(57)【要約】【課題】シールドマシンの全体において、掘削を行った後の地山との位置関係、及び設置したセグメントとの位置関係を把握することを可能とする。【解決手段】座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、シールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報とに基づいて、シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出し、トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出し、シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、計測位置からセグメントまでの距離と、予め定められるセグメントの厚みの長さと、シールドマシン座標情報とに基づいて、セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出し、シールドマシン、掘削境界、及びセグメントの位置関係を逐次表示する。【選択図】図３
2018021429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報を記憶するシールドマシン形状情報記憶部と、
座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出するシールドマシン座標算出部と、
前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出する掘削境界座標算出部と、
前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出するセグメント座標算出部と、
前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示する掘進状況表示部と、
を備えることを特徴とする掘進状況管理装置。
【請求項２】
前記計測位置は、前記シールドマシンのスキンプレートにより形成される内周空間内であって前記セグメントが設置される内周空間内に位置しており、
前記計測位置から計測される、前記計測位置から前記シールドマシンの前記スキンプレートまでの距離を記憶するスキンプレート距離記憶部を備え、
前記セグメント座標算出部は、
前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、前記スキンプレート距離記憶部に記憶される前記計測位置から前記スキンプレートまでの距離と、に基づいて、前記スキンプレートと前記セグメントの間の距離を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の掘進状況管理装置。
【請求項３】
前記掘削境界座標算出部は、
前記シールドマシンから、余掘りを行う際に定められるコピーカッターの突出長を示す情報を受けた場合、前記シールドマシン座標情報と、前記コピーカッターの突出長とに基づいて、前記掘削境界座標情報を逐次算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の掘進状況管理装置。
【請求項４】
前記シールドマシン座標算出部は、
前記シールドマシンから、前記シールドマシンの中折角度の情報を受けた場合、前記基準点から前記計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報と、前記中折角度の情報とに基づいて、前記シールドマシン座標情報を算出する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の掘進状況管理装置。
【請求項５】
トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報をシールドマシン形状情報記憶部に記憶させ、
座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出し、
前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出し、
前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出し、
前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示する
ことを特徴とする掘進状況管理方法。
【請求項６】
コンピュータに、
トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報をシールドマシン形状情報記憶部に記憶させる手順、
座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出する手順、
前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出する手順、
前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出する手順、
前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示する手順、
