JPH03107093A - シールド掘進機の自動方向制御方法 - 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、トンネル掘進中のシールド掘進機のトンネル
計画線からの姿勢、位置のずれ量を、最少にする方向に
シールド掘進機を姿勢制御するようにした、シールド掘
進機の自動方向制御方法に関するものである。

［従来の技術］ シールド掘進機の姿勢制御は、複数の推進ジヤツキによ
りシールド掘進機に推進方向に対して回転モーメントを
与えて行なっている。シールド掘進機の自動方向制御を
行なうためには、シールド掘進機に必要な姿勢変化をさ
せるのに、どれだけの大きさの回転モーメントをシール
ド掘進機に与えたら良いかを知るため、事前にシールド
現場のジヤツキ操作データを収集するなどして、シール
ド掘進機の姿勢変化角と回転モーメントとの関係を角度
−モーメント変換特性として設定する必要がある。

第２図は、このような角度−モーメント変換特性を用い
て従来から行なわれているシールド掘進機の自動方向制
御方法を示す系統図であって、１はシールド掘進機、２
は自動姿勢・位置計測装置を示す。自動姿勢・位置計測
装置２は、平面および縦断面において、例えば真北およ
び水平面または計測された既知の方向線からのシールド
掘進機１の姿勢ずれ角または位置ずれ量を検出する検出
器と、この検出器からの検出値と光波距離計または推進
ジヤツキのストローク計などによるシールド掘進機の掘
進距離検出値から、トンネル計画線３からの姿勢ずれ角
および位置ずれ量をリアルタイムに演算する装置から構
成されたもので、検出器の方式としてジャイロコンパス
方式、レーｆ−方式、またはこれらの併用などがある。

いずれの方式を使用しても良く、この装置２からシール
ド掘進機１のトンネル計画線３からの姿勢ずれ角４が演
算回路１６に出力される。また演算回路１６では例えば
１０ｃｍ等の単位距離後の計画線変化角５を姿勢ずれ角
４に加算し、更に姿勢は合っているが位置がずれている
場合の位置ずれ量、セグメントとテールとのクリアラン
ス等の状況から演算される任意設定変化角６を加算して
目標変化角７を設定する。更に一般には、シールド掘進
機１の急激な姿勢変化は好ましくないので、目標変化角
７の最大値を制限するリミッタ要素８を通して指令変化
角９を出力するようにしている。

次にシールド掘進機１に変化角を生じさせるのに必要な
回転モーメントを得るために、変化角を回転モーメント
に変換するのであるが、Ｍ：回転モーメント θ：姿勢変化角 Ａ：比例係数（ゲイン） Ｂ：定数 とするとき、角度−モーメント変換特性は、Ｍ＝Ａθ十
Ｂ・・・式（１） ％式％ この角度−モーメント変換特性は、水平断面における真
北からの方位方向（Ｘ軸）と、縦断面における水平から
の上下方向（Ｙ軸）とが別々にあらかじめ設定される。

そして姿勢変化角θから回転モーメントＭへの変換は、
Ｘ軸、Ｙ軸別々に行ない、変換後にＸ、　Ｙ方向のモー
メントを合成し、第３図に示すように合成モーメント１
０と合成指令変化角１１とを演算し、あらかじめ記憶さ
せておいたジヤツキパターンテーブル１４から、合成モ
ーメント１０と合成指令変化角１１に同じか、近似する
値を出すジヤツキ運転パターンを演算選択し、その選択
信号１５をシールド掘進機１の操作盤に出力し、操作盤
内の制御回路（いずれもシールド掘進機１側に装備され
ており図示していない）を通して選択された推進ジヤツ
キが運転される。

