JPH089948B2 - シールド自動測量運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、シールド掘進機によつて掘削されたシール
ドの一次覆工時においてセグメントの絶対位置などを自
動的に測量し、設計法線に沿つたシールド掘進を円滑に
行うためのシールド自動測量運転制御装置に関する。

従来の技術 近年、シールド工法は上下水道の幹線工事や地下鉄の
路線工事を中心として都市トンネル工事に広く採用され
ている。しかも、大深度地下空間の利用が今後活発化す
るだろうことを考えれば、このシールド工法の採用はさ
らに増大することが予測される。そして、このシールド
工法には、メーカーや建設各社とも研究開発に力を入れ
てきた結果、他の工種に比べ自動化、ロボツト化の特に
進んだ分野となつている。

しかしながら、一次覆工時の測量業務やオペレータへ
の方向指示は各社とも研究はしているもののシステムと
して完成されたものはなく、いまだに人手（現場職員）
に頼つているのが現状である。

このシールド工事の一次覆工時の測量は、セグメント
（一次覆工）の絶対位置を確認するために、ある区間に
わたつて毎日実施しなければならない。それはシールド
マシンのジヤツキ反力を後続するセグメントから取るた
めに、切羽側のセグメントが数十メートル間にわたり変
動（水平および鉛直方向）の影響を受けるからである。
そのため日々の測量業務は、セグメントの位置を確認す
るためにそのセグメントがシールド掘進機の影響範囲
外、すなわち不動点となるまで何回も繰り返し実施しな
ければならない。

この一次覆工時の測量業務とオペレータへの方向指示
を一部ロボツト化し、全体を自動化することが望まれ
る。そしてこれは、シールド掘進の完全自動化の目標を
達成するための重要な通過点であると言える。

典型的な先行技術は、たとえば特開昭61−251710号公
報に示されている。この先行技術では、シールド掘進機
である掘削機およびトンネル構築物にガイドレールを連
続するように取付け、位置・姿勢検知装置を備えた走行
体を前記ガイドレールに沿つて走行させ、この検知装置
からの信号を処理して前記掘削機の掘進方向を測定し
て、その掘削機の方向を制御するとともに、トンネルの
軌跡をも検知するように構成されている。

発明が解決しようとする課題 このような先行技術では、掘削機とトンネル構築物と
にわたつてガイドレールが設けられ、このガイドレール
に沿つて前記走行体を走行させて位置および姿勢を測定
するようにしているので、前記トンネル構築物が掘削機
からの推進力などの影響によつてずれてしまい、不動点
とならない場合がある。したがつてこの先行技術では、
ガイドレールが備えられるパイプをフレキシブル継手に
よつて連結しており、したがつて時間経過とともにトン
ネル構築物の線形による誤差が生じ、正確に掘削機の位
置およびトンネル構築物の線形を測定することができな
いという問題がある。

したがつて本発明の目的は、シールド掘削機の方向制
御およびその掘削坑の線形を正確に測定して、シールド
掘進作業を自動化することができるようにしたシールド
自動測量運転制御装置を提供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、複数のジヤツキによつて前進しながら掘削
して、掘削坑12を形成するシールド掘進機４と、 掘削坑12の内周面に固定されるセグメントの中心線上
に布設されるレール２と、 レール２の発進側の基準位置に設けられるエントラン
スプレート13と、 レール２の掘進方向前端に設けられ、掘進する毎に掘
進方向前端側に付け変えられるエンドプレート14と、 レール２に沿つてエントランスプレート13およびエン
ドプレート14間を走行し、連結棒38によつて相互に角変
位自在に連結される一対の台車36,37を有する走行体３
と、 シールド掘進機４に設けられ、エンドプレート14に設
けられたターゲツトまでの距離を測定する光波測距器５
と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４の姿
勢角を検出する姿勢角検出器６と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のレ
ベルを測定するレベル測定器７と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のピ
ツチング角を測定するピツチング計22と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のロ
ーリング角を測定するローリング計23と、 走行体３の各台車36,37にそれぞれ設けられ、各台車3
6,37の連結棒38の軸線に対する角度をそれぞれ測定する
測角手段18,18aと、 走行体３に設けられ、走行体３の走行距離を測定する
自走距離測定手段19,19aと、 走行体３の各台車36,37に設けられ、各台車36,37の鉛
直面に対する傾斜角をそれぞれ測定する傾斜計46,46a
と、 地上に設けられ、前記光波測距器５、姿勢角検出器
６、レベル測定器７、ピツチング計22およびローリング
計23によつて測定されたシールド掘進機４に関する各測
定値ならびに前記測角手段18,18a、自走距離測定手段1
9,19aおよび傾斜計46,46aによつて測定された走行体３
に関する各測定値が入力され、走行体３に関する各測定
値に基づいて施工法線の線形を演算して求め、この施工
法線と前記シールド掘進機４に関する各測定値から求め
たシールド掘進機４の現在位置とを比較して、シールド
掘進機４の計画法線に対する掘進すべき方向を求める演
算手段25と、 シールド掘進機４に設けられ、前記演算手段25の出力
に基づいてシールド掘進機４の現在位置およびその現在
位置から掘進すべき方向を表示するシールド掘進機側表
示手段９と、 地上に設けられ、演算手段25の出力に基づいて、シー
ルド掘進機４の現在位置およびその現在位置から掘進す
べき方向を表示する地上側表示手段26とを含むことを特
徴とするシールド自動測量運転制御装置である。

