JPH0988481A

JPH0988481A - トンネル掘削機

Info

Publication number: JPH0988481A
Application number: JP24717095A
Authority: JP
Inventors: Shiro Motomura; 士郎本村; Akio Tanaka; 昭夫田中; Makoto Samejima; 誠鮫島; Fumihiko Ishise; 文彦石瀬; Takeshi Matsuura; 武松浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】トンネル掘削機において、トンネル掘削時の
十分な掘進力を確保すると共に掘削反力を確実に受け止
め可能とする。【解決手段】前胴１１と後胴１２との間に架設された
パラレルリンク機構２０のスラストジャッキ１７の推力
を圧力検出器２２ａ，２２ｂに基づいて検出すると共
に、前胴１１に装着されたカッタヘッド１３の位置及び
姿勢をストローク検出器２１に基づいて検出し、スラス
トジャッキ１７の推力検出値とカッタヘッド１３の位置
姿勢検出値に基づいてパラレルリンク機構２０のラジア
ル方向発生力の力ベクトルを演算し、この力ベクトルが
予め設定された所定値以下となるように既設のトンネル
内壁面に圧接して前胴１１を位置保持する前部グリッパ
１５を駆動制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機、
特に、岩盤などを掘削してトンネルを構築するするトン
ネルボーリングマシンに装着されて前胴を位置保持する
前部グリッパの駆動制御装置、並びに、この前部グリッ
パの駆動制御装置が装着されたトンネル掘削機及びトン
ネル掘削方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来のトンネルボーリングマシン
の概略を示す。トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）
は、図６に示すように、掘削機本体は互いに摺動自在に
連結された筒状をなす前胴１１及び後胴１２から構成さ
れている。そして、前胴１１の前部には駆動回転自在な
カッタヘッド１３が装着され、このカッタヘッド１３に
は前面に岩盤を掘削するカッタビット１４が多数取付け
られている。また、前胴１１には掘削形成したトンネル
の内壁面に圧接してこの前胴１１を位置保持する複数の
フロントグリッパ１５が装着されている。一方、後胴１
２には掘削形成したトンネルの内壁面に圧接してこの後
胴１２を位置保持する複数のリヤグリッパ１６が装着さ
れている。そして、前胴１１と後胴１２との間には６本
以上のスラストジャッキ１７がトラス状に架設され、各
端部が自在軸受１８，１９によって連結されてなるパラ
レルリンク機構２０が設けられている。

【０００３】従って、リヤグリッパ１６によって後胴１
２を位置保持する一方、フロントグリッパ１５によって
前胴１１の位置保持を解除した状態で、カッタヘッド１
３を回転駆動しながらパラレルリンク機構２０の複数の
スラストジャッキ１７を伸長させると、多数のカッタビ
ット１４が前方の岩盤を掘削ながら前胴１１が前進す
る。そして、各スラストジャッキ１７が全ストローク伸
長すると、フロントグリッパ１５によって前胴１１を位
置保持する一方、リヤグリッパ１６によって後胴１２の
位置保持を解除する。この状態で、複数のスラストジャ
ッキ１７を収縮させると、前胴１１に対して後胴１２が
引き寄せられて前進する。その後、前述したように、リ
ヤグリッパ１６によって後胴１２を位置保持する一方、
フロントグリッパ１５によって前胴１１の位置保持を解
除し、カッタヘッド１３を回転駆動しながら複数のスラ
ストジャッキ１７を伸長させることで、多数のカッタビ
ット１４によって岩盤を掘削して前進する。この繰り返
しによって所定長さのトンネルを構築していく。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のＴＢＭ
によって岩盤を掘削してトンネルを形成していく場合、
フロントグリッパ１５を前胴１１内に収納してこの前胴
１１の位置保持を解除した状態で、カッタヘッド１３を
回転駆動しながらスラストジャッキ１７を伸長して前胴
１１を前進させることで、前方の岩盤を掘削する。とこ
ろが、このとき、自重による前胴１１の前下がりを防止
するため、複数のフロントグリッパ１５のうち前胴１１
の下側に位置するものだけは突出させてトンネル内壁面
に接地させることがある。

