JP3299031B2 - シールド掘削機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘削機の制御
装置に関し、特に精度のよい掘削施工を行うための制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘削機の掘削方向の制御は、従
来、シールド掘削機の後部、円周方向に沿って複数の推
進ジャッキを配設し、これらジャッキを相互に伸張、縮
小させるといういわゆる片押しをすることによって行わ
れていた。

【０００３】しかし、このようにシールド掘削機の掘進
方向の修正動作に、本来推進専用であるべき推進ジャッ
キが使用されると、方向制御が精度よく行われないばか
りか推進自体も効率よく行われない等の問題点が発生す
る。

【０００４】そこで、本出願人は、方向修正動作に推進
ジャッキを使用せずに、推進のためのみに推進ジャッキ
を全数使用することで上記問題点を解決することを目的
とする特許出願をすでに行っており、その内容は公開公
報によってすでに公知となっている（特開平５―１２５
８９４号公報）。

【０００５】上記公報には、シールド掘削機の後胴部と
前胴部をアーティキュレートシリンダによって連結し、
レーザターゲットを用いて前胴部の前面中心位置を求
め、この位置と計画線上の位置とのずれ量が零となるよ
うに、前胴部を揺動させるという技術が開示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に
は、前胴部位置と計画線上位置とを一致させるという記
載しかなく、前胴部の揺動の制御についての具体的な記
載はなされていない。また、位置のみを一致させ、掘削
機の姿勢について何ら考慮せずに制御を行った場合に
は、掘削機が蛇行する危険性がある。

【０００７】さらに、掘削機の姿勢について考慮しない
と、履行体との干渉の危険性が高まる。このため、覆工
体との干渉を避けることが、かえって方向制御を行う際
の制限条件となり、方向制御の精度が悪化する可能性も
ある。

【０００８】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、掘削機の姿勢も考慮して、掘削機の方向制
御をより精度よく、より安全に行うことを第１の目的と
するものである。

【０００９】また、従来のレーザターゲットによる掘削
機の位置の計測は、盛り替えなどの手間がかかるため、
ジャイロコンパスなどによる姿勢計測のみで施工が行わ
れることがあるが、その場合には、最初の計測を行って
から数リング分掘進するまではつぎの位置計測は行われ
ない。このため、位置データ不足のため、掘削機の位置
に基づく方向制御の精度が低下することがある。したが
って、レーザターゲット等の位置計測装置にたよらずに
掘削機の位置を常に精度よく推定できることが望まれ
る。

【００１０】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、掘削機の位置を常時精度よく推定すること
ができ、これにより方向制御を精度よく行うことができ
る装置を提供することを第２の目的とするものである。

【００１１】また、本構成によるシールド掘削機では、
掘進と履行体の組立を並行して行うことが可能である
が、組立の際に生じる推進ジャッキによる後胴部にかか
るモーメント（以下「ジャッキモーメント」という。）
を考慮しながら掘進の方向制御を行わなければならな
く、組立作業の指示は煩雑なものとなり、作業効率はよ
くない。本発明は、履行体が計画線に沿って組み立てら
れるよう適切な組立作業の指示を自動的に与えることに
より、作業効率を向上させるとともに、覆工体を計画線
に沿って精度よく組み立てることにより、掘進の方向制
御をより精度よく行えるようにすることを第３の目的と
するものである。

【００１２】以上のように本発明は、シールド掘削機の
方向制御を精度よく行うことを共通の目的とするもので
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の第１発
明では、後胴部に対して前胴部を揺動自在に連結すると
ともに前記後胴部に推進用のジャッキを配設し、該推進
用ジャッキを伸縮させるとともに前記前胴部を揺動させ
ることによりシールド掘削機を目標方向に向けて掘進さ
せるようにしたシールド掘削機の制御装置において、前
記前胴部の姿勢角と前記シールド掘削機の掘進方向との
関係を示す第１の関係式と、前記前胴部の揺動量とこの
揺動量によって変化する前記前胴部の姿勢角の第１の変
化量との関係を示す第２の関係式と、前記推進用ジャッ
キによって前記後胴部に加わるジャッキモーメントとこ
のジャッキモーメントによって変化する前記前胴部の姿
勢角の第２の変化量との関係を示す第３の関係式とを設
定する設定手段と、前記第１の関係式に前記シールド掘
削機の目標掘進方向を代入することにより前記前胴部の
目標姿勢角を求め、該目標姿勢角と現在の前胴部の姿勢
角との偏差を前記前胴部の姿勢角変化量として求める姿
勢角変化量演算手段と、前記第３の関係式に現在のジャ
ッキモーメントを代入することにより前記前胴部の第２
の姿勢角変化量を求める第２の姿勢角変化量演算手段
と、前記姿勢角変化量演算手段で演算された姿勢角変化
量から前記第２の姿勢角変化量演算手段で演算された第
２の姿勢角変化量を減算することにより第１の姿勢角変
化量を求める第１の姿勢角変化量演算手段と、前記第１
の姿勢角変化量演算手段で演算された第１の姿勢角変化
量を前記第２の関係式に代入することによって前記前胴
部の揺動量を演算する揺動量演算手段と、前記揺動量演
算手段で演算された揺動量だけ前記前胴部を揺動させ、
前記シールド掘削機の掘進方向を目標掘進方向に一致さ
せる制御手段とを具えている。