作 用 本発明に従えば、シールド掘削機４によつて掘削され
た掘削坑12の内周面にはセグメントが固定され、このセ
グメントの中心線上にレール２が布設される。このレー
ル２の発進側の基準位置にはエントランスプレート13が
設けられ、またレール２の掘進方向前端にはエンドプレ
ート14が設けられる。このエンドプレート14は、前記シ
ールド掘削機４によつて掘進する毎に、前記掘進方向前
端側に付け変えられる。走行体３は連結棒38によつて一
対の台車36,37が相互に角変位自在に連結されており、
このような走行体３は前記レール２に沿つてエントラン
スプレート13とエンドプレート14との間を走行する。こ
の走行体３には、測角手段18、自走距離測定手段19およ
び傾斜計46,46aが設けられる。また走行体３が前述した
ようにレール２に沿つてエントランスプレート13および
エンドプレート14間を走行するとき、前記測角手段18に
よつて各台車36,37が連結棒38の軸線に対して成す角度
が測定される。また前記自走距離測定手段19,19aによつ
て実施したレール２にエントランスプレート13およびエ
ンドプレート14間の距離が測定される。さらに傾斜計4
6,46aによつて各台車36,37の鉛直面に対する傾斜角がそ
れぞれ測定される。このようにして測定された各台車3
6,37の連結棒38の軸線に対する角度、エントランスプレ
ート13およびエンドプレート14間の距離および各台車3
6,37の傾斜角は、地上に設けられる演算手段25に送信さ
れ、前記セグメントに固定されるレール２の線形が演算
して求められる。

一方、前記シールド掘進機４には、光波測距器５、姿
勢角検出器６、レベル測定器７、ピツチング計22、ロー
リング計23およびシールド掘進機側表示手段９が設けら
れる。前記光波測距器５は、前述したように掘進する毎
にレール２の掘進方向前端側に付け変えられるエンドプ
レート14のターゲツトまでの距離を測定し、また前記姿
勢角検出器６、シールド掘進機４の姿勢角、すなわち向
きを検出し、さらにレベル測定器７はシールド掘進機４
のレベル測定、すなわち水準測定を行う。またピツチン
グ計22はシールド掘進機４のピツチング角を測定し、ロ
ーリング計23はシールド掘進機４のローリング角を測定
する。こうして測定されたシールド掘進機４からエンド
プレート14のターゲツトまでの距離、シールド掘進機４
の姿勢角、レベル、ピツチング角ならびにローリング角
は、前記地上に設けられる演算手段25に送信され、前記
レール２の線形よりも掘進方向前方のシールド掘進機４
によつて掘進された掘削坑12の線形が演算して求められ
る。

このようにして求められたレール２の線形およびレー
ル２のエンドプレート14からシールド掘進機４までの掘
削坑12の線形、すなわちシールド掘進機４の現在位置
は、地上側表示手段26によつて表示されるとともに、シ
ールド掘進機４内のシールド掘進機側表示手段９によつ
ても表示される。またこれらの表示手段9,26にはまた、
シールド掘進機４が前記現在位置から掘進すべき方向が
表示されるので、シールド掘進機４の操作者はシールド
掘進機４の進行方向をシールド掘進機４内の表示手段９
によつて容易に認識することができる。また地上におい
ても表示手段26によつて前記シールド掘進機４の掘進す
べき方向が表示されるので、掘削坑12内に降りることな
しに地上で掘進作業の進行状況を認識して、測量業務を
行うことができる。しかも、セグメントに固定されるレ
ール２の線形は、走行体３によつて測定し、このレール
２から掘進方向前方の掘削坑12の線形はシールド掘進機
４によつて測定するようにしたので、前記セグメントが
シールド掘進機４からの影響を受けず、不動点となつた
状態の線形に基づいて、シールド掘進機の掘進すべき方
向が演算して求められるので、高精度でシールド掘進機
４の掘進方向を制御することができ、掘削精度を向上す
ることができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の概略的構成を示す断面
図である。シールド工事の測量業務の省力化、およびシ
ールド掘進機４の運転制御（方向指示）を目的とした本
発明のシールド自動測量運転制御装置１は、セグメント
のクラウン中心線に設置されたレール２に沿つて移動す
る走行体３と、シールド掘進機４に搭載した光波測距器
５および姿勢角検出器６（第２図参照）と、水盛式連通
管7aからの圧力を検出してレベル測定を行う自動レベル
測定器７と、これらのデータを解析するコンピユータお
よびそのソフトウエアなどによつて実現される演算手段
25と、シールド掘進機４内のオペレータに方向を指示す
る表示手段９とを含む。

このようなシールド自動測量運転制御装置１によれ
ば、現場技術者の測量業務は、たとえば週１回程度の確
認測量だけでよくなり、省力化が図れるとともに、劣悪
な環境下（狭いスペース、長い距離、高い湿度、圧気そ
の他）での測量作業が減少する。またシールド掘進と平
行して自動測量をおこなうため、測量のための作業中断
が無くなり、それに応じて一日の施工量が増える。さら
に掘進と連動してシールド掘進機４の位置解析をし、そ
の都度リアルタイムにオペレータに方向を指示するた
め、施工精度が向上される。

このようなシールド工事において、地表面10から鉛直
下方に発進立坑11が掘削され、この発進立坑11内で分解
された状態で吊り下されたシールド掘進機４を組立て、
掘進方向（第１図の左方）に掘削しながらシールド掘進
機４に設けられている複数のジヤツキを選択的に作動さ
せて前進する。掘進機４によつて掘進されたほぼ水平な
掘削坑12には、後述する金属製のセグメントが内面に沿
つて構築される。その後、このセグメントにレール２が
クラウン中心に位置するように取付けられ、そのレール
２に沿つて走行体３が走行する。この走行体３はレール
２の基点側、すなわち発進立坑側に設けられた基準位置
であるエントランスプレート13と、掘進方向D1下流側に
設けられたエンドプレート14との間で走行し、このよう
に両プレート13,14間で走行体３を走行させることによ
つて、既にセグメント構築が完了した区間l1の平面測量
が行われる。

エンドプレート14からさらにシールド掘進機４がたと
えば１日当り距離l2だけ掘進すると、その距離l2の掘削
坑12の内周面には前記セグメントが構築されるととも
に、一直線状のレール２が連結される。このように既に
掘削された距離l1に加えてさらに距離l2だけ掘進する
と、エンドプレート14は仮想線14aで示される位置に付
け変えられ、したがつて走行体３の走行距離はl1＋l2と
なる。つまり走行体３は距離l1＋l2にわたつて平面測量
を行う。

