JPH0492085A - トンネル掘削機の方向制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、地中を掘削するトンネル掘削機に係り、特に
カッタヘッドを複数のジヤツキによって前進させて掘進
方向の制御を行うトンネル掘削機の方向制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

トンネル掘削機は、一般に円筒状の本体の前面に、複数
のカッタピットを取り付けたカッタヘッドを有しており
、このカッタヘッドをモータによって回転させるととも
に、本体の周方向に配置した複数のジヤツキによってカ
ッタヘッドを前進させて地山を掘削し、掘削した土砂を
スクリューコンベヤ等を用いて掘削機の後方に搬出する
ようにしている。また、曲線施工、蛇行修正等の掘削機
の方向制御は、本体の周方向に配設した複数のジヤツキ
を選択して駆動することにより行っている（例えば、特
開平１−３１５６００号公報）、そして、従来の方向制
御は、トランシット等による坑内測量やレーザ光をトン
ネル計画線に沿って照射し、掘削機に取り付けたターゲ
ット上の光点を読み取ること等によりトンネル掘削機の
位置、すなわちトンネル掘削機のＦ・ンネル計画線から
のズレを求め、掘削機の進行方向が予定し２だ方向とズ
してくると、オペレータが経験に基づいて、駆動さセる
ジヤツキを適宜に選択して方向の修正をｈっていプこ。

（発明が解決しよ・）とする課題〕 北記の如＜トンネル掘削機の方向制御は、メベレータの
経験に基づいて駆動するジヤツキを選択して行っている
ため１、充分な掘進精度が得られない。また、従来の方
向制御は、各ジヤツキの押し力を調整するのではなく、
各ジヤツキを駆動さセるかさセないかの２　（ａ的な制
御によっていた。すなわち、例えばトンネル掘削機を上
向操作する場合、本体横断面の下側半分のジヤツキのみ
を駆動し、」−側半分のジヤツキは駆動さセないように
しているため、方向制御が困難で、掘進精度も低“ｔす
る。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消″づ−るためにな
されたもので、掘進精度を向上することができるトンネ
ル掘削機の方向制御装置を提供することを目的とし、て
いる。

［課題を解決するための手段］ １記の目的を達成づ−るために１本発明に係る１ンネル
掘削機の方向制御装置は、掘削機本体前面に回転可能に
設けたカッター・ノドの位置を検出４゛る位置センサと
、前記力ッタヘノドを前進させる複数のジヤツキに対応
して設けられ、洛ジャン１−の押しツノを検出する複数
の力センサと、前記各ジヤツキが接続、してある油圧回
路中に各ジヤツキに対応して設けられ、各ジャ、キの押
し力を調整１”る複数の出力調整弁と、前記位置セン勺
と前記各力センサとの出力信号を取り込み、各シャツ４
゛の押し力とカッタヘッドの変位との関係を求めるとと
もに、カッタヘッドの変位を修正する前記各ジヤツキの
押し２カを演算して前記各出力調整弁を制御する演算制
御器とを有づることを特徴とＵ７ている。

〔イ１用〕 上記の如く構成した本発明は、カソタヘツｌ’を推進さ
セる複数のジヤツキの押し力おりツタ′＼ノド−の変位
との関係を演算制御器によって求める。

そして、演算制御器は２位置センサの出力信号に基づい
て求めた力・ツタ−・ノドの変もンが、−ｔめ定めた目
標変位となるように各ジヤツキの押し力を演算し、この
押し力が得られるように出力調整弁を制御する。このた
め、オペレータの経験に基づ（操作を必要とせず、リア
ルタイムな制御が可能となり５掘進精度の向上が図れる
。

Ｌ２かも、本発明は、各ジヤツキを駆動するか否かの２
値的な制御でなく、各ジヤツキの押し力を調整するため
、方向制御の精度、掘進精度をより向トすることができ
る。

〔実施例〕

本発明のトンネル掘削機の方向制御装置の好ましい実施
例を、添付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明の実施例に係るトンネル掘削機の方向
制御装置のブロック図である。

第１図において、トンネル掘削機１０は、本体が円筒状
に形成してあり、例えば前部本体１２と後部本体１４と
のように軸方向に複数に分割してあるきともに、前部本
体１２と後部本体１４とが屈曲可能に、かつ伸縮ｉＩＪ
能に連結してある。

