JP2019052520A - シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮カッタの制御系を短期間で構築可能なシールド掘進機を提供する。【解決手段】このシールド掘進機１は、回転して土砂を掘削するカッタヘッド２と、カッタヘッド２を回転駆動する油圧式のカッタ駆動部３とカッタヘッド２の回転角度θを検出する回転角度検出部４と、カッタヘッド２の外周部から半径方向に伸縮する油圧式の伸縮カッタ５と、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に同期して作動油を供給する油圧供給部３０と、伸縮カッタ５と油圧供給部３０との間に設けられ、カッタヘッド２の回転角度θに対応した流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出する容積式の流量調整部４０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、シールド掘進機に関し、特に、カッタヘッドの外周側を掘削する伸縮カッタを備えるシールド掘進機に関する。

従来、カッタヘッドの外周側を掘削する伸縮カッタを備えるシールド掘進機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、カッタヘッドと、カッタヘッドの外周部から半径方向に伸縮することにより、カッタヘッドの外周側を掘削するコピーカッタ（伸縮カッタ）とを備えるシールド掘進機が開示されている。コピーカッタは、コピーカッタの伸縮用の油圧ジャッキと油圧ポンプとの間に設けられたサーボ弁の開閉制御により、伸縮動作が制御される。コピーカッタは、カッタヘッドの掘削範囲が及ばない外周部分を余掘りする機構であり、カッタヘッドの回転に応じて伸縮させて、一回転の間にコピーカッタが所望の軌跡を描くように制御される。上記特許文献１では、油圧ジャッキによるコピーカッタのストローク量の目標値と、コピーカッタのストローク量を検出するストローク計の検出信号との偏差がゼロになるように、サーボ弁の開度をフィードバック制御することにより、一回転の間のコピーカッタの軌跡を制御している。

特開平７−２１７３７３号公報

上記特許文献１のようなコピーカッタのフィードバック制御方式には、以下のような問題点がある。まず、一般的なＰＩＤ制御などのフィードバック制御を行う場合、制御上の各種係数（ゲイン）を事前に決めることは容易ではなく、実際のシールド掘進機を稼働（試運転）させて係数を決める必要があるため煩雑で時間がかかる。また、サーボ弁は開度調節によって流量を制御するため、実際に油圧ジャッキに供給される流量はサーボ弁の前後の差圧によって変動する。そのため、たとえばコピーカッタにかかる負荷（地山からの反力）変動や、油圧ジャッキの伸長駆動時の特性と収縮駆動時の特性との相違などによっても差圧変動が生じて油圧ジャッキへの供給流量が変動し、フィードバック制御によって安定して制御するのが難しいため、たとえばコピーカッタを高速で伸縮させる場合などにコピーカッタの伸縮動作が振動的になる（いわゆるハンチングを生じる）場合がある。これによっても、各種係数を決める作業は煩雑化し時間を要することになる。

そのため、伸縮カッタの制御系を構築するのに要する期間を短縮（リードタイムを短縮）できるようにすることが望まれている。

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、伸縮カッタの制御系を短期間で構築可能なシールド掘進機を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるシールド掘進機は、回転して土砂を掘削するカッタヘッドと、カッタヘッドを回転駆動する油圧式のカッタ駆動部とカッタヘッドの回転角度を検出する回転角度検出部と、カッタヘッドの外周部から半径方向に伸縮する油圧式の伸縮カッタと、カッタ駆動部および伸縮カッタの各々に同期して作動油を供給する油圧供給部と、伸縮カッタと油圧供給部との間に設けられ、カッタヘッドの回転角度に対応した流量で作動油を伸縮カッタへ吐出する容積式の流量調整部と、を備える。なお、同期して作動油を供給するとは、供給開始直後や供給停止直前の過渡状態(非定常状態)を除く少なくとも定常状態において、供給動作（供給圧力の変化）が時間的に一致していれば足り、過渡状態において非同期となることを許容する広い概念である。

この発明の一の局面によるシールド掘進機では、上記のように、カッタ駆動部および伸縮カッタの各々に同期して作動油を供給する油圧供給部を設けることによって、カッタヘッドへ供給する油圧の増減に連動させて、伸縮カッタへ供給する油圧を増減させることができる。このため、伸縮カッタ用の独立したポンプを一定流量で駆動して、カッタヘッドの回転速度変化に対してフィードバック制御によって伸縮速度を追従させる場合と異なり、フィードバック制御を行わなくともカッタヘッドの回転速度に伸縮カッタの伸縮速度を同期させることができる。そして、伸縮カッタと油圧供給部との間に設けられ、カッタヘッドの回転角度に対応した流量で作動油を伸縮カッタへ吐出する容積式の流量調整部を設けることによって、油圧供給部からの作動油の流量を差圧によらずに定量的に制御することができる。すなわち、サーボ弁のように同じ開度でも差圧によって流量が変動してしまう構成では、実際のストローク量を検出してフィードバック制御を行う必要があるのに対して、容積式の流量調整部によれば、差圧が変動しても伸縮カッタに所望の流量で作動油が供給できるので、ストローク量のフィードバック制御（閉ループ制御）を用いなくても、カッタヘッドの回転角度に基づくフィードフォワード的な流量制御（開ループ制御）を行うだけで、カッタヘッドの回転に同期させて所望の軌跡を描くように伸縮カッタを伸縮させることができる。これらの結果、シールド掘進機を試運転してフィードバック制御のための各種係数を決定する調整作業が不要となるため、伸縮カッタの制御系を短期間で構築できる。なお、更なる高精度化を図るため、伸縮カッタの実際のストローク量などのフィードバック制御を追加的に用いてもよい。その場合でも、フィードバック制御は、カッタヘッドの回転角度によるメイン制御（フィードフォワード制御）における誤差を修正するためのサブ制御として用いるだけで済むので、伸縮カッタの全制御をフィードバック制御によって行う場合よりも、各種係数を決定する調整作業も容易化できる。

上記一の局面によるシールド掘進機において、好ましくは、流量調整部は、油圧供給部からの作動油を伸縮カッタ側とオイルタンク側とに分流する容積式の分流機構を含み、カッタヘッドの回転角度に応じて分流機構の容積を変化させるように構成されている。このように構成すれば、伸縮カッタ側とオイルタンク側とに分流する容積比を制御することによって、伸縮カッタへ吐出する作動油の流量を精度よく制御することができる。

この場合、好ましくは、分流機構は、互いに軸が連結された一対の容積式油圧モータを含み、容積式油圧モータが、カッタヘッドの回転角度に応じて容積を変化させるように構成されている。このように構成すれば、連結した一対の容積式油圧モータを分流機構として用いることにより、油圧供給部からの油圧によって駆動された容積式油圧モータによる吐出量を制御することによって、伸縮カッタへ吐出する作動油の流量を精度よく制御することができる。そして、容積式油圧モータを可変容量型油圧モータとすることにより、容易に、伸縮カッタ側とオイルタンク側とに分流する容積比を変化させることが可能な分流機構を構築することができる。

上記一の局面によるシールド掘進機において、好ましくは、油圧供給部は、互いに軸が連結されることにより機械的に同期されたカッタ駆動用ポンプと伸縮カッタ用ポンプとを含む。このように構成すれば、カッタ駆動部および伸縮カッタの各々への油圧供給を同期させることが可能な油圧供給部を容易に構築することができる。また、ポンプ動作が安定した定常状態以外の、供給開始直後や供給停止直前の過渡状態(非定常状態)においても、カッタ駆動用ポンプと伸縮カッタ用ポンプとを機械的に同期させることができるので、フィードフォワード制御を行う場合でも、非定常状態の動作特性の相違などに起因してカッタヘッドの回転角度と伸縮カッタのストローク量との同期制御にずれが生じるのを抑制することができる。

