異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法
【課題】簡単な構造であって低コストで製造でき、且つ耐久性が向上して寿命が延びる異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供する。
【解決手段】カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする。カッタヘッド５の回転に伴い移動カッタ７に接続されたカッタジャッキ８の側部が軸受部９に押し付けられて軸受部９に生じる面圧をＰとし、移動カッタ７の移動に伴い伸縮するカッタジャッキ８の側部が軸受部９に摺接する速度をＶとすると、面圧Ｐに速度Ｖを乗じた値が、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【解決手段】カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする。カッタヘッド５の回転に伴い移動カッタ７に接続されたカッタジャッキ８の側部が軸受部９に押し付けられて軸受部９に生じる面圧をＰとし、移動カッタ７の移動に伴い伸縮するカッタジャッキ８の側部が軸受部９に摺接する速度をＶとすると、面圧Ｐに速度Ｖを乗じた値が、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削断面が円形以外の異形断面のトンネルを掘削する異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削断面が円形以外の異形断面（矩形断面、楕円断面等）のトンネルを掘削する異形断面トンネル掘削機として、シールド本体の隔壁に配設されシールド軸心廻りに回転される公転隔壁と、公転隔壁に偏芯して配設されてシールド軸心と平行な軸廻りに回転駆動されるカッタヘッドとを備え、公転隔壁を回転させながらカッタヘッドを逆廻りに回転させるものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、別の異形断面トンネル掘削機として、シールド本体の隔壁に配設されシールド軸心廻りに回転されるメインカッタヘッドと、メインカッタヘッドに配設されて回転駆動されるサブカッタヘッドとを備え、メインカッタヘッドを回転させながらサブカッタヘッドを逆廻りに回転させるものも知られている（特許文献２）。
【０００４】
しかし乍ら、前者の異形断面トンネル掘削機においては、回転する公転隔壁の上でカッタヘッドを逆回転させており、後者の異形断面トンネル掘削機においては、回転するメインカッタヘッドの上でサブカッタヘッドを逆回転させているため、いずれの掘削機においても、各構成要素を回転或いは逆回転させるための機構が複雑にならざるを得ず、コストアップが避けられない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５６９９１号公報
【特許文献２】特開２０００−３１００９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者は、簡単な構造であり低コストで製造できる異形断面トンネル掘削機として、従来より、シールド本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするためカッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が移動カッタに他端がカッタヘッドに接続されて伸縮することで移動カッタを移動させるカッタジャッキと、カッタヘッドに設けられ伸縮するカッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、カッタヘッドが１回転する間に、カッタヘッドの回転角度に応じてカッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とするようにした異形断面トンネル掘削機を開発している。
【０００７】
このような異形断面トンネル掘削機においては、異形断面を切削するために、移動カッタをカッタヘッドの回転径方向外方に移動させながらカッタヘッドを回転させると、移動カッタの径方向外方への移動に伴って切羽を切削する際の荷重が徐々に大きくなる。このため、移動カッタに接続されたカッタジャッキの側部がカッタヘッドに設けられた軸受部に押し付けられる力が徐々に大きくなり、軸受部に生じる面圧Ｐが徐々に大きくなる。また、カッタヘッドが１回転する間、カッタヘッドの回転角度に拘わらずカッタヘッドの回転速度が一定であると、所望の異形断面を切削するためには、カッタヘッドの回転角度によっては、移動カッタを移動させるカッタジャッキの伸長速度、即ちカッタジャッキの側部が軸受部に摺接する速度Ｖを或る程度以上速めなければならない場合も生じる。
【０００８】
この結果、カッタヘッドの回転角度によっては、軸受部において、面圧Ｐと速度Ｖとを乗じた値（所謂ＰＶ値）が許容値を超える可能性もあった。ＰＶ値が許容値を超えると、軸受部の耐久性が悪化し、寿命が短くなってしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、簡単な構造であって低コストで製造でき、且つ耐久性が向上して寿命が延びる異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部と、上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする制御部とを備えた異形断面トンネル掘削機であって、上記制御部は、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて、上記カッタヘッドの回転速度を変更し上記カッタジャッキの伸縮速度を変更する調節機構を有し、上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサを更に備え、上記制御部は、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、上記回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップを有し、該マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする異形断面トンネル掘削方法であって、上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサと、該回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップとを有し、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、上記マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構造であって低コストで製造でき、且つ耐久性が向上して寿命が延びる異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本実施形態に係る異形断面トンネル掘削機の正面図、図２は図１の異形断面トンネル掘削機の概略側断面図である。
【００１７】
この異形断面トンネル掘削機１は、断面矩形に形成された筒状のシールドフレーム２を有する掘削機本体３と、シールドフレーム２の内部に設けられた隔壁４に切羽に対向して回転可能に設けられたカッタヘッド５と、カッタヘッド５を回転駆動するカッタ回転装置６と、掘削径を可変とするためカッタヘッド６に移動可能に設けられた移動カッタ７と、一端が移動カッタ７に他端がカッタヘッド５に接続されて伸縮することで移動カッタ７を移動させるカッタジャッキ８と、伸縮するカッタジャッキ８の側部を摺動可能に支持するようにカッタヘッド５に設けられた軸受部９と、カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度に応じてカッタジャッキ８のストロークを制御することで、掘削断面をシールドフレーム２に合った矩形断面とする制御部１０とを備えている。
