JP2020147959A - 施工管理システム及び施工管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に、適切な掘進の管理が可能な施工管理システムを提供する。
【解決手段】掘進機１１０による掘進工程と、セグメントリングを組み立てる組立工程と、を有する掘進サイクルを繰り返すことにより施工されるトンネルの施工管理システム１０であって、掘進機１１０の次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報を取得する掘進方位情報取得部１３１と、掘進機１１０の形状に関する情報と、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、掘進機１１０の軌跡を予測する軌跡予測部１３２と、掘進機１１０の形状に関する情報と、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、掘削坑の形状を予測する掘削坑形状予測部１３４と、予測された掘進機１１０の軌跡と掘削坑の形状とに基づいて、掘進機１１０と掘削坑の内周面とのクリアランスに関する情報を出力する外側クリアランス出力部１３５，１３６，１３９と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、施工管理システム及び施工管理方法に関する。

特許文献１には、基準点の座標系におけるシールドマシン座標情報を算出し、シールドマシン座標情報に基づいて掘削境界座標情報を算出し、算出したシールドマシン座標情報と掘削境界座標情報とを重ね合わせた画像を生成して画面に表示する掘進状況管理装置が開示されている。

特開２０１８−２１４２９号公報

特許文献１に記載の技術では、操作者が、掘削を行った後の地山とシールドマシンの位置関係を表す現在の状況の画像を画面で確認し、今後の工程において計画線に沿った所望のトンネルを施工するための掘進の管理を行う。しかしながら、現在の状況の画像に基づいて、適切な掘進の管理を行うには熟練を要するという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、容易に、適切な掘進の管理が可能な施工管理システム及び施工管理方法を提供することを目的とする。

本発明は、掘進機による掘進工程と、掘進工程において掘削された掘削坑の内周面に沿ってセグメントリングを組み立てる組立工程と、を有する掘進サイクルを繰り返すことにより施工されるトンネルの施工管理システムであって、掘進機の次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報を取得する掘進方位情報取得部と、掘進機の形状に関する情報と、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、掘進機の軌跡を予測する軌跡予測部と、掘進機の形状に関する情報と、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、掘削坑の形状を予測する掘削坑形状予測部と、軌跡予測部により予測された掘進機の軌跡と、掘削坑形状予測部により予測された掘削坑の形状と、に基づいて、掘進機と掘削坑の内周面とのクリアランスに関する情報を出力する外側クリアランス出力部と、を備える。

また、本発明は、上記施工管理システムを用いた施工管理方法であって、施工管理システムによって、掘進機の軌跡を予測させるシミュレーション工程と、シミュレーション工程で得られたシミュレーション結果に基づき、掘進機により掘進を行う掘進工程と、掘進工程が終了した後に、掘進機の測量を行う測量工程と、測量工程で得られた測量結果と、シミュレーション工程で得られたシミュレーション結果と、の差に基づき、掘進機により掘進を行う掘進工程と、を備える。

本発明によれば、容易に、適切な掘進の管理が可能な施工管理システム及び施工管理方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るシールド掘進機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る施工管理システムの構成を示す機能ブロック図である。 掘進機形状データについて説明する図である。 掘進指示データベースの一例を示す図である。 前胴部の側面模式図であり、カッタヘッド及びコピーカッタの位置関係について示す。 掘削坑の正面模式図であり、余掘り量及び余掘り範囲について示す。 シールド掘進機の後端部におけるシールド掘進機及び覆工体の横断面を模式的に示す図である。 表示装置に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部における横断面内でのシールド掘進機と覆工体との内側クリアランスに関する情報を表形式で表示する例について示す。 表示装置に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部における横断面内でのシールド掘進機とセグメントリングとの内側クリアランスに関する情報を三次元表示形式で表示する例について示す。 前端部、中折れ部または後端部におけるシールド掘進機及び掘削坑の横断面を模式的に示す図である。 表示装置に表示される表示画像の一例を示す図であり、シールド掘進機と掘削坑との外側クリアランスに関する情報を二次元表示形式で表示する例について示す。 表示装置に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部における横断面内でのシールド掘進機と掘削坑との外側クリアランスに関する情報を表形式で表示する例について示す。 施工管理方法の手順の一例について示すフローチャートである。 シールドジャッキのストローク差について説明する図である。

図面を参照して、本発明の実施形態に係るシールドトンネルの施工管理システム及び施工管理方法について説明する。

シールドトンネルは、地山をシールド掘進機によって掘削し、掘削坑の内壁を覆うようにセグメントリングを組み立てることによって構築される。セグメントリングは、円弧状に形成された複数のセグメントピースを周方向に環状に並べて配置し隣り合うセグメントピース同士を連結することによって組み立てられる。また、セグメントリングは、軸方向に複数組み立てられ、隣り合うセグメントリング同士が連結される。

まず、図１を参照して、シールド掘進機１１０の構成について説明する。図１は、シールド掘進機１１０の構成を示す断面図である。図１に示すように、シールド掘進機１１０は、円筒状の前胴部１１１と、円筒状の後胴部１１２と、前胴部１１１と後胴部１１２とを屈曲可能に連結する中折れ部１１９と、を有する中折れ型掘進機である。

前胴部１１１は、円筒状の外殻１１３と、外殻１１３の前端部に配置される地山掘削用のカッタヘッド１１４と、カッタヘッド１１４の後方に離間して配置される隔壁１１５と、を有する。

隔壁１１５には、回転ドラム１２２が回転自在に支持されている。回転ドラム１２２は、連結ロッドを介してカッタヘッド１１４に連結されている。このため、カッタヘッド１１４は、回転ドラム１２２とともに回転する。回転ドラム１２２は、減速機構（不図示）を介してモータ１１６に連結されている。回転ドラム１２２がモータ１１６によって回転駆動され、カッタヘッド１１４が地山に押し付けられた状態で回転することにより、地山が掘削される。カッタヘッド１１４の外径は、外殻１１３の外径と略等しく、地山は、外殻１１３の外径と略等しい内径で掘削される。

以下において、シールド掘進機１１０が進む方向を「前方」とし、その逆方向を「後方」とする。

カッタヘッド１１４と隔壁１１５との間には、これらと外殻１１３及び回転ドラム１２２とによりチャンバ１１７が画成される。チャンバ１１７内では、カッタヘッド１１４による掘削で生じた掘削土砂が滞留する。シールド掘進機１１０は、チャンバ１１７内の掘削土砂を搬出するスクリューコンベヤ１２３を備えている。スクリューコンベヤ１２３は、円筒状のケースの内部に組み込まれるオーガを回転させることにより、チャンバ１１７内の掘削土砂を隔壁１１５の後方に搬出する。

カッタヘッド１１４には、カッタヘッド１１４の側面から突出し、その突出した部位によって余掘りを行うコピーカッタ（余掘り装置）１２７が設けられる。余掘りとは、所定の範囲において、コピーカッタ１２７を突出させることにより、余分に地山を掘削することをいう。

後胴部１１２は、円筒状の外殻１２４と、各種装置を支持する支持フレーム１２９と、セグメント組立装置であるエレクタ１２６と、を備える。エレクタ１２６は、円弧形状のセグメントピース１０２を把持可能であるとともに周方向に回転可能に構成される。エレクタ１２６は、複数のセグメントピース１０２を外殻１２４の内周面に沿って組み立てて、円筒状のセグメントリング１０１を構築する。エレクタ１２６は、セグメントピース１０２を組み立て済みのセグメントリング１０１に連結する。

中折れ部１１９は、前胴部１１１の後端部に設けられた前胴接続部１９１と、後胴部１１２の前端部に設けられた後胴接続部１９２と、前胴部１１１と後胴部１１２との間に設けられる複数の中折れジャッキ１１８と、を有する。