前部本体１２の前端には、カスタヘット】６が回転可能
に設けである。このカッタヘッド１６の前面には、図示
しない複数の力・７タビ／［が装着してあって、モータ
によってカッタヘッド１６を矢印１７のように回転させ
ることにより、前刃の地山を掘削できるようにしてある
。また、前部体体１２の側面には、周方向に複数のグリ
ッパ１８ａ、　　ｌ　８　ｂ、　　−一・−が設けであ
る。各グリッパ１８ａ、１８　ｂ　、　　−は、シリン
ダ（図示ゼず）によって半径方向に進退できるようにな
っており、後部本体１４を推進するときに、前部本体１
２の側面から突出させられて掘削した壁面に押し代けら
れ、前部本体１２を固定する。さらに、前部本体１２の
内部には、位置センサとしてのレーザ測定器２０、傾斜
計２２などが設けてあり、前部本体１２の基準点に対す
る位置、ローリングやピッチング等を検出できるように
なっている。

〜方、前部本体１２と後部本体１４との間には、複数の
スラストシャツ」２４ａ〜２４　ＩＩが設けである。こ
れらのスラスト・ジヤツキ２４ａ〜２４ｎは、複動型の
油圧シリンダからなり、本体の周方向に配置シフ″ζあ
っＣ１前部体体１２を介してカッタヘッド１６を前進さ
七る。そし、で、各スラス［・ジヤツキ２４ａへ・２４
ｎのシリンダにはストＤクセンサ２６ａ〜２６ｎが設け
”Ｃあり、スラストジヤツキ２４ａ〜２４ｎのスｌ−Ｉ
ｒ−りｌ検出できるようにしてある。また、後部本体１
４あるいはジヤツキのロノドには１．各スラストジヤツ
キ２４ａ〜２４ｒ＋に対応して＋１１７−ドセルや歪ゲ
ージ、またはシリンダの油圧を検出する油圧セン号等か
らなる力センサ２８ａ〜２８ｎが設けてあり、各スラス
トジヤツキ２４ａ〜２４ｎの押し力を検出できるように
Ｃ７である。

各スラストジャ、キ２４ａ〜２４ｎは、底部側の室２５
が管路を介して４ボ一ト３位置型の電磁切換弁３０ａ〜
３０Ｘ１に接続してあるとともに、シリンダ′＼ラド例
の室２７が管路に設りた出力調整弁である比例電研式リ
リーフ弁３２．３〜・３２ｎを介し７て、電磁切換弁３
０ａ〜３０Ｘ］に接続し、である。

これら各電磁切換弁３０　ａ〜３０ｎは、アンロード弁
を有する油圧源としての可変容量ポンプ３４に接続して
あり、各スラストシャツ４２４ａ〜２４　ｎに所定圧力
の作動油を供給停止できるよ・）にし、であるとともに
、各室２５．２７内の作動油を油タンク３８に排出でき
るよ−）にしてある、また、可変容置ポンプ３４と電磁
切換弁３０ａ〜３Ｏｎとを接続する管路には、リリーフ
弁３６が設けてあり、可変容量ポンプ３４に過大な負荷
がかからないようにしてある。

比例を磁式リリーフ弁３２ａ〜・３２ｎと電磁切換弁３
０ａ〜３０ｎとを制御する演算制御器４０は、レーザ測
定器２０と傾斜沿２２との出力信号を受けてカッタヘッ
ド１６の位置を演算するヘッド位置演算部４２と、予め
定めたトンネル計ｉ！ｖ線やヘッド位置演算部４２の演
算結果等を記憶するメモリ４４が設けであるとともに、
ヘッド位置演算部４２の演算結果とメモリ４４の記憶内
容とからカッター・ラド１６の変位量を演算する変位演
算部４６が設けである。

さらに、演算制御器４（Ｈごは、係数演算部４８とＩ」
標変位演算部５０と、押し力分布演算部５２どを有して
いる。係数演算部４８は、スラストジヤツキ２４．］〜
２４ｎの押し力を検出する力センサ２８ａ〜２８ｒｚ！
：変位演算部４６の出力とを受け、詳細を後述するスラ
ストジヤツキ２４ａ〜２４ｎの押し力とカッター・ラド
１６の変位とを関係付ける係数を演算し２、求めた係数
を押し力分布演算部５２に送出する。また、目標変位演
算部５０は、変位演算部４６の出力信号とメモリ４４の
記憶内容とから、カンタ−・ラド１６の変位の目標（直
からのズレ量を修正するために、修正した目標変位置（
または修正変位量）を演算し、押し力分布演算部５２に
出力する。押し２力分布演算部５２は、係数演算部４Ｂ
と目標変位演算部５０との出力信号から、カッタヘッド
１６の位置を修正するためのスラストジヤツキ２４ａ〜
２４ｎの押し力分布を演算し、この演算結果に基づいた
制御信号を電磁切換弁３０ａ〜３０ｎと増幅器ユニット
５４とに出力する。