を実行させるための掘進状況管理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘進状況管理装置、掘進状況管理方法、及び掘進状況管理プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの掘削に用いられるシールドマシンを掘進させていく場合、シールドマシン内で設置していくセグメントの端部と、スキンプレートとが接触して破損しないように、例えば、特許文献１に示されるような、セグメントとスキンプレートの距離、いわゆるテールクリアランスを計測するような技術が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０４５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実際にトンネルを掘削する場合、シールドマシンには、中折れが可能となっており、カーブするトンネルを掘削できるものもある。このような場合、スキンプレートの後方部分（以下、テールプレートともいう）が、セグメントと接触したり、地山と接触したりして、セグメントやスキンプレートを破損させてしまう恐れがある。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、前述の通り、スキンプレートとセグメントの端部との距離を計測することができるが、例えば、カーブのあるトンネルを掘削する場合に、スキンプレートの後端部と掘削を行った後の地山との位置関係やスキンプレートの後端部と設置したセグメントとの位置関係を把握することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、シールドマシンの全体において、掘削を行った後の地山との位置関係、及び設置したセグメントとの位置関係を把握することを可能とする掘進状況管理装置、掘進状況管理方法、及び掘進状況管理プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報を記憶するシールドマシン形状情報記憶部と、座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出するシールドマシン座標算出部と、前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出する掘削境界座標算出部と、前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出するセグメント座標算出部と、前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示する掘進状況表示部と、を備えることを特徴とする掘進状況管理装置である。
【０００８】
また、本発明の一態様は、上記に記載の発明において、前記計測位置は、前記シールドマシンのスキンプレートにより形成される内周空間内であって前記セグメントが設置される内周空間内に位置しており、前記計測位置から計測される、前記計測位置から前記シールドマシンの前記スキンプレートまでの距離を記憶するスキンプレート距離記憶部を備え、前記セグメント座標算出部は、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、前記スキンプレート距離記憶部に記憶される前記計測位置から前記スキンプレートまでの距離と、に基づいて、前記スキンプレートと前記セグメントの間の距離を算出するようにしてもよい。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上記に記載の発明において、前記掘削境界座標算出部は、前記シールドマシンから、余掘りを行う際に定められるコピーカッターの突出長を示す情報を受けた場合、前記シールドマシン座標情報と、前記コピーカッターの突出長とに基づいて、前記掘削境界座標情報を逐次算出するようにしてもよい。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上記に記載の発明において、前記シールドマシン座標算出部は、前記シールドマシンから、前記シールドマシンの中折角度の情報を受けた場合、前記基準点から前記計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報と、前記中折角度の情報とに基づいて、前記シールドマシン座標情報を算出するようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の一態様は、トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報をシールドマシン形状情報記憶部に記憶させ、座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出し、前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出し、前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出し、前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示することを特徴とする掘進状況管理方法である。
【００１２】
