(57)【要約】【課題】掘進途中においてもカッタヘッドに作用する作用力を計測する歪みセンサの校正を行えるようにすることが可能なトンネル掘進機を提供する。【解決手段】このトンネル掘進機１は、カッタヘッド１１と、カッタヘッド１１を支持し、かつ、カッタヘッド１１と共に回転するカッタコラム１２と、カッタヘッド１１またはカッタコラム１２に設けられた歪みセンサ２２と、カッタヘッド１１を推進させる推進ジャッキ２１と、カッタヘッド１１に作用する力の土圧成分Ｆｂを計測する土圧センサ１９と、歪みセンサの出力に基づき、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃの計測値を取得する制御部２７とを備える。制御部２７は、少なくとも土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃの計測値との比較に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。【選択図】図１
2017214770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カッタヘッドと、
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、
前記カッタヘッドまたは前記カッタ支持部に設けられた歪みセンサと、
前記カッタヘッドを推進させる推進ジャッキと、
前記カッタヘッドに作用する力の土圧成分を計測する土圧センサと、
前記歪みセンサの出力に基づき、前記カッタヘッドに作用する作用力の計測値を取得する制御部とを備え、
前記制御部は、少なくとも前記土圧成分と、前記作用力の計測値との比較に基づいて、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、トンネル掘進機。
【請求項２】
前記制御部は、前記推進ジャッキのジャッキ推力と、前記土圧成分と、予め設定した歪みと作用力との変換係数を用いて取得した前記作用力の計測値との比較に基づいて、前記変換係数の校正を行うように構成されている、請求項１に記載のトンネル掘進機。
【請求項３】
前記制御部は、地山の掘進中に取得された前記推進ジャッキのジャッキ推力、前記土圧成分および前記作用力と、地山の掘進に伴う抵抗成分との所定の関係に基づいて、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、請求項１または２に記載のトンネル掘進機。
【請求項４】
前記制御部は、前記ジャッキ推力Ｆａと、前記土圧成分Ｆｂと、前記作用力Ｆｃと、前記抵抗成分Ｆｄとに関する下式（１）において、掘進に伴い変動する前記抵抗成分Ｆｄを０以上と仮定して、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、請求項３に記載のトンネル掘進機。
Ｆｃ＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｄ  ・・・（１）
【請求項５】
前記制御部は、前記ジャッキ推力と前記土圧成分との差分値を取得し、前記作用力に対する前記差分値の最小値近傍の値に基づいて、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、請求項４に記載のトンネル掘進機。
【請求項６】
前記制御部は、通常運転動作とは異なる校正用運転動作による地山の掘進中において、前記推進ジャッキのジャッキ推力、前記土圧成分および前記作用力の計測値を取得し、取得された前記ジャッキ推力、前記土圧成分および前記作用力の計測値を用いて、前記歪みセンサの校正を行うように構成され、
前記校正用運転動作は、通常運転動作における前記ジャッキ推力の変動幅よりも大きい範囲で、地山の掘進中に前記ジャッキ推力を変動させる動作である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
【請求項７】
前記制御部は、掘進途中に前記推進ジャッキによる推進を停止させた状態における、前記土圧成分および前記作用力の所定の関係に基づいて、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、請求項１または２に記載のトンネル掘進機。
【請求項８】
前記制御部は、掘進途中に前記推進ジャッキによる推進を停止させた状態における前記カッタヘッドに作用する土圧成分と前記作用力とが略等しいと見なして、前記歪みセンサの出力におけるゼロ点の校正を行うように構成されている、請求項７に記載のトンネル掘進機。
【請求項９】
前記推進ジャッキは、セグメントを押圧して胴体を推進させるシールドジャッキと、前胴部を支持して推進させる中折れジャッキとを含み、
前記制御部は、前記シールドジャッキおよび前記中折れジャッキのうち、前記中折れジャッキの前記ジャッキ推力を用いて、前記歪みセンサの校正を行うように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
【請求項１０】
カッタヘッドに作用する力の土圧成分を計測するステップと、
前記カッタヘッド、または、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に設けられた歪みセンサにより、前記カッタヘッドに作用する作用力の計測値を取得するステップと、
少なくとも前記土圧成分と、前記作用力との比較に基づいて、前記歪みセンサの校正を行うステップと、を備える、トンネル掘進機における歪みセンサの校正方法。
【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、カッタヘッドなどの回転部分の歪みを計測するトンネル掘進機およびトンネル掘進機における歪みセンサの校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カッタヘッドなどの回転部分の歪みを計測する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、トンネル掘進機におけるカッタヘッドなどの回転部分に取り付けた歪みセンサにより歪みを計測する構成が開示されている。トンネル掘進機は、カッタヘッドを回転させつつ、推進ジャッキの推力で前進することにより、地山の掘進を行う。カッタヘッドに作用する作用力は、一般にはジャッキ推力から胴体部外周と地山との摩擦抵抗などの各種の抵抗成分を差し引いて推定されるが、上記特許文献１は、歪み計測値を用いることでより直接的にカッタヘッドに作用する作用力を取得している。
【０００４】
地山の掘進中には、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る。カッタヘッドの作用力を把握することは、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）の異常摩耗などを防ぐために重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６１−１５２０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、たとえば掘進工事が開始されてから故障や定期交換などにより歪みセンサを交換した場合などでは、改めて歪みセンサの校正を行う必要がある。しかしながら、一旦掘進を開始した後では、カッタヘッドに外力が作用しないような実験的な環境を構築して歪みと外力との関係を計測し直すことは困難であるため、様々な外力が加わる地中において、巨大なカッタヘッドに作用する作用力と歪みとの関係を求めることが困難であった。そのため、掘進途中においても歪みセンサの校正を行えるようにすることが望まれている。
【０００７】
