JPH0559883A - Direction control method for shield excavator - Google Patents

Direction control method for shield excavator

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JPH0559883A
JPH0559883A JP21902691A JP21902691A JPH0559883A JP H0559883 A JPH0559883 A JP H0559883A JP 21902691 A JP21902691 A JP 21902691A JP 21902691 A JP21902691 A JP 21902691A JP H0559883 A JPH0559883 A JP H0559883A
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turning radius
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shield
turning
excavator
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茂 西岳
Junichi Tanaka
淳一 田中
Yoshihiro Oishi
善啓 大石
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Abstract

PURPOSE:To turn a shield excavator without applying excessive load and displacement to the ground by using a control system automatically judging the quality of the turning radius in consideration of the soil property. CONSTITUTION:When a shield excavator is turned for an excavation, the turning radius R and the turning center C are inputted to a control device 14 via an input device 16. When the turning radius R set by an operator is judged satisfactory by the control device, a shield jack 9 is driven and controlled by a shield sequencer 18 for an excavation along a circular arc specified by this turning radius R. When it is displayed on a display 17 that the set turning radius R is inadequate, the operator cancels the previous turning radius and sets a new turning radius. When it is judged satisfactory, the shield jack 9 is driven and controlled for an excavation along the circular arc specified by the new turning radius.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はシールド掘削機の方向制
御方法に関し、シールド掘削機が旋回しつつ掘進する際
に、周辺地盤に過大荷重をかけることなく、しかも、旋
回に伴う旋回抵抗モーメントを小さくできるようにした
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling the direction of a shield excavator, and when the shield excavator is excavating while making a turn, it does not apply an excessive load to the surrounding ground, and the turning resistance moment associated with the turn is provided. It is designed to be small.

【0002】[0002]

【従来の技術】地下鉄道、上下水道、電力、通信、ガス
用共同溝、地下道などのトンネルは、シールド工法によ
り構築されることが多い。シールド工法を採用すれば、
周辺の地盤の崩壊を防ぎながら、シールドの内部で安全
に掘削、覆工作業を行いつつトンネルを構築することが
できる。
2. Description of the Related Art Tunnels such as subways, water and sewage systems, electric power, communications, common channels for gas, and underground passageways are often constructed by a shield construction method. If you use the shield method,
It is possible to construct a tunnel while safely excavating and lining the inside of the shield while preventing the surrounding ground from collapsing.

【0003】ここで加泥式シールド掘削機の機械的構成
及び動作の概要を、図1を参照して説明する。図1に示
すように、掘削機本体1は筒状をなしており、その前部
に隔壁となるバルクヘッド2が取り付けられ、バルクヘ
ッド2の前面には回転カッタ3が取り付けられている。
バルクヘッド2と回転カッタ3との間がチャンバ室4と
なり、チャンバ室4内には、加圧・注入された加泥材と
削土とが混練されて生成された混練土が取り込まれ、こ
の混練土はスクリューコンベア5によって排出される。
このとき切羽前面の土圧は、土圧計6により検出され
る。
An outline of the mechanical construction and operation of the mud-type shield excavator will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the excavator main body 1 has a tubular shape, a bulkhead 2 serving as a partition is attached to a front portion thereof, and a rotary cutter 3 is attached to a front surface of the bulkhead 2.
A space between the bulkhead 2 and the rotary cutter 3 becomes a chamber 4, and the kneaded soil generated by kneading the pressurized / injected mud material and the cut soil is taken into the chamber 4. The kneaded soil is discharged by the screw conveyor 5.
At this time, the earth pressure on the front face of the face is detected by the earth pressure gauge 6.

【0004】掘削機本体1の尾部は、テールパッキン7
を介して、既設のリング8に嵌合している。そして掘削
機本体1には、周方向に沿い複数本の油圧式シールドジ
ャッキ9が配置されている。掘削機本体1を推進させる
ときには、シールドジャッキ9に圧油を供給してシール
ドジャッキ9を伸ばしリング8を押す。こうするとリン
グ8からの反力により掘削機本体1が推進し、推進時に
回転カッタ3による掘削をする。1リング分掘り進んだ
ところで掘削を停止してシールドジャッキ9を収縮さ
せ、収縮により形成された間隙に、エレクタにより、新
設セグメントを搬入してリング8を組立てる。
The tail of the excavator body 1 is provided with a tail packing 7.
It is fitted to the existing ring 8 via. A plurality of hydraulic shield jacks 9 are arranged in the excavator body 1 along the circumferential direction. When propelling the excavator body 1, pressure oil is supplied to the shield jack 9 to extend the shield jack 9 and push the ring 8. By doing so, the excavator body 1 is propelled by the reaction force from the ring 8, and excavation is performed by the rotary cutter 3 during propulsion. When one ring has been dug, the excavation is stopped and the shield jack 9 is contracted, and a new segment is carried into the gap formed by the contraction by the erector to assemble the ring 8.

