JPH0755470A - トンネル掘削機の掘進方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネル掘削計画線に沿う方向にトンネル掘
削機の方向を修正しながら精度のよいトンネルを掘削す
る。 【構成】 トンネル計画線Ｘに対するトンネル掘削機Ａ
の現在位置の位置とその位置から一定距離、機軸上で掘
進させた場合のトンネル掘削機Ａの予定位置とを算出す
ることによりトンネル計画線Ｘに対してトンネル掘削機
Ａがどのように掘進するかを求め、その掘進方向がトン
ネル計画線Ｘに接近する方向に自動修正してトンネル掘
削機Ａを推進させると共に、修正値がトンネル掘削機Ａ
の方向修正機構の操作限界値以上であった場合、及び、
掘進させてもその修正方向に移動しない場合にはトンネ
ル掘削機Ａを停止させてカッターヘッド３の回転中心を
修正可能な位置まで移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル計画線に対す
るトンネル掘削機の現在位置と掘削方向を求めながらト
ンネル掘削機を計画線に従って掘進させるトンネル掘削
機の掘進方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネルを掘削する場合、計画線上に沿
って正確にトンネル掘削機を推進させる必要があり、そ
のため、従来からトンネル掘削機内の中心部にターゲッ
トを取付ける一方、該掘削機後方のトンネル内にレーザ
光発振装置を設置してこの装置からの集束光線をトンネ
ル掘削計画線に合致させ、上記ターゲットに照射してそ
の照射点に対するターゲット中心の偏位量、即ち、掘削
機の偏位量を検出し、ターゲットの中心が集束光線と合
致するようにトンネル掘削機の方向制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法によれば、トンネル掘削機の現在の位置を測
定することができても、掘削機の掘進方向、即ち、その
現在位置からトンネルを掘進させると、どの方向に進む
のかを予知することができず、オペレータの経験と勘と
で運転しているのが現状である。又、トンネル掘削機を
トンネル計画線に向かう方向にその向きを修正するに際
して、トンネル掘削機の位置がトンネル計画線からトン
ネル掘削機の方向修正機構による修正能力以上のズレが
生じている場合には、トンネル計画線に沿った掘進が困
難となり、精度のよいトンネル掘削が行えなくなる。

【０００４】さらに、トンネル掘削機の偏位、偏角をト
ンネル計画線に近づける方向に修正したとしても、地質
の変化等によってその方向に掘進しない場合が生じ、従
来のトンネル掘削機ではそのまゝ掘進してトンネル計画
線から大きく外れたトンネルを掘進することになるとい
うと問題点があった。本発明はこのような問題点を全面
的に解消し得るトンネル掘削機の掘進方法の提供を目的
とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によるトンネル掘削機の掘進方法は、メインビ
ームの先端にカッターヘッドを回転自在に支持した隔壁
体を一体的に設け、該隔壁体の外周面複数箇所に掘削地
盤に着脱自在に圧着するサポート部材を配設すると共に
メインビームの後方部にカッターヘッドを上下左右に偏
向させる方向修正機構を配設し且つメインビームに推進
ジャッキを設けてなるトンネル掘削機にターゲットを設
置し、該ターゲートにトンネル内の適所から集束光線を
照射することによりトンネル計画線に対するトンネル掘
削機の偏位と偏角を求め、その偏位量と偏角量が減少す
る方向にトンネル掘削機の向きを上記サポート部材また
は／および方向修正機構を作動させることによって制御
しながら掘進することを特徴とするものである。