【００１８】
掘削機本体３は、セグメント１１をシールドフレーム２の内周面に沿ってリング状に組み立てるエレクタ（図示せず）と、エレクタによって組み立てられたセグメント（既設セグメント）１１に反力を取ってシールドフレーム２を前進させるシールドジャッキ１２とを有する。シールドフレーム２は、本実施形態では上下に長い矩形断面となっているが、左右に長い矩形断面でもよく、楕円断面、馬蹄型断面、おむすび型断面等、円形以外の断面であればどのような断面でもよい。また、掘削機本体３は、本実施形態では、シールドジャッキ１２で自立的に掘進するシールド掘進機タイプとなっているが、立坑に設けられた元押ジャッキにより鋼管を介して掘削機本体３が前方に押し出される元押し推進タイプであってもよい。
【００１９】
シールドフレーム２の隔壁４には、カッタヘッド５が切羽に対向して回転可能に装着されている。カッタヘッド５は、隔壁４に回転可能に支持された回転軸１３に装着された略直方体形状のカッタヘッド本体１４を有し、このカッタヘッド本体１４は、カッタ回転装置６によって回転駆動される。カッタ回転装置６は、回転軸１３に設けられたギヤ１５と、このギヤ１５に噛合するピニオン１６を有する油圧モータ１７と、油圧モータ１７に作動油を供給排出する油圧回路１８とを有する。油圧モータ１７への作動油の給排の向きを切換弁１９により逆にすることで、油圧モータ１７が逆回転し、カッタヘッド５が逆回転する。なお、本実施形態ではカッタヘッド５を回転駆動するようにしたが、カッタヘッド５を３６０度未満の所定角度範囲（例えば１８０度）で回転方向を切り換えて往復回動させる所謂揺動タイプの駆動方式としてもよい。
【００２０】
カッタヘッド本体１４には、その回転中心にフィシュテールビット２０が設けられている他、固定カッタ２１が固定的に、移動カッタ７が移動可能に、設けられている。固定カッタ２１は、カッタヘッド本体１４から径方向外方に延出されたスポーク２２と、スポーク２２に設けられたビット２３とを有する。スポーク２２は、１８０度間隔で２本設けられており、各スポーク２２の長さは、カッタヘッド本体１４が回転されてスポーク２２がシールドフレーム２の短辺２ａと平行になったとき（図１の状態）、スポーク２２の先端がシールドフレーム２の長辺２ｂに重なるような長さに設定されている。
【００２１】
移動カッタ７は、固定カッタ２１に対して９０度位相をずらして配置されており、カッタヘッド５の回転半径方向と平行な軸に沿って移動可能となっている。移動カッタ７を上記軸に沿って内方又は外方に移動すると、移動カッタ７のビット２４による掘削径が変更されることになる。移動カッタ７を最も内方に移動させると、移動カッタ７の掘削半径がカッタヘッド５の回転中心からシールドフレーム２の長辺２ｂまでの距離と等しくなって固定カッタ２１の掘削半径と等しくなり、移動カッタ７を最も外方に移動させると、移動カッタ７の掘削半径がカッタヘッド５の回転中心からシールドフレーム２の短辺２ａと長辺２ｂとの角部２ｃまでの距離と等しくなる。移動カッタ７は、カッタジャッキ８によって上記軸に沿って内方又は外方に移動される。
【００２２】
カッタジャッキ８は、カッタヘッド５の回転半径方向と平行な軸に沿って配置されており、一端が移動カッタ７に他端がカッタヘッド本体１４に接続されている。詳しくは、カッタジャッキ８は、カッタヘッド本体１４の内部に穴状に形成された断面円形の収容部２５にスライド可能に挿通されたシリンダ２６と、シリンダ２６の内部に収容されたピストン２７と、ピストン２７に連結されたロッド２８と、シリンダ２６の先端を蓋するヘッド２９と、シリンダ２６の基端を蓋すると共にロッド２８が挿通する穴が形成されたロッドカバー３０と、ロッド２８の先端に設けられた基部３１を有し、基部３１がカッタヘッド本体１４にピン３２で固定され、ヘッド２９が連結部材３３を介して移動カッタ７に接続されている。
【００２３】
シリンダ２６の内部は、ピストン２７によって、ヘッド側油圧室３４とロッド側油圧室３５とに仕切られており、ヘッド側油圧室３４に作動油が供給されるとカッタジャッキ８が伸長し、ロッド側油圧室３５に作動油が供給されるとカッタジャッキ８が収縮する。ロッド２８及びピストン２７の内部には、図示しない伸長側作動油通路と収縮側作動油通路とが形成されている。伸長側作動油通路は、一端がロッド２８の端部に開口され、中間がロッド２８の内部に長手方向に沿って形成されてピストン２７を貫通し、他端がヘッド側油圧室３４に開口されている。収縮側作動油通路は、一端がロッド２８の端部に開口され、中間がロッド２８の内部に長手方向に沿って形成された後にピストン２７の内部で折り返され、他端がロッド側油圧室３５に開口されている。
【００２４】
基部３１には、伸長側作動油通路に接続された伸長側作動油配管３６と、収縮側作動油通路に接続された収縮側作動油配管（図示せず）とが装着されている。伸長側作動油配管３６及び収縮側作動油配管は、回転軸１３の内部を通ってロータリージョイント３７に接続されており、ロータリージョイント３７を介して作動油が坑内から供給排出されるようになっている。具体的には、ロータリージョイント３７には、伸長側作動油配管３６に連通する配管３８と収縮側作動油配管に連通する配管３９とが接続されており、これら配管３８、３９に作動油を給排することで、カッタジャッキ８が伸縮されるようになっている。
【００２５】
すなわち、オイルポンプで加圧された作動油をロータリージョイント３７を介してヘッド側油圧室３４に供給すると、カッタジャッキ８が伸長し、ロッド側油圧室３５内の作動油が押し出されてロータリージョイント３７を介して排出されオイルタンクに戻される。また、制御部１０により切換弁４０が切り換えられて、オイルポンプで加圧された作動油がロータリージョイント３７を介してロッド側油圧室３５に供給されると、カッタジャッキ８が収縮すると共に、ヘッド側油圧室３４内の作動油が押し出されてロータリージョイント３７を介して排出されオイルタンクに戻される。
【００２６】
カッタヘッド本体１４の内部に形成された断面円形の穴からなる収容部２５には、カッタジャッキ８のシリンダ２６の側部を摺動可能に支持する軸受部（滑り軸受）９が設けられている。軸受部９は、収容部２５を成す穴の奥側に配設された第１軸受部９ａと、その穴の入口側に配設された第２軸受部９ｂとからなり、これら第１及び第２軸受部９ａ、９ｂは、それぞれ円筒状に形成されていて、上記シリンダ２６の側部を摺動可能に支持する。シリンダ２６の側部と収容部２５を成す穴の内周面との間には僅かな隙間が形成されており、シリンダ２６の側部は、第１軸受部９ａ、第２軸受部９ｂとは接触するが、収容部２５を成す穴の内周面とは接触しないようになっている。
【００２７】
カッタジャッキ８は、カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度に応じて制御部１０によって適宜伸縮され、これにより、移動カッタ７及び固定カッタ２１による掘削断面が、シールドフレーム２に合った断面（矩形断面）とされる。カッタヘッド５の回転角度は、ロータリージョイント３７の後部に設けられた回転角度センサ４１によって検出され、カッタジャッキ８の伸縮ストロークはカッタヘッド５の内部に設けられたストロークセンサ（磁歪式リニア変位センサ）４２によって検出される。そして、制御部１０は、回転角度センサ４１によって検出されたカッタヘッド５の回転角度に応じてカッタジャッキ８の伸縮ストロークを制御（フィードバック制御）し、移動カッタ７及び固定カッタ２１による掘削断面をシールドフレーム２に合った矩形断面としている。
【００２８】
