JP4096918B2 - 余堀り装置、余堀り方法およびシールド掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、余堀り装置、余堀り方法およびシールド掘削機に係り、特に、余堀りカッターの出入り速度を段階的に変更可能なものに関する。

従来のシールド掘削機１００を用いて曲がった孔を掘る場合、上記シールド掘削機１００が方向転換することができるように上記シールド掘削機１００の片側または両側を余堀りしなければならない。

図６は、シールド掘削機１００を用いて曲がった孔Ｈ１１を掘っている状態を示す図であり、図７は、図６におけるＶＩＩＡ―ＶＩＩＢ断面を示す図である。

なお、図６の紙面に直角な方向であって上記紙面の表側の方向をシールド掘削機１００の上方向とし、上記紙面の裏側の方向をシールド掘削機１００の下方向とする。

進行方向（図６に矢印ＡＲ１１で示す方向）に向かって所定の曲率半径右側に旋回する孔Ｈ１１を、シールド掘削機１００で掘削する場合、このシールド掘削機１００の進行方向（前側方向）の右側において、斜線で示すような余堀りＨ１３を行う必要がある。

上記余堀りＨ１３の外形は、図７に示すように、たとえば、シールド掘削機１００を用いて余堀りを行わない場合に形成される円形状の孔Ｈ１７の右側の外形をさらに右方向に平行移動した形態になっている。

このような形態の余堀りＨ１３を行うために、シールド掘削機１００は、円筒状の孔を掘削するために使用される通常のカッターの他に、上記通常のカッターが設置されているカッターヘッドに対してこのカッターヘッドのラジアル方向に出入り自在な余堀りカッター（図６や図７においては図示せず）を備えている。

そして、上記カッターヘッドの回転角度に応じて、上記余堀りカッターの出入り量を変え、上記余堀りＨ１３を行うことができるようになっている。

すなわち、余堀りが不要である回転角度のところに余堀りカッターが位置しているときに、上記余堀りカッターを上記カッターヘッド内に収納しておき、一方、上記余堀りカッターが上記カッターヘッドと共に回転し余堀りが必要なところに位置したときには、上記余堀りカッターを上記カッターヘッドから適宜の量だけ突出させて余堀りを行うようになっている。

次に、カッターヘッドの回転角度と、余堀りカッターの出入り量との関係について説明する。

図７に示すように、上記余堀りＨ１３の外形は、上記余堀りカッターの先端部と、シールド掘削機１００を用いて余堀りを行わない場合に形成される円形状の孔Ｈ１７の外形（上記通常のカッターにおいて掘削された孔の外形）との間の距離によって決まる。

すなわち、図７において、余堀りカッターが時計回りに回転するものとし、上記余堀りカッターが真上に位置しているときの上記余堀りカッターの回転角度を「０」°とし、上記余堀りカッターが真上に位置している位置からの上記余堀りカッターの回転角度（シールド掘削機１００の中心ＣＬ１を中心とした回転角度）を「θ」°とし、上記余堀りカッターの先端部と上記円形状の孔Ｈ１７の外形との間の距離（余堀りカッターの出入り量；余堀りカッターの突出量）を「Ｚ」ｍｍとすると、上記距離Ｚは上記回転角度θの関数「Ｚ＝Ｚ（θ）」で表される。

次に、上記関数「Ｚ＝Ｚ（θ）」を、図８を用いて説明する。

図８は、シールド掘削機１００における余堀りカッターの突出量Ｚと、上記余堀りカッターの回転角度θとの関係を示す図であり、横軸は上記余堀りカッターの回転角度θを示し、縦軸は上記余堀りカッターの突出量Ｚを示す。

曲線のグラフＧ１は、上記関数「Ｚ＝Ｚ（θ）」を示すグラフであり、余堀りＨ１３の理想的な形状を示すグラフである。なお、余堀りカッターが０°から９０°のところまで回転する間では、上記余堀りカッターの突出量がゼロから徐々に増加しているとともに、この増加の割合は徐々に小さくなっている。一方、上記余堀りカッターが９０°から１８０°のところまで回転する間では、上記余堀りカッターの突出量が徐々に減少しているとともに、この減少の割合は徐々に大きくなっており、１８０°のところでは、上記余堀りカッターの突出量はゼロになっている。

ところで、上記余堀りＨ１３を行うために、余堀りカッターが突出する回転角度と突出量とを設定し、また、上記余堀りカッターが引っ込む回転角度を設定し、上記余堀りカッターの回転角度に応じて上記余堀りカッターの出入り動作を行う構成のものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

また、余堀りカッター等の回転角度を検出し、この検出した回転角度に対応する上記余堀りカッターの突出量を指令し、上記余堀りカッターの実際の突出量を検出し、上記指令した突出量と上記検出した突出量とが一致するように、上記余堀りカッターの出入り量を制御する構成のものが知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特開昭５８−４１１９５号公報 特開平７−２１７３７３号公報

ところで、従来の特許文献１に記載のものでは、余堀りカッターの移動速度（突出量を変化させる移動速度）の制御ができないため、正確な形状の余堀りを行うことができないという問題がある。

すなわち、余堀りカッターの移動速度が速すぎる場合には、図８に破線で示すグラフＧ１１のように、余堀りカッターが速く移動し、理想的な形状の余堀りよりも大きな余堀り（斜線部Ｈ１９に示した余計な部位が形成された余堀り）が行なわれてしまう。

