特許 7475310 セグメントリングローリング量測定方法及びトンネル掘進方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】セグメントリングローリング量測定方法及びトンネル掘進方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20240419BHJP

   E21D 11/40 20060101ALI20240419BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20240419BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 B

E21D11/40 B

G01C15/00 104A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021068620

(22)【出願日】2021-04-14

(65)【公開番号】P2022163601

(43)【公開日】2022-10-26

【審査請求日】2023-09-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】紀伊 吉隆

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】特開平４－３１０８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－９４５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２４９６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３３２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２１３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－５３２１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／０９３

Ｅ２１Ｄ １１／４０

Ｇ０１Ｃ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド掘進機により掘削された坑の周方向に沿って複数のセグメントを連結することによって構築されたセグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を測定するセグメントリングローリング量測定方法であって、
前記シールド掘進機または前記シールド掘進機の掘進に追従して移動する後続台車に設けられた位置情報取得装置によって、前記セグメントリングの所定の箇所における位置情報を取得する工程と、
取得された前記位置情報に基づいて前記セグメントリングの前記ローリング量を算出する工程と、を含む
セグメントリングローリング量測定方法。

【請求項2】

前記位置情報取得装置は、前記坑の軸方向に沿って連結される複数の前記セグメントリングの前記所定の箇所における前記位置情報をそれぞれ取得可能であり、
取得された複数の前記位置情報に基づいて複数の前記セグメントリングの前記ローリング量がそれぞれ算出される
請求項１に記載のセグメントリングローリング量測定方法。

【請求項3】

前記位置情報取得装置は、前記位置情報として、前記セグメントリングの前記所定の箇所に設置された視標の位置情報を取得する
請求項１または２に記載のセグメントリングローリング量測定方法。

【請求項4】

前記位置情報取得装置は、前記位置情報として、前記セグメントリングの前記所定の箇所における画像から特定のセグメントの位置情報を取得する
請求項１または２に記載のセグメントリングローリング量測定方法。

【請求項5】

前記位置情報取得装置が設けられる前記シールド掘進機または前記後続台車の周方向における変位量を取得する工程と、
前記変位量に基づいて前記セグメントリングの前記ローリング量を補正する工程と、をさらに含む
請求項１から４の何れか１つに記載のセグメントリングローリング量測定方法。

【請求項6】

前記位置情報取得装置は、水平状態を維持可能な水平維持架台を介して前記シールド掘進機または前記後続台車に設置される
請求項１から４の何れか１つに記載のセグメントリングローリング量測定方法。

【請求項7】

シールド掘進機を用いたトンネル掘進方法であって、
カッタヘッドを回転駆動することにより地盤を掘削する工程と、
掘削された坑の周方向に沿って複数のセグメントを連結することによりセグメントリングを構築する工程と、
前記シールド掘進機または前記シールド掘進機の掘進に追従して移動する後続台車に設けられた位置情報取得装置によって取得された前記セグメントリングの所定の箇所における位置情報に基づいて前記セグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を測定する工程と、
前記ローリング量が所定の閾値を超えた場合、前記カッタヘッドの回転方向を転換させる工程と、
を含むトンネル掘進方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セグメントリングローリング量測定方法及びトンネル掘進方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、シールド工法において掘削坑内に構築されるセグメントリングの真円度を計測する真円度計測装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１２７６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、シールド工法において掘削坑内に構築されるセグメントリングにはインサート金具が予め埋め込まれており、このインサート金具は、トンネル内に設置される看板や照明、換気装置といったトンネル内の構造物を取り付けるための取付金具として利用されている。このため、例えば、セグメントリングが周方向にずれて設置されてしまうと、インサート金具の位置が所定の位置からずれ、結果として、トンネル内の構造物の取り付け位置がずれることになる。

【0005】

セグメントリングの周方向における基準位置からのずれであるローリング量は、水平器を用いて作業員により測定されるが、シールド掘進機が掘進している間やセグメントリングを構築している間は、危険を伴うため測定を実施することができず、セグメントリングのローリング量を常時把握することは不可能であった。また、引用文献１に記載のようなセグメントリングの状態を測定する装置を用いてもセグメントリングのローリング量を把握することはできなかった。

【0006】

本発明は、セグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を常時測定可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、シールド掘進機により掘削された坑の周方向に沿って複数のセグメントを連結することによって構築されたセグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を測定するセグメントリングローリング量測定方法であって、前記シールド掘進機または前記シールド掘進機の掘進に追従して移動する後続台車に設けられた位置情報取得装置によって、前記セグメントリングの所定の箇所における位置情報を取得する工程と、取得された前記位置情報に基づいて前記セグメントリングの前記ローリング量を算出する工程と、を含む。

