JP7086737B2 - テールクリアランス計測装置、シールド掘進機およびテールクリアランス計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、テールクリアランス計測装置、シールド掘進機およびテールクリアランス計測方法に関し、特に、非接触でテールクリアランスを計測する技術に関する。

従来、シールド掘進機によるトンネル掘進時に、非接触でテールクリアランスを計測する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

テールクリアランスとは、シールド掘進機の胴部を構成する円筒状のスキンプレートと、スキンプレートの内周側で環状に組み立てられるセグメント（覆工体）との隙間（スキンプレートの内面とセグメントの外面との間の距離）を意味する。スキンプレートとセグメントとの間の領域は、スキンプレートに設けられるテールシール（封止部材）によって外部からの土砂の浸入等が妨げられており、トンネルの掘進時には、テールシールの損耗抑制およびシール性能の確保のため、テールクリアランスが許容範囲内に維持されていることが定期的に確認される。

テールクリアランスの計測方法として、上記特許文献１では、被測定セグメントの前端面と対向する計測点（Ｐとする）において、枢支軸を介して回転自在に枢支したレーザ距離計と、回動角度を測定する検出手段とを設けている。そして、上記特許文献１では、レーザ距離計により計測点（Ｐ）から被測定セグメントの前端面の外周端縁の一点（Ｒとする）までの距離（Ｌとする）を求め、外周端縁の一点（Ｒ）の基準方向からの偏角（θとする）を求め、被測定セグメントの前端面上における基準方向から外周端縁の一点（Ｒ）までの距離（ｔ２とする）を距離（Ｌ）と偏角（θ）とから算出し、テールクリアランス（ｔ）を、スキンプレート内面から計測点（Ｐ）までの距離と、距離（ｔ２）との差として算出する。

特許第２６５１３４６号公報

上記特許文献１のテールクリアランスの計測方法には、以下のような問題点がある。第１に、レーザ距離計がセグメントの前端面と対向するスキンプレートの内面近傍の計測点に設置されており、計測精度の確保が困難である点がある。掘削作業中のシールド掘進機の内部には、土砂、礫、泥水、水、グリスや油などの油脂、モルタルやベントナイトその他の特殊な樹脂を含む各種充填材や裏込め材、セグメント破片、鉄片類などの異物が存在し、非接触測定を行う環境としては一般的に劣悪である。そのため、上記特許文献１のようにレーザ距離計の位置がスキンプレートの内面に近いと、上記異物がレーザ距離計の光照射部（検出部）などに付着しやすいため、計測精度の確保が困難になる。

第２に、上記特許文献１では、レーザ距離計によって計測点（Ｐ）から被測定セグメントの前端面の外周端縁の一点（Ｒ）までの距離（Ｌ）を測定する必要があるが、被測定セグメントの前端面の外周端縁は、スキンプレートとセグメントとの隙間の入口部分に相当し、上記の異物が付着しやすい。さらに、外周端縁はセグメントの角部に相当するため、セグメントの製造時、運搬時または組み立て時に接触等により欠け（欠損）が生じ易い。そのため、外周端縁の一点（Ｒ）を正確に測定することは困難であり、計測精度が得にくい。

このように、上記特許文献１のテールクリアランスの計測方法では、非接触測定を行うに際して計測精度を確保することが困難であり、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でも計測精度を更に向上させることが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でもテールクリアランスの計測精度を向上させることが可能なテールクリアランス計測装置、シールド掘進機およびテールクリアランス計測方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるテールクリアランス計測装置は、シールド掘進機のスキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測装置であって、セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサと、シールド掘進機の掘進方向および半径方向に沿う面内で距離センサを回動させる回動機構と、回動機構による距離センサの回動位置を検出する回動検出部と、を含む計測部と、距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、セグメントの内面上の複数点の計測結果およびスキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する制御部と、を備える。制御部は、セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいてセグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、第１線分および第２線分の各位置とセグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する。なお、本明細書において、「回動」および「回転」は、共に回転中心回りに角度を変化させることを表すが、「回動」は３６０度（１回転）以下の角度範囲での角度変化を表す概念であり、「回転」は３６０度（１回転）以上の角度変化（角度範囲の制約がない角度変化）を表す概念であるとする。

この発明の第１の局面によるテールクリアランス計測装置では、上記のように、セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサを設けることにより、距離センサをスキンプレートの内面から離れた位置に配置できるので、距離センサがスキンプレートの内面近傍に配置される場合と比べて距離センサに異物が付着することを抑制できる。また、セグメントの内面よりも内周側に配置される距離センサによって、セグメントの内面までの距離と、スキンプレートの内面までの距離とを計測できる。さらに、距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、セグメントの内面上の複数点の計測結果およびスキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する制御部を設ける事によって、セグメントの内面やスキンプレートの内面の被計測箇所に異物が付着していたり、局所的な欠損が存在していたりしても、複数点の計測結果に基づくことにより計測結果のばらつきを抑制して正確な位置を求めることができる。これらの結果、距離センサへの異物の付着を抑制して距離センサの計測精度を確保でき、かつ、セグメントの内面上の複数点の計測結果およびスキンプレートの内面上の複数点の計測結果を用いることにより被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスの計測精度を向上させることができる。また、シールド掘進機の掘進方向および半径方向に沿った同一断面におけるセグメントの内面の第１線分とスキンプレートの内面の第２線分とを求め、第１線分と第２線分との距離からセグメントの厚みを減算することにより、テールクリアランスが得られる。このように点と点との距離ではなく、線分と線分との距離を求め、これらの線分を複数点の測定結果から取得することにより、被計測箇所における異物の付着や欠損などの影響を効果的に抑制することができるので、計測精度をより向上させることができる。

上記第１の局面によるテールクリアランス計測装置において、好ましくは、計測部は、シールド掘進機の中心軸線回りの互いに異なる位置に３個以上配置され、制御部は、それぞれの距離センサから得られたセグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいて、セグメントの内面の半径分布を取得するように構成されている。このように構成すれば、それぞれの計測部から、中心軸線回りの複数箇所における内面位置が得られるので、テールクリアランスを確認するだけでなく、組み立てられたセグメントリングが適正な円環形状になっているか否か（言い換えると、セグメントリングの真円度）を確認することができる。

上記第１の局面によるテールクリアランス計測装置において、好ましくは、回動機構は、距離センサを所定の単位角度ずつ回動させるように構成され、制御部は、距離センサを単位角度ずつ回動させて計測される計測点群のうち、セグメントの内面上の３点以上の各計測結果と、スキンプレートの内面上の３点以上の各計測結果とに基づいて、テールクリアランスを算出する。このように構成すれば、距離センサを単位角度ずつ回動させて被測定面を走査（スキャン）するようにして、多数の計測点群における計測結果を得ることができる。そして、セグメントの内面上の計測点群の各計測結果、およびスキンプレートの内面上の計測点群の各計測結果から、たとえば平均値や中央値などの代表値を求めることができるので、被測定面における異物の付着や局所的な欠損による計測結果のばらつきを効果的に抑制して、より一層正確な計測が可能となる。

この場合、好ましくは、制御部は、セグメントの種別に応じて距離センサを回動させる際の単位角度の大きさを変更するように構成されている。ここで、セグメントには、ＲＣ（鉄筋コンクリート）セグメントや鋼製セグメントなどの複数の種別がある。ＲＣセグメントは、成型されたコンクリートによって四角形断面を有する一方、鋼製セグメントでは鋼板の組み合わせによって内面側が凹んだ凹状断面を有する。このため、距離センサによってセグメントの内面を計測する場合に、セグメントの種類に応じて計測点の位置が異なることになる。そこで、セグメントの種別に応じて適切な計測方法を変更することにより、セグメントの種別によらずにテールクリアランスを計測することが可能となる。

上記第１の局面によるテールクリアランス計測装置において、好ましくは、距離センサは、計測光を出射する光学式センサであり、計測部は、距離センサを回動可能に収容するカバーをさらに含み、カバーは、内部で距離センサが回動して計測光を出射可能な貫通した開口部が形成された壁部を有する。このように構成すれば、距離センサがカバー内で回動する構成により、距離センサへの異物付着を効果的に回避できる。また、カバーに貫通した開口部を設けるので、たとえば計測光を透過可能なカバーガラスなどを設ける場合にガラス表面に異物が付着するのに対し、計測光の経路上に異物が付着して計測精度が低下することがない。これらにより、距離センサへの異物付着を効果的に回避して計測精度の低下を抑制することができる。

