重の発生を早期に検出することができる。また、３個所以上の歪みセンサによって、カッタヘッドの停止状態でもカッタヘッドに作用する力の分布をある程度把握することができる。そのため、トンネル掘進機を停止させた場合の状況把握にも寄与することができる。
【００１３】
上記第１〜第３の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、歪みセンサの近傍に設置された温度センサをさらに備え、データ処理部は、温度センサにより検出された歪みセンサの近傍の温度に基づいて歪みセンサの検出結果を温度補償するように構成されている。このように構成すれば、掘進に伴って発生する掘削熱によるカッタヘッド内部の温度変化の影響を、温度補償により除去することができる。その結果、カッタヘッドに作用する力の分布をより高精度に検出することができる。
【００１５】
上記第２の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、歪みセンサは、カッタスポークの、カッタヘッドの回転軸線方向に略平行かつカッタヘッドの中心部から外周方向に伸びる設置面に設けられている。
上記第２の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、歪みセンサが設けられるカッタスポークの内側面は、カッタヘッドの回転軸線方向に略垂直かつカッタヘッドの中心部から外周方向に延びる面である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように、カッタヘッドに作用する力の分布を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態によるトンネル掘進機の模式的な縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるトンネル掘進機の模式的な正面図である。
【図３】図１に示したトンネル掘進機のカッタコラムの５００−５００線に沿った断面と、Ｂ方向およびＣ方向の矢視断面とを示したカッタコラム内部の展開図である。
【図４】歪みセンサによる歪み計測を行うためのブリッジ回路を示した図である。
【図５】歪み計測を行うための機器を示したブロック図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるトンネル掘進機のデータ処理装置による歪み計測フローである。
【図７】本発明の第１実施形態によるトンネル掘進機のデータ処理装置による演算フローである。
【図８】トンネル掘進機のジャッキ推力から求めたカッタ推力の計測結果を示した図である。
【図９】図８のカッタ推力の計測時におけるカッタコラムの歪み計測結果を示した図である。
【図１０】カッタ推力とカッタコラムの歪みとの関係を説明するためのグラフである。
【図１１】図９の歪み計測結果をカッタヘッドの回転角度毎に示したレーダーチャートである。
【図１２】（Ａ）は、本発明の第２実施形態によるトンネル掘進機の模式的な縦断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示したトンネル掘進機の模式的な部分正面図である。
【図１３】（Ａ）は、第２実施形態の変形例によるトンネル掘進機の模式的な縦断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示したトンネル掘進機の模式的な部分正面図である。
【図１４】（Ａ）は、本発明の第３実施形態によるトンネル掘進機の模式的な縦断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示したトンネル掘進機の模式的な部分正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態によるトンネル掘進機１の全体構成について説明する。
【００２０】
トンネル掘進機１は、掘削面を構成するカッタヘッド１１と、カッタコラム１２および旋回台１３と、カッタ駆動部１４とを備えている。第１実施形態では、トンネル掘進機１は、カッタヘッド１１の支持方式として中間支持方式を採用した中〜大口径タイプの例を示している。中間支持方式では、カッタヘッド１１は、回転駆動される円環状の旋回台１３に対して、回転軸線方向（Ｘ方向）に延びる脚部（カッタコラム１２）によって取り付けられる。旋回台１３は、前胴部１５の隔壁（バルクヘッド）１６に設けられた軸受１７によって回転軸回りに回転可能に支持される。カッタコラム１２は、本発明の「カッタ支持部」の一例である。
【００２１】
なお、以下では、トンネル掘進機１のカッタヘッド１１および前胴部１５の各部のみを説明し、その他の後胴部などについては説明を省略する。
【００２２】
カッタヘッド１１は、掘進方向から見て円形状（図２参照）に形成されており、回転軸線Ａ周りに回転するように構成されている。カッタヘッド１１は、掘進方向前方（Ｘ１方向）の掘削面にカッタビット１１ａを有する。カッタビット１１ａは、複数の放射状のスポーク部１１ｂ（図２参照）にそれぞれ複数取り付けられている。カッタビット１１ａによって削られた掘削土は、貫通孔を通ってカッタヘッド１１の内部に進入し、土圧シールドの場合であれば図示しないスクリューコンベアによって運び出される。なお、泥水シールドの場合には、カッタヘッド１１と隔壁１６との間のカッタチャンバー内に泥水を送り込んで掘削土をスラリー化し、スラリー化した掘削土を図示しない配管から排出する。
【００２３】
カッタコラム１２は、中空筒状の梁部材（ビーム）であり、カッタヘッド１１を支持し、かつ、カッタヘッド１１と共に回転するように構成されている。カッタコラム１２は、前方（Ｘ１方向）端部がカッタヘッド１１のスポーク部１１ｂに取り付けられ、後方（Ｘ２方向）端部が旋回台１３に取り付けられている。
【００２４】