その結果シールド掘進機１の姿勢が変化し、刻々のＸ方
向、Ｙ方向の姿勢が自動姿勢・位置計測装置２により検
出され、それを受けて、単位距離ごとの実績変化角１８
が演算される。単位距離（一般には５〜１０ｃｍ）ごと
の実績変化角１８と、ジヤツキ運転パターン１５とジヤ
ツキ運転油圧１７から求めた実績モーメント１９のデー
タを集積して、シールド１リングの掘削が終るごとに、
オフラインで過去数リングないし数十リングのデータを
一次相関などの手法により統計解析して更新用角度−モ
ーメント変換特性２０を演算作成し、それまで使用して
いた角度−モーメント変換特性１２と比較して限度以上
の変化があれば、それまで使用していた角度−モーメン
ト変換特性１２を新たに演算作成した更新用角度−モー
メント変換特性２０に更新する。限度の設定または判断
基準は、指令変化角９に対する実績変化角１８の状況に
より、運転者が適宜判断する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来のシールド掘進機の自動
方向制御方法にあっては、角度−モーメント変換特性を
式（１）のように定めているが、シールド掘進機の姿勢
変化特性は、過去にシールド掘進機がとっていた姿勢に
影響を受け、掘進中に角度−モーメント変換特性が変化
してしまい、制御が困難となる場合があった。式（１）
では角度−モーメント変換特性は１次式で定めているが
、一般に Ｆ：角度−モーメント変換特性関数 Δθ：指令変化角 Ｍ：指令回転モーメント とするとき、制御の基本式は Ｍ＝Ｆ　（Δθ）　・・・式（２） として定められる。式（２）において指令変化角Δθは
、 Ｓｏ：現在のトンネル計画線方向 Ｒｏ：現在の実際のシールド掘進機の姿勢角とするとき
、 Δθ＝Ｓｏ−Ｒｏ　　・・・式（３） として求めることになるが、式（３）においては現在の
シールド掘進機の姿勢角により指令変化角を求めている
ため、過去にシールド掘進機がとっていた姿勢角の影響
が考慮されず制御が困難となる。

第４図および第５図は、過去にシールド掘進機がとって
いた姿勢角を考慮しないために制御が困難となる具体例
をそれぞれ示したものである。

第４図は地点（ａ）で目標変化角７−１により制御を行
ない、単位距離掘進した結果、地点（ｂ）においても制
御量が不足したため、さらに地点（ａ）での目標変化角
７−１と同方向の目標変化角７−２により制御を行なう
場合を示したものである。地点（ｂ）では、地点（ａ）
で使用したのと同一の角度−モーメント特性を使用する
ため、地点（ｂ）よりさらに単位距離掘進した地点（Ｃ
）においても制御量が不足しており、制御に遅れを生じ
るという問題点があった。

第５図は地点（ｄ）で目標変化角７−４により制御を行
ない、単位距離掘進した結果、地点（ｅ）では制御量が
大きすぎて、（ｄ）地点とは逆方向の目標変化角７−５
により制御を行なう場合を示したものである。地点（ｅ
）では、地点（ｄ）とは逆向きのモーメントを与えて制
御することになるが、地点（ｅ）における目標変化角７
−５の方向の地山は、地点（ｄ）においてすでに掘削さ
れているので、シールド掘進機はその方向へは非常に動
きやすい。したがって、地点（ｄ）で使用したのと同一
の角度−モーメント変換特性によりシールド掘進機の姿
勢を制御しようとすると、必要以上に大きく姿勢変化を
してしまい、地点（ｅ）よりさらに単位距離掘進した地
点（ｆ）では、地点（６）とは逆方向の目標変化角７−
６が発生する。−旦、第５図に示したような状態になっ
てしまうと、第５図における地点（ｄ）→地点（ｅ）→
地点（ｆ）という状態を繰り返してしまい制御が安定し
ないという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、目標変化角の１リング内の最新の一定複数
個を平均化要素で順次平均して移動平均値として指令変
化角を定めることにより、制御の遅れが生じず、かつ安
定した制御を行なうことができるシールド掘進機の自動
制御方法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明は、シールド掘進機
を複数のジヤツキで推進しながらトンネルを掘削し、自
動姿勢・位置計測装置からのトンネル計画線と前記シー
ルド掘進機との姿勢ずれ角、および単位距離後の計画線
変化角、並びに位置ずれ量に基づく任意設定変化角を演
算回路に入力して指令変化角を演算し、あらかじめ設定
および作成しておいた角度−モーメント変換特性および
ジヤツキパターンテーブルにより前記指令変化角を得る
ために必要な回転モーメントを発生するジヤツキ運転パ
ターンを選択し、その選択されたジヤツキを運転し、前
記シールド掘進機に推進方向に対して回転モーメントを
与えてシールド掘進機の推進方向を修正するシールド掘
進機の自動方向制御方法において、目標変化角の１リン
グ内の°最新の一定複数個を平均化要素で順次平均して
移動平均値として指令変化角を定めるようにしたもので
ある。

