(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転もしくは往復揺動されるカッタヘッドに１つまたは複数の伸縮自在な余掘装置が内蔵され、この余掘装置の伸縮量を前記カッタヘッドの回転もしくは揺動に伴って制御し、矩形断面を掘削するトンネル掘進機の余掘装置制御方法であって、
前記矩形断面のコーナー部がカッタヘッドの回転もしくは揺動中心を中心点とする半径一定の円弧形状となるように余掘装置の伸縮量を制御することを特徴とするトンネル掘進機の余掘装置制御方法。
【請求項２】
回転もしくは往復揺動されるカッタヘッドに内蔵される１つまたは複数の伸縮自在な余掘装置の伸縮量を前記カッタヘッドの回転もしくは揺動に伴って制御し、コーナー部がカッタヘッドの回転もしくは揺動中心を中心点とする円弧形状である矩形断面を掘削するトンネル掘進機の余掘装置の制御装置であって、
前記余掘装置の伸縮量もしくは傾斜角度により、この余掘装置の先端部が前記コーナー部の入口点もしくは出口点に達しているか否かを判定する判定手段と、
前記余掘装置の伸縮量を制御している状態で、前記判定手段により前記余掘装置の先端部が前記入口点に達したことが判定されたときその余掘装置の伸縮量の制御を停止させてその伸縮量を一定とし、この状態で前記判定手段により前記余掘装置の先端部が出口点に達したことが判定されたときその余掘装置の伸縮量の制御を再開する伸縮量調整手段と
を備えることを特徴とするトンネル掘進機の余掘装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転もしくは往復揺動されるカッタヘッドに１つまたは複数の伸縮自在な余掘装置が内蔵され、この余掘装置の伸縮量を前記カッタヘッドの回転もしくは揺動に伴って制御し、矩形断面を掘削するトンネル掘進機の余掘装置制御方法およびその制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばトンネル掘進機により掘削される矩形断面等の異形断面のコーナー部は地山からの応力集中を防ぐためにアール形状とされている。図４に一般的な矩形断面のコーナー部の形状を説明する説明図が示されるように、掘削形状１００の水平直線部１０１と垂直直線部１０２とがカッタヘッド回転もしくは揺動中心１０３以外の位置を中心点１０４とする半径ｒの円弧形状部１０５により連結されている。なお、前記水平直線部１０１とカッタヘッド中心１０３からの垂直線１０６との交点を符号Ａ’，前記水平直線部１０１と円弧形状部１０５との交点を符号Ｂ’，前記円弧形状部１０５と垂直直線部１０２との交点を符号Ｃ’および前記垂直直線部１０２とカッタヘッド中心１０３を通る水平線１０７との交点を符号Ｄ’としてそれぞれ表されている。
【０００３】
このような異形断面は例えば伸縮可能な余掘装置を内蔵するスポーク式カッタヘッド（スポーク長さＬ１’）を有するトンネル掘進機によって、前記余掘装置がスポークの回転もしくは揺動に伴って余掘装置の制御装置により伸縮されて掘削される。この余掘装置の伸縮量Ｌ’は、前記余掘装置の制御装置により水平直線部（点Ａ’Ｂ’間）では演算式（１）、円弧形状部（点Ｂ’Ｃ’間）では演算式（２）、垂直直線部（点Ｃ’Ｄ’間）では演算式（３）に基づいて演算される。
【数１】
0004138962.tif 000002
（但し、ｄ’：トンネル掘進機外周と掘削形状との間隔，Ｌ２’：カッタヘッド中心１０３からトンネル掘進機外周水平部までの最短距離，θ’：垂直線１０６と余掘装置とのなす角度，Ｄ１：Ｌ１’−ｒ，Ｄ２：Ｌ２’−ｒ，α：ｔａｎ−１（Ｄ２／Ｄ１））
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記点Ｂ’Ｃ’間の円弧形状部１０５における余掘装置の伸縮量を求める演算式（２）が非常に複雑であるとともに、直線部と円弧形状部（コーナー部）とで演算式を変える必要があることから、このような演算式に基づいて余掘装置の伸縮量の演算を行った場合には、余掘装置の伸縮量制御に遅れが生じるという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、種々の矩形断面を掘削する際に、余掘装置の伸縮量制御を簡素化し、制御遅れを防止することができるトンネル掘進機の余掘装置制御方法およびその制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、第一発明によるトンネル掘進機の余掘装置制御方法は、