図２は、カッタジャッキ８のストロークを最小として、カッタヘッド５を図１の回転位置から９０度回転させた際に、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の長辺２ｂと重なるようにした断面図であり、図３は、カッタジャッキ８のストロークを中間的として、カッタヘッド５が図１の回転位置のとき、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の短辺２ａと重なるようにした断面図であり、図４は、カッタジャッキ８のストロークを最大として、カッタヘッド５を図１の回転位置から所定角度回転させた際に、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の短辺２ａと長辺２ｂとの角部２ｃと重なるようにした断面図である。
【００２９】
図５は、カッタヘッド５を０度（移動カッタ７が水平の状態）から反時計回りに略９０度回転させた際の移動カッタ７の移動量を示す概略図である。
【００３０】
本実施形態では、４８．８度でカッタジャッキ８のストロークが最大となり、０度付近でカッタジャッキ８のストロークが最小となる。０度から４８度まで６度毎に示し、４８．８度から８４．８度まで６度毎に示している。
【００３１】
図６（ａ）はカッタジャッキ８のストロークが最小の状態（図２の状態）の概略図、図６（ｂ）はカッタジャッキ８のストロークが最大の状態（図４の状態）の概略図である。
【００３２】
Ｆは、カッタヘッド５を回転させた際、移動カッタ７に加わる切羽からの掘削反力がカッタジャッキ８のシリンダ２６に作用する力であり、ａは第１軸受部９ａの中心と第２軸受部９ｂの中心との距離であり、ｂは第２軸受部９ｂの中心と上記力Ｆが作用する点との距離であり、Ｒ１は第１軸受部９ａでの力Ｆに対する反力であり、Ｒ２は第２軸受部９ｂでの力Ｆに対する反力である。また、ｄは第１及び第２軸受部９ａ、９ｂの内径であり、ｈ１は第１軸受部９ａの高さ（長さ）であり、ｈ２は第２軸受部９ｂの高さである。
【００３３】
図６（ａ）、図６（ｂ）において、
モーメントのバランスにより
Ｒ１＝（Ｆ×ｂ）／ａ…（１）
力のバランスにより
Ｒ２＝Ｆ＋Ｒ１…（２）
が得られる。
【００３４】
また、第１軸受部９ａにおける面圧（投影面圧）Ｐ１は
Ｐ１＝Ｒ１／（ｄ×ｈ１）…（３）
第２軸受部９ｂにおける面圧（投影面圧）Ｐ２は
Ｐ２＝Ｒ２／（ｄ×ｈ２）…（４）
となる。
【００３５】
また、Ｆは、カッタジャッキ８のストロークｓｔが長くなるに応じて大きくなり、ｓｔが零のときの初期値をＦｏとすると
Ｆ＝Ｆｏ＋ｆ（ｓｔ）＝Ｆｏ＋ｓｔ…（５）
となる。
【００３６】
ｂも、カッタジャッキ８のストロークｓｔが長くなるに応じて大きくなり、ｓｔが零のときの初期値をｂｏとすると
ｂ＝ｂｏ＋ｓｔ…（６）
となる。
【００３７】
なお、本実施形態では、
ａ ：１１２．５ｃｍ
ｂｏ：５７ｃｍ
Ｆｏ：１５ｔ
ｄ ：３１ｃｍ
ｈ１：１５ｃｍ
ｈ２：３０ｃｍ
である。
【００３８】
また、本実施形態では、カッタヘッド５が１回転する間に６度毎に回転角度センサ４１によってカッタヘッド５の回転角度を検出し、カッタヘッド５が６度回転する毎に制御部１０によりカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御している。
【００３９】
ここで、カッタヘッド５が６度回転するために必要な時間Ｔは、カッタヘッド５の回転速度をＮ〔ｒｐｍ〕とすると
Ｔ＝６０×（６／（３６０×Ｎ））＝１／Ｎ〔秒〕…（７）
となり、カッタヘッド５が６度回転する際のカッタジャッキ８のストロークｓｔの変化量をΔｓｔとすると、カッタヘッド５が６度回転する際に伸縮するカッタジャッキ８の平均伸縮速度Ｖは
Ｖ＝（Δｓｔ／Ｔ）×６０×１０-2〔ｍ／ｍｉｎ〕
＝（Δｓｔ×０．６）／Ｔ〔ｍ／ｍｉｎ〕…（８）
となる。
【００４０】
よって、第１軸受部９ａにおけるＰＶ値は、
Ｐ１×Ｖ〔（ｋｇ／ｃｍ2）・（ｍ／ｍｉｎ）〕…（９）
第２軸受部９ｂにおけるＰＶ値は、
Ｐ２×Ｖ〔（ｋｇ／ｃｍ2）・（ｍ／ｍｉｎ）〕…（１０）
となる。
【００４１】
そして、これらＰＶ値、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖが、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとが、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、制御部１０によって制御されている。
【００４２】
すなわち、制御部１０は、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、カッタヘッド５の回転速度Ｎを変更し、カッタジャッキ８の伸縮速度Ｖを変更する調節機構４３を有し、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に所定値（本実施形態では１０００）以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【００４３】
調節機構４３は、図２に示すように、オイルポンプから油圧モータ１７に至る作動油の配管に設けられたカッタヘッド回転速度調節用可変絞り器４３ａと、オイルポンプからロータリージョイント３７に至る作動油の配管に設けられたカッタジャッキ伸縮速度調節用可変絞り器４３ｂとを有する。制御部１０は、回転角度センサ４１により検出されたカッタヘッド５の回転角度θに基づいて、可変絞り器４３ａの絞り度を制御してカッタヘッド５の回転速度Ｎをカッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御し、可変絞り器４３ｂの絞り度を制御してカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖをカッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【００４４】
この制御は、図７（ａ）、図７（ｂ）のマップＭ１、Ｍ２に基づくマップ制御により成される。すなわち、制御部１０は、回転角度センサ４１で検出されるカッタヘッド５の各回転角度θ（本実施形態では６度毎）において、上記Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が全て所定値（本実施形態では１０００）以下となるカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとが書き込まれたマップＭ１、Ｍ２を有し、これらのマップに基づき、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとをマップ制御する。
【００４５】
また、マップＭ１、Ｍ２には、カッタヘッド５の各回転角度θ（６度毎）においてカッタジャッキ８の目標となるストロークｓｔも書き込まれており、制御部１０は、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御することで、掘削断面をシールドフレーム２に合わせた矩形断面とすると共に、マップＭ１、Ｍ２に基づき、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとをマップ制御する。
【００４６】
マップＭ１、Ｍ２は、図７（ａ）の０度から４８度までのマップＭ１、図７（ｂ）の４８．８度から８４．８度までのマップＭ２のみではなく、０度から３６０度分のものが用意されていることは勿論である。
【００４７】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値は、カッタヘッド５の回転角度θに拘わらず、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値（１０００）以下となっている。
【００４８】