図２に示すように、カッタコラム１２は、回転軸線Ａから半径方向に所定距離隔てた位置に等角度間隔で配置されている。具体的には、カッタヘッド１１において８本のスポーク部１１ｂが４５度間隔で設けられており、カッタコラム１２は、それぞれのスポーク部１１ｂに１つずつ、合計８つ設けられている。したがって、カッタコラム１２は、回転軸線Ａ回りに４５度の等角度間隔で配置されている。カッタコラム１２は、角柱形状を有する。
【００２５】
図１に戻り、旋回台１３は、円環状に形成され、前方（Ｘ１方向）側で複数（８本）のカッタコラム１２を支持している。旋回台１３は、前胴部１５の隔壁１６に設けられた軸受１７によって回転軸線Ａ回りに回転可能に支持されている。旋回台１３と隔壁１６との間は、シール部１８および１９によってシールされている。シール部１８は、回転軸線方向に所定のシールクリアランスを維持し、シール部１９は半径方向に所定のシールクリアランスを維持するように設けられている。
【００２６】
カッタ駆動部１４は、隔壁１６の後方（Ｘ２方向）に配置されており、旋回台１３に駆動トルクを付与して回転軸線Ａ回りに回転駆動するように構成されている。このように、カッタヘッド１１はカッタコラム１２および旋回台１３により回転軸線Ａ回りに回転可能に支持され、カッタヘッド１１、カッタコラム１２および旋回台１３がカッタ駆動部１４によって一体的に回転（旋回）される。一方、前胴部１５や隔壁１６は回転しない静止体である。
【００２７】
トンネル掘進機１は、カッタヘッド１１の回転方向の位置（回転角度）を検出するロータリーエンコーダ２０（以下、エンコーダ２０という）を備えている。エンコーダ２０は、隔壁１６の後方（Ｘ２方向）に設けられ、カッタヘッド１１（旋回台１３）の回転角度を取り出して検出する。エンコーダ２０は、回転角度の絶対位置が検出可能なアブソリュート型が採用されており、カッタヘッド１１の基準位置（たとえば図２に示す位置）からの回転角度θ（０度〜３５９度）を検出する。エンコーダ２０は、本発明の「回転位置検出部」の一例である。
【００２８】
トンネル掘進機１は、前胴部１５に設けられた推進ジャッキ２１の推進力によって掘進方向（Ｘ１方向）に推進する。なお、回転軸線方向の前方が、掘進方向である。推進ジャッキ２１は、複数本で１つのブロックを構成し、複数のブロックが、円筒形状の前胴部１５の内周に略全周にわたって配列されている。推進ジャッキ２１の推進力（ジャッキ推力）は、ブロック毎に制御可能である。
【００２９】
ここで、第１実施形態では、トンネル掘進機１は、カッタヘッド１１に作用する力を計測するための歪みセンサ２２と、歪みセンサ２２の検出結果からカッタヘッド１１に作用する力を取得するデータ処理装置（データ処理部）２３とを備えている。歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１またはカッタコラム１２に設けることが可能であるが、第１実施形態では、歪みセンサ２２をカッタコラム１２に設けた例を示している。
【００３０】
歪みセンサ２２は、所定の回転角度間隔で３個所以上に設けられている。具体的には、図２に示すように、歪みセンサ２２は、約４５度の等角度間隔で配置された８本のカッタコラム１２のうちで、約９０度間隔の４本のカッタコラム１２（ハッチング部）の内部にそれぞれ（４個所）設けられている。
【００３１】
このように３６０度を４分割（９０度）するように歪みセンサ２２を設けることにより、カッタヘッド１１を１／４回転させるだけで１周分の歪み計測値が得られる。また、カッタヘッド１１を停止させたままでも、カッタヘッド１１の掘削面内の４点の力の分布を得ることができる。なお、歪みセンサ２２は１つであってもよい。その場合、カッタヘッド１１を１回転すれば回転方向の全周にわたる歪み計測値が得られる。また、８本のカッタコラムの全てに歪みセンサを設けてもよい。
【００３２】
歪みセンサ２２は、図３に示すように、カッタコラム１２のうち、カッタヘッド１１の回転軸線方向に略平行な設置面１２ａに取り付けられている。具体的には、カッタコラム１２は矩形断面の角筒形状を有し、周方向側の一対の側面１２ｂと、半径方向側の一対の側面１２ｃとを有する。そして、歪みセンサ２２は、周方向側の一対の側面１２ｂの内側表面である一対の設置面１２ａにそれぞれ配置されている。なお、図３に示した例では、周方向側の側面１２ｂと、半径方向側の側面１２ｃとのいずれもが、回転軸線方向に略平行である。
【００３３】
歪みセンサ２２は、一対の設置面１２ａにおいて、それぞれ２つずつ取り付けられる。つまり、１つのカッタコラム１２には、合計４つの歪みセンサ２２が設けられる。各設置面１２ａの２つの歪みセンサ２２は、１つが回転軸線方向（Ｘ方向）と略平行に配置され、他の１つが回転軸線方向（Ｘ方向）と略垂直に配置されている。つまり、直交配置の４ゲージ法により回転軸線方向の歪みが計測される。カッタヘッド１１に作用する主要な力は、掘進方向の推力であるので、カッタコラム１２の歪みは、主として掘進方向（回転軸線方向、Ｘ方向）に対して圧縮される方向に生じる。そのため、上記の直交配置の４ゲージ法により、１ゲージによる計測と比較して掘進時の回転軸線方向の歪み（圧縮）の検出感度を高め、他方向の応力成分の影響を除去している。４ゲージ法による歪み計測は、図４に示すように、４つの歪みセンサ２２を接続したブリッジ回路２４から出力電圧を取り出すことにより行われる。これにより、１つのカッタコラム１２に対して４つの歪みセンサ２２によって、カッタコラム１２の回転軸線方向（＝掘進方向、Ｘ方向）の圧縮歪みが計測される。
【００３４】
また、第１実施形態では、トンネル掘進機１は、歪みセンサ２２の近傍に設置された温度センサ２５を備えている。温度センサ２５は、一方の設置面１２ａにおいて歪みセンサ２２の近傍の温度を検出する。掘進時には、掘削時の発熱（掘削熱）の影響によりカッタヘッド１１やカッタコラム１２の温度が上昇する。温度センサ２５は、温度補償により歪み計測への掘削熱の影響を除去するために設けられている。
【００３５】
