JP3238989B2 - セグメント自動組立装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘進作業で構
築されるシールドリングのセグメント自動組立装置及び
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘進工事においては、シールド
工法による自動掘進が行われることが多い。シールド工
事においては、円筒状のシールド機本体に内接して組立
てられるトンネルシールドリングを支柱として、そのリ
ングのトンネル軸方向端面にシールド機に附属した複数
本のトンネル軸方向ジャッキ（シールドジャッキ）を圧
触させ、その反力を利用して地山に力をかけながらシー
ルド機先端部で回転掘進を行う。一定距離掘進後、新た
なシールドリングを組立てるために、シールド機に固定
されたエレクタを自動操作する。シールドリングは、複
数個の円弧状セグメントから成っており、前記自動操作
には、測量、演算、組立セグメントの把持及び位置決
め、ボルトによる締め付けなどが含まれる。

【０００３】尚、エレクタによる組立セグメントの位置
決め及び固定に際しては、該当個所に配置された前記シ
ールドジャッキは、トンネル軸方向に縮められて組立セ
グメントと干渉しない位置にホールドされる。新たなシ
ールドリングの組立ては、組立セグメントを既設セグメ
ントに隣接して隙間なく配置・固定する作業を所定回数
繰り返すことによって完了する。

【０００４】この過程で重要なのが、シールドリングの
セグメントの自動位置決めである。自動位置決めが現場
で生ずる設定値からのずれを正確に補正しながら行わな
ければ、シールド機とシールドリング間や隣接セグメン
ト間に隙間を生じたり、予定の掘進方向からのずれを生
ずる原因となる。

【０００５】一般にセグメントの固定に、ボルト−ナッ
トを使う。従って±１ｍｍ以下の微位置決めをしない
と、セグメントを固定できない。一方、エレクタの位置
の再現性は±１ｃｍ程度である。従ってコンピュータ内
の数値だけを使って位置決めしても、セグメントを固定
できない。そこでコンピュータ内に記憶・演算しておい
た数値だけで組立セグメントを既設セグメントの数ｃｍ
手前に粗位置決めし、その後に視覚センサを使ってエレ
クタの位置の再現性の悪い部分を吸収して微位置決めす
る。即ち、セグメントの自動位置決めは、所定の位置近
傍にまず当該セグメントを粗位置決めする第１段階と、
この位置で既設セグメントとの相対的位置・姿勢のずれ
を検出してその偏差を補正しながら微位置決めする第２
段階とから成る。ここで、粗位置決めと微位置決めとに
ついて簡単に述べる。粗位置とは、広義では組立セグメ
ントの最終組立位置の近くの位置を指し、この粗位置ま
で先ず組立セグメントを持ってゆく。この粗位置まで組
立セグメントを持っていく動作が粗位置決めである。粗
位置決め終了後に最終目標位置をＴＶカメラ（図８参
照）による光切断法等を利用して決定する。粗位置から
この決定した最終目標位置までは動作範囲は少なく且つ
位置決め精度の高いことが要求されるため、微位置決め
と呼ぶ。狭義の粗位置について述べる。組立セグメント
の移動はエレクタで行うことから、組立セグメントの粗
位置を得る時のエレクタの位置を狭義の粗位置と呼ぶ。

【０００６】粗位置決めは通常次の手順で行われる。ま
ず、粗位置演算を行う。これは、組立セグメントの設計
位置・姿勢もしくは該組立セグメントとトンネル周方向
で隣接する既設セグメントの位置・姿勢計測結果から組
立セグメントの最終目標位置を予測演算し、更にこの予
測値を基にセグメントを組立てる位置と姿勢を演算し、
更にこれらを使って既設セグメントから数ｃｍの隙間を
あけるような位置と姿勢を演算する。これを粗位置（及
び姿勢）と称する。エレクタの位置・姿勢とはエレクタ
本体のセグメント把持部の位置・姿勢を意味し、把持中
の組立セグメントの位置・姿勢と同じである。粗位置
は、エレクタの旋回角度θとエレクタ座標系（ｘ、ｙ、
ｚ）及びｘ、ｙ、ｚの各軸まわりの回転角（δ_x、δ_y、
δ_z）で表される。ここで、δ_xはローリング角、δ_yは
ピッチング角、δ_zはヨーイング角である。

【０００７】次に、上記のごとく求めた粗位置を基にし
て旋回モータを含む各アクチュエータの指令値を演算
し、サーボ制御装置へ指令値を入力して該サーボ制御装
置を駆動して前記各アクチュエータを制御すればよい。

【０００８】粗位置決めする第１段階終了後、微位置決
めする第２段階に入るが、この時光切断法と称する技術
が用いられる（特開平３−１９９５９９号）。図８を用
いて、これを簡単に説明する。

【０００９】図９は、粗位置決めされた組立セグメント
４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃの相対位置関係及
びエレクタ（図示せず）に設置された３台の投光器から
セグメント境界領域に照射された３本のスリット光とそ
の拡大図を示す。

【００１０】既設セグメント４１ａ、４１ｂは、現在組
立中のリングから直近の既設シールドリング９における
セグメントであり、４１ｃは現在組立中のシールドリン
グの既設セグメントである。投光器からの３本のスリッ
ト光は、粗位置決めされた組立セグメント４２のトンネ
ル周方向に沿った境界部に２本（セグメント４１ａと４
２間及びセグメント４１ｂと４２間）、トンネル軸方向
に沿った境界部に１本（セグメント４１ｃと４２間）照
射されている。スリット光本数はこれに限定されるもの
ではなく、トンネル周方向に２本以上、トンネル軸方向
に１本以上あればよい。

