JPH08165888A - 中折れ型トンネル掘削機の方向制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 急曲線施工をなめらかで且つ精度よく方向制
御する。 【構成】 シールド機本体は前胴部２と後胴部３とに分
割されており、後胴部３に備えた推進ジャッキの推力に
より推進し、前胴部２と後胴部３との間に斜めのトラス
状に組んだ複数の方向制御ジャッキのストロークを制御
することにより、前胴部２の向きが制御される。そして
前胴部２から計画線Ｋ上の目標点Ｔに向いなめらかな仮
想線Ｉを求め、この仮想線Ｉに垂直な複数の目標姿勢Ａ
Ｑを求める。推進中は前胴部２の先端面ＡＰが目標姿勢
ＡＱに一致するように方向制御ジャッキのストロークを
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は中折れ型トンネル掘削機
（シールド掘削機）の方向制御方法に関し、中折れ部に
設けた方向制御ジャッキを掘進中に連続的に制御し、更
に後胴部の推進ジャッキを力点制御することにより、急
曲線施工をなめらかで且つ精度よく方向制御できるよう
に工夫したものである。

【０００２】

【従来の技術】図１８〜図２０を用いて、従来の中折れ
型シールド掘削機の概略構成と方向制御方法を説明す
る。

【０００３】図１８において、シールド機本体１の前胴
部２には、カッタヘッド４が取り付けられており、上記
カッタヘッド４で地盤を掘削する。更に急曲率を掘削す
る場合、余掘りをするためにコピーカッタ５がカッタヘ
ッド４の中に設けられている。前胴部２のエンドプレー
ト８と後胴部３のボトムプレート７との間には方向制御
ジャッキ１００が取り付けられている。上記方向制御ジ
ャッキ１００のストロークを操作することにより、前胴
部２と後胴部３との角度を制御することができる。

【０００４】ジャッキ配置の上・下部にはローリングス
トッパ１０１が取り付けられている。これは、前胴部２
から後胴部３に伝わる回転トルクを支持するためのもの
である。従って、通常の中折れ型シールド機の中折れ角
操作は水平面で行われる。前胴部２と後胴部３は球面ブ
ッシュ９でシールされている。後胴部３には掘進ジャッ
キ１０２が取り付けられており、上記掘進ジャッキ１０
２でセグメント１１を押しながら、シールド機本体１を
掘進させる。

【０００５】図１９は図１８のＡ−Ａ視図であり、円筒
状に配置された推進ジャッキ１０２と方向制御ジャッキ
１００及びローリングストッパ１０１を示している。な
お、図１９では方向制御ジャッキ１００に斜線をほどこ
して示している。

【０００６】図２０はシールド機の掘進状況から各ジャ
ッキの操作までの概略フローを示したものである。ま
ず、「掘進状況の把握」において、施工計画線に対する
シールド機のずれの確認を行う。ここでは、計画線に対
するシールド機の偏位，偏角を算出し、その値の大小を
評価するものである。次に、掘進中の計画線が直線か曲
線かも考慮に入れて前述のずれに対してシールド機の修
正方向を設定する。そして、シールド機を直進させるか
曲線掘進させるかを判断し次の操作を行う。なお、推進
ジャッキ１０２はＯＮ／ＯＦＦパターン選択で操作する
ものであり、推進ジャッキ１０２の全推力の作用点（力
点）が所定の位置となるようにパターン選択される。な
おＯＮ／ＯＦＦパターン選択で操作すると、推進ジャッ
キ１０２のうち選択したものの推力は全推力となり、選
択しなかったものの推力は零となる。

【０００７】ここで力点について更に説明しておく。実
際の推力は各推進ジャッキ１０２から得られるが、この
ときの掘進状況は各推進ジャッキ１０２の推力パターン
に応じて変化していく。作用点（力点）とは、全ての推
進ジャッキ１０２の全推力が、シールド機本体の後端面
の一点に集中したと仮定したときの点である。したがっ
てある掘進状況を得る各推進ジャッキ１０２の推力パタ
ーンは、全推力が作用すると仮定した力点が、シールド
機本体後端面のどの位置にくるかということに対応させ
ることができる。例えば直進の場合には、各推進ジャッ
キ１０２の推力は等しくなり、この状態は、力点が中心
位置に位置することに対応する。また右側の推進ジャッ
キ１０２の推力が強くなり左側の推進ジャッキ１０２の
推力が弱くなった場合には、力点が中心位置から右にず
れたことに対応する。

【０００８】直進の場合、方向制御ジャッキ１００は中
間位置でロックされる。曲線掘進の場合、曲線外側の方
向制御ジャッキ１００は「伸び」操作され、曲線内側の
方向制御ジャッキは「縮み」操作される。そして、所定
の中折れ角が得られたら、方向制御ジャッキ１００はロ
ックされる。

【０００９】上述の推進ジャッキ１０２、方向制御ジャ
ッキ１００の操作は手動だけでなく、自動で行うシステ
ムも開発されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１８〜図２０に示す
従来技術では、ローリングストッパ１０１と方向制御ジ
ャッキ１００及び推進ジャッキ１０２を装着して、シー
ルド機の方向制御を行っていた。このため、次に示す課
題があった。

【００１１】所定の中折れ角が得られると、方向制御ジ
ャッキ１００をロックするため、掘進中連続的に中折れ
角制御を行うことが困難である。また球面ブッシュ９の
シールの性能より、中折れ角制御は球面の回転中心を常
に一定にするよう方向制御ジャッキ１００を操作する必
要があるが、手動操作の場合、上記の操作が困難であ
る。

