JPS6311795A

JPS6311795A - シ−ルド掘削機の掘削方向制御方法

Info

Publication number: JPS6311795A
Application number: JP15226686A
Authority: JP
Inventors: 徹後藤; 池田　昭栄; 利光阿曽; 俊一酒井; 東　洋二
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Priority date: 1986-06-28
Filing date: 1986-06-28
Publication date: 1988-01-19
Also published as: JPH0587638B2

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」この発明は、トンネル掘削用のシールド掘削機の掘削方
向を自動的に制御する方法に関する。

「従来の技術」一般に軟弱な地山内にトンネルを掘削する際に使用され
るシールド工法は、開さく工法と異なりトンネル罰則中
にシールド掘削機の掘削方向を適宜監視、制御する必要
がある。従来、このシールド掘削機の掘削方向の監視、
制御は、作業員がシールド掘削機及びセグメントの位置
及び方向を計測し、この計測結果に基づいて、前記作業
員が自身の経験及び勘に頼りながら手動で前記シールド
掘削機の掘削方向を変更することにより行なわれていた
。

近年、シールド掘削機の位置及び方向を機械的に常時検
出し、この検出信号に基づいて前記シールド掘削殴の掘
削方向を制御するシールド掘削機自動方向制御システム
が提案されている。

「発明か解決しようとする問題点」ところで、前記従来のシールド掘削機自動方向制御シス
テムは、シールド掘削機のみの位置及び方向を検出し、
これに基づいてシールド掘削機の掘削方向を制御してい
るので、肝心の最終出来形に影響するセグメントそのも
のの位置及び方向を制御、管理することが困難であった
。また、前記自動方向制御システムは、シールド掘削機
のスキンプレート（外筒）と前記セグメントとのクリア
ランス（間隙）について考慮していないので、極端な場
合、前記クリアランスが全く無い状態では、シールド掘
削機内でセグメントの組み立て作業か行えない、といっ
た現象を措く恐れがあった。従って、前記自動方向制御
システムは実際に稼動された例が少なく、現場において
は、依然前記の如く手動でシールド掘削機の掘削方向を
制御している場合が大半である。さらに、前記検出され
た位置及び方向に従って、シールド掘削機の掘削方向を
制御するプログラムは、掘削機の機種、土質、シールド
径によらず一律に作成されているので、汎用性が低く、
これも前記システムの実用化を妨害する一因となってい
た。

この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、シ
ールド掘削機の自動方向制御システムにおいて、セグメ
ントの組み立てを容易にすると共に、その位置を制御、
管理することの可能な汎用的なシールド掘削機の掘削方
向制御方法を如何にして実現するかを問題にしている。

「問題点を解決するための手段」本発明者等は、前記問題点を解決すべく鋭き研究した結
果、シールド施工現場においてセグメントの位置及び方
向の測定データがシールド掘削機の掘削方向制御に重要
な役割を果たしている、との知見を得るに至っｆこ。即
ち、第７図に示す例に”より説明すれば、シールド掘削
機Ｓか直進状態で地山を掘削する場合には、その左右の
クリアランスＬ１、Ｌ、がほぼ同値であればよく（第７
図（ａ））、またシールド掘削機Ｓが右方向に曲進する
場合には、ＬＬ＜Ｌ’２であることが条件となる（第７
図（ｂ））。

これは、逆の場合、即ち第７図（ｃ）に示すようにＬ　
＋　＞　Ｌ　ｔであると、組み立てられたセグメント３
．３、・・・の前方にテーパセグメントＡをセットし、
このテーパセグメントＡにジヤツキ推力を掛けると、反
力により左側のセグメント３ａが外方へ移動し、従って
正確な施工が行えなくなるのに対して、第７図（ｂ）に
示すようにり、＜１．、であれば、左側のセグメント３
が外方にずれようとしても、このセグメント３自体が周
囲の地山に支持され、その移動が抑えられるからである
。

そこで、第７図（ｃ）のような場合には、第７図（ｄ）
に示すように、一旦逆テーパセグメントＢをセットし、
シールド掘削機Ｓの掘進によりクリアランスをり、＜Ｌ
？の状態にした後、通常のテーパセグメントＡをセット
して施工する必要がある。

以上説明した知見に基づいて、この発明は、シールド掘
削機位置検出手段及びクリアランス計測手段からの信号
に従い、現在のシールド掘削機の掘削方向で他山を所定
長さだけ掘削したときの前記セグメントの位置及び方向
の設計値とのずれを計算すると共に、シールド掘削機の
推進トルクと変位とを測定して、これらの関係式を決定
し、この関係式に基づいて前記セグメントのずれを修正
するような推進トルクを前記シールド掘削機に与えるよ
うなシールド掘削機の掘削方向制御方法を構成して、前
記問題点を解決している。

