(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータを用いてシールド掘進機の掘進方向を制御するための方法であって、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標シールドジャッキストローク差と現在のシールドジャッキストローク差との差から実目標シールドジャッキストローク差を算出し、算出した実目標シールドジャッキストローク差を、当該実目標シールドジャッキストローク差とシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標ピッチングと現在のピッチングとの差から実目標ピッチングを算出し、算出した実目標ピッチングを、当該実目標ピッチングとシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、前記実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置と前記実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置とを合成し、この合成されたシールドジャッキ重心位置に対応するジャッキパターンを予め用意されたジャッキパターンテーブルから選択して出力する工程とを含むことを特徴とするシールド掘進機の方向制御方法。
【請求項２】
コンピュータを用いてシールド掘進機の掘進方向を制御するためのシステムであって、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標シールドジャッキストローク差と現在のシールドジャッキストローク差との差から実目標シールドジャッキストローク差を算出する実目標シールドジャッキストローク差算出手段と、算出した実目標シールドジャッキストローク差を、当該実目標シールドジャッキストローク差とシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める第一シールドジャッキ重心位置決定手段と、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標ピッチングと現在のピッチングとの差から実目標ピッチングを算出する実目標ピッチング算出手段と、算出した実目標ピッチングを、当該実目標ピッチングとシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置を求める第二シールドジャッキ重心位置決定手段と、前記実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置と前記実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置とを合成するとともに、この合成されたシールドジャッキ重心位置に対応するジャッキパターンを予め用意されたジャッキパターンテーブルから選択して出力するジヤッキパターン選択手段とからなることを特徴とするシールド掘進機の方向制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シールド掘進機の方向制御システムに関し、特に、コンピュータを用いてシールド掘進機の掘進方向を制御するための方向制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド掘進機は、特に都市土木などにおいて、地下水の多い地盤や軟弱な地盤に対してシールドトンネルを掘削形成してゆく際の掘削機械として用いられるもので、先端面にカッターディスクを備えた筒状の外殻体からなり、この外殻体の内部でトンネルの内壁面を覆う覆工体として例えばセグメントを組み立て、シールドジャッキをこのセグメントの先端面に押しつけ、このセグメントから掘進反力を得てこれを外殻体の後方に押し出すようにしながら順次掘進作業を行ってゆくものである。
【０００３】
そして、かかるシールドトンネルを掘削形成ゆくためのシールド工法によれば、シールド掘進機を、方向制御を行いながら計画路線に沿って精度良く前進させてゆくことになるが、かかるシールド掘進機の方向制御のための方法としては、例えば専門の管理者がシールド掘進機に関する測量データをもとに計画線からのずれ量を計算し、この結果から数リング先でスムーズに計画線に掘進進路を乗せるべき予想曲線を考え、この予想した曲線に沿ってシールド掘進機のピッチング値およびストローク値（方位角）を管理者の経験と勘に基づいて算定した後、その算定結果をオペレータに指示するとともに、オペレータは指示値から多数のシールドジャッキの組み合わせを経験と勘を頼りに選択してこれを駆動することにより、シールドマシンの方向制御を行う方法が採用されていた。
【０００４】
