JPH0152560B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、予め計測用のコンピユータに設計線
を記憶させて、その設計線との偏位量を求めてシ
ールド機の位置および姿勢を制御するシールド機
によるトンネルの自動掘進工法に関する。

［従来技術］ 周知の如くシールド機ではその前方で多数の切
削刃すなわちカツタが回転して土砂、岩盤等（以
下単に土砂という）を掘削し、そして周囲部分に
設けた複数（例えば８個）のジヤツキによつて前
進するようになつている。この前進に際してシー
ルド機の位置や姿勢を制御するにはそれらのジヤ
ツキのストロークを制御し、以てシールド機が常
に適正位置で掘進作業を行うようにしてある。

近年コンピユータ技術の発達に伴い、シールド
機の位置や姿勢をコンピユータ制御する掘進工法
が知られている。しかしながら、従来の技術では
常に掘進した現在の位置を基準として掘進すべき
方向を定めるので、誤差が加算されやすい。

一般にコンピユータ制御によるシールド機の自
動掘進技術は公知であり、例えば特開昭50−
85128号公報に記載されている。しかしながら、
かかる公知技術ではジヤツキのみによつて姿勢を
制御しているので、中心線に合せようとすると、
シールド機は結果的には上下左右の方向にジグザ
グな運動をしてしまう。

そのために例えば特開昭55−95799号公報には
ジヤツキの作動パターンベクトルを演算する技術
が示されている。しかしながら、かかる技術でも
ジヤツキのみによる制御であるから、土質や掘進
曲線に応じてジヤツキの押圧力やカツタによる回
転モーメントに差異が生じ、そのために特定の土
質によつては必ずしも好適な制御が行われなかつ
た。

［解決しようとする課題］ したがつて本発明の目的は、土質掘進や曲線に
関係なく連続的に位置および姿勢が現在のシール
ド機の基準位置から距離に応じて修正できるシー
ルド機によるトンネルの自動掘進工法を提供する
にある。

［課題を解決する手段］ 本発明によれば、予め計測用のコンピユータに
設計線を記憶させて、この設計線との偏位量を求
めてシールド機の位置および姿勢を制御するシー
ルド機によるトンネルの自動掘進工法において、
トンネル内の基準位置にレーザー基準部および光
波発信部を設置し、シールド機の後面にレーザー
検出機および光波反射部を設置し、レーザー基準
部からレーザービームを発してレーザー検出機で
受信してシールド機の現在の位置および姿勢を連
続的に検出し、同時に光波発信部からの光波を光
波反射部で反射してシールド機と基準位置との距
離を連続的に検出し、それらの検出値からシール
ド機の現在の位置における設計線から外れた偏位
量を求め、予め掘削条件の異なる場合の複数の制
御パターンを記憶させた制御用コンピユータにそ
の偏位量を入力し、その制御用コンピユータは前
記の偏位量および過去の掘進データから制御パタ
ーンのうちの最適なものを選択し、その制御パタ
ーンに従つてカツタの作動時間回転方向および回
転数を制御すると共に、各ジヤツキに印加される
圧力を制御してシールド機の位置および姿勢を制
御するようになつている。

［作用］ したがつて、レーザー検出機および光反射部に
よつてシールド機の現在の位置、姿勢および基準
位置からの距離を連続的に検出するので、現在位
置の偏位量が求められる。そしてその偏位量を修
正するに際して制御用コンピユータには、過去の
掘進データである砂、砂利、粘土等の土質や掘削
抵抗等の掘削条件の異なる種々の現場における複
数の制御パターンが記憶されており、計測用コン
ピユータに集計されるシールド機の位置、姿勢お
よび設計線に基づいて制御用コンピユータは偏位
量および過去の掘進データから最適な制御パター
ンを選択する。

その結果、その選択した制御パターンに基づい
て、掘進用カツタの作動時間回転方向および回転
数を制御すると共に、各ジヤツキの圧力を制御
し、姿勢および位置を修正する。

すなわち、土質や掘削抵抗によつて生ずる偏位
量はあらかじめ過去の掘進データから解つている
ので、位置および姿勢の制御は最適の制御パター
ンを採用することによつて、適正な態様で行うこ
とができる。

なお、本明細書において「位置」とは設計線に
対してシールド機の掘進方向と直角な面の偏位
（横軸をＸ、縦軸をＹで示す）であり、また姿勢
とは設計線に対してシールド機の掘進方向（シー
ルド機の軸線）となす角度（零度を正しい姿勢と
する）である。