また、本発明の一態様は、コンピュータに、トンネルの掘削を行うシールドマシンの形状を示すシールドマシン形状情報をシールドマシン形状情報記憶部に記憶させる手順、座標が既知の基準点から逐次計測される、当該基準点から前記シールドマシン内において予め定められる計測目標までの距離及び角度と、前記シールドマシン形状情報とに基づいて、前記シールドマシンの位置を示すシールドマシン座標情報を算出する手順、前記シールドマシンにより掘削される前記トンネルの掘削境界の位置を示す掘削境界座標情報を、前記シールドマシン座標情報に基づいて逐次算出する手順、前記シールドマシン内において予め定められる計測位置から逐次計測される、前記計測位置から前記セグメントまでの距離と、予め定められる前記セグメントの厚みの長さと、前記シールドマシン座標情報とに基づいて、前記セグメントの位置を示すセグメント座標情報を算出する手順、前記シールドマシン座標情報と、前記掘削境界座標情報と、前記セグメント座標情報とに基づいて、前記シールドマシン、前記掘削境界、及び前記セグメントの位置関係を逐次表示する手順、を実行させるための掘進状況管理プログラムである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、シールドマシンの全体において、掘削を行った後の地山との位置関係、及び設置したセグメントとの位置関係を把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態によるシールドマシンの構成を示す図である。
【図２】同実施形態による基準点の定め方を示す図である。
【図３】同実施形態による掘進状況管理装置の内部構成を示す図である。
【図４】同実施形態によるスキンプレートの位置情報の計測手法を示す図である。
【図５】同実施形態の掘進状況管理装置による処理を示すフローチャートである。
【図６】同実施形態のセグメント座標算出部による処理を示す図である。
【図７】同実施形態による掘進状況表示部により表示される画面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、シールドマシン１の構成を示す図である。シールドマシン１は、例えば、円筒形状をしており、スキンプレート７により構成される胴筒の前方に、カッター駆動装置４によって駆動される、掘削を行うカッター２を備える。掘削の工程としては、シールドマシン１の胴筒の後方において、図示しないエレクタがトンネルの壁面となるセグメント２０を組み立て、組み立てたセグメント２０の端部にジャッキ５を押し当てて、ジャッキ５を伸長させるとともに、カッター２によって掘削を行って、シールドマシン１全体を掘進させる。掘進の後、ジャッキ５を縮小させることにより生じるスペースに、再びエレクタがセグメント２０を組み立てるという工程を繰り返してトンネルを掘り進むとともに、トンネルの壁面をセグメント２０により構築していく。掘進の際には、セグメント２０の先端部付近とスキンプレート７との間の空間（以下、前方テールクリアランス３１という）と、スキンプレート７の後端部付近とセグメント２０の間の空間（以下、後方テールクリアランスという３５という）に余裕をもたせて、これらが接触しないようにして掘進させていく。
【００１６】
シールドマシン１は、カッター２、カッター駆動装置４、ジャッキ５、スキンプレート７、及びセグメント２０以外の構成として、コピーカッター３、テールシール（テールシールブラシ）８、テールクリアランス計測装置６、ジャッキ駆動装置９、制御装置１０、デッキ１１、セグメント位置計測装置１２、シールドマシン位置計測装置１３、ターゲットマーク１４、及びストロークセンサ１５を備える。コピーカッター３は、カッター２の側面から突出し、幅を広げて掘削する余掘りを行う際に用いられる。ここで、余掘りとは、例えば、トンネルをカーブさせて構築する場合、シールドマシン１がカーブを曲がっていく途中でスキンプレート７の後方であるテールプレートの部分が地山と接触しないように余分に掘削しておく必要がある場合に行われる手法である。テールシール８は、掘削後の地山との境界である掘削境界３０とスキンプレート７の間、及び掘削境界３０とセグメント２０の間に蓄積する泥や地下水等がシールドマシン１内に流れ込むことを防ぐものであり、例えば、ワイヤブラシ等が適用される。
【００１７】
テールクリアランス計測装置６は、ジャッキ５に接するセグメント２０の先端部付近とスキンプレート７との間の空間の長さである前方テールクリアランス３１を計測する装置である。計測の手法としては、カメラ等によって撮影された画像を分析して前方テールクリアランス３１を計測する手法や、特許文献１に示される機械的な構成により計測する手法などが適用される。デッキ１１は、シールドマシン１の操作者が、操作を行ったり、各種装置を設置したりする場所であり、制御装置１０やセグメント位置計測装置１２が備えられる。
【００１８】
セグメント位置計測装置１２は、例えば、光波測距儀等が適用され、デッキ１１の予め定められる計測位置に設置され、当該計測位置からセグメント２０によって形成される内周面の任意に定められる点までの距離３３をレーザ光により逐次計測する。任意に定められる点として、例えば、水平面とセグメント２０とが交わるラインであるＳＬ(Spring Line)上の２点を計測するようにしてもよい。シールドマシン１は、１分間に、例えば３ｃｍ程度進んでいくため、セグメント位置計測装置１２による計測の間隔としては、例えば、１０秒程度の間隔が適用される。また、任意に定められる点は、少なくとも２点以上とし、図１では、鉛直方向において交差する２点を計測している図としているが、水平方向において交差する２点を計測するようにしてもよいし、三次元での位置を特定するために３点を計測するようにしてもよい。
【００１９】
ターゲットマーク１４は、計測目標となるマークであり、シールドマシン１において予め定められた位置に設置または貼付され、シールドマシン位置計測装置１３による位置計測の際の目標とされる。設置または貼付されるターゲットマーク１４の数は、例えば、シールドマシン１の三次元座標を特定する場合には、少なくとも３つ以上必要となる。シールドマシン位置計測装置１３は、例えば、トランシット等の距離及び角度を計測する装置であり、掘削されたトンネル内のシールドマシン１の後方の座標が既知の基準点に設置され、当該基準点からシールドマシン１のターゲットマーク１４までの距離３２や角度を逐次計測する。計測の間隔は、例えば、セグメント位置計測装置１２による計測間隔と同様の１０秒程度の間隔である。