【0008】

また、本発明は、シールド掘進機を用いたトンネル掘進方法であって、カッタヘッドを回転駆動することにより地盤を掘削する工程と、掘削された坑の周方向に沿って複数のセグメントを連結することによりセグメントリングを構築する工程と、前記シールド掘進機または前記シールド掘進機の掘進に追従して移動する後続台車に設けられた位置情報取得装置によって取得された前記セグメントリングの所定の箇所における位置情報に基づいて前記セグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を測定する工程と、前記ローリング量が所定の閾値を超えた場合、前記カッタヘッドの回転方向を転換させる工程と、を含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、セグメントリングの周方向における基準位置からのローリング量を常時測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係るセグメントリングのローリング量測定方法及びトンネル掘進方法において用いられるシールド掘進機の構成を示す断面図である。

【図2】シールド掘進機により構築されるセグメントリングの展開図である。

【図3】本発明の実施形態に係るセグメントリングのローリング量測定方法及びトンネル掘進方法が適用されるシールド掘進機の制御システムの構成を示すブロック図である。

【図4】セグメントリングのローリング量の算出例を説明するための図である。

【図5】本発明の実施形態に係るセグメントリングのローリング量測定方法の変形例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0012】

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るセグメントリングのローリング量測定方法及びトンネル掘進方法において用いられるシールド掘進機１００について説明する。シールド掘進機１００は、地山（地盤）に掘削坑を掘削し、掘削坑の内壁を覆うように後述のセグメントリング１１２を組み立てることによってシールドトンネルＴを構築するものである。図１は、シールド掘進機１００の構成を示す断面図である。なお、以下では、シールド掘進機１００が進む方向である切羽側を「前方」とし、その反対の方向である坑口側を「後方」として説明する。

【0013】

図１に示すように、シールド掘進機１００は、泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧式シールド掘進機であり、円筒状の前胴部１０と、円筒状の後胴部３０と、前胴部１０と後胴部３０とを屈曲可能に連結する中折れ部４０と、を有する。

【0014】

前胴部１０は、円筒状の外殻（スキンプレート）１１と、外殻１１の前方端部に配置され外殻１１により回転自在に支持されるカッタヘッド２０と、外殻１１内に設けられカッタヘッド２０の後方に離間して配置される隔壁１２と、を有する。

【0015】

隔壁１２には、回転ドラム１３が回転軸Ｃ１を中心に回転自在に支持されている。回転ドラム１３には、連結ロッド１３ａを介してカッタヘッド２０が連結されている。このため、カッタヘッド２０は、回転ドラム１３とともに回転軸Ｃ１を中心に回転可能である。なお、回転軸Ｃ１は、外殻１１の中心軸とほぼ一致している。

【0016】

回転ドラム１３は、減速機構（不図示）を介してモータ１４に連結されており、モータ１４によって回転駆動される。カッタヘッド２０が地山に押し付けられた状態においてモータ１４により回転ドラム１３が回転駆動されると、カッタヘッド２０が回転し地山が掘削される。

【0017】

カッタヘッド２０は、外殻１１の外径と略等しい大きさの外径を有する円盤状部材であり、掘削方向前方に設けられ切羽面と対向する掘削面２１と、掘削面２１の外縁に形成された外周面２２と、を有する。

【0018】

掘削面２１には、切羽面に向かって突出する複数のカッタビット２１ａが回転軸Ｃ１を中心として放射状に並べて配置されるとともに、カッタビット２１ａにより掘削された土砂をチャンバ１５内へと導くための開口部（不図示）が複数開口している。

【0019】

カッタヘッド２０の後方であるカッタヘッド２０と隔壁１２との間には、カッタヘッド２０、隔壁１２、外殻１１及び回転ドラム１３によりチャンバ１５が画成される。チャンバ１５内には、カッタヘッド２０による掘削で生じた掘削土砂が滞留する。シールド掘進機１００は、チャンバ１５内に滞留した掘削土砂をシールド掘進機１００の後方へと搬出するためにスクリューコンベヤ５０をさらに備える。

【0020】

スクリューコンベヤ５０は、円筒状のケース５１と、ケース５１の内部に組み込まれるオーガ５２と、を有し、図示しないモータによってオーガ５２を回転させることによって、チャンバ１５内の掘削土砂を隔壁１２の後方へと搬出する。

【0021】

後胴部３０は、円筒状の外殻（スキンプレート）３１と、セグメントリング１１２を組み立てるエレクタ３３と、シールド掘進機１００を前進させる複数のシールドジャッキ３４と、カッタヘッド２０により掘削された掘削坑１１０（坑）の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間にグラウト材を注入する裏込め注入装置３５と、セグメントリング１１２の形状を保持する真円保持装置３７と、後胴部３０内に設けられるこれらの装置を支持する支持部３２と、を有する。