前胴接続部１９１は円環状であり、その内周面は、前胴部１１１の中心軸上に中心点を有する凹状の球面の一部を構成するように形成されている。後胴接続部１９２は円環状であり、その外周面が、後胴部１１２の中心軸上に中心点を有する凸状の球面の一部を構成するように形成されている。前胴接続部１９１には、後胴接続部１９２の外周面に接触することによりシールド掘進機１１０の内部に水が侵入することを防止するシール部が設けられる。

複数の中折れジャッキ１１８は、周方向に所定の間隔を空けて配置される。中折れジャッキ１１８は、シリンダとロッドとにより構成される油圧ジャッキである。中折れジャッキ１１８のロッドの端部は、自在継手を介して後胴部１１２の前部に固定され、中折れジャッキ１１８のシリンダの端部は、自在継手を介して前胴部１１１の後部に固定される。

このように中折れ部１１９が構成されているため、中折れジャッキ１１８を伸縮させることにより、後胴部１１２に対して前胴部１１１を任意の方向に屈曲させることができる。

後胴部１１２の周縁部には、複数のシールドジャッキ１２５が、中折れジャッキ１１８と干渉しないように、周方向に所定の間隔を空けて配置される。シールドジャッキ１２５は、シリンダ１２５ａとロッド１２５ｂとにより構成される油圧ジャッキである。シリンダ１２５ａは後胴部１１２に固定されており、ロッド１２５ｂの端部が、後胴部１１２の内側で組み立てられた既設のセグメントリング１０１に当接される。この状態でシールドジャッキ１２５を伸長作動させることにより、シールド掘進機１１０は推進力を得る。カッタヘッド１１４は、セグメントリング１０１から反力を得ることにより、地山に押し付けられる。このように、シールド掘進機１１０は、シールドジャッキ１２５が既設のセグメントリング１０１を押圧することにより、その反力によって前進する。

シールドトンネルＴは、シールド掘進機１１０による掘進工程と、掘進工程において掘削された掘削坑１０９の内周面に沿ってセグメントリング１０１を組み立てる組立工程と、を有する掘進サイクルを繰り返すことにより施工される。

ところで、品質の良いシールドトンネルＴを構築するためには、シールドジャッキ１２５による偏荷重を防止することや、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９とのクリアランス（以下、外側クリアランスとも記す）及びシールド掘進機１１０とセグメントリング１０１とのクリアランス（以下、内側クリアランスとも記す）を確保することが重要である。しかしながら、曲線施工や蛇行修正を行うために適切な掘進方位を決定することは、熟練者の暗黙知に拠るところが大きい。つまり、経験の浅い者にとって、現在の状況から計画線に沿う掘進が行えるように適切な掘進方位を決定し、その掘進の管理を行うことは困難である。なお、掘進方位とは、シールド掘進機１１０の進む方位角であり、予め定められた基準方位（例えば、真北）に対して、シールド掘進機１１０が移動する方位の水平面内のずれ角に相当する。

そこで、本実施形態では、シミュレーションが可能な施工管理システムにより、シールドトンネルＴの施工を管理する。

図２を参照して、施工管理システム１０について説明する。図２は、施工管理システム１０の構成を示す機能ブロック図である。施工管理システム１０は、次の掘進サイクル以降の掘進方位に関する情報が入力されると、その情報に基づいて、シールド掘進機１１０の軌跡、シールド掘進機１１０により形成される掘削坑１０９の形状、及び、掘削坑１０９内においてセグメントリング１０１が組み立てられてなる覆工体１０３の形状を予測演算するシミュレーションを行い、そのシミュレーション結果を表示装置１５２に表示させる。

図２に示すように、施工管理システム１０は、管理サーバ１３と、入力装置１５１と、表示装置１５２と、ジャイロコンパス１５３と、を備える。入力装置１５１は、マウス、キーボード、タッチパネル等であり、操作者による操作に応じた入力信号を管理サーバ１３に出力する。表示装置１５２は、液晶パネル等によって構成される表示画面を有し、管理サーバ１３から出力される表示制御信号に基づき、表示画面に所定の画像を表示させる。ジャイロコンパス１５３は、シールド掘進機１１０の基準方位（例えば、真北）からの前胴部１１１の中心軸のずれ角（前胴方位）を検出し、検出信号を管理サーバ１３に出力する。

管理サーバ１３は、制御部１３０としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部１４０としてのＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）、並びに入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）、その他の周辺回路を備えたマイクロコンピュータで構成される。管理サーバ１３は、複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。管理サーバ１３の記憶部１４０には、シールド掘進機１１０の通過軌跡、並びに、掘削坑１０９及び覆工体１０３の予測形状を演算するための制御プログラムが格納されている。すなわち、記憶部１４０は、本実施形態の機能を実現するプログラムを読み取り可能な記憶媒体である。なお、動作回路としては、ＣＰＵに代えてまたはＣＰＵとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

制御部１３０は、情報取得部１３１と、軌跡予測部１３２と、覆工体形状予測部１３３と、掘削坑形状予測部１３４と、クリアランス演算部１３５と、干渉判定部１３６と、出力部１３９と、を備える。

記憶部１４０には、シールド掘進機１１０の形状に関する情報（掘進機形状データ）の集まりである掘進機形状データベース１４１が予め記憶されている。図３は、掘進機形状データについて説明する図である。図３に示すように、記憶部１４０には、掘進機形状データとして、シールド掘進機１１０のマシン基準中心点Ｍｃから所定位置までの距離（基準点後側後胴長さＬｍｒ１、基準点前側後胴長さＬｍｒ２、マシン基準中心点Ｍｃからシールドジャッキ１２５までの径方向距離ＲＳ）、前胴長さＬｍｆ、及び、シールド掘進機１１０の中心軸から外周面までの径方向長さ（以下、単にシールド掘進機１１０の半径と記す）Ｄ／２等が記憶されている。

シールド掘進機１１０のマシン基準中心点Ｍｃは、シールド掘進機１１０の任意の位置に設定される。本実施形態では、マシン基準中心点Ｍｃは、後胴部１１２の中心軸ＣＬｒ上に設定される。マシン基準中心点Ｍｃの座標の初期値は、測量によって求められ、操作者が入力装置１５１を操作することにより、記憶部１４０に記憶される。なお、マシン基準中心点Ｍｃは、三次元直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表され、ｚ軸は、鉛直方向に平行な軸である。

前胴長さＬｍｆとは、後胴部１１２に対する前胴部１１１の回転中心（以下、中折れ中心点と記す）Ｐｂから前胴部１１１の前端までの前胴部１１１の中心軸ＣＬｆ方向の長さである。基準点後側後胴長さＬｍｒ１とは、マシン基準中心点Ｍｃから後胴部１１２の後端までの後胴部１１２の中心軸ＣＬｒ方向の長さである。基準点前側後胴長さＬｍｒ２とは、マシン基準中心点Ｍｃから中折れ中心点Ｐｂまでの後胴部１１２の中心軸ＣＬｒ方向の長さである。

図２に示すように、記憶部１４０には、セグメントリング１０１の形状に関する情報（セグメントデータ）の集まりであるセグメントデータベース１４２が予め記憶されている。シールドトンネルＴの直線部を形成するためのセグメントリング１０１と、シールドトンネルＴの曲線部を形成するためのセグメントリング１０１とでは、その形状が異なっている。トンネル直線部を形成するためのセグメントリング１０１は横断面が矩形状となり、トンネル曲線部を形成するためのセグメントリング１０１は横断面が台形状となる。