【００１１】この結果生じたスリット光像Ａ−Ａ′、Ｂ
−Ｂ′及びＣ−Ｃ′をそれぞれテレビカメラで撮像し、
その画像のデータを処理して得られた各光像の端点ａ、
ａ′、ｂ、ｂ′、ｃ、ｃ′の座標値から前記３ヶ所の断
差・隙間を検出し、その情報を基にして組立・既設セグ
メントの位置・姿勢偏差を求め、その偏差を補正するこ
とによって組立セグメント４２の微位置決めを行うもの
である。尚、４６ａ、４６ｂ、４６ｃはＴＶカメラの視
野、４７ａ、４７ｂ、４７ｃはテレビ画像である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、シールドリングのセグメント組立ての第１段階であ
る粗位置決めの過程で、シールド機本体の掘進を一時停
止させ、当該個所のシールドジャッキを既設リングトン
ネル軸方向端面から離して組立セグメントの位置決め作
業を行う。この場合、複数本のシールドジャッキで地山
の反力とバランスをとっていたシールド機本体の掘進面
が印加される前後の力の局部的変化を受けて傾斜するこ
とが多い。

【００１３】また、トンネル掘進方向を意図的に曲げる
場合には、トンネル軸が屈曲した前後の位置で、明らか
に既設シールドリング面とシールド機本体の掘進面（新
たにリングを構築する面）は相対的に傾斜する。

【００１４】セグメントを組立てるエレクタは、シール
ド機に固定されているので、既設リングに対するシール
ド機の相対位置・姿勢が変化すると、既設リングに対す
るエレクタの相対位置・姿勢も変化する。

【００１５】上記した従来技術の第１の段階である粗位
置決めでは、既設リング位置、既設セグメント位置・姿
勢だけを設計データとして読み込み、この設計データを
基にして組立セグメントの粗位置決めを行っている。シ
ールド機の面傾斜が考慮されていないので、この結果組
立セグメントの既設セグメントに対する位置決め精度が
低下し、光切断法を用いた微位置決め時に既設セグメン
ト端部が投光器やテレビカメラの視野から逸脱してしま
い、自動位置決めができないという問題点を生ずる場合
があった。また、組立セグメントが既設セグメントと位
置的に部分重複して、正しいシールドリング組立てがで
きない場合があった。

【００１６】これを防ぐためには、シールド機の内周に
沿ってトンネル軸方向に３ヶ以上の距離計測センサを付
設しておき、新たなシールドリング組立前に各センサで
直近の既設シールドリング端面との距離を計測する。各
計測値を最小自乗処理してシールド機傾斜面の平面方程
式の定数最適値を求める。この平面方程式からシールド
機の前記距離計測センサ付設面と前記既設シールドリン
グ端面との相対的位置・姿勢を演算する。演算して得た
面傾斜による補正値を粗位置の設計データに加算して新
たな粗位置を決めることが有効である。

【００１７】しかるに、トンネル掘進用シールド機のサ
イズが巨大であるために、その内周に沿って均等角度で
取り付けられた前記距離計測センサ間の距離も長くな
る。この結果、シールド機のこれらセンサ付設面のわず
かな歪みによって、各センサの先端は最大２ｃｍ程度不
揃いになる。即ち、測距センサが予め相対的な位置を異
にしているので、前記既設リングとの距離計測結果は、
予め最大２ｃｍ程度の誤差（オフセット誤差とも云う）
を含んでいることになる。それ故、粗位置決め演算では
面傾斜による正確な補正ができない。得られた粗位置を
基にした微位置決め段階では、既設セグメントとの境界
をまたぐべきスリット光像がこの境界からはずれるため
自動的に微位置決めができないという問題点があった。

【００１８】本発明の目的は、距離計測センサ取り付け
位置の不揃いに起因して発生する粗位置補正値の誤差を
最小限に抑制し、補正された粗位置が光切断法適用の許
容範囲内に入り、以ってセグメントの自動組立てを可能
にするセグメント自動組立装置及び方法を提供すること
である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、シールド掘進
機にトンネル軸方向に向けて付設した３ヶ以上のに距離
計測センサと、この距離計測センサの取付け固有誤差量
を格納する手段と、上記距離計測センサで計測した、最
新既設シールドリング端面とシールド掘進機の前記距離
計測センサの付設面との相対距離を取込む手段と、この
取込んだ相対距離を前記取付け固有誤差量で校正する手
段と、この校正した相対距離からセンサ付設面の最新既
知シールドリング端面に対する相対姿勢を求め、この校
正した相対距離及び相対姿勢を次に組立てるべきセグメ
ント用の設計データに加えて目標位置を決定する手段
と、この目標位置になるように前記次に組立てるべきセ
グメントの位置・姿勢の制御を行う制御手段と、より成
るセグメント自動組立装置を提供する。

【００２０】更に本発明は、シールド掘進機にトンネル
軸方向に向けて付設した３ヶ以上のに距離計測センサ
と、この距離計測センサの取付け固有誤差量を格納する
手段と、上記距離計測センサで計測した、最新既設シー
ルドリング端面とシールド掘進機の前記距離計測センサ
の付設面との相対距離を取込む手段と、この取込んだ相
対距離を前記取付け固有誤差量で校正する手段と、この
校正した相対距離からセンサ付設面の最新既知シールド
リング端面に対する相対姿勢を求め、この校正した相対
距離及び相対姿勢を次に組立てるべきセグメント用の設
計データに加えて目標粗位置を決定する手段と、この目
標粗位置になるように前記次に組立てるべきセグメント
の位置・姿勢の制御を行う制御手段と、この目標粗位置
への位置決め終了後に前記次に組立てるべきセグメント
の目標微位置を決定し、この微位置になるように前記次
に組立てるべきセグメントの位置・姿勢の制御を行う制
御手段と、より成るセグメント自動組立装置を提供す
る。

【００２１】更に本発明での前記距離計測センサの取付
け固有誤差量とは、各センサの各々で最初の既設シール
ドリング端面と上記シールド掘進機の前記センサ付設面
との距離ｄ_n（ここに、ｎは前記センサ番号）を計測
し、この計測値の各々を用いて前記最初の既設シールド
リング端面と前記センサ付設面の非平行状態から生ずる
前記計測値のセンサ付設角度に対する正弦波曲線の定数
最適値を決定し、この正弦波曲線から前記センサの各付
設角度における最適距離を演算して、当該最適演算値ｄ
_n′（ａｃ）とｄ_nとの差を補正量として求め、当該補正
量を前記各距離計測センサの取付け個有誤差量として付
与することとした。