【0022】

エレクタ３３は、円弧形状のセグメントピース１１３を把持可能であるとともに、外殻３１の内周面に沿って外殻３１の中心軸Ｃ２方向及び周方向に移動可能に構成される。エレクタ３３によって複数のセグメントピース１１３が外殻３１の内周面に沿って組み立てられることにより、円筒状のセグメントリング１１２が構築される。

【0023】

セグメントリング１１２は、図２に示すように、鉛直上方近傍に配置される１つのＫ型セグメントピース１１３ｋと、Ｋ型セグメントピース１１３ｋを挟むように配置される一対のＢ型セグメントピース１１３ｂと、一対のＢ型セグメントピース１１３ｂ間に周方向に沿って配置される複数のＡ型セグメントピース１１３ａと、を有する。各セグメントピース１１３は、周方向において隣り合うセグメントピース１１３と図示しない連結部を介して連結されている。なお、図２は、図１において矢印Ａで示される方向、すなわち、天端Ｃｔに向かって見た複数のセグメントリング１１２をトンネルの周方向において展開して示した展開図である。

【0024】

図２に示すように、Ｋ型セグメントピース１１３ｋの展開形状は、周方向における長さが坑口側よりも切羽側において長い等脚台形状であり、Ａ型セグメントピース１１３ａの展開形状は、周方向における長さが坑口側と切羽側とにおいて同じである矩形状であり、Ｂ型セグメントピース１１３ｂの展開形状は、Ｋ型セグメントピース１１３ｋとＡ型セグメントピース１１３ａとの間を埋めるような不等脚台形状となっている。

【0025】

また、軸方向において隣り合うセグメントリング１１２は、各セグメントピース１１３を周方向において連結する際に形成されるセグメントピース１１３間の境界線がトンネルの軸方向において連続しないように、図示しない連結部を介して連結される。このため、各セグメントリング１１２のＫ型セグメントピース１１３ｋは、天端Ｃｔに沿って、例えば千鳥状に配置されることになる。

【0026】

外殻３１の内周面には、外殻３１とセグメントリング１１２との間の隙間をシールする環状のテールシール３１ａが軸方向に所定の間隔をあけて複数設けられる。テールシール３１ａは、外殻３１とセグメントリング１１２との間の隙間を通じて土砂や水がシールド掘進機１００内に侵入することを防止するために設けられる。

【0027】

裏込め注入装置３５は、シールド掘進機１００が通過した後に、掘削坑１１０の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間に生じる間隙に裏込め材としてグラウト材を注入する装置である。グラウト材は、セメント系材料からなり、外殻３１の内部に形成された図示しない注入通路を通じて、外殻３１の後方側端面において開口する注入口から間隙へと注入される。なお、注入通路及び注入口は、セグメントリング１１２に設けられていてもよい。

【0028】

真円保持装置３７は、円形状に組み立てられたセグメントリング１１２が地下水圧等の外圧に晒されることで変形することを防止するための装置であり、セグメントリング１１２を内側から押圧支持可能な伸縮機構を有する。真円保持装置３７は、支持部３２から後方に向かって延びる支持フレーム３６によって、外殻３１の中心軸Ｃ２方向に沿って移動可能に支持される。

【0029】

外殻３１の前方端部の内側には、複数のシールドジャッキ３４が、周方向に所定の間隔をあけて配置される。シールドジャッキ３４は、シリンダ３４ａとロッド３４ｂとにより構成される油圧ジャッキである。シリンダ３４ａは外殻３１に固定されており、シリンダ３４ａから突出したロッド３４ｂの先端部に設けられた押圧部３４ｃは、外殻３１の内側で組み立てられたセグメントリング１１２の側面に当接する。

【0030】

この状態でシールドジャッキ３４を伸長作動させると、セグメントリング１１２から得られる反力により、カッタヘッド２０は地山に押し付けられることになる。このように、シールド掘進機１００は、シールドジャッキ３４が既設のセグメントリング１１２を押圧することで得られる反力を、前方へ掘進するための推進力としている。

【0031】

中折れ部４０は、前胴部１０の後端部に設けられた前胴接続部４１と、後胴部３０の前端部に設けられた後胴接続部４２と、前胴部１０と後胴部３０との間に設けられる複数の中折れジャッキ４３と、を有する。

