JP2552594B2 - シールドトンネル掘削機の掘進方向制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドトンネル掘削
機の掘進方向を制御するシールドトンネル掘削機の掘進
方向制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】我が国の都市では、土地利用の高度化に
伴い、地下空間の開発・利用が今後ますます進展するも
のと見られている。一方、都市の多くは比較的軟弱な地
盤の上に発展したため、地下空間を利用するに際し、シ
ールド工法が採用されることが多い。

【０００３】シールド工法におけるシールドトンネル掘
削機の掘進は、シールドトンネル掘削機の後方のシール
ドトンネル内面に組み込み挿入したセグメントによる覆
工を反力として、機内に装備した推進用油圧ジャッキの
ロッドを油圧力で伸ばすことにより覆工の固定を前提と
してシールドトンネル掘削機本体が前進する仕組みのも
のが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シール
ドトンネル掘削機においては、シールドトンネル掘削機
本体の外周に均等配列した推進用油圧ジャッキの力を均
等にしても、シールドトンネル掘削機本体の周辺或いは
前面の土質地盤条件により該シールドトンネル掘削機
は、直線的に推進せず、推進抵抗となる反力の小さい方
向に逃げ、姿勢・方向の制御が難しいのが通常である。

【０００５】シールドトンネル掘削機のオペレータは、
該シールドトンネル掘削機の姿勢・方向を計画線に沿っ
て常に安定かつ精度よく推進させるため各推進用油圧ジ
ャッキ毎に、これを作動させたり、止めたりして調整し
なければならないが、その判断と制御が難しい問題点が
あった。

【０００６】本発明の目的は、シールドトンネル掘削機
の推進用油圧ジャッキのどれをどのように制御するかの
判断と制御とを自動的に容易に行うことができるシール
ドトンネル掘削機の掘進方向制御方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の手段を説明すると、本発明は、シールドト
ンネル掘削機でシールドトンネルを掘削しつつ該シール
ドトンネルの内面を一次覆工で覆うシールド工法を実施
するに際し、前記シールドトンネル掘削機の後部内周に
所定間隔で設けられて前記一次覆工で反力をとる複数の
推進用油圧ジャッキを選択的に作動させて該シールドト
ンネル掘削機の推進方向を制御するシールドトンネル掘
削機の掘進方向制御方法において、前記シールドトンネ
ル掘削機の位置及び姿勢を自動的に計測する自動測量手
段と該自動測量手段からの計測データに基づいてシール
ドトンネル掘削機の前方に定めた任意の制御誘導ポイン
トの位置を演算する軌跡管理手段と該軌跡管理手段によ
って得た制御誘導ポイントの位置データと掘進計画路線
とを比較して前記油圧ジャッキを選択して動作させる姿
勢制御手段とを使用し、前記姿勢制御手段では、前記掘
進計画路線の周囲に円形をした同心配置の複数のリング
状区画線、もしくは中心部分を楕円形とし、その外側を
円形とした複数のリング状区画線と、その半径方向の区
画線とで区画される複数の管理領域を予め設定してお
き、前記シールドトンネル掘削機の制御誘導ポイントが
前記いずれの管理領域に位置するかを判別し、判別され
た管理領域に対応して予め定められた作動ジャッキパタ
ーンに合わせて前記油圧ジャッキを制御することを特徴
とする。

【０００８】

【作用】このように本発明では、掘進計画路線の周囲に
円形をした同心配置の複数のリング状区画線、もしくは
中心部分を楕円形とし、その外側を円形とした複数のリ
ング状区画線とその半径方向の半径方向区画線とで区画
される複数の管理領域を予め設定したおく。そしてシー
ルドトンネル掘削機の制御誘導ポイントがいずれの管理
領域に位置するかを判別する。この判別された管理領域
に対応して、予め定められた作動ジャッキパターンに合
わせて油圧ジャッキを制御する。