【００２０】
シールドマシン位置計測装置１３が設置される基準点は、例えば、図２に示すように、シールドマシン１の掘進に応じて、新たな基準点が定められる。新たな基準点が定められる間隔は、カーブの存在等によって基準点からシールドマシン１のターゲットマーク１４が視認できなくなる場合を除いては、例えば、５０ｍ程度の間隔が適用される。カーブ等があり視認できなくなる場合、短い間隔であっても必要に応じて新たな基準点が定められる。図２において、最初の基準点３６−１の三次元座標は、例えば、国土地理院の測量点などの座標が既知の地点に設置した計測装置を用いた計測により求められる。シールドマシン１が掘進した場合、次の基準点３６−２を定めて、基準点３６−１の座標に当該計測装置を設置して、基準点３６−２の三次元座標を求める。これを順に繰り返していき、基準点３６−３，３６−４，３６−５の三次元座標を計測により求めていき、シールドマシン１に最も近い基準点３６−５に、設置されたシールドマシン位置計測装置１３により、ターゲットマーク１４までの距離３２と角度の計測が行われる。
ジャッキ駆動装置９は、ジャッキ５ごとに備えられており、ジャッキ５を伸縮させるためのポンプユニット等から構成され、後述する制御装置１０の操作部における、操作者による操作を受けて、ジャッキ５を伸長、及び縮小させる伸縮の制御を行う。
ストロークセンサ１５は、ジャッキ５ごとに備えられており、ジャッキ５が伸長した長さを示すストローク長をジャッキ５ごとに計測する。
【００２１】
制御装置１０は、操作者による操作を受ける操作部を備えており、操作者の操作を受けてシールドマシン１のカッター駆動装置４を駆動させ、操作者によって設定される余掘りを行う長さでコピーカッター３を突出させる。また、制御装置１０は、カーブのあるトンネルを掘削する場合、シールドマシン１を図２のように中折れさせる制御を行い、その場合、操作者によって設定される中折角度にしたがって、シールドマシン１を中折れさせる。
【００２２】
また、制御装置１０は、テールクリアランス計測装置６が計測する前方テールクリアランス３１の長さの情報や、セグメント位置計測装置１２が計測するセグメント２０までの距離３３の情報や、シールドマシン位置計測装置１３が計測するターゲットマーク１４までの距離３２や角度の情報や、ストロークセンサ１５が計測するジャッキ５のストローク長の情報を取得する。これらの情報を取得する手段は、有線または無線の通信手段であってもよいし、人の操作を受けて入力されることにより取得するような構成であってもよい。また、制御装置１０は、取得した距離３３、距離３２及び角度の情報と、セグメント位置計測装置１２が設置される計測位置の情報と、シールドマシン位置計測装置１３が設置される基準点の三次元座標の情報と、前方テールクリアランス３１の長さの情報、コピーカッター３の突出長、ジャッキ５のストローク長、及び中折角度の情報とを掘進状況管理装置６０に対して出力する。
【００２３】
図３は、本実施形態による掘進状況管理装置６０の内部構成とシールドマシン１との関係を示すブロック図である。掘進状況管理装置６０は、情報入力部６１、シールドマシン形状情報記憶部６２、セグメント情報記憶部６３、スキンプレート距離情報記憶部６４、シールドマシン座標算出部６５、掘削境界座標算出部６６、セグメント座標算出部６７、ジャッキストローク長取得部６８、テールクリアランス取得部６９、及び掘進状況表示部６００を備える。
【００２４】
情報入力部６１は、シールドマシン１の制御装置１０が出力する情報を、例えば、有線や無線の通信手段、電子的な記録媒体、または、人の入力操作等を介して内部に入力する。シールドマシン形状情報記憶部６２は、中折れしていない状態でのシールドマシン１の形状を示すシールドマシン形状情報を、例えば、シールドマシン１において予め定められる任意の点を原点とする三次元座標情報として予め記憶する。セグメント情報記憶部６３には、セグメント２０の厚みの長さを示す情報が予め記憶される。
【００２５】
スキンプレート距離情報記憶部６４は、図４に示すように、セグメント２０が設置される前の計測位置からテールシール８より後方のスキンプレート７が見通せる状態で、セグメント位置計測装置１２が予め計測するスキンプレート７の内周面までの距離３４の情報を記憶する。掘削が開始されてしまうと、テールシール８とセグメント２０とは常に接触して計測位置から見通せない状態となるため、距離３４の計測は、掘削を行う前に行われる。当該距離３４の情報は、例えば、セグメント位置計測装置１２が計測して出力した情報を制御装置１０が取り込み、制御装置１０から出力される情報を情報入力部６１が受けて、情報入力部６１がスキンプレート距離情報記憶部６４に書き込む等の処理により予め記憶される。
【００２６】
シールドマシン座標算出部６５は、情報入力部６１を通じて、シールドマシン位置計測装置１３によって逐次計測されるターゲットマーク１４までの距離３２及び角度の情報、並びにシールドマシン位置計測装置１３が設置される基準点の三次元座標情報を制御装置１０から取得する。また、シールドマシン座標算出部６５は、距離３２及び角度の情報と、基準点の三次元座標情報と、シールドマシン形状情報記憶部６２に記憶されているシールドマシン形状情報とに基づいて、基準点の座標系におけるシールドマシン１の三次元座標情報（以下、シールドマシン座標情報という）を算出する。
【００２７】
