JP2606872B2 - トンネル掘進機の姿勢制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、地下鉄または上、下水道などを堀削するト
ンネル堀進機の姿勢制御方法、特にトンネルを計画線に
沿って正確に築造し得るトンネル堀進機の姿勢制御方法
に関するものである。

［従来の技術］ トンネル堀進機を計画堀削線に沿って正確に進行させ
るため、近年、堀進機に姿勢角センサ（例えばジャイロ
コンパス、傾斜計など）を取り付けて堀進機の堀削方向
を制御する方法が種々検討されている。この方法におい
ては堀削開始前にトランシット、水準器などを用いて第
２図に示すごとく計画堀削線ｚに対する堀進機中心線ｃ
の角度のずれθ_１を計測しておき、このθ_１が零になる
ように堀進機１を進行させる。具体的にはθ_１を計測し
た際にジャイロコンパス２の指示値θ_２（通常、真北か
らの偏倚角を示すようになっている）を読み取り、この
θ_２から前記θ_１を差引いて基準姿勢角θ_３を求め、こ
の基準姿勢角θ_３を常時維持するように堀進機１を進行
させる。しかし実際には堀進機１の進路は僅かにずれる
ので下記の式（１）を用いて堀削後の堀進機位置を演算
し、計画堀削線ｚに対する位置の偏差を確認する必要が
ある。

Δx₁＝l₁cos（θ_４−θ_６）・sin（θ_３−θ_５） 式（１） ここに Δx₁:トンネル中心の計画堀削線ｚからのトンネル幅方
向の位置のずれ l₁:堀進機１の堀進距離の計測値（例えば推進用ジャッ
キのストローク量から求める） θ₃,θ₄:堀進機１の水平方向及びび鉛直方向の基準姿勢
角 θ₅,θ₆:堀進中に姿勢角センサから読み取った水平及び
鉛直方向の姿勢角の平均値 である（ただし、θ₄,θ_６は第４図参照、θ_５は第５図
参照）。

ところが、上記の方法は、ジャイロコンパスなどの据
付アライメントの誤差を修正できるが、堀進機が堀進機
中心方向に直進するという間違った前提に立脚している
ため、この方法を実行すると予測した位置と実際の位置
とのずれが大き過ぎて実用化することが困難であった。
上記堀進機の非直進性は堀削すべき土質、堀進機の重
心、推進ジャッキ反力、その他堀進機が土中で受ける複
雑な外力など非対象な要因によるもので、堀進機を姿勢
制御する上で無視できない問題点である。

又、堀削作業を行う際に留意すべきことは、堀進機中
心線とトンネル中心線、すなわちセグメント中心線は一
般的に一致しておらず、また堀削作業の良否はセグメン
ト中心線がいかに計画堀削線に接近しているかによって
評価される点にある。

そこで本願発明者等は、特願昭59−226585号（特開昭
61−104219号公報）明細書に示すように、トンネル堀進
機の非直進性及び堀進機が計画堀削線に沿って進行した
場合においても不可避なトンネル中心と計画堀削線との
不一致の度合いを統計的に把握し、これらのずれを一括
して是正する基準姿勢角を設定し、この設定値を運転上
の指針として堀進機の姿勢を制御し、必要に応じて前記
基準姿勢角を修正する方法について提案を行った。

この方法を、第４図、第５図及び第６図を参照して説
明すると、堀進機１の水平方向及び鉛直方向の姿勢角を
検出し得る姿勢角センサ13を堀進機１に取り付け、堀進
開始後、或る区間L₁を堀削した後に、トンネル中心線ｍ
上の複数の点4a,4b,4c…について計画堀削線ｚからの偏
差を計測し、この偏差を平均して例えば最小二乗法など
統計的手法を用いて回帰直線ｅ（第５図参照）を求め、
この回帰直線ｅが計画堀削線ｚ、鉛直線ｙと挟む角度θ
₄,θ_５（第５図参照）を、同じ区間L₁を堀削中に計測し
た平均姿勢角から差引いて基準姿勢角を求め、この基準
姿勢角を運転指針として堀進機１を進行させる。

基準姿勢角は土質の変化など堀削条件によって変化す
るので次の要領で修正する。すなわち、一旦設定した基
準姿勢角から堀削中に計測した平均姿勢角を差引いて姿
勢角偏差を求め、この偏差と別に求めた堀削距離とを用
いて計画堀削線に対する堀進機位置を演算し、この演算
値を実測結果のトンネル中心位置と比較して使用中の基
準姿勢角の妥当性を統計的に評価し、必要に応じて新し
い基準姿勢角を前と同じ要領で設定し、その後の運転指
針とする。

