JPH0492082A - 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方法に関する。

【従来の技術】

一般に、シールド掘削機は推進ジャツギによりセグメン
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・）にし、
でいる。 従来の方向制御は、８推進ジヤツキをパターン管理し２
、加圧する推進ジヤツキ群とそうでない推進ジヤツキ群
に分り、推進力向によって決定される推進ジヤツキ群に
油圧を供給（、て所定の方向にカッタヘッドを向（ｊで
掘進させるようにしていた。 通常、掘削機の位置測定を行ないつつ、Ｅｌｌｌｌｌｌ
縁からのＪ゛れがあ、った場合に、マニュアル操作によ
ってパターン管理するように

【、でいる。 【発明が解決し２よ・うとする課題］ ところが、１１記従来の方向制御方法では、掘削方向の
ための推進ジヤツキのパターンをマニュアル操作によっ
て行っているため、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で掘削しても、地盤の変０ンが
必ずしもジヤツキの押圧力に〜致り、ないため、掘削方
向にズレか生じる。このため、従来からズｌｚ　量を計
測し、っつフィートバック制御によって調整しているが
、誤差が牛にでからの補正掘削であるため掘削精度を一
定以１゛８は高くできない。また、地盤からカッタヘッ
トに作用する土圧の合力が必ずし７も推進方向に−・致
【２ないため、掘進の目標方向を決定し、で掘削しでも
、土圧のベクトルとシールド掘削機の掘進ベクトルの合
力方向に掘削機が流、れて（７、ま・う。この結果、目
標方向を正確に設定ｌ１、てカッタｔ＼ツドをその方向
に向けても、実際−１−の到達位置はヘクトル合力に見
合う分だけズレが住シ：ることか否めないものとなって
いた。 いずねにしても、目標を正確に計測し７で正［、く掘進
させても地盤の変位特性により目標からのズレが生じ、
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
いものとなっていた。特に連続［７て曲率が変化する掘
削３１画線に沿って掘進させる場合は、その方向制御に
困難をきたし７でいる。 一力、近年着目されている大断面空洞の掘削する場合に
、特開↑ｌ−３１５６００号公報に開示されているよう
に、シールド掘削機を球形空洞部の外表面に倣うスパイ
ラル線に沿って掘進さゼ、外殻を形成（、た後、外殻に
囲まねた閉塞空間内部を掘削する工法が稈案されている
。このようなスパイラル掘進を行なわせる場合、連続し
て曲率が変化するので、計画路線に正確に沿わせる掘進
か極めて困難とな−〕でいる。 本発明は、］−記従来の問題点に着目し、特にスパイラ
ル線に沿わせてシールド掘削機を掘進させるに際し、で
、土質の特性に起因するシールド掘削機の流れや、し］
標値に向けて掘削する際の狗重分布を適正に与えて正確
な方向制御を行なオ〕せるとともに、掘進力向に断層が
存在する等の極端な土質特性の変化箇所が存在している
場合であっても、高い精度で方向制御を行なわせること
のできるシールド掘削機の自動方向制御方法を提供する
ことを目的とするものである。 【課題を解決するための手段】 」−１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を
スパイラル線に沿って曲線掘進させるに際［１５、切羽
側から掘削機前面に作用する土圧ベク）・ルに起因する
掘削機の流れを加味（７た掘進Ｌ］標の修正を行なうと
ともに、前面地盤の変位特性による推進ジヤツキの予測
荷重分布を算出［７つつ掘進する施工データを記憶して
おき、少なくとも一回の周回掘削完Ｔ後の周回掘削時に
面子部近傍の施工データを読み出し、このデータによる
掘削を行なわせるように構成した。 また、第二にはシールド掘削機をスパイラル線に沿って
曲線掘進させるに際し、切羽側から掘削機前面に作用す
る土圧ベクトルに起因する掘削機の流れを加味した掘進
目標の修正を行なうとともに、前面地盤の変位特性によ
る推進ジヤツキの予測荷重分布を算出しつつ掘進する施
工データを記憶しておき、直前の施工データを読ろ出ず
とともに、少なくとも一回の周回掘削完ｒ後の周回掘削