【0005】上述したシールド掘削機は、あらかじめ決
めた計画線に沿い掘進するよう進路調整がされる。つま
り、シールド掘削機の位置をレーザ計測器やレベル計等
を用いて実測し、この実測データと計画線との偏差をコ
ンピュータで求め、この偏差が零となるように、進路調
整をする。進路調整は、掘進の際に、複数のシールドジ
ャッキに供給する圧油を調整することにより、掘削機本
体1に作用する旋回モーメントを変化させることにより
実現している。
The shield excavator described above has its course adjusted so as to proceed along a predetermined planned line. That is, the position of the shield excavator is actually measured using a laser measuring device, a level meter, or the like, the deviation between the measured data and the planned line is calculated by a computer, and the course is adjusted so that this deviation becomes zero. The course adjustment is realized by changing the turning moment acting on the excavator body 1 by adjusting the pressure oil supplied to the plurality of shield jacks during the excavation.

【0006】即ち、シールド掘削機が直進掘削するとき
には各シールドジャッキの推力を等しくしているが、曲
がった計画線に沿い旋回させるときには、シールドジャ
ッキによる推力を片寄らせて片押して旋回力を与えてい
る。具体的に説明すると、図2(a),(b)に示すよ
うに12本のシールドジャッキ9a〜9lを備えている
場合、例えばシールドジャッキ9a〜9fの推力を零と
するとともにシールドジャッキ9g〜9lにより推力を
発生して旋回力を生じさせている。
That is, when the shield excavator excavates straight, the thrust of each shield jack is made equal, but when turning along a curved planned line, the thrust by the shield jack is biased to one side to give a turning force. There is. To be more specific, when the twelve shield jacks 9a to 9l are provided as shown in FIGS. 2A and 2B, for example, the thrust of the shield jacks 9a to 9f is set to zero and the shield jacks 9g to 9g. The thrust is generated by 9 l to generate the turning force.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで従来では、シ
ールド掘削機を旋回させる制御は、オペレータによる経
験的判断によりマニュアル操作によってなされている。
つまり、シールド掘削機の掘進状態を平面的に示す図3
を参照して説明すると、シールド掘削機がI−1の位置
からIの位置にまで旋回したとすると、このことは、シ
ールド掘削機が旋回中心Ci-1 を中心とした旋回半径R
i-1 の円の円弧に沿い進んだことと同じことを意味す
る。従来では上記円弧のとり方はオペレータの経験によ
り任意に選ばれていた。
By the way, conventionally, the control for turning the shield excavator is manually performed by the operator's empirical judgment.
That is, FIG. 3 is a plan view showing the excavation state of the shield excavator.
Suppose that the shield excavator turns from the position I-1 to the position I, this means that the shield excavator has a turning radius R about the turning center C i-1.
It means the same as going along the arc of the circle of i-1 . Conventionally, the method of taking the above-mentioned arc has been arbitrarily selected based on the experience of the operator.

【0008】このように従来ではオペレータの経験に基
づき旋回制御がされている。しかも周辺地盤の土質状態
は考慮されていない。また、シールド掘削機が旋回する
際に地盤からどのような旋回抵抗を受けるかは明らかに
されていない。したがって、オペレータが経験的に選ん
だ旋回半径の円弧に沿い旋回掘進した場合、土質によっ
ては、地盤に過大荷重をかけてしまい、シールド機体が
損傷したり、応力解放時に圧密沈下を引起こすおそれが
あった。
As described above, conventionally, the turning control is performed based on the experience of the operator. Moreover, the soil condition of the surrounding ground is not taken into consideration. Moreover, it is not clear what kind of turning resistance the ground excavator receives from the ground when turning. Therefore, if the operator excavates along an arc with a turning radius empirically selected, depending on the soil quality, an excessive load may be applied to the ground, which may damage the shield body or cause consolidation settlement when stress is released. there were.

【0009】本発明は、上記従来技術に鑑み、地盤の変
化・挙動を考慮して地盤に過大な荷重や変位を与えるこ
となくシールド掘削機を旋回させることのできるシール
ド掘削機の方向制御方法を提供することを目的とする。
In view of the above-mentioned conventional technique, the present invention provides a shield excavator direction control method capable of turning a shield excavator without giving an excessive load or displacement to the ground in consideration of the change and behavior of the ground. The purpose is to provide.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、旋回進路を規定する旋回半径が設定される
と、この旋回半径を基にシールド掘削機の各位置での変
位量及びすべり量を演算し、変位量と地盤反力との関
係、すべり量と摩擦力との関係を、あらかじめ調べてお
き、これら関係を用いて、演算により求めた変位量に応
じた地盤反力を求めるとともに、演算により求めたすべ
り量に応じた摩擦力を求め、求めた摩擦力をパラメータ
として含む、シールド掘削機の軸方向に沿う力の釣り合
い式から、集中総推力を求め、求めた集中総推力をパラ
メータとして含む、シールド掘削機に作用するモーメン
トの釣り合い式から、集中総推力が作用する点と軸心と
の距離である偏心量を求め、集中総推力と偏心量との積
が許容範囲内であり、且つ、変位量の最大値が許容内に
あるという2条件が満足されるときには、設定した旋回
半径が良好であると判定し、この旋回半径により規定さ
れる旋回進路に沿い掘進するよう制御し、前記2条件が
満足されないときには、設定した旋回半径が不適である
と判定することを特徴とする。
According to the structure of the present invention for solving the above-mentioned problems, when a turning radius for defining a turning path is set, a displacement amount at each position of the shield excavator based on this turning radius and The slip amount is calculated, the relationship between the displacement amount and the ground reaction force and the relationship between the slip amount and the friction force are investigated in advance, and the ground reaction force corresponding to the calculated displacement amount is calculated using these relationships. In addition to the calculation, the frictional force according to the slip amount calculated is calculated, and the concentrated total thrust is calculated from the balanced total thrust that includes the calculated frictional force as a parameter along the axial direction of the shield excavator. The eccentricity, which is the distance between the point where the concentrated total thrust acts and the shaft center, is calculated from the balance equation of the moment acting on the shield excavator, which includes the thrust as a parameter, and the product of the concentrated total thrust and the eccentricity is within the allowable range. Within And, when the two conditions that the maximum value of the displacement amount is within the allowable range are satisfied, it is determined that the set turning radius is good, and the excavation is controlled along the turning path defined by the turning radius, When the above two conditions are not satisfied, it is determined that the set turning radius is inappropriate.

