特開 2023-154695 シールド掘進機の方向制御システムおよび方向制御方法

(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】P2023154695

(43)【公開日】2023-10-20

(54)【発明の名称】シールド掘進機の方向制御システムおよび方向制御方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20231013BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 C

E21D9/093 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022064207

(22)【出願日】2022-04-08

(71)【出願人】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】松原 健太

(72)【発明者】

【氏名】林 成卓

(72)【発明者】

【氏名】中本 淳

(72)【発明者】

【氏名】荒井 総一郎

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AA01

2D054AA02

2D054GA02

2D054GA04

2D054GA25

2D054GA56

2D054GA62

(57)【要約】

【課題】掘進指示値と実測値との間のずれを加味したうえで方向制御を行うことのできるシールド掘進機の方向制御システムおよび方向制御方法を提供する。
【解決手段】方向制御システムは、ストローク差およびジャイロ方位について先行の掘進方向区間における実測値を取得する処理と、ストローク差およびジャイロ方位について初期指示値と実測値との差異を算出する処理と、ストローク差の差異を変換したジャイロ方位変換値とジャイロ方位の差異を変換したストローク差変換値とを算出する処理と、ストローク差の実測値とストローク差変換値とに基づくストローク差修正指示値を算出するとともにジャイロ方位の実測値とジャイロ方位変換値とに基づくジャイロ方位修正指示値を算出する処理と、初期指示値、修正指示値、および、重み付け値を用いて、後続の掘進方向区間のストローク差指示値とジャイロ方位指示値とを算出する処理と、を実行する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続する複数の掘進方向区間で構成された掘進予定範囲をストローク差指示値とジャイロ方位指示値とに基づいて掘進するシールド掘進機の方向制御システムであって、
ストローク差およびジャイロ方位の各々について、先行の掘進方向区間における実測値と後続の掘進方向区間における初期指示値とを取得し、
前記ストローク差および前記ジャイロ方位の各々について、前記初期指示値と前記実測値との差異を算出し、
前記ストローク差の差異を前記ジャイロ方位に変換したジャイロ方位変換値と前記ジャイロ方位の差異を前記ストローク差に変換したストローク差変換値とを算出し、
前記ストローク差の実測値と前記ストローク差変換値とに基づくストローク差修正指示値を算出するとともに前記ジャイロ方位の実測値と前記ジャイロ方位変換値とに基づくジャイロ方位修正指示値を算出し、
前記ストローク差の初期指示値、前記ストローク差修正指示値、および、前記ストローク差の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ストローク差指示値を算出し、
前記ジャイロ方位の初期指示値、前記ジャイロ方位修正指示値、および、前記ジャイロ方位の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ジャイロ方位指示値を算出する
シールド掘進機の方向制御システム。

【請求項2】

実績ストローク差と実績水平力点の回帰分析によって、推奨力点の水平方向成分である推奨水平力点を算出可能な回帰式を導出し、
前記回帰式に対し、前記ストローク差の実測値と前記ストローク差指示値との差を説明変数として入力することで前記推奨水平力点を算出する
請求項１に記載のシールド掘進機の方向制御システム。

【請求項3】

前記重み付け値として、掘進管理者によって設定された値を取得する
請求項１または２に記載のシールド掘進機の方向制御システム。

【請求項4】

シールド偏差およびテールクリアランスの各々についての実測値と管理値とを取得し、
前記シールド偏差の実測値、前記シールド偏差の管理値、前記テールクリアランスの実測値、および、前記テールクリアランスの管理値を重み付け関数に入力して前記重み付け値を算出する
請求項１または２に記載のシールド掘進機の方向制御システム。

【請求項5】

連続する複数の掘進方向区間で構成された掘進予定範囲をストローク差指示値とジャイロ方位指示値とに基づいて掘進するシールド掘進機の方向制御方法であって、
前記シールド掘進機の方向制御システムが、
ストローク差およびジャイロ方位の各々について、先行の掘進方向区間における実測値と後続の掘進方向区間における初期指示値とを取得する工程と、
前記ストローク差および前記ジャイロ方位の各々について、前記初期指示値と前記実測値との差異を算出する工程と、
前記ストローク差の差異を前記ジャイロ方位に変換したジャイロ方位変換値と前記ジャイロ方位の差異を前記ストローク差に変換したストローク差変換値とを算出する工程と、
前記ストローク差の実測値と前記ストローク差変換値とに基づくストローク差修正指示値を算出するとともに前記ジャイロ方位の実測値と前記ジャイロ方位変換値とに基づくジャイロ方位修正指示値を算出する工程と、
前記ストローク差の初期指示値、前記ストローク差修正指示値、および、前記ストローク差の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ストローク差指示値を算出する工程と、
前記ジャイロ方位の初期指示値、前記ジャイロ方位修正指示値、および、前記ジャイロ方位の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ジャイロ方位指示値を算出する工程と、を実行する
シールド掘進機の方向制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールド掘進機の方向制御システムおよび方向制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シールド掘進機は、掘進方向の自動制御化が検討されている。例えば、特許文献１では、シールド掘進機を計画線形に沿うよう掘進させるべく、ジャッキ推力の作用力点として推奨する推奨力点を算出している。推奨力点の水平方向成分である推奨水平力点は、実績ストローク差と実績水平力点の回帰分析の結果に基づいて算出されている。また、推奨力点の垂直方向成分である推奨垂直力点は、実績ピッチング角度差と実績垂直力点の回帰分析に基づいて算出されている。これにより、オペレーターは、推奨力点を参照して目標力点を決定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－８２００３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、シールド掘進機による掘進の方向制御は、水平方向についてはストローク差などの掘進指示値に基づいて行われる。また、その掘進指示値は、掘進予定範囲を構成する複数の掘進方向区間についてまとめて設定されることが一般的である。