図１に示すように、それぞれの歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１の中心部１１ｃの内部に設置された中継ボックス２６に接続されている。図５に示すように、中継ボックス２６は、歪みセンサ２２用のアンプ２６ａと、温度センサ２５用のアンプ２６ｂと、通信機器２６ｃと、電源装置２６ｄとを有する。通信機器２６ｃは、ロータリージョイント２７を介してデータ処理装置２３に接続されており、通信機器２６ｃは、アンプ２６ａおよびアンプ２６ｂからそれぞれ出力される信号を変換して、検出信号としてデータ処理装置２３に出力する。電源装置２６ｄは、ロータリージョイント２７を介して外部の電源２８に接続されており、電源装置２６ｄは、アンプ２６ａおよびアンプ２６ｂおよび通信機器２６ｃに電源供給を行う。
【００３６】
データ処理装置２３は、ＣＰＵおよびメモリなどを備えたコンピュータである。データ処理装置２３は、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、カッタヘッド１１の回転方向の位置（回転角度θ）と対応付けてカッタヘッド１１に作用する力を取得する機能を有する。第１実施形態では、データ処理装置２３は、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布を取得するように構成されている。
【００３７】
データ処理装置２３は、ロータリージョイント２７を介して中継ボックス２６と接続されており、中継ボックス２６の通信機器２６ｃから歪みセンサ２２の検出信号を取得する。また、データ処理装置２３は、エンコーダ２０からカッタヘッド１１の回転方向の位置（回転角度θ）の検出信号を取得する。データ処理装置２３は、エンコーダ２０により得られた回転角度毎に、各カッタコラム１２の歪み計測値を対応付けて逐次算出して記録する。そして、データ処理装置２３は、各カッタコラム１２の回転角度毎の歪み計測値から、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布を算出する。なお、データ処理装置２３は、カッタヘッド１１に作用する力の回転方向分布以外にも、ある時点における４個所の歪みセンサ２２から得られる回転軸線方向の力の平均値（カッタヘッド１１に作用する推力）なども算出することが可能である。
【００３８】
また、データ処理装置２３は、中継ボックス２６の通信装置２６ｃから温度センサ２５の検出信号を取得する。そして、データ処理装置２３は、温度センサ２５により検出された歪みセンサ２２の近傍の温度に基づいて、歪みセンサ２２の検出結果を温度補償するように構成されている。温度補償は、事前に算出された温度センサ２５の検出温度と歪みセンサ２２の補償量とを対応付ける温度補償関数を用いて行う。本実施形態では、データ処理装置２３は、カッタコラム１２が所定温度以上に温度上昇した場合に温度補償を行うように構成されている。たとえば、データ処理装置２３は、温度センサ２５の検出温度が５０℃以上に温度上昇した場合に温度補償を行う。なお、常時温度補償を行うようにデータ処理装置２３を構成してもよい。
【００３９】
データ処理装置２３は、図１に示すように、トンネル掘進機１のオペレーションルーム（運転室）２９のコンピュータや、地上のモニタリング室（図示せず）のコンピュータと接続されており、取得した計測データを出力することが可能である。たとえば、データ処理装置２３は、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力（推力）の時間変化または歪みの時間変化（図８〜図９参照）や、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力または歪みの回転角度毎のプロット（レーダーチャート、図１１参照）を出力することが可能である。
【００４０】
図１１のレーダーチャートでは、中心からの半径方向がカッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力の大きさ（歪みの大きさ）を表し、回転方向がカッタヘッド１１の回転角度θを表す。力（荷重）の分布が均一であるほど、プロットの軌跡はチャート中心を中心とする正円に近づき、偏荷重が発生している場合にはプロットの軌跡が正円からずれて歪んだ形状となる。そのため、たとえば図１１のチャートにおいて所定の回転角度で過荷重となる場合などに、データ処理装置２３は、オペレーションルーム２９に注意を促す報知を送信することが可能である。たとえば、荷重の許容範囲が回転角度によらず一定であれば、図１１のレーダーチャートに正円のしきい値範囲を描くことができ、データ処理装置２３は、しきい値を超えた偏荷重が発生する場合に報知を行うことが可能である。また、しきい値を超えた偏荷重が発生する場合にデータ処理装置２３が停止信号を送信し、トンネル掘進機１を自動停止させるあるいは偏荷重が設定値より大きくならないよう推力を制御するように構成してもよい。
【００４１】
次に、図６および図７を参照して、第１実施形態によるトンネル掘進機１のデータ処理装置２３の行う処理について説明する。図６に示す計測フローは、所定のサンプリング周期（たとえば、０．１秒）毎に各歪みセンサ２２から計測結果を取得する処理を示している。また、図７に示す演算フローは、所定の周期（たとえば、１秒）毎に、得られた回転角度毎の歪み計測データからカッタヘッド１１に作用する力（カッタ推力）と力の回転角度方向の分布とを求める処理を示している。
【００４２】
図６の計測フローでは、データ処理装置２３は、ステップＳ１において、センサの異常の有無を確認する。データ処理装置２３は、４個所のカッタコラム１２に設けられたそれぞれの歪みセンサ２２および温度センサ２５（温度１〜温度４とする）の異常を検出する。なお、歪みセンサ２２は、４ゲージ法により４つで１つカッタコラム１２の歪みを計測するため、以下では、カッタコラム１２毎の４つの歪みセンサ２２を１単位として、ゲージ１〜ゲージ４とする。データ処理装置２３は、断線や短絡等の異常がある場合、各センサの状態を示す検出値として０を付与し、異常がない場合には検出値として１を付与する。ゲージ１〜ゲージ４については、それぞれの検出値ＥＧ１〜検出値ＥＧ４に、０または１の値が付与される。温度１〜温度４についても、それぞれの検出値ＥＴ１〜検出値ＥＴ４が得られる。