「実施例」以下、この発明の実施例について第１図ないし第４図を
参照して説明する。

第１図ないし第２図はこの発明の一実施例が適用された
シールド掘削機を示す図であり、これらの図において符
号Ｓはシールド掘削機、符号Ｉはシールド掘削機Ｓの外
筒である円筒状のスキンプレート、符号２はこのスキン
プレートｌの内部に周方向に複数個設けられたシールド
ジヤツキである。シールドジヤツキ２は、順次掘進方向
に足されろセグメント３の前端（第１図左端）をスプレ
ッダ４で押圧し、その反力でスキンプレート１に推力を
与えるものである。

また、このシールド掘削機Ｓは、前端において回転駆動
される回転ドラムに取り付けられた掘削ビット（共に図
示せず）により地山土砂を掘削しながら掘進する乙ので
あり、掘削された土砂はエレクタの後方に連設されたコ
ンベア装置（共に図示せず）に移され、該コンベア装置
によって後方へ排出される。

符号６はスキンプレートＩの後端とセグメント３との間
をシールするテールシール、また、符号７はテールシー
ル６保護用のリングである。

符号８はセグメント浮かしであり、これはスキンプレー
ト１の下部内周に互いに適宜間隔を置いて配置されるも
ので、セグメント３をスキンプレートｌから若干浮かし
た状態に支持することで、セグメント３とスキンプレー
トｌとを同心状に保持するものである。

また、シールド掘削機Ｓのテール部分には、天地左右の
４箇所にテールクリアランス計測装置（クリアランス計
測手段）５が取り付けられている（図では地部分の装置
のみが示されている）。このテールクリアランス計測装
置５は、前記セグメント浮かし８の間に位置するコ字形
のバネ板！０と、このバネｔｌｉＥ１０に一端が連結さ
れているワイヤ１３と、このワイヤ１３の他端に連結さ
れている測長機１６と、この測長機１６の付近に設置さ
れているワイヤ休止手段Ｉ８とから概略構成されている
。

バネ板ＩＯは、その脚部１１がスキンプレー１・１にね
じ止めされて固定されている。そして、このバネ板ＩＯ
は、自由状態において自身の弾性作用によりその先端１
２がセグメント３に当接されるように、スキンプレート
ｌの内方に折曲されている。

ワイヤ１３は、その一端がバネ板１０の先端１２に連結
されると共に、ローラ１４．１５を通じてその他端が測
長機１６に連結されている。この測長Ｂｉ　ｌ　６は、
図示されないステーによりスキンプレートｌに固定され
た取付板１７に固定され、また内蔵されたエンコーダの
働きにより、引き出されたワイヤ１３の長さに応じた計
測値を電気信号を以て外部に出力しうるように構成され
ている。

ワイヤ１３の途中には、該ワイヤ１３をバネ板１０の付
勢力に対抗して測長機１６側へ引っ張ることで、その一
端をセグメント３から離間させて、セグメント３とスキ
ンプレートｌとの間のテールクリアランス計測を休止さ
せる休止手段１８が没けられている。休止手段１８は、
ワイヤ１３に取り付けられた鉄片１９と、測長機１６の
近傍に配置されかつその中空部に前記ワイヤ１３が挿通
されろ磁気コイル２０と、この磁気コイル２０に通電し
てコイル２゛０を励磁させるコイル制御器（図示什ず）
とから構成されている。

また、シールド掘削機Ｓには、自身の位置及び方向を検
知する位置検出装置（位置検出手段）９が設けられてい
る。この位置検出装置９は、シールド掘削機Ｓの後部に
位置されたレーザ受光盤２１と、このシールド掘削機Ｓ
の後方の定位置に設置されたトランシット２２とから構
成されている。

トランシット２２には、レーザ発信器と光波距離計が備
えられている。前記レーザ受光盤２１からは、トランシ
ット２２からのレーザ光の受光位置の座標データが出力
されると共に、このトランシット２２からは、前記レー
ザ受光盤２１までの測角データと測距データとが出力さ
れる。

そして、前記テールクリアランス計測装置５の測長機１
６及びシールド掘削機位置検出装置９のレーザ受光盤２
１、トランシット２２からの出力信号は、コンピュータ
２３に入力されると共に、このコンピュータ２３からの
制御信号により、シールド掘削機Ｓのシールドジヤツキ
２及び位置検出装置９のトランシット２２が制御、駆動
されている。

