JPH0336399B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、地下鉄または上、下水道などを掘削
するトンネル掘進機の姿勢制御方法、とくにトン
ネルを計画線に沿つて正確に築造し得るトンネル
掘進機の姿勢制御方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、土中を掘削するトンネル掘進機などの進
行方向を制御するには、第７図に示すようにトン
ネル掘進機１内の進路基準線ａ上にターゲツト２
を配置し、一方トンネル内の基準点に設置した図
示しないレーザ投光器から計画掘削線方向を指向
するレーザ光３を放射し、掘進機が土中を進行し
た際にレーザ光３がターゲツト２に入射した位置
４を検出し、この入射位置４がターゲツト２の中
心位置５に一致するように各推進用ジヤツキによ
る合成推力を調整しトンネル掘進機１の進路を修
正するようにしていた。

しかし、この方法によると現在位置のずれを
検出できるが掘削方向の角度のずれを検出できな
いため将来位置を予測できず、従つて計画掘削線
に沿つて掘進機を正確に進行させることができな
い、トンネル曲線部でレーザ投光器を移設（盛
替え）するためかなりの時間を消費する、レー
ザ光を通過させる空間を狭いトンネル内に確保す
るのが煩雑である、などの欠点があつた。

上記の欠点を回避するため掘進機に姿勢角セン
サ（例えばジヤイロコンパス、傾斜計など）を取
り付けて掘進機の掘削方向を制御する方法が種々
検討されている。この方法は掘削開始前にトラン
シツト、水準器などを用いて第８図に示すごとく
計画掘削線ｚに対する掘進機中心線ｃの角度のず
れθ₁を計測しておき、このθ₁がゼロになるように
掘進機１を進行させる。具体的にはθ₁を計測した
際にジヤイロコンパス６の指示値θ₂（通常、真北
からの偏倚角を示すようになつている）を読み取
り、このθ₂から前記θ₁を差引いて基準姿勢角θ₃を
求め、この基準姿勢角θ₃を常時維持するように掘
進機を進行させる。しかし実際には掘進機の進路
は僅かにずれるので下記の式(1)を用いて掘削後の
掘進機位置を演算し、計画掘削線ｚに対する位置
の偏差を確認しておく。

Δx₁＝l₁cos（θ₄−θ₆）sin（θ₃−θ₅） 式(1) ここにΔ x₁：計画掘削線ｚからのトンネル幅方向の位置の
ずれ l₁：掘進距離の計測値（例えば推進用ジヤツキの
ストローク量から求める） θ₃，θ₄：水平方向および鉛直方向の基準姿勢角 θ₅，θ₆：掘進中に姿勢角センサから読み取つた水
平および鉛直方向の姿勢角の平均値 である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記の方法は、ジヤイロコンパスなど
の据付アラインメントの誤差を修正できるが、掘
進機が掘進機中心方向に直進するという間違つた
前提に立脚しているため、この方法を実行すると
予測した位置と実際の位置とのずれが大き過ぎて
実用化することが困難であつた。上記掘進機の非
直進性は掘削すべき土質、掘進機の重心、推進ジ
ヤツキ反力、その他掘進機が土中で受ける複雑な
外力など非対称な要因によるもので、掘進機を姿
勢制御する上で無視できない問題点である。

またさらに、掘削作業を行う際に留意すべきこ
とは、掘進機中心線とトンネル中心線、すなわち
セグメント中心線は一般的に一致しておらず、ま
た掘削作業の良否はセグメント中心線がいかに計
画掘削線に接近しているかによつて評価される点
にある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上述したトンネル掘進機の非直進性
および掘進機が計画掘削線に沿つて進行した場合
においても不可避なトンネル中心と計画掘削線と
の不一致の度合いを統計的に把握し、これらのず
れを一括して是正する基準姿勢角を設定し、この
設定値を運転上の指針として掘進機の姿勢を制御
し、必要に応じて前記基準姿勢角を修正するもの
である。

本発明の方法を、第１図、第３図および第６図
を参照して説明すると、水平方向および鉛直方向
の姿勢角を検出し得る姿勢角センサ１１を掘進機
１に取り付け、掘進開始後、或る区間L₁を掘削
した後に、トンネル中心線ｍ上の複数の点１７
ａ，１７ｂ，１７ｃ…について計画掘削線ｚから
の偏差を計測し、この偏差を平均して例えば最小
二乗法など統計的手法を用いて回帰直線ｅ（第３
図参照）を求め、この回帰直線ｅが計画掘削線
ｚ、鉛直線ｙと挾む角度θ₄，θ₅（第３図参照）を、
同じ区間L₁を掘削中に計測した平均姿勢角から
差引いて基準姿勢角を求め、この基準姿勢角を維
持するように各推進ジヤツキ１２による合成推力
を調整することにより掘進機を進行させる。

