JPH0492081A - シールド掘削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】

本発明はシールド掘削機の自動方向制御方法に係り、特
にトンネル掘削目標値に対する方向制御を自動的に行な
わせるのに好適な方向制御力法に関する。

【従来の技術】

一般に、シールド掘削機は推進ジヤツキによりセグメン
ト等を反力支持にして推進され計画路線に沿う掘削作業
を行なう。このような掘削機で曲線掘削を行なう場合、
シールド本体を中折れ構造にするとともに、中折れ部分
の円周上に複数の推進ジヤツキを配置し、稼働ジヤツキ
を選択して荷重分布を調整することにより、シールド前
面の加圧力を調整して掘進方向を制御するようにしてい
る。 従来の方向制御は、推進ジヤツキをパターン管理し、加
圧する推進ジヤツキ群とそうでない推進ジヤツキ群に分
け、推進方向によって決定される推進ジ士ツキ群に油圧
を供給し、”ζ゛所定方向にカッタｌ＼ツドを向けで掘
進させるように１．ていた。。 通常、掘削機の位置測定を行ないつつ、１］標掘削線か
らのずれかぁ−）た場合に、マニコアル操作によってパ
ターン管理するように（、ている。

【発明が解決し、ようとＡる課題］ ところか、」−記従来の方向制御力法では、掘削方向の
ための推進ジヤツキのパターンをマ；−ユアル操作によ
っで行っているため、充分な方向制御ができないという
問題の他に、現在のシールド掘削機の位置から次の掘削
目標にカッタヘッドを向けて掘削しでも、地盤の変位が
必ず（７もジヤツキの押圧力に−・致［２ないため、掘
削方向にズレが生じる。このため、従来からズし／量を
旧劇（−）っフィードバック制御によって調整している
が、誤差が生じてからの補正掘削であるため掘削粘度を
定置トは高くできない。また、地盤からカッタヘッドに
作用する土圧の合力が必ジー（７も推進）、）向に一致
（ないため、掘進の目標方向を決定（５ζ゛掘削し−ζ
も、に圧のベクトルとシ・ルド掘削機の掘進ベクトルの
合力方向に掘削機が流れＹ、シ、ま−）。この結果、目
標方向を１羅に設定しＴカッタヘッドを歪の方向に向け
ても、実際上７の到達位置はベクトル合力に見合う分だ
りズＩノが生じるこ１已か否めないものとなっていた。 いずれにし、でも、［」標を正確に旧劇し５てｊＥ　１
．、　＜掘進させても地盤の変位特性により［目標から
のズレか生じ、また、土圧による合ベクトルの作用でシ
ールド掘削機が流れてしまうので、精度の高い掘進を行
うことができないものとなっ′Ｃいた。特に連続１．で
曲率が変化Ｊる掘削計画線に沿っ“Ｃ掘進さゼる場合は
、その方向制御に困難をきたし、ている。 本発明は、」−記従来の問題点に着ｐ　Ｌ、シールド掘
削機０１１面の地盤の変位特性を測定］７ζ′１１１進
シャツ」−の推進をコントロールすることにＪ、り掘進
面への荷重分布を制御し、掘削機の変位をｔ測しながら
推進することにより高精度な方向制御を実現することが
できるシールド掘削機の自動方向を提供することを目的
とするものである。 また、掘削機前面に加わる力ベクトルを測定して過去の
掘削機の流れ量との相関を考慮（、で、将来の流れ量を
減少させるように制御することにより更に高精度な掘進
を実現さゼるシールド掘削機の自動方向制御方法を提供
することを目的としている。 【課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係るシールド掘削
機の自動方向制御方法は、第一にシールド掘削機の前面
地盤の変位特性を求め、この変位特性と推進ジヤツキの
現荷重分布により地盤変位を求めて予測荷重分布を算出
し、この予測荷重分布に基づいて掘進時の方向制御を行
なうように構成した。 また第丁、には、切羽側からシールド掘削機の前面に加
わる土圧ベクトルを測定し２、過去の土圧ベクトルに対
橿る実際の変位から修正係数４算出し５、この係数に応
じて前記測定土圧ベクトルを補任、（２て１」標方向を
修正するように構成した。 史に、第ニーには、Ｆぬ切羽側からシールド掘削機の前
面に加わる土圧ベクトルを測定し２、過去の土圧ベクト
ルに対Ａる実際の変位から修１１］係数を算出し、この
係数に応じて前記測定土圧ベクトルを補正して目標方向
を修１■し５た後、前記シールド掘削機の前面地盤の変
位特性を求め、この変位特性と推進ジヤツキの現荷重分
布による地盤変位を求めて予測荷重分布をＷＩｉｉＬ、
掘進時の方向制御を行なうように構成したものである。 【作用】 上記第一の発明の構成によれば、シールド掘削機の現在
の荷重分布から目標位置の姿勢、方向を向くように推進
ジヤツキの圧力を設定するが、これに際して貫入試験等
により地盤の変位特性を求めておく。これは推進ジヤツ
キによる押圧力によって生じる地盤の抵抗量を示すので
、これに現在の荷重分布から目標位置までの変化させる
べき目標荷重分布を当て填めて変位を予想することがで
きる。この予想ゆ位の分布は実際に！ｊえるべき荷重分
布に相当孝るので、これを設定荷重分布と１゜て推進シ
リンダに出力させるのである。この出力荷重分４」で推
進させると、予め地盤変位特性が加味されているので、
この制御はフィードフォワード制御となり、極めて高い
積用で方向制御を？ｊわぜることができる。 また、第二の発明構成によれば、土圧ベクトルの作用に
よって実際の目標からの変位が過去の実績から判定でき
るので、これに基づいてシールド掘削機が１１」・標位
置に達Ｊるまでの変位の割合が検出される。したがっで
、これを［］標の修正係数さして現在の方向角を修ｉＦ
Ｌ、て補止目標を設定して推進力向を定め１１ばＪ、い
。この補］月標に到達［５たさきには、土圧ベクトルに
よるシールド掘削機。 の流れが加味されでいるので、１規の１１標位置となる
のである。 更に、第二の発明によれば、ｌ−記第一、の発明構成に
よ・って目標値を補正し、第一の発明構成によって地盤
変位特Ｐ１を”Ｊ　＊　した荷重分布を求めてフィー　
ドフォワード制御し、−ビニ）掘進するので、曲線掘削
を非常に高い精度で実現することが７・きる。

