JPS6156755B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シールド掘進機の掘進方向制御方法
に関する。

トンネル掘削等に利用されるシールド掘進機
は、地中内で掘進作業を行うため、作業の自動化
のみならず掘進方向の自動制御化を達成すること
は困難である。掘進方向を正しく設定してゆくた
めには、シールド掘進機の掘進計画路線を設定
すること、シールド掘進機の実際の掘進方向、
掘進位置を正しく確認できること、この掘進計
画路線と実際の掘進方向、掘進位置とから両者の
何らかの偏差を求め、この偏差を利用してシール
ド掘進機の掘進用ジヤツキを制御してシールド掘
進機の掘進制御を行つてゆくことが必要となる。

この観点から、シールド掘進機の掘進方向の自
動制御をはかつてゆく提案が幾つかなされてい
る。然るに、それらの提案は単なる着想だけであ
つたり、ある程度具体化されていたとしても、到
底実現化しえないものであつたりした。例えば、
上記ととの一部を実現させるべく、シールド
掘進機本体に上下用、左右用の二つの偏倚量送信
器を設けておき、この送信器からの偏倚量をコン
ピユータに送信して、偏倚量に応じたジヤツキ制
御を行わせるやり方がある。この考え方は、偏倚
量を検出する点で新しさを持つが、偏倚量の検出
をどのようにして、且つどこで行うのかがはつき
りせず、更には、偏倚量の検出からいかにしてジ
ヤツキの制御を行つてゆくかのプロセスもはつき
りせず、更には、ジヤツキを４つ（一般的には複
数）のグループに分けた場合のそのグループに対
する偏倚量からの操作内容が不明確である等の動
作実現不可能と思える程の問題を持つている。

本発明の目的は、実際の掘進方向を適格に把握
し、且つそれに従つて適格なる掘進方向の制御を
はかつてなるシールド掘進機の掘進方向制御方法
を提供するものである。

本発明の要旨は、以下の通りである。掘進計画
路線を計算機内のメモリに記憶させておき、且つ
現在の掘進機の位置と設定される目標値との偏差
（上下及び左右）とから使用ジヤツキの選択を行
い、この選択したジヤツキを使用して掘進方向を
目標値にむけて修正させて掘進を行わしめるよう
にした。以下、本発明を図面により詳述する。

第１図は本発明の実施例図である。シールド掘
進機１０１は、出力装置１０２を介して計算機
（具体的にはマイクロコンピユータ）１００によ
つて制御をうける。ここで、シールド掘進機１０
１とは、シールド掘進機本体の他に各種の制御部
を含む。計算機１００は、入力装置１０３の操作
指令を受けて作動し、シールド掘進機の制御のた
めの諸データを算出し、出力装置１０２に出力す
る。入力装置１０３は、操作盤の他に、CRT表
示画面及びそれ以外の各種の状態量を表示し監視
する監視表示部とを特つ。即ち、表示操作盤であ
る。CRT表示面画及び監視表示部は計算機１０
０の計算結果をも表示するもの故、その表示デー
タを計算機１００から取込むべく操作盤１０３は
構成されている。計算機１００内の主たる計算
は、シールド掘進機の現在位置の算出、目標位置
が外部から与えられた場合の現在位置との偏差、
この偏差に基づく使用ジヤツキの選択である。こ
の他に、土質の状況に応じた方向感度修正計算も
行う。更に、計算機のメモリには、掘進計画路線
が、そのデータとしての計算上の効率的な利用の
観点から、適切に記憶格納されている。先ずこの
掘進計画路線の記憶方法について以下詳述する。