記憶部１４０には、セグメントデータとして、セグメントリング１０１の種別（リング種別）Ｋ、並びに、リング種別Ｋごとのセグメント長Ｌｓ及びセグメント外径Ｄｓ、セグメントリング１０１の傾き角度（以下、セグメント傾き角度と記す）αｓが記憶されている。なお、セグメント長Ｌｓとは、セグメントリング１０１の一方の開口端面の中心点と、セグメントリング１０１の他方の開口端面の中心点と、を結ぶ線分の長さである。セグメント外径Ｄｓは、セグメントリング１０１の外径である。セグメント傾き角度αｓとは、セグメントリング１０１の一方の開口端面に直交する軸と、セグメントリング１０１の他方の開口端面に直交する軸と、のなす角度に相当する。

情報取得部１３１は、入力装置１５１が操作されることにより、シールド掘進機１１０の次の掘進サイクル以降の掘進方位に関する情報を取得する掘進方位情報取得部として機能する。情報取得部１３１は、取得した掘進方位に関する情報を記憶部１４０に記憶させる。

情報取得部１３１は、入力装置１５１が操作されることにより、前胴部１１１と後胴部１１２の中折れ角度に関する情報を取得する中折れ角度取得部としても機能する。情報取得部１３１は、取得した中折れ角度に関する情報を記憶部１４０に記憶させる。

情報取得部１３１は、入力装置１５１が操作されることにより、シールド掘進機１１０のコピーカッタ（余掘り装置）１２７による次の掘進サイクル以降の余掘り量及び余掘り範囲に関する情報を取得する余掘り情報取得部としても機能する。情報取得部１３１は、取得した余掘り量及び余掘り範囲に関する情報を記憶部１４０に記憶させる。

情報取得部１３１は、ジャイロコンパス１５３で検出される前胴方位に関する情報を取得する。

図４は、記憶部１４０に記憶される掘進指示データベース１４３（図２参照）の一例を示す図である。図４に示すように、掘進指示データベース１４３は、シールド掘進機１１０によって掘進を行う作業者に対する掘進指示の情報の集まりである。次の掘進サイクル以降の掘進指示の情報には、リング種別Ｋ、後胴方位θｒ、余掘り量Ｐ、余掘り範囲Ｒ及び中折れ角度θλが含まれる。これらの情報は、シミュレーションを行うための各種情報の目標値でもあり、管理サーバ１３の操作者が入力装置１５１を操作することによって設定される。

図４に示す表の「リングＮｏ．」とは、掘進サイクルごとに組み立てられるセグメントリング１０１を識別するための番号である。図４に示す表では、実際に組み立てが完了しているセグメントリング１０１のうち、最前部に位置するセグメントリング１０１のリングＮｏ．を「ｎ−１」とした場合（ｎは例えば、１よりも大きい自然数）について示している。リングＮｏ．は、１掘進サイクルごとに１ずつ増加する。このため、リングＮｏ．は、掘進サイクルを識別するための番号でもある。各種情報（リング種別Ｋ、後胴方位θｒ、余掘り量Ｐ、余掘り範囲Ｒ、中折れ角度θλ）は、リングＮｏ．に対応して設定され、リングＮｏ．を下付き添え字で付している。

図３に示すように、後胴方位θｒとは、後胴部１１２の方位角であり、予め定められた基準方位（例えば、真北）に対する後胴部１１２の中心軸ＣＬｒの水平面内のずれ角に相当する。実際の作業において、後胴方位θｒは、１掘進工程の間に徐々に変化し、１掘進工程が終了したときに目標値に達するようにシールドジャッキ１２５が調整される。

このため、本実施形態に係る情報取得部１３１は、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として、次の掘進サイクルにおける掘進工程が終了した後であってさらに次の掘進サイクルが開始する前の後胴方位θｒ（シールド掘進機１１０の方位角）の目標値を取得する。つまり、管理サーバ１３の操作者は、シールド掘進機１１０が計画線に沿って掘進工程及び組立工程を行えるように、入力装置１５１を操作して、掘進工程終了直後の後胴方位θｒの目標値を、掘進サイクルごとに入力すればよい。掘進方位に関する情報として後胴方位θｒの目標値が採用されるため、掘進方位に関する情報としてシールドジャッキ１２５のストローク量が採用される場合に比べて、管理サーバ１３への設定作業を容易に行うことができる。

なお、後述する前胴方位θｆとは、前胴部１１１の方位角であり、予め定められた基準方位（例えば、真北）に対する前胴部１１１の中心軸ＣＬｆの水平面内のずれ角に相当する。

中折れ角度θλは、後胴部１１２に対する前胴部１１１の水平面内での傾き角度である。すなわち、中折れ角度θλは、後胴部１１２の中心軸ＣＬｒと前胴部１１１の中心軸ＣＬｆの水平面内でのなす角に相当する。実際の作業において、中折れ角度θλは、１掘進工程の間に徐々に変化し、１掘進工程が終了したときに目標値に達するように中折れジャッキ１１８が調整される。このため、本実施形態に係る情報取得部１３１は、次の掘進サイクルにおける掘進工程が終了した後であってさらに次の掘進サイクルが開始する前の中折れ角度θλの目標値を取得する。つまり、管理サーバ１３の操作者は、入力装置１５１を操作して、掘進工程終了直後の中折れ角度θλの目標値を、掘進サイクルごとに入力すればよい。

図５及び図６を参照して、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒについて説明する。図５は、前胴部１１１の側面模式図であり、カッタヘッド１１４及びコピーカッタ１２７の位置関係について示す。図５に示すように、余掘り量Ｐは、コピーカッタ１２７の突出量である。つまり、余掘り量Ｐは、カッタヘッド１１４の外周面からコピーカッタ１２７の先端（余掘り点Ｃｔ）までの径方向長さである。図６は、掘削坑１０９の正面模式図であり、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒについて示す。なお、図６は、管理サーバ１３によるシミュレーションに用いられる余掘り範囲Ｒの設定例の一例を示しており、実際の掘削坑１０９の断面形状を示すものではない。図６に示すように、余掘り範囲Ｒは、コピーカッタ１２７を突出させる周方向の範囲である。操作者は、掘進サイクルごとに、余掘り開始角度と余掘り終了角度を入力することにより、余掘り範囲Ｒを設定する。

軌跡予測部１３２は、シールド掘進機１１０の形状に関する情報と、次の掘進サイクル以降の掘進方位に関する情報と、中折れ角度に関する情報と、に基づいて、シールド掘進機１１０の軌跡を予測する。

シールド掘進機１１０の軌跡の予測方法の一例について説明する。なお、説明の便宜上、シールド掘進機１１０が水平方向に移動する場合について説明する。図３に示すように、シールド掘進機１１０の軌跡には、前胴部１１１の外周部の所定位置（Ｐ１）の軌跡、中折れ部１１９の外周部の所定位置（Ｐ２）の軌跡、及び、後胴部１１２の外周部の所定位置（Ｐ３）の軌跡が含まれる。

軌跡予測部１３２は、後胴部１１２の外周部の所定位置（Ｐ３）の軌跡を予測するための基準となるマシン基準中心点Ｍｃの座標と、中折れ部１１９の外周部の所定位置（Ｐ２）の軌跡を予測するための基準となる中折れ中心点Ｐｂの座標と、前胴部１１１の外周部の所定位置（Ｐ１）の軌跡を予測するための基準となる先端中心点Ｐｆの座標と、を掘進サイクルごとに演算する。