【実施例】

以上゛に、本発明に係るシールド掘削機の自動方向制御
方法の実施例を図面を参照し、っ−）′ｒｃ細に説明オ
る。 第】図にシールド掘削機の自動方向制御装置のブロック
図、第２図に方向制御のためのフ■、１−チャー　トを
小才。 まず、自動方向制御装置が１３載されるシ・−ルト掘削
機は、先端にカッタヘッド］０を備えた＝フロントシー
ルド１２と、その後端部に嵌合されるリアシールド１４
とから構成され、両シールド１２．１４はカッタヘッド
Ｊ８０の向きを制御″４るためにシールド円周方向に沿
って複数配列された推進ジャツギ１６によって連携され
、またリアシールド１４ｆｌ；［の後方に構築されるセ
グメン）・１８の端面を拍進反力支持面とづるシー、ル
ドジトツキ２０が取り伺けられている。なお、この掘削
機では、フロントシールド１２とリアシールド１４の外
周面において、それぞれ地山坑壁に張り出し可能にフロ
ントグリッパ２２とリアグリッパ２４とが設けられ、フ
ロントグリッパ２２はリアシールド１４の推進時に、リ
アグリッパ２４はフロントシールド１２の棺進時にそれ
ぞれ突出され、シールドの固定保持を行う。 このような掘削機には自己位置を検出するための受信機
３０．姿勢角を検出するピッチング＝１３１、方向角を
検出するためのジャイロ３２、各推進ジヤツキ１６の荷
重を検出するセンサ３４、およびカッタヘッド１０に加
わる３軸方向の土圧を検出するための土圧計３６等が搭
載されている。 そし、て、これらの検出信号と予め決定されている計画
路線との関係から次の様な方向制御を行なうようにし、
でいる。 すなわち、第２図に示すように、まず、現在のシールド
掘削機の位置と姿勢を計測しくステップｉ、ｏｏ）、次
いで目標地点でのシールド掘削機の位置と姿勢を算出す
るようにしている（ステップ１１０）。現在位置は掘削
機に搭載された受信機３０により既知の発振源からの信
号を受信することにより検出され、また、ジャイロ３２
により姿勢の検出が可能であり、また、［′１標地点の
位置と姿勢は計画路線の座標を記録しているメモリから
読み込むことにより容易に求めることができる。 次いで、この現在値と目標値を算出しまた後、現在シー
ルド掘削機に作用している土圧ベクトルの方向角を測定
しくステップ１２０）、土圧ベクトルによるシールド掘
削機の流れを考慮（５た目標値の修正を行なうようにＬ
２ている（ステップ１３ｏ）これは第３図に示すように
、シールド掘削機が直前の位置（図中１点鎖線）がら現
在位置（図中実線）に至るまで目標位置（図中破線）に
向って掘削されるが、土圧ベクトル（矢印）が作用して
いるので、掘進ベクトルとの合力により目標位置に正し
く一致しない（変位角Ｇ）。このため、ステップ１１０
にて設定した目標値を修正しなければ、同様に掘削機が
土圧ベクトルにより［１標値がら変位してしまう。した
がって、予め掘削機の流れか生じた状態で目標値に到達
櫨るよ、うに、［−４標値を修正するのである１、これ
を垂直方向における修正について第３図を参照し５で説
明する。 シールド掘削機の進省］方向をＺ軸と（、た場合、現在
位置は（Ｘ　ａ＝　　ｙ−１Ｚ　−）　、また姿勢は（
α。 β。）（但（、αはビツブーング角、βはヨーイング角
である）と