【０００５】また、掘削機本体の推進及び操向手段にパ
ラレルリンク機構２０を適用すると、このパラレルリン
ク機構２０自体が掘進力を出しながら、同時に、カッタ
ヘッド１３の掘削反力を受けることとなり、パラレルリ
ンク機構２０にはスラスト荷重ばかりでなく、ラジアル
荷重も作用することとなる。しかし、パラレルリンク機
構２０はスラスト荷重は十分に受けることができるもの
の、ラジアル荷重に対しては十分でなく、掘削機本体の
曲進時に必要とされる大きなラジアル荷重に対応すると
共に、所定の掘進精度を確保するためには、スラストジ
ャッキ１７を大型化しなければならず、装置が大型化し
てしまうと共にコスト高となってしまうという問題があ
った。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、掘削機によるトンネル掘削時の十分な掘進力を
確保すると共に掘削反力を確実に受け止めることのでき
るスラスト力及びラジアル力を出力することのできる前
部グリッパの駆動制御装置及びトンネル掘削機、トンネ
ル掘削方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の前部グリッパの駆動制御装置は、掘削機本
体が筒状をなす前後一対の胴から構成されると共に該前
胴と後胴とが少なくとも６本のスラストジャッキがトラ
ス状に架設されてなるパラレルリンク機構によって連結
され、該前胴に駆動回転自在なカッタヘッドと共に装着
された既設のトンネル内壁面に圧接して該前胴を位置保
持する一対の前部グリッパを駆動制御する前部グリッパ
駆動制御装置において、前記各スラストジャッキの推力
を検出する推力検出手段と前記カッタヘッドの位置及び
姿勢を検出するカッタヘッド位置姿勢検出手段とを設
け、前記推力検出手段によって検出された各スラストジ
ャッキの推力検出値とカッタヘッド位置姿勢検出手段に
よって検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づい
て前記パラレルリンク機構のラジアル方向発生力の力ベ
クトルを演算して該力ベクトルが予め設定された所定値
以下となるように前記前部グリッパを駆動制御すること
を特徴とするものである。

【０００８】従って、トンネル掘削時に、前胴のカッタ
ヘッドが駆動回転しながら、パラレルリンク機構を作動
することで各スラストジャッキを伸長すると、後胴に対
して前胴が前進し、前方の岩盤を掘削する。このとき、
推力検出手段が各スラストジャッキの推力を検出すると
共にカッタヘッド位置姿勢検出手段がカッタヘッドの位
置及び姿勢を検出し、検出された各スラストジャッキの
推力検出値とカッタヘッド位置姿勢検出値に基づいてパ
ラレルリンク機構のラジアル方向発生力の力ベクトルを
演算してこの力ベクトルが予め設定された所定値以下と
なるように前部グリッパを駆動制御すると、この一対の
前部グリッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力に
よってパラレルリンク機構のラジアル方向に作用する力
が助勢される。

【０００９】また、本発明の前部グリッパの駆動制御装
置は、掘削機本体が筒状をなす前後一対の胴から構成さ
れると共に該前胴と後胴とが少なくとも６本のスラスト
ジャッキがトラス状に架設されてなるパラレルリンク機
構によって連結され、該前胴に駆動回転自在なカッタヘ
ッドと共に装着された既設のトンネル内壁面に圧接して
該前胴を位置保持する一対の前部グリッパを駆動制御す
る前部グリッパ駆動制御装置において、前記カッタヘッ
ドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッド位置姿勢検出
手段を設け、該カッタヘッド位置姿勢検出手段によって
検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づいて前記
パラレルリンク機構のラジアル方向の位置偏差ベクトル
を演算して該位置偏差ベクトルが予め設定された所定値
以下となるように前記前部グリッパを駆動制御すること
を特徴とするものである。

【００１０】従って、トンネル掘削時に、前胴のカッタ
ヘッドが駆動回転しながら、パラレルリンク機構を作動
することで各スラストジャッキを伸長すると、後胴に対
して前胴が前進し、前方の岩盤を掘削する。このとき、
カッタヘッド位置姿勢検出手段がカッタヘッドの位置及
び姿勢を検出し、検出されたカッタヘッド位置姿勢検出
値に基づいてパラレルリンク機構のラジアル方向の位置
偏差ベクトルを演算してこの位置偏差ベクトルが予め設
定された所定値以下となるように前部グリッパを駆動制
御すると、この一対の前部グリッパがトンネル内壁面に
圧接するラジアル力によってパラレルリンク機構のラジ
アル方向に作用する力が助勢される。

【００１１】また、本発明のトンネル掘削機は、筒状を
なす前後一対の胴からなる掘削機本体と、該掘削機本体
の前胴に駆動回転自在に装着されたカッタヘッドと、前
記掘削機本体の前胴に装着されて掘削したトンネルの内
壁面に圧接自在な一対の前部グリッパと、該一対の前部
グリッパをトンネル内壁面に圧接して前記前胴を位置保
持する前部グリッパ駆動手段と、前記掘削機本体の後胴
に装着されて掘削したトンネルの内壁面に圧接自在な一
対の後部グリッパと、該一対の後部グリッパをトンネル
内壁面に圧接して前記後胴を位置保持する後部グリッパ
駆動手段と、前記掘削機本体の前胴と後胴との間に少な
くとも６本のスラストジャッキがトラス状に架設されて
なるパラレルリンク機構と、前記各スラストジャッキの
推力を検出する推力検出手段と、前記カッタヘッドの位
置及び姿勢を検出するカッタヘッド位置姿勢検出手段
と、前記推力検出手段によって検出された各スラストジ
ャッキの推力検出値とカッタヘッド位置姿勢検出手段に
よって検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づい
て前記パラレルリンク機構のラジアル方向発生力の力ベ
クトルを演算して該力ベクトルが予め設定された所定値
以下となるように前記前部グリッパ駆動手段を制御する
前部グリッパ制御手段とを具えたことを特徴とするもの
である。

