JP3240227B2 - トンネル覆工用リングのセグメント組立位置決め方法及び装置 - 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
のセグメント組立を自動化するための位置決め方法及び
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工事でセグメントの自動組立を
行う場合、組立セグメントを既設セグメントに倣って位
置決めする先行技術の一つとして、特開平４−２１３６
９９に開示されたものがある。この先行技術は、エレク
タ上に設置された３組の投光器とテレビカメラからなる
視覚センサを用い、図８に示すように、投光器からの３
本のスリット光を所定の組立位置近傍に粗位置決めされ
た組立セグメント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃ
のトンネル周方向に沿った境界部の２箇所とトンネル軸
方向に沿った境界部の１箇所に照射することによって生
じたスリット光像Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′をそれ
ぞれテレビカメラで撮影し、これらテレビカメラからの
画像データを処理して得られた各スリット光像の端点
ａ、ａ′、ｂ、ｂ′、ｃ、ｃ′の座標値から前記の３箇
所の段差・隙間を検出し、その段差・隙間をなくするよ
うにエレクタを位置決め制御することにより、組立セグ
メント４２を所定の組立位置に微位置決めしようとする
ものである。

【０００３】上記先行技術において、組立セグメントの
粗位置決めは、組立セグメントの設計位置・姿勢もしく
は既設覆工用リングの位置・姿勢計測結果から組立セグ
メントが最終的に位置決めされるであろう目標位置・姿
勢を予測演算し、この目標位置・姿勢を基にして図８に
示す組立セグメント４２及び既設セグメント４１ａ〜４
１ｃ上のスリット光像Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′が
視覚センサのカメラ視野４６ａ〜４６ｃに入り、かつ組
立セグメント４２と既設セグメント４１ａ〜４１ｃが接
触することのない組立セグメントの位置・姿勢（以下、
粗位置という）を求め、この粗位置に組立セグメント４
２を移動させるようにエレクタを位置決め制御すること
によって行われる。

【０００４】しかしながら、シールド掘進機と既設覆工
用リングとはシールドジャッキを介して相互に押し合っ
ているだけで固定されていない。このため、１リング分
の掘進を終えて次のリングマのセグメント組立を行うま
での間にシールド掘進機と既設覆工用リングの相対位置
・姿勢が変化する。セグメント組立用のエレクタはシー
ルド掘進機内のある固定点を基準にして並進・回転動作
をするので、シールド掘進機と既設覆工用リングの相対
位置・姿勢が変化すると、エレクタと既設覆工用リング
の相対位置・姿勢も変化してしまう。従って、仮に組立
セグメントを設計位置・姿勢に移動させるようにエレク
タに指令しても、組立セグメント４２を既設セグメント
４１ａ〜４１ｃに正確に倣わせることはできず、組立・
既設セグメント間の段差・隙間は経験的に最大６０ｍｍ
にもなる。

【０００５】セグメント同士の結合はボルト・ナット締
結によるのが一般的であるが、ボルトとボルト穴との隙
間は最大３ｍｍ程度なので、組立・既設セグメント間の
段差・隙間が最終的に±１ｍｍ以内になるようにエレク
タを位置決め制御しないと、ボルト・ナット締結ができ
ない。ここで、一般的に位置決め制御をするためには、
最終目標とする位置決め誤差の１／１０の分解能を持つ
動作機構部と同じ分解能を持つ検出部とが必要とされ
る。従って、この場合、段差・隙間の検出に使用する視
覚センサには０．１ｍｍの分解能が必要である。視覚セ
ンサ０．１ｍｍの分解能を持たせるために、視覚センサ
に使用するテレビカメラ（ＣＣＤカメラ）の１画素が
０．１ｍｍに対応するように光学系を設計すると、テレ
ビカメラの画素数は縦・横各々４００〜５００であるか
ら、カメラ視野は最小４０ｍｍ角となる。このため、最
悪の場合、図１３に示すように、組立セグメント４２を
粗位置決めした時の組立・既設セグメント間（図１３で
は組立セグメント４２と既設セグメント４１ｃの間）の
隙間が視野を上回ることがあり、この場合には隙間の検
出ができないので、組立セグメントの微位置決めが自動
ではできなくなる。段差についても同様で、この場合、
視覚センサに使用するテレビカメラの被写界深度は１０
０ｍｍ±３０ｍｍ程度に設計されており、これ以上の被
写界深度を持たせると、１００ｍｍ前後での精度が著し
く悪くなる。従って、段差が±３０ｍｍを超えると検出
不能となり、組立セグメントの微位置決めが自動ではで
きなくなる。