【００１２】ローリングストッパ１０１で前胴部２から
後胴部３へのトルクを支持しているため、中折れ角制御
は水平方向のみであり、上下方向への中折れ角制御が困
難である。

【００１３】推進ジャッキ１０２、方向制御ジャッキ１
００及びローリングストッパ１０１という機能の異なっ
たジャッキを多く使用しているので、推進機能が複雑に
なる。

【００１４】後胴部３の推進ジャッキ１０２はＯＮ／Ｏ
ＦＦ選択方式であるため、目標となる全推進ジャッキの
作用点（目標力点）に精度よくＯＮ／ＯＦＦパターン選
択することが困難であるばかりか、上記選択方式の場
合、セグメントに断続的で過大な力が加わるため、目開
きや応力集中などセグメントに悪影響を与えることが多
かった。

【００１５】本発明は、上記従来技術に鑑み、ローリン
グストッパを不要とし、方向制御ジャッキの制御で中折
れ角を上下左右自在に操作でき、さらに推進ジャッキを
全追従型として上記ジャッキの推力を目標力点に応じて
連続的に制御することにより、急曲線施工を精度よく、
連続的に行うことができ、しかもセグメントに加わる過
大な力も制限できる中折れ型シールド掘削機の方向制御
方法を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機能を有す
る前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複数本の伸
縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴部との間
には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御ジャッキ
が枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に設置され
たトンネル掘削機の方向制御方法において、トンネル掘
削機の方向を修正すべく曲がりつつ掘進する場合、掘進
中に前胴部の先端面が、トンネル掘削機の軌道を修正す
る方向に設定した垂直面である目標姿勢に向くよう、上
記方向制御ジャッキのストロークを制御することを特徴
とする。

【００１７】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の掘進中における上記前胴部の位置
・姿勢と計画線上に設けた目標点より、上記前胴部の掘
進中の垂直面である目標姿勢を設定し、掘進中に上記前
胴部の先端面が上記目標姿勢に向くよう、上記方向制御
ジャッキのストロークを制御することを特徴とする。

【００１８】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、掘進開始時のトンネル掘削機の前胴部の位置・姿勢
から掘進終了時の目標位置・姿勢までを、前胴部と後胴
部の最大屈曲角度から求まる曲率半径を最小値とする円
弧と直線でなす仮想線で滑らかに結び、上記仮想線に設
けた複数個の垂直な面を掘進中のトンネル掘削機の前胴
部の目標姿勢とし、掘進中に上記前胴部の先端面が上記
目標姿勢に向くよう、上記方向制御ジャッキを制御する
ことを特徴とする。

【００１９】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャ
ッキは、推進ジャッキの全推力が上記後胴部の端面の一
点に作用したと仮定した力点位置が、設定した目標力点
位置に一致するように、ジャッキ推力の制御が行なわれ
ることを特徴とする。

【００２０】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャ
ッキの目標力点位置が常に推進ジャッキのピッチサーク
ルの中心点に位置するように、推進ジャッキのジャッキ
推力を制御することを特徴とする。

【００２１】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャ
ッキの目標力点位置を、シールド掘削機の前胴部と後胴
部とで成す角度から求め、推進ジャッキの全推力が作用
すると仮定した力点位置が上記目標力点位置に一致する
よう上記推進ジャッキの推力を制御することを特徴とす
る。

【００２２】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の後胴部先端の位置・姿勢或いは上
記後胴部をそのまま前胴部方向に伸ばして求めた仮想の
前胴部先端の位置・姿勢と計画線上に設けた目標点とか
らトンネル掘削機の目標制御角を設定し、上記目標制御
角に対する目標力点位置の関数より後胴部に設けられた
上記推進ジャッキの目標力点位置を設定し、推進ジャッ
キの全推力が作用すると仮定した力点位置が上記目標力
点位置に一致するよう上記推進ジャッキの推力を制御す
ることを特徴とする。

【００２３】本発明はトンネル掘削機の掘削機本体が、
掘削機能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部
と、複数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部
と後胴部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方
向制御ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後
胴部に設置されたトンネル掘削機の方向制御方法におい
て、トンネル掘削機の後胴部に設けられた前記複数本の
推進ジャッキを近くのものどうしを組として４以上の複
数個のブロックに区分けし、同一のブロック内の推進ジ
ャッキには、そのロッド側に１つの圧力制御弁を設け、
目標力点が位置するブロックの推進ジャッキの推力を最
大とし、上記ブロックに対し点対称な位置にあるブロッ
クの推力は全ブロック中の最小値とし、更に残りのブロ
ックの推進ジャッキの推力を最大推力ブロックから最小
推力ブロックに向かって段階的に小さくなるように、各
ブロック毎に設けた前記圧力制御弁を調整して、推進ジ
ャッキの全推力が作用すると仮定した力点位置を上記目
標力点位置に一致させることを特徴とする。

【００２４】

【作用】複数本の方向制御ジャッキは、前胴部と後胴部
との間で斜めのトラス状に組んでいるため、上記方向制
御ジャッキで前胴部から後胴部へのローリングトルクを
支持することができ、推進機構が簡単になる。