而して、上述のような制御を行うと、堀進機の非直進
性、トンネル及び堀進機の各中心線相互間の不一致は、
堀進機進行後の姿勢角の偏差としてとらえられ、この偏
差の度合いは統計的に割出されて次の区間を堀削する際
の指針となる基準姿勢角として求められ、この基準姿勢
角に基づいて堀進機が姿勢制御されるので、トンネル中
心線と計画堀削線とをほぼ完全に一致させることができ
る。

そして堀削中の堀進機位置は演算により推定され、実
際のトンネル中心位置との比較が行なわれ、基準姿勢角
が修正されるので、長い堀削区間に亘り計画堀削線に沿
って正確なトンネルの築造を行うことができる。

斯かる方法を第３図〜第８図により詳述すると、第６
図に示すように堀進機１内の適当な位置に水平方向及び
鉛直方向の姿勢角を計測できる姿勢角センサ３が、ま
た、推進ジャッキ５にはストロークセンサ６がそれぞれ
取り付けられている。以下、理解を容易にするため、計
画堀削線が水平な直線を形成している場合につき、第３
図に示すフローチャートに従って順を追って説明する。

第１回の堀削工程ではすでに説明したように予め堀進
機中心線と計画堀削線間の角度のずれを計測しておき、
このずれを零にするように堀進機を姿勢制御する。な
お、堀削距離としてはセグメント14の10〜20リング分に
相当する区間L₁を堀削するのがよい（第４図参照）。

次の基準姿勢角設定工程は、第１回の堀削工程が終了
した後に実施される。基準姿勢角の設定を第４図及び第
５図について説明すると、各セグメントごとに計画堀削
線ｚ及び鉛直線ｙに対するトンネル中心線ｍ上の点4a,4
b,4c…の水平方向及び鉛直方向の偏差y₁,z₁、y₂,z₂,y₃,
z₃…をトランシットなどを用いて計測し、これらの計測
値を用いて前記各点4a,4b,4c…を標本とする回帰直線ｅ
を最小二乗法を用いて求め、この回帰直線ｅと計画堀削
線ｚ、鉛直線ｙが挟む角度θ₄,θ_５を式（２）（３）
（４）（５）を用いて演算し、第１回の堀進工程中に計
測した水平面内及び鉛直面内の平均姿勢面θ₆,θ_７から
前記角度θ₄,θ_５を差引いて水平面内及び鉛直面内の基
準姿勢角θ₈,θ_９を求める（式（６）（７）参照）。な
お水平面内の姿勢角はジャイロコンパスで、また鉛直面
内の姿勢角は傾斜計を用いて計測する。

ｘ＝αｚ＋μ 式（２） ｙ＝γｚ＋δ 式（３） θ_４＝tan^-1α 式（４） θ_５＝tan^-1γ 式（５） θ_８＝θ_６−θ_４ 式（６） θ_９＝θ_７−θ_５ 式（７） ここに式（２）、式（３）はそれぞれ回帰直線ｅの水
平面内および鉛直面内への投影線g,h（第５図参照）を
示す。

基準姿勢角設定工程の次は第２回の堀削工程であり、
堀進機１は前工程で求めた基準姿勢角θ₈,θ_９を運転指
針としてこの姿勢角をできるだけ維持するように適当区
間L₂を運転する（第７図参照）。この間セグメント７を
１リングごとに数回の割合いで水平方向及び鉛直方向を
姿勢角を計測し、該１リング間の平均姿勢角を求め、１
リングごとに式（８）（９）を用いて計画堀削線ｚおよ
び鉛直線ｙに対する水平方向および鉛直方向の堀進機位
置の偏差Δx₂,Δy₂を求め、１リング進むごとに上記偏
差をその都度累計して、堀進機演算位置の軌跡ｆ（第７
図参照）を求め、次に述べる基準姿勢角確認のためのデ
ータを準備する。

Δx₂＝l₂cos（θ_９−θ₁₁）・sin（θ_８−θ₁₀） 式（８） Δy₂＝l₂sin（θ_９−θ₁₁） 式（９） ここに l₂:堀削距離で、推進用ジャッキ５に設けたストローク
センサ６又は光波距離計（図示せず）を使用する。

θ₁₀:水平方向の平均姿勢角 θ₁₁:鉛直方向の平均姿勢角 である。

第２回の堀削工程の次は基準姿勢角確認工程であり、
第２回目以降の各堀削工程完了後、又は堀進機演算位置
のずれが顕著になった場合、堀削工程中であっても一時
堀削を中断して実施する。この工程の目的は、それまで
使用してきた基準姿勢角を今後も引き続き使用すること
の可否を判断するもので、第２回の堀削工程で実施した
堀進機演算位置と、実測によって求めたトンネル中心位
置（トランシット、水準器などを用いて計測したトンネ
ル中心位置）とを比較して各位置ごとに偏差を求め、そ
の区間L₂における偏差の分布状態を統計処理してトンネ
ル中心線ｕに対する誤差曲線ｉ（第８図参照）を求め、
この曲線ｉを判断材料として土質その他の堀進条件に注
目すべき変化が発生したか、あるいは基準姿勢角を設定
する際に誤まりがなかったかどうかを重点的に判断す
る。