【００１２】従って、前部グリッパ駆動手段によって前
部グリッパをトンネル内壁面にから離間させた解除状態
とする一方、後部グリッパ駆動手段によって後部グリッ
パをトンネル内壁面に圧接して後胴を位置保持した状態
で、掘削機本体の前胴に装着されたカッタヘッドを駆動
回転しながら、パラレルリンク機構の各スラストジャッ
キを伸長すると、前胴が前進してカッタヘッドが前方の
岩盤を掘削する。このとき、推力検出手段が各スラスト
ジャッキの推力を検出すると共にカッタヘッド位置姿勢
検出手段がカッタヘッドの位置及び姿勢を検出し、検出
された各スラストジャッキの推力検出値とカッタヘッド
位置姿勢検出値に基づいてパラレルリンク機構のラジア
ル方向発生力の力ベクトルを演算して該力ベクトルが予
め設定された所定値以下となるように前部グリッパを駆
動制御すると、この一対の前部グリッパがトンネル内壁
面に圧接するラジアル力によってパラレルリンク機構の
ラジアル方向に作用する力が助勢される。

【００１３】また、本発明のトンネル掘削機は、筒状を
なす前後一対の胴からなる掘削機本体と、該掘削機本体
の前胴に駆動回転自在に装着されたカッタヘッドと、前
記掘削機本体の前胴に装着されて掘削したトンネルの内
壁面に圧接自在な一対の前部グリッパと、該一対の前部
グリッパをトンネル内壁面に圧接して前記前胴を位置保
持する前部グリッパ駆動手段と、前記掘削機本体の後胴
に装着されて掘削したトンネルの内壁面に圧接自在な一
対の後部グリッパと、該一対の後部グリッパをトンネル
内壁面に圧接して前記後胴を位置保持する後部グリッパ
駆動手段と、前記掘削機本体の前胴と後胴との間に少な
くとも６本のスラストジャッキがトラス状に架設されて
なるパラレルリンク機構と、前記カッタヘッドの位置及
び姿勢を検出するカッタヘッド位置姿勢検出手段と、前
記カッタヘッド位置姿勢検出手段によって検出されたカ
ッタヘッド位置姿勢検出値に基づいて前記パラレルリン
ク機構のラジアル方向の位置偏差ベクトルを演算して該
位置偏差ベクトルが予め設定された所定値以下となるよ
うに前記前部グリッパ駆動手段を制御する前部グリッパ
制御手段とを具えたことを特徴とするものである。

【００１４】従って、前部グリッパ駆動手段によって前
部グリッパをトンネル内壁面にから離間させた解除状態
とする一方、後部グリッパ駆動手段によって後部グリッ
パをトンネル内壁面に圧接して後胴を位置保持した状態
で、掘削機本体の前胴に装着されたカッタヘッドを駆動
回転しながら、パラレルリンク機構の各スラストジャッ
キを伸長すると、前胴が前進してカッタヘッドが前方の
岩盤を掘削する。このとき、カッタヘッド位置姿勢検出
手段がカッタヘッドの位置及び姿勢を検出し、検出され
たカッタヘッド位置姿勢検出値に基づいてパラレルリン
ク機構のラジアル方向の位置偏差ベクトルを演算して該
力位置偏差ベクトルが予め設定された所定値以下となる
ように前部グリッパを駆動制御すると、この一対の前部
グリッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力によっ
てパラレルリンク機構のラジアル方向に作用する力が助
勢される。

【００１５】また、本発明のトンネル掘削方法は、掘削
機本体を構成する前胴に装着されたカッタヘッドを駆動
回転させる一方、前記掘削機本体の前胴に装着された前
部グリッパを掘削したトンネルの内壁面に係脱すると共
に前記掘削機本体の後胴に装着された後部グリッパを該
トンネルの内壁面に係脱することで前記前胴及び後胴を
交互に位置保持しながら前記前胴と後胴との間にトラス
状に架設された複数のスラストジャッキからなるパラレ
ルリンク機構を駆動して該前胴及び後胴を前進すること
で前方の岩盤を掘削し、且つ、前記各スラストジャッキ
の推力及び前記カッタヘッドの位置姿勢から前記パラレ
ルリンク機構のラジアル方向発生力の力ベクトル、ある
いは前記カッタヘッドの位置姿勢から位置偏差ベクトル
を演算し、該力ベクトルあるいは位置偏差ベクトルが予
め設定された所定値以下となるように前記前部グリッパ
を駆動することを特徴とするものである。