また、シールドマシン座標算出部６５は、シールドマシン位置計測装置１３が距離３２及び角度を計測する間隔、例えば、１０秒ごとにシールドマシン座標情報の算出を行う。シールドマシン１が５０ｍ程度、掘進して進んだ場合等、前述したように、基準点が新しい基準点に置き換えられるため、その場合、シールドマシン座標算出部６５は、当該新たな基準点の三次元座標情報を用いてシールドマシン座標情報の算出を行う。また、シールドマシン座標算出部６５は、情報入力部６１を通じて、シールドマシン１の中折角度の情報を制御装置１０から取得した場合、更に、中折角度に基づいて、中折れした状態でのシールドマシン座標情報を算出する。
【００２８】
掘削境界座標算出部６６は、シールドマシン座標算出部６５が算出したシールドマシン座標情報に含まれるカッター２に関する情報に基づいて、掘削される掘削領域と地山の境界を示す掘削境界３０の三次元座標情報（以下、掘削境界座標情報という）を算出する。また、掘削境界座標算出部６６は、情報入力部６１を通じて、コピーカッター３の突出長の情報を制御装置１０から取得した場合、コピーカッター３の突出長を余掘りした長さとし、当該余掘りした長さの値を含めて掘削境界座標情報を算出する。
【００２９】
セグメント座標算出部６７は、情報入力部６１を通じて、セグメント位置計測装置１２によって逐次計測されたセグメント２０までの距離３３の情報と、セグメント位置計測装置１２が設置されている計測位置の情報を制御装置１０から取得する。また、セグメント座標算出部６７は、距離３３の情報と、セグメント位置計測装置１２が設置されている計測位置の情報と、スキンプレート距離情報記憶部６４に記憶されている距離３４の情報と、セグメント情報記憶部６３に記憶されているセグメント２０の厚みの長さを示す情報と、シールドマシン座標算出部６５が算出したシールドマシン座標情報とに基づいてセグメント２０の三次元座標情報（以下、セグメント座標情報という）を算出する。また、セグメント座標算出部６７は、距離３４から距離３３を減算し、減算した値からセグメント２０の厚みの長さを示す情報を減算することで後方テールクリアランス３５の値を算出する。
【００３０】
ジャッキストローク長取得部６８は、情報入力部６１を通じて、ジャッキ５のストローク長の長さを制御装置１０から取得する。テールクリアランス取得部６９は、情報入力部６１を通じて、前方テールクリアランス３１の長さの情報を制御装置１０から取得する。掘進状況表示部６００は、シールドマシン座標情報と、掘削境界座標情報と、セグメント座標情報と、ストローク長、前方テールクリアランス、後方テールクリアランス等に基づいて、例えば、図７に示すような掘進状況を示す画像を生成して画面に出力する。
【００３１】
（掘進状況管理装置による処理の流れ）
次に、図５〜図７を参照しつつ、掘進状況管理装置６０による処理の流れについて説明する。図５に示すように、情報入力部６１は、シールドマシン１の制御装置１０が出力する情報を受け付けて入力する（ステップＳ１）。シールドマシン座標算出部６５は、情報入力部６１が入力する情報から基準点の三次元座標情報を読み出す（ステップＳ２）。シールドマシン座標算出部６５は、シールドマシン１が中折れしているか否かの判定を行う（ステップＳ３）。シールドマシン１が中折れしているか否かの判定は、例えば、情報入力部６１が入力する情報に中折角度の情報が含まれている場合、中折れしていると判定し、中折角度の情報が含まれていない場合、中折れしていないと判定する。シールドマシン座標算出部６５は、中折れしていると判定した場合、情報入力部６１が入力する情報から中折角度の情報を読み出す（ステップＳ４）。
【００３２】
次に、シールドマシン座標算出部６５は、基準点の三次元座標情報と、ターゲットマーク１４までの距離３２及び角度の情報とに基づいて、シールドマシン１のターゲットマーク１４の基準点の座標系における三次元座標情報を算出する。シールドマシン形状情報におけるターゲットマーク１４の三次元座標は既知であるため、シールドマシン座標算出部６５は、算出したターゲットマーク１４の基準点の座標系における三次元座標情報と、シールドマシン形状情報とに基づいて、基準点の座標系におけるシールドマシン１の三次元座標、すなわちシールドマシン座標情報を算出する。また、ステップＳ４により中折角度を取得している場合、中折角度を含めてシールドマシン座標情報を算出する（ステップＳ５）。
【００３３】
シールドマシン座標算出部６５によるシールドマシン座標情報の算出が終了すると、次に、掘削境界座標算出部６６は、情報入力部６１が入力する情報に基づいて、余掘りが行われているか否かを判定する（ステップＳ６）。余掘りが行われているか否かの判定は、例えば、情報入力部６１が入力する情報にコピーカッター３の突出長が含まれている場合、余掘りされていると判定し、コピーカッター３の突出長が含まれていない場合、余掘りされていないと判定する。掘削境界座標算出部６６は、余掘りしていると判定した場合、情報入力部６１が入力する情報からコピーカッター３の突出長を読み出す（ステップＳ７）。
【００３４】
掘削境界座標算出部６６は、シールドマシン座標算出部６５が算出したシールドマシン座標情報に基づいて、円盤状または略円盤状であるカッター２において、円盤面の最も外側（以下、カッター２の外縁という）の三次元座標情報の値を抽出する。円盤面の最も外側の三次元座標は、コピーカッター３を突出させていない場合、カッター２に備えられるカッタービットの中で、最も外側を掘削するカッタービットの座標に一致することになる。カッター２の外縁を示す三次元座標情報の値の特定は、例えば、シールドマシン形状情報記憶部６２に記憶されるシールドマシン形状情報において、予めカッター２の外縁の三次元座標情報のみをカッター２の外縁であることを示す識別情報とともに記憶させておくことで容易に抽出することができる。
