JPH02140393A

JPH02140393A - シールド機

Info

Publication number: JPH02140393A
Application number: JP63295509A
Authority: JP
Inventors: Kozo Nakatani; 中谷　耕三; Masakazu Aine; 相根　正和; Masaaki Nakayama; 正明中山; Junichi Chiyotani; 千代谷　淳一; Toshio Tanigawa; 谷川　俊男
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1990-05-30

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】［産業上の利用分野コ本発明は、シールド工事を行うシールド機に係り、特に
、掘進方向の制御を容易に行えるシールド機に関するも
のである。

［従来の技術］シールド機はトンネル等の掘削工事を行うために広く使
用されており、その構成の１例を第１５図に示す。

第１５図は泥土圧式のシールド機の概略構成を示す図で
ある。同図において、シールド機５０の先端には、掘削
用のカッタ（図示せず）が設けられたカッタヘッド５１
が取り付けられ、カッタ用モータ５２により回転駆動さ
れる。なお、通常、当該カッタ用モータ５２は、シール
ド機５０のローリングの制御のために正逆転可能となさ
れている。掘削された土砂は隔壁５３の内部において水
、ベントナイト等が加えられて泥状または粘土状となさ
れ、スクリューコンベア５４および図示しないベルトコ
ンベアにより外部に搬出されるようになされている。

シールド機５０により所定の距離の掘削が終了すると、
シールド機５０の運転を停止し、スチールまたはコンク
リート製のセグメント６０を掘削外周に組み立て、更に
図の斜線部θ１で示す掘削坑とセグメント６０の間隙に
はモルタル等が裏込めされる。なお、セグメント６０の
長さは直線部分では９０　ｃｍ程度のものが使用され、
カーブの部分では５０　ｃ、程度の短いものが使用され
る。そして、図に示すように、ジヤツキ５５によりセグ
メント６０を押すことで次の掘削を行う。このような工
程を繰り返してンールドエ事を行うことができる。

また、シールド機５０には、現在位置を確認できるよう
にするためにレベル計５６、方位計６７が、シールド機
５０のピッチング状態、ローリング状態を検出するため
にピッチング・ローリング計５８がそれぞれ取り付けら
れ、更に各ジヤツキのストロークを計測するためにスト
ローク計５９が取り付けられている。これらの測定器は
周知であるが、方位計５７としては例えばジャイロコン
パスを使用することができ、レベル計５６としては例え
ば、第１６図に示すように、基準タンク６２、連通管６
４および圧力センサ６３で構成することができる。即ち
、基準タンク６２の中に入っている水を連通管６４でシ
ールド機５０内の圧力センサ６３に導き、水圧を検出す
ることで基準タンク６２と圧力センサ６３との高さを検
出することができ、これを地表から積算していけば現在
位置の地表からの深さを知ることができるものである。

これらの測定器で得られたデータは坑内または坑外の制
御装置に取り込まれ、処理されて、例えば、第１７図に
示すような画面がＣＲＴデイスプレィ装置等からなる第
２の表示装置に表示される。

第１７図においては、左右のジヤツキのストローク、平
均ストロークを示す実ストローク、および左右のジヤツ
キのストローク差、現在の方位、ピッチングおよびロー
リングの状態、方位偏差、ピッチング偏差等が数値で表
示されると共に、方位偏差とピッチング偏差がグラフ表
示されている。

なお、図中、　「もりかえ０ＦＦＪとあるのは次のよう
な意味である。第１６図においては、シールド機５０に
よる掘進が進むにつれて連通管６４を延ばしていく必要
があるが、連通管６４の長さは決まっているので、長さ
の限界が近付いたら基どμタンク６２の位置を例えば図
のＡで示す位置に置き換えることが行われる。これを通
称「ちりかえ」というが、従って、　「ちりかえ０ＦＦ
Ｊというのは基準タンクの位置を代える必要がないこと
を意味しているものである。

