JP3240221B2 - 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、トンネル覆工用リング
を自動組立てするセグメントの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、昨今シー
ルド工法が用いられている。シールド工事においては、
円筒状シールド機に内接して組立てられたトンネル覆工
用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）を伸ばして圧触させ、その
反作用として地山に推力をかけながらシールド先端部で
回転掘進を行う。一定距離掘進後シールド機附属のエレ
クタ（セグメント組立機）で位置決めを行いつつトンネ
ル覆工用リングのセグメントをボルト締結によって組立
てていき、次段の覆工用リングを完成させる。

【０００３】この過程で重要なのが、覆工用リングを構
成する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ズレを正確に補正しながら
行わなければ、シールドと覆工用リングに隙間を生じた
り、予定の掘進方向からのずれを生ずる原因となる。

【０００４】一般に、セグメントの固定に、ボルトーナ
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
ントの最終組立て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。

【０００５】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・姿勢に対応する。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の各軸回りの回転軸（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。

【０００６】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。

【０００７】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９を用
いて、これを簡単に説明する。

【０００８】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。

【０００９】既設セグメント４１ａ、４１ｂは、現在組
立中のリングから直近のトンネル覆工用既設リング９に
おけるセグメントであり、４１ｃは現在組立中の覆工用
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４２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。

【００１０】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はテレビカメラの
視野、４７ａ、４７ｂ、４７ｃはテレビ画像を示す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、トンネル覆工用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、シールド本体の掘進工事
中の回転が考慮されていなかった。即ち、トンネル掘進
は泥水や泥土中で行われることがあり、この時摩擦係数
が低下するので円筒状シールド本体が切刃の反力を受け
てトンネル軸のまわりに回転する場合がある。回転量
は、トンネル内周に換算して数１０ｍｍに達することも
ある。従って、予め定めたトンネル軸に沿って掘進が進
んでいる場合であっても、シールド本体からそのトンネ
ル軸に対して回転することになる。勿論、トンネル軸が
予め定めた軸に沿わずに変更することもあり、こうした
場合にも、この変更後のトンネル軸に対してシールド本
体が回転することになる。エレクタは、シールド本体に
固定されているので、シールド本体が回転するとエレク
タ姿勢も変化し、このために既設セグメントに対するエ
レクタ姿勢が相対的に変化する。

【００１２】この結果、直近のトンネル覆工用既設リン
グ組立て時に測定したデータを基にして演算された組立
セグメントの目標位置・姿勢が変化し、粗位置決めされ
た個所が設計位置・姿勢からずれる。微位置決めの際、
上記光切断法で用いられる投光器及びテレビカメラは、
エレクタに固定されているので、粗位置決めされた個所
がトンネル内周に換算して数１０ｍｍも設計値からずれ
ると、視野からはずれるため上記した既設セグメントと
組立セグメントのスリット光像が得られず、微位置決め
できないという問題点があった。

【００１３】本発明の目的は、トンネル掘進中にシール
ド本体がトンネル軸のまわりに回転しても粗位置決めを
所定の位置・姿勢の範囲内で行うことができ、引続き光
切断法を用いて組立セグメントの微位置決めを自動的に
行うことができ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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】シールド掘進機に設置し
たローリング計と、シールド掘進機内に設置されたエレ
クタにより組立セグメントを所定の組立位置決め近傍に
粗位置決めする手段と、粗位置決め終了後に、既設セグ
メントと組立セグメントとの間の段差・隙間を検出する
検出手段と、その段差・隙間情報に基づいて前記組立セ
グメントと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段と、より成ると共に、前
記粗位置決めの手段は、ローリング計から前記所定の組
立位置近傍における前記エレクタの地軸に対するローリ
ング角度を取込む手段と、該測定角度から直近のトンネ
ル覆工用既設リング組立て時測定された地軸に対するロ
ーリング角度を減じて得た角度を、前記エレクタの旋回
量の設計値に加算して演算値を得る手段と、この演算値
を基にして前記組立セグメントを粗位置決めする手段
と、を備えることとしたセグメント自動組立装置を提供
する。