【００４３】
ステップＳ２において、データ処理装置２３は、各計測値を取り込む。具体的には、カッタヘッド１１の所定の基準回転位置に対する回転角度（カッタポジション）の計測値θがエンコーダ２０から取得される。回転角度θは、たとえば０度〜３５９度までの１度刻みで取得する。また、ゲージ１〜ゲージ４の各歪みセンサ２２から、歪み計測値Ｇ１ａ〜Ｇ４ａが取得される。ある回転角度θにおけるゲージ１〜ゲージ４の歪み計測値は、回転方向に９０度ずつ位相がずれた位置の計測結果になる。また、温度１〜温度４の各温度センサ２５から、それぞれ歪みセンサ２２近傍の温度計測値Ｔ１ａ〜Ｔ４ａが取得される。各センサのサンプリング時点の瞬時値が計測値として取り込まれる。
【００４４】
ステップＳ３において、データ処理装置２３は、得られた計測値（歪み計測値Ｇ１ａ〜Ｇ４ａおよび温度計測値Ｔ１ａ〜Ｔ４ａ）に対してローパスフィルタ処理を行い、高周波成分（ノイズ）を除去する。ローパスフィルタ処理は、計測値に対して移動平均や窓関数などの所定のローパスフィルタ関数ｆ１を適用することによって行われる。これにより、ローパスフィルタ処理後の歪み計測値および温度計測値が、それぞれ、ＧＮｂ＝ｆ１（ＧＮａ）およびＴＮｂ＝ｆ１（ＴＮａ）（Ｎは１〜４）として取得される。なお、計測値のノイズが大きくない場合には、ローパスフィルタ処理を行わなくてもよい。
【００４５】
ステップＳ４において、データ処理装置２３は、ローパスフィルタ処理後の歪み計測値Ｇ１ｂ〜Ｇ４ｂに対して、温度計測値Ｔ１ｂ〜Ｔ４ｂを用いて温度補償処理を行い、掘進時の温度変化に対する温度補償をする。上述の通り、温度補償処理は、予め設定した温度補償関数ｆ２を用いて行われる。これにより、温度補償処理後の歪み計測値が、ＧＮｃ＝ｆ２（ＧＮｂ、ＴＮｂ）（Ｎは１〜４）として取得される。
【００４６】
ステップＳ５において、データ処理装置２３は、温度補償処理後の各歪みセンサ２２の歪み計測値Ｇ１ｃ〜Ｇ４ｃについて、それぞれの回転角度の位相を一致させる処理（データの並べ替え）を行い、基準角度に対する回転角度θ毎のデータとして整理する。
【００４７】
すなわち、今回取得されたゲージ１〜ゲージ４の温度補償処理後の各歪み計測値Ｇ１ｃ〜Ｇ４ｃを、データ処理装置２３は４つの回転角度のデータとして以下のように並べ替える。
Ｇ１（θ）＝Ｇ１ｃ
Ｇ２（θ＋９０°）＝Ｇ２ｃ
Ｇ３（θ＋１８０°）＝Ｇ３ｃ
Ｇ４（θ＋２７０°）＝Ｇ４ｃ
したがって、カッタヘッド１１を回転させながら計測を継続すると、カッタヘッド１１が１回転した場合には、回転角度θ（θ＝０°〜３５９°）毎に、４つずつ歪み計測値Ｇ１（θ）〜Ｇ４（θ）が記録されていることになる。
【００４８】
以上の計測フローを所定のサンプリング周期毎にループさせることによって、回転角度毎の歪み計測値が逐次取得される。
【００４９】
図７の演算フローでは、データ処理装置２３は、ステップＳ１１において、カッタヘッド１１に作用する推力（カッタ推力）を算出する。カッタ推力は、同時刻に取得された各歪みセンサ２２の歪み計測値の平均値から求める。ある時刻ｔにおけるカッタヘッド１１に作用する力（カッタ推力Ｆ）は、下式（１）で表される。
Ｆ（ｔ）＝Ｋ×Ｇａｖｅ（ｔ）
Ｇａｖｅ（ｔ）＝（Ｇ１ｃ×ＥＧ１＋Ｇ２ｃ×ＥＧ２＋Ｇ３ｃ×ＥＧ３＋Ｇ４ｃ×ＥＧ４）／（ＥＧ１＋ＥＧ２＋ＥＧ３＋ＥＧ４）  ・・・（１）
【００５０】
Ｋは、歪みを推力（応力）に変換するための係数である。Ｇａｖｅ（ｔ）は、ゲージ１〜４の歪み計測値のうち、異常の有無の確認によって正常と判断された歪み計測値の平均である。したがって、たとえば図６のステップＳ１においてゲージ４のみが異常と判定された場合、ＥＧ４＝０となるため、異常と判断されたゲージ４を除いた残りのゲージの歪み計測値の平均が算出される。
【００５１】
ステップＳ１２において、データ処理装置２３は、カッタヘッド１１に作用する力の回転方向の分布を算出する。すなわち、データ処理装置２３は、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力を回転角度θ毎に算出する。ある回転角度θにおける力Ｆ（θ）は、下式（２）で表される。
Ｆ（θ）＝Ｋ×Ｇａｖｅ（θ）
Ｇａｖｅ（θ）＝（Ｇ１（θ）×ＥＧ１＋Ｇ２（θ）×ＥＧ２＋Ｇ３（θ）×ＥＧ３＋Ｇ４（θ）×ＥＧ４）／（ＥＧ１＋ＥＧ２＋ＥＧ３＋ＥＧ４）
・・・（２）
【００５２】
Ｇａｖｅ（θ）は、図６のステップＳ５で得られた同一の回転角度θでの歪み計測値の平均である。データ処理装置２３は、力Ｆ（θ）をθ＝０°〜３５９°の範囲で繰り返し算出することによって、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力の回転方向の分布を取得する。
【００５３】
以上の演算フローを所定の周期毎にループさせることによって、各時刻ｔにおける推力Ｆ（ｔ）と、回転角度θ毎のカッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）とが取得される。
【００５４】
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００５５】
第１実施形態では、上記のように、カッタコラム１２に歪みセンサ２２を設けることによって、ジャッキ推力などからカッタヘッド１１に作用する力を推定する場合と異なり、カッタコラム１２に発生する歪みから、カッタヘッド１１に実際に作用する力をより直接的に、精度良く検出することができる。そして、カッタヘッド１１の回転方向の位置（回転角度θ）を検出するエンコーダ２０と、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、カッタヘッド１１の回転方向の位置と対応付けてカッタヘッド１１に作用する力を取得するデータ処理装置２３とを設けることによって、歪みセンサ２２から得られるカッタヘッド１１に作用する力を、たとえばカッタヘッド１１の１回転分（３６０度）にわたる回転方向の分布として取得することができる。これらにより、第１実施形態のトンネル掘進機１によれば、カッタヘッド１１に作用する力の分布Ｆ（θ）を精度良く検出することができる。この結果、得られた力の分布からカッタヘッド１１に偏荷重が発生しているか否かおよび偏荷重が発生している回転方向の位置を判別することができるので、地層の変化や埋設物の存在および位置を早期に把握することが可能となり、地層の変化や埋設物の存在に起因するカッタヘッド１１およびカッタ駆動部１４の損傷やカッタビットの異常摩耗などの未然防止を図ることが可能となる。