所定の掘進サイクルが終了した後のマシン基準中心点Ｍｃの座標Ｍｃ（ｉ）＝（ｘｍｃ（ｉ），ｙｍｃ（ｉ））は、１サイクル前のマシン基準中心点Ｍｃの座標Ｍｃ（ｉ−１）＝（ｘｍｃ（ｉ−１），ｙｍｃ（ｉ−１））をセグメント長Ｌｓだけ、所定の掘進サイクルが終了した後の後胴方位θｒ（ｉ）と１サイクル前の後胴方位θｒ（ｉ−１）の平均値に相当する方位に移動させた位置に相当し、式（１）により求められる。なお、ｉは、掘進サイクルの番号（リングＮｏ．と同義）を表す自然数であり、Ｍｃ（０）＝（ｘｍｃ（０），ｙｍｃ（０））は測量で得られるマシン基準中心点Ｍｃの座標である。また、後胴方位θｒ（ｉ）の初期値θｒ（０）は測量により得られる。なお、後胴方位θｒ（０）は、ジャイロコンパス１５３で検出される前胴方位θｆ（０）と、中折れ角度θλ（０）から求めるようにしてもよい。ジャイロコンパス１５３で検出される方位を利用することで、シールド掘進機１１０の操作者にとって、掘進方位をリアルタイムに且つ、把握しやすいパラメータでシールド掘進機１１０の状態を認識可能となる。

所定の掘進サイクルが終了した後の中折れ中心点Ｐｂの座標Ｐｂ（ｉ）＝（ｘｐｂ（ｉ），ｙｐｂ（ｉ））は、式（１）で求められたマシン基準中心点Ｍｃの座標Ｍｃ（ｉ）を基準点前側後胴長さＬｍｒ２だけ後胴方位θｒ（ｉ）に移動させた位置に相当し、式（２）により求められる。

所定の掘進サイクルが終了した後の先端中心点Ｐｆの座標Ｐｆ（ｉ）＝（ｘｐｆ（ｉ），ｙｐｆ（ｉ））は、式（２）で求められた中折れ中心点Ｐｂの座標Ｐｂ（ｉ）を前胴長さＬｍｆだけ前胴方位θｆ（ｉ）に移動させた位置に相当し、式（３）により求められる。なお、前胴方位θｆ（ｉ）は、式（４）により求められる。

軌跡予測部１３２は、前胴部１１１の外周部の所定位置の軌跡として、例えば、前胴部１１１の外周部の前端部Ｐ１の軌跡を演算する。前端部Ｐ１は円形状であり、軌跡予測部１３２は、前端部Ｐ１を周方向に分割する複数の位置の座標を掘進サイクルごとに演算する。前端部Ｐ１の位置を表す座標は、式（３）で求められた先端中心点Ｐｆの座標Ｐｆ（ｉ）と、シールド掘進機１１０の半径（Ｄ／２）と、前胴方位θｆ（ｉ）と、に基づいて求められる。

軌跡予測部１３２は、後胴部１１２の外周部の所定位置の軌跡として、例えば、後胴部１１２の外周部の後端部Ｐ３の軌跡を演算する。後端部Ｐ３は円形状であり、軌跡予測部１３２は、後端部Ｐ３を周方向に分割する複数の位置の座標を掘進サイクルごとに演算する。後端部Ｐ３の位置を表す座標は、式（１）で求められたマシン基準中心点Ｍｃの座標Ｍｃ（ｉ）と、シールド掘進機１１０の半径（Ｄ／２）と、後胴方位θｒ（ｉ）と、基準点後側後胴長さＬｍｒ１と、に基づいて求められる。

軌跡予測部１３２は、中折れ部１１９の外周部の所定位置の軌跡として、例えば、中折れ中心点Ｐｂを中心とする半径（Ｄ／２）の横断面内の円（以下、中折れ外周部と記す）Ｐ２の軌跡を演算する。中折れ外周部Ｐ２は、後胴方位θｒと前胴方位θｆを等分する方位、すなわち後胴方位θｒと前胴方位θｆの中間の方位に直交する面内の円である。軌跡予測部１３２は、中折れ外周部Ｐ２を周方向に分割する複数の位置の座標を掘進サイクルごとに演算する。したがって、中折れ外周部Ｐ２の位置を表す座標は、式（２）で求められた中折れ中心点Ｐｂの座標Ｐｂ（ｉ）と、シールド掘進機１１０の半径（Ｄ／２）と、後胴方位θｒ（ｉ）と前胴方位θｆ（ｉ）を２分する方位に基づいて求められる。

覆工体形状予測部１３３は、次の掘進サイクル以降に組み立てられるセグメントリング１０１の形状に関する情報に基づいて、セグメントリング１０１が組み立てられることにより形成される覆工体１０３の形状を予測する。

覆工体形状予測部１３３は、例えば、セグメントリング１０１の前側の開口端面の中心点（以下、セグメント中心点と記す）Ｐｓの座標Ｐｓ（ｉ）を掘進サイクルごとに演算する。所定の掘進サイクルで設置されるセグメントリング１０１のセグメント中心点Ｐｓの座標Ｐｓ（ｉ）は、１サイクル前のセグメント中心点Ｐｓの座標Ｐｓ（ｉ−１）をセグメント長Ｌｓだけ、セグメント方位θｓ（ｉ）に移動させた位置に相当する。なお、セグメント方位θｓ（ｉ）は、１サイクル前のセグメント方位θｓ（ｉ−１）にセグメント傾き角度αｓを加算した角度に相当する。また、ｉは、掘進サイクルの番号を表す自然数であり、Ｐｓ（０）は測量で得られるセグメント中心点Ｐｓの座標である。

覆工体形状予測部１３３は、掘進サイクルごとに演算されたセグメント中心点Ｐｓの座標Ｐｓ（ｉ）と、セグメント外径Ｄｓと、に基づいて、セグメントリング１０１が積層されてなる覆工体１０３の形状を演算する。

掘削坑形状予測部１３４は、シールド掘進機１１０の形状に関する情報と、次の掘進サイクル以降の掘進方位に関する情報と、次の掘進サイクル以降の余掘り量及び余掘り範囲に関する情報と、中折れ角度に関する情報と、に基づいて、掘削坑１０９の形状を予測する。

具体的には、掘削坑１０９の形状は、軌跡予測部１３２で中折れ角度θλを加味して演算された先端中心点Ｐｆの座標Ｐｒ（ｉ）と、後胴方位θｒ（ｉ）と、カッタヘッド１１４の半径（Ｄ／２）、余掘り量（コピーカッタ１２７の突出量）Ｐ及び余掘り範囲Ｒに基づいて予測演算される。掘削坑形状予測部１３４は、コピーカッタ１２７が突出していない状態では、カッタヘッド１１４の半径（Ｄ／２）にオーバーカット量Ｏｃを加えた値を半径とする円の軌跡を掘削坑１０９の予測形状として演算し、記憶部１４０に記憶させる。オーバーカット量Ｏｃとは、カッタヘッド１１４によって掘削される余掘り量である。つまり、オーバーカット量Ｏｃとは、カッタヘッド１１４により掘削される掘削坑１０９の半径と、カッタヘッド１１４の半径との差に相当する。オーバーカット量Ｏｃは、実績値や設計値に基づいて定められ、予め記憶部１４０に記憶されている。オーバーカット量Ｏｃは、入力装置１５１を操作することにより任意の数値に変更することができる。

図５に示すように、掘削坑形状予測部１３４は、先端中心点Ｐｆの座標Ｐｆ（ｉ）と、前胴部１１１の先端からコピーカッタ１２７までの軸方向長さＬｃと、に基づいて、前胴部１１１の中心軸ＣＬｆ上のコピーカッタ１２７の中心座標Ｃｃ（ｉ）を演算する。なお、前胴部１１１の先端からコピーカッタ１２７までの軸方向長さＬｃは、シールド掘進機１１０の形状データの一つであり、予め記憶部１４０に記憶されている。

