JPS61104219A - トンネル掘進機の姿勢制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、地下鉄またはト、下水道などを掘削するトン
ネル掘進機の姿勢制御方法、とくにトンネルを計画線に
沿って正確にｇｊ５５７３　Ｌ／　ｉワるトンネル掘進
機の姿勢制御方法に関ツるものである。

［従来の技術］ 従来、土中を掘削する１〜ンネル近進）幾などの１μｍ
１１ｊ向を１ＩＩｌ　１２１１りるには、第７図に示Ｊ
ようにトンネル掘進機１内の進路阜Ｑｌ、線ａ上にター
ゲット２を配置し、一方ｈンネル内の基準点に設置した
図示しないレーザ投光器から計画掘削線１ノ向を指向づ
るレーリ°光３を放ｑ・１シ、掘進機が土中を進行した
際にレーザ光３がターゲット２に入則しだ位置４を検出
し、この入射位置４がターゲラ１へ２の中心位置５に一
致するようにトンネル掘進機１の進路をｒ〈正するよう
にしぞいた。

しかし、この方法によると■現在位置のずれを検出でき
るが圓削方向の角度のずれを検出できないため将来位置
を予測できず、従ってみ１画掘削線に冶っ（掘進１次を
正確に進行させることができない、ｑ）トンネル曲線部
でレーザ投光器を移設（盛替え）するためかなりの時間
を消費する、■レーザ光を通過させる空間を狭いトンネ
ル内に確保するのが煩雑である、などの欠点かあった。

上記の欠点を回避するため掘進機に姿勢角セン１す（例
えばジャイロコンパス、傾♀ｚ１計など〉を取り付けて
掘進機の掘削方向を制御する方法が種々検討されでいる
。この方法は掘削開始面にトランシット、水準器などを
用いて第８図に示すごとく９１画掘削線ｌに対Ｊる掘進
機中心線Ｃの角度のずれθ１を計測しておぎ、この０１
がゼロになるように掘進機１を進ｉテざぜる。具体的に
はθ１を訓測した際にジャイ１」コンパス６の指示性θ
２　（通常、真北からの偏１白角を示すようになってい
る）を読み取り、この０２から前記θ１を差引いて基準
姿勢角θ３を求め、この基準姿勢角θ３を常１１′ｉ維
持するように掘進機を進行させる。しかし実際には掘進
機の進路は僅かにずれるので下記の式（１）を用いて拙
削後の掘進機位置を演睦し、Ｊｉ画掘削線ｌに対する位
置の偏差を確認しておく。

１３Ｘ＋　＝ｈ　Ｃ０３（θ４−０６）ｓｉｎ（θ３−
０５）式（１）？ここにｌ　　Ｘｉ　　：　　計画掘削
線２からのトンネル幅方向の位置のずれ １１　　：　掘進距離の計測値（例えば推進用ジヤツキ
のストローク珊 から求める） θ３．θｊ　：　水平方向Ｊ５よび鉛直方向の基Ｌ￥姿
勢角 θ５．θ　、　掘進中に姿勢角センサがら読み取った水
平および 鉛直方向の姿勢角の平均 ｆ＋ｆ’ｉ （ある。

［発明が解決しようとする問題点１ しかし、上記の方法は、ジャイロコンパスなどの据１ｑ
アラインメントの誤差を修正できるが、１Ｍ進殿が掘進
機中心方向に直進するという間違った前提に立脚してい
るため、この方法を実行すると予ヨ１］シた位置と実際
の位置とのずれが大さ過さ゛て実用化することが困ガ１
であった。上記掘進１幾の非直進性は掘削ずべき土質、
掘進（幾の１ｐ心、１１［進ジヤツキ反力、その他掘進
機が土中で受ける複随な外力など非夕・ｊ象な要因によ
るもので、掘進機を姿勢制御する上Ｃ無視できない問題
点である。

またざらに、掘削作業を行う際に留意すべきことは、掘
進機中心線と１−ンネル中心線、すなわちセグメント中
心線は一般的に一致しでおらず、また掘削作業の良否は
セグメント中心線がいかに計画掘削線に接近しているか
によって計画される点にある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上述した１〜ンネル掘進機の非直進性および
掘進機が計画掘削線に治って進行した場合においＣも不
可避な１−ンネル中心と８１両掘削線との不一致の度合
いを統几１的に把握し、これらのずれを一括して足圧す
る基準姿勢角を設定し、この設定１＋＆を運転−トの指
＄１として掘進］幾の姿勢を制御し、必要に応じて前記
基準姿勢角を修正するものである。