また、シールドジヤツキ２には、そのジヤツキストロー
クを測定する図示されない測定手段が設置され、この測
定手段からジヤツキストロークを示す出力信号がコンピ
ュータ２３に出力される。

次に、第１図ないし第６図を参照して、この発明の一実
施例であるシールド掘削機の掘削方向制御方法について
説明する。

まず、第１図ないし第４図を参照して、前記テールクリ
アランス計測装置５及びシールド掘削啜泣１π検出装置
９の作用について説明する。

掘進時あるいはサグメン８３組立時において、テールク
リアランス計測装置５は、前記休止手段１８により休止
されている。即ち、磁気コイル２０を励磁させて鉄片１
９を吸着し、よってワイヤ１３を測長機１６側へ引っ張
る。すると、バネ板ｌＯの先端１２は、ワイヤ１３に引
かれてセグメント３に当接しないように保持されること
となる。

次に、クリアランス計測時には、磁気コイル２０への通
電を断つ。すると、ワイヤ１３はバネ板ｌＯの弾性作用
によりこのバネ板１０側に引かれ、その一端がセグメン
ト３に当接するまで引き出される。すると、この時のワ
イヤ１３の移動量を測長機１６が計測し、電気信号の形
でコンピュータ２３に出力する。そして、この電気信号
がコンピュータ２３により適宜補償された後、テールク
リアランス量として利用される。

一方、シールド掘削機Ｓの位置及び方向は、前記シール
ド掘削機位置検出装置９により、以下に示す方法に従っ
て検出される。

まず、通常は、第３図に示すように、レーザ光の発射角
度を一定に保持して、シールド掘削機Ｓの位置を求める
。即ち、コンピュータ２３により、図中実線で表すよう
な基準位置におけるレーザ受光盤２１上のレーザ光受光
位置Ｐ１と、図中鎖線で表すような移動後の位置におけ
ろ受光位置Ｐ。

との間の変位ｍΔＸ、ΔＹを求める。また、同様にコン
ピュータ２３により、トランシット２２から受光位置Ｐ
、までの距離Ｌ１及び受光位置Ｐ２までの距離り、を測
定し、その測距データから変位■ΔＺを求める。

そして、前記受光位置Ｐ、の座標（ｘ＋、ｙｌ。

２＋）を基準として、移動後の受光位置Ｐ２の座標（Ｘ
　ｔ、Ｙ　２．　Ｚ　２）をコンピュータ２３により計
算する。更に、レーザ光の発射方向を仮に受光位置Ｐ、
からＰ２へ振った場合の仮想振り角０゜ムコンピユータ
２３で計算して保存する。

以降、レーザ光か受光盤２１から外れない限り、同様に
して、既知の座標（Ｘ、、Ｙ、、Ｚ、）を基準として受
光盤２１におけるレーザ光の受光位置の座標を求め、こ
れによりシールド掘削ＩＳの位置を検出する。また、前
記仮想振り角は逐一計算してコンピュータ２３内に保存
しておく。

さて、受光盤２１上のレーザ光受光位置が外方へ変位し
て、この受光盤２１上の限界線Ｑ上にまてレーザ光が移
動すると、コンピュータ２３からの制御信号により、レ
ーザ光受光位置を受光盤２１の中央部Ｐ３に位置させろ
ように、トランシット２２を振る（第４図参照）。そし
て、コンピュータ２３を用いて、受光盤２Ｉがレーザ光
を受光した時点で実際のトランシット２２の振り角θ。

及び移動後の受光位置Ｐ３までの距離り、を計測し、こ
の振り角θ、及び既知の受光位置Ｐ１までの距離り、を
利用して、受光位置Ｐ３の座標（Ｘ３゜Ｙ３．Ｚ３）を
求める。

このようにして、シールド掘削機Ｓの変位が大きい場合
においても、シールド掘削機位置検出装置９を用いれば
、連続的にこのシールド掘削機Ｓの位置及び方向を検出
することができる。

そして、以上説明した方法によりシールド掘削機Ｓの位
置及び方向、さらにスキンプレートｌとセグメント３と
の間のテールクリアランスを計測して、先端部（第１図
左端部）のセグメント３の位置及び方向を、コンピュー
タ２３により計算する。更に、このセグメント３の位置
及び方向のデータを利用して、現在のシールド掘削機Ｓ
の位置及び方向におけるセグメント３の位置及び方向の
設計値とのずれを、コンピュータ２３により計算する。

