JPH0533596A

JPH0533596A - シールド掘削機のリング組み方指示方法

Info

Publication number: JPH0533596A
Application number: JP3195576A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nishitake; 茂西岳; Junichi Tanaka; 淳一田中; Makoto Samejima; 誠鮫島
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1993-02-09
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JP2915634B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】三次元空間内において円弧状に湾曲する計画
線に沿ってシールド機械を掘進させ、テーパリングを進
行方向に対して回転させながら組み立てるに際し、テー
パリングの進行方向に沿った回転角を算出することにあ
る。【構成】テーパリング８の幅、テーパ量等の幾何学的
条件により、テーパリングの回転角を順次演算して求
め、その回転角でテーパリングを回転させながら組み立
てるので、熟練を要せず簡単に組み立てることが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘削機のリン
グ組み方指示方法に関し、熟練を要さずに容易にテーパ
リングを組み立てることができるように改良したもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】地下鉄道、上下水道、電力，通信，ガス
用共同溝、地下道などのトンネルは、シールド工法によ
り構築されることが多い。シールド工法を採用すれば、
周辺の地盤の崩壊を防ぎながら、シールドの内部で安全
に掘削、覆工作業を行いつつトンネルを構築することが
できる。

【０００３】このシールド工法の施工は、ほぼ次の手順
により行なわれる。（１）まずシールド推進に先だって、シールドの組立な
らびに推進の基点となる場所を、ケーソン工法などの工
法で立坑に掘下げて確保する。（２）以降は、覆工の１リングに相当する長さだけ、シ
ールドの前面を掘削しつつ、（３）シールドジャッキによりシールドを前進させ、（４）尾部の覆工を行う、という操作を繰返して掘進す
る。

【０００４】ここで加泥式シールド掘削機の機械的構成
及び動作の概要を、図１を参照して説明する。図１に示
すように、掘削機本体１は筒状をなしており、その前部
に隔壁となるバルクヘッド２が取り付けられ、バルクヘ
ッド２の前面には回転カッタ３が取り付けられている。
バルクヘッド２と回転カッタ３との間がチャンバ室４と
なり、チャンバ室４内には、加圧・注入された加泥材と
削土とが混練されて生成された混練土が取り込まれ、こ
の混練土はスクリューコンベア５によって排出される。
このとき土圧は、土圧計６により検出され、土圧に応じ
て、スクリューコンベア５の排出能力が調整される。

【０００５】掘削機本体１の尾部は、テールパッキン７
を介して、既設のリング８に嵌合している。そして掘削
機本体１には周方向に沿い複数本の油圧式シールドジャ
ッキ９が配置されている。掘削機本体１を推進させると
きには、シールドジャッキ９に油圧を供給してシールド
ジャッキ９を伸ばしリング８を押す。こうするとリング
８からの反力により掘削機本体１が推進し、推進時に回
転カッタ３による掘削をする。１リング分掘り進んだと
ころで掘削を停止してシールドジャッキ９を収縮させ、
収縮により形成された間隙に、エレクタにより、新たな
リング８を搬入して組立てる。なお、シールドジャッキ
９のスロトークはストローク計（図示省略）により検出
され、シールドジャッキ９に供給される圧油の圧力は油
圧計（図示省略）により検出される。

【０００６】また、掘削機本体１の内部には、本体１の
位置，姿勢，方向を測定する検出器や、位置等を判定す
るための制御装置や、シールドジャッキへの圧油供給の
制御をするシールドシーケンサ等が組み込まれている。

【０００７】上述したシールド掘削機は、あらかじめ決
めた計画線に沿い掘進するよう進路調整がされる。つま
り、シールド掘削機の位置をレーザ計測器やレベル計等
を用いて実測し、この実測データと計画線との偏差をコ
ンピュータで求め、この偏差が零となるように、進路調
整をする。進路調整は、掘進の際に、複数のシールドジ
ャッキのうち所定のものに圧油を供給しなかったり、各
シールドジャッキに供給する圧油の圧力を調整すること
により、掘削機本体１に作用する回転モーメントを変化
させることにより実現している。

【０００８】尚、シールド掘削機の位置が計画線からあ
る値以上大きくずれた場合には、補正計画線を新たに作
る必要があり、以下の説明では、補正計画線を含めた意
味で計画線の語を使用する。尚、補正計画線とは、目標
地点でシールド掘削機の掘削位置や方向が計画線に接す
るように、位置や方向のずれた現在位置と数十リング先
の計画線上の位置とをスムーズに結ぶ線のことを言う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したリング８とし
ては、標準リングとテーパリングとを組み合わせて使用
している。標準リングは円周上何処でも幅が一定のもの
であり、テーパリングは円周上に最小幅の部分と最大幅
の部分を有し、一定のテーパ量を有するものである。こ
こで、直線部分の計画線においては、シールド掘削機を
直進させて掘削し、シールドジャッキ９を縮小して生じ
た隙間に標準リング８を単に組み立てることで比較的容
易に掘進することが出来る。

