特開 2023-13716 余掘り管理システム、方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023013716

(43)【公開日】2023-01-26

(54)【発明の名称】余掘り管理システム、方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20230119BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021118090

(22)【出願日】2021-07-16

(71)【出願人】

【識別番号】000195971

【氏名又は名称】西松建設株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391015236

【氏名又は名称】大裕株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】弁理士法人ＭＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】平野 享

(72)【発明者】

【氏名】北本 正弘

(72)【発明者】

【氏名】片山 雄介

(72)【発明者】

【氏名】辻 宗克

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AA02

2D054AA05

2D054AC01

2D054GA04

2D054GA25

2D054GA49

2D054GA62

2D054GA65

(57)【要約】

【課題】 シールドオペレータが余掘りに関して簡単に評価することが可能なシステム、方法およびプログラムを提供すること。
【解決手段】 余掘り管理システムは、シールドのコピーの円周角θ位置と突出長の設定ΔＲ、シールド位置と姿勢とに関して追跡記録された蓄積情報を取得する取得部５０と、取得された蓄積情報に基づき、上記姿勢で配置したシールドの表示モデルと、コピーの余掘り軌跡とを表示させる表示制御部５１と、取得された蓄積情報に基づき、余掘りの過不足を評価する評価部５２とを含む。表示制御部５１は、表示させた表示モデルに評価部５２の評価結果を対応付けて表示させる。
【選択図】 図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

余掘りを管理するシステムであって、
先端部が回転してトンネルを掘削する掘削機械の前記先端部において前記トンネルの径方向へ突出させて余掘りを行う突出部の突出長と、前記掘削機械の姿勢とに関して追跡記録された蓄積情報とを取得する取得手段と、
取得された前記蓄積情報に基づき、前記姿勢で配置した前記掘削機械の表示モデルと、前記突出部の余掘り軌跡とを表示させる表示制御手段と、
取得された前記蓄積情報に基づき、前記余掘りの過不足を評価する評価手段と
を含み、
前記表示制御手段は、表示させた前記表示モデルに前記評価手段の評価結果を対応付けて表示させる、余掘り管理システム。

【請求項2】

前記評価手段は、前記表示モデルが前記余掘り軌跡からはみ出した量を前記突出長と比較し、比較結果に応じて、前記余掘りが適正もしくは過多または不足のいずれであるかを評価する、請求項１に記載の余掘り管理システム。

【請求項3】

前記表示制御手段は、前記評価結果に応じて色分けして表示させる、請求項１または２に記載の余掘り管理システム。

【請求項4】

前記取得手段は、前記掘削機械が一定の距離掘進する毎に前記蓄積情報を取得し、
前記表示制御手段は、前記表示モデルの姿勢および余掘り軌跡を更新する、請求項１～３のいずれか１項に記載の余掘り管理システム。

【請求項5】

前記表示制御手段は、前記表示モデルを所定の位置で切断した断面図に前記評価結果を対応付けて表示させる、請求項１～４のいずれか１項に記載の余掘り管理システム。

【請求項6】

前記表示制御手段は、前記蓄積情報から得られる前記突出部の軌跡を離散化し、離散化した部分を矩形で表示させ、離散化した各部分についての前記評価手段の評価結果を前記各矩形に対応付けて表示させる、請求項１～５のいずれか１項に記載の余掘り管理システム。

【請求項7】

前記姿勢に関して追跡記録された前記蓄積情報は、前記掘削機械のセグメントリングにシールドジャッキを介して接する胴体が有する面の向き、前記掘削機械が中折れ機構を有する場合の中折れ角である、請求項１～６のいずれか１項に記載の余掘り管理システム。

【請求項8】

余掘り管理システムにより実行される方法であって、
先端部が回転してトンネルを掘削する掘削機械の前記先端部において前記トンネルの径方向へ突出させて余掘りを行う突出部の突出長と、前記掘削機械の姿勢とに関して追跡記録された蓄積情報とを取得するステップと、
取得した前記蓄積情報に基づき、前記姿勢で配置した前記掘削機械の表示モデルと、前記突出部の余掘り軌跡とを表示させるステップと、
取得した前記蓄積情報に基づき、前記余掘りの過不足を評価するステップと、
表示させた前記表示モデルに前記評価するステップにおける評価結果を対応付けて表示させるステップと
を含む、方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法に含まれる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、余掘りを管理するシステム、方法およびその方法を実現するための処理をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