増幅器ユニット５４は、各比例電磁式リリーフ弁３２ａ
〜３２ｎに対応して設けた複数の増幅器から構成してあ
り、各増幅器が押し力分布演算部５２からの信号を増幅
して対応する比例電磁式リリーフ＃３２３〜３２ｎに出
力し、設定圧力を変化させてスラストジヤツキ２４ａ〜
２４ｎの押し力を調整する。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりである
。

メモリ４４には、図示しないキーボード等の入力装置や
外部記憶装置から予め求めであるトンネル計画線や、発
進開始時のカッタヘッド】６の目標変位Ｕ０、方向制御
を行うための詳細を後述する各種の演算式等が格納して
ある。

図示しないモータが駆動し、カッタヘッド１６が矢印１
７のように回転させられるとともに、各スラストジヤツ
キ２４ａ〜２４ｎの初期押しカバターンに基づいて、比
例電磁式リリーフ弁３２ａへ・３２Ｔ〕の圧力が設定さ
れる。ぞｊ、２で、電磁切換弁３０ａへ−３０が切り換
えられで、名スフス［・ジヤツキ２４，１〜２４ｎの底
部側室２５は、電磁切換弁３４ａへ・３４ｎ苓介ｊ、て
油圧源−ごある司変容萱ポンプ３４に接続さ矛する。

スラストシャツ：＋２４　ａへ・２４の底部側室２５が
可変容量ポンプ３４　！：接続される２・、底部側室２
５に作動油がｉｉＪ変容會ポンプ３４から流入″４る。

このため、スラストシャツｙ　４−２４　ａ−２４ｎの
ｔｌｌラド伸長するようにシリンダが前部本体１２を押
し“ζ前進すると２．もζ、シリンダヘッド側室２７の
圧力が１昇する。ぞＬ２て、シリンダ′＼・ノド側室２
７の圧力が比例電磁式リリーフ弁３２ａ〜３２ｎの設定
圧力を超えると、比例電磁式リリーフ弁３２ａ〜・３２
ｎが作動し、てシリンダヘッド側室２７の作動油を油タ
ンク３８に排出し、・シリンダヘッド側室２７内の圧力
を設定値番こし、て押と２力を所定の埴に保持する。

一方、し・−ザ測定器２０は、トンネル掘削機１０の後
方から照射されたＬ／−ザ光に基ブいき、！ｉｉ■部本
体１２、壇なわちカッタヘン１′１６の基準点からの相
対位置を検出Ｌ７、演算制御器４０のへ。

ド位置演算１部４２に入力する。また、傾斜計２２は、
前部本体１２の傾きを検出し゛（〜・ノド（ｉ７７置演
算４２に入力する。さら乙こ、カセン’Ｊ２８　ａ　＝
２８ｎは、第２図に小したように、各スラストジャツギ
２４　ａ　〜２４　ｎの押し、力ｆ、　　　ｆ、、ｆ７
を検出し、演算制御器４０の係数演Ｘ部４８に入力″４
る。

ヘッド（１７置演算部４２は、傾斜言１２２の検出信号
に基づいて、前部１体１２の０−リング、ビソヂング、
ヨーイングを演算するとともに、レーザ測定器２０の出
力器上４取り込んでカッター・ノド１６の中心の位置（
以下、カッタヘッド１［）の位置という）を演ｙｔ７こ
メモリ４４に記憶させ、また変位演算部４６に入力する
。変位演算部４６は、ヘッド（◇置演算部４２が演Ｘ（
７た力・ツタヘッド１Ｇの位置を、メモリ４４に記憶し
てある前回へ・ノド位置演算部４２が珠めたカッタヘン
１ゴ、Ｉ、　＠　ｔたは基中点と比較し、カッター・ノ
ド１６の変位ｉ１１．Ｊを演算し７て係数演算部４８と
目楼変位演算部５０とに出力する。

係数演算部４８は、力センサ２８ａ〜２８ｎの検出信号
を取り込み５次式に基づいて検出された押１．力ｆ１　
　ｒ７、−　　ｆ７と変位演算部４（３が求めた変位Ｕ
との関係を示す行列Ａ−・（ａ＝ｊ）からなる係数を演
算する。