【００２２】更に本発明では、シールド掘進機の内周に
トンネル軸方向に付設した３ヶ以上の距離計測センサの
各々で最初の既設シールドリング端面と上記シールド掘
進機の前記センサ付設面との距離ｄ_n（ここに、ｎは前
記センサ番号）を計測する第１の工程と、この計測値の
各々を用いて最小自乗法により前記最初の既設シールド
リング端面と前記センサ付設面の非平行状態から生ずる
前記計測値のセンサ付設角度に対する正弦波曲線の定数
最適値を決定する第２の工程と、この正弦波曲線から前
記センサの各付設角度における最適距離を演算して、当
該最適演算値ｄ_n′（ａｃ）とｄ_nとの差を補正量として
求める第３の工程と、当該補正量を前記各距離計測セン
サの取付け個有誤差量Ｃ_nとして記憶する第４の工程と
から成る予備段階と、第ｉ番目（ｉ≧２）シールドリン
グ組立時前記第１の工程を行って求めたｄ_nに前記個有
誤差量Ｃ_nを加算したｄ_n′（＝ｄ_n＋Ｃ_n）を用いて前記
第２の工程を行い、得られた最適演算値ｄ_n′（ａｃ）
を使って前記シールド掘進機と第（ｉ−１）番目の既設
シールドリング端面との相対距離及び相対姿勢を演算
し、これを設計データから求めた粗位置に加算して新た
な粗位置を決める手法を採用した粗位置決め制御段階
と、このようにして粗位置決めされた組立セグメントと
第（ｉ−１）番目の既設シールドリングの既設セグメン
トとの境界部の少なくとも２ヶ所及び前記組立セグメン
トと第ｉ番目のシールドリングの既設セグメントとの境
界部の少なくとも１ヶ所に、エレクタ上設置投光器から
スリット光を照射し、得られた各スリット光像を前記エ
レクタ上設置テレビカメラにより撮像して得られる画像
データから前記境界部の段差・隙間を検出し、その段差
・隙間情報を基にして前記組立セグメントと前記既設セ
グメントとの位置・姿勢偏差を求め、その偏差を補正す
ることによって前記組立セグメントを組立位置に微位置
決めする手法を採用した微位置決め制御段階から成り、
前記粗位置決め制御段階と前記微位置決め制御段階を繰
り返すことによりトンネル掘進によるシールドリングの
組立てを行うことを特徴とするシールドリング用セグメ
ントの自動組立方法を開示する。

【００２３】

【作用】本発明によれば、距離計測センサの取付け固有
誤差量を事前に求めておき、この固有誤差量で計測した
相対距離を校正することにより、相対距離が正しい値と
なり、シールド掘進機の位置・姿勢を求めることがで
き、セグメントの位置制御が容易となる。

【００２４】更に本発明によれば、距離計測センサの取
付け固有誤差量を、正弦波曲線と最小自乗法とを利用す
ることにより正確に求めることができ、セグメントの位
置決めを正確に実行でき、併せてその位置制御も容易と
なる。

【００２５】

【実施例】図１は、本発明の原理を説明するための図で
ある。シールド掘進中に意図的または非意図的にトンネ
ル進路が屈折し、シールド掘進機のセンサ取付面が図１
に示すように直近の既設シールドリング端面に対して傾
斜した場合を考える。

【００２６】基準となる直近の既設シールドリング端面
の座標が（Ｙ、Ｚ）であり、傾斜したシールド機センサ
付設面の座標が（Ｙ′、Ｚ′）である。Ｘ軸は、シール
ド機後面方向が正の向きになる。基準面に対する傾斜面
の傾きは、Ｚ−Ｚ′軸まわりの回転（ヨーイング）Δδ
_zとＹ−Ｙ′軸まわりの回転（ピッチング）Δδ_yをもっ
て図１のように示される。

【００２７】この時傾斜面の粗位置を示すＸ座標の座標
値ｘ′は傾斜前のＸ座標の設計値ｘと傾斜によるＸ座標
の変位Δｘを用いて ｘ′＝ｘ＋Δｘ と表示される。

【００２８】シールド掘進機の内周に沿って５個の距離
計測センサＳ₁〜Ｓ₅を、図示した正五角形の各頂点に設
け、各センサでそれぞれ測定したセンサ取付平面と既設
シールドリング端面との距離をそれぞれｄ₁〜ｄ₅とす
る。ｄ_n≡ｄ_n（ｘ_n、ｙ_n、ｚ_n）（ｎ＝１〜５）であ
る。

【００２９】ｄ_nは、シールド掘進機取付面の小さな歪
みによってセンサの取付位置が微妙に異なり、誤差を含
んでいる。そこで、真のｄ_n値を知るには、各センサの
先端部が一平面上になければならない。もっとも小さな
誤差で各センサ取付位置を揃えるために、本発明では先
ず、予備段階の測定（初回の測定）、即ちトンネル工事
の基礎となる第１番目のシールドリングを組立後シール
ド掘進して最初のセンサ測距、のデータｄ_nの最小自乗
誤差処理を行う。

【００３０】非平行状態にある２つの平面間の距離を円
周に沿って数カ所で測定すると、各測定値は円周の角度
の正弦波関数で表される。

【００３１】今、既設シールドリング端面を表す平面方
程式を

【数１】 とする。ここに、ａ〜ｄは定数である。トンネル掘進に
よって本質的にトンネル内経は変化しないものとすれ
ば、傾斜したセンサ取付平面におけるｙ′、ｚ′値は既
設シールドリング端面におけるｙ、ｚ値と同じである。
傾斜によってｘ値のみが前記のように変化することにな
る。それ故、ｄ_nの含む誤差は、ｘ値の誤差に起因する
と考えてよい。