【００３５】
掘削境界座標算出部６６は、選択したカッター２の外縁を示す三次元座標情報に基づいて、掘削される掘削領域と地山の境界を示す掘削境界３０の三次元座標情報、すなわち掘削境界座標情報を算出する。また、ステップＳ７により、コピーカッター３の突出長を読み出している場合、掘削される領域が広がることになる。その場合、掘削境界座標算出部６６は、コピーカッター３の突出長を余掘りした長さとし、当該余掘りした長さと、カッター２の外縁の三次元座標情報とに基づいて、掘削境界座標情報を算出する（ステップＳ８）。
【００３６】
掘削境界座標算出部６６による掘削境界座標情報の算出が終了すると、次に、セグメント座標算出部６７は、情報入力部６１が入力する情報からセグメント位置計測装置１２が計測した距離３３の値と、セグメント位置計測装置１２が設置されている計測位置の座標情報とを読み出す。セグメント座標算出部６７は、読みだした距離３３の値と、計測位置の情報と、スキンプレート距離情報記憶部６４に記憶されている距離３４の情報と、セグメント情報記憶部６３に記憶されているセグメント２０の厚みの長さを示す情報と、シールドマシン座標算出部６５が算出したシールドマシン座標情報とに基づいてセグメント２０の三次元座標情報を算出する。
【００３７】
具体的な算出手法として、例えば、シールドマシン１におけるセグメント位置計測装置１２の計測位置の座標は既知であるため、セグメント座標算出部６７は、基準点の座標系における当該計測位置の三次元座標を、シールドマシン座標情報から求める。次に、セグメント座標算出部６７は、求めた計測位置の三次元座標情報に、図６に示すように、レーザ光を照射した方向に距離３３の値を加えて、セグメント２０によって形成される円筒の内周面の三次元座標を算出する。セグメント２０によって形成される円筒形状と、シールドマシン１のスキンプレート７が形成する円筒形状とは、同心円筒または略同心円筒となる。したがって、セグメント位置計測装置１２によって、例えば、少なくとも２点を計測しておくことで、シールドマシン座標情報に含まれるスキンプレート７によって形成される円筒の三次元座標に基づいて、セグメント２０が形成する円筒の内周面を構成する円の三次元座標を算出することができる。
【００３８】
セグメント座標算出部６７は、図６に示すように、算出した内周面を構成する円の三次元座標に対して、さらに、レーザ光を照射した方向に、セグメント２０の厚みの長さを示す情報を加えることで、セグメント２０によって形成される円筒の外周面を構成する円の三次元座標を算出する。内周の円と外周の円の三次元座標を繰り返し算出することで、セグメント２０が形成する円筒の内周と外周の三次元座標、すなわちセグメント座標情報を算出することができる。また、セグメント座標算出部６７は、距離３４から距離３３を減算し、減算した値からセグメント２０の厚みの長さを示す情報を減算することで後方テールクリアランス３５の値を算出する（ステップＳ９）。
【００３９】
ジャッキストローク長取得部６８は、情報入力部６１が入力する情報からジャッキ５のストローク長の長さを読み出す。また、テールクリアランス取得部６９は、情報入力部６１が入力する情報から前方テールクリアランス３１の長さの情報を読み出す（ステップＳ１０）。
【００４０】
掘進状況表示部６００は、シールドマシン座標算出部６５が算出したシールドマシン座標情報と、掘削境界座標算出部６６が算出した掘削境界座標情報とに基づいて、シールドマシン１と掘削境界３０の間に存在する空間の長さを算出する（ステップＳ１１）。掘進状況表示部６００は、シールドマシン座標情報と、掘削境界座標情報と、セグメント座標情報と、ストローク長、前方テールクリアランス、後方テールクリアランス、シールドマシン１と掘削境界３０の間の空間の長さとに基づいて、図７に示すような画像を生成して画面に表示する（ステップＳ１２）。
【００４１】
ステップＳ１２の後、処理は、ステップＳ１から繰り返され、シールドマシン位置計測装置１３とセグメント位置計測装置１２が計測を行う間隔、例えば、前述した１０秒程度ごとに処理が繰り返される。上記の処理を繰り返すことで、掘削境界座標算出部６６が算出する掘削境界座標情報は、円筒形状を形成し、また、セグメント座標算出部６７が算出する、セグメント座標情報は、図６に示すように厚みを有する円筒形状を形成することになる。
【００４２】
図７は、掘進状況表示部６００が生成して画面に表示する画像の一例を示す図である。図７において、符号２で示される模様の領域がカッター２であり、符号７で示される白色の領域が、スキンプレート７であり、符号２０で示される模様の領域が、セグメント２０である。黒色の領域は、掘削された領域からシールドマシン１とセグメント２０の領域が除かれた残りの領域、すなわちシールドマシン１及びセグメント２０と、地山との間の空間の領域を示しており、その領域の進行方向に対して左右の縁が掘削境界３０を示すことになる。符号４０に示される線は、計画線形における中心軸を示しており、当該中心軸の三次元座標情報は、掘進状況表示部６００に予め入力されて内部の記憶領域に記憶されている。
【００４３】
また、生成する画像には、コピーカッター３の突出長（図７では、左右ともに０［ｍｍ］として示されている）、シールドマシン１の中折角度（図７では、−５．９８［ｄｅｇ］として示されている）が示される。また、生成する画像には、ジャッキストローク長取得部６８が取得したジャッキ５のストローク長（図７では、右が１１１４［ｍｍ］、左が、１０７１［ｍｍ］として示されている）、テールクリアランス取得部６９が取得した符号３１で示される前方テールクリアランス３１を示す値（図７では、右が、２５［ｍｍ］、左が９５［ｍｍ］として示されている）も示される。