【０００９】このため、推進用油圧ジャッキのどれをど
のように制御するかの判断と制御とを自動的に容易に行
うことができ、掘進方向の制御を容易に行うことができ
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図６を参照し
て詳細に説明する。

【００１１】図示のようにシールドトンネル掘削機１
は、シールドトンネル掘削機本体２と、その後部の外周
に、例えば１２本設けられた掘進用油圧ジャッキ３等を
備えて構成されている。各油圧ジャッキ３は、電磁弁３
ａでその駆動が制御されるようになっている。

【００１２】このようなシールドトンネル掘削機１は、
その後部に形成されるシールドトンネル４のセグメント
による覆工５を反力として、推進用油圧ジャッキ３のロ
ッドを油圧力で伸ばすことにより覆工５の固定を前提と
してシールドトンネル掘削機本体２が前進するようにな
っている。

【００１３】このようなシールドトンネル掘削機１の姿
勢を制御するため、本実施例の姿勢制御装置は、該シー
ルドトンネル掘削機の位置及び姿勢を自動的に計測する
自動測量手段と、該自動測量手段からのデータを処理し
て該シールドトンネル掘削機１の制御誘導ポイントを含
む複数点の座標を自動的に演算する軌跡管理手段７と、
該軌跡管理手段７からの制御誘導ポイント位置データを
掘進計画線と比較し、その比較データに応じてシールド
トンネル掘削機１の各推進用油圧ジャッキ３を自動的に
コントロールする姿勢制御手段８とで構成されている。

【００１４】自動測量手段は、シールドトンネル掘削機
本体２の位置を連続的に測量する光学系の測量装置を有
する。該測量装置は、シールドトンネル掘削機１の後方
のシールドトンネル４内の予め位置が判明している基準
点１０に対応して天井に設けられた基準ターゲット１１
と、シールドトンネル掘削機１の後面上部に設けられた
移動ターゲット１２と、これらターゲット１１，１２の
間のシールドトンネル４の天井に設けられた光学式測量
機器１３とで構成されている。該光学式測量機器１３
は、図２に示すように、各ターゲット１１，１２に鉛直
旋回のレーザ光を出す鉛直旋回式レーザ光発生器１４、
このレーザ光に平行して各ターゲット１１，１２に測距
光を出す光波距離計１５と、一方のターゲット１１から
他方のターゲット１２までのレーザ光の水平旋回角を測
量する測角計１６とから構成されている。各ターゲット
１１，１２は、電子スタッフ１９と９個の反射プリズム
２０とで構成されている。そして図６に示すように、鉛
直旋回式レーザ光発生器１４からのレーザ光が、ターゲ
ット１１を照射した際の該レーザ光の水平方向の向き
と、ターゲット１２をレーザ光が照射した際の該レーザ
光の水平方向の向きとの角度αを測角計１６によって計
測し、ターゲット１１及び光学式測量機器１３の位置デ
ータと、該光学式測量機器１３からターゲット１１及び
１２までの距離データＬ_１，Ｌ_２によってシールドトン
ネル掘削機１の水平方向の位置を割り出すようになって
いる。

【００１５】また、該自動測量手段は、シールドトンネ
ル掘削機１の方向を検出するためのジャイロコンパス２
１と、ローリングやピッチングを検出するための傾斜計
２２と、鉛直偏位を検出するための水圧計２３とを備え
ている。水圧計２３は、基準タンク２４とホース２５で
結ばれていて、水圧の差圧により鉛直偏位が計測される
ようになっている。