一方、余堀りカッターの移動速度が遅い場合には、図８に破線で示すグラフＧ１３のように、理想的な形状の余堀りよりも小さな余堀り（斜線部Ｈ２１に示した部位が不足した余堀り）が行なわれてしまう。

また、従来の特許文献２に記載のものでは、図８に実線で示したグラフＧ１に極めて近い形状の余堀りを行うことができるが、余堀りカッターの回転角度に応じ、余堀り量の指令値と余堀りカッターの突出量とが互いに一致するように、上記余堀りカッターの突出量をリアルタイムで制御しなければならないので、装置の構成が煩雑になるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シールド掘削機の余堀りにおいて、正確な形状の余堀りを簡素な構成で行うことができる余堀り装置、余堀り方法およびシールド掘削機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、シールド掘削機の余堀り装置において、余堀りカッターを出入り方向に移動するための流体圧アクチュエータと、上記流体圧アクチュエータに供給するための圧縮流体を吐出可能な流体供給ポンプと、上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を、方向制御弁と絞り弁とを用いて段階的に切り換え自在な流体流量切り換え手段と、上記流体圧アクチュエータと上記流体供給ポンプとの接続関係を切り換え自在な切り換え弁と、上記余堀りカッターの回転角度を検出可能な回転角度検出手段と、上記余堀りカッターの出入り量を検出可能な出入り量検出手段と、上記余堀りカッターが回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の等しい大きさの領域に分割し、これらの各領域毎に上記余堀りカッターの出入り量を設定可能な出入り量設定手段と、上記回転角度検出手段が検出した上記余堀りカッターの回転角度と、上記出入り量検出手段が検出した上記余堀りカッターの出入り量と、上記カッター出入り量設定手段で設定された余堀りカッターの出入り量とに応じて、上記流体流量切り換え手段で上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を切り換え、また、上記切り換え弁で上記流体圧アクチュエータと上記流体供給ポンプとの接続関係を切り換える制御手段とを有し、上記出入り量設定手段は、上記各領域の間に形成される各境界毎に、上記余堀りカッターの出入り量を設定可能な手段であり、上記制御手段は、上記各領域のそれぞれにおいて、上記出入り量検出手段で上記余堀りカッターの出入り量をほぼ連続的に検出し、上記余堀りカッターが次に通過する上記境界における余堀りカッターの出入り量の設定値と、上記検出した余堀りカッターの出入り量との差が減少するように上記流体流量切り換え手段で上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を切り換える手段であるシールド掘削機の余堀り装置である。

請求項２に記載の発明は、余堀りカッターを用いたシールド掘削機の余堀り方法において、上記余堀りカッターが回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の等しい大きさの領域に分割し、これらの分割された各領域毎に上記余堀りカッターの出入り量を設定する出入り量設定工程と、余堀りをするために上記余堀りカッターを回転する回転工程と、上記余堀りカッターの回転角度を検出する回転角度検出工程と、上記余堀りカッターの出入り量を検出する出入り量検出工程とを有し、上記回転角度検出工程で検出された上記余堀りカッターの回転角度と、上記出入り量検出工程で検出された上記余堀りカッターの出入り量と、上記カッター出入り量設定工程で設定された余堀りカッターの出入り量との差が減少するように、上記回転工程で上記余堀りカッターの出入り方向の移動速度を、方向制御弁と絞り弁とを用いて段階的に切り換えるシールド掘削機の余堀り方法である。

本発明によれば、シールド掘削機の余堀りにおいて、正確な形状の余堀りを簡素な構成で行うことができるという効果を奏する。

図1は、本発明の実施形態に係る余堀り装置３が設けられているシールド掘削機１の概略構成を示す図である。

シールド掘削機１は、たとえば円筒状に形成されたシールドフレーム５を備え、このシールドフレーム５の前側（シールド掘削機１が孔を掘るときに前進する側）には、上記円筒状のシールドフレーム５の長手方向に延びた中心軸ＣＬ１を中心にし上記シールドフレーム５に対して回転可能なカッターヘッド７が設けられている。

上記カッターヘッド７の前側には、カッター９が設けられており、上記カッターヘッド７が回転することにより、上記カッター（通常のカッター）９で土砂を削り、円柱状の孔を掘削することができるようになっている。

上記カッターヘッド７の後ろ側には、上記シールドフレーム５の前側を塞ぐための隔壁１１が設けられていると共に、上記カッターヘッド７の後端部（外径の小さな円柱状の後端部）が上記隔壁１１を通過し上記シールドフレーム５内まで延伸している。

上記シールドフレーム５の内側には、後述する余堀りカッター１７の回転角度を検出可能な回転角度検出手段１０が設けられている。この回転角度検出手段１０は、たとえば近接スイッチ８を備え、上記カッターヘッド７の後端部の円周上に等間隔で設けられた複数の突起や切り欠きであって上記カッターヘッド７の回転により移動する各突起や各切り欠きを上記近接スイッチ８で検出し、この検出結果を後述する制御装置に電気信号として出力し、上記制御装置で余堀りカッター１７の回転角度を演算し検出できるようになっている。

