JP2022023632A - シールド掘進機のテールクリアランス測定装置、及び、テールクリアランス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テール部の内面とセグメントリングの外面との間に異物が存在しても、テールクリアランスを確実に且つ詳しく測定するテールクリアランス測定装置を提供する。【解決手段】テールクリアランス測定装置１００は、内方でセグメントリング１４が構築される筒状のテール部６ａと推進ジャッキ１６とを含んで構成されるシールド掘進機１のテールクリアランスを測定する。光測距部２０は、スキンプレート６の内方に位置し掘進機本体２の後部の機軸Ｘ１に直交する軸回りに揺動可能な本体部２１を有する。そして、光測距部２０は、本体部２１を揺動させてセグメントリング１４の内面の複数の箇所毎に本体部２１からセグメントリング１４までの距離を計測する。第２算出部３２は、光測距部２０によるセグメントリング１４の内面についての計測結果を用いてセグメントリング１４とテール部６ａの内面との間のテールクリアランス値Ｃを算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、トンネルの構築に用いられるシールド掘進機のテールクリアランスを測定するテールクリアランス測定装置、及び、テールクリアランス測定方法に関する。

道路、鉄道等の管路として用いられるシールドトンネルは、シールド工法により構築される。このシールド工法で用いられるシールド掘進機は、例えば、掘進機本体の外殻をなす筒状のスキンプレートと、スキンプレートの前端部（切羽側端部）に設けられるカッタヘッドと、スキンプレートの内側に設けられる推進ジャッキとを備えている。

シールド工法では、例えば、地山に発進立坑と到達立坑とを構築し、発進立坑から到達立坑へ向けてシールド掘進機で地山を掘削しながら、スキンプレート（外殻）の後部をなすテール部の内方でセグメントリングを組み立てるとともに、隣接するセグメントリング同士をトンネル軸方向で連結することで円筒状の覆工体を構築する。この工法では、シールド掘進機は、その後方の既設セグメントリングを推進ジャッキで後方へ押圧し、その反力として発生する推力によって、地山を掘削しながら前進する。そして、シールド工法では、シールド掘進機のテール部の内面とセグメントリングの外面との間の間隙であるテールクリアランスを測定し、この測定値に基づいて、シールド掘進機の制御方向や、セグメントの組み方（例えば、テーパーセグメントを用いるか否か）が決定され得る。そして、このテールクリアランスは、テールクリアランス測定装置を用いて測定される。

この種のテールクリアランス測定装置の一例としては、特許文献１に開示されたテールクリアランス測定装置が知られている。このテールクリアランス測定装置は、スキンプレートの後部（テール部）の内面に取り付けられた支持枠部と、支持枠部に回転可能に支持される回転軸部と、回転軸部と一体に形成された接触手部と、この接触手部をセグメントリング側に付勢するバネ部と、を有している。接触手部は、バネ部の付勢力によって回転軸部回りに回転し、その先端部がセグメントリングの外面に接触している。そして、このテールクリアランス測定装置は、回転軸部の回転角を検出し、回転角の検出値に基づいて、テールクリアランスを算出するようになっている。

特開２０１５－４５１６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたテールクリアランス測定装置では、グリスや土砂などの異物が存在（侵入）し得る、上記テール部の内面とセグメントリングの外面との間の隙間に、接触手部などの主要な要素を配置している。そのため、このテールクリアランス測定装置では、上記異物に起因する動作不良などの不具合が発生するおそれがあり、改善の余地がある。そして、このテールクリアランス測定装置では、接触手部の先端部の接触箇所のテールクリアランスのみが測定されるだけであり、詳しくテールクリアランスを測定することはできなかった。

本発明は、このような実状に鑑み、テール部の内面とセグメントリングの外面との間に異物が存在しても、テールクリアランスを確実に且つ詳しく測定することを目的とする。

本発明の一側面によると、掘進機本体の外殻の後部をなしてその内方でセグメントリングが構築される筒状のテール部と、前記掘進機本体に設けられ前記セグメントリングから推進反力を得て前記掘進機本体を前方に推進する推進ジャッキと、を含んで構成されるシールド掘進機のテールクリアランスを測定するテールクリアランス測定装置が提供される。このテールクリアランス測定装置は、光測距部と、算出部と、を含む。前記光測距部は、前記外殻の内方に位置し前記掘進機本体の後部の機軸に直交する軸回りに揺動可能な本体部を有し、当該本体部を揺動させて前記セグメントリングの内面の複数の箇所毎に前記本体部から前記セグメントリングまでの距離を計測する。前記算出部は、前記光測距部による前記セグメントリングの内面についての計測結果を用いて前記セグメントリングと前記テール部の内面との間のテールクリアランス値を算出する。