【0011】[0011]

【作用】本発明では概ね次の手順により演算が進められ
旋回時の方向制御がなされる。 旋回時の進路を、旋回中心Cを中心とした旋回半径
Rの円の円弧と、この円弧上の長さとで規定して設定す
る。 設定した旋回進路に沿い掘進したときの、地盤の反
力・変形、摩擦特性等を、地盤の土質を考慮して、テラ
メカニックス(地盤と機械との相互作用)的な見地から
予測する。 (イ)予測した反力、変形、摩擦等と、(ロ)掘削機
の集中総推力Fと、この集中総推力Fが作用する推力作
用点が掘削機本体の中心から偏心した偏心量mと、
(ハ)設定した旋回半径Rと、(ニ)掘削機本体の各寸
法等、をパラメータとして、(ホ)掘削機本体の軸方向
に沿う力の釣合式と、旋回中心Cまわりの旋回モーメン
トの釣合式をたてる。 力の釣合式から集中総推力Fを求め、旋回モーメン
トの釣合式から偏心量mを求める。 Fとmの積であるモーメントF・mの大きさが許容
範囲内にあるかどうか、また、掘削機の側方変位量すな
わち地盤に与える変形量が許容範囲内にあるかどうかを
判定する。上記2つの条件をクリアしたときには設定し
た半径Rの円弧に沿い掘進をさせ、上記2条件をクリア
できないときには、設定半径を新たに設定しなおす。
In the present invention, the calculation is generally performed according to the following procedure to control the direction during turning. The course at the time of turning is defined and set by an arc of a circle having a turning radius R centering on the turning center C and the length on this arc. Predict the ground reaction force, deformation, frictional characteristics, etc. when excavating along the set turning path from the viewpoint of tera-mechanics (interaction between ground and machine) in consideration of the soil quality of the ground. (A) Predicted reaction force, deformation, friction, etc., (b) Concentrated total thrust F of the excavator, and an eccentricity amount m that the thrust action point on which the concentrated total thrust F acts is eccentric from the center of the excavator main body. ,
(C) With the set turning radius R and (d) each dimension of the excavator body as parameters, (e) the balance formula of the force along the axial direction of the excavator body and the turning moment around the turning center C. Create a balance formula. The concentrated total thrust F is obtained from the force balance formula, and the eccentricity m is obtained from the turning moment balance formula. It is determined whether the magnitude of the moment F · m, which is the product of F and m, is within the allowable range, and whether the lateral displacement of the excavator, that is, the amount of deformation applied to the ground is within the allowable range. When the above two conditions are cleared, the excavation is performed along the arc of the set radius R, and when the above two conditions cannot be cleared, the set radius is newly set.

【0012】[0012]

【実施例】以下に本発明の実施例を具体的に説明する。
本発明方法は図1に示すシールド掘削機に用いるもので
ある。
EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below.
The method of the present invention is used for the shield excavator shown in FIG.

【0013】第1の実施例では、図4に示すように、掘
削機本体1の周面に土圧計11及び摩擦力計12が多数
備えられている。そして図5に示すように、機体周面の
土圧を検出する土圧計11、機体周面と地盤との摩擦力
を検出する摩擦力計12、切羽前面の土圧を検出する土
圧計6の各検出データは、制御装置14へ送られる。更
にこの制御装置14には、シールド掘削機の位置や変位
を検出する検出装置(レーザ計測器やレベル計等)15
から検出データが送られる。一方、入力装置16は、シ
ールド掘削機の進路データを制御装置14に入力し、進
路データや設定進路の適否などはディスプレイ17に表
示される。シールドシーケンサ18は、制御装置14に
より良好と判定された進路に沿い掘進するようにシール
ドジャッキ9の駆動制御をする。なお、制御装置14,
入力装置16,ディスプレイ17及びシールドシーケン
サ18は、掘削機本体1内に配置されている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 4, a large number of earth pressure gauges 11 and friction force gauges 12 are provided on the peripheral surface of the excavator body 1. As shown in FIG. 5, an earth pressure gauge 11 for detecting earth pressure on the machine body peripheral surface, a friction force meter 12 for detecting friction force between the machine body peripheral surface and the ground, and an earth pressure gauge 6 for detecting earth pressure on the front face of the face. Each detection data is sent to the control device 14. Further, the control device 14 includes a detection device (laser measuring device, level meter, etc.) 15 for detecting the position and displacement of the shield excavator.
Sends the detection data. On the other hand, the input device 16 inputs the route data of the shield excavator to the control device 14, and the route data and the suitability of the set route are displayed on the display 17. The shield sequencer 18 controls the drive of the shield jack 9 so that the shield sequencer 18 digs along the route determined to be good by the control device 14. The control device 14,
The input device 16, the display 17, and the shield sequencer 18 are arranged in the excavator main body 1.