第２図は、第１図に示される実施例の系統図である。
前記走行体３は、掘削坑12内の一次覆工が完了した区間
（l1＋l2）を往復自走するための駆動手段17と、エンコ
ーダなどによつて実現される測角手段18と、自走距離測
定手段19と、これらの測角手段18と自走距離測定手段19
とによつて測定された平面線形および走行距離の各デー
タを検出して地表面10上に設けられた中央制御室20へそ
れらのデータを伝送するための伝送手段21とを備える。
このような伝送手段21からの各データは、ラインl3を介
して中央制御室20内の前記演算手段25に伝送される。

このような走行体３によつて、一日のシールド掘進作
業が終了すると、掘進長l2分のレール２を継ぎ足し、そ
の最前線にエンドプレート14aが取付けられる。次の日
の作業開始と同時に、走行体３はエントランスプレート
13からエンドプレート14aまでの間を往復自走し、その
線形を測量する。走行体３がエントランスプレート13に
到着すれば、シールド掘進機４に搭載した光波測距器５
によつて、エンドプレート13に設けられたターゲツトま
での距離を刻々と測定する。これと同時に、姿勢角検出
器６によつてシールド掘進機４の方向が検出される。ま
たシールド掘進機４にはピツチング計22およびローリン
グ計23が備えられており、これらによつて鉛直方向およ
び水平方向の誤差が補正される。このレール２は、掘削
坑12のトンネル内の中心に設置されている。したがつて
レール２からの変位量を検出することによつて、その掘
削坑の線形が求められる。

これらの光波測距器５、姿勢角検出器６、自動レベル
測定器７、ピツチング計22およびローリング計23からの
各計測データは、伝送手段24によつてラインl4を介して
前記中央制御室20に備えられる演算手段である演算処理
装置25に伝送される。この演算処理装置25ちは、演算処
理装置25からの出力に応答してシールド掘進機４の現在
の位置と今後の目標とする掘進方向とを表示する地上側
表示手段26と、その表示手段によつて表示される表示内
容を印字用紙上に出力する印字手段27と、演算処理手段
25の入出力に関連するデータを記憶する記憶手段28と、
演算処理装置25からの出力に基づいて作図するXYプロツ
タ29とが備えられる。

演算処理装置25からの出力はまた、伝送手段30によつ
てラインl4を介して前記シールド掘進機４のオペレータ
席に備えられる表示手段９に伝送される。表示手段９
は、前記伝送手段30によつて伝送されたデータを処理す
る処理装置31と、この処理装置31からの出力によつて画
面上に表示内容を表示する表示器32とを含む。

第３図をも参照して、前記走行体３に備えられた各測
定手段18,19およびシールド掘進機４に備えられた各測
定器5,67,22,23からの各測定データは、前記地表面10上
にある中央制御室20内の演算処理装置25まで伝送されて
解析される。このような演算処理装置25における解析に
おいて、設計法線と設計水準線との対比、およびシール
ド掘進機４が今後の目標とする方向およびシールド掘進
機４に備えられるジヤツキのパターンの選択が行われ
る。

また前記表示手段９では、中央制御室20の演算処理装
置25によつて解析されたデータに基づいて、シールド掘
進機４内のオペレータに表示器32によつて、シールド掘
進機４の現在の位置を表示するとともに、今後の掘進方
向を指示して、前述のようにして選択されたジヤツキパ
ターンを表示する。前記伝送手段21,24,30は、取扱うデ
ータ量、伝送速度、および耐環境性などに留意して決定
し、たとえば多重伝送装置が用いられる。

第４図は走行体３の概略的な内部構造を示す断面図で
あり、第５図は第４図に示される走行体３の水平断面図
であり、第６図は第５図の切断面線VI−VIから見た断面
図である。レール２に沿つて走行する走行体３は、レー
ル２の長手方向に間隔をあけて配置されそのレール２に
沿つて走行する前後の台車36,37と、これらの台車36,37
を連結する連結棒38とを含む。

台車36のハウジング39内には、前記測角手段18が備え
られる。この測角手段18は、連結棒38の一端部に設けら
れたヒンジ40にその連結棒38の軸線に対して垂直な回転
軸線C1まわりに回転自在な出力軸41とエンコーダ44とを
含む。前記出力軸41の共通な軸線C1は、レール２の軸線
と垂直である。連結棒38が台車36のハウジング39に対し
て軸線C1まわりに角変位すると、その回転が出力軸41を
介してエンコーダ44に入力される。出力軸41からの回転
量が入力されたエンコーダ44は、その回転量に対応した
パルス数の電気信号を出力し、その出力はもう一方の台
車37に備えられるデータ伝送手段21（第２図参照）に入
力される。こうして伝送手段21に入力された角度検出信
号は、ラインl3,l6を介して中央制御室20内の演算処理
装置25に入力される。

また台車36には、姿勢検出用の傾斜計46が備えられ
る。この傾斜計46によつて、台車36が左右方向（第４図
の紙面に垂直方向）または前後方向にレール２に対して
ずれたときに、前記鉛直軸線C1がレール２の軸線からず
れるので、後述するようにピツチングおよびローリング
に対する測定値を補正するために設けられている。また
台車36のハウジングの一側部には、電源45が設けられ、
この電源45からの電力によつて駆動手段17が駆動され
る。

駆動手段17は、前記レール２を挟んでそれぞれ両側に
配置される各一対の車輪W1,W2;W3,W4と、車輪W1,W2を鉛
直軸線まわりに回転駆動するサーボモータＭと、サーボ
モータＭの出力軸50から入力された回転力を減速し、各
車輪W1,W2の回転軸51,52に伝達する減速機53とを含む。
前記電源45からラインl7を介してサーボモータＭに駆動
電力が供給されると、そのサーボモータＭの出力軸50は
その回転軸線まわりに回転駆動され、このような出力軸
50からの回転力はたとえば差動歯車機構を内蔵した減速
機53によつて減速される。

