JP6239356B2 - トンネル掘削装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
この掘削機は、左右のグリッパをトンネル左右側壁に対して押し付けた状態で、カッタヘッドを回転させながら切羽に押し付けて、トンネルを掘削していく。
例えば、特許文献1には、自由度の数を超えるジャッキを備える冗長パラレルリンク機構において、制御機器の数を減らしても適切な制御を実施することが可能な冗長パラレルリンクの制御方法および制御装置について開示されている。
すなわち、上記公報に開示されたトンネル掘削装置を、例えば、坑道掘削に用いる場合には、通常のトンネル掘削に比べて、曲率半径Rが小さくかつ三次元の曲線掘削を行う必要がある。
ここでは、制御部が、前胴部の受ける外力を、検出されたスラストジャッキのストローク量と受けている荷重とから演算する。そして、演算された外力から、各スラストジャッキが受けるべき荷重を演算し、目標分配力とする。
第3の発明に係るトンネル掘削装置は、第1または第2の発明に係るトンネル掘削装置であって、力センサは、(6+n)基のスラストジャッキに設けられており、ストロークセンサは、6基のスラストジャッキに設けられている。
これにより、必要最小限のセンサを用いて、上述したストローク制御と力制御とを実施することができる。
ここでは、(6+n)基のスラストジャッキのピストンロッド側、シリンダチューブ側の端部を、互いに対向する前胴部・後胴部の対向面における外周部分に沿って略円周状に配置している。
第5の発明に係るトンネル掘削装置は、第1から第4の発明のいずれか1つに係るトンネル掘削装置であって、制御部は、3次元方向において前胴部の姿勢を制御するように、それぞれのスラストジャッキを制御する。
ここでは、後胴部に対する前胴部の向き・姿勢が3次元方向(上・下・左・右方向)において調整可能となるように、パラレルリンク機構に含まれる複数のスラストジャッキを制御する。
第6の発明に係るトンネル掘削装置は、第1から第5の発明のいずれか1つに係るトンネル掘削装置であって、オペレータから前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付ける入力部を、さらに備えている。入力部に対してオペレータからの操作入力が受け付けられると、制御部は、操作入力の内容に基づいて設定された所望のRに沿って掘削が実施されるように、6基のスラストジャッキを制御する。
これにより、オペレータの1回の操作入力によって、所望の曲率半径Rを維持しながら滑らかな曲線に沿った掘削を実施することができる。
第7の発明に係るトンネル掘削装置は、第6の発明に係るトンネル掘削装置であって、入力部は、タッチパネル式のモニタである。
これにより、オペレータは、手動操作によって前胴部の進行方向を調整する際には、タッチパネル式のモニタを操作するだけで容易に所望の方向へ掘削を実施することができる。
ここでは、タッチパネル式のモニタにおいて、前胴部の進行方向を設定する上下左右キーと後胴部に対する前胴部の相対位置とが表示される。
第9の発明に係るトンネル掘削装置の制御方法は、掘削側表面に複数のカッタを有する前胴部と、前胴部の後方に配置されており掘削を行う際の反力を得るためのグリッパを有する後胴部と、前胴部と後胴部とを連結するとともに後胴部に対する前胴部の位置を変更する(6+n)基のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、以下のようなステップを備えている。スラストジャッキが受ける荷重を検出するステップ。スラストジャッキのストローク量を検出するステップ。スラストジャッキが受ける荷重およびストローク量の検出結果に基づいて、前胴部が受ける外力を算出するステップ。その外力に基づいて、(6+n)基のスラストジャッキが分担する目標分配力を算出するステップ。6基のスラストジャッキにおいてストローク制御を、n基のスラストジャッキにおいて目標分配力による力制御を実施するように、スラストジャッキを制御するステップ。