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、掘進途中においてもカッタヘッドに作用する作用力を計測する歪みセンサの校正を行えるようにすることが可能なトンネル掘進機およびトンネル掘進機における歪みセンサの校正方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、カッタヘッドと、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、カッタヘッドまたはカッタ支持部に設けられた歪みセンサと、カッタヘッドを推進させる推進ジャッキと、カッタヘッドに作用する力の土圧成分を計測する土圧センサと、歪みセンサの出力に基づき、カッタヘッドに作用する作用力の計測値を取得する制御部とを備え、制御部は、少なくとも土圧成分と、作用力の計測値との比較に基づいて、歪みセンサの校正を行うように構成されている。
【０００９】
この発明の第１の局面によるトンネル掘進機では、上記のように、カッタヘッドに作用する力の土圧成分を計測する土圧センサと、歪みセンサの出力に基づき、カッタヘッドに作用する作用力の計測値を取得する制御部とを設け、少なくとも土圧成分と、作用力の計測値との比較に基づいて、歪みセンサの校正を行うように制御部を構成する。これにより、掘進途中においても、少なくとも土圧センサから得られた土圧成分と、その時の歪みセンサによる作用力の計測値とを比較することによって、歪みセンサの校正を行うことができる。その結果、カッタヘッドに外力が作用しないような実験的な環境を構築することが困難な掘進途中においても、カッタヘッドに作用する作用力を計測する歪みセンサの校正を行うことができる。これにより、掘進途中において校正された歪みセンサを用いて、カッタヘッドに作用する作用力を容易に取得することができる。
【００１０】
上記第１の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、制御部は、推進ジャッキのジャッキ推力と、土圧成分と、予め設定した歪みと作用力との変換係数を用いて取得した作用力の計測値との比較に基づいて、変換係数の校正を行うように構成されている。このように構成すれば、仮の変換係数を用いて取得した作用力の計測値と、実測したジャッキ推力および土圧成分との比較によって、変換係数の校正を行うことが可能となる。その結果、カッタヘッドに外力が作用しないような実験的な環境を構築することなく、掘進中に取得可能な計測値に基づいて容易に変換係数の校正を行うことができる。
【００１１】
上記第１の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、制御部は、地山の掘進中に取得された推進ジャッキのジャッキ推力、土圧成分および作用力と、地山の掘進に伴う抵抗成分との所定の関係に基づいて、歪みセンサの校正を行うように構成されている。このように構成すれば、地山の掘進を継続しながらジャッキ推力、土圧成分および作用力のデータを収集して、歪みセンサの校正を行うことができるようになる。そのため、たとえば歪みセンサの校正のためだけに掘進を停止する必要がなくなるので、歪みセンサの校正を容易に行うことができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、制御部は、ジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃと、抵抗成分Ｆｄとに関する下式（１）において、掘進に伴い変動する抵抗成分Ｆｄを０以上と仮定して、歪みセンサの校正を行うように構成されている。このように構成すれば、掘進中に抵抗成分が負の値をとらない（抵抗力が推進方向には向かない）ことに基づき、直接計測できない抵抗成分の影響が小さくなるデータ（抵抗成分が０に近いデータ）を選んで校正を行うことができる。その結果、掘進中に取得したデータを用いる場合でも、必要十分な精度で歪みセンサの校正が可能となる。
Ｆｃ＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｄ  ・・・（１）
【００１３】
上記掘進に伴う抵抗成分を０以上と仮定して歪みセンサの校正を行う構成において、好ましくは、制御部は、ジャッキ推力と土圧成分との差分値を取得し、作用力に対する差分値の最小値近傍の値に基づいて、歪みセンサの校正を行うように構成されている。ここで、掘進中に収集されたデータにおいて、作用力Ｆｃに対してジャッキ推力と土圧成分との差分値（Ｆａ−Ｆｂ）がばらつく場合、差分値のばらつきは、抵抗成分Ｆｄの変動に起因すると考えられる。そのため、ばらついた差分値（Ｆａ−Ｆｂ）の最小値近傍の値は、抵抗成分Ｆｄが最小に（０に近く）なり作用力Ｆｃと差分値（Ｆａ−Ｆｂ）とが略一致すると見なし得るデータであると考えられる。そのため、作用力に対する差分値の最小値近傍の値に基づいて、歪みセンサの校正を行うことにより、直接計測できない抵抗成分Ｆｄの影響を極力除外して精度よく校正を行うことが可能となる。
【００１４】
上記第１の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、制御部は、通常運転動作とは異なる校正用運転動作による地山の掘進中において、推進ジャッキのジャッキ推力、土圧成分および作用力の計測値を取得し、取得されたジャッキ推力、土圧成分および作用力の計測値を用いて、歪みセンサの校正を行うように構成され、校正用運転動作は、通常運転動作におけるジャッキ推力の変動幅よりも大きい範囲で、地山の掘進中にジャッキ推力を変動させる動作である。このように構成すれば、校正用運転動作によって、通常運転動作中では発生させないような広い範囲でジャッキ推力、土圧成分および作用力のデータを収集できる。そのため、より広い推力範囲において収集されたデータを用いることによって、より一層精度よく歪みセンサの校正を行うことができる。
【００１５】
上記第１の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、制御部は、掘進途中に推進ジャッキによる推進を停止させた状態における、土圧成分および作用力の所定の関係に基づいて、歪みセンサの校正を行うように構成されている。このように構成すれば、推進を停止させることにより、カッタヘッドに作用する作用力のうち、ジャッキ推力および抵抗成分を除外して歪みセンサの校正を行うことができる。そのため、誤差の要因を極力除外して、掘進途中において精度よく歪みセンサの校正を行うことが可能となる。
【００１６】
この場合、好ましくは、制御部は、掘進途中に推進ジャッキによる推進を停止させた状態におけるカッタヘッドに作用する土圧成分と作用力とが略等しいと見なして、歪みセンサの出力におけるゼロ点の校正を行うように構成されている。このように構成すれば、ゼロ点の校正を容易に行うことができる。また、掘進中のジャッキ推力を含む場合と比較して、掘進途中において推進を停止させた状態では土圧成分および歪み量（すなわち、作用力の大きさ）が十分に小さくゼロ点近傍の計測値が取得できるので、計測データに含まれる誤差の影響を低減することができる。その結果、ゼロ点の校正を精度よく行うことができる。
【００１７】
上記第１の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、推進ジャッキは、セグメントを押圧して胴体を推進させるシールドジャッキと、前胴部を支持して推進させる中折れジャッキとを含み、制御部は、シールドジャッキおよび中折れジャッキのうち、中折れジャッキのジャッキ推力を用いて、歪みセンサの校正を行うように構成されている。このように構成すれば、ジャッキ推力を用いて校正を行う場合に、トンネル掘進機の胴体全部を推進させるシールドジャッキの推力を用いる場合には、胴体全部の抵抗成分を考慮する必要があるのに対し、前胴部を推進させる中折れジャッキの推力を用いることにより、前胴部分の抵抗成分だけを考慮すればよくなる。その結果、カッタヘッドに作用する作用力における未知の抵抗成分の影響をより小さくすることができるので、歪みセンサの校正を精度よく行うことが可能となる。