第７図を参照して、減速機53の各出力軸54,55の端部
には、自在継手J1,J2を介して連結軸56,57の一端部が連
結され、連結軸56,57の各他端部は自在継手J3,J4を介し
て車輪W1,W2の回転軸51,52に連結される。回転軸51,52
は、軸受58,59によつて各回転軸線まわりに回転自在に
設けられ、これらの軸受58,59は台車36のハウジング39
に固定されたガイド部材60によつてレール２の軸線に対
して垂直な軸線方向、つまり第７図の左右方向に変位自
在に支持される。軸受58には直円筒状の外筒体61が固定
され、軸受59には内筒体62が固定される。内筒体62は、
外筒体61に嵌り込んだ状態で、外筒体61の内周面に沿つ
てその軸線方向に移動自在である。この内筒体62の外筒
体61内に嵌り込んだ遊端側の端面62cと軸受58との間に
は、引張りコイルばね63が収納され、この引張りコイル
ばね63のばね力によつて、軸受58,59は相互に近接する
方向にばね力が与えられる。これによつて各車輪W1,W2
には、相互に近接する力Ｒが作用して、レール２が車輪
W1,W2によつて両側から挟持される。したがつて走行体
３が走行中において車輪W1,W2がレール２から離脱して
しまうことはなく、サーボモータＭからの動力を確実に
レール２に伝達することができる。このような車輪W1,W
2からレール２への圧力Ｒは、図示しない構成によつて
常に一定に保たれる。また前記サーボモータＭは、シー
ケンサあるいはコンピユータなどの制御手段によつて位
置決めされている。さらに前記自在継手J1〜J4は、各回
転軸51,52毎に対を成して設けられており、連結軸56,57
の各両端にも連結される。これによつて出力軸54と回転
軸51および出力軸55と回転軸52の各速度差を打ち消すよ
うに構成されている。

このような車輪W1〜W4に関連して、台車36のレール２
に対する水平方向の姿勢角を検出する姿勢角検出器（以
下、ヨーイング計とも記す場合がある）65がそれぞれ設
けられる。この検出器65は、たとえばリニアゲージであ
り、台車36のハウジング39側に固定された本体66と、こ
の本体66から外方に向けて弾発的に突出する検出棒67と
を有する。検出棒67の先端は、車輪W1の回転軸51が回転
自在に設けられる支持部材68に固定的に連結された当接
部材69に弾発的に当接している。この当接部材69の一端
部は、支持部材68に固定された案内棒70に固定され、案
内棒70には圧縮コイルばね71が装着される。この圧縮コ
イルばね71によつて、支持部材68はハウジング39の側壁
に対して内方側、すなわちレール２に近接する方向に弾
発的に付勢されている。したがつて車輪W1が第７図の左
右方向へハウジング39に対して変位すると、当接部材69
によつて検出棒67が押圧され、本体66内に備えられる図
示しない計測機構によつてその変位が計測される。この
ような姿勢角検出器は、他の車輪W2,W3,W4に関してもま
た同様に設けられる。

第８図は、車輪W3,W4に関連して設けられる自走距離
測定手段19の簡略化した側面図である。レール２を両側
から挟む車輪W3,W4は、回転軸73,74に取付けられ、これ
らの回転軸73,74はガイド部材75によつて各回転軸線ま
わりに回転自在に支持される。このガイド部材75は、前
述したガイド部材60と同様な構成を有しており、重複を
避けて説明は省略する。ガイド部材75を介して下方に突
出する回転軸73,74の各端部は、ロータリエンコーダ76,
77の入力軸78,79に継手80,81によつて連結される。走行
体３がレール２に沿つて走行すると車輪W3,W4は各鉛直
軸線まわりに回転駆動し、その回転は回転軸73,74を介
して入力軸78,79に入力されて、その回転量がエンコー
ダ76,77によつて計測される。これらのエンコーダ76,77
は、たとえばアブソリユート形エンコーダが用いられ、
各車輪W3,W4の回転量の平均値によつて走行距離が計測
される。これらのエンコーダ76,77の最大分解能は、409
6/回転であり、測定距離の精度を±0.5mm/2000mmとする
ためには、分解能ｘは第１式によつて示される。

したがつて分解能ｘは、1278/回転以上必要となり、
このエンコーダ76,77によつてその分解能は満足されて
いるので、測長感度は±0.16mm/2000mmである。

このようなエンコーダ76,77によつて測定された走行
距離に対応する検出信号は、台車37に備えられた伝送手
段21によつてラインl3,l6を介して中央制御室20の演算
処理装置25に入力される。台車37もまた、その他の構成
は前述した台車36に類似した構成を有しており、対応す
る部分には添字ａを付す。なお、台車37には駆動手段17
は設けられていない。

前記傾斜計46は、防水ケース内にサーボ加速度計が内
蔵されており、このサーボ加速度計は、錘をヒンジで支
持した振子と、光電子偏位検出器とサーボアンプとで構
成されている。加速度が振子に作用すると、振子は平衡
点から変位し、その偏位量を電気信号に変換しサーボア
ンプを通してトルカコイルに電流を流し、振子の位置を
元の平衡点に戻す。この電流は加えられた加速度に比例
するので、電流値を計測することで運動加速度を検出で
き、重力加速度成分、すなわち鉛直面に対する各台車3
6,37の傾斜角を測定できるように構成されている。

第９図はレール２のセグメント85への取付状態を示す
軸直角断面図であり、第10図はそのレール２の一部の側
面図である。シールド掘進機４によつて掘削された掘削
坑12の内周面86には、箱状の金属製セグメント87が周方
向に連続してボルトおよびナツトなどを用いて固定され
る。掘削坑12に構築されたセグメント87の主桁には、ボ
ルトおよびナツトを用いて長手吊下げ片87,88の一端部
が取付けられる。吊下げ片87,88には、それらの軸線方
向に延びる長孔89,90が形成され、これらの長孔89,90に
はボルト91が装着され、そのボルト91は連結部材92のボ
ルト挿通孔93を挿通してナツト94が螺着される。連結部
材92には、逆Ｕ字状の取付部材94が支持軸95の軸線まわ
りに回転自在に取付けられる。取付部材94には、ボルト
96が螺合するねじ孔97が形成され、このねじ孔97に螺着
されたボルト96の先端部には押圧板98が固着される。こ
のような取付部材94の凹溝内にレール２に軸線方向に沿
つて間隔をあけて固定された突部99を嵌合させた状態
で、前記ボルト96を締め付けることによつて突部99が挟
持される。