なお、本実施形態では上述したマップ制御を採用したが、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に上記所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、高速演算制御してもよい。
【００４９】
以上説明した異形断面トンネル掘削機１及び異形断面トンネル掘削方法によれば、カッタヘッド５を回転させながら移動カッタ７を適宜往復移動させることで異形断面トンネルを掘削できるので、従来例のように、回転する公転隔壁の上でカッタヘッドを逆回転させたり（特許文献１）、回転するメインカッタヘッドの上でサブカッタヘッドを逆回転させるもの（特許文献２）と比べると、構造が簡単となり、システム全体が低コストとなる。
【００５０】
また、第１軸受部９ａにおけるＰＶ値（Ｐ１×Ｖ）、第２軸受部９ｂにおけるＰＶ値（Ｐ２×Ｖ）は、カッタヘッド５の回転角度θに拘わらず、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値（本実施形態では１０００）以下となっているので、異形断面を切削することに起因して、耐久性が低下したり寿命が短くなることはない。
【００５１】
また、マップＭ１、Ｍ２の数値を適切な値とすることで、第１軸受部９ａのＰＶ値（Ｐ１×Ｖ）、第２軸受部９ｂのＰＶ値（Ｐ２×Ｖ）を、全て所定値（例えば１０００）以下としつつ、カッタヘッド５が１回転する際の平均回転速度を、所定速度（例えば１．０ｒｐｍ）以上とすることが可能である。
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５３】
マップＭ１、Ｍ２は、６度ごとではなく、１度毎、２度毎、３度毎等に作成されてもよいし、これに応じて、回転角度センサ４１も、６度ごとではなく、１度毎、２度毎、３度毎等にカッタヘッド５の回転角度θを検出するものでもよい。
【００５４】
掘削断面が矩形断面に限定されることはなく、楕円断面、馬蹄型断面、おむすび型断面等、円形以外の断面であればどのような断面でもよいことは既述の通りである。この場合、掘削すべき断面の形状に合わせて、マップＭ１、Ｍ２等の数値が書き換えられ、シールドフレーム２の断面形状も掘削すべき断面の形状に合わせた形状となる。
【００５５】
移動カッタ７は、カッタヘッド５の回転によって掘削径を変更できるようになっていればどの方向に移動してもよく、例えば、カッタヘッド５の回転半径に沿った軸上を移動可能となっていてもよい。軸受部９は、２箇所ではなく、３箇所以上であってもよい。ＰＶ値の上限を定める上記所定値は、軸受部９の仕様によって異なり、１０００に限られないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る異形断面トンネル掘削機の正面図である。
【図２】図１の異形断面トンネル掘削機の概略を示す断面図であり、カッタジャッキのストロークを最小として、カッタヘッドを図１の回転位置から９０度回転させた際に、移動カッタの先端がシールドフレームの長辺と重なるようにした断面図である。
【図３】カッタジャッキのストロークを中間的として、カッタヘッドが図１の回転位置のとき、移動カッタの先端がシールドフレームの短辺と重なるようにした断面図である。
【図４】カッタジャッキのストロークを最大として、カッタヘッドを図１の回転位置から所定角度回転させた際に、移動カッタの先端がシールドフレームの短辺と長辺との角部と重なるようにした断面図である。
【図５】カッタヘッドを０度（移動カッタが水平の状態）から９０度回転させた際の移動カッタの移動量を示す概略図である。
【図６】図６（ａ）はカッタジャッキのストロークが最小の状態（図２の状態）の概略図、図６（ｂ）はカッタジャッキのストロークが最大の状態（図４の状態）の概略図である。
【図７】図７（ａ）の０度から４８度までのマップを示す説明図、図７（ｂ）の４８．８度から８４．８度までのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 異形断面トンネル掘削機
２ シールドフレーム
３ 掘削機本体
５ カッタヘッド
７ 移動カッタ
８ カッタジャッキ
９ 軸受部
１０ 制御部
４１ 回転角度センサ
４３ 調節機構
θ 回転角度
Ｎ 回転速度
Ｖ 伸縮速度
Ｐ 面圧
Ｖ 摺接する速度
ｓｔ ストローク
Ｍ１ マップ
Ｍ２ マップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削断面が円形以外の異形断面のトンネルを掘削する異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削断面が円形以外の異形断面（矩形断面、楕円断面等）のトンネルを掘削する異形断面トンネル掘削機として、シールド本体の隔壁に配設されシールド軸心廻りに回転される公転隔壁と、公転隔壁に偏芯して配設されてシールド軸心と平行な軸廻りに回転駆動されるカッタヘッドとを備え、公転隔壁を回転させながらカッタヘッドを逆廻りに回転させるものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、別の異形断面トンネル掘削機として、シールド本体の隔壁に配設されシールド軸心廻りに回転されるメインカッタヘッドと、メインカッタヘッドに配設されて回転駆動されるサブカッタヘッドとを備え、メインカッタヘッドを回転させながらサブカッタヘッドを逆廻りに回転させるものも知られている（特許文献２）。
【０００４】
しかし乍ら、前者の異形断面トンネル掘削機においては、回転する公転隔壁の上でカッタヘッドを逆回転させており、後者の異形断面トンネル掘削機においては、回転するメインカッタヘッドの上でサブカッタヘッドを逆回転させているため、いずれの掘削機においても、各構成要素を回転或いは逆回転させるための機構が複雑にならざるを得ず、コストアップが避けられない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５６９９１号公報
【特許文献２】特開２０００−３１００９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者は、簡単な構造であり低コストで製造できる異形断面トンネル掘削機として、従来より、シールド本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするためカッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が移動カッタに他端がカッタヘッドに接続されて伸縮することで移動カッタを移動させるカッタジャッキと、カッタヘッドに設けられ伸縮するカッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、カッタヘッドが１回転する間に、カッタヘッドの回転角度に応じてカッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とするようにした異形断面トンネル掘削機を開発している。
【０００７】
このような異形断面トンネル掘削機においては、異形断面を切削するために、移動カッタをカッタヘッドの回転径方向外方に移動させながらカッタヘッドを回転させると、移動カッタの径方向外方への移動に伴って切羽を切削する際の荷重が徐々に大きくなる。このため、移動カッタに接続されたカッタジャッキの側部がカッタヘッドに設けられた軸受部に押し付けられる力が徐々に大きくなり、軸受部に生じる面圧Ｐが徐々に大きくなる。また、カッタヘッドが１回転する間、カッタヘッドの回転角度に拘わらずカッタヘッドの回転速度が一定であると、所望の異形断面を切削するためには、カッタヘッドの回転角度によっては、移動カッタを移動させるカッタジャッキの伸長速度、即ちカッタジャッキの側部が軸受部に摺接する速度Ｖを或る程度以上速めなければならない場合も生じる。