【0032】

前胴接続部４１は円環状であり、その内周面は、前胴部１０の中心軸上に中心点を有する球面の一部を構成するように凹状に形成されている。後胴接続部４２は円環状であり、その外周面が、後胴部３０の中心軸上に中心点を有する球面の一部を構成するように凸状の形成されている。前胴接続部４１の内周面には、前胴接続部４１と後胴接続部４２との間の隙間からシールド掘進機１００の内部に水等が侵入することを防止するために、後胴接続部４２の外周面に接するシール部が設けられる。

【0033】

中折れジャッキ４３は、シールドジャッキ３４と干渉しないように、周方向に所定の間隔をあけて複数配置される。中折れジャッキ４３は、シリンダ４３ａとロッド４３ｂとにより構成される油圧ジャッキである。中折れジャッキ４３のロッド４３ｂは、自在継手を介して後胴部３０の前部に固定され、中折れジャッキ４３のシリンダ４３ａは、自在継手を介して前胴部１０の後部に固定される。

【0034】

このように前胴部１０と後胴部３０とに連結された中折れジャッキ４３を適宜伸縮させることによって、後胴部３０に対する前胴部１０の方向、すなわち、後胴部３０の中心軸Ｃ２方向に対する回転軸Ｃ１方向を任意の方向に屈曲させることができる。

【0035】

上記構成のシールド掘進機１００は、カッタヘッド２０を回転し、スクリューコンベヤ５０により土砂を搬出し、シールドジャッキ３４を伸長させて地山を掘進する。地山には掘削坑１１０が掘削されるとともに、掘削坑１１０の内周面に沿ってセグメントリング１１２が順次組み立てられることによってシールドトンネルＴが構築される。更に、掘削坑１１０の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間に生じる間隙には、裏込め注入装置３５によりグラウト材が注入され、セグメントリング１１２はグラウト材を介して地山に強固に結合された状態となる。

【0036】

また、上記構成のシールド掘進機１００の後方には、シールド掘進機１００の掘進に追従して移動する複数の後続台車８０が配置される。

【0037】

後続台車８０は、シールドトンネルＴ内に設置されるインバートブロック１１４上に敷設された図示しないレールの上を移動可能に構成されており、これらの後続台車８０は、セグメントピース１１３やインバートブロック１１４を運搬する荷台やシールド掘進機１００に電力を供給する電源設備の架台として利用される。

【0038】

後続台車８０のうち先頭の後続台車８０は、連結部材８１を介してシールド掘進機１００の後胴部３０に連結される。このため、複数の後続台車８０は、シールド掘進機１００により牽引されることによって、シールドトンネルＴ内を移動することになる。なお、後続台車８０は、自走可能な構成を有していてもよい。

【0039】

ここで、シールド工法では、シールド掘進機１００は、シールドジャッキ３４を介してセグメントリング１１２から得られる反力によりカッタヘッド２０を地山に押し付けながら前方へと掘進するが、この際、カッタヘッド２０における切削抵抗の反作用によりシールド掘進機１００の前胴部１０及び後胴部３０には、カッタヘッド２０の回転方向とは反対の方向に回転させる力が作用する。

【0040】

シールド掘進機１００自体は、カッタヘッド２０の回転方向や回転速度を適宜調整することによって一定の姿勢を保つように制御されるものの、後胴部３０を回転させる力がシールドジャッキ３４を介してセグメントリング１１２に一旦伝達されると、裏込め材であるグラウト材がまだ固まっておらず地山との結合が弱い状態にあるセグメントリング１１２は、規定の位置から周方向にずれた状態で掘削坑１１０内に設置されてしまうおそれがある。

【0041】

特に隣り合うセグメントリング１１２を連結する連結部には、組付性を向上させるために、いわゆる「あそび」としての公差が周方向にも設けられることから、隣り合うセグメントリング１１２が周方向において同じ方向にずれると、公差が累積され、結果として、規定の位置からの周方向におけるずれ量が次第に大きくなる。

【0042】

掘削坑１１０内に構築されるセグメントリング１１２には、複数のインサート金具が予め埋め込まれており、これらのインサート金具は、トンネル内に設置される看板や照明、換気装置といったトンネル内の構造物を取り付けるための取付金具として利用される。

【0043】

このため、セグメントリング１１２が周方向にずれて設置されると、インサート金具の位置が所定の位置からずれ、結果として、トンネル内の構造物の取付位置や取付姿勢にずれが生じるおそれがある。

【0044】

そこで本実施形態では、セグメントリング１１２が規定の位置から周方向にずれて設置されることを防止するために、セグメントリング１１２の周方向における基準位置からローリング量を、シールド掘進機１００が掘進している間、常時、測定し監視している。

【0045】

セグメントリング１１２のローリング量を測定するために、シールド掘進機１００には、レーザ光等の光波を用いて視標６２の位置情報を取得可能なトータルステーション６０（位置情報取得装置）と、トータルステーション６０が設けられる後胴部３０の周方向における変位量である中心軸Ｃ２を中心としたローリング量を取得可能な傾斜計６４と、が設けられる。