上記一の局面によるシールド掘進機において、好ましくは、流量調整部の伸縮カッタ側への吐出流量を制御する制御部をさらに備え、制御部は、カッタヘッドの回転角度と流量調整部の伸縮カッタ側への吐出流量とを対応付ける制御データに基づいて、流量調整部を制御するように構成されている。ここで、カッタヘッドの回転速度と回転方向とが決まれば、伸縮カッタが所定の軌跡を描くように伸縮カッタを伸縮させるのに必要な作動油の流量は、カッタヘッドの回転角度のみによって決定することができる。そこで、カッタヘッドの回転角度と伸縮カッタ側への吐出流量とを対応付ける制御データを予め求めておくだけで、複雑なフィードバック制御を要することなく、回転角度検出部が検出した回転角度から流量調整部の制御量を決定して伸縮カッタの動作制御を行うことができる。その結果、伸縮カッタの制御系をより短期間で構築できる。

この場合、好ましくは、制御部は、制御データに基づき、カッタヘッドの回転に伴う伸縮カッタの伸縮切り替えタイミングよりも早いタイミングでストロークの限界位置に到達するように、流量調整部を制御するように構成されている。このように構成すれば、油圧機器に付随する作動油のリークなどを考慮して、伸縮カッタが伸縮切り替えタイミングで確実に最大ストローク（最小ストローク）に到達するように制御できる。これにより、リークなどの運用上の誤差要因が存在しても、伸縮カッタのストローク量の誤差を抑制することができ、伸縮切り替えの繰り返しによって誤差が累積することを防止することができる。

上記一の局面によるシールド掘進機において、好ましくは、伸縮カッタは、カッタヘッドの回転に伴い伸縮して、カッタヘッドよりも外周側を所定の軌跡で掘削することにより、掘削断面を非円形の異形断面とするように構成されている。このように、伸縮カッタを用いて異形断面のトンネル掘削を行う場合、伸縮カッタによる外周掘削がトンネル掘削において常時行われるため、伸縮動作が振動的になることを回避しつつ、予め設定された軌跡で伸縮カッタを動作させることが強く望まれる。本発明では、フィードバック制御を行う場合と異なり、カッタヘッドの回転角度によるフィードフォワード的な制御が可能となるので、目標値の前後で伸縮動作が振動的になるのを抑制することができるため、伸縮カッタを用いた異形断面の掘削を行うシールド掘進機において特に好適である。

本発明によれば、上記のように、伸縮カッタの制御系を短期間で構築できる。

本発明の第１および第２実施形態によるシールド掘進機の模式的な縦断面図である。 図１のシールド掘進機を掘進方向前方から見た模式的な正面図である。 シールド掘進機のカッタ駆動に関わる油圧回路の構成を示した図である。 容量可変型の油圧モータの構成例を示した図である。 カッタヘッドの回転に伴う伸縮カッタの動きを説明するための図である。 図５に示した軌跡を実現するための伸縮カッタのストロークおよび作動油の必要流量を示した図である。 伸縮カッタを動作させるための制御データを示した図である。 第１実施形態による油圧供給部の流量変化（Ａ）および比較例による流量変化（Ｂ）を示した図である。 第２実施形態における伸縮カッタのストローク範囲を示した図である。 第２実施形態における伸縮カッタを動作させるための制御データを示した図である。 図１０の例において、カッタヘッドの回転方向を変更した場合の制御動作を示した図である。 比較例による、回転に伴う伸縮カッタの軌跡を示した図である。 第２実施形態による、回転に伴う伸縮カッタの軌跡を示した図である。 油圧供給部の変形例を示した図である。 第１および第２実施形態の変形例による伸縮カッタにストローク計を設ける例を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１〜図８を参照して、本発明の第１実施形態によるシールド掘進機１について説明する。第１実施形態では、非円形の異形断面トンネルを掘削する異形断面シールド掘進機の例について説明する。

（シールド掘進機の全体構成）
図１に示すように、シールド掘進機１は、回転して土砂を掘削するカッタヘッド２と、カッタヘッド２を回転駆動するカッタ駆動部３と、カッタヘッド２の回転角度を検出する回転角度検出部４と、カッタヘッド２の外周部から半径方向に伸縮する伸縮カッタ５と、を備える。また、シールド掘進機１は、カッタヘッド２によって掘削された土砂が貯留されるチャンバ６と、チャンバ６内の土砂を排出する排土装置７と、セグメントＳＧを押圧してカッタヘッド２を推進させるシールドジャッキ８とを含む。

第１実施形態では、シールド掘進機１が、泥土圧式のシールド掘進機である例を示している。泥土圧式のシールド掘進機１では、カッタヘッド２により掘削された土砂にチャンバ６内で作泥材が注入されて土砂と混合され、掘削土砂が不透水性と塑性流動性を持つ泥土に変換される。掘削土砂（泥土）は、チャンバ６内および排土装置７内に充満する。シールド掘進機１は、掘削土砂（泥土）をチャンバ６内および排土装置７内に充満させた状態を維持してシールドジャッキ８の推力によりチャンバ６内に圧力を発生させることにより、地山側の圧力（切羽の土圧および地下水圧）に対抗させる。シールド掘進機１は、掘進量と排土量とのバランスによって圧力の平衡を図りながら掘進方向前方（図１の左方向）に掘進する。

シールド掘進機１は、前胴部９ａおよび後胴部９ｂから構成された胴体９を備えている。前胴部９ａは、推進力が付与されてカッタヘッド２により地山の掘進を行う部分であり、後胴部９ｂは、前胴部９ａ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を図示しないエレクタにより配列しながら進行する部分である。

ここで、図２に示すように、第１実施形態のシールド掘進機１は、異形断面を有するシールド掘進機である。すなわち、シールド掘進機１（胴体９）は、カッタヘッド２の中心軸線Ａと直交する断面Ｃが非円形形状を有する。図２では、概ね正方形（角丸正方形）の矩形断面を有し、矩形断面のトンネルを掘進するシールド掘進機１の例を示している。なお、非円形形状は、矩形に限られず、オーバル形状（角丸長方形）または楕円形状や、六角形状などの多角形状であってもよい。

図１に戻り、カッタヘッド２は、中心軸線Ａ回りに回転駆動される。カッタヘッド２によって削られた掘削土は、図示しない貫通孔を通ってカッタヘッド２の内部のチャンバ６に進入する。カッタヘッド２は、径方向に直線状に延びるカッタスポーク２ａと、カッタスポーク２ａの前面に設けられたカッタビット２ｂとを含む。カッタスポーク２ａは、角筒状の梁部材である。カッタビット２ｂ（ビット）は、土砂を削る掘削刃である。

カッタヘッド２は、カッタコラム１１を介して旋回台１２に取り付けられ、カッタ駆動部３によって回転駆動される。旋回台１２は、前胴部９ａの隔壁１３に回転可能に支持されている。カッタ駆動部３は、隔壁１３の後方（図１の右方向）に配置されており、旋回台１２に駆動トルクを付与して回転駆動する。つまり、カッタヘッド２、カッタコラム１１および旋回台１２がカッタ駆動部３によって一体的に回転（旋回）される。カッタヘッド２の回転角度θ（図２参照）は、回転角度検出部４により検出される。