【０００６】上記方法において、請求項２に記載してい
るように、トンネル計画線に対するトンネル掘削機の偏
位、偏角がその偏位、偏角を修正するための前記方向修
正機構の操作量が許容範囲にあるときには、方向修正機
構のみの作動によって掘進方向を自動制御しながら掘進
させるものであり、また、請求項３に記載しているよう
に、トンネル計画線に対するトンネル掘削機の偏位、偏
角を修正するための前記方向修正機構の操作量が許容範
囲外にあるときには、トンネル掘削機を一旦停止させて
上記サポート部材を作動させることによりトンネル掘削
機のカッターヘッドの位置を移動させ、方向修正機構の
操作量が許容範囲内になるようにしたのち、再び掘進す
ることを特徴とするものである。さらに、請求項４に記
載した発明は、上記方向修正機構によるトンネル計画線
に対するトンネル掘削機の偏位、偏角を修正しながら掘
進中に、トンネル掘削機がその修正方向に掘進しない場
合にはトンネル掘削機を一旦停止させて上記サポート部
材を作動させることによりトンネル掘削機のカッターヘ
ッドの位置を修正方向に移動させ、再び掘進することを
特徴とするものである。

【０００７】

【作用】トンネル掘削機のトンネル計画線に対する偏位
及び偏角を求め、トンネル掘削機がトンネル計画線に近
づく方向にその掘進方向を方向修正機構とサポート部材
とを作動させることによって修正し、偏位、偏角が大き
い場合や地質条件の悪い場合にも修正しながら掘進する
ことによってトンネル計画線に沿った精度のよいトンネ
ル掘削が可能となる。

【０００８】また、トンネル掘削機の偏位、偏角が方向
修正機構の操作範囲内にある場合には、そのまゝ自動方
向制御しながら掘進させる。一方、修正すべきトンネル
掘削機の偏位、偏角がトンネル掘削機の上記方向修正機
構の作動限界以上である場合や、修正した状態で掘進し
てもその修正方向にトンネル掘削機が掘進しない場合に
は、トンネル掘削機を一旦停止させ、サポート部材を作
動させてトンネル掘削機のカッターヘッドの位置を方向
修正機構によって修正可能な位置まで移動させたのちト
ンネル計画線に沿ったトンネルを掘進する。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面について説明す
ると、図１〜図５は本発明方法を実施するのに適したト
ンネル掘削機を示すもので、このトンネル掘削機Ａは、
トンネルＴ方向に長いメインビーム１と、このメインビ
ーム１の先端に一体に固着している短筒形状の隔壁体２
と、該隔壁体２の開口前端部に回転自在に支持されたカ
ッターヘッド３と、隔壁体２の外周部数箇所（図におい
ては４方部）に径方向に拡縮自在に配設されたサポート
部材４と、メインビーム１の長さ方向の後方部に配設さ
れた方向修正機構５と、カッターヘッド３の推進ジャッ
キ６と、メインビーム１の後端を支持するリヤサポート
７、及び、掘削ズリ排出用コンベア８とから構成されて
いる。

【００１０】カッターヘッド３は図２に示すように、そ
の背面外周部に突設した筒胴部3aを隔壁体２の内周面に
回転自在に支持させると共に該筒胴部3aの内周面に内歯
車3bを一体に設けて隔壁体２に取付けている駆動モータ
９の回転軸に固着した小歯車9aを該内歯車3bに噛合さ
せ、駆動モータ９によって回転させられるように構成し
ている。そして、このカッターヘッド３によって掘削さ
れたズリはカッターヘッド３に開設している取入口3cを
通じて隔壁体２内に受け入れられ、コンベー８上に搭載
されてトンネル後方側に排出される。

【００１１】さらに、上記サポート部材４はトンネル壁
面ｔに沿って円弧状に湾曲した一定幅と一定円弧長を有
するセグメント形状に形成されてあり、各サポート部材
４の内周面と隔壁体２の外周面とをリンク機構10によっ
て径方向に拡縮可能に連結していると共にジャッキ11を
連結して該ジャッキ11の作動により拡縮させられる。

【００１２】上記方向修正機構５は、図３に示すよう
に、メインビーム１の長さ方向の中間部を長さ方向に摺
動可能に受止した断面Ｕ字状のビーム受51と、このビー
ム受51の下面側にトンネルＴの径方向に向けて水平状に
配設したシリンダー体52と、該シリンダー体52内の両側
に内装された流体圧によって摺動するピストン53と、こ
れらのピストン53のピストンロッド54の端部に固着した
シュー取付部材55と、該シュー取付部材55に装着された
グリッパシュー56と、上記ビーム受51とシリンダー体52
との両側部間を連結しているジャッキ57、57とからな
る。

