特許 7429817 テールクリアランス計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-31

(45)【発行日】2024-02-08

(54)【発明の名称】テールクリアランス計測装置

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20240201BHJP

   E21D 9/06 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 B

E21D9/06 301Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023099843

(22)【出願日】2023-06-19

【審査請求日】2023-06-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000207780

【氏名又は名称】大豊建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001793

【氏名又は名称】弁理士法人パテントボックス

(72)【発明者】

【氏名】大久保 健治

(72)【発明者】

【氏名】藤井 宣

【審査官】五十幡 直子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２１４８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０９０３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４８４１４０３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １／００－９／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セグメントの内面位置よりもシールド半径方向外側に配置された非接触式の距離センサと、前記距離センサを回動させる回動機構と、前記回動機構による前記距離センサの回動位置を検出する回動位置検出部と、を有する計測部と；
前記セグメントの端面上の複数点の計測結果と、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、に基づいてテールクリアランスを演算する演算部と；
を備える、テールクリアランス計測装置。

【請求項2】

前記距離センサは、シールド掘進機の円周方向について、シールド掘進機の２つのシールド推進ジャッキの略中間位置に配置されている、請求項１に記載された、テールクリアランス計測装置。

【請求項3】

前記距離センサは、シールド掘進機の円周方向について、少なくとも３箇所配置されている、請求項２に記載された、テールクリアランス計測装置。

【請求項4】

前記演算部は、前記セグメントの端面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌａを演算し、前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌｂを演算し、前記線分Ｌａと前記線分Ｌｂの交点に基づいて前記セグメントの切羽側のテールクリアランスを演算するようになっている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、テールクリアランス計測装置。

【請求項5】

前記演算部は、前記セグメントの端面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌａを演算し、前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌｂを演算し、前記線分Ｌａと前記線分Ｌｂの交点と、前記線分Ｌａと前記線分Ｌｂのなす角度と、に基づいて前記セグメントの坑口側のテールクリアランスを演算するようになっている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された、テールクリアランス計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触でテールクリアランスを計測するテールクリアランス計測装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、シールド掘進機によってトンネルを掘進する際に、非接触でテールクリアランスを計測する技術が知られている。ここで、テールクリアランスとは、シールド掘進機のスキンプレートとセグメントの隙間を意味している。テールクリアランスは、曲線施工時などにスキンプレートとセグメントが接触しないように、許容範囲内に管理する必要がある。

【0003】

例えば、特許文献１に記載されたテールクリアランス計測装置は、非接触式の距離センサと、距離センサを回動させる回動機構と、回動検出部と、を含む計測部と、テールクリアランスを算出する制御部と、を備えており、この制御部は、セグメントの内面上の複数点の計測結果に基づいてセグメントの内面上の第１線分の位置を取得し、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果に基づいてスキンプレートの内面上の第２線分の位置を取得し、第１線分および第２線分の各位置とセグメントの厚みとに基づいてテールクリアランスを算出するようにされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－２１４８３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１を含む従来式のテールクリアランス計測装置は、セグメントの厚みよりもシールド掘進機の中心寄りに配置されており、セグメントの内面に相当する直線を計測するように構成されていた。しかしながら、従来の距離センサの配置では、セグメント組立用のエレクター等の機械と干渉するため、走査できなかったり、機械や人と接触して距離センサの位置・向きが変わったりする、という問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、機械や人と接触しにくく、確実に走査することのできる、テールクリアランス計測装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するために、本発明のテールクリアランス計測装置は、セグメントの内面位置よりもシールド半径方向外側に配置された非接触式の距離センサと、前記距離センサを回動させる回動機構と、前記回動機構による前記距離センサの回動位置を検出する回動位置検出部と、を有する計測部と；前記セグメントの端面上の複数点の計測結果と、前記スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、に基づいてテールクリアランスを演算する演算部と；を備えている。

【発明の効果】

【0008】

本発明のテールクリアランス計測装置は、セグメントの内面位置よりもシールド半径方向外側に配置された非接触式の距離センサと、回動機構と、回動位置検出部と、を有する計測部と；セグメントの端面上の複数点の計測結果と、スキンプレートの内面上の複数点の計測結果と、に基づいてテールクリアランスを演算する演算部と；を備えている。このように、距離センサが、セグメントの内面位置よりもシールド半径方向外側に配置されることで、機械や人と接触しにくく、確実に走査することのできる、テールクリアランス計測装置となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】シールド掘進機の内部構造を説明する断面図である。