なお、本実施形態において登場する掘削機(トンネル掘削装置)10(図1等)は、坑道掘削(図8参照)等に用いられる掘削装置であって、TBM(トンネルボーリングマシン)のうち、いわゆるグリッパTBM、ハードロックTBMと呼ばれるものである。また、本実施形態では、掘削機10によって掘削されるトンネル(第1トンネルT1)は、断面が略円形のトンネル(第1トンネルT1(図2参照))である。なお、本実施形態に係る掘削機10によって掘削されるトンネルの断面形状は、円形に限らず、楕円形、複円形、馬蹄形などであってもよい。
本実施形態では、図1に示す掘削機10を用いて、第1トンネルT1(図2等参照)の掘削を行う。なお、本実施形態で説明する掘削機10は、グリッパ13aによって後方支持された状態でカッタヘッド12を回転させて掘削を行う一般的な構成を備えた掘削機である。
前胴部11は、図1に示すように、カッタヘッド12とパラレルリンク機構14との間に配置されており、掘削側先端に設けられたカッタヘッド12とともに掘削機10の前部を構成する。また、前胴部11は、後述するパラレルリンク機構14に含まれる複数のスラストジャッキ14a〜14hのいずれかを用いて、後胴部13に対する位置・姿勢を変化させる。また、前胴部11は、図2に示すように、その外周面からトンネルT1の側壁T1aに対して突出して押し付けられるグリッパ11aを有している。これにより、例えば、掘削機10を後退させる際等に、前胴部11をトンネルT1内において支持しながらパラレルリンク機構14を伸びる方向に駆動させることで、後胴部13を後退させることができる。
グリッパ13aは、図2に示すように、後胴部13の外周面から径方向外側に向かって突出することで、掘削中の第1トンネルT1の側壁T1aに対して押し付けられる。これにより、掘削機10を第1トンネルT1内において支持することができる。
スラストジャッキ14a〜14hの制御には、ストローク制御と力制御とがある。ストローク制御では、スラストジャッキのストローク量を指示すると、コントローラ20は、スラストジャッキをそのストローク量まで伸縮させ、そのストローク量でて停止するように制御する。力制御では、ジャッキが受ける荷重値を指示すると、コントローラは、スラストジャッキが受ける荷重がその荷重値より小さい間はストローク量を大きくし、荷重が荷重値と等しくなると、その状態を維持するようにストローク量を制御する。
そして、8基のスラストジャッキ14a〜14hは、ストロークセンサ16a〜16fおよび圧力センサ17a〜17hにおける検出結果に基づいて、後述するジャッキ制御部26によって制御される。
ストロークセンサ16a〜16fは、図5(a)に示すように、8基のスラストジャッキ14a〜14hのうち、ストローク制御の対象となる6基のスラストジャッキ14a〜14fに取り付けられている。なお、上述したように、ストロークセンサは、ストローク制御の対象とならない2基のスラストジャッキ14g,14hには取り付けられていない。
圧力センサ17a〜17h(ヘッド側センサ17aa〜17fa、ボトム側センサ17ab〜17fbおよびヘッド側センサ17ga,17ha、ボトム側センサ17gb,17hb)は、図5(a)および図5(b)に示すように、8基全てのスラストジャッキ14a〜14hに取り付けられている。
これにより、分配力制御の対象となる8基のスラストジャッキ14a〜14hにかかっている外力を検出することができる。
本実施形態の掘削機10は、図4に示すように、内部に、入力部21と、ジャッキ圧力取得部22と、ストローク量取得部23と、前胴位置・姿勢演算部24と、目標分配力演算部25と、ジャッキ制御部26と、を含む制御ブロックが構成される。
入力部21は、後述するタッチパネル式のモニタ表示画面50(図6参照)を介して、オペレータからの操作入力を受け付ける。具体的には、前胴部11の掘進(前進)する方向を手動操作する際に、方向入力部52の各種キー52a〜52d(図6参照)等の操作を受け付ける。オペレータは、操作入力により所望の前胴部11の位置・姿勢を設定する。設定後に伸ボタン53aを押すと、前胴部11が設定された位置・姿勢になるようにスラストジャッキ14a〜14fのストロークが制御される。