【００１５】本発明では、シールド掘進機内に設置され
たエレクタにより組立セグメントを所定の組立位置近傍
に粗位置決めし、その後既設セグメントと組立セグメン
トのの間の段差・隙間を検出し、その段差・隙間情報に
基づいて前記組立セグメントと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セグメン
トの組立て位置決め方法において、前記シールド掘進機
に予め設置されたローリング計を用いて前記所定の組立
位置近傍における前記エレクタの地軸に対するローリン
グ角度を測定し、該測定角度から直近のトンネル覆工用
既設リング組立て時測定された地軸に対するローリング
角度を減じて得た角度を、前記エレクタの旋回量の設計
値に加算して得た演算値を基にして前記組立セグメント
を粗位置決めするセグメント自動組立方法を提供する。

【００１６】

【作用】本発明によれば、シールド掘進機に取付けたロ
ーリング計を利用して、ローリング角度を検出し、この
ローリング角度で次の粗位置を補正する。これによっ
て、シールド掘進機の回転に対する粗位置の決定を、精
度よく行うことができ、更に次段階での微位置決めを円
滑に行うことができる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明の原理を説明するための図で
ある。シールド機にローリング計Ｒを設置しておき、ト
ンネル掘進を行いながら円筒状シールド本体に内接する
第ｎ番目のトンネル覆工用セグメントリングを組みあげ
る。ここで各リングは、複数のセグメント（又はブロッ
クとも呼ばれる）を連結して構成されている。この時、
ローリング計Ｒで測定したシールド機の地軸に対するロ
ーリング角度ｒｏｌｌ（ｎ）を、エレクタの位置・姿勢
を示す関数Ｆに組み込む。ここで、Ｆ＝Ｆ［ｘ、ｙ、
ｚ、θ、δ_x（ｎ）、δ_z（ｎ）、δ_y（ｎ）、ｒｏｌｌ
（ｎ）］である。エレクタはシールド本体に固定されて
いるので、旋回角度はシールド本体と同じになる。

【００１８】更にトンネル掘進が続き、第（ｎ＋１）番
目のトンネル覆工用リング組立時のシールド機が、図１
に示した位置にきた時再びローリング計Ｒで地軸に対す
るローリング角度ｒｏｌｌ（ｎ＋１）を測定する。シー
ルド本体は、地山の圧力を受けて掘進中に非意図的な回
転をするが、一旦組立てられたｎ番目の覆工用リングは
その組立完了時の位置・姿勢を保つ。

【００１９】従って、第（ｎ＋１）番目の覆工用リング
組立位置においては、直近のトンネル覆工用既設リン
グ、即ち第ｎ番目のトンネル覆工用リングの位置・姿勢
を新たな原点座標として、この位置・姿勢からの非意図
的なずれ、即ち［ｒｏｌｌ（ｎ＋１）−ｒｏｌｌ
（ｎ）］成分を第（ｎ＋１）番目の覆工用リングの組立
セグメント目標座標の旋回角度θに加算してやれば、ト
ンネル掘進中に生ずる非意図的なシールド本体（エレク
タ）の回転による影響を実質的に打ち消すことができ
る。

【００２０】以下、本発明を実施例に基づいて、より詳
しく述べる。図２〜図７で示すように、セグメント自動
組立てに用いられるエレクタ本体１２は、円筒状をした
シールド本体１１の後部に設置される。シールド本体１
１の内周部には、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円周端
面を押し付け、その反力を利用してシールド本体１１を
地山に圧触させながら掘進するために用いられる。更に
シールド本体１１内にローリング計Ｒを設置してある。

【００２１】なお、組立セグメント４２の粗位置決め時
にはシールドジャッキが邪魔になるので、当該個所のシ
ールドジャッキを１００ｂの如く縮めて空間を確保する
のである（図４参照）。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１
６、押付機構である吊りビーム２１と押付ジャッキ２
２、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。

【００２２】エレクタリング１３は、シールド本体１１
の内周数個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。

【００２３】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。

【００２４】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上に支持された
以下の各部も同方向に移動する。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】図８はセグメント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
位置決めの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４４ａ、４４ｂ、４４ｃとテレビカメラ４
５ａ、４５ｂ、４５ｃ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〜４５
ｃによりそれぞれ撮像される。図９は、光切断法で用い
られる要素を、より詳しく示している。図９において、
４６ａ〜４６ｃはテレビカメラ４５ａ〜４５ｃのカメラ
視野を、４７ａ〜４７ｃはテレビカメラ４５ａ〜４５ｃ
に映ったカメラ画像を示すものであり、このことは従来
例としての光切断法の説明中で述べた通りである。