回転角度検出部４は、ロータリーエンコーダなどの角度検出器により構成されている。回転角度検出部４は、隔壁１３の後方に設けられカッタヘッド２に連結されたセンターシャフト１４を介して、カッタヘッド２の回転角度θ（図２参照）を取り出して検出する。なお、回転角度検出部４は、カッタヘッド２と一体で回転する部分であれば、どの部位の回転を検出してもよい。

伸縮カッタ５は、カッタヘッド２の外周部に設けられている。具体的には、伸縮カッタ５は、カッタスポーク２ａに内蔵されている。伸縮カッタ５は、土砂を掘削するビット２１と、ビット２１を径方向（カッタスポーク２ａの延びる方向）に直線移動させる伸縮カッタ用ジャッキ２２とを含む。伸縮カッタ用ジャッキ２２は、カッタスポーク２ａの内部でカッタスポーク２ａの伸びる方向に沿って設けられ、カッタスポーク２ａに沿ってロッド２３を伸縮させる。ビット２１は、ロッド２３の先端に設けられ、伸縮カッタ用ジャッキ２２によって所定のストローク範囲内で径方向に伸縮する。

第１実施形態では、伸縮カッタ５は、カッタヘッド２の回転に伴い伸縮して、カッタヘッド２よりも外周側を所定の軌跡で掘削することにより、掘削断面を非円形の異形断面とするように構成されている。すなわち、図２に示すように、カッタヘッド２は、カッタスポーク２ａによって、中心軸線Ａから半径Ｌの円形断面の領域を掘削することができる。そして、半径Ｌを越える外側領域を、カッタヘッド２の回転に伴い伸縮する伸縮カッタ５が掘削する。これにより、シールド掘進機１は、非円形の異形断面Ｃのトンネル掘削を行う。

図１に戻り、チャンバ６は、カッタヘッド２、前胴部９ａおよび隔壁１３によって囲まれた空間（作泥土室）である。チャンバ６内の泥土圧は、設置高さの異なる位置に複数設けられた土圧センサ６ａにより計測される。チャンバ６内の泥土圧は、地山側からカッタヘッド２に作用する圧力と概ね平衡状態となるように維持される。

シールドジャッキ８は、後胴部９ｂに取り付けられている。シールドジャッキ８は、複数設けられており、胴体９の周方向に沿って配列されている。シールド掘進機１は、シールドジャッキ８の推進力によって掘進方向に推進する。シールドジャッキ８は、複数本で１つのブロックを構成し、複数のブロックが、後胴部９ｂの内周に略全周にわたって配列されている。カッタ駆動部３による回転駆動と、シールドジャッキ８によるジャッキ推力の付与（推進）とは、独立して制御される。

排土装置７は、チャンバ６に接続され、チャンバ６内の土砂を排出するように構成されている。図１の例では、排土装置７は、スクリュコンベアにより構成されている。排土装置７は、一端で開口する取込口７ａが隔壁１３を貫通してチャンバ６内に露出し、他端側の排出口７ｂが隔壁１３よりも後方側の作業空間ＷＳ内に設けられている。

チャンバ６内の土圧センサ６ａの圧力計測値は、データ処理装置１５に送られる。データ処理装置１５は、シールド掘進機１のオペレーションルーム（運転室）１６と接続されている。オペレーションルーム１６における操作入力などに基づいて、シールド掘進機１の動作制御が行われる。オペレーションルーム１６により、カッタ駆動部３によるカッタヘッド２の回転速度、シールドジャッキ８の推進力（シールド掘進機１の掘進速度）、排土装置７による掘削土砂の排出量などが制御される。

（油圧回路の構成）
次に、図３を参照して、シールド掘進機１のカッタヘッド２および伸縮カッタ５を駆動するための油圧回路の構成について説明する。第１実施形態では、カッタヘッド２を回転駆動するカッタ駆動部３と、伸縮カッタ５の伸縮カッタ用ジャッキ２２とは、作動油の供給によって駆動される油圧機器により構成されている。具体的には、カッタ駆動部３は油圧モータにより構成され、伸縮カッタ用ジャッキ２２は油圧ジャッキにより構成されている。

また、第１実施形態では、シールド掘進機１は、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に作動油を供給する油圧供給部３０と、伸縮カッタ５と油圧供給部３０との間に設けられ、カッタヘッド２の回転角度θに対応した流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出する容積式の流量調整部４０と、を備える。

油圧供給部３０は、少なくとも１つの油圧ポンプを備える。油圧供給部３０は、オイルタンク５１から作動油を組み上げ、所望の圧力で作動油を供給することができる。油圧供給部３０は、カッタ駆動部３に作動油を供給するための配管経路５２と、伸縮カッタ用ジャッキ２２に作動油を供給するための配管経路５３と、にそれぞれ接続されている。油圧供給部３０は、配管経路５２と配管経路５３とに並列的に接続され、それぞれの経路に個別に作動油を供給する。

配管経路５２は、カッタ駆動部３に接続されている。カッタ駆動部３は、配管経路５２を介して供給された作動油によってピニオン３ａを回転させ、ピニオン３ａに噛み合う主ギヤ３ｂを介して、カッタヘッド２（カッタスポーク２ａ）を回転駆動する。カッタ駆動部３の出口ポートはオイルタンク５１への戻り経路に接続されている。

配管経路５３は、流量調整部４０、方向制御弁５４、パイロットチェック弁５５を介して、伸縮カッタ用ジャッキ２２に接続される経路である。配管経路５３は、ロータリージョイント１７、センターシャフト１４およびカッタスポーク２ａの各々の内部を通って伸縮カッタ用ジャッキ２２に接続されている。

伸縮カッタ用ジャッキ２２は、ロッド２３とシリンダ２４とを含み、方向制御弁５４によって２経路に分岐した配管経路５３の一方経路５３ａがシリンダ２４のキャップ側ポートに接続され、他方経路５３ｂがシリンダ２４のロッド側ポートに接続されている。

方向制御弁５４は、作動油の供給先をキャップ側またはロッド側に選択的に切り替え、非選択の経路をオイルタンク５１への戻り経路に接続する。第１実施形態の方向制御弁５４は、電磁式の切替弁であり、絞りによる流量調整は行わない。

方向制御弁５４は、伸縮カッタ５の伸長時には、一方経路５３ａを流量調整部４０に接続し、他方経路５３ｂをオイルタンク５１（戻り経路）に接続する。伸縮カッタ用ジャッキ２２は、キャップ側ポートに作動油が供給されることにより、ロッド２３を伸長させて伸縮カッタ５（ビット２１）を突出させる。伸長時には、ロッド側の作動油が他方経路５３ｂからオイルタンク５１に戻される。

方向制御弁５４は、伸縮カッタ５の収縮時には、一方経路５３ａをオイルタンク５１に接続し、他方経路５３ｂを流量調整部４０に接続する。伸縮カッタ用ジャッキ２２は、ロッド側ポートに作動油が供給されることにより、ロッド２３を収縮させて伸縮カッタ５（ビット２１）を引き戻す。収縮時には、キャップ側の作動油が一方経路５３ａからオイルタンク５１に戻される。なお、一方経路５３ａと他方経路５３ｂとの間には過負荷防止用のリリーフ弁５６が設けられている。