このような構成によつて、レール２の中心線を掘削坑
12の中心線上に配置するため、前記ボルト91に螺合する
ナツト91を緩めた状態で、吊下げ片87,88の各軸線の成
す角度θ１を変化させて調整を行うことができ、このよ
うにしてレール２を上下方向および左右方向に変位させ
て掘削坑12の中心線上に配置することができる。

第11図は本発明の他の実施例のレール２の取付構造を
示す軸直角断面図であり、第12図はその側面図である。
掘削坑12の軸線方向に沿つて相互に隣接して配置された
セグメント12aの主桁101には、Ｕ字状の取付部材102が
ねじ部材103によつて挟持された状態で固定される。取
付部材102には吊下げ片104,105,106が、それらの各他端
部でボルト107およびナツト108によつて連結される。吊
下げ片106の下端部には、レール２に植込まれたねじ棒1
09が螺合するナツト110が固定されているので、この状
態で、最上部の吊下げ片104は矢符R1で示されるように
鉛直軸線まわりに回転可能であり、また吊下げ片105は
ボルト107の水平軸線まわりに矢符R2方向に角変位可能
である。さらに吊下げ片106は、ボルト111の水平軸線ま
わりに矢符R3方向に角変位自在である。さらにレール２
に螺着されているナツト110,113を回転することによつ
て、レール２の高さ、つまり第11図および第12図の上下
方向の位置を調整することができる。

第13図は、相互に隣接するレール2,2aを連結するため
の構造を示す断面図である。レール2,2aを連結する際に
は、連結装置118が用いられる。連結装置118は、硬質ゴ
ムなどの材料から成る本体119と、共通な一直線上に回
転軸線を有するねじ棒120,121と、ねじ棒120,121の各軸
線方向一端部に相互に対向してそれぞれ固定された傘歯
車122,123と、傘歯車122,123に噛合する傘歯車124と、
傘歯車124と同軸に固定された駆動棒125とを有する。ね
じ棒120,121の各他端部は、本体119の外周面から外方に
向けて部分的に突出しており、レール2,2aの各端部に設
けられた端板126,127のねじ孔128,129に螺合している。
駆動棒125に形成された掛合部128に、たとえば六角レン
チなどを掛合して回転させることによつて、傘歯車124
の回転はその傘歯車124にそれぞれ噛合する傘歯車122,1
23に伝達されてねじ棒120,121が各回転軸線まわりに回
転駆動される。このようなねじ棒120,121の回転によつ
て、ねじ棒120,121がそれぞれ螺合しているねじ孔128,1
29が形成された端板126,127が、相互に近接または離反
する方向に変位される。これによつてレール2,2aは相互
に適度の緊張力で連結される。

このような連結装置118によつて、前記第１図に関連
して述べたように、シールド掘進機４が距離l2だけ掘進
するたびに一直線状のレール2aが連結される。

第14図は、走行体３の基本的な測定動作を説明するた
めの簡略化した平面図である。前述したように一直線状
の各レール2,2aが連結装置118によつて交点P1で連結さ
れ、この交点P1を挟んで走行体３の台車36,37が、レー
ル2a,2の各点P2,P3上に各中心線C1,C2が配置された状態
となつている。このような状態において、台車36,37が
自走距離l_f1,l_b1だけ走行し、このときの連結棒38の中
心軸線とレール2,2aの各中心軸線との成す角度α_i,β_ｉ
を計測して、これらの４つのパラメータl_f1,l_b1,α_i,β
_ｉに基づいて、次に述べる第１および第２の計算方法に
よつてそれぞれレール2,2aの線形を算出する方法につい
て説明する。

まず第１の方法において、第15図に示されるように、
レール2,2aの交点P1を挟んで走行体３が配置されたと
き、点P1,P2,P3によつて挟まれた三角形の内角α_i,β_ｉ
を前記測角手段18によつて計測して三角形を決定し、既
知のレール軸線C4,C5にこの三角形を連結してトラバー
スを形成し、レール2,2aの線形を算出する。このような
基本的手順に従つて、第16図に示されるように各交点P
1,P2,P3,…,Piに対してトラバー計算を行い、これによ
つてレール2,2aの線形が求められる。

次に、未知量である距離Sl₁,Sl₂,Sl₃,…,Sl_iの求め方
について、第16図および第17図を参照して説明する。ま
ず交点P1における交角φ_１は、前述したように各台車3
6,37に備えられるエンコーダ44,44aによつて測定された
角度α_i,β_ｉから第２式によつて求められる。

φ_１＝180゜−（α_１＋β_１） …（２） また、点P0から交点P1までの距離Ｌは既知量であり、
したがつて前述した点C2,P1間の距離X₁₁は第３式によつ
て求められ、点P1,C1間の距離X₁₂は第４式によつて求め
られる。

上述のようにしてさらに交点P2に関しても角度α₂,β
_２が測定され、第５式、第６式、第７式によつて交角δ
_２、距離X₂₁,X₂₂が求められる。

φ_２＝180゜−（α_２＋β_２） …（５） これらの第３式、第４式、第６式、第７式によつて距
離X₁₁,X₁₂;X₂₁,X₂₂が求められると、第８式〜第10式に
よつて未知量である距離Sl₁,Sl₂,Sl₃が求められる。

Sl₁＝l_B2−（l_B1＋x₁₁＋x₁₂） …（８） Sl₂＝l_B3−（l_B2＋x₂₁＋x₂₂） …（９） Sl₃＝l_B4−（l_B3＋x₃₁＋x₃₂） …（10） このようにして各交点P₁〜P_iにおける三角形の２辺の
長さX_i1,X_i2とその挟角φ_ｉが求められる。

次に第18図を参照して、第２の計算方法について説明
する。この第２の計算方法では、レール上に走行体３の
連結棒38を基準とするトラバーを形成し、各交点P₁〜P_i
における角度α_１〜α_i,β_１〜β_ｉを測定する。この角
度α_１〜α_i,β_１〜β_ｉに基づいて連結棒38の軸線C3か
らの方位角φ_０〜φ_ｉを算出し、トラバー計算によつて
走行体３の連結棒38の軸線C3の線形を算出する。第19図
および第20図を参照して、具体的な算出方法を説明す
る。まず角度α_１〜α_ｉは台車36,37にそれぞれ備えら
れるエンコーダ44,44aによつて測定され、まず最初に測
定された方位角φ_０に基づいて方位角φ_１〜φ_３が第11
式〜第13式によつて算出される。