【００１８】
この発明の第２の局面によるトンネル掘進機における歪みセンサの校正方法は、カッタヘッドに作用する力の土圧成分を計測するステップと、カッタヘッド、または、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に設けられた歪みセンサにより、カッタヘッドに作用する作用力の計測値を取得するステップと、少なくとも土圧成分と、作用力との比較に基づいて、歪みセンサの校正を行うステップと、を備える。
【００１９】
この発明の第２の局面によるトンネル掘進機における歪みセンサの校正方法では、上記の構成により、掘進途中においても、少なくとも土圧成分と、その時の歪みセンサによる作用力の計測値とを比較することによって、歪みセンサの校正を行うことができる。その結果、カッタヘッドに外力が作用しないような実験的な環境を構築することが困難な掘進途中においても、カッタヘッドに作用する作用力を計測する歪みセンサの校正を行えるようにすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上記のように、掘進途中においてもカッタヘッドに作用する作用力を計測する歪みセンサの校正を行えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】掘進中のトンネル掘進機に作用する力の関係を示した模式図である。
【図４】カッタヘッドの作用力と、ジャッキ推力および土圧成分との関係を示したグラフである。
【図５】通常運転動作および校正用運転動作を説明するためのグラフである。
【図６】掘進中の歪みセンサの校正処理を説明するためのフロー図である。
【図７】第２実施形態における掘進停止中のトンネル掘進機に作用する力の関係を示した模式図である。
【図８】掘進停止中の歪みセンサの校正方法を説明するためのグラフである。
【図９】掘進停止中の歪みセンサの校正処理を説明するためのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１および図２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について説明する。
【００２４】
（トンネル掘進機の全体構成）
図１に示すように、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１５ａの隔壁（バルクヘッド）１６に回転可能に支持される。カッタコラム１２は、特許請求の範囲の「カッタ支持部」の一例である。
【００２５】
なお、トンネル掘進機１は、それぞれ円筒状の前胴部１５ａおよび後胴部１５ｂから構成された胴体１５を備えている。前胴部１５ａは、推進力が付与されてカッタヘッド１１により地山の掘進を行う部分であり、後胴部１５ｂは、前胴部１５ａに伴って、トンネルのリング状の周壁部分を構成するセグメントＳＧを配列しながら進行する部分である。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１５ａの各部について説明し、その他の後胴部１５ｂの詳細構成については説明を省略する。
【００２６】
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の内部のチャンバ部１８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、チャンバ部１８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。チャンバ部１８は、カッタヘッド１１、前胴部１５ａおよび隔壁１６によって囲まれた空間である。
【００２７】
チャンバ部１８内の掘削土は、排出量が制御されることにより、チャンバ部１８内で泥土圧を発生させる。チャンバ部１８内の泥土圧は、隔壁１６に設けられた土圧センサ１９により計測される。土圧センサ１９は、設置高さの異なる位置に複数設けられている。これにより、高さ方向（深さ方向）の土圧変化を把握し、土圧変化に基づいて平均土圧が算出される。チャンバ部１８内の泥土圧は、地山側からカッタヘッド１１に作用する力の土圧成分（地山を構成する土による圧力）と概ね平衡状態となるように維持される。このため、土圧センサ１９は、カッタヘッド１１に作用する力の土圧成分Ｆｂ（図３参照）を計測する機能を有する。
【００２８】
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、一方端部がカッタヘッド１１のスポーク部１１ｂに取り付けられ、他方端部が旋回台１３に取り付けられている。
【００２９】
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。図２において部分断面により示すように、カッタコラム１２は、角柱（角筒）形状を有する。カッタコラム１２は、円筒形状などの角筒形状以外の形状であってもよい。
【００３０】
図１に戻り、旋回台１３は、円環状に形成され、前方側で複数（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１５ａ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。
【００３１】
カッタ駆動部１４は、隔壁１６の後方に配置されており、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１５ａや隔壁１６は回転しない。
【００３２】
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の後方側に設けられ、カッタヘッド１１（旋回台１３）の回転角度を検出する。
【００３３】
トンネル掘進機１は、カッタヘッド１１を推進させる推進ジャッキ２１を備えている。推進ジャッキ２１は、セグメントＳＧを押圧して胴体１５（前胴部１５ａおよび後胴部１５ｂ）を推進させるシールドジャッキ２１ａと、前胴部１５ａを支持して推進させる中折れジャッキ２１ｂとを含む。シールドジャッキ２１ａは、後胴部１５ｂに取り付けられており、中折れジャッキ２１ｂは、前胴部１５ａと後胴部１５ｂとの間に配置されて前胴部１５ａと後胴部１５ｂとを連結している。トンネル掘進機１は、これらの推進ジャッキ２１の推進力によって掘進方向前方に推進する。シールドジャッキ２１ａおよび中折れジャッキ２１ｂの各々は、複数設けられており、胴体１５の周方向に沿って配列されている。中折れジャッキ２１ｂは、回動可能な継手構造を介して前胴部１５ａと後胴部１５ｂとに接続されている。そのため、各中折れジャッキ２１ｂの伸縮量を異ならせることにより、前胴部１５ａ（すなわちカッタヘッド１１）を後胴部１５ｂに対して傾けることができる。中折れジャッキ２１ｂは、トンネル掘進機１を曲線経路に沿って掘進させるための推進ジャッキである。一方、シールドジャッキ２１ａは、セグメントＳＧに対して後胴部１５ｂを直進方向に推し進めるように設けられている。
【００３４】
トンネル掘進機１は、カッタヘッド１１に作用する力（作用力）Ｆｃを計測するための歪みセンサ２２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。第１実施形態では、歪みセンサ２２がカッタコラム１２に設けられた例を示している。
【００３５】
歪みセンサ２２は、トンネル掘進機１に１つまたは複数設けてよい。第１実施形態では、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（図２の３つのハッチング部および断面を示したカッタコラムの４本）の内部にそれぞれ（４個所）設けられている。なお、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。
【００３６】
