JP6654504B2 - トンネル掘進機 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘進機に関する。

全断面トンネル掘進機は、地中を推進される本体と、本体の前方に配設されたカッタヘッドとを備えている。カッタヘッドは、本体の推進とともにその中心軸に対する回転の動作が、電動機または油圧アクチュエータにより可能である。岩盤やレキを掘削する場合のカッタヘッドには、複数のディスクカッタが取り付けられている。本体の推進とともに、ディスクカッタは岩盤に押し込まれる。カッタヘッドの回転動作に伴ってディスクカッタがカッタヘッドに対して回転して、岩盤を掘削する。

掘削に伴いディスクカッタの刃先が摩耗すると、掘削性能が低下する。従来、ディスクカッタの摩耗状況は、作業員の手作業により測定されているが、この作業中トンネル掘進機を停止させる必要があるため、作業効率が低下する問題があった。そこで、回転するカッタヘッドに設けられたディスクカッタの各々に、非接触式の距離センサを設け、距離センサの検出信号からディスクカッタの摩耗状況を検知する技術が提案されている（たとえば、特開２００３−８２９８６号公報（特許文献１）参照）。

特開２００３−８２９８６号公報

特許文献１に記載の技術では、回転するカッタヘッドに設けられた多数のディスクカッタのための多数のセンサが、固定された本体に設けられた制御装置と配線で接続されている。この配線には、回転側と固定側とをつなぐ連結部が必要となるが、この連結部の構造が複雑になるため、信頼性に難が生じやすい。また、ディスクカッタ個々にセンサを設ける必要もあるため、コストにも問題があった。

本発明の目的は、ディスクカッタの損耗状況を信頼性の高い構成で検知できる、トンネル掘進機を提供することである。

本発明のある局面に係るトンネル掘進機は、本体と、カッタヘッドと、複数のディスクカッタと、取得部と、判別部と、算出部とを備えている。カッタヘッドは、本体の前方に配設されている。カッタヘッドは、本体に対して回転可能である。複数のディスクカッタは、カッタヘッドに回転可能に装着されている。複数のディスクカッタは、各々、カッタリングを有している。カッタリングは、カッタヘッドの前面に露出するとともに、カッタヘッドの背面に露出している。カッタリングは、各々、刃先部を有している。取得部は、カッタリングの刃先部の位置を示す刃先位置データを取得する。取得部は、複数のディスクカッタの後方に配設されている。判別部は、取得部によって取得された刃先位置データが、複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの刃先位置データであるかを判別する。算出部は、判別部により判別されたディスクカッタの刃先位置データより、判別されたディスクカッタの刃先部の摩耗量を算出する。

本発明のある局面に係るトンネル掘進機は、本体と、カッタヘッドと、複数のディスクカッタと、取得部と、判別部とを備えている。カッタヘッドは、本体の前方に配設されている。カッタヘッドは、本体に対して回転可能である。複数のディスクカッタは、カッタヘッドに回転可能に装着されている。複数のディスクカッタは、各々、カッタリングを有している。カッタリングは、カッタヘッドの前面に露出するとともに、カッタヘッドの背面に露出している。取得部は、ディスクカッタのカッタヘッドに対する回転の有無を示す回転データを取得する。取得部は、複数のディスクカッタの後方に配設されている。判別部は、取得部によって取得された回転データが、複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの回転データであるかを判別する。

本発明のある局面に係るトンネル掘進機は、本体と、カッタヘッドと、複数のディスクカッタと、取得部と、判別部と、算出部とを備えている。カッタヘッドは、本体の前方に配設されている。カッタヘッドは、本体に対して回転可能である。複数のディスクカッタは、カッタヘッドに回転可能に装着されている。複数のディスクカッタは、各々、カッタリングを有している。カッタリングは、カッタヘッドの前面に露出するとともに、カッタヘッドの背面に露出している。カッタリングは、各々、刃先部を有している。取得部は、カッタリングの刃先部の位置を示す刃先位置データと、ディスクカッタのカッタヘッドに対する回転の有無を示す回転データとを取得する。取得部は、複数のディスクカッタの後方に配設されている。判別部は、取得部によって取得された刃先位置データと回転データとが、複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの刃先位置データと回転データであるかを判別する。算出部は、判別部により判別されたディスクカッタの刃先位置データより、判別されたディスクカッタの刃先部の摩耗量を算出する。

上記のトンネル掘進機において、本体は非回転体であり、取得部は、本体に取り付けられている。

上記のトンネル掘進機において、取得部は、ディスクカッタを撮像可能なステレオカメラを有しており、ステレオカメラによって撮像された画像データにより刃先位置データおよび／または回転データを取得する。

上記のトンネル掘進機において、ステレオカメラは、カッタヘッドの回転中にディスクカッタを撮像する。ステレオカメラは、２つ以上のディスクカッタを同時に撮像してもよい。

上記のトンネル掘進機において、取得部は、ディスクカッタを走査するレーザスキャナを有しており、レーザスキャナによる計測により刃先位置データおよび／または回転データを取得する。

上記のトンネル掘進機において、取得部は、取得部から刃先部までの距離を測定する距離測定器を有しており、距離測定器による計測により刃先位置データを取得する。

上記のトンネル掘進機は、カッタヘッド内の温度を検出する温度検出部をさらに備えており、温度検出部は、カッタヘッド内の異常昇温を検出可能である。

上記のトンネル掘進機において、複数のディスクカッタのそれぞれは、カッタリングと一体に回転するハブをさらに有している。ハブは、マーキングを有している。取得部は、マーキングの位置に基づき、回転データを取得する。

上記のトンネル掘進機は、取得部によってディスクカッタが回転していないことを示す回転データが取得された場合、警報を出力する。

上記のトンネル掘進機において、判別部は、カッタヘッドの中心から複数のディスクカッタの各々の刃先部までの距離を検出して、複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタかを判別する。

上記のトンネル掘進機において、判別部は、本体に対するカッタヘッドの回転角を検出して、複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタかを判別する。

本発明によると、ディスクカッタの損耗状況を信頼性の高い構成で検知することができる。

第一実施形態におけるトンネル掘進機の構成を概略的に示す斜視図である。 第一実施形態におけるトンネル掘進機の正面図である。 ディスクカッタの部分断面図である。 ディスクカッタの正面図である。 トンネル掘進機の内部構造を概略的に示す側面図である。 正面視したトンネル掘進機における測定装置の配置を示す模式図である。 カッタヘッド部分内部視図であり、撮像装置により撮像された画像データの一例を示す図である。 カッタヘッドへの動力伝達装置の構成を示す模式図である。 図８に示すメインベアリングの周辺を拡大して示す模式図である。 カッタヘッドの中心からディスクカッタの刃先部までの距離を示す模式図である。 刃先部の摩耗量の検出手段の一例を示す模式図である。 刃先部の摩耗量の検出手段の一例を示す模式図である。 刃先部の偏摩耗の検出の例を示す模式図である。 刃先部の偏摩耗の検出の例を示す模式図である。 第一実施形態における制御システムの構成を示す機能ブロック図である。 ディスクカッタの判別の例について説明するフロー図である。 ディスクカッタの判別の例について説明するフロー図である。 点検モードにおける摩耗量測定について説明するフロー図である。 通常モードにおける摩耗量測定について説明するフロー図である。 第二実施形態における、正面視したトンネル掘進機の内部構造を概略的に示す模式図である。 第三実施形態における、レーザスキャナによるカッタヘッドの走査状況を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
まず、本発明の思想を容易に適用可能なトンネル掘進機の構成について説明する。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態におけるトンネル掘進機１の構成を概略的に示す斜視図である。図１に示すように、トンネル掘進機１は、本体１０と、地中を掘削するカッタヘッド３０とを備えている。