【0046】

トータルステーション６０は、視標６２に向けて光波を照射する照射部６１ａと、視標６２から反射された光波を受光する受光部６１ｂと、を有し、光波の照射角や反射された光波の受光角などに基づいて、三次元空間における視標６２の位置を計測可能な測量器である。トータルステーション６０は、複数のセグメントリング１１２に取り付けられた視標６２の位置情報を取得するために、複数のセグメントリング１１２に向けて光波を照射可能な位置である後胴部３０の支持部３２に取り付けられる。

【0047】

視標６２は、トータルステーション６０から照射された光波を反射可能なプリズム等であり、セグメントリング１１２の予め設定された位置、例えば、図２に示すように、設計上、セグメントリング１１２の天端Ｃｔとなる位置に予め取り付けられる。視標６２をセグメントリング１１２に取り付けるための取付具としては、トンネル内の構造物を取り付けるためにセグメントリング１１２に埋設された取付金具が流用される。なお、セグメントリング１１２には、視標６２を取り付けるためだけに用いられる取付金具が埋設されていてもよい。

【0048】

傾斜計６４は、水平方向に対する後胴部３０の傾きを検出可能な検出器であり、中心軸Ｃ２に直交する成分が後胴部３０のローリング量として抽出される。なお、後胴部３０のローリング量を検出する検出器としては、後胴部３０の左右にそれぞれ配置されたレベルセンサが用いられてもよく、この場合、両レベルセンサの差分から中心軸Ｃ２を中心としたローリング量が算出される。

【0049】

トータルステーション６０及び傾斜計６４により検出されたデータは、図３に示されるように、シールド掘進機１００の制御部７０へと無線または有線により送信される。図３は、シールド掘進機１００を制御する制御システムの構成を示したブロック図である。

【0050】

制御部７０は、オペレータの指令及び各検出器で検出された検出値に応じてシールド掘進機１００の駆動を制御するものであり、例えば、オペレータにより入力された計画線形に沿ってシールド掘進機１００を自動で掘進させる自動運転や、オペレータの操作に従ってシールド掘進機１００を掘進させる手動運転を実行する。制御部７０には、オペレータが操作するキーボードや操作レバーといった入力装置７２と、シールド掘進機１００の駆動状態や各検出器の検出値が表示される表示装置７３と、が接続されている。入力装置７２及び表示装置７３は、制御部７０とともに、後続台車８０または地上に配置される。

【0051】

制御部７０は、具体的には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは制御部７０に接続された装置や検出器との情報の入出力に使用される。制御部７０は、複数のマイクロコンピュータで構成されていてもよい。なお、動作回路としては、ＣＰＵに代えてまたはＣＰＵとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。

【0052】

また、制御部７０は、上述のトータルステーション６０及び傾斜計６４で検出された検出値と、セグメントリング１１２に対する視標６２の取付位置と、に基づいてセグメントリング１１２のローリング量を算出するローリング量測定部７０ａと、ローリング量測定部７０ａで測定されたセグメントリング１１２のローリング量に基づいてシールド掘進機１００に設けられたカッタヘッド２０や裏込め注入装置３５の作動を制御する機器制御部７０ｂと、を有する。なお、ローリング量測定部７０ａ及び機器制御部７０ｂは、制御部７０の各機能を、仮想的なユニットとして示したものであり、物理的に存在することを意味するものではない。

【0053】

続いて、制御部７０で行われるローリング量の測定とそれに伴う機器の制御について説明する。

【0054】

制御部７０のローリング量測定部７０ａでは、トータルステーション６０で取得された視標６２の三次元位置（位置情報）と、視標６２の設計上の三次元位置である基準位置と、を常時比較し、その差分から視標６２が取り付けられたセグメントリング１１２のローリング量を算出する。

【0055】

具体的には、ローリング量測定部７０ａでは、トータルステーション６０においてこれまでに検出された視標６２の数がカウントされており、トータルステーション６０で新たに検出された視標６２が何番目に組み付けられたセグメントリング１１２のものであるかを随時判定する。

【0056】

各セグメントリング１１２に対する視標６２の取付位置である設計上の位置は、入力装置７２を介して予めオペレータによって入力されており、ローリング量測定部７０ａは、該当するセグメントリング１１２の視標６２の設計上の位置情報から、図４に示されるように、トータルステーション６０により検出された視標６２の三次元位置である検出位置ＭＰ１と同一平面上（後胴部３０の中心軸Ｃ２に直交する平面上）に設計上の視標６２が位置している場合の三次元位置である基準位置ＲＰ１を演算する。なお、図４は、セグメントリング１１２のローリング量を算出する方法の一例の概念を示す図であり、基準位置ＲＰ１及び検出位置ＭＰ１が含まれるセグメントリング１１２の部分的な断面を示している。