【0005】

しかしながら、シールドジャッキの推力などの影響を受けてセグメントに変位が生じるため、１つの掘進方向区間についての掘進が終了したとき、掘進指示値と実測値との間にずれが生じる。そのため、そのずれを加味したうえで後続の掘進方向区間における方向制御が行われることが望ましい。なお、セグメントの変位の影響を受けないジャイロ方位に基づいて掘進する方法もあるが、ジャイロ方位の掘進指示値を具現化するためにストローク差が過大になってしまうおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するシールド掘進機の方向制御システムは、連続する複数の掘進方向区間で構成された掘進予定範囲をストローク差指示値とジャイロ方位指示値とに基づいて掘進するシールド掘進機の方向制御システムであって、ストローク差およびジャイロ方位の各々について、先行の掘進方向区間における実測値と後続の掘進方向区間における初期指示値とを取得し、前記ストローク差および前記ジャイロ方位の各々について、前記初期指示値と前記実測値との差異を算出し、前記ストローク差の差異を前記ジャイロ方位に変換したジャイロ方位変換値と前記ジャイロ方位の差異を前記ストローク差に変換したストローク差変換値とを算出し、前記ストローク差の実測値と前記ストローク差変換値とに基づくストローク差修正指示値を算出するとともに前記ジャイロ方位の実測値と前記ジャイロ方位変換値とに基づくジャイロ方位修正指示値を算出し、前記ストローク差の初期指示値、前記ストローク差修正指示値、および、前記ストローク差の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ストローク差指示値を算出し、前記ジャイロ方位の初期指示値、前記ジャイロ方位修正指示値、および、前記ジャイロ方位の重み付け値を用いて、前記後続の掘進方向区間についての前記ジャイロ方位指示値を算出する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、掘進指示値と実測値との間に生じたずれを加味したうえでシールド掘進機の方向制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】シールド掘進機および方向制御システムの一実施形態の概略構成を示す図である。

【図2】シールド掘進機を模式的に示す正面図である。

【図3】シールド掘進機による掘進予定範囲、掘進方向区間、および、計測点を示す図である。

【図4】シールド制御装置の操作盤上の力点を示す図である。

【図5】（ａ）はシールド掘進機の計画線形に対する水平方向の逸脱量を示す図であり、（ｂ）はシールド掘進機の計画線形に対する垂直方向の逸脱量を示す図である。

【図6】方向制御装置の構成を示す機能ブロック図である。

【図7】掘進指示値補正部の構成を示す機能ブロック図である。

【図8】実指示値算出処理を示すフローチャートである。

【図9】目標力点推奨部の構成を示す機能ブロック図である。

【図10】推奨力点算出処理を示すフローチャートである。

【図11】ジャイロ方位の重み付け値の設定例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
図１～図１０を参照して、方向制御方法および方向制御システムの第１実施形態について説明する。

【0010】

まず、図１～図４を参照しつつ、シールド掘進機２０、ジャッキ推力の作用力点、実力点Ｅ、推奨力点Ｒ、目標力点Ｇ、掘進指示値（掘進指示書）の概略について、その概略を説明する。

【0011】

（シールド掘削機）
図１および図２に示すように、シールド掘進機２０は、シールド工法によってトンネル１０を形成する際に用いられる。シールド工法では、シールド掘進機２０による掘削によってトンネル１０が形成されたのち、そのトンネル１０の内壁面を覆うように複数のセグメント１１によって覆工体が形成される。

【0012】

シールド掘進機２０は、外殻体２１、シールドジャッキ２２、および、シールド制御装置２３を備える。外殻体２１は、筒状をなしている。上述した覆工体は、外殻体２１の内部における後側にて形成される。外殻体２１の先端には、外殻体２１の中心軸を回転中心として回転可能なカッターヘッド２４が設けられている。シールドジャッキ２２は、外殻体２１の周方向において所定の間隔で、かつ、外殻体２１の周面に沿うように設けられている。シールドジャッキ２２は、上述した覆工体から掘進用の反力を得る。シールド制御装置２３は、カッターヘッド２４の回転や各シールドジャッキ２２の伸張など、シールド掘進機２０の駆動を制御する。

【0013】

シールド掘進機２０は、カッターヘッド２４を回転させながらシールドジャッキ２２を伸張させることで地盤を掘進する。シールド掘進機２０の掘進方向は、複数のシールドジャッキ２２によるジャッキ推力の作用力点の位置により制御される。