回転もしくは往復揺動されるカッタヘッドに１つまたは複数の伸縮自在な余掘装置が内蔵され、この余掘装置の伸縮量を前記カッタヘッドの回転もしくは揺動に伴って制御し、矩形断面を掘削するトンネル掘進機の余掘装置制御方法であって、
前記矩形断面のコーナー部がカッタヘッドの回転もしくは揺動中心を中心点とする半径一定の円弧形状となるように余掘装置の伸縮量を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
第一発明においては、矩形断面のコーナー部がカッタヘッドの回転もしくは揺動中心を中心点とする円弧形状となるように、余掘装置の先端部が前記コーナー部を掘削する時点でその伸長量が一定に保持され、この状態でカッタヘッドが回転もしくは揺動されて掘削が行われる。
【０００８】
第一発明によれば、矩形断面のコーナー部を掘削する際の余掘装置の伸縮制御が非常に簡易である。このため、余掘装置の伸縮量の制御遅れを防止することができる効果を奏する。
【０００９】
次に、第二発明によるトンネル掘進機の余掘装置制御装置は、
回転もしくは往復揺動されるカッタヘッドに内蔵される１つまたは複数の伸縮自在な余掘装置の伸縮量を前記カッタヘッドの回転もしくは揺動に伴って制御し、コーナー部がカッタヘッドの回転もしくは揺動中心を中心点とする円弧形状である矩形断面を掘削するトンネル掘進機の余掘装置の制御装置であって、
前記余掘装置の伸縮量もしくは傾斜角度により、この余掘装置の先端部が前記コーナー部の入口点もしくは出口点に達しているか否かを判定する判定手段と、
前記余掘装置の伸縮量を制御している状態で、前記判定手段により前記余掘装置の先端部が前記入口点に達したことが判定されたときその余掘装置の伸縮量の制御を停止させてその伸縮量を一定とし、この状態で前記判定手段により前記余掘装置の先端部が出口点に達したことが判定されたときその余掘装置の伸縮量の制御を再開する伸縮量調整手段と
を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
第二発明においては、判定手段により余掘装置の伸縮量もしくは傾斜角度に基づいて余掘装置の先端部の位置が判定され、その余掘装置の先端部がコーナー部上にない場合は、伸縮量調整手段によりカッタヘッドの回転もしくは揺動に基づいて余掘装置の伸縮量が制御され、前記先端部がコーナー部の入口点に到達した時点で伸縮量の制御が停止され余掘装置の伸長量が一定に保持され、この状態でカッタヘッドが回転もしくは揺動されてコーナー部の掘削が行われる。続いて、カッタヘッドの先端部が出口点に到達した時点で再び伸縮量の制御が行われて矩形断面が掘削される。
【００１１】
第二発明によれば、矩形断面のコーナー部を掘削する際に、複雑な演算式に基づいて伸縮量を調整する必要がなく、余掘装置の伸縮制御が非常に簡易である。このため、余掘装置の伸縮量の制御遅れを防止することができる効果を奏する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるトンネル掘進機の余掘装置制御方法およびその装置の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１には、本発明の一実施例に係る余掘装置の制御装置を備えるトンネル掘進機の部分断面図が示されている。図２には本実施例の余掘装置の制御装置における余掘装置伸縮量の演算式を説明する模式図が示されている。
【００１４】
本実施例のトンネル掘進機１においては、略矩形断面形状のスキンプレート２が設けられ、このスキンプレート２の前方には４本（１本のみ図示）のスポーク３からなるスポーク式カッタヘッド５が揺動可能に支承されている。これらスポーク３は、互いに隣接するスポーク同士のなす角度が９０°になるように配置されるとともに、それぞれ伸縮可能な余掘装置６が内蔵されている。