この場合、好ましくは、回動機構は、非計測時において、距離センサの計測光の出射方向が開口部以外の壁部を向く待機位置へ、距離センサを回動させるように構成されている。このように構成すれば、計測時以外（被計測時）では、距離センサの計測光出射部が開口部ではなく壁部と対向するようになるので、計測光出射部に異物が付着することを極力回避することができる。その結果、距離センサへの異物付着による計測精度の低下を極力抑制することができる。

上記計測部が距離センサを回動可能に収容するカバーを含む構成において、好ましくは、計測部は、カバーまたは距離センサのいずれかに外部から検出可能に設けられたセンサ位置識別部をさらに含む。このように構成すれば、距離センサをカバーによって覆う場合でも、センサ位置識別部によって外部から距離センサの位置を正確に把握することができる。そのため、複数の計測部を設ける場合などに、それぞれの距離センサの位置関係からセグメントの内面形状（真円度など）を正確に把握することができる。

この発明の第２の局面におけるシールド掘進機は、円筒状のスキンプレートと、スキンプレートの一端部に設けられたカッタヘッドと、スキンプレートの内部に配置され、スキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測装置とを備え、テールクリアランス計測装置は、セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサと、掘進方向および半径方向に沿う面内で距離センサを回動させる回動機構と、回動機構による距離センサの回動位置を検出する回動検出部と、を含む計測部と、距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、セグメントの内面上の複数点の計測結果およびスキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する制御部と、を含む。制御部は、セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいてセグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、第１線分および第２線分の各位置とセグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する。

この発明の第２の局面によるシールド掘進機では、上記のように、距離センサをスキンプレートの内面から離れた位置に配置できるので、距離センサがスキンプレートの内面近傍に配置される場合と比べて距離センサに異物が付着することを抑制できる。また、セグメントの内面よりも内周側に配置される距離センサによって、セグメントの内面までの距離と、スキンプレートの内面までの距離とを計測できる。そして、セグメントの内面やスキンプレートの内面の被計測箇所に異物が付着していたり、局所的な欠損が存在していたりしても、複数点の計測結果に基づくことにより計測結果のばらつきを抑制して正確な位置を求めることができる。これらの結果、距離センサへの異物の付着を抑制して距離センサの計測精度を確保でき、かつ、被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスの計測精度を向上させることができる。また、シールド掘進機の掘進方向および半径方向に沿った同一断面におけるセグメントの内面の第１線分とスキンプレートの内面の第２線分とを求め、第１線分と第２線分との距離からセグメントの厚みを減算することにより、テールクリアランスが得られる。このように点と点との距離ではなく、線分と線分との距離を求め、これらの線分を複数点の測定結果から取得することにより、被計測箇所における異物の付着や欠損などの影響を効果的に抑制することができるので、計測精度をより向上させることができる。上記第２の局面によるシールド掘進機において、好ましくは、距離センサは、スキンプレートの内面よりも、シールド掘進機の中心軸線に近い位置に配置されている。このように構成すれば、距離センサをスキンプレートの内面から十分に離れた位置に配置することができる。その結果、スキンプレートの内面付近に存在する異物や、スキンプレートの内面から空中に舞い上がった異物などが距離センサに付着することを効果的に回避することができるので、距離センサの計測精度を容易に確保できる。さらに、その結果、距離センサに付着する異物の除去作業などのメンテナンス作業の頻度を低減できるので、装置運用上の作業負荷を軽減することができる。

この発明の第３の局面におけるテールクリアランス計測方法は、シールド機のスキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測方法であって、セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサを、シールド機の掘進方向および半径方向に沿う面内で回動させ、距離センサの複数の回動位置における計測結果を取得するステップと、距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、セグメントの内面上の複数点の計測結果およびスキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出するステップとを備える。テールクリアランスを算出するステップは、セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいてセグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、第１線分および第２線分の各位置とセグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する。

この発明の第３の局面によるテールクリアランス計測方法では、上記のように、距離センサをスキンプレートの内面から離れた位置に配置できるので、距離センサがスキンプレートの内面近傍に配置される場合と比べて距離センサに異物が付着することを抑制できる。また、セグメントの内面よりも内周側に配置される距離センサによって、セグメントの内面までの距離と、スキンプレートの内面までの距離とを計測できる。そして、セグメントの内面やスキンプレートの内面の被計測箇所に異物が付着していたり、局所的な欠損が存在していたりしても、複数点の計測結果に基づくことにより計測結果のばらつきを抑制して正確な位置を求めることができる。これらの結果、距離センサへの異物の付着を抑制して距離センサの計測精度を確保でき、かつ、被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスの計測精度を向上させることができる。また、シールド掘進機の掘進方向および半径方向に沿った同一断面におけるセグメントの内面の第１線分とスキンプレートの内面の第２線分とを求め、第１線分と第２線分との距離からセグメントの厚みを減算することにより、テールクリアランスが得られる。このように点と点との距離ではなく、線分と線分との距離を求め、これらの線分を複数点の測定結果から取得することにより、被計測箇所における異物の付着や欠損などの影響を効果的に抑制することができるので、計測精度をより向上させることができる。

本発明によれば、上記のように、シールド掘進機の内部環境下で非接触測定を行う場合でもテールクリアランスの計測精度を向上させることができる。

第１実施形態によるシールド掘進機およびテールクリアランス計測装置の模式的な縦断面図である。 計測部の模式的な正面図（Ａ）、上面図（Ｂ）および分解側面図（Ｃ）である。 計測部の計測可能範囲を示す図（Ａ）および非計測時の待機位置を示す図（Ｂ）である。 シールド掘進機における距離センサの配置を説明するための縦断面図（Ａ）および掘進方向から見た正面断面図（Ｂ）である。 テールクリアランス計測装置の構成を説明するためのブロック図である。 第１実施形態のテールクリアランス計測方法を説明するための模式的な断面図である。 第１実施形態によるテールクリアランス計測処理を示したフロー図である。 第２実施形態のテールクリアランス計測方法を説明するための模式的な断面図である。 第２実施形態によるテールクリアランス計測処理を示したフロー図である。 第３実施形態のテールクリアランス計測方法を説明するための模式的な断面図である。 鋼製セグメントの表面上の計測点の分布を説明するための図である。 ＲＣセグメントの表面上の計測点の分布を説明するための図である。 変形例による計測部を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１～図６を参照して、第１実施形態によるテールクリアランス計測装置１００およびこれを備えるシールド掘進機２００について説明する。

（シールド掘進機）
シールド掘進機２００は、円筒状のスキンプレート１０１と、スキンプレート１０１の一方端（掘進方向前面）に配置されたカッタヘッド１１０と、テールクリアランス計測装置１００とを備える。スキンプレート１０１は、円筒状の内面１０２を有し、シールド掘進機２００の胴体（外周壁）を構成する。カッタヘッド１１０は、正面視で（トンネル前後方向から見て）円形形状を有し、回転して土砂を掘削する。テールクリアランス計測装置１００の構成については後述する。

シールド掘進機２００は、カッタヘッド１１０を回転駆動するカッタ駆動部１２０と、セグメント１を押圧してカッタヘッド１１０を推進させるシールドジャッキ１３０と、セグメント１を環状（リング状）に組み立てるエレクタ１４０とを備える。また、シールド掘進機２００は、カッタヘッド１１０によって掘削された土砂が貯留されるチャンバ１５０と、チャンバ１５０内の土砂を排出する排土装置（図示せず）とを備えている。

シールド掘進機２００は、カッタ駆動部１２０によりカッタヘッド１１０を中心軸線ＣＡ回りに回転させつつ、シールドジャッキ１３０により既設のセグメントリング（覆工体）を支持体として掘進方向への推進力を発生させることにより、地山の掘削を行う。カッタヘッド１１０により掘削された土砂は、チャンバ１５０内に導入され、たとえばスクリュコンベヤからなる排土装置によってシールド掘進機２００の後方に排出された後、ベルトコンベヤなどにより後方の坑口へ向けて搬送される。

