JPH0765459B2 - シールド掘進機の自動方向制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トンネル掘進中のシールド掘進機のトンネル
計画線からの姿勢、位置のずれ量を、最少にする方向に
シールド掘進機を姿勢制御するようにした、シールド掘
進機の自動方向制御方法に関するものである。

［従来の技術］ シールド掘進機の姿勢制御は、複数の推進ジャッキによ
りシールド掘進機に推進方向に対して回転モーメントを
与えて行なっている。シールド掘進機の自動方向制御を
行なうためには、シールド掘進機に必要な姿勢変化をさ
せるのに、どれだけの大きさの回転モーメントをシール
ド掘進機に与えたら良いかを知るため、事前にシールド
現場のジャッキ操作データを収集するなどして、シール
ド掘進機の姿勢変化角と回転モーメントとの関係を角度
−モーメント変換特性として設定する必要がある。

第２図は、このような角度−モーメント変換特性を用い
て従来から行なわれているシールド掘進機の自動方向制
御方法を示す系統図であって、１はシールド掘進機、２
は自動姿勢・位置計測装置を示す。自動姿勢・位置計測
装置２は、平面および縦断面において、例えば真北およ
び水平面または計測された既知の方向線からのシールド
掘進機１の姿勢ずれ角または位置ずれ量を検出する検出
器と、この検出器からの検出値と光波距離計または推進
ジャッキのストローク計などによるシールド掘進機の掘
進距離検出値から、トンネル計画線３からの姿勢ずれ角
および位置ずれ量をリアルタイムに演算する装置から構
成されたもので、検出器の方式としてジャイロコンパス
方式、レーザー方式、またはこれらの併用などがある。
いずれの方式を使用しても良く、この装置２からシール
ド掘進機１のトンネル計画線３からの姿勢ずれ角４が演
算回路16に出力される。また演算回路16では例えば10cm
等の単位距離後の計画線変化角５を姿勢ずれ角４に加算
し、更に姿勢は合っているが位置がずれている場合の位
置ずれ量、セグメントとテールとのクリアランス等の状
況から演算される任意設定変化角６を加算して目標変化
角７を設定する。更に一般には、シールド掘進機１の急
激な姿勢変化は好ましくないので、目標変化角７の最大
値を制限するリミッタ要素８を通して指令変化角９を出
力するようにしている。

次にシールド掘進機１に変化角を生じさせるのに必要な
回転モーメントを得るために、変化角を回転モーメント
に変化するのであるが、 M:回転モーメント θ：姿勢変化角 A:比例係数（ゲイン） B:定数 とするとき、角度−モーメント変換特性は、 Ｍ＝Ａθ＋Ｂ …式（１） で得られる。

この角度−モーメント変換特性は、水平断面における真
北からの方位方向（Ｘ軸）と、縦断面における水平から
の上下方向（Ｙ軸）とが別々にあらかじめ設定される。
そして姿勢変化角θから回転モーメントＭへの変換は、
Ｘ軸、Ｙ軸別々に行ない、変換後にX,Y方向のモーメン
トを合成し、第３図に示すように合成モーメント10と合
成指令変化角11とを演算し、あらかじめ記憶させておい
たジャッキパターンテーブル14から、合成モーメント10
と合成指令変化角11に同じか、近似する値を出すジャッ
キ運転パターンを演算選択し、その選択信号15をシール
ド掘進機１の操作盤に出力し、操作盤内の制御回路（い
ずれもシールド掘進機１側に装備されて図示していな
い）を通して選択された推進ジャッキが運転される。