【００１０】しかし、三次元空間内において円弧状に湾
曲した計画線の場合には、テーパリングを進行方向に対
して回転させながら、組み立てる必要があるが、その回
転角を決定することは熟練作業者であっても、煩雑な作
業となっていた。特に、テーパリングの寸法、幅、テー
パ量等は種々異なるため、これらを考慮して円弧部分の
計画線に沿ってテーパリングを組み立てることは、極め
て熟練を要する作業であった。

【００１１】本発明は、上記従来技術に鑑みて成された
ものであり、円弧部分における計画線においてテーパリ
ングを進行方向に対して回転させながら組み立てるに際
し、そのテーパリングの回転角を確実に指示することの
できる方法を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の構成は地盤を掘削する掘削機本体と既設のリング
との間に円周方向に複数のシールドジャッキを配設し、
該シールドジャッキを伸長させることにより、円弧部分
の計画線に沿って前記掘削機本体を任意の方向に旋回動
作させ、前記シールドジャッキを縮小させることにより
当該シールドジャッキと前記既設のリングとの生じる隙
間にテーパリングを新設して組み立てるシールド掘削機
において、前記テーパリングの寸法等の幾何学的条件に
基づいて前記テーパリング毎の回転角を演算し、この演
算された回転角により前記テーパリングを回転させて組
み立てることを特徴とする。

【００１３】

【作用】計画線が三次元空間内における円弧であって
も、テーパリングの寸法、計画線の円弧の曲率半径等の
幾何学的条件を与えれば、進行方向に対してテーパリン
グを回転させる回転角を演算して求めることが可能であ
り、このように演算して求められた回転角に基づいてテ
ーパリングを回転させれば確実に組み立てることが可能
である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。図１〜図３に本発明に使用す
るシールド掘削機の一例を示す。同図に示すように掘削
機本体１は、シールドジャッキ９が伸びてセグメント８
から反力を受けることにより前進し、回転カッタ３によ
り削られた土はスクリューコンベア５により排出され
る。シールドジャッキ９は、図１のII−II矢視図である
図２に示すように２０本備えられている。図２では各シ
ールドジャッキに「９−１」〜「９−２０」の符号を付
している。

【００１５】次に図３を参照して、実施例の制御系を構
成する各制御装置の配置状態を説明する。掘削機本体１
内には、自動方向制御システムを搭載した制御装置２０
と、シールドシーケンサ２１が備えられており、地上側
には、ユーザ支援，システム立上げ，データ収集記録を
行う運転管理システムを搭載したパソコン２２が備えら
れている。

【００１６】制御装置２０には、土圧計２３により検出
した土圧データ、ジャイロとレベル計を組み込んだジャ
ベル（商品名）２４により検出した位置・方向データ、
ジャイロ２５により検出したローリングデータ、ストロ
ーク計２６により検出したシールドジャッキ９のスロト
ークデータ、圧力計２７により検出したシールドジャッ
キ９への供給油圧データが入力される。

【００１７】ここで、制御装置２０は、図１７に示すよ
うにＣＰＵ３４、入力装置３５、メモリ３６等から構成
することができる。入力装置３５を通じて入力されたテ
ーパリングの寸法、計画線の円弧部分の曲率半径等の幾
何学的条件のデータはメモリ３６へ記憶されている。Ｃ
ＰＵ３４は、これらの幾何学的条件に基づいて、後述す
るようにテーパリングの回転角を演算し、その結果を、
図１８に示すようにディスプレイ２８に表示する。図１
８に示す例は、補正計画線におけるリング組立指示であ
り、リングのNo.、種類、テーパ量、備考及び回転角が
示されている。標準リングには、テーパ量はありえない
ので省略してある。また、標準リングは回転角を自由に
とることができるので指示する必要がない。また、図１
９図に示すように使用する標準リング、テーパリング及
びその使用比率等は、予めディスプレイ２８上で選択す
ることができる。

【００１８】シールドシーケンサ２１は、比例弁アンプ
２９を介してバルブ３０の開閉制御をする。バルブ３０
の開閉制御をすることにより、２０本のシールドジャッ
キ９（９−１〜９−２０）への圧油の供給制御が行なわ
れる。このシールドシーケンサ２１と制御装置２０との
間では、データが双方向伝送される。

