JPH06101394A - トンネル掘進機の推進及び操向機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ６本の油圧シリンダによるパラレルリンク機
構を採用し、かつ広い範囲のカッタヘッド位置、姿勢に
おいて必要な力を出すことができるようにする。 【構成】 ６本の油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄ，３ｅ，３ｆを並列に組合わせたパラレルリンクシリ
ンダ機構により掘進機本体２に対してカッタヘッド１を
支持し、これら６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆを位置
制御することによりカッタヘッド１の位置、姿勢の６自
由度を制御できるトンネル掘進機において、６本の油圧
シリンダ３ａ，〜３ｆとは別に１本以上の補助油圧シリ
ンダ４ａ，４ｂをカッタヘッド１と掘進機本体２との間
に配置し、この補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを力制御す
ることにより、上記６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆに
よる力の不足を補いつつ位置、姿勢の制御を可能にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘進機の推進
及び操向機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常のシールド掘進機により曲線施工を
行なう場合には、複数本のシールドジャッキのうちの何
本かを選択的に使用し、残りのシールドジャッキを用い
ないようにしており、いわゆる片押しをすると共に、コ
ピーカッタ等により曲がろうとする方向に余掘りを行な
うことにより掘進方向を変えて曲線掘削を行なう方法が
とられている。

【０００３】この方法においてはシールド掘進機がある
程度の機長を有するため、余り曲率半径の小さい曲線は
掘削できない。またコピーカッタにより地山が余掘りさ
れることにより、地山のゆるみ、裏込め注入材料の切羽
への回り込み、推進反力の低下によるトンネルの変形等
の問題も生じやすい。掘削量が増加することによるずり
処理量、裏込め注入量の増加も不経済である。

【０００４】さらにこの方法では、シールドジャッキ１
本１本のストロークを制御することによって掘進方向を
制御することが困難であるため、目的とする曲線に一致
するように精密に方向制御することは極めてむずかし
い。また、どのシールドジャッキを使用し、どれを使わ
ないかというジャッキの選択も経験、カン等に頼る部分
が大きい。

【０００５】一方トンネルボーリングマシンでは、左右
のグリッパストロークを調整することにより掘進方向を
変化させるため、やはり上にあげたシールド掘進機の場
合と同様の問題点があり、急曲線を精度よく掘進するこ
とはむずかしい。またシールド掘進機、トンネルボーリ
ングマシンともに、曲線施工用として２つ折り、あるい
は３つ折りの中折れ式掘進機が開発されているが、これ
らにおいても上記の問題点が本質的に解決されたわけで
はない。

【０００６】上記のような問題点を解決する方法とし
て、掘進機本体と、カッタヘッド部とを６本の油圧シリ
ンダによって構成されるパラレルリンクで連結し、この
パラレルリンクによってカッタヘッド部を支持する構造
のトンネル掘進機が考えられる。このトンネル掘進機に
おいては、６本の油圧シリンダのそれぞれの長さを独立
して制御することにより、カッタヘッド部の位置３自由
度、姿勢３自由度の計６自由度の制御が可能である。従
ってこのトンネル掘進機では、周辺地山から掘進機が受
ける力に十分対抗し得るだけの力を６本の油圧シリンダ
により出力することができれば、任意の曲線の施工が可
能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、任意の
カッタヘッド部の位置、姿勢に対して常に十分な力を発
揮できるようにこれら６本の油圧シリンダを配置するこ
とは一般に困難である。上述したように、６本の油圧シ
リンダによりパラレルリンクを構成してカッタヘッドを
支持する構造のトンネル掘進機では、これらの油圧シリ
ンダにより十分な力が得られれば、任意の曲線に沿って
掘削方向を制御することが可能である。しかしながら上
記したように、任意のカッタヘッド部の位置、姿勢に対
して常に十分な力を発揮できるように、これら６本の油
圧シリンダを配置するこは一般に困難である。

【０００８】仮に、直線掘削時に十分な推力が得られる
ようにこれら６本の油圧シリンダを配置すると、曲率半
径の小さい曲線を掘削する場合に推力不足が生じる。こ
のためどのような線形においても常に十分な推力が得ら
れるようにするためには、各油圧シリンダの断面積を大
きくするか、油圧を上げるかして油圧シリンダ１本あた
りの出し得る力を相当大きくするか、油圧シリンダの本
数を７本以上に増やすかのいずれかの方法によらざるを
得なかった。

【０００９】このうち、油圧シリンダの１本あたりの出
し得る力を大きくする方法を採用すると、ごくわずかな
作業状態のためにだけ、いたずらに出力の大きい油圧シ
リンダを装備することになる。殆どのカッタヘッド位
置、姿勢において、各油圧シリンダはそれぞれが出し得
る最大出力に比べて非常に小さい力でしか使用されず、
極めて無駄が多い。また油圧を上げることにより油圧シ
リンダの出力を増加させる方法は、使用できる油圧機器
の面から、一方油圧シリンダ断面積を増加させる方法
は、取付空間の寸法、取り合い面からそれぞれ制約を受
ける。