【０００６】以上は段差・隙間の検出に視覚センサを用
いた場合であるが、視覚センサ以外の距離センサを用い
て段差・隙間を検出する場合でも、距離センサの計測可
能範囲には限界があるので、上記と同様の問題が生じ
る。

【０００７】また、シールド機内複数箇所に設置された
シールドジャッキのストロークやテールクリアランスの
計測値などからシールド掘進機と既設覆工用リングの相
対位置・姿勢を求め、これを基にして組立セグメントの
粗位置決めすべき位置・姿勢を演算する方法もあるが、
この方法ではエレクタから見た既設覆工用リング周方向
の姿勢偏差を計測できないため、粗位置決めされた組立
セグメントと既設セグメントとの段差・隙間が検出可能
な範囲を越えることがあり、この場合には組立セグメン
トを自動では微位置決めできない。

【０００８】以上のような従来技術の問題点を克服する
ために、本発明者らは掘進に伴ってエレクタ／既設覆工
用リングの相対位置・姿勢が設計位置・姿勢に対して変
化しても、エレクタが有する位置決め誤差の範囲内で組
立セグメントを直近の既設セグメントにより近づけて粗
位置決め出来る技術を、別途出願で開示した（特願平５
−８６００３号）。

【０００９】この技術は、まず直近既設セグメントの微
位置決め後の位置・姿勢と、このセグメントの設計位置
・姿勢との偏差を求める。次に、このセグメントとトン
ネル周方向で隣接する新規組立セグメントの設計位置・
姿勢に前記偏差と既設・組立セグメント間の衝突を避け
るための裕度とを加算して、これを新規組立セグメント
の目標位置・姿勢とする。そして、この目標位置・姿勢
に対してエレクタを位置決め制御することにより、組立
セグメントを粗位置決めするものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らによる前記
別出願によれば、掘進作業による設計位置・姿勢の原点
からのズレを起因とした位置決めの問題点は克服され
る。前記別出願による新規組立セグメント、即ちこのセ
グメントを把持しているエレクタの粗位置決め時の目標
位置・姿勢は、数式で表すと以下のようになる。

【００１１】

【数１】 、ここにｄｘ２〜ｄｚ２はそれぞれ図２に示すエレクタ
座標系（エレクタ座標系とは、エレクタの回転に沿って
変化するｘｙｚ座標系のことである。例えば現在位置よ
り９０゜のエレクタの回転があれば、その９０゜回転し
た位置にｘｙｚ軸が形成される）のｘ〜ｚ軸方向のエレ
クタ目標位置、δｘ２〜δｚ２はそれぞれｘ〜ｚ軸回り
のエレクタ目標位置・姿勢である。即ちδｘ２は、ロー
リングの目標角度、δｙ２はヨーイングの目標角度、δ
ｚ２はピッチングの目標角度である。また、ｄｘｄ２〜
ｄｚｄ２はそれぞれｘ〜ｚ軸方向の組立セグメントの設
計位置、δｘｄ２〜δｚｄ２はそれぞれｘ〜ｚ軸回りの
組立セグメントの設計位置・姿勢である。更にｄｘｃ〜
δｚｃはそれぞれ直近既設セグメントの微位置決め後の
位置・姿勢とその設計位置・姿勢との偏差であり、ｄｘ
ｋ〜δｚｋはそれぞれセグメントどうしの衝突を避ける
ための各軸の余裕度を示す。そして、θ２は新規組立セ
グメントを粗位置決めする時のエレクタリングの目標旋
回角度、θ１は直近既設セグメント微位置決め後におけ
るエレクタリングの旋回角度、Δθはセグメント１ピー
ス分の弧長に相当する旋回角度である。