本発明の方法を、第１図、第３図および第６図を参照し
て説明すると、水平り向および鉛直方向の姿勢角を検出
し１′する姿勢角センサ１１を擢進ぼ１に取り付り、掘
ｊＷ間’ｊｒｉ　（す、成る区間「１を掘削した後に、
トンネル中心線ｍ上の複数の点１７ａ、　　１７ｂ、１
７ｃ・・・についで計画掘削線Ｚからの（ｇｉ差を計測
し、この偏差を平均して例えば最小二乗法など統計的手
法を用いて回帰直線ｅ（第３図参照）を求め、この回帰
直線Ｏが計画掘削線２．鉛直線ｙと挾む角度θ４．θ５
　（第３図参照）を、同じ区間し１を据削中に計測した
平均姿勢角から差引いて基準姿勢角を求め、この基準姿
勢角を運転指針として掘進機を進行させる。

基ｉ１浦は土質の変化など掘削条件によって変化するの
で次の要順で修正する。すなわら、一旦設定した基準姿
勢角から据削中に計測したモ均姿勢角を差引いて姿勢角
偏差を求め、この偏枠ど別に求めた掘削距離とを用いて
計画掘削線に対する掘進機位置を演算し、この演東値を
実測結果のトンネル中心位置と比較して使用中の基準姿
勢角の妥当性を統計的に評価し、必要に応じて新しい基
準姿勢角を前と同じ要領で設定し、その後の運転指針と
ツる１゜ ［作　　　用］ ｍ進数の非直進性、トンネルａ５よび掘進）本の各中心
線相互間の不一致を、掘進機進行後の姿勢角の隔子とし
てとらえ、この偏差の度合いを統計的に割出して次の区
間を掘削する際の指針となる基準姿勢角を求め、この基
準姿勢角に塁づいて掘進（幾を姿勢制御するので、トン
ネル中心線と；４１ｉｉｊｉ掘進線とをほぼ完全に一致
ざＵることができる。

そして据削中の掘進機位置をυｉＤし、実際のトンネル
中心位置との比較を行ない、基準姿勢ｆｆＪを修正する
ので、長い掘削区間に亘り４画掘削線に沿って正確にト
ンネルを築造できる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図ないし第６図は本発明の方法お上び方法を実施するた
めの装置の一例を示すもの　　　　　？で、図中の符号
、記号については従来の技術と同一内容のものに同じ符
号、記号を流用する。

第６図に示すように掘進は１内の適当な位置に水平方向
および鉛直方向の姿勢角を計測できる姿勢角センサ１１
が、また、推進ジＶツキ１２にはストロークセンサ１３
がそれぞれ取りｆｌけられている。以下、理解を容易に
するため計画掘削線が水平な直線を形成している場合に
つき、本発明の方法を、第２図に示すノローチャートに
従って順を追って説明する。

ブ［コセスＡは、第１回の掘削工程を示ず。この工程で
はすでに説明したように予め掘進機中心線と計画掘削線
間の角度のずれを計測しておさ、このずれをぜ口にする
ように掘進機を姿勢Ｉ１１す１２１Ｉりる。なお、掘削
距離としてはセグメン］−１４の１０〜２０リング分に
相当する区間Ｌ１を掘削７ＪるのがＪ：い（第１図参照
）。

ブ［１セスＢは、基Ｌ１（姿勢角設定工程で、：ｊＳ１
回の掘削工程が終了した後に実施される。基準姿勢角の
設定を第１図および第３図について説明すると、各セグ
メントごとに４両掘削線ＺおＪ、び鉛直線ｙに対する（
・ンネル中心線ｍ上の点１７ａ、１７ｂ、１７ｃ・・・
の水平方向および鉛直方向の隔子ｙ１　・１１　・　ｙ
２・１２、ｌ／３　、Ｚ３・・・をＳｔ凰１１シ、これ
らの計測値を用いて前記各点１７ａ、　１７ｂ、　１７
ｃ・・・を標本とする回帰直線ｅを最小二乗法を用いて
求め、この回帰直線ｅと泪画掘削線ｌ、釣南線ｙが挾む
角度θ４．θ、を式（２）（３）　（４）　（５）を用
いて演算し、第１回の掘進工程中に計測した水平面内お
よび鉛直面内の平均姿勢面θ６　、θ７　か、ら前記角
度ＯＪ、θ５を差引いＣ水平面内および鉛直面内の基準
姿勢角θ８　、θ９を求める（式（６）■参照）。なお
水平面内の姿勢角はジャイロコンパスで、また鉛直面内
の姿勢角は１Φ、ν１計を用いて計測する。