一方、他山掘削中において、シールド掘削機Ｓの推進ト
ルクと変位とをコンピュータ２３により常時計測し、こ
れらの関係を求める。この方法について、以下説明する
。

今、シールド掘削機Ｓの周方向に、第５図に示すように
Ｎ個のシールドジヤツキ２．２、・・・が配置されてい
るとする。このシールドジヤツキ２を順にＪｌ、Ｊ７、
・・・、ＪＮと名付けろと共に、シールド掘削機Ｓの中
心に原点０を設け、この原点を中心としてシールド掘削
機Ｓの上方を正とするＸ　ｆｔｈ及びシールド掘削ｌｉ
！Ｓの右方を正とするＹ軸を設け、ｉ番目のシールドジ
ヤツキＪｉの座標を（Ｘｉ、Ｙｉ）とする。すると、こ
のシールド掘削機Ｓの推進トルクのＸ成分ＭＸ及びＹ成
分Ｍｙは、次式で与えられる。

〜１ｘ＝　　Σ　Ｔ　−Ｘｉ・　ＪｓｉＩ：０〜１ｙ−Σ　Ｔ−Ｙｉ・、Ｊｓｉｉ＝０ここで、ＴはシールドジヤツキＪｉの推力１．Ｊｓｉは
ｉ番目のノールドノヤッキＪｉのジヤツキストロークで
ある。よって、上式に基づいて、コンピュータ２３によ
りシールドジヤツキ２のジヤツキストロークを測定し、
これによりシールド掘削機Ｓの推進トルクを計算する。

そして、前記シールドジヤツキ２の推進トルクの測定、
計算と同時に、前記シールド掘削機位置検出装置９によ
り、この推進トルクがシールド掘削１１　Ｓに加えられ
た時のシールド掘削機ＳのＸ方向の変位δＸ及びＹ方向
の変位δｙについても測定し、コンピュータ２３内に保
存する。

次に、コンピュータ２３内にシールド掘削機Ｓの推進ト
ルクＭｘ、Ｍｙ及び変位δｘ１δｙのデータが２０〜３
０（この数値は施工条件等により適宜決定される）個収
集された段階で、コンピュータ２３により（（、Ｌ進ト
ルクと変位との相関の有無を、Ｘ成分及びＹ成分につい
て個々に検定する。

この時、推進トルクと変位との間に１１な相関が認めら
れない場合は、相関が認められるまでさらにデータを収
集４−ろ（第６図参照）。そして、この相関に基づいて
シールド掘削機Ｓの変位と推進トルクとの間の関係式を
、推進トルクの関数として決定する。

以上説明した方法により、セグメントの位置及び方向の
設計値からのずれ、そしてシールド掘削機Ｓの推進トル
クＭｘ、Ｍｙと変位δＸ、δｙとの関係式がコンピュー
タ２３により計算される。

この後、シールド掘削機掘削方向制御方法の次の段階で
ある、シールド掘削機Ｓの掘削方向自動制御を次に示す
方法により行う。

まず、掘削すべきトンネルの設計上の基ω線及び現在の
セグメント３のずれ量から、次に組み立てるべきセグメ
ント３の種類（テーバの有無、キーセグメントの位置等
）を、コンピュータ２３に事前に記憶させた一定の規則
に従って、このコンピュータ２３により決定させる。次
に、決定されタセクメント３を所定個数組み立てた場合
の（すなわち現在のシールド掘削機Ｓの掘削方向で他山
を所定長さだけ掘削した場合の）、セグメント３の位置
及び方向の設計値からのずれを、コンピュータ２３によ
り計算する。そして、このセグメント３のずれを修正す
るように、シールド掘削機Ｓの開削方向を修正、制御す
ればよいのである。

ここで、前記セグメント３のずれを修正するには、セグ
メント３の位置及び方向を前記方法に従って検知、制御
することら重要であるが、前記決定されたセグメント３
か容易に組み立てられるようなりリアランスを、スキン
プレートｌとセグメント３との間に確保することも重要
である。よって、このクリアランスを確保するためのシ
ールド掘削機Ｓの掘削方向を、コンピュータ２３により
決定し、シールドジヤツキ２の推力を調整することでシ
ールド掘削機Ｓの掘削方向を変更、制御すればよい。即
ち、前記変更された掘削方向を実現するようなシールド
掘削機Ｓの変位を計算し、さらにｒＩｔ記シールド掘削
機Ｓの推進トルクと変位との関係式から、シールドジヤ
ツキ２の推力をコンピュータ２３により決定して、シー
ルドジヤツキ２をこのコンピュータ２３により制御、駆
動すればよい。