本体１０は、ルーフサポート１１と、サイドサポート１２と、バーチカルサポート１４と、メインビーム１５とを有している。メインビーム１５は、トンネル掘進機１の掘進方向である前後方向に延びている。ルーフサポート１１は、メインビーム１５の上方に配置されている。サイドサポート１２は、メインビーム１５の側方に配置されている。バーチカルサポート１４は、メインビーム１５の下方に配置されている。ルーフサポート１１、サイドサポート１２およびバーチカルサポート１４によって取り囲まれた空間内に、メインビーム１５の前端が配置されている。

本体１０はまた、グリッパシュー１６と、グリッパキャリア１７と、スラストジャッキ１８と、リアサポート１９とを有している。グリッパキャリア１７は、ルーフサポート１１、サイドサポート１２およびバーチカルサポート１４の後方に設けられており、メインビーム１５に沿って摺動可能である。

グリッパシュー１６は、グリッパキャリア１７の両側に各１個、計２個設けられている。グリッパシュー１６は、グリッパキャリア１７に保持された図示しないグリッパジャッキの伸縮動作により、トンネルの側壁に押し付け可能に構成されている。スラストジャッキ１８の一端は、メインビーム１５に取り付けられている。スラストジャッキ１８の他端は、グリッパシュー１６に取り付けられている。スラストジャッキ１８は、前後方向に伸縮自在に構成されている。スラストジャッキ１８の伸縮により、グリッパキャリア１７がメインビーム１５に沿って摺動するように構成されている。

リアサポート１９は、メインビーム１５の後端部においてメインビーム１５を支持している。リアサポート１９は、リアサポートシリンダの伸縮動作により、トンネルの底面に接触可能に設けられている。

カッタヘッド３０は、本体１０の前方に配設されており、本体１０に対して回転可能、かつ本体１０と一体で前後方向に移動可能に支持されている。カッタヘッド３０には、複数のディスクカッタ４０が装着されている。ディスクカッタ４０は、カッタヘッド３０に対して回転可能に支持されている。本体１０およびカッタヘッド３０の前方向への動作によりディスクカッタ４０がトンネルの掘進方向における掘削面に押し当てられ、カッタヘッド３０の回転に伴ってディスクカッタ４０が回転して岩石を破砕し、掘削面を掘削する。掘削で生じる掘削ずりは、スクレーパバケット３２によって掬い込まれて、図１には図示しないベルトコンベアによって後方へ搬出される。

図２は、第一実施形態におけるトンネル掘進機１の正面図である。図２に示すように、本実施形態のカッタヘッド３０には、３２個のディスクカッタ４０が装着されている。

図２では、３２個のディスクカッタ４０のうちの３個のディスクカッタ４０に、ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３の番号を付している。番号が付された３個のディスクカッタ４０が並ぶ方向において、３個のディスクカッタ４０のうち、ＤＣ１のディスクカッタ４０はカッタヘッド３０の中心に最も近く配置されており、ＤＣ３のディスクカッタ４０はカッタヘッド３０の中心から最も離れて配置されている。

カッタヘッド３０の周縁部に、６個のスクレーパバケット３２が設けられている。スクレーパバケット３２によって掻き集められる掘削ずりを機内に取り込むための６個の取込口３３が、スクレーパバケット３２に隣り合わせて形成されている。カッタヘッド３０は図２中の反時計回り方向に回転し、スクレーパバケット３２は取込口３３に対してカッタヘッド３０の回転方向の後方側に配置されている。

図３は、ディスクカッタ４０の部分断面図である。図４は、ディスクカッタ４０の正面図である。なお図４には、図３中に示す矢印ＩＶ方向から見たディスクカッタ４０が図示されている。ディスクカッタ４０は、ほぼ円筒状に形成されるハブ４２と、ハブ４２の中央部外周面に取り付けられるカッタリング４１とを有している。

カッタヘッド３０は、ディスクカッタ４０を収容する収容空間３７を内部に形成する中空円筒状の収容部３９と、ディスクカッタ４０を固定する固定部３８とを有している。固定部３８に、ボルトなどの固定部材４７を用いて、一対のリテーナ４３が固定されている。一対のリテーナ４３によって、図示しない固定軸が支持されている。カッタリング４１とハブ４２とは、図示しない軸受を介して、固定軸に対して回転可能に支持されている。ハブ４２は、カッタリング４１と一体に回転可能に構成されている。カッタリング４１は、ハブ４２にはめ込まれている。

カッタリング４１は、刃先部４４を有している。カッタリング４１は、ディスクカッタ４０において、トンネルの掘削面に押し当てられて掘削面を掘削するための部材である。カッタリング４１は、カッタヘッド３０に回転可能に装着されている。刃先部４４は、図３に示すように、カッタヘッド３０の収容部３９から図中上下方向の両方に突出している。刃先部４４は、カッタヘッド３０に対して前方に突出し、かつ、カッタヘッド３０に対して後方に突出している。刃先部４４は、カッタヘッド３０の前面に露出するとともに、カッタヘッド３０の背面に露出している。

ハブ４２には、マーキング４９が形成されている。マーキング４９は、たとえば、ハブ４２の表面が溝状に窪んだスリット、または、ハブ４２の表面が畝状に突起した突条である。スリットの内部に、特殊な蛍光剤が塗布されてもよい。マーキング４９は、ハブ４２の回転の周方向の１個以上の箇所に、形成されている。マーキング４９は、カッタリング４１をはさんでハブ４２の両側に形成されていてもよい。

図５は、トンネル掘進機１の内部構造を概略的に示す側面図である。図５に示すように、トンネル掘進機１の本体１０は、ベルトコンベア２０と、ホッパシュート２１と、カッタヘッドサポート２２と、メインベアリング２３と、エレクタ２４と、カッタヘッド駆動モータ２５と、測定装置５０とをさらに有している。

メインビーム１５は、中空状に形成されている。ベルトコンベア２０は、メインビーム１５の内部に配設されている。ベルトコンベア２０は、ディスクカッタ４０により掘削された掘削ずりを後方へ搬送するための装置である。ホッパシュート２１は、ベルトコンベア２０の前端の上方に設けられている。ホッパシュート２１は、スクレーパバケット３２によって掻き集められた掘削ずりを受けてベルトコンベア２０上へ導くための装置である。

カッタヘッドサポート２２は、メインビーム１５の前端に固定されている。カッタヘッド３０は、メインベアリング２３を介して、カッタヘッドサポート２２により回転自在に支持されている。エレクタ２４は、カッタヘッドサポート２２に対して後方側に配置されている。カッタヘッド駆動モータ２５は、カッタヘッドサポート２２に取り付けられている。

測定装置５０もまた、カッタヘッドサポート２２に取り付けられている。測定装置５０は、トンネル掘進機１の本体１０に取り付けられている。測定装置５０は、カッタヘッド３０の後方に配設されている。測定装置５０は、複数のディスクカッタ４０の後方に配設されている。測定装置５０は、ホッパシュート２１に対して、後方に配設されている。測定装置５０は、ディスクカッタ４０を、後方から測定可能である。測定装置５０は、ディスクカッタ４０のデータを取得するデータ取得部としての機能を有することも可能である。測定装置５０として撮像装置を用いる場合は、測定装置５０はカッタヘッド３０の一部も測定する。測定装置５０として撮像装置を用いる場合は、撮像装置は、カッタヘッド３０の一部と複数のディスクカッタ４０のうちの２つ以上のディスクカッタ４０とを、後方から撮像可能である。