【００２５】また、方向制御ジャッキを連続的にストロ
ーク制御することにより、中折れ角を上下左右自在に且
つ精度よく操作することができるため、精度の良い急曲
線施工を行うことができる。

【００２６】後胴部に枢着された推進ジャッキは全追従
型であり、目標力点に応じて上記ジャッキ推力を連続的
に制御するため、推進ジャッキに対する操作が簡略化で
き、しかもセグメントに加わる過大な力も制限できるた
め、セグメントに悪影響を与えない。

【００２７】また、方向制御ジャッキを連続的にストロ
ーク制御することにより、中折れ角を上下左右自在に且
つ精度よく操作することができるため、精度の良い急曲
線施工を行うことができる。

【００２８】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。本発明
は、図１に示す中折れ型シールド掘削機に適用する。図
１に示すようにシールド機本体１の前胴部２には、カッ
タヘッド４が取り付けられており、上記カッタヘッド４
で地盤を掘削する。更に急曲率を掘削する場合、余掘り
をするためにコピーカッタ５がカッタヘッド４の中に設
けられている。前胴部２のエンドプレート８と後胴部３
のボトムプレート７との間には方向制御ジャッキ６が斜
めのトラス状に枢着されている。上記方向制御ジャッキ
６をストローク制御することにより、前胴部２と後胴部
３との角度を制御することができる。また、前胴部２と
後胴部３は球面ブッシュ９でシールされている。後胴部
３には推進ジャッキ１０が取り付けられており、上記推
進ジャッキ１０でセグメント１１を押しながら、シール
ド機本体１を推進させる。

【００２９】図２は図１のＡ−Ａ視図であり、円周状に
配置された推進ジャッキ１０と斜めのトラス状に配置さ
れた方向制御ジャッキ６を示している。図２では上記方
向制御ジャッキ６が６本の場合を示しており、そのため
番号を６−１〜６−６で表している。

【００３０】図３はブロック化した推進ジャッキ１０の
配置を示している。ここでは、推進ジャッキ１０が１８
本でブロックの数が８個の場合を示しており、図中推進
ジャッキ１０の番号を１０−１〜１０−１８で、ブロッ
クＢの番号をＢ−１〜Ｂ−８で表している。

【００３１】次に図４を基に、方向制御・管理システム
２２、制御装置２０及びシールドシーケンサ２１による
方向制御ジャッキ６−１〜６−６と推進ジャッキ１０−
１〜１０−１８の制御動作を説明する。シールドシーケ
ンサ２１は、方向制御弁２６の切り替え制御をするとと
もに、制御弁アンプ２７−１〜２７−６を介して流量制
御弁２９−１〜２９−６の操作量を調整し、制御弁アン
プ２８−１〜２８−８を介して圧力制御弁３０−１〜３
０−８の作動圧を調整する。

【００３２】シールドシーケンサ２１と制御装置２０と
の間、シーケンサ２１と方向制御・管理システム２２と
の間はデータが双方向に伝送される。方向制御・管理シ
ステム２２はシールド機先端の施工計画線に対する偏
差，偏角の算出、自動方向制御、データ収集・記録、掘
進状況のモニタ等を主な機能としている。シールド機本
体１の位置検出には、ジャイロ，レベルゲージ，レーザ
トランシット等（図示せず）を用いるのが一般的であ
る。

【００３３】制御装置２０は、上記前胴部２の目標姿
勢、推進ジャッキ１０の目標力点位置、ジャッキストロ
ーク、ポンプ圧力等を入力し、方向制御ジャッキ６−１
〜６−６に対する流量制御弁２９−１〜２９−６の操作
量や圧力制御弁３０−１〜３０−８の操作量を出力する
ものである。また、方向制御・管理システム２２には、
モニタ２３、キーボード２４が接続されている。

【００３４】なお、制御装置２０や方向制御・管理シス
テム２２の配置は地上、坑内いずれでも可能であること
は当然である。

【００３５】方向制御弁２６が（ａ）方向に作動し、さ
らに流量制御弁２９−１を（ｂ）方向に作動させると方
向制御ジャッキ６−１が伸びる方向に圧油が供給され
る。上記ジャッキ６−１のストロークはストローク計３
１−１で検出する。他の方向制御ジャッキ６−２〜６−
６に関しても同様である。また、方向制御弁２６を
（ａ）方向に作動させると推進ジャッキ１０−１〜１０
−１８が伸びるように圧油が供給される。このとき圧力
制御弁３０−１〜３０−８の動作圧力を操作することに
より推進ジャッキ１０の推力を変える、メータアウト制
御が可能となる。メータアウト制御とは、推進ジャッキ
１０の排出油圧を圧力制御弁３０にて制御することによ
り、各推進ジャッキ１０のジャッキ推力を制御すること
である。

【００３６】すなわち （１）流量制御弁２９−１〜２９−６の操作量を調整す
ることにより、方向制御ジャッキ６−１〜６−６のスト
ロークを制御でき、上記ストロークはストローク計３１
−１〜３１−６で検出することができる。 （２）圧力制御弁３０−１の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−１８，１０−１のジャッキ推
力を調整でき、 （３）圧力制御弁３０−２の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−２，１０−３のジャッキ推力
を調整でき、 （４）圧力制御弁３０−３の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−４，１０−５，１０−６のジ
ャッキ推力を調整でき、 （５）圧力制御弁３０−４の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−７，１０−８のジャッキ推力
を調整でき、 （６）圧力制御弁３０−５の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−９，１０−１０のジャッキ推
力を調整でき、 （７）圧力制御弁３０−６の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−１１，１０−１２のジャッキ
推力を調整でき、 （８）圧力制御弁３０−７の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−１３，１０−１４，１０−１
５のジャッキ推力を調整でき、 （９）圧力制御弁３０−８の作動圧力を調整することに
より、推進ジャッキ１０−１６，１０−１７のジャッキ
推力を調整できる。