【００５６】
第１実施形態では、上記のように、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布Ｆ（θ）を取得するようにデータ処理装置２３を構成する。これにより、掘進に伴う推力の反作用力としての、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）を取得することができる。この結果、回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）において偏荷重が存在しているか否かに基づいて、現在掘削している掘進方向前方の地層の急な変化や、埋設物などに遭遇したことを把握できるとともに、地層の変化箇所や埋設物の掘削面に対する位置を把握することが可能となる。また、回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）において全体（平均）としては許容範囲内に収まっていても局所的に大きな荷重が発生している場合など、カッタヘッド１１の軸受１７やシール部１８および１９への局所的な負荷の発生を把握することが可能となる。これらの状況を把握することによって、トンネル掘削工事におけるトラブルの未然防止に役立てることが可能となる。
【００５７】
すなわち、回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）を取得することによって、トンネル掘進機１の支持部（カッタコラム１２および旋回台１３）や、軸受１７、シール部１８および１９などに局所的な過負荷が発生しているか否かを判断することが可能となるので、偏荷重を抑制するように運転制御を行うことができる。その結果、支持部や軸受１７への過荷重を抑制し、シールクリアランスを適正範囲に維持することが可能となる。
【００５８】
また、回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）に基づいて、各推進ジャッキ２１の推力配分の調整や、シリンダストローク（単位推進距離）の調整を行ったり、偏荷重が発生した場合に警告や緊急停止を行ったりするなどの計測結果の自動運転への利用を行うことが可能となる。さらに、回転軸線方向の力の分布Ｆ（θ）の計測結果を継続的に記録しておくことにより、偏荷重の発生傾向を把握することによる故障発生の未然防止や、故障発生時の原因検証などに計測結果を利用することも可能となる。
【００５９】
第１実施形態では、上記のように、カッタコラム１２において、所定の回転角度間隔で３個所以上に歪みセンサ２２を設ける。これにより、カッタヘッド１１の１回転分の力の分布を、より少ない回転角度で取得することができる。第１実施形態のように９０度間隔の４つの歪みセンサ２２を設ければ、１／４回転で１回転分の力の分布を取得することができる。その結果、カッタヘッド１１への偏荷重の発生を早期に検出することができる。また、４個所の歪みセンサ２２によって、カッタヘッド１１の停止状態でもカッタヘッド１１に作用する力の分布をある程度（４点のデータから）把握することができる。そのため、偏荷重を検知してトンネル掘進機１を停止させた場合などの状況把握などに寄与することができる。
【００６０】
第１実施形態では、上記のように、温度センサ２５により検出された歪みセンサ２２の近傍の温度に基づいて歪みセンサ２２の検出結果を温度補償するようにデータ処理装置２３を構成する。これにより、掘進に伴って発生する掘削熱によるカッタヘッド１１内部の温度変化の影響を、温度補償により除去することができる。その結果、カッタヘッド１１に作用する力の分布をより高精度に検出することができる。
【００６１】
第１実施形態では、上記のように、歪みセンサ２２を、カッタコラム１２のうち、カッタヘッド１１の回転軸線方向に略平行な設置面１２ａに取り付ける。これにより、回転軸線方向の力による設置面１２ａの曲げ変形などの影響を極力抑制することができるので、回転軸線方向の力をより高精度に検出することができる。
【００６２】
（実験結果の説明）
次に、第１実施形態によるトンネル掘進機１に対して行った実証実験の結果について説明する。実証実験は、推進ジャッキ２１の推力からカッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力（カッタ推力）が正確に求めることができるように、トンネル掘進機１が地中に入っていない発進時に行い、トンネル掘進機１の自重による摩擦力は事前に計測して補正した。そして、並行して取得したカッタコラム１２の歪み計測値と、得られたカッタ推力とを比較した。
【００６３】
図８は、推進ジャッキ２１の推力から計算したカッタヘッド１１に作用する推力（カッタ推力）の時間変化を示している。計測中、推力の大きさを３段階（Ｐ１、Ｐ２およびＰ３）に変更している。図９は、４個所のカッタコラム１２に取り付けた歪みセンサ２２から上記式（１）により得られたカッタコラム１２の歪み計測値の平均の時間変化である。図９によるカッタコラム１２の歪みにおいても、図８のＰ１、Ｐ２およびＰ３に対応する３段階の推力変化を反映した歪みＱ１、Ｑ２およびＱ３が計測された。図８と図９とを対比して分かるように、カッタコラム１２の歪みの時間変化がカッタヘッド１１に作用する推力（カッタ推力）の時間変化と近似した計測結果が得られた。
【００６４】