上記隔壁１１には、泥土を上記カッター９に送り込むための送泥管１３と、この送り込まれた泥土と上記カッター９によって掘削された土砂との混合物を排出するための排泥管１５とが設けられている。

また、上記シールド掘削機１（シールドフレーム５）の後側には、複数のセグメントＳＧによって、シールド掘削機１によって掘られた孔（トンネル）の内壁が形成されている。

上記セグメントＳＧは、シールド掘削機１の前後方向に垂直な平面による断面の形状がたとえば円弧状に形成されていると共に、上記前後方向に所定の長さを備えている。

そして、上記セグメントＳＧを前後方向で一列に複数個組み合わせて円筒状に形成すると、トンネルの内壁が所定の長さ（セグメントＳＧの前後方向の長さと等しい長さ）分だけ形成される。

また、曲がったトンネルを掘るために、シールド掘削機１には余堀り装置３と中折れシリンダー等（図示せず）が設けられている。なお、上記中折れシリンダー等は、すでに公知のものと同様に構成されているので、本件明細書では説明を省略する。

上記余堀り装置３は、上記余堀りカッター１７の突出量を変更するために、上記余堀りカッター１７を余堀りの深さが変わる方向である出入り方向に移動するための流体圧アクチュエータ（たとえば、油圧シリンダー）１９を備えている。

より詳しく説明すると、上記余堀りカッター１７は余堀りカッター保持部材（図示せず）に保持され、この余堀りカッター保持部材は、図示しないガイド手段により上記カッターヘッド７に対して、上記余堀りカッター１７の出入り方向に直線的に移動することができるようになっている。

また、上記油圧シリンダー１９の本体部１９Ａは上記カッターヘッド７に一体的に固定されており、上記余堀りカッター１７の出入り方向に直線的に移動できる油圧シリンダー１９のピストンロッド１９Ｂの先端部に、上記余堀りカッター保持部材が一体的に設けられ、余堀りカッター１７が移動するようになっている。

ここで、上記余堀りカッター１７の出入り方向として、たとえば、上記余堀りカッター１７（カッターヘッド７）の回転方向と直交し、かつ、上記シールド掘削機１の進行方向（上記シールドフレーム５の長手方向の中心軸ＣＬ１の延伸方向）と直交する方向を考えることができる。

次に、上記油圧シリンダー１９を駆動するための回路について説明する。

図２は、上記油圧シリンダー１９を駆動するための油圧回路図である。

上記油圧シリンダー１９を駆動するための油圧回路は、上記油圧シリンダー１９に供給するための圧縮流体（圧縮された油圧作動油）を吐出可能な流体供給ポンプ（たとえば、油圧ポンプ）２１を備えている。この油圧ポンプ２１は、図示しない電動モータ等によって駆動し、油圧タンク２３から油圧作動油を吸い上げてこの吸い上げた油圧作動油を圧縮して、後述する油圧経路２７内の油圧作動油の圧力に関係なく、単位時間あたり一定量の油圧作動油を吐出するようになっている。

また、油圧ポンプ２１と油圧シリンダー１９との間には、上記流体圧アクチュエータ１９と上記油圧ポンプ２１との接続関係を切り換え自在な切り換え弁の例であるスプリングセンタ型３ポジション４ポートの油圧ソレノイドバルブ２５が設けられている。

より詳しく説明すると、上記油圧ポンプ２１の油圧作動油吐出口２１Ａと上記油圧ソレノイドバルブ２５のＰポートとは、油圧配管等で形成された油圧経路２７で互いに接続され、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＴポートと上記油圧タンク２３とは油圧経路２９で互いに接続されている。

また、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＡポートと上記油圧シリンダー１９のヘッド側のポート１９Ｃとは、油圧経路３１で互いに接続され、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＢポートと上記油圧シリンダー１９のロッド側のポート１９Ｄとは、油圧経路３３で互いに接続されている。

なお、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬａに電流が流れておらずかつソレノイドＳＯＬｂにも電流が流れていない中立状態においては、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＰポートとＴポートとは、互いに連通している。また、上記中立状態では、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＡポートは、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＰポート、Ｔポート、Ｂポートのいずれとも連通しておらず、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＢポートは、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＰポート、Ｔポート、Ａポートのいずれとも連通していない。

したがって、上記ソレノイドバルブ２５が中立状態にあるときには、上記油圧シリンダー１９のピストンロッド１９Ｂ（余堀りカッター１７）は、上記余堀りカッター１７の出入り方向にはほとんど移動せず固定される。また、上記油圧ポンプ２１から吐出された油圧作動油の総ては、流路抵抗の小さい油圧ソレノイドバルブ２５を通ってタンク２３に戻るので、油圧作動油の温度が上昇しにくくなっている。

上記ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬａに電流が流れたときには、上記ソレノイドバルブ２５のＰポートとＡポートが互いに連通し上記油圧経路２７と上記油圧経路３１と上記ヘッド側のポート１９Ｃとを介して、上記油圧シリンダー１９のヘッド側の空間内に油圧ポンプ２１で圧縮された油圧作動油が供給されると共に、上記ソレノイドバルブ２５のＢポートとＴポートとが互いに連通し、上記ロッド側のポート１９Ｄと上記油圧経路３３と上記油圧経路２９とを介して、上記油圧シリンダー１９のロッド側の空間内に存在していた油圧作動油が上記タンク２３に排出される。