【0014】

（ジャッキ推力の作用力点）
図２に示すように、作用力点の位置は、各シールドジャッキ２２に設定されるジャッキ圧の配置パターン（ジャッキパターン）により決定される。具体的には、作用力点の位置は、シールド掘進機２０の掘進に寄与するジャッキ圧が設定されるシールドジャッキ２２の配置と掘進に寄与しないジャッキ圧が設定されるシールドジャッキ２２の配置とにより決定される。シールド掘進機２０は、ジャッキパターンにより作用力点の位置を変化させることで、その作用力点に応じた掘進方向へ掘進する。

【0015】

（掘進指示値）
図３に示すように、シールド掘進機２０を用いたトンネル施工の際、掘進管理者は、掘進予定範囲Ｌ１における計画線形Ｌに沿ってシールド掘進機２０が掘進するように、初期指示値である掘進指示値が設定された掘進指示書を作成する。掘進指示値は、掘進予定範囲Ｌ１を区分けした連続する複数の掘進方向区間Ｌ２ごとに設定される。なお、図３においては、セグメント１１の１リング分の幅を掘進方向区間Ｌ２、３区画分の掘進方向区間Ｌ２を掘進予定範囲Ｌ１とした事例を示している。

【0016】

掘進指示値は、ストローク差の掘進指示値とジャイロ方位の掘進指示値とを含んでいる。また、掘進指示値は、ピッチング角度差、水レベル値、および、コピーカッターの位置・伸び量の各々についての掘進指示値を含んでいる。

【0017】

ストローク差は、図２で示すようなシールド掘進機２０において、左右端に位置するシールドジャッキ２２の伸縮量（シールドジャッキストローク）の差である。ジャイロ方位は、ジャイロセンサによる計測値である。

【0018】

ピッチング角度差は、掘進方向区間Ｌ２を掘進した前後におけるピッチング角の差、具体的には掘進方向区間Ｌ２を掘進した前後における上下方向のシールド掘進機２０の傾斜角度の差である。水レベル値は、水レベル計による計測値である。

【0019】

なお、掘進指示値が設定される掘進方向区間Ｌ２の距離や掘進予定範囲Ｌ１の区間数もなんら限定されるものではない。シールド掘進機２０のオペレーターは、掘進指示値を満足するように方向制御システム３０を用いてシールド掘進機２０の掘進方向を制御することで、シールド掘進機２０を計画線形Ｌに沿って掘進させる。

【0020】

（推奨力点Ｒ、目標力点Ｇ、および、実力点Ｅ）
図４に示すように、方向制御システム３０は、計画線形Ｌに沿ってシールド掘進機２０を掘進させる作用力点として、推奨力点Ｒを算出する。推奨力点Ｒは、過去の実績データに基づいて、次の掘進方向区間Ｌ２において目標力点Ｇとして推奨される作用力点である。シールド掘進機２０のオペレーターは、算出された推奨力点Ｒを参照しつつ、ジャッキ推力の目標力点Ｇを決定する。

【0021】

作用力点は、水平力点と垂直力点とで構成される。水平力点および垂直力点は、複数のシールドジャッキ２２の各々におけるジャッキ推力の合力に基づいて算出される。水平力点は、水平方向成分の作用点であって、シールド掘進機２０の中心軸線Ａを通る水平方向線上の作用点である。垂直力点は、垂直方向成分の作用点であって、水平方向線と直交し、かつ、シールド掘進機２０の中心軸線Ａを通る垂直方向線上の作用点である。

【0022】

方向制御システム３０は、１区画分の掘進方向区間Ｌ２を掘進するごとに取得する実績ストローク差、実績ピッチング角度差、実績水平力点、実績垂直力点に基づいて、推奨力点Ｒを算出する。

【0023】

実績ストローク差と実績水平力点は、１区画分の掘進方向区間Ｌ２を掘進した後におけるストローク差と水平力点である。実績ピッチング角度差と実績垂直力点は、１区画分の掘進方向区間Ｌ２を掘進した後におけるピッチング角度差と垂直力点である。

【0024】

ところで、推奨力点Ｒは、シールド掘進機２０の姿勢やテールクリアランス（シールド掘進機２０とセグメント１１のすき間）、余掘り量など、シールド掘進機２０の方向制御に影響を及ぼす要因の全てを反映しているわけではない。このため、シールド掘進機２０のオペレーターは、推奨力点Ｒを参照しつつ、シールド掘進機２０の性能や地盤の状況、過去の経験等を加味してジャッキ推力の目標力点Ｇを決定する。オペレーターは、決定した目標力点Ｇを、方向制御システム３０を通じてシールド制御装置２３に入力する。シールド制御装置２３は、ジャッキ推力の実力点Ｅが目標力点Ｇを追従するように各シールドジャッキ２２のジャッキ圧を制御する。なお、シールド制御装置２３は、オペレーターが決定した目標力点Ｇが実力点Ｅとなるようにオペレーター自身が手動で指示したジャッキパターンに基づいて、各シールドジャッキ２２のジャッキ圧を制御してもよい。