Ｘ＝α２斗β　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　式（２）ｙ＝γｌ＋δ　　　　　　　　　　　　　　
式（３）θＪ　＝　ｊａｎα　　　　　　　　　　　　
　式（・１）θ５　＝　ｔａｎＴ　　　　　　　　　　
　　　式４５）％式％） θ９−θ７−０５　　　　　　　　　　　　　式（７）
ここに式（２）、式（３）はそれぞれ回帰直線ｅの水平
面内および鉛直面内への投影ｊｆＡＬｈ　　（第３図参
照）を示す。

１０セスＣは第２回の掘削工程であり、掘進（ｊｌｌは
前工程で求めた基準姿勢角θ　、θ　を運転相１１とし
てこの姿勢角をできるだけ維持するよ゛うに適当区間Ｌ
２を運転する（第４図参照）この間セグメント１４を１
リングごとに数回の割合いで水平方向および鉛直方向の
姿勢角を計測し、該１リング間の平均姿勢角を求め、１
リングごとに式（８）　（９）を用いて計画掘削線２お
よび鉛直線ｙに対する水平方向および鉛直方向の掘進１
幾位置の偏差Δ　Ｘ２　＊　７ｊＶｚを求め、１リング
進むごとに上記偏差をその都度累計しＣ１掘進機演騨位
置の軌跡ｆ　（第４図参照）を求め、次に述べる基準姿
勢角確認のためのデータを単幅する。

Δｘ２＝ｆｚｃｏｓ（θ９−θ０、）・ｓｉｎ　（θ８
−θ、。）　　式（８）Ａ　Ｖｚ＝１ｚ　５ｉｎ（θ９
−θ０、）式（９）ここに１２　：　掘削距離で、■、
進用ジヤツキ１２に設けたストロークセンサ１３ま たは光波距離シ１（図示Ｕず）を 使用する。

θ　：　水平方向の平均姿勢角 θ　：　鉛直方向の平均姿勢角 である。

プロセスＤは基準姿勢角ＩＫＣ認工程であり、第２回目
以降の各掘削工程完了後、または掘進機部ｎ位置のずれ
が顕著になった場合、掘削工程中であっても一時掘削を
中断して実施する。この工程の目的は、それまで使用し
てきたり準姿勢角を今後も引き続き使用することの可否
を判断するもので、プロセスＣで実施した掘進機演算位
置と、実測によって求めた１−ンネル中心位置くトラン
シット、水準器などを用いて計測したトンネル中心位置
）とを比較して各位置ごとに偏差を求め、その区間Ｌ２
にｔ１３ける偏着の分布状態を統計処理してトンネル中
心線μに対づ−る誤差曲線ｉ　（第５図参照）を求め、
この曲線　　　　ｄｉを判断材料として土質その仙の掘
進条イ′１に注目すべき変化が発生したか、あるいはＪ
ｉ　ｉｌｊ姿勢角を設定する際に誤まりがなかったかど
うかを重点的に判断する。

判断の手法としては次に示す考え方を基本どし、さらに
掘削現場の特殊事情を加味して行う。

（＋）　　土質などに格別の変化がなく、また基準姿勢
角の設定操作にも誤りがなかった場合、誤着曲線はほぼ
平坦に延びる。

（ｉ）　　土質などに格別の変化がなく、基準姿勢角の
設定に誤まりがあった場合は、誤差が一様に累積するの
で誤差曲線はほぼ一様な勾配を保持して計画掘削線から
次第に遠ざかる。

００　基準姿勢角の設定に誤まりがなく、土質などが変
化した場合、一般に土質は不連続的に変化するので、誤
差曲線は比較的急激な変化を示す。

第５図に示ツ誤差曲Ｆｉ！ｉは上記（至）の場合に相当
しており、区間し２のほぼ前半部は土質などに格別な変
化がなく基準姿勢角にも誤まりがなかったことを示して
おり、区間Ｌ２のほぼ後半部（区間Ｌ３）におい′Ｃ土
質などに変化を生じたことを示しでいる。

このようにして誤差曲′ｆＡｉを評価したのら偏差が許
容値ｊを越えた場合は、更めて新らしい基準姿勢角を設
定し、また掘進機の現在位置（第４図Ｐ点）、すなわち
今後の掘進機部の１存置を演算するための基点を最新の
トンネル中心位置（第４図Ｑ点）に合わせる（矢印ｒ）
。従って新らしい誤差曲線はトンネル中心線μ上の点Ｓ
から始まることになる（仮想線を参照〉。

なお、許容値の定め方としＣは、例えばあらかじめ単位
距離当りのにＴ８圃を定めておき、この許容値に掘進距
離を乗じてい出するのが便利であり、第５図の許容１＋
６　ｊは上記のごとく定めた許容値に掘削距１１１１１
　Ｌ　１を乗じてσ出したしのである。