基準姿勢は土質の変化など掘削条件によつて変
化するので次の要領で修正する。すなわち、一旦
設定した基準姿勢角から掘削中に計測した平均姿
勢角を差引いて姿勢角偏差を求め、この偏差と別
に求めた掘削距離とを用いて計画掘削線に対する
掘進機位置を演算し、この演算値を実測結果のト
ンネル中心位置と比較して使用中の基準姿勢角の
妥当性を統計的に評価し、必要に応じて新しい基
準姿勢角を前と同じ要領で設定し、その後の運転
指針とする。

［作用］ 掘進機の非直進性、トンネルおよび掘進機の各
中心線相互間の不一致を、掘進機進行後の姿勢角
の偏差としてとらえ、この偏差の度合いを統計的
に割出して次の区間を掘削する際の指針となる基
準姿勢角を求め、この基準姿勢角に基づいて掘進
機を姿勢制御するので、トンネル中心線と計画掘
削線とをほぼ完全に一致させることができる。

そして掘削中の掘進機位置を演算し、実際のト
ンネル中心位置との比較を行ない、基準姿勢角を
修正するので、長い掘削区間に亘り計画掘削線に
沿つて正確にトンネルを築造できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。第１図ないし第６図は本発明の方法および方
法を実施するための装置の一例を示すもので、図
中の符号、記号については従来の技術と同一内容
のものに同じ符号、記号を流用する。

第６図に示すように掘進機１内の適当な位置に
水平方向および鉛直方向の姿勢角を計測できる姿
勢角センサ１１が、また、推進ジヤツキ１２には
ストロークセンサ１３がそれぞれ取り付けられて
いる。以下、理解を容易にするため計画掘削線が
水平な直線を形成している場合につき、本発明の
方法を第２図に示すフローチヤートに従つて順を
追つて説明する。

プロセスＡは、第１回の掘削工程を示す。この
工程ではすでに説明したように予め掘進機中心線
と計画掘削線間の角度のずれを計測しておき、こ
のずれをゼロにするように掘進機を姿勢制御す
る。なお、掘削距離としてはセグメント１４の10
〜20リング分に相当する区間L₁を掘削するのが
よい（第１図参照）。

プロセスＢは、基準姿勢角設定工程で、第１回
の掘削工程が終了した後に実施される。基準姿勢
角の設定を第１図および第３図について説明する
と、各セグメントごとに計画掘削線ｚおよび鉛直
線ｙに対するトンネル中心線ｍ上の点１７ａ，１
７ｂ，１７ｃ…の水平方向および鉛直方向の偏差
y₁、z₁、y₂、z₂、y₃、z₃…を計測し、これらの計
測値を用いて前記各点１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…
を標本とする回帰直線ｅを最小二乗法を用いて求
め、この回帰直線ｅと計画掘削線ｚ、鉛直線ｙが
挾む角度θ₄，θ₅を式(2)(3)(4)(5)を用いて演算し、第
１回の掘進工程中に計測した水平面内および鉛直
面内の平均姿勢角θ₆，θ₇から前記角度θ₄，θ₅を差
引いて水平面内および鉛直面内の基準姿勢角θ₈，
θ₉を求める（式(6)(7)参照）。なお水平面内の姿勢
角はジヤイロコンパスで、また鉛直面内の姿勢角
は傾斜計を用いて計測する。

ｘ＝αz＋β 式(2) ｙ＝γz＋δ 式(3) θ₄＝tan^-1α 式(4) θ₅＝tan^-1γ 式(5) θ₈＝θ₆−θ₄ 式(6) θ₉＝θ₇−θ₅ 式(7) ここに式(2)、式(3)はそれぞれ回帰直線ｅの水平
面内および鉛直面内への投影線ｇ，ｈ（第３図参
照）を示す。

プロセスｃは第２回の掘削工程であり、掘進機
１は前工程で求めた基準姿勢角θ₈，θ₉を運転指針
としてこの姿勢角をできるだけ維持するように各
推進ジヤツキ１２による合成推力を調整すること
により適当区間L₂を運転する（第４図参照）こ
の間セグメント１４を１リングごとに数回の割合
いで水平方向および鉛直方向の姿勢角を計測し、
該１リング間の平均姿勢角を求め、１リングごと
に式(8)(9)を用いて計画掘削線ｚおよび鉛直線ｙに
対する水平方向および鉛直方向の掘進機位置の偏
差Δx₂、Δy₂を求め、１リング進むごとに上記偏
差をその都度累計して、掘進機演算位置の軌跡ｆ
（第４図参照）を求め、次に述べる基準姿勢角確
認のためのデータを準備する。