掘削機械（シールド）を使用してトンネルを掘削する場合を含め、一般に、土木工事における地山掘削では、適宜、設計通りに掘削できているかの掘削実績を評価しながら行う。掘削実績を評価するためのデータを取得する場合、人手による測定により取得することができるが、人手では測定に時間がかかり、正確に測定するためには測定箇所を増やす必要がある。また、掘削実績を評価には、取得した各測定箇所のデータを、設計データと一点ずつ比較しなければならない。

【0003】

そこで、ビデオカメラ等の現形状データ取得手段により現形状データを取得し、記憶した設計形状データと比較して、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成することが行われる。さらに、施工状態管理情報がわかりやすく掘削作業者にフィードバックされるよう、掘削作業者の直接観察下にある掘削場所そのものに、プロジェクタ等の投影手段で施工状態管理情報を投影させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１１７１４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の従来の技術では、施工状態管理情報を掘削場所に投影して掘削作業者に伝えているが、シールドの場合、掘削場所がシールド躯体の背面にあり、かつ掘削土砂や改良剤等で覆われるため、そもそもシールドオペレータの直接観察下で掘削できないし、施工状態管理情報も掘削場所に投影できないという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、余掘りを管理するシステムであって、
先端部が回転してトンネルを掘削する掘削機械の先端部においてトンネルの径方向へ突出させて余掘りを行う突出部の突出長と、掘削機械の姿勢とに関して追跡記録された蓄積情報を取得する取得手段と、
取得された蓄積情報に基づき、該姿勢で配置した掘削機械の表示モデルと、掘削機械の余掘り軌跡とを表示させる表示制御手段と、
取得された蓄積情報に基づき、余掘りの過不足を評価する評価手段と
を含み、
表示制御手段は、表示させた表示モデルに、評価手段の評価結果を対応付けて表示させる、余掘り管理システムが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、シールドオペレータが余掘りに関して簡単に評価することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】シールドの構成例を示した図。

【図2】中折れシールドと急曲線での姿勢を例示した図。

【図3】従来の余掘りの実績の表示例を示した図。

【図4】余掘り管理システムが適用されるシールド総合管理システムを示した図。

【図5】余掘り管理システムのハードウェア構成を例示した図。

【図6】余掘り管理システムの機能構成の一例を示した図。

【図7】本システムで表示する余掘りの実績の表示例を示した図。

【図8】余掘りの過不足を表示モデルにマッピング表示した例を示した図。

【図9】トンネルの施工手順の一例を示したフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の余掘り管理システムは、シールド工法を用いてトンネルを掘削するためのシールドにおいて、トンネルの急曲線部で特に重要となる余掘りの掘削実績が、シールドオペレータの直接観察下になくとも、シールドオペレータが分かりやすく理解できるようにするシステムである。

【0010】

シールドは、前方の土砂を削り、崩壊しようする掘削面を押さえながら、削り取った量とバランスする量の掘削土砂を坑外へ排出して前進するトンネル掘削機械である。シールド後方では、セグメントと呼ばれるトンネル覆工ブロックをリング状に組立てトンネル構造を完成させる。図１は、シールドの構成例を示した図である。

【0011】

シールド１０は、前方の土砂を削るため、その先端には、回転可能な略円形の面板に円周状または放射状に配列する複数のビットを備えたカッターヘッド１１を有する。また、シールド１０は、シールドジャッキ１２を備え、組み立てられたセグメント１３にシールドジャッキ１２を押し当てて設置し、シールドジャッキ１２を伸ばすことにより前進する。なお、シールドジャッキ１２は、シールド１０を構成する鋼製の外筒であるスキンプレート１４の内周に沿って所定の間隔で複数配置されている。