【0014】シールド掘削機を旋回させつつ掘進させる
とき、例えば図3においてI−1の位置からIの位置に
まで旋回させるときには、オペレータはまず、円弧とな
った旋回進路を規定する旋回半径Ri-1 及び旋回中心C
i-1 を、図5に示す入力装置16により制御装置14に
入力する。制御装置14は、設定された旋回半径Ri- 1
により規定される円弧に沿い掘進した場合に、地盤に生
ずる変位や要求されるシールド推力などを、地盤の土質
を考慮して計算して予測する(この予測計算の手法は後
述する)。そして予測した地盤変位量が許容範囲内にあ
り地盤の塑性変形が生じず、しかも、掘削機が発生する
旋回モーメントが許容範囲内にあると判定したときに
は、オペレータが設定した旋回半径Ri-1 が良好である
と判定する。このように旋回半径Ri-1 が良好であると
判定したときには、この旋回半径R i-1 により規定され
る円弧に沿い掘進するように、シールドシーケンサ18
によりシールドジャッキ9の駆動制御が行なわれる。
Proceeding while excavating the shield excavator
When, for example, from the position of I-1 to the position of I in FIG.
When turning up to, the operator must first make an arc.
Turning radius R that defines the specified turning pathi-1And turning center C
i-1To the control device 14 by the input device 16 shown in FIG.
input. The control device 14 determines the set turning radius Ri- 1
When excavating along the arc specified by
Soil displacement, required shield thrust, etc.
To calculate and make a prediction (this prediction calculation method is
I will describe). And the predicted ground displacement is within the allowable range.
The ground will not be plastically deformed and an excavator will be generated.
When it is determined that the turning moment is within the allowable range
Is the turning radius R set by the operatori-1Is good
To determine. In this way, the turning radius Ri-1Is good
When judged, this turning radius R i-1Stipulated by
Shield sequencer 18
Thus, the drive control of the shield jack 9 is performed.

【0015】一方、設定された旋回半径Ri-1 により規
定される円弧に沿い掘進すると、地盤の塑性変形が生じ
たり、旋回モーメントが大きすぎると、制御装置14が
判定したときには、設定した旋回半径Ri-1 が不適であ
ることがディスプレイ17に表示される。このときシー
ルドジャッキ9による掘進はスタートしない。この場合
には、オペレータは前回の旋回半径をキャンセルし、新
たな旋回半径を設定する。そして新たな旋回半径が良好
であると判定されたときには、この新たな旋回半径で規
定される円弧に沿い掘進するようにシールドジャッキ9
の駆動制御が行なわれる。もちろん、新たな旋回半径が
不適であると判定されたときには、更に別の新たな旋回
半径を設定し、良好な旋回半径を求めていく。
On the other hand, when excavating along an arc defined by the set turning radius R i-1 , the control device 14 determines that the plastic deformation of the ground will occur or the turning moment is too large, and the set turning is set. The display 17 indicates that the radius R i-1 is inappropriate. At this time, the excavation by the shield jack 9 does not start. In this case, the operator cancels the previous turning radius and sets a new turning radius. When it is determined that the new turning radius is good, the shield jack 9 is set so as to dig along the arc defined by the new turning radius.
Drive control is performed. Of course, when it is determined that the new turning radius is inappropriate, another new turning radius is set and a good turning radius is obtained.

【0016】ここで、制御装置14による判定手法を説
明するのに先だち、座標系や寸法のとり方や、シールド
掘削機に作用する外力の種類や、変位−土圧特性、すべ
り変位摩擦力特性について説明しておく。
Before describing the determination method by the control device 14, the coordinate system and the dimensions, the type of external force acting on the shield excavator, the displacement-earth pressure characteristic, and the sliding displacement frictional force characteristic are described. I will explain.