【0057】

そして、演算された視標６２の設計上の基準位置ＲＰ１と、トータルステーション６０により検出された視標６２の検出位置ＭＰ１と、の水平方向成分の差分ｄＨＬ及び鉛直方向成分の差分ｄＶＬからセグメントリング１１２のローリング量を算出する。セグメントリング１１２のローリング量は、図４に示すように、設計上の半径が基準半径Ｒであるセグメントリング１１２の設計上の中心位置ＣＰを基準とした基準位置ＲＰ１と検出位置ＭＰ１との２点間の角度αで求められる。なお、セグメントリング１１２のローリング量としては、角度αに代えて、水平方向成分の差分ｄＨＬが評価指標として算出されてもよい。

【0058】

なお、トータルステーション６０によって複数の視標６２の位置が検出されている場合には、各セグメントリング１１２のローリング量を示す角度αがそれぞれ求められる。また、上述のように視標６２が取り付けられる位置を天端Ｃｔと一致させている場合には、天端Ｃｔを基準位置ＲＰ１としてもよく、この場合、すべてのセグメントリング１１２の基準位置ＲＰ１が天端Ｃｔとなるため、演算処理を簡素化することができる。

【0059】

このようにして求められたセグメントリング１１２のローリング量は、視標６２の位置情報を取得するトータルステーション６０が設けられた後胴部３０が、中心軸Ｃ２を中心としてローリングしていない状態、すなわち、後胴部３０が水平となっている状態を前提としたものである。上述のように、シールド掘進機１００は、前胴部１０及び後胴部３０にローリングが生じないようにカッタヘッド２０の回転方向や回転速度を適宜調整しているが、後胴部３０は一時的ないし瞬間的には僅かに周方向に変位している。つまり、求められたセグメントリング１１２のローリング量には、後胴部３０の変位に起因する誤差が含まれる可能性がある。

【0060】

このため、ローリング量測定部７０ａでは、算出されたセグメントリング１１２のローリング量を、傾斜計６４で検出された検出値、すなわち、後胴部３０のローリング量に相当する値に基づいて補正することによって、この誤差の影響を排除している。

【0061】

具体的には、ローリング量測定部７０ａでは、傾斜計６４の検出値に基づいて算出された後胴部３０のローリング量を示す角度を、上述のように算出されたセグメントリング１１２のローリング量を示す角度αに対して、加算または減算することによって、最終的な測定値として、補正されたセグメントリング１１２のローリング量を算出している。

【0062】

このように後胴部３０のローリング量を加味することによって、セグメントリング１１２の基準位置からの周方向における絶対的なローリング量が取得される。

【0063】

ローリング量測定部７０ａで測定されたセグメントリング１１２の絶対的なローリング量は、表示装置７３に表示されるとともに、機器制御部７０ｂへと送られる。

【0064】

表示装置７３にセグメントリング１１２のローリング量が常時、表示されることで、オペレータは、セグメントリング１１２の設置状態をリアルタイムで把握することができる。また、組み立てられた直後のセグメントリング１１２、すなわち、シールドジャッキ３４の押圧部３４ｃが接するセグメントリング１１２だけではなく、掘削坑１１０の軸方向に沿って連結される２～４つの複数のセグメントリング１１２のローリング量を表示装置７３に表示することによって、オペレータは、個々のローリング量に加えてその傾向、例えば、徐々にローリング量が大きくなっているか否かを把握することができる。

【0065】

また、制御部７０の機器制御部７０ｂでは、ローリング量測定部７０ａで測定されたセグメントリング１１２の絶対的なローリング量と、ローリング許容値と、の比較が行われる。ローリング許容値は、予め設定された所定の閾値であり、基準位置からの角度で設定される。ローリング許容値は、トンネル内の構造物を所定の位置や姿勢で設置させることが可能なセグメントリング１１２の周方向におけるずれ量の限界値であって、例えば、トンネル内に設置される構造物側の取付構造の調整代等に基づいて予め設定される。

【0066】

つまり、ローリング量測定部７０ａで測定されたセグメントリング１１２の絶対的なローリング量が、ローリング許容値を超えると、トンネル内の構造物の取り付けに支障を来すおそれがあることから、機器制御部７０ｂは、測定されたローリング量が、ローリング許容値を超えた場合、セグメントリング１１２のローリングを抑制するための制御を実行する。