掘削坑形状予測部１３４は、コピーカッタ１２７の中心座標Ｃｃ（ｉ）からの径方向距離Ｌを演算する。径方向距離Ｌは、余掘り範囲Ｒ内では、前胴部１１１の半径（Ｄ／２）に余掘り量Ｐを加算した値である。余掘り量Ｐは、前胴部１１１の外周面から余掘り点Ｃｔ、すなわちコピーカッタ１２７の先端点までの距離に相当する。径方向距離Ｌは、余掘り範囲Ｒ外では、前胴部１１１の半径（Ｄ／２）にオーバーカット量Ｏｃを加算した値である。図６に示すように、掘削坑形状予測部１３４は、コピーカッタ１２７の中心座標Ｃｃ（ｉ）と、前胴方位θｆ（ｉ）と、径方向距離Ｌと、に基づいて、掘削坑１０９の内周面を表す座標を演算する。この座標は、例えば、周方向に１度ずつ演算される。

クリアランス演算部１３５は、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡と、覆工体形状予測部１３３により予測された覆工体１０３の形状と、に基づいて、後胴部１１２の後端部Ｐ３及びセグメント先端部Ｑ１（図３参照）のそれぞれの横断面内におけるシールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面との内側クリアランスＣｉを演算する。クリアランス演算部１３５は、掘進サイクルごとに内側クリアランスＣｉを演算し、演算結果を記憶部１４０に記憶させる。

図７は、シールド掘進機１１０の後端部Ｐ３におけるシールド掘進機１１０及び覆工体１０３の横断面を模式的に示す図であり、内側の円は覆工体１０３の外周面を表し、外側の円はシールド掘進機１１０の内周面を表している。なお、図７に示す横断面は、シールド掘進機１１０の後端面に沿う横断面である。

クリアランス演算部１３５は、横断面内において、セグメントリング１０１を周方向に等分割（本実施形態では８等分割）する位置（以下、分割点Ｐｄと記す）の座標を演算する。クリアランス演算部１３５は、横断面内において、セグメントリング１０１の中心点と分割点Ｐｄとを通る直線と、シールド掘進機１１０の内周との交差点Ｐｃの座標を演算する。クリアランス演算部１３５は、分割点Ｐｄと交差点Ｐｃとの間の直線距離を内側クリアランスＣｉとして演算する。

なお、覆工体１０３の先端部であるセグメント先端部Ｑ１における内側クリアランスＣｉの演算方法は、シールド掘進機１１０の後端部Ｐ３における内側クリアランスＣｉの演算方法と同様である。セグメント先端部Ｑ１における内側クリアランスＣｉを演算する場合は、覆工体１０３の先端面に沿う横断面において、シールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面との内側クリアランスＣｉを演算する。

干渉判定部１３６は、クリアランス演算部１３５で演算された内側クリアランスＣｉに基づいて、シールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面とが干渉する可能性があるか否かを判定する内側干渉判定部として機能する。具体的には、干渉判定部１３６は、内側クリアランスＣｉが予め定めた閾値Ｃｉ０以下であるか否かを判定する。内側クリアランスＣｉが閾値Ｃｉ０以下である場合、干渉判定部１３６は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３との干渉の可能性があると判定する。内側クリアランスＣｉが閾値Ｃｉ０よりも大きい場合、干渉判定部１３６は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３との干渉の可能性がないと判定する。なお、閾値Ｃｉ０は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３との干渉の可能性があるか否かを判定するために用いられるものであり、任意の数値が設定される。

図８は、表示装置１５２に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部Ｐ３における横断面内でのシールド掘進機１１０と覆工体１０３との内側クリアランスＣｉに関する情報を表形式で表示する例について示す。図８に示すように、出力部１３９は、セグメントリング１０１ごとの分割点Ｐｄに対応する内側クリアランスＣｉを表形式で、表示装置１５２の表示画面に表示させる。図示する表示画像では、干渉判定部１３６により、シールド掘進機１１０と覆工体１０３が干渉する可能性があると判定された位置に対応するセルに他のセルとは異なる色が付されてる。例えば、リングＮｏ．３７の右下の部位、及びリングＮｏ．３８の右下の部位における内側クリアランスＣｉを表示するセルは、赤色で表示され、その他のセルは白色で表示されている。これにより、シールド掘進機１１０とセグメントリング１０１とが干渉する可能性の高い位置の確認が容易になる。出力部１３９は、同様に、セグメント先端部Ｑ１におけるシールド掘進機１１０とセグメントリング１０１との間の内側クリアランスＣｉに関する情報（内側クリアランスＣｉ及び干渉判定結果）を表示装置１５２に表示可能に構成される。

図９は、表示装置１５２に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部Ｐ３における横断面内でのシールド掘進機１１０とセグメントリング１０１との内側クリアランスＣｉに関する情報を三次元表示形式で表示する例について示す。図９に示すように、出力部１３９は、覆工体形状予測部１３３で予測された覆工体１０３の形状の三次元画像に、内側クリアランスＣｉ及び干渉判定結果を重ね合わせた画像を表示装置１５２に表示させることもできる。出力部１３９は、例えば、図示するように、内側クリアランスＣｉと、内側クリアランスＣｉの大きさに応じて設定される色と、を覆工体１０３の形状を表す三次元画像に重ねた画像を表示装置１５２に表示させる。なお、干渉の可能性の高い部位は他の部位よりも目立つ色に設定することが好ましい。

このように、クリアランス演算部１３５、干渉判定部１３６及び出力部１３９は、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡と、覆工体形状予測部１３３により予測された覆工体１０３の形状と、に基づいて、シールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面とのクリアランスに関する情報を出力する内側クリアランス出力部として機能する。内側クリアランス出力部は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面とのクリアランスに関する情報として、内側クリアランスＣｉの演算結果、及び、干渉判定部１３６による判定結果を表す画像の情報を表示装置１５２に出力する。これにより、操作者は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３との間のクリアランスの状況、及びシールド掘進機１１０と覆工体１０３との干渉の可能性を容易に把握することができる。

クリアランス演算部１３５は、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡と、掘削坑形状予測部１３４により予測された掘削坑１０９の形状と、に基づいて、前胴部１１１の前端部Ｐ１、中折れ外周部Ｐ２及び後胴部１１２の後端部Ｐ３のそれぞれの横断面内におけるシールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面との外側クリアランスＣｏを演算する。クリアランス演算部１３５は、掘進サイクルごとに外側クリアランスＣｏを演算し、演算結果を記憶部１４０に記憶させる。

図１０は、前端部Ｐ１、中折れ外周部Ｐ２または後端部Ｐ３におけるシールド掘進機１１０及び掘削坑１０９の横断面を模式的に示す図であり、内側の円はシールド掘進機１１０の外周面を表し、外側の円（実線）は掘削坑形状予測部１３４により予測される掘削坑１０９の内周面を表している。なお、実際の作業では、コピーカッタ１２７は、カッタヘッド１４４の回転とともに徐々に突出量が増減する。このため、実際の掘削坑１０９の内径は、図中破線で示すようにコピーカッタ１２７の突出量が増加するにしたがって徐々に大きくなり、余掘り範囲Ｒで余掘り量Ｐとなる。また、コピーカッタ１２７は、余掘り範囲Ｒを過ぎると突出量が徐々に減少するため、実際の掘削坑１０９の内径は、図中破線で示すようにコピーカッタ１２７の突出量が減少するにしたがって徐々に小さくなる。

外側クリアランスＣｏの演算方法は、前端部Ｐ１、中折れ外周部Ｐ２及び後端部Ｐ３において、それぞれ同様である。クリアランス演算部１３５は、横断面内において、シールド掘進機１１０を周方向に等分割（本実施形態では４等分割）する位置（以下、分割点Ｐａと記す）の座標を演算する。クリアランス演算部１３５は、横断面内において、シールド掘進機１１０の中心点と分割点Ｐａとを通る直線と、掘削坑１０９の内周との交差点Ｐｐの座標を演算する。クリアランス演算部１３５は、分割点Ｐａと交差点Ｐｐとの間の直線距離を外側クリアランスＣｏとして演算する。