ココテ、シールド掘削機Ｓの推進トルクは、各シールド
ジヤツキ２からのデータの累積値であるので、変位から
逆に各シールドジヤツキ２の推進トルクを一意的に決定
するのは困難である。従って、各シールドジヤツキ２の
推進トルクを数段階の値に制限して選択し、これにより
選択すべき推進トルクのパターンを制限してコンピュー
タ２３に選択させる必要がある。

以上説明したシールド掘削機Ｓの掘削方向制御方法は、
シールド掘削機Ｓの位置及び方向のデータを計測するの
みならず、セグメント３の位置及び方向のデータら同時
に計測し、さらにこのシールド掘削機Ｓの推進トルクと
変位との関係式も逐一算出している。そ−して、この関
係式に基づいてセグメント３の位置及び方向の設計値か
らのずれを゛修正するように、スキンプレート１とセグ
メント３との間のクリアランスを決定し、これに従って
前記シールド掘削機Ｓの掘削方向を自動的に制御してい
るので、セグメント３の位置及び方向を容易に制御する
ことが可能であると共に、前記従来の自動方向％御シス
テムのように、シールド掘削機内でセグメント３が組み
立てられない、といった現象を招く恐れが全く無い。

また、前記シールド掘削機Ｓ掘削方向修正中も、推進ト
ルク及び変位のデータ収集が行なわれているので、この
シールド掘削機Ｓが掘進するに従って前記推進トルクと
変位との関係式の信頼性が高まる。そして、掘削すべき
地山の土質が変化しても、前記関係式を新たに計算すれ
ば良く、従って土質に左右されない汎用的なシールド掘
削機自動制御が実現できる。

よって、セグメントの組み立てを容易にすると共に、そ
の位置を制御、管理することの可能な汎用的なシールド
掘削機の掘削方向制御方法を実現することができろ。

なお、この発明であるシールド掘削機の掘削方向制御方
法は、前記実施例に限定されない。−例として、前記シ
ールド掘削機Ｓの推進トルクと変位との関係式は、第６
図に示すような一次式に限定されず、最小二乗法等の統
計学的手法を用いてより高次の多項式により近似されて
もよい。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明によれば、シール
ド掘削機位置検出手段及びクリアランス計測手段からの
信号に従い、現在のシールド掘削機の掘削方向で地山を
所定長さだけ掘削したときの前記セグメントの位置及び
方向の設計値とのずれを計算すると共に、シールド掘削
機の推進トルクと変位とを測定して、これらの関係式を
決定し、この関係式に基づいて前記セグメントのずれを
修正するような推進トルクを前記シールド掘削機に与え
るようなシールド掘削機の掘削方向制御方法を構成した
ので、セグメントの位置及び方向を容易に制御すること
が可能であると共に、従来の自動方向制御システムのよ
うに、シールド掘削機内でセグメントが組み立てられな
い、といった現象を招く恐れが全く無い。そして、掘削
すべき地山の土質が変化しても、前記関係式を新たに計
算すれば良く、従って土質に左右されない汎用的なシー
ルド掘削機自動制御が実現できる。

よって、セグメントの組み立てを容易にすると共に、そ
の位置を制御、管理することの可能な汎用的なシールド
掘削機の掘削方向制御方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるシールド掘削機の掘
削方向制御方法が適用されろシールド掘削機を示す正断
面図、第２図は第１図の要部のみを拡大して示した正断
面図、第３図は同実施例に使用されるシールド掘削機位
置検出手段の作用を説明する図、第４図は第３図と同様
の図、第５図はこの発明の一実施例であるシールド掘削
機の掘削方向制御方法を説明する概念図、第６図は第５
図と同様の図、第７図は従来のシールド掘削機の掘進方
向及びスキンプレートとセグメントとのクリアランスの
関係を示す概念図である。Ｓ・・・・・・シールド掘削機ｌ・・・・・・スキンプレート、３・・・・・・セグメ
ント、５・・・・・・シールド掘削機位置検出装置（シ
ールド掘削機位置検出手段）、９・・・・・・テールク
リアランス計測装置（クリアランス計測手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

シールド掘削機内に設けられたシールド掘削機位置検出
手段及びスキンプレートとセグメントとの間のクリアラ
ンス計測手段からの信号に基づいて、前記現在のシール
ド掘削機の掘削方向で地山を所定長さだけ掘削したとき
の前記セグメントの位置及び方向の設計値とのずれを計
算すると共に、前記シールド掘削機の上下方向及び左右
方向について該シールド掘削機の推進トルクと変位とを
測定して、これらの関係式を決定し、この関係式に基づ
いて前記セグメントのずれを修正するような推進トルク
を前記シールド掘削機に与えることを特徴とするシール
ド掘削機の掘削方向制御方法。