JP2000204883A

JP2000204883A - 地中掘削装置

Info

Publication number: JP2000204883A
Application number: JP1006499A
Authority: JP
Inventors: Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Toshimitsu Nozu; 俊光野津; Morio Suzuki; 盛雄鈴木; Keijiro Ishii; 啓二朗石井
Original assignee: Koden Electronics Co Ltd
Current assignee: Koden Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2000-07-25
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP3705948B2

Abstract

(57)【要約】【課題】先端部分に設置される地中レーダ装置への地上
からの給電とこの地中レーダ装置から地上への信号の取
り出しに適した構成の伝送線路を備えた地中掘削装置を
提供する。【解決手段】本発明の地中掘削装置は、螺合によって継
ぎ足される複数の管状体(P₁,P₂,P₃,P₄) から成りかつ根
元側が結合された駆動装置(Q) によって軸線のまわりに
回転され地中に推進される細長の中空体(R) と、この中
空体(R) の先端部に取付けられた掘削工具(B) 及び地中
探査部(AT,E)と、ある軸線のまわりにの回転対称性を有
すると共にこの回転対称軸を前記各管状体の中心軸に一
致させながら各管状体の螺合部に取付けられる非一体型
の電磁結合器などから成るコネクタ(C₁,C₂,C₃,C₄) を有
し上記中空体(R) の先端部に設置された探査部(ET)から
出力される電気信号をこの中空体の根元側に伝送する伝
送線路(L) とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドマシンなどと
称される地中掘削機に関するものであり、特に、先端部
分に障害物探知用のレーダ装置を搭載した地中掘削機に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、地上からの開削を行うことなく地
中にトンネルを形成する非開削工法としてシールド掘削
工法が知られている。最近、超小型のシールド掘削シス
テムとして、ロッドなどと称される可撓性を有する長尺
体の先端に直径50ｍｍ〜60ｍｍ程度の寸法の掘削刃を取
付け、このロッドの根元側を地上に設置した駆動装置に
よって回転、推進させることにより、地中に配管敷設用
の小径のトンネルを形成する工法が採用されてきてい
る。このようなシールド掘削工法は、非開削ドリリング
工法などと称されている。

【０００３】このような非開削ドリリング工法では、形
成中のトンネルの長さの増加に合わせて、一定長のパイ
プが次々と継ぎ足されてゆくことにより、ロッド長が増
加せしめられる。パイプの継ぎ足しは作業現場において
迅速に行う必要があり、このため、各パイプの端部にネ
ジ溝を形成しておきこれらのネジ溝を螺合させることに
よって上記パイプの継ぎ足しが行われる。また、先端の
掘削刃の冷却と、掘削対象の土壌の軟化を図るという目
的から、地上の根元部分からロッド内を通して４０気圧
程度の高圧の水を送水し、その先端部から地中に吐出す
ることが行われている。

【０００４】上記従来の非開削ドリリング工法では、ト
ンネルの形成に先立って、形成対象の地中のガス管、水
道管、電力ケーブル等の既設の設備の埋設状況が地上か
ら地中レーダ装置を操作することによって探査され、既
設の埋設物への接触を回避できるようなトンネルの形成
ルートが決定される。しかしながら、実際には、測定誤
差などによって形成途中のトンネルが地中の埋設物に接
触したりすることも起こり得る。このような事態を回避
するために、ロッドの先端部分に小型の地中レーダ装置
を取付け、前方の障害物の有無を確認しながら掘削を行
うことが考えられるようになってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記地中レーダの設置
には、これをいかにして小型化するかという問題に加え
て、地中レーダ装置の探査結果をどのようにして地上に
送信するかというという問題と、地中レーダ装置にどの
ようにして動作電力を供給するかという問題を解決する
必要がある。何故ならば、地上と地中レーダ装置との間
を電気ケーブルで接続しようとする場合にはパイプの継
ぎ足しに伴ってケーブルの継ぎ足しも必要になる。しか
しながら、このケーブルの継ぎ足しを作業現場で迅速に
行うことが意外に困難であるからである。

【０００６】そこで、地上と地中レーダ装置との間を電
気ケーブルで接続することなく、この地中レーダ装置の
測定結果を別途設置した交信用送信アンテナ装置から地
表に向けて土中に送信し、これを地表に配置した受信器
で受信するワイヤレスの方式が検討されてきた。このワ
イヤレスの方式では、地中レーダ装置の動作電力の供給
は、ロッドの先端部に収納した蓄電池から行われる。