［作用コ 本発明においては、式（３）に示すように、ある地点に
おける現在のシールド掘進機の姿勢角により目標変化角
７を求め、目標変化角７をリミッタ要素８を通して指令
変化角９とするのではなく、目標変化角７の最新の複数
個の値を平均化要素２１に入力し、平均化要素２１の出
力をリミッタ要素８を通して指令変化角９とする。すな
わち式（３）において、指令変化角Δθを、 ｆ：平均化関数 Ｓｘ：現在よりｘ　［ｍｌ前のトンネル計画線方向 Ｒｘ：現在よりｘ　［ｍｌ前の実際のシールド掘進機の
姿勢角 とするとき、 Δθ＝ｆ　（、ｆ、’　　（Ｓｘ−Ｒｘ）ｄｘ）・・・
式（４） として求める。

すなわち、過去にとっていた姿勢の影響を考慮するよう
にしたため、制御量が不足することなく、制御に遅れが
生ずることがない。

また、制御量が過多となることがないため、第５図にお
ける地点（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）という状態が
繰り返されることがなく、制御が安定する。その結果、
制御精度を向上させることができる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。

第１図は本発明の一実施例を示す系統図であって、第２
図と同一の箇所には同一符号を付しである。本発明にお
いては目標変化角７を１リング内で移動平均処理を行な
う平均化要素２１を設けている。

第１図において、平均化要素２１に入力される目標変化
角７は、１リングの掘削開始時にはそのまま出力され、
リミッタ要素８に入力される。

単位推進距離ごとに平均化要素２１に入力される目標変
化角７は、入力されたデータ数が一定の複数個に達する
までは、入力された目標変化角７を入力されたデータ数
で平均して出力し、リミッタ要素８に入力される。

単位推進距離ごとに平均化要素２１に入力される目標変
化角７は、入力されたデータ数が一定の複数個以上にな
ったときは、入力された目標変化角７のうち最新の一定
複数個のデータを順次平均して移動平均値とし、移動平
均値を出力し、リミッタ要素８に入力される。

次に、上記の実施例の作用を説明する。

まず、第４図において、地点（ａ）を１リングの掘削開
始地点とした場合、目標変化角７−１がそのまま指令変
化角Δθとなる。次に、単位距離掘進し、地点（ｂ）に
おいて、地点（ａ）で求めた目標変化角７−１と地点（
ｂ）において求めた目標変化角７−２とを平均化要素２
１で平均し、地点（ｂ）における指令変化角Δθとする
。ここで得られる指令変化角Δθは、地点（ｂ）での目
標変化角７−２より大きい値をとることになる。

したがって、制御に遅れが生じることがない。

次に、第５図において、地点（ｄ）から単位距離掘進し
、地点（ｅ）において地点（ｄ）で求めた目標変化角７
−４と地点（ｅ）において求めた目標変化角７−５とを
平均化要素２１で平均し、地点（ｅ）における指令変化
角Δθとする。地点（ｄ）での目標変化角７〜４と地点
（ｅ）での目標変化角７−５とは方向が逆であり、平均
化要素２１により求めた指令姿勢角Δθは、地点（ｅ）
での目標変化角７−５より絶対値では小さな値となるた
め、地点（ｄ）ですでに掘削し、シールド掘進機１が角
度−モーメント変換特性により予想される姿勢変化量よ
りも大きく姿勢変化してしまう方向に、必要以上に回転
モーメントを大きくかけてしまうことはない。その結果
、地点（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）のような状態を
繰り返さず、制御が安定する。

