JP5837994B1 - 制御装置および掘進機 - Google Patents

Abstract

掘進機において、障害物の自由度の高い切断を行う。回転可能なカッターヘッド部に設けられるとともに径方向に移動可能に構成された超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作を制御するための制御装置は、超高圧噴射ノズルの位置情報を取得するように構成された位置取得部と、取得される位置情報に基づいて、超高圧噴射ノズルの径方向の移動と、カッターヘッド部の回転に伴う超高圧噴射ノズルの周方向の移動と、が視覚的に把握可能な態様で、超高圧噴射ノズルの位置を表示するように構成された表示部と、を備える

Description

本発明は、超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作制御技術に関する。

地盤を掘削して管路またはトンネルを構築する場合において、地中に埋設または残置された障害物（例えば、Ｈ鋼、鋼矢板、鉄筋コンクリート壁等）に遭遇したときに、超高圧噴射ノズル（以下、単にノズルとも呼ぶ）から超高圧流体を噴射して、障害物を切断可能な掘進機が開発されている。例えば、下記の特許文献１，２は、超高圧噴射ノズルが設けられたカッターヘッド部を回転させながら超高圧流体を噴射することによって、障害物を周方向に輪切りにし、さらに、ノズルをジャッキによって径方向に移動させながら超高圧流体を噴射することによって、障害物をさらに細かく径方向に切断するように構成された掘進機が開示されている。

かかる掘進機においては、通常、障害物を周方向に切断する場合には、掘進機を操作するための操作盤においてカッターヘッド部の回転角度情報が取得され、この情報に基づいて、操作員がカッターヘッド部の回転範囲を制御していた。また、障害物を径方向に切断する場合には、操作盤においてジャッキのストローク情報が取得され、この情報に基づいて、操作員がジャッキのストローク範囲を操作していた。

特開２００６−２４９９２６号公報 特開２００５−９７８３０号公報

上述した掘進機においては、カッターヘッド部の回転によるノズルの周方向の移動と、ジャッキのストローク運動によるノズルの径方向の移動とを組み合わせることによって、カッターヘッド部の投影面の任意の位置で、障害物を任意の方向に細かく切断することが理論上可能である。しかしながら、かかる自由度の高い切断は、ノズルの周方向の移動と、ノズルの径方向の移動と、を同時に精度良く制御するか、あるいは、ノズルの周方向の僅かな移動と、ノズルの径方向の僅かな移動と、を交互に繰り返すように制御する必要がある。かかる精度の高い制御を行うことは、操作員に熟練操作技術が求められるので、困難であった。また、かかる掘進機の制御においては、掘進機の状況を把握し、障害物の切断作業の信頼性を高めることが望ましい。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の第１の形態によれば、回転可能なカッターヘッド部に設けられるとともに径方向に移動可能に構成された超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作を制御するための制御装置が提供される。この制御装置は、超高圧噴射ノズルの位置情報を取得するように構成された位置取得部と、取得される位置情報に基づいて、超高圧噴射ノズルの径方向の移動と、カッターヘッド部の回転に伴う超高圧噴射ノズルの周方向の移動と、が視覚的に把握可能な態様で、超高圧噴射ノズルの位置を表示するように構成された表示部と、を備える。

かかる制御装置によれば、掘進機の操作員は、表示部の表示によって、超高圧噴射ノズルの移動位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、表示部の表示を見ながら、超高圧噴射ノズルを任意の所望の方向および位置に精度良く移動させることができる。その結果、障害物の自由度の高い切断を行うことができる。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、超高圧噴射ノズルは複数である。表示部は、複数の超高圧噴射ノズルのうちの、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルのみを表示するか、または、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルと、使用可能な状態にない超高圧噴射ノズルと、を識別可能に表示するように構成される。かかる形態によれば、複数の超高圧噴射ノズルのうちの、流体源に接続されて使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルを容易に把握可能である。したがって、超高圧噴射ノズルと流体源との接続ミスや、移動を操作すべき超高圧噴射ノズルの把握ミスを抑制することができる。したがって、障害物の切断作業の信頼性が向上する。