【0067】

具体的には、機器制御部７０ｂは、ローリング量測定部７０ａで測定されたセグメントリング１１２の絶対的なローリング量がローリング許容値を超えた場合、カッタヘッド２０の回転方向を転換させる。

【0068】

上述のように、セグメントリング１１２の周方向におけるローリングは、カッタヘッド２０での切削抵抗の反作用により生じる後胴部３０のローリングに起因するものであることから、カッタヘッド２０の回転方向を転換して、後胴部３０に作用する回転力の方向を転換させることによって、特に、グラウト材がまだ固まっておらず地山との結合が弱い状態にあるセグメントリング１１２の周方向におけるずれ量を低減させることができる。

【0069】

このような機器制御部７０ｂにおける制御は、測定されたセグメントリング１１２の絶対的なローリング量の時間変化率が予め設定された所定の閾値を超えた場合に行われてもよい。まだセグメントリング１１２の絶対的なローリング量が比較的小さい場合であってもローリング量が大きくなる兆候がある場合には、カッタヘッド２０の回転方向を転換させるなどの対処を早めに実行することで、セグメントリング１１２の周方向におけるずれ量を抑制することが可能である。

【0070】

また、このようにセグメントリング１１２の絶対的なローリング量が大きくなることが予測される場合には、カッタヘッド２０の回転方向の転換に代えて、または、これに加えて、機器制御部７０ｂは、裏込め注入装置３５を制御し、掘削坑１１０の内周面とセグメントリング１１２の外周面との間に注入されるグラウト材の配合を変更させる。

【0071】

具体的には、硬化を促進する硬化促進剤、例えば、ケイ酸ソーダ等の配合量を増やし、裏込め材の固化速度を早めることによって、地山に対するセグメントリング１１２の結合強度を比較的早く上昇させる。このように、地山とセグメントリング１１２との結合力を早めに上昇させて、セグメントリング１１２が周方向に動かされにくくすることによって、セグメントリング１１２の周方向におけるずれ量を低減することも可能である。なお、硬化促進剤は、裏込め材を注入する直前に混入してもよいし、裏込め材とは別に注入されてもよい。

【0072】

また、機器制御部７０ｂに対して、組み立てられた直後のセグメントリング１１２のローリング量だけではなく、掘削坑１１０の軸方向に沿ってこのセグメントリング１１２に連結される２～４つの複数のセグメントリング１１２のローリング量が送られる場合には、機器制御部７０ｂにおいて、ローリング量の変化傾向を判定することが可能となる。

【0073】

この場合、例えば、隣り合うセグメントリング１１２におけるローリング量の差分を随時取得し、前方に向かうほど差分が大きくなっていれば、今後組み付けられるセグメントリング１１２の絶対的なローリング量が大きくなり、前方に向かうほど差分が小さくなっていれば、今後組み付けられるセグメントリング１１２の絶対的なローリング量が小さくなると予測することが可能である。そして、このような予測結果に応じて、セグメントリング１１２の周方向におけるずれ量を低減するように早めに対応することができる。

【0074】

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

【0075】

本実施形態では、シールド掘進機１００に設けられたトータルステーション６０によって、セグメントリング１１２の所定の箇所における位置情報が常時取得され、制御部７０において、取得された位置情報に基づいてセグメントリング１１２のローリング量が常時算出される。このように本実施形態では、作業員に危険な作業を行わせることなく、セグメントリング１１２の周方向における基準位置からのローリング量を常時測定することができる。

【0076】

また、本実施形態では、測定されたセグメントリング１１２のローリング量が所定の閾値を超えた場合、カッタヘッド２０の回転方向を転換させている。このように、カッタヘッド２０の回転方向を転換させることで、後胴部３０に作用する回転力の方向が転換されるとともに、後胴部３０を介してセグメントリング１１２に伝達される回転力の方向も転換される。この結果、セグメントリング１１２のローリング量を低減させることができる。

【0077】

次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、以下のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

【0078】

上記実施形態では、視標６２がセグメントリング１１２の天端Ｃｔに設けられている。ここで、セグメントリング１１２の天端Ｃｔ周辺は、真円保持装置３７の押圧部によって押圧される部分となることから、トータルステーション６０からの光波が複数のセグメントリング１１２の視標６２に届かないおそれがある。このため、視標６２が取り付けられる位置は、天端Ｃｔから予め設定された所定の角度、例えば４５°だけずれた位置やセグメントリング１１２の水平位置であってもよい。また、トータルステーション６０からの光波が複数のセグメントリング１１２の視標６２に届くように、真円保持装置３７の押圧部の形状を変えてもよい。