【０００７】しかしながら、このワイヤレス方式では、
地中から地表に向けて送信された電気信号の減衰は極め
て大きいため、その受信用アンテナを地中の交信用送信
アンテナに近接させて、すなわち、ロッドの先端部分に
近接させて配置することが必要になる。しかしながら、
地中とは異なり地表には民家などの構築物が存在するた
め、送信アンテナの近傍に何時でも受信アンテナを配置
できるとは限らず、そのような場合、地中の交信用アン
テナから送信された電波を受信できなくなる。

【０００８】また、地中レーダは、地中の電波の大きな
減衰量のもとで一定のＳＮ比を確保するため、大電力の
電波を送信する必要がある。このため、地中レーダの消
費電力は大きなものとなり、この大きな消費電力をまか
なうための大容量の蓄電器を小径のロッド内に設置する
ことが困難になる。この結果、蓄電器の頻繁な交換が必
要となり、掘削作業全体の能率が低下するという問題が
ある。また、ワイヤレス方式では、交信用送信アンテナ
やその前段の送信回路などを併設しなければならないた
め、装置全体の小型化と低消費電力化が困難になるとい
う問題もある。

【０００９】従って、本発明の目的は、ロッド先端部に
設置される地中レーダ装置と、地上装置との間の電気信
号や電源電力の伝達を安価な構造のもとに確実に行える
非開削ドリリング工法の地中掘削装置を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の地中掘削装置は、ある軸のまわりの回転
対称性を有すると共にこの回転対称軸を各管状体（パイ
プ）の中心軸に一致させながら各管状体の螺合部に取付
けられるコネクタを有し、上記複数の管状体によって構
成される細長の中空体（ロッド）の先端部に設置された
探査部から出力される電気信号をこの中空体の根元側に
伝送する伝送線路を備えている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、上記コネクタは双方向伝送が可能な構成を有し、上
記中空体の根元側から上記探査部に対しても電気信号が
伝送される。

【００１２】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
上記コネクタは非一体型の電磁結合器であり、例えば、
互いに対向して配置される１対の円形ポットコアと、こ
れらポットコアのそれぞれに巻回された捲線を備えた変
成器から構成される。更に好適には、電気信号の中心周
波数を上記変成器の伝達特性に最適の周波数に変換する
ための周波数変換器がこの変成器の前段に配置されてい
る。

【００１３】本発明の更に好適な実施の形態によれば、
上記中空体の内部にはその根元側から供給されてその先
端部から地中に吐出される高圧の水の送水経路が形成さ
れると共に、上記コネクタは上記高圧の水への耐性を備
えている。

【００１４】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
上記中空体の根元側から上記探査部に対して伝送される
電気信号にはこの探査部に供給される電源電力成分が含
まれており、好適には、この電源電力成分は他の信号成
分と時分割多重化されて伝送される。

【００１５】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
上記中空体の先端部には、この中空体の回転運動を電力
に変換する発電機が内蔵されるか、あるいは、この中空
体の内部を送水される高圧の水の流動エネルギーを電力
に変換する発電機が内蔵されることにより、地上からの
給電が不要にせしめられる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の地中掘削装置の
構成を示す模式図である。この地中掘削装置は、地上に
設置される駆動装置Ｑと、複数の管状体（パイプ）Ｐ
ｏ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から成る細長の中空体（ロ
ッド）Ｒと、この中空体Ｒの先端部分に取付けられた掘
削刃Ｂ及び高圧水吐出用ノズルＮとを備えている。

【００１７】中空体Ｒの先端部の掘削刃Ｂの裏面には地
中レーダ装置のアンテナＡＴが取付けられており、この
アンテナＡＴは地中探査部を含む地中側装置Ｅに接続さ
れている。この地中側装置Ｅと地上に設置された地上側
装置Ｄとは、管状体の接続部に形成されるコネクタＣ
１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を介在させながら中空体Ｒの内部
を延長されるケーブルＬによって接続されている。

【００１８】管状体Ｐｏ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の接
続部に形成されるコネクタＣ１，Ｃ２，Ｃ３．Ｃ４は全
て同一の構造を有している。図２と図３は、これらのコ
ネクタの構成を管状体Ｐ１とＰ２の接続部に形成される
コネクタＣ２で代表して示す断面図である。図２は管状
体Ｐ１，Ｐ２の中心軸を含む面で切断して示す縦断面図
であり、図３は管状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸と直交する面
で切断して示す横断面図である。