【0012】

シールド１０は、カッターヘッド１１のすぐ後部に、掘削面を押さえる土圧や水圧をかけながら掘削土砂を排出可能に塑性流動化させるための撹拌室として、チャンバー１５を備える。チャンバー１５内の土砂等は、スクリューコンベア１６で取り出され、ベルトコンベアー１７で坑外に搬出し、排出土として処分される。

【0013】

シールド１０は、セグメントを組み立てるためのエレクター１８を備える。エレクター１８は、セグメントを把持し、所定の位置まで搬送して設置する。また、シールド１０は、セグメント１３の背部（セグメントと掘削したトンネル壁面との間）に注入材を注入する裏込め注入装置１９を備える。

【0014】

錯綜した都市地下空間の開発では、三次元的な急曲線を掘削することが要求される。このため、シールドの機械構造は、急曲線に対応可能なものに進化し、図２に示すように、前後２つに分割した筒状の前胴２０、後胴２１をヒンジで連結した中間折れ曲がりを可能とする中折れ機構を備えたものが多くなってきている。なお、図２では、シールドにより組み立てられたセグメントリング２２も示されている。

【0015】

中折れ機構を有するシールドが急曲線を曲がる場合、後胴の面向きと中折れ角を操作して、シールドと計画線との偏差が小さくなる掘進方向に沿って進むように、シールドの姿勢を調整しながら曲がっていく。

【0016】

急曲線をカーブするときは、例えばバスやトラック等の場合、内輪差や回転中心からのオーバーハングを許容する車幅以上の空間が必要である。シールドも、カーブするためには直線部の掘削径から拡大した同様の空間が必要となるが、その空間を自ら余分に掘削して生み出さない限り、カーブすることができないという制約がある。

【0017】

シールドの前胴２０に設けられたカッターヘッドの側方には、トンネルの径方向へ突出可能な突出部としてのコピーカッタ（以下、略してコピーと呼ぶ。）２３が設けられている。コピー２３は、シールドがカーブできる空間を作成するための装置である。

【0018】

シールドが急曲線で曲がる場合、急曲線の内側の中折れジャッキを縮め、外側の中折れジャッキを伸ばすジャッキ操作を行い、への字様の屈曲姿勢でカーブしていくが、この姿勢を取り得る空間を先読みし、コピー２３がその位置にあるタイミングで掘削しておかなければならない。この操作は、余掘りと呼ばれる。

【0019】

余掘りした空間は空洞とはしない。空洞のままでは掘削壁の崩壊の危険があるほか、シールドが掘削壁からの反力と摩擦を適度に受けることが難しくなり、シールドの運転が困難になる。余掘りした空間は、適度な塑性流動性をもつ改良剤で掘削直後から充填する。これにより、掘削壁が保護され、かつシールドが掘削壁より地山反力と摩擦を受けることができ、好適なシールド運転が可能となる。

【0020】

シールド運転中、コピー２３の出入りの制御は、カッターヘッドの回転角に対応して連続的に行う。これは、煩雑な作業となるので、手動ではなく自動で行う。具体的には、余掘り運転モードをＯＮにすることで、制御器に予め設定しておいた円周角θに対するコピー２３の突出長ΔＲの関係を示す式等に従い、シールドが自動で余掘り空間を掘削する。

【0021】

余掘り量（コピー２３の突出長）がカーブ設計上で適切に見込まれていても、設計の与条件として正確に把握できないコピー切削の実効性、掘削面とシールドとの力学的な相互作用の影響があるため、期待した通りにシールドの姿勢が変わらず、計画線との偏差が小さくならない場合がある。

【0022】

このような場合、シールドオペレータは、シールドの姿勢、余掘り量等について匙加減して操作し、修正されるか否かを見ることになる。しかしながら、次々と複数の操作を行うと、現在の余掘りが結局どのように効果を発揮しているのかを見失ってしまう。そこで、リアルタイムで変化する余掘りの実効性をシールドオペレータに分かりやすく示すことができるシステムの提供が望まれていた。