ただし、１−４弐の左辺の＋ｌ、Ｖ、Ｗ、α、β、γは
、変位Ｕの成分であって、第２図に示したように、変位
前のカッタヘッド１６の中心を原点０とし、トンネル掘
削機１０の進行方向をｙ軸、トンネル掘削機１０の鉛直
上方を２軸、ｙ軸と２．軸とに直交した方向をｙ軸とし
た場合、Ｕ、■、Ｗはカッタヘッド１６の原点Ｏに対す
るＸ、Ｖ、Ｚ方向の変位、α、β、７はカッター・ノド
１６の原点０に対するｘ、ｙ、２方向の角度変位を示Ｊ
。なお、行列Ａ　＝　（ａ　ｉＪ）は、過去数回の押し
、力ｆｆ２、−　　ｆｌと変位Ｕとの相関から類推され
こ末められる。

さらに、係数演１部４Ｂは、式（１）を満たし１、かつ
変位１．Ｊを得るために必要と・する押Ｌ７カｆｆ２、
−〜−　ｆ、、を求める係数を次式により求め、押し力
分布演算部５２に入力する。

ｆ　＝　Ｋ　−Ｕ　　　　　　　　　　　−ｍ−（２）
ここ番ご、ｆは、スラストジヤツキ２６ａ〜２６゜の押
し２力ｆ１１、ｆｚ、〜−−−−ｆ　、からなるヘクト
ルである。そして、係数には、式（１）式を満足し、ス
ラストジヤツキの押し力ｆ、がずべて制ａｌｌ値の範囲
内にあり、かつ、 Σ−＋　　ｒ　ｉ−ｒ　ｉ、　＋　　１−−−ｍ−（３
）（ただし、ｆ、、。ｌ　−ｆ　Ｉ　とする）が最小と
なるようなｆとＵとの相関を示す係数である。なお、係
数にの初期値、すなわち発進立て坑からの掘削開始時の
係数には、土質やカッタヘッド１６に装着したカッタピ
ットの種類、トンネルの曲率等を考慮して力学的に、ま
たは過去の掘削軽験やジ／ミブ、［−シゴン等によりｐ
め求めておく。

他ｊｉ、ｌｌ標変位演算部；つ０は、変位演口部４〔；
が求めたカッター□　）Ｆ　Ｉ　６の変位Ｕ　ｉメモリ
７＋４に記憶し、ζあるｌ変位１ノ。と比較し、実際の
変ｉＱ　ｉ−１が目標変イ〜ンＵ、からズレると、この
ズし・をイ曝正雫るための新たな目標変位し。（目たは
脩正変位聞）を求め、メモリ４４に格納するとともに、
押し力分布演算部、「ｊ２ζこ送る６ 押し力分布演算部！−１２は、係数演算部４１（が求め
た係数にと［−１１欅変位演η部５０求めた目標変位ｔ
Ｊ、（または修正変位Ｉりとから、弐（２）に基づいて
目標変（１７ＬＪｏ（または修ｊ１変位量）が得られる
ような名スうス１ジャ７−１’　２４　ａ〜２４ｎの押
し２力ｆ　、　、　　ｆ　２．−ｆアを演ρ：する。そ
（７で、押（２力分孔演算部５２は、求めた押し、力ｆ
。

ｆ２、　−　ｆ、、に応し２て比例電磁式リリーフブ＋
３２ａ−・３２ｎの設定ＹＥ力をｉ　Ｆ−Ｊ−るｆｌｉ
ｌｌ　ｉ　（２号を増幅器゛１−ニッｌ−５４！こ出力
し、また電磁切換ブｆ３０ａ〜３Ｏｎ＋。１開閉制御信
号はりえる。以下、演算制御器４０は２前記と同様にし
２て、押し１、力ｆ、　、ｆ　、　、−ｒ　、を調整し
、？カッター・ラド１６の方向制御を（うう。

従って、実施例は、演算制御器４０がカッター・ラド１
６の目標変位に対するズレを自動的Ｕ修正するため、従
来のオペレータの好験に基づく制御と貰なり、リアルタ
イムな方向制御がｉＪ能になり、正確な方向制御、掘進
制御ができるゆし、かも、各スラストジヤツキ２４ａ〜
２４ｎの制御は２値的制御でなく、押し力をアナログ的
に調節″４るため、より掘進制御の精度を高めることが
できる。

このようにし、て、スラストシャツ４２４ａ〜２４ｎの
う・リンダが、前部本体１２を介り、てカッタヘッド１
６を前進させると、ストロークセンサ２６８〜・２６ｎ
がスラストジヤツキ２４ａ〜２４ｎのストローク量を検
出する。ぞし°て、スラストシャツ４２４ａ〜２４ｎの
いずれかのストローク量が所定値に達すると、しｊ′、
ＴＸシない１制御装置から推進停止信号が出力され、後
部本体１４を稚進さセる制御がｉＩわれる。