図６は、正面視したトンネル掘進機１における測定装置５０としてステレオカメラを用いた場合の配置を示す模式図である。図６では、図２に図示したカッタヘッド３０と３２個のディスクカッタ４０とが破線で示され、ベルトコンベア２０、ホッパシュート２１および測定装置５０が実線で示されている。以下では、測定装置として、ステレオカメラである撮像装置を用いた場合の例を示す。

測定装置５０（撮像装置）は、第１の撮像部５３と、第２の撮像部５４とを有している。第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とは、互いに同期がとられており、ステレオカメラを構成している。第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とは、同じ高さに配置されている。第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とは、左右方向に並んで配置されている。第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とは、同じ装置である。

各々の撮像部は、光学処理部と、受光処理部と、画像処理部とを備えている。光学処理部は、集光のためのレンズを有している。撮像部の光軸は、レンズ面中央を通り、レンズ面に垂直な軸である。受光処理部は、撮像素子を有している。撮像素子は、たとえばＣＭＯＳである。撮像素子は、受光面を有している。受光面は、撮像部の光軸に直交する面である。受光面は、平坦な矩形状である。

カッタヘッド３０は、カッタヘッド駆動モータ２５（図５）から駆動力を受けて回転する。図６中に示す矢印は、カッタヘッド３０の回転方向Ｒを示している。図６に示す掘削面より見るカッタヘッド３０は、反時計回り方向に回転可能である。撮像装置は、ホッパシュート２１に対して、カッタヘッド３０の回転方向Ｒにおける前方側に配置されている。

ディスクカッタ４０で掘削されスクレーパバケット３２によって掻き集められる掘削ずりは、対応するスクレーパバケット３２がホッパシュート２１の上方に移動すると、ホッパシュート２１へ向けて落下する。撮像装置がホッパシュート２１に対してカッタヘッド３０の回転方向Ｒにおける前方側に配置されていることにより、ホッパシュート２１へ落下する掘削ずりが撮像装置によるカッタヘッド３０の撮像の妨げとなることを抑制できる構成とされている。

図７は、カッタヘッド部分内部視図であり、撮像装置により撮像された画像データの一例を示す図である。図７に示す画像データには、ホッパシュート２１の一部と、カッタヘッド３０の一部と、２つ以上のディスクカッタ４０とが含まれている。撮像装置は、ディスクカッタ４０の後方に配設されて、後方からディスクカッタ４０を撮像する。ディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４は、カッタヘッド３０の背面に露出している。そのため、撮像装置により撮像された画像データには、複数のディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４が含まれている。

撮像装置が撮像する画像データには、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４の位置を示す刃先位置データが含まれている。撮像装置は、複数のディスクカッタ４０のうちの２つ以上のディスクカッタ４０の刃先位置データを取得する取得部としての機能を有している。

掘削面を掘削するとき、ディスクカッタ４０は回転し、カッタヘッド３０に対して相対位置変化する。撮像装置が撮像する画像データには、ディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する相対回転の有無を示す回転データが含まれている。撮像装置は、複数のディスクカッタ４０のうちの２つ以上のディスクカッタ４０の回転データを取得する取得部としての機能を有している。

時間をあけて撮像した複数の画像データを比較することにより、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４の位置の変化を検出することができる。また、時間をあけて撮像した複数の画像データを比較することにより、ディスクカッタ４０がカッタヘッド３０に対して相対回転しているか否かを検出することができる。

撮像装置を用いてディスクカッタ４０の刃先位置データおよび／または回転データを適切に取得するためには、同じディスクカッタ４０について時間をあけて撮像された複数の画像データを比較する必要がある。そのために、撮像装置により撮像されたディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのどのディスクカッタ４０であるのかを判別する必要がある。以下、ディスクカッタ４０の判別について説明する。

図８は、カッタヘッド３０への動力伝達装置の構成を示す模式図である。図８中の一点鎖線は、カッタヘッド３０の中心、またはトンネル掘進機１の中心を示す中心線Ｃを示している（図５も併せて参照）。

図５にも示すカッタヘッド駆動モータ２５は、減速機２６の入力側に連結されている。減速機２６の出力側は、ピニオン２７に連結されている。ピニオン２７は、ギヤ２８と噛み合っている。ギヤ２８は、メインベアリング２３のインナリングとして回転可能に支持されている。ギヤ２８は、カッタヘッド３０と結合している。

カッタヘッド駆動モータ２５の回転は、減速機２６およびピニオン２７を経由して、ギヤ２８に伝達される。ギヤ２８が中心線Ｃを回転中心として回転することにより、ギヤ２８と一体にカッタヘッド３０が回転する。このようにして、カッタヘッド３０を一定方向（図６に示す回転方向Ｒ）に回転することができる。カッタヘッド駆動モータ２５は、たとえば電動モータとすることができる。

図９は、図８に示すメインベアリング２３の周辺を拡大して示す模式図である。メインベアリング２３は、ころに代表される回転体を複数有している。メインベアリング２３の取り付けられているハウジングに、近接センサ５１と、近接センサ５２とが取り付けられている。ギヤ２８には、ギヤ２８の表面の一部が突起した突起２９が形成されている。突起２９は、ギヤ２８の回転方向の一箇所に形成されている。近接センサ５１は、突起２９と向き合って配置されている。近接センサ５２は、ピニオン２７と噛み合うギヤ２８の歯と向き合って配置されている。

近接センサ５１は、突起２９を検出する。近接センサ５２は、ギヤ２８の歯を検出する。回転するギヤ２８の歯の通過数を近接センサ５２で検出して、３６０°回転分のギヤ２８の歯数に対するギヤ２８の歯の通過数を算出することにより、カッタヘッド３０の回転角度を求めることができる。近接センサ５１が突起２９を検出するときのカッタヘッド３０の位置を基準位置（角度０°）として、カッタヘッド３０の角度を規定することができる。近接センサ５１が突起２９を検出する度に角度をリセットすれば、カッタヘッド３０の回転角度に対する誤差が累積して大きくなることを回避することができる。

カッタヘッド３０の現在の回転角度を認識し、予め入力された各々のディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する取付位置とカッタヘッド３０の回転角度とに基づいて、撮像装置により撮像された画像データ中の各々のディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別することができる。

カッタヘッド３０の回転角度を検出するための手段として、上述した近接センサ５１，５２のほか、ピニオン２７、ギヤ２８またはカッタヘッド３０に取り付けられたロータリエンコーダが用いられてもよい。

図１０は、カッタヘッド３０の中心からディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４までの距離を示す模式図である。図１０に示す、ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３の３個のディスクカッタ４０（図２も併せて参照）のうち、ＤＣ１のディスクカッタ４０の刃先部４４は中心線Ｃに最も近い位置にあり、ＤＣ３のディスクカッタ４０の刃先部４４は中心線Ｃから最も離れた位置にある。図１０に示す長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、中心線Ｃと、ＤＣ１，ＤＣ２，ＤＣ３の３個のディスクカッタ４０の各々の刃先部４４との間の距離を示している。

カッタヘッド３０の中心線Ｃからディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４までの距離を検出できれば、予め入力された各々の刃先部４４の中心線Ｃからの距離情報と検出された距離とを比較することにより、撮像装置により撮像された画像データ中の各々のディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別することができる。

なお、複数のディスクカッタ４０の配置に関して、カッタヘッド３０の中心線Ｃから刃先部４４までの距離が全て異なっていていてもよく、または、２つ以上のディスクカッタ４０の刃先部４４がカッタヘッド３０の中心線Ｃから等しい距離にある位置に配置されてもよい。後者の場合は、カッタヘッド３０の回転角度に基づいて、または、カッタヘッド３０の回転角度と刃先部４４から中心線Ｃまでの距離との両方に基づいて、各々のディスクカッタ４０が複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別することができる。