【００１０】一方油圧シリンダの本数を増やす方法で
は、カッタヘッドの自由度が６であるのに対して、独立
に制御できる油圧シリンダの変数がこれを上回る冗長系
となるので、通常の油圧シリンダの位置制御によりこれ
を制御することは困難である。またストロークセンサ等
の計測装置、サーボアンプ、サーボバルブ等の油圧制御
装置等も増やした油圧シリンダの本数分だけ余分に必要
となる。

【００１１】本発明は上記のことにかんがみなされたも
ので、６本の油圧シリンダによるパラレルリンク機構を
採用し、かつ広い範囲のカッタヘッド位置、姿勢におい
て必要な力を出すことができるトンネル掘進機を提供す
ることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトンネル掘進機の推進及び操向機構
は、６本の油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３
ｅ，３ｆを並列に組合わせたパラレルリンクシリンダ機
構により掘進機本体２に対してカッタヘッド１を支持
し、これら６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆを位置制御
することによりカッタヘッド１の位置、姿勢の６自由度
を制御できるトンネル掘進機において、６本の油圧シリ
ンダ３ａ，〜３ｆとは別に１本以上の補助油圧シリンダ
４ａ，４ｂをカッタヘッド１と掘進機本体２との間に配
置し、この補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを力制御するこ
とにより、上記６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆによる
力の不足を補いつつ位置、姿勢の制御を可能にした構成
となっている。

【００１３】

【作 用】パラレルリンクを構成する６本のシリンダ
３ａ，〜３ｆをパラレルリンクの位置制御装置で位置制
御することにより、カッタヘッド部を希望とする任意の
方向に制御することができる。そして上記６本のパラレ
ルリンクシリンダだけで方向制御を行なう場合において
は、カッタヘッド１の位置、姿勢によっては外力に対し
てリンク機構の力が不足して掘進ができなくなる場合が
生じるが、このときに、補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを
用いることによりその力不足を補うことができ、広い範
囲のカッタヘッド位置、姿勢において掘進が可能とな
る。そしてこのとき、補助油圧シリンダ４ａ，４ｂによ
る力の設定値を調整することにより、任意の外力に対し
て順調な掘削が可能となる。また位置制御はパラレルリ
ンクシリンダを構成する６本の油圧シリンダ３ａ，〜３
ｆに対してだけ行なうので、通常の位置制御方法により
容易に制御できる。

【００１４】

【実 施 例】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。図中１はカッタヘッド、２は掘進機本体であり、こ
のカッタヘッド１と掘進機本体２とは６本の油圧シリン
ダ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆにて連結されて
いる。この６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆの配置は図
２に示すように、円周方向に等分位置で、かつ掘進軸に
対して傾斜させて連結されてそれぞれがパラレルリンク
シリンダ構造となっている。なお図２において各油圧シ
リンダの連結点は実線部分がカッタヘッド１側で、点線
部分が掘進機本体２側であることを示す。

【００１５】この実施例では、６本のパラレルリンクシ
リンダを構成する６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆは直
線掘進時に最も大きな推進力が得られるように配置され
ている。このため直線あるいは緩やかな曲線を掘削する
場合には、これら６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆには
略均等に力が加わり、６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆ
のみで十分な推進力が得ることができるようになってい
る。

【００１６】図中４ａ，４ｂは上記６本の油圧シリンダ
３ａ，３ｆとは別に、上記カッタヘッド１と掘進機本体
２とを連結する補助油圧シリンダである。この２本（１
本でもよい）の補助油圧シリンダ４ａ，４ｂは掘進軸に
対して同一方向に傾斜させ、かつ同一位置に２本平行に
配置されており、カッタヘッド１側の連結点はカッタヘ
ッド１の略軸心位置になっている。

【００１７】なおこの実施例を示す図面では省略してい
るが、従来のものと同様で、カッタヘッド１には、これ
の前面に回転カッタが装備してあり、また掘進機本体２
には掘進のための諸機構を有している。

【００１８】上記構成において、直線あるいは緩やかな
曲線を掘削する場合には補助油圧シリンダ４ａ，４ｂは
使用せず、６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆのみで掘進
を行なう。このときに６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆ
に作用する力の大きさは図５に示すように各シリンダに
均等に加わる。

【００１９】一方曲率半径が小さい急な曲線を掘削する
ときには２本の補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを使用す
る。これは、上記６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆだけ
で曲率半径の小さい急な曲線な掘削しようとすると、シ
リンダ間の力のバラツキが非常に大きくなるからで、６
本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆのうちのあるものは大き
な押付力が必要に、またあるいは逆に大きな引張力が必
要になり、これら６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆだけ
での掘進が困難になる。図３は水平面内で左に曲がる曲
線を掘削する場合の状態を示している。また図６は切羽
からカッタヘッドに垂直な外力が加わった場合に各油圧
シリンダ３ａ，〜３ｆに加わる力の大きさを示すもの
で、３番目と６番目の油圧シリンダ３ｃ，３ｆに直進時
の３倍もの大きな押付力が、また１番目と２番目の油圧
シリンダ３ａ，３ｂには逆に大きな引張力が負荷として
加わる。この逆向きの負荷の大きさが油圧シリンダの能
力を超えてしまうと、パラレルリンクを構成する６本の
油圧シリンダ３ａ，〜３ｆだけでは掘進できなくなる。