【０００８】
この結果、カッタヘッドの回転角度によっては、軸受部において、面圧Ｐと速度Ｖとを乗じた値（所謂ＰＶ値）が許容値を超える可能性もあった。ＰＶ値が許容値を超えると、軸受部の耐久性が悪化し、寿命が短くなってしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、簡単な構造であって低コストで製造でき、且つ耐久性が向上して寿命が延びる異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部と、上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする制御部とを備えた異形断面トンネル掘削機であって、上記制御部は、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて、上記カッタヘッドの回転速度を変更し上記カッタジャッキの伸縮速度を変更する調節機構を有し、上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサを更に備え、上記制御部は、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、上記回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップを有し、該マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする異形断面トンネル掘削方法であって、上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサと、該回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップとを有し、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、上記マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構造であって低コストで製造でき、且つ耐久性が向上して寿命が延びる異形断面トンネル掘削機及び異形断面トンネル掘削方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本実施形態に係る異形断面トンネル掘削機の正面図、図２は図１の異形断面トンネル掘削機の概略側断面図である。
【００１７】
この異形断面トンネル掘削機１は、断面矩形に形成された筒状のシールドフレーム２を有する掘削機本体３と、シールドフレーム２の内部に設けられた隔壁４に切羽に対向して回転可能に設けられたカッタヘッド５と、カッタヘッド５を回転駆動するカッタ回転装置６と、掘削径を可変とするためカッタヘッド６に移動可能に設けられた移動カッタ７と、一端が移動カッタ７に他端がカッタヘッド５に接続されて伸縮することで移動カッタ７を移動させるカッタジャッキ８と、伸縮するカッタジャッキ８の側部を摺動可能に支持するようにカッタヘッド５に設けられた軸受部９と、カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度に応じてカッタジャッキ８のストロークを制御することで、掘削断面をシールドフレーム２に合った矩形断面とする制御部１０とを備えている。
【００１８】
掘削機本体３は、セグメント１１をシールドフレーム２の内周面に沿ってリング状に組み立てるエレクタ（図示せず）と、エレクタによって組み立てられたセグメント（既設セグメント）１１に反力を取ってシールドフレーム２を前進させるシールドジャッキ１２とを有する。シールドフレーム２は、本実施形態では上下に長い矩形断面となっているが、左右に長い矩形断面でもよく、楕円断面、馬蹄型断面、おむすび型断面等、円形以外の断面であればどのような断面でもよい。また、掘削機本体３は、本実施形態では、シールドジャッキ１２で自立的に掘進するシールド掘進機タイプとなっているが、立坑に設けられた元押ジャッキにより鋼管を介して掘削機本体３が前方に押し出される元押し推進タイプであってもよい。
【００１９】
シールドフレーム２の隔壁４には、カッタヘッド５が切羽に対向して回転可能に装着されている。カッタヘッド５は、隔壁４に回転可能に支持された回転軸１３に装着された略直方体形状のカッタヘッド本体１４を有し、このカッタヘッド本体１４は、カッタ回転装置６によって回転駆動される。カッタ回転装置６は、回転軸１３に設けられたギヤ１５と、このギヤ１５に噛合するピニオン１６を有する油圧モータ１７と、油圧モータ１７に作動油を供給排出する油圧回路１８とを有する。油圧モータ１７への作動油の給排の向きを切換弁１９により逆にすることで、油圧モータ１７が逆回転し、カッタヘッド５が逆回転する。なお、本実施形態ではカッタヘッド５を回転駆動するようにしたが、カッタヘッド５を３６０度未満の所定角度範囲（例えば１８０度）で回転方向を切り換えて往復回動させる所謂揺動タイプの駆動方式としてもよい。
【００２０】
カッタヘッド本体１４には、その回転中心にフィシュテールビット２０が設けられている他、固定カッタ２１が固定的に、移動カッタ７が移動可能に、設けられている。固定カッタ２１は、カッタヘッド本体１４から径方向外方に延出されたスポーク２２と、スポーク２２に設けられたビット２３とを有する。スポーク２２は、１８０度間隔で２本設けられており、各スポーク２２の長さは、カッタヘッド本体１４が回転されてスポーク２２がシールドフレーム２の短辺２ａと平行になったとき（図１の状態）、スポーク２２の先端がシールドフレーム２の長辺２ｂに重なるような長さに設定されている。
【００２１】
移動カッタ７は、固定カッタ２１に対して９０度位相をずらして配置されており、カッタヘッド５の回転半径方向と平行な軸に沿って移動可能となっている。移動カッタ７を上記軸に沿って内方又は外方に移動すると、移動カッタ７のビット２４による掘削径が変更されることになる。移動カッタ７を最も内方に移動させると、移動カッタ７の掘削半径がカッタヘッド５の回転中心からシールドフレーム２の長辺２ｂまでの距離と等しくなって固定カッタ２１の掘削半径と等しくなり、移動カッタ７を最も外方に移動させると、移動カッタ７の掘削半径がカッタヘッド５の回転中心からシールドフレーム２の短辺２ａと長辺２ｂとの角部２ｃまでの距離と等しくなる。移動カッタ７は、カッタジャッキ８によって上記軸に沿って内方又は外方に移動される。
【００２２】
カッタジャッキ８は、カッタヘッド５の回転半径方向と平行な軸に沿って配置されており、一端が移動カッタ７に他端がカッタヘッド本体１４に接続されている。詳しくは、カッタジャッキ８は、カッタヘッド本体１４の内部に穴状に形成された断面円形の収容部２５にスライド可能に挿通されたシリンダ２６と、シリンダ２６の内部に収容されたピストン２７と、ピストン２７に連結されたロッド２８と、シリンダ２６の先端を蓋するヘッド２９と、シリンダ２６の基端を蓋すると共にロッド２８が挿通する穴が形成されたロッドカバー３０と、ロッド２８の先端に設けられた基部３１を有し、基部３１がカッタヘッド本体１４にピン３２で固定され、ヘッド２９が連結部材３３を介して移動カッタ７に接続されている。
【００２３】
シリンダ２６の内部は、ピストン２７によって、ヘッド側油圧室３４とロッド側油圧室３５とに仕切られており、ヘッド側油圧室３４に作動油が供給されるとカッタジャッキ８が伸長し、ロッド側油圧室３５に作動油が供給されるとカッタジャッキ８が収縮する。ロッド２８及びピストン２７の内部には、図示しない伸長側作動油通路と収縮側作動油通路とが形成されている。伸長側作動油通路は、一端がロッド２８の端部に開口され、中間がロッド２８の内部に長手方向に沿って形成されてピストン２７を貫通し、他端がヘッド側油圧室３４に開口されている。収縮側作動油通路は、一端がロッド２８の端部に開口され、中間がロッド２８の内部に長手方向に沿って形成された後にピストン２７の内部で折り返され、他端がロッド側油圧室３５に開口されている。