次に、判別された各ディスクカッタ４０のカッタリング４１の刃先部４４の摩耗量の検出について説明する。図１１は、刃先部４４の摩耗量の検出手段の一例を示す模式図である。図１１には、撮像装置と、刃先部４４の摩耗量を検出する対象のディスクカッタ４０のカッタリング４１の一部とが、模式的に図示されている。破線で示すカッタリング４１は、新品のカッタリング４１を示す。実線で示すカッタリング４１は、経時後の刃先部４４が摩耗したカッタリング４１を示す。

撮像装置の、図６に示す第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とは、各々、２次元画像を撮像する。第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とが異なる角度から同時に撮像した２次元画像をステレオマッチングすることにより、撮像対象であるカッタリング４１の刃先部４４と撮像装置との距離が算出される。より具体的には、第１の撮像部５３と第２の撮像部５４との視差に基づいて、三角測量の原理を用いて、撮像装置から刃先部４４までの距離が求められる。

掘削面を掘削することにより、刃先部４４は摩耗し、刃先部４４の位置は変動する。撮像装置は、新品のカッタリング４１の刃先部４４の位置と、経時後のカッタリング４１の刃先部４４の位置との両方を検出可能である。図１１に示すように、撮像装置から新品のカッタリング４１の刃先部４４までの距離を、Ａ_０とする。撮像装置から経時後のカッタリング４１の刃先部４４までの距離を、Ａ_ｎとする。距離Ａ_ｎと距離Ａ_０との差（Ａ_ｎ−Ａ_０）を、刃先部４４の擬似摩耗量として算出することができる。

図１２は、刃先部４４の摩耗量の検出手段の一例を示す模式図である。図１２には、図４と同様のディスクカッタ４０の正面図が示されている。カッタリング４１の刃先部４４の近傍に任意の基準点を定め、この基準点と刃先部４４との距離の変化を検出することにより、刃先部４４の摩耗量を算出してもよい。たとえば、基準点を、図１２に示すカッタヘッド３０の収容部３９の内周面３９ａ上に規定してもよい。基準点を、内周面３９ａのうち、カッタリング４１の刃先部４４に最も近い位置に規定してもよい。

刃先部４４が摩耗するに従って、内周面３９ａ上の基準点と刃先部４４との間隔が大きくなる。撮像装置が撮像した画像データより、ディスクカッタ４０の刃先部４４と基準点との距離を測位することにより、新品のカッタリング４１の刃先部４４と基準点との距離と、経時後のカッタリング４１の刃先部４４と基準点との距離とに基づいて、刃先部４４の擬似摩耗量を算出することができる。

次に、各ディスクカッタ４０の偏摩耗の検出について説明する。たとえば石の噛み込み、カッタリング４１を支持する軸受の損傷、または土砂の圧密などによって、カッタリング４１が回転しなくなることがある。カッタリング４１が回転しないと、刃先部４４のうちの一部分が掘削面に対して摺動し続けることになり、刃先部４４のうち当該一部分のみが摩耗する偏摩耗が発生する。カッタリング４１の刃先部４４は、通常は周方向に均等に摩耗するが、偏摩耗が発生した場合には直線状に摩耗するため、摩耗速度が通常の摩耗時と比べて格段に大きい。その結果、摩耗がカッタリング４１に留まらず、ハブ４２、軸受、およびカッタヘッド３０にまで摩耗が進行する可能性がある。

掘削中にカッタリング４１が回転していることを確認できれば、偏摩耗が発生していないと認識することができる。ディスクカッタ４０毎に、ハブ４２に形成されたマーキング４９の位置を認識することにより、カッタリング４１が回転しているかを判別することができる。図１３および図１４は、刃先部４４の偏摩耗の検出の例を示す模式図である。図１３には、ある時刻に正面から撮像したディスクカッタ４０が図示されており、図１４には、図１３に示すディスクカッタ４０を撮像してから一定時間が経過した後に正面から撮像したディスクカッタ４０が図示されている。図１３，１４に示すディスクカッタ４０は、撮像装置を用いて撮像することができる。

マーキング４９は、カッタヘッド３０に対するハブ４２の相対位置を示している。図１４に示すディスクカッタ４０のハブ４２に形成されているマーキング４９の位置は、図１３に示すマーキング４９の位置と異なっている。マーキング４９の位置が変化していることから、カッタリング４１が回転していると判断でき、したがってカッタリング４１の刃先部４４の偏摩耗は発生していないと認識することができる。

もし、図１４に示すマーキング４９の位置が図１３に示すマーキング４９の位置と同じであるならば、カッタリング４１が回転していない可能性があり、カッタリング４１の刃先部４４が偏摩耗している可能性があると認識することができる。撮像装置が撮像した画像データより、ディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する相対位置変化の有無を検出することにより、カッタリング４１の刃先部４４の偏摩耗の発生を検出することができる。

次に、実施形態に基づく制御システムの概要について説明する。図１５は、第一実施形態における制御システムの構成を示す機能ブロック図である。図１５中に実線で描かれた矩形内の構成は、既存のトンネル掘進機１の制御システムと同様の構成を示す。図１５中に破線で描かれた矩形内の構成は、ディスクカッタ４０の摩耗検知に関する本実施形態の特有の構成を示す。

図１５に示すように、制御システムは、ＴＢＭ（Tunnel Boring Machine）コントローラ７０と、運転操作盤６０と、掘削管理システム９０とを有している。ＴＢＭコントローラ７０は、トンネル掘進機１の全体を制御する。ＴＢＭコントローラ７０は、図９を参照して説明した、カッタヘッド３０の回転角度を算出するための近接センサ５１，５２から、検出結果を示す信号の入力を受ける。ＴＢＭコントローラ７０は、カッタヘッド角度検出部７１を有している。カッタヘッド角度検出部７１は、近接センサ５１，５２による検出結果に基づいて、カッタヘッド３０の現在の回転角度を求める。

運転操作盤６０は、オペレータにより操作される。運転操作盤６０は、トンネル掘進機１を運転するオペレータ操作を受け付ける。

掘削管理システム９０は、データ出力部９１を有している。データ出力部９１には、ディスクカッタ（ＤＣ）に関する情報が入力される。たとえば、どのディスクカッタ４０が交換されたのかを示す情報、ディスクカッタ４０の交換日、および、作業員による刃先部４４の摩耗測定結果などが入力される。

制御システムはまた、点検モードスイッチ（ＳＷ）６１を有している。点検モードスイッチ６１は、オペレータにより操作される。オペレータが点検モードスイッチ６１を操作することにより、点検モードまたは通常モードのいずれかが選択される。ＴＢＭコントローラ７０は、点検モードスイッチ６１から、いずれのモードが選択されたかを示す信号の入力を受ける。ＴＢＭコントローラ７０は、モード判別部７２を有している。モード判別部７２は、点検モードスイッチ６１からの入力に基づいて、点検モードと通常モードとのいずれのモードが選択されているのかを判別する。なお、点検モード時の摩耗検知と通常モード時の摩耗検知との詳細は、後述する。

ＴＢＭコントローラ７０はまた、制御信号司令部７３を有している。制御信号司令部７３は、図８を参照して説明したカッタヘッド駆動モータ２５に、起動、停止、モータの回転数などを指示する制御信号を出力する。制御信号司令部７３はまた、散水ユニット６２に、散水の開始、散水の停止、散水量などを指示する制御信号を出力する。散水ユニット６２は、カッタヘッド３０に対し後方に配置されており、カッタヘッド３０の背面側の空間に水を噴霧して粉塵を抑制したり、ディスクカッタ４０に水を噴射することでディスクカッタ４０に貼り付いた粘土を洗い流したりするために、使用される。

