JP3278503B2 - セグメント自動組立装置及びその方法 - 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
を自動組立するためのセグメント自動組立装置及びその
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
られるトンネル覆工用リング（複数のセグメントで１リ
ングが形成される）を支柱として、そのリングのトンネ
ル軸方向端面に、シールド機に付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、新たな覆工用リ
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（セグメント組立機）を自動操作する。覆工用リング
は、複数個の円弧状セグメントから成っており、前記自
動操作は、測量、演算、組立セグメントの把持及び位置
決め、ボルト締め付けによる組立などが含まれる。

【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。新たな覆
工用リングの組立は、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、覆工用シールドリ
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把握しながら
行われなければ、シールド機と覆工用リング間や隣接セ
グメント間に隙間や段差を生じたり、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（これを粗位置と呼ぶ。粗位置はエレクタ本体の位置
・姿勢でもある）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。

【０００６】粗位置決めは通常次の手順で行われる。先
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、次
に組立てるべき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（これを粗位置と呼ぶことにする）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の各軸回りの回転角（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。尚、図８で、
４６ａ、４６ｂ、４６ｃはテレビカメラの視野、４７
ａ、４７ｂ、４７ｃはテレビ画像を示す。

【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９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個所の段
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。

【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、該当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放してから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
することがある。

【００１３】又、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た。

【００１６】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、既設セグメント端部
が光切断法を用いた微位置決め時にテレビカメラの視野
から逸脱してしまい、自動位置決めが出来ないという問
題点が生ずる場合があった。

【００１７】又、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リング組立てが出来ない場合
があった。

【００１８】本発明の目的は、シールド機の相対位置・
相対姿勢の変化を検出可能とし、これにより所定の許容
範囲内に組立セグメントを粗位置決めし、光切断法を有
効に利用して自動的に微位置決めできるセグメント自動
組立装置及びその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ヶ以上の距離計
測センサと、この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り込む手段と、この計測
相対距離からセンサ付設面の最新既設シールドリング端
面に対する相対姿勢を求め、この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・姿勢制御を行
う制御手段と、より成るセグメントの自動組立装置を提
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ケ以上の距離計測センサと、
この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
の相対距離を全てのセンサについて取り込む手段と、既
計測結果に最小自乗法の適用を行い前記シールド掘進機
と前記直近の既設リング間の面間隔を演算して相対距離
及び相対姿勢を求め、次に組立てるべきセグメントの設
計データから求めた目標粗位置に上記求めた相対距離及
び相対姿勢を加算して新しい目標粗位置を決定する手段
と、この粗位置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、この微位置にあ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】又、本発明では、前記距離計測センサを用
いて、前記シールド掘進機と直近の既設リングとの間隔
を全てのセンサについて計測する第１の工程と、該計測
結果に最小自乗法の適用を行い前記シールド掘進機と前
記直近の既設リング間の面間隔を演算して相対距離及び
相対姿勢を求める第２の工程と、設計データから求めた
粗位置に第２の工程で求めた最確補正値を加算する第３
の工程とから成る粗位置決め手法を採用した粗位置決め
制御と、このようにして粗位置決めされた組立セグメン
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ヶ所及びトンネル軸方向に沿った境界部の
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、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た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
用したセグメント自動組立方法を提供する。

【００２２】

【作用】本発明によれば、距離計測センサを設けてシー
ルド機の相対位置・相対姿勢を検出し、これによって粗
位置決めを正確に行う。

【００２３】更に本発明によれば、距離計測センサの各
計測値から最小自乗法によりシールド機の相対位置・相
対姿勢を算出でき、これによって粗位置決めを正確に行
い、併せて微位置決めをも有効に利用可能にする。

【００２４】

【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又は非意図的にトンネル
進路が屈曲し、シールド掘進機全面（傾斜リング面）
が、図１（Ａ）に示すように直近の既設リング面に対し
て傾斜した場合を考える。