【００１４】また、本発明の第２発明では、後胴部に対
して前胴部を揺動自在に連結するとともに、前記後胴部
に、覆工体の端面に当接される推進用のジャッキを少な
くとも２つ配設し、前記後胴部の現在位置を検出し、該
検出位置に基づいて前記推進用ジャッキを伸縮させると
ともに前記前胴部を揺動させる制御を行い、シールド掘
削機を目標方向に向けて掘進させるようにした第１の発
明に係るシールド掘削機の制御装置において、前記後胴
部の姿勢角を検出する後胴部姿勢角検出手段と、前記２
つの推進用ジャッキごとに設けられたジャッキストロー
ク量検出手段と、前記ジャッキストローク量検出手段で
検出された両ジャッキのストローク量の偏差を求め、該
ストローク量偏差と両ジャッキの配設位置間隔とに基づ
いて前記前記覆工体の姿勢角と前記後胴部姿勢角とのず
れ角を演算するずれ角演算手段と、前記後胴部姿勢角検
出手段で検出された後胴部姿勢角と前記ずれ角演算手段
で演算されたずれ角とに基づいて前記覆工体の姿勢角を
演算する覆工体姿勢角演算手段と、前記覆工体姿勢角演
算手段で演算された覆工体姿勢角と該覆工体の位置とつ
ぎに組み立てられるべき覆工体の形状データとに基づい
て、当該つぎの覆工体の位置を順次演算する覆工体位置
演算手段と、前記覆工体位置演算手段で順次演算される
覆工体の位置と前記後胴部姿勢角検出手段の検出姿勢角
と前記ジャッキストローク量検出手段の検出ストローク
量とに基づいて、前記後胴部の位置を、覆工体が組み立
てられるごとに順次演算する位置演算手段とを具えてい
る。

【００１５】また、本発明の第３発明では、シールド掘
削機を目標方向に向けて掘進させて、前記覆工体を順次
組み立てるようにした第１発明に係るシールド掘削機の
制御装置において、両端面が平行のストレート覆工体の
形状データとすでに組み立てられた覆工体の位置および
姿勢角のデータとに基づいて、つぎに組み立てられるべ
きストレート覆工体の位置および姿勢角を演算する第１
の位置・姿勢角演算手段と、前記第１の位置・姿勢角演
算手段で演算されたストレート覆工体の位置および姿勢
角の覆工体組立予定ラインに対するずれをそれぞれ演算
する第１のずれ演算手段と、前記第１のずれ演算手段に
よって演算された位置ずれおよび姿勢ずれがそれぞれ所
定のしきい値以下であるか否かを判定する第１の判定手
段と、前記第１の判定手段によって両ずれのいずれかが
前記しきい値よりも大きいと判定された場合に、両端面
が平行でないテーパ状のテーパ覆工体の形状データとす
でに組み立てられた覆工体の位置および姿勢角のデータ
とに基づいて、つぎに組み立てられるべきテーパ覆工体
の位置および姿勢角を演算する第２の位置・姿勢角演算
手段と、前記第２の位置・姿勢角演算手段で演算された
テーパ覆工体の位置および姿勢角の前記覆工体組立予定
ラインに対するずれをそれぞれ演算する第２のずれ演算
手段と、前記第２のずれ演算手段によって演算された位
置ずれおよび姿勢ずれがそれぞれ前記第１のずれ演算手
段によって演算された位置ずれおよび姿勢ずれよりも小
さいことを判定する第２の判定手段と、前記第１の判定
手段によって両ずれのそれぞれが前記しきい値以下であ
ると判定された場合に、つぎに組み立てるべき覆工体は
ストレート覆工体であると決定し、当該ストレート覆工
体の組立指示を出力するとともに、前記第２の判定手段
によって前記第２のずれ演算手段によって演算された位
置ずれおよび姿勢ずれがそれぞれ前記第１のずれ演算手
段によって演算された位置ずれおよび姿勢ずれよりも小
さいことが判定された場合に、つぎに組み立てるべき覆
工体はテーパ覆工体であると決定し、当該テーパ覆工体
の組立指示を出力する出力手段とを具えている。

【００１６】

【作用】上記第１発明の構成によれば、図７に示すよう
に前胴部６（図８）の姿勢角Ｘとシールド掘削機１（図
８）の掘進方向Ｙとの関係を示す第１の関係式Ｙ＝ａＸ
＋ｂと、前胴部６の揺動量Ｋとこの揺動量Ｋによって変
化する前胴部６の姿勢角の第１の変化量Δθkとの関係
を示す第２の関係式Δθk＝ａk・Ｋと、推進用ジャッキ
によって後胴部に加わるジャッキモーメントＭとこのジ
ャッキモーメントＭによって変化する前胴部６の姿勢角
の第２の変化量ΔθMとの関係を示す第３の関係式ΔθM
＝ａm・Ｍ＋ｂmとが設定される。

【００１７】そして、第１の関係式にシールド掘削機１
の目標掘進方向Ｙを代入することにより前胴部６の目標
姿勢角Ｘが求められ、該目標姿勢角Ｘと現在の前胴部６
の姿勢角θとの偏差が前胴部６の姿勢角変化量Δθとし
て求められる。

【００１８】そして、第３の関係式に現在のジャッキモ
ーメントＭを代入することにより前胴部６の第２の姿勢
角変化量ΔθMが求められる。

【００１９】そして、上記演算された姿勢角変化量Δθ
から上記演算された第２の姿勢角変化量ΔθMを減算す
ることにより第１の姿勢角変化量ΔθKが求められる。

【００２０】そして、上記演算された第１の姿勢角変化
量Δθkを第２の関係式に代入することによって前胴部
６の揺動量Ｋが演算される。

【００２１】そして、この演算された揺動量Ｋだけ前胴
部６が揺動され、シールド堀削機１の掘進方向が目標掘
進方向Ｙに一致される。

【００２２】このように第１発明では、掘削機の姿勢が
考慮されて、方向制御がなされるので、精度よく方向制
御がなされ、蛇行等を生じることなく安全に掘進するこ
とができる。

【００２３】また、第２発明の構成によれば、図５に示
すように、後胴部１の姿勢角θBが検出され、２つの推
進用ジャッキごとにジャッキストローク量ＳＪ3、ＳＪ8
が検出される。

【００２４】そして、両ジャッキのストローク量の偏差
ＳＪ3―ＳＪ8が求められ、該ストローク量偏差と両ジャ
ッキの配設位置間隔ＬAとに基づいて覆工体Ｓ０の姿勢
角θsと後胴部姿勢角θBとのずれ角θzhが演算される。