【００１９】このコネクタＣ２は、互いに対向して配置
される１対のフェライトを素材とする円形ポットコア１
ａ，１ｂと、これらポットコア１ａ，１ｂのそれぞれに
巻回された捲線２ａ，２ｂとを備えた変成器から成る非
一体型の電磁結合器である。円形のポットコア１ａと１
ｂのそれぞれは回転対称性を有しており、それぞれの回
転対称軸を円形断面の管状体Ｐ１，Ｐ２のそれぞれの中
心軸に一致させるように、管状体Ｐ１，Ｐ２のそれぞれ
の端部に固定される。この固定を行うために、管状体Ｐ
１，Ｐ２の端部に保持具７ａ，７ｂが嵌合され、これら
の保持具７ａ，７ｂの内部にポットコア１ａと１ｂが保
持される。

【００２０】保持具７ａ内に保持されたポットコア１ａ
は、同じくこの保持具７ａ内に保持されているバネ６ａ
と６ｂとによって、図示しないストッパによって制限さ
れる位置まで前方に押し出され、その前端面が対向する
ポットコア１ｂの前端面に押圧される。ポットコア１ａ
の前端面には、４弗化エチレンなどの摩擦の小さな誘電
体の薄片３が介在せしめられ、対向するポットコア１ｂ
との間で滑らかな回転動作が確保される。

【００２１】保持具７ａと７ｂの外周部には、４０気圧
程度の高圧の水を中空体Ｒの先端部に向けて流すための
開口８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ・・・が形成されている。
この高圧水の圧力によるポットコアの機械的な破壊を防
止すると共に、これに巻回された捲線２ａ，２ｂの短絡
を防止するために、ポットコア１ａ，１ｂの内部の空隙
部分４ａ，４ｂと、保持具７ａ，７ｂの空隙部分５ａ，
５ｂには、ドットを付して図示するように、予め樹脂が
充填されている。

【００２２】このコネクタＣ２は、管状体Ｐ１とＰ２が
それぞれの端部の外周面に形成されたネジ溝Ｘによって
互いに螺合される際に、この管状体どうしの螺合と同時
に形成される。このことは、ポットコア７ａ，７ｂの回
転対称軸を管状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸と一致させたこと
によって可能になる。従って、現場の作業者は、コネク
タの存在を意識することなく、管状体の螺合によるその
継ぎ足し作業のみを意識することによって、管状体の延
長に伴って必要になるケーブルの延長を無意識のうちに
自動的に行うことが可能になる。

【００２３】図４は、図１中の地上側装置Ｄと地中側装
置Ｅの構成の一例を示す機能ブロック図である。地上側
装置Ｄは、信号処理部Ｄ１、表示部Ｄ２、給電部Ｄ３及
び多重化／分離部Ｄ４を備えている。また、地中側装置
Ｅは、地中探査部Ｅ１、周波数変換部Ｅ２、整流・給電
部Ｅ３及び多重化／分離部Ｅ４とを備えている。

【００２４】地上側装置Ｄ内の給電部は、図５の波形図
に例示するように、変成器の通過帯域内の周波数のバー
スト状の大振幅の交流電力Ｔを一定の周期で発生し、こ
れを多重化／分離部Ｄ４に供給する。多重化／分離部Ｄ
４は、一定の周期で切り替えられるスイッチなどから構
成され、給電部Ｄ３から供給される大振幅の一定周期の
バースト状の交流電力Ｔを一定の期間にわたってケーブ
ルＬ上に転送すると共に、ケーブルＬ上に同一の周期で
ずれたタイミングで出現するバースト状の信号Ｓを一定
の期間にわたって信号処理部Ｄ１に転送することによ
り、時分割多重化と、多重分離とを行う。

【００２５】同様に、地中側装置Ｅ内の多重化／分離部
Ｅ４は、地中探査部Ｅ１から周波数変換部Ｅ２を介して
供給される一定周期のバースト状の信号ＳをケーブルＬ
上に転送すると共に、ケーブルＬ上に同一の周期でずれ
たタイミングで出現する大振幅のバースト状の交流電力
Ｔを整流・給電部Ｅ３に転送することにより、時分割多
重化と、多重分離とを行う。

【００２６】整流・給電部Ｅ３は、多重化／分離部Ｅ４
から供給されるバースト状の交流電力を整流することに
より一定電圧の直流電力に変換し、この直流電力を地中
探査部Ｅ１と周波数変換部Ｅ２と多重化／分離部Ｅ４に
供給する。なお、多重化／分離部Ｅ４は、整流・給電部
Ｅ３からの直流電力の給電が開始されるまでは、ケーブ
ルＬに出現する全ての電気信号を整流・給電部Ｅ３に転
送するように初期設定されている。

