(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先導管の先端部にオーガを装備し上下左右に首振り傾斜可能な先導管ヘッドおよび前記先導管の施工計画線に対する実ずれ量を検出する位置検出手段を有し、前記位置検出手段が検出する実ずれ量が予め設定された修正領域にある場合には、前記先導管ヘッドの首振り傾斜角に変化を与え、前記実ずれ量が減少する方向へ掘進方向を修正する掘削機の掘進方向制御装置において、
前記位置検出手段が検出する実ずれ量の所定のタイミング毎における実ずれ量の変化を監視する実ずれ量監視手段と、
該実ずれ量監視手段が監視する実ずれ量の変化より前記先導管の位置が前記施工計画線に戻る傾向にあるか否かを判断する修正傾向判断手段と、
前記掘削機の掘進方向修正動作の実行から掘進方向修正動作の解除、掘進方向修正動作の再実行の過程で、該掘進方向修正動作の解除完了時に、前記位置検出手段が検出する実ずれ量が依然として修正領域にある場合であっても、前記修正傾向判断手段の前記先導管の位置が前記施工計画線に戻る傾向にあると判断している間は、前記掘進方向修正動作の再実行を実行させない制限手段と
を具備したことを特徴とする掘削機の掘進方向制御装置。
【請求項２】
前記位置検出手段が検出する実ずれ量が、上下方向、及び左右方向が同時に修正領域に入っている場合は、前記先導管の上下、左右方向のいずれか一方についての前記掘進方向修正動作の解除完了時に、前記修正傾向判断手段によって前記先導管の位置が当該一方について前記施工計画線に戻る傾向にあると判断された場合、当該一方についての掘進方向修正動作を再実行せずに、前記先導管の上下、左右方向の残りの他方についての掘進方向修正動作を実行する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の掘削機の掘進方向制御装置。
【請求項３】
前記先導管の左右方向について掘進方向修正制御実行中、あるいは掘進方向修正傾向判断中であっても、前記位置検出手段が検出する実ずれ量が、上下方向に修正領域に入っている場合は、上下方向について優先的に掘進方向修正制御を実行する手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の掘削機の掘進方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下水道や配線、配管ダクトなどを敷設するトンネル（横穴）を自動掘進する掘削機の掘削方向を制御する掘削機の掘進方向制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の掘削機の掘進方向制御装置としては、シールド工法によりトンネルを自動掘進する掘削機の先導管の実際位置が施工計画線に沿って進むように掘削機の掘進方向を制御するものが、たとえば特開昭６３−１９４０９５号公報に開示されている。
【０００３】
また、カッタヘッド前面に作用する土圧を土圧計により検出し、カッタヘッド前面に作用する土圧による抵抗力を考慮してカッタヘッドの変位を修正するものが、たとえば特開平４−９２０８７号公報に開示されている。
【０００４】
しかし、特開昭６３−１９４０９５号公報および特開平４−９２０８７号公報記載の掘進方向制御装置では、掘進方向の修正動作の開始、解除時の反動力による先導管の移動量が考慮されていないため、施工管路の蛇行が大きくなるという欠点があった。そこで、掘進方向修正動作の開始、解除時の反動力による先導管の移動量を考慮し、施工管路の蛇行を抑える掘進方向制御装置が、たとえば特開平７−１６６７９４号公報に開示されている。
【０００５】
このような掘進方向制御装置による掘進方向制御動作を図４に示すフローチャートに基づいて説明すると、以下の如くなる。
まず、修正量Ｅと修正領域（修正開始実ずれ量）Ｚ１を設定する（ステップＳ１，Ｓ２）。この規定値設定後において、位置ずれ量を検出し（ステップＳ３）、先導管のローリング値を検出し（ステップＳ４）、位置ずれ量とローリング値（先導管の傾斜度）とにより先導管の実ずれ量を演算する（ステップＳ５）。
【０００６】