また、近年のコンピュータ技術の発展に伴い、シールド掘進機の方向制御をコンピュータを用いて自動的に行う方法が種々開発されており、このような自動方向制御方法によれば、シールド掘進機の位置を測量または各種の計測器により算出し、計画線形にすりつけるようにコンピュータにより自動的にジャッキパターンを選択することになる。
【０００５】
すなわち、従来のコンピュータを用いたシールド掘進機の掘進方向の制御方法によれば、計画路線からのずれ量を検出したら、計画路線にのせる予想曲線を作成し、更にこの予想曲線に乗せるための曲げ量を推論するとともに、算出した曲げ量を生じさせるために必要な推力を垂直、水平方向のベクトル量として検索し、推力を生じさせるための最適なジャッキ組み合わせパターンを選定する。
【０００６】
そして、このようにして選定されたジャッキを制御することにより、シールドマシーンが計画路線に載るように方向制御されるとともに、このようなシールドマシーンの方向制御が完全に自動化されて、無人化掘削が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のコンピュータを用いたシールド掘進機の掘進方向の自動制御方法によれば、単にシールド掘進機を計画線形にすりつけることが目的であったことから、従来の手動操作による場合のように、作業状況に応じて人間の判断を取り入れ、臨機応変に方向制御を行うことができないという問題があった。
【０００８】
すなわち、シールド掘進機による掘進作業では、実際に掘進しないとわからない条件であるシールド掘進機のクセや地山の状況等を鑑みて、例えば曲線部分における特定タイプのセグメントの組立て作業の容易さやテールクリアランスの確保のために、シールド掘進機を計画線形から意識的に外して掘進作業を行う必要を生じる場合があるが、従来のコンピュータを用いた自動方向制御方法によれば、実際の掘進時に得られる種々の条件を取り入れるとパラメータが多くなりすぎてコンピュータ処理が困難となることから、このような状況に柔軟に対処することができず、セグメントの組立て作業等に支障を来す場合があるという課題があった。
【０００９】
そこで、この発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、実際の掘進時における作業状況に応じて、コンピュータのみの判断ではカバーしきれなかったものに人間の判断を取り入れて実用性を高めながら、コンピュータを用いて方向制御を行ってゆくことを可能にするシールド掘進機の方向制御方法及び方向制御システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するためになされたもので、その要旨は、コンピュータを用いてシールド掘進機の掘進方向を制御するための方法であって、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標シールドジャッキストローク差と現在のシールドジャッキストローク差との差から実目標シールドジャッキストローク差を算出し、算出した実目標シールドジャッキストローク差を、当該実目標シールドジャッキストローク差とシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標ピッチングと現在のピッチングとの差から実目標ピッチングを算出し、算出した実目標ピッチングを、当該実目標ピッチングとシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、前記実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置と前記実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置とを合成し、この合成されたシールドジャッキ重心位置に対応するジャッキパターンを予め用意されたジャッキパターンテーブルから選択して出力する工程とを含むことを特徴とするシールド掘進機の方向制御方法にある。
【００１１】
また、この発明の他の要旨は、コンピュータを用いてシールド掘進機の掘進方向を制御するためのシステムであって、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標シールドジャッキストローク差と現在のシールドジャッキストローク差との差から実目標シールドジャッキストローク差を算出する実目標シールドジャッキストローク差算出手段と、算出した実目標シールドジャッキストローク差を、当該実目標シールドジャッキストローク差とシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める第一シールドジャッキ重心位置決定手段と、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標ピッチングと現在のピッチングとの差から実目標ピッチングを求める実目標ピッチング算出手段と、算出した実目標ピッチングを、当該実目標ピッチングとシールドジャッキ重心位置との相関関係にあてはめて実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置を求める第二シールドジャッキ重心位置決定手段と、前記実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置と前記実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置とを合成するとともに、この合成されたシールドジャッキ重心位置に対応するジャッキパターンを予め用意されたジャッキパターンテーブルから選択して出力するジャッキパターン選択手段とからなることを特徴とするシールド掘進機の方向制御システムにある。