【５て表すことができる。こＣ）ときσ）土
圧ベクトルの作用角度をγ。とする。同様に現在位置に
至るまでの値は　（Ｘｉ、　　ｙｌ＋　　ｚｌ）、（α
ｔ、βｌ）、７１％また目標点の稙は（ｘ、、ｉ’５’
　ｎ＋１＋　　Ｚ　ｎ１１）、　（α、や７．βｎ＋１
）　、γ。。、と【、て表すことができる。過去から現
在にｊ゛る過程で実際のピッチ角度の変位を所定のスノ
くンでみると、Σ（（３’　＋＋＋−Ｖ’　ｌ）／（Ｚ
　ｌ＋ｌ　　Ｚ　＋）ｌ・・・・・（１）となる。但１
．．　ｉ＝ｏ〜ｎ弓である。 したか−）で、単位ベクトル角当りの変位係数Ｋ。 は、 Ｋ　、＝：　Σｆ（ｙ　＋＋＋−ｙ　＋）／（ｚ　１＋
１−　ｚ　ｉ）ｌ／Σｔ、　ａ　ｎγ・・・・・・（２
） と１．で求める二とができる。 そこで、当所の［１８１標ピツチング角をαゎ＋１、掘
削機の流れを考慮した修肛目標ピッチング角をα７，１
”とすると、 α、、＝α、ヤ１　　ｋｎγ。　・・・・・・（３）と
し７て求めることができるのである。 このような処理を水平方向についても行ない、修止ヨー
イング角を求める。 この一連の処理は、第１図において、目標修正係数演算
器３８により前記（２）式による演算を行ない、この演
算結果を入力する修正目標値演算器４０では上記（３）
式に基づく演算か行な才、）れる３、目標値の修正が完
了すると、次いで、荷重分布の［Ｊ標値の修正を行なう
ように１２でいる（ステ・ツブ１４０）。これは、目標
値に合わせて推進ジヤツキ１６の荷重分布を設定（２て
も、地盤の変位特性により正確に目標地点に達し２ない
からであり、このため、予め貫入試験を行ない、地盤変
位特性を算出するよ、うに【５ている（ステップ１５０
）。 この原理を第４図に基づい−Ｃ説明する。 第４図（１）に示すように、現在位置からｔ−１標０．
）姿勢、位置に向くように、各推進ジャ・ンキ〕６σ）
圧力１１標値を設定するわけであるが、目標に対ｌて調
整するピッチング角Δαとヨーイング角Δβは、次式で
りえら第１る。 Δα；−”αゎ、−１−α７　・・・・・・（４）Δβ
−・β１４．−　β。、　・・・・・・（５）いま垂直
力向のみを考慮し７てΔαを算出Ｊる場合を考え、ると
、第４図（２）に示すように圧力分布を！−１える必要
があるが、これを直接［］標値から算出すると、−ト述
したように地盤変位特性により、目標から変位し、でし
まう。そこで、予め推進ジヤツキ１６の荷重分布ｆ１〜
ｆ、を同図（３）へのように求めておき、また、シール
ド掘削機に設けた貫入試験機により同図（３）Ｂのよう
な貫入応力σと変位εの特性を各ジヤツキ１６に対応し
て算出する。そして、この特性線図に対して先の荷重分
布ｆ、〜ｆ、と作用面積へから各荷重に対する変位ε、
〜Ｃ５を算出する（同図（３）Ｃ）。この変位ε、〜ε
、の分布は、地盤変位特性に対し、てＬｊえるべき荷重
分布に相当するので、この分布の傾きを次式で算出する
。 ｔａｎΔα＝　（１／（ｎ−１，）ｌ　・Σ＋（ε＋−
Ｅ　１）／１１１＋”’　”’　（６）ただし、ｉ＝２
にｎである。なお、１・、記ｌは貫入試験位置間の距離
を示す。 （またがって、この（６）によって算出された結果を推
進ジヤツキ１６への荷重分布として出力することにより
、地盤変位特性を加味した制御ができる。 このような処理は、同様に水平方向に−）いても行ない
、前記Δβを求めるようにする。 これらは、第１図に示しているように、各推進ジヤツキ
１６に設けたセンサ３４からの信号と、貫入試験装置４
２によって得られた変位特性を算出する変位特性演算器
４４からの信号とを設定荷重分布演算器４６に出力し、
ここで前記（６）式に基づいた演算を行なわせるように
している。また、設定荷重分布演算器４６には前記土圧
ベクトルによる修正目標値演算器４０からの信号も入力
させ、掘削機の流れを考慮して修正された目標値に対し