【００１３】そして、このジャッキ57の作動によってメ
インビーム１を上記サポート部材４を支点として上下方
向に移動させると共に、ピストン53の作動によって外側
面を円弧状に湾曲させている上記グリッパーシュー56を
トンネル壁面ｔの両側内面に着脱自在に圧着させるよう
に構成している。また、上記推進ジャッキ６、6 はサポ
ート部材４の背面両側部と上記両側のシュー取付部材5
5、55間に夫々連結している。

【００１４】さらに、図４に示すようにトンネル掘削機
Ａのメインビーム１の前端部上にはターゲットを有する
測定器12とその上に反射鏡12a とが固定的に設置されて
いる一方、トンネル掘削機Ａの後方トンネル内の適所に
は集束光線を照射するレーザー光線発振器13と測距儀14
とを配設している。そして、この測距儀14と反射鏡12a
によってトンネル掘削機Ａの位置（移動距離）を自動測
定すると共にレーザー光線発振器13からの集束光線（以
下、レーザー光線とする）を測定器12のターゲットに照
射することによって検出されるトンネル掘削機Ａの偏
位、偏角をコンピュータ15に入力してトンネル計画線に
対するトンネル掘削機Ａのズレを演算させ、その演算に
基づいてコントローラ16により、上記方向修正機構５を
作動させるように構成している。

【００１５】測定器12は、好ましくはトンネル掘削機Ａ
の機軸線Ｂ上に配設されてあり、図６に示すように、一
枚の凸レンズ17と、該凸レンズ17の前方に順次配設され
た第１、第２のターゲット18、19とからなり、これらの
レンズ17とターゲット18、19の中心をトンネル掘削機Ａ
の機軸線Ｂ上に位置させ、且つ最前方側の第２ターゲッ
ト19を凸レンズ17の焦点に配設してある。トンネル掘削
機Ａは通常、その重心点、即ち、方向修正時における回
転中心が該掘削機Ａの前端機軸線上に位置しており、こ
の点がトンネル計画線Ｘに対するトンネル掘削機Ａの位
置の被測点Ｃとなる。

【００１６】今、トンネル掘削機Ａの現在位置における
該掘削機の方向、即ち機軸線Ｂがトンネル計画線Ｘに対
してαだけ傾斜しており、且つトンネル掘削機Ａが被測
点Ｃで偏位していない場合において、トンネル掘削機Ａ
の後方に設置したレーザー光線発振器13からトンネル計
画線Ｘに一致させてレーザー光線Ｄを照射すると、該光
線Ｄは凸レンズ17によって屈折して第１、第２ターゲッ
ト18、19に照射する。尚、これらのターゲット18、19は
多数の光電素子からなるポジションセンサーヘッドに構
成されていて、その照射点の位置をコンピュータ15に入
力するようになっている。

【００１７】この時、第２のターゲット19は凸レンズ17
の焦点位置にあるので、凸レンズ17の光軸と平行にレー
ザー光線Ｄが入射すれば、その光線は全て該ターゲット
19の中心に集まるが、上記のように、トンネル計画線Ｘ
上を照射するレーザー光線Ｄは機軸線Ｂに対して角度α
だけ傾斜しているので、その入射光線は凸レンズ17の焦
点距離をｆとすると、ｆtan αだけ該ターゲット19の中
心から隔たった点に集まり、トンネル掘削機Ａの偏角α
を求めることができる。

【００１８】また、凸レンズ17を介して屈折したレーザ
ー光線Ｄと凸レンズ17の光軸との交差点をＥ、凸レンズ
３と被測点Ｃとの距離をｇ、第１、第２ターゲット18、
19間の距離をｉとすれば、とすれば、ｉ＝ｆ²=／（ｆ＋
ｇ）となり、このＥ点上に第１ターゲット18を配置して
おくと、トンネル掘削機Ａの被測点Ｃが計画線ＸからＳ
だけ偏位した場合、その偏位量Ｓは、第１ターゲット18
の中心からＳ・ｆ／（ｆ＋ｇ）だけ隔たった距離Ｍに縮
小して表されることになる。