［好ましい実施の態様］ 本発明の実施に際して、レーザー検出機によつ
てシールド機の姿勢を検出するには任意適宜の技
術を適用できる。また一般にカツタの作動時間に
関し、掘削すべき地層がやわらかい土質の場合
は、カツタを止めてジヤツキのみで推進し、土質
が堅くなつたらば、カツタを連続回転させればよ
い。したがつてカツタの作動は公知の如く土質に
よつて定めることができる。カツタの回転方向に
関し、シールド機の掘進作業中に、カツタの回転
によりシールド機および後方のセグメントがロー
リングをする傾向がある。そのために、ローリン
グが大きくなる傾向があるときは反対方向に回転
させるのがよい。したがつて、シールド機の姿勢
のうちローリングに関してはカツタの回転方向で
制御できる。カツタの回転数は、前述の如く土質
によつて定められる。すなわち堅い土質の場合は
回転数を増加させると掘進速度の低下を防止でき
る。掘進速度が落ちるとジヤツキでの方向調整が
過度になつたり不足したりするので、掘進速度は
なるべく一定となるようにするのが好ましい。な
お、本発明の実施に際して円周方向を掘削する余
掘りカツタを制御してもよい。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図は本発明に従つてトンネルを自動掘進し
ている所を示しており、シールド機本体１はその
前方にカツタＣを有し、このカツタＣが回転して
トンネルＴを掘削している。その掘進作業自体は
公知のものであり、図示の実施例においてトンネ
ルＴの壁面を構成するセグメントＳとシールド機
本体１との間には複数のジヤツキ２が設けられて
いる。他方地上の調整槽３に貯えられた泥水は送
泥ポンプ４によつて送泥管５を介してシールド機
本体１に送られ、カツタで掘削した土砂と混合さ
れ、そして排泥ポンプ６によつて排泥管７を介し
て泥水処理設備８に送られる。この泥水処理設備
８において、掘削された土砂は分離され、使用可
能な泥水が調整槽３に送られる。

さて本発明の図示の実施例において、トンネル
Ｔ内の適正位置にはレーザー基準部１０および光
波発信部１１が固定されており、そしてシールド
機本体１の後面にレーザー検出機１２および光波
反射部１３（受信機能のあるもの）が取付けられ
ている。このレーザー基準部１０およびレーザー
検出器１２はシールド機の位置および姿勢の検出
機を構成しており、そして光波発信部１１と光波
反射部１３とはシールド機の距離計を構成してい
る。第１図において符号Ｈは中央制御室である。

次に主として第２図を参照して本発明の実施の
態様を説明する。

レーザー基準部１０からレーザービームを発
し、これをレーザー検出器で受信する。その結果
シールド機の現在の位置および姿勢が検出でき
る。この作業は連続的に行われる。他方光波発信
部１１からの信号波は光波反射部１３で反射され
て、レーザー基準部１０とシールド機本体１との
距離が連続的に自動測定される。このシールド機
の位置および姿勢とシールド機の距離の検出装置
は第２図においてブロツク３０で示されている。

掘進全線に渡つて、シールド機の設計線に関す
る事項すなわちレーザー検出器および光波距離計
に関するデータを計測用コンピユータ３１に記憶
させておく。そしてシールド機の位置、姿勢およ
び距離検出装置３０からの信号が計測用コンピユ
ータ３１の設計線に対する偏位量、すなわちシー
ルド機のセンタが設計線から外れた偏位量は演算
装置３２で演算され、シールド機が現在の距離に
おける位置および姿勢の偏位量が求められる。そ
してこの偏位量は制御用コンピユータ３３に送ら
れる。

制御用コンピユータ３３には土質、掘削抵抗等
の掘削条件の異なる場合の複数の制御パターンを
予め記憶させておく。前述の如くシールド機の位
置、姿勢と設計線はすべて計測用コンピユータ３
１に集計されるので、制御用コンピユータ３３は
現在値と設計値との偏位量および過去の掘進デー
タから、今後のシールド機の状態を予測して、複
数の制御パターンのうち最適なものを選択する。
そしてシールド機の制御指令装置３４に信号を送
る。この信号はシールド機制御盤３５に送り、シ
ールド機制御盤３５はシールド機１の各種の掘進
用のカツタおよびジヤツキを制御するのである。

すなわちカツタに関してはその作動時間、回転
方向および回転数を制御する。この制御を主とし
て制御パターンの選択によつて行われ、したがつ
て土質やカーブ等によつてその条件下の適正な掘
進ができる。

ジヤツキに関しては各ジヤツキに印加される圧
力を制御してシールド機の位置、姿勢を制御す
る。その一例が第３図イおよびロに示されてい
る。

第３図イにおいて、一例として８個のジヤツキ
J₁〜J₈が用いられており、そして各ジヤツキの油
圧回路は圧力可変減圧弁と比例電磁調圧弁とを組
合せたものを使用する。第３図ロは横軸に各ジヤ
ツキの番号を示し、縦軸に圧力Ｐを示している。

図示の如くジヤツキJ₃の圧力が一番高く、その
圧力差はΔPである。そして、ジヤツキＪ７は圧
力が一番低いので、シールド機は第３図イにおい
て、右方が左側よりも前進する。すなわちジヤツ
キの推進力に偏位量が生ずるのである。