。 ての荷重分布を演算させるものとしている。そし。 で、このような設定前重分４１演算器４６の出力は推進
ジヤツキ１６の制御器４８に出力され、出力信号に基づ
いた推進圧力やストロークとなるように各推進ジヤツキ
１６を調整するのである（ステップ１６０）。 その後は、推進ジヤツキ１６の荷重分布を旧劇しくステ
ップ１７０）、これをステップ１４における荷重分布の
目標値設定に利用するとともに、ステップ１００に戻し
、現在の位置・姿勢の旧劇に利用するのである。 このようにし、で、設定荷重にしたがって推進ジヤツキ
１６が駆動され、シールド掘削機が掘進させＺ〉ことに
より、［］標掘削言１画線に正確に倣って進行１゜２、
高い精度の推進作業を行なわせることができるのである
。 なお、上記実施例においては、土圧ベクトルの作用によ
る掘削機の流れを補正した目標値の修正を行なった後に
、地盤変位を加味した荷重分布の設定を行なうようにし
ているが、掘削箇所が硬い地層の場合にはシールド掘削
機の流れは問題にならないので、直接推進荷重の分布の
設定を行なって掘削させるようにし、でもよい。もちろ
ん甲独で掘削機の流れを考慮しまた目標値の修正を行な
う制御をｔ）なうことも可能である。 【発明の効果】 以」−説明したように、本発明に係るシールド掘削機の
自動方向制御力法によれば、切羽側からシールド掘削機
の前面に加わる土圧ベクトルを測定し、過去の土圧ベク
トルに対する実際の変位から修■係数を算出（２、この
係数に応じて前記測定１圧ベクトルを補正して目標方向
を修正シ１５、これに続けて、あるいは単独で、シール
ド掘削機の前面地盤の変位特性を求め、この変位特性と
推進ジヤツキの現前重分４］による地盤変位を求めて予
測荷重分布を算出し、この予測荷重分布に基づいて掘進
時の方向制御を行なうようにし、たので、掘削機前面に
加わる力ベクトルを測定して過去の掘削機の流れ量との
相関を考慮し７て、将来の流れ量を減少させ、また、掘
削機の変位を予測し７ながら推進することにより高精度
な方向制御を実現することができるシールド掘削機の自
動方向とすることかできる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は実施例に係る「Ｊ動力向制御力法を実施するだ
めの装置構成の概略図、第２図は実施例に係る自動方向
制御力法のフローチーヤー・１・、第３図はシールド掘
削機の」二圧ベクトルによる流れの説明図、第４図は推
進荷重分布の算出方法の説明図である。　　１０・・・
・・・カッタヘッド、１２・・・・・・フロントシール
ド、１４・・・・・・リアシールド、１６・・・・・・
推進ジヤツキ。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、シールド掘削機の前面地盤の変位特性を求め、こ
   の変位特性と推進ジャッキの現荷重分布による地盤変位
   を求めて予測荷重分布を算出し、この予測荷重分布に基
   づいて掘進時の方向制御を行なうことを特徴とするシー
   ルド掘削機の自動方向制御方法。 ２）、切羽側からシールド掘削機の前面に加わる土圧ベ
   クトルを測定し、過去の土圧ベクトルに対する実際の変
   位から修正係数を算出し、この係数に応じて前記測定土
   圧ベクトルを補正して目標方向を修正することを特徴と
   するシールド掘削機の自動方向制御方法。 ３）、予め切羽側からシールド掘削機の前面に加わる土
   圧ベクトルを測定し、過去の土圧ベクトルに対する実際
   の変位から修正係数を算出し、この係数に応じて前記測
   定土圧ベクトルを補正して目標方向を修正した後、前記
   シールド掘削機の前面地盤の変位特性を求め、この変位
   特性と推進ジャッキの現荷重分布による地盤変位を求め
   て予測荷重分布を算出し、掘進時の方向制御を行なうこ
   とを特徴とするシールド掘削機の自動方向制御方法。