前胴位置・姿勢演算部24は、後胴部13に対する前胴部11の相対的な位置・姿勢を演算によって求める。具体的には、前胴位置・姿勢演算部24には、例えば、1日1回、3点のプリズム(図示せず)を用いて行われる外部からの測量による後胴部13の位置が入力される。ストローク量取得部23で得られた各スラストジャッキ14a〜14fのストローク量に基づいて、後胴部13に対する前胴部11の相対的な位置・姿勢が演算によって求められる。また、入力された後胴部13の測量位置と、演算された後胴部13に対する前胴部11の相対的な位置・姿勢とによって、前胴部11の位置が演算によって求められる。
すなわち、目標分配力演算部25は、前胴位置・姿勢演算部24で得られた前胴部11の位置・姿勢から、前胴部11の中心軸ローカル座標のy軸、前胴部11の断面にローカルのx軸,z軸を考え、その単位ベクトル(ex,ey,ez)を求める。
そして、ジャッキ圧力取得部22で得られた各ジャッキ14a〜14hの軸力をf1〜f8とする。
中心軸ローカル座標での前胴部11に加わる外力Fは、次式により演算できる。
F=(Fx,Fy,Fz,Mα,Mβ,Mγ)T
で示される行列である。Fx、Fy、Fzはローカル座標における各x方向、y方向、z方向の力である。Mα、Mβ、Mγは、ローカル座標における各z軸、y軸、x軸回りのモーメントである。Fは前胴部11に加わる外力を意味する。
fは、
f=(f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8)T
で示される行列である。記号f1〜f8は検知されたジャッキ14a〜14hの軸力である。
Wは変換行列であり、次の要素を持つ。
e1・ex=e1x スラストジャッキ14aが力1の時、ex方向への力成分Fx方向
e1・ey=e1y スラストジャッキ14aが力1の時、ey方向への力成分Fy方向
e1・ez=e1z スラストジャッキ14aが力1の時、ez方向への力成分Fz方向
e1xy1 -e1yx1 スラストジャッキ14aが力1の時、z軸回りのモーメントとして作用する成分Mα(=F4)方向
e1xz1 -e1zx1 スラストジャッキ14aが力1の時、y軸回りのモーメントとして作用する成分Mβ(=F5)方向
e1zy1 -e1yz1 スラストジャッキ14aが力1の時、x軸回りのモーメントとして作用する成分Mγ(=F6)方向
を示す。
例えば、8基のジャッキ構成では、6基のジャッキのストローク長により前胴部11の位置・姿勢が決定され、残り2基のジャッキがその位置・姿勢に対応するストローク長より短いストローク長であり得る。この場合、前胴部11に加わる外力が存在するにもかかわらず、残り2基のジャッキで検知される軸力はゼロである。
変換行列Wは正則ではないので、目標分配力は一般逆行列を用いて算出する。一般逆行列としては疑似逆行列(ムーア・ペンローズ逆行列)を用いる。つまり、F=Wfより、W+F=f'となる疑似逆行列W+(8×6行列)を求め、最少二乗解となる目標分配力f'(8×1行列)を得る。これにより、最小のノルムで目標分配力を演算することができる。
ジャッキ制御部26は、目標分配力演算部25において演算によって求められた8基のスラストジャッキ14a〜14hの目標分配力の中のジャッキ14g,14hの目標分配力に基づいて、パラレルリンク機構14に含まれる各スラストジャッキ14g,14hに掛かる力を制御するとともに、他の6基のスラストジャッキ14a〜14fのストローク量制御を行う。2基のスラストジャッキ14g,14hを上記演算で得られる目標分配力で力制御することにより、他のスラストジャッキ14a〜14fが外力から受ける荷重は、上記演算で得られる目標分配力と同じ、あるいはほぼ同じとなる。
本実施形態の掘削機10は、オペレータからの操作入力を受け付ける入力部21として、図6に示すように、タッチパネル式のモニタ表示画面50を用いている。本実施形態では、掘進目標装置を入力するインターフェースとして、モニタ表示画面50を介して、上下方向、左右方向、前進位置の3点を入力することができる。