【００１２】
ここで、上記記載においてシールドジャッキストローク差とは、シールド掘進機の内周面に沿って設けられた複数のシールドジャッキのうち、左右の端部に位置するシールドジャッキのストローク差をいい、また、ピッチングとは、シールド掘進機の垂直方向の傾斜を示すもので、上下の端部に位置するシールドジャッキのストローク差によって、あるいは傾斜角測定手段により測定されるピッチング角によって表すことができる。
【００１３】
そして、この発明のシールド掘進機の方向制御方法あるいは方向制御システムによれば、自動方向制御システムを採用していない従来のオペレータによる制御と同様に、管理者や職員が決定した所定距離毎のシールドジャッキのストローク差やピッチング角をコンピュータに作業員が入力することで与え、その指示値をもとにコンピュータが選択したシールドジャッキパターンをシールド掘進機側に出力することにより方向制御を行う。
【００１４】
すなわち、例えば曲線部分のシールドセグメントが組みやすくなるように、各リング毎あるいは所定の掘進長毎に設定したジャッキストローク差やピッチング角をコンピュータに入力すれば、この発明の方法やシステムにより、このような要望に応じてシールドジャッキパターンを選択しながら、自動測量システムなどとリンクすることなく、セグメント計画に沿ったシールド掘進機の方向制御を容易に行ってゆくことが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。この実施形態のシールド掘進機の方向制御方法は、図１にフローチャートで示すように、実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、実目標ピッチング角に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程と、これらのシールドジャッキ重心位置を合成しこれに対応するジャッキパターンを選択して出力する工程とを含んで構成されるものである。
【００１６】
そして、実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求めるには、図２に示すように、所定距離の掘進開始時における「現ＳＪ（シールドジャッキ）ストローク差」と、指示値として作業員により入力された所定距離の掘進後の「目標ＳＪストローク差」の差として、「実目標ＳＪストローク差」を求めるとともに、この求めた「実目標ＳＪストローク差」を単位掘進長（例えば１ｍ）当りの値に換算して、「単位目標ＳＪストローク差」を求め、これをコンピュータシステムが保有する、例えば一次式で表現されたＳＪストローク差とＳＪ重心位置との相関関係を示す関係式である制御直線に当てはめることによって、実目標ＳＪストローク差に基づく「ＳＪ重心位置」を決定する。
【００１７】
また、実目標ピッチング角に基づくＳＪ重心位置を求めるには、図３に示すように、所定距離の掘進開始時における「現ピッチング角」と、指示値として作業員により入力された所定距離の掘進後の「目標ピッチング角」の差として、「実目標ピッチング角」を求めるとともに、この求めた「実目標ピッチング角」を単位掘進長（例えば１ｍ）当りの値に換算して、「単位目標ピッチング角」を求め、これをコンピュータシステムが保有する、例えば一次式で表現されたＳＪストローク差とＳＪ重心位置との相関関係を示す関係式である制御直線に当てはめることによって、実目標ピッチング角に基づく「ＳＪ重心位置」を決定する。
【００１８】
ここで、各ＳＪ重心位置を求めるための制御関係式は、一次式（直線）で与えることとするが、その直線の与え方として、次の３つを用意しておき、任意に選択可能とする。
【００１９】
▲１▼「ユーザ定義直線」
２次元のグラフにおいて、切片と傾きを管理者の考えで直接設定したもので、基本的には、掘進の初期段階などにおいて、掘進実績データの無い状況で使用する。
【００２０】
▲２▼「現在の学習直線」（制御方針に基づく学習直線）
実際の掘進時において、ある実制御ＳＪストローク差（実制御ピッチング角）に対して、選択されたＳＪ重心位置を、制御結果の如何（目的のストローク差やピッチング角を確保できたかどうか）に関わらず、グラフ上にプロットし、一次回帰分析によって制御直線の切片と傾きを決定したもので、この機能は、オペレータによる手動（ジャッキパターン）制御を行っているときに、オペレータの制御操作を学習するためのものである。