φ_１＝φ_０＋β_１＋α_２ …（11） φ_２＝φ_１＋β_２＋α_３ …（12） φ_３＝φ_２＋β_３＋α_４ …（13） 第21図はレール2,2aの軸線C4,C5に対して台車36,37が
それぞ角度α_F,α_Ｂだけ回転し、台車軸C4,C5の法線方
向へ距離l_FY,l_BYだけ平行移動し、さらに台車36,37がc
4,c5に対して角度θ_FR,θ_FP,θ_BPのローリングおよびピ
ツチングを生じた場合の補正計算を説明するための図で
ある。第21図に示したパラメータを、（ａ）既知量と、
（ｂ）計測値と、（ｃ）計算値とによつて分類すると次
のとおりである。

（ａ）既知量 L:連結棒38の回転軸中心距離 h:台車のローリング中心（台車の固定中心）と連結棒38
の回転軸間の距離 H:台車の固定レール間距離（第22図参照） （ｂ）測定値 T_FF:台車36側の連結棒38と台車軸C6の挟角 T_FE:台車37側の連結棒38と台車軸C7の挟角 θ_FP:台車36側のピツチング角 θ_FR:台車36側のローリング角 θ_BP:台車37側のピツチング角 θ_BR:台車37側のローリング角 l_Fi（ｉ＝１〜４）：レール固定車輪の台車36端部から
の距離（第22図参照） l_Bi（ｉ＝１〜４）：レール固定車輪の台車37端部から
の距離（第22図参照） （ｃ）計算値 δ_1FP:台車36側の連結棒38の回転軸のピツチングによる
偏心量 δ_1FR:台車36側の連結棒38の回転軸のローリングによる
偏心量 δ_1BP:台車37側の連結棒38の回転軸のピツチングによる
偏心量 δ_1BR:台車37側の連結棒38のローリングによる偏心量 l_F1:台車36の中心から連結棒38の回転軸までの偏心距離 l_B1:台車37の中心から連結棒38の回転軸までの偏心距離 T_FT:ピツチングおよびローリングを補正した台車軸C6と
台車中心点とを結ぶ線分L1との挟角 T_BT:ピツチングおよびローリングを補正した台車軸C7と
台車中心点とを結ぶ線分L1との挟角 α_F:台車軸C6とレール軸C4との挟角 α_B:台車軸C7とレール軸C5との挟角 l_FY:台車36の中心と台車軸C6の法線とレール軸C4との交
点距離 l_BY:台車37の中心と台車軸C7法線とレール軸C5との交点
距離（後部） T_F:ピツチング、ローリング、ヨーイングおよび台車36
の平行移動を補正した線分L2とレール軸C4との挟角 T_B:ピツチング、ローリング、ヨーイングおよび台車37
の平行移動を補正した線分L2とレール軸C5との挟角 L1:ローリング、ピツチングを補正した回転軸中心距離 L2:ローリング、ピツチング、ヨーイングおよび台車36,
37の平行移動を補正した回転軸中心距離 以上の計算値L2,T_F,T_Bがトラバー計算の基本データと
なる。

第25図は、既知量L,hおよび計測値T_FF,T_BF,θ_FP,
θ_FR,θ_BP,θ_BR,l_Fi（ｉ＝１〜４）,l_Bi（ｉ＝１〜４）
を使用して、最終的にトラバー組立に必要な数値L2,T_F,
T_Bを求めるための計算の順序を示すフローチヤートであ
る。まずステツプn1で、パラメータh,θ_FP,θ_FR,θ_BP,
θ_BRに基づいて偏心量δ_1FP,δ_1FR,δ_1BP,δ_1BR,l_F1,l
_B1を計算し、ステツプn2でパラメータL,T_FF,T_BF,δ_1FP,
δ_1FR,δ_1BP,δ_1BR,l_F1,l_B1を用いて挟角T_FT,T_BTおよび
距離L1を計算する。次にステツプn3で、パラメータH,l
_Fi（ｉ＝１〜４）,l_Bi（ｉ＝１〜４）に基づいて挟角α
_F,α_Ｂおよび距離l_FY,l_BYを計算し、ステツプn4でパラ
メータL1,T_FT,T_BT,α_F,α_B,l_FY,l_BYに基づいて挟角T_F,T
_Bおよび距離L2を計算する。このようにステツプn1,n2で
ローリングおよびピツチングの補正を行い、ステツプn
3,n4で、ヨーイングおよび台車36,37の平行移動の補正
を行う。

第26図は、前述の第25図におけるステツプn1,n2のロ
ーリングおよびピツチングの補正値の算出する手順を示
す図である。前述のローリングおよびピツチングに対す
る補正値δ_1FR,δ_1FP,δ_1BR,δ_1BPは、第14式〜第17式
によつて求められる。

δ_1FR＝ｈ・sinθ_FR …（14） δ_1FP＝ｈ・sinθ_FP …（15） δ_1BR＝ｈ・sinθ_BR …（16） δ_1BP＝ｈ・sinθ_BP …（17） ここに、T_FTは補正後の台車36側の角度（ピツチン
グ、ローリングを補正）であり、T_BTは補正後の台車37
側の角度（ピツチング、ローリングを補正）であり、T
_FFは誤差を含んだ検出角度台車36側であり、T_BFは誤差
を含んだ検出角度台車37側である。

第26図において、T_FTは補正後の台車36側の角度（ピ
ツチング、ローリングを補正）であり、T_BTは補正後の
台車37側の角度（ピツチング、ローリングを補正）であ
り、T_FFは誤差を含んだ検出角度台車36側であり、T_BFは
誤差を含んだ検出角度台車37側である。そして、前後部
の台車36,37に搭載してある２軸傾斜計およびロータリ
エンコーダによつてδ_1FR,δ_1FP,δ_1BR,δ_1BP,T_FF,T_BF
を求め、これらを用いて補正後の値T_FT,T_BT、および台
車の中心点距離L1を求める。