所定距離の掘削が行われると、エレクタ１４０によりセグメント１が組み立てられて、所定距離分のセグメントリング（覆工体）が既設のセグメントリングの掘進方向先端部を延長するように追加構築される。このように、セグメント１は、環状に組み立てられることによって、シールド掘進機２００が構築するトンネルの壁面を構成する。シールド掘進機２００は、掘削とセグメント１の組み立てとを繰り返すことによりセグメントリングを構築しながら掘進する。

セグメント１の組み立てはスキンプレート１０１の内部で行われ、環状に組み立てられたセグメント１（セグメントリング）の外面３とスキンプレート１０１の内面１０２との間には、所定の大きさでテールクリアランス（隙間）Δが周方向の全周に亘って設けられる。スキンプレート１０１の内面１０２の掘進方向後端部には、テールシール１０５が周方向の全周に亘って設けられている。テールシール１０５は、セグメント１の外面３と当接するように設けられ、テールクリアランスΔの部分から外部の土砂や水などがシールド掘進機２００の内部に浸入することを防ぐシール部材である。

トンネルの施工が行われる間、たとえば一定距離の掘進が行われる毎に、テールクリアランスΔの大きさが計測され、テールクリアランスΔの計測値が予め設定された許容範囲内に収まることが確認される。一定距離の掘進が行われる毎とは、たとえば、１つまたは複数のセグメントリングを組み立てる毎などである。一例としては、セグメント１の組み立て開始時、または、セグメント１の組み立て完了時のタイミングで、テールクリアランスΔが計測される。第１実施形態では、シールド掘進機２００が備えるテールクリアランス計測装置１００によって、テールクリアランスΔが計測される。

なお、シールド掘進機２００には様々な形式があるが、図１に例示したシールド掘進機２００は、泥土圧式のシールド掘進機２００の例を示している。シールド掘進機２００は、泥水式シールド掘進機であってもよい。泥水式シールド掘進機の場合には、図示しない排泥管を介してチャンバ１５０内に泥水を送り込んで掘削土砂をスラリー化し、スラリー化した掘削土砂を、排土装置を介して排出する。この場合の排土装置は、スラリー化した掘削土砂を排出する排泥管などにより構成される。

以下では、シールド掘進機２００の各方向について、中心軸線ＣＡに沿った方向を掘進方向とし、中心軸線ＣＡを中心とする半径方向をシールド掘進機２００の半径方向とする。また、中心軸線ＣＡ回りの回転方向（スキンプレート１０１の内周に沿った方向）をシールド掘進機２００の周方向とする。

（テールクリアランス計測装置）
第１実施形態のテールクリアランス計測装置１００は、上記の通り、シールド掘進機２００のスキンプレート１０１の内面１０２と、環状に組み立てられたセグメント１の外面３との間の距離であるテールクリアランスΔを計測する装置である。テールクリアランス計測装置１００は、計測部１０と、制御部２０と、を備える。

計測部１０は、少なくともスキンプレート１０１の内面１０２上の計測点と、セグメント１の内面２上の計測点とに対して、距離計測を行うことが可能なように構成されている。ここで、計測点とは、計測部１０による距離計測が行われる目標点のことであり、後述する測定光が照射される被照射点である。計測部１０は、具体的には、図２に示すように、距離センサ１１と、回動機構１２と、回動検出部１３とを含む。

距離センサ１１は、非接触式の距離センサである。第１実施形態では、距離センサ１１は、計測光を出射する光学式センサにより構成されている。具体的には、距離センサ１１は、計測光としてレーザ光を出射し、計測点で反射されたレーザ光を受光することにより、計測点までの距離を計測するレーザ距離計である。距離センサ１１は、計測光を出射するとともに反射光を受光するレンズが設けられた出射口１１ａ（図２（Ａ）参照）を備える。レーザ距離計の構成自体は公知であるので、説明を省略する。

回動機構１２は、距離センサ１１を回動させるように構成されている。回動機構１２は、シールド掘進機２００の掘進方向および半径方向に沿う面内で距離センサ１１を回動させる。つまり、回動機構１２は、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡと、半径方向のうちで距離センサ１１の出射口１１ａを通る直線とによって特定される面内で、距離センサ１１を回動させる。図１は、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡと、半径方向のうちで鉛直方向の直線とによって特定される面（縦断面）内で距離センサ１１が回動される構成の例を示している。回動により距離センサ１１から出射される計測光を走査させた場合、計測点はスキンプレート１０１の内面１０２およびセグメント１の内面２においてそれぞれ中心軸線ＣＡと同方向の線分を形成する。

図２に戻り、回動機構１２は、回動軸１２ａを介して距離センサ１１を保持している。回動機構１２は、回動軸１２ａを回動させるモータ１２ｂを含む。モータ１２ｂは、特に限定されないが、たとえばパルス入力に応じて単位角度ずつ回動軸１２ａを回動させるステッピングモータである。この場合、回動機構１２に入力するパルス数によって距離センサ１１の回動角度を制御可能である。回動機構１２は、たとえば３６０度（１回転）の角度範囲で距離センサ１１を回動させることが可能である。回動可能な範囲は、スキンプレート１０１の内面１０２（図１参照）およびセグメント１の内面２（図１参照）をそれぞれ計測可能であれば、３６０度未満でもよいし、３６０度より大きくてもよい。

回動検出部１３は、回動機構１２による距離センサ１１の回動位置を検出するように構成されている。回動検出部１３は、たとえばモータ１２ｂの回動角度を検出するエンコーダやレゾルバなどであり得るが、ステッピングモータの場合、所定の原点位置を検出するためのフォトインタラプタなどの原点センサでありうる。この場合、回動検出部１３により検出された原点位置を基準として、回動機構１２（モータ１２ｂ）に入力されたパルス数によって、原点位置からの回動角度が把握される。第１実施形態では、回動検出部１３は、原点センサであり、後述するように距離センサ１１の計測光の出射方向が壁部１４ａを向く待機位置ＴＰ（図３参照）を原点位置として検出するように設けられている。

また、第１実施形態では、計測部１０は、距離センサ１１を回動可能に収容するカバー１４を含んでいる。カバー１４は、底部が開放された箱状形状を有し、回動機構１２の上面部分に装着されることにより、距離センサ１１を内部に収容した状態で固定されている。

カバー１４は、内部で距離センサ１１が回動して計測光を出射可能な貫通した開口部１４ｂが形成された壁部１４ａを有する。壁部１４ａは、距離センサ１１の周囲を全周に亘って取り囲むように設けられている。開口部１４ｂは、距離センサ１１の出射口１１ａと対向する位置（出射口１１ａと同じ高さ位置）に形成されている。開口部１４ｂは、距離センサ１１からの計測光の出射経路を開放するように距離センサ１１の回動方向に沿ってスリット状に形成されている。このため、壁部１４ａに対する開口部１４ｂの形成範囲によって、距離センサ１１を回動させた場合の計測部１０の計測可能な角度範囲が画定される。距離センサ１１の回動方向に沿って、開口部１４ｂ以外の部分には壁部１４ａが設けられている。壁部１４ａは、透光性部材により形成されていてもよい（必ずしも計測光を遮光する必要はない）が、計測部１０による計測可能範囲外とされる。

したがって、図３（Ａ）の構成例では、計測部１０の計測可能範囲が角度範囲αであり、角度範囲βにおいて計測可能範囲外となる。角度範囲αは、スキンプレート１０１の内面１０２およびセグメント１の内面２をそれぞれ計測可能であれば特に限定されないが、たとえば９０度以上が好ましく、より好ましくは１８０度以上２７０度以下である。壁部１４ａが設けられる角度範囲βは、たとえば９０度以上が好ましい。言い換えると、図３に示した平面視で矩形状のカバー１４においては、開口部１４ｂは、２つまたは３つの側面に亘って延びるように形成されることが好ましく、壁部１４ａは、少なくとも１つの側面を構成するように形成されることが好ましい。

なお、開口部１４ｂは、壁部１４ａに形成された貫通孔であり、カバーガラスなどによって覆われていない。そのため、カバー１４において開口部１４ｂの形成領域に異物が付着することはない。シールド掘進機２００内の異物は、土砂、礫、泥水、水、グリスや油などの油脂、モルタルやベントナイトその他の特殊な樹脂を含む各種充填材や裏込め材、セグメント破片、鉄片類などであり、一旦付着すると固着して、ワイパーなどを用いても容易には除去できないものもある。このため、開口部１４ｂが開放されることによって、計測光の経路上に異物が付着することが確実に回避される。