次に、実ずれ量が修正開始実ずれ量Ｚ１に達したか否かを判別し（ステップＳ６）、実ずれ量が修正開始実ずれ量Ｚ１に達するまではステップＳ３からステップＳ５を繰り返し実行して実ずれ量が修正開始実ずれ量Ｚ１に達したかを監視する。
実ずれ量が修正開始実ずれ量Ｚ１に達すると、オーガヘッドを駆動する油圧シリンダに油圧を供給して、オーガヘッドが首振り傾斜される修正動作を開始する（ステップＳ７）。
【０００７】
次に、油圧シリンダの油圧値を検出し（ステップＳ８）、油圧値が上限に達すれば（ステップＳ９）、修正動作が完了したと判定し（ステップＳ１０）、このときの位置ずれ量とローリング値（ステップＳ１１，Ｓ１２）とにより先導管の実ずれ量Ｚ２を演算し（ステップＳ１３）、実ずれ量Ｚ２から修正開始実ずれ量Ｚ１を差し引いて先導管の移動量Ｒ1 を算出する（ステップＳ１４）。
【０００８】
次に、移動量ランクを分別し（ステップＳ１５）、修正量ＥL を読み込む（ステップＳ１６）。この規定値設定後において、位置ずれ量を検出し（ステップＳ１７）、先導管のローリング値を検出し（ステップＳ１８）、位置ずれ量とローリング値とにより先導管の実ずれ量Ｚ3 を演算する（ステップＳ１９）。
【０００９】
次に、この実ずれ量Ｚ３より修正動作完了時実ずれ量Ｚ２を差し引いて、実修正効果量Ｅ１を演算する（ステップＳ２０）。実修正効果量Ｅ１が修正量ＥＬに達したか否かを判別し（ステップＳ２１）、実修正効果量Ｅ１が修正量ＥＬに達するまではステップＳ１７からステップＳ２０を繰り返し実行して、実修正効果量Ｅ１が修正量ＥＬに達したかを監視する。
実修正効果量Ｅ１が修正量ＥＬに達すると、修正解除動作を開始し（ステップＳ２２）、リミットスイッチをオンすることにより（ステップＳ２３）、修正解除動作を完了する（ステップＳ２４）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記提案の如き特開平７−１６６７９４号公報に開示された掘進方向制御装置では、実ずれ量が修正開始範囲に入ったために掘進方向の修正を開始しようとして、先導管ヘッドが首振り傾斜されると、その動作による反動力により先導管が移動する。このため、首振り傾斜の解除動作開始から完了時に、修正実行領域に先導管ヘッドの実ずれ量が位置していると、再度首振り傾斜を実行することになる。
【００１１】
このため、図５（ａ），（ｂ）に示すように首振り傾斜動作の反動力による先導管の移動が再度生じることとなり、管路の蛇行の原因となる。なお、図５（ａ），（ｂ）は下向き修正時開始前後の先導管および先導管ヘッドの動きを下方向修正時を例に挙げて示している。
【００１２】
また、修正解除時に再び先導管ヘッドが真直ぐに戻されると、逆の反動によって先導管が移動し、この移動によっても位置検出器の位置が変動し、この位置変動によって実ずれ量が小さく検出される。
このような理由から図６に示されているように、施工管路（先導管の軌跡）が繰り返し大きく蛇行する。
【００１３】
管路の蛇行が大きくなりすぎると、図７に示すように、掘削計画線であるレーザービームが蛇行壁面により遮られ、先導管に設けられている位置検出器に当たらなくなり、この場合には施工済みの敷設管を一度引き抜いて、施工をやり直さなくてはならなくなる。このため、工数的に多大な損害を被ることになる。また、敷設管同士の接続に接着剤等を使用していた場合には、敷設管自体を新しい物に交換しなくてはならなくなり、大幅なコストアップになる。
また、施工が完了しても、特に下水道管の場合には、管路の蛇行部分に汚水、汚物が溜まり、管路の詰まりや悪臭の発生の原因となるなどの問題点がある。
【００１４】