【図2】テールクリアランス計測装置の計測部の側面図である。

【図3】テールクリアランス計測装置の計測部の斜視図である。

【図4】テールクリアランス計測装置のシステム構成を説明するブロック図である。

【図5】セグメントの切羽側のテールクリアランスの計算手法の説明図である。

【図6】セグメントの坑口側のテールクリアランスの計算手法の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、以下では、土圧式シールド１を例として説明するが、他の形式のシールド掘進機であっても本発明を適用できる。

【実施例】

【0011】

（シールド掘進機の構成）
図１は本発明の実施例１を示す縦断側面図である。本実施例のシールド掘進機としての土圧式シールド１は、図１に示すように、スキンプレート（シールド本体筒）２と、隔壁３と、カッタヘッド５と、カッタ回転軸１０と、カッタ駆動部１２と、チャンバ１６と、排土装置１７と、シールド推進ジャッキ１８と、作泥土材供給配管２１と、土圧計２２と、操作室内部に配置されたモニタ（７１；図４参照）及び演算部を含む制御部（６０；図４参照）を備えている。

【0012】

カッタヘッド５は、カッタスポーク５１と、カッタスポーク５１の前面に設けられた複数のカッタビット５２、・・・と、カッタスポーク５１の前面中央部に設けられたフィッシュテールビット５３と、カッタスポーク５１の背面に設けられた複数の撹拌翼５４とを有している。カッタヘッド５はカッタ回転軸１０に一体に取り付けられている。

【0013】

カッタ回転軸１０は、隔壁３に設けられた軸受１１と、後述のギアボックス１３の後部に設けられた軸受とに回転自在に支持されている。カッタ回転軸１０はカッタ駆動部１２に連結されている。カッタ駆動部１２は、隔壁３の背面側に設置されたギアボックス１３と、ギアボックス１３に接続された回転駆動源１４と、回転駆動源１４の出力軸とカッタ回転軸１０の間に介在する減速歯車（ギアボックス１３内に配置；図示省略）とを有している。

【0014】

チャンバ１６は、スキンプレート２のフード部と、隔壁３と、切羽Ｆに囲まれた空間にて形成されている。排土装置１７としては、スクリューコンベアが用いられる。排土装置１７における泥土取り込み口は、チャンバ１６に臨むように開口・設置されている。さらに、スキンプレート２のテール部には、セグメント９０を組み立てるためのエレクター１５が設置されている。

【0015】

シールド推進ジャッキ１８は、スキンプレート２の内部において、円周方向に所要の間隔をおいて複数基設置されている。シールド推進ジャッキ１８は、ピストン部１８ａとスプレッダ部１８ｂと、から構成されている。この他、スキンプレート２の後端部には、テールシール１９が設けられている。そして、本実施例のシールド推進ジャッキ１８の近傍には、テールクリアランス計測装置Ｓの計測部４０が設置されている。

【0016】

すなわち、計測部４０を構成する距離センサ４１は、図２に示すように、セグメント９０の内面位置よりもシールド半径方向外側に配置されている。具体的に言うと、距離センサ４１を含む計測部４０は、隔壁３に突設されたブラケット４０ａによって、シールド半径方向についてはシールド推進ジャッキ１８の中心位置の近傍に配置されている。なお、距離センサ４１を含む計測部４０は、スキンプレート２側に固定されていてもよいし、ブラケット４０ａを介さずに直接に隔壁３に取り付けられてもよい。

【0017】

（テールクリアランス計測装置の構成）
次に、図２～図４を用いて、テールクリアランス計測装置Ｓの構成について説明する。図４に示すように、テールクリアランス計測装置Ｓは、計測部４０と、演算部としての制御部６０と、から構成される。

【0018】

計測部４０は、図２～図４に示すように、非接触式の距離センサ４１と、この距離センサ４１を回動させるモータ・ギヤ等の回動機構４２と、回動機構４２による距離センサ４１の回転位置を検出する回動位置検出部４３と、を有している。このうち回動機構４２は、シールド半径方向に垂直な回転軸を有している。したがって、計測部４０の距離センサ４１によってトンネル縦断方向に平行な平面（シールド中心軸線を通る平面）に沿って、セグメント９０の切羽向きの端面９０ａ及びスキンプレート２のテール部の内面を走査することができる。

【0019】

距離センサ４１を含む計測部４０は、図２を用いて前述したように、セグメント９０の内面位置よりもシールド半径方向外側に配置されている。さらに言うと、本実施例の計測部４０（の距離センサ４１）は、図３に示すように、シールド掘進機としての土圧式シールド１の円周方向については、２つのシールド推進ジャッキ１８、１８のちょうど中央近傍に配置されている。