【００３７】＜方向制御ジャッキの制御方法＞次に図５
を用いて、掘進中の前胴部２の目標姿勢を設定する方法
の一例を示す。図５は計画線Ｋ上の目標点Ｔにおいて、
シールド機前胴部２の先端面が計画線Ｋに対して垂直と
なる姿勢を目標とするものであり、図５中（ａ）は掘進
中の前胴部２の先端面ＡＰが計画線Ｋから離れる方向に
向いている場合であり、（ｂ）は近づこうとしている場
合である。

【００３８】図５（ａ）の場合、２つの半径Ｒ１と半径
Ｒ２及び直線（図５（ａ）では直線は図示せず）を用い
て仮想線Ｉを求める。上記半径Ｒ１，Ｒ２は前胴部２と
後胴部３との最大中折れ角から得られる曲率半径を最小
値とする。次に上記半径Ｒ１と半径Ｒ２及び直線とで滑
らかに引いた仮想線Ｉに対し垂直な垂直面を複数個設定
する（図中破線で示す）。その１つを垂直面ＡＱとして
いる。上記垂直面ＡＱが掘進中の（現時点での）先端面
ＡＰの目標姿勢となる。上記目標姿勢は掘進中に刻々と
設定するので、掘進中の目標姿勢は複数回更新されるこ
とになる。

【００３９】図５（ｂ）は、前胴部２が計画線Ｋに近づ
こうとしているものであり、仮想線Ｉが直線と半径Ｒ３
の円弧との組み合わせで表される例を示している。掘進
中の目標姿勢の設定方法は前述と同様である。

【００４０】次に、図６〜図８を用いて、前胴部２の目
標姿勢である垂直面ＡＱに対する方向制御ジャッキ６−
１〜６−６の目標ストロークＬtiを算出する方法につい
て説明する。

【００４１】図６は方向制御ジャッキ６−１〜６−６の
目標ストロークＬtiを算出するフローを示したものであ
り、図７は方向制御ジャッキ６−１〜６−６の長さと両
端部のプレートとの幾何学的関係を示した一般的なパラ
レルリンク機構の説明図であり、図８は、掘進中の前胴
部２前面の姿勢（先端面）ＡＰと目標姿勢（垂直面）Ａ
Ｑとの相対差から方向制御ジャッキ６−１〜６−６のス
トロークを求めるまでの概念を示した説明図である。

【００４２】なお、ここでは上述の方向制御ジャッキ６
−１〜６−６は一般的なパラレルリンクとして扱うこと
ができるため、後者の名称を主に使用して説明する。な
お図６に示す姿勢算出部５０、変換部５１、ストローク
算出部５２、制御演算部５３は、方向制御・管理システ
ム２２に組み込まれている。ただし、上述の算出部５
０，変換部５１，算出部５２，演算部５３は方向制御演
算過程における機能に関するものであり、制御装置２０
に組み込むことも可能である。

【００４３】図６のフローより、まず現在のカッタヘッ
ド４の姿勢算出部５０で、パラレルリンク（方向制御ジ
ャッキ６−１〜６−６）の各ストロークより、ボトムプ
レート７の中心を原点Ｏとする座標系で現在のカッタヘ
ッド４の姿勢ＡＰ及びパラレルリンクの節点座標 ^OＰi
を算出する。このように各ストロークから平面を算出す
る方法を順キネマティクスと呼んでいる。

【００４４】次に次目標姿勢のリンク節点座標変換部５
１で、目標姿勢ＡＱのパラレルリンク節点座標Ｑi を、
次式（１）に示す変換式（１）により、ボトムプレート
７の座標系に変換する。

【００４５】

【数１】

【００４６】ここに ^HＱi は図７に示すように姿勢ＡＱ
のプレートの中心を原点Ｈとする座標系のリンク節点座
標であり、 ^OＱi はボトムプレート７の中心を原点Ｏと
する座標系に対する姿勢ＡＱでのリンク節点座標であ
る。原点Ｈは図７に示すように姿勢ＡＱのプレートに固
定された座標系（Ｘ_H , Ｙ_H ，Ｚ_H ）の中心であり、原
点Ｏはボトムプレート７に固定された座標系（Ｘ_O , Ｙ
_O , Ｚ_O ) の中心である。

【００４７】次にパラレルリンクの各目標ストローク算
出部５２では、相対的リンク長の算出部５２−１で、現
在のカッタヘッド４の姿勢ＡＰにおけるリンク節点座標
^OＰi と目標姿勢ＡＱの節点座標 ^OＱi との相対リンク
長Ｌi を次式（２）より算出する。このように、面の座
標系からストローク（長さ）を算出する方法を逆キネマ
ティクスと呼んでいる。 Ｌi ＝ ^OＱi − ^OＰi …（２）