後部４体１４．を榎進（る場合Ｑこは、グリ、バ１８ａ
、１８１）、　　−苓シリンダによって前部本体１２の
１′径方向に前進させ１、グリッパ１８ａ、＋８ｂ、　
　−を掘削した周囲の地山に押し付けて前部本体１２を
固定する。その後、各電磁切換弁３０ａ〜・３０　ｎを
切り換えて、比例電磁式リリーフ弁３２．１〜３２ｎを
電磁切換弁３０ａ〜・３０ｎを介して可変容量ポンプ３
４に接続し１、スラストジャソーｔ−２４ａ〜・２４ｎ
の底部側室２５を電磁切換弁３０ａ〜３Ｏｎを介し７て
油タンク３８に接続、するとともに、アーティキエレー
トジャソキ（図示せず）を駆動して後部本体１４を前部
本体１２側に引き寄セ−る。

また、各スラストジヤツキ２４ａ〜２４ｎのシリンダヘ
ッド側室２７には、比例ｉ磁式すリーフ弁３２ａ〜３２
ｎの逆止弁を介して可変容量ポンプ３４から作動油が流
入するとともに、底部側室２５内の作動油が油タンク３
８に排出され、スラス）・ジヤツキ２４ａ〜２４ｎのロ
ノドがシリンダ内に進入゛する。そして、ロノドが初期
位置に復帰させられると、前記し、たカッター・２ノド
１６の推進制御が再び開始される。

なお、前記実施例におい°Ｃは、本体が屈曲づるチーテ
ィ４′ニレ−［型のトンネル掘削機１０に一ついて説明
したが、アーティキＪレーＩ・型でないトンネル掘削機
にも適用するごどができる６また、本体は、軸方向に３
つ以トに分割されこいζもよい。そして、前記実施例に
おいては、グリッパ１８ａ、１８ｂ、＝−＝を有するト
ンネル掘削機１０について説明したが、グリッパを有し
ない）・ンネル掘削機の方向制御にも適用することがで
きる。

さらに、前記実施例においては、カッタヘンＦ　１６の
位１を検出するために、レーザ測定器２Ωと傾斜計２２
とを用いた場合について説明したが、位置検出は、坑内
測量やジャイロ、距離針等を用いて行ってもよい。さら
に、実施例においては、レーザ測定器２０と傾斜計２２
とによってカッタヘッド１６の位置、変位を求める場合
について説明したが、演算制御器４０にストロークセン
サ２６ａ〜２６ｎの出力信号を入力し、カッタヘッドＩ
６の位置や変位の演算に伊（１，でもよい。

（発明の効架〕 上記に説明Ｌ７たように、本発明によれば、カッタヘッ
ドを前進させる複数のジヤツキの押し力とカッタヘッド
の変位との関係を演）、制御器Ｃごよって求め、実際の
変位が目標変位からズレないように名ジヤツキの押し、
力を求め、この押し力が得られるよう番ご出力調整弁を
制御する。このため、オペレータの経験に基づく操（）
Ｉを必要とゼす、方向制御が迅速に行え、掘進精度の向
上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１は本発明の實施例に係る１ンネル掘削機の方向制御
装置のブＩＪツク図、第２図はカッタヘッドの方向制御
の説明図である。 １０−一一一−１−ン不ル掘削機、１６　゛−カッタヘ
ッド、２０．２２　−−一位１セン号　（レーザ測定器
、傾斜計）　、２４．　ａ：　、　２４　ｎ　　−−−
スラストジヤツキ、２６ａ、２６ｎ　　−ストロークセ
ンサ、２８ａ、２８ｎ　−力センサ、３２ａ、３２ｎ　
＝−出力調整弁（比例電磁式リリーフ弁）、４ｍ−一演
算制御器、４６、−変位演算部、４８ ５０−−Ｉ’ｌｌ変位演ｐ部、５２ 係数演１師 押し力分布演 １部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）掘削機本体前面に回転可能に設けたカッタヘッド
   の位置を検出する位置センサと、前記カッタヘッドを前
   進させる複数のジャッキに対応して設けられ、各ジャッ
   キの押し力を検出する複数の力センサと、前記各ジャッ
   キが接続してある油圧回路中に各ジャッキに対応して設
   けられ、各ジャッキの押し力を調整する複数の出力調整
   弁と、前記位置センサと前記各力センサとの出力信号を
   取り込み、各ジャッキの押し力とカッタヘッドの変位と
   の関係を求めるとともに、カッタヘッドの変位を修正す
   る前記各ジャッキの押し力を演算して前記各出力調整弁
   を制御する演算制御器とを有することを特徴とするトン
   ネル掘削機の方向制御装置。