【0023】

従来、余掘り実績を示す方法として、シールド掘削位置Ｘに対応するコピー２３の突出長の設定ΔＲを記録しておき、Ｘ－ΔＲグラフ（ＸとΔＲとの関係を示すグラフ）で管理することが行われている。ΔＲを余掘り後のシールド位置と姿勢の変化を踏まえて補正することも行われている。さらに、余掘り掘削の実効性（コピー２３の突出量の設定に対する実際に切削された深さの割合）でΔＲを補正することも行われている。

【0024】

コピー２３が実際に切削できた深さは、地山性状によってはコピー２３の突出長の設定ΔＲと必ずしも等しくない。この場合、コピー２３での切削後に、コピー２３に隣接して装備した触診棒を用いて、余掘りの出来形を確認することができる。

【0025】

上記のようにして得られた情報は、シールドオペレータの監視ダッシュボードに表示される。図３は、Ｘ－ΔＲグラフの一例を示した図である。図３は、シールド回転円周方向で（１）、（３）と付された２つの余掘りゾーン毎のＸ－ΔＲグラフを含んでいる。ゾーン（２）は、プログラムで未使用の状態である。グラフの縦軸は、ΔＲであり、コピー２３の突出長の設定と、触診棒で測定した余掘りの出来形の２つが示されている。グラフの横軸は、余掘りを行った位置（トンネル距離程）である。

【0026】

図３は、ゾーン（１）、（３）のコピー２３の突出長の設定がほぼ一定であるのに対し、余掘りの出来形は、Ｘにより大小変化している状況を示している。このようなグラフからコピー２３の突出長の設定の実効性を評価し、コピー２３の突出長の設定をより好適なものへ修正することができる。

【0027】

しかしながら、図３に示すグラフでは、シールドの躯体外面のどのあたりで余掘り過不足が生じているかを直感的に読み取ることができない。今後に修正が必要な余掘りがシールド躯体外面のどのあたりとなるのか、現在の余掘り空間で可能なシールド姿勢はどこまでか、これらを即座に読み取ることが難しいものとなっている。

【0028】

シールドに急曲線への対応が求められる以前では、刻々と位置と姿勢が変わるシールドの状況に応じた余掘り掘削の実効性を評価する必要はそれほどなかった。これを実現するには、それなりの資源と手間が必要であり、シールドオペレータの分かりやすさを追求したものは特に考えられてこなかった。

【0029】

本発明は、余掘りに関して、シールドオペレータの分かりやすさを追求した、評価システムを提供する。はじめに、図４を参照して、本システムとしての余掘り管理システムが適用されるシールド総合管理システムについて説明する。シールド総合管理システム３０は、シールド掘進に関する総合データベースとしての蓄積と基本的な統計分析、リスク判定等の機能を提供する基盤システムである。シールド総合管理システム３０は、機能拡張のためのアプリケーション３１を実装することができる。余掘り管理システム３２は、アプリケーションの１つとして、シールド総合管理システム３０に実装することができる。なお、これは一例であるので、余掘り管理システムの機能の一部または全部の実装方法はこれに限定されるものではない。

【0030】

シールド総合管理システム３０は、シールドおよび関連プラント３３と操作系統ＩＦ３４、基本操作盤３５および詳細操作盤３６を介して接続される。シールド総合管理システム３０は、掘進計画線の情報を保持し、シールドおよび関連プラント３３に取り付けられた各種センサ等からコピー２３のストロークや角度の情報、シールドの姿勢や位置の情報、中折れ角の情報等を取得する。また、シールド総合管理システム３０は、地山変位等の環境情報を計測する各種環境計測装置３７が接続され、各種環境計測装置３７から地山変位等の環境情報を取得する。

【0031】

余掘り管理システム３２は、取得した情報を用い、コピー２３の余掘り軌跡や余掘りの過不足等の計算を行う。そして、余掘り管理システム３２は、図３に示した時系列変化とともに、余掘りの過不足の位置や程度を、シールドの表示モデルの外皮部分にマッピングして表示する。このように、シールドを表示モデルとして表示し、余掘りの過不足の位置や程度をマッピングすることで、シールドオペレータが今後に修正が必要な余掘りがシールドの躯体外面のどのあたりとなるのか、現在の余掘り空間で可能なシールド姿勢はどこまでか、これらを即座に読み取ることができるようになる。

