JPH0587638B2

JPH0587638B2 -

Info

Publication number: JPH0587638B2
Application number: JP15226686A
Authority: JP
Inventors: Tooru Goto; Shoei Ikeda; Toshimitsu Aso; Shunichi Sakai; Yoji Azuma
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Priority date: 1986-06-28
Filing date: 1986-06-28
Publication date: 1993-12-17
Also published as: JPS6311795A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、トンネル掘削用のシールド掘削機
の掘削方向を自動的に制御する方法に関する。

「従来の技術」一般に軟弱な地山内にトンネルを掘削する際に
使用されるシールド工法は、開さく工法と異なり
トンネル掘削中にシールド掘削機の掘削方向を適
宜監視、制御する必要がある。従来、このシール
ド掘削機の掘削方法の監視、制御は、作業員がシ
ールド掘削機及びセグメントの位置及び方向を計
測し、この計測結果に基づいて、前記作業員が自
身の経験及び勘に頼りながら手動で前記シールド
掘削機の掘削方向を変更することにより行なわれ
ていた。

近年、シールド掘削機の位置及び方向を機械的
に常時検出し、この検出信号に基づいて前記シー
ルド掘削機の掘削方向を制御するシールド掘削機
自動方向制御システムが提案されている。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、前記従来のシールド掘削機自動方向
制御システムは、シールド掘削機のみの位置及び
方向を検出し、これに基づいてシールド掘削機の
掘削方向を制御しているので、肝心の最終出来形
に影響するセグメントそのものの位置及び方向を
制御、管理することが困難であつた。また、前記
自動方向制御システムは、シールド掘削機のスキ
ンプレート（外筒）と前記セグメントとのクリア
ランス（間隙）について考慮していないので、極
端な場合、前記クリアランスが全く無い状態で
は、シールド掘削機内でセグメントの組み立て作
業が行えない、といつた現象を招く恐れがあつ
た。従つて、前記自動方向制御システムは実際に
稼動された例が少なく、現場においては、依然前
記の如く手動でシールド掘削機の掘削方向を制御
している場合が大半である。さらに、前記検出さ
れた位置及び方向に従つて、シールド掘削機の掘
削方向を制御するプログラムは、掘削機の機種、
土質、シールド径によらず一律に作成されている
ので、汎用性が低く、これも前記システムの実用
化を妨害する一因となつていた。

この発明は前記問題点に鑑みてなされたもので
あり、シールド掘削機の自動方向制御システムに
おいて、セグメントの組み立てを容易にすると共
に、その位置を制御、管理することの可能な汎用
的なシールド掘削機の掘削方向制御方法を如何に
して実現するかを問題にしている。

「問題点を解決するための手段」本発明者等は、前記問題点を解決すべく鋭意研
究した結果、シールド施工現場においてセグンメ
ントの位置及び方向の測定データがシールド掘削
機の掘削方向制御に重要な役割を果たしている、
との知見を得るに至つた。即ち、第７図に示す例
により説明すれば、シールド掘削機Ｓが直進状態
で地山を掘削する場合には、その左右のクリアラ
ンスL₁，L₂がほぼ同値であればよく（第７図
ａ）、またシールド掘削機Ｓが右方向に曲進する
場合には、L₁＜L₂であることが条件となる（第
７図ｂ）。

これは、逆の場合、即ち第７図ｃに示すように
L₁＞L₂であると、組み立てられたセグメント３，
３，…の前方にテーパセグメントＡをセツトし、
このテーパセグメントＡにジヤツキ推力を掛ける
と、反力により左側のセグメント３ａが外方へ移
動し、従つて正確な施工が行えなくなるのに対し
て、第７図ｂに示すようにL₁＜L₂であれば、左
側のセグメント３が外方にずれようとしても、こ
のセグメント３自体が周囲の地山に支持され、そ
の移動が抑えられるからである。

そこで、第７図ｃのような場合には、第７図ｄ
に示すように、一旦逆テーパセグメントＢをセツ
トし、シールド掘削機Ｓの掘進によりクリアラン
スをL₁＜L₂の状態にした後、通常のテーパセグ
メントＡをセツトして施工する必要がある。