その結果シールド掘進機１の姿勢が変化し、刻々のＸ方
向、Ｙ方向の姿勢が自動姿勢・位置計測装置２により検
出され、それを受けて、単位距離ごとの実績変化角18が
演算される。単位距離（一般には５〜10cm）ごとの実績
変化角18と、ジャッキ運転パターン15とのジャッキ運転
油圧17から求めた実績モーメント19のデータを集積し
て、シールド１リングの掘削が終るごとに、オフライン
で過去数リングないし数十リングのデータを一次相関な
どの手法により統計解析して更新用角度−モーメント変
換特性20を演算作成し、それまで使用していた角度−モ
ーメント変換特性12と比較して限度以上の変化があれ
ば、それまで使用していた角度−モーメント変換特性12
を新たに演算作成した更新用角度−モーメント変換特性
20に更新する。限度の設定または判断基準は、指令変化
角９に対する実績変化角18の状況により、運転者が適宜
判断する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来のシールド掘進機の自動
方向制御方法にあっては、角度−モーメント変換特性を
式（１）のように定めているが、シールド掘進機の姿勢
変化特性は、過去にシールド掘進機がとっていた姿勢に
影響を受け、掘進中に角度−モーメント変換特性が変化
してしまい、制御が困難となる場合があった。式（１）
では角度−モーメント変換特性は１次式で定めている
が、一般に F:角度−モーメント変換特性関数 Δθ：指令変化角 M:指令回転モーメント とするとき、制御の基本式は Ｍ＝Ｆ（Δθ） …式（２） として定められる。式（２）において指令変化角Δθ
は、 So:現在のトンネル計画線方向 Ro:現在の実際のシールド掘進機の姿勢角とするとき、 Δθ:So−Ro …式（３） として求めることになるが、式（３）においては現在の
シールド掘進機の姿勢角により指令変化角を求めている
ため、過去にシールド掘進機がとっていた姿勢角の影響
が考慮されず制御が困難となる。

第４図および第５図は、過去にシールド掘進機がとって
いた姿勢角を考慮しないために制御が困難となる具体例
をそれぞれ示したものである。

第４図は地点（ａ）で目標変化角７−１により制御を行
ない、単位距離掘進した結果、地点（ｂ）においても制
御量が不足したため、さらに地点（ａ）での目標変化角
７−１と同方向の目標変化角７−２により制御を行なう
場合を示したものである。地点（ｂ）では、地点（ａ）
で使用したのと同一の角度−モーメント特性を使用する
ため、地点（ｂ）よりさらに単位距離掘進した地点
（ｃ）においても制御量が不足しており、制御に遅れを
生じるという問題点があった。

第５図は地点（ｄ）で目標変化角７−４により制御を行
ない、単位距離掘進した結果、地点（ｅ）では制御量が
大きすぎて、（ｄ）地点とは逆方向の目標変化角７−５
により制御を行なう場合を示したものである。地点
（ｅ）では、地点（ｄ）とは逆向きのモーメントを与え
て制御することになるが、地点（ｅ）における目標変化
角７−５の方向の地山は、地点（ｄ）においてすでに掘
削されているので、シールド掘進機はその方向へは非常
に動きやすい。したがって、地点（ｄ）で使用したのと
同一の角度−モーメント変換特性によりシールド掘進機
の姿勢を制御しようとすると、必要以上に大きく姿勢変
化をしてしまい、地点（ｅ）よりさらに単位距離掘進し
た地点（ｆ）では、地点（ｅ）とは逆方向の目標変化角
７−６が発生する。一旦、第５図に示したような状態に
なってしまうと、第５図における地点（ｄ）→地点
（ｅ）→地点（ｆ）という状態を繰り返してしまい制御
が安定しないという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、目標変化角の１リング内の最新の一定複数
個を平均化要素で順次平均して移動平均値として指令変
化角を定めることにより、制御の遅れが生じず、かつ安
定した制御を行なうことができるシールド掘進機の自動
制御方法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明は、シールド掘進機
を複数のジャッキで推進しながらトンネルを掘削し、自
動姿勢・位置計測装置からのトンネル計画線と前記シー
ルド掘進機との姿勢ずれ角、および単位距離後の計画線
変化角、並びに位置ずれ量に基づく任意設定変化角を演
算回路に入力して目標変化角を設定し、該目標変化角の
最大値を制限して指令変化角を演算し、あらかじめ設定
および作成しておいた角度−モーメント変換特性および
ジャッキパターンテーブルにより前記指令変化角を得る
ために必要な回転モーメントを発生するジャッキ運転パ
ターンを選択し、その選択されたジャッキを運転し、前
記シールド掘進機に推進方向に対して回転モーメントを
与えてシールド掘進機の推進方向を修正するシールド掘
進機の自動方向制御方法において、前記目標変化角の１
リング内の最新の一定複数個を平均化要素で順次平均し
て移動平均値として前記指令変化角を定めるようにした
ものである。