【００４４】
また、掘進状況表示部６００は、シールドマシン１の右先頭部、左先頭部、右中折部、左中折部、右テール部、左テール部のような一部の領域を拡大した画像を生成して表示する。右先頭部に示される１０［ｍｍ］と左先頭部に示される２０５［ｍｍ］の値は、カッター２の末端から、掘削境界３０までの長さを示す値である。なお、この図面において、左右の幅が異なっているが、例えば、シールドマシン１が、進行方向に対して、左に曲がりすぎていたのを、ジャッキ５の伸長を調整することで、進行方向に対して、右に向けさせたような場合、余掘りが行われていなくても左右の幅が異なる場合がある。
【００４５】
また、カッター２の外縁の三次元座標は、前述したように、カッター２に備えられる外縁を掘削するカッタービットの座標であり、この座標が掘削境界３０の座標に一致することになる。これに対して、生成される画像では、カッタービットを備えるカッター２の本体のみを示しており、掘進状況表示部６００が、ステップＳ１１において、シールドマシン１と掘削境界３０との間の空間の長さを算出する場合、カッター２の本体の三次元座標情報と掘削境界座標情報とに基づいて算出を行っており、生成される画像においては、カッター２の両端において、掘削境界３０との間に常に一定の長さの空間が存在するように示される。
【００４６】
右中折部における６３［ｍｍ］と左中折部における１５９［ｍｍ］の値は、中折している付近におけるスキンプレート７の外周面において最も掘削境界３０に接近している点から、掘削境界３０までの長さを示す値である。右テール部と左テール部における符号３７で示される模様の領域は、スキンプレート７の領域である白色領域と、セグメント２０の領域の間である後方テールクリアランス３５によって大きさが特定される空間である。右テール部における５２［ｍｍ］の値と左テール部における６５［ｍｍ］の値が、後方テールクリアランス３５を示す値である。また、右テール部における６２［ｍｍ］の値と左テール部における１４６［ｍｍ］の値は、スキンプレート７の外周面の最後方の端部から掘削境界３０までの長さを示す値である。拡大した画像に表示されているこれらの値のうち、後方テールクリアランス３５の値は、ステップＳ９においてセグメント座標算出部６７によって算出され、それ以外の値は、ステップＳ１１において掘進状況表示部６００により算出される。
【００４７】
上記の実施形態の構成により、掘進状況管理装置６０において、シールドマシン座標算出部６５が基準点の座標系におけるシールドマシン１の三次元座標情報、すなわちシールドマシン座標情報を算出し、掘削境界座標算出部６６がシールドマシン座標情報に基づいて掘削境界座標情報を算出し、セグメント座標算出部６７がセグメント座標情報を算出し、算出したシールドマシン座標情報と、掘削境界座標情報と、セグメント座標情報とに基づいて掘進状況表示部６００が、これらの座標情報を重ね合わせた画像を生成して画面に表示する。これにより、シールドマシン１及びセグメント２０と、地山との間の空間や、シールドマシン１とセグメント２０との間の空間の情報を画面に示すことができる。それにより、シールドマシン１の全体において、掘削を行った後の地山との位置関係、及び設置したセグメント２０との位置関係を把握することが可能となる。また、上記の画面の表示は、セグメント位置計測装置１２、シールドマシン位置計測装置１３の計測間隔において逐次更新されるため、逐次掘進の状況を把握することができ、掘進を進めることで、シールドマシン１と地山、またはシールドマシン１とセグメント２０とが接触してしまうか否かを操作者が事前に把握することが可能となる。これにより、シールドマシン１の掘進の方向を調整しなければならないか等の判断を容易に行うことが可能となる。また、計画線形の中心線を重ねて表示することで、計画線形からのずれを画面において把握することもできる。
【００４８】
なお、上記の実施形態では、ジャッキ５のストローク長の値と、テールクリアランス計測装置６が計測する前方テールクリアランス３１の値を読み込んで掘進状況表示部６００が画面に表示するようにしているが、本発明の実施の形態は、当該実施の形態に限られない。例えば、シールドマシン１においてジャッキ５の位置は既知であり、ジャッキ５の座標とストローク長から、ジャッキ５が接するセグメント２０の先端部の三次元座標を算出してもよい。また、これに加えて、前方テールクリアランス３１の値を加えることでより詳細なセグメント２０の先端部の三次元座標を算出することもできる。この場合、例えば、セグメント位置計測装置１２がセグメント２０の先端部ではなく、１つのセグメントの先端部と後端部の中央付近を計測しているとき、計測している中央付近と先端部との座標からセグメント２０の傾き等を求めることも可能である。また、前方テールクリアランス３１と後方テールクリアランス３５の値とに基づいて当該先端部のセグメント２０の傾きを算出するようにしてもよい。
【００４９】
また、上記の実施形態では、シールドマシン座標情報を、シールドマシン位置計測装置１３が計測するターゲットマーク１４までの距離３２と角度の情報と、基準点の三次元座標情報と、シールドマシン形状情報とに基づいて算出しているが、ジャッキ５のストローク長に基づいて、シールドマシン１の掘進した距離や方向が得られることから、当該ストローク長の情報を加えて、より正確なシールドマシン座標情報を算出するようにしてもよい。
【００５０】