本発明は、前記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、施工管路の蛇行を抑制し、管敷設などのためのトンネルが施工計画線に沿って掘進されるように掘削機の掘進方向を制御する掘進方向制御装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明は、先導管の先端部にオーガを装備し上下左右に首振り傾斜可能な先導管ヘッドおよび先導管の施工計画線に対する実ずれ量を検出する位置検出手段を有し、位置検出手段が検出する実ずれ量が予め設定された修正領域にある場合には、先導管ヘッドの首振り傾斜角に変化を与え、実ずれ量が減少する方向へ掘進方向を修正する掘削機の掘進方向制御装置において、位置検出手段が検出する実ずれ量の所定のタイミング毎における実ずれ量の変化を監視する実ずれ量監視手段と、実ずれ量監視手段が監視する実ずれ量の変化より先導管の位置が施工計画線に戻る傾向にあるか否かを判断する修正傾向判断手段と、掘削機の掘進方向修正動作の実行から掘進方向修正動作の解除、掘進方向修正動作の再実行の過程で、その掘進方向修正動作の解除完了時に、位置検出手段が検出する実ずれ量が依然として修正領域にある場合であっても、修正傾向判断手段の先導管の位置が施工計画線に戻る傾向にあると判断している間は、掘進方向修正動作の再実行を実行させない制限手段とを具備したことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、位置検出手段が検出する実ずれ量が、上下方向、及び左右方向が同時に修正領域に入っている場合は、先導管の上下、左右方向のいずれか一方についての掘進方向修正動作の解除完了時に、修正傾向判断手段によって先導管の位置が当該一方について施工計画線に戻る傾向にあると判断された場合、当該一方についての掘進方向修正動作を再実行せずに、先導管の上下、左右方向の残りの他方についての掘進方向修正動作を実行する手段を備えたことを特徴としている。
また、本発明は、先導管の左右方向について掘進方向修正制御実行中、あるいは掘進方向修正傾向判断中であっても、位置検出手段が検出する実ずれ量が、上下方向に修正領域に入っている場合は、上下方向について優先的に掘進方向修正制御を実行する手段を備えたことを特徴としている。
【００１７】
また、本発明は、先導管の上下方向について優先的に掘進方向修正動作を実行することを任意に設定変更可能な実ずれ量エリアを備え、前記実ずれ量エリア以外の領域では左右方向について優先的に掘進方向修正動作を実行することを特徴としている。
【００１８】
従って、本発明では、修正傾向判断手段により、先導管が施工計画線に戻り傾向にあるか否かが判断され、戻り傾向にあれば修正領域でも先導管ヘッドの首振り傾斜動作は再度実行されない。よって、先導管は蛇行することなく、緩やかに施工計画線上に修正される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するに当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置を含む掘削システムの一例を示すシステムブロック図、図２は、本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置の掘進制御動作を示すフローチャート、図３は、本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置による掘進方向制御下の先導管の掘進軌跡を経時的に示す図である。
【００２０】
図１において、１は掘削機を全体的に示している。掘削機１は、先導管２の先端部にオーガヘッド（先導管ヘッド）３を上下左右に首振り傾斜可能に有しており、オーガヘッド３にはオーガ４が設けられている。
先導管２にはオーガヘッド３を上下左右に首振り傾斜させるための４個の油圧シリンダ５が設けられている。
【００２１】
この４個の油圧シリンダ５は油圧制御部６と接続されており、油圧制御部６は各油圧シリンダ５に対する油圧の給排を個別に制御する。
先導管２には、後方配置のＨｅ−Ｎｅレーザーなどによるレーザー発振器７が発振するレーザービームＬの入射位置を走査検出する位置検出センサ８と、先導管２の傾斜度（ローリング値）を検出する傾斜角センサ９と、リミットスイッチ１０が設けられている。
【００２２】
位置検出センサ８は、光起電力素子を用いた光位置検出器、その他ＣＣＤカメラと画像処理装置によるものであって良い。