【００３１】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。

【００３２】次に制御方法について図１０を用いて説明
する。位置決め制御は粗位置決め制御１５０と微位置決
め制御２００によって構成される。

【００３３】粗位置決め制御について図１及び図１１を
用いて説明する。粗位置決め制御１５０は手順１５１か
ら１５４で構成される。手順１５１について説明する。
セグメントの組立てで重要なのは、既設セグメントに対
してどのようにエレクタを位置決め制御するかである。
既設セグメントは動かないが、エレクタ１２はシールド
本体１１に固定されているために、シールド本体１１が
掘進により前進し、地山の圧力を受けて回転するとエレ
クタと既設セグメントの相対関係がずれる。

【００３４】そこでシールド本体１１に設置されたロー
リング計Ｒでシールド本体１１の地軸に対するローリン
グ角度を計測できるようにする。そして第ｎ番目のセグ
メントリングを組立てた時のローリング角度ｒｏｌｌ
［ｎ］を計測する。そしてシールドジャッキ１００を使
ってシールド本体１１を所定量だけ掘進させる。掘進後
第（ｎ＋１）番目のセグメントリングを組立てられるよ
うになったらローリング計Ｒによってｒｏｌｌ［ｎ＋
１］を計測する。そして設計データから求めた粗位置ｘ
［ｎ＋１］、ｙ［ｎ＋１］、ｚ［ｎ＋１］、δ_z［ｎ＋
１］、δ_x［ｎ＋１］、δ_y［ｎ＋１］、θ［ｎ＋１］を
以下のように補正して新たな粗位置ｘ′［ｎ＋１］〜
θ′［ｎ＋１］を求める。ここで粗位置とは、エレクタ
位置・姿勢のことであり、把持中の位置・姿勢と同じで
ある。粗位置の座標系は図３に示すｘｙｚ座標系であ
る。 ｘ′［ｎ＋１］ ＝ｘ［ｎ＋１］ ｙ′［ｎ＋１］ ＝ｙ［ｎ＋１］ ｚ′［ｎ＋１］ ＝ｚ［ｎ＋１］ δ_z′［ｎ＋１ ＝δ_z［ｎ＋１］ δ_x′［ｎ＋１］ ＝δ_x［ｎ＋１］ δ_y′［ｎ＋１］ ＝δ_y［ｎ＋１］ θ′［ｎ＋１］ ＝θ［ｎ＋１］＋（ｒｏｌｌ［ｎ＋
１］−ｒｏｌｌ［ｎ］） 以上、ローリング計Ｒでローリング角度を計測すること
によって、シールド本体１１が泥土もしくは泥水でどれ
だけローリングしたかを計測し、補正することができ
る。

【００３５】次に、組立セグメントとトンネル円周方向
で隣接する第（ｎ）番目のトンネル覆工用リングの設計
位置・姿勢もしくは組立セグメントと円周方向で隣接す
る既設セグメントの位置・姿勢計測結果を基にして（ｎ
＋１）番目の組立セグメントが最終的に位置決めされる
であろう目標位置を予測演算し、その目標位置を与える
ようにてエレクタ位置・姿勢を演算する。これが手順１
５２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、かつ組立セグメント４２と
既設セグメント４１ａ〜４１ｃが重複接触しないような
エレクタ目標位置・姿勢が与えらなければならない。

【００３６】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終えるの
を待つ。これで、粗位置決め制御が終了する。

【００３７】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１２に示した。手順２０１の微位置決
め用偏差検出演算は、以下のようにして行う。

【００３８】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ヶ所のスリット光
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′（ａｘ、
ａｙ）、ｂ（ｂｘ、ｂｙ）、ｂ′（ｂｘ′、ｂｙ′）、
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２
０１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、Δ
ｘｂ、Δｘｃが次式により算出される。

【数１】 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。

【００３９】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２】 ここで、ｅｄｘ、ｅｄｙ、ｅｄｚは（数１）の各段差
量、隙間量から算出したそれぞれ図１３の座標系でのｘ
軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の位置偏差を示す。又、Ｌ
ｘａ、Ｌｘｃ、Ｌｙａ、Ｌｙｂは、図１３に示すよう
に、組立セグメント４２の把持中心０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。ｅδ_x、
ｅδ_y、ｅδ_z、は（数１）の各段差量、隙間量及び各距
離から算出したそれぞれｘ軸回り、ｙ軸回り、ｚ軸回り
の姿勢偏差を表す。

