JP2023028773A - 測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド後端におけるクリアランスの測定を可能とし、シールド後端のオーバーハングを考慮したクリアランスの評価を行うことが可能なシステムおよび方法を提供する。【解決手段】測定システムは、トンネルを掘削する掘削機構と中空の筒状体とを有するシールド１０のテールプレートとテールプレート内で組み立てられたリングとのクリアランスを測定するシステムであり、テールプレート内の中央部に設けられるフレーム２０に配置され、組み立てられたリングの内面までの所定の径方向の距離を測定する１以上の測距センサ４０と、１以上の測距センサ４０により掘進方向へ異なる少なくとも２点で測定された距離を用いて、テールプレートの後端と組み立てられたリングとのクリアランスを算出し、管理上で真に必要なテールクリアランスを測定する。【選択図】図４

Description

本発明は、トンネルを掘削する掘削機構と中空の筒状体とを有する掘削機械の該筒状体と該筒状体内で組み立てられたリングとのクリアランスを測定するシステムおよび方法に関する。

トンネルの掘削に掘削機械としてシールドを用いる場合、シールドの前方の掘削機構としてのカッターヘッドにより地盤を削りながら前進するとともに、シールドの後方のリング（セグメントリング）組立空間においてリングを組み立て、そのリングをトンネル軸方向に延ばしていくことによりトンネルが構築される。

リングは、シールド後方のスキンプレート（テールプレート）の内側に隙間をあけて組み立てられる。この隙間は、テールクリアランスと呼ばれ、主にリング保護のために設けられる。テールクリアランスは、トンネル設計時にシールドとリング断面の各寸法と相対位置から大きさが決められる。

しかしながら、工事においては、曲線部でシールドの姿勢変化によるオーバーハングが生じることに加え、土質の変化や地盤反力のばらつき等の外乱による掘進方向の変位、リング組立誤差などにより、テールクリアランスが設計上の値に対し、刻々と偏差を生じるものとなる。

テールクリアランスが過小になると、テールプレートとリングの接触のおそれがあり、接触するとリングの破損につながる。一方、テールクリアランスが過大になると、テールプレート通過後のリングの背面（地盤側の面）に残る隙間を裏込め充填する作業を阻害するので望ましくない。これらの不具合を回避するため、テールクリアランスを適宜測定し、シールドの姿勢を修正する等してテールクリアランスを修正することができる。

テールクリアランスを測定する方法として、推進ジャッキ（シールドジャッキ）の伸長時に、テールプレート内面までの距離を測定し、シールドジャッキの短縮時に、リング内面までの距離を測定することによりテールクリアランスを測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－０３０９９４号公報

シールドが急曲線をカーブする場合、シールドの後端がリングに最も接近する。シールドの後端は、リングがシールドの組立空間内で組み立てられるため、１リング以上後方となる。

しかしながら、シールドの後端付近には、シールドの構造上、センサを配置することができないため、上記の従来の技術では、シールド後端におけるクリアランスの測定は対象外であり、シールド後端のオーバーハングを考慮したクリアランスの評価を行うことはできないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、トンネルを掘削する掘削機構と中空の筒状体とを有する掘削機械の該筒状体と該筒状体内で組み立てられたリングとのクリアランスを測定するシステムであって、
筒状体内の中央部に設けられるベース部材に配置され、組み立てられたリングの内面までの所定の径方向の距離を測定する１以上の測定手段と、
１以上の測定手段により掘進方向へ異なる少なくとも２点で測定された距離を用いて、筒状体の後端と組み立てられたリングとのクリアランスを算出する演算手段と
を含む、測定システムが提供される。

本発明によれば、シールド後端におけるクリアランスの測定を可能とし、シールド後端のオーバーハングを考慮したクリアランスの評価を行うことが可能となる。

シールドの構成例を示した図。 テールクリアランスについて説明する図。 従来の触角棒を用いた測定方法および非接触センサを用いた測定方法について説明する図。 テールクリアランスを測定する測定システムの構成例を示した図。 シールドへの測定手段としての測距センサの配置例を示した図。 フレームの前後２点に測距センサを配置する場合の測距センサ２点とテールプレート後端の予測地点の位置関係を示した図。 予測地点の位置でのテールクリアランスを算出する第１の方法について説明する図。 予測地点の位置でのテールクリアランスを算出する第２の方法について説明する図。 予測地点の位置でのテールクリアランスを算出する第３の方法について説明する図。 測定システムを用いたテールクリアランスの測定手順の流れを示したフローチャート。

本発明の測定システムは、シールド工法を用いてトンネルを掘削するためのシールドにおいて、シールド後方のリング組立空間における中空の筒状体であるシールドスキンプレート（テールプレート）と、組み立てたリングの外面との間の隙間（テールクリアランス）を測定するシステムである。

