JP7156894B2 - 真円度測定装置 - Google Patents

Description

本発明はシールドマシンによって組み立てられたセグメントの内周面の真円度を計測する真円度測定装置に関する。

シールドマシンは、テール部の内側でセグメントを円筒壁状に組み立てつつ掘進することでセグメントトンネルを組み立てるものである。
テール部の内側には、円筒壁状に組み立てたセグメントの内周面の上端に上側保持体を当て付けると共に、セグメントの内周面の下端に下側保持体を当て付けることで内周面を真円形状に保持する真円保持装置が設けられている（特許文献１参照）。
しかしながら、セグメントの内周面の真円度は、シールドマシンの掘進方向と既に組み立てられたセグメントとの相対的な位置関係の影響を受けて変化することから、真円保持装置のみによって内周面を完全な真円形状に保持することは困難である。
セグメントの内周面の真円度が低下すると、セグメントの間に過大な荷重が加わりセグメントの一部が損傷するおそれがある。
セグメントに損傷が発生すると、セグメントを補修する作業が必要となりコストが嵩む不利がある。
そのため、従来は、シールドマシンによる掘進作業の前後に、作業員が構内に組み上げた足場から下げ振りを用いてセグメントの内周面の真円形状に対する歪み度合いを示すデータを計測し、その計測データをシールドマシンの掘進方向を制御するためのデータとして用いたり、あるいは、セグメント組み立て制御を行うためのデータとして用いている。

特開２０００－２１３２９７号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、計測に際しては作業員による計測作業を行う必要があるため、計測効率の向上を図る上で改善の余地がある。
また、セグメント内部が大口径の場合は高所作業が必要となり、また、セグメント内部が小口径の場合は狭小スペースでの作業が必要となることから、作業員の身体的な負担が大きなものとなる不利がある。
さらに、セグメントの内周面の真円度を確保するためには、真円度の計測値に基づいてシールドマシンの制御を行なうことがより好ましい。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、真円度の計測効率の向上を図る上で、また、作業員の負担の軽減を図る上で有利な真円度測定装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、シールドマシンによって円筒壁状に組み立てたセグメントの内周面の真円度を計測する真円度測定装置であって、前記シールドマシンのテール部で支持され、前記セグメントの端面上で前記セグメントの半径方向に延在するセグメント端面領域と前記セグメントの内周面とが交わる円弧部分に交差し前記端面上を延在する線状の第１の検出光を前記セグメント端面領域に投射する検出光投射部と、少なくとも撮影光学系が前記テール部で支持され、前記第１の検出光を含む前記セグメント端面領域を撮影して画像情報を生成するカメラ部と、前記画像情報に基づいて前記セグメントの内周面の真円度を算出する真円度算出部と、を備え、前記検出光投射部と前記カメラ部とは、前記テール部の周方向に間隔をおいて複数設けられており、前記第１の検出光に対して前記円弧部分が交差する交点を第１の交点とした場合、前記真円度算出部は、予め実測された前記シールドマシンの軸心と前記セグメントの内周面との間の半径方向距離の初期値と、前記第１の交点の変位量とに基づいて、現時点における前記半径方向距離を算出し、前記セグメントの内周面は、前記シールドマシンの軸心と直交する仮想平面上の楕円とみなし、前記真円度算出部は、前記セグメントの内周面上の複数の測定点における前記半径方向距離に基づいて、前記セグメントの内周面がなす前記楕円を特定し、特定した前記楕円に基づいて前記真円度を算出することを特徴とする。

本発明によれば、検出光投射部によりセグメント端面領域とセグメントの内周面または外周面の一方とが交わる第１の円弧部分に交差し端面上を延在する線状の第１の検出光をセグメント端面領域に投射すると共に、カメラ部によって撮像された第１の検出光を含むセグメント端面領域の画像情報に基づいて各測定点の半径方向距離を算出することにより、セグメントの真円度を算出するようにした。
したがって、シールドマシンの掘進動作を停止することなく掘進中の測定データを連続して得ることができるため、測定効率の向上を図る上で有利となり、作業員による測定作業が不要となるため、作業員の身体的な負担の軽減を図る上でも有利となる。
また、照明が暗い環境下であっても、カメラ部は、セグメント端面で反射された検出光を反射光として確実に撮像することができるので、セグメントの真円度を高精度にかつ安定して導出する上でより一層有利となる。

第１の実施の形態の真円度測定装置３０が搭載されたシールドマシン１０の全体図である。 （Ａ）は第１の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。 第１の実施の形態の真円度測定装置３０の制御系の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態の真円度測定装置３０のコンピュータの構成を示すブロック図である。 （Ａ）、（Ｂ）は真円度測定装置３０の動作説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は真円度測定装置３０による測定動作の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は真円度Ｃの導出処理の説明図である。 真円度測定装置３０の動作フローチャートである。 測定点Ｍの距離Ｌと回転角度θから楕円を特定する際の説明図である。 楕円の説明図である。 楕円から真円度を算出する際に用いる数式を示す図である。 （Ａ）は第２の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。 （Ａ）は第３の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。 （Ａ）は第４の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。 （Ａ）は第５の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。

（第１の実施の形態）
次に本発明の実施の形態について図１～図８を参照して説明する。
まず、シールドマシン１０について説明する。
図１、図２に示すように、シールドマシン１０は、前胴部１２と、テール部（後胴部）１４と、後方台車１６などを含んで構成され、前胴部１２は、掘削部１２Ａと、その後方に設けられた後部室１２Ｃとを有している。