【００２５】そして、上記検出された後胴部姿勢角θB
と上記演算されたずれ角θzhとに基づいて覆工体Ｓ０の
姿勢角θsが演算される。

【００２６】そして、上記演算された覆工体姿勢角θs
と該覆工体の位置Ｃ０とつぎに組み立てられるべき覆工
体Ｓ１の形状データとに基づいて、当該つぎの覆工体Ｓ
１の位置Ｃ１が順次演算される（図６参照）。

【００２７】こうして、順次演算される覆工体の位置Ｃ
１と検出姿勢角θBとジャッキストローク量検出手段の
検出ストローク量ＳＪ3、ＳＪ8とに基づいて、後胴部１
の位置Ａが、覆工体が組み立てられるごとに順次演算さ
れる。

【００２８】このように大がかりなレーザターゲットを
配設しなくても、掘削機の姿勢角を検出するセンサとジ
ャッキストローク量を検出するセンサを配設するだけ
で、常時掘削機１の位置を正確に推定することができ
る。

【００２９】また、第３発明の構成によれば、図１０に
示すように、両端面Ｓａ、Ｓｂが平行のストレート覆工
体Ｓ１の形状データとすでに組み立てられた覆工体Ｓ０
の位置Ｃ０および姿勢角θs0のデータとに基づいて、つ
ぎに組み立てられるべきストレート覆工体Ｓ１の位置Ｃ
１および姿勢角θs1が演算される。

【００３０】そして、上記演算されたストレート覆工体
Ｓ１の位置Ｃ1および姿勢角θs1の覆工体組立予定ライ
ンＬＹに対する位置ずれＩ1s、姿勢ずれθs1―θk1がそ
れぞれ演算される。

【００３１】そして、上記演算された位置ずれＩ1s、姿
勢ずれθs1―θk1がそれぞれ所定のしきい値以下である
か否かが判定される。

【００３２】この結果、両ずれのいずれかがしきい値よ
りも大きいと判定された場合に、両端面Ｓ´ａ、Ｓ´ｂ
が平行でないテーパ状のテーパ覆工体Ｓ´１の形状デー
タとすでに組み立てられた覆工体Ｓ０の位置Ｃ０および
姿勢角θs0のデータとに基づいて、つぎに組み立てられ
るべきテーパ覆工体Ｓ´１の位置Ｃ´1および姿勢角θ
´s1が演算される。

【００３３】そして、上記演算されたテーパ覆工体Ｓ´
１の位置Ｃ´1および姿勢角θ´s1の覆工体組立予定ラ
インＬＹに対する位置ずれＩ´1s、姿勢ずれθ´s1―θ
k1ずれがそれぞれ演算される。

【００３４】そして、上記演算されたテーパ覆工体Ｓ´
１の位置ずれＩ´1s、姿勢ずれθ´s1―θk1ずれが、そ
れぞれストレート覆工体Ｓ１の位置ずれＩ1s、姿勢ずれ
θs1―θk1よりも小さいことが判定される。

【００３５】この結果、最初の判定で両ずれのそれぞれ
がしきい値以下であると判定された場合には、つぎに組
み立てるべき覆工体はストレート覆工体であると決定さ
れ、当該ストレート覆工体の組立指示が出力される。ま
た、つぎの判定で、テーパ覆工体Ｓ´１の位置ずれＩ´
1s、姿勢ずれθ´s1―θk1ずれが、それぞれストレート
覆工体Ｓ１の位置ずれＩ1s、姿勢ずれθs1よりも小さい
ことが判定された場合には、つぎに組み立てるべき覆工
体はテーパ覆工体であると決定され、当該テーパ覆工体
の組立指示が出力される。

【００３６】このため、適切な覆工体が選択されること
で、掘削機１は予定ラインＬＹに沿って精度よく組立作
業を行いながら掘進することができる。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るシールド
掘削機の実施例について説明する。

【００３８】図３（ａ）、（ｂ）は実施例で想定してい
るシールド掘削機の縦断面図（同図（ａ））、先端部分
の斜視図（同図（ｂ））を示しており、大きくは、第１
後胴部１と、第２後胴部２と、前胴部６とから構成され
ている。

【００３９】後胴部１、２は、アーティキュレートジャ
ッキ３によって揺動自在に連結されており、第１後胴部
１には、ジャッキ先端を覆工体１１の端面に当接させ、
ジャッキストローク量を変化させることで掘削機全体を
推進させる１０本の推進ジャッキ４（図４参照）が、後
方へ伸縮自在に配設されている。第２後胴部２の前端部
には、球面座５が設けてあり、この球面座５に前胴部６
が揺動自在に当接されている。前胴部６は、４本のテン
ションジャッキ７と前胴アーティキュレートジャッキ８
を介して第２後胴部２と連結されている。

【００４０】前胴部６の前端部には、回転カッタ９が回
転自在に配設されている。回転カッタ９は、回転駆動部
１０によって回転駆動される。

【００４１】シールド掘削機は、回転カッタ９を回転さ
せながら推進ジャッキ４を伸張させる制御が行われるこ
とによって、覆工体１１に対して前進される。かかる前
進の際、アーティキュレートジャッキ３および前胴アー
ティキュレートジャッキ８が伸縮制御されることによ
り、第２後胴部２および前胴部６が揺動され、方向修正
がなされ、掘削機は計画ラインに沿って掘進される。

【００４２】図１は、シールド掘削機を制御する制御装
置の構成をブロック図で示したものである。

【００４３】同図に示すように、第１後胴部（以下単に
「後胴部」という）１には、後胴部１の姿勢角θBを検
出するジャイロコンパス２２が配設されている。また、
前胴アーティキュレートジャッキ８には、そのジャッキ
ストローク量を検出するストローク量センサ１５が配設
されている。

【００４４】推進ジャッキ４には、ジャッキストローク
量ＳＪを検出するストローク量センサ２５が配設されて
おり、また、覆工体１１と後胴部１内面との距離を示す
テールクリアランスＴを検出するテールクリアランス計
２６が、後胴部１に配設されている。

【００４５】コントローラ１６は、各ジャッキを駆動制
御するものであり、キーボード等の入力装置１８を介し
てデータが入力されるとともに、Ｉ／Ｏボード１７を介
して各種センサ信号および制御信号が入出力される。ま
た、ＣＲＴ２３に適宜処理結果が表示されるとともに、
プリンタ２４に適宜処理結果が印字出力される。