【００２４】
基部３１には、伸長側作動油通路に接続された伸長側作動油配管３６と、収縮側作動油通路に接続された収縮側作動油配管（図示せず）とが装着されている。伸長側作動油配管３６及び収縮側作動油配管は、回転軸１３の内部を通ってロータリージョイント３７に接続されており、ロータリージョイント３７を介して作動油が坑内から供給排出されるようになっている。具体的には、ロータリージョイント３７には、伸長側作動油配管３６に連通する配管３８と収縮側作動油配管に連通する配管３９とが接続されており、これら配管３８、３９に作動油を給排することで、カッタジャッキ８が伸縮されるようになっている。
【００２５】
すなわち、オイルポンプで加圧された作動油をロータリージョイント３７を介してヘッド側油圧室３４に供給すると、カッタジャッキ８が伸長し、ロッド側油圧室３５内の作動油が押し出されてロータリージョイント３７を介して排出されオイルタンクに戻される。また、制御部１０により切換弁４０が切り換えられて、オイルポンプで加圧された作動油がロータリージョイント３７を介してロッド側油圧室３５に供給されると、カッタジャッキ８が収縮すると共に、ヘッド側油圧室３４内の作動油が押し出されてロータリージョイント３７を介して排出されオイルタンクに戻される。
【００２６】
カッタヘッド本体１４の内部に形成された断面円形の穴からなる収容部２５には、カッタジャッキ８のシリンダ２６の側部を摺動可能に支持する軸受部（滑り軸受）９が設けられている。軸受部９は、収容部２５を成す穴の奥側に配設された第１軸受部９ａと、その穴の入口側に配設された第２軸受部９ｂとからなり、これら第１及び第２軸受部９ａ、９ｂは、それぞれ円筒状に形成されていて、上記シリンダ２６の側部を摺動可能に支持する。シリンダ２６の側部と収容部２５を成す穴の内周面との間には僅かな隙間が形成されており、シリンダ２６の側部は、第１軸受部９ａ、第２軸受部９ｂとは接触するが、収容部２５を成す穴の内周面とは接触しないようになっている。
【００２７】
カッタジャッキ８は、カッタヘッド５が１回転する間に、カッタヘッド５の回転角度に応じて制御部１０によって適宜伸縮され、これにより、移動カッタ７及び固定カッタ２１による掘削断面が、シールドフレーム２に合った断面（矩形断面）とされる。カッタヘッド５の回転角度は、ロータリージョイント３７の後部に設けられた回転角度センサ４１によって検出され、カッタジャッキ８の伸縮ストロークはカッタヘッド５の内部に設けられたストロークセンサ（磁歪式リニア変位センサ）４２によって検出される。そして、制御部１０は、回転角度センサ４１によって検出されたカッタヘッド５の回転角度に応じてカッタジャッキ８の伸縮ストロークを制御（フィードバック制御）し、移動カッタ７及び固定カッタ２１による掘削断面をシールドフレーム２に合った矩形断面としている。
【００２８】
図２は、カッタジャッキ８のストロークを最小として、カッタヘッド５を図１の回転位置から９０度回転させた際に、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の長辺２ｂと重なるようにした断面図であり、図３は、カッタジャッキ８のストロークを中間的として、カッタヘッド５が図１の回転位置のとき、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の短辺２ａと重なるようにした断面図であり、図４は、カッタジャッキ８のストロークを最大として、カッタヘッド５を図１の回転位置から所定角度回転させた際に、移動カッタ７の先端がシールドフレーム２の短辺２ａと長辺２ｂとの角部２ｃと重なるようにした断面図である。
【００２９】
図５は、カッタヘッド５を０度（移動カッタ７が水平の状態）から反時計回りに略９０度回転させた際の移動カッタ７の移動量を示す概略図である。
【００３０】
本実施形態では、４８．８度でカッタジャッキ８のストロークが最大となり、０度付近でカッタジャッキ８のストロークが最小となる。０度から４８度まで６度毎に示し、４８．８度から８４．８度まで６度毎に示している。
【００３１】
図６（ａ）はカッタジャッキ８のストロークが最小の状態（図２の状態）の概略図、図６（ｂ）はカッタジャッキ８のストロークが最大の状態（図４の状態）の概略図である。
【００３２】
Ｆは、カッタヘッド５を回転させた際、移動カッタ７に加わる切羽からの掘削反力がカッタジャッキ８のシリンダ２６に作用する力であり、ａは第１軸受部９ａの中心と第２軸受部９ｂの中心との距離であり、ｂは第２軸受部９ｂの中心と上記力Ｆが作用する点との距離であり、Ｒ１は第１軸受部９ａでの力Ｆに対する反力であり、Ｒ２は第２軸受部９ｂでの力Ｆに対する反力である。また、ｄは第１及び第２軸受部９ａ、９ｂの内径であり、ｈ１は第１軸受部９ａの高さ（長さ）であり、ｈ２は第２軸受部９ｂの高さである。
【００３３】
図６（ａ）、図６（ｂ）において、
モーメントのバランスにより
Ｒ１＝（Ｆ×ｂ）／ａ…（１）
力のバランスにより
Ｒ２＝Ｆ＋Ｒ１…（２）
が得られる。
【００３４】
また、第１軸受部９ａにおける面圧（投影面圧）Ｐ１は
Ｐ１＝Ｒ１／（ｄ×ｈ１）…（３）
第２軸受部９ｂにおける面圧（投影面圧）Ｐ２は
Ｐ２＝Ｒ２／（ｄ×ｈ２）…（４）
となる。
【００３５】
また、Ｆは、カッタジャッキ８のストロークｓｔが長くなるに応じて大きくなり、ｓｔが零のときの初期値をＦｏとすると
Ｆ＝Ｆｏ＋ｆ（ｓｔ）＝Ｆｏ＋ｓｔ…（５）
となる。
【００３６】
ｂも、カッタジャッキ８のストロークｓｔが長くなるに応じて大きくなり、ｓｔが零のときの初期値をｂｏとすると
ｂ＝ｂｏ＋ｓｔ…（６）
となる。
【００３７】
なお、本実施形態では、
ａ ：１１２．５ｃｍ
ｂｏ：５７ｃｍ
Ｆｏ：１５ｔ
ｄ ：３１ｃｍ
ｈ１：１５ｃｍ
ｈ２：３０ｃｍ
である。
【００３８】
また、本実施形態では、カッタヘッド５が１回転する間に６度毎に回転角度センサ４１によってカッタヘッド５の回転角度を検出し、カッタヘッド５が６度回転する毎に制御部１０によりカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御している。
【００３９】
ここで、カッタヘッド５が６度回転するために必要な時間Ｔは、カッタヘッド５の回転速度をＮ〔ｒｐｍ〕とすると
Ｔ＝６０×（６／（３６０×Ｎ））＝１／Ｎ〔秒〕…（７）
となり、カッタヘッド５が６度回転する際のカッタジャッキ８のストロークｓｔの変化量をΔｓｔとすると、カッタヘッド５が６度回転する際に伸縮するカッタジャッキ８の平均伸縮速度Ｖは
Ｖ＝（Δｓｔ／Ｔ）×６０×１０-2〔ｍ／ｍｉｎ〕
＝（Δｓｔ×０．６）／Ｔ〔ｍ／ｍｉｎ〕…（８）
となる。
【００４０】
よって、第１軸受部９ａにおけるＰＶ値は、
Ｐ１×Ｖ〔（ｋｇ／ｃｍ2）・（ｍ／ｍｉｎ）〕…（９）
第２軸受部９ｂにおけるＰＶ値は、
Ｐ２×Ｖ〔（ｋｇ／ｃｍ2）・（ｍ／ｍｉｎ）〕…（１０）
となる。
【００４１】
そして、これらＰＶ値、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖが、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとが、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、制御部１０によって制御されている。
【００４２】
すなわち、制御部１０は、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、カッタヘッド５の回転速度Ｎを変更し、カッタジャッキ８の伸縮速度Ｖを変更する調節機構４３を有し、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に所定値（本実施形態では１０００）以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【００４３】