掘削部１２Ａは、カッター（カッター装置）１２０２、外装壁（トンネル１８の内壁１８０２に臨む前スキンプレート）１２Ｂなどから構成されている。
後部室１２Ｃは、前スキンプレート１２Ｂの内側で掘削部１２Ａの後方の箇所であり、後部室１２Ｃには、不図示のコンベア装置（排土装置）、ジャッキ装置などが配置されている。
カッター１２０２は、円盤状のカッターを掘進方向と平行な軸線回りに回転することで地山を掘削するように構成されている。
コンベア装置は、カッター１２０２による地山の掘削で排出された土砂を後方に運搬するように構成されている。
ジャッキ装置は、カッター１２０２によって掘削されたトンネル１８に環状に組み付けられるセグメント２０の端面箇所を上記掘進方向の後方に向けて押圧することでカッター１２０２とコンベア装置を掘進方向に推進させるように構成されている。
テール部１４には、後部室１２Ｃとテール部１４とを区画する環状の壁部１４Ｂが設けられており、壁部１４Ｂは、後述するセグメント２０の端面２００６と対向している。
また、テール部１４では、セグメント２０の組み立てが行われる。

テール部１４は、トンネル１８の内壁１８０２に臨むスキンプレート（後スキンプレート）１４Ａなどを備えている。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スキンプレート１４Ａは円筒状を呈し、トンネル１８の内壁１８０２に臨む外周面と該外周面と対向しセグメント２０の外周面２００２に臨む内周面１４０２を有している。
テール部１４は、前胴部１２の後端に屈曲可能に結合されており、具体的には、テール部１４のスキンプレート１４Ａが掘削部１２Ａの外装壁（前スキンプレート）１２Ｂの前記掘進方向の後端部に屈曲可能に接続されている。

後方台車１６は、シールド機１０を動作させるものであり、テール部１４の後方において、テール部１４で組み立てられたセグメントトンネル内に設けられている。
本実施の形態では、後方台車１６は、複数の台車１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄを備え、これら台車には、掘削部１２Ａとテール部１４を動作させるための制御ユニット、駆動源、油タンクなどが分散して配設されている。
後方台車１６は、トンネル１８の長手方向に延在するレール１９上を移動可能に設けられている。

セグメント２０は、トンネル１８の半径方向に延在する厚みと、トンネル１８の掘進方向に延在する長さとを有している。
また、セグメント２０は、図１、図６に示すように、トンネル１８の内壁１８０２に臨ませて配設される円筒面状の外周面２００２と、トンネル１８の中心に臨む円筒面状の内周面２００４と、トンネル１８の延在方向の両端に位置する端面２００６とを有して構成されている。
セグメント２０は、シールド機１０によって掘削されたトンネル１８の内壁１８０２に、環状に組み付けられることによって、言い換えると坑内に組み付けられることによって、内壁１８０２を支える作用を果たす。
セグメント２０が内壁１８０２に組み付けられることによってセグメントトンネルが構築される。

（真円度測定装置３０）
図１、図３に示すように、真円度測定装置３０は、装置本体３２と、コンピュータ３４とを含んで構成されている。
本実施の形態では、装置本体３２はテール部１４に設置され、コンピュータ３４はトンネル１８から離れた場所に設けられた事務所２内に設置されている。
装置本体３２とコンピュータ３４とは、通信回線３６を介して種々のデータを双方向に通信可能に構成されている。
本実施の形態では、通信回線３６としてはケーブルを介した有線ＬＡＮを用いているが、通信回線３６としては、無線ＬＡＮなどの無線回線を用いてもよく、通信回線３６として従来公知のさまざまな形態の通信回線が使用可能である。
図３に示すように、後方台車１６には、装置本体３２の制御盤４０から映像伝送線３７を介して伝送される映像を表示するモニタ５０とが設けられている。
また、事務所２には、コンピュータ３４に加えて、制御盤４０から映像伝送線３７を介して伝送される映像を表示するモニタ５４が設置されている。
なお、コンピュータ３４の設置場所は限定されるものではなく、例えば、後方台車１６に設置してもよいことは無論である。

図３に示すように、装置本体３２は、測定ユニット３８と、制御盤４０とを含んで構成されている。
本実施の形態では、測定ユニット３８は４つ設けられている。
各測定ユニット３８は、カメラ部４２と、照明部４３と、検出光投射部４４と、距離検出部４６とを備え、不図示の支持部材に一体的に固定され、支持部材を介してテール部１４に取着されている。
本実施の形態では、各測定ユニット３８は、後部室１２Ｃ内で支持部材を介してテール部１４の壁部１４Ｂ（図２（Ａ））に取着されている。
言い換えると、カメラ部４２と検出光投射部４４は、テール部１４に移動不能に固定されている。

（カメラ部４２）
図５（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、カメラ部４２は、後述する第１の検出光Ｌ１を含むセグメント端面領域Ｓｅを撮影して画像情報を生成するものである。

本実施の形態では、４つの測定ユニット３８は、各カメラ部４２が、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所を撮影するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。
具体的には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、測定ユニット３８は、鉛直方向の上下２箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の左右２箇所との４箇所に設けられている。
なお、本実施の形態では測定ユニット３８を４箇所に設けたが、より多くの箇所に測定ユニット３８を設ければ後述する真円度の算出精度を向上させる上で有利となる。

カメラ部４２はカメラ本体４２Ａを有している。
カメラ本体４２Ａには撮影光学系が組み込まれたレンズ鏡筒４２Ｂが設けられている。
カメラ本体４２Ａは、不図示の撮像素子と信号処理部を備えている。
前記撮像素子は、前記撮影光学系によって導かれた被写体像を撮像して撮像信号を生成するものであり、このような撮像素子としてＣＣＤやＣ－ＭＯＳセンサなど従来公知の様々な撮像素子が使用可能である。
前記信号処理部は、前記撮像素子から供給される撮像信号を処理することにより映像信号を生成するものである。