本発明の別の側面によると、掘進機本体の外殻の後部をなしてその内方でセグメントリングが構築される筒状のテール部と、前記掘進機本体に設けられ前記セグメントリングから推進反力を得て前記掘進機本体を前方に推進する推進ジャッキと、を含んで構成されるシールド掘進機のテールクリアランスを測定するテールクリアランス測定方法が提供される。このテールクリアランス測定方法は、光測距工程と、算出工程と、含む。前記光測距工程は、前記外殻の内方に位置し前記掘進機本体の後部の機軸に直交する軸回りに揺動可能な本体部を揺動させて前記セグメントリングの内面の複数の箇所毎に前記本体部から前記セグメントリングまでの距離を計測する工程である。前記算出工程は、前記計測工程による前記セグメントリングの内面についての計測結果を用いて、前記セグメントリングと前記テール部の内面との間のテールクリアランス値を算出する工程である。

前記一側面によるテールクリアランス測定装置、及び、前記別の側面によるテールクリアランス測定方法によれば、光測距部（光測距工程）によって、掘進機本体の外殻の内方に位置する本体部からセグメントリングまでの距離を測定し、この光測距部（光測距工程）によるセグメントリングの内面についての計測結果を用いて、セグメントリングとテール部の内面との間のテールクリアランス値を算出する。これにより、テール部の内面とセグメントリングの外面との間の領域から離れた場所から、光を用いてテールクリアランス値を算出することができるため、当該領域に異物が存在した場合でも、テールクリアランスを確実に測定することができる。そして、光測距部（光測距工程）では、セグメントリングの内面の複数の箇所毎に距離を計測しているため、算出部（算出工程）において、距離の計測箇所に対応した複数の箇所のテールクリアランス値を算出することもできる。したがって、上記領域に異物が存在しても、テールクリアランスを従来よりも確実に且つ詳しく測定することができるようになる。

本発明の一実施形態に係るテールクリアランス測定装置及びテールクリアランス測定方法を適用するシールド掘進機における推進ジャッキ短縮時の概略構成図である。 上記シールド掘進機における推進ジャッキ伸長時の概略構成図である。 上記テールクリアランス測定装置の概略構成図である。 上記テールクリアランス測定装置の光測距部の配置箇所を説明するための概念図である。 上記光測距部によるレーザー光の走査を説明するための概念図である。 上記光測距部の測定対象におけるレーザー光の走査軌跡を説明するための概念図である。 上記テールクリアランス測定装置の測定時のシールド掘進機の状態を説明するための概念図である。 上記推進ジャッキのストローク値を説明するための概念図である。 上記シールド掘進機のスキンプレート（テール部）の内径測定を説明するための概念図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るテールクリアランス測定装置及びテールクリアランス測定方法を適用するシールド掘進機の概略構成図である。図１では推進ジャッキ短縮時の状態が示され、図２では推進ジャッキ伸長時の状態が示されている。なお、本実施形態では、便宜上、トンネル掘進方向を前進方向として、前方（切羽側）に向かって視た状態で前後左右を規定している。また、本実施形態では、いわゆる泥土圧式のシールド掘進機を例にとってシールド掘進機の構成を説明するが、シールド掘進機の種類はこれに限らない。

まず、シールド掘進機１の概略の構造などについて説明する。

図１及び図２に示すように、シールド掘進機１は、掘進機本体２を有している。本実施形態では、掘進機本体２は、円筒状の前胴３及び後胴４を含んで構成されている。ここで、前胴３の側部に配置される円筒状のスキンプレート５と、後胴４の側部に配置される円筒状のスキンプレート６とは、それぞれ、掘進機本体２の外殻をなすものである。また、本実施形態では、後胴４のスキンプレート６の後部６ａが、本発明に係る「テール部」に相当する。以下では、後胴４のスキンプレート６の後部６ａを、テール部６ａという。

前胴３は、掘削用のカッタヘッド７とシールド隔壁（バルクヘッド）８とを有する。カッタヘッド７は前胴３の前端部に配置され、シールド隔壁８はカッタヘッド７の後方に離間して前胴３に配置されている。カッタヘッド７は、シールド隔壁８に回転自在に支持されており、シールド隔壁８の後面に設置された駆動用モータ９を駆動源として、回転しながら地山を掘削する。カッタヘッド７による掘削で生じた掘削土砂は、カッタヘッド７とシールド隔壁８との間に形成されたカッタチャンバ１０に滞留するようになっている。

シールド掘進機１には、前胴３の後部と後胴４の前部とを連結するように、複数の中折れジャッキ１１が、胴の周方向に互いに間隔を空けて配置されている。中折れジャッキ１１は、シリンダと進退可能なロッドとにより構成される油圧ジャッキである。シールド掘進機１の掘進方向の変更・調整時には、各中折れジャッキ１１の伸長量が変更・調整される。

シールド掘進機１は、後胴４のスキンプレート６の内方にエレクター１２を備える。エレクター１２は把持部１２ａを備える。エレクター１２は、スキンプレート６のテール部６ａの内方にて、円弧状断面を有するセグメント１３を把持部１２ａで把持しつつ、セグメント１３をトンネル軸方向、径方向、周方向に適宜移動させることができる。エレクター１２は、スキンプレート６のテール部６ａの内方にて、次々にセグメント１３を連結して、円筒状のセグメントリング１４を構築する。