掘進方向制御装置１１は、マイクロコンピュータにより構成され、位置ずれ量検出部１２と、実ずれ量演算部１３と、修正動作完了検出部１４と、修正解除動作完了検出部１５と、首振り傾斜動作司令部１６と、タイマー１７と、修正傾向判断部１９と、修正効果量決定部２０と、首振り傾斜動作解除時期設定手段１８とを含んでいる。
【００２３】
位置ずれ量検出部１２は、位置検出センサ８より入射位置信号を入力して施工計画線に対する先導管２の位置ずれ量を検出する。実ずれ量演算部１３は、位置ずれ量検出部１２により検出された先導管２の位置ずれ量と傾斜角センサ９により計測される先導管２の傾斜度により先導管２の実ずれ量を演算算出する。
修正動作完了検出部１４は油圧シリンダ５に供給された油圧値より修正動作押完了を検出する。修正解除動作完了検出部１５はリミットスイッチ１０のオンオフにより修正解除動作完了を検出する。
【００２４】
首振り傾斜動作司令部１６は、施工計画線の上下左右に各々オペレータにより設定された修正領域を予め記憶し、実ずれ量演算部１３により求められた実ずれ量が修正領域に入れば、先導管先端の修正方向、すなわちオーガヘッド３の首振り傾斜方向を判断し、首振り傾斜動作指令を油圧制御部６へ出力する。なお、修正領域の設定は修正動作開始実ずれ量を定義することにより行われる。
【００２５】
修正効果量演算部１７は、首振り傾斜動作司令部１６が油圧制御部６へ首振り傾斜動作指令を出力することからオーガヘッド３の首振り傾斜動作開始時（修正動作開始時）を認識し、修正動作完了検出部１４の出力信号よりオーガヘッド３の首振り傾斜動作完了時（修正動作完了時）を認識し、実ずれ量演算部１３より先導管２の実ずれ量情報を取り込み、オーガヘッド３の首振り傾斜動作開始時と首振り傾斜動作完了時における先導管２の実ずれ量の変化量（移動量）Ｒを一つの変数とし、所定の修正係数ｋを含む下記の関数式に従って修正効果量Ｅ（前述の修正量ＥＬ）を演算する。
【００２６】
修正効果量Ｅ＝ｋ・Ｒ
（但し、ｋ＜１）
先導管２の実ずれ量の変化量Ｒは下式により算出される。この変化量Ｒはオーガヘッド３の修正動作による反動に起因する先導管２の移動量である。
【００２７】
変化量Ｒ＝Ｚ1 −Ｚ2 
Ｚ1 ：オーガヘッド３の首振り傾斜動作開始時の実ずれ量
Ｚ2 ：オーガヘッド３の首振り傾斜動作完了時の実ずれ量
なお、オーガヘッド３の首振り傾斜動作開始時の実ずれ量Ｚ1 は、修正領域の設定時に定義される修正動作開始実ずれ量（規定値）であってよい。
【００２８】
首振り傾斜動作解除時期設定部１８は、オーガヘッド３の首振り傾斜動作完了後の実ずれ量の変化量と修正効果量演算部１７により算出された修正効果量Ｅとの関係において先導管ヘッドの首振り傾斜動作を解除する時期を設定し、首振り傾斜動作解除指令を油圧制御部６へ出力する。
【００２９】
オーガヘッド３の首振り傾斜動作完了後の実ずれ量の変化量、すなわち実修正効果量が修正効果量Ｅに達すれば、オーガヘッド３の首振り傾斜動作解除指令が出力されてよく、これによりオーガヘッド３の首振り傾斜動作による方向修正の実修正効果量が修正効果量Ｅに達すると、オーガヘッド３の修正解除動作が開始され、オーガヘッド３の首振り傾斜動作が解除される。
【００３０】
ここで、先導管２の実ずれ量を緩やかに修正しようとすれば、修正解除動作後、修正解除動作による反動に起因する先導管２の移動後にも先導管２の実ずれ量が修正領域に入るように補正係数ｋが求められる。
オーガヘッド３の首振り解除動作完了後には、タイマー１７が動作を開始する。タイマー値は修正領域と同様に予め設定される。
【００３１】
修正傾向判断部１９は、タイマー１７動作前の先導管２の位置ずれ量Ｚ3 と動作後のずれ量Ｚ4 とを比較し、Ｚ3 −Ｚ4 ≧０であれば、修正が収束傾向にあると判断し、引き続き先導管２のずれ量が無修正領域に入るまで修正傾向判断を継続する。
【００３２】
一方、Ｚ3 −Ｚ4 ＜０となった場合は、ずれ傾向にあると判断し、再度首振り傾斜動作を開始する。ここで、修正傾向の判定基準（Ｚ3 −Ｚ4 ）は０でなく、修正領域の設定時に定義される判定基準値（規定値）であってよい。
また、通常自然流下式の下水道管を敷設する場合、管路の勾配が重要であるので、上下方向、及び左右方向が同時に修正領域に入っている場合は、上下方向を優先的に修正をかける。