【0017】まず図1,図6を基に寸法や座標系を説明
する。図示の如く、Lは掘削機本体1の全長、Qは作用
面すなわちシールドジャッキ9により推力が作用する
面、l 1 は本体1の尾端から作用面Qまでの距離、l2
は本体1の先端から作用面Qまでの距離、Dは掘削機本
体1の直径、βは周面上にとった点の角度である。また
掘削機本体1から見た三次元座標系(x,y,z)をと
っており、機体中心軸をx軸、これに直角な側方向をy
軸、鉛直方向をz軸と定義する。原点Oはx軸と作用面
Qとの交点にとっている。また図3に示すように絶対座
標系X,Y,Z(Zは紙面に垂直方向)をとっている。
First, the dimensions and coordinate system will be described with reference to FIGS.
To do. As shown in the figure, L is the total length of the excavator body 1, and Q is the action.
Thrust is applied by the surface, that is, the shield jack 9.
Surface, l 1Is the distance from the tail end of the main body 1 to the working surface Q, l2
Is the distance from the tip of the main body 1 to the working surface Q, D is the excavator book
The diameter of the body 1, β is the angle of a point taken on the peripheral surface. Also
The three-dimensional coordinate system (x, y, z) seen from the excavator body 1
The central axis of the machine is the x-axis, and the lateral direction perpendicular to this is the y-axis.
The axis and the vertical direction are defined as the z axis. Origin O is x-axis and working surface
At the intersection with Q. Also, as shown in FIG.
The standard systems X, Y, and Z (Z is the direction perpendicular to the paper surface) are taken.

【0018】更に図6に示すように集中総推力F、偏心
量m、推力作用点Mという概念を導入している。つまり
旋回するときに、仮にシールドジャッキ9の総推力Fが
M点に集中して作用したと考えて旋回挙動を考察するよ
うにしたものであり、点M,O間の距離を偏心量mとし
ている。逆にいうと、概念として導入した集中総推力F
と偏心量mとの値が求まれば、実際の多数本のシールド
ジャッキ9の出力パターンが求まるのである。後述する
判定手法では、集中総推力Fはx−y平面上のみで作用
する、別言すると推力作用点Mはy軸上でのみ移動でき
る点であるとして、説明を進める。よってシールド掘削
機はx−y平面上でのみ運動(ヨーイング)するとして
説明をする。
Further, as shown in FIG. 6, the concepts of concentrated total thrust F, eccentricity m, and thrust action point M are introduced. In other words, when turning, the turning behavior is considered by assuming that the total thrust F of the shield jack 9 acts concentrated on point M, and the distance between points M and O is taken as the eccentricity amount m. There is. Conversely, the concentrated total thrust F introduced as a concept
And the eccentricity amount m, the actual output patterns of the many shield jacks 9 can be obtained. In the determination method described later, the concentrated total thrust F acts only on the xy plane, in other words, the thrust action point M is a point that can move only on the y axis, and the description will proceed. Therefore, it is assumed that the shield excavator moves (yaws) only on the xy plane.

【0019】次に図7を参照して、地盤中を掘推するシ
ールド掘削機に作用する種々の外力を示す。つまり、 は掘削機の推進力、 は切羽前面の土圧、 は土被りによる土圧、 は側方変位による地盤反力、 は掘削機本体の外周面の摩擦力である。
Next, referring to FIG. 7, various external forces acting on the shield excavator for excavating the ground are shown. In other words, is the driving force of the excavator, is the earth pressure on the front face of the face, is the earth pressure due to the overburden, is the ground reaction force due to the lateral displacement, and is the frictional force on the outer peripheral surface of the excavator body.

【0020】次に図8を参照して側方変位量Sy と地盤
反力Pyとの関係を説明する。側方変位量Sy とは、掘
削機本体1がx−y面上で旋回したときのy方向に沿う
変位量(mm)であり、地盤反力Py とは、掘削機本体1
がy方向に変位したときにy方向に沿い地盤から受ける
反力(kgf /cm2 )である。
Next, the relationship between the lateral displacement S y and the ground reaction force P y will be described with reference to FIG. The lateral displacement amount S y is a displacement amount (mm) along the y direction when the excavator main body 1 turns on the xy plane, and the ground reaction force P y is the excavator main body 1
Is the reaction force (kgf / cm 2 ) received from the ground along the y direction when is displaced in the y direction.

【0021】図8に示すように、機体の位置が静止状態
から地山側(Sy >0)に変位すれば地盤反力は増大
し、やがて受働状態に至り極限地盤反力Pymaxが作用す
る。また、地山から離れる方向(Sy <0)に変位する
と地盤反力は減少し主働土圧Q y2が作用する。
As shown in FIG. 8, the position of the body is stationary.
From the ground side (SyGround reaction force increases if displaced to> 0)
Then, it eventually becomes a passive state and the ultimate ground reaction force PymaxWorks
It The direction away from the ground (SyDisplace to <0)
And ground reaction force decreases and active earth pressure Q y2Works.

【0022】図8に示すSy −Py 特性曲線は土質によ
って異なってくる。図4に示すように土圧計11を備え
ている場合には、実掘削中に、変位したときの地盤反力
y を土圧計11により計測して計測データを取り込
み、多数の計測データから図8に示すような特性曲線を
作っていく。このようにして作った特性曲線は、掘削が
進むにつれて新たな計測データが取り込まれて修正され
ていき、いわゆる学習制御により、実掘削している土質
に応じた、より正確なものになっていく。本発明の第1
の実施例では、学習制御によりSy −Py 特性を作って
いく手法を採用する。
The S y -P y characteristic curve shown in FIG. 8 varies depending on the soil quality. When the earth pressure gauge 11 is provided as shown in FIG. 4, the ground reaction force P y at the time of displacement is measured by the earth pressure gauge 11 during actual excavation, the measurement data is taken in, and the figure is obtained from a large number of measurement data. The characteristic curve shown in 8 is made. The characteristic curve created in this way will be corrected by taking in new measurement data as the excavation progresses, and by so-called learning control, it will become more accurate depending on the soil quality actually excavated. .. First of the present invention
In the embodiment, employing the techniques we make the S y -P y characteristics by learning control.