【００４８】目標ストローク算出部５２−２では、上述
の相対長さＬi とシリンダの最縮設定長とから目標とな
るストロークを算出する。即ち、リンク長の最小値をジ
ャッキの最縮設定長に合わせるために、次式（３）によ
りまず最小リンク長に対する偏差ΔＬを求める。 ΔＬ＝Ｌmin −min(Ｌi) …（３） ここに、Ｌmin はシリンダの最縮設定長である。そし
て、（４）式を用いて目標ストロークＬtiを算出する。 Ｌti＝Ｌi ＋ΔＬ …（４） （３），（４）式より目標ストロークの最小値は Ｌti＝min(Ｌi)＋（Ｌmin −min(Ｌi)）＝Ｌmin …（５） となり、シリンダの最縮設定長に等しくなる。

【００４９】相対リンク長の算出部５２−１と目標スト
ローク算出部５２−２を概念的に示したものが図８であ
る。

【００５０】現在のカッタヘッド４の姿勢ＡＰと目標姿
勢ＡＱとの相対関係は図８中の（ａ）のように表され
る。（ａ）を横から見たＡ−Ａ視図が（ｂ）である。
（ｂ）ではさらに、相対関係：ＡＱ−ＡＰを表した図を
示している。（ｃ）は（ｂ）でのＡＱ−ＡＰ平面の角度
を変えずに全体を上昇させ、一番短いリンクがジャッキ
の最縮設定長に等しくなるような状態を表している。

【００５１】目標ストロークＬtiが求まれば、上記値を
基にストローク制御演算部５３で方向制御ジャッキ６が
ストローク制御される。上記制御方法はＰＩＤ制御等の
一般的な方法で可能であり、前述したパラレルリンクも
一般的な方法で展開することができる。

【００５２】＜推進ジャッキの制御方法＞次に図９〜図
１７を用いて、後胴部３の推進ジャッキ１０の制御方法
を説明する。図９は、後胴部３をそのまま前胴部２の方
向に伸ばして求めた仮想の前胴部２′を適用した場合の
例である。上記仮想前胴部２′の形状は実際の前胴部２
と同じにしておく。また、図９は水平方向（Ｘ方向）に
関するものであるが、鉛直方向（Ｙ方向）に関しても同
様な方法で行うことができる。

【００５３】仮想前胴部２′の先端Ｓの位置・姿勢と計
画線Ｋ上に設けた目標点Ｔ′とから後胴部３の目標制御
角θ_x1を設定する。上記目標点Ｔ′は前述した図５の目
標点Ｔと一致させる必要はない。また、鉛直方向での目
標制御角をθ_Y1とする。

【００５４】上述のような仮想前胴部２′を用いること
により、前述の中折れ角制御と干渉することなく、独立
に推進ジャッキの制御を行うことができる。また、仮想
の前胴部２′を用いず、後胴部３の先端位置・姿勢で目
標制御角θ_X1，θ_Y1を求める方法も容易に考えることが
できる。

【００５５】方向制御・管理システム２２には、図１０
に示すように目標制御角θ_X と力点位置Ｈ_X との関係を
示すデータがメモリされている。目標制御角θ_Y と力点
位置Ｈ_Y との関係（図１１）も同様にメモリされてい
る。

【００５６】図１２は後胴部３の後面を示しており、例
えば、目標制御角θ_X1，θ_Y1であるとき、力点位置
Ｈ_X1，Ｈ_Y1で規定される点Ｑのことを、目標力点位置と
称している。仮にこの点Ｑに総推力を集中すると、シー
ルド機本体１が、目標制御角θ_X1，θ_Y1で規定される方
向に旋回していく。

【００５７】尚図１０及び図１１に示す特性は、実掘削
において実際のデータを取り込んで、学習制御により、
土質に合わせて徐々に補正していっている。

【００５８】目標力点位置Ｑの算出には、前述のように
目標制御角θ_X ，θ_Y から求める以外に、中折れ制御角
から図１０及び図１１のような関数を用いて、目標力点
位置を算出する方法が考えられる。これは、中折れ制御
と関連づけなから推進ジャッキ１０を操作する場合に有
効な方法である。

【００５９】方向制御・管理システム２２で求めた目標
力点位置Ｑは、制御装置２０に送られる。制御装置２０
では、目標力点位置Ｑを満たすように、各ブロックＢの
推進ジャッキ１０のジャッキ推力を設定する。そのた
め、制御装置２０には目標力点位置と供給圧力（ポンプ
圧力）のデータが最低必要となる。

【００６０】上述の目標力点位置に対する推進ジャッキ
１０の推力の制御は、図３に示したようにブロックＢご
とに行う。また、推力制御の操作部は図４に示した圧力
制御弁３０−１〜３０−８であり、上記圧力制御弁３０
−１〜３０−８の設定圧をリアルタイムに制御すること
により、推進ジャッキ１０の推力をきめ細かく制御する
ことができる。

【００６１】また、各ブロックＢのジャッキ推力の偏推
力は図１３に示すように点対称となるように設定する。
このときのジャッキ推力をfj(i) ，ｉ＝１〜８とすると
式（６）のように表すことができる。図１３中の記号±
Ａ，±Ｂ，±Ｃ，±Ｄは偏推力±Δfa，±Δfb，±Δf
c，±Δfdの添え字に相当する。また、式（６）中のｆm
id は平均推力である。なお式（６）の求め方は後述す
る。

【００６２】

【数２】

【００６３】上述のジャッキブロックの推力及び制御圧
力の演算方法は、本願出願人が先に出願した特願平５−
１９９３５５号に示した方法を用いることができる。次
に特願平５−１９９３５５号に示した演算方法を説明す
る。