本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態において、位置取得部は、さらに、超高圧噴射ノズルからの超高圧流体の噴射によって切断すべき障害物の位置情報を取得するように構成される。表示部は、さらに、取得される障害物の位置情報に基づいて、障害物と超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で、障害物の位置を表示するように構成される。かかる形態によれば、掘進機の操作員は、表示部の表示によって、切断作業中において、障害物と超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、障害物をより正確に所望の形状および大きさに切断できる。

本発明の第４の形態によれば、掘進機システムが提供される。この掘進機システムは、掘進機と、第１ないし第３のいずれかの形態の制御装置と、を備える。かかる掘進機システムによれば、第１ないし第３のいずれかの形態と同様の効果を奏する。

本発明は、上述の形態に限らず、掘進機を制御するための方法、掘進機を制御するためのプログラム、当該プログラムをコンピュータが読み取り可能に記録された記憶媒体など、種々の形態で実現可能である。

掘進機システムの概略構成を示す断面図である。 図１に示すカッターヘッド部の概略正面図である。 制御装置のモニタに表示される画面の一例を示す説明図である。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての掘進機システム５の概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示すカッターヘッド部３０の概略正面図である。図１に示すように、掘進機システム５は、掘進機１０と制御装置１００とを備えている。掘進機１０は、管路またはトンネルを構築するために地盤を掘削する機械であり、例えば、シールド工法や推進工法に適用可能である。図１では、掘進機１０を推進工法に適用する例が示されており、掘進機１０の掘進方向と反対側（以下、後方とも呼ぶ）には、推進管９０が構築されている。

図１に示すように、掘進機１０は、本体部２０とカッターヘッド部３０とを備えている。本体部２０は、回転軸２１と排泥管２２と駆動モータ２３とを備えている。カッターヘッド部３０には、複数のカッタービット３１が適宜設けられている。このカッターヘッド部３０は、本体部２０の掘進方向先端部に設けられており、回転軸２１を中心にして駆動モータ２３によって回転されることによって、地盤の掘削を行う。カッターヘッド部３０の回転によって掘削された土壌は、排泥管２２を介して排出される。

カッターヘッド部３０には、流体を超高圧で噴射する超高圧噴射ノズル４１，４２，４３，４４，５１，５２が設けられている。超高圧噴射ノズル４１，４２，４３，４４，５１，５２から噴射される超高圧流体は、例えば、超高圧ジェット水と研磨材とが混合されたアブレッシブジェット水とすることができる。超高圧噴射ノズル４１，４２，４３，４４は、カッターヘッド部３０に対する位置が固定されている。以下の説明では、超高圧噴射ノズル４１，４２，４３，４４を固定ノズル４１，４２，４３，４４とも呼ぶ。超高圧噴射ノズル５１，５２は、それぞれ、ノズル移動機構３２，３３によって、径方向に移動可能に構成されている。本実施例では、超高圧噴射ノズル５１，５２のうちの超高圧噴射ノズル５１は、カッターヘッド部３０の外縁よりも外側まで移動可能に構成されている。以下の説明では、超高圧噴射ノズル５１，５２を移動ノズル５１，５２とも呼ぶ。ノズル移動機構３２，３３は、本実施例では、ピストンロッドおよび油圧シリンダ（図示省略）を備える油圧シリンダ機構である。ただし、ノズル移動機構３２，３３には、移動ノズル５１，５２を線形移動させることができる任意のアクチュエータを使用することができる。

また、カッターヘッド部３０には、地盤改良ノズル６１，６２，６３，６４，６５が設けられている。地盤改良ノズル６１〜６５からは、超高圧ジェット水と地盤改良材とが混合された地盤改良ジェット水が噴射される。地盤改良ノズル６１〜６５は、カッターヘッド部３０に対する位置が固定されている。なお、上述した各種ノズルの数は、任意に設定することができる。また、単一のノズルが超高圧噴射ノズルおよび地盤改良ノズルとして兼用されてもよい。