図１０は、推進ジャッキ２１の推力から計算したカッタ推力（図８参照）と、歪みセンサ２２から得られたカッタコラム１２の歪み（図９参照）との関係を示す図である。カッタヘッド１１に作用するカッタ推力を横軸にプロットし、対応するカッタコラム１２の歪みを縦軸にプロットしている。カッタ推力とカッタコラム１２の歪みとが線形な関係を有していることから、カッタコラム１２の歪み計測値に基づき、カッタヘッド１１に作用する力（カッタ推力）を十分な精度で求めることが可能であるといえる。
【００６５】
図１１は、図９に示した歪み計測結果について、上記式（２）によって算出された回転角度θ（０°〜３５９°の１回転分）毎のカッタコラム１２の歪みをプロットしたレーダーチャートである。上述の通り、半径方向が歪みの大きさを表し、プロットされた点が中心に近いほど歪み（カッタヘッド１１に作用する力）が小さく、中心から離れるほど歪みが大きいことを示す。カッタヘッド１１の１回転分のプロット軌跡が、チャート中心を中心とした正円に近いほど、カッタヘッド１１に均等な分布荷重が作用していることを表し、軌跡が正円からずれるほど、カッタヘッド１１に偏荷重が作用していることを表す。
【００６６】
図１１では、３段階に推力を上昇させるのに伴って軌跡が半径方向に拡大しており、図中右上部分の軌跡が半径方向外側に突出している。この結果から、カッタヘッド１１の右上部分に、より大きな力が偏って作用する偏荷重が発生していることが分かる。
【００６７】
以上のように、第１実施形態によれば、カッタコラム１２の歪み計測値からカッタヘッド１１に作用する回転軸線方向の力の回転方向の分布Ｆ（θ）が取得できることが確認された。また、第１実施形態によれば、カッタヘッド１１に作用する力の分布Ｆ（θ）が正円から乖離しているか否かに基づいて、カッタヘッド１１に偏荷重が作用しているか否か、および、カッタヘッド１１のどの部位に偏荷重が作用しているかを判断できることが確認された。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態によるトンネル掘進機について説明する。第２実施形態では、中間支持方式のトンネル掘進機１のカッタコラム１２の歪みを計測する例を示した上記第１実施形態とは異なり、センターシャフト支持方式のトンネル掘進機１ａのセンターシャフト１１２の歪みを計測する例について説明する。なお、第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
第２実施形態によるトンネル掘進機１ａは、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示すように、カッタヘッド１１１の支持方式としてセンターシャフト支持方式を採用した小〜中口径のタイプの例を示している。センターシャフト支持方式では、カッタヘッド１１１は、回転軸線Ａを中心とするセンターシャフト１１２に取り付けられる。第２実施形態によるトンネル掘進機１ａには、カッタコラムは設けられていない。センターシャフト１１２は、本発明の「カッタ支持部」の一例である。
【００７０】
センターシャフト１１２は、中空円筒状の軸であり、カッタヘッド１１１を支持し、かつ、カッタヘッド１１１と共に回転するように構成されている。センターシャフト１１２は、前方（Ｘ１方向）端部がカッタヘッド１１１の中心部１１ｃに取り付けられ、後方（Ｘ２方向）端部が前胴部１５の隔壁１６に設けられた軸受１７によって回転可能に支持されている。センターシャフト１１２がカッタ駆動部１４によって回転軸線Ａ（中心軸線）回りに回転駆動されることにより、カッタヘッド１１１およびセンターシャフト１１２が一体的に回転（旋回）される。センターシャフト１１２の回転角度はエンコーダ２０によって検出される。
【００７１】
第２実施形態では、歪みセンサ２２は、センターシャフト１１２の内周面に設けられている。歪みセンサ２２は、上記第１実施形態と同様に、３６０度を等分割するように、９０度などの所定の角度間隔（図１２（Ｂ）参照）で複数設けられる。ここでは、歪みセンサ２２は、センターシャフト１１２において９０度間隔で４個所に設けられているとする。また、歪みセンサ２２は、センターシャフト１１２のうち、回転軸線方向（Ｘ方向）に略平行な設置面（内周面）１１３に取り付けられる。センターシャフト１１２の円筒内周面であれば、回転方向のいずれの位置でも回転軸線方向に対して略平行である。
【００７２】
中継ボックス２６は、歪みセンサ２２とともにセンターシャフト１１２の内部に配置されている。中継ボックス２６は、センターシャフト１１２の後方端部に設けられたロータリージョイント２７を介してデータ処理装置（データ処理部）１２３に歪みセンサ２２および温度センサ（図示せず）の温度計測値を出力する。
【００７３】
データ処理装置１２３は、センターシャフト１１２の４個所の歪みセンサ２２の歪み計測値から、カッタ推力Ｆと、カッタヘッド１１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布Ｆ（θ）とを算出する。カッタ推力Ｆおよび回転角度θ毎の力Ｆ（θ）の算出は、上記第１実施形態と同様である。
【００７４】
このような構成により、第２実施形態では、センターシャフト支持方式においても、センターシャフト１１２の歪みに基づいて、カッタヘッド１１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布Ｆ（θ）が取得される。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００７５】
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００７６】
すなわち、第２実施形態では、センターシャフト１１２に歪みセンサ２２を設けることによって、上記第１実施形態と同様に、カッタヘッド１１１に実際に作用する力をより直接的に、精度良く検出することができる。そして、データ処理装置１２３によって、歪みセンサ２２から得られるカッタヘッド１１１に作用する力を、カッタヘッド１１１の１回転分（３６０度）にわたる回転方向の分布として取得することができる。これらにより、第２実施形態のトンネル掘進機１ａによっても、上記第１実施形態と同様に、カッタヘッド１１１に作用する力の分布Ｆ（θ）を精度良く検出することができる。