流量調整部４０は、伸縮カッタ用ジャッキ２２への作動油の供給量を制御する機能を有する。第１実施形態では、流量調整部４０は、カッタヘッド２の回転角度θ（図２参照）に対応した流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出するように構成された容積式の流量調整機構である。流量調整部４０により、伸縮カッタ用ジャッキ２２への作動油の供給流量が定量的に制御される。

シールド掘進機１は、流量調整部４０の伸縮カッタ５側への吐出流量を制御する制御部６０を備える。制御部６０は、ＣＰＵ等のプロセッサとメモリとを含むコンピュータにより構成されている。制御部６０は、回転角度検出部４からカッタヘッド２の回転角度θを取得する。そして、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θに基づいて、方向制御弁５４の経路切り替え、および流量調整部４０の吐出流量の制御を行うように構成されている。すなわち、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θに基づいて、方向制御弁５４に対して、伸縮カッタ５の伸長動作と収縮動作とを切り替えるための制御信号Ｐ１を出力する。また、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θに基づいて、後述するサーボピストン６２に制御信号Ｐ２およびＰ３を出力することにより、流量調整部４０の吐出流量の制御を行う。

なお、第１実施形態では、制御部６０は、伸縮カッタ５の実際のストローク量（伸縮カッタ用ジャッキ２２のストローク量）を用いたフィードバック制御を行うことなく、カッタヘッド２の回転角度θに基づくフィードフォワード的な制御によって、流量調整部４０の吐出流量を制御するように構成されている。

〈油圧供給部〉
第１実施形態では、油圧供給部３０は、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に同期して作動油を供給するように構成されている。ここで、同期して作動油を供給するとは、配管経路５２と配管経路５３との各々への作動油の供給圧力（流量）を連動させることを意味する。配管経路５２および配管経路５３の一方への供給圧力（流量）が上昇する場合、油圧供給部３０は、配管経路５２および配管経路５３の他方への供給圧力（流量）を同期させて上昇させる。ただし、配管経路５２への供給量と配管経路５３への供給量とは、供給先の油圧機器の仕様に応じて互いに異なる。つまり、油圧供給部３０は、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の必要流量の比に応じた一定割合で、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に作動油を供給する。

カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々への作動油の供給は、電気的に同期させてもよいし、機械的に同期させてもよい。第１実施形態では、油圧供給部３０は、作動油の供給を機械的に同期させている。具体的には、油圧供給部３０は、互いに軸が連結されることにより機械的に同期されたカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを含む。つまり、油圧供給部３０は、共通の駆動軸を有する２連式の油圧ポンプユニットにより構成されている。カッタ駆動用ポンプ３１はカッタ駆動部３側の配管経路５２に接続され、伸縮カッタ用ポンプ３２は伸縮カッタ５側の配管経路５３に接続されている。そして、カッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とは、共通の電動モータ３３によって回転駆動される。これにより、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々への油圧供給が機械的に同期されている。カッタ駆動用ポンプ３１および伸縮カッタ用ポンプ３２は、機械的に連結されることにより、各々のポンプの容量に応じた一定流量比を維持して作動油を供給する。すなわち、後述するように定常状態におけるカッタ駆動用ポンプ３１の吐出流量をＱ３とし、伸縮カッタ用ポンプ３２の吐出流量をＱ４としたとき、流量比（Ｑ３：Ｑ４）が略一定になる。また、カッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とは、機械的に連結されることにより、吐出流量が安定した定常状態のみならず、始動直後の立ち上がりの過渡状態、および流量を減少させる停止時の過渡状態の非定常状態においても同期を維持するように構成されている。なお、カッタ駆動用ポンプ３１および伸縮カッタ用ポンプ３２の駆動源としては、電動モータ３３以外のエンジン（内燃機関）などであってもよい。

〈流量調整部〉
第１実施形態では、流量調整部４０は、油圧供給部３０からの作動油を伸縮カッタ５側とオイルタンク５１側とに分流する容積式の分流機構４１を含む。分流機構４１は、伸縮カッタ用ポンプ３２からの作動油を、伸縮カッタ５側の方向制御弁５４への経路と、オイルタンク５１側への戻り経路とに分流するように構成されている。分流によって、伸縮カッタ用ポンプ３２から供給される作動油の一部または全部が方向制御弁５４へ供給され、残りがオイルタンク５１へ戻される。分流機構４１は、容積変化によって、方向制御弁５４およびオイルタンク５１の各々への吐出量を変化させることが可能に構成されている。そして、流量調整部４０は、カッタヘッド２の回転角度θに応じて分流機構４１の容積を変化させるように構成されている。

具体的には、分流機構４１は、互いに軸が連結された一対の容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂを含む。容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂは、共通の配管経路５３によって、油圧供給部３０（伸縮カッタ用ポンプ３２）に接続されている。容積式油圧モータ４２ａは、方向制御弁５４に接続され、作動油を伸縮カッタ５側へ分流する。容積式油圧モータ４２ｂは、オイルタンク５１に接続され、作動油をオイルタンク５１側へ分流する。容積式油圧モータは、１回転毎に所定量（押しのけ容積）の作動油を吐出するタイプの油圧モータであり、ギヤモータ、ベーンモータ、ピストン（プランジャ）モータなどがある。

第１実施形態では、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂが、カッタヘッド２の回転角度θに応じて容積を変化させるように構成されている。すなわち、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂは、可変容量型油圧モータにより構成されている。可変容量型油圧モータとしては、たとえば斜板式または斜軸式のピストンモータでもよいし、ロータの偏心量を変更可能な可変容量型のベーンモータでもよい。図４は、斜板式の可変容量型モータ（容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂ）の一例を示す。

図４の例では、各容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂは、シリンダブロック４３に複数のシリンダおよびピストン４３ａを周状に有し、それぞれのシリンダにピストン４３ａの一端が摺動可能に嵌合している。ピストン４３ａの他端は回転軸に対して傾斜可能な斜板４４に支持される。サーボピストン６２によって斜板４４の傾斜角αを変化させることにより、傾斜角αに応じてピストン４３ａのストローク量が変化し、その結果、１回転当たりの押しのけ容積（吐出流量）が変化する。なお、斜軸式の場合、斜板に相当する部分に回転軸が設けられ、シリンダブロック４３の中心軸（斜軸）の方を傾斜させる。

このように、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂは、それぞれサーボピストン６２に接続され、サーボピストン６２のストロークによって斜板４４または斜軸（図示せず）の傾斜角αを変化させることにより、容積を変化させるように構成されている。これにより、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂの各々は、可変範囲内で、サーボピストン６２のストローク位置に応じた流量の作動油を吐出できる。それぞれのサーボピストン６２のストロークは、制御部６０により制御される。