ンールドエ事は予め決められた設計基線に沿って行われ
るべきものではあるが、シールド機の性質（癖）や土質
の関係で設計基線から外れることが多い。従って、シー
ルド機５０を運転するオペレータは、第１７図の画面か
ら、設計基線からのずれを認識し、どの位置のジヤツキ
をどれだけのストロークにすれば設計基線の通りに掘進
できるかを判断していた。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来のものにおいては、第２の表示装置
上にはシールド機の現在位置と目標からの偏差が表示さ
れるのみであり、これらのデータから目標のストローク
差とピッチングを保つようにジヤツキの選択を行わねば
ならないので経験を積んだ熟練者に顆らざるを得す、誰
もが容易に操作できることが要請されていた。

また、従来のシールド機においては、目標のストローク
差あるいはピッチングはオペレータの経験により決定さ
れるので、たとえ第１７図の画面表示がなされてもオペ
レータによって判断の基準、指示方法が異なるという問
題も生じていた。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、シール
ド機が向かうべき方向、レベルを演算、表示することに
より、オペレータによらず同じ掘進が行え、且つシール
ド機に関する知識を有する者であれば容易に設計基線に
沿って掘進を行えるシールド機を提供することを目的と
するものである。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するために、本発明のシールド機は、
現在位置および方位と、設計基線とに基づいて決定され
る掘進指示を行うことを特徴とするものである。

［作用コ本発明によれば、各種のセンサにより得た水平面および
垂直面でのシールド機の現在位置および方位と、予め定
められている設計基線とに基づいテ目標ストローク差、
目標ピッチングという掘進指示を決定し、当該データを
表示装置の画面上に表示するので、オペレータはシール
ド機の動向を視認により正確に把握することができると
共に、表示された掘進指示のとおりにジヤツキストロー
クを設定すればよいので容易に操作を行うことができ、
これにより、掘進精度、出来蒲を向上させることができ
るものである。

［実施例コ以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係るシールド機制御システムの１実施
例の構成を示す図であり、図中、１は制御手段、２は第
１の表示装置、３はプリンタ、４は第２の表示装置、５
はインターフェース、６は変換器を示す。

第１図において、制御手段１は坑外に配置され、インタ
ーフェース５を介して、運転オン／オフ情報、方位計か
らの方位情報、レベル計からのレベル情報、ローリング
計からのローリング情報、ピッチング計からのピッチン
グ情報、そして各ジヤツキのストローク計の情報および
ジヤツキのストローク差の情報を取り込み、後述する演
算処理を行うと共に、インターフェース５の制御、デー
タの保存等を行う。後述する演算処理のプログラム、設
計ル媚の軌道データ、セグメント長データ等、演算処理
を行う際に必要なデータは予め与えられていることは当
然である。なお、方位計等の各測定器は第１５図に示す
と同様にシールド機本体に設けら′れているものである
。

第１の表示装置２は制御手段１と同様に坑外に配置され
制御手段１による演算結果などが表示される。

プリンタ３は必要に応じてデータをハードコピーとして
出力するために設けられているものである。

第２の表示装置４は坑内に配置され、オペレータに必要
な情報を与えるものであり、制御手段１との接続に際し
ては必要に応じて中継器が設けられる。

インターフェース５は各測定器から入力されるアナログ
データをディジタルデータに変換して制御手段１に供給
するものである。

変換器６はレベル計で得られたレベル値をローリング計
で得られたローリング量に基づいて修正し、シールド機
の中心のレベルを求めるものである。つまり、レベル計
が第２図のＡのようにシールド機５０の中心に配置され
ているならばローリングの宵無にかかわらずレベル計の
示す値は一定であるが、第２図のＢの位置のようにシー
ルド機の中心から外れた箇所に配置されている場合には
ローリング量に応じてレベル計の値は異なってくる。変
換器６は後者の場合のために設けられるもので、ローリ
ングの量に応じてレベル計で得られる値を補正し、常に
シールド機の中心のレベル値をインターフェース５に供
給するのである。