【0025】

（シールド掘進機の方向制御システム）
図１、図５～図１０を参照して、方向制御システム３０について説明する。
図１に示すように、方向制御システム３０は、シールド掘進機２０に設置されたシールド制御装置２３と相互通信可能に構成されている。方向制御システム３０は、相互通信可能に構成された掘進管理装置４０と方向制御装置５０とを備える。

【0026】

なお、シールド制御装置２３、掘進管理装置４０、および、方向制御装置５０は、情報処理装置を中心に構成されている。情報処理装置は、たとえばｃｉｒｃｕｉｔｒｙ、すなわち、ＡＳＩＣのような１つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上の処理回路、或いは両者の組み合わせによって実現することができる。処理回路は、ＣＰＵと、ＣＰＵによって実行されるプログラムを記憶したメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ等）と、を有する。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

【0027】

（掘進管理装置）
掘進管理装置４０は、シールド掘進機２０に搭載された各種の計測機器２５の計測値に基づいて、掘進作業中の各種情報の収集・計算・記録・蓄積を行うとともに、シールド掘進機２０の稼働状況を監視する装置である。

【0028】

計測機器２５は、水平方向に関する計測値として、ストローク差とジャイロ方位とを計測する。計測機器２５は、垂直方向に関する計測値として、ピッチング角度差と水レベルとを計測する。計測機器２５は、水平方向および垂直方向の各々におけるテールクリアランスを計測する。

【0029】

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、掘進管理装置４０は、シールド掘進機２０の位置・姿勢、および、施工計画に基づく計画線形Ｌに対する水平方向の逸脱量Ｄｈおよび垂直方向の逸脱量Ｄｖ等を把握する。

【0030】

また、掘進管理装置４０は、シールドジャッキ２２のジャッキ推力に基づいて、実力点Ｅについての水平力点および垂直力点を算出する。掘進管理装置４０は、上述した計測機器２５の計測値に基づいて、シールド掘進機２０のストローク差やピッチング角度差の現在値など、シールド掘進機２０の稼働状態に関するデータを取得する。

【0031】

シールド掘進機２０の稼働状態に関するデータとして、掘進管理装置４０は、例えば、推奨力点Ｒの算出に用いられる推奨力点算出用データを取得する。
推奨力点算出用データの取得において、掘進管理装置４０は、図３に示した掘進方向区間Ｌ２の１区間分を掘進するごとに、各種の計測機器２５の計測値などに基づいてシールド掘進機２０の位置を計測する。この計測結果に基づいて、掘進管理装置４０は、シールド掘進機２０のストローク差およびピッチング角度差、これらストローク差およびピッチング角度差に対応する作用力点（水平力点および垂直力点）を算出する。また、掘進管理装置４０は、上記１区間分を掘進したときのカッターヘッド２４の回転方向（右方向もしくは左方向）を取得する。

【0032】

そして、掘進管理装置４０は、算出結果および回転方向を示すデータを推奨力点算出用データ（実績ストローク差、実績ピッチング角度差、実績水平力点、実績垂直力点、実績回転方向）として記録する。掘進管理装置４０は、掘進方向区間Ｌ２の１区間分を掘進するごとに推奨力点算出用データを方向制御装置５０に送信する。

【0033】

（方向制御装置）
図６に示すように、方向制御装置５０は、入力装置５１、出力装置５２、処理装置５３、ファイル装置５４、および、メインメモリ５５を備えている。

【0034】

入力装置５１は、例えばキーボードやマウス、スキャナー、スイッチなど、オペレーターによって操作可能な装置である。出力装置５２は、ディスプレイやプリンターなど、オペレーターが各種情報を確認可能な装置である。

【0035】

処理装置５３は、メインメモリ５５に格納された各種プログラムやデータに基づいて各種の処理を実行する。処理装置５３は、プログラムの実行により機能する機能部として、掘進指示値補正部６１、目標力点推奨部６２、および、ジャッキパターンを抽出するパターン抽出部６３を備える。

【0036】

掘進指示値補正部６１は、掘進指示値を補正した値である実指示値を算出する。目標力点推奨部６２は、推奨力点算出用データなどに基づいて推奨力点Ｒを算出する。パターン抽出部６３は、推奨力点Ｒおよび目標力点Ｇの各々について、作用点が近似するジャッキパターンを抽出する。

【0037】

ファイル装置５４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。ファイル装置５４には、指示データファイル６５が格納されている。指示データファイル６５には、掘進指示書において設定された掘進指示値が格納されている。掘進指示値は、入力装置５１を介して方向制御装置５０に入力されて指示データファイル６５に保存される。掘進指示値は、掘進予定範囲Ｌ１を構成する各掘進方向区間Ｌ２の掘進指示値がまとめて入力される。

【0038】

ファイル装置５４には、実指示値データファイル６６が格納されている。実指示値データファイル６６には、各掘進方向区間Ｌ２を掘進する際に実際に指示した実指示値が格納されている。