後胴４は、円環状のリングガータ１５を備えている。このリングガータ１５は、スキンプレート６の前端側の部分における内方に配置されており、その内側の部分によりエレクター１２の周方向への移動をガイドするとともに、その外側の部分によりスキンプレート６を内側から保持するものである。

後胴４のリングガータ１５（換言すると、後胴４の周縁部）には、複数の推進ジャッキ１６が、中折れジャッキ１１と干渉しないように、胴の周方向に互いに間隔を空けて配置されている。推進ジャッキ１６は、シリンダ１６ａとロッド１６ｂとにより構成される油圧ジャッキである。シリンダ１６ａは、リングガータ１５を貫通するように配置され、リングガータ１５に固定されている。シリンダ１６ａの一端は前胴３側に位置し、シリンダ１６ａの他端はリングガータ１５の後端部における円環状フランジ部１５ａよりも後方（セグメントリング１４側）に突出している。ロッド１６ｂは、シリンダ１６ａの他端側にて進出・退入可能となっている。そして、推進ジャッキ１６のロッド１６ｂの先端部を既設のセグメントリング１４の前端面（切羽側の端面）に当接させた状態で推進ジャッキ１６を伸長作動させることにより（図２参照）、シールド掘進機１（掘進機本体２）は推進力を得ることができる。つまり、推進ジャッキ１６は、掘進機本体２（後胴４）に設けられ、既設のセグメントリング１４から推進反力を得て掘進機本体２を前方（切羽側）に推進するように構成されている。

リングガータ１５の円環状フランジ部１５ａにおける隣り合う二つの推進ジャッキ１６の間には、薄板状の補強リブ１５ｂが設けられている。この補強リブ１５ｂは、後胴４の径方向に延伸している。つまり、複数の補強リブ１５ｂが、推進ジャッキ１６と干渉しないように、リングガータ１５の後端部（円環状フランジ部１５ａ）における周方向に間隔を空けた複数の箇所に設けられている。補強リブ１５ｂにおけるスキンプレート６側の端部はスキンプレート６の内面に接合され、補強リブ１５ｂにおけるリングガータ１５側の端部は円環状フランジ部１５ａに接合されている。本実施形態では、複数の補強リブ１５ｂの一部に、テールクリアランス測定装置１００の後述する光測距部２０が取り付けられている。

シールド掘進機１は、カッタチャンバ１０内の掘削土砂をシールド隔壁８の後方に搬出するスクリューコンベヤ１７を備えている。スクリューコンベヤ１７は、シールド隔壁８に固定された円筒状のケース１７ａとその内部に組み込まれたオーガ１７ｂとからなり、オーガ１７ｂを回転させることにより、カッタチャンバ１０内の掘削土砂をシールド隔壁８の後方に搬出する。そして、後胴４は、その中央部に足場１８を備えている。足場１８は、掘進機本体２の後部（つまり）の機軸Ｘ１（換言すると、後胴４の径方向の機械中心軸）に沿うように延在している。

ここで、後胴４のスキンプレート６のテール部６ａの内面とセグメントリング１４の外面との間には、隙間があり、この隙間をテールクリアランスと呼ぶ。そして、スキンプレート６のテール部６ａの内面における後端側の部分には、複数のテールシール部材１９が、機軸Ｘ１の延伸方向に互いに間隔を空けて取り付けられている。上記テールクリアランスは、以下に説明するテールクリアランス測定装置１００及びテールクリアランス測定方法を用いて測定される。

次に、テールクリアランス測定装置１００について説明する。

図３はテールクリアランス測定装置１００の概略構成図（ブロック図）であり、図４はテールクリアランス測定装置１００の光測距部２０の配置箇所を説明するための概念図である。図５は光測距部２０によるレーザー光の走査を説明するための概念図であり、図６は光測距部２０の測定対象におけるレーザー光の走査軌跡Ｌを説明するための概念図である。なお、図４は、図１及び図２に示すＡ部を切羽側（前方）に向かって視た要部拡大図でもある。

図３に示すように、本実施形態では、テールクリアランス測定装置１００は、光測距部２０と、制御装置３０と、入力装置４０と、出力装置５０と、を有している。

光測距部２０は、レーザー光を測定対象に向けて投光（照射）して測定対象までの距離を計測する光学式の測距装置である。図３及び図４に示すように、光測距部２０は、本体部２１と、駆動部２２と、第１算出部２３とを有する。

光測距部２０は、例えば、投光したレーザー光が測定対象との間を往復する時間と光速度とに基づいて、測定対象までの距離を算出することができる。そして、光測距部２０は、以下に詳述するように、レーザー光を測定対象上で走査し、測定対象の表面における走査軌跡Ｌ上の複数の箇所毎に、測定対象までの距離を計測可能に構成されている（図５及び図６参照）。

具体的には、光測距部２０の本体部２１と駆動部２２は、リングガータ１５の後端部の近傍に配置される。そして、本実施形態では、第１算出部２３もリングガータ１５の後端部の近傍に配置されるものとする。なお、第１算出部２３については、これに限らず、例えば、足場１８に設けられた運転管理室１９（図１及び図２参照）内に配置され得る。