制御手段１で行う処理のフローチャートを第３図に示す
。

まず、制御手段１は、ステップＳ１で現在シールド機が
運転中か否かを判断する。これは第１図の運転オン／オ
フ情報から知ることができる。なお、運転オフの場合に
はセグメントを取り付は作業に使用するエレクタ−が動
作可能となされ、セグメントの取り付けが行われる。ス
テップＳ１で運転オフと判断されるとステップ８２以下
の処理は行わず、前回求めた掘進指示を保持する。後述
するように、ステップＳ２からステップＳ６までの処理
は所定の掘進距離、例えば、３〜ｆ３ｃｍ毎に行うので
、セグメントの取り付けの後、掘進を開始する場合には
前回に求めた掘進指示をそのまま表示すれば足りるから
である。

ステップＳ１で運転オンであれば、制御手段１はステッ
プＳ２のデータ取り込みを行う。これはシールド機の現
在位置およびシールド機が向いている方向を求めるもの
であり、シールド機の水平方向の位置および向きは方位
計により、垂直方向位置、即ちシールド機の位置する標
高（レベル）はレベル計によりそれぞれ求めることがで
きることは明かであろう。また、ピッチング計からは垂
直方向の向きを知ることができる。更に、ストローク計
からはジヤツキの現在のストローク長を知ることかでき
、ストローク差計からは、例えば左右あるいは上下のジ
ヤツキのストローク差を知ることができる。なお、スト
ローク差については、制御手段１において、ストローク
計で求めたジヤツキストロークの差を求めてもよいこと
は当然である。

次に制御手段１はステップＳ３の目標線の設定を行う。

つまり、次の掘進をどこを目標として、どの方向に向け
て行えばよいかを設定するのである。これは設計基線上
を掘進している場合にも、設計基線から外れた場合にも
必要であることは明かである。

水平方向については、一つの方法としては、第４図に示
すようにシールド機の現在位置Ｐと設計基線１０上の一
定距離ＬＨの先にある点Ｑを目標とし、点Ｐと点Ｑとを
結ぶ線１１を目標線とすることができる。つまり、現在
位置がら目標線に沿ってＬＨだけ掘進したときに設計基
線上に位置するように設定するのである。なお、一定距
離ＬＨとしては、例えば、１０〜２０ｍ程度とするのが
よい。また、このとき点Ｐと設計基線１０との距離を水
平偏差と称す。

またもう一つには、第５図（Ａ）に示すように、設計基
線１０の直線部分を掘進している場合には、図のＢ　Ｃ
（Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｕｒｖｅ）で示すカー
ブの開始点を目標として現在位置とＢＣ点を結ぶ直線を
目標線とし、設計基線のカーブの部分を掘進している場
合には、同図（Ｂ）のように現在位置を通ってＥ　Ｃ（
Ｅｎｄ　ｏｆ　Ｃｕｒｖｅ）で示すカーブの終了点に接
する円弧を目標線とするようにすることができる。特に
、後者のようにして目標線を設定すると、設計基線を外
れた場合にも滑らかに設計基線に近付くことができると
いう特徴があり、以下この方法を採用した場合を例にと
る。なお、このときの水平偏差はそれぞれ第５図（Ａ）
、　　（Ｂ）に示すように定義される。

また、垂直方向についても同様であるが、第６図に示す
ように、シールド機の現在位置Ｒと、設計基線１０上の
一定距離ＬＶの先にある点Ｓを結ぶ直線を目標線とし、
現在位置からＬＶだけ掘進したときに設計基線上に位置
するようにするのがよい。なお、垂直方向の場合には、
一定距離ＬＶは４〜６ｍ程度とし、水平方向の目標点よ
り短くする。これは、トンネル内に水を流す場合等を想
定すると分かるように、勾配の精度が要求されることが
多いからである。なお、第６図において、シールド機の
現在位置と設計基線１０との距離は垂直偏差と称される
。

制御手段１はこれらの目標線の方程式を演算により求め
るのであるが、設計基線１０の軌道は予め登録されてい
るし、シールド機の水平位置およびレベルはステップＳ
２で得ているから容易に求めることができる。