干渉判定部１３６は、クリアランス演算部１３５で演算された外側クリアランスＣｏに基づいて、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面とが干渉する可能性があるか否かを判定する外側干渉判定部として機能する。具体的には、干渉判定部１３６は、外側クリアランスＣｏが予め定めた閾値Ｃｏ０以下であるか否かを判定する。外側クリアランスＣｏが閾値Ｃｏ０以下である場合、干渉判定部１３６は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との干渉の可能性があると判定する。外側クリアランスＣｏが閾値Ｃｏ０よりも大きい場合、干渉判定部１３６は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との干渉の可能性がないと判定する。なお、閾値Ｃｏ０は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との干渉の可能性があるか否かを判定するために用いられるものであり、任意の数値が設定される。

図１１は、表示装置１５２に表示される表示画像の一例を示す図であり、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との外側クリアランスＣｏに関する情報を二次元表示形式で表示する例について示す。図１１（ａ）は、図１０のＸＩａ−ＸＩａ線の断面における掘削坑１０９の内周面と各軌跡ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３について表示された画像を示す図であり、図１１（ｂ）は、図１０のＸＩｂ−ＸＩｂ線の断面における掘削坑１０９の内周面と各軌跡ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３について表示された画像を示す図である。図１１（ｃ）は、図１０のＸＩｃ−ＸＩｃ線の断面における掘削坑１０９の内周面と各軌跡ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３について表示された画像を示す図であり、図１１（ｄ）は、図１０のＸＩｄ−ＸＩｄ線の断面における掘削坑１０９の内周面と各軌跡ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３について表示された画像を示す図である。

図１１に示すように、出力部１３９は、シールド掘進機１１０の前端部Ｐ１の軌跡ＴＰ１、中折れ外周部Ｐ２の軌跡ＴＰ２及び後端部Ｐ３の軌跡ＴＰ３と、掘削坑１０９の内周面の形状を重ねた画像を表示装置１５２に表示させる。各軌跡ＴＰ１〜ＴＰ３は、クリアランス演算部１３５で演算された分割点Ｐａの座標と、その座標をリングＮｏ．の番号順（掘進サイクルの順）に結ぶ線によって表される。また、掘削坑１０９の内周面の形状は、クリアランス演算部１３５で演算された交差点Ｐｐの座標をリングＮｏ．の番号順（掘進サイクルの順）に結ぶ線によって表される。さらに、出力部１３９は、クリアランス演算部１３５で演算された外側クリアランスＣｏが上記分割点Ｐａの座標の近くに表示されるように、表示装置１５２を制御する。

このように、表示装置１５２に表示されるシールド掘進機１１０の軌跡には、前胴部１１１の外周部の軌跡、中折れ部１１９の外周部の軌跡、及び、後胴部１１２の外周部の軌跡が含まれる。したがって、操作者は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との間のクリアランスの状況を容易に把握することができる。

また、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との間のクリアランスの状況を容易に把握することができるので、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒが適切であったか否かの確認を容易に行うことができる。余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒが不適切であったと判断した場合、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒを修正してから、シミュレーションをやり直す。これにより、操作者は、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒを修正した後のシールド掘進機１１０と掘削坑１０９と間のクリアランスの状況を直ちに把握することができ、再度、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒが適切であったか否かを確認することができる。したがって、本実施形態によれば、掘削坑１０９の適切な余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒを容易に決定することができる。さらに、余掘り量Ｐ及び余掘り範囲Ｒの条件を変えた複数のシミュレーション結果を出力し、比較検討することもできる。

図１２は、表示装置１５２に表示される表示画像の一例を示す図であり、後端部Ｐ３における横断面内でのシールド掘進機１１０と掘削坑１０９との外側クリアランスＣｏに関する情報を表形式で表示する例について示す。図１２に示すように、出力部１３９は、掘進サイクルごとの分割点Ｐａに対応する外側クリアランスＣｏを表形式で、表示装置１５２の表示画面に表示させる。図示する表示画像では、干渉判定部１３６により、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９とが干渉する可能性があると判定された位置に対応するセルに他のセルとは異なる色が付されている。例えば、リングＮｏ．７２を組み立てる掘進サイクルにおける左の部位、及びリングＮｏ．７３を組み立てる掘進サイクルにおける左の部位における外側クリアランスＣｏを表示するセルは、赤色で表示され、その他のセルは白色で表示されている。これにより、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９とが干渉する可能性の高い位置の確認が容易になる。出力部１３９は、同様に、前端部Ｐ１及び中折れ外周部Ｐ２におけるシールド掘進機１１０と掘削坑１０９との間の外側クリアランスＣｏに関する情報（外側クリアランスＣｏ及び干渉判定結果）を表示装置１５２に表示可能に構成される。

このように、クリアランス演算部１３５、干渉判定部１３６及び出力部１３９は、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡と、掘削坑形状予測部１３４により予測された掘削坑１０９の形状と、に基づいて、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面とのクリアランスに関する情報を出力する外側クリアランス出力部として機能する。外側クリアランス出力部は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面とのクリアランスに関する情報として、外側クリアランスＣｏの演算結果、及び、干渉判定部１３６による判定結果を表す画像の情報を表示装置１５２に出力する。これにより、操作者は、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との間のクリアランスの状況、及びシールド掘進機１１０と掘削坑１０９との干渉の可能性を容易に把握することができる。

出力部１３９は、シミュレーション結果を表す情報（シミュレーションに用いた掘進指示データベース１４３の各種情報を含む）を無線／有線通信により、作業者が操作する端末に送信する。また、出力部１３９は、シミュレーション結果を表す情報（シミュレーションに用いた掘進指示データベース１４３の各種情報を含む）を印刷装置（不図示）によって紙媒体に印刷させる。管理サーバ１３の操作者は、シミュレーション結果に問題がない場合、そのシミュレーション結果を表す情報（シミュレーションに用いた掘進指示データベース１４３の各種情報を含む）を作業者に提供する。作業者は、シミュレーション結果及び掘進指示データベース１４３の各種情報に基づいて、掘進工程及び組立工程を行うことができる。

次に、本実施形態に係る施工管理システム１０を用いた施工管理方法について説明する。図１３は、施工管理方法の手順の一例について示すフローチャートである。施工管理方法は、設定工程Ｓ１００と、シミュレーション工程Ｓ１１０と、シミュレーション結果確認工程Ｓ１２０と、掘進工程Ｓ１３０と、組立工程Ｓ１４０と、測量判断工程Ｓ１５０と、測量工程Ｓ１６０と、再設定判断工程Ｓ１７０と、再設定工程Ｓ１８０と、を備える。

設定工程Ｓ１００において、管理サーバ１３の操作者は、入力装置１５１を操作することにより、測量で得られた各種情報の現在値を設定する。測量で得られた各種情報の現在値には、既設の覆工体１０３の最前部に位置するセグメントリング１０１のリングＮｏ．、リング種別Ｋ、及び、セグメント方位θｓ、並びに、シールド掘進機１１０のマシン基準中心点Ｍｃの座標、後胴方位θｒ及び中折れ角度θλが含まれる。設定工程Ｓ１００において、操作者は、入力装置１５１を操作することにより、各種情報の次の掘進サイクル以降の目標値を設定する。各種情報の目標値には、リングＮｏ．に対応するリング種別Ｋ、後胴方位θｒ、中折れ角度θλ、余掘り範囲Ｒ及び余掘り量Ｐが含まれる。

設定工程Ｓ１００が完了すると、シミュレーション工程Ｓ１１０に進む。シミュレーション工程Ｓ１１０において、操作者は、入力装置１５１を操作することにより、施工管理システム１０によって、シールド掘進機１１０の軌跡、覆工体１０３及び掘削坑１０９の形状を予測させるシミュレーションを実行する。シミュレーションが完了すると、シミュレーション結果確認工程Ｓ１２０に進む。

