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

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 Download PDF

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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~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、請求項または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。
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