【0032】

図５は、シールド総合管理システム３０のハードウェア構成の一例を示した図である。シールド総合管理システム３０は、一般的なコンピュータにより構成することができる。このため、シールド総合管理システム３０は、一般的なコンピュータと同様のハードウェア構成を採用することができる。シールド総合管理システム３０は、ハードウェアとして、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４０、ＲＯＭ(Read Only Memory)４１、ＲＡＭ(Random Access Memory)４２、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)４３、外部機器Ｉ／Ｆ４４、入出力Ｉ／Ｆ４５、表示装置４６、入力装置４７を備える。

【0033】

ＣＰＵ４０は、システム全体を制御し、各種のアプリケーションを実行する。ＲＯＭ４１は、システムの起動時のＯＳ(Operating System)の読み込みや周辺機器に対する入出力制御を行うＢＩＯＳ(Basic Input/Output System)や、ＨＤＤ４３等のシステム内部の回路等の制御を行うファームウェアを格納する。ＲＡＭ４２は、メインメモリとして用いられ、ＣＰＵ４０に対して作業領域を提供する。ＨＤＤ４３は、ＣＰＵ４０が実行する各種のアプリケーションやＯＳ、各種の設定情報、各種のデータ等を記憶する。ここでは、ＨＤＤ４３を使用しているが、これに限定されるものではなく、ＳＳＤ(Solid State Drive)等の記憶装置であってもよい。

【0034】

外部機器Ｉ／Ｆ４４は、基本操作盤３５および詳細操作盤３６や、各種環境計測装置３７等の外部機器と本システムとを接続し、外部機器との通信を制御する。表示装置４６は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ(Electro Luminescence)ディスプレイ等の情報を表示するための装置である。入力装置４７は、キーボードやマウス等の情報の入力、アプリケーション等の選択、アプリケーション実行の指示等を行う装置である。入出力Ｉ／Ｆ４５は、表示装置４６への情報の出力および入力装置４７からの情報の入力を制御する。この例では、表示装置４６と入力装置４７が別個の装置として説明したが、これに限られるものではなく、表示装置４６と入力装置４７の両方の機能を備えたタッチパネルを採用してもよい。

【0035】

シールド総合管理システム３０は、その他の回路等を備えていてもよく、例えばインターネット等のネットワークと接続し、ネットワーク上の通信機器との通信を制御する通信Ｉ／Ｆや、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等により近距離無線通信を可能にする近距離無線通信回路等を備えていてもよい。

【0036】

図６は、余掘り管理システム３２の機能構成の一例を示した機能ブロック図である。余掘り管理システム３２の各機能は、シールド総合管理システム３０が備えるアプリケーションをＣＰＵ４０が実行することにより実現される。なお、余掘り管理システム３２の各機能の一部または全部は、回路等のハードウェアで構成されていてもよい。

【0037】

余掘り管理システム３２は、機能部として、シールドおよび関連プラント３３、各種環境計測装置３７等からシールド総合管理システム３０が取得し、記録した情報の中から所定の情報を取得するための取得部５０と、表示装置４６への情報の表示を制御する表示制御部５１と、余掘りの過不足を評価する評価部５２とを備える。

【0038】

取得部５０は、シールド総合管理システム３０が記録した情報の中から、所定の情報として、コピー２３の突出長の設定、余掘り出来形と、シールドの位置と、シールドの姿勢とに関して追跡記録された蓄積情報を取得する。シールドの姿勢に関する情報は、シールド後胴の面向き、中折れ角等であり、シールドの姿勢を決めるための情報である。

【0039】

表示制御部５１は、取得部５０により取得された蓄積情報に基づき、当該姿勢で配置したシールドの表示モデルとコピー２３の余掘り軌跡とを表示させる。表示モデルは、ＣＡＤ(Computer Aided Design)等で作成された三次元モデルである。コピー２３の余掘り軌跡は、コピー２３が掘削しながら移動してきた跡を、曲線等で表したものである。