本実施形態では、光測距部２０は、後胴４のスキンプレート６の内方において、推進ジャッキ１６と干渉しないように、後胴４の周方向に間隔を空けた複数の箇所に配置されている。特に限定されるものではないが、例えば、８個の光測距部２０が、後胴４の周方向に等間隔で配置されている。図４には、８個の光測距部２０のうち一番下の部分に配置されたものが示されている。残りの光測距部２０の周方向についての配置箇所以外の構成は図４に示した光測距部２０と同じである。

本体部２１は、スキンプレート６の内方に位置し掘進機本体２の後部の機軸Ｘ１（後胴４の径方向の機械中心軸）に直交する軸（以下では揺動軸Ｚという）回りに揺動可能である。ここで、本実施形態では、図５及び図６に示すように、機軸Ｘ１上の所定位置（例えば、リングガータ１５の後端部近傍に対応する位置）に、シールド掘進機１内における空間座標の基準点Ｏが設けられているものとする。そして、機軸Ｘ１をＸ軸とし、基準点Ｏを通過するとともに後胴４の径方向に延伸する軸をＹ軸とする。揺動軸ＺはＸ軸（機軸Ｘ１）とＹ軸の両方に対して直交している。また、本実施形態では、揺動軸Ｚは、図５に示すように、ＸＹ平面で視ると、Ｙ軸方向については座標Ｙｃに位置し、Ｘ軸方向については原点Ｏ（Ｘ＝０）に位置しているものとする。

図示を省略するが、本実施形態では、本体部２１の内部には、レーザー光を外部に投光する投光部と、測定対象の表面で反射して戻ってきたレーザー光（反射光）を受光する受光部とが内蔵されている。そして、本体部２１の一端部の投受光点２１ａからレーザー光が測定対象に向かって投光（照射）されるとともに、測定対象からの反射光が本体部２１の一端部の投受光点２１ａで受光されるように構成されている。そして、図５に示すＸＹ平面で視ると、レーザー光の光軸の延長線上に、揺動軸Ｚが位置している。

駆動部２２は、本体部２１を揺動軸Ｚ回りに揺動させる駆動源であり、例えば、電動モータからなる。本体部２１の揺動軸Ｚ回りの揺動角度幅θｃ（揺動範囲）は、適宜に設定することが可能である。そして、設定した揺動角度幅θｃの大きさに応じて、レーザー光の測定対象上における走査範囲（走査幅）が定まる。投光時の本体部２１の揺動軸Ｚ回りの揺動角度位置θは、例えば、図５に示すように、Ｘ軸（機軸Ｘ１）と平行な軸を基準として規定されている。そして、揺動角度位置θは投光時刻毎に変化している。

ここで、図１、図２及び図４に示すように、光測距部２０における本体部２１及び駆動部２２は、リングガータ１５の後端部に補強リブ１５ｂを介して、リングガータ１５の後端部に取り付けられている。具体的には、本体部２１及び駆動部２２は、補強リブ１５ｂの厚み方向の一方の面に固定された支持部１５ｃ（図４参照）上に固定されている。このようにして、本体部２１及び駆動部２２は、後胴４のスキンプレート６の内方において、推進ジャッキ１６と干渉しないように、後胴４（リングガータ１５）の後端部における周方向に間隔を空けた複数の箇所に配置されている。詳しくは、駆動部２２は、支持部１５ｃに固定された駆動台２４上に固定され、その回転軸部２２ａがＸ軸（機軸Ｘ１）及びＹ軸の両方に対して直交する方向に延伸している。そして、駆動部２２の回転軸部２２ａの端部は駆動台２４の側壁を貫通しており、この回転軸部２２ａの端部には、本体部取付け用のプレート２２ｂが固定されている。そして、このプレート２２ｂに、本体部２１が固定されている。したがって、駆動部２２が作動すると、本体部２１は、回転軸部２２ａの回転（揺動）により、回転軸部２２ａの中心軸回りに揺動する。つまり、本実施形態では、回転軸部２２ａの中心軸が揺動軸Ｚである。

また、図４に示す切羽側（前方）に向かって視た正面視において、本体部２１におけるレーザー光の投受光点２１ａがＹ軸上に位置するように、本体部２１が配置されている。そして、前述したように、本実施形態では、８個の光測距部２０が、後胴４の周方向に等間隔で（つまり、機軸Ｘ１回りの角度ω（図６参照）について等間隔で）配置されている。したがって、図４に示した光測距部２０が配置された機軸Ｘ１回りの角度ωを基準角度ω０とすると、光測距部２０は基準角度ω０から４５°の角度ピッチで機軸Ｘ１回りに角度ω０～角度ω７のそれぞれの位置に配置されている。