そして、上記油圧シリンダー１９のピストンロッド１９Ｂ（余堀りカッター１７）が突出する（矢印ＡＲ１の方向に移動する）ようになっている。

一方、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬｂに電流が流れたときには、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＰポートとＢポートが互いに連通し、上記油圧ソレノイドバルブ２５のＡポートとＴポートが互いに連通し、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬｂに電流が流れたときと同様にして、上記油圧シリンダー１９のピストンロッド１９Ｂ（余堀りカッター１７）が引っ込む（矢印ＡＲ１の方向とは反対の方向に移動する）ようになっている。

また、上記油圧経路（上記油圧ポンプ２１と上記油圧ソレノイドバルブ２５との間の油圧経路）２７の上記油圧ポンプ２１側の部位と、上記油圧経路（上記油圧ソレノイドバルブ２５と上記タンク２３との間の油圧経路）２９の上記タンク２３側の部位との間は、油圧経路３５で接続され、この油圧経路３５の中間部には、リリーフ弁３７が設けられている。そして、このリリーフ弁３７により、上記油圧ポンプ２１から吐出された油圧作動油の圧力が、所定の値以上に上昇することを防止している。

また、上記油圧シリンダー１９を駆動するための油圧回路には、上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の流量を段階的に切り換え自在な流体流量切り換え手段３９が設けられている。

上記流体流量切り換え手段３９は、たとえば、上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の一部を流出自在のバルブ４９、５３を並列的に備えて構成されている。

より詳しく説明すると、上記油圧経路２７の中間部から別の油圧経路４１が分岐しており、この分岐した油圧経路４１は、上記油圧ソレノイドバルブ２５とほぼ同様に構成された油圧ソレノイドバルブ４３のＰポートに接続されている。また、上記油圧ソレノイドバルブ４３のＴポートからは油圧経路４５が延出しており、この油圧経路４５は上記油圧経路２９の中間部に接続されている。

上記油圧ソレノイドバルブ４３のＡポートは、油圧経路４７を介して、上記油圧経路２９の中間部に接続されており、上記油圧経路４７の中間部には絞り弁４９が設けられている。

また、上記油圧ソレノイドバルブ４３のＢポートは、油圧経路５１を介して、上記油圧経路２９の中間部に接続されており、上記油圧経路５１の中間部には絞り弁５３が設けられている。

なお、上記絞り弁４９のほうが上記絞り弁５３よりも流路抵抗が大きくなっており、したがって、上記絞り弁５３のほうが、上記絞り弁４９よりも、単位時間あたり多くの油圧作動油を流すことができるようになっている。

なお、上記油圧ソレノイドバルブ４３は、中立状態における各ポートの接続状態が、上記油圧ソレノイドバルブ２５とは異なっている。すなわち、中立状態にある場合、上記油圧ソレノイドバルブ４３では、Ｐポート、Ｔポート、Ａポート、Ｂポートのいずれもがクローズしており、他のポートは連通していない。

したがって、油圧ソレノイドバルブ４３が中立状態にあるときには、上記油圧経路４１等を介して、上記油圧経路２７から上記油圧経路２９へは油圧作動油が直接流れないようになっている。

そして、上記油圧ソレノイドバルブ４３が中立状態にあるときに、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬａまたはソレノイドＳＯＬｂに電流を流すと、最も速い速度（たとえば、３６ｍｍ／秒の速度）である第１の移動速度で余堀りカッター１７が突出しまたは引っ込むようになっている。

また、上記油圧ソレノイドバルブ４３のソレノイドＳＯＬａに電流が流れている状態では、上記油圧経路４１、４７と上記絞り弁４９とを介して、上記油圧経路２７から上記油圧経路２９へ油圧作動油の一部が流れるようになっている。

そして、上記油圧ソレノイドバルブ４３のソレノイドＳＯＬａに電流が流れている状態で、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬａまたはソレノイドＳＯＬｂに電流を流すと、上記第１の移動速度よりも遅い速度（たとえば、１８ｍｍ／秒の速度）である第２の移動速度で余堀りカッター１７が突出しまたは引っ込むようになっている。

さらに、上記油圧ソレノイドバルブ４３のソレノイドＳＯＬｂに電流が流れている状態では、上記油圧経路４１、４７と上記絞り弁５３とを介して、上記油圧経路２７から上記油圧経路２９へ油圧作動油の一部が、上記油圧ソレノイドバルブ４３のソレノイドＳＯＬａに電流を流したときよりも多く流れ流れるようになっている。

そして、上記油圧ソレノイドバルブ４３のソレノイドＳＯＬａに電流が流れている状態で、上記油圧ソレノイドバルブ２５のソレノイドＳＯＬａまたはソレノイドＳＯＬｂに電流を流すと、上記第２の移動速度よりも遅い速度（たとえば、９ｍｍ／秒の速度）である第３の移動速度で余堀りカッター１７が突出しまたは引っ込むようになっている。