また、上記の実施形態では、シールドマシン１が円筒形状を有するものとして説明しているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られず、円筒形状以外の形状であってもよい。また、内部で構成されるセグメント２０が形成する形状も同様に円筒以外の形状であってもよい。
【００５１】
また、上記の実施形態では、シールドマシン座標情報、掘削境界座標情報、セグメント座標情報として、三次元の座標情報を算出するようにしているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られず、例えば、シールドマシン１の進行方向に対して高低差のないトンネルを掘削する場合のように、二次元での位置の特定で充分な場合は、二次元の座標情報を算出するようにしてもよい。その場合、ターゲットマーク１４の数として、少なくとも２つ以上あればよく、セグメント位置計測装置１２が計測する点数も少なくとも１点以上あればよいことになる。
【００５２】
また、上記の実施形態では、基準点の三次元座標として、国土地理院が定める測量点に基づく絶対座標系の三次元の座標として説明しているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。上述したように計測装置が設置される国土地理院が定める測量点の座標が緯度と経度からなる二次元の座標である場合、まず、基準点３６−１の二次元の座標を計測装置により計測する。基準点３６−１の高さの情報は、別途レベル測量により計測し、この高さの情報を加えて三次元座標とする。当該三次元の情報を用いて、最初の基準点３６−１を原点とするような相対的な三次元の座標系としてもよい。
【００５３】
また、上記の実施形態では、シールドマシン座標算出部６５が、シールドマシン１が中折れしているか否かを判定する際に、情報入力部６１が入力する情報に中折角度の情報が含まれているか否かにより判定しているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。例えば、制御装置１０は、中折角度の情報を常に出力する場合、当該中折角度の情報が示す角度が０度の場合、中折れしていないと判定し、０度以外の場合、中折れしていると判定するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記の実施形態では、掘削境界座標算出部６６が、余掘りが行われているか否かを判定する際に、情報入力部６１が入力する情報にコピーカッター３の突出長が含まれているか否かにより判定しているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。例えば、制御装置１０は、コピーカッター３の突出長の情報を常に出力する場合、当該突出長の情報が０である場合、余掘りが行われていないと判定し、０以外の場合、余掘りが行われていると判定してもよい。
【００５５】
また、上記の実施形態では、図４に示すように、セグメント２０が設置される前の計測位置からテールシール８より後方のスキンプレート７が見通せる状態で、セグメント位置計測装置１２がスキンプレート７の内周面までの距離３４を予め計測するようにしているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。例えば、シールドマシン１の製作時の寸法の情報から、距離３４を算出して、スキンプレート距離情報記憶部６４に予め記憶させておくようにしてもよい。
【００５６】
また、上記の実施形態では、制御装置１０が、操作者の操作を受ける操作部を備えるようにしているが、本発明の構成は、当該実施の形態に限られない。地上の中央操作室やシールドマシン１に後続する台車において、操作部を備える操作装置を備え、通信手段により操作装置と制御装置１０を接続して、操作者が当該操作装置を操作して、シールドマシン１の制御を行うようにしてもよい。
また、掘進状況管理装置６０は、操作者の近くに設置されることを想定しているため、制御装置１０が操作部を備える上記の実施形態では、制御装置１０の近くに設置され、シールドマシン１に搭乗して制御装置１０の操作部を操作する操作者によって参照されることになる。これに対して、操作部が操作装置に備えられ、操作装置が、地上の中央操作室や、後続する台車に設置される場合、掘進状況管理装置６０も操作装置とともに場所を替えて操作装置の近くに設置されることになる。
【００５７】
上述した実施形態における掘進状況管理装置６０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
【００５８】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１  シールドマシン
１０  制御装置
６０  掘進状況管理装置
６１  情報入力部
６２  シールドマシン形状情報記憶部
６３  セグメント情報記憶部
６４  スキンプレート距離情報記憶部
６５  シールドマシン座標算出部
６６  掘削境界座標算出部
６７  セグメント座標算出部
６８  ジャッキストローク長算出部
６９  テールクリアランス取得部
６００  掘進状況表示部
【図１】
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【図２】
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【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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