【0040】

シールドおよび関連プラント３３や各種環境計測装置３７は、シールドによる掘削中、必要なデータを取得し、シールド総合管理システム３０へ送信し、同一のタイムスタンプを付して蓄積する。必要なデータは、コピー２３の突出長の設定、シールドの位置、シールドの姿勢に関する情報としての後胴の面向き、中折れ角等である。

【0041】

取得部５０は、シールドが所定の距離掘削する毎に追跡記録された蓄積情報を読み出して取得し、表示制御部５１は、コピー２３の余掘り軌跡の表示を更新する。所定の距離掘削する毎とは、例えば１つのセグメントリングを構築できる分だけ掘進する毎である。なお、これは一例であるので、所定の距離はこの距離に限定されるものではない。

【0042】

評価部５２は、取得部５０により取得された蓄積情報に基づき、余掘りの過不足を評価する。具体的には、評価部５２は、表示制御部５１が表示させた表示モデルと余掘り軌跡において、オーバーラップして表示された部分につき、余掘り軌跡を表す線に対し、表示モデルがはみ出した量を計算し、そのはみ出した量とその部分で余掘りのために突出させたコピー２３の突出長とを比較し、余掘りの過不足を評価する。

【0043】

余掘りの過不足の評価は、余掘りが適正か、余掘り過多か、余掘り不足かを判定することにより行うことができる。適正か否かは、実余掘り量が許容値以内か否かにより判断することができる。実余掘り量は、コピー２３のストロークの計測、もしくは触診棒の地山への押し当てによる計測により求めることができる。

【0044】

余掘りが適正である場合、程よいバランスで線形を維持できる。一方、余掘りが過多である場合、地盤反力が小さく、余掘りが不足する場合、地盤反力が大きく、いずれも線形を逸脱し、期待通りに姿勢が変わらずカーブしなくなる。このような余掘り過多、余掘り不足は、単に適正範囲の上限を超えるか、下限を下回るかのみで判断してもよいが、さらに範囲を設け、どの程度過多か、もしくは不足しているかを評価してもよい。

【0045】

表示制御部５１は、表示させた表示モデルおよび余掘り軌跡に、評価部５２の評価結果を対応付けて（マッピングして）表示させる。評価部５２は、少なくとも余掘り適正、余掘り過多、余掘り不足の３つのレベルで評価することができることから、表示制御部５１は、３つのレベルでの評価結果を、表示モデル等にマッピング表示させることができる。

【0046】

表示制御部５１は、余掘り適正、余掘り過多、余掘り不足を、例えば色で区別して表示させることができる。具体的には、表示モデルの余掘り適正である部分を白色、余掘り過多の部分を赤色、余掘り不足の部分を青色で表示させることができる。これにより、シールドのトンネル軸方向のどの部分が余掘り過多か、余掘り不足かを表示させることができる。

【0047】

表示モデルがＣＡＤにより作成したＣＡＤモデルである場合、任意の方向からの表示が可能であり、また、任意の位置で切断した断面の表示も可能である。このため、任意の位置で切断した断面に、評価部５２の評価結果をマッピング表示し、トンネル断面の周方向のどの部分が余掘り過多か、余掘り不足かを表示させることができる。

【0048】

図７は、表示制御部５１により表示装置４６に表示させた余掘り実績表示の一例を示した図である。図７に示す画面は、切羽位置や掘削区間の表示に加え、右上に、余掘りの各レベルを色分けし、表示モデルである三次元モデル６０と余掘り軌跡６１とを表示している。また、下側に、三次元モデル６０の任意の位置として、位置Ａ～Ｃの３箇所で切断した断面図を各レベルの色分けとともに表示している。

【0049】

右上に示した三次元モデル６０は、急曲線部を掘進する中折れ機構を備えたシールドの三次元モデルである。この図では、シールドが右側に向けて掘進していて、カッターヘッドを有する前胴６０ａと後胴６０ｂとの間に中折れ機構６０ｃが設けられている。シールドの後胴６０ｂは、シールドのカーブにより前胴６０ａの余掘り軌跡６１を示す破線からカーブの内側にはみ出し、後胴６０ｂの内側部分が余掘り不足となっている。その反対に、後胴６０ｂの外側部分は、余掘り過多となっている。