１リングの掘削開始地点あるいは１リングの掘削途中に
大きな姿勢ずれ量が発生し、目標変化角７−１が大きな
値をとったときに、その値を含めて平均化処理を行ない
制御を行なった場合、最終的には逆方向の姿勢ずれ量が
発生した時点で制御が安定してしまうが、一定複数個以
上のデータが入力された後は順次移動平均値を指令変化
角Δθとして制御を行なうため、最終的に逆方向の姿勢
ずれ量が発生することなく、姿勢制御される。

また、本実施例では、単位推進距離ごとに平均化要素２
１に入力される目標変化角７が一定複数個以上になった
とき、最新の一定複数個のデータを順次平均して移動平
均値として出力し、最終的に姿勢偏差をなくすように制
御を行なうことができるが、単位推進距離ごとに平均化
要素２１に入力される目標変化角７を、例えば１リング
内で入力されたデータ全数で平均して出力し、リミッタ
要素８に入力することにより制御をすると、姿勢偏差を
推進距離で積分する形で求めることのできる位置偏差を
最終的になくすように制御を行なうことができる。この
場合も、シールド掘進機１がすでに掘削した方向には大
きな回転モーメントを与えることなく、安定した制御が
行なえる。

さらに、本実施例においては、一定複数個の選び方で、
さまざまなシールド掘進機１の自動方向制御方法に適用
することができる。一般に、シールド掘進機１は、外径
、機長、および掘削する土質などにより、すでに掘削さ
れている方向への動きやすさの度合が異なるが、一定複
数個の選び方において個数を変化させる、あるいは各デ
ータに重みをつけて平均をとるなどの方法により適用す
ることができる。

［発明の効果コ 以上、説明してきたように、本発明によれば、以下に列
挙する効果が得られる。

（１）シールド掘進機の姿勢変化特性は過去にシールド
掘進機がとっていた姿勢に影響を受けるが、目標変化角
の最新の複数のデータを用いて平均化処理を行ない指令
姿勢角を求めて制御するようにしたため、過去にとって
いた姿勢の影響を考慮することができ、制御の遅れがな
く、安定した制御が行なえる。

（２）角度−モーメント変換特性を掘削中に逐次更新す
ることなしに安定した制御が行なえる。

さらに、角度−モーメント変換特性を厳密に設定する必
要がなくなる。

（３）式（１）のように角度−モーメント変換特性を１
次式とした場合、比例係数（ゲイン）Ａを大きくとった
方が、制御感度は向上するが、第５図に示すような地点
（ｄ）→地点（ｅ）→地点（ｆ）を繰り返す状態になっ
てしまう。本発明では、この状態を繰り返すことがな（
、比例係数（ゲイン）Ａを大きくとることができるため
、制御の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す系統図、第２図は、
従来の系統図、 第３図は、モーメント合成を示すグラフ、第４図は、制
御量不足の例の説明図、 第５図は、制御量過多の例の説明図である。 図中、１はシールド掘進機、２は自動姿勢・位置計測装
置、３はトンネル計画線、４は姿勢ずれ角、５は単位距
離後の計画線変化角、６は位置ずれ量に基づく任意設定
変化角、７は目標変化角、９は指令変化角、１２は角度
−モーメント変換特性、１４はジヤツキパターンテーブ
ル、１５はジヤツキ運転パターン、１６は演算回路、２
１は平均化要素である。 第８図 」ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シールド掘進機を複数のジャッキで推進しながらトンネ
   ルを掘削し、自動姿勢・位置計測装置からのトンネル計
   画線と前記シールド掘進機との姿勢ずれ角、および単位
   距離後の計画線変化角、並びに位置ずれ量に基づく任意
   設定変化角を演算回路に入力して指令変化角を演算し、
   あらかじめ設定および作成しておいた角度−モーメント
   変換特性およびジャッキパターンテーブルにより前記指
   令変化角を得るために必要な回転モーメントを発生する
   ジャッキ運転パターンを選択し、その選択されたジャッ
   キを運転し、前記シールド掘進機に推進方向に対して回
   転モーメントを与えてシールド掘進機の推進方向を修正
   するシールド掘進機の自動方向制御方法において、目標
   変化角の１リング内の最新の一定複数個を平均化要素で
   順次平均して移動平均値として指令変化角を定めること
   を特徴とするシールド掘進機の自動方向制御方法。