時に直４Ｆ部近傍の施工データを読み出し、両施工デー
タに重み付けを行なって次の掘削データに利用すること
により掘削を行なわせるように構成したものである。

【作用】

シールド掘削機は掘進時に土圧ベクトルの作用により目
標値に向けて掘進させても機械が流わマ（７まって目標
値に達］、なくなる場合かあり、このため予めＩ］標値
を機械の流れの分だけ修止することにより１羅な［」標
値を設定できる。また、１」標値に向うような荷重分布
を推進ジヤツキに与えでも地盤の変位特性に起因し、で
、与えられた荷重分布で推進させても地盤変位特性によ
って推進力向か■化し１、正（、＜目標位置に到達しな
いことかあり、これは地盤変位を加味した荷重分布を予
め（１１進ジヤツキに与えるようにすることでＪＴ、　
［な方向に推進させることかできる。このような目標値
の修正と推進荷重分布の適■化は掘進の都度（］ない、
これを記憶させＣおくことにより何時でも読み出し、　
ｉＪ能と（、ておく。 シールド掘進掘削機がスパイラル掘削線にし７たか−）
で１回の周回移動を行なって、２度目の周回移動に入る
場合、シールド掘削機は直１１部の地層と同等な地層に
位置することになる。したかって、同等な地層では掘削
機への４−圧ベクトルや地盤変４１を特性は同等と見做
Ｊことかできるので、１台上部近傍の施Ｊ１データを読
み出し５、これをそのまま利用することにより、土圧ベ
クトルの両度の検出や地盤変位を計測するだめの貫入試
験の実施等を再度行なわなくても、高い精度で掘進方向
制御を行なわせることができるのである。 また、第二の発明構成によれば、直前の施工データと直
」一部の施工６データどを重み付１１し７て両者を加味
した掘進が２度目の周回掘進から行なオ、）れる。これ
により、スパイラル掘削線が２回目以降順次拡大したり
、あるいは縮小したりし７で地質変化が直」一部の施工
データをそのまま利用できない場合であっても、直前の
施工データを加味［，７つつ、的上部の施工データの利
用度を調整し、−・っつ１羅な地質状態を施工に反映さ
せることができ、１羅な方向制御がｉ＝Ｊ能となるので
ある。

【実施例］ 以干に、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パつつ詳細に説明する。 第１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ローザヤートを小す。 ます、土質を加味し７たシールド掘進の方向制御につい
で説明づる。 自動方向制御装置が搭載されるシールド掘削機は、先端
にカッタヘット”１０を備えたフ［７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１０の向
きを制御するためにシールド円周方向に沿って複数配列
された推進ジヤツキ〕６によって連携され、またリアシ
ールド１４にはその後方に構築されるセグメント１８の
端面を推進反力支持面とするシールドジヤツキ２０が取
りＮＯ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（７日１能にフロントグリッパ２
２とリアグリッパ２４とが設（プられ、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２
４はフロントシールド］２の推進時にそれぞれ突出され
、シールドの固定保持を（）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、姿勢角を検出するビッチグ計３１、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Ｊ１３６等が搭載
されている。ぞしで、これらの検出信号と予め決定され
ている１山路線との関係から次のような方向制御を行な
うようにしている。 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旧劇しくステップ１００）、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ζ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ｊｉＪ能であり、また、１」地点点の
