JPH0310000B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は不定形断面形状のトンネル等を高精度
に且つ容易に掘削することができる掘削機に関す
るものである。

一般にシールド掘進機を使用することができな
いトンネルや不定形断面形状のトンネルを非開削
工法で掘削する場合にはブームを有するクロウラ
ー型掘削機が使用されることが多い。従来、この
型式の掘削機によつてトンネル掘削を行うときに
は、ブーム先端に装着されたカツターヘツドの動
きを掘削機本体の運転台に座つているオペレータ
が目で追いながらブーム操作用レバーを操作して
カツターヘツドの動きを制御していた。しかしな
がら、一般に切羽では掘削による粉塵が多量に発
生するため視界が悪く、カツターヘツドの位置を
確認できないことが多いので正確な掘削をするこ
とは困難であつた。従つて、カツターヘツドの位
置を正確に確認できない状態でカツターヘツドを
トンネル基準断面に一致するように動かすには高
度の塾練を要していた。塾練不足のために余掘り
を起こしたりトンネル断面のずれを起こしたりす
ると、吹付コンクリートあるいは内巻きコンクリ
ート量の増加を招くため不経済であり、また、余
掘りを生じないように慎重に運転すると施工速度
が遅くなつて能率が低下する等の問題があつた。

また、特公昭56−18760号公報や特開昭55−
122997号公報に記載された掘削機では、掘進方向
基準光線としてのレーザ光線を検知する検知体
（ターゲツト、レシーバ）が掘削機本体に装着さ
れていたので、前記検知体によりレーザ光線を検
知（受光）することが困難であつた。

本発明の目的は、前述の如き従来の掘削機に存
する問題点、すなわち操作性の悪さ及び掘削精度
の低さ等を克服できるとともに、掘進方向基準光
線検知体を掘削機に揺動、旋回可能に装着された
ブームに取付けることによつて掘進方向基準光線
の検知（受光）を極めて容易にし、掘削制御能率
を大幅に向上できる掘削機を提供することであ
る。

本発明の掘削機は、ブームの位置もしくは方向
を検出するための検出器群と、掘削機本体の傾斜
度を検出するための傾斜検出器と、ブームに取付
けられた掘進方向基準光線用標的と、トンネル内
に設定された掘進方向基準光線と該標的とが一致
した時に前記各検出器群の出力信号に基づいてト
ンネル基準断面と該掘削機本体及びカツターヘツ
ドとの相対関係を演算する演算装置と、該演算装
置の出力に基づいてトンネル基準断面とカツター
ヘツドの時々刻々の位置とを表示する表示装置と
から成る掘削制御装置を装備していることを特徴
とする。本発明による掘削機においては、掘削す
べき所定基準断面とカツターヘツドの時々刻々の
位置が表示装置の画面上に表示されるので、切羽
におけるカツターヘツドを目視で確認しなくと
も、正確に所定基準断面と一致する掘削を行うこ
とができ、その結果、余掘りやトンネル断面のず
れ等が生じなくなり掘削精度の高いトンネルを能
率的に形成することができる。

以下に添付図面に参照しつつ本発明の一実施例
について説明する。第１図は本発明掘削機の概略
側面図である。１は前後方向（図示矢印Ａ方向）
に移動しうる掘削機本体であり、掘削機本体１は
キヤタピラの如き走行装置２を装備している。掘
削機本体１には原動機、油圧ポンプ等が塔載され
るとともに運転席３が設けられている。また、掘
削機本体１の側部には掘削土（ずり）の回収のた
めにローダー４が設けられ、ローダー４は掘削機
本体１の前面に装着された油圧シリンダ５によつ
て図において時計方向に回動されるようになつて
いる。一方、本体１の側部にはローダー４によつ
てすくい上げたずりを投入するためのずり排出用
ベルトコンベア６が掘削機の前後進方向と平行に
なるように装置されている。