図３（Ａ）に示すように、テールクリアランスΔの計測時には、回動機構１２が角度範囲α内の複数の角度位置に距離センサ１１を回動させて、開口部１４ｂを介して計測光を出射させることにより、スキンプレート１０１の内面１０２およびセグメント１の内面２の距離計測が行われる。

一方、第１実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、回動機構１２は、非計測時において、距離センサ１１の計測光の出射方向が開口部１４ｂ以外の壁部１４ａを向く待機位置ＴＰへ、距離センサ１１を回動させるように構成されている。つまり、テールクリアランス計測装置１００の待機時には、回動機構１２は、距離センサ１１の出射口１１ａがカバー１４の壁部１４ａと対向する所定角度位置（待機位置ＴＰ）に、距離センサ１１を回動させる。待機位置ＴＰは、壁部１４ａが設けられる角度範囲β内の位置であれば、特に限定されない。図３（Ｂ）の構成例では、待機位置ＴＰは、角度範囲βのうちの中央近傍の位置であり、これにより最も効果的に、出射口１１ａへの異物の付着が回避できる。なお、上記の通り、回動検出部１３が待機位置ＴＰを回動機構１２の原点位置として検出する。そのため、回動機構１２のモータ１２ｂを原点位置まで回動させるだけで、距離センサ１１が確実に待機位置ＴＰへ配置される。

図２に戻り、計測部１０は、カバー１４または距離センサ１１のいずれかに外部から検出可能に設けられたセンサ位置識別部１５（図２（Ｂ）参照）を含む。センサ位置識別部１５は、距離センサ１１の中心位置座標を示すマークであり、距離センサ１１の回動中心軸（回動軸１２ａ）と同軸で距離センサ１１の上部に設けられた軸部１１ｂの先端面に設けられている。そして、カバー１４の上面１４ｃには、距離センサ１１の軸部１１ｂを挿通してセンサ位置識別部１５をカバー１４の外部に露出させるための孔部１４ｄ（図２（Ｃ）参照）が設けられている。このため、距離センサ１１がカバー１４に覆われた状態でも、センサ位置識別部１５を目印として、シールド掘進機２００内における距離センサ１１の位置を正確に把握できる。

（計測部の配置）
計測部１０は、スキンプレート１０１の内部の所定位置に配置される。第１実施形態では、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、距離センサ１１（計測部１０）は、セグメント１の内面２よりも半径方向内周側（中心軸線ＣＡ側）に配置されている。距離センサ１１（計測部１０）は、スキンプレート１０１の内面１０２およびセグメント１の内面２から、半径方向に離れた位置に配置されている。また、距離センサ１１（計測部１０）は、スキンプレート１０１の内面１０２よりも、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡに近い位置に配置されている。また、計測部１０は、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡ回り（周方向）の互いに異なる位置に３個以上配置されている。図４の例では、計測部１０は、周方向に略等角度間隔で４個設けられている。この場合は、各計測部１０が約９０度間隔で配置されている。このため、テールクリアランス計測装置１００は、約９０度間隔の４箇所で、それぞれテールクリアランスΔおよびセグメント１の内面２の位置（半径方向距離）を取得する。

それぞれの距離センサ１１（計測部１０）は、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡから半径方向に略等しい距離Ｒ１～Ｒ４だけ離れた位置に配置されている。図示は省略するが、計測部１０は、シールド掘進機２００内のシールドジャッキ１３０を固定するための支持壁１３１などの構造部分からブラケットなどを介して固定的に保持される。各々の計測部１０のシールド掘進機２００の中心軸線ＣＡからの距離Ｒ１～Ｒ４は、センサ位置識別部１５の位置座標を計測することにより予め取得される。

（制御部）
図５に示すように、制御部２０は、計測部１０を制御して距離センサ１１の複数の回動位置における計測結果を取得するとともに、計測結果に基づいてテールクリアランスΔを算出するように構成されている。

それぞれの計測部１０は、たとえば中継ボックス３０を介して制御部２０に接続されている。中継ボックス３０は、距離センサ１１用、回動機構１２用および回動検出部１３用のそれぞれのアンプ３１と、通信機器３２と、電源装置（図示せず）とを有する。通信機器３２は、アンプ３１からそれぞれ出力される信号を変換して、検出信号として制御部２０に出力するなど、計測部１０と制御部２０との間の信号のやりとりを中継する。

制御部２０は、ＣＰＵなどのプロセッサと、揮発性または不揮発性のメモリとを備えたコンピュータである。制御部２０は、たとえばシールド掘進機２００のオペレーションルーム（運転室）４０の制御盤に設けられており、表示部２１にテールクリアランスΔやセグメント１の内面２の半径の計測データを出力することが可能である。制御部２０は、中継ボックス３０の通信機器３２から距離センサ１１の出力信号（計測結果）を取得する。また、制御部２０は、回動検出部１３から回動機構１２の原点位置の検出信号を取得する。制御部２０は、検出された原点位置を基準とし、通信機器３２を介して回動機構１２にパルス信号を出力することにより、距離センサ１１の回動角度を制御する。

このような構成により、制御部２０は、距離センサ１１の複数の回動位置における計測結果のうち、セグメント１の内面２（図１参照）上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２（図１参照）上の複数点の計測結果と、セグメント１の厚みＢ（図１参照）とに基づいてテールクリアランスΔを算出するように構成されている。

（テールクリアランスの計測方法）
次に、第１実施形態によるテールクリアランスの計測方法について説明する。テールクリアランスの計測方法は、図６に示すように、セグメント１の内面２よりも内周側に配置された非接触式の距離センサ１１を、シールド機の掘進方向および半径方向に沿う面内で回動させ、距離センサ１１の複数の回動位置における計測結果を取得するステップと、距離センサ１１の複数の回動位置における計測結果のうち、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果と、セグメント１の厚みＢとに基づいてテールクリアランスΔを算出するステップと、を備える。

具体的には、計測結果を取得するステップにおいて、制御部２０は、回動機構１２を制御して、角度θ１、θ２、θ３およびθ４の各々の角度位置へ距離センサ１１を回動させて距離計測を実行させる。なお、以降の説明では、便宜的に、角度θ１～θ４を掘進方向後方に向かう水平方向からの回動角度として説明する。角度θ１および角度θ２は、それぞれセグメント１の内面２上の計測点Ｐ１およびＰ２に計測光が照射される角度として設定される。また、角度θ３および角度θ４は、それぞれセグメント１の内面２上の計測点Ｐ３およびＰ４に計測光が照射される角度として設定される。

制御部２０は、各々の回動位置における距離計測により、角度θ１、θ２、θ３およびθ４における各計測点までの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４を距離センサ１１から取得する。したがって、第１実施形態では、セグメント１の内面２上の２点（Ｐ１、Ｐ２）の計測結果（距離Ｌ１、Ｌ２）と、スキンプレート１０１の内面１０２上の２点（Ｐ３、Ｐ４）の計測結果（距離Ｌ３、Ｌ４）とが取得される。

テールクリアランスΔを算出するステップにおいて、制御部２０は、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果に基づいてセグメント１の内面２上の第１線分５１の位置を取得する。この場合、第１線分５１は、計測点Ｐ１とＰ２との２点間の線分である。制御部２０は、第１線分５１を構成する各計測点Ｐ１およびＰ２の半径方向距離の平均値を、第１線分５１の位置（半径方向距離）として取得する。

すなわち、計測点Ｐ１の半径方向距離は、Ｌ１×ｓｉｎ（θ１）で表され、計測点Ｐ２の半径方向距離は、Ｌ２×ｓｉｎ（θ２）で表される。第１線分５１の位置を、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒａとし、それぞれの距離センサ１１の半径方向距離Ｒ１～Ｒ４を変数ｒと置き直すと、距離Ｒａは下式（１）となる。
Ｒａ＝ｒ＋｛Ｌ１×ｓｉｎ（θ１）＋Ｌ２×ｓｉｎ（θ２）｝／２ ・・・（１）

同様に、制御部２０は、スキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレート１０１の内面１０２上の第２線分５２の位置を取得する。この場合、第２線分５２は、計測点Ｐ３とＰ４との２点間の線分である。制御部２０は、各計測点Ｐ３およびＰ４の半径方向距離の平均値を、第２線分５２の位置（半径方向距離）として取得する。

