特許 7174379 トンネル掘削機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-09

(45)【発行日】2022-11-17

(54)【発明の名称】トンネル掘削機

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20221110BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 E

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2019071039

(22)【出願日】2019-04-03

(65)【公開番号】P2020169481

(43)【公開日】2020-10-15

【審査請求日】2021-11-02

(73)【特許権者】

【識別番号】516308364

【氏名又は名称】ＪＩＭテクノロジー株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】391005950

【氏名又は名称】株式会社東横エルメス

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100078499

【氏名又は名称】光石 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】230112449

【弁護士】

【氏名又は名称】光石 春平

(74)【代理人】

【識別番号】100102945

【氏名又は名称】田中 康幸

(74)【代理人】

【識別番号】100120673

【弁理士】

【氏名又は名称】松元 洋

(72)【発明者】

【氏名】山田 剛史

(72)【発明者】

【氏名】西渕 雅之

(72)【発明者】

【氏名】新木 健司

(72)【発明者】

【氏名】中野 聡

(72)【発明者】

【氏名】宮川 勝洋

(72)【発明者】

【氏名】小林 敏之

(72)【発明者】

【氏名】高野 晶平

(72)【発明者】

【氏名】門間 智之

(72)【発明者】

【氏名】峯尾 卓光

【審査官】五十幡 直子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－００５３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０３７２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２６０６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－１２４４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０１４３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １／００－９／１４

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スキンプレートと、
中折れジャッキ又はシールドジャッキと、
前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、
前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、トンネル掘削機の掘削における諸抵抗の総和を求め、前記諸抵抗の総和に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするトンネル掘削機。

【請求項2】

スキンプレートと、
カッタヘッド用モータと、
前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、
前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、周方向の摺動抵抗を推定し、前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記カッタヘッド用モータを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするトンネル掘削機。

【請求項3】

スキンプレートと、
中折れジャッキ又はシールドジャッキと、
前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、
前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、周方向の摺動抵抗を推定し、前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするトンネル掘削機。

【請求項4】

前記センサは、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項5】

前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサを装備したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項6】

前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知するセンサを装備したことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項7】

前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項8】

前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知する前記センサ又は前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知する前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする請求項５に記載のトンネル掘削機。

【請求項9】

前記センサのいずれか一種類は、周方向に複数設けられることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項10】

前記センサのいずれか一種類は、トンネル延伸方向に複数設けられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項11】

トンネル掘削機のチャンバー内の土とバルクヘッド又はスキンプレート内周面との周方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサを装備したことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。

【請求項12】

前記センサは、前記チャンバー内の土水圧を検知することを特徴とする請求項１１に記載のトンネル掘削機。

【請求項13】

前記センサは、前記チャンバー内に複数設けられることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のトンネル掘削機。

【請求項14】

スキンプレートと、
カッタヘッド用モータと、
前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサと、
前記センサで検知された前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記カッタヘッド用モータを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするトンネル掘削機。

【請求項15】

スキンプレートと、
中折れジャッキ又はシールドジャッキと、
前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサと、
前記センサで検知された前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするトンネル掘削機。

【請求項16】

前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知するセンサを装備したことを特徴とする請求項１４又は１５に記載のトンネル掘削機。

【請求項17】

前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする請求項１４又は１５に記載のトンネル掘削機。

【請求項18】

前記センサを機内に取り込むことが可能な機構を備えることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のトンネル掘削機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル掘削機に関する。詳しくは、過負荷によるマシンの損傷を防止し、安定したトンネル施工に役立つトンネル掘削機に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、トンネル掘削機（シールドマシン）においては、カッタヘッドを回転させ、そのカッタヘッドの前面に装着された複数のカッタが前方の地盤に切羽を形成することにより、トンネルを掘削する。
ここで、トンネル掘削機のスキンプレート（外殻）の摺動抵抗は、直接検知することは難しいと考えられており、油圧シリンダの作動圧力及び土圧計の計算値を理論式に当てはめて推測していた。