【００１９】地上のパソコン２２には、モニタ３１，プ
リンタ３２及びキーボード３３が接続されている。この
パソコン２２は、制御装置２０及びシールドシーケンサ
２１に接続されている。ここで、上記制御装置２０の自
動方向制御システムは、円弧部分の計画線に沿うように
テーパリングの回転角δⁱの計算する機能を有してい
る。即ち、制御装置２０は、三次元空間における円弧に
沿うようにリングを組む時のテーパリングの回転角の演
算することができるのである。図４〜図１６に本発明の
一実施例を示す。尚、標準リングは回転自由であるの
で、ここではテーパリングの回転角について示す。

【００２０】先ず、絶対座標系（ｘ−ｙ−ｚ）として
は、図４に示すように、ｘ軸の正方向を北向き、ｙ軸の
正方向を東向き、ｚ軸の正方向を鉛直上方と定義する。
また、ｘ−ｙ平面における水平面角度θ_xyは、図５に示
すようにｘ軸正方向から時計回りに、また、ｚ−ｙ平面
における縦断面角度θ_Zは、図６に示すようにｙ軸正方
向から反時計回りに取る。また、計画線の円弧の回転角
θとは、図７、図８に示すようにシールド掘削機の進行
方向の真後ろから見て円弧がｘ−ｙ平面となす角度のこ
とをいう。

【００２１】更に、図９に示すようにテーパリングの直
径をＤとし、その最大幅をＢ_T、最小幅をＢ_Sとし、その
差をΔとする。従って、図１０に示すようにテーパリン
グの中心線の長さＢ_Cは、(Ｂ−Δ／２)となり、テーパ
リング１個で曲がる角度εはtan^-1(Δ／Ｄ)となる。テ
ーパリングの回転角δⁱは、図１１に示すようにテーパ
リングの最小幅の位置と最大幅の位置とを結ぶ線がｘ−
ｙ平面となす角度のことを言う。本実施例では、図１２
に示すようにテーパリングの最小幅の部分を繋いでゆく
ように、回転角δⁱを計算するものとする。

【００２２】ここで、テーパリングに固定した相対座標
系（ｘ^*，ｙ^*，ｚ^*）としては、図１３に示すように、
ｘ^*軸の正方向を中心軸に沿った前方とし、ｙ^*の正方向
を最小幅の方向、ｙ^*の負方向を最大幅の方向とする。
従って、相対座標系（ｘ^*，ｙ^*，ｚ^*）は、絶対座標系
（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、図１４に示す相対関係にあ
り、水平面角度θ_xy ⁱ，縦断面角度θ_z ⁱは図１５に示す
ようにテーパリングの中心上端部の方向に相当する。
尚、右肩の添字ｉは、現在のｉ番目のテーパリングに対
応することを示し、ｉ＋１は次のテーパリングに対応す
る。

【００２３】本実施例においては、次のように計算して
回転角を算出する。（１）先ず、出発点、ｉ＝１においては、テーパリング
の回転角δⁱは、計画線の円弧の回転角θに等しい。 δⁱ＝θ(ｉ＝１) …(１) また、出発点における進行方向は計測データにより求め
ることができ、既知である。即ち、θ_xy ⁱ，θ_z ⁱ（ｉ＝
１）は、既知である。（２）次に、テーパリングを回転角δⁱで回転させて組
んだ時の幅の狭い部分の先端ｐの絶対座標を算出する。
ここで、リング中心下端位置からみた最小幅の前方の点
ｐの座標は、相対座標系（ｘ^*，ｙ^*，ｚ）において、次
式で示される。ｐ＝(Ｂ_S，Ｄ／２，０) …(２)

【００２４】次に、絶対座標系におけるｐの座標をＰと
すると、以下の式で示される。Ｐ＝Ａ_Z(−θ_xy ⁱ)・Ａ_Y(θ_z ⁱ)・Ａ_X(−δⁱ)・ｐ …(３) 但し、Ａ_X(θ)：Ｘ軸回りの座標変換行列Ａ_Y(θ)：Ｙ軸回りの座標変換行列Ａ_Z(θ)：Ｚ軸回りの座標変換行列尚、ここでのθは一般的な変数の意味である。また、行
列Ａ_Z，Ａ_X内の角度に負の符号が付いているのは、上記
座標変換では、軸に対して右ねじの方向を正としている
からである。一般的には、Ａ_X(θ)，Ａ_Y(θ)，Ａ_Z(θ)
は次式で示される。