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２３に接続されている。中継ボックス２３は、歪みセンサ２２用のアンプ、通信機器および電源装置を有する。中継ボックス２３は、通信機器により、ロータリージョイント２４を介してデータ処理装置２５に接続されている。
【００３７】
データ処理装置２５は、中継ボックス２３を介して取得した歪みセンサ２２の出力信号に基づき、カッタヘッド１１に作用する力（カッタ推力）Ｆｃの計測データを算出する機能を有する。また、データ処理装置２５は、エンコーダ２０の検出値を取得して、カッタヘッド１１に作用する回転軸線方向（Ｘ方向）の力の回転方向分布を算出するように構成されている。
【００３８】
データ処理装置２５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）２６の制御部２７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。
【００３９】
第１実施形態では、トンネル掘進機１は、歪みセンサ２２の出力に基づき、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃ（図３参照）の計測値を取得する制御部２７を備える。制御部２７は、オペレーションルーム２６に設置されたプログラマブルコントローラ（ＰＣ）であり、ＣＰＵおよびメモリなどの記憶部を備えて構成される。制御部２７は、トンネル掘進機１の掘進動作を制御する機能を有する。たとえば、制御部２７は、カッタ駆動部１４の制御、推進ジャッキ２１（各シールドジャッキ２１ａおよび各中折れジャッキ２１ｂ）の推力制御、チャンバ部１８内の泥土圧制御などを行う。制御部２７は、地上のモニタリング室（図示せず）のプログラマブルコントローラ（ＰＣ）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。
【００４０】
制御部２７は、データ処理装置２５から出力された歪みセンサ２２による作用力Ｆｃの計測値を取得する。歪みセンサ２２の出力信号を制御部２７が取得して、制御部２７が作用力Ｆｃを算出してもよい。制御部２７は、各シールドジャッキ２１ａおよび各中折れジャッキ２１ｂの推力を取得する。各ジャッキの推力は、ジャッキ毎に設けられた圧力センサ（図示せず）から取得される。制御部２７は、土圧センサ１９の計測値（土圧成分）を取得する。
【００４１】
第１実施形態では、制御部２７は、少なくとも土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃの計測値との比較に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。
【００４２】
（歪みセンサの校正方法）
図３〜図５を参照して、歪みセンサの校正方法を概念的に説明する。
【００４３】
歪みセンサ２２の出力からカッタヘッド１１に作用する作用力を求めるためには、歪み量と荷重（作用力）との対応関係を計測することにより、歪みセンサ２２の校正（キャリブレーション）を行う必要がある。
【００４４】
歪みセンサ２２の作用力Ｆｃは、歪み値ε、変換係数Ｋ、および、ゼロ点調整のためのオフセット値αを用いて、下式（２）によって表される。
Ｆｃ＝Ｋ×ε−α  ・・・（２）
【００４５】
歪みセンサ２２の校正とは、変換係数Ｋおよびオフセット値αを適正な値に設定することである。トンネル掘進機１の製造時においては、トンネル掘進機１が地上の製造施設にあるため、理想的な環境で歪みセンサ２２の校正が行える。ところが、一旦掘進が開始されトンネル掘進機１が地中にある場合でも、歪みセンサ２２や回路部分の異常または故障などの理由により、歪みセンサ２２の交換や再設置が必要となる場合がある。この場合、地中のトンネル掘進機１においてカッタヘッド１１には様々な外力が作用することから、理想的な環境で校正を行うことが難しい。そこで、第１実施形態では、掘進中のカッタヘッド１１に作用する力学的関係に基づいて、歪みセンサ２２の校正が行われる。
【００４６】
第１実施形態では、制御部２７は、地山の掘進中に取得された推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃと、地山の掘進に伴う抵抗成分Ｆｄとの所定の関係に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。
【００４７】
図３は、掘進中のトンネル掘進機１に作用する力の関係を示す模式図である。上述の通り、トンネル掘進機１の前胴部１５ａは中折れジャッキ２１ｂにより支持されており、前胴部１５ａに作用する力は全て、中折れジャッキ２１ｂが発生するジャッキ推力Ｆａにより支えられる。カッタヘッド１１には、地山からの土圧成分Ｆｂが作用する。土圧成分Ｆｂは、土圧センサ１９により求められる。すなわち、土圧センサ１９による計測圧力をＰとし、カッタヘッド１１の掘削面の有効断面積（受圧面積）をＡ0（既知）とすると、Ｆｂ＝Ｐ×Ａ0となる。また、掘進時の前胴部１５ａには、抵抗成分Ｆｄが作用する。抵抗成分Ｆｄは、たとえば前胴部１５ａと周辺地盤との間の摩擦力やその他の要因を含み、直接求めることができない未知の値である。
【００４８】
図３から、ジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃと、抵抗成分Ｆｄとの所定の関係として、下式（１）が得られる。
Ｆｃ＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｄ  ・・・（１）
【００４９】
式（１）において、ジャッキ推力Ｆａおよび土圧成分Ｆｂは既知の値であるが、抵抗成分Ｆｄは未知の値である。そのため、抵抗成分Ｆｄが、校正における誤差の要因となる。第１実施形態では、制御部２７は、ジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃと、抵抗成分Ｆｄとに関する式（１）において、掘進に伴い変動する抵抗成分Ｆｄを０以上と仮定して、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。ここで、抵抗成分Ｆｄの値は、掘進方向が負、掘進方向と逆方向が正である。抵抗成分Ｆｄは、掘進を妨げる方向に作用することから、最小でも０となり、掘進中には掘進方向に作用することはない。
【００５０】
なお、シールドジャッキ２１ａによる推進時には、シールドジャッキ２１ａのジャッキ推力Ｆｅおよび後胴部１５ｂに作用する抵抗成分Ｆｆが発生する。式（１）に加えて、これらの力をさらに考慮してもよい。抵抗成分Ｆｆは、後胴部１５ｂと周辺地盤との間の摩擦力や、後胴部１５ｂに接続される台車の抵抗などの各種抵抗力を含む。第１実施形態では、制御部２７は、シールドジャッキ２１ａおよび中折れジャッキ２１ｂのうち、中折れジャッキ２１ｂのジャッキ推力Ｆａを用いて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。
【００５１】
校正を行う際、制御部２７は、掘進中の同一時点におけるジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃとを取得して、記録する。データ収集時の作用力Ｆｃの算出は、式（２）における変換係数Ｋに予め仮の値ｋ0を代入し、オフセット値αはたとえばα＝０とする。変換係数ｋ0は、たとえば解析計算により求めた理論値や、過去に設定されていた値を用いる。データ収集点数は、多い程好ましいが、必要な校正精度に応じた点数のデータが収集される。
【００５２】
データ収集の結果、制御部２７は、たとえば図４に示すグラフを作成し、各計測値をプロットする。図４は、縦軸にジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値（Ｆａ−Ｆｂ）[ｋＮ]を取り、横軸に作用力Ｆｃ[ｋＮ]をとって、同一時点で取得されたＦａ−Ｆｂの値と、Ｆｃの値とにより定まる点をプロットしたものである。図４のプロット点は、セグメントＳＧを５リング分配列する間に収集されたデータ群である。式（１）および式（２）から、歪み−作用力の変換式（２）は、下式（３）のように表せる。