【００１６】従って、トンネル掘削時に、検出された各
スラストジャッキの推力検出値とカッタヘッド位置姿勢
検出値に基づいてパラレルリンク機構のラジアル方向発
生力の力ベクトル、あるいは検出されたカッタヘッド位
置姿勢検出値に基づいてラジアル方向の位置偏差ベクト
ルを演算し、この力ベクトルあるいは位置偏差ベクトル
が予め設定された所定値以下となるように前部グリッパ
を駆動制御すると、この一対の前部グリッパがトンネル
内壁面に圧接するラジアル力によってパラレルリンク機
構のラジアル方向に作用する力が助勢される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づき、実施例を挙げて詳細に説明する。

【００１８】図１に本発明の第１実施例に係るトンネル
掘削機の概略構成、図２に本実施例のトンネル掘削機に
装着された前部グリッパの駆動制御装置の概略構成、図
３及び図４に掘削機に作用するラジアル力を説明するた
めの概略を示す。なお、従来の技術で説明したものと同
様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する
説明は省略する。

【００１９】本実施例のトンネルボーリングマシン（以
下、ＴＢＭと称する。）において、図１に示すように、
掘削機本体は前胴１１及び後胴１２から構成されてお
り、前胴１１の前部にはカッタヘッド１３が装着される
と共に複数（本実施例では４つ）のフロントグリッパ１
５が装着される一方、後胴１２にはリヤグリッパ１６が
装着されている。そして、前胴１１と後胴１２との間に
は６本以上のスラストジャッキ１７がトラス状に架設さ
れ、各端部が自在軸受１８，１９によって連結されてな
るパラレルリンク機構２０が設けられている。

【００２０】また、上述したＴＢＭにおいて、パラレル
リンク機構２０の各スラストジャッキ１７にはこのスラ
ストジャッキ１７の作動ストロークを検出するストロー
ク検出器２１が取付けられると共に、スラストジャッキ
１７のヘッド側及びロッド側の圧力を検出する圧力検出
器２２ａ，２２ｂが取付けられている。そして、ストロ
ーク検出器２１及び圧力検出器２２ａ，２２ｂの各検出
信号はそれぞれインタフェース２３を介して制御装置２
４に出力されるようになっている。一方、フロントグリ
ッパ１５にはこのフロントグリッパ１５の作動ストロー
クを検出するストローク検出器２５が取付けられると共
に、フロントグリッパ１５のヘッド側及びロッド側の圧
力を検出する圧力検出器２６ａ，２６ｂが取付けられて
いる。そして、ストローク検出器２５及び圧力検出器２
６ａ，２６ｂの各検出信号はそれぞれインタフェース２
３を介して制御装置２４に出力されるようになってい
る。また、このフロントグリッパ１５には方向切替弁２
７が接続され、この方向切替弁２７には電磁比例減圧弁
２８が接続されており、方向切替弁２７は制御装置２４
からの指令によって作動し、電磁比例減圧弁２８は制御
装置２４からの指令によって作動する電磁比例アンプ２
９によって作動する。なお、３０はスラストジャッキ１
７に取付けられたサーボ弁である。

【００２１】前述した制御装置２４はフロントグリッパ
１５の作動を制御する制御アルゴリズム３１を有してい
る。図２に示すように、スラストジャッキ１７のストロ
ーク検出器２１によって検出されたストロークＳ_aはリ
ンク長演算部３１に出力され、ここで各スラストジャッ
キ１７のリンク長Ｌ_aが演算される。そして、算出され
たリンク長Ｌ_aは順キネマティクス演算部３２に出力さ
れ、ここで下記数式１を用いて繰り返し近似計算を行
い、順キネマティクスを解くことでカッタヘッド１３の
中心の現在位置と姿勢Ｘ〔Ｘ，Ｙ，Ｚ，ψ，θ，φ〕^T
を求め、これに基づいて、ヤコビ行列演算部３３にて６
本のスラストジャッキ１７におけるヤコビ行列Ｊ（Ｋ行
６列、Ｋはリンク本数である。）を求める。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、δＬ＝〔δｌ₁，δｌ₂・・・δ
ｌ₆〕^Tは、選択した代表６本のスラストジャッキ１７
のリンク長の微小変位、δＸ＝〔δＸ，δＹ，δＺ，δ
ψ，δθ，δφ〕^Tはカッタヘッド１３の位置姿勢の微
小変位、ｊ（６行６列）はヤコビ行列を表す。