【0020】

なお、距離センサ４１のトンネル縦断方向（シールド掘進方向）の位置は、シールド推進ジャッキ１８が最も短縮された状態のスプレッダ部１８ｂよりも切羽側（前方側）であればよい。さらに、図示しないが、距離センサ４１を含む計測部４０は、シールド円周方向については、少なくとも３か所以上に設置されていることが好ましい。

【0021】

演算部としての制御部６０は、例えば、メモリ、ＣＰＵ、ＳＳＤなどを有する、汎用のパーソナルコンピュータである。制御部６０は、セグメント９０の端面９０ａ上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌａを算出するＬａ算出部６１と、スキンプレート２の内面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌｂを算出するＬｂ算出部６２と、を有している。なお、演算部としての制御部６０は、シールド後続台車に設置してもよいし、地上に設置してもよいし、その両方でもよい。距離センサ４１からの計測データは、ケーブルを通して制御部６０へ送られる。さらに地上に送られたデータは、インターネット等を通じて遠隔地の端末にも転送可能である。

【0022】

この他、制御部６０には、計測部４０からの入力値の他、キーボード６５やマウス６６といった入力手段が接続されている。さらに、制御部６０には、出力手段としてモニタ７１や別の掘進管理用のＰＣ７２などが接続されている。セグメント端面９０ａ上で取得される点群データは、点Ａ及び点Ｂにおいて特異点となるため、セグメント端面９０ａの上下の端点（点Ａ、Ｂ）は、距離センサ４１の座標軸上で明確に認識できる。

【0023】

さらに、本実施例の演算部としての制御部６０は、算出された線分Ｌａと線分Ｌｂに基づいて、これらの交点を求める交点Ｃ算出部６３を有している。この交点Ｃ算出部６３は、線分Ｌａと線分Ｌｂの交点Ｃの座標値と、特異点Ａ、Ｂの座標値と、に基づいて、テールクリアランスｃを計算する。すなわち、図５に示すように、線分Ｌａ及び線分Ｌｂが座標軸上で数式化されているため、線分Ｌａと線分Ｌｂの交点Ｃを算出できる。このようにして、点Ｂと点Ｃによりテールクリアランスを算出できる。同時に、線分Ｌａと線分Ｌｂのなす角度θ_Ｌを計算することができる。

【0024】

加えて、演算部としての制御部６０は、交点Ｃ算出部６３に基づいて、点Ｄの座標値を算出する点Ｄ算出部６４を有している。つまり、セグメント９０の外面と線分Ｌａは基本的に直角の関係であるため、セグメント９０の外面の線とテール部の線分Ｌｂの相対角度θｘを算出できる。

【0025】

そして、相対角度θｘを算出することで、セグメント９０の前方側の端面９０ａ位置のテールクリアランスｃ１だけでなく、目視することのできない、セグメント９０の後端側の端点（点Ｄ）位置のテールクリアランスｃ２も算出可能となる。つまり、角度θｘとセグメント９０の幅（トンネル縦断方向の長さ）が分かれば、点Ｄの座標を特定することができ、したがって、この点Ｄでのテールクリアランスｃ２を算出できる。

【0026】

このようにして、テール部の内面（線分Ｌｂ）とセグメント９０の外面の相対角度θｘを数値化できる。この相対角度θｘの算出の際には、計測対象となるセグメント９０がテーパーセグメント９０Ｔであった場合には、図６に示すように、あらかじめその形状（角度θｙ）と設置方向を入力することで、角度計算の補正を行うことが可能である。つまり、端面９０ａを走査して点群データから線分Ｌａを求めた後に、テーパーセグメント９０Ｔ自体のテーパ角度θｙを考慮することで、相対角度θｘを算出できる。その後、テーパーセグメント９０Ｔの幅に基づいて点Ｄを求めて、点Ｄでのテールクリアランスｃ２を算出する。

【0027】

前述したように、テールクリアランス計測装置Ｓによるテールクリアランスｃのデータは、別のＰＣ７２へ伝送されて、シールドの総合掘進管理を行うソフトに取り入れることも可能であり、そうすることで線形掘進管理をより高度に行うことができる。

【0028】

（効果）
次に、本実施例のテールクリアランス計測装置Ｓの奏する効果を列挙して説明する。

【0029】

（１）上述してきたように、テールクリアランス計測装置Ｓは、セグメント９０の内面位置よりもシールド半径方向外側に配置された非接触式の距離センサ４１と、回動機構４２と、回動位置検出部４３と、を有する計測部４０と；セグメント９０の端面上の複数点の計測結果と、スキンプレート２の内面上の複数点の計測結果と、に基づいてテールクリアランスｃを演算する演算部としての制御部６０と；を備えている。このように、距離センサ４１が、セグメント９０の内面位置よりもシールド半径方向外側に配置されることで、機械や人と接触しにくく、確実に走査することのできる、テールクリアランス計測装置Ｓとなる。