Ｋ×ε−α＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｄ  ・・・（３）
【００５３】
図４において、ある作用力Ｆｃに対してプロット点が縦軸方向にばらつくのは、抵抗成分Ｆｄによるものである。したがって、図４において、抵抗成分Ｆｄはデータのばらつきとして含まれており、図４の縦軸および横軸は、それぞれ式（１）または式（３）の右辺と左辺とに対応する。式（１）、式（３）に示す等式の右辺と左辺とをプロットしていることから、変換係数ｋ0が適正値である場合、プロット点の集合の直線近似は、図４のように縦軸および横軸のスケールが同じ場合には、４５度の正比例となる（近似直線ＡＬ１のＸ成分Δｘ（横軸成分）とＹ成分Δｙ（縦軸成分）とが略等しくなる）。そのため、たとえば図４の２点鎖線で示したような分布領域ＤＡの集合（近似直線ＡＬ２）が得られた場合、データ収集に用いた仮の変換係数ｋ0の値が適切でないことが分かる。
【００５４】
ここで、上記の通り、掘進中には、抵抗成分Ｆｄは０以上の値となる。そのため、ある作用力Ｆｃの値に対して、縦軸Ｆａ−Ｆｂの値が最も小さくなるとき、上式（１）の右辺における抵抗成分Ｆｄが最も０に近付いている状態の計測値であることが分かる。すなわち、プロット点の縦軸方向の分布に着目して、ある作用力Ｆｃの値に対するＦａ−Ｆｂの最小値（すなわち抵抗成分Ｆｄの最小値）では、近似的にＦｄ≒０と仮定することができ、抵抗成分Ｆｄを近似的に消去できる。その結果、Ｆａ−Ｆｂの最小値については、上式（１）をＦｃ≒Ｆａ−Ｆｂと近似できる。言い換えると、抵抗成分Ｆｄが最小（＝０）の場合でもＦｃ＝Ｆａ−Ｆｂとなるため、式（３）の左辺を表す直線の上側にしか、プロット点は現れないことになる。
【００５５】
そこで、第１実施形態では、制御部２７は、ジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値を取得し、作用力Ｆｃに対する差分値の最小値近傍の値に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。すなわち、制御部２７は、図４における各々の作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの各最小値近傍を通るように、変換式（式（３）の左辺）を表す近似直線ＡＬ１を設定する。
【００５６】
近似直線ＡＬ１の設定方法は、全てのプロット点のうちで、各々の作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの各最小値（各作用力Ｆｃにおいて縦軸方向の最も小さい値の集合）を結ぶ直線を設定してもよいし、測定上の外れ値の存在を考慮して、各作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの下位ｎ点（ｎは自然数）のプロット点を抽出した上で、抽出したｎ点について最小二乗法などによって求めた誤差最小点上を通るように近似直線ＡＬ１を設定してもよい。図４の例では、各々の作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの各最小値を結ぶように、近似直線ＡＬ１を設定した例を示している。
【００５７】
制御部２７は、得られたプロット点の集合に対する近似直線ＡＬ１の傾きが所定の許容範囲内に収まる変換係数Ｋの値を算出する。なお、図４のように、仮の変換係数ｋ0の値が適正であった場合、制御部２７は、仮の変換係数ｋ0をそのまま校正後の変換係数Ｋとして採用する。
【００５８】
このように、制御部２７は、推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、予め設定した変換係数Ｋを用いて取得した作用力Ｆｃの計測値と、の比較に基づいて、変換係数Ｋの校正を行うように構成されている。なお、差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値ではなく、単純に全てのプロット点の集合の近似直線を求めて、求めた近似直線の傾きが所定の許容範囲内に収まるように変換係数Ｋの値を算出してもよい。
【００５９】
次に、オフセット値αについて、制御部２７は、ジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値Ｆａ−Ｆｂを取得し、作用力Ｆｃに対する差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値近傍の値に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。すなわち、制御部２７は、図４における各々の作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの各最小値に基づいて求めた近似直線ＡＬ１が、グラフの原点を通るように、オフセット値αを設定する。
【００６０】
図４の例では、各々の作用力Ｆｃに対応する差分値Ｆａ−Ｆｂの各最小値を結ぶ直線ＡＬ１に基づき、オフセット値αが直線ＡＬ１の横軸切片（Ｘ切片）である１３０００ｋＮとして取得される例を示している。そのため、制御部２７は、上式（２）のαに、差分値の最小値近傍の値に基づいて取得した値（１３０００ｋＮ）を設定する。これにより、変換係数Ｋおよびオフセット値αが決定される。
【００６１】
ここで、校正に用いるデータとしては、できるだけ広い推力範囲（作用力範囲）で分布することが好ましい。そのため、第１実施形態では、制御部２７は、通常運転動作とは異なる校正用運転動作による地山の掘進中において、推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃの計測値を取得し、取得されたジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃの計測値を用いて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成される。校正用運転動作は、通常運転動作におけるジャッキ推力Ｆａの変動幅Ｗ１よりも大きい範囲で、地山の掘進中にジャッキ推力Ｆａを変動させる動作である。
【００６２】
すなわち、図５に示すように、通常運転動作においては、地盤の土質などの各種要因を考慮して、所定の変動幅Ｗ１（図５では横軸（作用力）側で示している）内に収まるようにジャッキ推力Ｆａが制御される。たとえば、図４の例では、横軸の変動幅が（校正前で）約１００００ｋＮから約５００００ｋＮ程度の範囲内で変動している。
【００６３】
制御部２７は、掘進中に発生可能な推力範囲内で、通常運転動作における変動幅Ｗ１よりも大きい変動幅（たとえば図５の変動幅Ｗ２）でジャッキ推力Ｆａを変動させる。制御部２７は、たとえば掘進中に発生可能な推力範囲を低、中、高などの複数領域に分割し、ジャッキ推力Ｆａが低領域Ｗａ、中領域Ｗｂ、高領域Ｗｃの各々に該当する場合の土圧成分Ｆｂと作用力Ｆｃの計測値とを取得する。これにより、校正用運転動作において収集したデータにより、通常運転動作よりも広い推力範囲（作用力範囲）でのプロット点の分布が得られる。
【００６４】
（制御部の処理）
次に、図６を参照して、第１実施形態によるトンネル掘進機１の制御部２７による歪みセンサの校正処理について説明する。
【００６５】
図６のステップＳ１に示すように、制御部２７は、ジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、予め設定した変換係数Ｋを用いて取得した作用力Ｆｃの計測値とを取得する。ジャッキ推力Ｆａは、中折れジャッキ２１ｂのセンサ出力に基づき取得され、土圧成分Ｆｂは土圧センサ１９の出力に基づいて取得される。作用力Ｆｃの計測値は、データ処理装置２５において算出され、制御部２７に送信される。