以上説明した知見に基づいて、この発明は、シ
ールド掘削機位置検出手段及びクリアランス計測
手段からの信号に従い、現在のシールド掘削機の
掘削方向で地山を所定長さだけ掘削したときの前
記セグメントの位置及び方向の設計値とのずれを
計算すると共に、シールド掘削機の推進トルクと
変位とを測定して、これらの関係式を決定し、こ
の関係式に基づいて前記セグメントのずれを修正
するような推進トルクを前記シールド掘削機に与
えるようなシールド掘削機の掘削方向制御方法を
構成して、前記問題点を解決している。

「実施例」以下、この発明の実施例について第１図ないし
第４図を参照して説明する。

第１図ないし第２図はこの発明の一実施例が適
用されたシールド掘削機を示す図であり、これら
の図において符号Ｓはシールド掘削機、符号１は
シールド掘削機Ｓの外筒である円筒状のスキンプ
レート、符号２はこのスキンプレート１の内部に
周方向に複数個設けられたシールドジヤツキであ
る。シールドジヤツキ２は、順次掘進方向に足さ
れるセグメント３の前端（第１図左端）をスプレ
ツダ４で押圧し、その反力でスキンプレート１に
推力を与えるものである。

また、このシールド掘削機Ｓは、前端において
回転駆動される回転ドラムに取り付けられた掘削
ビツト（共に図示せず）により地山土砂を掘削し
ながら掘進するものであり、掘削された土砂はエ
レクタの後方に連設されたコンベア装置（共に図
示せず）に移され、該コンベア装置によつて後方
へ排出される。

符号６はスキンプレート１の後端とセグメント
３との間をシールするテールシール、また、符号
７はテールシール６保護用のリングである。

符号８はセグメント浮かしであり、これはスキ
ンプレート１の下部内周に互いに適宜間隔を置い
て配置されるもので、セグメント３をスキンプレ
ート１から若干浮かした状態に支持することで、
セグメント３とスキンプレート１とを同心状に保
持するものである。

また、シールド掘削機Ｓのテール部分には、天
地左右の４箇所にテールクリアランス計測装置
（クリアランス計測手段）５が取り付けられてい
る（図では地部分の装置のみが示されている）。
このテールクリアランス計測装置５は、前記セグ
メント浮かし８の間に位置するコ字形のバネ板１
０と、このバネ板１０に一端が連結されているワ
イヤ１３と、このワイヤ１３の他端に連結されて
いる測長機１６と、この測長機１６の付近に設置
されているワイヤ休止手段１８とから概略構成さ
れている。

バネ板１０は、その脚部１１がスキンプレート
１にねじ止めされて固定されている。そして、こ
のバネ板１０は、自由状態において自身の弾性作
用によりその先端１２がセグメント３に当接され
るように、スキンプレート１の内方に折曲されて
いる。

ワイヤ１３は、その一端がバネ板１０の先端１
２に連結されると共に、ローラ１４，１５を通じ
てその他端が測長機１６に連結されている。この
測長機１６は、図示されないステーによりスキン
プレート１に固定された取付板１７に固定され、
また内蔵されたエンコーダの働きにより、引き出
されたワイヤ１３の長さに応じた計測値を電気信
号を以て外部に出力しうるように構成されてい
る。

ワイヤ１３の途中には、該ワイヤ１３をバネ板
１０の付勢力に対抗して測長機１６側へ引つ張る
ことで、その一端をセグメント３から離間させ
て、セグメント３とスキンプレート１との間のテ
ールクリアランス計測を休止させる休止手段１８
が設けられている。休止手段１８は、ワイヤ１３
に取り付けられた鉄片１９と、測長機１６の近傍
に配置されかつその中空部に前記ワイヤ１３が挿
通される磁気コイル２０と、この磁気コイル２０
に通電してコイル２０を励磁させるコイル制御器
（図示せず）とから構成されている。

また、シールド掘削機Ｓには、自身の位置及び
方向を検知する位置検出装置（位置検出手段）９
が設けられている。この位置検出装置９は、シー
ルド掘削機Ｓの後部に位置されたレーザ受光盤２
１と、このシールド掘削機Ｓの後方の定位置に設
置されたトランシツト２２とから構成されてい
る。トランシツト２２には、レーザ発信器と光波
距離計が備えられている。前記レーザ受光盤２１
からは、トランシツト２２からのレーザ光の受光
位置の座標データが出力されると共に、このトラ
ンシツト２２からは、前記レーザ受光盤２１まで
の測角データと測距データとが出力される。

そして、前記テールクリアランス計測装置５の
測長機１６及びシールド掘削機位置検出装置９の
レーザ受光盤２１、トランシツト２２からの出力
信号は、コンピユータ２３に入力されると共に、
このコンピユータ２３からの制御信号により、シ
ールド掘削機Ｓのシールドジヤツキ２及び位置検
出装置９のトランシツト２２が制御、駆動されて
いる。