【0039】

ファイル装置５４には、推奨力点Ｒに関する記憶部分として、データファイル６７、回帰分析情報ファイル６８、および、推奨力点設定用ファイル６９が格納されている。
ファイル装置５４には、ジャッキパターンファイル７３などが格納されている。ジャッキパターンファイルには、作用力点と当該作用力点を具現化するジャッキパターンとが関連付けられたデータが保存されている。

【0040】

（実指示値算出部）
図７および図８を参照して、方向制御装置５０の掘進指示値補正部６１について説明する。

【0041】

掘進指示値補正部６１は、掘進方向区間Ｌ２の掘進が完了したときの計測値などに基づいて、次の掘進方向区間Ｌ２の掘進指示値を補正した値であって、次の掘進方向区間Ｌ２についての実指示値を算出する。第１実施形態の掘進指示値補正部６１は、水平方向、すなわちストローク差およびジャイロ方位の各々について掘進指示値を補正して実指示値を算出する。ストローク差の実指示値はストローク差指示値であり、ジャイロ方位の実指示値はジャイロ方位指示値である。なお、掘進指示値補正部６１は、掘進予定範囲Ｌ１を構成する最初の掘進方向区間Ｌ２については掘進指示値を実指示値として算出する。

【0042】

図７に示すように、掘進指示値補正部６１は、プログラムの実行により機能する機能部として、計測データ取得部７５、差異算出部７６、変換部７７、修正指示値算出部７８、重み設定部７９、および、実指示値算出部８０を備える。

【0043】

図８に示すように、実指示値を算出するにあたり、掘進指示値補正部６１は、実測値取得処理（ステップＳ１０１）、差異算出処理（ステップＳ１０２）、変換処理（ステップＳ１０３）、修正指示値算出処理（ステップＳ１０４）、重み設定処理（ステップＳ１０５）、算出処理（ステップＳ１０６）を実行する。こうした一連の処理は、掘進予定範囲Ｌ１を構成する最初の掘進方向区間Ｌ２の掘進が終了すると、以降の掘進方向区間Ｌ２を掘進する前に実行される。

【0044】

実測値取得処理（ステップＳ１０１）において、計測データ取得部７５は、計測機器２５の計測結果に基づいて、掘進方向区間Ｌ２の掘進が完了したときのストローク差の計測値とジャイロ方位の計測値とを各々の実測値として取得する。

【0045】

差異算出処理（ステップＳ１０２）において、差異算出部７６は、計測データ取得部７５が取得したストローク差の計測値と次の掘進方向区間Ｌ２についてのストローク差の掘進指示値との差異であるストローク差異を算出する。

【0046】

また、差異算出部７６は、計測データ取得部７５が取得したジャイロ方位の計測値と次の掘進方向区間Ｌ２についてのジャイロ方位の掘進指示値との差異であるジャイロ方位差異を算出する。

【0047】

変換処理（ステップＳ１０３）において、変換部７７は、差異算出部７６が算出したストローク差異をジャイロ方位に変換したジャイロ方位変換値を算出する。また、変換部７７は、差異算出部７６が算出したジャイロ方位差異をストローク差に変換したストローク差変換値を算出する。

【0048】

修正指示値算出処理（ステップＳ１０４）において、修正指示値算出部７８は、計測データ取得部７５が取得したストローク差の計測値と変換部７７が算出したストローク差変換値とに基づいて、次の掘進方向区間Ｌ２におけるストローク差修正指示値を算出する。また、修正指示値算出部７８は、計測データ取得部７５が取得したジャイロ方位の計測値と変換部７７が算出したジャイロ方位変換値とに基づいて、次の掘進方向区間Ｌ２におけるジャイロ方位修正指示値を算出する。

【0049】

重み設定処理（ステップＳ１０５）において、重み設定部７９は、ストローク差およびジャイロ方位の各々についての実指示値を算出する際の重み付け値である重みＷｓ，Ｗｊを設定する。第１実施形態において、重み設定部７９は、掘進管理者が設定した値であって入力装置５１を通じて入力された値を重みＷｓ，Ｗｊとして設定する。この重みＷｓ，Ｗｊは、ストローク差とジャイロ方位のうちでどちらを重視するかを規定したものである。ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊは、０以上１以下の値であり、かつ、合計値（＝Ｗｓ＋Ｗｊ）が１となるように設定される。

【0050】

ストローク差を重視する場合、ストローク差の重みＷｓがジャイロ方位の重みＷｊよりも大きくなるように設定される。この場合、シールド掘進機２０とセグメント１１との位置関係を優先して掘進させることを重視することとなる。

【0051】

一方、ジャイロ方位を重視する場合、ジャイロ方位の重みＷｊがストローク差の重みＷｓよりも大きくなるように設定される。この場合、掘進方向の線形性、すなわち計画線形Ｌを優先して掘進させることを重視することとなる。