Δx₂＝l₂cos（θ₉−θ₁₁）・sin（θ₈−θ₁₀） 式(8) Δy₂＝l₂sin（θ₉−θ₁₁） 式(9) ここに l₂：掘削距離で、推進用ジヤツキ１２に設けたス
トロークセンサ１３または光波距離計（図示せ
ず）を使用する。

θ₁₀：水平方向の平均姿勢角 θ₁₁：鉛直方向の平均姿勢角 である。

プロセスＤは基準姿勢角確認工程であり、第２
回目以降の各掘削工程完了後、または掘進機演算
位置のずれが顕著になつた場合、掘削工程中であ
つても一時掘削を中断して実施する。この工程の
目的は、それまで使用してきた基準姿勢角を今後
も引き続き使用することの可否を判断するもの
で、プロセスＣで実施した掘進機演算位置と、実
測によつて求めたトンネル中心位置（トランシツ
ト、水準器などを用いて計測したトンネル中心位
置）とを比較して各位置ごとに偏差を求め、その
区間L₂における偏差の分布状態を統計処理して
トンネル中心線μに対する誤差曲線ｉ（第５図参
照）を求め、この曲線ｉを判断材料として土質そ
の他の掘進条件に注目すべき変化が発生したか、
あるいは基準姿勢角を設定する際に誤まりがなか
つたかどうかを重点的に判断する。

判断の手法としては次に示す考え方を基本と
し、さらに掘削現場の特殊事情を加味して行う。

() 土質などに格別の変化がなく、また基準姿
勢角の設定操作にも誤りがなかつた場合、誤差
曲線はほぼ平坦に延びる。

() 土質などに格別の変化がなく、基準姿勢角
の設定に誤まりがあつた場合は、誤差が一様に
累積するので誤差曲線はほぼ一様な勾配を保持
して計画掘削線から次第に遠ざかる。

() 基準姿勢角の設定に誤まりがなく、土質な
どが変化した場合、一般に土質は不連続的に変
化するので、誤差曲線は比較的急激な変化を示
す。

第５図に示す誤差曲線ｉは上記（）の場合に
相当しており、区間L₂のほぼ前半部は土質など
に格別な変化がなく基準姿勢角にも誤まりがなか
つたことを示しており、区間L₂のほぼ後半部
（区間L₃）において土質などに変化を生じたこと
を示している。

このようにして誤差曲線ｉを評価したのち偏差
が許容値ｊを越えた場合は、改めて新らしい基準
姿勢角を設定し、また掘進機の現在位置（第４図
Ｐ点）、すなわち今後の掘進機演算位置を演算す
るための基点を最新のトンネル中心位置（第４図
Ｑ点）に合わせる（矢印ｒ）。従つて新らしい誤
差曲線はトンネル中心線μ上の点Ｓから始まるこ
とになる（仮想線ｔ参照）。

なお、許容値の定め方としては、例えばあらか
じめ単位距離当りの許容値を定めておき、この許
容値に掘進距離を乗じて算出するのが便利であ
り、第５図の許容値ｊは上記のごとく定めた許容
値に掘削距離L₃を乗じて算出したものである。

新らしい基準角を求める際は、現在位置より遡
つた適当区間、本実施例では土質などの変化を生
じた区間L₃から標本を採取しプロセスＢで述べ
た要領に従つて決定する。

上記のごとく掘削条件の変化に対応して基準姿
勢角および掘進機演算位置を求める基点とを実際
に即して更新し、前記基準姿勢角を維持するよう
に各推進ジヤツキ１２による合成推力を調整する
ことにより掘進機１を進行させてゆくので、計画
掘削線に沿つて正確にトンネルを築造することが
できる。

また、上述の各プロセスにおける、各種の演算
は、第６図に示すごとく演算器１８を用いて行わ
れ、各姿勢角、ジヤツキストローク量の計測値は
自動的に、またトランシツトなどによる計測値は
キーボード１９を用いてそれぞれ演算器１８に入
力され、演算結果はモニタテレビ２０およびプリ
ンタ２１に表示され、必要に応じフロツピデイス
ク２２に記憶される。従つて姿勢制御、位置制御
を容易に行うことができる。