判断の手法としては次に示す考え方を基本とし、さら
に堀削現場の特殊事情を加味して行う。

（ｉ） 土質などに格別の変化がなく、又基準姿勢角の
設定操作にも誤りがなかった場合、誤差曲線はほぼ平坦
に延びる。

（ii） 土質などに格別の変化がなく、基準姿勢角の設
定に誤りがあった場合は、誤差が一様に累積するので誤
差曲線はほぼ一様な勾配を保持して計画堀削線から次第
に遠ざかる。

（iii） 基準姿勢角の設定に誤りがなく、土質などが
変化した場合、一般に土質は不連続的に変化するので、
誤差曲線は比較的急激な変化を示す。

第８図に示す誤差曲線ｉは上記（iii）の場合に相当
しており、区間L₂のほぼ前半部は土質などに格別な変化
がなく基準姿勢角にも誤まりがなかったことを示してお
り、区間L₂のほぼ後半部（区間L₃）において土質などに
変化を生じたことを示している。

このようにして誤差曲線ｉを評価したのち偏差が許容
値ｊを越えた場合は、更めて新らしい基準姿勢角を設定
し、また堀進機の現在位置（第７図Ｐ点）、すなわち今
後の堀進機演算位置を演算するための基点を最新のトン
ネル中心位置（第７図Ｑ点）に合わせる（矢印ｒ）。従
って新らしい誤差曲線はトンネル中心線ｕ上の点Ｓから
始まることになる（第８図の仮想線ｔ参照）。

なお、許容値の定め方としては、例えばあらかじめ単
位距離当りの許容値を定めておき、この許容値に堀進距
離を乗じて算出するのが便利であり、第８図の許容値ｊ
は上記のごとく定めた許容値に堀削距離L₃を乗じて算出
したものである。

新らしい基準角を求める際は、現在位置より遡った適
当区間、本例では土質などの変化を生じた区間L₃から標
本を採取し基準姿勢角設定工程で述べた要領に従って決
定する。

上記のごとく堀削条件の変化に対応して基準姿勢角及
び堀進機演算位置を求める基点とを実際に即して更新し
てゆくので、計画堀削線に沿って正確にトンネルを築造
することができる。

又、上述の各プロセスにおける、各種の演算は、第６
図に示すごとく演算器８を用いて行われ、各姿勢角、ジ
ャッキストローク量の計測値は自動的に、又トランシッ
トなどによる計測値はキーボード９を用いてそれぞれ演
算器８に入力され、演算結果はモニタテレビ10及びプリ
ンタ11に表示され、必要に応じフロッピディスク12に記
憶される。従って姿勢制御、位置制御を容易且つ正確に
行うことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の方法にあっては、堀進機が計画
堀削線に対して平行移動してずれているような場合は、
そのずれを自動的に検出することはできず、トランシッ
トなどによる頻繁なトンネル中心の実測によって求めな
ければならない。従って、作業が繁雑で、堀進機の位置
制御、姿勢制御の高度な自動化を図ることができないう
え、制御精度も悪い等の問題がある。

本発明は上述の実情に鑑み、堀進機のトンネル中心線
に対する平行移動によるずれをも自動的に計測し得るよ
うにし、もってトランシットなどによる実測頻度を減少
させると共にトンネル堀進機の姿勢制御、位置制御の自
動化及び省力化並に高精度を図ることを目的としたもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は所要距離堀削したのちトンネル中心線上に複
数の点を選定し、計画堀削線と鉛直線と水平線とが規定
する座標空間における前記各点の位置を計測し且つ計測
値を統計的に平均して回帰直線を求め、堀削中に水平方
向及び鉛直方向の姿勢角を検出し得るよう堀進機に取り
付けた姿勢角センサを用いて平均姿勢角を計測し、該平
均姿勢角から前記回帰直線と座標面とが形成する角度を
差引いて横及び縦方向の基準姿勢角を求め、該基準姿勢
角を運転指針として堀進機を進行させ、必要に応じて前
記基準姿勢角を修正するようにしたトンネル堀進機の姿
勢制御方法において、トンネル中心線に対して平行な堀
進機のずれをトンネル内と堀進機間にレーザー光を投光
することにより求め、該ずれが所定量を越えている場合
には警報を発するかあるいは姿勢角センサの基準姿勢角
を修正する構成を備えている。

［作用］ 姿勢角センサにより計測した平均姿勢角から基準姿勢
角が求められ、該基準姿勢角を運転指針として堀進機が
進行するが、その際、随時レーザー光によりトンネル中
心線に対して平行な方向の堀進機のずれが求められ、該
ずれが所定量以上の場合は警報が発られるか、あるいは
姿勢角センサの基準姿勢角が修正される。