【００１９】上記偏位量Ｓおよび偏角αを求めるための
第１、第２ターゲット18、19に照射する点は、機軸線Ｂ
に相当する位置（ターゲットの中心）から上下左右にず
れた位置で電気信号が発せられ、コンピュータ15に入力
され、現在位置におけるトンネル計画線Ｘに対するトン
ネル掘削機Ａの水平方向並びに鉛直方向の偏位量Ty、Tx
と偏角をコンピュータ15の演算器15a(図７に示す）によ
り演算して予め該コンピュータ15の記憶装置15b に記憶
させているトンネル計画線Ｘと対比させ、その位置を入
力すると共にコンピュータ15に付属したＣＲＴ画面20に
表示させる。

【００２０】このＣＲＴ画面20は図８に示すように、そ
の中央に、予めコンピータに記憶させている計画線Ｘに
おいて、トンネル掘削機Ａの現在位置（被測点Ｃ）から
一定長前方部分間を直線とみなし、その水平方向の計画
線を水平方向計画線ＩとしてＣＲＴ画面20の縦軸に、鉛
直方向の計画線を鉛直方向計画線IIとして横軸にし、一
定距離の掘進毎に十字線で表示するように構成してあ
り、このＣＲＴ画面20の下部と左部とに、上記第１ター
ゲット18に照射される照射点から得られた現在位置にお
けるトンネル掘削機Ａの被測点Ｃの水平方向偏位量Tyと
鉛直方向偏位量Txをそれぞれ水平方向の現在位置21と鉛
直方向の現在位置22とに区別して表示させる。

【００２１】この現在位置からトンネル掘削機Ａを上記
第２ターゲット19によって求めたその偏角でもって掘進
させた場合、トンネル掘削機Ａが計画線Ｘに対して接近
する方向に進むのか離れる方向に進むのかは判らない。
そのため、上記のようにして測定された現在位置から一
定長さだけ、トンネル掘削機Ａをその偏角でもって掘進
させたと仮定した位置における該トンネル掘削機Ａの計
画線Ｘに対する水平、鉛直方向の偏位量を求める。

【００２２】これらの偏位量は、トンネル掘削機Ａ内の
被測点Ｃの現在位置からその延長線上に一定距離だけ前
方位置に移動させた場所における被測点Ｃの座標値が、
掘進距離に一定距離を加えた点における計画線Ｘ上の座
標値の差として上記同様にコンピュータ15から求めるこ
とができ、その偏位量から予測位置を水平方向計画線Ｉ
と鉛直方向計画線IIに対して、それぞれ水平面上の予測
位置23と鉛直面上の予測位置24としてＣＲＴ画面20の上
部と右部に表示させる。

【００２３】こうして、現在位置におけるトンネル掘削
機Ａの水平、鉛直偏位位置21、22と一定延長距離を存し
た位置におけるトンネル掘削機Ａの水平、鉛直方向の偏
位量を示す予測位置23、24とをＣＲＴ画面20に点表示
し、さらに、水平方向の現在位置と予測位置との点表示
間、及び鉛直方向の現在位置と予測位置との点表示間を
それぞれ直線25、26で結んだ状態に表示させる。

【００２４】こうしてＣＲＴ画面20に表示された直線画
像によって、例えば、トンネル掘削機Ａの水平方向の掘
進予測直線25が水平方向計画線Ｉに対して現在位置から
予測位置に向かうに従って離間している場合には、現在
位置におけるトンネル掘削機Ａの水平方向の掘進角度を
反対側に修正すれば計画線Ｘに向かうことが判り、鉛直
方向の場合においても同様に判断することができる。