【００４０】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３】

【００４１】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４】 が全て満足された時、「Ｙ」に移り制御は終了する。し
かし、数１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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】尚、微位置決めは光切断法以外の例もあ
り、粗位置決めのための本実施例を微位置決めにも利用
可能である。更に直接的にローリング角を求めるローリ
ング計の代わりに間接的にローリング角を求めて演算に
よってローリング角を求める如き他の手段でローリング
角度の検出をはかってもよい。

【００４５】

【発明の効果】以上の実施例を用いて説明したように、
本発明によれば、トンネル掘進用のシールド本体が掘進
過程で地山の圧力を受けて旋回しても、地軸に対するロ
ーリング量を計測して粗位置決め目標値を補正すること
により、投光器及びテレビカメラの視野を逸脱すること
なく粗位置決めを行うことができる。この結果、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まで、
全て自動化することが可能となり、シールド掘進工事の
迅速化、省力化、低コスト化に資することができると考
えられる。

【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】図３のセグメント把持部の詳細説明図である。

【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制
御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１段階である粗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１３】図１２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。

【符号の説明】

Ｒ ローリング計 ８、９ トンネル覆工用既設リング 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 筒井 真作 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 (72)発明者 田中 康雄 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 (72)発明者 森 泰雄 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 (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) (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】 シールド掘進機に設置したローリング計
   と、シールド掘進機内に設置されたエレクタにより組立
   セグメントを所定の組立位置決め近傍に粗位置決めする
   手段と、粗位置決め終了後に、既設セグメントと組立セ
   グメントとの間の段差・隙間を検出する検出手段と、そ
   の段差・隙間情報に基づいて前記組立セグメントと既設
   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
   置決めする手段と、より成ると共に、前記粗位置決めの
   手段は、ローリング計から前記所定の組立位置近傍にお
   ける前記エレクタの地軸に対するローリング角度を取込
   む手段と、該測定角度から直近のトンネル覆工用既設リ
   ング組立て時測定された地軸に対するローリング角度を
   減じて得た角度を、前記エレクタの旋回量の設計値に加
   算して演算値を得る手段と、この演算値を基にして前記
   組立セグメントを粗位置決めする手段と、を備えること
   としたセグメント自動組立装置。
2. 【請求項２】 請求項１のセグメント自動組立装置にお
   いて、上記検出手段は、エレクタ上に設置した投光器
   と、この投光器から前記組立セグメントと既設セグメン
   トのトンネル周方向に沿った境界部の少なくとも２ヶ所
   及び前記組立セグメントと既設セグメントのトンネル軸
   方向に沿った境界部の少なくとも１ヶ所にスリット光を
   照射させる投光器制御手段と、各々のスリット光像を撮
   像するエレクタ上に設置したテレビカメラと、この画像
   データから前記少なくとも３ヶ所の段差・隙間を検出す
   る手段と、から成るセグメント自動組立装置。
3. 【請求項３】 シールド掘進機内に設置されたエレクタ
   により組立セグメントを所定の組立位置決め近傍に粗位
   置決めし、既設セグメントと組立セグメントとの間の段
   差・隙間を検出し、その段差・隙間情報に基づいて前記
   組立セグメントと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セグメントの組立て位
   置決め方法において、前記シールド掘進機に予め設置さ
   れたローリング計を用いて前記所定の組立位置近傍にお
   ける前記エレクタの地軸に対するローリング角度を測定
   し、該測定角度から直近のトンネル覆工用既設リング組
   立て時測定された地軸に対するローリング角度を減じて
   得た角度を、前記エレクタの旋回量の設計値に加算して
   得た演算値を基にして前記組立セグメントを粗位置決め
   することを特徴とするセグメント自動組立方法。
4. 【請求項４】 請求項３のセグメント自動組立方法にお
   いて、上記段差・隙間の検出とは、エレクタ上に設置し
   た投光器と、この投光器から前記組立セグメントと既設
   セグメントのトンネル周方向に沿った境界部の少なくと
   も２ヶ所及び前記組立セグメントと既設セグメントのト
   ンネル軸方向に沿った境界部の少なくとも１ヶ所にスリ
   ット光を照射し、各々のスリット光像をエレクタ上に設
   置したテレビカメラにより撮像して得られる画像データ
   から前記少なくとも３ヶ所の段差・隙間を検出するもの
   としたセグメント自動組立方法。