【0003】

掘削機の掘削における諸抵抗の総和Ｆｎは以下の理論式（１）となる。
Ｆｎ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４＋Ｆ５ …（１）
ここで、
Ｆ１：シールド外周面と土との摩擦抵抗或いは粘着抵抗、即ち、トンネル延伸方向の摩擦抵抗
Ｆ２：切羽前面抵抗
Ｆ３：曲線施工等の変向荷重による推進抵抗
Ｆ４：テール内でのセグメントとテールシール部との摩擦抵抗
Ｆ５：後続台車の牽引抵抗

【0004】

掘削機が前方の壁を押す力が、諸抵抗の総和Ｆｎより強すぎると、地面（地表）が盛り上がることがある。弱すぎると、掘削機が押し戻されてしまう。また、局所に集中して負荷が作用すると掘削機が損傷することがある。
なお、掘削機のローリングは、傾斜計にて事後的に把握していた。
掘削機ではなく、ケーソン向けの周面摩擦計又は壁面土圧計については、特許文献１，２に記載されている。

【0005】

また、トンネル掘削機向けの土水圧力・せん断力測定センサ又はせん断力計については、特許文献３，４，５に記載されている。特許文献３，４，５に記載されるセンサは、カッタヘッドの前面、カッタスポーク等に設けられ、掘削する（取り込む土砂）からの土水圧力及びせん断力を測定することにより、主として、チャンバー内の土の性質測定評価に利用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許１１３２３０９公報

【文献】実用新案登録第３２０８７８４号公報

【文献】特開２０１７－９６０４９号公報

【文献】特開２０１６－１３０４０６号公報

【文献】特開２０１７－１０１４３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、スキンプレートに作用する摺動抵抗は、理論式である程度把握することは可能であるが、正確ではなかった。例えば、前・後胴の個別の摩擦力や、円周方向（角度）における抵抗や、土質や掘削条件による粘着力・摩擦係数を把握できなかった。

【0008】

特許文献１，２に開示される周面摩擦計又は壁面土圧計は、類似の使用用途としてケーソンにて使用されているに過ぎず、トンネル延伸方向の摺動抵抗を検知するものではなく、また、ローリング力を想定していないため検知することはできず強度も考慮されていなかった。
また、特許文献３，４，５に開示されるトンネル掘削機向けの土水圧力・せん断力測定センサ又はせん断力計は、チャンバー内の土の性質測定評価に利用されているだけであり、過負荷によるマシンの損傷を防止し、安定したトンネル施工に役立つものではなかった。

【0009】

また、ローリングは、未然に防ぐ方法はなく、姿勢を把握するだけであった。

【0010】

本発明は、上記技術的課題に鑑み、過負荷によるマシンの損傷を防止し、安定したトンネル施工に役立つトンネル掘削機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するための第１の発明に係るトンネル掘削機は、スキンプレートと、中折れジャッキ又はシールドジャッキと、前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、トンネル掘削機の掘削における諸抵抗の総和を求め、前記諸抵抗の総和に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。
上記課題を解決するための第２の発明に係るトンネル掘削機は、スキンプレートと、カッタヘッド用モータと、前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、周方向の摺動抵抗を推定し、前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記カッタヘッド用モータを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。
上記課題を解決するための第３の発明に係るトンネル掘削機は、スキンプレートと、中折れジャッキ又はシールドジャッキと、前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサと、前記センサで検知された前記トンネル延伸方向の摺動抵抗に基づいて、周方向の摺動抵抗を推定し、前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

【0012】

上記課題を解決するための第４の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第３のいずれか１つの発明に係るトンネル掘削機において、前記センサは、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知することを特徴とする。

【0013】

上記課題を解決するための第５の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第３のいずれか１つの発明に係るトンネル掘削機において、前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサを装備したことを特徴とする。

【0014】

上記課題を解決するための第６の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第５のいずれか１つの発明に係るトンネル掘削機において、前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知するセンサを装備したことを特徴とする。

【0015】

上記課題を解決するための第７の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第４のいずれか１つの発明に係るトンネル掘削機において、前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする。

【0016】

上記課題を解決するための第８の発明に係るトンネル掘削機は、上記第５の発明に係るトンネル掘削機において、前記スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知する前記センサ又は前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知する前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする。