図５及び図６に示すように、光測距部２０は、上記のように配置された本体部２１を駆動部２２によって揺動軸Ｚ回りに所定の揺動角度幅θｃで揺動させた状態で、本体部２１からレーザー光を測定対象としてのセグメントリング１４に向けて投光することにより、レーザー光を少なくともセグメントリング１４の内面上で走査するとともに、セグメントリング１４の内面における走査軌跡Ｌ上の複数の箇所からの反射光を本体部２１で受光するように構成されている。走査軌跡Ｌは、セグメントリング１４の表面上に沿って延びている。図６には、基準角度ω０に配置された光測距部２０の本体部２１から投光されたレーザー光の走査軌跡Ｌ（ω０）の一部と、この本体部２１に隣接する本体部２１から投光されたレーザー光の走査軌跡Ｌ（ω１）の一部が示されている。各走査軌跡Ｌのうちのセグメントリング１４の内面に沿う部分は、機軸Ｘ１と平行に延伸している。

本実施形態では、図５に示すように、セグメントリング１４の前端面における径方向内側の端部から径方向（Ｙ軸方向）に所定幅の部分についてもレーザー光を走査可能に、揺動角度幅θｃが設定されている。

第１算出部２３は、本体部２１から投光されたレーザー光が測定対象（セグメントリング１４）との間を往復する時間（往復時間）と光速度とに基づいて、本体部２１における投受光点２１ａからセグメントリング１４の表面の照射点までの距離Ｌを算出するように構成されている。具体的には、本体部２１は、例えば、揺動軸Ｚ回りに所定の揺動速度（回転速度）で揺動した状態で所定の周波数（周期）でレーザー光（パルス光）を投光しており、各レーザー光についての投光時刻と受光時刻に対応する信号を、第１算出部２３へ伝達するように構成されている。第１算出部２３は、本体部２１からの上記信号に基づいて上記往復時間を算出する。そして、第１算出部２３は、算出した往復時間と光速度とに基づいて、投光時刻（照射点）毎に、本体部２１の投受光点２１ａからセグメントリング１４の表面の照射点までの距離Ｌを算出する。投光時刻毎のセグメントリング１４の表面の照射点は、セグメントリング１４の表面の走査軌跡Ｌ上に位置している。したがって、第１算出部２３は、セグメントリング１４の内面におけるレーザー光の走査軌跡Ｌ上の複数の箇所毎に、本体部２１からセグメントリング１４までの距離Ｌを計測（算出）している。

光測距部２０（第１算出部２３）により計測（算出）された距離Ｌを示す信号は、例えば、投光時の本体部２１の揺動軸Ｚ回りの揺動角度位置θと対応付けて、制御装置３０へ伝達され、制御装置３０の後述する記憶部３１に格納される。なお、本実施形態では、複数（８個）の光測距部２０が配置されているため、距離Ｌを示す上記信号は、測定した光測距部２０を特定可能なデータ（例えば、光測距部２０の番号や配置されている角度ωなど）とも対応付けて、記憶部３１に格納される。

以上のようにして、光測距部２０は、スキンプレート６の内方に位置し掘進機本体２の後部（後胴４）の機軸Ｘ１に直交する揺動軸Ｚ回りに揺動可能な本体部２１を有し、この本体部２１を揺動させてセグメントリング１４の内面の複数の箇所毎に本体部２１からセグメントリング１４までの距離Ｌを計測するように構成されている。

図３に戻って、制御装置３０は、テールクリアランス測定装置１００の全体の動作を統括的に制御するものであり、例えば、足場１８に設けられた運転管理室１９（図１及び図２参照）内に配置されている。本実施形態では、制御装置３０は、記憶部３１と、第２算出部３２と、を有している。

記憶部３１は、光測距部２０により計測された距離Ｌなどの各種測定結果のデータや、光測距部２０及びシールド掘進機１などについての既知の各種パラメータのデータを格納する。

第２算出部３２は、光測距部２０によるセグメントリング１４の内面についての計測結果を用いてセグメントリング１４とテール部６ａの内面との間のテールクリアランス値Ｃを算出するテールクリアランス算出機能を有する。なお、本実施形態では、第２算出部３２が本発明に係る「算出部」に相当する。

本実施形態では、第２算出部３２は、推進ジャッキ１６のストローク値Ｓｔを算出するジャッキストローク算出機能をも有している。第２算出部３２における上記テールクリアランス算出機能及び上記ジャッキストローク算出機能の詳しい内容については後に詳述する。

図３に戻って、入力装置４０は、光測距部２０及びシールド掘進機１についての既知の各種パラメータなどのデータを入力するための機器であり、例えば、キーボードからなる。入力装置４０を介して入力されたデータは、制御装置３０へ伝達され、記憶部３１などに格納される。

出力装置５０は、光測距部２０によるテールクリアランス値Ｃ及びストローク値Ｓｔの測定（算出）結果を出力するための機器であり、例えば、液晶ディスプレイ（表示部）からなる。なお、出力装置５０は、液晶ディスプレイに限らず、プリンタであってもよい。

次に、第２算出部３２における上記テールクリアランス算出機能について詳述する。

第２算出部３２では、例えば、光測距部２０により計測された複数の距離Ｌに基づいて、セグメントリング１４の走査軌跡Ｌ上の複数の箇所（照射点）について、基準点Ｏを原点とした空間座標の集まりである点群データを算出する。そして、第２算出部３２は、この算出した点群データと予め設定された既知の各種パラメータとを用いて、セグメントリング１４の内面の走査軌跡Ｌ上の複数の箇所（照射点）毎に、テールクリアランス値Ｃを算出する。