位置と姿勢は計画路線の座標を記録Ｅでいるメモリから
読み込むご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１．１標値を算出し、５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Ｉ７（ステップ１２０　）　１．ｌ＋土圧ベクト
ルよるシールド掘削機の流れを考慮［１，た１」標値の
修正を行な・）ようにし、でいる（ステップ１３０）こ
れは第３図に示すように、シールド掘削機か直曲の位置
（図中１点鎖線）から現在位置（図中実線）に至るまで
［］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「］標位置に正しく一致しない（変位角Ｇ）
。このため、ステップ１．１．０にて設定し、た目標値
を修正１．２なければ、同様に掘削機が土圧ベクトルに
より目標値から変位し、でし７ま・）。し７たがって、
予め掘削機の流れが生じた状態で目標値に到達するよう
に、目標値を修正するのである。これを垂直方向におけ
る灯正について第３図を参照（７で説明する。 シールド掘削機の進行方向を２軸と１．た場合、現在０
置は（ｘ、、ｙゎ、ｚ、）、ま／、゛姿勢は（σ。 β、、）（但（、αはビッヂング角、βは＝３・・イソ
グ角である）とｊ、５て表ｔことができる。このときの
手圧ベクトルの作用角度を１４とする１、同様に現在イ
装置に至るまでの値は　（Ｘ　＋＋　　Ｙ　＋＋　　ｚ
、１）（α１．βｌ）、γ９、また［］標点の稙は（Ｘ
Ｈ＋ｉ３’　、、＋１ｉ　　Ｚ　ｎ−）１）、　（α７
．１．βｎ＋１）　、γ、、とＩ、て表すことができる
。過去から現在に至る過程で実際のピッチ角度の変位を
所定のスパンでみると、Σ（（ｙ　ｌ＋１−ｙ　＋）／
（ｚ　ｍ−ｚ　＋）ｌ・−・−＝　（１）となる。但Ｌ
　ｉ＝０〜ｎ−１である。 したがって、単位ベクトル角当りの変位係数に４は、 Ｋ、＝−Σｆ（ｙ　＋＋ｔ　−ｙ　＋）／（ｚ　＋＋ｔ
−ｚ　＋）ｌ／Ｉ　ｔａ、ｎγ・・・・・・（２） 、’＝して求めることかできる。 そこで、当所の［」標ピッチング角をα０．１、掘削機
の流れを考慮した修正目標ビッヂング角をαｆｉ＋１′
とすると、 αｎｉ１“−αｎ＋ｌ−ｋｎγゎ　・・・・・・（３）
と（、で求めることができるのである。 このような処理を水平力向についでも行ない、修Ｊ「ヨ
ーイング角を求める。 この−・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止目標値演算器４０ではｈ記（３
）式に基づく演算が行なわれる。 目標値の修正が完了すると、次いで、荷重分布の目標値
の修正を行なうようにしている（ステップ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
設定しても、地盤の変位特性により１羅に目標地点に達
しないからであり、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している（ステップ１５
０）。 この原理を第４図に基づいて説明する。 第４図（１）に示すように、現在位置から目標の姿勢、
位置に向くように、各推進ジヤツキ１６の圧力目標値を
設定するわけであるが、目標に対し。 て調整するビッヂング角Δαとヨーイング角Δβは、次
式でｊフ、えられる。 Δαニーαｎ＋Ｉ−α。　・・・・・・（４）Δβ＝β
、、−β７　・・・・・・（５）いま垂直方向のみを考
慮してΔαを算出−ジる場合を考えると、第４図（２）
に示すよ・）に圧ノｊ分布を１４える必要があるが、こ
れを直接目標値から算出すると、１−述したように地盤
変位特性により、目標から変位してしまう。そこで、予
め推進ジヤツキ１６の荷重分布ｆ１〜ｆ、を同図（３）
Ａ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７て算出する。そ
して、この特性線図に対して先の荷重分布ｆ１〜ｆ５と
作用面積へから各荷重に対する変位ε】〜ε６を算出す
る（同図（３）　Ｃ）。この変位ε、〜ε６の分布は、
地盤変位特性に対して与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−ｆＲ／（ｎ−１）ｌ・Σ（（ε；−ε、）