【００３２】前記した正弦波関数は、ｄ_nの取付角度を
ψとすれば、

【数２】 ただしＬ、Ｍは定数であり、また簡単のためにＬ₁の取
付角度をψ＝０とした。ｄ_nの含む誤差が最小になる如
く（数２）の定数Ｌ、Ｍを決定するために、最小自乗法
を適用する。

【００３３】最小自乗法における残差ｖ_nは、

【数３】 と表すことができる。ｖ² _nの合計値Ｖは次式となる。

【数４】 この偏微分を０とおくと次式となる。

【数５】 （数５）は定数Ｍ、Ｌに関する２元連立方程式である。
この式をＭ、Ｌについて解き、各測定値はｄ_n、ｓｉｎ
ψ_nを入れて計算すれば、定数Ｍ、Ｌの最適値を求める
ことができる。即ち、（数２）が決定される。これがｄ
_nの最小自乗誤差処理である。

【００３４】次に、得られた最適正弦波曲線上の値ｄ_n
（ａｃ）と実測値ｄ_nとの差を求めると、各距離計測セ
ンサの取付位置に起因する誤差の最適値Ｃ_nが得られ
る。

【００３５】このＣ_nを各センサにおける実測値をｄ_nに
加算すると、ｄ_nの取付位置誤差の補正が完了する。即
ち、ｄ_nの補正値ｄ_n′は

【数６】 で与えられる。センサの取付位置は、シールド掘進中変
化しないので、上記のようにして求めたＣ_nを記憶して
おく。

【００３６】そして、第２回目以降のセンサを用いた測
距値ｄ_nにまずこのＣ_nを加えて補正した値ｄ_n′を求
め、この値を前記（数２）〜（数５）におけるｄ_nのか
わりに用いることにする。

【００３７】組立セグメントの粗位置決め演算では、
（数２）〜（数５）を用いて定めた正弦波曲線から
ｄ_n′の最確値ｄ_n′（ａｃ）を求め、その座標値
（ｘ_n′、ｙ_n、ｚ_n）を（数１）に代入して連立方程式
を解くことにより平面方程式の定数ａ〜ｄを決定する。

【００３８】この平面方程式から、粗位置補正量Δｘ、
姿勢偏差量Δδ_z、Δδ_yを定めることができる。なお、
姿勢偏差量は

【数７】 で与えられる。

【００３９】これらの補正値、偏差量を設計データに加
算することによって粗位置決め演算が完了する。

【００４０】以下、本発明を実施例に基づいて詳しく述
べる。図２〜図７は、シールド機とシールドリングの構
造を示す図である。以下、これらの図を参考にしてシー
ルド機の構造及び動作を説明する。

【００４１】セグメント組立てに用いられるエレクタ本
体１２は、円筒状をしたシールド機本体１１の後部１２
に設置される。シールド機本体１１の外周部には、シー
ルドジャッキ１００が１０〜４０本程度取り付けられて
いる。シールドジャッキ１００は、図４の１００ａで示
したようにトンネル軸方向に伸ばして直近の既設リング
９の既設セグメント４１円筒状端面を均等な力で押し付
け、その反力を利用してシールド機本体１１を地山に圧
触させながら掘進するために用いられている。

【００４２】シールドジャッキ１００のうち、正五角形
の頂点を占める５本に距離計測センサＳ₁〜Ｓ₅を内蔵設
定してある。そしてＳ₁〜Ｓ₅が自己ジャッキの左右の動
き量を監視し距離計測を行う。Ｓ₁〜Ｓ₅の一例として
は、自己の対応するジャッキに磁性体と非磁性体とをジ
ャッキの長手方向に交互に付着しておき、これを検出ヘ
ッドで監視することでジャッキの移動量を検出する磁気
形の非接触式のものがある。これ以外に、接触式のもの
もある。又、シールドジャッキに設置せずに距離計測す
るレーザ距離計測センサの例もある。いずれにしろセン
サＳ₁〜Ｓ₅の取付位置の精度が正確でないことが本実施
例の前提となる。

【００４３】図１４には前記磁気形のセンサ例を示す。
シールドジャッキ１００の表面又は内部に磁性体１０１
と非磁性体１０２とをピッチＰの間隔で設置しておく。
一方、２つの一次励起コイル１０３と１０４とを近接し
て設け、且つ検出ヘッド１１０側には、２つの二次誘起
コイル１０５と１０６とをコイル１０３と１０４とに対
応させて設けてある。一次励起コイル１０３、１０４に
各々ａ sin ωｔ、ｂcos ωｔなる９０゜位相差の三角
波を加えておくと、ジャッキ１００の矢印方向の移動に
より磁気抵抗が１ピッチ毎に変化することにより、検出
ヘッドの二次誘起コイル１０５と１０６との出力側に
は、Ｅ＝Ｋ sin(ωｔ−２πｘ／ｐ)なる出力が現れる。
即ち、位相分２πｘ／ｐにいは、移動量ｘが反映してい
ることになり、位相分２πｘ／ｐを求め、これからｘを
求めることができる。

【００４４】前記した如く、組立セグメント４２の位置
決め及び取付け時には、当該個所のシールドジャッキ１
００は、図４の１００ｂの如く縮めて空間を確保する。
また、トンネル掘進方向を意図的に屈曲させる場合も所
定方向のジャッキを縮めて圧力バランスをくずす。

【００４５】エレクタ本体１２は、大別して、旋回機構
であるエレクタリング１３と旋回モータ１６、押付機構
である吊りビーム２１と押付ジャッキ２２、左右摺動機
構である横スライドフレーム２４と横スライドジャッキ
２５、前後摺動機構である前後スライドフレーム２７と
前後スライドジャッキ２８、ピッチング、ローリング、
ヨーイング等の姿勢制御機構である球面フレーム２９と
姿勢制御用ジャッキ３１、３２、３３及びセグメント把
持部３４からなっている。