【００３３】
しかし、本実施例に示す方式では、上下方向が上述のように先導管２の実ずれ量が収束傾向にある場合には首振り傾斜動作司令部１６は左右方向の修正を実行しても良い。
また、必ずしも全てのエリアにおいて上下方向を優先させる必要はなく、例えば上下方向の実ずれ量に対して、左右方向の実ずれ量が２倍以上の場合は左右方向について優先的に修正動作を実行する等の処理を行っても良い。
【００３４】
以上の事柄を図２のフローチャートにより説明すると、以下の如くなる。
まず、タイマー値ｔを設定する（ステップＳ３１）。修正動作が完了する（ステップＳ３２）と、このときの実ずれ量Ｚ3 を取り込み（ステップＳ３３）、無修正領域か否かを判断する（ステップＳ３４）。無修正領域ならば、修正を行なわず、修正領域ならば、カウント（ｔ）をとりながら（ステップＳ３５，Ｓ３６）、実ずれ量Ｚ4 を取り込む（ステップＳ３７）。次に、実ずれ量Ｚ3 から実ずれ量Ｚ4 を差し引いて修正傾向Ｅs を演算する（ステップＳ３８）。そして、修正傾向Ｅs ≧０か否かを判別する（ステップＳ３９）。修正傾向Ｅs ≧０の場合は、ステップＳ３３からステップＳ３８を繰り返し実行し、修正傾向Ｅs ＜０の場合は、修正を開始する（ステップＳ４０）。
【００３５】
従って、本実施の形態によれば、修正傾向判断部１９により、先導管２が施工計画線に戻り傾向にあるか否かが判断され、図３に示すように、戻り傾向にあれば修正領域でもオーガヘッド３の首振り傾斜動作は再度実行されない。つまり、首振り傾斜動作完了後の先導管２の実ずれ量の傾向から、再修正をかけるか否かが判断されるので、修正の２度がけが防止され、常に適切なタイミングで首振り傾斜動作が行われる。これにより、施工管路の蛇行が抑制される。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の掘削機の掘進方向制御装置によれば、修正傾向判断手段により、首振り傾斜動作完了後の先導管の実ずれ量の傾向から、再修正をかけるか否かが判断されるので、修正の２度がけが防止され、常に適切なタイミングで首振り傾斜動作が行われる。このため、施工管路の蛇行を掘削土質に左右されることなく長距離に渡って抑制することができ、管敷設などのためのトンネルが施工計画線に沿って掘進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置を含む掘削システムの一例を示すシステムブロック図。
【図２】本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置の掘進制御動作を示すフローチャート。
【図３】本発明の一実施の形態を示す掘削機の掘進方向制御装置による掘進方向制御下の先導管の掘進軌跡を経時的に示す図。
【図４】従来の掘進方向制御装置における掘進方向制御の動作を示すフローチャート。
【図５】（ａ），（ｂ）は下向き修正時開始前後の先導管及び先導管ヘッドの動きを下方向修正時を例に挙げて説明する図。
【図６】従来の掘進方向制御装置による掘進方向制御下の先導管の掘進軌跡を経時的に示す図。
【図７】掘進されたトンネルの蛇行によりレーザービームが蛇行壁面により遮られる状態を説明する図。
【符号の説明】
１…掘削機
２…先導管
３…オーガヘッド
４…オーガ
５…油圧シリンダ
６…油圧制御部
７…レーザー発振器
８…位置検出センサ
９…傾斜角センサ
１０…リミットスイッチ
１１…掘進方向制御装置
１２…位置ずれ量検出部
１３…実ずれ量演算部
１４…修正動作完了検出部
１５…修正解除動作完了検出部
１６…首振り傾斜動作司令部
１７…タイマー
１８…首振り傾斜動作解除時期設定部
１９…修正傾向判断部
２０…修正効果量決定部
【図１】
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【図２】
0003709244.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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