【００１２】ところで、エレクタのローリングは、後述
するように球面軸受（球面フレーム）に一端を取付けた
２本の平行な姿勢制御ジャッキを同時に伸展させたり縮
めたりすることによって、この球面軸受を傾斜させて行
われており、ジャッキストロークの関係で高々±３度の
範囲でしか回転させることができない。従って、上記
（数１）で示したようにエレクタのローリング目標角度
δｘ２設定時に直近既設セグメントの微位置決め後の角
度と設計値とのローリング角度偏差δｘｃの加算のため
にエレクタをローリングさせてしまうと、微位置決め時
のローリングの余裕度がなくなってしまうという問題点
がある。

【００１３】本発明の目的は、トンネル覆工用リングの
新規組立セグメントの微位置決め時に、エレクタのロー
リング可能角度を増すことができる組立セグメントの粗
位置決め方法及び装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明では、同一覆工用リングの直近既設セグメント
の微位置決め後の位置・姿勢（以下、最終位置・姿勢と
いう）を記憶する第一の工程と、記憶された最終位置・
姿勢と前記直近既設セグメントの設計位置・姿勢との差
を求めて記憶する第二の工程と、新規組立セグメントの
設計位置・姿勢に前記偏差及び前記直近既設セグメント
との衝突を回避するための余裕度を加算して該組立セグ
メントの粗位置決め目標位置・姿勢を定めると共に、ト
ンネル軸回りの回転角度は全てエレクタの旋回角度に加
算する第三の工程と、前記目標位置・姿勢を満足させる
ようにエレクタを位置決め制御して前記組立セグメント
の粗位置決めを行う第四の工程とから成る粗位置決め工
程を含むトンネル覆工用リングのセグメント組立位置決
め方法及びこれらを実現する装置を開示する。

【００１５】また、本発明では、前記第三の工程におい
てエレクタの旋回角度に加算するトンネル軸回りの回転
角度に、前記直近既設セグメントを最終位置・姿勢に制
御する際にエレクタを球面軸受（球面フレーム）まわり
にローリングさせた角度を更に加算し、前記球面軸受を
中立（ローリング角度ゼロ）の位置に戻す工程を付加し
たトンネル覆工用リングのセグメント組立位置決め方法
を開示する。

【００１６】

【作用】エレクタの姿勢制御のうちトンネル軸（ｘ軸）
まわりの回転制御には、エレクタリングの旋回角度制御
とエレクタ球面フレームのローリング角度制御の２種類
がある。

【００１７】このうち、エレクタの旋回は旋回モータを
駆動するため３６０度回転が可能であるが、旋回モータ
とエレクタ間のバックラッシュ（歯車間のかみ込みの遊
びによって発生する）のために微位置決めには用いるこ
とができない。一方、球面フレームを利用したローリン
グは機構的にバックラッシュを生じないため微位置決め
に適しているが大きな角度（±３度以上）の回転はでき
ない。

【００１８】従って、新規組立セグメントの粗位置決め
のための目標位置・姿勢を設定する際、ｘ軸回りの回転
角度が大きく且つ制御精度が比較的低くてすむという性
質を利用するものとし、そのために球面フレームによる
ローリング量をエレクタの旋回角度に上乗せし、これに
よって球面フレームによるローリングを使用せずエレク
タの旋回だけを使用してｘ軸回りの回転の粗位置決め制
御が可能になる。このことは、微位置決め時に球面フレ
ームによるローリング角度を球面フレームの許容する最
大の角度まで設定可能になることでもある。

【００１９】またこの際、更に直近既設セグメントの微
位置決め時に使用したローリング角度をエレクタの旋回
角度に上乗せして、球面フレームを中立の位置に戻して
やれば、新規組立セグメントの微位置決め時にローリン
グ角度を実質的に最大限利用することが可能になる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図２〜図６に示すように、セグメント自動組立に用
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。このエレクタ本体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、３
３及びセグメント把持部３４からなっている。

【００２１】エレクタリング１３は、シールド本体１１
の内周数箇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。

【００２２】エレクタリング１３の左右のアーム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。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。
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。

【００２３】前後スライドフレーム２７の球面フレーム
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１４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れた場合、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。

【００２４】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３０のピッチング制御に用いられる。

【００２５】セグメント把持部３４は、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４
２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。