掘削機本体１の前部には鉛直なポスト（円柱
部）が設けられており、該ポストの上端には鉛直
軸線を中心として旋回しうるテーブル７が嵌装さ
れ、テーブル７は掘削機本体１に装備された油圧
シリンダ８によつてポストの鉛直な中心軸線のま
わりに旋回動されるようになつている。テーブル
７の前端部には掘削機本体１の前後進方向に対し
て直交する水平な支持軸９が設けられ、支持軸９
には掘削機の前後進方向に平行に延在するブーム
１０の基端部が上下方向に揺動可能に嵌装されて
いる。ブーム１０はテーブル７の前端に装着され
た油圧シリンダ１１によつて支持軸９を中心とし
て上下方向に揺動されるようになつており、ブー
ム１０の重量の一部はこの油圧シリンダ１１によ
つて支持されている。ブーム１０はその上部に油
圧シリンダを内蔵しており、該ブームの先端に電
動モータ（図示せず）及び該電動モータにより回
転駆動されるカツターヘツド１２（ドラムカツタ
ー）が支持されている。（以上に説明した構成は
現今使用されている標準的な掘削機の基本的な構
成を述べたものである。） 本発明の掘削機においては、前述のとおり構成
された各成分の動きを制御するために、以下に述
べる各種検出器を含む掘削制御測置が塔載されて
いる。すなわち、該ポストの上端には可動部分が
テーブル７に固定されたテーブル旋回角検出器１
３が設けられており、支持軸９には可動部分がブ
ーム１０に連結されたブーム俯仰角検出器１４が
取付けられている。これらの回転角検出器として
は、たとえばロータリーエンコーダー、回転式ポ
テンシヨメータ、シンクロ等の公知の検出器が使
用できる。一方、ブーム１０の軸方向の伸縮を検
出するために、カツターヘツド側に固定したラツ
クバー１５ａと、ラツクバー１５ａに噛合するピ
ニオンを介して回転されるロータリーエンコーダ
ー１５ｂとから成るブーム伸縮量検出器１５がブ
ーム１０上に設けられている。

さらに、掘削機本体１上には掘削機本体１の前
後進方向に傾きを検出するための前後方向傾斜検
出器１６と、掘削機本体１の左右方向の傾きを検
出するための左右方向傾斜検出器１７とが設けら
れている。この二つの傾斜検出器としては、たと
えば公知の磁気的検出器や静電容量検出器などが
使用される。

また、カツターヘツド１２と一体となつたブー
ム先端部には第２図に示すように掘進坑道内に予
め設定したレーザ光線L₁，L₂（掘進方向基準光
線）によつて照射される掘進方向基準光線用検知
体としての標的１８（もしくは検出器）が固定さ
れている。なお、第２図において１９，２０は掘
進坑道内に設置された掘進方向基準光線投光器と
してのレーザー光投射器である。

以上の如きブーム１０の位置及び動きを検出す
るためのブーム検出器群と掘削機本体１の姿勢を
検出するための掘削機姿勢検出器群とは掘削機本
体１上に搭載された制御装置ユニツトに電気的に
接続されており、該検出器群は該制御装置ユニツ
ト及び後記の表示装置等とともに第３図に示すよ
うに掘削制御装置２１を構成している。第３図に
おいて、２２は掘削機本体４の操作パネル内に内
蔵された制御装置ユニツトであり、制御装置ユニ
ツト２２は演算機能及び記憶機能を有する演算装
置（たとえば、マイクロコンピユータ）から成
り、制御装置ユニツト２２の出力端には掘削機本
体１の運転席３の近傍に設置されたCRTもしく
は液晶表示装置の如き表示装置２３が接続されて
いる。２４は掘削機本体１の操作パネルに設けら
れた操作用キイボード、２５は制御装置ユニツト
２２に接続された外部記憶装置、である。

制御装置ユニツト２２は掘削すべき基準掘削断
面と掘削機本体１の姿勢との相対位置関係を演算
するとともにカツターヘツド１２の位置及び動き
を該相対位置関係に基づいて演算するという機能
を有している。表示装置２３の画面２３ａには真
の所定基準断面の像Ｆとカツターヘツド１２の
時々刻々の像及び軌跡とが表示されるようになつ
ている。

第４図乃至第８図は制御装置ユニツト２２によ
つて行われる演算の１例を説明するための図であ
る。

第４図及び第５図において、L₁及びL₂は掘進
坑道内に掘進方向と平行に投射されたレーザー光
線であり、掘削機本体１が第５図図示のように掘
進方向に対して水平面内で角度γだけ前進方向か
ら左に向つて偏向している場合を示している。掘
削開始前もしくは掘削中にオペレータはブーム１
０を左方及び右方に適当量旋回させてブーム１０
上の標的１８がレーザー光線L₁，L₂によつて照
射された時にブーム１０を停止させ、同時に操作
パネル上のキイボードの制御スイツチを投入す
る。すると、制御装置ユニツト２２にはテーブル
旋回角検出器１３からテーブル旋回角検出信号が
入力されるので、この操作を両方のレーザー光線
に対して合計２回行うことにより第５図図示の角
度（α₁＋α₂）（なお、α₁，α₂はそれぞ単独に検出
することもできる）が制御装置ユニツト２２に入
力される。従つて、掘削機本体１の前後進方向偏
向角γは次の各式から演算される。