【００４６】上記ジャイロコンパス２２で検出される姿
勢角θBは、センサ信号としてＩ／Ｏボード１７に入力
される。多重伝送装置１９、多重伝送装置２０を介して
上記Ｉ／Ｏボード１７に信号が入出力されるようになっ
ており、子器である多重伝送装置２０に、シールド掘削
機の各種のセンサ信号ＳＪ、Ｔ等が入力され、該多重伝
送装置２０からジャッキ８駆動用の油圧バルブ２１に対
して、その弁開度等を制御するための所要の制御信号が
出力される。

【００４７】バルブ２１が所要に開弁度等が制御される
と、前胴アーティキュレートジャッキ８が伸縮駆動され
て、後述するよう所定の揺動量Ｋをもって前胴部６が揺
動される。なお、かかる揺動制御の際、上記ストローク
量センサ１５の出力は、フィードバック信号として使用
される。

【００４８】・第１の実施例（位置計測） ここで、シールド掘削機の位置を、ジャイロコンパス２
２の検出値、ジャッキストローク量センサ２５の検出値
に基づいて推定演算する第１の実施例について、図４な
いし図６を参照しつつ説明する。

【００４９】図４は、推進ジャッキ４の配設態様につい
て、図３（ａ）の矢視Ａ１方向について示したものであ
り、図５は、図４の各ジャッキ「１」〜「１０」のうち
の「３」番目のジャッキのストローク量ＳＪ3とこれに
対向する「８」番目のジャッキのストローク量ＳＪ8が
変化している水平方向断面を示したものである。

【００５０】図５では、覆工体１１の１リング掘進終了
後の様子を示しており、既設の履行体Ｓ０に推進ジャッ
キ４が当接されている。

【００５１】ここで、後胴部１の長手方向中心軸をＯ
Ａ、覆工体（端面Ｓａ、Ｓｂが平行でないテーパ状の覆
工体）Ｓ０の端面Ｓｂと後胴部中心軸ＯＡとの交点を
Ｂ、端面Ｓｂの中心をＣＯ、水平方向のジャッキ配設位
置間距離をＬA（＝Ｌh3・２；図４参照）、覆工体Ｓ０
の姿勢角θs（基準線に対して端面Ｓｂの法線がなす
角）と後胴部１の姿勢角θB（基準線に対して中心軸Ｏ
Ａがなす角）とのずれ角θzhとすると、図５の幾何学的
関係から明らかに、ずれ角θzhは、下記（１）式によっ
て求めることができる。

【００５２】 θzh＝ｔａｎ-1（（ＳＪ3―ＳＪ8）／ＬA） …（１） 一方、 θs＝θB＋θzh …（２） という関係があるから、ストローク量センサ２５の検出
値ＳＪ3、ＳＪ8を（１）式に代入することによってずれ
角θzhを求め、この求めたずれ角θzhとジャイロコンパ
ス２２の検出値θBを（２）式に代入することによって
既設の履行体Ｓ０の姿勢角θsを求めることができる。

【００５３】つぎに組み立てられるべき履行体Ｓ１の組
立後の位置Ｃ１は、既設の履行体Ｓ０の位置ＣＯと求め
た既設の履行体Ｓ０の姿勢角θsに応じた向きＳＳと組
み立てられるべき履行体Ｓ１の形状データとから幾何学
的に求められる（図６（ａ）参照）。一方、覆工体Ｓ１
についてのテールクリアランスＴ１は、テールクリアラ
ンス計２６から出力される。

【００５４】ここで、テールクリアランスＴ１が、所定
のしきい値Ｔs以上である場合には（図６（ａ）参
照）、つぎの組み立てられるべき履行体Ｓ１の位置（中
心位置Ｃ１）は、上記幾何学的に求めた位置に決定す
る。

【００５５】しかし、テールクリアランスＴ１が、しき
い値Ｔsよりも小さい場合には（図６（ｂ）参照）、組
立後の履行体Ｓ１の中心位置は上記幾何学的に求められ
る位置Ｃ１ではなく、既設の履行体Ｓ０の中心位置Ｃ０
から後胴部１の姿勢角θBに応じた方向ＫＫへ履行体Ｓ
１長さＳＳ分した位置Ｃ２であると決定する。

【００５６】上記しきい値Ｔsは、現場の状況により定
められる値であり、通常、後胴部１の中心と履行体中心
が同心であるときのテールクリアランスの１／４程度が
適当である。

【００５７】同様な演算が垂直方向についても行われ、
履行体Ｓ１の水平、垂直方向の位置が求められる。同様
にして、さらにその後に組み立てられる覆工体Ｓ２、Ｓ
３…の位置が順次演算される。

【００５８】後胴部１の位置Ａは、覆工体Ｓ０の位置Ｃ
０を基準として、姿勢角θB、推進ジャッキストローク
量ＳＪ、テールクリアランスＴ等から幾何学的に求めら
れる。以後、覆工体がＳ１、Ｓ２…と組み立てられるご
とに、後胴部１の位置Ａはそれら覆工体の位置Ｃ１、Ｃ
２…を基準として同様にして求めることができる。

【００５９】さて、図２は、前掲の公開公報に示された
ものと同様にレーザターゲットによりシールド掘削機の
位置を直接計測する場合の構成ブロック図である。

【００６０】同図２に示すように、トンネル１４内の基
準点には、レーザ発信器１３ａが設置され、光波距離計
１３と後胴部１に配設されたレーザターゲット１２によ
ってシールド堀削機の後胴部１の現在位置と現在の姿勢
角を計測するというものである。なお、レーザターゲッ
トによる計測は、すでに公知となっており本発明の主旨
とは直接関係ないので詳しい説明は省略する。

【００６１】いずれにせよ、上述のいずれかの方法によ
って後胴部１の位置および姿勢角が計測されると、この
計測値と、前胴部６の現在の揺動量（ストローク量セン
サ１５で検出される前掲アーティキュレートジャッキ８
のストローク量に基づき演算される）とから前胴部６の
位置および姿勢角θを演算することができる。