【００１６】更にこの自動測量手段にはパーソナルコン
ピュータ１７とＣＲＴからなる表示器１８を有してい
る。このパーソナルコンピュータ１７は、前述した測量
装置及びジャイロコンパス２１、傾斜計２２及び水圧計
２３から発信される電流、電圧等の検出信号を長さ、角
度、位置等の所定の物理量に変換し、その値を表示器１
８に表示するようにしている。またパーソナルコンピュ
ータ１７は、後述する軌跡管理手段７によって演算して
得られる掘削機本体２の座標データに基づいて、その掘
進計画路線に対するシールド機の向き、変位等の状態を
表示器１８に表示できるようになっている。自動測量手
段からの測量データは、トンネル４内の伝送装置２６か
らケーブル２７を経て事務所２８内の伝送装置２９を経
て軌跡管理手段７に伝送されるようになっている。

【００１７】軌跡管理手段７は、伝送装置２９を経て測
量データが入力されるパーソナルコンピュータ３０と、
その表示を行うＣＲＴ等よりなる表示器３１とで構成さ
れている。この軌跡管理手段７のパーソナルコンピュー
タ３０では、自動測量手段のパーソナルコンピュータ１
７によって処理された計測データを基に掘削機本体２の
水平、鉛直成分の座標と掘進計画路線からのずれ量を演
算し、掘進計画路線とともに表示器３１に表示するよう
にしており、パーソナルコンピュータ１７から一定時間
毎に逐次送られてくる計測データ毎にこれを演算処理
し、掘削機本体２の中心線上の前部、同後部、及び掘削
機本体２の前方の中心線上の任意の点に定めた制御ポイ
ントＰの３点の水平及び鉛直の計６座標を算出するよう
にしている。

【００１８】該軌跡管理手段７から掘削機本体２の各点
の位置データが与えられる姿勢制御手段８は、該制御誘
導ポイントＰの位置データをもとに予め組み込まれた知
識ベースにより推論を行うパーソナルコンピュータ３２
と、その表示を行うＣＲＴ等の表示器３３とで構成され
ている。

【００１９】この場合、パーソナルコンピュータ３２
は、図３に示すように掘進計画路線の周囲に同心配置の
楕円形をしたリング状区画線Ａ１，Ａ２，及びその外側
の円形をしたリング状区画線Ｂ１，Ｂ２と、その半径方
向の半径方向区画線３４とで区画される複数の管理領域
３５からなる制御範囲判別図を予め設定しておき、図５
に示すようなシールドトンネル掘削機１の制御誘導ポイ
ントＰがいずれの管理領域３５に位置するかを判別し、
その判別された管理領域３５により予め定められた作動
ジャッキパターンに合わせて推進用油圧ジャッキ３を制
御する制御信号を出すようになっている。尚本実施例で
は制御誘導ポイントＰを、図５に示すようにシールドト
ンネル掘削機前方の中心線上におき、そのポイントＰを
現実の各測定値から算出し、その位置に対応する掘進計
画路線上の計画路線ポイントＰ_０に図３に示す制御範囲
判別図の中心をおいて制御誘導ポイントＰのずれを判別
するようにしている。

【００２０】表１は、図３に示す管理領域判別図の楕円
と円の各リング状区画線の半径の一例を示す。

【００２１】表２は、図３の半径方向区画線３４の各角
度の一例を示しており、同表中（イ）〜（ホ）は図３中
のイ〜ホの区画線が鉛直方向線Ｚに対する角度を示して
いる。

【００２２】表３は、判別された各管理領域３５と図４
の如く配列される油圧ジャッキの制御ルールを示すジャ
ッキパターンの一部を示しており、制御誘導ポイントＰ
が図３中の楕円形のリング状区画線Ａ１内、同区画線Ａ
１とＡ２との間、同区画線Ａ２と円形のリング状区画線
Ｂ１との間、同区画線Ｂ１とＢ２との間、及び同区画線
Ｂ２外において、角度（ロ）方向側のＡ〜Ｅ位置のいず
れかの管理領域にある場合において、それぞれの位置に
対応して予め定められたジャッキパターンを示したもの
であり、同表中の抜ジャッキは油圧を供給しないジャッ
キのナンバーを示しており、同表中の最右欄は１２本の
ジャッキの内の白抜き丸位置のジャッキが抜ジャッキで
あることを示している。