また、前述の説明では、計画掘削線が水平な直
線である場合について説明したが、傾斜した直線
であつても良く、さらに直線の替わりに曲線であ
つても良い。曲線の場合は掘進距離に従つて逐次
変化する基準姿勢角を設定することにより、同じ
プロセスを適用できる。

なお、本発明は前述の実施例にのみ限定される
ものではなく、例えば姿勢角センサは別の形式の
ものを使用してもよいことなど、その他本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加え
得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上に述べたごとく、本発明の方法は次の優れ
た効果を発揮する。

() 掘進機の非直進性、トンネルと掘進機の中
心の不一致を統計的に把握し運転指針として基
準姿勢角を設定し各推進ジヤツキによる合成推
力を調整することにより掘進機を進行させるの
で、計画掘削線に沿つて正確にトンネルを築造
することができる。

() 掘進機掘削中にリアルタイムで計測を行な
つて掘進機位置を演算で求め、基準姿勢角の妥
当性を確認し、必要に応じ修正を行ない、該修
正された新らしい基準姿勢角を維持するように
各推進ジヤツキによる合成推力を調整すること
により掘進機を進行させるので、確実に掘削作
業を実施することができる。

() 従来のごときトンネル曲線部におけるレー
ザ投光器の移設が不要となり、さらにレーザ光
を通過させる空間を確保する必要がなくなつた
ので、省力化に役立つ。

() 掘進機位置を演算によつて求めているの
で、この演算を推進ジヤツキの制御信号として
入力することにより自動姿勢制御が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は基準姿勢角を求める方法の説明図、第
２図は本発明の方法の手順を示すフローチヤー
ト、第３図は回帰直線の斜視図、第４図は掘進機
位置の水平面内の軌跡を示す説明図、第５図は誤
差曲線の説明図、第６図は本方法を実施するため
の装置の一例を示す系統図、第７図および第８図
は従来の位置検出方法および姿勢制御方法の説明
図である。図中、１はトンネル掘進機、１１は姿
勢角センサ、ｚは計画掘削線、ｅは回帰直線、
θ₈，θ₉は基準姿勢角を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 掘進機によつて所要距離掘削したのち実際に
   掘り進んだ軌跡であるトンネル中心線上に複数の
   点を選定し、計画掘削線と鉛直線と水平線とが規
   定する座標空間における前記各点の位置を計画掘
   削線からの偏差として計測し且つ計測値を統計的
   手法を用いて回帰直線を求め、前記掘進機に取り
   付けられ水平方向および鉛直方向の姿勢角を検出
   し得る姿勢角センサを用いて掘削中に計測した平
   均姿勢角から前記回帰直線と座標面とが形成する
   角度を差引いて横および縦方向の基準姿勢角を求
   め、該基準姿勢角を維持するように各推進ジヤツ
   キによる合成推力を調整することにより掘進機を
   進行させることを特徴とするトンネル掘進機の姿
   勢制御方法。 ２ 掘進機によつて所要距離掘削したのち実際に
   掘り進んだ軌跡であるトンネル中心線上に複数の
   点を選定し、計画掘削線と鉛直線と水平線とが規
   定する座標空間における前記各点の位置を計画掘
   削線からの偏差として計測し且つ計測値を統計的
   手法を用いて回帰直線を求め、前記掘進機に取り
   付けられ水平方向および鉛直方向の姿勢角を検出
   し得る姿勢角センサを用いて掘削中に計測した平
   均姿勢角から前記回帰直線と座標面とが形成する
   角度を差引いて横および縦方向の基準姿勢角を求
   め、該基準姿勢角を維持するように各推進ジヤツ
   キによる合成推力を調整することにより掘進機を
   進行させ、更に前記基準姿勢角を維持するように
   掘進機を進行中に、随時姿勢角センサの指示値を
   計測して適宜設定した掘進距離ごとに前記指示値
   の平均値を求め、該平均値を前記基準姿勢角から
   差引いて計画掘削線に対する姿勢角偏差を求め、
   該姿勢角偏差と前記掘進距離とを用いて掘進機位
   置を演算によつて求め、かくして求めた各掘進距
   離ごとの掘進機演算位置と実測によつて求めたト
   ンネル中心位置とを比較して使用中の基準姿勢角
   の妥当性を統計的に評価し、必要に応じて新らし
   い基準姿勢角を設定すると共に前記掘進機実際位
   置の最新値を今後の掘進機位置演算の基点とし、
   前記新らしい基準姿勢角を維持するように各推進
   ジヤツキによる合成推力を調整することにより掘
   進機を進行させることを特徴とするトンネル掘進
   機の姿勢制御方法。