さて、このようにして目標線が設定されたら、次に制御
手段１は、ステップＳ４で目標偏差の計算を行う。目標
偏差というのは、シールド機の向きを水平方向および垂
直方向にどれだけ修正すればよいかを示すものであり、
水平方向の目標偏差は、第７図に示すように、現在のシ
ールド機の方位と目標方位、即ち目標線の示す方向との
差として求められる。制御手段１はステップＳ２でシー
ルド機の現在の方位を取り込んでおり、ステップＳ３で
目標方位を求めているので、これらの方位の差から目標
偏差を求めることができる。

以上はシールド機が設計基線の直線部分を掘進している
場合であるが、カーブ部分を掘進している場合には、第
５図（Ｂ）のように、シールド機の現在の方位と、現在
位置における目標線１２の接線とのなす角が目標偏差と
なる。

垂直方向の目標偏差は、例えば、シールド機の現在のピ
ッチングと目標線の方向とのなす角度により求めること
も可能であるが、ここでは目標レベルとシールド機の現
在レベルとの差を目標偏差とする場合について説明する
。ピッチング量の測定よりレベルの測定の方が高い精度
で求めることができるからである。

目標レベルとは、第８図に示すように、現在の掘進が終
了した時点でのレベル、例えば、掘進開始位置Ｕから１
〜２セグメント長ＩＪｉｉｉ進したときの距離にある目
標線上の点Ｔのレベルを目標レベルとする。つまり、掘
進する目標としては一定距離Ｌｖ先の設計基線上の点を
目指すのであるが、上述したように垂直方向は高い精度
が要求されるので、目標とするレベルとしては、より近
い点のレベルを採用するのである。

セグメント長のデータは予め制御手段１に与えられてい
るので、目標偏差を算出することができることは明かで
あろう。

このようにして、水平方向および垂直方向の目標偏差が
求められると、制御手段１は次にステップＳ５の目標ス
トローク差および目標ピッチングを求める。

まず目標ストローク差について説明する。水平方向の向
きを変えるには左右のジヤツキのストローク差を調整す
ればよいので、ステップＳ４で求めた水平方向の目標偏
差を達成するために左右のジヤツキのストロークにどれ
だけの差を設ければよいかを算出するのがこのステップ
の処理である。

これは単純な幾何計算で求めることができる。例えば、
現在のシールド機方位および目標方位が第９図のようで
あるとすると、図の１５で示す長さが求めるジヤツキス
トローク差となる。このストローク差を保ったままジヤ
ツキストロークを増やしていけば目標方位の方向に掘進
することができる。しかし、このような単純計算によっ
て求めたストローク差では目標方位に掘進することは困
難である。なぜなら、シールド機にはそれぞれの癖があ
り、更に同じストローク差を与えても掘進箇所の土質に
より掘進方向は変わってくるからである。そこで、本実
施例においては、過去の実績を勘案してストローク差を
求めることにしている。

つまり、過去の一定長、例えば、８〜１２セグメント長
程度は同じ様な土質としてよいから、当該一定長の実績
データから第１０図に示すようにストローク差と方位と
の関係から相関を求め、当該相関関係からストローク差
を求めるのである。この際の相関は一次関数で十分であ
る。

次に目標ピッチングについてであるが、ステップＳ４で
求めた垂直方向の目標偏差はピッチングを調整すること
で達成することができる。そこで、目標偏差から目標ピ
ッチングを算出するのであるが、この際にも、上述した
ストローク差を求める場合と同様に、過去の一定長、例
えば８〜１２セグメント長における実績データから求め
るようにする。この場合の実績データとなるのは、第１
１図に示すようにピッチング量と各セグメントでの偏位
量である。第８図に関して述べたように、垂直方向には
１〜２セグメント長の距離で目標レベルが設定されるの
で、１セグメント長当りのピッチング量を考えればよい
のである。

このように過去の実績データに基づいて目標ストローク
差および目標ピッチングを算出するので、シールド機の
癖、土質をも加味した演算を行うことができるものであ
る。このことは特に目標ピッチングを求める場合に重要
である。つまり、シールド機の重心位置、土質等の関係
により、所定のピッチングを与えても必ずしも所望の方
向に掘進するとは限らす、従って、過去にどのようなピ
ッチングでどのような動きをしたかが非常に重要なデー
タになるからである。