【００７７】
また、第２実施形態によれば、カッタコラムを備えた中間支持方式以外のセンターシャフト支持方式のトンネル掘進機１ａにおいても、センターシャフト１１２に歪みセンサ２２を設けることによって、カッタヘッド１１１に作用する力の分布Ｆ（θ）を精度良く検出することができる。
【００７８】
（第２実施形態の変形例）
上記第２実施形態では、センターシャフト支持方式のトンネル掘進機１ａにおいて、センターシャフト１１２に歪みセンサ２２を設置する例を示したが、この変形例では、センターシャフト１１２以外の部位に歪みセンサ２２を設置する例について説明する。
【００７９】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、第２実施形態の変形例では、歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１のスポーク部１１ｂに設置されている。スポーク部１１ｂは、中空の角筒形状を有しており、歪みセンサ２２は、スポーク部１１ｂの回転軸線方向（Ｘ方向）側の内側面である設置面１１４に設けられている。したがって、歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１に作用する回転軸線方向（Ｘ１方向）の力（推力）の反作用によって発生するスポーク部１１ｂのＸ２方向の曲げ歪みを計測する。なお、図１３（Ａ）では、歪みセンサ２２がスポーク部１１ｂのＸ２方向側の内側面（設置面１１４）に設置されている例を図示しているが、上記第１実施形態と同様に、Ｘ２方向側の内側面と対向するＸ１方向側の内側面にも歪みセンサ２２を設けることが好ましい。
【００８０】
歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１の中心部１１ｃから半径方向に延びるスポーク部１１ｂのうち、中心部１１ｃ近傍の根元部分に設けられている。これは、スポーク部１１ｂに加わる曲げ歪みが中心部１１ｃ近傍の根元部分で大きくなるためである。
【００８１】
なお、図１３（Ｂ）では、カッタヘッド１１１が４本のスポーク部１１ｂ（図１３（Ｂ）には３本のみ図示）を含む例を示しており、歪みセンサ２２は、４本のスポーク部１１ｂのそれぞれに設けられている。
【００８２】
データ処理装置１２３は、４本のスポーク部１１ｂのそれぞれの歪みセンサ２２の歪み計測値から、カッタ推力Ｆと、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布Ｆ（θ）とを算出する。
【００８３】
この第２実施形態の変形例のように、センターシャフト支持方式のトンネル掘進機１ａでは、センターシャフト１１２以外のスポーク部１１ｂに歪みセンサ２２を設置して、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力を取得してもよい。この他、上記第２実施形態の構成と、この変形例の構成とを組み合わせて、センターシャフト１１２とスポーク部１１ｂとの両方にそれぞれ設置した歪みセンサ２２から得られた歪み計測値により、カッタヘッド１１に作用する力を取得するようにしてもよい。
【００８４】
（第３実施形態）
次に、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）を参照して、本発明の第３実施形態によるトンネル掘進機について説明する。第３実施形態では、カッタヘッド１１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力を計測する例を示した上記第１および第２実施形態とは異なり、カッタヘッド１１１に作用する回転方向（Ｂ方向またはＣ方向）の力を計測する例について説明する。なお、第３実施形態において、上記第２実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８５】
第３実施形態によるトンネル掘進機１ｂは、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、センターシャフト支持方式を採用した例を示しており、構造上は、上記第２実施形態と同様である。第３実施形態では、歪みセンサ２２の設置位置が上記第２実施形態とは異なる。
【００８６】
第３実施形態では、歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１のスポーク部１１ｂの回転軸線Ａの方向に略平行な設置面２１３に設けられている。設置面２１３は、カッタヘッド１１１のスポーク部１１ｂのうち、周方向（回転方向）側の内側面である。つまり、歪みセンサ２２は、スポーク部１１ｂのＢ方向側の内側面およびＣ方向側の内側面に、それぞれ設けられている。したがって、歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１に作用する回転方向（Ｂ方向またはＣ方向）の力（カッタ駆動部１４の回転トルク）の反作用によって発生するスポーク部１１ｂのＢ方向またはＣ方向の曲げ歪みを計測する。
【００８７】
歪みセンサ２２は、カッタヘッド１１１の中心部１１ｃから半径方向に延びるスポーク部１１ｂのうち、中心部１１ｃ近傍の根元部分に設けられている。なお、図１４（Ｂ）では、カッタヘッド１１１が４本のスポーク部１１ｂ（図１４（Ｂ）には３本のみ図示）を含む例を示しており、歪みセンサ２２は、４本のスポーク部１１ｂのそれぞれに設けられている。４本のスポーク部１１ｂは、互いに直交するように回転方向に９０度間隔の等角度間隔で設けられている。そのため、歪みセンサ２２は、３６０度を４分割（９０度）するように、９０度の等角度間隔で４個所に設けられている。
【００８８】