【0017】

上記課題を解決するための第９発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第８のいずれか１つの発明に係るトンネル掘削機において、前記センサのいずれか一種類は、周方向に複数設けられることを特徴とする。

【0018】

上記課題を解決するための第１０の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第９のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記センサのいずれか一種類は、前記スキンプレートのトンネル延伸方向に複数設けられていることを特徴とする。

【0019】

上記課題を解決するための第１１の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第１０のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、チャンバー内の土とバルクヘッド又はスキンプレート内周面との周方向の摺動抵抗を検知するセンサを装備したことを特徴とする。
期待する効果としては、第１～１０の発明において検知するスキンプレート外面における延伸方向と周方向の摺動抵抗に加えて、カッタの回転によって発生するチャンバー内の土がマシンのバルクヘッドやスキンプレート内周面に与える回転方向の力（摺動抵抗として検出）を組み合わせて解析することにより，マシンのローリングの作用力をより詳細に把握することができ、マシンのローリング制御（発生防止）に一段の効果がある。例えば、カッタの正転・逆転の回転方向によって、ローリングの作用力が低減しているか否かの確認などが可能である。

【0020】

上記課題を解決するための第１２の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１１の発明に係るトンネル掘削機において、前記センサは、前記チャンバー内の土水圧を検知することを特徴とする。

【0021】

上記課題を解決するための第１３の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１１又は第１２の発明に係るトンネル掘削機において、前記チャンバー内に複数設けられることを特徴とする。

【0022】

上記課題を解決するための第１４の発明に係るトンネル掘削機は、スキンプレートと、カッタヘッド用モータと、前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサと、前記センサで検知された前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記カッタヘッド用モータを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。
上記課題を解決するための第１５の発明に係るトンネル掘削機は、スキンプレートと、中折れジャッキ又はシールドジャッキと、前記スキンプレートに装備され、前記スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を検知するセンサと、前記センサで検知された前記周方向の摺動抵抗に基づいて前記スキンプレートのローリングの挙動を検知し、前記ローリングの挙動の検知結果に基づいて前記中折れジャッキ又は前記シールドジャッキを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

【0023】

上記課題を解決するための第１６の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１４又は第１５の発明に係るトンネル掘削機において、前記スキンプレートに、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知するセンサを装備したことを特徴とする。

【0024】

上記課題を解決するための第１７の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１４又は第１５の発明に係るトンネル掘削機において、前記センサは、前記スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知することを特徴とする。
上記課題を解決するための第１８の発明に係るトンネル掘削機は、上記第１から第１７のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記センサを機内に取り込むことが可能な機構を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0025】

本発明は、トンネル掘削機のスキンプレートに、スキンプレート外周面と土砂との間のトンネル延伸方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサを装備したので、推定値に頼ることなく、トンネル延伸方向の摺動抵抗をリアルタイムに把握することができる。

【0026】

このように推進方向の摺動抵抗を把握することにより、過負荷での押し付けの抑制や、押し付ける荷重分布を最適化する事が可能となる。

【0027】

また、トンネル掘削機のスキンプレートに、スキンプレート外周面と土砂との間の周方向の摺動抵抗を直接に検知するセンサを装備すると、掘削機本体及びスキンプレートに作用するローリング力を把握することができる。

【0028】

このように周方向の摺動抵抗（ローリング力）を把握することで、掘削機本体及びスキンプレートが回転（ローリング）したと判断でき、そのときは、掘削機本体及びスキンプレートの僅かな連れ周りを防止するためにカッタヘッドを逆回転させる。また、その際のローリング力を基準にして、掘削機本体及びスキンプレートのローリングを発生させない為の閾値をカッタヘッド回転用モータに設定する事が可能となる。または、シールドジャッキや中折れジャッキの推力を制御して掘削機を前方に押し付ける力を管理する事でローリングを低減することが可能となる。更に、ローリングを実際起こさなくてもトンネル延伸方向の摺動抵抗から周方向の摺動抵抗を推定しローリング力の基準をリアルタイムに設けることも可能である。