【００２４】一方、スラストジャッキ１７の圧力検出器
２２ａ，２２ｂによって検出されたジャッキ圧力Ｐ_aは
スラストジャッキ推力演算部３４に出力され、ここで各
スラストジャッキ１７の推力Ｃが演算される。そして、
パラレルリンク機構発生力演算部３５において、パラレ
ルリンク機構２０のカッタヘッド１３の中心での発生力
Ｆを下記数式２を用いて算出する。

【００２５】

【数２】

【００２６】ここで、Ｃ＝〔Ｃ１，Ｃ２，・・・Ｃｋ〕
^Tは各スラストジャッキ１７の推力、Ｆ＝〔Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，〕^Tはカッタヘッド１３
の中心でのパラレルリンク機構２０の発生力を表す。

【００２７】ところで、図３及び図４に示すように、本
実施例のＴＢＭにあっては、Ｏ−ＸＹＺは基準座標系、
Ｏ−Ｘ_EＹ_EＺ_Eはカッタヘッド座標系であり、前述し
たように、前胴１１には４つのフロントグリッ１５が設
けられている。即ち、図２に示すように、カッタヘッド
座標系ラジアル力演算部３６では、基準座標系で求めた
並進力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを下記数式３を用いてカッタヘ
ッド座標系に変換する。

【００２８】

【数３】

【００２９】ここで、

【数４】ただし、ψはＸ軸回りの回転角度、θはＹ軸回りの回転
角度、φはＺ軸回りの回転角度を表す。

【００３０】カッタヘッド座標系で表したラジアル力の
大きさＲは、下記数式５にて表され、力の向きαはＹ_E
軸から下記数式６にて表される角度の方向である。

【００３１】

【数５】

【００３２】

【数６】

【００３３】フロントグリッパ張出方向の力成分演算部
３７は、このラジアル力の各フロントグリッパ１５の張
出方向の力成分Ｇ_iを下記数式７を用いて算出する。

【００３４】

【数７】ここで、θ_iはフロントグリッパ１５の作動角度であ
る。

【００３５】そして、比較部３８にて、力成分Ｇ_iが負
であるフロントグリッパ１５は張出によってラジアル力
を助勢することが可能であり、力成分Ｇ_iがパラレルリ
ンク機構２０のラジアル発生力を所定値以下にするため
の力偏差に相当し、ＰＩ制御部３９はＰＩ制御則に基づ
いてフロントグリッパ１５の指令推力を求め、圧力変換
部４０にて圧力に変換して出力部４１、即ち、電磁比例
アンプ２９に出力し、電磁比例減圧弁２８を作動する。
一方、力成分Ｇ_iが正であるフロントグリッパ１５は張
出によってラジアル力を助勢することができず、位置決
め制御部４２は掘削外径から控えた基準位置へ収縮固定
する。

【００３６】従って、本実施例のＴＢＭによるトンネル
掘削時に、前胴１１のカッタヘッド１３を駆動回転しな
がら、パラレルリンク機構２０を作動することで各スラ
ストジャッキ１７を伸長すると、後胴１２に対して前胴
１１が前進し、前方の岩盤を掘削する。このとき、各ス
トローク検出器２１は各スラストジャッキ１７の作動ス
トロークを検出してカッタヘッド１３の位置及び姿勢を
演算すると共に、各圧力検出器２２ａ，２２ｂは各スラ
ストジャッキ１７のヘッド側及びロッド側の圧力を検出
して各スラストジャッキ１７の推力を演算する。そし
て、各スラストジャッキ１７の推力検出値とカッタヘッ
ド位置姿勢検出値に基づいてパラレルリンク機構２０の
ラジアル方向発生力の力ベクトルを演算し、この力ベク
トルが予め設定された所定値以下となるようにフロント
グリッパ１５を駆動制御する。すると、このフロントグ
リッパ１５がトンネル内壁面に圧接するラジアル力によ
ってパラレルリンク機構２０のラジアル方向に作用する
力が助勢される。

【００３７】図５に本発明の第２実施例に係る前部グリ
ッパの駆動制御装置の概略構成を示す。なお、前述の実
施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一
の符号を付して重複する説明は省略する。

【００３８】本実施例の前部グリッパの駆動制御装置に
おける制御アルゴリズムにおいて、図５に示すように、
スラストジャッキ１７のストローク検出器２１によって
検出されたストロークＳ_aはリンク長演算部３１に出力
され、ここで各スラストジャッキ１７のリンク長Ｌ_aが
演算される。そして、算出されたリンク長Ｌ_aは順キネ
マティクス演算部３２に出力され、ここで前記数式１を
用いて繰り返し近似計算を行い、順キネマティクスを解
くことでカッタヘッド１３の中心の現在位置と姿勢Ｘ
〔Ｘ，Ｙ，Ｚ，ψ，θ，φ〕^Tを求める。