具体的には、本実施形態では、第２算出部３２は、揺動軸Ｚの基準点ＯからのＹ軸方向の座標Ｙｃと、本体部２１における揺動軸Ｚと投受光点２１ａとの間の距離Ｌｃと、光測距部２０により計測された距離Ｌと、この距離Ｌに対応付けられた揺動角度位置θとに基づいて、例えば、下記の式（１）の演算式により、走査軌跡Ｌ上の各照射点についての基準点Ｏを原点としたＹ軸方向の座標Ｙｔをそれぞれ算出する。これにより、点群データのうちの各Ｙ成分が取得される。そして、第２算出部３２は、本体部２１における揺動軸Ｚと投受光点２１ａとの間の距離Ｌｃと、光測距部２０により計測された距離Ｌと、この距離Ｌに対応付けられた揺動角度位置θとに基づいて、例えば、下記の式（２）の演算式により、走査軌跡Ｌ上の各照射点についての基準点Ｏを原点としたＸ軸方向の座標Ｘｔをそれぞれ算出する。これにより、点群データのうちの各Ｘ成分が取得される。
Ｙｔ＝Ｙｃ＋（Ｌｃ＋Ｌ）×sinθ ・・・式（１）
Ｘｔ＝（Ｌｃ＋Ｌ）×cosθ ・・・式（２）

このようにして取得した点群データから、走査軌跡Ｌに沿ったセグメントリング１４の表面の位置及び形状が特定され、セグメントリング１４の姿勢をモニタリングすることができる。例えば、出力装置５０は、第２算出部３２で取得した点群データに基づいて、セグメントリング１４の輪郭を図５に示したＸＹ座標系でプロットする。これにより、オペレータはセグメントリング１４の姿勢を視覚的にモニタリングすることができる。

ここで、図５では、セグメントリング１４の姿勢の一例として、セグメントリング１４が機軸Ｘ１に対して僅かに傾いている状態が示されている。つまり、セグメントリング１４の構築において、セグメントリング１４を意図的に機軸Ｘ１に対して僅かに傾ける場合や、セグメントリング１４が組立精度などにより意図せず機軸Ｘ１に対して傾いてしまう場合があり、図５はこのような場合の一例が示されている。

第２算出部３２では、セグメントリング１４の機軸Ｘ１に対する傾斜角度θ’を考慮して、テールクリアランス値Ｃを照射点毎にそれぞれ算出する。具体的には、第２算出部３２は、上記点群データに基づいて傾斜角度θ’を算出する。そして、第２算出部３２は、スキンプレート６（テール部６ａ）の内径ｒと、セグメントリング１４の厚みＴ（桁高ともいう）と、算出した傾斜角度θ’と、算出した照射点のＹ軸方向の座標Ｙｔ（点群データのＹ成分）とに基づいて、例えば、下記の式（３）の演算式により、セグメントリング１４の内面における走査軌跡Ｌ上の照射点毎（複数の箇所毎）に、テールクリアランス値Ｃを算出する。
Ｃ＝ｒ－Ｔ／cosθ’－Ｙｔ ・・・式（３）

上記式（１）～式（３）において、Ｙｃ、Ｌｃ、ｒ、Ｔは予め設定された既知のパラメータであり、θはＬに対応付けて光測距部２０から制御装置３０に伝達されるデータである。つまり、第２算出部３２におけるテールクリアランス値Ｃの算出過程において、距離Ｌのみが測定値である。したがって、第２算出部３２は、光測距部２０によるセグメントリング１４の内面についての計測結果（距離Ｌ）を用いてテールクリアランス値Ｃを算出している。

第２算出部３２は、機軸Ｘ１回りの角度ω０～角度ω７のそれぞれの位置に配置された光測距部２０からの測定結果に対して、上記（１）～式（３）の演算を実行する。したがって、同一のトンネル横断面において、機軸Ｘ１回りに複数の箇所（本実施形態では８箇所）のテールクリアランス値Ｃが算出される。同一のトンネル横断面について算出された各テールクリアランス値Ｃに基づいて、トンネル横断面で見たテールクリアランス値Ｃの分布と、スキンプレート６のテール部６ａに対するセグメントリング１４の偏心度合いとを把握することができる。そして、シールド掘進機１を用いたシールド工法では、テールクリアランス値Ｃの分布と、セグメントリング１４の偏心度合いとに基づいて、シールド掘進機１の制御方向や、セグメント１３の組み方（例えば、テーパーセグメントを用いるか否か）が決定され得る。

なお、テールクリアランス測定装置１００は、図７（ａ）に示すように、推進ジャッキ短縮時や、図７（ｂ）に示すように推進ジャッキ伸長時など、シールド掘進機１の状態に関係なく、テールクリアランス値Ｃを測定することができる。また、図７に示すように、例えば、揺動角度幅θｃを変更することにより、光測距部２０（本体部２１）によるレーザー光の走査範囲を後方側に拡大させることができる。これにより、図７（ａ）に示すように、テールシール部材１９が取り付けられているテール部６ａの内面における後端側の部分のテールクリアランスを計測することもできる。つまり、第２算出部３２は、セグメントリング１４の後端側についてのテールクリアランス値Ｃを算出することもできる。