【００２５】基準となる直近の既設リング面の座標が
（Ｙ、Ｚ）であり、傾斜したシールド掘進機全面、即ち
この位置で新たに組立てるべきリング面（傾斜リング
面）の座標が（Ｙ′、Ｚ′）である。Ｘ軸は、シールド
掘進機後面方向が正の向きとなる。基準面に対する傾斜
リング面の傾きは、Ｚ−Ｚ′軸まわりの回転（ヨーイン
グ）ΔｚとＹ−Ｙ′軸まわりの回転（ピッチング）Δｙ
をもって図１（Ａ）のように示される。この時、傾斜リ
ング面の粗位置を示すｘ座標ｘ′（ｎ）は屈曲前の設計
値ｘ座標ｘ（ｎ）と基準面からの距離Δｘを用いて、

【数１】 と示される。

【００２６】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、図示したように任意に設定した
正五角形頂点にそれぞれ配置し、各センサＳ₁〜Ｓ₅でそ
れぞれ測定した傾斜リング面と既設リング面との距離を
それぞれＬ₁〜Ｌ₅とする。ここに、Ｌ₁〜Ｌ₅は次式に従
う。

【数２】

【００２７】平面を示す方程式は、座標値を用いて

【数３】 と書くことが出来る。ここに、ａ〜ｄは係数である。図
１（Ａ）からもわかるように、トンネル内径は変化もな
いものとすれば、傾斜リング面を表すｙ′、ｚ′値は既
設リング面のｙ、ｚ値と同じであって、傾斜によって座
標のｘ値のみが数１のように変化することになる。それ
故、粗位置決めの座標値を求める場合、ｘ値の誤差が最
小になるように測定データに最小自乗法を適用すればよ
い。数１を変形すると

【数４】 そこで、最小自乗法の残差ｖ_iは、

【数５】 ここでＢ＝ｂ／ａ、Ｃ＝ｃ／ａ、Ｄ＝ｄ／ａとおけば

【数６】 となる。ここで、Ｖ_i ²の合計値Ｖは、

【数７】 の如くなるから、その偏微分がゼロとおいて

【数８】 の３元連立方程式が得られる。この解Ｂ、Ｃ、Ｄから平
面方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを求めることができる。
ａ＝１とおいてもよい。

【００２８】平面方程式で得られた面、即ち傾斜リング
面の法線ベクトルｎは、

【数９】 と表される。この法線ベクトルｎを求めることにより、
面合わせ機構でいう傾転角度がわかるのである。この関
係は、図１（Ｂ）に示した。即ち、ヨーイング角δ_z、
ピッチング角δ_yは、それぞれ

【数１０】 の如くａ、ｂ、ｃで表示でき、Ｙ軸まわりにδｙ、Ｚ軸
まわりにδｚ回転すれば、基準面とＸ軸方向ずれを除い
て一致させることができる。

【００２９】つまり、Ｌ₁〜Ｌ₅の計測によってもっとも
小さな誤差で図１（Ａ）のΔｘ、Δｙ、Δｚを求め、粗
位置決めに資することができる。Ｌ_iの個数ｉは、３以
上あればよい。

【００３０】以下、本発明を実施例に基づき、より詳し
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。

【００３１】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
のセグメント４１円周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。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を内蔵設置してあるそしてＳ₁〜Ｓ₅が自
己の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。接触
式の例もある。又、シールドジャッキに設置しない例も
ありうる。例えばレーザ距離計測センサの例もある。

【００３２】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部１０
１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、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と１０４に各
々ａ sin ωｔ、ｂ cosωｔ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。

【００３３】前記した如く、組立セグメント４２の位置
決め及び取り付け時には、当該個所のシールドジャッキ
１００は、図４の１００ｂの如く縮めて空間を確保す
る。又、トンネル掘進方向を意図的に屈曲させる場合も
所定方向のシールドジャッキを縮めて力バランスをくず
す。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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との間に取り付けられた押付ジャッキ２
２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。

【００３７】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
の伸縮より吊りビーム２１上をは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。

【００３８】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。

【００３９】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。又、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。

【００４０】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。

【００４１】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、軸受けブラケッ
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４
３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。

【００４２】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。

【００４３】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。従って、投光器
４４ａ〜４４ｃ、テレビカメラ４５ａ〜４５ｃと把持部
３４及び組立セグメント４２との相対的な位置・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（図８参照）、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９は、従来例でも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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】手順１５１は、粗位置演算である。シール
ド機本体１１が直近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ｎ番目のシールドリングを組立て
ようとする時、図１（Ａ）で示したようにシールドジャ
ッキ１００の操作によって意図的または非意図的に地山
との力のバランスが崩れてシールド機本体前面が傾斜す
る。従って、粗位置演算では、直近の既設リング、即ち
第（ｎ−１）番目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。