【００２１】
▲３▼「実績による学習直線」（制御結果に基づく学習直線）
実際のシールド掘進時の制御操作に対する制御結果を学習するもので、最も一般的な学習機能に近いものである。すなわち、掘進中に設定された実ＳＪ重心位置に対して、その制御結果であるＳＪストローク差の変化量や、ピッチング角の変化量を求め、それを単位掘進長さ当たりに換算して実制御量を求めるとともに、それをグラフ上にプロットし、一次回帰分析によって制御直線の切片と傾きを決定したものである。なお、掘削対象地山の影響などを捉えるため、制御実績の参照範囲を設定しておくことが好ましい（例えば、現在から過去３０リングなど）。
【００２２】
そして、この実施形態によれば、次に、上述のようにして得られた２つのシールドジャッキ重心位置を合成して合成ＳＪ重心位置を決定するとともに、予め用意したジャッキパターン・テーブルの中から、求められた合成ＳＪ重心位置と最も近い重心位置を有するジャッキパターンを選択し、例えばマシーン側シーケンサに信号として出力する。
【００２３】
ここで、ジャッキパターン・テーブルとしては、次の３種類のものを用意しておき、任意に選択可能とする。
【００２４】
▲１▼デフォルト定義ジャッキパターン
上述のような制御方法を行うコンピュータシステムを現場導入する前に予め用意しておくジャッキパターンテーブルである。
【００２５】
▲２▼ユーザ定義ジャッキパターン
上述のような制御方法を行うコンピュータシステムを現場に導入し、実際の掘削が始まるまでの期間に、現場職員や担当オペレータの意見を聞いて作成するジャッキパターンテーブルである。
【００２６】
▲３▼学習ジャッキパターン
オペレータによる手動掘削時に、オペレータが選択したジャッキパターンを自動的に記録することにより作成するジャッキパターンテーブルである。
【００２７】
図５及び図６は、この実施形態の方向制御方法によって方向制御されるシールド掘進機１０の一例を示すもので、このシールド掘進機１０は、先端面にカッターディスク２５を備えた筒状の外殻体１１からなり、この外殻体１１の内部でトンネル１２の内壁面を覆うセグメント１３を組み立て、外殻体１１の内周面に沿って周方向に多数設けられたシールドジャッキ１４をこのセグメント１３の先端面に押しつけ、このセグメント１３から掘進反力を得てこれを外殻体１１の後方に押し出すようにしながら順次掘進作業を行ってゆくものである。
【００２８】
また、このシールド掘進機１０によれば、これの内部に設けられた例えばコンピュータからなるシールド制御装置１５によって、シールド掘進機１０の駆動制御が行われるととともに、レーザ発振機１６、光波距離計１７、レーザターゲット１８、発信方制御装置１９等の測量や計測のための機器が設けられ、これらの機器は、地上に設けられた、掘進管理／線形管理コンピーュータ２０と接続していて、この掘進管理／線形管理コンピーュータ２０によって、シールド掘進機１０の稼働状況の監視や、掘削中の各種データの収集・記録、シールド掘進機１０の位置・姿勢及び設計計画線に対するズレの把握による線形管理等が行なわれることになる。
【００２９】
さらに、掘進管理／線形管理コンピーュータ２０は、方向制御コンピュータ２１と接続しており、この方向制御コンピュータ２１には、後述するこの実施形態のシールド掘進機の方向制御システムが組み込まれて、上述のような掘進制御方法が実施されることになる。
【００３０】
なお、図５において、符号２２は多重伝送装置親局、符号２３は多重伝送装置子局で、これらを介して、方向制御システムからの信号が、シールド制御装置１５に出力されることになる。
【００３１】
そして、図４は、上述のようなシールド掘進機の方向制御方法を実施するための方向制御システムの、システム構成図である。
【００３２】
ここで、この実施形態の方向制御システムによれば、まず、管理者や職員が決定した所定距離毎のシールドジャッキのストローク差に関する指示を受けて、キーボードなどの入力装置から、作業員がコンピュータに目標シールドジャッキストローク差を入力する。
【００３３】
また、ファイル装置には、掘進管理／線形管理コンピュータ２０から送られてくる、シールド掘進機１０の現在位置やＳＪストローク差などが記録された測量ファイルが備えられている。
【００３４】
中央演算処理装置は、メインメモリ中の制御プログラムの指令を受け、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標シールドジャッキストローク差と測量ファイルから読み出した現在のシールドジャッキストローク差との差から実目標シールドジャッキストローク差を算出するとともに、これを１ｍ当りの値に換算して単位目標ＳＪストローク差を算出する。
【００３５】
