JPH04333797A - シールドマシンの掘進制御方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドマシンの掘進
制御方法に関し、特にシールドマシンの実際の掘進経路
が所定の計画線に合致するように制御するためのシール
ドマシンの掘進制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、トンネル工事等において、シール
ドマシンが掘進するのに従ってジャイロコンパス等で姿
勢角を逐次計測し、この姿勢角と予め設定された計画線
の方向との誤差を無くすように姿勢制御することにより
、シールドマシンを計画線に沿って掘進させる掘進制御
方法が知られている。

【０００３】

【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マシンの掘進制御方法にあっては、
図６に概略的に示すように、ある時点では、シールドマ
シン本体１（図中の実線にて示す）の掘進方向及び姿勢
角が計画線の延長方向Ｖに一致していても、掘進してい
くに従って、図中の点線にて示すように、シールドマシ
ン本体１の姿勢角が計画線の延長方向Ｖと一致している
にもかかわらず、実際の掘進方向ｖが計画線の延長方向
Ｖからずれてしまい、シールドマシンの姿勢角と掘進方
向とが一致しないという問題があった。

【０００４】このような状況は、シールドマシン自身が
予め有している固有の掘進特性や土壌の変化等によって
発生し、特に大規模な掘削工事や、大都市や密集地域で
の掘削工事等において、解決すべき重要な課題であった
。本発明はこのような従来の問題点に鑑みて成されたも
のであり、シールドマシンの実際の掘進経路を計画線に
合致させるように、より精度良くシールドマシンの姿勢
制御を行うためのシールドマシンの掘進制御方法を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、シールドマシンのシールドフレーム
を、掘削用のカッターを設けた前部と、掘進方向に対し
て後方側となる後部とに少なくとも二分割し、この分割
部分において屈折することによりシールドフレーム全体
が中折れ状態となるように構成されたシールドマシンに
おける掘進制御方法を対象とする。

【０００６】そして、前部と後部との中折れ角の設定制
御を、前部と後部間にシールドフレームの周方向に沿っ
て設置された複数の中折れジャッキを適宜に伸縮させる
と共に、掘進に伴うシールドマシンの移動毎に計画線の
方向と実際の掘進方向との差を計測しつつ、この差に対
する上記中折れ角のデータを順次に記憶し、更に、これ
らの記憶した複数のデータを統計処理することによって
シールドマシンの掘進特性を予測して、この予測結果に
基づいてシールドマシンの次の掘進方向と計画線の方向
との誤差を減少させるように上記複数の中折れジャッキ
の伸縮制御を行いながら掘進を行うことで、シールドマ
シンの掘進経路と計画線が合致するように制御すること
とした。

【０００７】又、上記シールドマシンの実際の掘進方向
と計画線の方向との誤差に対する上記中折れ角のデータ
及び、シールドマシン本体を掘進させるためにシールド
マシン本体に付加したモーメントとのデータを記憶し、
これらのデータを複合的に統計処理することによってシ
ールドマシンの掘進特性を予測して、この予測結果に基
づいてシールドマシンの次の掘進方向と計画線の方向と
の誤差を減少させるように上記複数の中折れジャッキの
伸縮制御及びモーメントの制御を行いながら掘進するこ
とで、シールドマシンの掘進経路と計画線が合致するよ
うに制御することとした。

【０００８】

【作用】このような本発明のシールドマシンの掘進制御
方法によれば、シールドマシン本体を上記の中折れ角の
大きさによって制御すると、シールドマシン本体の形状
の変化に伴う、シールドマシンの外側壁と土壌との接触
面の摩擦変化を生じるので、掘進時の姿勢角及び掘進方
向を調整することができ、シールドマシン自身が予め持
っている掘進特性を補償したり、土壌の変化に応じた微
妙な制御等を行って、実際の掘進経路を計画線に合致さ
せることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面と共に説明す
る。まず、シールドマシンの構造を図１に基づいて説明
すると、図１（Ａ）において、シールドマシン２の外側
壁を形成する円筒状のシールドフレームが、掘進方向Ｖ
側となる前部３と、掘進方向Ｖに対して後方側となる後
部４に少なくとも二分割され、これら前部３と後部４を
複数の中折れジャッキ５Ａ〜５Ｊで連結し、更に、外部
からの土砂等が侵入するのを防止するために連結部分が
シールされている。