シールドは、前方の土砂を削り、崩壊しようする掘削面を押さえながら、削り取った量とバランスする量の掘削土砂を坑外へ排出して前進するトンネル掘削機械である。シールド後方では、セグメントと呼ばれるトンネル覆工ブロックをリング状に組み立てトンネル構造を完成させる。図１は、シールドの構成例を示した図である。

シールド１０は、前後２つに分割した２つの筒状体である前胴１１、後胴１２をヒンジで連結した中間折れ曲がりを可能とする中折れ機構を有するシールドである。前胴１１、後胴１２は、いずれもスキンプレートにより構成される。

シールド１０は、前方の土砂を削るため、前胴１１の先端側には、回転可能な略円形の面板に円周状または放射状に配列する複数のビットを備えたカッターヘッド１３を有する。また、シールド１０は、シールドジャッキ１４を備え、組み立てられたセグメント１５にシールドジャッキ１４を押し当てて設置し、シールドジャッキ１４を伸ばすことにより前進する。シールドジャッキ１４は、後胴１２の内周に沿って所定の間隔で複数配置されている。

シールド１０は、前胴１１と後胴１２との間であって、これらの内周に沿って所定の間隔で複数配置される中折れジャッキ１６を備える。一方の側の中折れジャッキ１６を伸ばし、該一方の側の対極となる他方の側の中折れジャッキ１６を縮めることで、シールド１０の全体を曲線線形に合わせたような屈曲姿勢とすることができる。

シールド１０は、カッターヘッド１３のすぐ後部に、掘削面を押さえる土圧や水圧をかけながら掘削土砂を排出可能に塑性流動化させるための撹拌室として、チャンバー１７を備える。チャンバー１７内の土砂等は、スクリューコンベア１８、１９を経て取り出され、トンネル内のベルトコンベアで坑外に搬出し、排出土として処分される。

シールド１０は、フレーム２０を有し、フレーム２０にセグメントを組み立てるためのエレクター２１が設けられる。エレクター２１は、セグメント１５を把持し、所定の位置まで搬送して設置する。フレーム２０は、後胴１２の中央部を後方へ向けて延び、スクリューコンベア１８、１９やベルトコンベア等を支持する。フレーム２０には、組み立てたリングの形状を保持する形状保持装置２２が設けられる。また、シールド１０は、セグメント１５の背部（セグメントと掘削したトンネル壁面との間）に注入材を注入する裏込め注入装置２３を備える。形状保持装置２２は、裏込め注入装置２３により注入されたセメント等の注入材によりセグメントがトンネル壁面に固定されるまで、セグメントが動かないようにセグメントを内側から支えて固定する。

カッターヘッド１３を回転させながらシールドジャッキ１４を伸ばし、シールド１０を前進させた後、シールドジャッキ１４を縮めると、１リングを組み立てるだけのスペースができる。そのスペースに、エレクター２１を使用して１リングを組み立てることができる。これを繰り返すことで、前方で地盤を掘削しながら、後方でリングを組み立てることができる。

図２を参照して、テールクリアランスについて説明する。テールクリアランスは、図１に示す後胴１２のうちのリング組立位置に位置するテールプレートの内面と、テールプレート内でエレクター２１により組み立てたリング２４の外面との隙間である。

錯綜した都市地下空間の開発では、三次元的な急曲線を掘削することが要求される。このため、シールド１０としては、図１に示すような、急曲線に対応可能な中折れ機構を有するシールドが使用される。

中折れ機構を有するシールド１０が急曲線を曲がる場合、シールド１０の面向きと中折れ角を操作して、シールド１０と計画線との偏差が小さくなる掘進方向に沿って進むように、シールド１０の姿勢を調整しながら曲がっていく。シールド１０の面向きは、シールドジャッキ１４のストローク差を幾何学的に処理して仮想的に描いた平面の方位であって、テールプレートの中心軸（後胴１２の中心軸）の方位に一致し、中折れ角は、中空円筒状の前胴１１の中心軸と、中空円筒状の後胴１２の中心軸とのなす角である。

急曲線をカーブするときは、例えばバスやトラック等の場合、内輪差や回転中心からのオーバーハングを許容する車幅以上の空間が必要である。シールド１０も、カーブするためには直線部の掘削径から拡大した同様の空間が必要となるが、その空間を自ら余分に掘削して生み出さない限り、カーブすることができないという制約がある。

シールド１０の前胴１１に設けられたカッターヘッド１３の側方には、トンネルの径方向へ突出可能な突出部としてのコピーカッタが設けられている。コピーカッタは、シールド１０がカーブできる空間を作成するための装置である。

シールドが急曲線で曲がる場合、急曲線の内側の中折れジャッキ１６を縮め、外側の中折れジャッキ１６を伸ばすジャッキ操作を行い、への字様の屈曲姿勢でカーブしていくが、この姿勢を取り得る空間を先読みし、コピーカッタがその位置にあるタイミングで掘削しておかなければならない。この操作は、余掘りと呼ばれる。