（照明部４３）
照明部４３は、カメラ部４２の撮像範囲を照明するものであり、例えばスポット照明装置で構成されている。
照明部４３は、コンピュータ３４から通信回線３６、制御盤４０を介して送信される制御コマンドにより点灯、滅灯が制御される。
このように照明部４３を設けると、必要に応じて照明部４３による照明を行わせることでモニタ５０、５４によって表示される映像の明るさやコントラストの向上を図り、視認性を高める上で有利となる。

（検出光投射部４４）
検出光投射部４４は、レーザー光源から出射されたレーザー光を特殊レンズを用いることにより線状の検出光として出射するものである。
本実施の形態では、４つの測定ユニット３８は、各検出光投射部４４が、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所に検出光を投射するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。
このような検出光投射部４４として、例えば、株式会社モリテックスから販売されているレーザーバターンプロジェクター（商品名）などが使用可能である。
検出光投射部４４は、図５（Ａ）、（Ｂ）、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、セグメント２０の端面２００６上でセグメント２０の半径方向に延在するセグメント端面領域Ｓｅとセグメント２０の内周面２００４とが交わる第１の円弧部分Ｃ１に交差し、端面２００６上を延在する線状の第１の検出光Ｌ１をセグメント端面領域Ｓｅに投射するものである。
本実施の形態では、第１の検出光Ｌ１は、さらに、セグメント２０の端面２００６上でセグメント２０の半径方向を延在するセグメント端面領域Ｓｅとセグメント２０の外周面２００２とが交わる第２の円弧部分Ｃ２にも交差している。
また、検出光投射部４４は、セグメント端面領域Ｓｅに第１の検出光Ｌ１に加え、第１の検出光Ｌ１に直交する方向に延在する第２の検出光Ｌ２を投射する。したがって、第１の検出光Ｌ１および第２の検出光Ｌ２は、十字状のクロスラインとしてセグメント端面箇所Ｓｅに投射される。
図７（Ａ）～（Ｃ）は、カメラ部４２によって撮像された画像情報を示す図であり、符号Ｚは、カメラ部４２の撮像エリアを示している。
このように、検出光投射部４４からセグメント端面箇所Ｓｅに第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を投射するため、トンネル１８内のように照明が暗い環境下であっても、カメラ部４２は、セグメント端面箇所Ｓｅで反射された第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を反射光として確実に撮像することができる。
また、それら検出光Ｌ１、Ｌ２の波長範囲は、カメラ部４２によって撮像できるものであればよいが、例えば、検出光Ｌ１、Ｌ２を赤色光とすれば視認性の向上を図る上で有利である。

（距離検出部４６）
距離検出部４６は、テール部１４とセグメント２０の端面２００６との距離を検出し、検出した距離を示す検出信号を制御盤４０に供給するものである。
より詳細には、距離検出部４６は、掘進部１２の複数のジャッキ装置の少なくとも２台のジャッキ装置がセグメント２０を掘進方向と反対方向に押圧する際のストローク量を検出するものである。
本実施の形態では、距離検出部４６は、セグメント２０の端面２００６に検出光を照射し、その反射光を検出することにより距離（変位）を検出し、該距離に対応した電圧値を有する検出信号を制御盤４０に供給する。この場合、検出信号はアナログ信号である。
なお、距離検出部４６は非接触レーザー変位計に限定されるものではない。距離検出部４６としては、掘進部１２の複数のジャッキ装置にそれぞれ取着され、ジャッキ装置がセグメント２０を掘進方向と反対方向に押圧する際のストローク量を検出するストロークセンサを用いてもよい。

（制御盤４０）
図３に示すように、制御盤４０は、画像処理部４０Ａ、映像分配部４０Ｂ、データ変換部４０Ｃ、入出力制御部４０Ｄ、インターフェース４０Ｅなどを含んで構成されている。
画像処理部４０Ａは、各カメラ部４２から供給される画像情報に対して後述する画像解析処理に必要な前処理を行うことによりデジタル化された画像情報を生成し、この画像情報を通信回線３６を介してコンピュータ３４に供給するものである。
映像分配部４０Ｂは、各カメラ部４２から供給される画像情報を切り換えてモニタ５０、５４に映像伝送線３７を介して供給するものである。
データ変換部４０Ｃは、距離検出部４６から供給される前記ストローク量の検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して通信回線３６を介してコンピュータ３４に供給するものである。
入出力制御部４０Ｄは、コンピュータ３４から通信回線３６を介して供給される制御コマンドに応じて映像分配部４０Ｂの切り換え動作を制御するものである。
インターフェース４０Ｅは、画像処理部４０Ａ、映像分配部４０Ｂ、データ変換部４０Ｃ、入出力制御部４０Ｄ、照明部４３と、通信回線３６との間での信号、データの送受信の制御を行うものである。