【００２３】表１

【表１】

【００２４】表２

【表２】

【００２５】表３

【表３】 なお、この領域設定は、本実施例で使用したシールドト
ンネル掘削機１の油圧ジャッキ３の総本数が１２である
ことと、制御結果の目標偏位量を±１０ｍｍ以内とした
場合の設定である。

【００２６】姿勢制御手段８からの制御信号は、伝送装
置２６を経て油圧シーケンス３４に与えられ、油圧ジャ
ッキ３を駆動する電磁弁３ａに与えられるようになって
いる。次にこのようなシールドトンネル掘削機１の姿勢
制御装置の動作について説明する。

【００２７】自動測量手段では、鉛直旋回式レーザ光発
生器１４から鉛直方向に旋回して出されるレーザ光が基
準ターゲット１１の電子スタッフ１９を横切ると、電子
スタッフ１９からパーソナルコンピュータ１７に信号が
入力される。

【００２８】この信号で該コンピュータ１７は、測角計
１６の角度値を０にリセットする。次いでレーザ光発生
器１４が水平旋回し、鉛直旋回しているレーザ光が移動
ターゲット１２の電子スタッフ１９を横切ると、コンピ
ュータ１７に信号が出てコンピュータ１７はこのときの
測角計１６の角度αを読み取り、軌跡管理手段７のパー
ソナルコンピュータ３０に角度信号を伝送する。

【００２９】同時に光波距離計１５は、基準ターゲット
１１の反射プリズム２０までの距離Ｌ_１と、移動ターゲ
ット１２の反射プリズム２０までの距離Ｌ_２を測量して
コンピュータ１７に入力し、基準ターゲット１１及び光
学式測量機器１３を基準にして移動ターゲット１２の位
置を求め、軌跡管理手段７のコンピュータ３０に入力す
る。この実施例では、ターゲット１１，１２の受光面の
長さは５４９ｍｍあり、受光位置の検出分解能は０．１
ｍｍである。

【００３０】また、同時にジャイロコンパス２１でシー
ルドトンネル掘削機本体２の方位が測量され、傾斜計２
２でシールドトンネル掘削機本体２のピッチングとロー
リングとが測量され、水圧計２３でシールドトンネル掘
削機本体２の鉛直方向の偏位が測量され、軌跡管理手段
７のコンピュータ３０に入力される。

【００３１】コンピュータ３０では、上述した測角計
１６による角度データ、光波距離計１５による各距離
データ、ジャイロコンパス２１による方位データ、及
び水圧計による鉛直方向偏位データを基にし、制御誘
導ポイントＰの位置を演算処理して割出し、これと予め
設定された掘進計画路線との偏位量をリアルタイムで算
出し、計画線との相対位置を表示器３１に表示する。

【００３２】シールドトンネル掘削機１の中心線上にお
ける制御誘導ポイントＰの掘進計画路線からの偏位量
は、制御要素として姿勢制御手段８のコンピュータ３２
に入力されるとともに、自動測量手段のコンピュータ１
７にも入力され、オペレータがシールドトンネル掘削機
１の位置・姿勢の把握が行えるようになっている。

【００３３】姿勢制御手段８のコンピュータ３２は、軌
跡管理手段７からの制御誘導ポイントＰの位置データを
もとに、該制御誘導ポイントＰが図３のいずれの管理領
域３５に位置するかを判別し、その判別された管理領域
３５に対応して予め定められた表３に示す如き作動ジッ
ャキパターンに合わせて推進用油圧ジャッキ３を制御す
る制御信号を油圧シーケンス３４に与える。