【００１０】図１（Ｂ）は複数の中折れジャッキ５Ａ〜
５Ｊの配置を示しており、黒丸で示す複数の中折れジャ
ッキ５Ａ〜５Ｊがシールドマシン２の中心位置（仮想線
Ｐ，Ｑの交叉する位置）から一定の距離にある円周上に
等間隔で設置されている。尚、この実施例では、１０個
の中折れジャッキ５Ａ〜５Ｊを等間隔に配置しているが
、少なくとも上記中心位置に対して１２０°ずつの角度
で３個設置する必要があり、個数を増加させるほど後述
する姿勢制御の精度を向上することができる。

【００１１】そして、これらの中折れジャッキ５Ａ〜５
Ｊを個々独立に伸縮駆動させることにより、所望の角度
だけ所望の向きにシールドフレームを折り曲げ状態にす
ることができる。例えば、図１（Ｂ）において、中折れ
ジャッキ５Ａ〜５Ｃを延ばし、残余の中折れジャッキ５
Ｄ〜５Ｊをそれらに対して縮小させるように制御すると
、中折れジャッキ５Ａ〜５Ｃ側のシールドフレームが出
っ張り、中心線に対して反対側が凹むような中折れ状態
となり、同様に中折れジャッキの伸縮を適宜に制御する
ことで、図２に示すように、適宜の向きへ適宜の角度θ
で中折れ状態とすることができる構造となっている。

【００１２】シールドマシン２の前部３の一端部と、掘
進によって形成される坑道に順次敷設されるセグメント
リング１３の終端部との間に、複数の掘進ジャッキ６Ａ
〜６Ｌが設置されており、これらの掘進ジャッキ６Ａ〜
６Ｌは、図１（Ｂ）の白丸で示すように、シールドマシ
ン２の中心位置から一定の距離にある円周上に所定間隔
で設置されている。そして、セグメントリング１３に対
して推進ジャック６Ａ〜６Ｌを適宜選択的に伸長させて
シールドマシン２に掘進方向Ｖへのモーメントを付加す
ることによって掘進を行わせる。

【００１３】尚、この実施例では、１２個の掘進ジャッ
キを配置する場合を示したが、シールドマシン２に対す
るセグメントリング１３からのモーメントが各部分に均
一に付与する構造であれば、設置数は限定されるもので
はない。シールドマシン２の前部３の先端には掘削用の
カッター８が設けられ、推進ジャック６によるモーメン
トが付与された状態で回転することにより掘削を行う。

【００１４】次に、中折れジャッキ５と推進ジャッキ６
の伸縮制御及びシールドマシンの姿勢制御を行うための
制御システムの構成を図３と共に説明する。図３におい
て、複数の推進ジャッキ６Ａ〜６Ｌと中折れジャッキ５
Ａ〜５Ｊは、夫々特定の駆動部７Ａ〜７Ｌと８Ａ〜８Ｊ
から個別に供給される液圧によって駆動され、駆動部７
Ａ〜７Ｌと８Ａ〜８Ｊによる液圧の供給・非供給及び供
給量の制御は、マイクロコンピュータ等の演算手段を内
蔵する演算制御部９からの指示に従って行われる。そし
て、演算制御部９はシールドマシン２の中折れ角を駆動
部８Ａ〜８Ｊに対する各液圧の制御によって設定し、掘
進のためのモーメントを駆動部７Ａ〜７Ｌへの指示によ
って発生させる。