制御システムはまた、ＤＣモニタコントローラ８０と、カメラユニットとを有している。カメラユニットは、上述した撮像装置によって構成されている。ＤＣモニタコントローラ８０は、画像認識部８１と、ＤＣ判別部８２と、摩耗量演算部８３とを有している。画像認識部８１は、カメラユニットから、たとえば図７に示す画像データの入力を受ける。ＤＣ判別部８２は、画像認識部８１に入力された画像データ中に含まれるディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別する。摩耗量演算部８３は、ＤＣ判別部８２により判別されたディスクカッタ４０の刃先部４４の摩耗量を演算する。

図１６は、ＤＣ判別部８２によるディスクカッタ４０の判別の一例について説明するフロー図である。図１６に示すように、まず、カッタヘッド３０の角度を検出する（ステップＳ１１）。具体的には、図９を参照して説明したように、近接センサ５１が突起２９を検出するときのカッタヘッド３０の位置を基準位置（角度０°）とし、回転するギヤ２８の歯の通過数を近接センサ５２で検出する。ＴＢＭコントローラ７０のカッタヘッド角度検出部７１が、３６０°回転分のギヤ２８の歯数に対するギヤ２８の歯の通過数を算出することにより、カッタヘッド３０の回転角度が検出される。

次に、画像を認識する（ステップＳ１２）。図１５に示すＤＣモニタコントローラ８０の画像認識部８１は、カメラユニット（撮像装置）から入力された画像データを認識し、画像データに含まれているディスクカッタ４０を認識する。

次に、ディスクカッタ４０を判別する（ステップＳ１３）。カッタヘッド３０の現在の回転角度を認識し、予め入力された各々のディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する取付位置とカッタヘッド３０の回転角度とに基づいて、撮像装置により撮像された画像データ中の各々のディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別する。

図１７は、ＤＣ判別部８２によるディスクカッタ４０の判別の他の例について説明するフロー図である。図１７に示されるように、まず、画像を認識する（ステップＳ２１）。図１５に示すＤＣモニタコントローラ８０の画像認識部８１は、カメラユニット（撮像装置）から入力された画像データを認識し、画像データに含まれているディスクカッタ４０を認識する。

次に、カッタヘッド３０の中心線Ｃからディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離を検出する（ステップＳ２２）。画像データ撮像用の撮像装置はトンネル掘進機１の本体１０に固定されており、カッタヘッド３０が回転しても撮像装置とカッタヘッド３０の中心線Ｃとの相対位置は変化しない。そのため、画像データに含まれているディスクカッタ４０の刃先部４４の位置を検出することにより、カッタヘッド３０の中心線Ｃから刃先部４４までの距離が求められる。

次に、ディスクカッタ４０を判別する（ステップＳ２３）。図１０を参照して説明したように、カッタヘッド３０の中心線Ｃから刃先部４４までの距離と、予め入力された各々の刃先部４４の中心線Ｃからの距離情報とを比較することにより、撮像装置により撮像された画像データ中の各々のディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別する。

上記例では、カッタヘッド３０の角度と、カッタヘッド３０の中心線Ｃからディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離とにより、ディスクカッタ４０が判別される。この例に限定されるものではなく、カッタヘッド３０の角度と、基準点とディスクカッタ４０とで成す角度とにより、ディスクカッタ４０を判別してもよい。

図１８は、点検モードにおける刃先部４４の摩耗量測定について説明するフロー図である。図１５に示す点検モードスイッチ６１をオペレータが操作することにより、点検モードが選択される。掘削中でない、たとえば朝の作業開始前または夕方の作業終了後の日常点検時に、点検モードが選択される。いずれかのディスクカッタ４０を交換した際にも、点検モードが選択されて、点検が行なわれる。

図１８に示すように、まず点検開始スイッチ（ＳＷ）がＯＮされる（ステップＳ１０１）。点検開始スイッチがＯＮされると、推進せずにカッタヘッド３０が低速回転を開始する（ステップＳ１０２）。図１５に示すＴＢＭコントローラ７０は、点検モードが選択されている状態で、点検開始スイッチがＯＮされたことを示す信号の入力を受けて、カッタヘッド駆動モータ２５に低速での回転を指示する制御信号を出力する。

次に、ディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離測定を開始する（ステップＳ１０３）。撮像装置でディスクカッタ４０を撮像し、図１１を参照して説明したように、撮像装置から各々のディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離を求める。または、図１２を参照して説明したように、刃先部４４の近傍に定めた基準点から刃先部４４までの距離を求める。

次に、刃先部４４までの距離測定が問題なく実施できたかどうかを判断する（ステップＳ１０４）。距離測定ができなかったと判断されれば（ステップＳ１０４においてＮＯ）、ステップＳ１０３の距離測定が再び行なわれる。数回測定しても距離測定ができない場合には、認知エラーとされる（ステップＳ１０５）。刃先部４４までの距離が測定できたと判断されれば（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、距離測定を終了する（ステップＳ１０６）。

次に、刃先部４４までの距離測定を行なったディスクカッタ４０が、新規のディスクカッタ４０（交換された直後のディスクカッタ４０）であるかを判断する（ステップＳ１０７）。ＤＣモニタコントローラ８０は、掘削管理システム９０のデータ出力部９１に入力されたディスクカッタ４０の情報を参照して、新規のディスクカッタ４０であるかどうかを判断する。

新規のディスクカッタ４０であると判断されれば（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、測定された刃先部４４までの距離を、新品のカッタリング４１の刃先部４４までの距離Ａ_０として、記憶装置に格納する（ステップＳ１０８）。新規のディスクカッタ４０でなく継続使用されているディスクカッタ４０であると判断されれば（ステップＳ１０７においてＮＯ）、測定された刃先部４４までの距離を、経時後のカッタリング４１の刃先部４４までの距離Ａ_ｎとして、記憶装置に格納する（ステップＳ１０９）。

次に、刃先部４４の擬似摩耗値を算出する（ステップＳ１１０）。刃先部４４の擬似摩耗値は、距離Ａ_ｎと距離Ａ_０との差（Ａ_ｎ−Ａ_０）として算出される。図１５に示す摩耗量演算部８３は、記憶装置に格納された距離Ａ_０と測定された距離Ａ_ｎとを用いて、（Ａ_ｎ−Ａ_０）の演算を行なって刃先部４４の擬似摩耗値を算出する。続いて、算出された擬似摩耗値が出力される（ステップＳ１１１）。

次に、算出された刃先部４４の擬似摩耗値が、限界値以内であるかどうかを判断する（ステップＳ１１２）。刃先部４４の擬似摩耗値が限界値以上であると判断されれば（ステップＳ１１２においてＮＯ）、摩耗限界警報が出力され（ステップＳ１１３）、オペレータにディスクカッタ４０の交換時期であることを通知する。

刃先部４４の擬似摩耗値が限界値以内であると判断されれば（ステップＳ１１２においてＹＥＳ）、前回計測した刃先部４４までの距離Ａ_ｎ−１との比較を行なう（ステップＳ１１４）。摩耗量演算部８３は、（Ａ_ｎ−Ａ_ｎ−１）の演算を行なって、前回計測時からの刃先部４４の摩耗量を算出する。

次に、前回計測時からの刃先部４４の擬似摩耗量の差異についての判断を行なう（ステップＳ１１５）。前回計測時からの差異が大きく規定値を超えていると判断されれば（ステップＳ１１５においてＮＯ）、異常摩耗進行警報が出力される（ステップＳ１１６）。前回計測時からの差異が規定値以内であると判断されれば（ステップＳ１１５においてＹＥＳ）、距離Ａ_ｎ−１を記憶装置に格納する（ステップＳ１１７）。そして、処理を終了する。