（コンピュータ３４）
コンピュータ３４は、各カメラ部４２から制御盤４０および通信回線３６を介して供給される画像情報に基づいてセグメント２０の真円度を導出するものである。
コンピュータ３４は、図４に示すように、ＣＰＵ３４０２と、不図示のインターフェース回路およびバスラインを介して接続されたＲＯＭ３４０４、ＲＡＭ３４０６、ハードディスク装置３４０８、ディスク装置３４１０、キーボード３４１２、マウス３４１４、ディスプレイ３４１６、プリンタ３４１８、インターフェース３４２０などを有している。
ＲＯＭ３４０４は制御プログラムなどを格納し、ＲＡＭ３４０６はワーキングエリアを提供するものである。
ハードディスク装置３４０８は従来公知の画像解析プログラム、真円度Ｃを導出する導出プログラム、真円度Ｃの監視プログラムを格納している。
ディスク装置３４１０はＣＤやＤＶＤなどの記録媒体に対してデータの記録および／または再生を行うものである。
キーボード３４１２およびマウス３４１４は、操作者による操作入力を受け付けるものである。
ディスプレイ３４１６はデータを表示出力するものであり、プリンタ３４１８はデータを印刷出力するものであり、ディスプレイ３４１６およびプリンタ３４１８によってデータを出力する。
インターフェース３４２０は、通信回線３６を介して各測定ユニット３８から供給される画像情報を入力するものである。
ＣＰＵ３４０２はハードディスク装置３４０８に格納されている画像解析プログラムおよび導出プログラムを実行することにより、インターフェース３４２０から入力された画像情報に基づいて、セグメント２０の内周面２００４の真円度Ｃを導出するものである。
したがって、本実施の形態では、画像解析プログラムおよび導出プログラムを実行するコンピュータ３４のＣＰＵ３４０２によって特許請求の範囲の真円度算出部が構成されている。
さらに、ＣＰＵ３４０２は、導出された真円度Ｃをディスプレイ３４１６によって表示出力し、あるいは、プリンタ３４１８によって印刷出力するものである。
なお、ＣＰＵ３４０２による真円度Ｃの出力は、ディスク装置３４１０を用いてＣＤやＤＶＤなどの記録媒体に対して行ってもよいし、コンピュータ３４に設けられた種々の外部インターフェースを介してメモリカードに対して行ってもよい。あるいは、インターフェース３４２０を用いてネットワークを介して他のコンピュータ（端末装置）に対して行ってもよく、真円度Ｃの出力の形態は任意である。

ここで、図７（Ａ）～（Ｃ）、図９～図１１を参照して前記真円度算出部による真円度Ｃの算出処理について説明する。
真円度算出部による真円度の算出は、予め実測されたシールドマシン１０の軸心Ｏとセグメント２０の内周面２００４との間の半径方向距離Ｒの初期値と、第１の検出光に対して円弧部分（内周面２００４）が交差する第１の交点の変位量とに基づいて、それぞれの第１の交点のシールドマシンの軸心Ｏからの距離を算出することによってなされる。

図７（Ａ）は初期設定状態を示している。
前述したようにカメラ部４２を含む測定ユニット３８は、テール部１４に一体的に固定されており、したがって、撮像エリアＺとテール部１４の内周面１４０２との相対的な位置関係は不変である。
図７（Ａ）に示すように、第１の検出光Ｌ１は、第１の円弧部分Ｃ１および第２の円弧部分Ｃ２に交差して延在している。本実施の形態では、第１の検出光Ｌ１は、第１の円弧部分Ｃ１および第２の円弧部分Ｃ２と直交している。

第１の検出光Ｌ１と第２の検出光Ｌ２とが交差する交点を基準点Ｐ０とする。
第１の検出光Ｌ１に対して第１の円弧部分Ｃ１が交差する交点を内周面側交点（第１の交点）Ｐ１とする。
第１の検出光Ｌ１に対して第２の円弧部分Ｃ２が交差する交点を外周面側交点（第２の交点）Ｐ２とする。
この場合、内周面側交点Ｐ１は、基準点Ｐ０に対して第１の検出光Ｌ１の延在方向の一方に位置し、外周面側交点Ｐ２は、基準点Ｐ０に対して第１の検出光Ｌ１の延在方向の他方に位置することになる。
したがって、真円度算出部は、第２の検出光Ｌ２に対する内周面側交点Ｐ１の位置と外周面側交点Ｐ２との位置とが異なることに基づいて、内周面側交点Ｐ１を特定する。本実施の形態では、基準点Ｐ０に対して第１の検出光Ｌ１の延在方向の一方であるセグメント２０の内周面２００４側に位置する交点を内周面側交点Ｐ１として特定する。

この初期設定状態において、作業員は、シールドマシン１０の軸心Ｏとセグメント２０の内周面２００４との間の半径方向距離（図５（Ｂ）参照、以下単に「半径方向距離」という）Ｒを手作業により実測し、半径方向距離Ｒの初期値としてコンピュータ３４に記憶させておく。
また、真円度算出部は、撮像エリアＺ上における内周面側交点Ｐ１の位置データを画像処理によって求め、初期の位置データとしてコンピュータ３４に記憶させておく。
ここで、内周面側交点Ｐ１の位置データは、撮像エリア上において互いに直交する２次元座標によって規定される座標値（画素の座標値）によって定められる。
なお、初期設定状態における半径方向距離Ｒの実測は、シールドマシン１０による掘削を開始する前に各測定ユニット３８ごとに１度だけ実行すればよい。

次に、半径方向距離Ｒからセグメント内周面の真円度Ｃを算出する方法について説明する。
セグメント２０の内周面２００４は、シールドマシン１０の軸心Ｏと直交する仮想平面上の円（理想的には正円であるが、ほとんどの場合楕円）とみなすことができる。
真円度算出部は、図９に示すように、各測定点におけるシールドマシン１０の軸心とセグメント２０の内周面２００４との間の半径方向距離Ｒに基いて、内周面２００４がなす楕円を特定し、特定した楕円に基づいて真円度Ｃを算出する。
より詳細には、各測定ユニット３８の位置は既知であるため、シールドマシン１０の軸心Ｏと直交する仮想平面上における測定点Ｍの軸心Ｏ周りの角度θ（本実施の形態では９０°間隔）も既知である。
そして、図９に示すように、セグメント２０の内周面２００４上の測定点Ｍにおける軸心Ｏからの距離（半径方向距離）Ｒと軸心Ｏ周りの角度θとから、測定点のＸ座標値ＸｉとＹ座標値Ｙｉとが以下の式（ａ）、式（ｂ）によって算出される。
Ｘｉ＝Ｌ・ｃｏｓ（θ）……（ａ）
Ｙｉ＝Ｌ・ｃｏｓ（θ）……（ｂ）