［作用］ 本発明においては、式（３）に示すように、ある地点に
おける現在のシールド掘進機の姿勢角により目標変化角
７を求め、目標変化角７をリミッタ要素８を通して指令
変化角９とするのではなく、目標変化角７の最新の複数
個の値を平均化要素21に入力し、平均化要素21の出力を
リミッタ要素８を通して指令変化角９とする。すなわち
式（３）において、指令変化角Δθを、 f:平均化関数 Sx:現在よりｘ［ｍ］前のトンネル計画線方向 Rx:現在よりｘ［ｍ］前の実際のシールド掘進機の姿勢
角 とするとき、 Δθ＝ｆ（∫_ｌ゜（Sx−Rx）dx） …式（４） として求める。

すなわち、過去にとっていた姿勢の影響を考慮するよう
にしたため、制御量が不足することなく、制御に遅れが
生ずることはない。

また、制御量が過多となることがないため、第５図にお
ける地点（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）という状態が
繰り返されることがなく、制御が安定する。その結果、
制御精度を向上させることができる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。

第１図は本発明の一実施例を示す系統図であって、第２
図と同一の箇所には同一符号を付してある。本発明にお
いては目標変化角７を１リング内で移動平均処理を行な
う平均化要素21を設けている。

第１図において、平均化要素21に入力される目標変化角
７は、１リングの掘削開始時にはそのまま出力され、リ
ミッタ要素８に入力される。

単位推進距離ごとに平均化要素21に入力される目標変化
角７は、入力されたデータ数が一定の複数個に達するま
では、入力された目標変化角７を入力されたデータ数で
平均して出力し、リミッタ要素８に入力される。

単位推進距離ごとに平均化要素21に入力される目標変化
角７は、入力されたデータ数が一定の複数個以上になっ
たときは、入力された目標変化角７のうち最新の一定複
数個のデータを順次平均して移動平均値とし、移動平均
値を出力し、リミッタ要素８に入力される。

次に、上記の実施例の作用を説明する。

まず、第４図において、地点（ａ）を１リングの掘削開
始地点とした場合、目標変化角７−１がそのまま指令変
化角Δθとなる。次に、単位距離掘進し、地点（ｂ）に
おいて、地点（ａ）で求めた目標変化角７−１と地点
（ｂ）において求めた目標変化角７−２とを平均化要素
21で平均し、地点（ｂ）における指令変化角Δθとす
る。ここで得られる指令変化角Δθは、地点（ｂ）での
目標変化角７−２より大きい値をとることになる。した
がって、制御に遅れが生じることがない。

次に、第５図において、地点（ｄ）から単位距離掘進
し、地点（ｅ）において地点（ｄ）で求めた目標変化角
７−４と地点（ｅ）において求めた目標変化角７−５と
を平均化要素（21）で平均し、地点（ｅ）における指令
変化角Δθとする。地点（ｄ）での目標変化角７−４と
地点（ｅ）での目標変化角７−５とは方向が逆であり、
平均化要素21により求めた指令姿勢角Δθは、地点
（ｅ）での目標変化角７−５より絶対値では小さな値と
なるため、地点（ｄ）ですでに掘削し、シールド掘進機
１が角度−モーメント変換特性により予想される姿勢変
化量よりも大きく姿勢変化してしまう方向に、必要以上
に回転モーメントを大きくかけてしまうことはない。そ
の結果、地点（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）のような
状態を繰り返さず、制御が安定する。

１リングの掘削開始地点あるいは１リングの掘削途中に
大きな姿勢ずれ量が発生し、目標変化角７−１が大きな
値をとったときに、その値を含めて平均化処理を行ない
制御を行なった場合、最終的には逆方向の姿勢ずれ量が
発生した時点で制御が安定してしまうが、一定複数個以
上のデータが入力された後は順次移動平均値を指令変化
角Δθとして制御を行なうため、最終的に逆方向の姿勢
ずれ量が発生することなく、姿勢制御される。