掘進計画路線は、掘進方向をＺ軸、左右をＸ
軸、上下をＹ軸として（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の座標軸で
表わすことができる。この３軸構成の座標軸を計
画路線の表示そのもので記憶させてもよいが、本
実施例では、計画路線の全路線について、Ｚ軸を
基準にして適当な間隔に分割し、Ｚ−Ｘ、Ｚ−Ｙ
に関する直線または曲線で近似して数値化し、メ
モリ内に記憶させている。これによつて、計画路
線は、進行方向Ｚの値を与えることにより、Ｘ
（左、右）及びＹ（上、下）方向の値を呼び出す
ことが可能になる。第２図には、Ｚ−Ｘ平面で現
わした掘進計画路線PLの一例を示している。各
区間イ，ロ，ハ，ニ、直線、曲線、直線、曲線の
各区間を示している。この直線と曲線との組合せ
によつて、計画路線PLを表わすことができる。
尚、P₀（Z₀、X₀）、P₁（Z₁、X₁）、P₂は各点を示
し、点Ｃ（Ｚ_1P、Ｘ_1P）は曲率半径r₁の中心座標
点、Φ_１はその拡がり角度、θ_０はＸ軸PLとの
P₀点での角を示す。Φ_２は区間イの直線の傾きと
区間ハでの直線の傾きとの偏差を示す。イの区間
は、直線の式 Ｘ＝Ｘ_１−Ｘ_０／（Ｚ_１−Ｚ_０）（Ｚ−Z₀）＋X₀…
(1) で表わされ、この式に従つた値で、（Ｚ、Ｘ）の
値がメモリに記憶される。ロの区間は、円弧であ
り、円の式 （Ｚ−Ｚ_1P）^２＋（Ｘ−Ｘ_1P）^２＝r₁ ² …(2) で近似され、これに従つて、（Ｚ、Ｘ）の値がメ
モリに記憶される。他の区間も同じである。従つ
て、Ｚ軸上の任意の値αを与えると、βがメモリ
から読出され、座標（α、β）を知ることができ
る。Ｚ−Ｙ平面で表わした場合も同様である。

次に現在位置の算出について説明する。現在位
置の算出のためには、先ず、測量用のトンネル坑
内の基準点すなわち、レーザ光源位置（以下、基
準点とする）を求めなければならない。測量用の
基準点は、シールド掘進機の掘進に従つてその掘
進後方に設定される。この基準点は、計画路線に
従う必要は必ずしもなく、あくまで測量上、及び
後述する演算のための入力データとして利用され
る。今、坑内基準点Nnをもとにして新しい基準
点Ｎ_o+1を求める場合を説明する。第３図はその
時の説明図である。以後の基準点も全く同じ方法
によつて求められる。基準点Ｎ_o+1、及び基準点
Ｎ_oの位置Ｎ_o（Ｚ_o、Ｘ_o）は今回の前の処理、即
ち前回の処理で求められてメモリに格納されてい
る。この際、基準点Ｎ_oに測量機をおき、基準点
Ｎ_o-1とＮ_o+1との角度_oを測定する。更に、目視
ではなく巻尺等にて基準点Ｎ_oとＮ_o+1との距離ｌ
_oを正確に測定する。かくして得られた測定値
_o、ｌ_oを入力する。更に、この入力値_o、ｌ_oと
を前回の処理で求められたメモリ内のデータθ_o-
１、Ｚ_o、Ｘ_oと利用して、基準点Ｎ_o+1をマイクロ
プロセツサで算出する。この時の計算式は以下の
通りである。

θ_o＝θ_o-1＋_o−180゜ …(3) これより Ｚ_o+1＝ln sinθ_o＋Ｚ_o …(4) Ｘ_o+1＝ln cosθ_o＋Ｘ_o …(5) Ｙ_o+1も同様に求められる。かくして得られた基
準点Ｎ_o+1での座標Ｚ_o+1、Ｘ_o+1、Ｙ_o+1、を新し
いレーザ光源位置として使用する。

表示操作盤１０３は、計算機１００による演算
及び制御指令のための各種の入力情報の設定及び
取込み、更には必要な情報の表示、計算機１００
からの表示データの表示を行う。

表示操作盤１０３のパネル部の構成を第４図に
示す。このパネル部１０３は、レーザ光線角度設
定部１２、曲率半径設定部１３、レーザ光源位置
設定部２２、レーザ光源位置からのリング数設定
部２３、目標点距離設定部２５、XY方向感度設
定部２６、使用ジヤツキ本数設定部２７、手動・
自動切換指定部２８、シールド掘進機のジヤツキ
対応の位置関係に設置されてなるジヤツキ表示部
２９、CRT表示画面４０、ストローク表示計３
０、ローリング計３１、ピツチング計３２、コピ
ーカツタ位置計３３、コピーカツタストローク計
３４、手動スイツチ３５、自動スイツチ３６、伸
縮スイツチ３７、及びCRT表示画面のスケール
のゲイン設定を行うゲイン設定器１１とより成
る。