容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂは、互いの軸が連結されているため、一体で回転する。したがって、分流機構４１は、油圧供給部３０からの作動油を、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂの容積比に応じた割合で、伸縮カッタ５側とオイルタンク５１側とに分流するように構成されている。つまり、分流機構４１は、油圧供給部３０からの流量Ｑ４の作動油を、容積式油圧モータ４２ａによって伸縮カッタ５側に流量Ｑ４Ａで分流し、容積式油圧モータ４２ｂによってオイルタンク５１側に流量Ｑ４Ｂで分流する。Ｑ４＝Ｑ４Ａ＋Ｑ４Ｂとなる。これにより、容積式油圧モータ４２ａの傾斜角に応じた可変範囲内の任意流量で、作動油を伸縮カッタ５側に定量供給することができる。容積式油圧モータ４２ｂは、容積式油圧モータ４２ａの流量Ｑ４Ａに応じて、Ｑ４Ａ＋Ｑ４Ｂ＝Ｑ４（一定）を維持するように吐出流量（容積）が制御される。つまり、容積式油圧モータ４２ｂは、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量（容積）Ｑ４Ａが増大すれば、増大分に応じて吐出流量（容積）Ｑ４Ｂを減少させ、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量（容積）Ｑ４Ａが減少すれば、減少分に応じて吐出流量（容積）Ｑ４Ｂを増大させるように、制御される。

〈伸縮カッタの制御〉
次に、カッタヘッド２の回転に同期する伸縮カッタ５の伸縮制御について説明する。図５のようにカッタスポーク２ａ（実線部）が正面視上下方向に延び、伸縮カッタ５が中心軸線Ａの真上にある状態におけるカッタヘッド２の回転角度θを０度とする。図において反時計方向を正回転、時計方向を逆回転とする。

図５に示した構成例において、略正方形の掘削断面を形成する場合の伸縮カッタ５のストローク量は、カッタヘッド２の各回転角度において既知である。すなわち、伸縮カッタ５の先端（ビット２１）が、カッタヘッド２の回転に伴って矩形断面の外周縁と略一致する軌跡ＴＲに沿って回転すればよい。図５の場合、伸縮カッタ５のストローク量は、０度から９０度毎（０度、９０度、１８０度、２７０度）に最小となり、４５度から９０度毎（４５度、１３５度、２２５度、３１５度）に最大となる。正回転時、０度から９０度ずつ回転する間に、前半の４５度は伸長（ストローク量増大）動作、後半の４５度は収縮（ストローク量減少）動作となる。つまり、カッタヘッド２の回転角度θに対する伸縮カッタ５のストローク量（目標値）は、図６の上段のグラフ（縦軸：ストローク、横軸：回転角度）に示すようになる。

そのため、カッタヘッド２の回転速度（カッタ駆動部３への供給流量）が一定の条件において、伸縮カッタ用ジャッキ２２（伸縮カッタ５）を図５の軌跡ＴＲで動作させるのに必要な作動油の流量（必要流量）は、カッタヘッド２の回転角度θによって一義的に決定される。すなわち、図６上段のグラフに示すストローク変化を実現するための必要流量は、図６下段のグラフ（縦軸：必要流量、横軸：回転角度）のように予め決定される。そこで、第１実施形態では、制御部６０は、回転角度検出部４によって検出されたカッタヘッド２の回転角度θに基づいて、回転角度に応じた流量を吐出するように流量調整部４０を制御することによって、伸縮カッタ用ジャッキ２２のストロークを図６に示したように制御する。

第１実施形態では、図７に示すように、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θと、流量調整部４０の伸縮カッタ５側への吐出流量とを対応付ける制御データ６１に基づいて、流量調整部４０を制御するように構成されている。ここで、伸縮カッタ５側への吐出流量Ｑ４Ａは、容積式油圧モータ４２ａの容積によって定まり、容積式油圧モータ４２ａの容積を決定する斜板または斜軸の傾斜角αは、サーボピストン６２のストロークによって決まる。そのため、制御データ６１は、カッタヘッド２の回転角度θと、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量（容積）Ｑ４Ａ、斜板または斜軸の傾斜角α、またはサーボピストン６２のストローク量のいずれかと、カッタヘッド２の回転角度θとを対応付ける。制御データ６１は制御部６０に予め設定されている。ここで、カッタヘッド２の回転角度θにおける伸縮カッタ用ジャッキ２２の動作は、回転方向によって異なる。たとえば０度から４５度の区間は、正回転時には伸長動作の区間であるが、逆回転時には収縮動作の区間となる。そのため、制御データ６１は正回転用データと逆回転用データとの２種類が設けられ、制御部６０は、カッタヘッド２の回転方向に応じて参照するデータを切り替える。

図７は、カッタヘッド２の回転角度θ（横軸）と、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量Ｑ４Ａ（縦軸）との関係（０度〜１８０度）を示している。正回転時において、０度〜４５度、９０度〜１３５度の各区間７１ａは、伸長動作区間である。区間７１ａでは、制御部６０は、回転角度毎に対応する吐出流量で、作動油を伸縮カッタ用ジャッキ２２のキャップ側に供給するように、各サーボピストン６２および方向制御弁５４を制御する。正回転時において、４５度〜９０度、１３５度〜１８０度の各区間７１ｂは、収縮動作区間である。区間７１ｂでは、制御部６０は、回転角度毎に対応する吐出流量で、作動油を伸縮カッタ用ジャッキ２２のロッド側に供給するように、各サーボピストン６２および方向制御弁５４を制御する。逆回転時には、区間７１ａが収縮動作区間となり、区間７１ｂが伸長動作区間となる。

なお、ロッド側供給時とキャップ側供給時とで作動油の吐出流量の大きさに差があるのは、伸縮カッタ用ジャッキ２２のキャップ側とロッド側とでロッド２３の有無の分だけ容積が異なるためである。区間７１ａおよび区間７１ｂの各々で、流量に対応する伸縮カッタ５のストローク量は、それぞれ等しい（図６参照）。制御データ６１は、たとえば、図７に示したカッタヘッド２の各回転角度θと、各回転角度θに対応する吐出流量とを、一対一で対応させたテーブルデータとして構成される。

なお、図７では、カッタヘッド２の回転角度θと、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量Ｑ４Ａとを対応付ける例を示したが、容積式油圧モータ４２ａの吐出流量Ｑ４Ａを、斜板または斜軸の傾斜角α、またはサーボピストン６２のストローク量に置き換えてもよい。

ところで、図７の縦軸の吐出流量の値は、カッタヘッド２の回転速度によって異なる。すなわち、回転速度が高くなれば、その分、吐出流量［Ｌ／ｍｉｎ］も大きくなる必要がある。第１実施形態では、油圧供給部３０がカッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に同期して作動油を供給するため、カッタ駆動部３への作動油の油圧が増大して回転速度が上昇すれば、これに連動して伸縮カッタ５への油圧が増大して分流機構４１の容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂの回転速度も上昇して、その分、吐出流量が増大する。このように、カッタ駆動部３への作動油の流量Ｑ３と、流量調整部４０への作動油の流量Ｑ４とは、常に一定の比率を保つように同期するので、カッタヘッド２の回転速度が変化しても、同じ制御データ６１を用いた制御によって、伸縮カッタ５を軌跡ＴＲ（図５参照）に沿って動作させることができる。

第１実施形態の流量調整部４０は、分流機構４１によって流量調整部４０からの作動油の一部を伸縮カッタ用ジャッキ２２へ供給する構成であるため、分流機構４１の容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂの各容積は、可変範囲の最大値（最大吐出量）が、伸縮カッタ用ジャッキ２２の必要流量の最大値Ｑｍに一致するか必要流量の最大値Ｑｍよりも大きくなるように設計されている。可変範囲の最小値（最小吐出量）は、たとえば略０に設計されている。