次に、第２算出部３２における上記ジャッキストローク算出機能について詳述する。

本実施形態では、光測距部２０（本体部２１）によるレーザー光の走査範囲はセグメントリング１４の前端面の一部まで拡大されているため、光測距部２０は、セグメントリング１４の前端面にもレーザー光を投光（照射）することができる。そして、第１算出部２３において、セグメントリング１４の前端面に対応する揺動角度位置θで得られる距離Ｌは、本体部２１からセグメントリング１４の前端面までの距離である。つまり、本実施形態では、光測距部２０（第１算出部２３）は、本体部２１からセグメントリング１４の前端面までの距離Ｌを計測可能に構成されている。

そして、第２算出部３２は、光測距部２０によるセグメントリング１４の前端面についての計測結果を用いて、推進ジャッキ１６のストローク値Ｓｔを算出可能に構成されている。ここで、図８に示すように、ストローク値Ｓｔとは、推進ジャッキ１６のシリンダ１６ａにおけるセグメントリング１４側の端部からロッド１６ｂの先端までの長さである。

具体的には、第２算出部３２では、光測距部２０によるセグメントリング１４の内面についての計測結果に加えて、セグメントリング１４の前端面についての計測結果を用いることにより、セグメントリング１４の内面側の角部Ｅ（図８参照）を含めた上記点群データを取得することができる。そして、第２算出部３２は、取得した上記点群データにより、セグメントリング１４の内面側の角部Ｅに対応する位置におけるＸ軸方向の座標Ｘｔを特定する。第２算出部３２は、シリンダ１６ａの端部のＸ軸方向についてのオフセット値Ｘｃと、特定したセグメントリング１４の内面側の角部Ｅについての座標Ｘｔとに基づいて、下記の式（４）の演算式により、推進ジャッキ１６のストローク値Ｓｔを算出する。なお、オフセット値Ｘｃは、予め設定された既知のパラメータである。
Ｓｔ＝Ｘｃ＋Ｘｔ ・・・式（４）

次に、上記テールクリアランス測定装置１００を用いた、本実施形態におけるテールクリアランス測定方法について説明する。

テールクリアランス測定方法は、シールド掘進機１のテールクリアランスを測定する方法であり、光測距工程と、算出工程と、を含む。

光測距工程では、光測距部２０の本体部２１を揺動させて、セグメントリング１４の内面の複数の箇所（照射点）毎に本体部２１からセグメントリング１４までの距離Ｌを、第１算出部２３により計測する。また、本実施形態では、光測距工程は、本体部２１からセグメントリングの前端面までの距離Ｌも、第１算出部２３により計測する。

算出工程では、上記光測距工程によるセグメントリング１４の内面についての計測結果を用いた第２算出部３２による上記式（１）～式（３）の演算によって、テールクリアランス値Ｃを算出する。また、本実施形態では、算出工程では、光測距部２０によるセグメントリング１４の前端面についての計測結果を用いた第２算出部３２による上記式（４）の演算によって、推進ジャッキ１６のストローク値Ｓｔも算出する。

本実施形態に係るテールクリアランス測定装置１００、及び、テールクリアランス測定方法によれば、光測距部２０（光測距工程）によって、掘進機本体２のスキンプレート６の内方に位置する本体部２１からセグメントリング１４までの距離Ｌを測定し、この光測距部２０（光測距工程）によるセグメントリング１４の内面についての計測結果を用いて、テールクリアランス値Ｃを算出する。これにより、テール部６ａの内面とセグメントリング１４の外面との間の領域から離れた場所から、光を用いてテールクリアランス値Ｃを算出することができるため、当該領域に異物が存在した場合でも、テールクリアランスを確実に測定することができる。そして、光測距部２０（光測距工程）では、セグメントリング１４の内面の複数の箇所（照射点）毎に距離Ｌを計測しているため、算出部２０（算出工程）において、距離Ｌの計測箇所に対応した複数の箇所のテールクリアランス値Ｃを算出することもできる。したがって、上記領域に異物が存在しても、テールクリアランスを従来よりも確実に且つ詳しく測定することができるようになる。

また、本実施形態では、第２算出部３２は、セグメントリング１４の後端側についてのテールクリアランス値Ｃについても算出している。このように、後胴４の内側から特に視認困難な領域のテールクリアランス値Ｃを容易に算出（測定）することができる。

本実施形態では、第２算出部３２は、光測距部２０によるセグメントリング１４の前端面についての計測結果を用いて、推進ジャッキ１６のストローク値Ｓｔを算出可能に構成されている。これにより、推進ジャッキ１６にストローク測定用のセンサなどを設けることなく、容易にストローク値Ｓｔを算出することができる。

なお、本実施形態では、スキンプレート６（テール部６ａ）の内径ｒは予め設定された既知のパラメータであるものとして、式（３）を用いてテールクリアランス値Ｃを算出したが、これに限らず、実際の内径ｒを測定し、測定した内径ｒを用いて、テールクリアランス値Ｃを算出するように構成してもよい。