調節機構４３は、図２に示すように、オイルポンプから油圧モータ１７に至る作動油の配管に設けられたカッタヘッド回転速度調節用可変絞り器４３ａと、オイルポンプからロータリージョイント３７に至る作動油の配管に設けられたカッタジャッキ伸縮速度調節用可変絞り器４３ｂとを有する。制御部１０は、回転角度センサ４１により検出されたカッタヘッド５の回転角度θに基づいて、可変絞り器４３ａの絞り度を制御してカッタヘッド５の回転速度Ｎをカッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御し、可変絞り器４３ｂの絞り度を制御してカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖをカッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて制御する。
【００４４】
この制御は、図７（ａ）、図７（ｂ）のマップＭ１、Ｍ２に基づくマップ制御により成される。すなわち、制御部１０は、回転角度センサ４１で検出されるカッタヘッド５の各回転角度θ（本実施形態では６度毎）において、上記Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が全て所定値（本実施形態では１０００）以下となるカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとが書き込まれたマップＭ１、Ｍ２を有し、これらのマップに基づき、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとをマップ制御する。
【００４５】
また、マップＭ１、Ｍ２には、カッタヘッド５の各回転角度θ（６度毎）においてカッタジャッキ８の目標となるストロークｓｔも書き込まれており、制御部１０は、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタジャッキ８のストロークｓｔを制御することで、掘削断面をシールドフレーム２に合わせた矩形断面とすると共に、マップＭ１、Ｍ２に基づき、回転角度センサ４１で検出されたカッタヘッド５の回転角度θに応じてカッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとをマップ制御する。
【００４６】
マップＭ１、Ｍ２は、図７（ａ）の０度から４８度までのマップＭ１、図７（ｂ）の４８．８度から８４．８度までのマップＭ２のみではなく、０度から３６０度分のものが用意されていることは勿論である。
【００４７】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値は、カッタヘッド５の回転角度θに拘わらず、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値（１０００）以下となっている。
【００４８】
なお、本実施形態では上述したマップ制御を採用したが、Ｐ１×Ｖ、Ｐ２×Ｖの値が、カッタヘッド５が１回転する間、共に常に上記所定値以下となるように、カッタヘッド５の回転速度Ｎとカッタジャッキ８の伸縮速度Ｖとを、カッタヘッド５が１回転する間の回転角度θに応じて、高速演算制御してもよい。
【００４９】
以上説明した異形断面トンネル掘削機１及び異形断面トンネル掘削方法によれば、カッタヘッド５を回転させながら移動カッタ７を適宜往復移動させることで異形断面トンネルを掘削できるので、従来例のように、回転する公転隔壁の上でカッタヘッドを逆回転させたり（特許文献１）、回転するメインカッタヘッドの上でサブカッタヘッドを逆回転させるもの（特許文献２）と比べると、構造が簡単となり、システム全体が低コストとなる。
【００５０】
また、第１軸受部９ａにおけるＰＶ値（Ｐ１×Ｖ）、第２軸受部９ｂにおけるＰＶ値（Ｐ２×Ｖ）は、カッタヘッド５の回転角度θに拘わらず、カッタヘッド５が１回転する間、常に所定値（本実施形態では１０００）以下となっているので、異形断面を切削することに起因して、耐久性が低下したり寿命が短くなることはない。
【００５１】
また、マップＭ１、Ｍ２の数値を適切な値とすることで、第１軸受部９ａのＰＶ値（Ｐ１×Ｖ）、第２軸受部９ｂのＰＶ値（Ｐ２×Ｖ）を、全て所定値（例えば１０００）以下としつつ、カッタヘッド５が１回転する際の平均回転速度を、所定速度（例えば１．０ｒｐｍ）以上とすることが可能である。
【００５２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５３】
マップＭ１、Ｍ２は、６度ごとではなく、１度毎、２度毎、３度毎等に作成されてもよいし、これに応じて、回転角度センサ４１も、６度ごとではなく、１度毎、２度毎、３度毎等にカッタヘッド５の回転角度θを検出するものでもよい。
【００５４】
掘削断面が矩形断面に限定されることはなく、楕円断面、馬蹄型断面、おむすび型断面等、円形以外の断面であればどのような断面でもよいことは既述の通りである。この場合、掘削すべき断面の形状に合わせて、マップＭ１、Ｍ２等の数値が書き換えられ、シールドフレーム２の断面形状も掘削すべき断面の形状に合わせた形状となる。
【００５５】
移動カッタ７は、カッタヘッド５の回転によって掘削径を変更できるようになっていればどの方向に移動してもよく、例えば、カッタヘッド５の回転半径に沿った軸上を移動可能となっていてもよい。軸受部９は、２箇所ではなく、３箇所以上であってもよい。ＰＶ値の上限を定める上記所定値は、軸受部９の仕様によって異なり、１０００に限られないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る異形断面トンネル掘削機の正面図である。
【図２】図１の異形断面トンネル掘削機の概略を示す断面図であり、カッタジャッキのストロークを最小として、カッタヘッドを図１の回転位置から９０度回転させた際に、移動カッタの先端がシールドフレームの長辺と重なるようにした断面図である。
【図３】カッタジャッキのストロークを中間的として、カッタヘッドが図１の回転位置のとき、移動カッタの先端がシールドフレームの短辺と重なるようにした断面図である。
【図４】カッタジャッキのストロークを最大として、カッタヘッドを図１の回転位置から所定角度回転させた際に、移動カッタの先端がシールドフレームの短辺と長辺との角部と重なるようにした断面図である。
【図５】カッタヘッドを０度（移動カッタが水平の状態）から９０度回転させた際の移動カッタの移動量を示す概略図である。
【図６】図６（ａ）はカッタジャッキのストロークが最小の状態（図２の状態）の概略図、図６（ｂ）はカッタジャッキのストロークが最大の状態（図４の状態）の概略図である。
【図７】図７（ａ）の０度から４８度までのマップを示す説明図、図７（ｂ）の４８．８度から８４．８度までのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 異形断面トンネル掘削機
２ シールドフレーム
３ 掘削機本体
５ カッタヘッド
７ 移動カッタ
８ カッタジャッキ
９ 軸受部
１０ 制御部
４１ 回転角度センサ
４３ 調節機構
θ 回転角度
Ｎ 回転速度
Ｖ 伸縮速度
Ｐ 面圧
Ｖ 摺接する速度
ｓｔ ストローク
Ｍ１ マップ
Ｍ２ マップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、
掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、
一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、