また、シールドジヤツキ２には、そのジヤツキ
ストロークを測定する図示されない測定手段が設
置され、この測定手段からジヤツキストロークを
示す出力信号がコンピユータ２３に出力される。

次に、第１図ないし第６図を参照して、この発
明の一実施例であるシールド掘削機の掘削方向制
御方法について説明する。

まず、第１図ないし第４図を参照して、前記テ
ールクリアランス計測装置５及びシールド掘削機
位置検出装置９の作用について説明する。

掘進時あるいはセグメント３組立時において、
テールクリアランス計測装置５は、前記休止手段
１８により休止されている。即ち、磁気コイル２
０を励磁させて鉄片１９を吸着し、よつてワイヤ
１３を測長機１６側へ引つ張る。すると、バネ板
１０の先端１２は、ワイヤ１３に引かれてセグメ
ント３に当接しないように保持されることとな
る。

次に、クリアランス計測時には、磁気コイル２
０への通電を断つ。すると、ワイヤ１３はバネ板
１０の弾性作用によりこのバネ板１０側に引か
れ、その一端がセグメント３に当接するまで引き
出される。すると、この時のワイヤ１３の移動量
を測長機１６が計測し、電気信号の形でコンピユ
ータ２３に出力する。そして、この電気信号がコ
ンピユータ２３により適宜補償された後、テール
クリアランス量として利用される。

一方、シールド掘削機Ｓの位置及び方向は、前
記シールド掘削機位置検出装置９により、以下に
示す方法に従つて検出される。

まず、通常は、第３図に示すように、レーザ光
の発射角度を一定に保持して、シールド掘削機Ｓ
の位置を求める。即ち、コンピユータ２３によ
り、図中実線で表すような基準位置におけるレー
ザ受光盤２１上のレーザ光受光位置P₁と、図中
鎖線で表わすような移動後の位置における受光位
置P₂との間の変位量ΔX，ΔYを求める。また、
同様にコンピユータ２３により、トランシツト２
２から受光位置P₁までの距離L₁及び受光位置P₂
までの距離L₂を測定し、その測距データから変
位量ΔZを求める。

そして、前記受光位置P₁の座標（X₁，Y₁，Z₁）
を基準として、移動後の受光位置P₂の座標（X₂，
Y₂，Z₂）をコンピユータ２３により計算する。
更に、レーザ光の発射方向を仮に受光位置P₁か
らP₂へ振つた場合の仮想振り角θ₀もコンピユータ
２３で計算して保存する。

以降、レーザ光が受光盤２１から外れない限
り、同様にして、既知の座標（X₁，Y₁，Z₁）を
基準として受光盤２１におけるレーザ光の受光位
置の座標を求め、これによりシールド掘削機Ｓの
位置を検出する。また、前記仮想振り角は逐一計
算してコンピユータ２３内に保存しておく。

さて、受光盤２１上のレーザ光受光位置が外方
へ変位して、この受光盤２１上の限界線上にま
でレーザ光が移動すると、コンピユータ２３から
の制御信号により、レーザ光受光位置を受光盤２
１の中央部P₃に位置させるように、トランシツ
ト２２を振る（第４図参照）。そして、コンピユ
ータ２３を用いて、受光盤２１がレーザ光を受光
した時点で実際のトランシツト２２の振り角θ₂及
び移動後の受光位置P₃までの距離L₃を計測し、
この振り角θ₂及び既知の受光位置P₁までの距離L₁
を利用して、受光位置P₃の座標（X₃，Y₃，Z₃）
を求める。

このようにして、シールド掘削機Ｓの変位が大
きい場合においても、シールド掘削機位置検出装
置９を用いれば、連続的にこのシールド掘削機Ｓ
の位置及び方向を検出することができる。

そして、以上説明した方法によりシールド掘削
機Ｓの位置及び方向、さらにスキンプレート１と
セグメント３との間のテールクリアランスを計測
して、先端部（第１図左端部）のセグメント３の
位置及び方向を、コンピユータ２３により計算す
る。更に、このセグメント３の位置及び方向のデ
ータを利用して、現在のシールド掘削機Ｓの位置
及び方向におけるセグメント３の位置及び方向の
設計値とのずれを、コンピユータ２３により計算
する。