【0030】

また、距離センサ４１の設置位置は、セグメント９０が設置される位置であるため、距離センサ４１を遮るものがなく、常時計測に適している。さらに、セグメント９０の端面９０ａを正面から走査・測距できるため、正確に距離を計測できる。このため、端面９０ａの角度を正確に計測できる。

【0031】

（２）また、距離センサ４１は、シールド掘進機としての土圧式シールド１の円周方向について、土圧式シールド１の２つのシールド推進ジャッキ１８、１８の略中間位置に配置されている、つまり、シールド推進ジャッキ１８が走査の支障となり得るところ、２つのシールド推進ジャッキ１８、１８の間に計測部４０を配置することで、この問題を解消できる。この位置は、シールド掘進機の設備やセグメント組立などの作業範囲に影響されにくい場所であり、設置が容易でメンテナンスもし易い。またシールド設備であるエレクター１５の稼働時の振動などの影響を受けにくいといった利点がある。

【0032】

（３）さらに、距離センサ４１は、シールド掘進機としての土圧式シールド１の円周方向について、少なくとも３箇所配置されていることによって、シールド全周のテールクリアランスｃを把握できる。

【0033】

（４）また、演算部としての制御部６０は、セグメント９０の端面９０ａ上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌａを演算し、スキンプレート２の内面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌｂを演算し、線分Ｌａと前記線分Ｌｂの交点Ｃに基づいてセグメント９０の切羽側のテールクリアランスｃ１を演算するようになっている。この計算手法によれば、端面９０ａの点群データと、スキンプレート２内面の点群データと、に基づいて、セグメント９０の切羽側（前端位置）のテールクリアランスｃ１を計測値に基づいて算出できる。

【0034】

（５）また、演算部としての制御部６０は、セグメント９０の端面９０ａ上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌａを演算し、スキンプレート２の内面上の複数点の計測結果に基づいて線分Ｌｂを演算し、線分Ｌａと線分Ｌｂの交点Ｃと、線分Ｌａと前記線分Ｌｂのなす角度θｘと、に基づいてセグメント９０の坑口側のテールクリアランスｃ２を演算するようになっている。この計算手法によれば、端面９０ａの点群データと、スキンプレート２内面の点群データと、に基づいて、セグメント９０の坑口側（後端位置）のテールクリアランスｃ２を計測値に基づいて算出できる。

【0035】

以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0036】

１：土圧式シールド；
２：スキンプレート； ３：隔壁； ５：カッタヘッド；
１０：カッタ回転軸； １１：軸受； １２：カッタ駆動部；
１３：ギアボックス； １４：回転駆動源； １５：エレクター；
１６：チャンバ； １７：排土装置；
１８：シールド推進ジャッキ； １８ａ：ピストン部； １８ｂ：スプレッダ部；
１９：テールシール； ２１：作泥土材供給配管； ２２：土圧計；
４０：計測部； ４０ａ：ブラケット；
４１：距離センサ； ４２：回動機構； ４３：回動位置検出部；
５１：カッタスポーク； ５２：カッタビット；
５３：フィッシュテールビット； ５４：撹拌翼；
６０：制御部；
６１：Ｌａ算出部； ６２：Ｌｂ算出部； ６３：交点Ｃ算出部； ６４：点Ｄ算出部；
６５：キーボード； ６６：マウス； ７１：モニタ；
９０：セグメント； ９０Ｔ：テーパーセグメント； ９０ａ：セグメント端面；
Ａ：特異点； Ｂ：特異点； Ｃ：交点； Ｄ：後端点；
Ｌａ：線分； Ｌｂ：線分；
Ｓ：テールクリアランス計測装置；
ｃ：テールクリアランス； ｃ１：テールクリアランス； ｃ２：テールクリアランス；
θ_Ｌ：線分Ｌａと線分Ｌｂのなす角度；
θｘ：相対角度； θｙ：テーパ角度

【要約】

【課題】機械や人と接触しにくく、確実に走査することのできる、テールクリアランス計測装置を提供する。
【解決手段】テールクリアランス計測装置Ｓは、セグメント９０の内面位置よりもシールド半径方向外側に配置された非接触式の距離センサ４１と、回動機構４２と、回動位置検出部４３と、を有する計測部４０と；セグメント９０の端面上の複数点の計測結果と、スキンプレート２の内面上の複数点の計測結果と、に基づいてテールクリアランスｃを演算する演算部としての制御部６０と；を備えている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】