ステップＳ５で目（票ストローク差と目標ピッチングが
求められたら、ステ、プＳ６で当該情報を第１の表示装
置２、第２の表示装置４に表示する。

これが掘進指示となる。

表示画面は例えば第１２図のようにすることができる。

画面の上半分には水平面の設計基線２０．２１が、下半
分には垂直面の設計基線２２．２３が表示される。また
、右側には比較的長いレンジでのシールド機の動向が示
され、左側には短いレンジでのシールド機の動向を表示
するようになされている。右側に表示する長いレンジと
しては、例えば、シールド機長の２〜３倍、概ね７〜８
ｍとするのがよい。また、左側に表示する短いレンジの
距離としては、１セグメント長とする。

右上の表示領域の２４で示す「○」印は水平方向の目標
点であるＢＣまたはＥＣである。右下の表示領域に目標
点が示されていないのは、垂直方向の目標点は上述した
ように常に一定距離の先にある設計基線上の点であるか
らである。また、右上および右下の表示領域の矢印２５
．２６はそれぞれ現在のシールド機の方位およびピッチ
ングを示している。

これらの情報の表示は、第１の表示装置２、第２の表示
装置４としてカラーＣＲＴを採用し、例えば、バックグ
ランドを黒で、設計基線２０〜２３は緑色で、目標点２
４および矢印２５．２６は赤色で表示すればオペレータ
は容易にシールド機の動向を確認することができるもの
である。

また、水平面の情報として水平偏差、目標方位、現在方
位、目標偏差、ストローク差および実際のストローク差
を示す実ストローク差のデータが表示されると共に過去
１０リング（セグメント）分のストローク差と方位の偏
角の実績データが表示される。オペレータは、この画面
からシールド機の水平面上での動向を正確に把握するこ
とができると共に、左右のジヤツキのストローク差を表
示されている通りの値、第１２図の場合−１６、、に設
定することで目標方位に掘進することができるのである
。なお、目標偏差の数字の符号は、現在方位が目標方位
から時計廻りにずれているか、反時計廻りにずれている
かを示しており、これは予め定められているものである
。

垂直面の情報についても同様であり、目標ピッチングを
達成できるように、」二下のジヤツキのストローク差を
設定すればよいのである。

以上のように、本実施例では、従来のように単にシール
ド機の位置を表示するだけでなく、目標位置に近付（た
めにはジヤツキストローク差をどのように設一定すれば
よいか、ピッチングをどれだけ与えればよいかという掘
進指示を表示するので、熟練者はもとより、シールド機
に関する知識を有する者なら操作することができるので
ある。

ステップＳ６の表示処理が終了すると、■びステップ１
に戻り、同じ処理を繰り返す。この周期は適宜選択する
ことができることは勿論であるが、比較的短い時間で行
う方がよいことは明かであり、所定の距離、例えば、３
０〜５０Ｉ１ｍ　掘進する毎に上記の処理を繰り返して
もよいし、所定時間、例えば数分毎に行ってもよいもの
である。このように比較的短い周期で徐々に掘進指示を
更新すると、設計基線から外れたとしても、滑らかな曲
線を描いて設計基線に乗ることができるものである。

このようにして所定距離の掘進毎、または所定時間毎に
掘進指示が更新される度に、第１２図の左側の表示領域
の設計基線上には「×」印が表示され、これにより１セ
グメントの内のどれだけを掘進したかを容易に確認する
ことができるようになされている。

なお、制御手段１には様々なデータが保存されているの
で、例えば、第１３図あるいは第１４図に示すように、
必要に応じてストローク等の実績データをトレンドとし
て表示することもできるものである。なお、第１３図は
各種の実績データを一括して表示した例であり、この場
合、各グラフを異なる色で表示し、且つ、ｒＰｅｎＪの
表示色とそれに対応するグラフの色を同じにすると分か
りやすい表示を行うことができる。また、第１４図は実
績データを個々に表示した例である。