一方、地山掘削中において、シールド掘削機Ｓ
の推進トルクと変位とをコンピユータ２３により
常時計測し、これらの関係を求める。この方法に
ついて、以下説明する。

今、シールド掘削機Ｓの周方向に、第５図に示
すようにＮ個のシールドジヤツキ２，２，…が配
置されているとする。このシールドジヤツキ２を
順にJ₁，J₂，…，J_Nと名付けると共に、シールド
掘削機Ｓの中心に原点０を設け、この原点を中心
としてシールド掘削機Ｓの上方を正とするＸ軸及
びシールド掘削機Ｓの右方を正とするＹ軸を設
け、ｉ番目のシールドジヤツキJiの座標を（Xi，
Yi）とする。すると、このシールド掘削機Ｓの
推進トルクのＸ成分Mx及びＹ成分Myは、次式
で与えられる。

Mx＝_N 〓ⁱ⁼⁰ Ｔ・Xi・Jsi My＝_N 〓ⁱ⁼⁰ Ｔ・Yi・Jsi ここで、ＴはシールドジヤツキJiの推力、Jsi
はｉ番目のシールドジヤツキJiのジヤツキストロ
ークである。よつて、上式に基づいて、コンピユ
ータ２３によりシールドジヤツキ２のジヤツキス
トロークを測定し、これによりシールド掘削機Ｓ
の推進トルクを計算する。

そして、前記シールドジヤツキ２の推進トルク
の測定、計算と同時に、前記シールド掘削機位置
検出装置９により、この推進トルクがシールド掘
削機Ｓに加えられた時のシールド掘削機ＳのＸ方
向の変位δx及びＹ方向の変位δyについても測定
し、コンピユータ２３内に保存する。

次に、コンピユータ２３内にシールド掘削機Ｓ
の推進トルクMx，My及び変位δx，δyのデータ
が20〜30（この数値は施工条件等により適宜決定
される）個収集された段階で、コンピユータ２３
により推進トルクと変位との相関の有無を、Ｘ成
分及びＹ成分について個々に検定する。この時、
推進トルクと変位との間に有意な相関が認められ
ない場合は、相関が認められるまでさらにデータ
を収集する（第６図参照）。そして、この相関に
基づいてシールド掘削機Ｓの変位と推進トルクと
の間の関係式を、推進トルクの関数として決定す
る。

以上説明した方法により、セグメントの位置及
び方向の設計値からのずれ、そしてシールド掘削
機Ｓの推進トルクMx，Myと変位δx，δyとの関
係式がコンピユータ２３により計算される。この
後、シールド掘削機掘削方向制御方法の次の段階
である、シールド掘削機Ｓの掘削方向自動制御を
次に示す方法により行う。

まず、掘削すべきトンネルの設計上の基準線及
び現在のセグメント３のずれ量から、次に組み立
てるべきセグメント３の種類（テーパの有無、キ
ーセグメントの位置等）を、コンピユータ２３に
事前に記憶させた一定の規則に従つて、このコン
ピユータ２３により決定させる。次に、決定され
たセグメント３を所定個数組み立てた場合の（す
なわち現在のシールド掘削機Ｓの掘削方向で地山
を所定長さだけ掘削した場合の）、セグメント３
の位置及び方向の設計値からのずれを、コンピユ
ータ２３により計算する。そして、このセグメン
ト３のずれを修正するように、シールド掘削機Ｓ
の掘削方向を修正、制御すればよいのである。

ここで、前記セグメント３のずれを修正するに
は、セグメント３の位置及び方向を前記方法に従
つて検知、制御することも重要であるが、前記決
定されたセグメント３が容易に組み立てられるよ
うなクリアランスを、スキンプレート１とセグメ
ント３との間に確保することも重要である。よつ
て、このクリアランスを確保するためのシールド
掘削機Ｓの掘削方向を、コンピユータ２３により
決定し、シールドジヤツキ２の推力を調整するこ
とでシールド掘削機Ｓの掘削方向を変更、制御す
ればよい。即ち、前記変更された掘削方向を実現
するようなシールド掘削機Ｓの変位を計算し、さ
らに前記シールド掘削機Ｓの推進トルクと変位と
の関係式から、シールドジヤツキ２の推力をコン
ピユータ２３により決定して、シールドジヤツキ
２をこのコンピユータ２３により制御、駆動すれ
ばよい。