【００１５】
前記余掘装置６は図示されない制御装置によって、その伸縮量が制御されて前記スキンプレート２の略外周（スキンプレート２より距離ｄ分外側）（以下、掘削形状という）７を掘削するようにされている。前記スキンプレート２は、そのコーナー部２ａ（１つのみ図示）がカッタヘッド５の揺動中心（スポーク３の基部点Ｏ）を中心とする円弧形状とされている。
【００１６】
図２に示されるように、前記カッタヘッド５の揺動中心点Ｏからの垂直線８と掘削形状７の水平部９との交点が点Ａ，前記水平部９と掘削形状７のコーナー部７ａとの交点が点Ｂ（本発明における入口点もしくは出口点に相当する。），前記コーナー部７ａと掘削形状７の垂直部１０との交点が点Ｃ（本発明における入口点もしくは出口点に相当する。）および前記垂直部１０とカッタヘッド５の揺動中心点Ｏからの水平線１１との交点が点Ｄとされている。前記余掘装置６は、スポーク３の揺動に伴って伸縮が制御されて前記水平部９（点Ａ−Ｂ間），コーナー部７ａ（点Ｂ−Ｃ間）および垂直部１０（点Ｃ−Ｄ間）を順次掘削するようにされている。
【００１７】
この余掘装置６の伸縮は、図示されない制御装置の伸縮調整部（本発明における伸縮調整手段に相当する。）により調整されており、前記水平部９（点Ａ−Ｂ間）では演算式（４）に基づきスポーク３の揺動角度に応じてその伸縮量ＬＡＢが演算され、前記垂直部１０（点Ｃ−Ｄ間）では演算式（５）に基づきスポーク３の揺動角度に応じてその伸縮量ＬＣＤが演算される。また、コーナー部７ａ（点Ｂ−Ｃ間）では、余掘装置６の伸縮操作が停止され、一定の伸縮量ＬＢＣ（演算式（５）に示す）に保持されている。
ＬＡＢ＝（Ｌ１＋ｄ）／ｃｏｓθ−Ｌ１・・・（４）
ＬＣＤ＝（Ｌ２＋ｄ）／ｃｏｓ（９０°−θ）−Ｌ１・・・（５）
ＬＢＣ＝Ｒ＋ｄ−Ｌ１                ・・・（６）
但し、Ｌ１はスポーク３の長さ，Ｌ２は点Ｏからスキンプレート水平部までの最短距離，Ｒは点Ｏからスキンプレートコーナー部２ａまでの距離，θはスポーク３と垂直線８とのなす角度である。
【００１８】
また、前記制御装置の判定部（図示省略）（本発明における判定手段に相当する。）により、前記余掘装置６の先端が水平部９，コーナー部７ａまたは垂直部１０上の何処に位置しているかが判定される。この判定部の判定手順について、図３に示されるフローチャートに基づいて説明する。
Ｓ１：垂直線８とスポーク３とのなす角度θがコーナー部７ａと垂直線８とのなす角度β（θ１＜β＜θ２：θ１は点Ｏと点Ｂとを結ぶ直線と垂直線８とのなす角度，θ２は点Ｏと点Ｃとを結ぶ直線と垂直線８とのなす角度）より小さいか否かを判定する。
Ｓ２：前記垂直線８とスポーク３とのなす角度θがβより小さいか等しい場合、余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより大きいか否かを判定する。
Ｓ３：前記余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより小さい場合、余掘装置６の伸縮量Ｌは前記水平部９（点Ａ−Ｂ間）の演算式（４）に基づいて制御される。
Ｓ４：前記余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより大きいか等しい場合、余掘装置６の伸縮量Ｌは前記コーナー部７ａ（点Ｂ−Ｃ間）の演算式（６）に基づいて制御される。
Ｓ５：前記ステップＳ１の判断で垂直線８とスポーク３とのなす角度θがβより大きい場合、余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより小さいか否かを判定する。前記余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより大きい場合は、前記ステップＳ４の処理を行う。