【００２５】このような掘進方向表示は、上記のように
トンネル掘削機Ａが一定距離、掘進する毎にその現在位
置と予測位置とをコンピータ15により演算させて新たに
表示させる。この画面20をトンネル掘削機Ａのオペレー
タが直視していると、方向修正機構５が作動して自動方
向制御を行っているときにその修正される様子がわか
る。この時、方向修正機構５が作動しているにもかかわ
らず、修正されないことをオペレータが確認した場合に
は、トンネル掘削機の掘進を停止させる。

【００２６】この自動制御を図９に示すブロック図に基
づいて説明すると、トンネル掘削機Ａが掘削進行を開始
すると同時に所定時間間隔毎に掘進距離とトンネル計画
線Ｘに対する偏位、偏角を測定し、上記のように計画線
Ｘに対するトンネル掘削機Ａの現在位置における偏位と
偏角、及びトンネルの掘進距離をコンピュータ15によっ
て演算、算出すると共にその偏角でもって目標点（予測
位置）に達した場合の目標点における偏位を演算、算出
する。これらの算出値による操作量制御値Ｎと予め入力
しているトンネル掘削機Ａの操作限界値、即ち、トンネ
ル掘削機Ａの方向修正機構５の作動限界値とを比較し、
操作量制御値Ｎが操作限界値以下であれば、コンピュー
タ15からコントローラ16に指令し、トンネル掘削機Ａを
計画線Ｘに近づく方向にその向きを変更させながらトン
ネル掘削機Ａを掘進させる。

【００２７】コントローラ16によるトンネル掘削機Ａの
方向修正機構５の作動は、次のようにして行われる。即
ち、トンネル掘削機Ａのサポート部材４と方向修正装置
５の両側グリッパシュー56、56とを掘削地盤に圧着させ
た状態で方向修正装置５に装着しているジャッキ57を伸
縮させると、ビーム受51が上下方向に移動して該ビーム
受51上に中間部が載置されているメインビーム１がサポ
ート部材４を支点として上下に移動し、メインビーム１
の前端隔壁体２に配設しているカッターヘッド３が上下
方向に傾動する。

【００２８】また、方向修正装置５の一方のグリッパシ
ュー56を伸長させ、他方のグリッパシュー56をその伸長
量に同調して収縮させると、メインビーム１がサポート
部材４を支点として左右に振れ、カッターヘッド３が左
右方向に傾動する。従って、カッターヘッド３を上記指
令に応じた向きに方向修正装置５の作動範囲内で自動的
に指向させることができ、カッターヘッド３を回転させ
ると共に地盤に圧着したグリッパシュー56、56を支点と
して推進ジャッキ６を作動させることによりトンネルを
掘進する。この際、サポート部材４はトンネル壁面に摺
動しながら前進する。

【００２９】一方、操作量制御値Ｎが操作限界値以上で
あれば、その位置でトンネル掘削機Ａの掘進を停止させ
る。そして、隔壁体２の外周に配設した四方のサポート
部材４を操作してカッターヘッド３の回転中心の位置を
上下、左右方向に偏位させ、その位置における計画線に
対する偏位、偏角を求めて再び操作量を算出し、その制
御値Ｎと操作限界値とを比較して限界値以下であれば再
び掘削推進を開始し、上記のように操作を行う。

【００３０】次に、この操作によってトンネル掘削機Ａ
を目標点に向かって掘進させ、その掘進方向が偏位、偏
角の修正方向である場合にはそのまゝコントローラ16か
らの指令によって操作を続行させるものであるが、トン
ネル掘削機Ａが修正した偏位、偏角でもって目標点に向
かって掘進しても、地質の変化等によって理論通りに修
正方向に掘進しない場合が生じる。この場合には、コン
ピュータ15によってその状況を検出させ、または、画面
20をオペレーターが直視して、トンネル掘削機Ａの掘削
操作を中止させたのち、上記同様にその修正が可能な位
置まで、トンネル掘削機Ａのカッタヘッド３の回転中心
の位置をサポート部材４の作動によって移動させるもの
である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明のトンネル掘削機の
掘進方法によれば、トンネル計画線に対するトンネル掘
削機の現在位置並びにその位置からそのまゝの姿勢で掘
進させた場合の予測位置におけるトンネル掘削計画線に
対する偏位量を求めることによって現在位置と予測位置
とを結ぶ直線がトンネル計画線に対してどのような向き
であるかを検出することができ、従って、現在位置にお
いてトンネル掘削機がトンネル計画線に近づく方向にそ
の掘進方向を方向修正機構によって自動修正し、その状
態で掘進させてトンネル計画線に沿った精度のよいトン
ネル掘削が可能となるものである。