【００３４】これにより所定の油圧ジァッキ３のみが駆
動され、シールドトンネル掘削機本体２が所望の姿勢で
推進される。

【００３５】以下、同様の制御が繰り返され、シールド
トンネル掘削機１は、掘進計画路線に倣って掘進され
る。

【００３６】この場合、領域判定による油圧ジャッキ３
の選択は、通常掘進量５０〜１００ｍｍ毎に行われる
が、この領域判定により選択されたジャッキパターンで
掘進中、何等かの原因で予想に反する動きが発生した場
合、次の領域判定時期を待たずに選択されているジャッ
キパターンの変更が必要となることがある。このような
場合、シールドトンネル掘削機１の掘進軌跡判定を行
い、以下の判定がなされた時、油圧ジャッキ３の追加選
択，削減の処理を行う。

【００３７】（イ）実行上の掘進計画路線に急激に近づ
き過ぎるとき（時には掘進計画路線を超えて反対領域へ
移動した時）。

【００３８】（ロ）実行上の掘進計画路線から急激に離
れているとき。

【００３９】これらは、領域判定による選択油圧ジャッ
キの有効性が損われた時に発生するもので、発生頻度が
少ない時には、前述した領域設定が効果的に作動してい
るとみなし、発生頻度が多い時には、領域設定に変更が
必要であり、以下の内容で自動変更を行う。

【００４０】（イ）のケースが多発する場合、図３で示
す各同心円半径長を大きくする（拡げる）。

【００４１】（ロ）のケースが多発する場合は、図３に
示す領域の各同心円半径長を小さくする（狭める）。

【００４２】上記の如き制御を行ったところ、シールド
トンネル掘削機１を掘進計画路線に対して適正な位置・
姿勢を保持するように自動制御することができ、良好な
結果（直線部偏位量±１０ｍｍ程度）を得た。

【００４３】図３に示す制御領域判別図ではリング状区
画線を、中心側を楕円としているが全てを円形としても
よい。尚、本実施例において、各リング状区画線の内、
中心側を円としないで楕円としているのは、水平方向の
制御より、鉛直方向の制御が難しいためである。これ
は、シールドトンネル掘削機１自体の左右の側圧（シー
ルドトンネル掘削機が受ける反力）が、比較的均等であ
るのに比較して、上下の側圧は重力が存在すること、シ
ールドトンネル掘削機１の掘削土砂が切羽前面の下部に
落ち込み易いこと、重心位置のバランスがあること等、
水平分の要素とは全く制御条件が異なるためである。故
に管理領域３５を上下方向において小さくし、早めに楕
円形のリング状区画線Ａ２及びＡ１内の部分に収束させ
ようとしている。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るシール
ドトンネル掘削機の掘進方向制御方法では、掘進計画線
の周囲に円形をした同心配置の複数のリング状区画線、
もしくは中心部分を楕円形とし、その外側を円形とした
複数のリング状区画線とその半径方向の半径方向区画線
とで区画される複数の管理領域を予め設定しておき、シ
ールドトンネル掘削機の制御誘導ポイントがいずれの管
理領域に位置するかを判定し、この判定された管理領域
空間に対応して予め定められた作動ジャッキパターンに
合わせて油圧ジャッキを制御するので、推進用油圧ジャ
ッキのどれをどのように制御するかの判断と制御とを自
動的に行うことができ、掘進方向の制御を容易に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するシールドトンネル掘削
機の姿勢制御装置のシステム構成を示す概念図である。