［実 施 例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の方法を実施するための装置例であっ
て、第６図に示すものと同一のものには同一の符号が付
してある。又図中12はトンネル内所要位置に設置された
レーザー投光器、13は堀進機１内に設置されたレーザー
受光器、14は信号変換増幅器、15はレーザー光である。

作業時には、通常は姿勢角センサ３により検出した姿
勢角及びストロークセンサ６により検出した堀削距離を
基として、第３図〜第８図で説明した手順によりセグメ
ント仕上り位置中心（すなわちトンネル中心）を求め、
又随時、レーザー投光器12から投光したレーザー光15を
レーザー受光器13に受光させ、レーザー受光器13に当る
レーザー光線の位置から堀進機１の位置を求め、この堀
進機１の位置のセグメント仕上り位置に対するずれを演
算器８により演算し、ずれが所定量以上の場合は、警報
を発するか、或いは上述したような手順で姿勢角センサ
３の基準姿勢角の修正を行う。

レーザー光15の投光により計測された堀進機１のずれ
が所定量内にある区間においては、該ずれと姿勢角セン
サ３計測値とを統計的に比較するため、基準姿勢角の修
正精度が高まる。又レーザー光15による計測チェックが
できるため、セグメント仕上り位置の実測頻度が減少
し、計測延いては制御の自動化、省力化が図れる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、例えば姿勢角センサは別の形式のものを使用しても
良いこと、計画堀削線は水平な直線でなく傾斜した直線
であっても良いこと、直線のかわりに曲線であっても良
いこと（曲線の場合は堀進距離に従って逐次変化する基
準姿勢角を設定することにより同じプロセスの適用が可
能）、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
偏向を加え得ること、等は勿論である。

［発明の効果］ 以上に述べたごとく、本発明の方法は次の優れた効果
を発揮する。

（ｉ） 堀進機の非直進性、トンネルと堀進機の中心の
不一致を統計的に把握し運転指針として基準姿勢角を設
定するので、計画堀削線に沿って正確にトンネルを築造
することができる。

（ii） 堀進機堀削中にリアルタイムで計測を行なって
堀進機位置を演算で求め、基準姿勢角の妥当性を確認
し、必要に応じ修正を行なうので、確実に堀削作業を実
施することができる。

（iii） 堀進機位置を演算によって求めているので、
この演算を推進ジャッキの制御信号として入力すること
により自動姿勢制御が可能となる。

（iv） 堀進機が計画堀削線に対して平行にずれている
場合でもレーザー光によりずれを正確に把握できるた
め、計測延いては制御が容易になり、且つ省力化、高度
の自動化、制御精度の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法を実施するための装置例の説明
図、第２図は従来方法の一例の説明図、第３図は従来方
法の他の例の手順を示すフローチャート、第４図は基準
姿勢角を求める方法の説明図、第５図は回帰直線の斜視
図、第６図は第２図のフローチャートに示す従来方法を
実施するための装置例の説明図、第７図は堀進機位置の
水平面内の軌跡を示す説明図、第８図は誤差曲線の説明
図である。 図中１は堀進機、３は姿勢角センサ、６はストロークセ
ンサ、８は演算器、12はレーザー投光器、13はレーザー
受光器、ｚは計画堀削線、ｅは回帰直線、θ₈,θ_９は基
準姿勢角を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 豊 神奈川県横浜市緑区荏田北２丁目１番地 １ 佐藤工業株式會社市ケ尾寮内 (72)発明者 梅野 貢一 東京都大田区多摩川２―５―５ (56)参考文献 特開 昭61−104219（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−257595（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所要距離堀削したのちトンネル中心線上に
   複数の点を選定し、計画堀削線と鉛直線と水平線とが規
   定する座標空間における前記各点の位置を計測し且つ計
   測値を統計的に平均して回帰直線を求め、堀削中に水平
   方向及び鉛直方向の姿勢角を検出し得るよう堀進機に取
   り付けた姿勢角センサを用いて平均姿勢角を計測し、該
   平均姿勢角から前記回帰直線と座標面とが形成する角度
   を差引いて横及び縦方向の基準姿勢角を求め、該基準姿
   勢角を運転指針として堀進機を進行させ、必要に応じて
   前記基準姿勢角を修正するようにしたトンネル堀進機の
   姿勢制御方法において、トンネル中心線に対して平行な
   堀進機のずれをトンネル内と堀進機間にレーザー光を投
   光することにより求め、該ずれが所定量を越えている場
   合には警報を発するかあるいは姿勢角センサの基準姿勢
   角を修正することを特徴とするトンネル堀進機の姿勢制
   御方法。