【0050】

下側に示した切断線Ａ－Ａで切断した断面が後胴６０ｂの断面で、切断線Ｂ－Ｂで切断した断面が中折れ機構６０ｃを有する部分の断面で、切断線Ｃ－Ｃで切断した断面が前胴６０ａの断面である。切断線Ｃ－Ｃで切断した前胴６０ａの断面は、余掘り軌跡６１にほぼ一致しているため、余掘り適正の範囲内に入っている。しかしながら、後胴６０ｂの断面は、余掘り軌跡６１からはみ出しているため、はみ出した部分が余掘り不足となっている。

【0051】

このように余掘りの過不足の評価結果を色分けして表示させることで、それを見たシールドオペレータは、どの位置が余掘り過不足になっているかを容易に理解することができる。また、余掘りの過不足の程度を色分けし、コンター図（等値線図）として表示させることで、シールドオペレータは、その程度も容易に理解することができる。

【0052】

図８は、余掘りの過不足の評価結果を表示させる別の例を示した図である。余掘りの過不足は、図７に示したようにシールドの表示モデルの外皮部分に色分けし、その位置を示すことで、シールドオペレータが一目で過不足の位置や程度を把握することができる。シールドは、一定方向に回転しながら前進する。このため、前進するシールドの前面の外周上で、中折れジャッキのジャッキ操作により出入りするコピー２３の軌跡は、螺旋を描くことになる。図７に示した例では、１の領域が余掘り適正であるにも関わらず、その周囲の領域が余掘り過多であった場合、当該１の領域を含めて余掘り過多とし、色分けして表示している。

【0053】

そこで、より細かく評価結果を反映させるため、図８に示すように、螺旋を描くコピー２３の軌跡６２に合わせて離散化してタイル状に表示させる。余掘りの過不足に対応して各タイル６３を色分けして表示させることで、より細かく過不足の位置や程度を表すことができる。図８中、余掘りの外周面が地山掘削面６４である。

【0054】

シールド総合管理システム３０は、コピー２３の円周角θ位置と突出長の設定ΔＲ、シールド位置と姿勢に関する情報を、タイムスタンプを付けて追跡記録しているため、コピー２３が、どの時刻に、どの位置にあり、どの程度突出しているか、そのとき、シールド１０がどの位置にあり、どのような姿勢であるかが分かる。このため、同一のタイムスタンプが付いたこれらの情報を１組のデータセットとし、このデータセットを用いることで、コピー２３の軌跡６２を離散化してタイル状とした場合の各タイル６３の余掘りの過不足を評価し、色分けして表示させることができる。

【0055】

コピー２３の軌跡は、一定の距離で区切って離散化することができるが、一定の時間で区切って離散化してもよい。

【0056】

図９を参照して、トンネルの急曲線部における施工手順について説明する。トンネルの急曲線部に至るまでは、直線部もしくは緩やかな曲線部をシールドによりトンネルを掘削している。ステップ１００では、計画線（設計）を参照し、ステップ１０１では、掘削線（実績）を確認する。掘削線は、シールドによりトンネルを掘削し、シールド上の任意の点が移動した軌跡を示す線である。

【0057】

ステップ１０２では、計画線と掘削線との差を偏差とし、その偏差を評価する。偏差が拡大している場合、偏差を小さくするように修正する修正線を準備する。修正線は、計画線からずれたシールドを、どのように前進させて計画線上の軌道に戻すかを示す線である。急曲線部に対してシールドを前進させるためには、コピー２３を突出させ、シールドが必要な姿勢を取り得る空間を余掘りする必要がある。急曲線部のカーブの大きさを表すＲ（円の半径）によって余掘り量が異なることから、ステップ１０３では、計画線で定めたＲに従い、余掘り目標を準備する。余掘り目標は、余掘り量の設定値である。