掘進・後退設定部51は、掘削機10の移動方向(前進・後退)を切り替えるスイッチであって、掘進ボタン51aと、後退ボタン51bとを有している。
掘進ボタン51aは、掘削機10を前進させる際に押下される。そして、掘進ボタン51aが押下されると、掘削機10が前進するように、カッタヘッド12、後胴部13のグリッパ13aおよびパラレルリンク機構14の制御が行われる。
方向入力部52は、目標位置に向かって掘進中にずれが生じた場合にオペレータによって操作され、複数の方向ボタン(上ボタン52a、下ボタン52b、右ボタン52c、左ボタン52d)を有している。
ジャッキ操作部53は、パラレルリンク機構14に含まれる8基のスラストジャッキ14a〜14hの動作を設定する操作入力部であって、伸ボタン53a、止ボタン53b、
縮ボタン53cを有している。
止ボタン53bは、スラストジャッキ14a〜14hの動きを停止させる際に操作される。
縮ボタン53cは、スラストジャッキ14a〜14hを縮める方向に駆動させる際に操作される。
第1表示部54aは、後胴部13の中心位置R1、中心線Rと、前胴部11の中心位置(前胴原点)F1、中心線F、姿勢Aと、掘削装置の中折れ点P1と、計画掘削線DLと、を表示する。ここで、中折れ点P1とは、後胴部13の中心線Rと前胴部11の中心線Fの交点である。図6に示す例では、前胴部11の中心位置F1が後胴部13に対し右方向にずれていることを示している。
本実施形態では、オペレータが図6に示すモニタ表示画面50に操作入力を行うことで、以下のような操作を実施することができる。
また、後退ボタン51bをON状態とし、縮ボタン53cが押下されると、後胴部13のグリッパ13aが張り出し、前胴部11のグリッパ11aが張り出さない状態で、6基のスラストジャッキ14a〜14fが縮む方向に駆動される。これにより、後胴部13の位置はそのままで、前胴部11だけを後退させることができる。
本実施形態の掘削機10の制御方法について、図7のフローチャートを用いて説明すれば以下の通りである。
すなわち、本実施形態の掘削機10では、例えば、設計図に基づいて設定された曲線(計画掘削線)に沿って自動掘削運転中に岩盤質等の変化により掘削機10に対して付与される外力が大きく変化した場合でも、以下に示す分配力制御を実行することで、上下・左右のあらゆる方向からの外力にも適切に対応することができる。
次に、ステップS13では、ステップS12において求められた各スラストジャッキ14a〜14hにおけるボトム・ヘッド圧からその圧力差が求められる。これにより、各スラストジャッキ14a〜14hに掛かっている荷重を得ることができる。
次に、ステップS15では、前胴部11の後胴部13に対する相対的な位置座標および姿勢を演算する。前胴部11の後胴部13に対する相対的な位置座標とは、掘削装置の中折れ点P1を基準とした前胴部11の位置座標を意味する。前胴部13の姿勢は、各スラストジャッキ14a〜14fのストローク量から内挿により演算される。
次に、ステップS16では、ステップS15において演算によって求められた前胴部11の相対位置座標における各スラストジャッキ14a〜14hに分配されている力成分から前胴部11が受けている外力の演算を行う。
次に、ステップS18では、ステップS17において求められた目標分配力に基づいて、8基のスラストジャッキ14a〜14hに対して適切に外力を分担して負担させるように、スラストジャッキ14g,14hの力制御を行う。
これにより、以下に示す坑道の掘削時等において曲率半径Rの小さい曲線部分を含むトンネルを掘削する際に、掘削機10に対して付与される外力の方向や大きさが変化した場合でも、8基のスラストジャッキ14a〜14hに対して効果的に外力の負担を分担させるように制御を行うことで、円滑に掘削を実施することができる。
本実施形態に係る掘削機10による掘削方法について、図8を用いて説明すれば以下の通りである。
すなわち、本実施形態では、上述した掘削機10を制御して、以下のように坑道掘削を行う。