【００４６】エレクタリング１３は、シールド本体１１
の内周数カ所に設置された外周ガイドローラ１４と側面
ガイドローラ１５により案内され、シールド本体１１に
取り付けられた旋回モータ１６によりピニオン１７とリ
ングギア１８を介して旋回駆動される。これに伴い、エ
レクタリング１３上に支持された以下の各部も同時に左
右旋回させられる。

【００４７】エレクタリング１３の左右アーム１９にガ
イドロッド２０を介して支持された吊りビーム２１は、
アーム１９との間に取り付けられた押付ジャッキ２２の
伸縮によりＺ軸方向（エレクタリング１３の径方向）に
移動させられ、これに伴い吊りビーム２１上に支持され
た以下の各部も同方向に移動する。

【００４８】吊りビーム２１にリニアベアリング２３を
介して支持された横スライドフレーム２４は、吊りビー
ム２１との間に取り付けられた横スライドジャッキ２５
の伸縮により吊りビーム２１上をｙ軸方向に移動させら
れ、これに伴い横スライドフレーム２４に上に支持され
た以下の各部も同方向に移動する。

【００４９】横スライドフレーム２４にリニアベアリン
グ２６を介して支持された前後スライドフレーム２７
は、横スライドフレーム２４との間に取り付けられた前
後スライドジャッキ２８の伸縮により横スライドフレー
ム２４上をｘ軸方向（シールド軸方向）に前後スライド
させられ、これに伴い前後スライドフレーム２７上に支
持された以下の各部も同方向に移動する。

【００５０】前後スライドフレーム２７の球面ガイド部
２７ａに組み込まれた球面フレーム２９は、前後スライ
ドフレーム２７との間に取り付けられた２本の姿勢制御
用ジャッキ３１、３２の伸縮により次のような動きをす
る。図４において、２本のジャッキ３１、３２を同時に
伸長または収縮させた場合、球面フレーム２９は球面中
心Ｇを含むｘ軸の回りに傾けられ、この動きはセグメン
ト把持部３４のローリング制御に用いられる。また、ジ
ャッキ３１、３２のいずれか一方を伸長させ、他方を収
縮させた場合は、球面フレーム２９は球面中心Ｇを含む
ｚ軸の回りに左右旋回させられ、この動きはセグメント
把持部３４のヨーイング制御に用いられる。

【００５１】球面フレーム２９の中心軸３０に吊り下げ
られたセグメント把持部３４は、球面フレーム２９との
間に取り付けられた姿勢制御用ジャッキ３３の伸縮によ
り中心軸３０の回りに傾けられ、この動きはセグメント
把持部３４のピッチング制御に用いられる。

【００５２】セグメント把持部３４は、図７に示すよう
に組立セグメント４２のグラウト穴４３に合致する雄ね
じが切られたねじ軸３５を備えている。また、セグメン
ト把持部３４には、ねじ軸３５を回転させる駆動モータ
３６と、ねじ軸３５を駆動モータ３６、軸受ブラケット
３７と共に昇降動作させる昇降ジャッキ３８が装備され
ており、図示しない位置決めセンサにより、エレクタ下
に置かれた組立セグメント４２のグラウト穴４３にねじ
軸３５を心合わせした後、該ねじ軸３５を回転させなが
らセグメント４２に向かって突き出し、グラウト穴４３
へのねじ込み完了後、セグメント４２がセグメント把持
部３４の端面に当たるまでねじ軸３５を引き戻すことに
より、セグメント４２を把持する。

【００５３】エレクタ本体は以上のように構成され、組
立セグメント４２を把持して最終的に所定の組立位置に
位置決めし、図示しないボルト締結装置により既設セグ
メント４１に組み付ける機能を有している。

【００５４】図８はセグメントの微位置決めに用いる段
差・隙間検出手段と組立・既設セグメントとの位置関係
及び位置制御システム構成を示したものである。１２は
エレクタ本体を模式的に表している。４２は粗位置決め
された組立セグメントを、４１ａ、４１ｂは組立セグメ
ント４２とトンネル軸方向に隣接する直近既設リング９
の既設セグメントを、４１ｃは組立セグメント４２とト
ンネル周方向に隣接する現行組立てリングの既設セグメ
ントをそれぞれ表している。これら組立・既設セグメン
ト間の段差・隙間を検出するために、３組の投光器４４
ａ、４４ｂ、４４ｃとテレビカメラ４５ａ、４５ｂ、４
５ｃがエレクタ本体１２のセグメント把持部３４に剛体
（図示せず）を介して固定されている。したがって、投
光器４４ａ〜４４ｃとテレビカメラ４５ａ〜４５ｃと把
持部３４及び組立セグメント４２と相対的な位置・姿勢
はエレクタの動きにもかかわらず把持中は一定である。
投光器４４ａ、４４ｂは組立セグメント４２と既設セグ
メント４１ａ、４１ｂのトンネル周方向に沿った境界部
の２ヶ所に、投光器４４ｃは組立セグメント４２と既設
セグメント４１ｃのトンネル軸方向に沿った境界部の１
ヶ所にそれぞれスリット光を照射し（図９参照）、各セ
グメントに生じたスリット光像Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、
Ｃ、Ｃ′はテレビカメラ４５ａ〜４５ｃによりそれぞれ
撮像される。図９は従来例で説明したように光切断法で
用いられる要素を、より詳しく示した図である。

【００５５】これらテレビカメラからの画像データはカ
メラ切換器４８と画像入力装置４９を介して画像メモリ
５０に取り込まれる。装置５１は画像メモリ５０に格納
された画像データを処理してスリット光像の端点座標を
求める画像処理装置、装置５２は画像処理装置５１で求
められた端点座標値または事前に入力された数値データ
を基にして後述する位置決め制御演算を行い、その結果
を指令値としてサーボ制御装置５３へ出力するエレクタ
本体の制御装置（以下、本体制御装置と記す）であり、
サーボ制御装置５３は、その指令に従ってエレクタ本体
の旋回モータ１６及び油圧ジャッキ２２、２５、２８、
３１、３２、３３を含む７軸のアクチュエータを制御す
る。