【００２５】

【数１】絶対座標系における座標Ｐの成分を(Ｐ_x，Ｐ_y，Ｐ_z)と
する。座標Ｐは、上述したように角度変換のみ行う為、
図８に示すように座標系(ｘ^*，ｙ^*，ｚ^*)と座標系(ｘ，
ｙ，ｚ)との原点が一致している状態における座標であ
る。

【００２６】そこで、図９におけるリングの中心下端〇
を前回組んだリング中心の上端に合わせる、つまり移動
させる必要がある。前回組んだリング中心の上端の座標
をＴⁱ＝(Ｔ_x ⁱ，Ｔ_y ⁱ，Ｔ_z ⁱ)とすると、ここで求めたい
のはｚ成分であり、それをＱ_zとすると、次式のように
なる。Ｑ_z＝Ｔ_z ⁱ＋Ｐ_z …(４) 尚、出発点におけるＴⁱ(ｉ＝１)は、その点における座
標であり、計測データにより求めることができる。リン
グ中心上端座標Ｔⁱ⁺¹は次のようにして算出する。この
点が、次のリングの中心下端となる。Ｔⁱ⁺¹は、前リン
グとの積み重ねであり、以下の式で求めることが出来
る。

【００２７】

【数２】そして、リング中心上端の方向は次式で求められる。

【００２８】

【数３】次のリングの回転角δⁱ⁺¹は、以下の式で算出すること
ができる。

【００２９】

【数４】以下、ｉ＝ｉ＋１として、上述した手順を繰り返すこと
により、テーパリングの回転角δⁱ⁺¹が順次求められ
る。

【００３０】このようにして演算された回転角δⁱは、
図１８に示すように各テーパリングに対応してディスプ
レイ２８上に表示され、この回転角δⁱに応じてテーパ
リングを回転させながら組み立てることにより、円弧部
分の計画線に沿わせることが可能となる。この為、三次
元空間内における円弧部分の計画線であっても、特別な
熟練を必要とすることなく、簡単にテーパリングを組み
立てることが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明は、円弧部分における計画線において
テーパリングを進行方向に対して回転させながら組み立
てるに際し、テーパリングの寸法等の幾何学的条件に基
づいてテーパリングの回転角を演算するので、テーパリ
ングの回転角を確実に指示するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シールド掘削機の構成を示す構成図である。

【図２】シールドジャッキの配置を示す配置図である。

【図３】シールド掘削機の制御系を示す説明図である。

【図４】絶対座標系を示す説明図である。

【図５】水平面角度を示す説明図である。

【図６】縦断面角度を示す説明図である。

【図７】計画線の円弧の回転角を進行方向後ろ側から見
た説明図である。

【図８】計画線の円弧の回転角を斜め上方から見た説明
図である。

【図９】テーパリングの最大幅、最小幅の寸法を示す説
明図である。

【図１０】テーパリングの中心線、テーパリング１個で
曲がる角度を示す説明図である。

【図１１】テーパリングの回転角を示す説明図である。

【図１２】テーパリングの最小幅の部分を繋ぐ様子を示
す説明図である。

【図１３】テーパリングに設けられる相対座標系を示す
説明図である。

【図１４】絶対座標系と相対座標系との関係を示す説明
図である。

【図１５】テーパリングの中心線上端部の方向を示す説
明図である。

【図１６】テーパリングの中心下端位置を示す説明図で
ある。

【図１７】制御回路の構成図である。

【図１８】ディスプレイ上の補正線区間リング組立指示
を示す画面である。

【図１９】ディスプレイ上の使用リングの選択を示す画
面である。

【符号の説明】

１掘削機本体２バルクヘッド３回転カッタ４チャンバ室５スクリューコンベア６土圧計７テールパッキン８リング９シールドジャッキ２０制御装置２１シールドシーケンサ２２パソコン２３土圧計２４ジャベル２５ジャイロ２６ストローク計２７圧力計２８ディスプレイ２９比例弁アンプ３０バルブ３４ＣＰＵ３５入力装置３６メモリ

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】地盤を掘削する掘削機本体と既設のリン
グとの間に、前記掘削機本体の円周方向に複数のシール
ドジャッキを配設し、該シールドジャッキを伸長させる
ことにより、円弧部分の計画線に沿って前記掘削機本体
を任意の方向に旋回動作させ、前記シールドジャッキを
縮小させることにより当該シールドジャッキと前記既設
のリングとの生じる隙間にテーパリングを新設して組み
立てるシールド掘削機において、前記テーパリングの寸
法等の幾何学的条件に基づいて前記テーパリング毎の回
転角を演算し、この演算された回転角により前記テーパ
リングを回転させて組み立てることを特徴とするシール
ド掘削機のリング組み立て指示方法。