なお、図8では、掘削機10は掘削機10のための駆動源等を備えたバックアップトレーラ31を従えて、既設のトンネルT0と第1トンネルT1へと分岐していく位置まで掘削機10を牽引車によって移動させていく状態を示している。
次に、図8に示すように、第1掘削線L1に沿って、掘削機10によって岩盤等を掘削しながら、掘削機10およびバックアップトレーラ31を移動させていく。これにより、第1トンネルT1を所望の位置に形成することができる。
なお、第1トンネルT1がトンネルT0まで到達した部分には、コーナー用反力受け部30が設置されている。
次に、これらの手順を繰り返して互いに略平行な第1トンネルT1を3本掘削する。
これにより、本実施形態の掘削機10によれば、Rが小さい曲線部を含む坑道掘削を行う際に、掘削中に掘削機10に対して付与される外力の方向や大きさが変化した場合でも、上述した掘削機10の制御方法によって、各スラストジャッキ14a〜14hに分配される分配力を適切に制御することで、円滑なトンネル掘削を実施することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
(A)
上記実施形態では、8基のスラストジャッキ14a〜14hを含むパラレルリンク機構14を備えた掘削機10を例として挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
なお、スラストジャッキの適切な基数は、掘削するトンネル径に依存する。例えば、トンネル径が10m未満の場合には、スラストジャッキの適切な基数は、7〜10基である。
上記実施形態では、ストローク制御・力制御の対象となるスラストジャッキ14a〜14fに対して、図3に示すように、力制御だけの対象となるスラストジャッキ14g,14hが互いに隣り合う位置に配置された例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
(C)
上記実施形態では、上述したように、最少二乗法の解として求められたfを用いて力制御を実施する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、j番目のスラストジャッキの目標力fpjを以下の様に求める。
(D)
上記実施形態では、オペレータの操作入力を受け付けるインターフェースとして、タッチパネル式のモニタ表示画面50を用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
(E)
上記実施形態では、モニタ表示画面50に、各種操作部(掘進・後退設定部51と、方向入力部52と、ジャッキ操作部53と、ずれ量表示部54)を配置した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
(F)
上記実施形態では、スラストジャッキ14a〜14hに加わる外力を検出するために、ジャッキのヘッド側とボトム側のそれぞれに圧力センサを設け、検出された圧力の差圧をコントローラ20で演算した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
11 前胴部
11a グリッパ
12 カッタヘッド
12a ディスクカッタ
13 後胴部
13a グリッパ
14 パラレルリンク機構
14a〜14h スラストジャッキ
15 ベルトコンベア
16a〜16f ストロークセンサ
17a〜17h 圧力センサ(力センサ)
17aa〜17ha ヘッド側センサ
17ab〜17hb ボトム側センサ
20 コントローラ
21 入力部
22 ジャッキ圧力取得部
23 ストローク量取得部
24 前胴位置・姿勢演算部
25 目標分配力演算部
26 ジャッキ制御部(制御部)
30 反力受け部
31 バックアップトレーラ
50 モニタ表示画面
51 掘進・後退設定部
51a 掘進ボタン
51b 後退ボタン
52 方向入力部
52a 上ボタン
52b 下ボタン
52c 右ボタン
52d 左ボタン
53 ジャッキ操作部
53a 伸ボタン
53b 止ボタン
53c 縮ボタン
54 前胴位置・姿勢表示部
54a 第1表示部
54b 第2表示部
C1 後胴部の中心線
C2 前胴部の中心線