【００５６】次に、位置決め制御について説明する。位
置決め制御は、第１段階の粗位置決め制御１５０と、第
２段階の微位置決め制御２００を連続的に行う。

【００５７】図１０は、粗位置決め制御１５０のプロセ
スを示すチャートである。粗位置決め制御は、手順１５
１〜１５４で構成される。

【００５８】手順１５１は、粗位置演算である。シール
ド機本体１１が最初の既設リングから一定距離トンネル
掘進を行った位置で第２番目のシールドリングを組立て
ようとする時、図１で示したようにシールドジャッキ１
００の操作によって意図的または非意図的に地山との圧
力バランスが崩れてシールド機本体全面が傾斜する。従
って、粗位置演算では、直近の既設リング、即ち最初の
リング組立て時に得た情報を基にした設計データを補正
しなければならない。補正は、面傾斜に基づく変位とセ
ンサ取付位置誤差の両方について行う必要がある。先
ず、位置決め予備段階として、センサ取付誤差の演算と
記憶を行う。

【００５９】図１で示したように、シールド機本体１１
に付設したシールドジャッキ１００のうち、正五角形の
頂点を占める５本に内臓された距離計測センサＳ₁〜Ｓ₅
で直近の既設リングとの距離ｄ₁〜ｄ₅を測定する。シー
ルド機本体が既設リングに対して傾斜していると、一般
にｄ₁〜ｄ₅はセンサ取付角度ψの正弦波関数で表され
る。ｄ₁を計測するセンサの取付位置をψ＝０とし、７
２度毎にｄ₂〜ｄ₅を計測することになる。

【００６０】このｄ₁〜ｄ₅は、測距センサの取付位置の
平面からのずれに起因する誤差を含むので、得られた計
測値に前記（数２）〜（数５）を適用して最小自乗誤差
処理を行う。その結果求められた最適正弦波曲線を図示
したのが、図１２である。

【００６１】この図から、各計測センサの取付位置誤差
の最適値ｃ_nが得られるので、これを記述しておく。取
付位置の誤差を補正した各センサの測距値ｄ_n′は、
（数６）で与えられる。

【００６２】次に、この補正値はｄ_n′を用いて平面方
程式で（数１）の定数決定を行う。第２番目の組立リン
グの場合には、前記したようにｄ_n′は既に最小自乗誤
差補正されているので最確値ｄ_n′（ａｃ）となる。即
ち、この座標値（ｘ_n、ｙ_n、ｚ_n）を用いて、ａ〜ｄ、
Δｘに関する５元連立方程式を解けばよい。

【００６３】一方、第３番目以降の組立リングの場合に
は、補正値ｄ_n′を構成するｄ_nとｃ_nのうちｄ_nは面傾斜
に基づく変位を含むので、ｄ_n′に最小自乗法を適用し
てｄ_n′（ａｃ）を求めなおすことになる。その後、
ｄ_n′（ａｃ）の座標値を用いてａ〜ｄ、Δｘに関する
５元連立方程式から各値を決める。

【００６４】このようにして得た平面方程式から、シー
ルド機本体１１の直近の既設シールドリング９端面に対
する傾きΔｐｉｔｃｈ及びΔｙａｗが（数７）を用いて
求められる。

【００６５】予め、設計データから求めた第ｎ番目のシ
ールドリング用セグメントの粗位置ｘ（ｎ）、ｙ
（ｎ）、ｚ（ｎ）、δ_x（ｎ）、δ_y（ｎ）、δ_z（ｎ）
及びエレクタ旋回量θ（ｎ）を以下のように補正して粗
位置演算を行う。

【数８】

【００６６】以上、測距センサの取付位置誤差補正とシ
ールド機面傾斜による変位補正を含む本発明の組立セグ
メントの粗位置決め演算手順１５１について述べた。

【００６７】上記例では、シールド機の相対位置・姿勢
をシールドジャッキに内臓した距離計測センサにより測
定する場合を説明した。しかし、本発明の距離計測セン
サは、この方式にとどまるものではない。例えば、シー
ルドジャッキとは別に距離計測シリンダを設けることも
可能であるし、更に高速測距を行うには光学方式などの
非接触型距離センサをシールド機に付設することがより
好ましい。

【００６８】前記した第ｎ番目のシールドリングの設置
されるべき面（或は既設のセグメント）の位置・姿勢計
測演算結果を基にして、組立セグメントが最終的に位置
決めされるのであろう目標位置を予測演算し、その目標
位置を与えるようにしてコレクタ位置・姿勢を演算す
る。これが、手順１５２である。この時、図８に示した
組立セグメント４２及び既設セグメント４１ａ〜４１ｃ
上のスリット光像Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′がテレ
ビカメラ４５ａ〜４５ｃのカメラ視野に入り、且つ組立
セグメント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃが重複
接触しないようにしてエレクタ目標位置・姿勢が設計さ
れなければならない。

【００６９】次に、手順１５３のアクチュエータ指令値
演算で先に求めた粗位置から旋回モータ１６を含む各ア
クチュエータの指令値を演算し、手順１５４のアクチュ
エータ制御で、サーボ制御装置５３へ指令値を出力し、
サーボ制御装置５３がアクチュエータを制御しおえるの
を待つ。これで、粗位置決め制御が終了する。

【００７０】次に、位置決めの第２段階である組立セグ
メントの微位置決め制御２００について説明する。その
詳細な手順を、図１１に示した。手順２０１の微位置決
め用偏差検出演算では、以下のようにして行う。

【００７１】先に説明した粗位置決め制御において、組
立セグメント４２は図９に示す位置に粗位置決めされた
とする。この状態で抽出された前記３箇所のスリット光
像Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′の画像座標系（ｘｖ、
ｙｖ）上での端点座標ａ（ａｘ、ａｙ）、ａ′（ａ
ｘ′、ａｙ′）、ｂ（ｂｘ、ｂｙ）、ｂ′（ｂｘ′、ｂ
ｙ′）、ｃ（ｃｘ、ｃｙ）、ｃ′（ｃｘ′、ｃｙ′）を
用いて、手順２０１の微位置決め用偏差検出演算を行
う。手順２０１では、これらの端点座標値から組立・既
設セグメント間の段差Δｚａ、Δｚｂ、Δｚｃとの隙間
Δｘａ、Δｘｂ、Δｘｃが次式より算出される。