【００２６】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。

【００２７】図７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
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直近既設
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４５ａ、４５
ｂ、４５ｃからなる視覚センサがエレクタ本体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。従って、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
の相対的な位置・姿勢はエレクタの動きにかかわらず把
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箇所に、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箇所にそれぞれスリット光を照射
し、各セグメント上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８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。

【００２８】これらテレビカメラ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。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、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。

【００２９】以下、組立セグメントを位置決めするため
の制御手順を図１及び図９〜１２を用いて説明する。図
９に示すように、本体制御装置５２で実行される位置決
め制御は、大きく分けて粗位置決め制御１００、微位置
決め制御２００及び微位置決め後の位置・姿勢データ記
憶３００の３段階からなっている。

【００３０】まず、粗位置決め制御１００について説明
する。図１に粗位置決め制御の詳細な手順を示す。図１
の手順１０１において、組立セグメント４２とトンネル
周方向に隣接する直近既設セグメント４１ｃの微位置決
め後の位置・姿勢データが本体制御装置５２に記憶され
ているか否かを判定する。この位置・姿勢データは、既
設セグメント４１ｃの微位置決め後の位置・姿勢と同セ
グメントの設計位置・姿勢との偏差を表し、これについ
ては図９の手順３００において詳しく説明する。

【００３１】１覆工リング中で最初に組み付けられるセ
グメントの粗位置決めに際しては、トンネル周方向に隣
接するセグメントがなく、従って直近既設セグメントの
微位置決め後の位置・姿勢データモータないので、この
場合は手順１０３で粗位置演算を行う。この粗位置演算
では、

【数２】 と演算する。ここで、ｄｘ２〜ｄｚ２はそれぞれ図２に
示すエレクタ座標系のｘ〜ｚ軸方向のエレクタ目標位
置、δｘ２〜δｚ２はそれぞれｘ〜ｚ軸回りのエレクタ
目標姿勢である。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。ｄｘｄ２〜ｄｚｄ２はそれぞれｘ〜ｚ軸方向の組
立セグメントの設計位置、δｘｄ２〜δｚｄ２はそれぞ
れｘ〜ｚ軸回りの組立セグメントの設計姿勢である。ｄ
ｘｋ〜ｄｚｋはそれぞれｘ〜ｚ軸方向の位置の裕度で、
例えばこれを２０ｍｍとすると、組立セグメント４２は
既設セグメント４１ａ〜４１ｃに対し各方向に２０ｍｍ
の余裕を見込んで粗位置決めされる。これにより、粗位
置決め時にセグメント同士の衝突が避けられる。δｘｋ
〜δｚｋはそれぞれｘ〜ｚ軸回りの姿勢の裕度で、通
常、これらには０を代入する。

【００３２】既設セグメント４１ｃの微位置決めの後の
位置・姿勢データがあれば、手順１０２で粗位置補正演
算を行う。この粗位置補正演算では、

【数３】 と演算する。ここで、ｄｘｃ〜δｚｃは直近既設セグメ
ント４１ｃの微位置決め後の位置・姿勢と同セグメント
の設計位置・姿勢との偏差で、既設セグメント４１ｃの
微位置決め後の位置・姿勢データとして本体制御装置５
２に記憶されていた数値を代入する。θ１は既設セグメ
ント４１ｃを微位置決めした時のエレクタリング１３の
目標旋回角度、θ２は組立セグメント４２を粗位置決め
する時のエレクタリング１３の旋回角度、Δθはセグメ
ント１ピースの孤長に相当する旋回角度である。（数
３）で旋回角度θ２の試算式中に姿勢偏差δｘｃを加え
た点が本実施例の特徴であり、先願たる特願平５−８６
００３号では、目標姿勢δｘ２の試算式中に姿勢偏差δ
ｘｃを加えた形式としている。

【００３３】このように、本実施例では、１リング内で
のセグメント組立更新に際しての設計値からのｘ軸回り
の回転誤差量、即ち、直近既設セグメントの微位置決め
後の角度と設計値とのローリング角度偏差δｘｃは、エ
レクタリングの目標旋回角度θ₂に加算した場合を示し
た。δｘｃをδｘ２ではなくθ２に加えることによっ
て、回転可能角度が±３度しかないローリング機構に負
担をかけずに、新規組立セグメント４２の粗位置決め目
標値の設定ができる。残されたローリング可能角度は、
粗位置決めに続く微位置決め時に有効に利用できる。