具体的には、図９に示すように、光測距部２０（本体部２１）によるレーザー光の走査範囲を例えばセグメントリング１４の前端面よりも前方のテール部６ａの内面の部分まで拡大させる。この場合、第１算出部２３において、スキンプレート６の内面に対応する揺動角度位置θで得られる距離Ｌは、本体部２１からスキンプレート６（テール部６ａ）の内面までの距離である。つまり、光測距部２０（第１算出部２３）は、本体部２１からテール部６ａの内面までの距離を計測可能に構成される。そして、第１算出部２３により算出されたスキンプレート６の内面についての計測結果（距離Ｌ）を用いて、第２算出部３２によって式（１）の演算式により座標Ｙｔを算出することにより、テール部６ａの内径ｒを算出することができる。つまり、この算出した座標Ｙｔは内径ｒに一致する。そして、第２算出部３２は、算出した内径ｒを用いて、式（３）の演算式により、テールクリアランス値Ｃを算出する。これにより、薄肉構造のスキンプレート６が変形していたとしても、実際のスキンプレート６の内径ｒに基づいて、精度よくテールクリアランス値Ｃを算出することができる。また、同一のトンネル横断面において、機軸Ｘ１回りに複数の箇所（本実施形態では８箇所）で内径ｒを算出することもできる。そして、算出した各内径ｒに基づいて、スキンプレート６のテール部６ａの真円度グラフを作成することが可能である。このように、実際の内径ｒを、光を用いて測定することにより、スキンプレート６の実際の形状（真円度形状）を考慮した精度の高いテールクリアランス値Ｃを算出することが可能になる。

また、本実施形態では、ＸＹ平面で視ると、本体部２１の揺動軸Ｚとレーザー光の投受光点２１ａは、一致していないものとしたが、これに限らず、一致してもよい。この場合、式（１）及び式（２）において、Ｌｃ＝０として演算すればよい。

そして、本実施形態では、泥土圧式のシールド掘進機１を用いて説明したが、シールド掘進機１の種類はこれに限らず、例えば、泥水式のシールド掘進機であってもよい。

１…シールド掘進機、
２…掘進機本体、
５…スキンプレート（外殻）、
６…スキンプレート（外殻）、
６ａ…テール部（掘進機本体の外殻の後部）、
１４…セグメントリング、
１６…推進ジャッキ、
２０…光測距部、
２１…本体部、
３２…第２算出部（算出部）、
１００…テールクリアランス測定装置
Ｃ…テールクリアランス値、
Ｌ…距離、
Ｓｔ…ストローク値、
Ｘ１…掘進機本体の後部の機軸

Claims (5)

1. 掘進機本体の外殻の後部をなしてその内方でセグメントリングが構築される筒状のテール部と、前記掘進機本体に設けられ前記セグメントリングから推進反力を得て前記掘進機本体を前方に推進する推進ジャッキと、を含んで構成されるシールド掘進機のテールクリアランスを測定するテールクリアランス測定装置であって、
   前記外殻の内方に位置し前記掘進機本体の後部の機軸に直交する軸回りに揺動可能な本体部を有し、当該本体部を揺動させて前記セグメントリングの内面の複数の箇所毎に前記本体部から前記セグメントリングまでの距離を計測する光測距部と、
   前記光測距部による前記セグメントリングの内面についての計測結果を用いて前記セグメントリングと前記テール部の内面との間のテールクリアランス値を算出する算出部と、
   を含む、テールクリアランス測定装置。
2. 前記算出部は、前記セグメントリングの後端側についての前記テールクリアランス値を算出する、請求項１に記載のテールクリアランス測定装置。
3. 前記光測距部は、前記本体部から前記セグメントリングの前端面までの距離を計測可能に構成され、
   前記算出部は、前記光測距部による前記セグメントリングの前端面についての計測結果を用いて、前記推進ジャッキのストローク値を算出可能に構成されている、請求項１又は２に記載のテールクリアランス測定装置。
4. 前記光測距部は、前記本体部から前記テール部の内面までの距離を計測可能に構成されている、請求項１～３のいずれか一つに記載のテールクリアランス測定装置。
5. 掘進機本体の外殻の後部をなしてその内方でセグメントリングが構築される筒状のテール部と、前記掘進機本体に設けられ前記セグメントリングから推進反力を得て前記掘進機本体を前方に推進する推進ジャッキと、を含んで構成されるシールド掘進機のテールクリアランスを測定するテールクリアランス測定方法であって、
   前記外殻の内方に位置し前記掘進機本体の後部の機軸に直交する軸回りに揺動可能な本体部を揺動させて前記セグメントリングの内面の複数の箇所毎に前記本体部から前記セグメントリングまでの距離を計測する光測距工程と、
   前記光測距工程による前記セグメントリングの内面についての計測結果を用いて、前記セグメントリングと前記テール部の内面との間のテールクリアランス値を算出する算出工程と、
   を含む、テールクリアランス測定方法。

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