【００３９】一方、カッタヘッド１３の中心位置の指令
値（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）から現在位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を
差し引いて位置偏差（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を求める。そ
して、カッタヘッド座標系位置偏差演算部５１では、下
記数式８を用いてカッタヘッド座標系で表した偏差（^E
ΔＸ，^EΔＹ，^EΔＺ）に変換する。

【００４０】

【数８】

【００４１】このカッタヘッド座標系で表した位置偏差
ベクトルのラジアル方向の偏差量Ｓは、下記数式９にて
表され、その偏差の向きαはＹ_E軸から下記数式１０て
に表される角度の方向である。

【００４２】

【数９】

【００４３】

【数１０】

【００４４】フロントグリッパ張出方向の位置偏差成分
演算部５２は、このラジアル力の各フロントグリッパ１
５の張出方向の位置偏差成分Ｈ_iを下記数式１１を用い
て算出する。

【００４５】

【数１１】

【００４６】そして、比較部５３にて、位置偏差成分Ｈ
_iが正であるフロントグリッパ１５は張出によってラジ
アル力を助勢することが可能であり、位置偏差成分Ｈ_i
がパラレルリンク機構２０のラジアル方向の位置偏差を
所定値以下にするための位置偏差に相当し、ＰＩ制御部
５４はＰＩ制御則に基づいてフロントグリッパ１５の指
令推力を求め、圧力変換部５５にて圧力に変換して出力
部５６、即ち、電磁比例アンプ２９に出力し、電磁比例
減圧弁２８を作動する。一方、位置偏差成分ＦＨ_iが負
であるフロントグリッパ１５は張出によってラジアル力
を助勢することができず、位置決め制御部５７は掘削外
径から控えた基準位置へ収縮固定する。

【００４７】従って、本実施例のＴＢＭによるトンネル
掘削時に、各ストローク検出器２１は各スラストジャッ
キ１７の作動ストロークを検出してカッタヘッド１３の
位置及び姿勢を演算する。そして、カッタヘッド位置姿
勢検出値に基づいてパラレルリンク機構２０のラジアル
方向の位置偏差ベクトルを演算し、この位置偏差ベクト
ルが予め設定された所定値以下となるようにフロントグ
リッパ１５を駆動制御する。すると、このフロントグリ
ッパ１５がトンネル内壁面に圧接するラジアル力によっ
てパラレルリンク機構２０のラジアル方向に作用する力
が助勢される。

【００４８】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明の前部グリッパの駆動制御装置によれば、前
胴と後胴との間に架設されたパラレルリンク機構のスラ
ストジャッキの推力を検出する推力検出手段と前胴に駆
動回転自在に装着されたカッタヘッドの位置及び姿勢を
検出するカッタヘッド位置姿勢検出手段とを設け、推力
検出手段によって検出された各スラストジャッキの推力
検出値とカッタヘッド位置姿勢検出手段によって検出さ
れたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づいてパラレルリ
ンク機構のラジアル方向発生力の力ベクトルを演算し、
この力ベクトルが予め設定された所定値以下となるよう
に既設のトンネル内壁面に圧接して前胴を位置保持する
前部グリッパを駆動制御するようにしたので、この一対
の前部グリッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力
によってパラレルリンク機構のラジアル方向に作用する
力が助勢されることとなり、曲進時等に必要な大きなラ
ジアル力を既設の装置によって確保することができ、パ
ラレルリンク機構の小型化を図ることができると共に、
掘進精度を大幅に向上することができる。

【００４９】また、本発明の前部グリッパの駆動制御装
置よれば、前胴に駆動回転自在に装着されたカッタヘッ
ドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッド位置姿勢検出
手段を設け、このカッタヘッド位置姿勢検出手段によっ
て検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づいて前
胴と後胴との間に架設されたパラレルリンク機構のラジ
アル方向の位置偏差ベクトルを演算し、この位置偏差ベ
クトルが予め設定された所定値以下となるように既設の
トンネル内壁面に圧接して前胴を位置保持する前部グリ
ッパを駆動制御するようにしたので、この一対の前部グ
リッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力によって
パラレルリンク機構のラジアル方向に作用する力が助勢
されることとなり、曲進時等に必要な大きなラジアル力
を既設の装置によって確保することができ、パラレルリ
ンク機構の小型化を図ることができると共に、掘進精度
を大幅に向上することができる。