【００６６】
具体的には、データ処理装置２５は、エンコーダ２０から取得したカッタヘッド１１の現在角度θにおける、各歪みセンサ２２の歪み計測値Ｇを取得する。現在角度θにおける各歪みセンサ２２の歪み計測値Ｇは、回転方向に９０度ずつ位相がずれた計測値になる。データ処理装置２５は、所定のサンプリング周期毎に各歪みセンサ２２から計測結果を取得し、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。
【００６７】
データ処理装置２５は、現在角度θにおける歪み値Ｇの平均値Ｅを算出する。歪み平均値Ｅは、現時点(現在角度θ)で取得された４つの歪みセンサ２２の各計測値Ｇの平均値である。すなわち、Ｅ（θ）＝｛ΣＧ（θ）｝／４である。データ処理装置２５は、上式（２）の歪み値εに、歪み平均値Ｅ（θ）を代入することにより作用力Ｆｃの計測値を算出して、制御部２７に出力する。この際、変換係数Ｋは仮の値ｋ0が用いられ、オフセット値αはたとえばα＝０とされる。
【００６８】
制御部２７は、同一サンプリング時点（同一の現在角度θ）におけるジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、仮の変換係数ｋ0を用いて取得した作用力Ｆｃの計測値とを対応付けて記憶部に記憶する。計測データの収集は、地山の掘進中に、所定時間にわたって継続的に実施される。
【００６９】
制御部２７は、ステップＳ２において、収集されたジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、仮の変換係数ｋ0を用いて取得した作用力Ｆｃの計測値とに基づき、ジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値と、作用力Ｆｃの計測値との関係を求める。すなわち、制御部２７は、図４に示したグラフ（「ジャッキ推力と土圧成分との差分値」対「作用力の計測値」）を生成する。そして、制御部２７は、作用力Ｆｃに対する差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値近傍の値に基づいて、近似直線ＡＬ１を設定する。
【００７０】
ステップＳ３において、制御部２７は、ジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値Ｆａ−Ｆｂと、作用力Ｆｃの計測値とに基づいて、変換係数Ｋを求める。仮の変換係数ｋ0が許容範囲内である場合、制御部２７は、仮の係数ｋ0をそのまま変換係数Ｋとして採用する。図４の近似直線ＡＬ２のように、仮の変換係数ｋ0が許容範囲外である場合、制御部２７は、近似直線の傾きが許容範囲内に収まる変換係数Ｋを求める。
【００７１】
ステップＳ４において、制御部２７は、オフセット値αを求める。すなわち、図４に示したように、作用力Ｆｃに対する差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値近傍を通る近似直線ＡＬ１の横軸切片をオフセット値αとして求める。
【００７２】
ステップＳ５において、制御部２７は、取得した変換係数Ｋおよびオフセット値αを上式（２）に設定（更新）する。これにより、歪みセンサ２２の校正処理が終了する。
【００７３】
なお、校正処理が終了した後、制御部２７は、校正後の作用力Ｆｃの計測値、ジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂの取得を継続してもよい。たとえば、制御部２７は、校正処理の終了後も、ステップＳ１のデータ収集およびステップＳ２のグラフへのプロットを行う。そして、制御部２７は、新たに取得したプロット点の分布と各校正値（変換係数Ｋおよびオフセット値α）とを比較して、新たに取得したプロット点の分布が所定の許容範囲内であるか否かを判定する。これにより、制御部２７は、新たに取得したプロット点が所定の許容範囲外になる状態が継続する場合に、歪みセンサ２２の故障の可能性がある旨を、オペレーションルーム２６の表示装置や、パイロットランプやブザーなどの報知装置を制御してオペレータに報知してもよい。
【００７４】
（第１実施形態の効果）
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。
【００７５】
第１実施形態では、上記のように、カッタヘッド１１に作用する力の土圧成分Ｆｂを計測する土圧センサ１９と、歪みセンサ２２の出力に基づき、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃの計測値を取得する制御部２７とを設け、少なくとも土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃの計測値との比較に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、掘進途中においても、少なくとも土圧センサ１９から得られた土圧成分Ｆｂと、その時の歪みセンサ２２による作用力Ｆｃの計測値とを比較することによって、歪みセンサ２２の校正を行うことができる。その結果、カッタヘッド１１に外力が作用しないような実験的な環境を構築することが困難な掘進途中においても、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃを計測する歪みセンサ２２の校正を行うことができる。これにより、掘進途中において校正された歪みセンサ２２を用いて、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃを容易に取得することができる。
【００７６】
また、第１実施形態では、上記のように、推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、予め設定した歪みと作用力Ｆｃとの変換係数Ｋを用いて取得した作用力Ｆｃの計測値との比較に基づいて、変換係数Ｋの校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、仮の変換係数ｋ0を用いて取得した作用力Ｆｃの計測値と、実測したジャッキ推力Ｆａおよび土圧成分Ｆｂとの比較によって、変換係数Ｋの校正を行うことが可能となる。その結果、カッタヘッド１１に外力が作用しないような実験的な環境を構築することなく、掘進中に取得可能な計測値に基づいて容易に変換係数Ｋの校正を行うことができる。
【００７７】
また、第１実施形態では、上記のように、地山の掘進中に取得された推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃと、地山の掘進に伴う抵抗成分Ｆｄとの所定の関係に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、地山の掘進を継続しながらジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃのデータを収集して、歪みセンサ２２の校正を行うことができるようになる。そのため、たとえば歪みセンサ２２の校正のためだけに掘進を停止する必要がなくなるので、歪みセンサ２２の校正を容易に行うことができる。
【００７８】
また、第１実施形態では、上記のように、ジャッキ推力Ｆａと、土圧成分Ｆｂと、作用力Ｆｃと、抵抗成分Ｆｄとに関する下式（１）において、掘進に伴い変動する抵抗成分Ｆｄを０以上と仮定して、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、掘進中に抵抗成分Ｆｄが負の値をとらない（Ｆｄ≧０）ことに基づき、直接計測できない抵抗成分Ｆｄの影響が小さくなるデータ（抵抗成分Ｆｄが０に近いデータ）を選んで校正を行うことができる。その結果、掘進中に取得したデータを用いる場合でも、必要十分な精度で歪みセンサ２２の校正が可能となる。