また、上記第１の移動速度〜上記第３の移動速度を正確に得るために、上記油圧経路（上記油圧ソレノイドバルブ２５のＡポートと上記油圧シリンダー１９のヘッド側のポート１９Ｃとを互いに接続している油圧経路）３１の中間部には、余堀りカッター１７の移動速度をメータイン絞りによって微調整するためのチェック弁付絞り弁５５が設けられており、上記油圧経路（上記油圧ソレノイドバルブ２５のＢポートと上記油圧シリンダー１９のロッド側のポート１９Ｄとを互いに接続している油圧経路）３３の中間部には、余堀りカッター１７の移動速度をメータイン絞りによって微調整するためのチェック弁付絞り弁５７が設けられている。

上記油圧経路３１の中間部には、上記余堀りカッター１７の出入り量を検出可能な出入り量検出手段５９を構成する流量計６１が設けられている。この流量計６１は、上記絞り弁５５に対して直列に設けられており、上記油圧経路３１を流れる油圧作動油の流量を検出することができるようになっている。

上記流量計６１は、上記油圧経路３１を流れる油圧作動油の流量を検出しこの検出した流量に応じた電気信号を後述する制御装置に出力し、この制御装置において上記余堀りカッター１７の出入り量（突出量）を演算して検出することができるようになっている。

また、上記油圧シリンダー１９のみが、回転する上記カッターヘッド７に設けられ、その他のもの（たとえば、流量計６１、各絞り弁５５、５７、油圧ソレノイドバルブ２５等）は、上記シールドフレーム５に内側に設けられている。したがって、上記流量計６１と上記油圧シリンダー１９のヘッド側のポート１９Ｃとの間、および、上記絞り弁５７と上記油圧シリンダー１９のロッド側のポート１９Ｄとの間には、ロータリジョイント（図示せず）が設けられている。

次に、シールド掘削機１を制御する制御装置（図示せず）について説明する。

上記制御装置には、上記余堀りカッター１７が回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の領域に分割し、これらの分割された各領域毎に上記余堀りカッター１７の出入り量を設定可能な出入り量設定手段６３が設けられている。

ここで、上記出入り量設定手段６３について説明する。

図３は、上記出入り量設定手段６３を用いて余堀りカッター１７の出入り量を設定するときに使用する画面を示す図である。この画面は、上記制御装置に設けられたＬＣＤ等の表示手段（図示せず）によって表示されるものとする。

図３には、上記余堀りカッター１７が回転することによって形成される円周状の軌跡（上記通常のカッター９が回転することによって形成される円周）ＣＬ３が示されており、上記円周ＣＬ３の中心ＣＬ５を通る複数の直線によって、上記円周ＣＬ３が、たとえば、３０°毎に複数の大きな領域Ａ_０〜Ａ_１１に分割されている。

なお、図３の上下方向は、シールド掘削機１の上下方向を示しており、上記余堀りカッター１７が真上に位置にあるときの上記余堀りカッター１７の回転角度を「０°」としてある。そして、上記余堀りカッター１７は図３において時計まわりに回転し、真上にあるときを基準とした上記余堀りカッター１７の回転角度を「θ」としてある。

また、たとえば、上記円周状の軌跡ＣＬ３の外周には、各回転角度θに応じた余堀りカッター１７の突出量（出入り量）を設定するための各設定部Ｚ_０〜Ｚ_１１が設けられており、上記制御装置に設けられた入力手段（タッチパネル等）を介して、上記各設定部Ｚ_０〜Ｚ_１１に上記余堀りカッター１７の突出量（余堀りの深さ）を入力することができるようになっている。図３の設定部Ｚ_０（上記余堀りカッター１７の回転角度θが「０°」であるときの突出量の設定部）では余堀りの深さが「０ｍｍ」に設定されており、設定部Ｚ_１（上記余堀りカッター１７の回転角度θが「３０°」であるときの突出量の設定部）では余堀りの深さが「１００ｍｍ」に設定されている。

なお、余堀りの深さは、上記通常のカッター９で掘られる孔の内壁からの上記余堀カッター１７の突出量とほぼ等しくなる。また、余堀り深さをマイナスの値の設定することもできるようになっている。

なお、上記各設定部Ｚ_０〜Ｚ_１１は、上記各領域Ａ_０〜Ａ_１１の間の境界に形成されており、したがって、上記各設定部Ｚ_０〜Ｚ_１１で上記余堀りカッター１７の突出量を設定することは、複数に分割された上記円周ＣＬ３の各領域Ａ_０〜Ａ_１１の間に形成される各境界において上記余堀りカッター１７の突出量を設定することになる。

次に、上記出入り量設定手段６３によって設定された値によって形成される余堀りの形状を説明する。

図４は、図３で設定した余堀りカッター１７の突出量で形成される余堀りの形状を示す図である。

上記余堀りは、上記出入り量設定手段６３によって設定された各値（余堀りカッター１７の各突出量）を互いに順に滑らかな曲線でつなぐことによって形成される。

余堀りカッター１７の回転角度が０°〜１８０°の範囲にあるときには、図４の右側に斜線で示す余堀りＨ１が形成され、余堀りカッター１７の回転角度が１８０°〜３６０°の範囲にあるときには、図４の左側に斜線で示す余堀りＨ３が形成される。