上述した超高圧噴射ノズルおよび地盤改良ノズルは、カッターヘッド部３０が回転することによって、周方向に移動することができる。図２（ｂ）は、カッターヘッド部３０が、図２（ａ）に示した位置から時計回りに３０度回転し、それに伴い、各種ノズルも同様に３０度回転した位置に移動した状態を示している。

これらのノズルは、噴射する流体の流体源および超高圧ポンプ（図示省略）と選択的に接続可能に構成されている。本実施例では、回転軸２１の内部にこれらの流体の流通経路が形成されており、これらの経路と、流体源および超高圧ポンプとは、ホースによって選択的に接続される。ここでの選択的とは、２つ以上のノズルが同時に接続されることと、複数のノズルのうちの１つが排他的に接続されることと、が含まれる。さらに本実施例では、ホースを接続するための接続口の各々には、接続の有無を検知するための接続センサが設けられている。かかる接続センサには、機械式、光学式、電気式、磁気式など、公知の種々のセンサを使用することができる。

かかる掘進機１０は、地盤の掘削中に地中に埋設または残置された障害物に遭遇した場合に、当該障害物を地中で切断し、その切断片を取り除いて、掘削を継続することができる。具体的には、掘進機１０は、まず、障害物の位置（しいては、形状）を検出する。かかる検出は、例えば、超高圧噴射ノズル４１〜４４，５１，５２の少なくとも１つから障害物に向けて超高圧流体を噴射し、その反射音をオシロスコープ等で解析することによって行われる。障害物の位置の検出において、カッターヘッド部３０によって超高圧噴射ノズル４１〜４４，５１，５２の位置が移動されてもよく、ノズル移動機構３２，３３によって移動ノズル５１，５２の位置が移動されてもよい。

障害物の位置が検出されると、掘進機１０は、カッターヘッド部３０を回転させながら、地盤改良ノズル６１〜６５の少なくとも１つから地盤改良ジェット水を噴射して、障害物の周囲を地盤改良する。その後、掘進機１０は、カッターヘッド部３０を回転させながら、超高圧噴射ノズル４１〜４４，５１，５２の少なくとも１つから超高圧流体を噴射することにより、障害物を切断する。切断された切断片は、カッターヘッド部３０の開口部（図示省略）から掘進機１０の内部に取り込まれ、その後、排泥管２２から排出される。こうして障害物が取り除かれると、掘進機１０は、地盤の掘削を再開する。

かかる掘進機１０の切断動作は、制御装置１００によって制御される。制御装置１００は、操作員が入力する掘進機１０の動作指示を受け付けて、掘進機１０のアクチュエータに動作指令を与える操作盤であり、掘進機１０の動作を監視する監視盤としての機能も兼ね備えている。制御装置１００は、掘進機１０が備える各種アクチュエータおよびセンサと通信可能に接続されている。図１に示すように、制御装置１００は、モニタ１１０と、制御部１２０と、ユーザインタフェース１１１と、を備えている。モニタ１１０には、後述するように、各種ノズルの位置を示す画像が表示される。ユーザインタフェース１１１は、操作員が入力する掘進機１０および制御装置１００の動作指示を受け付けるように構成されている。ユーザインタフェース１１１は、例えば、ボタン、レバー、スイッチなどであってもよい。あるいは、ユーザインタフェース１１１に代えて、モニタ１１０をタッチパネル式のディスプレイで構成し、モニタ１１０がユーザインタフェースとして使用されてもよい。

制御部１２０は、ユーザインタフェース１１１を介して入力された指示に基づいて、掘進機１０の動作を制御するとともに、制御装置１００の動作を制御する。制御部１２０は、予め定められた機能のみを電子回路で実現するハードウェア回路であってもよいし、メモリに記憶されたプログラムを実行して所定の機能を実現する情報処理装置であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。かかる制御装置１００は、位置取得部１２１および表示部１２２としても機能する。