Ｆｃ＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｄ  ・・・（１）
【００７９】
また、第１実施形態では、上記のように、ジャッキ推力Ｆａと土圧成分Ｆｂとの差分値を取得し、作用力Ｆｃに対する差分値の最小値近傍の値に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値近傍の値は、抵抗成分Ｆｄが最小に（０に近く）なり作用力Ｆｃと差分値Ｆａ−Ｆｂとが略一致すると見なし得るデータであると考えられるため、作用力Ｆｃに対する差分値Ｆａ−Ｆｂの最小値近傍の値に基づくことにより、直接計測できない抵抗成分Ｆｄの影響を極力除外して精度よく校正を行うことが可能となる。
【００８０】
また、第１実施形態では、上記のように、通常運転動作とは異なる校正用運転動作による地山の掘進中において、推進ジャッキ２１のジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃの計測値を取得し、取得されたジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃの計測値を用いて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。そして、校正用運転動作を、通常運転動作におけるジャッキ推力Ｆａの変動幅Ｗ１よりも大きい範囲Ｗ２で、地山の掘進中にジャッキ推力Ｆａを変動させる動作とする。これにより、校正用運転動作によって、通常運転動作中では発生させないような広い範囲でジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃのデータを収集できる。そのため、より広い推力範囲において収集されたデータを用いることによって、より一層精度よく歪みセンサ２２の校正を行うことができる。
【００８１】
また、第１実施形態では、上記のように、シールドジャッキ２１ａおよび中折れジャッキ２１ｂのうち、中折れジャッキ２１ｂのジャッキ推力Ｆａを用いて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、前胴部１５ａを推進させる中折れジャッキ２１ｂの推力を用いることにより、胴体１５全部の抵抗成分ではなく、前胴部１５ａの抵抗成分Ｆｄだけを考慮すればよくなる。その結果、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃにおける未知の抵抗成分Ｆｄの影響をより小さくすることができるので、歪みセンサ２２の校正を精度よく行うことが可能となる。
【００８２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態による歪みセンサ２２の校正方法について説明する。第２実施形態では、掘進中のジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂ、作用力Ｆｃおよび抵抗成分Ｆｄの関係に基づいて歪みセンサ２２の校正を行う例を示した上記第１実施形態とは異なり、掘進を停止させて歪みセンサ２２の校正を行う例について説明する。なお、第２実施形態において、歪みセンサ２２の校正方法以外については、上記第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８３】
トンネル掘進機１による掘進工事を行う場合には、掘進を停止させてカッタヘッド１１やカッタビット１１ａの点検、交換などの作業を行う場合がある。このように掘進を停止させるタイミングでは、以下のような方法で歪みセンサ２２の校正を行うことが可能である。
【００８４】
すなわち、第２実施形態では、制御部２７は、掘進途中に推進ジャッキ２１による推進を停止させた状態における、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂおよび作用力Ｆｃの所定の関係に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように構成されている。
【００８５】
図７を用いて、掘進停止中のトンネル掘進機１に作用する力の関係について説明する。掘進状態では、カッタヘッド１１には、ジャッキ推力Ｆａに対する反力が地山側から作用する。これに対して、掘進を停止し、中折れジャッキ２１ｂを引き戻すことにより、地山からの反力が概ねゼロになる。つまり、カッタヘッド１１には、ジャッキ推力Ｆａに起因する地山からの反力が概ね作用しなくなる。その結果、この状態のカッタヘッド１１は、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂのみが作用する状態にあると見なせる。なお、地山が不安定な場合、ベントナイト注入などの地盤改良を行い安定化させた状態で、中折れジャッキ２１ｂを引き動作が行われる。
【００８６】
このように、掘進を停止して中折れジャッキ２１ｂを引き戻した状態では、カッタヘッド１１に作用する力の関係式として、下式（４）が得られる。
Ｆｃ＝Ｋ×ε＋α≒Ｆｂｂ  ・・・（４）
【００８７】
式（４）の関係に基づき、第２実施形態では、制御部２７は、掘進を停止させ中折れジャッキ２１ｂを引き戻した状態において、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂが作用力Ｆｃと等しいと見なして、歪みセンサ２２の出力におけるゼロ点の校正を行うように構成されている。
【００８８】
すなわち、掘進を停止し、中折れジャッキ２１ｂを引き戻した状態で収集したデータにより図４と同様のグラフを作成すると、図８のように横軸の作用力Ｆｃの計測値に対する縦軸のカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂの関係が得られる。図８のプロット結果から、制御部２７は、上式（４）に基づいて、オフセット値αの値を取得する。すなわち、制御部２７は、式（４）の左辺を示す直線がゼロ点を通るようにオフセット値α（横軸切片）を求める。
【００８９】
図８のグラフにおいて、変換係数Ｋは、仮の値ｋ0を用いることができる。制御部２７は、掘進時のデータが収集済みの場合には、第１実施形態と同様にして得られた変換係数Ｋの値を用いてもよいし、掘進時のデータがない場合には解析計算により求めた理論値や、過去に設定されていた値ｋ0を用いてもよい。掘進停止中のカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂのみの縦軸データは、ジャッキ推力Ｆａを含む場合と比べて十分に小さく、ゼロ点近傍のデータが得られるので、使用した変換係数の値ｋ0と実際の変換係数Ｋとの間に若干の誤差がある場合でも、ゼロ点の位置を求める際の誤差の影響を十分に小さくすることができるためである。
【００９０】
（制御部の処理）
次に、図９を参照して、第２実施形態による歪みセンサの校正処理について説明する。
【００９１】
ステップＳ１１において、制御部２７は、掘進停止中に、中折れジャッキ２１ｂを引き戻すように制御する。これにより、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃのうちのカッタヘッド１１へのジャッキ推力Ｆａの作用が除去される。
【００９２】