／１１．＋・・・・・・（６）ただし、ｉ・２〜ｎであ
る。なお、上記１は貫入試験位置間の距離を承伏゛。 １２だかっ−Ｃ１この（６）によって算出された結果を
推進ジヤツキ］６・＼の荷重分布とし、５て出力するご
。 とにより、地盤■持持性を加味［、た制御ができる３、
このような処理は、同様に水ｉ’Ｔ１力向についても行
ない、前記Δβを求めるようにする。 これらは、第１図に示し、でいるように、各推進シャツ
４：１６に設けたセンサ３４からのイハ号と、貫入試験
装置４２によ−）で得られた変位特性を算出する変位特
性演算器４４からの（７３号とを設定荷重分布演算器４
６に出力

【、２、ここで前記（６）式に基づいた演算を
行なわせるようにし、でいる。また、設定荷重分布演算
器４６には前記上圧ベクトルによる修正目標値演算器４
０からの信号も人力さセ、掘削機の流イ］を考慮して修
止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２でいる。そし２て
、このような設定荷重分布演算器４６の出力は推進シャ
ツ−１６の制御器４８に出力され、出力信号に基づいた
推進圧力やストし１−りとなるＪ、うに各ｔｆ４進ジヤ
ツキ１６を調整−？るのである（スナップ１６０）。 このようにして設定された掘削Ｊ１画線に沿−）で掘削
させる方向制御の施工データに基づいてシールド掘削機
を掘進させるが、第５図にノＪ’＜　Ｌ、、、たＪ・）
に、大規模の空洞５０を施］することを目的とする場合
、空洞５０の外表面に沿−）で設定されたスパイラル掘
削線５０を掘削劇画路線とし、空洞５０を囲む外殻を形
成する。（１，たが−〕で、シールド掘削機はスパイラ
ル掘削線５０に沿−〕で周回掘進されるので、２回目以
降の掘進部は面子部の周回スパイラル掘削線５０□−１
の地層と同一・の＋質を掘削することが多い。そこで、
本発明は、」−述し７ｔコ土質の影響による掘削機の流
れや変位特性による掘削方向のズレを修止ずべく神出１
．た方向制御用の施ノーデータを、直、１一部のスパイ
ラル掘削線５０ゎ−１においで使用した施工データとし
、で利用するようにしている。 このため、方向制御装置はｔＦｊ記位置セン−ＩＪ−３
０や方向角センサ３２の位置デー・夕を人力すると２も
に、修正１１標値演算器４０、設定前重分４ｊ演算器４
６の設定値を記憶格納−４−るメ王り５２を設ｉフ、過
去の掘削施工データを逐次人力−４るとともに、読み出
［７、可能に（２，でいる。（シ、て、設定荷重分布演
算器４６では、現在のシールド掘削機の位置の直ト部分
であって、前回のスパイラル掘削線５０．１にお１．ｌ
ｌる施工データの有無をチエツクし、（ステップ１６０
）、施工データかない場合にはスフ−ツブ１４０にて算
出（２，た施］−データを（のまま適用して推進シャツ
−１：１６の圧力制御を？］って推進させ（ステップ１
９０）、推進ジヤツキ１６の荷重分布を計測して同様の
作業を繰り返すのである。 シー・−ルド掘削機が２回目以降のスパイラル掘削線５
０に沿った掘進を行っている場合には、現在の掘削位置
（第５図ａ）の直」部（同図ｂ）に施工データが存在す
る。そこで、斯かる場合には、メモリ５０に格納されて
いる施］−１データのうち、面子位置すの施工データを
読み出す（ステップ１７０）。イして、設定荷重分布演
算器４６にで、土圧ベクトルによる目標の修止係数にと
、地盤変位特性による分布荷重の修正角度Δαとを、現
在地と直ｌ１部の値に本み伺けをし、で新たな修正係数
および荷Ｉ分布修ｊ１−角度△α２し２で求めるＪ、・
）に１５でいる（ステップ〕８０）。 ずなわぢ、現在地にお１ノる土圧ベクトルによる１１標
修止係数をＫ　Ｉｌｍとシ７．メモリ５０から読み出さ
れた直上部の目標修■係数をＫｎｂと［５た場合、２回
目以降の］ｌ］標修正係数Ｋを、 Ｋ＝Ａ−Ｋｆｉ、＋Ｂ−ＫＩｌｂ　　・・・・・・（７
）として求め、同様に、地盤変位特性による現在地のピ
ッチング角αの修正角度をΔαＪ二、読み出された直」
゛、部の修正角度をΔα、とし、た場合、２同１−１以
降の修正分布角度Δαを、 Δα；Ａ・Δα、＋Ｂ・Δα、・・・・・・（８）とし
７て求めるようにし、でいる。但１、Ａ＋Ｂ＝１である