余掘りした空間は空洞とはしない。空洞のままでは掘削壁の崩壊の危険があるほか、シールド１０が掘削壁からの反力と摩擦を適度に受けることが難しくなり、シールド１０の運転が困難になる。余掘りした空間は、適度な塑性流動性をもつ改良剤で掘削直後から充填する。これにより、掘削壁が保護され、かつシールド１０が掘削壁より地山反力と摩擦を受けることができ、好適なシールド運転が可能となる。

トンネル工事においては、このような曲線部でシールド１０の姿勢変化によるオーバーハングが生じ、土質の変化や地盤反力のばらつき等の外乱による掘進方向の変位が生じ、リング組立誤差なども生じる。このため、テールクリアランスも、設計上の値に対し、刻々と偏差を生じることとなる。

図２に示すように、シールド１０に外乱で位置の誤差が発生し、シールド１０が計画線上に乗らなくなった場合を考える。この誤差は、シールド軸線と、リング軸線とのずれ（偏差）として把握される。

テールクリアランスは、上記のずれにより発生し、ある箇所で縮小すると、その反対側の対極では拡大する。過小なテールクリアランスは、テールプレートとリングの接触をもたらし、テールプレートは鋼製で、リングはコンクリートであるため、接触はリングの破損につながる。過大なテールクリアランスも、テールプレートが通過後のリング背面に残る広い隙間を裏込め充填しなければならないので、作業負担が大きく、注入材の量が増加する。

これらの不具合を回避するために、テールクリアランスを適宜測定し、修正が必要と判断した場合、テーパを付けたリングを用いた調整や、シールド１０の姿勢の修正等の対策を実施することができる。

従来から、この修正実施を判断する根拠となるテールクリアランスを、掘進やリングの組み立てと並行し、頻繁かつ随時測定したいという要求があった。

そこで、従来においては、図３（ａ）に示すような触角棒を用いた測定方法や、図３（ｂ）に示すような非接触センサを用いた測定方法によりテールクリアランスを測定している。図３（ａ）に示す方法について説明すると、スキンプレート３０に跳ね上がり式の触角棒３１を設け、触角棒３１がリング３２の外面に接触するまでの機械的回転量を測定する。テールクリアランスが縮小すれば、回転量が小さく、拡大すれば、回転量が大きくなる。この回転量に応じたテールクリアランスを予め求めておき、回転量を測定することで、測定した回転量をテールクリアランスに換算することができる。図３（ａ）には、裏込め注入装置２３により注入材がスキンプレート３０内に流入するのを防ぐための柔軟性を有するテールブラシ３３が２段に設けられているのが示されている。

図３（ｂ）に示す方法について説明すると、図３（ａ）に示した触角棒３１を設置した位置と同じ位置に、撮像装置３４もしくは超音波やレーザー式の非接触センサ等を設置し、撮像された画像の特徴点の大きさ、音波やレーザーが計測対象に反射して戻ってくるまでの時間等に基づき、非接触でテールクリアランスを測定する。

触角棒３１や撮像装置３４等は、スキンプレート３０とリング３２との間の狭隘な箇所に設置され、スキンプレート３０とリング３２に挟まれ、故障する可能性がある。また、スキンプレート３０とリング３２の間は、リング組み立てや裏込め充填の作業場所に隣接して汚れやすい環境にあり、保守が面倒である。

これらを解決するために、上記の特開２０１５－０３０９９４号公報に記載の非接触式の測距計を複数配置し、推進ジャッキ（シールドジャッキ）の伸長時に、テールプレート内面までの距離を測定し、推進ジャッキの短縮時に、リング内面までの距離を測定することによりテールクリアランスを測定することができる。この方法では、同じ原理を利用し、組み立て完了したリングの真円度も同時に評価することができる。真円度は、真円からの外れ度あるいは偏平度の指標であって、分割したセグメントを継手で連結されるリングにおき、継手接合の健全性やリング荷重負担の妥当性を担保する指標である。

しかしながら、上記公報に記載の方法では、シールド１０の構造上、測距計を配置することができないテールプレート後端でのテールクリアランスは測定することができず、測定対象外である。シールド１０が急曲線をカーブする場合、テールプレート後端がリングに最も接近する。このため、テールプレート後端でのテールクリアランスの測定が、急曲線掘削でオーバーハングを考慮した評価において重要であるが、テールプレート後端は、上記公報に記載の方法における測定位置より１リング以上の後方にある。

そこで、急曲線掘削で、テールプレート後端のオーバーハングを考慮した、管理上で真に必要なテールクリアランスを測定するため、本発明では、テールプレート後端でのテールクリアランスを測定するシステムを提供する。