また、本実施例では、単位推進距離ごとに平均化要素21
に入力される目標変化角７が一定複数個以上になったと
き、最新の一定複数個のデータを順次平均して移動平均
値として出力し、最終的に姿勢偏差をなくすように制御
を行なうことができるが、単位推進距離ごとに平均化要
素21に入力される目標変化角７を、例えば１リング内で
入力されたデータ全数で平均して出力し、リミッタ要素
８に入力することにより制御をすると、姿勢偏差を推進
距離で積分する形で求めることのできる位置偏差を最終
的になくすように制御を行なうことができる。この場合
も、シールド掘進機１がすでに掘削した方向には大きな
回転モーメントを与えることなく、安定した制御が行な
える。

さらに、本実施例においては、一定複数個の選び方で、
さまざまなシールド掘進機１の自動方向制御方法に適用
することができる。一般に、シールド掘進機１は、外
径、機長、および掘削する土質などにより、すでに掘削
されている方向への動きやすさの度合が異なるが、一定
複数個の選び方において個数を変化させる、あるいは各
データに重みをつけて平均をとるなどの方法により適用
することができる。

［発明の効果］ 以上、説明してきたように、本発明によれば、以下に列
挙する効果が得られる。

（１）シールド掘進機の姿勢変化特性は過去にシールド
掘進機がとっていた姿勢に影響を受けるが、目標変化角
の最新の複数のデータを用いて平均化処理を行ない指令
姿勢角を求めて制御するようにしたため、過去にとって
いた姿勢の影響を考慮することができ、制御の遅れがな
く、安定した制御が行なえる。

（２）角度−モーメント変換特性を掘削中に逐次更新す
ることなしに安定した制御が行なえる。さらに、角度−
モーメント変換特性を厳密に設定する必要がなくなる。

（３）式（１）のように角度−モーメント変換特性を１
次式とした場合、比例係数（ゲイン）Ａを大きくとった
方が、制御感度は向上するが、第５図に示すような地点
（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）を繰り返す状態になっ
てしまう。本発明では、この状態を繰り返すことがな
く、比例係数（ゲイン）Ａを大きくとることができるた
め、制御の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す系統図、 第２図は、従来の系統図 第３図は、モーメント合成を示すグラフ、 第４図は、制御量不足の例の説明図、 第５図は、制御量過多の例の説明図である。 図中、１はシールド掘進機、２は自動姿勢・位置計測装
置、３はトンネル計画線、４は姿勢ずれ角、５は単位距
離後の計画線変化角、６は位置ずれ量に基づく任意設定
変化角、７は目標変化角、９は指令変化角、12は角度−
モーメント変換特性、14はジャッキパターンテーブル、
15はジャッキ運転パターン、16は演算回路、21は平均化
要素である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 豊 神奈川県横浜市緑区荏田北２丁目１番地１ 佐藤工業株式会社市ケ尾寮内 (72)発明者 田方 茂佳 愛知県名古屋市港区昭和町13番地 石川島 播磨重工業株式会社名古屋工場内 (56)参考文献 特開 昭58−33695（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−95799（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−214693（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド掘進機を複数のジャッキで推進し
   ながらトンネルを掘削し、自動姿勢・位置計測装置から
   のトンネル計画線と前記シールド掘進機との姿勢ずれ
   角、および単位距離後の計画線変化角、並びに位置ずれ
   量に基づく任意設定変化角を演算回路に入力して目標変
   化角を設定し、該目標変化角の最大値を制限して指令変
   化角を演算し、あらかじめ設定および作成しておいた角
   度−モーメント変換特性およびジャッキパターンテーブ
   ルにより前記指令変化角を得るために必要な回転モーメ
   ントを発生するジャッキ運転パターンを選択し、その選
   択されたジャッキを運転し、前記シールド掘進機に推進
   方向に対して回転モーメントを与えてシールド掘進機の
   推進方向を修正するシールド掘進機の自動方向制御方法
   において、前記目標変化角の１リング内の最新の一定複
   数個を平均化要素で順次平均して移動平均値として前記
   指令変化角を定めることを特徴とするシールド掘進機の
   自動方向制御方法。