【0023】図8に示す特性、つまりSy とPy との関
係は指数関数などの数式により表現することができる。
そこで、土圧計11を備えた掘削機により、種々の土質
のP y −Sy 特性を蓄積してデータベースを構築してい
けば、反力を実測しなくても、ボーリングデータや簡単
な孔内載荷試験をするだけで、掘削している土質のP y
−Sy 特性を数式により示すことができる。本発明の第
2実施例では、土質を検査するだけで、あらかじめ蓄積
したデータベースから、Py −Sy 特性を示す数式(例
えば指数関数)を取り出してきて、側方変位量Sy に応
じた地盤反力P y を求めるようにしている。
The characteristic shown in FIG. 8, that is, SyAnd PySeki
The coefficient can be expressed by a mathematical formula such as an exponential function.
Therefore, by using an excavator equipped with an earth pressure gauge 11, various types of soil
Of P y-SyBuild a database by accumulating characteristics
If you don't actually measure the reaction force, boring data and easy
P of the soil that is being excavated just by performing a simple hole loading test. y
-SyThe characteristic can be expressed by a mathematical formula. The present invention
In 2 examples, just by examining the soil quality, accumulation in advance
From the databasey-SyNumerical expression indicating the characteristic (example
(For example, exponential function), and the lateral displacement SyIn response
Ground reaction force P yI am trying to ask.

【0024】次に図9を参照してすべり変位δ(x,
y)と摩擦力fx (fy )との関係を示す。機体が旋回
しx方向及びy方向にすべると、すべり量が数mm〜数cm
までの間は摩擦力fx ,fy は変化するが、すべり量が
ある値より大きくなると摩擦力は、ほぼ一定になる場合
が多い。
Next, referring to FIG. 9, the slip displacement δ (x,
The relationship between y) and the frictional force f x (f y ) is shown. When the aircraft turns and slides in the x and y directions, the amount of slip is a few mm to a few cm
The frictional forces f x and f y change during the period up to, but in many cases, the frictional force becomes almost constant when the amount of slip exceeds a certain value.

【0025】図9に示すδ−f特性曲線は土質や鉛直土
圧によって異なってくる。図4に示すように土圧計11
及び摩擦力計12を備えている場合には、実掘削中に、
摩擦力fx ,fy を摩擦力計12により計測して計測デ
ータを取り込み、多数の計測データから図9に示すよう
な特性曲線を作っていく。このようにして作った特性曲
線は、掘削が進むにつれて新たな計測データが取り込ま
れて修正されていき、いわゆる学習制御により、実掘削
している土質に応じた、より正確なものになっていく。
本発明の第1実施例では、学習制御によりδ−f特性を
作っていく手法を採用する。
The δ-f characteristic curve shown in FIG. 9 varies depending on the soil quality and vertical earth pressure. As shown in FIG. 4, earth pressure gauge 11
When equipped with the friction force meter 12, during actual excavation,
The frictional forces f x and f y are measured by the frictional force meter 12 and the measurement data is taken in, and a characteristic curve as shown in FIG. 9 is created from a large number of measurement data. The characteristic curve created in this way will be corrected by taking in new measurement data as the excavation progresses, and by so-called learning control, it will become more accurate depending on the soil quality actually excavated. ..
The first embodiment of the present invention employs a method of creating a δ-f characteristic by learning control.

【0026】図9に示す特性は、すべり始めの区間を無
視すれば簡単な数式で表現することができる。そこで、
摩擦力計12を備えた掘削機により、種々の土質のδ−
f特性を蓄積してデータベースを構築していけば、摩擦
力を実測しなくても、ボーリングデータや簡単な孔内載
荷試験をするだけで、掘削している土質のδ−f特性を
数式により示すことができる。本発明の第2実施例で
は、土質を検査するだけで、あらかじめ蓄積したデータ
ベースから、δ−f特性を示す数式を取り出してきて、
すべり変位δに応じた摩擦力fx y を求めるようにし
ている。
The characteristic shown in FIG. 9 can be expressed by a simple mathematical expression if the slip start section is ignored. Therefore,
By excavator equipped with friction force meter 12, δ-of various soil types
If f characteristics are accumulated and a database is constructed, the δ-f characteristics of the excavated soil can be calculated by mathematical formulas without boring data being measured and boring data or simple hole loading tests. Can be shown. In the second embodiment of the present invention, only by inspecting the soil quality, a mathematical expression showing the δ-f characteristic is taken out from the database accumulated in advance,
The frictional force f x f y corresponding to the slip displacement δ is calculated.