【００５０】また、本発明のトンネル掘削機よれば、掘
削機本体の前胴に駆動回転自在なカッタヘッドを装着す
ると共に既設のトンネルの内壁面に圧接自在な一対の前
部グリッパ及び前部グリッパ駆動手段を設ける一方、掘
削機本体の後胴に既設のトンネルの内壁面に圧接自在な
一対の後部グリッパ及び後部グリッパ駆動手段を設け、
この前胴と後胴とを少なくとも６本のスラストジャッキ
がトラス状に架設されてなるパラレルリンク機構によっ
て連結し、各スラストジャッキの推力を検出する推力検
出手段とカッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッタ
ヘッド位置姿勢検出手段とを設けると共に、各スラスト
ジャッキの推力検出値とカッタヘッド位置姿勢検出値に
基づいてパラレルリンク機構のラジアル方向発生力の力
ベクトルを演算して力ベクトルが予め設定された所定値
以下となるように前部グリッパ駆動手段を制御する前部
グリッパ制御手段にを設けたので、この一対の前部グリ
ッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力によってパ
ラレルリンク機構のラジアル方向に作用する力が助勢さ
れることとなり、曲進時等に必要な大きなラジアル力を
既設の装置によって確保することができ、パラレルリン
ク機構及び掘削機の小型化を図ることができると共に、
掘進精度を大幅に向上することができる。

【００５１】また、本発明のトンネル掘削機よれば、掘
削機本体の前胴に駆動回転自在なカッタヘッドを装着す
ると共に既設のトンネルの内壁面に圧接自在な一対の前
部グリッパ及び前部グリッパ駆動手段を設ける一方、掘
削機本体の後胴に既設のトンネルの内壁面に圧接自在な
一対の後部グリッパ及び後部グリッパ駆動手段を設け、
この前胴と後胴とを少なくとも６本のスラストジャッキ
がトラス状に架設されてなるパラレルリンク機構によっ
て連結し、カッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッ
タヘッド位置姿勢検出手段を設けると共に、カッタヘッ
ド位置姿勢検出値に基づいてパラレルリンク機構のラジ
アル方向の位置偏差ベクトルを演算して位置偏差ベクト
ルが予め設定された所定値以下となるように前部グリッ
パ駆動手段を制御する前部グリッパ制御手段を設けたの
で、この一対の前部グリッパがトンネル内壁面に圧接す
るラジアル力によってパラレルリンク機構のラジアル方
向に作用する力が助勢されることとなり、曲進時等に必
要な大きなラジアル力を既設の装置によって確保するこ
とができ、パラレルリンク機構及び掘削機の小型化を図
ることができると共に、掘進精度を大幅に向上すること
ができる。

【００５２】また、本発明のトンネル掘削方法よれば、
掘削機本体の前胴に装着されたカッタヘッドを駆動回転
させる一方、前部グリッパ及び後部グリッパをトンネル
の内壁面に係脱することで前胴及び後胴を交互に位置保
持しながら前胴と後胴との間にトラス状に架設された複
数のスラストジャッキからなるパラレルリンク機構を駆
動して前胴及び後胴を前進することで前方の岩盤を掘削
し、且つ、各スラストジャッキの推力及びカッタヘッド
の位置姿勢からパラレルリンク機構のラジアル方向発生
力の力ベクトル、あるいはカッタヘッドの位置姿勢から
位置偏差ベクトルを演算し、この力ベクトルあるいは位
置偏差ベクトルが予め設定された所定値以下となるよう
に前部グリッパを駆動するようにしたので、この一対の
前部グリッパがトンネル内壁面に圧接するラジアル力に
よってパラレルリンク機構のラジアル方向に作用する力
を助勢することができ、掘進精度を大幅に向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るトンネル掘削機の概
略構成図である。

【図２】本実施例のトンネル掘削機に装着された前部グ
リッパの駆動制御装置の概略構成図である。

【図３】掘削機に作用するラジアル力を説明するための
概略図である。

【図４】掘削機に作用するラジアル力を説明するための
概略図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る前部グリッパの駆動
制御装置の概略構成図である。