【0052】

算出処理（ステップＳ１０６）において、実指示値算出部８０は、ストローク差について、次の掘進方向区間Ｌ２における初期指示値である掘進指示値、ストローク差修正指示値、ストローク差の重みＷｓに基づいて、ストローク差の実指示値（ストローク差指示値）を算出する。ストローク差の重みＷｓがジャイロ方位の重みＷｊよりも大きい場合、実指示値算出部８０は、ストローク差修正指示値よりも掘進指示値に近い値をストローク差の実指示値として算出する。一方、ストローク差の重みＷｓがジャイロ方位の重みＷｊよりも小さい場合、実指示値算出部８０は、掘進指示値よりもストローク差修正指示値に近い値をストローク差の実指示値として算出する。

【0053】

例えば、ストローク差の重みＷｓが１である場合、実指示値算出部８０は、掘進指示値を実指示値として算出する。一方、重みＷｓが０である場合、実指示値算出部８０は、ストローク差修正指示値を実指示値として算出する。すなわち、実指示値算出部８０は、「Ｗｓ×掘進指示値＋（１－Ｗｓ）×ストローク差修正指示値」を実指示値として算出する。

【0054】

また、実指示値算出部８０は、ジャイロ方位について、次の掘進方向区間Ｌ２における初期指示値である掘進指示値、ジャイロ方位修正指示値、ジャイロ方位の重みＷｊに基づいて、ジャイロ方位の実指示値（ジャイロ方位指示値）を算出する。ジャイロ方位の重みＷｊがストローク差の重みＷｓよりも大きい場合、実指示値算出部８０は、ジャイロ方位修正指示値よりも掘進指示値に近い値をジャイロ方位の実指示値として算出する。一方、ジャイロ方位の重みＷｊがストローク差の重みＷｓよりも小さい場合、実指示値算出部８０は、掘進指示値よりもジャイロ方位修正指示値に近い値をジャイロ方位の実指示値として算出する。

【0055】

例えば、ジャイロ方位の重みＷｊが１である場合、実指示値算出部８０は、掘進指示値を実指示値として算出する。重みＷｊが０である場合、実指示値算出部８０は、ジャイロ方位修正指示値を実指示値として算出する。すなわち、実指示値算出部８０は、「Ｗｊ×掘進指示値＋（１－Ｗｊ）×ジャイロ方位修正指示値」を実指示値として算出する。

【0056】

実指示値算出部８０は、算出したストローク差の実指示値とジャイロ方位の実指示値とを実指示値データファイル６６に格納する。なお、実指示値算出部８０は、掘進予定範囲Ｌ１を構成する最初の掘進方向区間Ｌ２については、ストローク差およびジャイロ方位の掘進指示値を実指示値として実指示値データファイル６６に格納する。また、実指示値算出部８０は、掘進指示値の補正を行わないピッチング角度差および水レベル値については、各々の掘進指示値を実指示値として実指示値データファイル６６に格納する。

【0057】

（目標力点推奨部）
図９および図１０を参照して、方向制御装置５０の目標力点推奨部６２について説明する。目標力点推奨部６２は、掘進管理装置４０が送信した推奨力点算出用データをファイル装置５４のデータファイル６７に格納して蓄積する。目標力点推奨部６２は、推奨力点算出用データを用いた回帰分析を通じて推奨力点Ｒを算出する。推奨力点Ｒは、水平方向成分である推奨水平力点Ｒｈと垂直方向成分である推奨垂直力点Ｒｖとによって構成される。目標力点推奨部６２は、回帰分析に必要な数量の推奨力点算出用データがデータファイル６７に蓄積されると、掘進方向区間Ｌ２の１区間分を掘進するごとに推奨力点算出処理を実行する。

【0058】

図９に示すように、目標力点推奨部６２は、プログラムの実行により機能する機能部として、実目標値算出部８１、回帰分析部８２、回転情報取得部８３、回帰式選択部８４、および、推奨力点算出部８５を有する。

【0059】

図１０に示すように、推奨力点算出処理では、まず、実目標値設定処理（ステップＳ２０１）が行われる。実目標値設定処理は、ストローク差の実目標値、および、ピッチング角度差の実目標値が設定される処理である。

【0060】

この処理において、実目標値算出部８１は、ファイル装置５４のデータファイル６７に格納されているストローク差の現在値（実績ストローク差の最新値）を取得する。同様に、ピッチング角度差の現在値（実績ピッチング角度差の最新値）を取得する。また、実目標値算出部８１は、次の掘進方向区間Ｌ２の実指示値を実指示値データファイル６６から取得する。

【0061】

実目標値算出部８１は、取得したストローク差の現在値とストローク差の実指示値との差をストローク差の実目標値として算出する。また、実目標値算出部８１は、ピッチング角度差の現在値とピッチング角度差の実指示値との差をピッチング角度差の実目標値として算出する。実目標値算出部８１は、算出したストローク差の実目標値およびピッチング角度差の実目標値をファイル装置５４の推奨力点設定用ファイル６９に格納する。

【0062】

次に、回帰分析処理（ステップＳ２０２）が行われる。回帰分析処理は、推奨力点算出用データを用いた回帰分析によって、推奨水平力点Ｒｈを算出可能な回帰式、および、推奨垂直力点Ｒｖを算出可能な回帰式が導出される処理である。