図１０に示すように、複数の測定点ＭのＸｉ、ＹｉをＸＹ座標上に取ることで楕円が特定される。なお、図中、Ｘｏ、Ｙｏは楕円の中心点（長軸と短軸との交点）の座標を示す。また、図１０では、説明の便宜上、図２等に示した測定ユニット３８の数よりも多い測定点Ｍを図示している。
楕円を特定する関係式は、図１１の数式（１）で示される。
この数式（１）は数式（２）のように展開される。
ただし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは係数である。
各測定点のＸｉ、Ｙｉのデータから、最小二乗法により数式（２）の各係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを最小二乗法で算出する。
すなわち、数式（３）を解くことにより、数式（４）で示される角度θ、数式（５）で示される楕円の長軸半径ａ、数式（６）で示される楕円の短軸半径ｂを算出することで数式（１）のθ、ａ、ｂが特定され、したがって、楕円が特定されることになる。
このような楕円が特定されたならば、長軸半径ａ、短軸半径ｂに基いて真円度Ｃを算出することができる。
真円度Ｃは、以下の数式（７）によって示される。
真円度Ｃ＝｛（２ａ－Ｄ０）－（２ｂ－Ｄ０）｝／Ｄ０×１００＋１００……（７）
但し、Ｄ０は円筒壁状に組み立てたセグメント２０の内周面２００４の設計内径を示す。

真円度算出部は、このような各測定点における半径方向距離Ｒの測定と、半径方向距離Ｒに基づく真円度Ｃの算出を、トンネル１８の内周を構成する１組のセグメント２０が組み付けられる毎に行う。

なお、本実施の形態では、測定ユニット３８がテール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて４箇所に設けられている。すなわち、測定点は４つである。一方で、より多くの箇所に測定ユニット３８を設けることにより真円度の算出精度を向上させる上で有利となる。この場合にも、テール部１４の内周面１４０２の周方向に等間隔に測定点を配置し、測定点の位置がセグメント２０の断面上で偏らないようにするのが好ましい。

次に、図７（Ｂ）に示すように、セグメント２０の内壁１８０２への組み付けに伴い、テール部１４の内周面１４０２とセグメント２０の外周面２００２との相対的な位置が変化し、半径方向距離Ｒが変化した場合について説明する。
この場合、画像処理により得られた内周面側交点Ｐ１の位置データは変化する。
内周面側交点Ｐ１の位置データは、セグメント２０の半径方向の位置の移動量と比例して変化することになる。
言い換えると、内周面側交点Ｐ１の変位量は、半径方向距離Ｒの変化量ΔＲを示すことになる。
第１の検出光Ｌ１は、第１の円弧部分Ｃ１に直交して延在しているため、内周面側交点Ｐ１の変位量は、セグメント２０の半径方向の位置の移動量と等しい。したがって、内周面側交点Ｐ１の変位量は、半径方向距離Ｒの変化量ΔＲと等しい。
したがって、内周面側交点Ｐ１の変位量から求められるセグメント２０の半径方向の位置の移動量を、初期設定時に測定された半径方向距離Ｒに加算、または、減算することで、現時点における半径方向距離Ｒを算出することができる。
なお、第１の検出光Ｌ１が第１の円弧部分Ｃ１に対して斜めに交差している場合には、内周面側交点Ｐ１の変位量がセグメント２０の半径方向の位置の移動量と比例して変化することを利用して、比例計算により内周面側交点Ｐ１の変位量を算出すればよい。

また、真円度算出部による真円度Ｃの算出は、初期状態の半径方向距離Ｒと、第１の交点Ｐ１の変位量とに基づいてなされるので、内周面側交点（第１の交点）Ｐ１が撮像エリアＺの範囲内に存在する限り、真円度Ｃの導出を行なうことができる。
したがって、図７（Ｃ）に示すように、外周面側交点（第２の交点）Ｐ２が撮像エリアＺの範囲外に逸脱したとしても、内周面側交点（第１の交点）Ｐ１が撮像エリアＺの範囲内に存在する限り真円度Ｃを確実に導出できるため、真円度測定装置３０の実用性を高める上で有利となる。

（動作）
次に、図８のフローチャートを参照して真円度測定装置３０の動作について説明する。
まず、真円度測定装置３０の複数の測定ユニット３８およびコンピュータ３４を起動させ、各測定ユニット３８で生成された画像情報がコンピュータ３４に供給される状態としておく。
シールドマシン１０によって地山の掘進およびセグメントトンネルの組み立てを開始するにあたって、前記の初期設定が各測定ユニット３８毎に行われる（ステップＳ１０）。
初期設定が終了したならば、シールドマシン１０による地山の掘進およびセグメントトンネルの組み立てが開始される（ステップＳ１２）。
コンピュータ３４は、各測定ユニット３８から供給される画像情報のそれぞれに基づいて、各測定点における半径方向距離Ｒを算出する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１４で算出された複数の半径方向距離Ｒに基づいて、セグメント２０の内周面２００４の真円度Ｃを算出する（ステップＳ１５）。
なお、本実施の形態では、コンピュータ３４は、各距離検出部４６から得られるストローク量の測定データに基づいてセグメント２０が掘進方向に対してなす傾き（傾斜角度）のデータを求める。
次いで、コンピュータ３４は、カメラ部４２から供給される画像情報を、前記傾きのデータに基づいて修正した上で、前記の真円度算出処理を実行する。
導出された真円度Ｃは、コンピュータ３４によってディスプレイ３４１６などに表示出力される（ステップＳ１６）。
出力された真円度Ｃは、シールドマシン１０の掘進方向を制御するためのデータとして用いられ、あるいは、セグメント２０の組み立て制御を行うためのデータとして用いられる。
また、各測定ユニット３８のカメラ部４２によって得られた画像情報は、後方台車１６のモニタ５０、あるいは、事務所２のモニタ５４に供給されることで映像が表示される（ステップＳ１８）。
その後、シールドマシン１０の掘進がなされている間は、ステップＳ１４の処理に戻り、リアルタイムに真円度αの計測がなされる。