。 このような処理は当然ながら水平方向についても行う。 このようにし５て、スパイラル掘削線５０の２回目の周
回掘進からは、設定荷重分布演算器４６にで、上記（７
）、（８）式に基づいた［」標修正係数にと、修正角度
Δαを算出し２、これを推進ジヤツキ］６の制御器４８
に出力し５て圧力制御あるいはストローク制御を行、っ
で、掘削作業を実施させるのである（ステップ１９Ｑ）
。 ところで、ト記（７）、（８）式における重み旬けの値
Ａ、Ｂは次のように設定する。現在地の地盤の土質が直
上部および直前部の土質と同等である場合には、Ａ＝Ｂ
　＝０．５あるいはＢ　＞　Ａとし、シールド掘削機が
断層の通過などにより、現在地の１−質と直前部の土質
が変動ｌ、また場合、直前のデータを利用省るよりは同
等の土質によってｐ出された直上部の施」ニブ−９−夕
を利用しなければならない。 このときはＡ、＝ＯＳＢ＝１と（７て設定するのである
。このような−↑−質の判定は貫入試験なとにより実施
し２、予め設定した対応表などにより自動判定させ、所
定の重み旬けをなすようにすることによって、これらの
処、理の自動化を図ることができる。 このように本実施例によれば、シールド掘削機をスパイ
ラル掘削線５０に沿・）で掘進させる際に、土圧ベクト
ルによる機械の流れの補止や地盤安（☆特性による荷重
分布の修止のための施」−１データを、直に部あるいは
その近傍の同等上質の族１′、″Ｔξ−夕を利用し、５
て方向制御を行うことができるので、逐一目標の修正や
荷重分布の修■−を行わなくてもよくなり、設定されで
いるスパイラル掘削線からズｌ、・が発生（またりする
等、地盤の土質の変化があった場合のみ、現時点での目
標地の修ｊ１−演算や荷重分布の修正演算をｔ）・）よ
うにでき、作業効率を大幅に改善することができる。 【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれば、スパイラル線に
沿わせてシールド゛掘削機を掘進させるに際（７て、土
質の特性に起因するシールド掘削機の流れや、目標値に
向けで掘削する際の荷重分布を適正に与えて正確な方向
制御をｆｉなわせるとともに、掘進力向に断層が存在す
る等の極端な上質特性の変化箇所か存在している場合で
あっても、高い精度で方向制御を行なわせることのでき
るシールド掘削機の自動方向制御方法とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はシール［・掘削機の自動方向制御装置のブロッ
ク図、第２図は方向制御のための）Ｄ　−ヂャート、第
２３図はシールド掘削機の手圧ベク）・ルによる流れの
説明図、第４図（、を推進荷重分布の算出方法の説明図
、第５図はシールド掘削機苓スバ・イラル掘削線に沿っ
て掘進させでいる説明図“ζ・ある、１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、シールド掘削機をスパイラル線に沿って曲線掘進
   させるに際し、切羽側から掘削機前面に作用する土圧ベ
   クトルに起因する掘削機の流れを加味した掘進目標の修
   正を行なうとともに、前面地盤の変位特性による推進ジ
   ャッキの予測荷重分布を算出しつつ掘進する施工データ
   を記憶しておき、少なくとも一回の周回掘削完了後の周
   回掘削時に直上部近傍の施工データを読み出し、このデ
   ータによる掘削を行なわせ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。 ２）、シールド掘削機をスパイラル線に沿って曲線掘進
   させるに際し、切羽側から掘削機前面に作用する土圧ベ
   クトルに起因する掘削機の流れを加味した掘進目標の修
   正を行なうとともに、前面地盤の変位特性による推進ジ
   ャッキの予測荷重分布を算出しつつ掘進する施工データ
   を記憶しておき、直前の施工データを読み出すとともに
   、少なくとも一回の周回掘削完了後の周回掘削時に直上
   部近傍の施工データを読み出し、両施工データに重み付
   けを行なって次の掘削データに利用することにより掘削
   を行なわせ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。