【数９】 ここで、ｋｘ、ｋｙ、ｋｚは画像データをｍｍ単位の数
値に変換するための係数である。

【００７２】これらの段差・隙間を基にして組立セグメ
ント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃとの位置・姿
勢偏差量を演算する。偏差量演算の簡単な例を次式に示
す。

【数１０】 ここで、ｅｄｘ、ｅｄｙ、ｅｄｚはそれぞれ図１３に示
すｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の位置偏差を、ｅ
δ_x、ｅδ_y、ｅδ_z、はそれぞれｘ軸回り、ｙ軸回り、
ｚ軸回りの姿勢偏差を表す。又、Ｌｘａ、Ｌｘｃ、Ｌｙ
ａ、Ｌｙｂは、図１２に示すように、組立セグメント４
２の把持中心○から組立セグメント上のスリット光像
Ａ、Ｂ、Ｃの各端点ａ、ｂ、ｃまでのｘ軸方向及びｙ軸
方向の距離を表している。

【００７３】次に、手順２０２に移る。先ず、補正量を
算出する。前記した偏差量から位置・姿勢の補正量ｄ
ｘ、ｄｙ、ｄｚ、δ_x、δ_y、δ_zが次式により求められ
る。

【数１１】 これら補正量は、別途それぞれの補正量に対して定めら
れたしきい値と比較される。対応する各しきい値をｋ１
〜ｋ６とすれば

【数１２】 が全て満足された時、「Ｙ」に移り制御は終了する。し
かし、（数１２）の式がひとつでも満足されていなけれ
ば「Ｎ」に移り、手順２０３〜手順２０５を実行する。

【００７４】手順２０３のエレクタ目標位置・姿勢演算
で、粗位置決め後の組立セグメントの位置・姿勢に先に
求めた補正量を加算し、既設セグメントとの位置・姿勢
偏差をなくするためのエレクタ目標位置・姿勢を求め
る。エレクタ目標位置・姿勢とは、エレクタ本体のセグ
メント把持部３４の目標位置・姿勢を意味し、把持中の
組立セグメントの目標位置・姿勢と同じである。粗位置
決め後の組立セグメントの位置・姿勢を ｘ軸方向の位置；Ｐ１１ ｙ軸方向の位置；Ｐ１２ ｚ軸方向の位置；Ｐ１３ ｘ軸回りの姿勢；Ｐ１４ ｙ軸回りの姿勢；Ｐ１５ ｚ軸回りの姿勢；Ｐ１６ エレクタ目標位置・姿勢を ｘ軸方向の位置；Ｐ２１＝Ｐ１１＋ｄｘ ｙ軸方向の位置；Ｐ２２＝Ｐ１２＋ｄｙ ｚ軸方向の位置；Ｐ２３＝Ｐ１３＋ｄｚ ｘ軸回りの姿勢；Ｐ２４＝Ｐ１４＋δ_x ｙ軸回りの姿勢；Ｐ２５＝Ｐ１５＋δ_y ｚ軸回りの姿勢；Ｐ２６＝Ｐ１６＋δ_z として、この演算を行えばよい。

【００７５】次に、手順２０４へ進む。手順２０４のア
クチュエータ指令値演算では、手順２０３で求めたエレ
クタ目標位置・姿勢からアクチュエータ指令値を演算
し、手順２０５のアクチュエータ制御で、サーボ制御装
置５３へ指令値を出力し、サーボ制御装置５３がアクチ
ュエータを制御し終えるのをのを待つ。再び手順２０１
へ戻り手順２０２で「Ｙ」となれば、これで、微位置決
め制御が終了し、組立セグメントは組立位置に最終的に
位置決めされる。

【００７６】尚、微位置決めは、前記実施例以外のもの
であってもよく、また、粗位置決めが最終的な微位置決
めの例もありうる。

【００７７】

【発明の効果】以上実施例を用いて説明したように、本
発明によれば、シールド機本体がトンネル掘進中に意図
的または非意図的に進路変更を生じても、直近の既設シ
ールドリングに対する相対的な姿勢偏差をシールド機付
設の測距センサで検出し、測距誤差を補正した上で粗位
置補正することによって、第２段階の微位置決め時用い
られる光切断法の投光器及びテレビカメラ視野から偏差
検出用光像が逸脱することなく、粗位置決めに続いて自
動的に微位置決めを行うことができる。この結果、トン
ネル掘進工事の迅速化、省力化、低コスト化に資するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】シールド掘進機の構成を示す一部切断斜視図で
ある。

【図３】シールド掘進機内に設置されたエレクタの構造
を示す一部切断正面図である。

【図４】図３のIII-III断面図である。

【図５】図３のIV-IV断面図である。

【図６】図３のV-V断面図である。

【図７】把持部の断面詳細図である。

【図８】光切断法でセグメント位置決めに用いられる投
光器、テレビカメラと組立・既設セグメントの位置関係
及びシステム構成の一例を示す図である。

【図９】粗位置決めした状態での組立・既設セグメント
と光切断法によるスリット光像の位置関係及びカメラ画
像を示す図である。

【図１０】実施例における組立セグメントの位置決めの
第１段階である粗位置決め制御の手順を示す図である。

【図１１】実施例における組立セグメントの位置決めの
第２段階である微位置決め制御の手順を示す図である。

【図１２】実施例における測距センサの取付位置誤差最
確値ｃ_nを示す正弦波曲線である。

【図１３】図１１における微位置決め用偏差検出演算を
説明するための図である。

【図１４】本発明の距離計測センサの設置例を示す図で
ある。

【符号の説明】

８、９ 既設シールドリング １１ シールド（機）本体 １２ エレクタ本体 １３ エレクタリング １６ 旋回モータ ２１ 吊りビーム ２２ 押付けジャッキ ２５ 横スライドジャッキ ２８ 前後スライドジャッキ ２９ 球面フレーム ３１、３２、３３ 姿勢制御ジャッキ ３４ セグメント把持部 ４１、４１ａ、４１ｂ （直近既設リング９の）既設セ
グメント ４１ｃ 現組立リングの既設セグメント ４２ 現組立リングの組立セグメント ４４ａ、４４ｂ、４４ｃ 投光器 ４５ａ、４５ｂ、４５ｃ テレビカメラ ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ テレビカメラの視野 ４７ａ、４７ｂ、４７ｃ テレビ画像 Ａ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′、Ｃ−Ｃ′ スリット光像 １００ シールドジャッキ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 尚和 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 平４−353197（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−199599（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−2498（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 11/40