次に、連結棒38の偏心位置として考えられるパターン
は、δ_1FR,δ_1FP,δ_1BR,δ_1BPの符号の組み合わせで分
類すると81（＝９×９）通り存在する。

このように台車36,37の各中心点C1,C2の偏心方向の組
み合わせは第１表の通りである。

前述したように、δ_1FR,δ_1FP,δ_1BR,δ_1BPの符号の
組み合わせでは81通りのパターンが存在するが、以下に
示す計算例と同様の方法で補正することができる。

第１表の組み合わせのうち、たとえば−の組み合
わせは、第28図および第29図に示されるように、まずス
テツプs1でL1,αを求める。その第１段階として第18式
〜第21式によつて角度T_F1,T_B1、距離l_F1,l_B1を求める。

また第30図に示されるように第22式および第23式が成
立し、 L1・sinα＝l_F1・sin（T_F1＋T_FF） ＋l_B1・sin（180゜−T_B1−T_BF） …（22） L1・cosα＝Ｌ＋l_F1・cos（T_F1＋T_FF） −l_B1・cos（180゜−T_B1−T_BF） …（23） これらの第22式、第23式を整理して第24式、第25式を
得る。

L1・sinα＝l_F1・sin（T_F1＋T_FF） ＋l_B1・sin（T_B1＋T_BF） …（24） L1・cosα＝Ｌ＋l_F1・cos（T_F1＋T_FF） ＋l_B1・cos（T_B1＋T_BF） …（25） 第18式〜第21式および第24式、第25式によつて角度α
は、第26式によつて求められる。

また距離L1は、第26式を第24式または第25式に代入す
ることによつて求められる。

したがつて角度T_FT,T_BTは第27式、第28式によつて求
めることができる。

F_FT＝T_FF−α …（27） T_BT＝T_BF−α …（28） 第31図は、ヨーイングの補正計算を説明するための図
である。各台車36,37のヨーイングに対する補正計算
は、各車輪W1〜W4;W1a〜W4aにそれぞれ関連して設けら
れた検出器65によつて求められた変位量に基づいて計算
することができる。まず第32図に示されるように、台車
36の初期状態における各検出器の読みを、l_Fi0（ｉ＝１
〜４）とする。次に第33図に示されるように、ヨーイン
グ発生時の各検出器のメモリの読みをl_F1,l_F2,l_F3,l_F4
とする。これら値l_Fi0（ｉ＝１〜４）,l_F1,l_F2,l_F3,l_F4
に基づいて台車36の回転角α_Ｆは、第29式で求められ
る。

なお、台車37の回転角α_Ｂもまた同様にして求められ
る。

第34図を参照して、台車36の台車軸C6とレール中心軸
C4との軸線、台車軸C6に垂直な法線方向の距離l1,l2
は、第30式、第31式によつて求められる。

このようにして求められた距離l₂、および第29式によ
つて求められた回転角α_Ｆに基づいてヨーイングの補正
量l_FYは、第32式によつて求められる。

なお、台車37の補正値l_BYも同様の方法で求めること
ができる。

ここで、第31図において示される各符号は次の通りで
ある。

T_F:補正後の台車36側の角度 T_B:補正後の台車37側の角度 T_FT:ピツチング，ローリングを補正した台車36側の角度 T_BT:ピツチング，ローリングを補正した台車37側の角度 α_F:台車36側のレール軸と台車軸との偏心角 α_B:台車37側のレール中心軸C5と台車軸C7との偏心角 L1:ピツチング、ローリングを補正した回転軸中心距離 L2:ローリング、ピツチング、ヨーイングおよび台車37
を平行移動を補正した回転軸中心距離 前述のような計算に基づいて補正後の角度T_F,T_B距離,
L2は、第35図に示されるように既知の値L1,T_FT,T_BT,
l_FY,l_BY,α_F,α_Ｂを用いて求められる。またレール中心
点の線分と台車中心点の線分との偏心パターンは、ロー
リング，ピツチングの補正の場合と同様に81通り存在す
る。計算方法はローリング，ピツチングの場合と同様に
行う。

ヨーイングおよび台車36,37の平行移動の補正の計算
例として、次の３通り（Ｉ），（II），（III）を示
す。

（Ｉ）レール中心点の線分と台車中心点の線分が交差す
る場合 （II）レール中心点の線分と台車中心点の線分が交わら
ない場合 （III）台車36、台車37のいずれかの中心点がレール中
心点と一致している場合 上述のパターン以外の場合でも、以下に示す計算例と
同様の方法で補正することができる。

つまり、レール中心点と台車中心点の線分とが交差す
る場合には、第36図に示されるように、距離L2および角
度αを求めるために、第33式で示す関係式が成立し、こ
の第33式を整理して第34式が求められる。

L2sinα＝l_FY・sin（90゜−T_FT） ＋l_BY・sin（90゜−T_BT） ＝l_FY・cosT_FT＋l_BY・cosT_BT …（33） L2＝L1l_FY・cos（90゜−T_FT）−l_BY・cos（90゜−T_BT） ＝L1−l_FY・sinT_FT−l_BY・sinT_BT …（34） これらの第33式および第34式から第35式が導かれる。

第35式を第33式または第34式に代入することによつ
て、距離L2を求めることができる。またT_F,T_Bは第36式
および第37式によつて求めることができる。

T_F＝T_FY＋α_Ｆ−α …（36） T_B＝−T_BT＋α_Ｂ＋α …（37） 以上のようにして走行体３のピツチング、ローリン
グ、ヨーイングおよび台車の平行移動に対する補正計算
を行うことができ、測量精度を向上させることができ
る。しかも前述のような補正計算は、走行体３からライ
ンl3を介して地上の中央制御室20内に備えられる演算処
理装置25によつて演算処理され、表示手段26,32によつ
てその内容が表示されるので、シールド掘進作業を中断
することなく、作業と平行して自動測量を行うことがで
きる。