【００６４】図１４は制御装置２０に設定したジャッキ
推力の設定手段での処理の流れを示したものである。い
ま、図１４中の条件設定部６０において、圧力制御弁の
最大圧力設定値をP2max 、最小圧力設定値をP2min と
し、ジャッキの許容最大推力をｆmax 、許容最小推力を
ｆmin(＞０）とする。

【００６５】通常ｆmax はセグメントに過大なジャッキ
推力を作用させないために設定され、ｆmin は最小のジ
ャッキ推力でセグメントを押すこと、換言すれば停止し
ているジャッキはないことを意味する。上記条件及びポ
ンプ圧力Ｐ_p を用いて、判定器６１でジャッキの成し得
る最大推力fUと最小推力fLを判定する。上記判定器の内
容を具体的に示すと次のようになる。 判定器５１の処理内容：条件設定値及びポンプ圧力Ｐ_p
より、圧力制御弁の取り得る圧力設定値P2a ，P2b は次
のようになる。

【００６６】

【数３】

【００６７】

【数４】

【００６８】次に図１４中の算出器６２により、中間推
力ｆmid(＝（fU＋fL）／２）を算出する。上記ｆmid は
推力分布の中間の値であり、ｆmid に全ジャッキ本数Nt
を掛けるとジャッキの総推力となる。

【００６９】次に図１４中の算出器６３で、目標力点位
置（Ｈ_X ，Ｈ_Y ）及び前述の中間推力ｆmid を用いて、
各ブロックＢの偏推力Δf(i)を算出する。各ブロックの
ジャッキ推力の偏推力は図１３に示すように点対称とな
るように設定する。このときのジャッキ推力をfj(i) ，
ｉ＝１〜８とすると前述した式（６）のように表すこと
ができる。図１３中の記号±Ａ，±Ｂ，±Ｃ，±Ｄは偏
推力±Δfa，±Δfb，±Δfc，±Δfdの添え字に相当す
る。

【００７０】図１５（ａ）はＹ軸まわりに関する偏推力
の大きさを示している。図に示すように偏推力Δfa，Δ
fbは、ブロックの作用点のＸ座標の大きさ（作用点の水
平距離）に比例するように設定する。偏推力Δfc，Δfd
はＹ軸まわりには寄与しない。

【００７１】図１５（ｂ）はＸ軸まわりに関する偏推力
の大きさを示している。図に示すように偏推力Δfc，Δ
fdは、ブロックの作用点のＹ座標の大きさに比例するよ
うに設定する。偏推力Δfa，ΔfbはＸ軸まわりには寄与
しない。前者の比例定数をα１、後者の比例定数をα２
とすると偏推力ΔfaとΔfbとの関係、ΔfcとΔfdとの関
係は次のように表される。

【００７２】

【数５】

【００７３】ここに、定数α１，α２はジャッキブロッ
クの作用点座標の関数であり、掘削機の設計仕様より求
めることができる。また、偏推力Δfb，Δfdは次式で求
められる。

【００７４】

【数６】

【００７５】

【数７】

【００７６】例えば、目標力点位置が図３において、Ｑ
１であるとき、ジャッキブロックＢ−２のジャッキ推力
fj(2) が最大となり、ジャッキブロックＢ−２に対し点
対称なジャッキブロックＢ−６のジャッキ推力fj(6) が
最小となる。

【００７７】図１４中の判定器６４では、設定最大推力
fUと式（６），式（１１）で得られる推力の最大値（ｆ
mid ＋max(Δf(i)) ）との比較を行う。fU＝ｆmid ＋ma
x(Δf(i)) なる関係は、目標力点位置に対して最大の偏
推力による推力分布であることを意味している。fU＞ｆ
mid ＋max(Δf(i)) とは、図１６の推力分布の側面図に
示すように、例えば最大推力となるべきジャッキブロッ
クＢ−２の推力がfUより小さいことであり、図１６中の
斜線部の推力でブレーキを掛けていることを意味する。
従って上述の判定の場合推力分布の最適化演算器６５に
より推力分布を再計算する。

【００７８】図１４中の最適化演算器６５では、まず算
出器６６により、fU＝max(fj(i))とするための新しい中
間推力faveを算出する。この場合、中間推力ｆmid で算
出していた推力分布を新しい中間推力faveで変換するこ
とになる。即ち、次の式が成り立つと仮定する。

【００７９】

【数８】

【００８０】

【数９】

【００８１】図１４中の算出器６７では式（１３）で得
られた、中間推力faveを用いて、新しい偏推力Δｆ'(i)
を算出する。偏推力Δｆ'(i)は式（１０）中のｆmid を
faveに代え、式（１１）より求めることができる。

【００８２】算出器６８では上述の推力中間値fave及び
偏推力Δｆ'(i)より、各ブロックの推力fj(i) を算出す
る。上記推力は、その最大値が設定最大推力fUと等しく
なる最適な推力分布となる。このときの推力分布を図１
７に示す。図１７と図１６とはいずれも目標力点位置を
満たしているが、図１７では推力全体が高くなり、現在
のポンプ圧力を最も有効に利用した推力分布であること
が分かる。