位置取得部１２１は、掘進機１０から、超高圧噴射ノズル４１〜４４，５１，５２の位置を表す位置情報を取得する。本実施例では、位置取得部１２１は、掘進機１０に設けられた回転角度センサ（図示省略）から、カッターヘッド部３０の回転角度の検出値を取得する。固定ノズル４１〜４４および地盤改良ノズル６１〜６５は、カッターヘッド部３０に対する位置が固定されているので、カッターヘッド部３０の回転軸線に対するこれらのノズルの径方向の位置は、既知である。したがって、これらのノズルの回転角度が分かれば、これらのノズルの座標値が導き出される。また、位置取得部１２１は、ノズル移動機構３２，３３に設けられた位置センサ（図示省略）から、ピストンロッドのストローク量検出値を取得する。かかるストローク量検出値と、上記の回転角度の検出値とから、移動ノズル５１，５２の座標値が導き出される。かかるノズルの位置情報の取得は、ノズルの移動量をリアルタイムで把握できるように、所定の周期で繰り返し取得される。さらに、本実施例では、位置取得部１２１は、上述した方法によって得られる障害物の位置情報についても取得する。

表示部１２２は、モニタ１１０に画像を表示するための制御を行う。具体的には、表示部１２２は、位置取得部１２１によって取得された各ノズルおよび障害物の位置情報に基づいて、各ノズルおよび障害物の位置を表示するための画像を生成し、モニタ１１０に出力する。各ノズルの位置表示は、固定ノズル４１〜４４および地盤改良ノズル６１〜６５の周方向の移動と、移動ノズル５１，５２の径方向の移動とが、リアルタイムで視覚的に把握可能な態様で行われる。また、障害物の位置表示は、障害物の位置と各ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で行われる。

図３は、モニタ１１０に表示される画面の一例を示す。この例では、カッターヘッド部３０の回転中心１８３を中心としたカッターヘッド部３０の回転軸線方向への投影領域が外縁線１８１として表示され、さらに、カッターヘッド部３０の回転角度を視覚的に把握するための角度補助線１８２が３０度ごとに表示されている。また、外縁線１８１に対する固定ノズル４１〜４４のそれぞれの相対位置を表す固定ノズル位置マーク１４１〜１４４と、外縁線１８１に対する移動ノズル５１，５２のそれぞれの位置を表す移動ノズル位置マーク１５１，１５２と、外縁線１８１に対する地盤改良ノズル６１〜６５のそれぞれの相対位置を表す地盤改良ノズル位置マーク１６１〜１６５が、各ノズルの現在の位置に対応して表示されている。さらに、外縁線１８１に対する障害物の相対位置が、障害物範囲１９５として表示されている。図３の例では、障害物範囲１９５は、鋼矢板の存在範囲を示している。

また、本実施例では、制御装置１００によって、上述した接続センサの検知結果が取得され、流体源および超高圧ポンプと接続された（すなわち、使用可能な状態にある）ノズルと、流体源および超高圧ポンプと接続されていない（すなわち、使用可能な状態にない）ノズルと、を識別可能な態様で各位置マークが表示される。例えば、使用可能な状態にあるノズルと、使用可能な状態にないノズルとは、相互に異なる色で表示されてもよいし、あるいは、点灯と点滅とで表示されてもよい。図３（ａ）では、各ノズルのうちの移動ノズル５１のみが使用可能な状態にあり、移動ノズル位置マーク１５１が他の位置マークとは異なる色で表示されている状態を示している。

掘進機１０の動作は、上述した制御装置１００を使用して、例えば、以下のようにして操作され得る。まず、モニタ１１０に表示された障害物範囲１９５に基づいて、操作員は、切断計画図を作成する。この切断計画図は、例えば、操作員が、キャドソフトなどで切断予定ライン１７４を作成し、透明シート１７０上に印刷することによって用意される。この場合、切断計画図は、モニタ１１０に表示される外縁線１８１と同一の尺度で作成される。図３（ａ）の例では、記入された切断予定ライン１７４は、周方向ライン１７１と、径方向ライン１７２と、縦方向ライン１７３と、を有している。次に、操作員は、透明シート１７０の切断予定ライン１７４が、モニタ１１０上の障害物範囲１９５の表示範囲と重畳するように、切断計画図が印刷された透明シート１７０をモニタ１１０と重畳させる。なお、この際の位置合わせを正確に行うために、透明シート１７０に基準マークが印刷されていてもよい。さらに、モニタ１１０にも基準マークが表示されてもよい。