以上説明したように本実施の形態によれば、検出光投射部４４によりセグメント２０の端面２００６上でセグメント２０の半径方向を延在するセグメント端面領域Ｓｅとセグメント２０の内周面２００４とが交わる第１の円弧部分Ｃ１に交差し端面２００６上を延在する線状の第１の検出光Ｌ１をセグメント端面領域Ｓｅに投射すると共に、カメラ部４２によって撮像された第１の検出光Ｌ１を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像情報に基づいて真円度Ｃを導出するようにした。
したがって、シールドマシン１０の掘進動作を停止することなく掘進中の測定データを連続して得ることができるため、測定効率の向上を図る上で有利となり、作業員による測定作業が不要となるため、作業員の身体的な負担の軽減を図る上でも有利となる。
さらに、本実施の形態によれば、トンネル１８内のように照明が暗い環境下であっても、カメラ部４２は、セグメント端面箇所Ｓｅ上で反射された第１の検出光Ｌ１を反射光として確実に撮像することができる。
したがって、鮮明でコントラストが高い画像情報に基づいて真円度算出処理を行うことができるため、真円度Ｃを高精度にかつ安定して導出する上で極めて有利となる。
また、本実施の形態では、距離検出部４６から得られるストローク量の測定データに基づいてセグメント２０が掘進方向に対してなす傾き（傾斜角度）のデータを求め、カメラ部４２から供給される画像情報を、前記傾きのデータに基づいて修正した上で、真円度算出処理を実行するので、真円度Ｃの精度を高める上でより有利となる。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態はカメラ部４２の配置が第１の実施の形態と異なっている。
図１２（Ａ）は第２の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。なお、以下の実施の形態において第１の実施の形態と同様の部分、部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、測定ユニット３８は、第１の実施の形態と同様に４台設けられている。
４台の測定ユニット３８のうち、３台の測定ユニット３８は、第１の実施の形態と同様に構成され、第１の実施の形態と同様に後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂに取着されている。
それら３台の測定ユニット３８のカメラ部４２は、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた３箇所を撮影するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。具体的には、鉛直方向の上方１箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
また、３つの測定ユニット３８の検出光投射部４４は、上記３台のカメラ部４２と同様に、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた３箇所に第１の検出光Ｌ１、第２の検出光Ｌ２を投射するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。具体的には、鉛直方向の上方１箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
したがって、３台の測定ユニット３８のカメラ部４２は、これら３箇所において、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像をそれぞれ撮像する。

４台の測定ユニット３８のうち、残りの１台の測定ユニット３８のカメラ部４２は、カメラ本体４２Ａと、被写体像をカメラ本体４２Ａに組み込まれている撮像素子に導く光ファイバー６０と、光ファイバーの先端に取着された不図示の撮影光学系とを有している。
残りの１台の測定ユニット３８のカメラ部４２のカメラ本体４２Ａは後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂから離れた箇所に配置されている。
前記撮影光学系は後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂに取着されており、具体的には、テール部１４の内周面１４０２の周方向の１箇所（鉛直方向の下方の１箇所）に設けられている。
前記撮影光学系により撮影された画像が光ファイバー６０を介してカメラ本体４２Ａに導かれる。
また、残りの１台の測定ユニット３８の検出光投射部４４は、上記１台のカメラ部４２と同様に、セグメント２０の端面２００６の周方向の１箇所に第１の検出光Ｌ１、第２の検出光Ｌ２を投射するように設けられ、具体的には、テール部１４の内周面１４０２の周方向の１箇所（鉛直方向の下方の１箇所）に設けられている。
したがって、残り１台の測定ユニット３８のカメラ部４２は、鉛直方向の下方の１箇所において、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像を撮像する。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、光ファイバー６０を介して画像をカメラ本体４２Ａに導くことでカメラ本体４２Ａを後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂから離れた箇所に配置できるため、シールドマシン１０の掘進に伴い発生する地下水などがカメラ本体４２Ａに直接かかることを防止でき、カメラ本体４２Ａの保護、耐久性の向上を図る上で有利となる。
また、光ファイバー６０を用いるため、後部室１２Ｃ内におけるカメラ部４２（カメラ本体４２Ａ）のレイアウトの自由度を確保する上で有利となる。
なお、第２の実施の形態では、４台のカメラ部４２のうちの１台のカメラ部４２が光ファイバー６０を用いて撮影を行う場合について説明したが、光ファイバー６０を用いて撮影を行うカメラ部４２の配置や数は任意である。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態は第２の実施の形態の変形例であり、カメラ部４２、検出光投射部４４、制御盤４０の配置が第２の実施の形態と異なっている。
図１３（Ａ）は第３の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。
４台のカメラ部４２（図３）は、カメラ本体４２Ａ（図３）と、光ファイバー６０と、光ファイバーの先端に取着された不図示の撮影光学系とを有している。
前記各撮影光学系は後部室１２Ｃ内でテール部１４の壁部１４Ｂに取着されており、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所を撮影するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所に設けられている。
具体的には、鉛直方向の上下２箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
４台の検出光投射部４４は、上記４台のカメラ部４２と同様に、後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂに取着されており、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所に第１の検出光Ｌ１、第２の検出光Ｌ２を投射するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。
具体的には、鉛直方向の上下２箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
４台のカメラ本体４２Ａ（図３）、制御盤４０（図３）は後方台車１６Ａ（図１）に配置されている。
各光ファイバー６０は、後部室１２Ｃ内から台車１６Ａの各カメラ本体４２Ａまで敷設されている。
撮影光学系により撮影された第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像は光ファイバー６０を介してカメラ本体４２Ａに導かれる。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、光ファイバー６０を介して画像をカメラ本体４２Ａに導くことでカメラ本体４２Ａをシールドマシン１０から離れた箇所に配置できるため、シールドマシン１０の掘進に伴い発生する地下水などがカメラ本体４２Ａに直接かかることを確実に防止でき、カメラ本体４２Ａの保護、耐久性の向上を図る上でより一層有利となる。
また、カメラ本体４２Ａを後部室１２Ｃから離れた後方台車１６に配置し、かつ、後部室１２Ｃ内に光ファイバー６０とそれらの先端に設けられた撮影光学系のみを配置したので、真円度測定装置３０が後部室１２Ｃ内に占有するスペースがごく僅かなもので済むため、後部室１２Ｃにスペースの余裕がない小型のシールドマシン１０に真円度測定装置３０を搭載する上で有利となる。