〈シールド掘進機の動作〉
次に、シールド掘進機１の動作について説明する。図３に示したように、掘進を開始する際、油圧供給部３０から作動油（油圧）が供給される。すなわち、電動モータ３３によってカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とが駆動される。カッタ駆動用ポンプ３１および伸縮カッタ用ポンプ３２は、共通の駆動軸で連結され機械的に同期するので、ポンプの始動タイミングのずれが存在せず、定常状態に遷移するまでの立ち上がりの期間でも流量比が一定に保たれる。

すなわち、たとえばカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを別々に駆動した場合、図８（Ｂ）に示す比較例のように、定常状態では一定の流量比に維持されたとしても、始動タイミングのずれが発生したり、立ち上がりの過渡状態におけるそれぞれのポンプやモータの特性の相違などによって、流量の比率が一致しなくなる可能性がある。この流量の不一致は、図７に示したカッタヘッド２の回転角度θに対する伸縮カッタ５への吐出流量の誤差となって現れる。

これに対して、第１実施形態では、図８（Ａ）に示すように、カッタ駆動用ポンプ３１および伸縮カッタ用ポンプ３２の流量変化が同期して、一定の流量比を維持する。つまり、過渡状態における流量比（Ｑ１：Ｑ２）と、定常状態での流量比（Ｑ３：Ｑ４）とを常に一致させることができる。そのため、カッタヘッド２の回転角度θに対する伸縮カッタ５への吐出流量の誤差が発生することがない。

カッタヘッド２が回転を始めると、制御部６０は、カッタヘッド２の回転方向に応じて、方向制御弁５４を切り替えるとともに、回転方向に応じた制御データ６１を選択する。そして、制御部６０は、回転角度検出部４からカッタヘッド２の回転角度θを取得し、制御データ６１を参照して、伸縮カッタ５側への流量調整部４０の吐出流量Ｑ４Ａ（あるいは、傾斜角αまたはサーボピストン６２のストローク量）を求める。オイルタンク５１側に戻す吐出流量Ｑ４Ｂは、伸縮カッタ５側への吐出流量Ｑ４Ａに応じて決まる。そして、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θに応じた流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出するように、流量調整部４０を制御する。すなわち、制御部６０は、求めた流量調整部４０の吐出流量Ｑ４Ａ、Ｑ４Ｂ（または傾斜角α）から、各サーボピストン６２のストローク量を求めて、求めたストローク量となるように各サーボピストン６２を制御することにより、流量調整部４０の吐出流量Ｑ４Ａ、Ｑ４Ｂを制御する。制御データ６１がカッタヘッド２の回転角度θとサーボピストン６２のストローク量とを対応させていれば、サーボピストン６２を、制御データ６１から取得したストローク量とすればよい。

回転を継続する間、制御部６０は、カッタヘッド２の回転角度θに応じて、区間７１ａと区間７１ｂとが切り替わる４５度間隔で方向制御弁５４を切り替え、それぞれの回転角度に対応する吐出流量Ｑ４Ａ、Ｑ４Ｂとなるように、各サーボピストン６２（流量調整部４０）を制御する。

以上の結果、伸縮カッタ用ジャッキ２２は、カッタヘッド２の回転に伴って、図６に示した変化曲線に一致するようにストローク量が制御され、伸縮カッタ５（ビット２１）がカッタヘッド２の回転に伴って矩形断面の外周縁に沿う軌跡ＴＲ（図５参照）で回転する。

（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。

第１実施形態では、上記のように、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に同期して作動油を供給する油圧供給部３０を設けることによって、カッタヘッド２へ供給する油圧の増減に同期させて伸縮カッタ５へ供給する油圧を増減させることができる。このため、伸縮カッタ用の独立したポンプを一定流量で駆動して、カッタヘッド２の回転速度変化に対してフィードバック制御によって伸縮速度を追従させる場合と異なり、フィードバック制御を行わなくともカッタヘッド２の回転速度に伸縮カッタ５の伸縮速度を同期させることができる。

そして、伸縮カッタ５と油圧供給部３０との間に、カッタヘッド２の回転角度θに対応した流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出する容積式の流量調整部４０を設けることによって、油圧供給部３０からの作動油の流量を差圧によらずに定量的に制御することができる。すなわち、サーボ弁のように同じ開度でも差圧によって流量が変動してしまう構成では、実際のストローク量を検出してフィードバック制御を行う必要があるのに対して、容積式の流量調整部４０によれば、差圧が変動しても伸縮カッタ５に所望の流量で作動油が供給できるので、ストローク量のフィードバック制御（閉ループ制御）を用いなくても、カッタヘッド２の回転角度θに基づくフィードフォワード的な流量制御（閉ループ制御）を行うだけで、カッタヘッド２の回転に同期させて所望の軌跡を描くように伸縮カッタ５を伸縮させることができる。

これらの結果、シールド掘進機１を試運転してフィードバック制御のための各種係数を決定する調整作業が不要となるため、伸縮カッタ５の制御系を短期間で構築できる。それに加えて、第１実施形態のシールド掘進機１では、フィードバック制御を行う場合と異なり、カッタヘッド２の回転角度θによるフィードフォワード的な制御が可能となるので、目標値の前後で伸縮動作が振動的になるのを抑制する制御ができる。

なお、フィードバック制御を用いたサーボ弁の開度調節によって流量を制御する手法を採用する場合、選定したサーボ弁では伸縮カッタに要求される伸縮速度に対応できないということが、工場製作時またはトンネル掘削時に露呈する可能性もあり、製作・施工上のリスクとなる。そのため、設計に必要なパラメータが、実際に試運転等をしなくても事前に分かる制御方法が望まれる。

これに対して、第１実施形態のシールド掘進機１では、構造上、カッタヘッド２の回転に同期して、予め設定した所望の流量で伸縮カッタ５に作動油を供給できるので、実際に試運転等をしなくても設計に必要なパラメータを事前に決定することができるとともに、サーボ弁のフィードバック制御手法と比べて、設計時と、製作時または稼働時との乖離を低減することができる。その結果、製作・施工上のリスクを低減できる。

また、第１実施形態では、上記のように、流量調整部４０に、油圧供給部３０からの作動油を伸縮カッタ５側とオイルタンク５１側とに分流する容積式の分流機構４１を設け、カッタヘッド２の回転角度θに応じて分流機構４１の容積を変化させるように構成する。これにより、伸縮カッタ５側とオイルタンク５１側とに分流する容積比（Ｑ４Ａ：Ｑ４Ｂ）を制御することによって、伸縮カッタ５へ吐出する作動油の流量を精度よく制御することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、分流機構４１に、互いに軸が連結された一対の容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂを設け、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂを、カッタヘッド２の回転角度θに応じて容積を変化させるように構成する。これにより、油圧供給部３０からの油圧によって駆動された容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂの各吐出量を制御することによって、伸縮カッタ５へ吐出する作動油の流量Ｑ４Ａを精度よく制御することができる。そして、容積式油圧モータ４２ａおよび４２ｂを可変容量型油圧モータとすることにより、容易に、伸縮カッタ５側とオイルタンク５１側とに分流する容積比（Ｑ４Ａ：Ｑ４Ｂ）を変化させることが可能な分流機構４１を構築することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、油圧供給部３０に、互いに軸が連結されることにより機械的に同期されたカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを設ける。これにより、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々への油圧供給を同期させることが可能な油圧供給部３０を容易に構築することができる。また、図８に示したように、ポンプ動作が安定した定常状態以外の、供給開始直後や供給停止直前の過渡状態(非定常状態)においても、カッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを機械的に同期させることができるので、フィードフォワード制御を行う場合でも、非定常状態の動作特性の相違に起因してカッタヘッド２の回転角度θと伸縮カッタ５のストローク量との同期制御にずれが生じるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、制御部６０を、カッタヘッド２の回転角度θと流量調整部４０の伸縮カッタ５側への吐出流量Ｑ４Ａとを対応付ける制御データ６１に基づいて、流量調整部４０を制御するように構成する。これにより、カッタヘッド２の回転角度θと伸縮カッタ５側への吐出流量Ｑ４Ａとを対応付ける制御データ６１を予め求めておくだけで、複雑なフィードバック制御を要することなく、回転角度検出部４が検出した回転角度から流量調整部４０の制御量を決定して伸縮カッタ５の動作制御を行うことができる。その結果、伸縮カッタの制御系をより短期間で構築できる。