【0063】

この処理において、回帰分析部８２は、データファイル６７に格納されている推奨力点算出用データから、カッターヘッド２４の回転方向が右方向である実績ストローク差と当該実績ストローク差に対応する実績水平力点とを回帰分析に必要な数の推奨力点算出用データを抽出する。回帰分析部８２は、抽出した推奨力点算出用データについて回帰分析を行い、右回転時における実績ストローク差と実績水平力点の関係を示す回帰式を取得する。また、同様の手順で、回帰分析部８２は、カッターヘッド２４の回転方向が左方向である推奨力点算出用データを用いた回帰式、および、右回転および左回転の双方を含む推奨力点算出用データを用いた回転方向を加味しない回帰式、これらを取得する。回帰分析部８２は、取得した回帰式を、推奨水平力点Ｒｈを算出可能な回帰式として回帰分析情報ファイル６８に格納する。

【0064】

また、回帰分析部８２は、推奨水平力点Ｒｈを算出する回帰式と同様の方法にて、推奨垂直力点Ｒｖを算出可能な回帰式を推奨力点算出用データに基づいて取得する。回帰分析部８２は、取得した回帰式を、推奨垂直力点Ｒｖを算出可能な回帰式として回帰分析情報ファイル６８に格納する。

【0065】

次に、回帰式選択処理（ステップＳ２０３）が行われる。回帰式選択処理は、回帰式が選択される処理である。この処理においては、次の掘進方向区間Ｌ２で予定するカッターヘッド２４の回転方向情報が方向制御装置５０に入力される。回転方向情報が入力されると、回転情報取得部８３は、入力された回転方向に対応する回帰式（右回転用もしくは左回転用）と、回転方向を加味しない回帰式の２種類の回帰式とを、回帰分析情報ファイル６８から抽出する。

【0066】

回帰式が抽出されると、回帰式選択部８４は、推奨水平力点Ｒｈおよび推奨垂直力点Ｒｖの各々について、２種類の回帰式のなかから好適な回帰式を任意の手段で選択する。回帰式選択部８４は、選択した回帰式を推奨力点設定用ファイル６９に格納する。

【0067】

次に、算出処理（ステップＳ２０４）が行われる。算出処理は、推奨力点設定用ファイル６９に格納されている実目標値や回帰式を用いて推奨力点Ｒが算出される処理である。この処理において、推奨力点算出部８５は、推奨水平力点Ｒｈについて選択された回帰式にストローク差の実目標値を説明変数として入力することで推奨水平力点Ｒｈを算出する。また、推奨力点算出部８５は、推奨垂直力点Ｒｖについて選択された回帰式にピッチング角度差の実目標値を説明変数として入力することで推奨垂直力点Ｒｖを算出する。推奨力点算出部８５は、算出した推奨力点Ｒをファイル装置５４の推奨力点設定用ファイル６９に格納する。なお、図４で示すように、推奨力点Ｒは、方向制御装置５０からシールド制御装置２３へと送信されることにより、シールド制御装置２３の操作盤上の選択画面２６に表示されてもよい。また、掘進指示値のほか、重みＷｓ，Ｗｊや実指示値についても、方向制御装置５０からシールド制御装置２３へと送信されることにより、シールド制御装置２３の操作盤上の選択画面２６に表示されてもよい。

【0068】

（作用）
掘進方向区間Ｌ２をシールド掘進機２０で掘進する際、方向制御システム３０は、掘進管理者によって設定された重みＷｓ，Ｗｊに基づいて実指示値を算出する。また、方向制御システム３０は、実指示値に基づく推奨力点Ｒを算出する。

【0069】

第１実施形態の効果について説明する。
（１－１）上述した方向制御システム３０によれば、ストローク差およびジャイロ方位について設定された重みＷｓ，Ｗｊに基づいて、ストローク差およびジャイロ方位の実指示値が算出される。これにより、先行の掘進方向区間Ｌ２の掘進が完了したときの掘進指示値と実測値とのずれを加味したうえで後続の掘進方向区間Ｌ２の掘進を行うことができる。また、重みＷｓ，Ｗｊが設定されることにより、ストローク差とジャイロ方位のどちらを重視するか、すなわち、シールド掘進機２０とセグメント１１との位置関係を重視するか、掘進方向の線形性を重視するかを設定することができる。

【0070】

（１－２）実績ストローク差は、ストローク差の実指示値に基づいて掘進を行った実績である。そのため、推奨水平力点Ｒｈを算出可能な回帰式は、過去におけるストローク差の実指示値の影響を受けた式となる。そして、その回帰式に対して、ストローク差の計測値とストローク差の実指示値との差が説明変数として入力される。そのため、推奨力点Ｒとして、過去におけるその時々の状況においてストローク差とジャイロ方位のどちらを重視したかを加味した力点を算出することができる。すなわち、掘進方向の線形性、および、シールド掘進機２０とセグメント１１との位置関係、これらを適切な状態に保持できる力点を推奨力点Ｒとして算出することができる。