次いで、中央演算処理装置は、メインメモリ中の制御プログラムの指令を受け、ファイル装置内の制御関係式ファイルから制御関係式として例えば実績による学習直線を読み出し、これに上述の算出した単位目標ＳＪストローク差をあてはめて、実目標ＳＪストローク差に基づくＳＪ重心位置を求める。
【００３６】
一方、この実施形態の方向制御システムによれば、管理者や職員が決定した所定距離毎のピッチング角に関する指示を受けて、キーボードなどの入力装置から、作業員がコンピュータに目標ピッチング角を入力する。
【００３７】
また、ファイル装置には、掘進管理／線形管理コンピュータ２０から送られてくる、シールド掘進機１０の現在位置やピッチング角などが記録された測量ファイルが備えられている。
【００３８】
中央演算処理装置は、メインメモリ中の制御プログラムの指令を受け、作業員により入力された所定距離の掘進後の目標ピッチング角と測量ファイルから読み出した現在のピッチング角との差から実目標ピッチング角を算出するとともに、これを１ｍ当りの値に換算して単位目標ピッチング角を算出する。
【００３９】
次いで、中央演算処理装置は、メインメモリ中の制御プログラムの指令を受け、ファイル装置内の制御関係式ファイルから制御関係式として例えば実績による学習直線を読み出し、これに上述の算出した単位目標ピッチング角をあてはめて、実目標ピッチング角に基づくＳＪ重心位置を求める。
【００４０】
そしてさらに、中央演算処理装置は、メインメモリ中の制御プログラムの指令を受け、実目標ＳＪストローク差に基づくＳＪ重心位置と実目標ピッチング角に基づくＳＪ重心位置とを合成して合成ＳＪ重心位置を求めるとともに、ファイル装置内のジャッキパターン・テーブルファイルから例えば学習ジャッキパターンを読み出し、この中から、求められた合成ＳＪ重心位置と最も近い重心位置を有するジャッキパターンを選択するとともに、出力装置を介してシールド掘進機１０内のシールド制御装置１５に制御信号として出力する。
【００４１】
これによって、シールド掘進機１０は、シールド制御装置１５による制御によって、所定の掘進長の掘削作業の終了後に、管理者や職員が決定した所望のＳＪストローク差やピッチング角が確保されるように、掘進制御されることになる。
【００４２】
すなわち、この実施形態によれば、例えば曲線部分のシールドセグメントが組みやすくなるように、所定の掘進長毎に設定したジャッキストローク差やピッチング角をコンピュータに入力すれば、このような要望に応じてシールドジャッキパターンを選択しながら、自動測量システムなどと直接リンクすることなく、セグメント計画に沿ったシールド掘進機の方向制御を容易に行ってゆくことが可能になる。
【００４３】
また、手動操作時と変わらないようなジャッキパターンで掘進してゆくことができ、これによってシールド掘進機の方向制御も精度良く行うことが可能になる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明のシールド掘進機の方向制御方法及び方向制御システムによれば、作業員により入力された目標シールドジャッキストローク差から実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求め、作業員により入力された目標ピッチングから実目標ピッチングに基づくシールドジャッキ重心位置を求め、これらを合成するとともに、この合成されたシールドジャッキ重心位置に対応するジャッキパターンを予め用意されたジャッキパターンテーブルから選択して出力し、この出力結果に基づいてシールド掘進機の方向制御を行うので、作業状況に応じた人間の判断を取り入れながら、手動操作による制御に近いかたちでコンピュータを用いたシールド掘進機の方向制御を行ってゆくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかるシールド掘進機の方向制御方法の作業工程を説明するフローチャートである。
【図２】実目標シールドジャッキストローク差に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程を説明するフローチャートである。
【図３】実目標ピッチング角に基づくシールドジャッキ重心位置を求める工程を説明するフローチャートである。
【図４】この発明の一実施形態にかかる方向制御システムのシステム構成図である。
【図５】この発明の方向制御方法により方向制御を行うシールド掘進機の一例を示す説明図である。
【図６】シールドジャッキの配置状況を説明する図５のＡ−Ａに沿った断面図である。
【符号の説明】
１０  シールド掘進機
１１  外殻体
１２  トンネル
１３  セグメント
１４  シールドジャッキ
１５  シールド制御装置
２０  掘進管理／線形管理コンピーュータ
２１  方向制御コンピュータ
【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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