シミュレーション結果確認工程Ｓ１２０において、操作者は、表示装置１５２の表示画面に表示されるシミュレーションの結果を確認する。シミュレーションの結果には、掘進指示データベース１４３に格納されている各種情報、並びに、内側クリアランスＣｉ及び外側クリアランスＣｏに関する情報が含まれる。

シミュレーション結果確認工程Ｓ１２０において、操作者は、シミュレーション結果に問題があるか否かを判断する。工程Ｓ１２０において、シミュレーション結果に問題がないと判断した場合は、掘進工程Ｓ１３０に進む。工程Ｓ１２０において、シミュレーション結果に問題があると判断した場合は、設定工程Ｓ１００に戻る。

掘進工程Ｓ１３０において、作業者は、シミュレーション工程Ｓ１１０で得られたシミュレーション結果及び掘進指示データベース１４３の各種情報に基づき、シールド掘進機１１０により掘進を行う。

作業者は、シールドジャッキ１２５を伸長させるとともに、カッタヘッド１１４を回転駆動させることにより、シールド掘進機１１０を掘進させる。シールドジャッキ１２５の伸長作業では、現在の後胴方位θｒ（ｉ−１）が目標とする後胴方位θｒ（ｉ）に変化するように、シールドジャッキ１２５のストロークが調整される。

現在の後胴方位θｒ（ｉ−１）から次の掘進サイクルを終了したときの目標とする後胴方位θｒ（ｉ）に変化するために必要なシールドジャッキ１２５の伸長量について説明する。例えば、シールド掘進機１１０が水平方向に掘進する場合、水平面上に位置する左側のシールドジャッキ１２５の伸長量Ｌ_JL及び右側のシールドジャッキ１２５の伸長量Ｌ_JRは、式（５），（６）によって表される。

また、作業者は、中折れ角度θλを変化させる必要がある場合、シールド掘進機１１０の掘進とともに、中折れジャッキ１１８を伸縮させる。中折れジャッキ１１８の伸縮作業では、現在の中折れ角度θλ（ｉ−１）が目標とする中折れ角度θλ（ｉ）に変化するように、中折れジャッキ１１８のストロークが調整される。

掘進工程Ｓ１３０が終了すると、組立工程Ｓ１４０に進む。組立工程Ｓ１４０において、作業者は、エレクタ１２６を操作して、新たなセグメントリング１０１を組み立てる。新たなセグメントリング１０１の組み立てが完了すると、測量判断工程Ｓ１５０に進む。測量判断工程Ｓ１５０では、所定期間が経過したか否か、あるいは、所定数の掘進サイクルが終了したか否かを判断する。測量判断工程Ｓ１５０において、所定期間が経過した場合、あるいは、所定数の掘進サイクルが終了した場合には、測量が必要と判断し、所定期間が経過していない場合、あるいは、所定数の掘進サイクルが終了していない場合には、、測量は不要と判断する。測量が必要と判断した場合は、測量工程Ｓ１６０へ進んで測量を行う。測量が不要と判断した場合は、掘進工程Ｓ１３０に戻る。すなわち、次の掘進サイクルでの作業に進む。

測量工程Ｓ１６０において、作業者が測量を行うことにより、後胴方位θｒ、マシン基準中心点Ｍｃの座標等を取得する。測量工程Ｓ１６０において測量が完了すると、再設定判断工程Ｓ１７０へ進む。再設定判断工程Ｓ１７０において、操作者は、施工管理システム１０によるシミュレーションを再度実行するための設定を行うか否かを判断する。工程Ｓ１７０において、測量工程Ｓ１６０で得られた所定情報に対する測量結果と、シミュレーション工程Ｓ１１０で得られた所定情報に対するシミュレーション結果との差が、所定の値よりも大きく、再設定が必要と判断される場合には、再設定工程Ｓ１８０へ進む。工程Ｓ１７０において、測量工程Ｓ１６０で得られた所定情報に対する測量結果と、所定情報に対するシミュレーション結果との差が所定の値よりも小さく、再設定が不要と判断される場合には、掘進工程Ｓ１３０に戻る。すなわち、次の掘進サイクルでの作業に進む。なお、所定情報に対する測量結果には、例えば、後胴方位θｒの計測値、及びジャイロコンパス１５３で検出された前胴方位θｆの計測値が含まれる。

再設定工程Ｓ１８０では、操作者は、入力装置１５１を操作することにより、測量工程Ｓ１６０で得られた各種情報の現在値を設定し、シミュレーション工程Ｓ１１０に戻る。ここで、測量工程Ｓ１６０で得られる情報が蓄積されてくると、所定情報に対する測量結果とシミュレーション結果との差の傾向を掴むことができるようになる。このため、測量工程Ｓ１６０で得られた所定情報に対する測量結果と、シミュレーション工程Ｓ１１０で得られた所定情報に対するシミュレーション結果と、の差に基づき、掘進工程Ｓ１３０及び組立工程Ｓ１４０を行うことが好ましい。つまり、所定情報（例えば、後胴方位θｒ、前胴方位θｆ）に対する測量結果とシミュレーション結果との差が、次の掘進サイクルが終了した後において、今までの差よりも小さくなるように、シールドジャッキ１２５の伸長量を調整する。これにより、より計画線に沿った掘進作業を行うことができる。

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

本実施形態では、クリアランス演算部１３５、干渉判定部１３６及び出力部１３９が、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡と、掘削坑形状予測部１３４により予測された掘削坑１０９の形状と、に基づいて、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面とのクリアランスに関する情報を表示装置１５２に出力する外側クリアランス出力部として機能する。したがって、操作者は、表示装置１５２に表示される画像により、掘削坑１０９の予測形状と、シールド掘進機１１０の通過軌跡と、を対比することができ、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９との間のクリアランスの状況を容易に把握することができる。その結果、掘進計画の変更を迅速に行うことができ、トンネル施工工程の効率化を図ることができる。

このように、本実施形態では、シミュレーションを行うことにより、容易に掘進の管理が可能な施工管理システム１０及び施工管理方法を提供することができる。

次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

＜変形例１＞
上記実施形態では、情報取得部１３１が、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として、次の掘進サイクルが終了した後のシールド掘進機１１０の方位角の目標値（後胴方位θｒ（ｉ））を取得する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。次の掘進サイクルでシールド掘進機１１０が移動する方位角を取得するようにしてもよい。つまり、上記実施形態では、後胴方位θｒの目標値を、リングＮｏ．ごとに設定していた。これに対して、本変形例では、所定の掘進サイクル終了後の後胴方位θｒ（ｉ）と、所定の掘進サイクル開始前（所定の掘進サイクルの１サイクル前の掘進サイクル終了後）の後胴方位θｒ（ｉ−１）との平均値をリングＮｏ．ごとに設定してもよい。

＜変形例２＞
上記実施形態では、情報取得部１３１が、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として後胴方位θｒの目標値を取得する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。情報取得部１３１は、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として、後胴方位θｒの目標値に代えて、前胴方位θｆの目標値を取得するようにしてもよい。つまり、情報取得部１３１は、掘進方位に関する情報として、前胴方位θｆの目標値及び後胴方位θｒの目標値のいずれを取得してもよい。管理サーバ１３は、取得した前胴方位θｆの目標値及び後胴方位θｒの目標値のいずれかを基準として各種演算を行うことができる。また、情報取得部１３１は、後胴方位θｒの目標値に代えて、次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として、シールドジャッキ１２５のストローク量の目標値を取得するようにしてもよい。

＜変形例３＞
管理サーバ１３が、表示装置１５２の表示画面に表示させる表示画像は、上記実施形態に限定されない。例えば、制御部１３０は、掘進サイクルごとのシールドジャッキ１２５の左右のストローク差ΔＳを演算し、ストローク差ΔＳに関する情報を表示装置１５２に表示させるようにしてもよい。