データ処理装置（データ処理部）２２３は、４本のスポーク部１１ｂのそれぞれの歪みセンサ２２の歪み計測値から、カッタヘッド１１１に作用する力の回転方向分布を算出する。すなわち、第３実施形態では、データ処理装置２２３は、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、スポーク部１１ｂに作用する回転方向（Ｂ方向またはＣ方向）の力の回転方向分布を取得するように構成されている
【００８９】
第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。
【００９０】
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００９１】
すなわち、第３実施形態では、第３実施形態では、スポーク部１１ｂの回転軸線Ａの方向に略平行な設置面２１３に歪みセンサ２２を設けることによって、上記第１実施形態と同様に、カッタヘッド１１１に実際に作用する力をより直接的に、精度良く検出することができる。そして、データ処理装置２２３によって、歪みセンサ２２から得られるカッタヘッド１１１（スポーク部１１ｂ）に作用する力を、カッタヘッド１１１の１回転分（３６０度）にわたる回転方向の分布として取得することができる。これらにより、第３実施形態のトンネル掘進機１ｂによっても、上記第１実施形態と同様に、カッタヘッド１１１に作用する力の分布を精度良く検出することができる。
【００９２】
また、第３実施形態では、上記のように、データ処理装置２２３を、歪みセンサ２２およびエンコーダ２０の検出結果に基づき、スポーク部１１ｂに作用する回転方向（Ｂ方向またはＣ方向）の力の回転方向分布を取得するように構成する。これにより、カッタ駆動部１４による回転トルクの反作用力としての、カッタヘッド１１１のスポーク部１１ｂに作用する回転方向の力の分布を取得することができる。この結果、回転方向の力の分布において偏荷重が存在しているか否かおよび偏荷重の存在する位置に基づいて、掘進方向前方の地層の急な変化や、埋設物などに遭遇したことを把握できるとともに、地層の変化箇所や埋設物の掘削面に対する位置を把握することが可能となる。
【００９３】
具体的には、たとえば、掘進中のある時点において、図１４（Ａ）の上側のスポーク部１１ｂでは相対的に柔らかい地層を掘削しており、下側のスポーク部１１ｂでは相対的に硬い地層を掘削したり、礫に遭遇したりしている状況にあるとする。この場合、カッタ駆動部１４によりカッタヘッド１１１が回転軸線Ａ回りに回転されれば、上側のスポーク部１１ｂにおける回転方向の歪みよりも、下側のスポーク部１１ｂにおける回転方向の歪みが大きくなり、下側のスポーク部１１ｂに偏荷重が作用していることが分かる。このように、カッタヘッド１１１のスポーク部１１ｂに作用する回転方向の力の分布を取得する場合でも、得られた力の分布からカッタヘッド１１１に偏荷重が発生しているか否かを判断することができる。その結果、地層の変化や埋設物の存在を早期に把握することが可能となり、これに起因するカッタヘッド１１１の損傷やカッタビットの摩耗などの未然防止を図ることが可能となる。
【００９４】
第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００９５】
なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００９６】
たとえば、上記第１実施形態では、中間支持方式のトンネル掘進機の例を示し、上記第２実施形態ではセンターシャフト支持方式のトンネル掘進機の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明のトンネル掘進機を、上記の支持方式以外の、外周支持方式、中央支持方式および偏心多軸支持方式などの各種の支持方式のトンネル掘進機に適用してもよい。
【００９７】
また、上記第１実施形態では、１個所につき４つの歪みセンサ２２を設ける４ゲージ法で歪み計測を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。歪みの計測方法は、１ゲージ法や２ゲージ法など、４ゲージ法以外の計測方法を採用してもよい。なお、単軸ではなく、２軸以上の多軸の検出軸を有する歪みセンサ（複数素子を備えた歪みセンサ）を用いてもよい。
【００９８】
また、上記第１実施形態では、エンコーダ２０が旋回台１３の回転角度を検出する例を示し、上記第２および第３実施形態ではエンコーダ２０がセンターシャフト１１２の回転角度を検出する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、エンコーダがたとえばカッタ駆動部の出力軸の回転角度を検出してもよい。エンコーダは、カッタヘッドの回転角度が検出できればよく、トンネル掘進機のどの部位の回転角度を検出するものでもよい。
【００９９】
また、上記第１実施形態では、歪みセンサ２２の近傍に温度センサ２５を設置して、歪みセンサ２２の計測値の温度補償を行うように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、温度センサを設けなくともよい。特に、歪みセンサの設置面における温度変化の範囲が歪みセンサの使用温度範囲内に収まる場合などには、温度補償を行う必要はない。
【符号の説明】
【０１００】
１、１ａ、１ｂ  トンネル掘進機
１１、１１１  カッタヘッド
１１ｂ  スポーク部
１２  カッタコラム（カッタ支持部）
１４  カッタ駆動部
２０  ロータリーエンコーダ（回転位置検出部）
２２  歪みセンサ
２３、１２３、２２３  データ処理装置（データ処理部）
２５  温度センサ
１２ａ、１１３、１１４、２１３  設置面
１１２  センターシャフト（カッタ支持部）
２１３  設置面
Ａ  回転軸線
Ｂ、Ｃ  回転方向
Ｘ  回転軸線方向
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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