L1 第1掘削線
P1 後胴部の中心位置
T0 トンネル
T1 第1トンネル
T1a 側壁
Claims (9)
- 掘削側表面に複数のカッタを有する前胴部と、
前記前胴部の後方に配置されており、掘削を行う際の反力を得るためのグリッパを有する後胴部と、
前記前胴部と前記後胴部との間で並列に配置されて前記前胴部と前記後胴部とを連結し前記後胴部に対する前記前胴部の位置と姿勢とを変更する(6+n)基のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、
前記スラストジャッキに取り付けられ、各スラストジャッキのストローク量を検出するストロークセンサと、
前記スラストジャッキに取り付けられ、前記スラストジャッキが受ける荷重を検出する力センサと、
前記ストロークセンサおよび前記力センサにおける検出結果に基づいて、(6+n)基の前記スラストジャッキに分配される目標分配力を算出するとともに、6基の前記スラストジャッキにおいてストローク制御を、他のn基の前記スラストジャッキにおいて前記分配力による力制御を実施する制御部と、
を備えているトンネル掘削装置。
(ただし、n=1,2,3,4,5,・・・・) - 前記制御部は、前記6基のスラストジャッキの前記ストローク量より前記前胴部の前記後胴部に対する相対的な位置・姿勢と、前記力センサによって検出される前記(6+n)基のスラストジャッキが受けている前記荷重とに基づいて、前記前胴部が受ける外力を演算し、その外力に対抗するためのそれぞれの前記スラストジャッキの目標分配力を演算する、
請求項1に記載のトンネル掘削装置。 - 前記力センサは、(6+n)基の前記スラストジャッキに設けられており、
前記ストロークセンサは、6基の前記スラストジャッキに設けられている、
請求項1または2に記載のトンネル掘削装置。 - (6+n)基の前記スラストジャッキは、前記前胴部と前記後胴部とが互いに対向する面における外周部分に沿って略円周状に配置されている、
請求項1から3のいずれか1項に記載のトンネル掘削装置。 - 前記制御部は、3次元方向において前記前胴部の姿勢を制御するように、それぞれの前記スラストジャッキを制御する、
請求項1から4のいずれか1項に記載のトンネル掘削装置。 - オペレータから前記前胴部の進行方向に関する操作入力を受け付ける入力部を、さらに備え、
前記入力部に対してオペレータからの操作入力が受け付けられると、前記制御部は、前記操作入力の内容に基づいて設定された所望のトンネル掘削線に沿って前記後胴部に対して前記前胴部が前進するように、6基の前記スラストジャッキをストローク制御する、
請求項1から5のいずれか1項に記載のトンネル掘削装置。 - 前記入力部は、タッチパネル式のモニタである、
請求項6に記載のトンネル掘削装置。 - 前記モニタは、前記前胴部の進行方向を設定する上下左右キーと、前記後胴部に対する前記前胴部の相対位置を表示する表示部と、を有している、
請求項7に記載のトンネル掘削装置。 - 掘削側表面に複数のカッタを有する前胴部と、前記前胴部の後方に配置されており、掘削を行う際の反力を得るためのグリッパを有する後胴部と、前記前胴部と前記後胴部とを連結するとともに、前記後胴部に対する前記前胴部の位置を変更する(6+n)基のスラストジャッキを含むパラレルリンク機構と、を備えたトンネル掘削装置の制御方法であって、
前記(6+n)基のスラストジャッキが受ける荷重を検出するステップと、
前記スラストジャッキのストローク量を検出するステップと、
前記スラストジャッキが受ける荷重およびストローク量の検出結果に基づいて、前記前胴部が受ける外力を算出するステップと、
前記外力に基づいて、(6+n)基の前記スラストジャッキが分担する目標分配力を算出するステップと、
6基の前記スラストジャッキにおいてストローク制御を、他のn基の前記スラストジャッキにおいて前記目標分配力による力制御を実施するステップと、
を備えたトンネル掘削装置の制御方法。
(ただし、nは自然数)
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