以上の構成の表示操作盤１０３を利用して、シ
ールド掘進機の現在位置を求める。その処理は以
下の通りである。今、シールド掘進機の位置を測
定しようとする基準点を、例えば、先に求めた
（Ｘ_o+1、Ｙ_o+1、Ｚ_o+1）を（X′₀、Y′₀、Z′₀）とし
、
表示操作盤１０３の設定器２２より入力する。こ
の基準点にレーザ式検出装置の光源を置き、Ｚ軸
方向に対して、シールド掘進機に向けて、ある定
められた角度で光線を発する。この角度はレーザ
光線角度設定器１３によつて設定され、計算機に
取込まれる。シールド掘進機の後部には、この光
線を受ける受光器をおき、この光源からのＸ方向
およびＹ方向のズレを連続的に測定することがで
きる。また、この受光器を前後方向に適当に移動
させるか、または、適当な間隔に２ケ設けること
により、それらのＸ、Ｙ方向の差からシールド掘
進機の傾斜を測定することができる。一方、Ｚ方
向の現在位置を算出するために、基準点からの掘
進リング数を設定器２３、また、その地点におけ
る、組立てられているセグメントの曲率半径を設
定器１３により入力する。さらに、掘進中のＺ方
向距離として、シールド掘進機に取付けられ掘進
ジヤツキストローク長を検出する掘進ストローク
検出器（図示せず）からの信号を接続して計算機
に取込むようにしておく。これにより、Ｚ方向の
距離も連続的に測定することができる。

したがつて、シールド掘進機の後部受光器の位
置およびシールド掘進機の傾斜とその機長から先
端部の位置も求めることができる。かくして得ら
れた最後尾位置を（Z′m、Y′m、X′m）、最先端位
置を（Zm、Ym、Xm）とする。この２つの位置
は掘進機の進行に応じて当然に変化する。この２
つの位置はシールド掘進機の掘進方向の制御にと
つて極めて重要な基礎データとなる。

一方、シールド掘進機の掘進方向の制御を行う
ためには絶えず掘進計画路線との比較がポイント
となるが、計画路線と実際の掘進路線とをその地
点で比較し、制御してゆくやり方がある。この方
法は、直線的に掘進して行く場合や、修正がすぐ
にできる地山の場合は問題ないが、一般には修正
が後手になる。本実施例では、現在地点の目標を
与えるのではなく、目標値を前方の計画路線上に
おき、この目標値に近づけるべくシールド掘進機
制御を行つた点に特徴を持つ。

先ず、前述で得られた掘進中のシールド掘進機
の最先端位置よりも前方のＺ方向の値Ｚ_Fを操作
盤上の目標点距離設定器２５により与える。前方
のＺ方向の値Ｚ_Fを与えることによつて、メモリ
がアクセスされ計画路線上の地点（Ｚ_F、Ｙ_F、Ｘ
_F）を呼び出すことができる。シールド掘進機の
制御は、この地点に向つて直線的に掘進するよう
ジヤツキ操作をする。従つて、直線部分では遠く
の地点にこの目標点を設定することが演算や操作
が簡単になる効果を生む。しかし、曲線部分であ
つて且つ曲率半径が小さくなるに従つて、目標値
は近くに設定することが必要となる。目標点の値
Ｚ_Fは、掘進に従つて自動的に更新する方法（い
つも一定距離の前方を目標とする方法）と、Ｚ_F
を掘進に従つて自動的に減少させ、到達した時点
で停止する方法（Ｘ_F固定の方法）の２種類を選
択できるようにしておく。目漂点距離設定器２５
は、この更新か固定かの設定機能の他に、表示機
能、例えば固定の際には順次刻々と変化する現在
位置又は目標値と現在位置との偏差の表示を行う
機能を持つ。

かかる目標値を与えた場合の、CRT表示画面
４０での表示事例を第４図に示している。図で
は、設定された目標地点（Ｘ_F、Ｙ_F）を原点とし
て、先に求めた２点Ａ（Ｘ_n、Ｙ_n）、Ｂ（X′_n、
Y′_n）を表示し、ＢからＡへ矢印で示す線で結
び、シールド掘進機の掘進方向を示している。こ
のほか、Ｚ_nよりその地点での計画路線上の点
（Ｘ_n0、Ｙ_n0）をもＸ印で表示している。