すなわち、第２線分５２の位置を、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒｂとし、それぞれの距離センサ１１の半径方向距離Ｒ１～Ｒ４を変数ｒと置き直すと、距離Ｒｂは下式（２）となる。
Ｒｂ＝ｒ＋｛Ｌ３×ｓｉｎ（θ３）＋Ｌ４×ｓｉｎ（θ４）｝／２ ・・・（２）

そして、制御部２０は、第１線分５１および第２線分５２の各位置（半径方向距離）とセグメント１の厚みＢとに基づいてテールクリアランスΔを算出する。セグメント１は、外周縁部などの角部が局所的に欠損することがあっても、厚みＢは変化しないので既知の寸法としてよい。そのため、テールクリアランスΔは、下式（３）により取得される。
Δ＝Ｒｂ－Ｒａ－Ｂ ・・・（３）

以上により、テールクリアランスΔが計測される。

第１線分５１および第２線分５２の長さは、セグメント１の掘進方向長さＷ（図１参照）に比べて極端に小さくないことが好ましく、たとえば０．３Ｗ以上０．８Ｗ以下の範囲とすることが好ましい。また、計測精度の点から、第１線分５１および第２線分５２の掘進方向の間隔（つまり、計測点Ｐ２とＰ３との間隔）は小さいほど好ましく、たとえば０．５Ｗ以下とすることが好ましい。

なお、制御部２０は、４つの計測部１０の各々について、テールクリアランスΔを取得するとともに、第１線分５１の半径方向距離Ｒａを、セグメント１の内面２の中心軸線ＣＡからの半径として取得する。そして、４箇所の計測部１０から得られたテールクリアランスΔおよびセグメント１の内面２の半径Ｒａを、表示部２１に表示させる。このように、第１実施形態では、制御部２０は、それぞれの距離センサ１１から得られたセグメント１の内面２上の複数点の計測結果に基づいて、セグメント１の内面２の半径分布を取得するように構成されている。これらのテールクリアランスΔの分布から、スキンプレート１０１とセグメント１との偏心の有無が把握可能であり、セグメント１の内面２の半径Ｒａの分布から、セグメント１の真円度が把握可能である。トンネルの掘進中は、これらの各計測値が許容範囲に収まることが確認される。

（テールクリアランスの計測処理）
次に、図７を参照して、制御部２０によるテールクリアランスの計測処理の動作を説明する。なお、４つの計測部１０（距離センサ１１）に対する処理は同一であるので、以下では、１つの計測部１０（距離センサ１１）についての計測処理のみを説明する。

ステップＳ１において、制御部２０は、各計測点Ｐ１～Ｐ４における距離計測を行う。すなわち、回動機構１２により距離センサ１１を角度θ１、θ２、θ３およびθ４に向けて、各計測点Ｐ１～Ｐ４までの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４を取得する。

ここで、実際の計測時においては、各距離センサ１１のセンサ位置識別部１５を目印として取得される距離Ｒ１～Ｒ４の中心位置と、セグメント１およびスキンプレート１０１の中心軸線ＣＡ（シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡ）とが厳密には一致せず、さらに異物の付着や汚れ等によって正確な計測値が取得できない可能性がある。これらの可能性を許容または排除するため、制御部２０は、ステップＳ２において、第１線分５１および第２線分５２を構成する各計測点Ｐ１～Ｐ４の位置偏差が、所定の許容範囲Ｅｒに含まれることを確認する。

まず、制御部２０は、計測点Ｐ１およびＰ２の半径方向距離の差分（絶対値）を第１線分５１の位置偏差として取得する。同じく、計測点Ｐ３およびＰ４の半径方向距離の差分の絶対値を第２線分５２の位置偏差として取得する。そして、制御部２０は、下式に示すように、得られた位置偏差が、予め設定された所定の許容範囲Ｅｒよりも大きいか否かを判断する。許容範囲Ｅｒは、シールド掘進機２００のサイズ等によって異なるが、たとえば数ｍｍ～１０ｍｍ程度の所定値とすることができる。
第１線分５１の位置偏差：｜Ｌ１×ｓｉｎ（θ１）－Ｌ２×ｓｉｎ（θ２）｜＞Ｅｒ
第２線分５２の位置偏差：｜Ｌ３×ｓｉｎ（θ３）－Ｌ４×ｓｉｎ（θ４）｜＞Ｅｒ

そして、制御部２０は、いずれかの位置偏差が許容範囲Ｅｒよりも大きい場合、ステップＳ３に処理を進めて、計測誤差が過大であることを報知する。たとえば制御部２０は、計測誤差が過大であることを示す警告メッセージを表示部２１に表示する。

制御部２０は、いずれの位置偏差も許容範囲Ｅｒ以下に収まる場合に、ステップＳ４に処理を進めて、上式（１）により、第１線分５１の半径方向距離Ｒａを取得する。なお、変数ｒには、対応する距離センサ１１の半径方向距離（Ｒ１～Ｒ４のいずれか）が代入される。ステップＳ５において、制御部２０は、上式（２）により、第２線分５２の半径方向距離Ｒｂを取得する。

ステップＳ６において、制御部２０は、上式（３）により、テールクリアランスΔを取得する。そして、ステップＳ７において、制御部２０は、得られたテールクリアランスΔとセグメント１の内面２の半径Ｒａとを表示部２１に表示する。制御部２０は、４つの計測部１０の各々についてステップＳ１～Ｓ７の処理を行うことにより、各計測結果を表示部２１に表示させる。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、セグメント１の内面２よりも内周側に配置された非接触式の距離センサ１１を設けることにより、距離センサ１１をスキンプレート１０１の内面１０２から離れた位置に配置できるので、距離センサ１１がスキンプレート１０１の内面１０２近傍に配置される場合と比べて距離センサ１１に異物が付着することを抑制できる。また、セグメント１の内面２よりも内周側に配置される距離センサ１１によって、セグメント１の内面２までの距離と、スキンプレート１０１の内面１０２までの距離とを計測できる。さらに、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果と、セグメント１の厚みＢとに基づいてテールクリアランスΔを算出する制御部２０を設ける事によって、セグメント１の内面２やスキンプレート１０１の内面１０２の被計測箇所に異物が付着していたり、局所的な欠損が存在していたりしても、計測結果のばらつきを抑制して正確な位置を求めることができる。これらの結果、距離センサ１１への異物の付着を抑制して距離センサ１１の計測精度を確保でき、かつ、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果を用いることにより被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機２００の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスΔの計測精度を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、制御部２０は、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果に基づいてセグメント１の内面２上の第１線分５１の位置を取得し、スキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレート１０１の内面１０２上の第２線分５２の位置を取得し、第１線分５１および第２線分５２の各位置とセグメント１の厚みＢとに基づいてテールクリアランスΔを算出する。このように構成すれば、第１線分５１と第２線分５２との距離からセグメント１の厚みＢを減算することにより、テールクリアランスΔが得られる。このように点と点との距離ではなく、線分と線分との距離を求め、これらの線分を複数点の測定結果から取得することにより、被計測箇所における異物の付着や欠損などの影響を効果的に抑制することができるので、計測精度をより向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、計測部１０は、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡ回りの互いに異なる位置に３個以上（４個）配置され、制御部２０は、それぞれの距離センサ１１から得られたセグメント１の内面２上の複数点の計測結果に基づいて、セグメント１の内面２の半径分布を取得する。このように構成すれば、それぞれの計測部１０から、中心軸線ＣＡ回りの複数箇所における内面１０２位置が得られるので、テールクリアランスΔを確認するだけでなく、組み立てられたセグメントリングが適正な円環形状になっているか否か（セグメントリングの真円度）を確認することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、距離センサ１１は、スキンプレート１０１の内面１０２よりも、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡに近い位置に配置されている。このように構成すれば、距離センサ１１をスキンプレート１０１の内面１０２から十分に離れた位置に配置することができる。その結果、スキンプレート１０１の内面１０２付近に存在する異物や、スキンプレート１０１の内面１０２から空中に舞い上がった異物などが距離センサ１１に付着することを効果的に回避することができるので、距離センサ１１の計測精度を容易に確保できる。また、距離センサ１１に付着する異物の除去作業などのメンテナンス作業の頻度を低減できるので、装置運用上の作業負荷を軽減できる。