また、第１実施形態では、上記のように、伸縮カッタ５を、カッタヘッド２の回転に伴い伸縮して、カッタヘッド２よりも外周側を所定の軌跡で掘削することにより、掘削断面Ｃを非円形の異形断面とするようにシールド掘進機１を構成する。伸縮カッタ５を用いて異形断面のトンネル掘削を行う場合、伸縮カッタ５による外周掘削がトンネル掘削において常時行われるため、伸縮動作が振動的になることを回避しつつ、予め設定された軌跡ＴＲで伸縮カッタ５を動作させることが強く望まれる。そのため、カッタヘッド２の回転角度θによるフィードフォワード的な制御によって、目標値の前後で伸縮動作が振動的になるのを抑制することが可能な第１実施形態のシールド掘進機１は、伸縮カッタ５を用いた異形断面の掘削を行う場合に特に好適である。

［第２実施形態］
次に、図９〜図１３を参照して、第２実施形態によるシールド掘進機について説明する。第２実施形態では、上記第１実施形態に加えて、さらに油圧機器における作動油のリークなどの影響を考慮して、伸縮カッタの流量制御を行う構成について説明する。

油圧機器に作動油のリークが存在する場合や、可変容量型の容積式油圧モータ４２ａ、４２ｂに応答遅れが存在する場合、伸縮カッタ５（ビット２１）の軌跡は、図５に示した目標値の軌跡ＴＲには一致しない可能性がある。目標値からの誤差が生じる場合、回転の度に誤差が蓄積する可能性がある。そこで、第２実施形態では、作動油のリークや応答遅れが存在しても誤差が生じにくく、かつ、誤差の累積を回避する制御を行う例を示す。

図９に示すように、第２実施形態では、伸縮カッタ５の伸縮カッタ用ジャッキ２２は、ストロークの最小値（０度、９０度、１８０度、２７０度）において、最も収縮した最小ストロークとなり、ストロークの最大値（４５度、１３５度、２２５度、３１５度）において、最も伸長した最大ストロークとなるように構成されている。つまり、伸縮カッタ５は、異形断面トンネルにおいて中心軸線Ａに最も近付く位置を掘削する際に、それ以上収縮しない最小ストローク（ロッド２３が縮みきる位置）に達し、中心軸線Ａから最も離れた位置を掘削する際に、それ以上伸長しない最大ストローク（ロッド２３が伸びきる位置）に達するように構成されている。

図１０に示すように、第２実施形態では、制御部６０（図３参照）は、制御データ１６１に基づき、カッタヘッド２の回転に伴う伸縮カッタ５の伸縮切り替えタイミングよりも早いタイミングでストロークの限界位置（最大ストロークまたは最小ストローク）に到達するように、流量調整部４０を制御するように構成されている。なお、伸縮切り替えタイミングは、伸長動作区間と収縮動作区間との境界であり、図９の例では０度から４５度間隔の各タイミングである。

具体的には、図１０に示すように、第２実施形態の制御データ１６１は、各区間７１ａおよび７１ｂの各々において、伸縮カッタ用ジャッキ２２（伸縮カッタ５）を所定の軌跡ＴＲで動作させるのに必要な作動油の流量よりも大きい流量で作動油を供給するように設定されている。図１０の例では、流量調整部４０の伸縮カッタ５への吐出流量Ｑ４Ａが最大値Ｑｍに到達した後、減少していく過程で、リークを考慮しない場合の必要流量（一点鎖線）よりも大きい流量で作動油を供給するように、制御データ１６１が設定されている。

つまり、制御データ１６１は、リークを考慮しない場合の必要流量に対して、伸縮切り替えタイミングにおける流量が補正量Ｅだけ大きくなるように設定されている。そのため、リークを考慮しない場合の必要流量では、伸縮切り替えタイミングにおいて最大ストロークまたは最小ストロークに到達して流量が略０となるのに対して、第２実施形態では、伸縮切り替えタイミングにおいて補正量Ｅだけ流量が大きく設定されている。

この結果、第２実施形態の制御データ１６１に従って流量が制御されると、伸縮カッタ５は、リークや応答遅れが発生しても、伸縮切り替えタイミングにおいて確実にロッド２３が伸びきるかまたは縮みきるように制御される。

制御データ１６１は、上記第１実施形態と同様、正回転時の制御データと、逆回転時の制御データとを含む。制御部６０（図３参照）は、回転角度検出部４（図３参照）から取得したカッタヘッド２（図３参照）の回転角度θに基づいて、回転方向に応じた制御データ１６１を参照して、流量調整部４０（図３参照）の吐出流量を制御する。

なお、回転途中で回転方向が切り替えられた場合、制御部６０は、参照する制御データ１６１を切り替えて、流量制御を継続する。図１１は、０度から１６０度まで正回転の制御データ１６１に従って制御し、１６０度で逆回転に切り替えられた後、０度まで逆回転の制御データ１６１に従って制御する場合の例を示している。図１１において、実線が正回転時の流量変化を示し、破線が逆回転時の流量変化を示す。

次に、第２実施形態の作用を説明する。たとえば図１２に示す比較例のように、リークや応答遅れによる誤差が発生する場合、伸長動作区間（０度〜４５度）では伸びきらずに伸縮カッタ５の軌跡（実線）が目標値（軌跡ＴＲ、破線）よりも内側を通過し、収縮動作区間（４５度〜９０度）では縮みきらずに伸縮カッタ５が目標値（軌跡ＴＲ）よりも外側を通過する軌跡となる。

これに対して、第２実施形態では図１３に示すように、伸縮カッタ５のストローク量は、４５度間隔の伸縮切り替えタイミングにおいて、常に最大ストロークまたは最小ストロークに到達して目標値（軌跡ＴＲ）に一致する。そのため、リークや応答遅れによる誤差が発生しても、４５度間隔で誤差が略０にリセットされることになるので、誤差の累積が生じない。また、第２実施形態では、補正量Ｅは、実際の試運転時にリークや応答遅れによる誤差を計測し、誤差量に応じて設定される。そのため、第２実施形態の制御データ１６１に従って流量制御を行う場合、図１３に示すように、リークや応答遅れが発生しても、伸縮カッタ５の軌跡（実線の軌跡）を、極力目標値（軌跡ＴＲ、破線）に近づけることが可能である。