次に掘進方向の制御方法について述べる。シー
ルド掘進機は必ず複数個のジヤツキを持つてい
る。８個程度の小形のものから、数10個の規模に
至るまで種々存在する。掘進する際には、該ジヤ
ツキをセメント材等より成る既に構策されてなる
セグメントに当接し、該セグメントからの反動を
利用してカツタ操作により前進してゆく。使用す
るジヤツキの位置や本数によつてシールド掘進機
の方向制御がなされる。一般に地山の条件によつ
て必要な推力が定まる。本実施例では、この必要
な推力を出すに必要なジヤツキ数を使用ジヤツキ
本数設定器２７により事前に設定しておき、実際
の制御時には、そのジヤツキ数を満足させる中で
位置を考慮して駆動すべきジヤツキを選択する。
このジヤツキの選択は以下の方法をとる。即ち、
目標値と現在値との偏差（Ｘ_F−Ｘ_n）、（Ｙ_F−Ｙ
_n）と指定されたジヤツキ本数から、ジヤツキの
位置を考慮した使用すべきジヤツキを選択する条
件をあらかじめメモリに記憶させておく。この選
択条件は、地山の特性を加味しない左右、上下の
重みづけは同等としている。かかるメモリに対し
て、実際の偏差と指定されたジヤツキ本数から対
応するジヤツキ番号を読出し、その番号のジヤツ
キの選択を行い、駆動する。例えば、総数20個の
ジヤツキ本数を持つているシールド掘進機に対し
て、地山の条件から12個のジヤツキ本数が設定さ
れたものとする。そして、演算の結果、ある特定
のＸ方向の偏差量及びＹ方向の偏差量を求まり、
この偏差量と上記12個という値からメモリをアク
セスした結果、実際の現在のシールド掘進機の位
置及び方向に応じた使用すべきジヤツキを選択す
る条件を読出す。メモリには、対応する選択ジヤ
ツキ番号を直接に記憶させておいてもよく、或い
は、字句通り選択条件を記憶させておき読出した
際には必要な演算を行い対応する選択ジヤツキ番
号を設定させるようにしてもよい。本実施例では
いずれも採用可能である。いずれにしろ、最終的
には、現在のシールド掘進機の状態に応じた、20
個のジヤツキの中の対応する12個のジヤツキが指
定される。この12個のジヤツキを駆動させること
によつて掘進方向の制御がなされる。

なお、現実に掘進した時に地山の特性により一
方に片よる傾向がでた時には、当然に感度修正を
行う。この感度修正は、Ｘ方向、Ｙ方向に感度修
正用の重み係数を操作盤のXY方向感度設定器２
６から与えることによつて行う。

第５図は全体の処理系統図を示す。この処理系
統図は、計算機内での処理の他に、表示操作盤で
の各種設定器によるデータ（設定値）の設定操作
を含んでいる。更に、この設定器からの計算機へ
の設定値の送出、及び計算機から表示操作盤への
データの送出、そして表示をも含んでいる。以上
の前提をもとに動作を説明する。フロー５０は、
レーザ式検出装置に基づく検出値を電気信号とし
て入力する。この検出値は、ローリング角度、掘
進機のＹ方向角度、Ｘ方向角度の三つである。ロ
ーリング角度はフロー５５でローリング角度計３
１で表示させる。また、Ｙ方向角度はフロー５６
でピツチング表示計３２に表示させる。一方、フ
ロー５１では、レーザ光源点位置を設定器２２に
設定することによつて与える。上記Ｙ、Ｘ方向角
度はレーザ光線角度設定器１２によつて与えられ
ている。フロー５２では、掘進リング数が定器２
３によつて設定され、フロー６３では前方目標距
離が目標点距離設定器２５によつて与えられる。
フロー５９では、レーザ光源点位置と掘進リング
数と掘進ストローク量とからＺ方向での現在位置
（掘進距離）を算出する。掘進ストローク量はフ
ロー５３で前述した掘進ストローク検出器によつ
て検出される。この検出結果はフロー５４でスト
ローク表示計３０に表示される。フロー５７で
は、Ｙ方向角度とレーザ光源点位置と上記算出さ
れたＺ方向現在位置とからＹ方向現在位置を算出
する。フロー５８では同様にしてＸ方向現在位置
を算出する。このＸ方向現在位置及びＹ方向現在
位置は、フロー６３で与えられる前方目標点距離
設定器２５からの目標点との間で偏差がとられ、
使用ジヤツキの選択に供される。尚、フロー６１
ではＺ目標値をもとにＸ、Ｙ方向目標値を求め、
この値が上記偏差の対象値となつている。使用ジ
ヤツキの選択はフロー６５で行われる。このフロ
ー６５では、フロー６４で設定器２７で設定され
る使用ジヤツキ本数設定数をとり込み演算に供し
ている。尚、フロー６２では感度修正の必要性が
生じた場合の設定を行い、実体としては、設定器
２６によつて感度修正量を与えて修正をはかつて
いる。