【図６】従来のトンネルボーリングマシンの概略図であ
る。

【符号の説明】

１１前胴１２後胴１３カッタヘッド１５フロントグリッパ１６リヤグリッパ１７スラストジャッキ２０パラレルリンク機構２１ストローク検出器２２ａ，２２ｂ圧力検出器２４制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石瀬文彦兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者松浦武兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】掘削機本体が筒状をなす前後一対の胴か
ら構成されると共に該前胴と後胴とが少なくとも６本の
スラストジャッキがトラス状に架設されてなるパラレル
リンク機構によって連結され、該前胴に駆動回転自在な
カッタヘッドと共に装着された既設のトンネル内壁面に
圧接して該前胴を位置保持する一対の前部グリッパを駆
動制御する前部グリッパ駆動制御装置において、前記各
スラストジャッキの推力を検出する推力検出手段と前記
カッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッド位
置姿勢検出手段とを設け、前記推力検出手段によって検
出された各スラストジャッキの推力検出値とカッタヘッ
ド位置姿勢検出手段によって検出されたカッタヘッド位
置姿勢検出値に基づいて前記パラレルリンク機構のラジ
アル方向発生力の力ベクトルを演算して該力ベクトルが
予め設定された所定値以下となるように前記前部グリッ
パを駆動制御することを特徴とする前部グリッパの駆動
制御装置。
【請求項２】掘削機本体が筒状をなす前後一対の胴か
ら構成されると共に該前胴と後胴とが少なくとも６本の
スラストジャッキがトラス状に架設されてなるパラレル
リンク機構によって連結され、該前胴に駆動回転自在な
カッタヘッドと共に装着された既設のトンネル内壁面に
圧接して該前胴を位置保持する一対の前部グリッパを駆
動制御する前部グリッパ駆動制御装置において、前記カ
ッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッド位置
姿勢検出手段を設け、該カッタヘッド位置姿勢検出手段
によって検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づ
いて前記パラレルリンク機構のラジアル方向の位置偏差
ベクトルを演算して該位置偏差ベクトルが予め設定され
た所定値以下となるように前記前部グリッパを駆動制御
することを特徴とする前部グリッパ駆動制御装置。
【請求項３】筒状をなす前後一対の胴からなる掘削機
本体と、該掘削機本体の前胴に駆動回転自在に装着され
たカッタヘッドと、前記掘削機本体の前胴に装着されて
掘削したトンネルの内壁面に圧接自在な一対の前部グリ
ッパと、該一対の前部グリッパをトンネル内壁面に圧接
して前記前胴を位置保持する前部グリッパ駆動手段と、
前記掘削機本体の後胴に装着されて掘削したトンネルの
内壁面に圧接自在な一対の後部グリッパと、該一対の後
部グリッパをトンネル内壁面に圧接して前記後胴を位置
保持する後部グリッパ駆動手段と、前記掘削機本体の前
胴と後胴との間に少なくとも６本のスラストジャッキが
トラス状に架設されてなるパラレルリンク機構と、前記
各スラストジャッキの推力を検出する推力検出手段と、
前記カッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッ
ド位置姿勢検出手段と、前記推力検出手段によって検出
された各スラストジャッキの推力検出値とカッタヘッド
位置姿勢検出手段によって検出されたカッタヘッド位置
姿勢検出値に基づいて前記パラレルリンク機構のラジア
ル方向発生力の力ベクトルを演算して該力ベクトルが予
め設定された所定値以下となるように前記前部グリッパ
駆動手段を制御する前部グリッパ制御手段とを具えたこ
とを特徴とするトンネル掘削機。
【請求項４】筒状をなす前後一対の胴からなる掘削機
本体と、該掘削機本体の前胴に駆動回転自在に装着され
たカッタヘッドと、前記掘削機本体の前胴に装着されて
掘削したトンネルの内壁面に圧接自在な一対の前部グリ
ッパと、該一対の前部グリッパをトンネル内壁面に圧接
して前記前胴を位置保持する前部グリッパ駆動手段と、
前記掘削機本体の後胴に装着されて掘削したトンネルの
内壁面に圧接自在な一対の後部グリッパと、該一対の後
部グリッパをトンネル内壁面に圧接して前記後胴を位置
保持する後部グリッパ駆動手段と、前記掘削機本体の前
胴と後胴との間に少なくとも６本のスラストジャッキが
トラス状に架設されてなるパラレルリンク機構と、前記
カッタヘッドの位置及び姿勢を検出するカッタヘッド位
置姿勢検出手段と、前記カッタヘッド位置姿勢検出手段
によって検出されたカッタヘッド位置姿勢検出値に基づ
いて前記パラレルリンク機構のラジアル方向の位置偏差
ベクトルを演算して該位置偏差ベクトルが予め設定され
た所定値以下となるように前記前部グリッパ駆動手段を
制御する前部グリッパ制御手段とを具えたことを特徴と
するトンネル掘削機。
【請求項５】掘削機本体を構成する前胴に装着された
カッタヘッドを駆動回転させる一方、前記掘削機本体の
前胴に装着された前部グリッパを掘削したトンネルの内
壁面に係脱すると共に前記掘削機本体の後胴に装着され
た後部グリッパを該トンネルの内壁面に係脱することで
前記前胴及び後胴を交互に位置保持しながら前記前胴と
後胴との間にトラス状に架設された複数のスラストジャ
ッキからなるパラレルリンク機構を駆動して該前胴及び
後胴を前進することで前方の岩盤を掘削し、且つ、前記
各スラストジャッキの推力及び前記カッタヘッドの位置
姿勢から前記パラレルリンク機構のラジアル方向発生力
の力ベクトル、あるいは前記カッタヘッドの位置姿勢か
ら位置偏差ベクトルを演算し、該力ベクトルあるいは位
置偏差ベクトルが予め設定された所定値以下となるよう
に前記前部グリッパを駆動することを特徴とするトンネ
ル掘削方法。