【0071】

（１－３）ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊが掘進管理者によって設定される。これにより、その時々の状況に応じて、ストローク差とジャイロ方位のどちらを重視するかを掘進管理者が設定することができる。

【0072】

（第２実施形態）
図１１を参照して、方向制御方法および方向制御システムの第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の方向制御方法および方向制御システムは、第１実施形態における方向制御方法および方向制御システムとは主要な構成が同じである。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。具体的には、実測値取得処理（ステップＳ１０１）と重み設定処理（ステップＳ１０５）が異なる。

【0073】

実測値取得処理（ステップＳ１０１）において、計測データ取得部７５は、ストローク差およびジャイロ方位のほか、水平方向についてのシールド偏差ｘ２およびテールクリアランスｘ４を取得する。計測データ取得部７５は、各種の計測値に基づいてシールド偏差ｘ２を算出してもよいし、他のシステムからの入力により取得してもよい。

【0074】

重み設定処理（ステップＳ１０５）において、重み設定部７９は、シールド偏差管理値ｘ１およびテールクリアランス管理値ｘ３を取得する。これらシールド偏差管理値ｘ１およびテールクリアランス管理値ｘ３は、掘進指示書に含まれており、指示データファイル６５に格納されている。重み設定部７９は、シールド偏差ｘ２、シールド偏差管理値ｘ１、テールクリアランスｘ４、および、テールクリアランス管理値ｘ３に基づいて、重みＷｓ，Ｗｊを算出する。

【0075】

具体的には、重み設定部７９は、下記の式（１）（２）で構成される重み付け関数に各種の値を代入することにより、ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊを算出する。

【0076】

Ｗｓ＝（ｘ３／ｘ４）／［（ｘ２／ｘ１）＋（ｘ３／ｘ４）］ … （１）
Ｗｊ＝（ｘ２／ｘ１）／［（ｘ２／ｘ１）＋（ｘ３／ｘ４）］ … （２）
図１１は、シールド偏差管理値ｘ１を５０、テールクリアランス管理値ｘ３を１０とした場合について重み設定部７９が算出する重みＷｊの一例を示している。図１１に示すように、重み設定部７９は、テールクリアランスｘ４が小さいほどにはストローク差が重視されるように、また、シールド偏差ｘ２が大きいほどジャイロ方位が重視されるように重みＷｓ，Ｗｊを設定する。

【0077】

第２実施形態によれば、上記（１－１）および（１－２）に記載した効果に加えて、下記の効果を得ることができる。
（２－１）方向制御システム３０によれば、ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊが自動的に設定される。これにより、ストローク差とジャイロ方位のどちらを重視するかをその時々の状況に応じた適切な値に自動的に設定することができる。

【0078】

（２－２）上述した式（１）（２）を用いて重みＷｓ，Ｗｊが算出されることにより、シールド偏差やテールクラアランスの管理値からのずれに応じて、ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊを設定することができる。

【0079】

第１および第２実施形態は、以下のように変更して実施することができる。第１および第２実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0080】

・第１および第２実施形態の掘進指示値補正部６１は、垂直方向についての計測値に基づいて掘進指示値を補正した値を実指示値として算出してもよい。
・ストローク差の重みＷｓおよびジャイロ方位の重みＷｊの決定方法は、式（１）（２）に限定されない。例えば、重み付け関数は、シールド偏差よりもテールクリアランスの計測値の精度が高い場合などに、重みＷｓ，Ｗｊに対する影響がテールクリアランスに関する値の方が大きくなるように設定されてもよい。

【0081】

・第１および第２実施形態において、方向制御システム３０は、実指示値に基づいて算出される推奨力点Ｒを参照してオペレーターが入力した目標力点Ｇあるいはジャッキパターンをシールド制御装置２３に入力する構成とした。これに限らず、方向制御システム３０は、推奨力点Ｒを目標力点Ｇとしてシールド制御装置２３に入力する構成であってもよい。この場合、シールド制御装置２３は、その推奨力点Ｒが実力点Ｅとなるように各シールドジャッキ２２のジャッキ圧を制御する。

【符号の説明】

【0082】

１０…トンネル、１１…セグメント、２０…シールド掘進機、２１…外殻体、２２…シールドジャッキ、２３…シールド制御装置、２４…カッターヘッド、２５…計測機器、２６…選択画面、３０…方向制御システム、４０…掘進管理装置、５０…方向制御装置、５１…入力装置、５２…出力装置、５３…処理装置、５４…ファイル装置、５５…メインメモリ、６１…掘進指示値補正部、６２…目標力点推奨部、６３…パターン抽出部、６５…指示データファイル、６６…実指示値データファイル、６７…データファイル、６８…回帰分析情報ファイル、６９…推奨力点設定用ファイル、７３…ジャッキパターンファイル、７５…計測データ取得部、７６…差異算出部、７７…変換部、７８…修正指示値算出部、７９…重み設定部、８０…実指示値算出部、８１…実目標値算出部、８２…回帰分析部、８３…回転情報取得部、８４…回帰式選択部、８５…推奨力点算出部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】