使用ジヤツキ選択の後に、この使用ジヤツキを
自動操作とするか手動操作とするかの操作モード
設定をフロー６６で行う。このフロー６６では、
フロー６７で示す切換スイツチ２８の指示によつ
てモード切換が行われる。次いで、フロー６８に
使用ジヤツキ駆動用の選択電磁弁６８を励磁さ
せ、掘進方向の制御を行う。また、フロー６９
で、使用ジヤツキの表示を操作ボタン兼用の表示
部２９を利用して表示する。この表示部２９での
表示方法は、手動操作時と自動操作時とでは異な
る。手動を選択した場合、上記で選択されたジヤ
ツキ表示部２９の表示ランプが点滅するだけで、
実際にそのジヤツキを選択するには、点滅ランプ
を参考にするだけで、点滅ジヤツキ以外を含めて
自由に操作ボタン２９を押して選択することがで
きる。選択されたジヤツキの表示部はランプ連続
点灯となる。自動を選択した場合には、計算機の
演算により選択されたジヤツキの表示部はランプ
連続点灯すると共に、その選択されたジヤツキが
実際に使用される。

かくして、目標点距離設定器２５で適当に目標
点を設定するだけで、計画路線上を自動的に掘進
してゆくことになる。

本実施例によれば以下の如き効果を持つ。

１ 掘進しようとする計画路線と掘進機の現在位
置との関係が明確に接続的に表示されているた
め、位置の管理が容易になる。

２ 計画路線上を掘進するための使用ジヤツキの
選択が自動的に正確になされるため、作業者の
判断作業が減少し、能率が向上する。

３ 計画路線と実際の掘削路線とのズレが減少
し、施工精度が上る。

以上の実施例では、各ジヤツキに与えられるジ
ヤツキ油圧量は一定としている。従つて、選択さ
れたジヤツキに対しては、必ず一定の力が与えら
れる。それ故、選択されたジヤツキの位置とその
力とジヤツキ本数とで掘進方向が定まることにな
る。勿論、総油圧量を一定ではなく可変（段階
的）にするやり方もある。更に、各ジヤツキ毎に
油圧量そのものを変更させるやり方も組合せるこ
ともできる。

本発明によれば、極めて効率的な掘進方向の制
御を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体図、第２図は計画路線の
説明図、第３図は基準点検出のための説明図、第
４図は表示操作盤のパネル構成図、第５図は全体
の処理系統図である。 １００……計算機（マイクロコンピユータ）、
１０１……シールド掘進機、１０３……表示操作
盤。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 計算機と、該計算機にインターフエースし、
   入力操作及び出力表示を可能とする表示操作部と
   を備え、上記計算機の出力によつてシールド掘進
   機の掘進方向の制御を行つてなるシールド掘進機
   の掘進方向制御方法に於いて、上記計算機内のメ
   モリには、掘進計画路線をシールド掘進機の進行
   方向と上下方向、左右方向との関係で記憶させて
   おくと共に、該計算機は、掘進機の現在掘進位置
   を取込み該現在位置での上下方向位置、左右方向
   位置を計算し、更に、上記表示操作部を介して上
   記掘進計画路線上の現在位置よりも前方にある進
   行方向上の目標値を取込み、該目標値をもとに上
   記メモリをアクセスし該目標値対応の上下方向位
   置、左右方向位置を読出し、該得られた目標値及
   び現在値での上下方向位置の偏差及び左右方向位
   置の偏差を計算し、該偏差の値から目標値に向つ
   て掘進すべき使用ジヤツキの選択を行い、該選択
   した使用ジヤツキの駆動用指令を上記シールド掘
   進機に送出して掘進方向の制御をはかつてなるシ
   ールド掘進機の掘進方向制御方法。 ２ 上記表示操作部は、シールド掘進機のジヤツ
   キ対応の表示部と、CRT表示部とを少なくとも
   持ち、上記ジヤツキ対応の表示部には使用ジヤツ
   キの表示を行い、CRT表示部には目標値と現在
   値との関係から目視可能なシールド掘進機の進行
   状況の表示を行わせてなる特許請求の範囲第１項
   記載のシールド掘進機の掘進方向制御方法。 ３ 上記計算機によるジヤツキ選択に際しては、
   事前に設定された掘進地山に応じた使用ジヤツキ
   本数を維持した状態下で、現在値と目標値との偏
   差関係から決定される掘進方向をもとに、使用す
   べきジヤツキを選択してなる処理を行つてなる特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載のシールド掘
   進機の掘進方向制御方法。