【００６２】・方向制御（第２の実施例） 以上のようにして求められた前胴部６の位置、姿勢角θ
が記憶されるとともに、前胴部６の基準位置に対する揺
動量Ｋ0、Ｋ1…、推進ジャッキ４のジャッキモーメント
Ｍが記憶され、これらのデータに基づいて揺動量（揺動
量変化量Ｋ1―Ｋ0）Ｋが演算され、この演算揺動量Ｋだ
け前胴部６を揺動することで方向制御がなされることに
なるが、この方向制御の処理について図７のフローチャ
ートを参照して説明する。

【００６３】まず、初期条件が入力されて計画線上の目
標点が算出される（ステップ１０１）。そして、１リン
グの掘進が開始されて（ステップ１０２）、前胴部６の
位置、姿勢角θ等の諸データの計測、算出、保存がなさ
れるとともに（ステップ１０３）、現在位置を示すデー
タと目標点を示すデータから目標方向ＹMが算出される
（ステップ１０４）。

【００６４】ここで、過去に記憶された複数のデータを
統計処理することにより以下の関係式が求められる。

【００６５】まず、図８に示すように前胴部６の位置の
変化を、実績の掘進方向Ｙとし、そのときの前胴部６の
姿勢角（方向）Ｘ0〜Ｘj〜Ｘiの平均値Ｘとの間の一次
の相関、 Ｙ＝ａ・Ｘ＋ｂ …（３） が求められる。

【００６６】つぎに、一定距離毎の前胴部６の姿勢角Ｘ
の変化量Ｚ＝Ｘi―Ｘjと、そのときの前胴部６の揺動量
（揺動量変化量）Ｋ＝Ｋｉ―Ｋｊと、ジャッキモーメン
トの平均値Ｍから、揺動量Ｋとこの揺動量Ｋによる姿勢
角変化量Ｚkとの相関を示す関係式、 Ｚk＝ａk・Ｋ …（４） ジャッキモーメントＭとこのジャッキモーメントＭによ
る姿勢角変化量ＺMとの相関を示す関係式、 、ＺM＝ａm・Ｍ＋ｂm …（５） が求められる。ただし、 Ｚ＝Ｚk＋ＺM …（６） という関係がある（図８参照；ステップ１０５）。な
お、上記ジャッキモーメントＭは、以下のようにして求
めることができる。すなわち、図４に示すように、番号
ｉ（「１」〜「１０」）の各推進ジャッキ４の推力をＦ
iとし、Ｌhiを後胴部中心から番号ｉのジャッキ４まで
の水平方向距離とし ｎをジャッキ本数（１０）とする
と、後胴部１にかかる水平方向のモーメントＭhは、 として求められる。同様に、Ｌviを後胴部中心から番号
ｉのジャッキ４までの垂直方向距離とすると、後胴部１
にかかる垂直方向のモーメントＭvは、 として求められる。こうして求められたモーメントＭ
h、Ｍvを合計したものが上記ジャッキモーメントＭであ
る。

【００６７】また、上記（３）、（４）、（５）式を、
データ点数の不足により統計処理によって求めることが
できない場合には、これら関係式の係数を適当な値に設
定しておけばよい。掘進が行われるにつれてデータ点数
が増えれば、統計処理によって係数を求めることがで
き、より精度の高い関係式を得ることができる。

【００６８】つぎに、ステップ１０４で求められた目標
方向ＹMを上記（３）式のＹに代入することにより前胴
部６の目標姿勢角ＸMが求められる。そして、この目標
姿勢角ＸMから現在の前胴部６の姿勢角θを減算するこ
とで、姿勢角変化量Δθが求められる（ステップ１０
６）。

【００６９】つぎに、現在のジャッキモーメントＭを演
算し、これを上記（５）式に代入することによってモー
メントＭの影響による姿勢変化量（ＺM＝）ΔθMを求め
ることができる（ステップ１０７）。

【００７０】つぎに、上記（６）式のＺにステップ１０
６で演算されたΔθを代入するとともに、同（６）式の
ＺMにステップ１０７で演算されたΔθMを代入すること
によって、前胴部６の揺動量Ｋの影響による姿勢角変化
量Δθkが求められる（ステップ１０８）。

【００７１】ついで、こうしてステップ１０８で演算さ
れた姿勢角変化量Δθkを上記（４）式のＺkに代入する
ことにより、前胴部６の揺動量Ｋを求め得る。その後、
１リングの掘進が終了したことを確認するとともに（ス
テップ１１０）、全区間の掘進が終了したことを確認し
て（ステップ１１１）、全処理を終了させるようにす
る。

【００７２】コントローラ１６は、上記ステップ１０９
で演算された揺動量Ｋだけ揺動部６を揺動させるべく、
多重伝送装置１９、２０を介してバルブ２１に制御信号
を送出する。この結果、バルブ２１は所要に開弁され、
前胴アーティキュレートジャッキ８は、所要に伸縮さ
れ、揺動部６が揺動量Ｋだけ揺動される。このように揺
動された結果、シールド掘削機は、目標方向ＹMに沿っ
て精度よく掘進される。

【００７３】なお、掘進と覆工体の組立を併行して行う
場合であっても、同様な方向制御を行うことができる。
ただし、この場合は、ジャッキモーメントＭが、履行体
の組立部分によって大きく変化するため前胴部６の揺動
量の変化も大きくなり、操作はわずか煩雑となる。

【００７４】なお、この第２の実施例では、前胴部６の
位置を基にして掘進方向ＹMを定めるようにしている
が、前胴部６の位置と履行体１１の位置にずれが生じる
場合には、履行体１１の位置を基準にして掘進方向ＹM
を定めるようにしてもよい。

【００７５】また、この第２の実施例では、図７の処理
手順を例示しているが、前胴部６の揺動量Ｋの演算精度
が若干低下するが、演算速度を早めるために、ステップ
１０１ないし１０５の処理の順番を、ステップ１０１、
１０４、１０５、１０２、１０３の順番にして処理を行
うようにしてもよい。