【0029】

言い換えると、マシン外面での周方向の摺動抵抗とマシンのローリングとしての挙動の関係については、カッタ回転などのローリングを起こそうとする力をマシン外面での摩擦力として周方向の摺動抵抗で受けており、ローリングを起こしていない状態は静止摩擦として摺動抵抗が発生する。これがローリングを起こしたときには、状態が静止摩擦から動摩擦に変わるため（周方向の）摺動抵抗の値に変化が生じると共に、掘削機としては掘削機本体に装備している傾斜計がローリングの発生を検知する。よって、この周方向の摺動抵抗の値を管理することで、掘削機のローリングを管理することができる。即ち、摺動抵抗が静止摩擦状態にあることを検知していれば、ローリングの発生はなく、抵抗値の変化により、ローリングが発生したとなれば、カッタの回転の方向を切り換える等して、ローリングの解消を図る。また、ローリングが未発生の状態でも、静止摩擦の限界近くでローリングの発生のリスクが高まっている場合などは、推力を下げ、カッタ回転に対する負荷を下げることで、ローリングを起こそうとする力を低減させるなど、ローリング発生防止の管理が可能となる。

【0030】

更に、トンネル掘削機のスキンプレートに、スキンプレート外周面に半径方向外側から作用する土水圧力を検知するセンサを装備すると、作用荷重の把握、土の性状の推定を行える。

【0031】

また、上記センサを複数配置することで、トンネル延伸方向又は周方向の摺動抵抗及び半径方向外側から作用する土水圧力の分布を把握することができる。これにより、土質や掘削条件による摺動抵抗や摩擦係数・粘着力を把握することが可能となる。特に、不安定な地山でのトンネル掘削機に作用する荷重の把握に好適である。

【0032】

なお、上記センサは、トンネル延伸方向又は周方向の摺動抵抗及び半径方向外側から作用する土水圧力を各々検知する個別のものでも良いが、これらを同時に検知するものとすれば、省スペースで配置することができる。

【0033】

更に、発進時に過剰な荷重がかかるのを防ぐために、発進前は、センサを機内に取り込んでおける伸縮機構を設けると良い。

【0034】

結果として、本発明は、機械保護によるマシン信頼性の向上や状態監視による安定したトンネル施工が実現可能となると共に、収集した土質の摩擦係数や粘着力を活用して、類似土質における掘削に対してより信頼性のある設計を行うことができる。

【0035】

言い換えると、掘削機の各部に作用している荷重と掘削機を作動させている駆動力との関係を適切に把握することができるので、地山側に過剰な負荷をかけることなく、また、掘削機側にも過剰な負荷をかけることなく、安全且つ適切に掘削を施工することができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の実施例に係るトンネル掘削機を説明する概略図である。

【図2】図１のＡ‐Ａ矢視に相当する概略図である。

【図3】図１のＢ‐Ｂ矢視に相当する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、本発明に係るトンネル掘削機について、図面を参照して詳細に説明する。

【実施例】

【0038】

本実施例に係るトンネル掘削機の構成について図１，２，３を用いて説明する。
図１は、本実施例に係るトンネル掘削機１０を説明する概略図であり、図２は、図１のＡ‐Ａ矢視に相当する概略図である。図３は、図１のＢ－Ｂ矢視に相当する概略図で、掘削機のバルクヘッド部を示すものである。

【0039】

図１に示すように、本実施例のトンネル掘削機１０は、カッタヘッド１１の後方に掘削機本体の外殻としてスキンプレート１２が配置され、そのスキンプレート１２の後方にセグメント１３が配置されている。トンネル掘削機１０の外部は、土砂２０である。

【0040】

スキンプレート１２は、円筒状をなす前胴１２ａと後胴１２ｂとからなり、前胴１２ａ及び後胴１２ｂの内側には、図２に示すように、周方向に複数箇所の中折れジャッキ１６が配置されている。