図４は、テールクリアランスを測定するシステムの構成例を示した図である。測定システムは、図１に示すテールプレート内の中央部に配置されるベース部材、例えばシールド１０のカッターヘッド１３やシールドジャッキ１４等の各装置を支持し、掘進方向へ延び、背骨となるフレーム２０に取り付けられ、組み立てられたリング内面までの距離を測定する１以上の測定手段を備える。測定手段は、例えば測距センサ４０とされ、距離を測定することができれば、撮像装置、超音波もしくはレーザー式の非接触のセンサ等を使用することができる。

シールド１０には、シールド１０の姿勢を測定する方位計やジャイロセンサ、中折れジャッキ１６の油圧とストロークを測定するセンサ、シールドジャッキ１４の油圧とストロークを測定するセンサ等を備えている。

測定システムは、測距センサ４０により掘進方向へ異なる少なくとも２点で測定された距離を用いて、テールプレート後端の内面と組み立てられたリング外面とのクリアランスを算出する演算手段を備える。演算手段としては、例えばＰＣ４１、タブレット端末、スマートフォン等を用いることができる。演算手段は、上記の少なくとも２点で測定された距離に加え、シールド１０において測定された姿勢情報等を用いて上記のクリアランスを算出することもできる。

測距センサ４０とＰＣ４１とは、通信を行い、ＰＣ４１は、測距センサ４０から測定された距離を取得することができる。また、ＰＣ４１は、シールド１０に搭載された各種センサとの間で通信を行い、各種センサから測定された情報を取得することができる。通信は、ケーブル等を使用した有線での通信であってもよいし、無線通信であってもよい。取得する情報は、上記の姿勢情報やストローク情報である。姿勢情報は、シールド１０の三次元方向への傾き（ピッチ、ロール、ヨー）から得られるシールド１０の面向き、中折れジャッキ１６のストロークから得られる中折れ角度等である。

測距センサ４０は、シールド１０の掘進方向へ異なる少なくとも２点で、リング内面までの距離を測定する。掘進方向への異なる点で測定できれば、掘進方向に並ぶ２以上の測距センサ４０で測定してもよいし、１つの測距センサ４０で時刻を変えて測定してもよい。

図５を参照して、測距センサ４０の配置について説明する。図５に示す例では、シールド１０の掘進方向へ異なる少なくとも２点で、同時にリング内面までの所定の径方向の距離を測定するため、フレーム２０上の掘進方向へ異なる位置に当該所定の径方向へ向けて２つの測距センサ４０が１つのペアとして配置されている。

リングの１つの径方向への距離のみを測定する場合、１ペアの測距センサ４０のみを配置すればよいが、これでは、どの径方向のテールクリアランスが縮小し、または拡大しているかを把握することができない。

そこで、図５の切断線Ａ－Ａで切断した断面図にも示すように、天端方向に向けて配置した１つのペアの測距センサ４０の位置を０°とし、例えば４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の８箇所に前後に同じ距離だけ離間させて計１６個の測距センサ４０を配置し、その８方向のテールクリアランスを測定することができる。ここでは、８方向としたが、これに限定されるものではなく、４方向、６方向、１０方向、１２方向等であってもよい。

なお、測距センサ４０で測定対象の距離を測定する場合、非接触により距離を測定するため、測距センサ４０と測定対象との間を遮るものがあってはならない。したがって、測距センサ４０は、リング内面との間に装置や部材等が存在しないフレーム２０の位置に配置される。

フレーム２０は、トンネル後方（トンネル坑口）へ向けて一方に延びており、そこに配置される測距センサ４０で少なくとも２点からリングの内面までの距離を測定すると、フレーム２０に対する相対的なリングの傾きが得られる。すなわち、フレーム２０の方位に対する相対的なリング軸線が延びる方向であるリング方位を計算することができる。ここで、シールド１０の姿勢情報を用いてフレーム２０の絶対方位を得ると、リング方位も絶対方位に座標変換することができるが、本発明の原理は、方位座標系の取り方に依存しないため、座標変換の有無は工事管理の都合に合わせて行えばよい。

なお、後胴１２の外皮のうちの後方の部分であって、リング組立位置にあるテールプレート１２ａ、シールドジャッキ１４およびフレーム２０は一体に剛結合して後胴１２を構成する。したがって、テールプレート１２ａの方位、フレーム２０の方位と、シールド１０の面向き（シールドジャッキ１４のストロークで構成した後胴中心軸の方位）は互いに計算で変換することができる。

また、測距センサ４０もフレーム２０の所定の位置に固定されており、測距センサ４０間の距離、テールプレート１２ａの後端と測距センサ４０測定点との距離等は、既知で一定となる。