【００７６】・覆工体の組立指示（第３の実施例） つぎに、掘進中に、覆工体の種類および組立方法の指示
を自動的に行う実施例について説明する。

【００７７】処理は図９に示されるようにコントローラ
１６で行われ、最終的な指示内容は、ＣＲＴ２３に表示
されるか、プリンタ２４に印字される。

【００７８】まず、シールド掘削機の現在位置と計画線
に関するデータと目標方向ＹMを求める際の初期入力条
件から、今後の掘進予定線ＬＹが作成される。

【００７９】また、図１１に示すように水平（左右）方
向、垂直（上下）方向のうちで後述する判断をする際に
重視すべき重視方向が設定される（ステップ２０１、２
０２）。

【００８０】つぎに、図１０に示すように、水平平面、
垂直平面の２平面について、既設の覆工体Ｓ０の位置Ｃ
０、端面法線方向Ｈ0s（姿勢角θs0）がデータとして入
力され（ステップ２０３）、覆工体Ｓ０のつぎに、端面
Ｓａ、Ｓｂが平行のストレート形状の覆工体（以下「ス
トレート覆工体」という）Ｓ１を組み立てたと仮定した
場合における覆工体Ｓ１の位置Ｃ１、端面に対する法線
方向Ｈ1s（姿勢角θs1）が、上記入力データおよび覆工
体Ｓ１の形状データに基づいて、同様に水平平面、垂直
平面の２平面について演算される（ステップ２０４）。

【００８１】つぎに、ステップ２０４で演算された位
置、姿勢角に基づいて、既掘進線ＬＫまたは掘進予定線
ＬＹに対する覆工体Ｓ１の位置ずれ量Ｉ1sおよび方向ず
れ（掘進予定線ＬＹの接線方向Ｈ1kと覆工体端面法線方
向Ｈ1sとの差）が幾何学的に求められる。上記方向ずれ
は、覆工体Ｓ１の基準線に対する姿勢角θs1と掘進予定
線ＬＹの接線方向の基準線に対する姿勢角θk1との偏差
として求めることができる。なお、上記位置ずれおよび
方向ずれは、水平方向、垂直方向の両方について求めら
れる（ステップ２０５）。

【００８２】ついで、上記ずれの大きさを判断するため
のしきい値が設定され（図１０（ｂ）では、位置につい
てのしきい値Ｂsを示している）、ステップ２０５で演
算された覆工体Ｓ１の位置ずれおよび方向ずれが、それ
ぞれしきい値よりも小さいか否かが、水平方向、垂直方
向の両方について判断される（ステップ２０６）。

【００８３】上記判断の結果、位置ずれおよび方向ずれ
が水平方向および垂直方向のいずれについても、しきい
値よりも小さいことが判断された場合には、「ストレー
ト形状」が、つぎに組み立てられるべき覆工体の種類で
あると決定し、その旨を組立作業指示としてＣＲＴ２３
の表示画面に表示出力するか、プリンタ２４に印字出力
する（ステップ２０７）。

【００８４】ついで、上述したごとく組立指示の検討が
終了した覆工体Ｓ１の、さらにつぎの覆工体Ｓ２につい
て同様の検討を行うべきか否かが判断され（ステップ２
０８）、検討しない場合は、全処理を終了させる。

【００８５】さて、一方、上記ステップ２０６におい
て、ストレート覆工体Ｓ１の位置ずれまたは方向ずれの
少なくとも一方が、水平方向または垂直方向の少なくと
も一方について、しきい値以上であると判断された場合
には、手順はステップ２０９に移行され、図１０に示す
ような端面Ｓ´ａ、Ｓ´ｂが平行でないテーパ形状の覆
工体（以下「テーパ覆工体」という）Ｓ´１を組み立て
るものと仮定し、その組立位置の仮設定を行う。

【００８６】すなわち、図１１はテーパ覆工体Ｓ´１の
端面Ｓ´ｂを示しており、その各断面Ａ1―Ａ1、Ａ2―
Ａ2…ごとに、最大幅が異なっている。たとえば、図１
２（ａ）は断面Ａ1―Ａ1、Ａm―Ａmのそれぞれを水平
（左右）面に一致させた場合に、それらを上下方向から
見た図であり、Ａ1―Ａ1断面を水平面に一致させた組立
位置の方が、最大幅が大きいことがわかる。

【００８７】一方、図１２（ｂ）は断面Ａ1―Ａ1、Ａm
―Ａmのそれぞれを水平面に一致させた場合に、それら
を左右方向から見た図であり、Ａm―Ａm断面を水平面に
一致させた組立位置の方が、最大幅が大きいことがわか
る。

【００８８】そこで、たとえばＡ1―Ａ1断面を水平面に
一致するような位置決めを行った場合を、仮の組立位置
として（ステップ２０９）、その組立位置における形状
データを、水平方向、垂直方向の両方について取得する
（ステップ２１０；図１２（ａ）、（ｂ））。

【００８９】ついで、上記ステップ２０４、２０５と同
様にして、テーパ覆工体Ｓ´１の位置および姿勢角の演
算、位置ずれおよび方向ずれの演算がなされる（ステッ
プ２１１、２１２）。

【００９０】つぎに、水平方向（図１２（ａ）参照）、
垂直方向（図１２（ｂ）参照）のいずれかを重視方向と
決定し、この決定した重視方向について、上記ステップ
２１２で演算されたテーパ覆工体Ｓ´１の位置ずれおよ
び方向ずれが、上記ステップ２０５で演算されたストレ
ート覆工体Ｓ１の位置ずれおよび方向ずれよりもそれぞ
れ小さいか否かが判断される（ステップ２１３）。この
結果、テーパ覆工体Ｓ´１の位置ずれおよび方向ずれの
両方が、上記ステップ２０５で演算されたストレート覆
工体Ｓ１のそれらよりも小さいと判断された場合には、
当該テーパ覆工体Ｓ´１の位置ずれおよび方向ずれを、
組立位置（Ａ1―Ａ1断面を水平面に一致させるという位
置決め）に対応づけて記憶する（ステップ２１４）。