ここで、シールド掘削機Ｓの推進トルクは、各
シールドジヤツキ２からのデータの累積値である
ので、変位から逆に各シールドジヤツキ２の推進
トルクを一意的に決定するのは困難である。従つ
て、各シールドジヤツキ２の推進トルクを数段階
の値に制限して選択し、これにより選択すべき推
進トルクのパターンを制限してコンピユータ２３
に選択させる必要がある。

以上説明したシールド掘削機Ｓの掘削方向制御
方法は、シールド掘削機Ｓの位置及び方向のデー
タを計測するのみならず、セグメント３の位置及
び方向のデータも同時に計測し、さらにこのシー
ルド掘削器Ｓの推進トルクと変位との関係式も逐
一算出している。そして、この関係式に基づいて
セグメント３の位置及び方向の設計値からのずれ
を修正するように、スキンプレート１とセグメン
ト３との間のクリアランスを決定し、これに従つ
て前記シールド掘削機Ｓの掘削方向を自動的に制
御しているので、セグメント３の位置及び方向を
容易に制御することが可能であると共に、前記従
来の自動方向制御システムのように、シールド掘
削機内でセグメント３が組み立てられない、とい
つた現象を招く恐れが全く無い。

また、前記シールド掘削機Ｓ掘削方向修正中
も、推進トルク及び変位のデータ収集が行なわれ
ているので、このシールド掘削機Ｓが掘進するに
従つて前記推進トルクと変位との関係式の信頼性
が高まる。そして、掘削すべき地山の土質が変化
しても、前記関係式を新たに計算すれば良く、従
つて土質に左右されない汎用的なシールド掘削機
自動制御が実現できる。

よつて、セグメントの組み立てを容易にすると
共に、その位置を制御、管理することの可能な汎
用的なシールド掘削機の掘削方向制御方法を実現
することができる。

なお、この発明であるシールド掘削機の掘削方
向制御方法は、前記実施例に限定されない。一例
として、前記シールド掘削機Ｓの推進トルクと変
位との関係式は、第６図に示すような一次式に限
定されず、最小二乗法等の統計学的手法を用いて
より高次の多項式により近似されてもよい。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明によれ
ば、シールド掘削機位置検出手段及びクリアラン
ス計測手段からの信号に従い、現在のシールド掘
削機の掘削方向で地山を所定長さだけ掘削したと
きの前記セグメントの位置及び方向の設計値との
ずれを計算すると共に、シールド掘削機の推進ト
ルクと変位とを測定して、これらの関係式を決定
し、この関係式に基づいて前記セグメントのずれ
を修正するような推進トルクを前記シールド掘削
機に与えるようなシールド掘削機の掘削方向制御
方法を構成したので、セグメントの位置及び方向
を容易に制御することが可能であると共に、従来
の自動方向制御システムのように、シールド掘削
機内でセグメントが組み立てられない、といつた
現象を招く恐れが全く無い。そして、掘削すべき
地山の土質が変化しても、前記関係式を新たに計
算すれば良く、従つて土質に左右されない汎用的
なシールド掘削機自動制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるシールド掘
削機の掘削方向制御方法が適用されるシールド掘
削機を示す正断面図、第２図は第１図の要部のみ
を拡大して示した正断面図、第３図は同実施例に
使用されるシールド掘削機位置検出手段の作用を
説明する図、第４図は第３図と同様の図、第５図
はこの発明の一実施例であるシールド掘削機の掘
削方向制御方法を説明する概念図、第６図は第５
図と同様の図、第７図は従来のシールド掘削機の
掘進方向及びスキンプレートとセグメントとのク
リアランスの関係を示す概念図である。Ｓ……シールド掘削機、１……スキンプレー
ト、３……セグメント、５……シールド掘削機位
置検出装置（シールド掘削機位置検出手段）、９
……テールクリアランス計測装置（クリアランス
計測手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

１シールド掘削機内に設けられたシールド掘削
機位置検出手段及びスキンプレートとセグメント
との間のクリアランス計測手段からの信号に基づ
いて、前記現在のシールド掘削機の掘削方向で地
山を所定長さだけ掘削したときの前記セグメント
の位置及び方向の設計値とのずれを計算すると共
に、前記シールド掘削機の上下方向及び左右方向
について該シールド掘削機の推進トルクと変位と
を測定して、これらの関係式を決定し、この関係
式に基づいて前記セグメントのずれを修正するよ
うな推進トルクを前記シールド掘削機に与えるこ
とを特徴とするシールド掘削機の掘削方向制御方
法。