テールプレート１２ａの後端の内面と組み立てられたリング外面との正確なテールクリアランスは、リング方位、テールプレート方位、外挿長を用いて計算することができる。計算方法については、以下に詳細に説明する。

図６を参照して、フレーム２０の前後２点に測距センサ４０を配置する場合の当該２点とテールプレート後端の予測地点の位置関係について説明する。シールド１０は、テールプレート１２ａと、シールドジャッキ１４と、フレーム２０とを含み、シールドジャッキ１４が伸びることによりシールド１０が掘進し、これらが同時に移動する。

テールプレート１２ａは、地山４２に隣接しており、テールプレート１２ａ内でセグメント１５を用いてリング２４が組み立てられる。地山４２とリング２４との間には、注入材４３が裏込め充填され、地山４２とリング２４が一体化される。テールプレート１２ａとリング２４との間には、テールクリアランスが設けられ、テールクリアランスを介してテールプレート１２ａ内に注入材４３が流入しないように、テールプレート１２ａの内面には、テールブラシ４４が設けられている。

シールドジャッキ１４を伸ばし、シールド１０を前進させた後、シールドジャッキ１４を縮めることで、組み立てたリング２４との間にスペースが生じ、そのスペースにセグメント１５を配置し、次のリング２４を組み立てる。

フレーム２０の所定位置に測距センサＦ、Ｂが配置され、対向するセグメント１５の内面までの距離ｌ_Ｆ、ｌ_Ｂを測定する。

中折れ機構に連結される後胴１２の一端からフレーム２０に配置された前側の測距センサＦまでの距離ｌ_１、前側の測距センサＦから後側の測距センサＢまでの距離ｌ_２、後側の測距センサＢから予測地点Ｐまでの距離ｌ_３は、予め決められており、固定である。また、フレーム２０からテールプレート１２ａの内面までの距離ｌ_ａ、セグメント１５の厚さｒは一定である。

このことから、測距センサＦ、Ｂの位置でのテールクリアランスは、測距センサＦ、Ｂによりそれぞれ測定された距離ｌ_Ｆ、ｌ_Ｂを用いて、距離ｌ_ａから厚さｒと距離ｌ_Ｆを減算することで、測距センサＦの位置でのテールクリアランスを、また、距離ｌ_ａから厚さｒと距離ｌ_Ｂを減算することで、測距センサＢの位置でのテールクリアランスをそれぞれ計算することができる。

しかしながら、予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスは、図６に示されるように、予測地点Ｐが後側の測距センサＢより１リング以上後方にあり、テールプレート１２ａの方位とリング２４が延びる方位が同じとは限らない。そうすると、測距センサＦ、Ｂ位置でのテールクリアランスを以って予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスとすることはできない。

予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスを求めるには、予測地点Ｐの位置に測距センサ４０を配置すれば、同様の方法により計算することができる。しかしながら、図１に示すように、シールド１０の構造上、予測地点Ｐの位置には、形状保持装置２２等が存在し、測距センサ４０を配置することができない。

そこで、測距センサＦ、Ｂの位置はリング内面までの距離を測定できる位置とし、それぞれの点で計算したテールクリアランスの相違を外挿して予測地点Ｐにおけるテールクリアランスを計算する。この外挿のために、上記のリング方位β、テールプレート方位α、外挿長Ｌを用いる。

具体的な計算方法について、図７～図９を参照して説明する。図７は、予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスを算出する第１の方法について説明する図である。テールプレート方位αは、例えばシールド１０の姿勢情報から工事管理上の座標系の中で得ることもできるが、座標系の取り方は任意であるため、後述するリング方位βとの成す角度を計算するのに都合のよい任意の座標系を用いてもよい。

前後の測距センサＦ、Ｂを繋ぐ直線が延びる方向（方位）は、テールプレート方位αと同じである。このことから、リング方位βは、前後の測距センサＦ、Ｂにより測定されたリング内面までの距離ｌ_Ｆ、ｌ_Ｂから求めることができる。また、後側の測距センサＢにより測定された距離ｌ_Ｂを用い、測距センサＢの位置におけるテールクリアランスＡ_Ｂを算出する。測距センサＦ、Ｂからテールプレート１２ａの内面までの距離ｌ_ａ、セグメント１５の厚さｒは、予め測定され、一定の値である。したがって、テールクリアランスＡ_Ｂは、距離ｌ_ａから厚さｒと距離ｌ_Ｂを減算することにより算出することができる。

テールプレート方位αに延びる直線と、リング方位βに延びる直線との成す角（αβの成す角）θは、方位αと方位βとを用いて算出することができる。

外挿長Ｌは、後側の測距センサＢから予測地点Ｐまでの距離で、図７に示す例ではストロークによらず、一定である。

予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐは、テールクリアランスＡ_Ｂ、αβの成す角θ、外挿長Ｌを用いて、下記式１により算出することができる。