【0027】次に図10を中心にして、本発明の第1実
施例における制御装置14の判定手法を説明する。
Next, with reference to FIG. 10, the determination method of the control device 14 in the first embodiment of the present invention will be described.

【0028】図10のステップ1にて旋回中心Ci-1
旋回半径Ri-1 を入力すると、掘削機本体1の各位置に
おける側方変位量Sy 及びすべり量δが、演算により幾
何学的に求まる(ステップ2)。
In step 1 of FIG. 10, the turning center C i-1 ,
When the turning radius R i-1 is input, the lateral displacement amount S y and the slip amount δ at each position of the excavator body 1 are geometrically determined by calculation (step 2).

【0029】実測データ(図8)を用い側方変位量Sy
から地盤反力Py を求める(ステップ3)とともに、実
測データ(図9)を用いすべり量δから摩擦力fを求め
る(ステップ4)。
The lateral displacement amount S y using the measured data (FIG. 8)
The ground reaction force P y is obtained from the above (step 3), and the frictional force f is obtained from the slip amount δ using the measured data (FIG. 9) (step 4).

【0030】X方向の力の釣り合い式から集中総推力F
を求める。つまり次式(1)を解いてFを求める(ステ
ップ5)。
From the balance formula of the force in the X direction, the concentrated total thrust F
Ask for. That is, F is obtained by solving the following equation (1) (step 5).

【0031】[0031]

【数1】 [Equation 1]

【0032】モーメントの釣り合い式から偏心量mを求
める。つまり次式(2)を解いてmを求める(ステップ
6)。なお次式(2)において第1項目が旋回モーメン
トであり、第2,3,4,5項目の総和が旋回抵抗モー
メントである。
The eccentricity amount m is calculated from the moment balance equation. That is, m is calculated by solving the following equation (2) (step 6). In the following equation (2), the first item is the turning moment, and the sum of the second, third, fourth and fifth items is the turning resistance moment.

【0033】[0033]

【数2】 [Equation 2]

【0034】ステップ7では、式(1)(2)から求め
たFとmの積であるモーメントF・mが許容範囲内にあ
るかを判断する。許容範囲は掘削機本体の強度や推進力
等により決まる。更に側方の変位の最大値が許容範囲
内、例えば図8の範囲α内にあるかどうかを判定する。
範囲α内であれば、地盤に塑性変形は生じず、地盤に悪
影響を与えることはない。範囲αは土質により異なる。
In step 7, it is judged whether or not the moment F · m, which is the product of F and m obtained from the equations (1) and (2), is within the allowable range. The allowable range is determined by the strength and propulsion force of the excavator body. Further, it is determined whether or not the maximum value of the lateral displacement is within the allowable range, for example, within the range α in FIG.
Within the range α, the ground will not be plastically deformed and will not adversely affect the ground. Range α depends on the soil type.

【0035】ステップ7で2条件を満足したときには初
期設定が良好であると判定し(ステップ8)、2条件を
満足しないときには設定をやりなおす(ステップ9)。
When the two conditions are satisfied in step 7, it is determined that the initial setting is good (step 8), and when the two conditions are not satisfied, the setting is performed again (step 9).

【0036】次に図11を中心に本発明の第2実施例を
説明する。第2実施例では、図4に示すような土圧計1
1や摩擦力計12は用いず、あらかじめ蓄積したデータ
ベースの中から、土質に応じて、Sy −Py 関係を示す
関係式ならびにδ−f関係を示す関係式を取り出して、
側方変位量Syに応じた地盤反力Py を算出する(ステ
ップ3)とともに、すべり量δに応じた摩擦力fy ,f
x を求める(ステップ3)。他のステップは図10に示
す第1実施例と同じである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the earth pressure gauge 1 as shown in FIG.
1 and the friction force meter 12 are not used, the relational expression showing the S y -P y relation and the relational expression showing the δ-f relation are taken out from the database accumulated in advance,
The ground reaction force P y corresponding to the lateral displacement amount S y is calculated (step 3), and the frictional forces f y and f corresponding to the slip amount δ are calculated.
Find x (step 3). The other steps are the same as those in the first embodiment shown in FIG.

【0037】ここで側方変位量Sy と地盤反力Py との
関係を示す関係式(3)の一例を次に示す。
Here, an example of the relational expression (3) showing the relation between the lateral displacement amount S y and the ground reaction force P y is shown below.

【0038】[0038]

【数3】 [Equation 3]

【0039】次に摩擦力を示す関係式(4)を次に示
す。
Next, the relational expression (4) showing the frictional force is shown below.

【0040】[0040]

【数4】 [Equation 4]

【0041】[0041]

【数5】 [Equation 5]

【0042】[0042]

【数6】 [Equation 6]

【0043】[0043]

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明によれば、シールド掘削機が旋回するとき
に、旋回半径が適当であるか否かを、土質を考慮して判
定するため、周辺地盤をゆるめたり、シールド掘削機の
機体に過大負荷をかけることなく最適な旋回半径をとる
ことができる。
According to the present invention as described in detail with reference to the above embodiments, when the shield excavator turns, whether or not the turning radius is appropriate is determined in consideration of the soil quality. , The optimum turning radius can be taken without loosening the surrounding ground or applying an excessive load to the body of the shield excavator.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】シールド掘削機を示す断面図FIG. 1 is a sectional view showing a shield excavator.