新らしい基準角を求める際は、現在位置より遡った適当
区間、本実施例では土質などの変化を生じた区間Ｌ３か
ら標本を採取しプロセスＢで述べた要領に従って決定す
る。

１−記のごとく掘削条件の変化に対応して塁準姿勢角お
よび掘進間演樟位置を求める基点どを実際に即し【更新
しくゆくのＣ”　、　Ｉｉ’１画掘削線に沿って正確に
１〜ンネルを簗造することかできる。

また、上述の各プロセスにｃ１５ける、各種の演Ｑは、
第６図に示ザごとく演Ｑ器１８を用いて行われ、各姿勢
角、シトツキストローク量の計測値は自動的に、またト
フンシットなどによるル４測画はキーボード１９を用い
てそれぞれ演陣器１８に入力され、演弾結果はモニタテ
レビ２０およびプリンタ２１に表示され、必要に応じフ
ロッピディスク２２に記憶される。従つＣ姿勢制御、位
置制御を容易に行うことができる。

また、前述の説明では、計画掘削線が水平な直線である
場合について説明したが、傾斜した直線であっても良く
、さらに直線の替わりに曲弾であっても良い。曲線の場
合は掘進距離に従って逐次変化する基準姿勢角を設定す
ることにより、同じプロセスを適用できる。

なお、本発明は前述の実施例にのみ限定されるものでは
なく、例えば姿勢角センサは別の形式のものを使用して
もよいことなど、そのＩＩ本発明の要旨を逸脱しない範
囲において独々の変更を加えｉ６ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上に述べたごとく、本発明の方法は次の優れた効果を
発揮する。

（＋）　　掘進機の非直進性、［〜ンネルと掘進機の中
心の不一致を統計的に把握し運転指針として基準姿勢角
を設定するので、計画掘削線に沿って正確にトンネルを
築）告σることができる。

０）　掘進機据削中にリッフルタイムで計測を行なって
掘進機位置を演算で求め、基準姿勢角の妥当性を確認し
、必要に応じ修正を行なうので、確実に掘削作業を実施
することが−できる。

（ロ）　従来のごときトンネル曲線部にＪ３けるレーザ
投光器の移設が不要となり、ざらにレーザ光を通過さけ
る空間を確保リ−る必要がなくなったので、省力化に役
立つ。

（へ）　掘進機位置を演停によって求めでいるので、こ
の演算を推進ジヤツキの制御信号として入カケることに
より自動姿勢制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は基準姿勢角を求める方法の説明図、第２図は本
発明の方法の手順を示すフローチャート、第３図は回帰
直線の斜視図、第４図は掘進機位置の水平面内の軌跡を
示す説明図、第５図は誤差曲線の説明図、第６図は本方
法を実施するための装置の一例を示す系統図、第７図お
よび第８図は従来の位置検出方法および姿勢制御ノ）法
の説明図である、。 図中、１はトンネル掘進機、１１は姿勢角センナ、ｌは
計画掘削線、ｅ（よ回帰直線、θ　、０９は基準姿勢角
を示す。 （フ 皺　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄ壇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）水平方向および鉛直方向の姿勢角を検出し得る姿勢
   角センサを掘進機に取り付け、所要距離掘削したのちト
   ンネル中心線上に複数の点を選定し、計画掘削線と鉛直
   線と水平線とが規定する座標空間における前記各点の位
   置を計測し且つ計測値を統計的に平均して回帰直線を求
   め、据削中に前記姿勢角センサを用いて計測した平均姿
   勢角から前記回帰直線と座標面とが形成する角度を差引
   いて横および縦方向の基準姿勢角を求め、該基準姿勢角
   を運転指針として掘進機を進行させ、必要に応じて前記
   基準姿勢角を修正することを特徴とするトンネル掘進機
   の姿勢制御方法。 ２）基準姿勢角を運転指針として掘進機進行中に、随時
   姿勢角センサの指示値を計測して適宜設定した掘進距離
   ごとに前記指示値の平均値を求め、該平均値を前記基準
   姿勢角から差引いて計画掘削線に対する姿勢角偏差を求
   め、該姿勢角偏差と前記掘進距離とを用いて掘進機位置
   を演算によつて求め、かくして求めた各掘進距離ごとの
   掘進機演算位置と実測によって求めたトンネル中心位置
   とを比較して使用中の基準姿勢角の妥当性を統計的に評
   価し、必要に応じて新らしい基準姿勢角を設定すると共
   に前記掘進機実際位置の最新値を今後の掘進機位置演算
   の基点とする特許請求の範囲第１）項に記載のトンネル
   掘進機の姿勢制御方法。