なお、トンネルの掘削中においてシールド掘削機１が継続して旋回している状態では、上記各余堀りＨ１、Ｈ３のうち右側の余堀りＨ１のみを行えばよいが、たとえば、直線的に進んできたシールド掘削機１が旋回し始める場合には、上記余堀りＨ１に加えて上記余堀りＨ３が必要になる。

上記制御装置についてさらに説明する。上記制御装置は、上記回転角度検出手段１０が検出した上記余堀りカッター１７の回転角度θと、上記出入り量検出手段５９が検出した上記余堀りカッター１７の出入り量と、上記カッター出入り量設定手段６３で設定された余堀りカッター１７の出入り量とに応じて、上記流体流量切り換え手段３９で上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される流体の流量を切り換え、また、上記切り換え弁（油圧ソレノイドバルブ）２５で上記油圧シリンダー１９と上記油圧ポンプ２１との接続関係を自動的に切り換えるようになっている。

より、詳しく説明すると、上記制御装置は、上記余堀りカッター１７が図３に示す上記各領域Ａ_０〜Ａ_１１のうちのいずれの領域を通過しているのかを上記回転角度検出手段１０で検出し、上記各領域Ａ_０〜Ａ_１１のうちの上記余堀カッター１７が通過している領域において、上記出入り量検出手段５９で上記余堀りカッター１７の出入り量をほぼ連続的に検出し、上記余堀りカッター１７が次に通過する上記境界（余堀りカッター１７が、図３に示す領域Ａ_０内に存在しているときには、上記領域Ａ_０と次の領域Ａ_１との境界）における余堀りカッター１７の出入り量の設定値（設定部Ｚ_１における設定値）と、上記検出した余堀りカッターの出入り量との差に応じて、上記流体流量切り換え手段３９で上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の流量を切り換えるようになっている。

なお、上記制御装置による制御において、上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の流量が「０」になるように制御する場合、すなわち、上記余堀りカッター１７が出入り方向へ移動しないようにする場合もある。

次に、シールド掘削機１の動作について説明する。

なお、シールド掘削機１はカッター出入り量設定手段６３によって設定された値にしたがって、余堀りを行っているものとする。

また、シールド掘削機１のカッターヘッド７は、１分間に１．５回転の速度で回転しているものとする。したがって、上記第１の移動速度（３６ｍｍ／秒）では、余堀りカッター１７の移動速度が、１２０ｍｍ／３０°（余堀りカッター１７が３０°回転する間に、余堀りカッター１７が１２０ｍｍだけ突出しまたは引っ込む速度）になっているということができる。

同様にして、上記第２の移動速度（１８ｍｍ／秒）では、余堀りカッター１７の移動速度が、６０ｍｍ／３０°になっており、上記第３の移動速度（９ｍｍ／秒）では、余堀りカッター１７の移動速度が、３０ｍｍ／３０°になっているということができる。

図５は、シールド掘削機１の動作の概略を示すフローチャートである。

上述したように、余堀りカッター１７は、カッターヘッド７やカッター９と共に中心軸ＣＬ１を中心にして連続して回転（公転）しているが、説明の便宜のため上記余堀りカッター１７の回転角度θが「０°」であり、上記余堀りカッター１７の突出量Ｚ_Ｍが「０ｍｍ」であるときから説明する。

なお、上記回転角度検出手段１０で検出された上記余堀りカッター１７の回転角度θが「０°」であるときにおいては、上記余堀りカッター１７は、図３に示す領域（余堀りカッター１７の回転角度が０°〜３０の範囲内にある領域）Ａ_０内に存在しているものとする。

ステップＳ１において、回転角度検出手段１０で余堀りカッター１７の回転角度θを検出し、上記出入り量検出手段５９で余堀りカッター１７の出入り量（突出量）Ｚ_Ｍを検出する。

続いて、ステップＳ３において、上記検出した余堀りカッター１７の回転角度θにより、余堀りカッター１７が次に通過する境界における余堀りカッター１７の突出量（設定値）Ｚ_Ｓを求める。

たとえば、余堀りカッター１７の回転角度θが「１０°」であるときには、余堀りカッター１７は領域Ａ_０に存在しているので、次に通過する境界は「Ｚ_１」であり、上記設定値Ｚ_Ｓは「１００ｍｍ」ということになり、堀りカッター１７の回転角度θが「３５°」であるときには、余堀りカッター１７は領域Ａ_１に存在しているので、次に通過する境界は「Ｚ_２」であり、上記設定値Ｚ_Ｓは「１５０ｍｍ」ということになる。

次に、ステップＳ５において、上記設定値Ｚ_Ｓと上記検出した出入り量Ｚ_Ｍとの差ΔＺを求め、この差ΔＺの絶対値が「４０ｍｍ」以上である場合には、スップＳ７において、第１の移動速度（１２０ｍｍ／３０°）で、上記差ΔＺの絶対値が減少するように、余堀りカッター１７を移動し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ５において、差ΔＺの絶対値が「４０ｍｍ」未満である場合には、ステップＳ９において、上記差ΔＺの絶対値が「２０ｍｍ」以上であるか否か（上記差ΔＺの絶対値が「２０ｍｍ」以上「４０」ｍｍ未満であるか否か）を判断する。