l₁＝（G₁＋ａ）sin（α₁＋γ） ………(1) l₂＝（G₂＋ａ）sin（α₂−γ） ………(2) l₁＋l₂＝L₀ ………(3) G₁＝cosβ₁ ………(4) G₂＝cosβ₂ ………(5) ここにａはテーブル７の旋回中心Ｃとブーム１
０の俯仰中心Ｄ及びＥとの水平距離であり、Ｍ及
びＮはブーム１０上の標的１８とレーザー光線
L₁，L₂との交叉位置を示し、及びは俯仰
中心Ｄ及びＥと標的１８との距離を示す。及
びにはブーム伸縮量検出器１５からの入力信
号によつて得られた値が含まれており、≠
NEである。また、β₁，β₂はブーム俯仰角検出器
１４の検出信号に基づいて得られる。従つて、前
記(1)、(2)の式から掘削機の水平面内偏向角γが求
められる。

第６図は掘削機本体１の機体中心O₁に対して
進行方向右側に向つて水平旋回角αでブーム１０
が旋回された時のカツターヘツドの中心位置を決
定するための説明図である。この場合、進行方向
左側のレーザー光線L₁を原点として横方向にｘ
軸をとると、カツターヘツド１２の中心Ｊのｘ座
標は（x₁＋ｘ）となる。従つて、第３図及び第４
図に関して既に説明したように、機体中心線O₁
に対するブーム旋回角α₁，αがテーブル旋回角検
出器１３によつて検出できるため、x₁及びｘは直
ちに求めることができる（γ及びα₁は前記のよう
に既知である）。

第７図はブーム１０を任意の俯角にした時のカ
ツターヘツド１２の中心位置を決定するための説
明図である。この場合、レーザー光線L₁を原点
として鉛直方向にｙ座標を設定すれば、カツター
ヘツド１２の中心Ｊのｙ座標は−（y₁＋y₂）とな
るが、y₁は前記β₁の値によつて一義的に定まり、
またy₂は前後方向傾斜検出器１６の出力であるθ₁
とブーム俯仰角検出器１４の出力であるβ₃とによ
つて定まるため、カツターヘツド１２の鉛直方向
位置は前記各検出部の出力信号から直ちに求める
ことができる。なお、第７図において、S₁はレー
ザー光線L₁と平行な仮想水平盤面、P₁はレーザ
ー光線L₁に平行な仮想水平面、であり、S₀は実
際の盤面である。

第８図は掘進坑道の盤面S₀が水平面S₁に対して
左右方向に角度θ₂だけ傾いている場合を示す。こ
のように水平面に対して傾いている掘削機に搭載
してブームを操作すれば、オペレータが正規の基
準掘削断面F₁のトンネルを掘削しているつもり
であつても実際には角度θ₂だけ個いた掘削断面F₀
のトンネルが掘削されてしまうことになる。すな
わち、オペレータがカツターヘツドを点J₀に位置
せしめて掘削を行つている場合、オペレータ自身
は正規の基準掘削断面F₁のトンネルの外周部を
掘削しているつもりであつても、実際にはカツタ
ーヘツドを点J₁に位置せしめなければ正規の基準
掘削断面F₁を掘削することはできない。従つて、
正確な掘削を行うためにはオペレータがこの事実
を認識して正確にブームを操作することが必要で
あるが、従来の掘削機では不可能であつた。

本実施例の掘削制御装置では第８図のように掘
削機が傾いていた場合にはその傾斜角θ₂を掘削機
本体１に装備した左右方向傾斜検出器１７で検出
し、その検出値に基づいて制御ユニツト２２にお
いて傾斜座標軸系と正規座標軸系との座標変換を
行うことにより時々刻々のカツターヘツドの位置
を正規の基準掘削断面F₁に対して表示させるこ
とができる。なお、P₀は実際の坑道盤面S₀と平
行な平面、P₁は水平面、である。座標変換に必
要な各種の変数は前記各種の検出器の出力信号か
ら求められる。また、傾斜した座標軸系と正規の
（傾斜していない）直交座標軸系との変換は公知
の座標変換の方法によつて行われるので、その詳
細については説明を省略する。