【００２７】地中探査部Ｅ１は、整流・給電部Ｅ３から
直流電力の供給を受けて動作を開始し、送信アンテナか
ら一定の周期で地中にパルス状の電波を放射し、地中で
生じた反射波を受信アンテナを介して受信する。地中探
査部は、電波の送信から反射波の受信までに要した時間
に関する情報を含む信号Ｓを周波数変換部Ｅ２を介して
多重化／分離部Ｅ４に供給する。この周波数変換部Ｅ２
は、地中探査部Ｅ１から供給された信号を、図２に例示
した変成器の通過損失や帯域特性などの電気特性に関し
て最適の周波数に変換して多重化／分離部Ｅ４に供給す
る。

【００２８】上記信号Ｓは、ケーブルＬによって地上側
装置Ｄに転送され、その多重化／分離部Ｄ４を介して信
号処理部Ｄ１に転送される。信号処理部Ｄ１は、地中探
査部Ｅ１から転送されてきた信号を処理することによ
り、レーダ画面を作成し、これを表示部Ｄ２に転送す
る。このレーダ画面は、ブラウン管や高輝度の液晶装置
などで構成される表示部Ｄ２に表示される。作業者は、
この表示部Ｄ２に表示中のレーダ画面を観察することに
よって障害物を監視しながら掘削作業を進めることがで
きる。

【００２９】このように、信号成分と電力成分とが時分
割多重化されるため、振幅多重化の場合に比べて磁気回
路の飽和に伴う信号成分の歪みが小さくなり、そのぶん
Ｓ／Ｎ比が向上する。また、信号成分と電力成分とが周
波数多重化される場合に比べて、両成分について変成器
内の通過損失の低減が可能になり、信号成分のＳ／Ｎ比
の向上や、電力成分の高効率の伝送が可能になる。

【００３０】図６は、本発明の他の実施例を示す断面図
である。この実施例では、先端の管状体Ｐｏ内に発電機
が設置される。この発電機は、管状体Ｐｏと同軸の状態
でこの管状体Ｐｏ内に保持されて管状体Ｐｏと一緒に回
転する中心軸Ｚと、この中心軸ＺにベアリングＵを介し
て吊り下げられた永久磁石Ｍと、管状体Ｐｏの内周面に
はめ込まれたヨークＹから等角度間隔で突出する４個の
磁極（ポール）ＰＬ１〜ＰＬ４と、これらの磁極に巻回
された捲線Ｗとを備えている。

【００３１】中心軸ＺからベアリングＵを介して吊り下
げられた永久磁石Ｍは、管状体Ｐｏが地上装置から伝達
される回転力によって回転し、従って中心軸Ｚが回転し
ても自重とベアリングＵによる滑りとによって静止状態
を保つ。この結果、管状体Ｐｏと共に回転する４個の磁
極ＰＬ１〜ＰＬ４が次々に、永久磁石Ｍの真下を通過し
てゆき、この通過の際に、永久磁石Ｍから出て磁極に巻
回された捲線Ｗと交差する磁束密度が変化し、端子ｗ
１，ｗ２間に交流電圧が誘起され、これが整流されて直
流電力となり地中側装置内の各部に動作電力として供給
される。

【００３２】中心軸Ｚと永久磁石Ｍとの間にベアリング
を設置する代わりに、これを管状体Ｐｏと中心軸との間
に設置することにより、管状体Ｐｏが回転しても中心軸
Ｚがこの管状体ｐｏとの間に設置されたベアリングと永
久磁石の自重とによって静止状態を保つ構成を採用する
こともできる。

【００３３】図７は、本発明の他の実施例を示す断面図
である。この実施例でも、先端の管状体Ｐｏ内に発電機
が設置される。この発電機は、管状体Ｐｏと同軸の状態
でこの管状体Ｐｏ内に保持されて管状体Ｐｏと一緒に回
転する中心軸Ｚと、この中心軸Ｚのまわりに回転自在に
保持された回転体Ｇと、この管状体ｐｏ内を流動する高
圧水の水流で回転体Ｇを回転させるプロペラＰＰとを備
えている。回転軸Ｚと回転体Ｇのそれぞれの側に、永久
磁石と捲線とが対向して設置され、捲線に交流電力が誘
起される。

【００３４】上述のように、中空体Ｒ自体の回転力や高
圧水の流動エネルギーを利用して中空体Ｒの先端部分で
発電を行う構成を採用することにより、地上から電力を
送電する必要がなくなり、送電系統の簡略化が可能にな
る。