また、第１実施形態では、上記のように、距離センサ１１は、計測光を出射する光学式センサであり、計測部１０は、距離センサ１１を回動可能に収容するカバー１４を含み、カバー１４は、内部で距離センサ１１が回動して計測光を出射可能な貫通した開口部１４ｂが形成された壁部１４ａを有する。このように構成すれば、距離センサ１１への異物付着を効果的に回避できる。また、カバー１４に貫通した開口部１４ｂを設けるので、たとえば計測光を透過可能なカバーガラスなどを設ける場合にガラス表面に異物が付着するのに対し、計測光の経路上に異物が付着して計測精度が低下することがない。これらにより、距離センサ１１への異物付着を効果的に回避して計測精度の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、回動機構１２は、非計測時において、距離センサ１１の計測光の出射方向が開口部１４ｂ以外の壁部１４ａを向く待機位置ＴＰへ、距離センサ１１を回動させる。このように構成すれば、計測時以外（被計測時）では、距離センサ１１の出射口１１ａが開口部１４ｂではなく壁部１４ａと対向するようになるので、出射口１１ａに異物が付着することを極力回避することができる。その結果、距離センサ１１への異物付着による計測精度の低下を極力抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、計測部１０は、距離センサ１１に外部から検出可能に設けられたセンサ位置識別部１５をさらに含む。このように構成すれば、距離センサ１１をカバー１４によって覆う場合でも、センサ位置識別部１５によって外部から距離センサ１１の位置を正確に把握することができる。そのため、複数の計測部１０を設ける場合などに、それぞれの距離センサ１１の位置関係からセグメント１の真円度などを正確に把握することができる。

また、第１実施形態によるシールド掘進機２００では、上記のテールクリアランス計測装置１００を設ける事によって、距離センサ１１への異物の付着を抑制して距離センサ１１の計測精度を確保でき、かつ、被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機２００の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスΔの計測精度を向上させることができる。

また、第１実施形態におけるテールクリアランス計測方法では、上記のように、距離センサ１１をスキンプレート１０１の内面１０２から離れた位置に配置できるので、距離センサ１１に異物が付着することを抑制できる。また、セグメント１の内面２までの距離と、スキンプレート１０１の内面１０２までの距離とを計測できる。そして、セグメント１の内面２やスキンプレート１０１の内面１０２の被計測箇所に異物が付着していたり、局所的な欠損が存在していたりしても、複数点の計測結果に基づくことにより計測結果のばらつきを抑制して正確な位置を求めることができる。これらの結果、距離センサ１１への異物の付着を抑制して距離センサ１１の計測精度を確保でき、かつ、被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機２００の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスΔの計測精度を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、図８および図９を参照して、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、計測点Ｐ１～Ｐ４の４点を計測した上記第１実施形態に限定せず、セグメント１の内面２上の３点以上の各計測結果と、スキンプレート１０１の内面１０２上の３点以上の各計測結果とに基づいて、テールクリアランスΔを算出する例について説明する。なお、第２実施形態において、シールド掘進機２００およびテールクリアランス計測装置１００の装置構成は、上記第１実施形態と同様であるので同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

第２実施形態では、図８に示すように、回動機構１２は、距離センサ１１を所定の単位角度ずつ回動させるように構成されている。具体的には、回動機構１２は、距離センサ１１を単位角度ずつｎ回回動させて、θ１～θｎまでのｎ個の回動位置で距離計測を実施させるように、制御部２０に制御される。これにより、制御部２０は、角度θ１～θｎでのｎ点の計測点Ｑ１～Ｑｎからなる計測点群における各計測結果を取得する。

単位角度の大きさは、セグメント１の内面２上に少なくとも３点の計測点が形成され、スキンプレート１０１の内面１０２上に少なくとも３点の計測点が形成されるように設定される。単位角度は、セグメント１の内面２やスキンプレート１０１の内面１０２までの距離センサ１１からの平均距離にもよるが、たとえば０．１度などとする。この場合、セグメント１の内面２上およびスキンプレート１０１の内面１０２上には、３点以上の十分に多数の計測点が形成される。

そして、第２実施形態では、制御部２０は、距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて計測される計測点群のうち、セグメント１の内面２上の３点以上の各計測結果と、スキンプレート１０１の内面１０２上の３点以上の各計測結果とに基づいて、テールクリアランスΔを算出する。

距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて計測を行う場合、各計測点Ｑ１～Ｑｎは、セグメント１の内面２上の第１線分５１と、スキンプレート１０１の内面１０２上の第２線分５２と、セグメント１の前端面４上の第３線分５３とのいずれかに含まれる。そこで、制御部２０は、各計測点Ｑ１～Ｑｎにおける半径方向距離Ｌｉ×ｓｉｎ（θｉ）（ｉ＝１～ｎ）を算出し、Ｌｉ×ｓｉｎ（θｉ）の値が第３線分５３の領域において急激に変化することに基づいて、第３線分５３を構成する計測点を除外する。

すなわち、下式（４）に示すように、隣接する２つの計測点ＱｉとＱｉ＋１との間の半径方向距離の差分Ｄｉが、予め設定された所定の許容範囲Ｅｒよりも大きい場合に、計測点Ｑｉが第３線分５３を構成する計測点であるとして除外される。
Ｄｉ＝｜Ｌｉ＋１×ｓｉｎ（θｉ＋１）－Ｌｉ×ｓｉｎ（θｉ）｜＞Ｅｒ ・・・（４）

また、第２実施形態では、制御部２０には、セグメント１の内面２の位置を含む半径方向距離の第１範囲（ＲａＬ、ＲａＨ）と、スキンプレート１０１の内面１０２の位置を含む半径方向距離の第２範囲（ＲｂＬ、ＲｂＨ）とが予め設定されている。制御部２０は、各計測点Ｑ１～Ｑｎにおける中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒｉが、第１範囲に収まる場合（ＲａＬ＜Ｒｉ＜ＲａＨ）に、その計測点を第１線分５１の点として区分し、中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒｉが、第２範囲に収まる場合（ＲｂＬ＜Ｒｉ＜ＲｂＨ）に、その計測点を第２線分５２の点として区分する。
なお、Ｒｉは下式（５）により取得される。
Ｒｉ＝ｒ＋Ｌｉ×ｓｉｎ（θｉ） ・・・（５）

このようにして、制御部２０は、距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて計測される計測点群のうちから、第１線分５１を構成する計測点と、第２線分５２を構成する計測点とを区分する。このように区分することにより、制御部２０は、セグメント１の内面２上の３点以上の計測点を含む第１線分５１の位置を取得する。すなわち、制御部２０は、第１線分５１を構成する各計測点Ｑの中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒｉの平均値を、第１線分５１の位置（半径方向距離Ｒａ）として取得する。また、制御部２０は、スキンプレート１０１の内面１０２上の３点以上の計測点を含む第２線分５２の位置を取得する。すなわち、制御部２０は、第２線分５２を構成する各計測点Ｑの中心軸線ＣＡからの半径方向距離Ｒｉの平均値を、第２線分５２の位置（半径方向距離Ｒｂ）として取得する。

なお、制御部２０は、第１線分５１を構成する各計測点Ｑの数、または第２線分５２を構成する各計測点Ｑの数が２点以下である場合、計測誤差が過大であるとして計測を終了する。

（テールクリアランスの計測処理）
次に、図９を参照して、制御部２０によるテールクリアランスの計測処理の動作を説明する。なお、４つの計測部１０（距離センサ１１）に対する処理は同一であるので、以下では、１つの計測部１０（距離センサ１１）についての計測処理のみを説明する。

ステップＳ１１において、制御部２０は、第１線分５１を構成する計測点の数を表す変数Ｃ１および第２線分５２を構成する計測点の数を表す変数Ｃ２の値を、０に初期化する。

ステップＳ１２において、制御部２０は、ｎ点の各計測点Ｑｉ（ｉ＝１～ｎ）における距離計測を行う。すなわち、制御部２０は、回動機構１２により距離センサ１１の角度θｉを単位角度ずつＱ１～Ｑｎまで順番に変更させ、距離センサ１１により各計測点Ｑ１～Ｑｎまでの距離Ｌ１～Ｌｎを取得する。