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機にトンネル軸方向に向け
   て付設した３ヶ以上の距離計測センサと、この距離計測
   センサの取付け固有誤差量を格納する手段と、上記距離
   計測センサで計測した、最新既設シールドリング端面と
   シールド掘進機の前記距離計測センサの付設面との相対
   距離を取込む手段と、この取込んだ相対距離を前記取付
   け固有誤差量で校正する手段と、この校正した相対距離
   からセンサ付設面の最新既知シールドリング端面に対す
   る相対姿勢を求め、この校正した相対距離及び相対姿勢
   を次に組立てるべきセグメント用の設計データに加えて
   目標位置を決定する手段と、この目標位置になるように
   前記次に組立てるべきセグメントの位置・姿勢の制御を
   行う制御手段と、より成るセグメント自動組立装置。
2. 【請求項２】 シールド掘進機にトンネル軸方向に向け
   て付設した３ヶ以上の距離計測センサと、この距離計測
   センサの取付け固有誤差量を格納する手段と、上記距離
   計測センサで計測した、最新既設シールドリング端面と
   シールド掘進機の前記距離計測センサの付設面との相対
   距離を取込む手段と、この取込んだ相対距離を前記取付
   け固有誤差量で校正する手段と、この校正した相対距離
   からセンサ付設面の最新既知シールドリング端面に対す
   る相対姿勢を求め、この校正した相対距離及び相対姿勢
   を次に組立てるべきセグメント用の設計データに加えて
   目標粗位置を決定する手段と、この目標粗位置になるよ
   うに前記次に組立てるべきセグメントの位置・姿勢の制
   御を行う制御手段と、この目標粗位置への位置決め終了
   後に前記次に組立てるべきセグメントの目標微位置を決
   定し、この微位置になるように前記次に組立てるべきセ
   グメントの位置・姿勢の制御を行う制御手段と、より成
   るセグメント自動組立装置。
3. 【請求項３】 前記距離計測センサの取付け固有誤差量
   とは、各センサの各々で最初の既設シールドリング端面
   と上記シールド掘進機の前記センサ付設面との距離ｄ_n
   （ここに、ｎは前記センサ番号）を計測し、この計測値
   の各々を用いて前記最初の既設シールドリング端面と前
   記センサ付設面の非平行状態から生ずる前記計測値のセ
   ンサ付設角度に対する正弦波曲線の定数最適値を決定
   し、この正弦波曲線から前記センサの各付設角度におけ
   る最適距離を演算して、当該最適演算値ｄ_n′（ａｃ）
   とｄ_nとの差を補正量として求め、当該補正量を前記各
   距離計測センサの取付け個有誤差量として付与すること
   とした請求項１又は２のセグメント自動組立装置。
4. 【請求項４】 シールド掘進機にトンネル軸方向に向け
   て付設した３ヶ以上の距離計測センサの各々で最初の既
   設シールドリング端面と上記シールド掘進機の前記セン
   サ付設面との距離ｄ_n（ここに、ｎは前記センサ番号）
   を計測する第１の工程と、この計測値の各々を用いて最
   小自乗法により前記最初の既設シールドリング端面と前
   記センサ付設面の非平行状態から生ずる前記計測値のセ
   ンサ付設角度に対する正弦波曲線の定数最適値を決定す
   る第２の工程と、この正弦波曲線から前記センサの各付
   設角度における最適距離を演算して、当該最適演算値ｄ
   _n′（ａｃ）とｄ_nとの差を補正量として求める第３の工
   程と、当該補正量を前記各距離計測センサの取付け個有
   誤差量Ｃ_nとして記憶する第４の工程とから成る予備段
   階と、第ｉ番目（ｉ≧２）シールドリング組立時前記第
   １の工程を行って求めたｄ_nに前記個有誤差量Ｃ_nを加算
   したｄ_n′（＝ｄ_n＋Ｃ_n）を用いて前記第２の工程を行
   い、得られた最適演算値ｄ_n′（ａｃ）を使って前記シ
   ールド掘進機と第（ｉ−１）番目の既設シールドリング
   端面との相対距離及び相対姿勢を演算し、これを設計デ
   ータから求めた粗位置に加算して新たな粗位置を決める
   手法を採用した粗位置決め制御段階と、このようにして
   粗位置決めされた組立セグメントと第（ｉ−１）番目の
   既設シールドリングの既設セグメントとの境界部の少な
   くとも２ヶ所及び前記組立セグメントと第ｉ番目のシー
   ルドリングの既設セグメントとの境界部の少なくとも１
   ヶ所に、エレクタ上設置投光器からスリット光を照射
   し、得られた各スリット光像を前記エレクタ上設置テレ
   ビカメラにより撮像して得られる画像データから前記境
   界部の段差・隙間を検出し、その段差・隙間情報を基に
   して前記組立セグメントと前記既設セグメントとの位置
   ・姿勢偏差を求め、その偏差を補正することによって前
   記組立セグメントを組立位置に微位置決めする手法を採
   用した微位置決め制御段階から成り、前記粗位置決め制
   御段階と前記微位置決め制御段階を繰り返すことにより
   トンネル掘進によるシールドリングの組立てを行うこと
   を特徴とするシールドリング用セグメントの自動組立方
   法。