次に、操作員は、モニタ１１０に透明シート１７０を重畳した状態で、ユーザインタフェース１１１を操作して、使用可能な状態にあるノズル（ここでは、移動ノズル５１）に対応する位置マーク（ここでは、移動ノズル位置マーク１５１）がほぼ切断予定ライン１７４上を移動するように、カッターヘッド部３０の回転および移動ノズル５１，５２の線形移動を制御し、同時に、使用可能な状態にあるノズルから超高圧流体を噴射するための操作を行う。図３（ａ）では、移動ノズル位置マーク１５１が概ね周方向ライン１７１上を移動するように切断が行われている状態を示している。この場合、移動ノズル位置マーク１５１が周方向ライン１７１上に位置するまで移動ノズル５１が移動され、その後、移動ノズル位置マーク１５１が周方向ライン１７１上を所望の範囲移動する間、移動ノズル５１の周方向の移動、すなわち、カッターヘッド部３０の回転と、移動ノズル５１からの超高圧流体の噴射とが指示される。

一方、図３（ｂ）では、移動ノズル位置マーク１５１が概ね縦方向ライン１７３上を移動するように切断が行われている状態を示している。この場合、操作員は、僅かな距離だけカッターヘッド部３０を回転させるための操作と、僅かな距離だけ移動ノズル５１を線形移動させる操作と、を交互に繰り返すことによって、移動ノズル位置マーク１５１の軌跡が縦方向ライン１７３から大きく外れないように掘進機１０の操作を行う。代替の方法として、操作員は、カッターヘッド部３０の回転と、移動ノズル５１の線形移動とが同時に行われ、かつ、移動ノズル位置マーク１５１の軌跡が縦方向ライン１７３から大きく外れないように、掘進機１０の操作を行ってもよい。詳しい説明は省略するが、同様の手法によって、操作員は、移動ノズル５１，５２の可動範囲内（例えば、移動ノズル５１の場合、外縁線１８１よりも若干大きな円の内側の領域内）で、任意の方向（例えば、横方向）および位置に移動ノズル５１，５２を精度良く移動させることができる。

上述した掘進機システム５によれば、掘進機システム５の操作員は、モニタ１１０の表示によって、移動ノズル５１，５２の移動位置をリアルタイムで視覚的に容易に把握できる。したがって、モニタ１１０の表示を見ながら、移動ノズル５１，５２を任意の所望の方向および位置に精度良く移動させることができる。その結果、障害物の自由度の高い切断を行うことができる。

また、掘進機システム５によれば、使用可能な状態にあるノズルが識別可能にモニタ１１０に表示されるので、各ノズル４１〜４４，５１，５２，６１〜６５と流体源との接続ミスや、移動操作すべきノズルの把握ミスが生じたとしても、操作員は、そのことを容易に気付くことができる。したがって、ミスが生じた状態で掘進機１０が切断動作を行うことが抑制され、切断作業の信頼性が向上する。

また、掘進機システム５によれば、モニタ１１０の表示によって、障害物と移動ノズル５１，５２との相対位置を視覚的に容易に把握できる。したがって、障害物をより正確に所望の形状および大きさに切断できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ−１．変形例１：
モニタ１１０には、固定ノズル位置マーク１４１〜１４４、移動ノズル位置マーク１５１，１５２および地盤改良ノズル位置マーク１６１〜１６５のうちの移動ノズル位置マーク１５１，１５２のみが表示されてもよいし、固定ノズル位置マーク１４１〜１４４および移動ノズル位置マーク１５１，１５２のみが表示されてもよい。