【００３４】手順１０４のアクチュエータ指令値演算で
は、（数２）または（数３）により求めたエレクタ目標
位置・姿勢から旋回モータ１６を含む各アクチュエータ
の指令値を演算し、手順１０５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。

【００３５】１覆工用リングにおいて、最初に組立られ
るセグメントについては、手順１０３の粗位置演算で同
一覆工用リングの直近既設セグメントの微位置決め後の
位置・姿勢データによる粗位置補正がなされていないた
め、粗位置決め後、既設セグメントとの段差・隙間が視
覚センサの視野を上回ることがある。この場合は、段差
・隙間が検出可能な位置まで手動操作によりエレクタを
駆動し、粗位置補正を行う。同一覆工用リング中の２番
目以降に組み付けられるセグメントについては、手順１
０２の粗位置補正演算で直近の既設セグメントの微位置
決め後の位置・姿勢データによる粗位置補正がなされる
ため、図８に示すように組立セグメント４２及び隣接す
る既設セグメント４１ａ〜４１ｃ上のスリット光像Ａ、
Ａ′、Ｂ、Ｂ′、Ｃ、Ｃ′がすべてカメラ視野４６ａ〜
４６ｃに入り、かつ組立セグメント４２と既設セグメン
ト４１ａ〜４１ｃが接触することのない位置・姿勢に自
動で粗位置決めできる。

【００３６】次に微位置決め制御２００について説明す
る。図１０に微位置決め制御の詳細な手順を示す。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８に示す位置に粗位置決め粗位置決めされているも
のとする。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′の端点座標ａ（ａ
ｘ、ａｙ）、ａ′（ａｘ′、ａｙ′）、ｂ（ｂｘ、ｂ
ｙ）、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と隙間Δｘａ、Δｘｂ、Δｙｃが次式に
より算出される。

【数４】 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。

【００３７】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５】 ここで、ｅｄｘ、ｅｄｙ、ｅｄｚはそれぞれ図１１に示
すｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の位置偏差を、ｅδ
ｘ、ｅδｙ、ｅδｚ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。また、Ｌｘａ、Ｌｘｃ、Ｌｙ
ａ、Ｌｙｂは、図１１に示すように、組立セグメント４
２の中心ｏ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。

【００３８】これらの偏差量から位置・姿勢の補正量ｄ
ｘ、ｄｙ、ｄｚ、δｘ、δｙ、δｚが次式により求めら
れる。

【数６】 手順２０２では、先に求めた補正をしきい値と比較し、
しきい値以内であれば、位置決め制御を終了する。しき
い値以内でなければ、手順２０３で先に求めた補正量を
基にしてエレクタの目標位置・姿勢を演算し、手順２０
４のアクチュエータ指令値演算、手順２０５のアクチュ
エータ制御を経て手順２０１に戻り、手順２０１で演算
した補正量がしきい値以内になるまで手順２０１〜２０
５を繰り返す。こうして、位置・姿勢の偏差を補正し、
組立セグメントを最終的に位置決めする。

【００３９】次に、図９に示す手順３００について説明
する。いま、直近の既設セグメント４１ｃの微位置決め
後の位置・姿勢をｄｘ１、ｄｙ１、ｄｚ１、δｘ１、δ
ｙ１、δｚ１（ｄｘ１〜ｄｚ１はそれぞれｘ〜ｚ軸方向
の位置、δｘ１〜δｚ１はそれぞれｘ〜ｚ軸回りの姿
勢）とし、同セグメントの設計位置・姿勢をｄｘｄ１、
ｄｙｄ１、ｄｚｄ１、δｘｄ１、δｙｄ１、δｚｄ１
（ｄｘｄ１〜ｄｚｄ１はそれぞれｘ〜ｚ軸方向の設計位
置、δｘｄ１〜δｚｄ１はそれぞれｘ〜ｚ軸回りの設計
姿勢）とすると、直近の既設セグメント４１ｃを微位置
決めした時、手順３００において、