上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部と、
上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする制御部とを備えた異形断面トンネル掘削機であって、
上記制御部は、
上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて、上記カッタヘッドの回転速度を変更し上記カッタジャッキの伸縮速度を変更する調節機構を有し、
上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、
上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである
ことを特徴とする異形断面トンネル掘削機。
【請求項２】
上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサを更に備え、
上記制御部は、
上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、
上記回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップを有し、
該マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するものである
請求項１に記載の異形断面トンネル掘削機。
【請求項３】
掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、
掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、
一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、
上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、
上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする異形断面トンネル掘削方法であって、
上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、
上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御する
ことを特徴とする異形断面トンネル掘削方法。
【請求項４】
上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサと、
該回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップとを有し、
上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、
上記マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するようにした
請求項３に記載の異形断面トンネル掘削方法。
【請求項１】
掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、
掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、
一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、
上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部と、
上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする制御部とを備えた異形断面トンネル掘削機であって、
上記制御部は、
上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて、上記カッタヘッドの回転速度を変更し上記カッタジャッキの伸縮速度を変更する調節機構を有し、
上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、
上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御するものである
ことを特徴とする異形断面トンネル掘削機。
【請求項２】
上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサを更に備え、
上記制御部は、
上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、
上記回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップを有し、
該マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するものである
請求項１に記載の異形断面トンネル掘削機。
【請求項３】
掘削機本体に切羽に対向して設けられて回転駆動されるカッタヘッドと、
掘削径を可変とするため上記カッタヘッドに移動可能に設けられた移動カッタと、
一端が上記移動カッタに他端が上記カッタヘッドに接続されて伸縮することで上記移動カッタを移動させるカッタジャッキと、
上記カッタヘッドに設けられ、伸縮する上記カッタジャッキの側部を摺動可能に支持する軸受部とを備え、
上記カッタヘッドが回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とする異形断面トンネル掘削方法であって、
上記カッタヘッドの回転に伴い上記移動カッタに接続された上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に押し付けられて上記軸受部に生じる面圧をＰとし、上記移動カッタの移動に伴い伸縮する上記カッタジャッキの側部が上記軸受部に摺接する速度をＶとすると、
上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が、上記カッタヘッドが回転する間、常に所定値以下となるように、上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とを、上記カッタヘッドが回転する間の回転角度に応じて制御する
ことを特徴とする異形断面トンネル掘削方法。
【請求項４】
上記カッタヘッドが１回転する間に、上記カッタヘッドの回転角度を所定角度毎に検出する回転角度センサと、
該回転角度センサで検出される上記カッタヘッドの各回転角度において、上記面圧Ｐに上記速度Ｖを乗じた値が全て上記所定値以下となる上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とが書き込まれたマップとを有し、
上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタジャッキのストロークを制御することで、掘削断面を円形以外の異形断面とすると共に、
上記マップに基づき、上記回転角度センサで検出された上記カッタヘッドの回転角度に応じて上記カッタヘッドの回転速度と上記カッタジャッキの伸縮速度とをマップ制御するようにした
請求項３に記載の異形断面トンネル掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１１６７２６（Ｐ２０１０−１１６７２６Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０８２９（Ｐ２００８−２９０８２９）
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
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