【図２】本実施例の装置による自動測量手段の一部の構
成を示すブロック図である。

【図３】本実施例でジャッキパターンの選択に用いた制
御領域判別図である。

【図４】本実施例のジャッキの配列を示す説明図であ
る。

【図５】本実施例のシールドトンネル掘削機とその制御
誘導ポイントとの関係を示す斜視図である。

【図６】本実施例の装置におけるシールド掘削機の水平
方向の位置測定の説明図である。

【符号の説明】

１ シールドトンネル掘削機 ２ シールドトンネル掘削機本体 ３ 推進用油圧ジャッキ ３ａ 電磁弁 ４ シールドトンネル ５ セグメント ７ 軌跡管理手段 ８ 姿勢制御手段 １０ 基準点 １１ 基準ターゲット １２ 移動ターゲット １３ 光学式測量機器 １４ 鉛直旋回式レーザ光発生器 １５ 光波距離計 １６ 測角計 １７，３０，３２ パーソナルコンピュータ １８，３１，３３ 表示器 １９ 電子スタッフ ２０ 反射プリズム ２１ ジャイロコンパス ２２ 傾斜計 ２３ 水圧計 ２４ 基準タンク ２５ ホース ２６，２９ 伝送装置 ２７ ケーブル ２８ 事務所 ３４ 半径方向区画線 ３５ 管理領域 Ａ１，Ａ２ 楕円形のリング状区画線 Ｂ１，Ｂ２ 円形のリング状区画線 Ｐ 制御誘導ポイント Ｐ_０ 計画路線ポイント

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールドトンネル掘削機でシールドトン
   ネルを掘削しつつ該シールドトンネルの内面を一次覆工
   で覆うシールド工法を実施するに際し、前記シールドト
   ンネル掘削機の後部内周に所定間隔で設けられて前記一
   次覆工で反力をとる複数の推進用油圧ジャッキを選択的
   に作動させて該シールドトンネル掘削機の推進方向を制
   御するシールドトンネル掘削機の掘進方向制御方法にお
   いて、前記シールドトンネル掘削機の位置及び姿勢を自
   動的に計測する自動測量手段と該自動測量手段からの計
   測データに基づいてシールドトンネル掘削機の前方に定
   めた任意の制御誘導ポイントの位置を演算する軌跡管理
   手段と該軌跡管理手段によって得た制御誘導ポイントの
   位置データと掘進計画路線とを比較して前記油圧ジャッ
   キを選択して動作させる姿勢制御手段とを使用し、前記
   姿勢制御手段では、前記掘進計画路線の周囲に円形をし
   た同心配置の複数のリング状区画線と、その半径方向に
   向けた複数の半径方向区画線とで区画される複数の管理
   領域を予め設定しておき、前記シールドトンネル掘削機
   の制御誘導ポイントが前記いずれの管理領域に位置する
   かを判別し、判別された管理領域に対応して予め定めら
   れた作動ジャッキパターンに合わせて前記油圧ジャッキ
   を制御することを特徴とするシールドトンネル掘削機の
   掘進方向制御方法。
2. 【請求項２】 シールドトンネル掘削機でシールドトン
   ネルを掘削しつつ該シールドトンネルの内面を一次覆工
   で覆うシールド工法を実施するに際し、前記シールドト
   ンネル掘削機の後部内周に所定間隔で設けられて前記一
   次覆工で反力をとる複数の推進用油圧ジャッキを選択的
   に作動させて該シールドトンネル掘削機の推進方向を制
   御するシールドトンネル掘削機の掘進方向制御方法にお
   いて、前記シールドトンネル掘削機の位置及び姿勢を自
   動的に計測する自動測量手段と該自動測量手段からの計
   測データに基づいてシールドトンネル掘削機の前方に定
   めた任意の制御誘導ポイントの位置を演算する軌跡管理
   手段と該軌跡管理手段によって得た制御誘導ポイントの
   位置データと掘進計画路線とを比較して前記油圧ジャッ
   キを選択して動作させる姿勢制御手段とを使用し、前記
   姿勢制御手段では 、前記掘進計画路線の周囲に中心部分
   を楕円形とし、その外側を円形とした同心配置の複数の
   リング状区画線と、その半径方向に向けた複数の半径方
   向区画線とで区画される複数の管理領域を予め設定して
   おき、前記シールドトンネル掘削機の制御誘導ポイント
   が前記いずれの管理領域に位置するかを判別し、判別さ
   れた管理領域に対応して予め定められた作動ジャッキパ
   ターンに合わせて前記油圧ジャッキを制御することを特
   徴とするシールドトンネル掘削機の掘進方向制御方法。