【００３２】また、現在位置におけるトンネル掘削機の
掘進方向が予定位置においてトンネル計画線からのズレ
の許容範囲内にある場合には、そのまゝ掘進させる一
方、修正すべきトンネル掘削機の偏位、偏角が、トンネ
ル掘削機の上記方向修正機構の作動限界以上である場合
や、修正した状態で掘進してもその修正方向にトンネル
掘削機が掘進しない場合には、トンネル掘削機を一旦停
止させ、サポート部材を作動させてトンネル掘削機のカ
ッターヘッドの位置を方向修正機構によって修正可能な
位置まで移動させるものであるから、トンネル掘削機が
計画線から大きくズレるのを確実に防止しながらトンネ
ル掘削施工を精度よく且つ能率的に行えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】トンネル掘削機の簡略斜視図、

【図２】カッターヘッド部分の簡略縦断側面図、

【図３】その方向修正機構部分の縦断正面図、

【図４】トンネル掘削機の自動修正操作を説明するため
の簡略側面図、

【図５】その簡略平面図、

【図６】測定器の構成図、

【図７】集束光線からＣＲＴ画面に至る間の簡略回路
図、

【図８】ＣＲＴ画面の正面図、

【図９】掘削方法を説明するためのブロック図。

【符号の説明】

Ａ トンネル掘削機 １ メインビーム ２ 隔壁体 ３ カッターヘッド ４ サポート部材 ５ 方向修正機構 12 測定器 13 レーザー光線発振器 14 測距儀 15 コンピュータ Ｘ トンネル計画線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メインビームの先端にカッターヘッドを
   回転自在に支持した隔壁体を一体的に設け、該隔壁体の
   外周面複数箇所に掘削地盤に着脱自在に圧着するサポー
   ト部材を配設すると共にメインビームの後方部にカッタ
   ーヘッドを上下左右に偏向させる方向修正機構を配設し
   且つメインビームに推進ジャッキを設けてなるトンネル
   掘削機にターゲットを設置し、該ターゲートにトンネル
   内の適所から集束光線を照射することによりトンネル計
   画線に対するトンネル掘削機の偏位と偏角を求め、その
   偏位量と偏角量が減少する方向にトンネル掘削機の向き
   を上記サポート部材または／および方向修正機構を作動
   させることによって制御しながら掘進することを特徴と
   するトンネル掘削機の掘進方法。
2. 【請求項２】 トンネル計画線に対するトンネル掘削機
   の偏位、偏角がその偏位、偏角を修正するための前記方
   向修正機構の操作量が許容範囲にあるときには、方向修
   正機構のみの作動によって掘進方向を自動制御しながら
   掘進させることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘
   削機の掘進方法。
3. 【請求項３】 トンネル計画線に対するトンネル掘削機
   の偏位、偏角を修正するための前記方向修正機構の操作
   量が許容範囲外にあるときには、トンネル掘削機を一旦
   停止させて上記サポート部材を作動させることによりト
   ンネル掘削機のカッターヘッドの位置を移動させ、方向
   修正機構の操作量が許容範囲内になるようにしたのち、
   再び掘進することを特徴とする請求項１記載のトンネル
   掘削機の掘進方法。
4. 【請求項４】 上記方向修正機構によるトンネル計画線
   に対するトンネル掘削機の偏位、偏角を修正しながら掘
   進中に、トンネル掘削機がその修正方向に掘進しない場
   合にはトンネル掘削機を一旦停止させて上記サポート部
   材を作動させることによりトンネル掘削機のカッターヘ
   ッドの位置を修正方向に移動させ、再び掘進することを
   特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機の掘進方法。