【手続補正書】
【提出日】平成30年1月12日(2018.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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カッタスポーク自体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力を取得するデータ処理部とを備える、トンネル掘進機。
【請求項２】
中間支持方式のトンネル掘進機であって、
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であるカッタコラムと、
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、
前記カッタコラムに設けられた歪みセンサと、
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力を取得するデータ処理部とを備える、トンネル掘進機。
【請求項３】
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カッタスポーク自体に設けられた歪みセンサと、
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力を取得するデータ処理部とを備える、トンネル掘進機。
【請求項４】
前記カッタコラムはチャンバ内を周方向に移動する角筒形状であり、周方向側の一対の側面を備え、前記周方向側の一対の側面の内側表面を一対の設置面として、前記歪みセンサがそれぞれ設置されている、請求項２に記載のトンネル掘進機。
【請求項５】
前記データ処理部は、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、前記カッタヘッドに作用する回転軸線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、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、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１〜５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１〜６のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
【請求項８】
前記歪みセンサは、前記カッタヘッドの回転軸線方向に略平行な設置面に取り付けられている、請求項５に記載のトンネル掘進機。
【請求項９】
前記歪みセンサは、前記カッタヘッドの前記カッタスポークの回転軸線方向に略平行な設置面に設けられ、
前記データ処理部は、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、前記カッタスポークに作用する回転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、請求項１または３に記載のトンネル掘進機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
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、カッタヘッドのカッタスポーク自体またはカッタ支持部に設けられた歪みセンサと、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力を取得するデータ処理部とを備える。
この発明の第２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、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であるカッタコラムと、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、カッタコラムに設けられた歪みセンサと、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力を取得するデータ処理部とを備える。
この発明の第３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、カッタヘッドのカッタスポーク自体に設けられた歪みセンサと、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力を取得するデータ処理部とを備える。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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支持部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支持部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。
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、カッタコラムはチャンバ内を周方向に移動する角筒形状であり、周方向側の一対の側面を備え、周方向側の一対の側面の内側表面を一対の設置面として、歪みセンサがそれぞれ設置されている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
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、データ処理部は、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタヘッドに作用する回転軸線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。このように構成すれば、掘進に伴う推力の反作用力としての、カッタヘッドに作用する回転軸線方向の力の分布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。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
上記データ処理部がカッタヘッドに作用する回転軸線方向の力の回転方向分布を取得する構成において、好ましくは、歪みセンサは、カッタヘッドの回転軸線方向に略平行な設置面に取り付けられている。このように構成すれば、歪みセンサの設置面が回転軸線方向に対して傾斜している場合と比べて、回転軸線方向の力による設置面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。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
上記第１または第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、カッタヘッドのカッタスポークの回転軸線方向に略平行な設置面に設けられ、データ処理部は、歪みセンサおよび回転位置検出部の検出結果に基づき、カッタスポークに作用する回転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。このように構成すれば、カッタ駆動部による回転力の反作用力としての、カッタヘッドのカッタスポーク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、掘進中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。これにより、把握した状況を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。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。