（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態は、単一のカメラ部４２を使用して真円度を測定するものである。
図１４（Ａ）は第４の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。
真円度測定装置３０は、１台のカメラ部４２と、４台の検出光投射部４４と、距離検出部４６（図３）と、制御盤４０（図３）を備えている。
カメラ部４２は、後部室１２Ｃ内のテール部１４寄りの箇所で後部室１２Ｃの円形断面の中央に適宜支持部材を介してテール部１４の壁部１４Ｂに取着されている。
撮影光学系は、壁部１４Ｂに設けられた開口１２Ｅを介してセグメント２０の端面２００６の周方向の全周を撮影可能に設けられている。
４台の検出光投射部４４は、後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂに取着されており、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所に第１の検出光Ｌ１、第２の検出光Ｌ２を投射するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。
具体的には、鉛直方向の上下２箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
したがって、カメラ部４２は、これら４箇所において、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像を撮像する。

第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、カメラ部４２が１台で足りるためコストを削減する上で有利となり、しかも、カメラ部４２が後部室１２Ｃ内に占有するスペースがごく僅かなもので済み、したがって、後部室１２Ｃにスペースの余裕がない小型のシールドマシン１０に真円度測定装置３０を搭載する上で有利となる。

（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。
第５の実施の形態は第４の実施の形態の変形例であり、光ファイバー６０を有する単一のカメラ部４２を用いて真円度を測定するものである。
図１５（Ａ）は第５の実施の形態の真円度測定装置３０の設置状態を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢＢ線断面図である。
真円度測定装置３０は、１台のカメラ部４２と、４台の検出光投射部４４と、距離検出部４６（図３）と、制御盤４０（図３）を備えている。
カメラ部４２は１台設けられ、カメラ部４２は、カメラ本体４２Ａと、光ファイバー６０と、光ファイバーの先端に取着された不図示の撮影光学系とを有している。
撮影光学系は後部室１２Ｃ内のテール部１４寄りの箇所で後部室１２Ｃの円形断面の中央に適宜支持部材を介して取着されており、セグメント２０の端面２００６の周方向の全周を撮影可能に設けられている。
カメラ本体４２Ａ（図３）は後方台車１６（図１）に配置されている。
撮影光学系により撮影されたセグメント２０の端面２００６の周方向の全周にわたる画像は光ファイバー６０を介してカメラ本体４２Ａに導かれる。
４台の検出光投射部４４は、後部室１２Ｃ内で壁部１４Ｂに取着されており、セグメント２０の端面２００６の周方向に９０度の間隔をおいた４箇所に第１の検出光Ｌ１、第２の検出光Ｌ２を投射するように、テール部１４の内周面１４０２の周方向に９０度の間隔をおいて設けられている。
具体的には、鉛直方向の上下２箇所と、鉛直方向と直交する水平方向の２箇所に設けられている。
したがって、カメラ部４２は、これら４箇所において、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を含むセグメント端面領域Ｓｅの画像を撮像する。

第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、カメラ部４２が１台で足りコストを削減する上で有利となる。
また、光ファイバー６０を介して画像をカメラ本体４２Ａに導くことでカメラ本体４２Ａをシールドマシン１０から離れた箇所に配置できるため、シールドマシン１０の掘進に伴い発生する地下水などがカメラ本体４２Ａに直接かかることを確実に防止でき、カメラ本体４２Ａの保護、耐久性の向上を図る上でより一層有利となる。
また、１台のカメラ本体４２Ａを後部室１２Ｃから離れた後方台車１６に配置し、かつ、後部室１２Ｃ内に１束の光ファイバー６０とその先端に設けられた撮影光学系のみを配置したので、真円度測定装置３０が後部室１２Ｃ内に占有するスペースがごく僅かなもので済むため、後部室１２Ｃにスペースの余裕がない小型のシールドマシン１０に真円度測定装置３０を搭載する上でより一層有利となる。

なお、上述した各実施の形態では、真円度算出部が第２の検出光Ｌ２を用いて内周面側交点Ｐ１を特定するようにしたが、真円度算出部に対して内周面側交点Ｐ１を手作業により指定するようにすれば、第１の検出光Ｌ１のみで足り、第２の検出光Ｌ２を省いてもよい。

