JPH0559883A - シールド掘削機の方向制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 旋回半径の良否を、土質を考慮して、自動的
に判定する。 【構成】 旋回半径Ｒ_i-1 から、機体の側方変位量Ｓ_y
及びすべり量δを幾何学的に求める。次にＳ_y −Ｐ_y 特
性及びδ−ｆ特性を用いて、地盤反力Ｐ_y 及び摩擦力ｆ
を求める。摩擦力ｆをパラメータとして含む力の釣り合
い式から集中総推力Ｆを求め、集中総推力Ｆをパラメー
タとして含むモーメントの釣り合い式から偏心量ｍを求
める。Ｆとｍの積であるモーメントが許容範囲内にあ
り、且つ、最大変位が許容範囲内にあるときには、設定
した旋回半径Ｒ_i-1 が良好であると判定する。

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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｃ_i-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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｒ_i-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Ｒ_{i- 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Ｒ_i-1 が良好である
と判定する。このように旋回半径Ｒ_i-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。

【００１５】一方、設定された旋回半径Ｒ_i-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Ｒ_i-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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２０】次に図８を参照して側方変位量Ｓ_y と地盤
反力Ｐ_yとの関係を説明する。側方変位量Ｓ_y 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Ｐ_y 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。

【００２１】図８に示すように、機体の位置が静止状態
から地山側（Ｓ_y ＞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Ｐ_ymaxが作用す
る。また、地山から離れる方向（Ｓ_y ＜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。

【００２２】図８に示すＳ_y −Ｐ_y 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
Ｐ_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Ｓ_y −Ｐ_y 特性を作って
いく手法を採用する。

【００２３】図８に示す特性、つまりＳ_y とＰ_y 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 −Ｓ_y 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
−Ｓ_y 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、Ｐ_y −Ｓ_y 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Ｓ_y に応
じた地盤反力Ｐ _y を求めるようにしている。

【００２４】次に図９を参照してすべり変位δ（ｘ，
ｙ）と摩擦力ｆ_x （ｆ_y ）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ｆ_x ，ｆ_y 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。

【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ｆ_x ，ｆ_y 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。

【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ｆ_x ｆ_y を求めるようにし
ている。

【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。

【００２８】図１０のステップ１にて旋回中心Ｃ_i-1 ，
旋回半径Ｒ_i-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Ｓ_y 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）。

【００２９】実測データ（図８）を用い側方変位量Ｓ_y
から地盤反力Ｐ_y 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）。

【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）。

【００３１】

【数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。

【００３３】

【数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。

【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）。

【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、Ｓ_y −Ｐ_y 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Ｓ_yに応じた地盤反力Ｐ_y 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ｆ_y ，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。

【００３７】ここで側方変位量Ｓ_y と地盤反力Ｐ_y との
関係を示す関係式（３）の一例を次に示す。

【００３８】

【数３】

【００３９】次に摩擦力を示す関係式（４）を次に示
す。

【００４０】

【数４】

【００４１】

【数５】

【００４２】

【数６】

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】シールド掘削機を示す断面図

【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

【図３】旋回状況を示す説明図

【図４】土圧計及び摩擦力計の配置を示す斜視図

【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

【図６】寸法及び座標を示す斜視図

【図７】掘削機に作用する外力を示す説明図

【図８】側方変位量と地盤反力との関係を示す特性図

【図９】すべり変位と摩擦力との関係を示す特性図

【図１０】第１実施例の動作を示すフロー図

【図１１】第２実施例の動作を示すフロー図

【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 Ｓ_y 側方変位量 Ｐ_y 地盤反力 δ すべり変位 ｆ_x ，ｆ_y 摩擦力

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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。