図１９は、通常モードにおける摩耗量測定について説明するフロー図である。図１５に示す点検モードスイッチ６１をオペレータが操作することにより、通常モードが選択される。掘削面の掘削作業が行われるときに、通常モードが選択される。

図１９に示すように、まずカッタヘッド３０が回転を開始する（ステップＳ２０１）。カッタヘッド３０が回転を開始した時点では、ディスクカッタ４０の刃先部４４は、掘削面に未だ接触していない。そのため、ディスクカッタ４０のカッタリング４１およびハブ４２は、回転していない。この状態で、撮像装置でディスクカッタ４０の撮像を行ない、ハブ４２に形成されたマーキング４９の初期位置を示す位置Ｐ_０を検知する（ステップＳ２０２）。

次に、ディスクカッタ４０の初期位置の認識が問題なく実施できたかどうかを判断する（ステップＳ２０３）。位置認識ができなかったと判断されれば（ステップＳ２０３においてＮＯ）、追加の散水が実施される（ステップＳ２０４）。図１５に示す制御信号司令部７３は、散水ユニット６２に対し、散水の実施を指示する制御信号を出力する。この散水は、カッタヘッド３０と撮像装置との間の空間の粉塵を低減したり、ディスクカッタ４０に付着している土砂を洗浄したりすることによって、ディスクカッタ４０をより鮮明に撮像できるようにすることを目的として、行なわれる。

その後、ステップＳ２０２のディスクカッタ４０の位置認識が再び行なわれる。数回測定しても位置認識ができない場合には、認知エラーとされる（ステップＳ２０５）。

ディスクカッタ４０の初期位置が認識できたと判断されれば（ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、掘削を開始する（ステップＳ２０６）。具体的には、図１に示すグリッパシュー１６をトンネルの側壁面に押し付けた状態で、スラストジャッキ１８を伸ばすことにより、カッタヘッド３０およびディスクカッタ４０を掘削面に向けて前方向へ移動させる。カッタヘッド３０を回転させながら、カッタリング４１の外周縁の刃先部４４を掘削面に接触させる。カッタリング４１がカッタヘッド３０に対して回転して、掘削面の掘削が行なわれる。

次に、マーキング４９の初期位置情報を示す位置Ｐ_０を、位置Ｐ_ｎとして記憶装置に格納する（ステップＳ２０７）。この状態で、一定時間（たとえば５分、または１０分など）掘削が継続される。一定時間掘削を継続したと判断されると（ステップＳ２０８）、ディスクカッタ４０の撮像を行ない、ハブ４２に形成されたマーキング４９の現在位置を示す位置Ｐ_ｎ＋１を検知する（ステップＳ２０９）。

次に、ディスクカッタ４０の現在位置の認識が問題なく実施できたかどうかを判断する（ステップＳ２１０）。位置認識ができなかったと判断されれば（ステップＳ２１０においてＮＯ）、追加の散水が実施される（ステップＳ２１１）。図１５に示す制御信号司令部７３は、散水ユニット６２に対し、散水の実施を指示する制御信号を出力する。その後、ステップＳ２０９のディスクカッタ４０の位置認識が再び行なわれる。数回測定しても位置認識ができない場合には、認知エラーとされる（ステップＳ２１２）。

ディスクカッタ４０の現在位置が認識できたと判断されれば（ステップＳ２１０においてＹＥＳ）、位置Ｐ_０を示す画像と位置Ｐ_ｎ＋１を示す画像との比較が行なわれ（ステップＳ２１３）、両画像においてディスクカッタ４０に形成されたマーキング４９の位置に差異があるかどうかが判断される（ステップＳ２１４）。

マーキング４９の位置に差異がないと判断されると（ステップＳ２１４においてＮＯ）、ステップＳ２０８に戻り、さらに一定時間掘削を継続した後、マーキング４９の現在位置を再度検知して、ステップＳ２１４の判断が再度行なわれる。ステップＳ２１４の判断を数回繰り返してもマーキング４９の位置に変化がなければ、偏摩耗警報が出力され（ステップＳ２１５）、オペレータにカッタリング４１が回転しておらず刃先部４４が偏摩耗している可能性があることを通知する。

マーキング４９の位置に差異があると判断されると（ステップＳ２１４においてＹＥＳ）、掘削が継続され（ステップＳ２１６）、マーキング４９の位置情報を示す位置Ｐ_ｎ＋１を位置Ｐ_ｎとして上書きする（ステップＳ２１７）。

次に、所定ストロークの掘削が終了したかどうかを判断する（ステップＳ２１８）。所定ストロークの掘削が終了していないと判断されると（ステップＳ２１８においてＮＯ）、ステップＳ２０８に戻り、一定時間掘削を継続した後、マーキング４９の現在位置を再度検知して、ステップＳ２１４の判断が再度行なわれる。

所定ストロークの掘削が終了したと判断されると（ステップＳ２１８においてＹＥＳ）、掘削を終了し、刃先部４４の摩耗量の計測も終了する（ステップＳ２１９）。なお、通常掘削時においても点検モードと同様に摩耗計測を実施してもよく、また、点検モード時に偏摩耗確認を実施してもよい。

上述した説明と一部重複する部分もあるが、本実施形態の特徴的な構成を列挙すると以下のようになる。本実施形態のトンネル掘進機１は、図５，６に示すように、撮像装置を備えている。撮像装置は、カッタヘッド３０に装着されたディスクカッタ４０の後方に配設されている。撮像装置は、図７に示すように、ディスクカッタ４０を撮像可能である。撮像装置は、図１１，１２に示すように、ディスクカッタ４０の刃先部の位置を示す刃先位置データを取得する取得部としての機能を有している。

トンネル掘進機１はさらに、図１５に示すように、ＤＣ判別部８２と、摩耗量演算部８３とを備えている。ＤＣ判別部８２は、図１６，１７に示すように、撮像装置によって撮像されたディスクカッタ４０が、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別する。ＤＣ判別部８２は、撮像装置によって取得された刃先位置データが、複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０の刃先位置データであるかを判別する。摩耗量演算部８３は、図１８に示すように、ディスクカッタ４０の刃先位置データより、ディスクカッタ４０の刃先部４４の摩耗量を算出する。摩耗量演算部８３は、判別されたディスクカッタ４０の刃先部４４の摩耗量を算出する算出部としての機能を有している。

カッタヘッド３０の現在の回転角度、および／または、カッタヘッド３０の中心線Ｃからディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離に基づいて、撮像装置が撮像したディスクカッタ４０が複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを判別できる。判別されたディスクカッタ４０について、初期（交換直後）の刃先部４４の位置と経時後の刃先部４４の位置とを比較することにより、刃先部４４の摩耗量を算出することができる。

撮像装置でディスクカッタ４０を撮像して、撮像された各々のディスクカッタ４０についての刃先位置データを用いて摩耗量が算出されるので、作業員がディスクカッタ４０の摩耗量を１つずつ手作業で測定する必要がなく、ディスクカッタ４０の摩耗量を効率的に測定することができる。加えて、撮像装置がトンネル掘進機１の本体１０に配設されており、回転側と固定側とを配線で連結する必要がない。これにより、比較的単純で信頼性の高い構成によって、ディスクカッタ４０の摩耗状況を検知することができる。