Ｓ６：前記余掘装置６の伸縮量Ｌがコーナー部７ａの余掘装置伸縮量ＬＢＣより小さいか等しい場合、余掘装置６の伸縮量Ｌは前記垂直部１０（点Ｃ−Ｄ間）の演算式（５）に基づいて制御される。
Ｓ７：前記ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６の各処理により伸縮量Ｌが制御された後、掘削が終了であれば余掘装置の伸縮制御を終了する。掘削が終了でない場合は、再び余掘装置の先端位置の判定が行われる。なお、このような余掘装置６の先端位置の判定は、一定間隔（本実施例では約０．１秒）で行われている。
【００１９】
このように構成されるトンネル掘進機１の余掘装置６の制御装置においては、前記判定部によってスポーク３の揺動に伴って伸縮される余掘装置６の伸縮量が監視されて、余掘装置６の先端が水平部９とコーナー部７ａとの切替点Ｂ，コーナー部７ａと垂直部１０との切替点Ｃに到達したか否かが判定される。次いで、前記判定部によって余掘装置６の先端が水平部９上にある場合は前記伸縮量調整部によりスポーク３の傾きに応じて演算式（４）に基づいて余掘装置６の伸長量が調整され、垂直部１０上にある場合は前記伸縮量調整部によりスポーク３の傾きに応じて演算式（５）に基づいて余掘装置６の伸長量が調整され、コーナー部７ａ上にある場合は余掘装置６の伸長量が一定（演算式（６）で示す）に保持される。
【００２０】
本実施例において、前記スポーク３が点Ａから点Ｄに向けて揺動される場合は、前記スポーク３の傾きに応じて演算式（４）に基づいて余掘装置６を伸長させて水平部９を掘削し、その余掘装置６の先端が切替点Ｂに到達した時点でその余掘装置６の伸長を停止して演算式（６）に示される伸長量に保持してスポーク３の揺動のみによってコーナー部７ａを掘削し、前記切替点Ｃに到達した時点で演算式（５）に基づいて余掘装置６を収縮させて垂直部１０を掘削する。一方、スポーク３が点Ｄから点Ａに向けて揺動される場合は、演算式（５）に基づいて余掘装置６が伸長され、切替点Ｃに到達した時点でその伸長が停止され演算式（６）に示される伸長量に保持され、前記切替点Ｂに到達した時点で演算式（４）に基づいて余掘装置６が収縮される。なお、図示されない他の３本のスポークに内蔵される余掘装置も同様にその伸縮量が調整されている。
【００２１】
本実施例によれば、コーナー部７ａを掘削する際の余掘装置６の伸縮制御が非常に簡易である。このため、余掘装置６伸長量の制御遅れを防止することができる効果を奏する。
【００２２】
本実施例においては、カッタヘッド５を揺動させて所要の掘削形状が得られているが、これに限らず、カッタヘッドを回転させて掘削を行うトンネル掘進機に適用しても同様の作用効果を得ることができる。
【００２３】
本実施例においては、判定部により余掘装置６の伸長量を監視して余掘装置６の先端が水平部９とコーナー部７ａとの切替点Ｂ，コーナー部７ａと垂直部１０との切替点Ｃに到達したか否かが判定されているが、これに限らず、スポーク３と垂直線８とのなす角度を監視することによって余掘装置６の先端が切替点Ｂ，切替点Ｃに到達するか否かを判定するするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る余掘装置の制御装置を備えるトンネル掘進機の部分断面図である。
【図２】図２は、本実施例の余掘装置の制御装置における余掘装置伸縮量の演算式を説明する模式図である。
【図３】図３は、本実施例の余掘装置の制御装置の判定部における判定手順を順次説明するフローチャートである。
【図４】図４は、従来の矩形断面のコーナー部の形状を説明する説明図である。
【符号の説明】
１      トンネル掘進機
２      スキンプレート
３      スポーク
５      カッタヘッド
６      余掘装置
７      掘削形状
７ａ    コーナー部
８      垂直線
９      水平部
１０      垂直部
１１      水平線
【図１】
0004138962.tif 000003
【図２】
0004138962.tif 000004
【図３】
0004138962.tif 000005
【図４】
0004138962.tif 000006