【0041】

前胴１２ａと後胴１２ｂには、それぞれ、スキンプレート外周面と土砂との間の、図中矢印ａで示すトンネル延伸方向（以下、１軸方向という）の摺動抵抗を直接に検知する摺動抵抗検知センサ１４が周方向等間隔に４個装備されている。従って、前後方向については、２カ所に摺動抵抗検知センサ１４が並設されていることになる。また、チャンバー内の土砂とバルクヘッド２１との周方向の摺動抵抗を検知する為にバルクヘッド２１に摺動抵抗検知センサ１４が４個装備されている。つまり、摺動抵抗検知センサ１４は、合計では１２カ所に装備されている。図中、２２はカッタ駆動部、２３は排土装置である。

【0042】

このように１軸方向の摺動抵抗を直接に検知する摺動抵抗検知センサ１４を設けたので、推定値に頼ることなく、１軸方向の摺動抵抗をリアルタイムに把握することができる。

【0043】

また、複数の摺動抵抗検知センサ１４を装備すると、前胴１２ａ（延伸方向前側）で４カ所、後胴１２ｂ（延伸方向後側）で４カ所、合計８カ所のトンネル延伸方向の摺動抵抗の分布をリアルタイムで把握できる。また、摺動抵抗の分布に代えて、複数の摺動抵抗検知センサ１４で検知したトンネル延伸方向の摺動抵抗の平均値を求めても良い。

【0044】

なお、前胴１２ａと後胴１２ｂとは、異なる半径で仕上がっている事があり、例えば、前胴１２ａが後胴１２ｂよりも太径であることや、逆に、前胴１２ａが後胴１２ｂよりも細径であることがあり、そのような場合には、太径の方がトンネル延伸方向の摺動抵抗は大きいと想定される。そのため、前後方向の２カ所の摺動抵抗検知センサ１４でそれぞれ摺動抵抗を検知することが有効である。

【0045】

また、中折れジャッキ１６の長さを調節して、カーブを掘削する場合、カーブの内周側に比較し、カーブの外周側ではトンネル延伸方向の摺動抵抗は大きいと想定される。そのため、上下または左右の対称位置２か所以上及び前後方向の２列以上の摺動抵抗検知センサ１４でそれぞれ摺動抵抗を検知することが有効である。

【0046】

なお、本実施例では、スキンプレート１２は、前胴１２ａと後胴１２ｂとからなるが、一つの胴体からなる場合でも、摺動抵抗検知センサ１４を数多く設ける事により、より正確な情報が入手可能である。その場合には、中折れジャッキ１６に代えて一般的なシールドジャッキを使用する。

【0047】

１軸方向の摺動抵抗を検知する摺動抵抗検知センサ１４の何れかに代えて、スキンプレート外周面と土砂との間の、図中矢印ｂで示す周方向（以下、２軸方向という）の摺動抵抗を検知できるセンサ、または、スキンプレート外周面に、図中矢印ｃで示す半径方向外側（以下、３軸方向という）から作用する土水圧力を検知するセンサを使用しても良い。

【0048】

例えば、２軸方向の摺動抵抗を検知できる摺動抵抗検知センサ１４を使用すると、掘削機本体、スキンプレート１２及びバルクヘッド２１に作用するローリング力をリアルタイムで把握することが可能となる。
即ち、カッタヘッド１１は回転するのに対して、掘削機本体であるスキンプレート１２及びバルクヘッド２１は、回転しないが、静止摩擦としての周方向の摺動抵抗を検出する。

【0049】

しかし、カッタヘッド１１に連れ回されて掘削機本体及びスキンプレート１２も幾分か回転（ローリング）することがある。この場合、周方向の摺動抵抗は静止摩擦から動摩擦への切り替わりとして不連続な値を検出することで、ローリングの挙動を検知することができる。そのようなときのために、２軸方向の摺動抵抗を摺動抵抗検知センサ１４により検知するのである。

【0050】

一方、３軸方向から作用する土水圧力を検知するセンサ１４を使用すると、通常一般に行われることであるが、作用荷重の把握及び土の性状の推定が可能となる。

【0051】

また、各センサ１４として、トンネル延伸方向（１軸方向）・周方向（２軸方向）の摺動抵抗及び半径方向外側（３軸方向）からの土水圧力を同時に検知できるセンサ（いわゆる多軸センサ）を使用することもできる。つまり、多軸方向を検知できるセンサは、個別の各軸方向を検知するセンサを個別に設ける場合に比較して、省スペースとなる利点がある。