また図１３，１４および１９に示すように、撮像装置は、ディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する相対位置変化、すなわちディスクカッタ４０のカッタヘッド３０に対する回転の有無を示す回転データを取得する機能を有している。時間をあけて撮像した２つの画像データを比較して、回転物であるハブ４２に形成されたマーキング４９の位置に差異があるかどうかを判断することにより、ディスクカッタ４０のカッタリング４１がカッタヘッド３０に対して回転しているかどうかを検出することができる。カッタリング４１が回転していないことを検出することにより、刃先部４４に偏摩耗が発生している可能性を認識することができる。

このようにして、刃先部４４に偏摩耗が発生している状況を早期に認識できるので、偏摩耗が発生しても、ディスクカッタ４０のハブ４２およびリテーナ４３などへの影響、他のディスクカッタ４０への影響、さらにはカッタヘッド３０にまで影響が及ぶ事態を防止することができる。偏摩耗したディスクカッタ４０は交換が可能であるので、早期に偏摩耗したディスクカッタ４０を交換することで、掘削性能が低下する事態を回避することもできる。

また図５，６に示すように、撮像装置は、トンネル掘進機１の本体１０に取り付けられている。上述した特許文献１に記載の、回転するカッタヘッドに多数のセンサを設ける構成において、回転側と固定側との信号の授受をワイヤレス通信を用いて行なうことも考えられるものの、多数のディスクカッタの各々にセンサが設けられることに伴うコストの増大、通信の安定性、およびカッタヘッド内に設置するセンサの損傷の問題が依然として残る。一方、本実施形態では、１個の撮像装置または数個の撮像装置をトンネル掘進機１の本体１０に取り付ける構成とする。非回転体である本体１０に撮像装置を取り付けることで、簡易な構成でディスクカッタ４０の摩耗状況を確実に検知することができる。

また図６に示すように、撮像装置は、第１の撮像部５３と第２の撮像部５４とを有するステレオカメラである。このようにすれば、ステレオカメラによって撮像された画像データによりディスクカッタ４０の刃先位置データおよび／または回転データを取得することができる。

また図１８，１９に示すように、撮像装置は、カッタヘッド３０の回転中に複数のディスクカッタ４０を撮像する。ディスクカッタ４０の摩耗量の算出または偏摩耗の検出のために、カッタヘッド３０を停止する必要はない。これにより、効率的にディスクカッタ４０の摩耗を検出することができる。掘削中にディスクカッタ４０の偏摩耗が発生した場合に、偏摩耗の発生を速やかに認識できるので、偏摩耗の進行を確実に抑制することができる。

また図７に示すように、撮像装置は、２つ以上のディスクカッタ４０を同時に撮像する。撮像装置で２つ以上のディスクカッタ４０を同時に撮像して、撮像された各々のディスクカッタ４０についての刃先位置データを用いて摩耗量を算出することにより、多数のディスクカッタ４０の摩耗量を効率的に測定することができる。

また図１１に示すように、撮像装置は、撮像装置から刃先部４４までの距離を測定する距離測定器としての機能を有している。距離測定器による計測により、ディスクカッタ４０の刃先位置データを取得することができる。

また図３，４に示すように、ディスクカッタ４０は、カッタリング４１と一体に回転するハブ４２をさらに有しており、ハブ４２はマーキング４９を有しており、撮像装置はマーキング４９の位置に基づき回転データを取得する。このようにすれば、一定時間経過後にマーキング４９の位置が変化しているか否かを判断することにより、カッタヘッド３０に対するカッタリング４１の回転の有無を確実に検出することができる。

また図１９に示すように、撮像装置によってディスクカッタ４０が回転していないことを示す回転データが取得された場合、偏摩耗警報が出力される。これにより、刃先部４４に偏摩耗が発生している可能性をオペレータが確実に認識できるので、偏摩耗の進行を抑制することができる。

また図１０，１７に示すように、カッタヘッド３０の中心線Ｃからディスクカッタ４０の刃先部４４までの距離を検出することにより、ディスクカッタ４０の判別が行なわれる。この場合は、カッタヘッド３０の回転中心となる中心線Ｃの位置と、撮像装置により撮像された刃先部４４の位置とを認識することにより、撮像されたディスクカッタ４０が複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを、確実に判別することができる。

また図８〜９，１６に示すように、カッタヘッド３０の回転角度を検出することにより、ディスクカッタ４０の判別が行なわれる。この場合は、カッタヘッド３０の回転角度とカッタヘッド３０におけるディスクカッタ４０の配置に係る情報とに基づいて、撮像されたディスクカッタ４０が複数のディスクカッタ４０のうちのいずれのディスクカッタ４０であるのかを、確実に判別することができる。

本実施形態の撮像装置は、同時に複数のディスクカッタ４０を撮像するが、本発明は、これに限定されない。撮像装置は、ある時刻にある１つのディスクカッタ４０を撮像し、カッタヘッド３０の回転により、他の時刻に他の１つのディスクカッタ４０を撮像してもよい。

（第二実施形態）
図２０は、第二実施形態における、正面視したトンネル掘進機１の内部構造を概略的に示す模式図である。第二実施形態のトンネル掘進機１は、第一実施形態で説明した構成に加えて、温度検出部５９をさらに備えている。温度検出部５９は、図２０に示すように、撮像装置の近傍に配置されている。温度検出部５９は、撮像装置の直ぐ下方に配置されている。温度検出部５９は、ホッパシュート２１に対して、カッタヘッド３０の回転方向Ｒにおける前方側に配置されている。

温度検出部５９は、カッタヘッド３０内の温度を検出可能なように、構成されている。ディスクカッタ４０の刃先部４４の偏摩耗が発生する際には、刃先部４４の一部分が掘削面に対して摺動し続けることによる摩擦熱により、掘削面と後壁とカッタヘッド３０とによりほぼ閉鎖された空間のカッタヘッド３０内が高温になる。温度検出部５９を用いて、カッタヘッド３０内の温度を検出することにより、刃先部４４に偏摩耗が発生している状況を推定することができる。カッタヘッド３０内の異常昇温が検出されれば、図１９を参照して説明した第一実施形態と同様に、偏摩耗警報が出力され、オペレータにカッタリング４１が回転しておらず刃先部４４が偏摩耗している可能性があることを通知することができる。

なお図２０に示す温度検出部５９の配置は一例であり、温度検出部５９はカッタヘッド３０内の温度を検出可能であれば任意の位置に配置されていてもよい。

トンネル掘進機１は、温度検出部５９に加えて、または単独に、カッタヘッド３０の後方の空間の騒音を検出可能な騒音計をさらに備えてもよい。ディスクカッタ４０の刃先部４４の偏摩耗が発生する際には、刃先部４４の一部分が掘削面に対して摺動し続けることにより、騒音が発生する。騒音計を用いて、騒音の発生を検出することにより、刃先部４４に偏摩耗が発生している状況を推定することができる。

（第三実施形態）
図２１は、第三実施形態における、レーザスキャナ１５０によるカッタヘッド３０の走査状況を示す模式図である。これまでに説明した撮像装置に替えて、トンネル掘進機１は、レーザスキャナ１５０を備えていてもよい。レーザスキャナ１５０は、撮像装置と同じ位置に配置されていてもよい。図２１に示すように、レーザスキャナ１５０は、ディスクカッタ４０を走査できるように構成されている。レーザスキャナ１５０は、複数のディスクカッタ４０を連続的に走査できるように構成されていてもよい。

レーザスキャナ１５０からレーザ光を発射してからディスクカッタ４０に反射して返ってくるまでの時間を測定することにより、レーザスキャナ１５０から刃先部４４までの距離を精度よく検出することができる。レーザスキャナ１５０から新品のカッタリング４１の刃先部４４までの距離と、レーザスキャナ１５０から経時後のカッタリング４１の刃先部４４までの距離との差を算出することにより、刃先部４４の摩耗量を演算することができる。