このようにカツタおよびジヤツキを制御すると
シールド機の位置および姿勢が変化するが、その
データはすべて計測用および制御用コンピユータ
３１，３０にフイールドバツクされており、連続
制御が好適に行われる。

各ジヤツキにはストローク計が設けられ、スト
ロークが自動的に測定されている。このストロー
クは前記の各ジヤツキの圧力を決める１つのデー
タとして記憶される。

シールド機の位置、姿勢に関するデータは計測
用コンピユータ３１を介して記録計３６に記憶さ
れ、制御用コンピユータ３３の制御パターンの番
号や各ジヤツキの圧力ストロークも記録計３６に
記録される。この記録計３６はデータ処理機能を
備えている。

以上の如く本発明によれば、計測用コンピユー
タに設計線を記憶させ、その偏位量を制御用コン
ピユータで制御するので、常に現在の状態を修正
でき、しかも自動的に行うことができる。

［発明の効果］ 以上の如く、本発明は、下記のようなすぐれた
効果を奏する。

(1) 計測用コンピユータは連続的に基準位置から
の距離に応じた設計線からの位置および姿勢の
偏位量を検出してこれを制御用コンピユータに
送り、制御用コンピユータは土質等に応じた制
御パターンによつてカツタおよびジヤツキを制
御するので、カツタによる回転モーメントも補
正でき、その修正作動を確実に行うことができ
る。特にシールド機の状態が常にフイードバツ
クされるので、運転管理が容易であり土質もデ
ータとして入力されるので運転能率が向上す
る。

(2) 従来、シールド機の制御はジヤツキのストロ
ーク差と使用ジヤツキの選定で行つてきたが、
この従来技術ではシールド機の動きを予測して
掘進するので、その制御効果がすぐには把握で
きず一日一回はトランシツトによる入力測量を
行うまでは分らなかつた。

しかるに本発明は瞬間的に位置姿勢の状態を
フイードバツクして、連続的制御ができるた
め、制御をスピード化でき、細かい制御が自動
的にでき掘進精度を上げることができる。

(3) 連続測定のため、シールド機の動きが連続的
に監視でき、予測、対策が立てやすい。

(4) 従来、一日１〜２回行つていたトランシツト
による測量をレーザー基準部の据付時だけでよ
く、測量の省力化となる。

(5) 従来、使用ジヤツキを選定し、シールド機の
掘進状況をみて使用ジヤツキ本数を変えていた
が、本発明では各ジヤツキの圧力を変化コント
ロールすることでシールド機を円滑に制御で
き、掘進スピードを上げることができる。

(6) 従来は一日１〜２回のトランシツト等による
測量でシールド機の制御管理が断続的であるた
め、シールドトンネルの掘進精度が低下してい
た。これに対して本発明では、常時連続的に監
視制御するため、シールドトンネルは掘進精度
が非常に向上する。

(7) 本発明では、掘進に当つて計測用および制御
用コンピユータを使用しシールド機の状態を常
にフイードバツクし制御しているため、種々の
条件（地山の土質、カーブ等）を無視して直線
掘進と同様にできるため運転管理が容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するシールド機を示すト
ンネルの断面図、第２図は本発明の一実施例を示
すブロツク図、第３図イはジヤツキの配列の一例
を示す図、第３図ロはその各ジヤツキに印加され
る圧力を示す図である。 １……シールド機本体、Ｃ……カツタ、２……
ジヤツキ、３０……位置姿勢距離検出装置、３１
……計測用コンピユータ、３２……演算装置、３
３……制御用コンピユータ、３４……指令装置、
３５……制御盤、３６……記録計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 予め計測用のコンピユータに設計線を記憶さ
   せて、その設計線との偏位量を求めてシールド機
   の位置および姿勢を制御するシールド機によるト
   ンネルの自動掘進工法において、トンネル内の基
   準位置にレーザー基準部および光波発信部を設置
   し、シールド機の後面にレーザー検出機および光
   波反射部を設置し、レーザー基準部からレーザー
   ビームを発してレーザー検出機で受信してシール
   ド機の現在の位置および姿勢を連続的に検出し、
   同時に光波発信部からの光波を光波反射部で反射
   してシールド機と基準位置との距離を連続的に検
   出し、それらの検出値からシールド機の現在の位
   置における設計線から外れた偏位量を求め、予め
   掘削条件の異なる場合の複数の制御パターンを記
   憶させた制御用コンピユータにその偏位量を入力
   し、その制御用コンピユータは前記の偏位量およ
   び過去の掘進データから制御パターンのうちの最
   適なものを選択し、その制御パターンに従つてカ
   ツタの作動時間回転方向および回転数を制御する
   と共に、各ジヤツキに印加される圧力を制御して
   シールド機の位置および姿勢を制御することを特
   徴とするシールド機によるトンネルの自動掘進工
   法。