【数７】 により求めたｄｘｃ〜δｚｃの値を直近の既設セグメン
ト４１ｃの微位置決め後の位置・姿勢データとして記憶
する。このｄｘｃ〜δｚｃの値は、既設セグメント４１
ｃとトンネル周方向に隣接する組立セグメント４２の粗
位置補正演算（手順１０２）において、（数３）に代入
される。同様に、組立セグメント４２を微位置決めした
時には、その微位置決め後の位置・姿勢データを記憶
し、これを用いて同セグメントとトンネル周方向に隣接
する新たな組立セグメントの粗位置補正を行う。

【００４０】図１２に組立セグメント４２の粗位置決め
時に用いる補正量ｄｘｃ〜δｚｃと既設セグメント４１
ｃの微位置決め後の位置・姿勢ｄｘ１〜δｚ１の関係を
示す。ここで、ｄｘ１〜δｚ１は、直近の既設セグメン
ト４１ｃを微位置決めした時のエレクタ本体の各アクチ
ュエータ（２２、２５、２８、３１、３２、３３）の操
作量から演算によって求められる。

【００４１】上記実施例では、視覚センサにより組立・
既設セグメント間の段差・隙間を検出し、その段差・隙
間情報に基づいて組立セグメントの微位置決めを自動で
行う場合について説明したが、セグメント組立位置決め
方法としては、組立セグメントの所定組立位置近傍への
粗位置決めまでを自動で行い、その後はエレクタの手動
操作により微位置決めをしたい場合もあり、本発明には
このような場合にも有効である。

【００４２】本実施例では、（数３）で表した如く、１
リング内でのセグメント組立更新に際しての設計値から
のｘ軸回りの回転誤差量、即ち、直近既設セグメントの
微位置決め後の角度と設計値とのローリング角度偏差δ
ｘｃは、エレクタリングの目標旋回角度θ２に加算した
場合を示した。δｘｃをδｘ２ではなくθ２に加えるこ
とによって、回転可能角度が±３度しかないローリング
機構に負担をかけずに、新規組立セグメント４２の粗位
置決め目標値の設定ができる。残されたローリング可能
角度は、粗位置決めに続く微位置決め時に有効に利用で
きる。

【００４３】しかし、本実施例においては、既に直近の
既設セグメント４１ｃの微位置決め時に使われたローリ
ング角度は、球面フレーム２９の傾きとして回転機構に
残されたままになっている。従って、新規組立セグメン
ト４２の微位置決め時に、既設セグメント４１ｃと同じ
方向のローリングが要求された場合の裕度は小さい。そ
の意味で、新規セグメント４２の粗位置決め時には、球
面フレーム２９が中立の位置（ローリング角度ゼロ）に
あることが望ましい。

【００４４】今、直近既設セグメント４１ｃの微位置決
め後のローリング角度がδｘ１、同セグメントの設計ロ
ーリング角度がδｘｄ１であり、（数７）に示したよう
に、δｘｃ＝δｘ１−δｘｄ１であることを考慮する
と、組立セグメントの粗位置決め時に球面フレーム２９
を中立にして、且つ同セグメントの微位置決め時に±３
度のローリング角度をそのまま利用できるようにするた
めには、粗位置補正演算を（数３）に代えて

【数８】 とすればよい。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直近の既設覆工用リングとエレクタの相対位置・姿勢が
トンネル掘進作業によって大きく変化しても、直近の既
設セグメントとトンネル周方向で隣接する新規組立セグ
メントをエレクタの位置決め誤差の範囲内で、直近既設
セグメントにより近づけて粗位置決めすることができ
る。このため、粗位置決め後に視覚センサなどによって
組立・既設セグメント間の段差・隙間を必ず検出でき、
その段差・隙間情報を基にして組立セグメントの微位置
決めが自動で行える。また、粗位置決め後、手動操作に
よりエレクタを駆動して組立セグメントを微位置決めす
ることも容易にできる。また、組立セグメント後の微位
置決め時にエレクタのローリング角度が最大限利用でき
る。このため、掘進作業の迅速化に資することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主要部である粗位置決め制御の手順を
示すフロートャートである。

【図２】シールド掘進機内に設置されたエレクタの一部
切断した正面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。

【図５】図２のＶ−Ｖ断面図である。

【図６】図２のセグメント把持部３４の詳細断面図であ
る。

【図７】セグメント位置決めに用いる投光器、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８】粗位置決め終了した状態での組立・既設セグメ
ントとスリット光像の位置関係及びテレビ画像を示す図
である。