【００３５】以上、コネクタとして変成器を使用する場
合を例示した。しかしながら、棒状のピンとこれを収容
する管状のレセプタクルとが機械的な接触を保ちながら
回転自在に嵌合される構造の同軸コネクタを、その軸線
を管状体の軸線に一致させて配置した構造など他の構造
を利用することもできる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の地
中掘削装置は、コネクタの回転対称軸を管状体の中心軸
に一致させながら各コネクタを管状体の螺合部に取付け
る構成であるから、現場の作業者は、コネクタの存在を
意識せずに、管状体の螺合による結合作業のみを意識す
ることによって、管状体の延長とこれに伴うケーブルの
延長とを迅速・確実に行うことができる。

【００３７】本発明の好適な実施の形態によれば、上記
コネクタは非一体型の電磁結合器であるから、安価で、
確実な伝送路を形成することができる。

【００３８】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
中空体の回転エネルギーや高圧水の流動エネルギーを利
用して中空体の先端部分で発電を行う構成であるから、
地上から地中側装置への給電系統が簡略化できるという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の地中掘削装置の構成を示す
模式図である。

【図２】図１中のコネクタＣ１〜Ｃ４の構成をコネクタ
Ｃ２で代表し、これを管状体Ｐ１、Ｐ２の中心軸を含む
面で切断して示す縦断面図縦断面図である。

【図３】上記コネクタＣ２を管状体Ｐ１、Ｐ２の中心軸
と直交する面で切断して示す横断面図である。

【図４】図１中の地上側装置Ｄと地中側装置Ｅの構成の
一例を示す機能ブロック図である。

【図５】図１と図４に示した地中側装置Ｄと地中側装置
Ｅ間を伝送される電気信号の波形を例示する波形図であ
る。

【図６】先端のパイプの内部にこの管状体の回転力によ
って駆動される発電機が形成される本発明の他の実施例
を示す断面図である。

【図７】先端のパイプの内部に水流で駆動される発電機
が形成される本発明の更に他の実施例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

P0〜P4 管状体（パイプ） R 中空体（ロッド） B 掘削刃 N 圧力水吐出用ノズル Q 駆動装置 AT アンテナ C1〜C4 コネクタ L ケーブル D 地上側装置 E 地中側装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井啓二朗山梨県北都留郡上野原町上野原4683ー５Ｆターム(参考） 2D054 AC18 GA83 2G005 DA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】螺合によって継ぎ足される複数の管状体か
ら成り、根元側が結合された駆動装置によって軸線のま
わりに回転され地中に推進される細長の中空体と、この中空体の先端部に取り付けられた掘削工具と、この中空体の先端部に取り付けられた地中探査部と、ある軸のまわりの回転対称性を有すると共にこの回転対
称軸を前記各管状体の中心軸に一致させながら各管状体
の螺合部に取付けられるコネクタを有し、上記中空体の
先端部に設置された探査部から出力される電気信号をこ
の中空体の根元側に伝送する伝送線路とを備えたことを
特徴とする地中掘削装置。
【請求項２】請求項１において、前記コネクタは双方向伝送が可能な構成を有し、前記中
空体の根元側から前記探査部に対しても電気信号が伝送
されることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項３】請求項１と２のそれぞれにおいて、前記コネクタは、非一体型の電磁結合器であることを特
徴とする地中掘削装置。
【請求項４】請求項３において、前記非一体型の電磁結合器は、互いに対向して配置され
る１対の円形ポットコアと、これらポットコアのそれぞ
れに巻回された捲線を備えた変成器から成ることを特徴
とする地中掘削装置。
【請求項５】請求項４において、前記電気信号の中心周波数を前記変成器の伝達特性に最
適の周波数に変換するための周波数変換器がこの変成器
の前段に配置されたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項６】請求項１乃至５のそれぞれにおいて、前記中空体の内部にはその根元側から供給されてその先
端部から地中に吐出される高圧の水の送水経路が形成さ
れると共に、前記コネクタは前記高圧の水への耐性を備
えたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項７】請求項２において、前記中空体の根元側から前記探査部に対して伝送される
電気信号にはこの探査部に供給される電源電力成分が含
まれることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項８】請求項７において、前記伝送される電気信号のうち電源電力成分は他の信号
成分と時分割多重化されて伝送されることを特徴とする
地中掘削装置。
【請求項９】請求項１乃至６のそれぞれにおいて、前記中空体の先端部には、この中空体の回転運動を電力
に変換する発電機が内蔵されたことを特徴とする地中掘
削装置。
【請求項10】請求項１乃至６のそれぞれにおいて、前記中空体の先端部には、この中空体の内部を送水され
る前記高圧の水の流動エネルギーを電力に変換する発電
機が内蔵されたことを特徴とする地中掘削装置。