【００２０】このような場合に補助油圧シリンダ４ａ，
４ｂを用いて、ある大きさの押付力、場合によっては引
張力をカッタヘッド１に加えるようにすればよい。図４
は補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを装備したトンネル掘進
機で曲線掘削を行なっている状態を示すものであり、こ
の補助シリンダ４ａ，４ｂを使用した場合の各油圧シリ
ンダ３ａ，〜３ｆ，４ａ，４ｂの力の大きさを図７に示
す。

【００２１】この例のように、補助油圧シリンダ４ａ，
４ｂによってある適当な力をカッタヘッド１に加えてや
ることにより、パラレルリンク構成の油圧シリンダ３
ａ，〜３ｆに加わる負荷の絶対値が減少すると共に、シ
リンダ間の負荷のバラツキも小さくなり、掘削が可能と
なる。そして補助油圧シリンダ４ａ，４ｂにより加えら
れた力は外界からカッタヘッドに作用する力と同等に扱
うことができるので、カッタヘッドに加わる外力が補助
油圧シリンダ４ａ，４ｂによる力の分だけ低下したこと
と等価になる。すなわち、その分だけ６本の油圧シリン
ダ３ａ，〜３ｆに作用する負荷が小さくなり、急曲線に
おける掘削が可能となるわけである。

【００２２】補助油圧シリンダ４ａ，４ｂはリリーフ弁
等の圧力調整装置により、ある定められた力を出すよう
に制御される。直線掘進時のように補助油圧シリンダ４
ａ，４ｂを使用しない場合には、補助油圧シリンダ４
ａ，４ｂの各油室を共にタンクに接続しておく。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、６本の油圧シリンダ３
ａ，〜３ｆによるパラレルリンク機構を採用し、かつ広
い範囲のカッタヘッド位置、姿勢において必要な力を出
すことができるトンネル掘進機を得るこどができる。そ
してその際、外力に比較していたずらに大きな油圧シリ
ンダを装備する必要はなく、かつ冗長系とならない通常
の位置制御系を構成することができる。

【００２４】上記のことから本発明に係る推進及び操向
機構を備えたトンネル掘進機では、直線から曲率半径の
小さなカーブまで任意の線形のトンネルを、同一の掘進
機により掘削することが可能となる。しかも従来の掘進
機の比べてより曲率半径の小さな曲線に沿うトンネルを
掘進でき、その際の余掘量も現行の方法に比べて著しく
減少できる。またカッタヘッド１の位置、姿勢の制御が
可能であるため、熟練オペレータの助けをかりることな
く、計画線に対するずれの小さい精度の良い施工を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を概略的に示す側面図である。

【図２】図１の矢印Ａ方向から見た状態での各油圧シリ
ンダの配置を示す説明図である。

【図３】パラレルリンク構成の６本の油圧シリンダだけ
によって曲線掘削を行なっている状態を示す説明図であ
る。

【図４】補助油圧シリンダを併用して曲線掘削を行なっ
ている状態を示す説明図である。

【図５】パラレルリンク構成の６本の油圧シリンダだけ
を用いて直線掘削を行なった場合に各油圧シリンダに加
わる力の大きさを示す線図である。

【図６】パラレルリンク構成の６本の油圧シリンダだけ
を用いて曲線掘削を行なった場合に各油圧シリンダに加
わる力の大きさを示す線図である。

【図７】補助油圧シリンダを併用して曲線掘削を行なっ
た場合に各油圧シリンダに加わる力の大きさを示す線図
である。

【符号の説明】

１…カッタヘッド、２…掘進機本体、３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…油圧シリンダ、４ａ，４ｂ…補
助油圧シリンダ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ６本の油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃ，
   ３ｄ，３ｅ，３ｆを並列に組合わせたパラレルリンクシ
   リンダ機構により掘進機本体２に対してカッタヘッド１
   を支持し、これら６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆを位
   置制御することによりカッタヘッド１の位置、姿勢の６
   自由度を制御できるトンネル掘進機において、６本の油
   圧シリンダ３ａ，〜３ｆとは別に１本以上の補助油圧シ
   リンダ４ａ，４ｂをカッタヘッド１と掘進機本体２との
   間に配置し、この補助油圧シリンダ４ａ，４ｂを力制御
   することにより、上記６本の油圧シリンダ３ａ，〜３ｆ
   による力の不足を補いつつ位置、姿勢の制御を可能にし
   たことを特徴とするトンネル掘進機の推進及び操向機
   構。