ちなみに、測距センサ４０は、トンネルの周方向に沿って複数設けられ、図５に示す例では周方向に８つ、それが前後に設けられるため、計１６個設けられている。例えば、前後の２つを１つのペアとし、８つのペアが配置される位置が、天端方向の距離を測定するペアを０°とした場合、周方向に４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の位置とされる。このため、各ペアを用い、各周方向の位置における予測地点のテールクリアランスＡ_Ｐが算出される。このことは、他の例でも同様である。

図７に示した例では、フレーム２０の掘進方向へ異なる２点に、２つの測距センサＦ、Ｂを配置し、２つの測距センサＦ、Ｂにより測定された距離ｌ_Ｆ、ｌ_Ｂを用いて、リング方位βを計算した。これでは、測距センサの数が多く、コストがかかる。そこで、測距センサを前後方向に２つ配置するのではなく、１つ配置するのみで予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを計算する方法について説明する。

図８は、予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスを算出する第２の方法について説明する図である。第１の方法では、シールド１０が掘進中もしくは停止中のいずれにおいても予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを測定することができるが、第２の方法では、シールド１０が掘進中のみに予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを測定することができる。これは、シールド掘進中（前進中）に所定のサンプル間隔で、単一リングにおけるセグメント内面までの距離を掘進に伴う時系列変化として取得するためである。

時刻ｔ＝ｔ_０において測距センサがＢ_０の位置にあり、Ｂ_０の位置で測定すると、距離ｌ_Ｂ０が得られる。シールド１０が前進し、所定のサンプル時間が経過した後の時刻ｔ＝ｔ_１（ｔ_１＞ｔ_０）において測距センサがＢ_１の位置にあり、Ｂ_１の位置で測定すると、距離ｌ_Ｂ１が得られる。そうすると、距離ｌ_Ｂ１、ｌ_Ｂ０は、図７に示す例の距離ｌ_Ｆ、ｌ_Ｂと同様のものとなる。

第２の方法は、時刻ｔ_０からｔ_１までの間に、テールプレート方位αに延びる直線と、リング方位βに延びる直線との成す角（αβの成す角）θが変化しないと仮定している。したがって、シールド１０の姿勢情報で面向きが刻々変化している条件下では、誤差が大きくなるため、評価を実施しないことが望ましい。または、シールド１０の面向きが緩慢に変化することに着目し、時刻ｔ_０からｔ_１までの間を短い時間とすることを検討する。

テールプレート方位α、外挿長Ｌは、図７に示した例と同様であり、リング方位β’は、距離ｌ_Ｂ１、ｌ_Ｂ０から算出される。また、Ｂ_１の位置におけるテールクリアランスＡ_Ｂ１は、距離ｌ_Ｂ１を用いて算出される。αβ’の成す角θ’は、テールプレート方位αと、算出されたリング方位β’とを用いて算出される。したがって、予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐは、テールクリアランスＡ_Ｂ１、αβ’の成す角θ’、外挿長Ｌを用いて、下記式２により算出することができる。

図７および図８に示した例では、セグメント１５の両側の端面にテーパが形成されていないものを使用し、リング２４を組み立て、それを掘進方向に連結し、シールドトンネルを構築している。予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを適宜測定し、修正が必要になった場合、セグメント１５の片側もしくは両側の端面にテーパが形成されたものを使用して修正がなされる。テーパが形成されたセグメントを使用して組み立てられたリング２４は、テーパリングと呼ばれる。

テーパリングを用いてリング延伸方向を曲げる場合、図７および図８に示した方法では、正確なテールクリアランスＡ_Ｐを測定することができない。そこで、テーパリングで追加される方位の変化量だけ補正し、正確なテールクリアランスＡ_Ｐを測定できるようにする。

図９は、予測地点Ｐの位置でのテールクリアランスを算出する第３の方法について説明する図である。図９は、前後方向に１つの測距センサを配置し、掘進に伴う時系列変化として取得する例を示している。なお、第３の方法は、図７に示すような前後方向に２つの測距センサを配置した場合でも同様にして予測地点におけるテールクリアランスを測定することができるものである。

時刻ｔ＝ｔ_０において測距センサがＢ_０の位置にあり、Ｂ_０の位置で測定すると、距離ｌ_Ｂ０が得られる。シールド１０が前進し、所定のサンプル時間が経過した後の時刻ｔ＝ｔ_１（ｔ_１＞ｔ_０）において測距センサがＢ_１の位置にあり、Ｂ_１の位置で測定すると、距離ｌ_Ｂ１が得られる。

テールプレート方位α、外挿長Ｌは、図７および図８に示した例と同様であり、リング方位β’は、距離ｌ_Ｂ１、ｌ_Ｂ０から算出される。また、Ｂ_１の位置におけるテールクリアランスＡ_Ｂ１は、距離ｌ_Ｂ１を用いて算出される。αβ’の成す角θ’は、テールプレート方位αと、算出されたリング方位β’とを用いて算出される。