【００１５】１０はシールドマシン２の所定の場所に設
置された方位及びピッチ角を検出する姿勢角センサであ
り、シールドマシン２の実際の姿勢角を逐次検出して検
出データを演算制御部９へ供給する。１１は半導体メモ
リ（ＲＡＭ）等で構成された記憶部であり、掘進のため
に演算制御部９が各駆動部７Ａ〜７Ｌ及び８Ａ〜８Ｊに
対して指示した中折れ角に関するデータ及びモーメント
のデータ、それらのデータにより設定された中折れ状態
及びモーメントの条件に基づいて一定の距離だけ掘進し
た後における実際のシールドマシン２の姿勢角を姿勢角
センサ１０が検出した姿勢角のデータ、更に、この実測
の姿勢角と計画線の方向との方位誤差のデータを掘進毎
に順次に記憶する。

【００１６】例えば、ある時点で演算制御部９が、中折
れ角をθ１、モーメントをＦ１に設定し、これらの設定
条件下で一定距離Ｌだけ掘進した後に姿勢角センサ１０
が検出した姿勢角の変化量がΔβ１であった場合、これ
らのデータ（θ１，Ｆ１，Δβ１）を記憶する。そして
、次の掘進時における各設定条件のデータと掘進後の方
位誤差のデータについても同様に、（θ２，Ｆ２，Δβ
２）のデータを記憶し、以後同様に、掘進する毎にデー
タ（θ３，Ｆ３，Δβ３），……，（θｉ，Ｆｉ，Δβ
ｉ）を記憶する。

【００１７】そして、演算制御部９は、掘進毎に記憶装
置１１に記憶されている上記データ（以下、姿勢データ
という）を統計処理することによって、計画線の方向と
実際の姿勢角との差の増減傾向を求め、次の掘進を開始
する前に、その差を最小とするための最適の設定条件を
自動的に決定するための最適制御を行い、この制御を所
定距離Ｌずつ掘進する毎に行うことで、シールドマシン
２が計画線に沿って掘進するように自動制御する。

【００１８】１２は操作者がオペレーションするための
操作部であり、演算制御部９に対して掘進計画のデータ
を入力したり、実際の掘進が計画通りに行われているか
を表示する等の機能を有する。尚、操作者がマニュアル
操作によって、演算制御部９に対して、掘進前の設定条
件を入力することができる。次に、かかる実施例の動作
を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。尚、
掘進のための計画線のデータは、演算制御部９に予め記
憶されているものとして説明する。

【００１９】まず、ステップ１００において、中折れジ
ャッキ５Ａ〜５Ｊの伸縮を個々独立に駆動することによ
り、中折れ角を設定する。次に、ステップ１１０におい
て、推進ジャッキ６Ａ〜６Ｌに駆動部７Ａ〜７Ｌから液
圧を供給する。次に、ステップ１２０において、カッタ
ー８を回転させながら所定の距離Ｌだけ掘進する。

【００２０】ステップ１３０では、この掘進後に、姿勢
角センサ１０がシールドマシン２の実際の姿勢角を検出
すると共に、計画線の方向と実測した姿勢角との差を演
算する。そして、ステップ１４０において、記憶部１１
が、中折れ角、モーメント力及び、これらの設定条件で
掘進した結果得られた方位誤差のデータを含む姿勢デー
タを記憶する。

【００２１】次に、ステップ１５０において、上記差を
最小にするための設定データの決定を統計的演算によっ
て行い、次にステップ１６０において、計画線の最終位
置までの掘進が完了したか判断し、ステップ１００〜１
６０の処理を繰り返すことによって、最終位置までの掘
進を継続する。ここで、ステップ１５０における統計的
演算によれば、掘進を行う毎に記憶部１１には姿勢デー
タが順次に蓄積されていき、例えば、図５に示すように
、夫々の姿勢データは推進ジャッキ６Ａ〜６Ｌにより発
生するモーメントと中折れ角と姿勢誤差の直交座標系中
の各点として記憶されることとなり、これらの点の移動
傾向を統計的に調べることで、最適の設定条件を予測す
ることができ、精度良く計画線に沿って掘進を行うこと
ができる。