以上、本発明の１実施例を説明したが、本発明は上記の
実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能で
ある。例えば、上記実施例ではオペレータがツヤツキの
選択を設定したが、これを自動的に行うこともできるも
のである。つまり、第３図のステップＳ３で求めた目標
ストローク差、および目標ピッチングを適当なツヤツキ
駆動装置に与え、それによりジヤツキの操作を自動的に
行えることは明かであろう。また、上記実施例では泥土
圧式のシールド機について述べてきたが、本発明はその
他のシールド機に対しても適用することができるもので
ある。

［発明の効果コ以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果を得ることができる。

■シールド機の現在位置、方位と、設計基線とに基づい
て掘進方向を決定し、表示装置の画面上に表示もしくは
自動的にジヤツキ制御するので、オペレータはシールド
機の動向を正確に判断できると共に容易にジヤツキの選
択の設定もしくは確認を行うことができ、従って、熟練
者に限らず、シールド機の知識を有する者ならば運転を
行うことができる。

■目標線の設定が設計基線に対して常に収束する方向で
指示されるので、上がり過ぎ、下がり過ぎ、曲がり過ぎ
といった不具合を生じることが無い。

■掘進指示が、オペレータによって、あるいは熟練の度
合によって異なることがなく、常に同じ根拠による値と
なる。

■掘進指示は過去の実績データに基づいて求められ、更
に実績データは掘進が進に連れて順次更新されるので、
路線内での土質変化、裏込め、土庄、加泥状態、または
シールド機の特性にかかわらす、最も効果的な掘進指示
が与えられる。

■シールド機は設計基線に対して大きな偏位を生じるこ
とがなく、従って、シールド機を停止させての測量の頻
度が極めて少なくなるので、出来高が向上する。

■本発明の計測結果と実測値との間にずれが生じても容
易にその修正を行うことができ、修正された値によりそ
れ以後の掘進指示を与えることができるものである。

■求めた掘進指示を適当な駆動装置を介してジヤツキに
与えることにより、自動掘進を行うことができる。

■データとして地上の偏位量、即ち沈下量等を加えるこ
とにより方向制御に留まらず、全体的な掘進管理をも行
える可能性がある。

■方位計に加えてレーザあるいは光波針を併用すれば、
いわゆる横ずれをも検知できるので、設計基線からの偏
位量をより少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るンールド機制御システムの１実施
例の構成を示す図、第２図は変換器６の作用を説明する
ための図、第３図は制御手段１の行う処理のフローチャ
ートを示す図、第４図は水平方向の目標線を設定する１
例を説明するための図、第５図は水平方向の目標線を設
定する他の例を示す図、第６図は垂直方向の目標線の設
定を説明するための図、第７図は水平方向の目標偏差を
説明するための図、第８図は垂直方向の目標偏差を説明
するための図、第９図はジヤツキストローク差を求める
演算を説明するための図、第１０図はストローク差と方
位の相関を示す図、第１１図はピッチングと偏位量との
相関を示す図、第１２図は掘進指示の表示例を示す図、
第１３図、第１４図はトレンド表示の例を示す図、第１
５図は従来の泥土圧式のシールド機の概略構成を示す図
、第１６図はちりかえを説明するための図、第１７図は
従来の画面表示の例を示す図である。１・・・制御手段、２・・・第１の表示装置、３・・・
プリンタ、４・・・第２の表示装置、５・・・インター
フェース、　６・・・変換器。第１図出　　願　　人　清水建設株式会社代理人　弁理士　阿　部　龍　吉（外５名）第２図第４図第５図（Ａ）（Ｂ）Ｍ３図第６図第７図 ′−１０甑計基線尭８図（詰批１１架第９図第１０図第１１図ピノｉ、：し第１５図第１６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）現在位置および方位と、設計基線とに基づいて決
定される掘進指示を行うことを特徴とするシールド機。
（２）上記掘進指示を表示装置に表示することを特徴と
する請求項１記載のシールド機。
（３）上記表示装置にはシールド機の水平方向および垂
直方向の現在位置、方位およびジャッキのストローク差
をも表示することを特徴とする請求項２記載のシールド
機。