【0058】

ステップ１０４では、余掘り目標を、シールドを制御する制御器にロードする。すなわち、余掘り量の設定値を制御器へ送信し、制御器に設定する。ステップ１０５で、余掘りモードをＯＮにし、掘削を開始する。ステップ１０６では、制御器にロードされた余掘り目標に従い、コピー２３を自動制御して掘進を開始する。

【0059】

コピー２３が自動で出入りしながら、シールドが掘進する間、ステップ１０７、１０８で、コピー２３の突出長と、シールドの姿勢に関する情報とを一定の時間間隔で同時に計測しながら、これらの情報を記録する。このとき、シールドの位置情報も記録する。

【0060】

シールドの掘進は、所定距離移動したところで一旦終了することができ、例えば１つのセグメントリングの施工が完了したところで一旦終了することができる。ステップ１０９では、シールドの掘進を一旦終了する。

【0061】

ここからが余掘り管理システムによる処理となるが、ステップ１１０では、シールド軌跡と姿勢を図示する。すなわち、取得部５０が、記録されたコピー２３の円周角θ位置と突出長の設定ΔＲ、シールド位置と姿勢に関する情報を取得する。そして、表示制御部５１が、位置および姿勢に関する情報に基づき、図６に示したようなシールドの表示モデルと余掘り軌跡とを表示させる。この段階では、表示モデルは色分けされていない状態である。

【0062】

ステップ１１１では、評価部５２が、突出長に関する情報に基づき、余掘りの過不足を評価する。評価部５２は、表示モデルが余掘り軌跡を示す線からはみ出した量を、突出長の設定ΔＲと比較し、余掘りが適正か、余掘りが過多か、余掘りが不足しているかを評価する。ステップ１１２では、表示制御部５１が、評価部５２の評価結果を、既に表示された表示モデルおよび余掘り軌跡に反映させる。具体的には、評価結果を色分けして表示モデルにマッピング表示させる。

【0063】

ステップ１１３では、シールドオペレータが、表示装置にマッピング表示された表示モデルを確認し、修正が必要か否かを判断する。修正が必要と判断した場合、ステップ１０３へ戻り、余掘り目標を再設定する。一方、修正が不要と判断した場合、ステップ１０５へ戻り、次の掘削を開始する。この処理は、急曲線部の掘削が終了するまで実施される。トンネルの直線部や緩やかな曲線部では、余掘りが不要な場合も多いため、この処理を実施しなくてもよい。この処理を実施するか否かは、計画線上でシールドの現在位置を確認し、急曲線部に入るか否かにより判断することができる。

【0064】

以上に説明してきたように、余掘りの過不足を簡単に評価することができ、それを色分けする等して表示させることで、シールドオペレータが余掘りの現状と履歴が掘進中において直感的に把握することができる。これにより、運転オペレータが適正に修正して施工を行うことができるので、急曲線部の施工品質を向上させることができる。

【0065】

これまで本発明の余掘り管理システム、方法およびプログラムについて図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0066】

１０…シールド
１１…カッターヘッド
１２…シールドジャッキ
１３…セグメント
１４…スキンプレート
１５…チャンバー
１６…スクリューコンベア
１７…ベルトコンベアー
１８…エレクター
１９…裏込め注入装置
２０、２１…胴体
２２…セグメントリング
２３…コピー
３０…シールド総合管理システム
３１…アプリケーション
３２…余掘り管理システム
３３…シールドおよび関連プラント
３４…操作系統Ｉ／Ｆ
３５…基本操作盤
３６…詳細操作盤
３７…各種環境計測装置
４０…ＣＰＵ
４１…ＲＯＭ
４２…ＲＡＭ
４３…ＨＤＤ
４４…接続Ｉ／Ｆ
４５…入出力Ｉ／Ｆ
４６…表示装置
４７…入力装置
５０…取得部
５１…表示制御部
５２…評価部
６０…三次元モデル
６０ａ…前胴
６０ｂ…後胴
６０ｃ…中折れ機構
６１…余掘り軌跡
６２…軌跡
６３…タイル
６４…地山掘削面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】