【図2】シールドジャッキの配置及び出力パターンを示
す説明図
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an arrangement and an output pattern of a shield jack.

【図3】旋回状況を示す説明図FIG. 3 is an explanatory view showing a turning situation.

【図4】土圧計及び摩擦力計の配置を示す斜視図FIG. 4 is a perspective view showing an arrangement of an earth pressure gauge and a friction force meter.

【図5】各種の計測器及び制御装置の接続状態を示すブ
ロック図
FIG. 5 is a block diagram showing a connection state of various measuring instruments and control devices.

【図6】寸法及び座標を示す斜視図FIG. 6 is a perspective view showing dimensions and coordinates.

【図7】掘削機に作用する外力を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram showing an external force acting on the excavator.

【図8】側方変位量と地盤反力との関係を示す特性図FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between lateral displacement and ground reaction force.

【図9】すべり変位と摩擦力との関係を示す特性図FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between sliding displacement and frictional force.

【図10】第1実施例の動作を示すフロー図FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the first embodiment.

【図11】第2実施例の動作を示すフロー図FIG. 11 is a flowchart showing the operation of the second embodiment.

【符号の説明】 1 掘削機本体 6 土圧計 9 シールドジャッキ 11 土圧計 12 摩擦力計 14 制御装置 15 位置・変位検出装置 16 入力装置 17 ディスプレイ 18 シールドシーケンサ R 旋回半径 C 旋回中心 F 集中総推力 m 偏心量 M 推力作用点 Q 推力作用面 O 原点 Sy 側方変位量 Py 地盤反力 δ すべり変位 fx ,fy 摩擦力[Explanation of symbols] 1 excavator main body 6 earth pressure gauge 9 shield jack 11 earth pressure gauge 12 friction force meter 14 control device 15 position / displacement detection device 16 input device 17 display 18 shield sequencer R turning radius C turning center F concentrated total thrust m eccentricity M thrust acting point Q thrust acting surface O origin S y lateral displacement P y subgrade reaction δ sliding displacement f x, f y frictional force

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 旋回進路を規定する旋回半径が設定され
ると、この旋回半径を基にシールド掘削機の各位置での
変位量及びすべり量を演算し、 変位量と地盤反力との関係、すべり量と摩擦力との関係
を、あらかじめ調べておき、これら関係を用いて、演算
により求めた変位量に応じた地盤反力を求めるととも
に、演算により求めたすべり量に応じた摩擦力を求め、 求めた摩擦力をパラメータとして含む、シールド掘削機
の軸方向に沿う力の釣り合い式から、集中総推力を求
め、 求めた集中総推力をパラメータとして含む、シールド掘
削機に作用するモーメントの釣り合い式から、集中総推
力が作用する点と軸心との距離である偏心量を求め、 集中総推力と偏心量との積が許容範囲内であり、且つ、
変位量の最大値が許容内にあるという2条件が満足され
るときには、設定した旋回半径が良好であると判定し、
この旋回半径により規定される旋回進路に沿い掘進する
よう制御し、前記2条件が満足されないときには、設定
した旋回半径が不適であると判定することを特徴とする
シールド掘削機の方向制御方法。
1. When a turning radius that defines a turning path is set, a displacement amount and a slip amount at each position of the shield excavator are calculated based on the turning radius, and the relationship between the displacement amount and the ground reaction force is calculated. , The relationship between the slip amount and the friction force is investigated in advance, and by using these relationships, the ground reaction force corresponding to the displacement amount calculated is calculated, and the friction force corresponding to the slip amount calculated by the calculation is calculated. The concentrated total thrust is calculated from the balance equation of the force along the axial direction of the shield excavator that includes the calculated frictional force as a parameter, and the balance of the moments acting on the shield excavator that includes the calculated total concentrated thrust as a parameter From the formula, find the amount of eccentricity, which is the distance between the point on which the concentrated total thrust acts and the shaft center, and the product of the concentrated total thrust and the eccentricity is within the allowable range, and
When the two conditions that the maximum value of the displacement amount is within the allowable range are satisfied, it is determined that the set turning radius is good,
A method for controlling a direction of a shield excavator, characterized by controlling to excavate along a turning path defined by the turning radius, and determining that the set turning radius is inappropriate when the two conditions are not satisfied.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019039264A (en) * 2017-08-28 2019-03-14 清水建設株式会社 Operation setting presentation device and program
CN115387802A (en) * 2022-07-20 2022-11-25 中交基础设施养护集团有限公司 A control method of tunneling parameters of shield machine based on longitudinal displacement of shield tunnel
CN116201559A (en) * 2023-02-09 2023-06-02 中南大学 Method and system for controlling small-radius turning shield tunneling attitude of upper soft stratum and lower hard stratum
JP2023163850A (en) * 2022-04-28 2023-11-10 大成建設株式会社 How to design a tunnel box group in the longitudinal direction

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