【図９】本発明の組立セグメントを位置決めする制御手
順を示すフローチャートである。

【図１０】微位置決め制御の手順を示すフローチャート
である。

【図１１】図１０における微位置決め用偏差検出演算で
用いる記号を説明するための図である。

【図１２】組立セグメントの粗位置決め時に用いる補正
量と直近の既設セグメントの微位置決め後の位置決めの
関係を示す説明図である。

【図１３】従来の方法により組立セグメント４２の粗位
置決めをして、直近の既設セグメント４１ｃの端部が視
覚センサの視野に入らなかった場合の組立・既設セグメ
ントとスリット光像の位置関係及びテレビ画像を示す図
である。

【符号の説明】

１１ シールド本体 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 押付ジャッキ ２７ 前後スライドフレーム ２８ 前後スライドジャッキ ２９ 球面フレーム（球面軸受） ３１、３２、３３ 姿勢制御用ジャッキ ３４ セグメント把持部 ４１ａ、４１ｂ 隣接覆工用リング（既設）の既設セグ
メント ４１ｃ 同一覆工用リングの直近既設セグメント ４２ 同一覆工用リングの新規組立セグメント

───────────────────────────────────────────────────── 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 (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 小澤 肇 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 亀井 健 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 (56)参考文献 特開 平４−213699（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−299798（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 11/40

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機内に設置されたエレクタ
   によって組立てセグメントを所定の組立位置近傍に粗位
   置決めした後、該組立セグメントと既設セグメント間の
   段差・隙間をなくすようにして該組立セグメントを微位
   置決めする方法において、新規組立セグメントと同一覆
   工用リングの直近既設セグメントの微位置決め後の位置
   ・姿勢（以下、最終位置・姿勢という）を記憶する第一
   の工程と、記憶された最終位置・姿勢と前記直近既設セ
   グメントの設計位置・姿勢との偏差を求めて記憶する第
   二の工程と、前記新規組立セグメントの設計位置・姿勢
   に前記偏差及び前記直近既設セグメントとの衝突を回避
   するための余裕度を加算して該組立セグメントの粗位置
   決め目標位置・姿勢を定めると共に、トンネル軸回りの
   回転角度は全てエレクタの旋回角度に加算する第三の工
   程と、前記目標位置・姿勢を満足させるようにエレクタ
   を位置決め制御して前記組立セグメントの粗位置決めを
   行う第四の工程とから成る粗位置決め工程を含むトンネ
   ル覆工用リングのセグメント組立位置決め方法。
2. 【請求項２】 前記第三の工程において、エレクタの旋
   回角度に加算するトンネル軸回りの回転角度に、前記直
   近既設セグメントを最終位置・姿勢に制御する際エレク
   タを球面軸受回りにローリングさせた角度をさらに加算
   し、前記球面軸受を中立（ローリング角度ゼロ）の位置
   に戻す工程を付加したことを特徴とする請求項１記載の
   トンネル覆工用リングのセグメント組立位置決め方法。
3. 【請求項３】 シールド掘進機内に設置されたエレクタ
   によって組立てセグメントを所定の組立位置近傍に粗位
   置決めした後、該組立セグメントと既設セグメント間の
   段差・隙間をなくすようにして該組立セグメントを微位
   置決めする装置において、新規組立セグメントと同一覆
   工用リングの直近既設セグメントの微位置決め後の位置
   ・姿勢（以下、最終位置・姿勢という）を記憶する第一
   の手段と、記憶された最終位置・姿勢と前記直近既設セ
   グメントの設計位置・姿勢との偏差を求めて記憶する第
   二の手段と、前記新規組立セグメントの設計位置・姿勢
   に前記偏差及び前記直近既設セグメントとの衝突を回避
   するための余裕度を加算して該組立セグメントの粗位置
   決め目標位置・姿勢を定めると共に、トンネル軸回りの
   回転角度は全てエレクタの旋回角度に加算する第三の手
   段と、前記目標位置・姿勢を満足させるようにエレクタ
   を位置決め制御して前記組立セグメントの粗位置決めを
   行う第四の手段とから成る粗位置決め手段を含むトンネ
   ル覆工用リングのセグメント組立位置決め装置。