ハブ４２に形成されるマーキング４９を、レーザスキャナ１５０によって検出が可能な形状および寸法に調整することにより、マーキング４９の位置の差異に基づいてカッタリング４１の刃先部４４の偏摩耗を検出することができる。

レーザスキャナ１５０から刃先部４４までの距離を測定するために画像は必ずしも必要ではないものの、レーザスキャナ１５０により計測されたカッタヘッド３０およびディスクカッタ４０の点群データを画像化することにより、図７に示す撮像装置で撮像した画像データに相当する画像データを取得することができる。

第一実施形態で説明した撮像装置と、図２１に示すレーザスキャナ１５０とを組み合わせて使用することも可能である。たとえば、図１８に示す点検モードにおける刃先部４４の摩耗量の算出にレーザスキャナ１５０を用いた距離計を使用し、図１９に示す通常モードにおける偏摩耗の発生の検出に撮像装置を使用してもよい。

なお、図１に概略構成を示したトンネル掘進機１は、所謂オープン型ＴＢＭであるが、本発明は、オープン型ＴＢＭに限られず、たとえば泥土圧式シールドマシンまたは泥水加圧式シールドマシンにも適用可能であり、マシン停止中に機内の土砂を抜いた状態で、同様に刃先部４４の摩耗量の測定が可能である。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、今回開示された実施形態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説明ではなく、請求の範囲によって示され、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が含まれることが意図される。

本発明のトンネル掘進機は、硬岩層を掘削するトンネル掘進機に、特に有利に適用され得る。

１ トンネル掘進機、１０ 本体、２０ ベルトコンベア、２１ ホッパシュート、２２ カッタヘッドサポート、２３ メインベアリング、２５ カッタヘッド駆動モータ、２６ 減速機、２７ ピニオン、２８ ギヤ、２９ 突起、３０ カッタヘッド、３２ スクレーパバケット、３３ 取込口、３７ 収容空間、３８ 固定部、３９ 収容部、３９ａ 内周面、４０ ディスクカッタ、４１ カッタリング、４２ ハブ、４３ リテーナ、４４ 刃先部、４７ 固定部材、４９ マーキング、５０ 測定装置、５１，５２ 近接センサ、５３ 第１の撮像部、５４ 第２の撮像部、５９ 温度検出部、６０ 運転操作盤、６１ 点検モードスイッチ、６２ 散水ユニット、７０ コントローラ、７１ カッタヘッド角度検出部、７２ モード判別部、７３ 制御信号司令部、８０ モニタコントローラ、８１ 画像認識部、８２ 判別部、８３ 摩耗量演算部、９０ 掘削管理システム、９１ データ出力部、１５０ レーザスキャナ、Ｃ 中心線、Ｒ 回転方向。

Claims (17)

1. 非回転体である本体と、
   前記本体の前方に配設され、前記本体に対して回転可能なカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドに回転可能に装着され、前記カッタヘッドの前面に露出するとともに前記カッタヘッドの背面に露出するカッタリングを有し、前記カッタリングは刃先部を有する、複数のディスクカッタと、
   前記複数のディスクカッタの後方に配設され、前記本体に取り付けられ、前記刃先部の位置を示す刃先位置データを取得する取得部と、
   前記取得部によって取得された前記刃先位置データが、前記複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの刃先位置データであるかを判別する判別部と、
   前記判別部により判別されたディスクカッタの前記刃先位置データより、前記判別されたディスクカッタの前記刃先部の摩耗量を算出する算出部と、を備える、トンネル掘進機。
2. 非回転体である本体と、
   前記本体の前方に配設され、前記本体に対して回転可能なカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドに回転可能に装着され、前記カッタヘッドの前面に露出するとともに前記カッタヘッドの背面に露出するカッタリングを有する、複数のディスクカッタと、
   前記複数のディスクカッタの後方に配設され、前記本体に取り付けられ、ディスクカッタの前記カッタヘッドに対する回転の有無を示す回転データを取得する取得部と、
   前記取得部によって取得された前記回転データが、前記複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの回転データであるかを判別する判別部と、を備える、トンネル掘進機。
3. 非回転体である本体と、
   前記本体の前方に配設され、前記本体に対して回転可能なカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドに回転可能に装着され、前記カッタヘッドの前面に露出するとともに前記カッタヘッドの背面に露出するカッタリングを有し、前記カッタリングは刃先部を有する、複数のディスクカッタと、
   前記複数のディスクカッタの後方に配設され、前記本体に取り付けられ、前記刃先部の位置を示す刃先位置データとディスクカッタの前記カッタヘッドに対する回転の有無を示す回転データとを取得する取得部と、
   前記取得部によって取得された前記刃先位置データと前記回転データとが、前記複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタの刃先位置データと回転データとであるかを判別する判別部と、
   前記判別部により判別されたディスクカッタの前記刃先位置データより、前記判別されたディスクカッタの前記刃先部の摩耗量を算出する算出部と、を備える、トンネル掘進機。
4. 前記取得部は、ディスクカッタを撮像可能なステレオカメラを有し、前記ステレオカメラによって撮像された画像データにより前記刃先位置データを取得する、請求項１に記載のトンネル掘進機。
5. 前記取得部は、ディスクカッタを撮像可能なステレオカメラを有し、前記ステレオカメラによって撮像された画像データにより前記回転データを取得する、請求項２に記載のトンネル掘進機。
6. 前記取得部は、ディスクカッタを撮像可能なステレオカメラを有し、前記ステレオカメラによって撮像された画像データにより前記刃先位置データおよび／または前記回転データを取得する、請求項３に記載のトンネル掘進機。
7. 前記ステレオカメラは、前記カッタヘッドの回転中にディスクカッタを撮像する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
8. 前記ステレオカメラは、２つ以上のディスクカッタを同時に撮像する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
9. 前記取得部は、ディスクカッタを走査するレーザスキャナを有し、前記レーザスキャナによる計測により前記刃先位置データを取得する、請求項１に記載のトンネル掘進機。
10. 前記取得部は、ディスクカッタを走査するレーザスキャナを有し、前記レーザスキャナによる計測により前記回転データを取得する、請求項２に記載のトンネル掘進機。
11. 前記取得部は、ディスクカッタを走査するレーザスキャナを有し、前記レーザスキャナによる計測により前記刃先位置データおよび／または前記回転データを取得する、請求項３に記載のトンネル掘進機。
12. 前記取得部は、前記取得部から前記刃先部までの距離を測定する距離測定器を有し、前記距離測定器による計測により前記刃先位置データを取得する、請求項１または３に記載のトンネル掘進機。
13. 前記カッタヘッド内の温度を検出する温度検出部をさらに備え、
    前記温度検出部は、前記カッタヘッド内の異常昇温を検出可能である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。
14. 前記複数のディスクカッタのそれぞれは、前記カッタリングと一体に回転するハブをさらに有し、
    前記ハブは、マーキングを有し、
    前記取得部は、前記マーキングの位置に基づき、前記回転データを取得する、請求項２または３に記載のトンネル掘進機。
15. 前記取得部によって、ディスクカッタが回転していないことを示す前記回転データが取得された場合、警報を出力する、請求項２または３に記載のトンネル掘進機。
16. 前記判別部は、前記カッタヘッドの中心から前記複数のディスクカッタの各々の前記刃先部までの距離を検出して、前記複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタかを判別する、請求項１または３に記載のトンネル掘進機。
17. 前記判別部は、前記本体に対する前記カッタヘッドの回転角を検出して、前記複数のディスクカッタのうちのいずれのディスクカッタかを判別する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のトンネル掘進機。

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