１０ シールドマシン
１２ 前胴部
１２０２ カッター
１４ テール部
１４０２ 内周面
１６ 後方台車
２０ セグメント
２００２ 外周面
２００４ 内周面
２００６ 端面
３０ 真円度測定装置
４２ カメラ部
４２Ａ カメラ本体
４４ 検出光投射部
４６ 距離検出部
６０ 光ファイバー
６２ 内径測定部
Ｓｅ セグメント端面領域
Ｃ１ 第１の円弧部分
Ｃ２ 第２の円弧部分
Ｌ１ 第１の検出光
Ｌ２ 第２の検出光
Ｐ１ 内周面側交点（第１の交点）
Ｐ２ 外周面側交点（第２の交点）

Claims (6)

1. シールドマシンによって円筒壁状に組み立てたセグメントの内周面の真円度を計測する真円度測定装置であって、
   前記シールドマシンのテール部で支持され、前記セグメントの端面上で前記セグメントの半径方向に延在するセグメント端面領域と前記セグメントの内周面とが交わる円弧部分に交差し前記端面上を延在する線状の第１の検出光を前記セグメント端面領域に投射する検出光投射部と、
   少なくとも撮影光学系が前記テール部で支持され、前記第１の検出光を含む前記セグメント端面領域を撮影して画像情報を生成するカメラ部と、
   前記画像情報に基づいて前記セグメントの内周面の真円度を算出する真円度算出部と、を備え、
   前記検出光投射部と前記カメラ部とは、前記テール部の周方向に間隔をおいて複数設けられており、
   前記第１の検出光に対して前記円弧部分が交差する交点を第１の交点とした場合、
   前記真円度算出部は、予め実測された前記シールドマシンの軸心と前記セグメントの内周面との間の半径方向距離の初期値と、前記第１の交点の変位量とに基づいて、現時点における前記半径方向距離を算出し、
   前記セグメントの内周面は、前記シールドマシンの軸心と直交する仮想平面上の楕円とみなし、
   前記真円度算出部は、前記セグメントの内周面上の複数の測定点における前記半径方向距離に基づいて、前記セグメントの内周面がなす前記楕円を特定し、特定した前記楕円に基づいて前記真円度を算出する、
   ことを特徴とする真円度測定装置。
2. 前記第１の検出光に対して前記セグメント端面領域と前記セグメントの外周面とが交わる円弧部分が交差する交点を第２の交点とした場合、
   前記検出光投射部は、前記セグメント端面領域に前記第１の検出光に加え、前記第１の検出光に直交する方向に延在する第２の検出光を投射し、
   前記真円度算出部は、前記第２の検出光に対する前記第１の交点の位置と前記第２の交点との位置とが異なることに基づいて前記第１の交点を特定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の真円度測定装置。
3. 前記シールドマシンは、前部にカッターが配置された前胴部を有し、
   前記テール部は、前記前胴部の後端に屈曲可能に結合され、
   前記カメラ部は、被写体像を撮像する撮像素子を含むカメラ本体と、先端に前記撮影光学系が取着され前記被写体像を前記撮像素子に導く光ファイバーとを含み、
   前記カメラ本体は前記前胴部に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の真円度測定装置。
4. 前記シールドマシンは、前部にカッターが配置された前胴部を有し、
   前記テール部は、前記前胴部の後端に屈曲可能に結合され、
   前記テール部で組み立てられたセグメントトンネル内に後方台車が設けられ、
   前記カメラ部は、被写体像を撮像する撮像素子を含むカメラ本体と、先端に前記撮影光学系が取着され前記被写体像を前記撮像素子に導く光ファイバーとを含み、
   前記カメラ本体は前記後方台車に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の真円度測定装置。
5. 前記シールドマシンは、前部にカッターが配置された前胴部を有し、
   前記テール部は、前記前胴部の後端に屈曲可能に結合され、
   前記前胴部に前記セグメントを掘進方向と反対方向に押圧する複数のジャッキ装置が設けられ、
   前記カメラ部は、前記セグメントの端面の周方向の全周にわたって撮影するように１台設けられ、
   前記カメラ部は前記テール部に取着され、
   前記複数のジャッキ装置の少なくとも２台のジャッキ装置が前記セグメントを掘進方向と反対方向に押圧する際のストローク量を測定し、その測定データを前記真円度算出部に供給する距離検出部を設け、
   前記真円度算出部による前記真円度の算出は、前記画像情報を前記ストローク量の測定データに基づいて修正することによってなされる、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の真円度測定装置。
6. 前記シールドマシンは、前部にカッターが配置された前胴部を有し、
   前記テール部は、前記前胴部の後端に屈曲可能に結合され、
   前記テール部で組み立てられたセグメントトンネル内に後方台車が設けられ、
   前記前胴部に前記セグメントを掘進方向と反対方向に押圧する複数のジャッキ装置が設けられ、
   前記カメラ部は、被写体像を撮像する撮像素子を含む１台のカメラ本体と、先端に前記撮影光学系が取着され前記被写体像を前記撮像素子に導く１束の光ファイバーとを含み、
   前記カメラ本体は前記後方台車に配置され、
   前記撮影光学系は、前記セグメントの端面の周方向の全周にわたって撮影するように設けられ、
   前記複数のジャッキ装置の少なくとも２台のジャッキ装置が前記セグメントを掘進方向と反対方向に押圧する際のストローク量を測定し、その測定データを前記真円度算出部に供給する距離検出部を設け、
   前記真円度算出部による前記真円度の算出は、前記画像情報を前記ストローク量の測定データに基づいて修正することによってなされる、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の真円度測定装置。

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