【００８３】図１４中の判定器６４で、fU＞ｆmid ＋ma
x(Δf(i)) ではないと判定された場合、算出器６９によ
りｆmid ，Δf(i)を用いて推力分布fj(i) を算出する。
ジャッキブロックの推力fj(i) を算出した後、算出器７
０で圧力制御弁の設定圧Ｐset(i)を算出する。その算出
式を次に示す。 Pset(i) ＝(P_p ・A1−fj(i))／A2， ｉ＝１〜ブロック数 … (14) ここに、A1，A2はジャッキのヘッド側、ロッド側の受圧
面積

【００８４】上記演算方法を使用すると、目標力点が位
置するブロックのジャッキ推力を最大とし、このブロッ
クから、点対称なブロックに向かい、ジャッキ推力を段
階的に減じていくことができ、推力分布が安定したスム
ーズな旋回掘削ができる。更にジャッキ推力の最小／最
大の制約条件を満たし、且つ現在のポンプ圧を最も有効
に利用した最適な推力の制御を行うことができる。ま
た、ジャッキ推力の設定を目標力点位置を満たすように
連続的（微小間隔）に行うことにより、精度のよい掘削
が行える。

【００８５】前述した方向制御ジャッキ６−１〜６−６
及び推進ジャッキ１０−１，１０−１８が自在に制御で
きるトンネル掘削機の場合、力点位置は原点に維持し、
方向制御ジャッキ６−１〜６−６のみの連続的な制御で
トンネル掘削機を方向修正するという方向制御の基本的
考え方に容易に対応可能である。上記の場合、第１４図
中の目標力点位置（Ｈ_x，Ｈ_y）を原点（０，０）に設定
することになる。さらに、上記基本的方法で方向修正で
きない掘進状況が発生した場合、目標力点位置（Ｈ_x，
Ｈ_y）を原点より少しずらして、トンネル掘削機を旋回
し易く制御するという方法も本発明による方向制御ジャ
ッキ及び力点制御で容易に実現可能である。

【００８６】以上のように、本発明の実施例によれば、
複数本の方向制御ジャッキ６を前胴部２と後胴部３との
間で斜めのトラス状に組んでいるため、上記ジャッキ６
でローリングトルクを支持しつつ、中折れ角を上下左右
自在に且つ精度よく操作することができるため、精度の
良い急曲線施工を行うことができる。また、後胴部３に
枢着された推進ジャッキ１０は目標力点位置に応じて推
力が連続的に制御されるため、推進ジャッキ１０に対す
る制御（操作）が簡略化でき、しかもセグメント１１に
加わる過大な力も制限できるため、セグメント１１に悪
影響を与えない推進制御を行うことができる。

【００８７】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明によれば、複数本の方向制御ジャッキを前胴
部と後胴部との間で斜めのトラス状に組んでいるため、
上記方向制御ジャッキでローリングトルクを支持しつ
つ、中折れ角を上下左右自在に且つ精度よく操作するこ
とができ、精度の良い急曲線施工を行うことができる。

【００８８】また後胴部に枢着された推進ジャッキは目
標力点位置に応じて推力が連続的に制御されるため、推
進ジャッキに対する制御（操作）が簡略化でき、しかも
セグメントに加わる過大な力も制限できるため、セグメ
ントに悪影響を与えない推進制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】中折れ型シールド掘削機の構成を示す構成図で
ある。