【0079】

また、上記実施形態では、トータルステーション６０は、後胴部３０の支持部３２に取り付けられている。これに代えて、トータルステーション６０は、複数のセグメントリング１１２の視標６２に光波を照射し易い位置、例えば、図１に示すように、真円保持装置３７を支持する支持フレーム３６の後端部やシールド掘進機１００の掘進に追従して移動する後続台車８０上に取り付けられてもよい。なお、後続台車８０にトータルステーション６０を取り付ける場合、後続台車８０自体のローリング量を計測するために、傾斜計６４を併せて設置することが好ましい。また、これらの箇所すべてにトータルステーション６０を設けてもよく、複数の場所からセグメントリング１１２のローリング量を同時に測定することによって、計測精度を向上させることができる。

【0080】

また、上記実施形態では、トータルステーション６０は、後胴部３０の支持部３２に直接的に取り付けられている。これに代えて、トータルステーション６０は、水平状態を維持可能な水平維持架台、例えば、架台の傾きを検出し、常に架台を水平に保つように反応するモータユニット等を備えた架台を介して後胴部３０に取り付けられてもよい。

【0081】

このように、水平維持架台を介してトータルステーション６０を後胴部３０に取り付けることによって、後胴部３０が周方向に多少ずれたとしても、そのずれは水平維持架台によって補償されることから、トータルステーション６０の設置状態は常に水平な状態に維持される。このため、傾斜計６４の検出値による補正を行う必要がなくなり、結果として、測定システムを簡素化することができる。

【0082】

また、上記実施形態では、位置情報取得装置としてトータルステーション６０が用いられている。位置情報取得装置は、これに限定されず、三次元空間における視標６２の位置を計測可能な測量器であればどのような形式の測量器が用いられてもよい。

【0083】

また、位置情報取得装置としては、画像認識用の画像を取得可能なカメラが用いられてもよく、この場合、カメラによって撮影された画像からセグメントリング１１２の所定の箇所における位置情報が取得される。

【0084】

ここで、セグメントリング１１２は、図５に示すように、天端Ｃｔ近傍の所定の位置に、他のセグメントピース１１３ａ，１１３ｂとは形状が異なる等脚台形状のＫ型セグメントピース１１３ｋが配置される。Ｋ型セグメントピース１１３ｋが配置される設計上の位置、例えば、天端Ｃｔを基準とした場合の位置は予め決まっているため、カメラによってセグメントリング１１２の天端Ｃｔ側を撮影し、撮影された画像から特定のセグメントであるＫ型セグメントピース１１３ｋの位置情報を抽出することにより、各セグメントリング１１２の周方向における基準位置からのローリング量を常時測定することが可能である。なお、図５は、図２と同様に、図１において矢印Ａで示される方向、すなわち、天端Ｃｔに向かって見た複数のセグメントリング１１２をトンネルの周方向において展開して示した展開図である。

【0085】

また、この場合、撮影された画像からＫ型セグメントピース１１３ｋの位置情報を抽出することに代えて、図５に示すように、天端Ｃｔ近傍において、Ｋ型セグメントピース１１３ｋとＢ型セグメントピース１１３ｂとの間の境界線とセグメントリング１１２の端面とが交差する交点Ｐ１の位置情報を抽出するようにしてもよい。この交点Ｐ１は、特定のセグメントであるＫ型セグメントピース１１３ｋの一頂点であって、その設計上の位置は予め決まっていることから、この場合も各セグメントリング１１２の周方向における基準位置からのローリング量を常時測定することが可能である。なお、抽出される交点は、この交点Ｐに限定されず、例えば、各セグメントリング１１２の水平位置近傍に配置された２つのＡ型セグメントピース１１３ａ間の境界線とセグメントリング１１２の端面とが交差する交点であってもよい。

【0086】

また、上記実施形態では、シールド掘進機１００は、いわゆる泥土圧式シールド掘進機である。これに代えて、シールド掘進機１００は、チャンバ１５内に対して泥水を給排することによりチャンバ１５内に滞留した掘削土砂をシールド掘進機１００の後方へと搬出する給排装置を備えた、いわゆる泥水圧式シールド掘進機であってもよい。

【0087】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0088】

１００・・・シールド掘進機
２０・・・カッタヘッド
３０・・・後胴部
３２・・・支持部
３５・・・裏込め注入装置
３６・・・支持フレーム
６０・・・トータルステーション（位置情報取得装置）
６１ａ・・・照射部
６１ｂ・・・受光部
６２・・・視標
６４・・・傾斜計
７０・・・制御部
７０ａ・・・ローリング量測定部
７０ｂ・・・機器制御部
８０・・・後続台車
１１０・・・掘削坑
１１２・・・セグメントリング
１１３・・・セグメントピース（セグメント）
Ｔ・・・シールドトンネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】