【００９１】今度は、テーパ覆工体Ｓ´１の断面を、Ａ
1―Ａ1断面からＡ2―Ａ2断面に変更してこのＡ2―Ａ2断
面が水平面に一致するような組立位置について同様な処
理を繰返し実行する（ステップ２０９〜２１４）。

【００９２】以後、同様に各断面Ａ3―Ａ3、Ａ4―Ａ4、
…Ａm―Ａmについて同様な処理が繰返し実行され、位置
ずれおよび方向ずれがストレート覆工体のそれよりも小
さくなった場合のみ、それら位置ずれおよび方向ずれを
データとして記憶する（ステップ２１５）。

【００９３】すべての断面についての処理が終了する
と、記憶データのなかから、最小の位置ずれおよび方向
ずれが選択され、この選択された最小ずれが得られる組
立位置を最終的に決定する。たとえば重視方向が水平方
向の場合、断面Ａm―Ａmが水平面に一致したときの組立
位置が、最小のずれが得られる組立位置であると決定さ
れる（図１２（ａ）参照；ステップ２１６）。

【００９４】そして、つぎに組み立てられるべき覆工体
の種類は、「テーパ形状」であり、その組立方法は、
「断面Ａm―Ａmを水平面に一致させる位置決めを行う」
という内容の組立作業指示がＣＲＴ２３の表示画面に表
示出力され、またはプリンタ２４に印字出力される（ス
テップ２１７）。

【００９５】なお、上述した第１、第２および第３の実
施例は、単独で実施してもよく、それらを任意に組み合
わせて実施してもよい。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
掘削機の姿勢が考慮されて、方向制御がなされるので、
精度よく方向制御がなされ、蛇行等を生じることなく安
全に掘進することができる。

【００９７】また、本発明によれば、レーザターゲット
のような設置の手間がかかる計測装置を要せずに、設置
の手間がかからないセンサの出力によって掘削機の位置
を常時推定するようにしたので、掘削機の位置に基づく
方向制御を常に精度よく行うことができる。

【００９８】また、本発明によれば、掘進と履行体の組
立が併行して行われるシールド掘削機においても、方向
制御を精度よく行うことができ、覆工体の種類と組立方
法の指示を自動的に行うようにしたので、指示検討の手
間が省かれ作業効率が向上するとともに、適切な指示に
より履行体が計画線に沿って組み立てられるので、掘進
の方向制御の精度も大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係るシールド掘削機の実施例
の構成を示す、ブロック図である。

【図２】図２は、本発明に係るシールド掘削機の実施例
の構成を示すブロック図であり、図１と位置計測装置が
異なる実施例を示す図である。

【図３】図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図１およ
び図２に示すシールド掘削機の前部縦断面図、前部斜視
図である。

【図４】図４は、図３（ａ）の矢視Ａ１図であり、推進
ジャッキの配設態様を示す図である。

【図５】図５は、図４の水平方向における幾何学的関係
を示す図である。

【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、覆工体とシールド掘削
機の位置関係を説明する図である

【図７】図７は図１または図２に示すコントローラで実
行される揺動制御の処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図８】図８は掘進に伴うシールド掘削機の姿勢の変化
を示す図である。

【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、覆工体の種類と組立方
法の作業指示の処理手順を示すフローチャートである。

【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、覆工体と掘進予定
線との位置関係を説明する図である。

【図１１】図１１は、覆工体の端面を示す平面図であ
る。

【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は図１１の覆工体端面
の各断面を水平面に一致させた場合において、それぞれ
上下方向、左右方向から見た図である。

【符号の説明】

１ 第１後胴部 ２ 第２後胴部 ４ 推進ジャッキ ３ 前胴部 ８ 前胴アーティキュレートジャッキ １６ コントローラ ２２ ジャイロコンパス ２５ ストローク量センサ ２６ テールクリアランス計

フロントページの続き (72)発明者 宮沢 和夫 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建 設株式会社内 (72)発明者 久原 高志 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建 設株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−125894（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66083（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−302697（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/06 301