上記差ΔＺの絶対値が「２０ｍｍ」以上である場合には、スップＳ１１において、第２の移動速度（６０ｍｍ／３０°）で、上記差ΔＺの絶対値が減少するように、余堀りカッター１７を移動し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ９において、差ΔＺの絶対値が「２０ｍｍ」未満である場合には、ステップＳ１３において、上記差ΔＺの絶対値が「６ｍｍ」以上であるか否か（上記差ΔＺの絶対値が「６ｍｍ」以上「２０」ｍｍ未満であるか否か）を判断する。

上記差ΔＺの絶対値が「６ｍｍ」以上である場合には、スップＳ１５において、第３の移動速度（３０ｍｍ／３０°）で、上記差ΔＺの絶対値が減少するように、余堀りカッター１７を移動し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ１３において、差ΔＺの絶対値が「６ｍｍ」未満である場合には、ステップＳ１７において、余堀りカッター１７の移動速度を「０」にして、ステップＳ１に戻る。

シールド掘削機１は、ステップＳ１から始まり、ステップＳ３等を経由して再びステップＳ１に戻る動作を、非常に短い周期を行っている。したがって、見かけ上は、上記出入り量検出手段５７で上記余堀りカッター１７の出入り量Ｚ_Ｍを連続的に検出していることになる。そして、連続的に検出した出入り量Ｚ_Ｍを用いて、設定値Ｚ_Ｓと出入り量Ｚ_Ｍとの差ΔＺをリアルタイムで連続的に求め、この連続的に求めた差ΔＺによって、上記余堀りカッター１７の移動速度をリアルタイムで変更しているものである。

なお、上記余堀りカッター１７の出入り量Ｚ_Ｍを上述したように連続的に検出しないで、上記余堀りカッター１７の出入り量Ｚ_Ｍをある程度の時間間隔をあけて検出し、この検出結果に基づいて、上記余堀りカッター１７の移動速度を変更するようにしてもよい。

シールド掘削機１によれば、流体流量切り換え手段３９により、余堀りカッター１７を出入り方向へ移動する油圧シリンダー１９への油圧作動油の流量を段階的に切り換えることができるので、適切な移動速度で上記余堀りカッター１７の突出量を変更することができ、したがって、理想的な形状に近い正確な形状の余堀りを行うことができる。

そして、正確な形状の余堀りを行うことができることにより、シールド掘削機１が確実に旋回できる形状の余堀りを行うことができると共に、過度な余堀りを避けることができ、シールド掘削機１の直径（外径）よりも土被り量が小さいところを掘削する場合においても、換言すれば、シールド掘削機１の直径よりも上記シールド掘削機１の上端と地表との間の距離が小さいところを掘削する場合においても、上記シールド掘削機１の外側にできる余分な空間のほとんどを無くすことができ、地盤沈下の発生を抑制することができる。

また、正確な形状の余堀りを行うことができることにより、上記余堀り部への裏込み材の注入量（セグメントの外側に注入される裏込み材の注入量）を削減することができ、施工費用を低減することができる。

さらに、正確な形状の余堀りを行うことができることにより余分な余堀りが抑制され、掘削される土量を削減することができる。したがって、排土の処理量を削減することができ環境負荷を低減することができる。

また、シールド掘削機１によれば、流体流量切り換え手段３９により余堀りカッター１７の出入り方向の移動速度を段階的に切り換えるようになっているので、上記特許文献２に記載の余堀り装置（指令した余堀りカッターの突出量と検出した余堀りカッターの突出量とが互いに一致するように余堀りカッターの出入り量をリアルタイムで制御する装置）に比べ、簡素な構成で正確な形状の余堀りを行うことができる。

さらに、シールド掘削機１によれば、流体流量切り換え手段３９が、油圧ポンプ２１から油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の一部をタンク２３へ流出自在のバルブ４９、５３を並列的に備えた構成であるので、換言すれば、ブリードオフ回路によって上記油圧シリンダー１９に供給される油圧作動油の量を変更しているので、上記油圧シリンダー１９と上記油圧シリンダー１９の作動方向を切り換えるための切り換え弁２５との間に、上記油圧シリンダー１９との動作速度（余堀りカッター１７の出入り方向の移動速度）を微調整するために微調整用絞り弁５５、５７が設けられていても、これらの微調整用絞り弁５５、５７と上記流体流量切り換え手段３９との間の相互作用を少なくすることができ、上記油圧シリンダー１９の作動速度の調整が容易になり、正確な形状の余堀りを行うことができる。

また、余堀りカッター１７を移動するための油圧回路を、方向制御弁（油圧ソレノイドバルブ２５、４３）を用いて構成したので、サーボ弁等の精密な弁を用いた場合に比べ構成や制御が簡素化されると共に、ゴミ（油圧作動油中のゴミ）による動作不良が発生しにくくなっている。

また、シールド掘削機１によれば、回転角度検出手段１０が検出した余堀りカッター１７の回転角度と、出入り量検出手段５９が検出した余堀りカッター１７の出入り量と、カッター出入り量設定手段６３で設定された余堀りカッター１７の出入り量とに応じて、流体流量切り換え手段３９で油圧ポンプ２１から油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の流量を切り換え、また、油圧ソレノイドバルブ２５で上記油圧シリンダー１９と上記油圧ポンプ２１との接続関係を切り換えるので、シールド掘削機１のオペレータが余堀り量を設定した後自動的に正確な形状の余堀りを行うことができ、シールド掘削機１のオペレータの負担を軽減することができる。