ステップＳ１２において、制御部２７は、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂおよび作用力Ｆｃの計測値を取得する。カッタヘッド１１に作用する上下土圧差およびカッタコラム１２へのカッタヘッド１１の転倒モーメントを考慮して、歪み量εは、カッタヘッド１１を１回転以上回転させ、１回転当たりの歪み量の平均値εaveとする。１回転当たりの歪み量の平均値εaveは、たとえばＥ（θ）のθ＝０度〜３５９度の平均値である。回転方向は、右回転（時計回り）および左回転（反時計回り）の両方とする。制御部２７は、得られた歪み平均値εaveから、式（４）の左辺により作用力Ｆｃを求める。カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂは、Ｆｂｂ＝Ｐ×Ａbとして、土圧センサ１９から得られた土圧Ｐと受圧面積Ａbとにより求められる。ここでは、受圧面積Ａbは、カッタコラム１２の脚部の断面積（８本分の合計）と、カッタヘッド１１のセンターシャフト１１ｄ（図１参照）の断面積との和である。
【００９３】
ステップＳ１３において、制御部２７は、求めた作用力Ｆｃとカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂとに基づき、上式（４）により、ゼロ点調整のためのオフセット値αを取得する。掘進停止中における歪みセンサ２２の校正は、これにより完了する。
【００９４】
その後、制御部２７は、ステップＳ１４において、求めたオフセット値αを式（２）に代入して、掘進中のデータ収集を行い、設定した変換係数Ｋとオフセット値αとが妥当であるか否かを確認する。仮に設定した変換係数ｋ0が妥当でない場合、制御部２７は、上記第１実施形態と同様にして変換係数Ｋを設定する。
【００９５】
（第２実施形態の効果）
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。
【００９６】
第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、少なくともカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂと、作用力Ｆｃの計測値との比較に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うことによって、掘進途中においても、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂと、作用力Ｆｃの計測値とにより歪みセンサ２２の校正を行うことができる。その結果、カッタヘッド１１に外力が作用しないような実験的な環境を構築することが困難な掘進途中においても、歪みセンサ２２の校正を行うことができる。
【００９７】
また、第２実施形態では、上記のように、掘進途中に推進ジャッキ２１による推進を停止させた状態における、カッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂおよび作用力Ｆｃの所定の関係（式（４））に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行うように制御部２７を構成する。これにより、カッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃのうち、ジャッキ推力Ｆａおよび抵抗成分Ｆｄを除外して歪みセンサ２２の校正を行うことができる。そのため、誤差の要因を極力除外して精度よく歪みセンサ２２の校正を行うことが可能となる。
【００９８】
また、第２実施形態では、上記のように、推進ジャッキ２１による推進を停止させた状態におけるカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂと作用力Ｆｃとが略等しいと見なして、歪みセンサ２２の出力におけるゼロ点の校正（オフセット値αの取得）を行うように制御部２７を構成する。これにより、ゼロ点の校正を容易に行うことができる。また、掘進中のジャッキ推力Ｆａを含む場合と比較して、掘進途中において推進を停止させた状態ではカッタヘッド１１に作用する土圧成分Ｆｂｂおよび歪み量ε（すなわち、作用力Ｆｃの大きさ）が十分に小さく、ゼロ点近傍の計測値が取得できるので、計測データに含まれる誤差の影響を低減することができる。その結果、ゼロ点の校正を精度よく行うことができる。
【００９９】
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。
【０１００】
たとえば、上記第１および第２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センターシャフト支持方式、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。
【０１０１】
また、上記第１および第２実施形態では、トンネル掘進機１のカッタコラム１２に歪みセンサ２２を取り付ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、カッタコラム以外に歪みセンサを取り付けてもよい。たとえば、歪みセンサ２２が、カッタヘッド１１の一部であるスポーク部１１ｂに設置され、スポーク部１１ｂの歪み量に基づいてカッタヘッド１１に作用する作用力Ｆｃが取得されてもよい。また、たとえばセンターシャフト支持方式を採用したトンネル掘進機において、カッタヘッドと共に回転するセンターシャフトに歪みセンサを取り付けてもよい。
【０１０２】
なお、これらの変形例を組み合わせ、カッタコラム１２およびスポーク部１１ｂにそれぞれ歪みセンサ２２を取り付けてもよい。歪みセンサ２２は、カッタヘッド、および、カッタヘッドと一体回転するカッタ支持部のいずれか一方または両方において、カッタ推力を算出可能な歪みを計測できる部位に設けらればよく、歪みセンサ２２は、カッタヘッドおよびカッタ支持部のどの部位に設置されてもよい。
【０１０３】
また、上記第１実施形態では、校正用運転動作による掘進中に収集したデータを用いて歪みセンサ２２の校正を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、通常運転動作による掘進中に収集したデータを用いて歪みセンサ２２の校正を行ってもよい。
【０１０４】
また、上記第１実施形態では、上式（１）に示したジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃと、抵抗成分Ｆｄとの所定の関係に基づいて、歪みセンサ２２の校正を行う例を示したが、校正が行われた後では、制御部２７は、同様の式（１）の関係に基づいて、未知の量である抵抗成分Ｆｄを推定することが可能である。すなわち、上式（１）は、下式（５）のように書き換えることができる。
Ｆｄ＝Ｆａ−Ｆｂ−Ｆｃ  ・・・（５）
式（５）から分かるように、掘進に伴いカッタヘッド１１に作用する抵抗成分Ｆｄは、ジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃから推定することが可能である。これにより、掘進中の周辺地盤の土質の変化などの掘進状況の変化を速やかに把握できる。
【０１０５】
このように、制御部２７が、式（５）のようにジャッキ推力Ｆａ、土圧成分Ｆｂおよび作用力Ｆｃに基づいて、掘進に伴う抵抗成分Ｆｄを推定するように構成されてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１  トンネル掘進機
１１  カッタヘッド
１２  カッタコラム（カッタ支持部）
１９  土圧センサ
２１  推進ジャッキ
２１ａ  シールドジャッキ
２１ｂ  中折れジャッキ
２２  歪みセンサ
２７  制御部
Ｆａ  ジャッキ推力
Ｆｂ  土圧成分
Ｆｂｂ  カッタヘッドに作用する土圧成分
Ｆｃ  カッタヘッドの作用力
Ｆｄ  抵抗成分
【図１】
2017214770.tif 000003
【図２】
2017214770.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年6月3日(2016.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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