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 後胴部に対して前胴部を揺動自在に
   連結するとともに前記後胴部に推進用のジャッキを配設
   し、該推進用ジャッキを伸縮させるとともに前記前胴部
   を揺動させることによりシールド掘削機を目標方向に向
   けて掘進させるようにしたシールド掘削機の制御装置に
   おいて、 前記前胴部の姿勢角と前記シールド掘削機の掘進方向と
   の関係を示す第１の関係式と、前記前胴部の揺動量とこ
   の揺動量によって変化する前記前胴部の姿勢角の第１の
   変化量との関係を示す第２の関係式と、前記推進用ジャ
   ッキによって前記後胴部に加わるジャッキモーメントと
   このジャッキモーメントによって変化する前記前胴部の
   姿勢角の第２の変化量との関係を示す第３の関係式とを
   設定する設定手段と、 前記第１の関係式に前記シールド掘削機の目標掘進方向
   を代入することにより前記前胴部の目標姿勢角を求め、
   該目標姿勢角と現在の前胴部の姿勢角との偏差を前記前
   胴部の姿勢角変化量として求める姿勢角変化量演算手段
   と、 前記第３の関係式に現在のジャッキモーメントを代入す
   ることにより前記前胴部の第２の姿勢角変化量を求める
   第２の姿勢角変化量演算手段と、 前記姿勢角変化量演算手段で演算された姿勢角変化量か
   ら前記第２の姿勢角変化量演算手段で演算された第２の
   姿勢角変化量を減算することにより第１の姿勢角変化量
   を求める第１の姿勢角変化量演算手段と、 前記第１の姿勢角変化量演算手段で演算された第１の姿
   勢角変化量を前記第２の関係式に代入することによって
   前記前胴部の揺動量を演算する揺動量演算手段と、 前記揺動量演算手段で演算された揺動量だけ前記前胴部
   を揺動させ、前記シールド掘削機の掘進方向を目標掘進
   方向に一致させる制御手段と を具えたシールド掘削機の制御装置。
2. 【請求項２】 後胴部に対して前胴部を揺動自在に
   連結するとともに、前記後胴部に、覆工体の端面に当接
   される推進用のジャッキを少なくとも２つ配設し、前記
   後胴部の現在位置を検出し、該検出位置に基づいて前記
   推進用ジャッキを伸縮させるとともに前記前胴部を揺動
   させる制御を行い、シールド掘削機を目標方向に向けて
   掘進させるようにしたシールド掘削機の制御装置におい
   て、 前記後胴部の姿勢角を検出する後胴部姿勢角検出手段
   と、 前記２つの推進用ジャッキごとに設けられたジャッキス
   トローク量検出手段と、 前記ジャッキストローク量検出手段で検出された両ジャ
   ッキのストローク量の偏差を求め、該ストローク量偏差
   と両ジャッキの配設位置間隔とに基づいて前記前記覆工
   体の姿勢角と前記後胴部姿勢角とのずれ角を演算するず
   れ角演算手段と、 前記後胴部姿勢角検出手段で検出された後胴部姿勢角と
   前記ずれ角演算手段で演算されたずれ角とに基づいて前
   記覆工体の姿勢角を演算する覆工体姿勢角演算手段と、 前記覆工体姿勢角演算手段で演算された覆工体姿勢角と
   該覆工体の位置とつぎに組み立てられるべき覆工体の形
   状データとに基づいて、当該つぎの覆工体の位置を順次
   演算する覆工体位置演算手段と、 前記覆工体位置演算手段で順次演算される覆工体の位置
   と前記後胴部姿勢角検出手段の検出姿勢角と前記ジャッ
   キストローク量検出手段の検出ストローク量とに基づい
   て、前記後胴部の位置を、覆工体が組み立てられるごと
   に順次演算する位置演算手段と を具えた請求項１記載のシールド掘削機の制御装置。
3. 【請求項３】 前記覆工体と前記後胴部内面との距
   離を示すテールクリアランスを検出するテールクリアラ
   ンスセンサと、 前記テールクリアランスセンサで検出されたテールクリ
   アランスが所定のしきい値以下であることを判定する判
   定手段と、 前記判定手段でテールクリアランスが前記しきい値以下
   であることが判定された場合に、前記覆工体姿勢角演算
   手段で演算される覆工体姿勢角の代わりに前記後胴部姿
   勢角検出手段で検出される後胴部姿勢角を用いて、前記
   覆工体位置演算手段の演算を行う位置補正手段と をさらに具えている請求項２記載のシールド掘削機の制
   御装置。
4. 【請求項４】 シールド掘削機を目標方向に向けて
   掘進させて、前記覆工体を順次組み立てるようにしたシ
   ールド掘削機の制御装置において、 両端面が平行のストレート覆工体の形状データとすでに
   組み立てられた覆工体の位置および姿勢角のデータとに
   基づいて、つぎに組み立てられるべきストレート覆工体
   の位置および姿勢角を演算する第１の位置・姿勢角演算
   手段と、 前記第１の位置・姿勢角演算手段で演算されたストレー
   ト覆工体の位置および姿勢角の覆工体組立予定ラインに
   対するずれをそれぞれ演算する第１のずれ演算手段と、 前記第１のずれ演算手段によって演算された位置ずれお
   よび姿勢ずれがそれぞれ所定のしきい値以下であるか否
   かを判定する第１の判定手段と、 前記第１の判定手段によって両ずれのいずれかが前記し
   きい値よりも大きいと判定された場合に、両端面が平行
   でないテーパ状のテーパ覆工体の形状データとすでに組
   み立てられた覆工体の位置および姿勢角のデータとに基
   づいて、つぎに組み立てられるべきテーパ覆工体の位置
   および姿勢角を演算する第２の位置・姿勢角演算手段
   と、 前記第２の位置・姿勢角演算手段で演算されたテーパ覆
   工体の位置および姿勢角の前記覆工体組立予定ラインに
   対するずれをそれぞれ演算する第２のずれ演算手段と、 前記第２のずれ演算手段によって演算された位置ずれお
   よび姿勢ずれがそれぞれ前記第１のずれ演算手段によっ
   て演算された位置ずれおよび姿勢ずれよりも小さいこと
   を判定する第２の判定手段と、 前記第１の判定手段によって両ずれのそれぞれが前記し
   きい値以下であると判定された場合に、つぎに組み立て
   るべき覆工体はストレート覆工体であると決定し、当該
   ストレート覆工体の組立指示を出力するとともに、前記
   第２の判定手段によって前記第２のずれ演算手段によっ
   て演算された位置ずれおよび姿勢ずれがそれぞれ前記第
   １のずれ演算手段によって演算された位置ずれおよび姿
   勢ずれよりも小さいことが判定された場合に、つぎに組
   み立てるべき覆工体はテーパ覆工体であると決定し、当
   該テーパ覆工体の組立指示を出力する出力手段と を具えた請求項１記載のシールド掘削機の制御装置。
5. 【請求項５】 前記覆工体の端面に対して垂直な所定
   平面を設定し、前記第１のずれ演算手段は、前記所定平
   面上におけるストレート覆工体の位置ずれおよび姿勢ず
   れを演算するものであり、 前記第２のずれ演算手段は、テーパ覆工体の端面を回転
   させ、該テーパ覆工体の各断面が前記所定平面と同一面
   となる組立位置ごとに、前記所定平面上におけるテーパ
   覆工体の位置ずれおよび姿勢ずれを演算するものであ
   り、 前記第２の判定手段は、前記組立位置ごとに前記判定を
   行うものであり、 前記出力手段は、前記第２の判定手段によって前記第２
   のずれ演算手段によって演算された位置ずれおよび姿勢
   ずれがそれぞれ前記第１のずれ演算手段によって演算さ
   れた位置ずれおよび姿勢ずれよりも小さいことが判定さ
   れたもののうちで、前記第２のずれ演算手段によって演
   算された位置ずれおよび姿勢ずれが最小となる組立位置
   に前記テーパ覆工体が位置決めされるように組立指示す
   るものである請求項４記載のシールド掘削機の制御装
   置。