【0052】

上記センサ１４としては、ひずみゲージを利用したものが一般的であるが、多軸センサとしては、特許文献１，２で開示されているものが使用可能である。

【0053】

なお、上述した各センサ１４は、発進時に過剰な荷重がかかるのを防ぐために、発進前は、センサ１４を機内に取り込んでおける伸縮機構（図示省略）を設けると良い。

【0054】

即ち、各センサ１４は、発進前の状態として、スキンプレート１２から控えて収納されている。発進後は、各センサ１４は、確実な検知を行うために伸縮機構によりスキンプレート１２と略面一状態に移行する。

【0055】

また、上述した各センサ１４は、コントローラ１５に接続され、各センサ１４で検知されたトンネル延伸方向の摺動抵抗等の信号がコントローラ１５へ送られることになる。
コントローラ１５は、中折れジャッキ１６に接続されると共に、カッタヘッド１１を回転させるためのカッタヘッド用モータ（図示せず）に接続されている。

【0056】

コントローラ１５は、各センサ１４で検知されたトンネル延伸方向の摺動抵抗等の信号を蓄積すると共に解析し、解析結果に基づいて、中折れジャッキ１６及びカッタヘッド用モータを制御する。

【0057】

具体的には、コントローラ１５は、各センサ１４で検知されたトンネル延伸方向の摺動抵抗を理論式（１）のＦ１に実測値として代入して諸抵抗の総和Ｆｎを求め、諸抵抗の総和Ｆｎに基づき、中折れジャッキ１６に供給する油圧を調整し、過負荷での押し付けの抑制や、押し付ける荷重分布を最適化する。

【0058】

また、コントローラ１５は、周方向の摺動抵抗を把握する事で、掘削機本体及びスキンプレート１２が回転（ローリング）したと判断でき、掘削機本体及びスキンプレート１２の僅かな連れ周りを防止するためにカッタヘッド１１を逆回転させる。また、その際のローリング力を基準にして、掘削機本体及びスキンプレート１２のローリングを発生させない為の閾値をカッタヘッド回転用モータに設定することもできる。または、シールドジャッキや中折れジャッキの推力を制御して掘削機を前方に押し付ける力を管理することでローリングを低減することもできる。

【0059】

更に、コントローラ１５は、各センサ１４で検知されたトンネル延伸方向の摺動抵抗から周方向の摺動抵抗を推定し、実際のローリングがなくてもローリング力の基準値をリアルタイムに設定する事も可能である。

【0060】

更に、コントローラ１５は、各センサ１４で検知されたトンネル延伸方向及び周方向の摺動抵抗から、地山とのトンネル延伸方向及び周方向の粘着力や摩擦係数を算出することも可能である。

【0061】

結果として、機械保護によるマシン信頼性の向上や状態監視による安定したトンネル施工が実現可能となると共に、収集した土質の摩擦係数や粘着力を活用して、類似土質における掘削に対してより信頼性のある設計を行うことができる。

【0062】

言い換えると、掘削機の各部に作用している荷重と掘削機を作動させている駆動力との関係を適切に把握することができるので、地山側に過剰な負荷をかけることなく、また、掘削機側にも過剰な負荷をかけることなく、安全且つ適切に掘削を施工することができる。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、過負荷によるマシンの損傷を防止し、安定したトンネル施工に役立つトンネル掘削機として産業上利用可能なものである。

【符号の説明】

【0064】

１０ トンネル掘削機
１１ カッタヘッド
１２ スキンプレート
１２ａ 前胴
１２ｂ 後胴
１３ セグメント
１４ 摺動抵抗検知センサ
１５ コントローラ
１６ 中折れジャッキ
２０ 土砂
２１ バルクヘッド
２２ カッタ駆動部
２３ 排土装置

【図1】

【図2】

【図3】