【００２２】尚、この実施例は、姿勢角制御のための姿
勢データとして上記の中折れ角、モーメント、姿勢誤差
の３種類を適用したが、モーメントを常時一定にする場
合には、残余の２種類のデータを適用してもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
少なくとも２個に中折れするシールドマシンにおいて、
シールドマシンの中折れ角と、必要に応じてモーメント
を制御するようにしたので、シールドマシン本体の形状
の変化に伴うシールドマシンの外側壁と土壌との接触面
の摩擦変化を生じて、掘進時の姿勢角及び掘進方向を調
整することができ、シールドマシン自身が予め持ってい
る掘進特性を補償したり、土壌の変化に応じた微妙な制
御等を行って、実際の掘進経路を計画線に合致させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したシールドマシンの実施例構造
説明図である。

【図２】図１に示すシールドマシンの中折れ状態を示す
構造説明図である。

【図３】図１のシールドマシンに設けられた制御装置の
構成を示すブロック図である。

【図４】図１のシールドマシンの動作を説明するための
フローチャートである。

【図５】図３の制御装置における統計処理の原理を説明
するための説明図である。

【図６】従来技術の問題点を説明するための説明図であ
る。

【符号の説明】

２；シールドマシン ３；シールドフレームの前部 ４；シールドフレームの後部 ５Ａ〜５Ｊ；中折れジャッキ ６Ａ〜６Ｌ；推進ジャッキ ８；カッター ９；演算制御部 １０；姿勢角センサ １１；記憶部 １３；セグメントリング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シールドマシンのシールドフレームを
   、掘削用のカッターを設けた前部と、掘進方向に対して
   後方側となる後部とに少なくとも二分割し、この分割部
   分において屈折することによりシールドフレーム全体が
   中折れ状態となるように構成されたシールドマシンの掘
   進制御方法において、前記前部と後部との中折れ角の設
   定制御を、前部と後部間にシールドフレームの周方向に
   沿って設置された複数の中折れジャッキを適宜に伸縮さ
   せると共に、掘進に伴うシールドマシンの移動毎に計画
   線の方向と実際の掘進方向との差を計測しつつ、この差
   に対する上記中折れ角のデータを順次に記憶し、更にこ
   れらの記憶した複数のデータを統計処理することによっ
   てシールドマシンの掘進特性を予測して、この予測結果
   に基づいてシールドマシンの次の掘進方向と計画線の方
   向との誤差を減少させるように上記複数の中折れジャッ
   キの伸縮制御を行いながら掘進することを特徴とするシ
   ールドマシンの掘進制御方法。
2. 【請求項２】　　シールドマシンのシールドフレームを
   、掘削用のカッターを設けた前部と、掘進方向に対して
   後方側となる後部とに少なくとも二分割し、この分割部
   分において屈折することによりシールドフレーム全体が
   中折れ状態となるように構成されたシールドマシンの掘
   進制御方法において、前記前部と後部との中折れ角の設
   定制御を、前部と後部間にシールドフレームの周方向に
   沿って設置された複数の中折れジャッキを適宜に伸縮さ
   せると共に、掘進に伴うシールドマシンの移動毎に計画
   線の方向と実際の掘進方向との差を計測しつつ、この差
   に対する上記中折れ角のデータと、シールドマシン本体
   を掘進させるためにシールドマシン本体に付加したモー
   メントとのデータを記憶し、これらのデータを複合的に
   統計処理することによってシールドマシンの掘進特性を
   予測して、この予測結果に基づいてシールドマシンの次
   の掘進方向と計画線の方向との誤差を減少させるように
   上記複数の中折れジャッキの伸縮制御及びモーメントの
   制御を行いながら掘進することで、シールドマシンの掘
   進経路と計画線が合致するように制御したことを特徴と
   するシールドマシンの掘進制御方法。