予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐは、テールプレート１２ａとセグメント１５ａとの間ではなく、セグメント１５ａの隣のセグメント１５ｂとテールプレート１２ａとの間のクリアランスである。セグメント１５ａとセグメント１５ｂの隣接する端面にテーパが形成されている場合、セグメント１５ａにより組み立てられるリングのリング方位β’と、セグメント１５ｂにより組み立てられるリングのリング方位β’’が異なる。図９に示す例では、セグメント１５ａにより組み立てられるリングが両端にテーパが形成されたテーパリングとされている。

リング２４ｂの方位（テーパ面方位）β’’は、リング２４ａに形成されるテーパの角度が既知であることから、その角度が記録されたリング割付け記録から求めることができる。αβ’’の成す角θ’’は、テールプレート方位αと、算出されたリング方位β’’とを用いて算出される。

Ｂ_１の位置から予測地点Ｐまでの距離は、外挿長Ｌとして固定された値であるが、セグメント１５ａとセグメント１５ｂとの境界で方位が変化することから、Ｂ_１の位置からその境界までの距離を外挿長Ｌ１とし、その境界から予測地点Ｐまでの距離を外挿長Ｌ２として算出する必要がある。

上記境界の位置は、シールドジャッキ１４のジャッキストロークによって変化することから、ジャッキストロークを測定し、その測定結果から外挿長Ｌ１、Ｌ２を算出することができる。ちなみに、ジャッキストロークから外挿長Ｌ１を算出すれば、Ｌ－Ｌ１によりＬ２を算出することができる。

したがって、予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐは、Ｂ_１の位置におけるテールクリアランスＡ_Ｂ１と、リング方位β’と、リング方位β’’と、外挿長Ｌ１と、外挿長Ｌ２とを用い、下記式３により算出することができる。

第３の方法は、テーパリングで追加される方位の変化量が比較的大きい、Ｒが数十ｍといった極小半径となる急曲線を掘進する場合に適した測定方法である。Ｒは、カーブの大きさを表し、例えば５０Ｒは、半径が５０ｍの円を描くカーブであることを意味する。

図１０を参照して、測定システムを使用した予測地点Ｐにおけるテールクリアランスの測定手順について説明する。シールド１０には、各種センサが取り付けられ、掘削管理システムにより掘削が管理される。各種センサにより測定される情報としては、シールド１０の姿勢情報等が挙げられる。

図１０に示す例では、シールド１０の前後方向に１つの測距センサ４０を配置し、所定のサンプル間隔で、時系列変化としてリング内面までの距離を測定するものとして説明する。

測定システムは、ステップ１００から処理を開始し、シールド１０の掘進中、ステップ１０１においてサンプル時刻ｔ＝ｔ_n（ｎ＝０）におけるＢ_０の点での距離ｌ_Ｂ０を測定する。ステップ１０２で、Ｂ_ｎ点での測定結果を後センサ距離として保持する。Ｂ_ｎ点がＢ_０点である場合、Ｂ_０点での距離ｌ_Ｂ０を保持する。

ステップ１０３で、ｎ＝ｎ＋１とし、ステップ１０４で、サンプル時刻ｔ_ｎになったか否かを判断する。サンプル時刻になっていない場合、サンプル時刻になるまでステップ１０４の判断処理を繰り返す。サンプル時刻になった場合、ステップ１０５で、Ｂ_ｎの点での距離ｌ_Ｂｎを前センサ距離として測定する。そして、測定された距離ｌ_Ｂｎを用い、Ｂ_ｎの点におけるテールクリアランスＡ_Ｂｎを計算する。ステップ１０６では、測定された前センサ距離ｌ_Ｂｎと、直前に測定された後センサ距離ｌ_Ｂｎ－１とを用いて、リング方位β’を計算する。

ステップ１０７では、シールド１０の掘削を管理する掘削管理システムにおいて測定されたシールド１０の姿勢情報を用いてテールプレート方位αを計算する。ステップ１０８では、テーパリングを用いたテーパ補正が実施されたか否かを判断する。

テーパ補正が実施されていない場合、ステップ１１２へ進み、計算されたテールクリアランスＡ_Ｂｎ、リング方位β’、テールプレート方位α、外挿長Ｌを用いて、予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを計算する。計算後、ステップ１０２へ戻る。

ステップ１０８においてテーパ補正が実施されたと判断した場合、ステップ１０９へ進み、リング割付け記録を取得し、ステップ１１０で、リング割付け記録からテーパ面方位β’’を算出する。そして、ステップ１１１で、掘削管理システムにおいて測定されたシールドジャッキ１４のストロークを用いて、外挿長Ｌ１、Ｌ２を算出する。ステップ１１２で、計算されたテールクリアランスＡ_Ｂｎ、リング方位β’、テーパ面方位β’’、テールプレート方位α、外挿長Ｌ１、Ｌ２を用いて、予測地点ＰにおけるテールクリアランスＡ_Ｐを計算する。計算後、ステップ１０２へ戻る。