【図２】方向制御、推進ジャッキの配置を示す図１のＡ
−Ａ視図である。

【図３】推進ジャッキの配置を示す配置図である。

【図４】制御系及び油圧系を示す構成図である。

【図５】掘進中の前胴部の目標姿勢を設定する一例を示
した説明図である。

【図６】方向制御ジャッキの目標ストロークを算出する
フローを示した説明図である。

【図７】方向制御ジャッキの長さと両端部のプレートと
の幾何学的関係を説明するための一般的なパラレルリン
ク機構の説明図である。

【図８】現在の前胴部前面の姿勢と目標姿勢との相対差
から方向制御ジャッキのストロークを求めるまでの概念
を示した説明図である。

【図９】仮想前胴部の位置・姿勢から目標制御角を求め
る方法を示す説明図である。

【図１０】目標制御角と力点位置との関係を示す特性図
である。

【図１１】目標制御角と力点位置との関係を示す特性図
である。

【図１２】力点位置を示す説明図である。

【図１３】各ブロックのジャッキの偏推力を示す説明図
である。

【図１４】各ブロックのジャッキ推力を設定する処理の
流れを示す説明図である。

【図１５】Ｙ軸回り、Ｘ軸回りの偏推力を示す説明図で
ある。

【図１６】図１４中の最適化演算を行う前の推力分布を
示す説明図である。

【図１７】図１４中の最適化演算を行った後の推力分布
を示す説明図である。

【図１８】従来の中折れ型シールド掘削機の構成を示す
構成図である。

【図１９】従来の方向制御、推進ジャッキの配置を示す
図１３のＡ−Ａ視図である。

【図２０】従来の中折れ型シールド掘削機の操作方法を
示すフロー図である。

【符号の説明】

１ シールド機本体 ２ 前胴部 ３ 後胴部 ４ カッタヘッド ５ コピーカッタ ６−１〜６−６ 方向制御ジャッキ ７ ボトムプレート ８ エンドプレート ９ 球面ブッシュ １０−１〜１０−１８ 推進ジャッキ １１ セグメント ２０ 制御装置 ２１ シールドシーケンサ ２２ 方向制御・管理システム ２３ モニタ ２４ キーボード ２５ 油圧ポンプ ２６ 方向制御弁 ２７−１〜２７−６ 制御弁アンプ ２８−１〜２８−８ 制御弁アンプ ２９−１〜２９−６ 流量制御弁 ３０−１〜３０−８ 圧力制御弁 ３１−１〜３１−６ ストローク計 ５０ 姿勢算出部 ５１ リンク節点座標変換部 ５２ 目標ストローク算出部 ５３ ストローク制御演算部 ６０ 条件設定部 ６１ 判定器 ６２ 算出器 ６３ 算出器 ６４ 判定器 ６５ 最適化演算部 ６６ 算出器 ６７ 算出器 ６８ 算出器 ６９ 算出器 ７０ 算出器 １００ 方向制御ジャッキ １０１ ローリングストッパ １０２ 推進ジャッキ ＡＰ 先端面（前面の姿勢） ＡＱ 垂直面（目標姿勢） Ｋ 計画線 Ｉ 仮想線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 淳一 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 武田 邦夫 東京都千代田区神田司町２−３ 株式会社 大林組東京本社内 (72)発明者 土屋 幸三郎 東京都千代田区神田司町２−３ 株式会社 大林組東京本社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の方向を修正すべく曲がりつつ掘進する
   場合、掘進中に前胴部の先端面が、トンネル掘削機の軌
   道を修正する方向に設定した垂直面である目標姿勢に向
   くよう、上記方向制御ジャッキのストロークを制御する
   ことを特徴とする中折れ型トンネル掘削機の方向制御方
   法。
2. 【請求項２】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の掘進中における上記前胴部の位置・姿
   勢と計画線上に設けた目標点より、上記前胴部の掘進中
   の垂直面である目標姿勢を設定し、掘進中に上記前胴部
   の先端面が上記目標姿勢に向くよう、上記方向制御ジャ
   ッキのストロークを制御することを特徴とする中折れ型
   トンネル掘削機の方向制御方法。
3. 【請求項３】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 掘進開始時のトンネル掘削機の前胴部の位置・姿勢から
   掘進終了時の目標位置・姿勢までを、前胴部と後胴部の
   最大屈曲角度から求まる曲率半径を最小値とする円弧と
   直線でなす仮想線で滑らかに結び、上記仮想線に設けた
   複数個の垂直な面を掘進中のトンネル掘削機の前胴部の
   目標姿勢とし、掘進中に上記前胴部の先端面が上記目標
   姿勢に向くよう、上記方向制御ジャッキを制御すること
   を特徴とするトンネル掘削機の方向制御方法。
4. 【請求項４】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャッキ
   は、推進ジャッキの全推力が上記後胴部の端面の一点に
   作用したと仮定した力点位置が、設定した目標力点位置
   に一致するように、ジャッキ推力の制御が行なわれるこ
   とを特徴とするトンネル掘削機の方向制御方法。
5. 【請求項５】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャッキ
   の目標力点位置が常に推進ジャッキのピッチサークルの
   中心点に位置するように、推進ジャッキのジャッキ推力
   を制御することを特徴とする請求項４のトンネル掘削機
   の方向制御方法。
6. 【請求項６】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の後胴部に設けられた上記推進ジャッキ
   の目標力点位置を、シールド掘削機の前胴部と後胴部と
   で成す角度から求め、推進ジャッキの全推力が作用する
   と仮定した力点位置が上記目標力点位置に一致するよう
   上記推進ジャッキの推力を制御することを特徴とする請
   求項４のトンネル掘削機の方向制御方法。
7. 【請求項７】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の後胴部先端の位置・姿勢或いは上記後
   胴部をそのまま前胴部方向に伸ばして求めた仮想の前胴
   部先端の位置・姿勢と計画線上に設けた目標点とからト
   ンネル掘削機の目標制御角を設定し、上記目標制御角に
   対する目標力点位置の関数より後胴部に設けられた上記
   推進ジャッキの目標力点位置を設定し、推進ジャッキの
   全推力が作用すると仮定した力点位置が上記目標力点位
   置に一致するよう上記推進ジャッキの推力を制御するこ
   とを特徴とする請求項４のトンネル掘削機の方向制御方
   法。
8. 【請求項８】 トンネル掘削機の掘削機本体が、掘削機
   能を有する前胴部と、掘削反力を支持する後胴部と、複
   数本の伸縮可能なジャッキとを有し、上記前胴部と後胴
   部との間には斜めのトラス状に組んだ複数本の方向制御
   ジャッキが枢着され、複数本の推進ジャッキは後胴部に
   設置されたトンネル掘削機の方向制御方法において、 トンネル掘削機の後胴部に設けられた前記複数本の推進
   ジャッキを近くのものどうしを組として４以上の複数個
   のブロックに区分けし、同一のブロック内の推進ジャッ
   キには、そのロッド側に１つの圧力制御弁を設け、目標
   力点が位置するブロックの推進ジャッキの推力を最大と
   し、上記ブロックに対し点対称な位置にあるブロックの
   推力は全ブロック中の最小値とし、更に残りのブロック
   の推進ジャッキの推力を最大推力ブロックから最小推力
   ブロックに向かって段階的に小さくなるように、各ブロ
   ック毎に設けた前記圧力制御弁を調整して、推進ジャッ
   キの全推力が作用すると仮定した力点位置を上記目標力
   点位置に一致させることを特徴とする請求項４のトンネ
   ル掘削機の方向制御方法。