Ｂ−２．変形例２：
モニタ１１０には、使用可能な状態にあるノズルと、使用可能な状態にないノズルと、のうちの使用可能な状態にあるノズルに対応する位置マークのみが表示されてもよい。

Ｂ−３．変形例３：
切断計画図は、透明シート１７０に記入することに代えて、操作員がユーザインタフェース１１１などを用いて制御装置１００に入力してもよい。この場合、制御装置１００は、入力された切断予定ライン１７４を、図３に示した各種表示と重畳してモニタ１１０に表示させてもよい。こうすれば、操作員の利便性が向上する。

Ｂ−４．変形例４：
モニタ１１０には、上述した表示内容と同時に、掘進機１０の動作に関連する各種情報が表示されてもよい。かかる情報は、例えば、移動ノズル５１，５２の径方向のストローク量、カッターヘッド部３０の回転速度、掘進機１０が地盤から受ける土圧、作動油圧値などであってもよい。かかる構成によれば、掘進機１０の運転管理がいっそう行いやすくなる。

Ｂ−５．変形例５：
上述した制御装置１００の構成は、掘進機１０の自動運転システムにも応用可能である。すなわち、操作員が手動操作によってカッターヘッド部３０の回転および移動ノズル５１，５２の移動指令を制御装置１００に入力することに代えて、制御装置１００が、入力された切断計画に基づいてカッターヘッド部３０の回転および移動ノズル５１，５２の移動を自動制御し、各種ノズルの移動状況をモニタ１１０に表示してもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

５…掘進機システム
１０…掘進機
２０…本体部
２１…回転軸
２２…排泥管
２３…駆動モータ
３０…カッターヘッド部
３１…カッタービット
３２，３３…ノズル移動機構
４１〜４４…超高圧噴射ノズル（固定ノズル）
５１，５２…超高圧噴射ノズル（移動ノズル）
６１〜６５…地盤改良ノズル
９０…推進管
１００…制御装置
１１０…モニタ
１１１…ユーザインタフェース
１２０…制御部
１２１…位置取得部
１２２…表示部
１４１〜１４４…固定ノズル位置マーク
１５１，１５２…移動ノズル位置マーク
１６１〜１６５…地盤改良ノズル位置マーク
１７０…透明シート
１７１…周方向ライン
１７２…径方向ライン
１７３…縦方向ライン
１７４…切断予定ライン
１８１…外縁線
１８２…角度補助線
１８３…回転中心
１９５…障害物範囲

Claims (4)

1. 回転可能なカッターヘッド部に設けられるとともに径方向に移動可能に構成された超高圧噴射ノズルを備えた掘進機の動作を制御するための制御装置であって、
   前記超高圧噴射ノズルの位置情報を取得するように構成された位置取得部と、
   前記取得される位置情報に基づいて、前記超高圧噴射ノズルの前記径方向の移動と、前記カッターヘッド部の回転に伴う前記超高圧噴射ノズルの周方向の移動と、が視覚的に把握可能な態様で、前記超高圧噴射ノズルの位置を表示するように構成された表示部と
   を備える制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記超高圧噴射ノズルは複数であり、
   前記表示部は、前記複数の超高圧噴射ノズルのうちの、使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルのみを表示するか、または、前記使用可能な状態にある超高圧噴射ノズルと、使用可能な状態にない超高圧噴射ノズルと、を識別可能に表示するように構成された
   制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の掘進機であって、
   前記位置取得部は、さらに、前記超高圧噴射ノズルからの超高圧流体の噴射によって切断すべき障害物の位置情報を取得するように構成され、
   前記表示部は、さらに、前記取得される前記障害物の位置情報に基づいて、前記障害物と前記超高圧噴射ノズルとの相対位置を視覚的に把握可能な態様で、前記障害物の位置を表示するように構成された
   制御装置。
4. 掘進機システムであって、
   前記掘進機と、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の制御装置と
   を備えた掘進機システム。

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