さらに、シールド掘削機１によれば、余堀りカッター１７が回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の大きな領域に分割し、これらの各領域のそれぞれにおいて、上記出入り量検出手段５９で上記余堀りカッター１７の出入り量をほぼ連続的に検出し、上記余堀りカッター１７が次に通過する境界における余堀りカッター１７の出入り量の設定値と、上記検出した余堀りカッター１７の出入り量との差に応じて、上記流体流量切り換え手段３９で上記油圧ポンプ２１から上記油圧シリンダー１９へ供給される油圧作動油の流量をリアルタイムで切り換えているので、余堀り量の各設定値の間で、余堀りカッター１７の出入り方向の位置を自動的にかつ滑らか調整することができ、シールド掘削機１のオペレータの負担を増加させることなく、すなわち、シールド掘削機１のオペレータが細かい間隔で余堀り量を設定しなくても、正確な形状の余堀りを行うことができる。

本発明の実施形態に係る余堀り装置が設けられているシールド掘削機の概略構成を示す図である。 シールド掘削機の余堀り装置を構成している油圧シリンダーを駆動するための油圧回路図である。 余堀りカッターの出入り量を設定するときに使用する画面を示す図である。 図３で設定した余堀りカッターの突出量で形成される余堀りの形状を示す図である。 シールド掘削機の動作の概略を示すフローチャートである。 従来のシールド掘削機を用いて曲がった孔を掘っている状態を示す図である。 図６におけるＶＩＩＡ―ＶＩＩＢ断面を示す図である。 従来のシールド掘削機における余堀りカッターの突出量と、上記余堀りカッターの回転角度との関係を示す図である。

符号の説明

１ シールド掘削機
３ 余堀り装置
１０ 回転角度検出手段
１７ 余堀りカッター
１９ 油圧シリンダー
２１ 油圧ポンプ
２５ 油圧ソレノイドバルブ
３９ 流体流量切り換え手段
４９、５３ 絞り弁
５９ 出入り量検出手段
６３ 出入り量設定手段
Ａ_０〜Ａ_１１ 領域
Ｚ_Ｍ 検出した余堀りカッターの出入り量
Ｚ_Ｓ 設定された余堀りカッターの出入り量
Ｚ_０〜Ｚ_１１ 境界
ΔＺ 余堀りカッターの出入り量の差
θ 余堀りカッター回転角度

Claims (2)

1. シールド掘削機の余堀り装置において、
   余堀りカッターを出入り方向に移動するための流体圧アクチュエータと；
   上記流体圧アクチュエータに供給するための圧縮流体を吐出可能な流体供給ポンプと；
   上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を、方向制御弁と絞り弁とを用いて段階的に切り換え自在な流体流量切り換え手段と；
   上記流体圧アクチュエータと上記流体供給ポンプとの接続関係を切り換え自在な切り換え弁と；
   上記余堀りカッターの回転角度を検出可能な回転角度検出手段と；
   上記余堀りカッターの出入り量を検出可能な出入り量検出手段と；
   上記余堀りカッターが回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の等しい大きさの領域に分割し、これらの各領域毎に上記余堀りカッターの出入り量を設定可能な出入り量設定手段と；
   上記回転角度検出手段が検出した上記余堀りカッターの回転角度と、上記出入り量検出手段が検出した上記余堀りカッターの出入り量と、上記カッター出入り量設定手段で設定された余堀りカッターの出入り量とに応じて、上記流体流量切り換え手段で上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を切り換え、また、上記切り換え弁で上記流体圧アクチュエータと上記流体供給ポンプとの接続関係を切り換える制御手段と；
   を有し、
   上記出入り量設定手段は、上記各領域の間に形成される各境界毎に、上記余堀りカッターの出入り量を設定可能な手段であり、
   上記制御手段は、上記各領域のそれぞれにおいて、上記出入り量検出手段で上記余堀りカッターの出入り量をほぼ連続的に検出し、上記余堀りカッターが次に通過する上記境界における余堀りカッターの出入り量の設定値と、上記検出した余堀りカッターの出入り量との差が減少するように上記流体流量切り換え手段で上記流体供給ポンプから上記流体圧アクチュエータへ供給される流体の流量を切り換える手段であることを特徴とするシールド掘削機の余堀り装置。
2. 余堀りカッターを用いたシールド掘削機の余堀り方法において、
   上記余堀りカッターが回転することによって形成される円周状の軌跡を複数の等しい大きさの領域に分割し、これらの分割された各領域毎に上記余堀りカッターの出入り量を設定する出入り量設定工程と；
   余堀りをするために上記余堀りカッターを回転する回転工程と；
   上記余堀りカッターの回転角度を検出する回転角度検出工程と；
   上記余堀りカッターの出入り量を検出する出入り量検出工程と；
   を有し、上記回転角度検出工程で検出された上記余堀りカッターの回転角度と、上記出入り量検出工程で検出された上記余堀りカッターの出入り量と、上記カッター出入り量設定工程で設定された余堀りカッターの出入り量との差が減少するように、上記回転工程で上記余堀りカッターの出入り方向の移動速度を、方向制御弁と絞り弁とを用いて段階的に切り換えることを特徴とするシールド掘削機の余堀り方法。

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