測定システムによる測定は、掘削工事が完了あるいは一時中断するまで継続される。一時中断し、その後再開した場合、再開した時点でステップ１００から測定が開始される。

以上に説明してきたように、本発明のシステムおよび方法を提供することにより、急曲線掘削において、テールプレート後端のオーバーハングを考慮した、管理上で真に必要なテールクリアランスを簡易に測定することができる。

これまで本発明の測定システムおよび測定方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…シールド
１１…前胴
１２…後胴
１２ａ…テールプレート
１３…カッターヘッド
１４…シールドジャッキ
１５、１５ａ、１５ｂ…セグメント
１６…中折れジャッキ
１７…チャンバー
１８、１９…スクリューコンベア
２０…フレーム
２１…エレクター
２２…形状保持装置
２３…裏込め注入装置
２４、２４ａ、２４ｂ…リング
３０…スキンプレート
３１…触角棒
３２…リング
３３…テールブラシ
３４…撮像装置
４０…測距センサ
４１…ＰＣ
４２…地山
４３…注入材
４４…テールブラシ

Claims (7)

1. トンネルを掘削する掘削機構と中空の筒状体とを有する掘削機械の該筒状体と該筒状体内で組み立てられたリングとのクリアランスを測定する装置であって、
   前記筒状体内の中央部に配置されるベース部材に配置され、組み立てられた前記リングの内面までの所定の径方向の距離を測定する１以上の測定手段と、
   前記１以上の測定手段により掘進方向へ異なる少なくとも２点で測定された前記距離を用いて、前記筒状体の後端と組み立てられた前記リングとのクリアランスを計算する演算手段と
   を含む、測定システム。
2. 前記測定手段は、掘進方向へ異なる少なくとも２点で前記距離を測定するために、前記ベース部材の前記掘進方向へ異なる少なくとも２以上の位置に配置される、請求項１に記載の測定システム。
3. 前記測定手段は、掘進方向へ異なる少なくとも２点で前記距離を測定するために、前記掘削機械が掘進中に時刻を変えて測定する、請求項１に記載の測定システム。
4. 前記演算手段は、前記測定手段により前記少なくとも２点で測定された前記距離を用いて、前記筒状体の両端が向く第１の方位に対する相対的な前記リングの両端が向く第２の方位を計算し、前記少なくとも２点のうちの１点で測定された前記距離を用いて、該１点での前記筒状体と組み立てられた前記リングとのクリアランスを計算し、前記第１の方位に対する相対的な前記第２の方位と前記１点でのクリアランスと前記測定手段から前記掘進方向への前記筒状体の後端までの長さである外挿長とを用い、前記筒状体の後端と組み立てられた前記リングとのクリアランスを計算する、請求項１～３のいずれか１項に記載の測定システム。
5. 前記演算手段は、前記リングを組み立てた後に記録されたリング割付け記録を取得し、前記リング割付け記録に基づき、前記リングにテーパが形成されているか否かを判断し、前記テーパが形成されていると判断した場合、前記掘削機械において検出された掘進距離を用いて、前記少なくとも２点のうちの１点から前記リングと隣り合うリングとの境界までの長さを第１の外挿長として計算し、計算した前記第１の外挿長を用いて、前記境界から前記掘進方向への前記筒状体の後端までの長さである第２の外挿長を計算し、前記リング割付け記録に基づき、前記テーパが形成された面が向く方位を第３の方位として計算し、前記外挿長に代えて、前記第１の外挿長と、前記第２の外挿長とを用い、さらに、計算した前記第３の方位を用いて、前記筒状体の後端と組み立てられた前記リングとのクリアランスを計算する、請求項４に記載の測定システム。
6. 前記測定手段は、前記リングの内面までの異なる径方向の距離を測定するため、前記内面に対向する前記ベース部材の各位置に複数配置される、請求項１～５のいずれか１項に記載の測定システム。
7. トンネルを掘削する掘削機構と中空の筒状体とを有する掘削機械の該筒状体と該筒状体内で組み立てられたリングとのクリアランスを測定する方法であって、
   前記筒状体内の中央部に設けられるベース部材に配置される１以上の測定手段により、組み立てられた前記リングの内面までの所定の径方向の距離を測定する工程と、
   演算手段により、前記１以上の測定手段により掘進方向へ異なる少なくとも２点で測定された前記距離を用いて、前記筒状体の後端と組み立てられた前記リングとのクリアランスを計算する工程と
   を含む、測定方法。

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