発明の効果 本発明によれば、レール２の線形およびエンドプレー
ト14からシールド掘進機４までの掘削坑12の線形は、地
上側表示手段26およびシールド掘進機側表示手段９によ
つてそれぞれ表示されるので、掘削坑12の線形およびシ
ールド掘進機４の進行方向を地上およびシールド掘進機
４で別途に、しかも同時にリアルタイムで認識すること
ができ、測量業務の手間が削減される。またセグメント
に固定されるレール２の線形は走行体３によつて測定
し、かつエンドプレート14からシールド掘進機４までの
線形はシールド掘進機４に備えられる各種の測定器5,6,
7,22,23によつて測定されるので、不動点となつたセグ
メントの線形に基づいてシールド掘進機の掘進すべき方
向を得ることができ、掘削精度を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略的構成を示す断面図、
第２図は第１図に示される実施例の系統図、第３図はそ
の作業工程の流れを示すフローチヤート、第４図は走行
体３の概略的な内部構造を示す縦断面図、第５図は第４
図に示される台車36の水平断面図、第６図は第５図の切
断面線VI−VIから見た断面図、第７図は台車36の車輪W
1,W2付近の拡大断面図、第８図は車輪W3,W4に関連して
設けられる自走距離測定手段19の簡略化した側面図、第
９図はレール２のセグメント85への取付状態を示す軸直
角断面図、第10図はそのレール２の一部の側面図、第11
図は本発明の他の実施例のレール２の取付構造を示す軸
直角断面図、第12図はそのレール２を取付構造を示す側
面図、第13図は相互に隣接するレール2,2aを連結するた
めの構造を示す拡大断面図、第14図は走行体３の測定動
作を説明するための簡略した平面図、第15図は交点P1に
おける角度αi,βｉを示す簡略化した平面図、第16図は
第15図に示される基本的測定原理に基づいて複数の交点
に関するトラバー計算を説明するための図、第17図は第
16図に対応するトラバーの組立図、第18図は第２の計算
原理を説明するための図、第19図は第18図に示される基
本的計算方法に基づいて複数の交点に関するトラバー計
算を説明するための図、第20図は第19図に対応するトラ
バーの組立図、第21図はローリング、ピツチング、ヨー
イングおよび台車の平行移動に関する補正計算を説明す
るための図、第22図はレール２に対してヨーイングおよ
び平行移動を生じた状態を示す図、第23図はその補正計
算を説明するための図、第24図は距離L2および角度T_F,T
_Bに関連する計算を説明するための図、第25図はその計
算の手順を示すフローチヤート、第26図はローリングお
よびピツチングの補正値を求めるための計算を説明する
ための図、第27図は台車36,37の変位位置を示す図、第2
8図は第27図に示される一例の補正計算を示す図、第29
図は第28図に関連する計算手順の流れを示すフローチヤ
ート、第30図は第29図に対応する計算を説明するための
図、第31図はヨーイングおよび台車の平行移動に対する
補正計算を示す図、第32図は台車36の初期状態を示す
図、第33図はヨーイングおよび台車の平行移動を生じた
状態の台車36を示す図、第34図は第33図に対応する計算
を説明するための図、第35図はヨーイングおよび台車の
平行移動の具体的な計算を説明するための図、第36図は
レールの中心点の線分と台車中心点の線分とが交差する
場合のヨーイングおよび台車の平行移動の補正計算を説
明するための図である。 １……シールド自動測量運転制御装置、2,2a……レー
ル、３……走行体、４……シールド掘進機、12……掘削
坑、17……駆動手段、18……測角手段、19……自走距離
測定手段、20……中央制御室、21,24,30……伝送手段、
22……ピツチング計、23……ローリング計、25……演算
処理装置、26,32……表示手段、36,37……台車、38……
連結棒、44,76,77……エンコーダ、65……姿勢角検出
器、85……セグメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−251710（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−212593（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のジヤツキによつて前進しながら掘削
   して、掘削坑12を形成するシールド掘進機４と、 掘削坑12の内周面に固定されるセグメントの中心線上に
   布設されるレール２と、 レール２の発進側の基準位置に設けられるエントランス
   プレート13と、 レール２の掘進方向前端に設けられ、掘進する毎に掘進
   方向前端側に付け変えられるエンドプレート14と、 レール２に沿つてエントランスプレート13およびエンド
   プレート14間を走行し、連結棒38によつて相互に角変位
   自在に連結される一対の台車36,37を有する走行体３
   と、 シールド掘進機４に設けられ、エンドプレート14に設け
   られたターゲツトまでの距離を測定する光波測距器５
   と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４の姿勢
   角を検出する姿勢角検出器６と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のレベ
   ルを測定するレベル測定器７と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のピツ
   チング角を測定するピツチング計22と、 シールド掘進機４に設けられ、シールド掘進機４のロー
   リング角を測定するローリング計23と、 走行体３の各台車36,37にそれぞれ設けられ、各台車36,
   37の連結棒38の軸線に対する角度をそれぞれ測定する測
   角手段18,18aと、 走行体３に設けられ、走行体３の走行距離を測定する自
   走距離測定手段19,19aと、 走行体３の各台車36,37に設けられ、各台車36,37の鉛直
   面に対する傾斜角をそれぞれ測定する傾斜計46,46aと、 地上に設けられ、前記光波測距器５、姿勢角検出器６、
   レベル測定器７、ピツチング計22およびローリング計23
   によつて測定されたシールド掘進機４に関する各測定値
   ならびに前記測角手段18,18a、自走距離測定手段19,19a
   および傾斜計46,46aによつて測定された走行体３に関す
   る各測定値が入力され、走行体３に関する各測定値に基
   づいて施工法線の線形を演算して求め、この施工法線と
   前記シールド掘進機４に関する各測定値から求めたシー
   ルド掘進機４の現在位置とを比較して、シールド掘進機
   ４の計画法線に対する掘進すべき方向を求める演算手段
   25と、 シールド掘進機４に設けられ、前記演算手段25の出力に
   基づいてシールド掘進機４の現在位置およびその現在位
   置から掘進すべき方向を表示するシールド掘進機側表示
   手段９と、 地上に設けられ、演算手段25の出力に基づいて、シール
   ド掘進機４の現在位置およびその現在位置から掘進すべ
   き方向を表示する地上側表示手段26とを含むことを特徴
   とするシールド自動測量運転制御装置。