次に、制御部２０は、ステップＳ１３において、各計測点Ｑｉ（Ｑ１～Ｑｎ－１）の各々について、第１線分５１～第３線分５３のいずれかに区分する。

まず、制御部２０は、上式（４）により、着目する計測点Ｑｉについて差分Ｄｉが許容範囲Ｅｒよりも大きいか否かを判断し、許容範囲Ｅｒよりも大きい場合（Ｄｉ＞Ｅｒ）には、着目する計測点Ｑｉが第３線分５３を構成する計測点であるとして、除外する（Ｒｉ＝０とする）。制御部２０は、差分Ｄｉが許容範囲Ｅｒ以下となる場合（Ｄｉ≦Ｅｒ）には、着目する計測点Ｑｉについて、上式（５）により半径方向距離Ｒｉを求める。

そして、計測点Ｑｉの半径方向距離Ｒｉが、第１範囲に収まる場合（ＲａＬ＜Ｒｉ＜ＲａＨ）には、制御部２０は、計測点Ｑｉが第１線分５１を構成する点であるとして、Ｒａｉ＝Ｒｉを代入するとともに、Ｃ１＝Ｃ１＋１を代入することによりカウントアップする。計測点Ｑｉの半径方向距離Ｒｉが第１範囲に収まらない場合、制御部２０は、Ｒａｉ＝０を代入して、Ｃ１の値を維持する。

また、計測点Ｑｉの半径方向距離Ｒｉが、第２範囲に収まる場合（ＲｂＬ＜Ｒｉ＜ＲｂＨ）には、制御部２０は、Ｒｉが第２線分５２を構成する点であるとして、Ｒｂｉ＝Ｒｉを代入するとともに、Ｃ２＝Ｃ２＋１を代入することによりカウントアップする。計測点Ｑｉの半径方向距離Ｒｉが第２範囲に収まらない場合、制御部２０は、Ｒｂｉ＝０を代入して、Ｃ２の値を維持する。

以上の処理がＱ１～Ｑｎ－１までの各計測点について行われることにより、各計測点Ｑｉのうち、第１線分５１を構成するＣ１個の計測点について、それぞれ半径方向距離Ｒａｉが求められ、第２線分５２を構成するＣ２個の計測点について、それぞれ半径方向距離Ｒｂｉが求められる。

次に、ステップＳ１４において、制御部２０は、第１線分５１を構成する各計測点ＱのＣ１、または第２線分５２を構成する各計測点Ｑの数Ｃ２が２点以下であるか否かを判断する。（Ｃ１≦２）または（Ｃ２≦２）に該当する場合、制御部２０は、ステップＳ１５に進み、たとえば計測誤差が過大であることを示す警告メッセージを表示部２１に表示する。

変数Ｃ１およびＣ２がそれぞれ３点以上存在する場合、制御部２０は、処理をステップＳ１６に進めて、下式（６）により第１線分５１の半径方向距離Ｒａを取得する。
Ｒａ＝ΣＲａｉ／Ｃ１ ・・・（６）
なお、ΣＲａｉは、ｉ＝１～ｎのｎ個の半径方向距離Ｒａｉの和である。ただし、ステップＳ１３において、第１範囲に収まらない計測点Ｑｉについては、Ｒａｉ＝０が代入されるので、ΣＲａｉは、第１線分５１を構成するＣ１個の計測点Ｑｉの半径方向距離の和となる。

また、制御部２０は、ステップＳ１７において、下式（７）により第２線分５２の半径方向距離Ｒｂを取得する。
Ｒｂ＝ΣＲｂｉ／Ｃ２ ・・・（７）
なお、ΣＲｂｉは、ｉ＝１～ｎのｎ個の半径方向距離Ｒｂｉの和である。ステップＳ１３において、第２範囲に収まらない計測点Ｑｉについては、Ｒｂｉ＝０が代入されるので、ΣＲｂｉは、第２線分５２を構成するＣ２個の計測点Ｑｉの半径方向距離の和となる。

ステップＳ１８において、制御部２０は、上式（３）により、テールクリアランスΔを取得する。そして、ステップＳ１９において、制御部２０は、得られたテールクリアランスΔとセグメント１の内面２の半径Ｒａとを表示部２１に表示する。

第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、距離センサ１１への異物の付着を抑制して距離センサ１１の計測精度を確保でき、かつ、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果を用いることにより被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機２００の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスΔの計測精度を向上させることができる。

また、第２実施形態では、上記のように、回動機構１２は、距離センサ１１を所定の単位角度ずつ回動させるように構成され、制御部２０は、距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて計測される計測点群のうち、セグメント１の内面２上の３点以上の各計測結果と、スキンプレート１０１の内面１０２上の３点以上の各計測結果とに基づいて、テールクリアランスΔを算出する。このように構成すれば、距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて被測定面を走査（スキャン）するようにして、多数の計測点群における計測結果を得ることができる。そして、セグメント１の内面２上の計測点群の各計測結果、およびスキンプレート１０１の内面１０２上の計測点群の各計測結果から、代表値（平均値）を求めることができるので、被測定面における異物の付着や局所的な欠損による計測結果のばらつきを効果的に抑制して、より一層正確な計測が可能となる。

第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
次に、図８～図１２を参照して、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、上記第２実施形態に加えて、セグメント１の種別に応じてテールクリアランスΔの計測方法を変更する例について説明する。なお、第３実施形態において、シールド掘進機２００およびテールクリアランス計測装置１００の装置構成は、上記第２実施形態と同様であるので同一の符号を用いるとともに説明を省略する。

第３実施形態では、制御部２０は、セグメント１の種別に応じてテールクリアランスΔの計測方法を変更するように構成されている。

セグメント１には、主としてＲＣセグメント１ａ（図８参照）と鋼製セグメント１ｂ（図１０参照）との２種類がある。ＲＣセグメント１ａは、成型された鉄筋コンクリートによって構成されており、中実の四角形断面を有する。このため、ＲＣセグメント１ａの内面２は、周方向に湾曲した平坦面となっており、セグメントリングとして組み立てられると円形状の平坦面を構成する。一方、鋼製セグメント１ｂは、鋼板を用いて作製され、図１１に示すように外面板９１と掘進方向両端の主桁９２とを含んで構成された箱状構造を有し、内面２側が凹状に凹んでいる。なお、上記第１および第２実施形態では、セグメント１がＲＣセグメント１ａである例について説明した。

ＲＣセグメント１ａの場合、内面２が平坦であるため、上記第２実施形態で示した手法（図８および図９参照）により、第１線分５１が容易に取得される。一方、鋼製セグメント１ｂの場合、内面２側が凹部となっているため、主桁９２の内側端面９３の部分が、第１線分５１として取得される。鋼製セグメント１ｂでは、第１線分５１として取得可能な領域がＲＣセグメント１ａよりも小さくなるため、主桁９２の内側端面９３の部分の計測結果をより確実に取得できるようにすることが望まれる。

そこで、第３実施形態では、制御部２０は、セグメント１の種別に応じて、距離センサ１１を回動させる際の単位角度の大きさを変更する。言い換えると、制御部２０は、距離センサ１１による計測範囲内における計測点数（計測点の密度）を、セグメント１の種別に応じて変更する。具体的には、制御部２０は、セグメント１の種別が鋼製セグメント１ｂの場合に、ＲＣセグメント１ａの場合よりも、距離センサ１１を回動させる際の単位角度の大きさを小さくする。一例として、制御部２０は、ＲＣセグメント１ａの場合には単位角度をたとえば０．１度とし、鋼製セグメント１ｂの場合には単位角度をたとえば０．０１度とする。

第３実施形態におけるテールクリアランスΔの計測処理は、図９で示した処理と同様であるので説明を省略する。鋼製セグメント１ｂの場合には、単位角度が小さくなることにより、ステップＳ１３において、主桁９２の側面に相当する第３線分５３と、主桁９２の内側端面９３である第１線分５１とを、容易に区分して第１線分５１を構成する計測点を抽出することが可能である。

なお、図１１および図１２に示すように、鋼製セグメント１ｂ（図１１参照）の場合、計測光が照射される計測点は、鋼製セグメント１ｂの内面（凹部の内表面）に沿って分布するため、各計測点の半径方向距離｛Ｌｉ×ｓｉｎ（θｉ）｝の分布がＲＣセグメント１ａ（図１２参照）における各計測点の半径方向距離の分布とは大きく異なる。そのため制御部２０が、距離センサ１１を単位角度ずつ回動させて計測される計測点群の各計測結果（半径方向距離Ｒｉの分布）に基づいて、計測するセグメント１がＲＣセグメント１ａであるか鋼製セグメント１ｂであるかを自動判別するように構成されていてもよい。