【００４８】図１（Ａ）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本に内蔵された距離計測センサＳ
₁〜Ｓ₅で直近の既設リングとの距離Ｌ₁〜Ｌ₅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、Ｌ₁〜Ｌ₅はセンサ取り付け角度の正弦波関数で表さ
れる。Ｌ₁を計測するセンサの位置を角度ゼロとし、７
１度毎にＬ₂〜Ｌ₅を計測することになる。得られた結果
を最小自乗法で処理し、図示したのが図１２である。

【００４９】前記数２〜数３を用いた方法とは異なる
が、図１２の正弦波曲線からも傾斜したセンサ取付面を
含む平面の方程式を求めることが出来る。いずれも計測
データに最小自乗法を適用しているので、同じ誤差で平
面方程式で決定できる。

【００５０】この平面方程式から、シールド機本体１１
の直近の既設リング９に対する傾きΔδ_z及びΔδ_yと、
距離（ｘ＋Δｘ）を求める。

【００５１】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新たな粗位置、ｘ′
（ｎ）〜θ′（ｎ）を求める。

【数１１】

【００５２】以上、シールド機がトンネル掘進中に意図
的または非意図的に屈折する場合の組立セグメントの位
置決め演算手順について述べた。

【００５３】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蔵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。

【００５４】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エレクタ位置・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。

【００５５】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。

【００５６】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
め用偏差検出演算は、以下のようにして行う。

【００５７】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と隙間Δ
ｘａ、Δｘｂ、Δｘｃが次式より算出される。

【数１２】 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。

【００５８】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１３】 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。

【００５９】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１４】 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１５】 が全て満足された時、「Ｙ」に移り制御は終了する。し
かし、数４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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。更に、センサＳ₁〜Ｓ₅の設置面は、図１
に示したように傾斜リング面に沿った面であることが好
ましいが、校正処理が可能ならば傾斜リング面に沿う必
要はない。又、１つの面上に五角形としたが、必ずしも
１つの面上に設置する必要もない。校正処理をすればよ
いためである。

【００６３】

【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検出し、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】セグメント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】実施例における組立セグメントの粗位置決め
の補正係数導出法の一例を示す図であって、測距センサ
測定値に最小自乗法を適用して求めた最確正弦波曲線を
示す図である。

【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設置例を示す図であ
る。

【符号の説明】

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 昭62−206196（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−274998（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−65799（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
   を取り込む手段と、この計測相対距離からセンサ付設面
   の最新既設シールドリング端面に対する相対姿勢を求
   め、この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
   全てのセンサについて取り込む手段と、既計測結果に最
   小自乗法の適用を行い前記シールド掘進機と前記直近の
   既設リング間の面間隔を演算して相対距離及び相対姿勢
   を求め、次に組立てるべきセグメントの設計データから
   求めた目標粗位置に上記求めた相対距離及び相対姿勢を
   加算して新しい目標粗位置を決定する手段と、この粗位
   置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、この微位置にあ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】 上記付設面は、センサ付設角度に対する
   正弦波曲線で表現するものとした請求項１または２のセ
   グメント自動組立装置。
4. 【請求項４】 エレクタを内蔵するシールド掘進機に、
   トンネル径方向で且つ既設リング面を向くようにして３
   ヶ以上の距離計測センサを設け、この距離計測センサを
   用いて前記シールド掘進機と直近の既設リングとの間隔
   を全てのセンサについて計測する第１の工程と、該計測
   結果に最小自乗法の適用を行い前記シールド掘進機と前
   記直近の既設リング間の面間隔を演算して相対距離及び
   相対姿勢を求める第２の工程と、設計データから求めた
   粗位置に第２の工程で求めた最確補正値を加算する第３
   の工程とから成る粗位置決め手法を採用した粗位置決め
   制御と、このようにして粗位置決めされた組立セグメン
   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ヶ所及びトンネル軸方向に沿った境界部の
   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、各スリット光像を前記エレクタ設置テレビ
   カメラにより撮像して得られた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
   採用したセグメント自動組立方法。