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。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、カッタ駆動部３および伸縮カッタ５の各々に同期して作動油を供給する油圧供給部３０と、伸縮カッタ５と油圧供給部３０との間に設けられ、カッタヘッド２の回転角度θに対応した流量で作動油を伸縮カッタ５へ吐出する容積式の流量調整部４０とを設けることによって、フィードバック制御の各種係数を決定する調整作業が不要となるため、伸縮カッタ５の制御系を短期間で構築できる。それに加えて、実際のストローク量のフィードバックによりサーボ弁の開度を制御する場合と異なり、カッタヘッド２の回転角度θによるフィードフォワード的な制御が可能となるので、目標値の前後で伸縮動作が振動的になるのを抑制する制御ができる。

また、第２実施形態では、上記のように、制御データ１６１に基づき、カッタヘッド２の回転に伴う伸縮カッタ５の伸縮切り替えタイミングよりも早いタイミングでストロークの限界位置に到達するように、流量調整部４０を制御するように制御部６０を構成する。これにより、油圧機器に付随する作動油のリークなどを考慮して、伸縮カッタ５が伸縮切り替えタイミングで確実に最大ストローク（最小ストローク）に到達するように制御できる。これにより、リークなどの運用上の誤差要因が存在しても、伸縮カッタ５のストローク量の誤差を抑制することができ、伸縮切り替えの繰り返しによって誤差が累積することを防止することができる。

［変形例］
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。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、泥土圧式シールド掘進機に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明を、泥水式シールド掘進機に適用してもよい。泥水式シールド掘進機の場合には、送泥管を介してチャンバ６内に泥水を送り込んで掘削土砂をスラリー化し、スラリー化した掘削土砂を、排泥管を介して排出する。

また、上記第１および第２実施形態では、油圧供給部３０を、互いに軸が連結されることにより機械的に同期されたカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを含む２連油圧ポンプユニットとして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、たとえば図１４に示す変形例のように、非連結のカッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを、電動モータ３３ａと３３ｂとによって別々に駆動する構成であってもよい。図１４では、電動モータ３３ａおよび３３ｂを同期制御するモータ制御部１３１を有する構成の油圧供給部１３０によって、カッタ駆動用ポンプ３１と伸縮カッタ用ポンプ３２とを電気的に同期させる。この他、たとえば共通の１つの油圧ポンプを、流量調整部と同じ原理の分流機構に接続してもよい。そして、分流機構から、カッタ駆動部３と流量調整部４０とにそれぞれ作動油を供給するように構成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、伸縮カッタ５の実際のストローク量を用いたフィードバック制御を行わずに、カッタヘッド２の回転角度θに基づいてフィードフォワード的に伸縮カッタ５を制御する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１５に示す変形例のように、伸縮カッタの実際のストローク量を用いて、フィードバック制御を行ってもよい。なお、図１５では、油圧供給部３０や、カッタ駆動部３に関する構成については図示を省略している。

図１５では、伸縮カッタ５には、伸縮カッタ用ジャッキ２２のストローク量を検出するストロークセンサ１２５が設けられている。制御部６０は、ストロークセンサ１２５により検出された伸縮カッタ５のストローク量と、ストローク量の目標値（軌跡ＴＲ）との偏差に基づいて流量調整部４０のフィードバック制御を行う。これにより、伸縮カッタ５の動作制御の更なる高精度化を図ることができる。このように伸縮カッタ５のストローク量のフィードバック制御を行う場合でも、カッタヘッド２の回転角度θに基づく流量制御によって目標値（軌跡ＴＲ）に沿った動作が可能であるので、フィードバック制御は、たとえば第２実施形態に示したような誤差を修正するためのサブ制御として用いるだけで済む。そのため、伸縮カッタの全制御をフィードバック制御によって行う場合よりも、フィードバック制御のための各種係数を決定する調整作業も容易化できる。

また、上記第１および第２実施形態では、流量調整部４０を、容積式の分流機構４１によって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、伸縮カッタ５への供給流量を定量的に制御可能であれば、分流機構４１以外の容積式の流量調整部を設けてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、略正方形の掘削断面を形成するための伸縮カッタ５の動作制御の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、掘削断面はオーバル形状（角丸長方形）または楕円形状や、六角形状などの多角形状などの非円形の任意形状であってよい。その場合、断面形状に合わせて伸縮カッタ５の回転角度毎の目標値（軌跡ＴＲ）が設定され、軌跡ＴＲを実現するための必要流量が求められる。そのため、流量調整部４０の回転角度θ毎の吐出流量（制御データ６１）や、伸縮切り替えタイミングは、図７に示したものに限られず、断面形状に応じて設定される。

また、上記第１および第２実施形態では、掘削断面を非円形の異形断面とするための伸縮カッタ５の制御例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえばトンネルの曲線区間を掘進する際や蛇行修正を行う際の余掘り掘削に、上記した伸縮カッタの制御を適用してもよい。したがって、本発明は、異形断面を掘進するための異形断面シールド掘進機のみならず、一般的な円形断面の掘進用のシールド掘進機に適用してもよい。

１ シールド掘進機
２ カッタヘッド
３ カッタ駆動部
４ 回転角度検出部
５ 伸縮カッタ
３０、１３０ 油圧供給部
３１ カッタ駆動用ポンプ
３２ 伸縮カッタ用ポンプ
４０ 流量調整部
４１ 分流機構
４２ａ、４２ｂ 容積式油圧モータ
６０ 制御部
６１、１６１ 制御データ
Ｃ 断面
Ｑ４Ａ 伸縮カッタ側への吐出流量
Ｑ４Ｂ オイルタンク側への吐出流量
ＴＲ 軌跡
θ カッタヘッドの回転角度

Claims (7)

1. 回転して土砂を掘削するカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドを回転駆動する油圧式のカッタ駆動部と、
   前記カッタヘッドの回転角度を検出する回転角度検出部と、
   前記カッタヘッドの外周部から半径方向に伸縮する油圧式の伸縮カッタと、
   前記カッタ駆動部および前記伸縮カッタの各々に同期して作動油を供給する油圧供給部と、
   前記伸縮カッタと前記油圧供給部との間に設けられ、前記カッタヘッドの回転角度に対応した流量で作動油を前記伸縮カッタへ吐出する容積式の流量調整部と、を備える、シールド掘進機。
2. 前記流量調整部は、前記油圧供給部からの作動油を前記伸縮カッタ側とオイルタンク側とに分流する容積式の分流機構を含み、前記カッタヘッドの回転角度に応じて前記分流機構の容積を変化させるように構成されている、請求項１に記載のシールド掘進機。
3. 前記分流機構は、互いに軸が連結された一対の容積式油圧モータを含み、
   前記容積式油圧モータが、前記カッタヘッドの回転角度に応じて容積を変化させるように構成されている、請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 前記油圧供給部は、互いに軸が連結されることにより機械的に同期されたカッタ駆動用ポンプと伸縮カッタ用ポンプとを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシールド掘進機。
5. 前記流量調整部の前記伸縮カッタ側への吐出流量を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記カッタヘッドの回転角度と前記流量調整部の前記伸縮カッタ側への吐出流量とを対応付ける制御データに基づいて、前記流量調整部を制御するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシールド掘進機。
6. 前記制御部は、前記制御データに基づき、前記カッタヘッドの回転に伴う前記伸縮カッタの伸縮切り替えタイミングよりも早いタイミングでストロークの限界位置に到達するように、前記流量調整部を制御するように構成されている、請求項５に記載のシールド掘進機。
7. 前記伸縮カッタは、前記カッタヘッドの回転に伴い伸縮して、前記カッタヘッドよりも外周側を所定の軌跡で掘削することにより、掘削断面を非円形の異形断面とするように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシールド掘進機。

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