第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。

（第３実施形態の効果）
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と同様に、距離センサ１１への異物の付着を抑制して距離センサ１１の計測精度を確保でき、かつ、セグメント１の内面２上の複数点の計測結果およびスキンプレート１０１の内面１０２上の複数点の計測結果を用いることにより被計測箇所における計測精度のばらつきを抑制できるので、シールド掘進機２００の内部環境下で非接触測定を行う場合でも、テールクリアランスΔの計測精度を向上させることができる。

また、第３実施形態では、上記のように、制御部２０は、セグメント１の種別に応じてテールクリアランスΔの計測方法（単位角度の大きさ）を変更する。図１１および図１２に示したように、セグメント１が、ＲＣセグメント１ａであるか鋼製セグメント１ｂであるかに応じて、距離センサ１１によってセグメント１の内面２を計測する場合に、セグメント１の種類に応じて計測点の位置が異なることになるので、セグメント１の種別に応じて適切な計測方法を変更することにより、セグメント１の種別によらずにテールクリアランスΔを計測することが可能となる。

第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１～第３実施形態では、中心軸線ＣＡ回りに複数（４個）の計測部１０を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、計測部１０が１個、２個、３個または５個以上設けられていてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、テールクリアランスΔに加えて、セグメント１の内面２の半径分布（各計測部１０により計測される内面２の半径方向距離Ｒａの分布）を取得する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、少なくともテールクリアランスΔを取得すればよく、セグメント１の内面２の半径分布を取得しなくてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、複数（４つ）の計測部１０を中心軸線ＣＡ回りの周方向に略等角度間隔で配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、複数の計測部１０を非等角度間隔で配置してもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、距離センサ１１（計測部１０）を、スキンプレート１０１の内面１０２よりも、シールド掘進機２００の中心軸線ＣＡに近い位置に配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、距離センサ１１（計測部１０）は、セグメント１の内面２よりも内周側（中心軸線ＣＡ側）にあれば、中心軸線ＣＡよりもスキンプレート１０１の内面１０２に近い位置に配置されてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、カバー１４に、計測光を出射可能な貫通した開口部１４ｂが形成された壁部１４ａを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば図１３に示す変形例のように、カバー１４に、カバー１４の内部へのエア供給を行うための接続部１６をさらに設けてもよい。図１３の例では、接続部１６は、カバー１４の側面の壁部１４ａに設けられ、外部のエア経路ＡＰと接続される。接続部１６は、壁部１４ａを貫通してカバー１４の内部に連通しており、外部のエア経路ＡＰから供給される空気をカバー１４の内部に常時送り込むように構成されている。これにより、カバー１４の内部に送り込まれた空気が、カバー１４の開口部１４ｂから常時排出される。その結果、開口部１４ｂから排出される空気流によって、カバー１４の外部から開口部１４ｂ内に異物ＦＭが進入することを回避できるので、距離センサ１１に異物ＦＭが付着して計測精度が低下することをより一層効果的に抑制できる。

また、上記第１～第３実施形態では、非計測時（待機時）において、回動機構１２が、距離センサ１１の計測光の出射方向が壁部１４ａを向く待機位置ＴＰへ、距離センサ１１を回動させる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、非計測時において、距離センサ１１の計測光の出射方向が開口部１４ｂを向く位置で待機させてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、距離センサ１１にカバー１４を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、距離センサ１１にカバー１４を設けなくてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、カバー１４の外部から検出可能に設けられたセンサ位置識別部１５を距離センサ１１（軸部１１ｂ）に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、距離センサ１１の軸部１１ｂを外部に露出させずにカバー１４の上面１４ｃにより覆って（孔部１４ｄを形成しないで）、センサ位置識別部１５をカバー１４の上面１４ｃに設けてもよい。この他、センサ位置識別部１５を設けなくてもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、距離センサ１１としてレーザ距離計を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。距離センサ１１は、たとえば超音波距離計や、レーザ以外のＬＥＤ光源などを用いた光学式の距離計であってもよい。

１、１ａ、１ｂ セグメント
２ 内面
３ 外面
１０ 計測部
１１ 距離センサ
１２ 回動機構
１３ 回動検出部
１４ カバー
１４ａ 壁部
１４ｂ 開口部
１５ センサ位置識別部
２０ 制御部
５１ 第１線分
５２ 第２線分
１００ テールクリアランス計測装置
１０１ スキンプレート
１０２ 内面
１１０ カッタヘッド
２００ シールド掘進機
Ｂ セグメントの厚み
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌｉ距離（計測結果）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｑｉ計測点
ＴＰ 待機位置
Δ テールクリアランス

Claims (10)

1. シールド掘進機のスキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測装置であって、
   前記セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサと、前記シールド掘進機の掘進方向および半径方向に沿う面内で前記距離センサを回動させる回動機構と、前記回動機構による前記距離センサの回動位置を検出する回動検出部と、を含む計測部と、
   前記距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、前記セグメントの内面上の複数点の計測結果および前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記セグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、
   前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記スキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、
   前記第１線分および前記第２線分の各位置と前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する、テールクリアランス計測装置。
2. 前記計測部は、前記シールド掘進機の中心軸線回りの互いに異なる位置に３個以上配置され、
   前記制御部は、それぞれの前記距離センサから得られた前記セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいて、前記セグメントの内面の半径分布を取得するように構成されている、請求項１に記載のテールクリアランス計測装置。
3. 前記回動機構は、前記距離センサを所定の単位角度ずつ回動させるように構成され、
   前記制御部は、前記距離センサを前記単位角度ずつ回動させて計測される計測点群のうち、前記セグメントの内面上の３点以上の各計測結果と、前記スキンプレートの内面上の３点以上の各計測結果とに基づいて、テールクリアランスを算出する、請求項１または２に記載のテールクリアランス計測装置。
4. 前記制御部は、前記セグメントの種別に応じて、前記距離センサを回動させる際の前記単位角度の大きさを変更するように構成されている、請求項３に記載のテールクリアランス計測装置。
5. 前記距離センサは、計測光を出射する光学式センサであり、
   前記計測部は、前記距離センサを回動可能に収容するカバーをさらに含み、
   前記カバーは、内部で前記距離センサが回動して計測光を出射可能な貫通した開口部が形成された壁部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のテールクリアランス計測装置。
6. 前記回動機構は、非計測時において、前記距離センサの前記計測光の出射方向が前記開口部以外の前記壁部を向く待機位置へ、前記距離センサを回動させるように構成されている、請求項５に記載のテールクリアランス計測装置。
7. 前記計測部は、前記カバーまたは前記距離センサのいずれかに外部から検出可能に設けられたセンサ位置識別部をさらに含む、請求項５または６に記載のテールクリアランス計測装置。
8. 円筒状のスキンプレートと、
   前記スキンプレートの一端部に設けられたカッタヘッドと、
   前記スキンプレートの内部に配置され、前記スキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測装置とを備え、
   前記テールクリアランス計測装置は、
   前記セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサと、掘進方向および半径方向に沿う面内で前記距離センサを回動させる回動機構と、前記回動機構による前記距離センサの回動位置を検出する回動検出部と、を含む計測部と、
   前記距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、前記セグメントの内面上の複数点の計測結果および前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する制御部と、を含み、
   前記制御部は、
   前記セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記セグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、
   前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記スキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、
   前記第１線分および前記第２線分の各位置と前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する、シールド掘進機。
9. 前記距離センサは、前記スキンプレートの内面よりも、前記シールド掘進機の中心軸線に近い位置に配置されている、請求項８に記載のシールド掘進機。
10. シールド機のスキンプレートの内面と、環状に組み立てられたセグメントの外面との間の距離であるテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測方法であって、
    前記セグメントの内面よりも内周側に配置された非接触式の距離センサを、前記シールド機の掘進方向および半径方向に沿う面内で回動させ、前記距離センサの複数の回動位置における計測結果を取得するステップと、
    前記距離センサの複数の回動位置における計測結果のうち、前記セグメントの内面上の複数点の計測結果および前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出するステップとを備え、
    前記テールクリアランスを算出するステップは、
    前記セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記セグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、
    前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいて前記スキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、
    前記第１線分および前記第２線分の各位置と前記セグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出する、テールクリアランス計測方法。

Images