ストローク差ΔＳは、シールド掘進機１１０の左側に設置されるシールドジャッキ１２５のストロークと、シールド掘進機１１０の右側に設置されるシールドジャッキ１２５のストロークとの差である。

図１４を参照して、シールドジャッキ１２５の左右のストローク差の演算方法について説明する。制御部１３０は、後胴方位θｒ（ｉ）、セグメント方位θｓ（ｉ）及びマシン基準中心点Ｍｃからシールドジャッキ１２５までの径方向距離ＲＳに基づいて、ストローク差ΔＳを演算する。

ストローク差ΔＳは、式（７）により求められる。なお、方位差φ（ｉ）は、式（８）により求められる。

制御部１３０は、セグメントリング１０１を押し始める状態でのストローク差ΔＳ、及び、シールドジャッキ１２５を伸長させ、セグメントリング１０１を押し終わった状態でのストローク差ΔＳを表示装置１５２に表示させる。これにより、作業者は、シミュレーション結果の一つとしてのストローク差ΔＳを確認することにより、シールドジャッキ１２５の伸長量の調整を容易に行うことができる。

＜変形例４＞
内側クリアランス出力部は、シールド掘進機１１０と覆工体１０３の外周面とクリアランスに関する情報として、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡の三次元画像と、覆工体形状予測部１３３により予測された覆工体１０３の形状の三次元画像と、を重ね合わせた画像の情報を表示装置１５２に出力するようにしてもよい。さらに、外側クリアランス出力部が、シールド掘進機１１０と掘削坑１０９の内周面とクリアランスに関する情報として、軌跡予測部１３２により予測されたシールド掘進機１１０の軌跡の三次元画像と、掘削坑形状予測部１３４により予測された掘削坑１０９の形状の三次元画像と、を重ね合わせた画像の情報を表示装置１５２に出力するようにしてもよい。

＜変形例５＞
上記実施形態では、シールド掘進機１１０が中折れ型掘進機である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。中折れ部１１９が存在しないシールド掘進機１１０に本発明を適用することもできる。中折れ部１１９を装備していないシールド掘進機１１０の場合は、前胴部１１１と後胴部１１２とに分割されていない前胴部と後胴部が一体の胴部を有する。この場合、後胴方位θｒと前胴方位θｆに区別はなく、胴部の方位が掘進方位となる。このため、上述した各種演算で用いられる中折れ角度θλは０となる。すなわち、上記前胴方位θｆは、後胴方位θｒと等しくなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１０・・・施工管理システム、１００・・・シールド掘進機（掘進機）、１０１・・・セグメントリング、１０３・・・覆工体、１０９・・・掘削坑、１１０・・・シールド掘進機、１１１・・・前胴部、１１２・・・後胴部、１１９・・・中折れ部、１２７・・・コピーカッタ（余掘り装置）、１３１・・・情報取得部、１３２・・・軌跡予測部、１３３・・・覆工体形状予測部、１３４・・・掘削坑形状予測部、１３５・・・クリアランス演算部（外側クリアランス出力部、内側クリアランス出力部）、１３６・・・干渉判定部（外側クリアランス出力部、内側クリアランス出力部、外側干渉判定部、内側干渉判定部）、１３９・・・出力部（外側クリアランス出力部、内側クリアランス出力部）、１４０・・・記憶部、１５２・・・表示装置、Ｓ１１０・・・シミュレーション工程、Ｓ１３０・・・掘進工程、Ｓ１４０・・・組立工程、Ｓ１６０・・・測量工程

Claims (8)

1. 掘進機による掘進工程と、前記掘進工程において掘削された掘削坑の内周面に沿ってセグメントリングを組み立てる組立工程と、を有する掘進サイクルを繰り返すことにより施工されるトンネルの施工管理システムであって、
   前記掘進機の次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報を取得する掘進方位情報取得部と、
   前記掘進機の形状に関する情報と、前記次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、前記掘進機の軌跡を予測する軌跡予測部と、
   前記掘進機の形状に関する情報と、前記次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、に基づいて、前記掘削坑の形状を予測する掘削坑形状予測部と、
   前記軌跡予測部により予測された前記掘進機の軌跡と、前記掘削坑形状予測部により予測された前記掘削坑の形状と、に基づいて、前記掘進機と前記掘削坑の内周面とのクリアランスに関する情報を出力する外側クリアランス出力部と、を備える施工管理システム。
2. 前記掘進方位情報取得部は、前記次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報として、前記次の掘進サイクルが終了した後の前記掘進機の方位角の目標値を取得する
   請求項１に記載の施工管理システム。
3. 前記掘進機は、前胴部、後胴部、及び、前記前胴部と前記後胴部とを連結する中折れ部を有する中折れ型掘進機であり、
   前記前胴部と前記後胴部の中折れ角度に関する情報を取得する中折れ角度取得部をさらに備え、
   前記軌跡予測部は、前記掘進機の形状に関する情報と、前記次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、前記中折れ角度に関する情報と、に基づいて、前記掘進機の軌跡を予測し、
   前記掘進機の軌跡には、前記前胴部の外周部の軌跡、前記中折れ部の外周部の軌跡、及び、前記後胴部の外周部の軌跡が含まれる
   請求項１または請求項２に記載の施工管理システム。
4. 前記掘進機の余掘り装置による前記次の掘進サイクルの余掘り量及び余掘り範囲に関する情報を取得する余掘り情報取得部をさらに備え、
   前記掘削坑形状予測部は、前記掘進機の形状に関する情報と、前記次の掘進サイクルの掘進方位に関する情報と、前記次の掘進サイクルの余掘り量及び余掘り範囲に関する情報と、に基づいて、掘削坑の形状を予測する
   請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の施工管理システム。
5. 前記軌跡予測部により予測された前記掘進機の軌跡と、前記掘削坑形状予測部により予測された前記掘削坑の形状と、に基づいて、前記掘進機と前記掘削坑の内周面とが干渉する可能性があるか否かを判定する外側干渉判定部をさらに備え、
   前記外側クリアランス出力部は、前記掘進機と前記掘削坑の内周面とのクリアランスに関する情報として、前記外側干渉判定部による判定結果を表す画像の情報を表示装置に出力する
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の施工管理システム。
6. 前記次の掘進サイクルに組み立てられる前記セグメントリングの形状に関する情報に基づいて、前記セグメントリングが組み立てられることにより形成される覆工体の形状を予測する覆工体形状予測部と、
   前記軌跡予測部により予測された前記掘進機の軌跡と、前記覆工体形状予測部により予測された前記覆工体の形状と、に基づいて、前記掘進機と前記覆工体の外周面とのクリアランスに関する情報を出力する内側クリアランス出力部と、をさらに備える
   請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の施工管理システム。
7. 前記軌跡予測部により予測された前記掘進機の軌跡と、前記覆工体形状予測部により予測された前記覆工体の形状と、に基づいて、前記掘進機と前記覆工体の外周面とが干渉する可能性があるか否かを判定する内側干渉判定部をさらに備え、
   前記内側クリアランス出力部は、前記掘進機と前記覆工体の外周面とのクリアランスに関する情報として、前記内側干渉判定部による判定結果を表す画像の情報を表示装置に出力する
   請求項６に記載の施工管理システム。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の施工管理システムを用いた施工管理方法であって、
   前記施工管理システムによって、前記掘進機の軌跡を予測させるシミュレーション工程と、
   前記シミュレーション工程で得られたシミュレーション結果に基づき、前記掘進機により掘進を行う掘進工程と、
   前記掘進工程が終了した後に、前記掘進機の測量を行う測量工程と、
   前記測量工程で得られた測量結果と、前記シミュレーション工程で得られたシミュレーション結果と、の差に基づき、前記掘進機により掘進を行う掘進工程と、を備える施工管理方法。

Images