以上のように、本発明の掘削機ではカツターヘ
ツドの位置及び掘削機本体の姿勢が電気的に検出
されるとともに、該検出値に基づいてカツターヘ
ツドの時々刻々の位置が所定の基準掘削断面に対
して表示装置の画面上に表示されるのでカツター
ヘツドを実際に目視する必要がなく、しかも掘削
機本体の姿勢の如何にかかわらず、常に基準掘削
断面と同一の正確な掘削作業を行うことができ
る。すなわち、本発明の掘削機によつてトンネル
等を掘削する場合、掘削開始前もしくは掘削中に
時々、ブーム１０上の標的１８をレーザー光線
L₁，L₂に一致させて掘削制御装置を作動させた
後、該掘削制御装置を作動させたままで従来の掘
削機と同じにブーム等の操作レバーを操作すれば
よい。このようにすると、各種検出器の出力によ
つて表示装置２３の画面２３ａ上には掘削機本体
の姿勢にかかわらず正規の基準掘削断面の像が表
示されるとともに該像に対するカツターヘツドの
時々刻々の動きと軌跡とが表示されるので、オペ
レータは表示装置の画面を見ながらブームの操作
レバーを操作すれば、実際にカツターヘツドを目
視しなくとも常に基準掘削断面と同じ掘削断面の
トンネル等を掘削することができる。

本発明の掘削機は次の効果を有する。

本発明はレーザ光線を２本用い、かつ掘進
方向基準光線用検知体（標的１８）を掘削機本体
に揺動・旋回自在に装着されたブーム１０に取り
付けたので、レーザ光線をキヤツチすることがき
わめて容易であり、掘削制御能率が大幅に向上す
る。

なお、本実施例では掘削機本体としてクロウラ
ー型走行装置を有する自走式の掘削機本体のみを
示したが、掘削機本体としては自走式のものでな
くともよいことは勿論であり、単なる据付式支持
台形式のものであつてもよい。また、カツターヘ
ツドとしてはドラムカツターばかりでなく、ブレ
ード、バケツトホイール等の各種のカツターを使
用できることは勿論であり、更に標的１８の代り
に制御ユニツトに接続された光検出素子を用いる
ようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明掘削機の概略側面図、第２図は
トンネル掘進時において本発明掘削機におけるブ
ーム上の標的と掘進坑道内の基準光線との関係を
示す概略斜視図、第３図は本発明掘削機に搭載さ
れている掘削制御装置の概略構成図、第４図ない
し第８図は掘削制御装置内で行われる演算等の例
を説明するための説明図であり、第４図は斜視
図、第５図及び第６図は平面図、第７図は側面
図、第８図は背面図である。 １……掘削機本体、２……走行装置、３……運
転席、４……ローダー、６……ずり排出用ベルト
コンベア、７……テーブル、８……油圧シリン
ダ、９……支持軸、１０……ブーム、１２……カ
ツターヘツド、１３……テーブル旋回角検出器、
１４……ブーム俯仰角検出器、１５……ブーム伸
縮量検出器、１６……前後方向傾斜検出器、１７
……左右方向傾斜検出器、１８……掘進方向基準
光線用標的、１９，２０……レーザー光線投射
器、２１……掘削制御装置、２２……制御ユニツ
ト、２３……表示装置、２４……操作用キイボー
ド、２５……外部記憶装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 掘進方向に対して直交する水平軸線を中心と
   して揺動可能であるとともに鉛直軸線を中心とし
   て旋回可能であるブームと、前記ブームの先端に
   取付けられているカツターヘツドと、前記ブーム
   を支持している掘削機本体とから成り、かつ掘進
   坑道内に設置された２個の掘進方向基準光線投射
   器より投光された掘進方向基準光線に基づき掘進
   する掘削機であつて、前記ブーム及び前記カツタ
   ーヘツドの方向及び位置を検出するためのブーム
   及びカツター位置検出器群と、水平面に対する前
   記掘削機本体の傾斜を検出するための掘削機本体
   傾斜検出器と、前記ブームに取付けられ前記２個
   の掘進方向基準光線投射器からの掘進方向基準光
   線を検知する掘進方向基準光線用検知体と、前記
   掘進方向基準光線用検知体と掘進方向基準光線と
   が一致したときに前記ブーム及びカツター位置検
   出器群の出力信号と前記掘削機本体傾斜検出器の
   出力信号とに基づいて前記掘削機本体から見た見
   かけの基準掘削断面と真の基準掘削断面との相対
   関係を演算するとともに掘削中に前記真の基準掘
   削断面に対する前記カツターヘツドの瞬間位置を
   演算する演算装置と、前記演算装置の出力に応じ
   て前記基準掘削断面に対する前記カツターヘツド
   の瞬間的相対位置及び軌跡を表示する表示装置と
   から成る掘削制御装置を装備していることを特徴
   とする掘削機。