JP2000292143A - トンネル掘進機の後胴と前胴との相対姿勢計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 後胴(1) と前胴(2) との間にレーザ装置を設
置する必要がなく、後胴(1) に対する前胴(2) の相対姿
勢を確実に計測可能としたトンネル掘進機の後胴に対す
る前胴の相対姿勢計測装置を提供する。 【構成】 後胴(1) 内の所定の点と、前胴(2) 内の所定
の点とを結ぶ距離をそれぞれ計測する少なくとも３個の
ストローク計(4) と、後胴(1) 内の第１の点(Q1)と、前
胴(2) 内の第２の点(P1)とを直線状に結ぶ少なくとも１
つの線状部材(3)と、後胴(1) 内または前胴(2) 内に設
置されて線状部材(3) の互いに直交する二方向の変位を
計測する変位計(11,12) と、ストローク計(4) の計測値
と、変位計(11,12) の計測値に基づいて、後胴(1) と前
胴(2) との相対姿勢を演算する演算装置とを備えたこと
を特徴とするトンネル掘進機の後胴と前胴との相対姿勢
計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、トンネル掘進機の後胴と前胴と
の相対姿勢計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘進機は、前部に配置されて、
前端部にカッタヘッドを有する前胴と、前胴を屈折自在
かつ伸縮自在に支持する後胴とを備えており、後胴に対
する前胴の相対姿勢を制御して掘進方向を修正しつつ、
トンネル計画線に沿って精度よく掘進するようにしてい
る。このため、トンネル掘進機は、後胴と前胴との相対
姿勢を計測する相対姿勢計測装置を備えている。一般に
従来のトンネル掘進機は、前胴と後胴とが複数本の油圧
ジャッキにより連結され、それら各油圧ジャッキには各
々油圧ジャッキのストロークを検出するストローク計が
設けられている。後胴に対する前胴の相対的な姿勢は、
これらストローク計の測定値から演算され求められる。
このことは油圧ジャッキが機体の掘進方向に対し斜めに
配置されるラチスジャッキ式においても同様である。ま
た、前胴と後胴との距離を計測する複数のワイヤ式スト
ローク計を各油圧ジャッキと別に設けたり、油圧ジャッ
キのシリンダとピストンロッド間にワイヤ式ストローク
計のワイヤを架渡す構成もある。

【０００３】厳密に言えば、この複数本の油圧ジャッキ
により前胴と後胴とを連結した構成では各油圧ジャッキ
の伸びによって前胴と後胴との相対位置が一義的に求ま
るわけではない。このことを図７に示すストローク計測
方法の模式図について説明する。各油圧ジャッキの伸び
量が全て同一のためストローク計４で計測されるワイヤ
３の長さが一定であっても、油圧ジャッキのリンクモー
ションにより後胴１に対する前胴２の位置は二点鎖線の
位置から実線の位置までどの位置か定まらないからであ
る。しかしながら、前胴２と後胴１とはその屈曲部にお
いてシールを介して摺動可能に重ね合わさっている上
に、径方向への移動を構造的に規制するようになってい
るため、通常の使用においては前述の計測方法でも何ら
問題なくその計測誤差は許容できるものである。ところ
が、自動掘進を行う際などにはこの誤差が問題となって
くる場合がある。この場合には誤差が累積されて施工計
画線から大きくはずれてしまうことを防ぐために、誤差
を無くす必要がある。このような場合には、通常レーザ
光を用いた計測が併用される。これは、後胴１に設置し
たレーザ光源と前胴２に設けたレーザ受光用ターゲット
とにより前胴２・後胴１間の相対角度を求めている。

【０００４】図８，９に基づいて、従来技術の後胴１に
対する前胴２の傾きを計測する方法を説明する。前胴２
に設置されたターゲット５６には距離Ｔを隔てて第１タ
ーゲット５６ａと第２ターゲット５６ｂが設置されてお
り、光源５５から照射されたレーザ光は第１ターゲット
５６ａを透過して第２ターゲット５６ｂに入射する。同
図において、Ａは第１ターゲット５６ａでのレーザ照射
位置座標を、Ｂは第２ターゲット５６ｂでのレーザ照射
位置座標を表したものである。第１ターゲット５６ａの
照射位置Ｔ1 の座標( Ｘ1,Ｙ1 ）と、第２ターゲット５
６ｂの照射位置Ｔ2 の座標( Ｘ2,Ｙ2 ）とにより、ピッ
チング角θ１及びヨーイング角θ2 を次のようにして求
める。 ｔａｎθ1 ＝（Ｙ1 −Ｙ2 ）／Ｔ ｔａｎθ2 ＝（Ｘ1 −Ｘ2 ）／Ｔ これらのピッチング角θ１及びヨーイング角θ2 の値と
各ストローク計の計測値とにより前胴・後胴間の正確な
相対位置を求めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。 （１）レーザ光源５５と第１ターゲット５６ａとの間に
レーザ光の照射空間が必要となるため、設備を配置する
スペースが制約されると共に、レーザ光の照射空間にト
ンネル掘進機の機器等が移動することがあるとレーザ光
が遮られ、後胴１に対する前胴２の相対姿勢を計測でき
なくなる。 （２）特に小型のトンネル掘進機ではスペース上の制約
があり、レーザ光源５５及びターゲット５６の設置が困
難である。また、ピッチング角θ１及びヨーイング角θ
2 の測定精度を向上させるために、第１ターゲット５６
ａ及び第２ターゲット５６ｂとの距離Ｔを長くしたり、
レーザ光源５５とターゲット５６との設置間隔を長くし
たり、あるいは、小さな曲率のカーブ施工に対応するた
めにそれぞれの受光面を大きくとると、ターゲット５６
が大きくなり、さらにターゲット５６を設置するスペー
スが制約される。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点に着目し
てなされたもので、後胴と前胴との間に大型のレーザ装
置を設置する必要がなく、後胴に対する前胴の相対姿勢
を確実に計測可能としたトンネル掘進機の後胴に対する
前胴の相対姿勢計測装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用効果】上記目的を
達成するために、第１の発明に係るトンネル掘進機の後
胴と前胴との相対姿勢計測装置は、トンネル掘進機の前
胴と後胴との相対姿勢を計測する相対姿勢計測装置にお
いて、後胴内の所定の点と、前胴内の所定の点とを結ぶ
距離をそれぞれ計測する少なくとも３個のストローク計
と、後胴内の第１の点と、前胴内の第２の点とを直線状
に結ぶ少なくとも１つの線状部材と、後胴内または前胴
内に設置されて線状部材の互いに直交する二方向の変位
を計測する変位計と、ストローク計の計測値と、変位計
の計測値に基づいて、後胴と前胴との相対姿勢を演算す
る演算装置とを備えたことを特徴とする。

【０００８】一般的には、後胴内の所定の点と前胴内の
所定の点とを結ぶ距離が一定のままでも、後胴に対して
前胴が移動し得る。このため、後胴に対する前胴の位置
が決定されない。しかし、このような場合でも、第１の
発明によれば、後胴内の第１の点と前胴内の第２の点と
を直線状に結ぶ線状部材の互いに直交する二方向の変位
が計測されるので、後胴に対する前胴の位置が決定され
る。この結果、後胴に対する前胴の方向と変位、即ち、
後胴に対する前胴の相対姿勢が決まる。これらはストロ
ーク計の計測値と変位計の計測値とを元に演算装置によ
り演算される。このように、後胴内または前胴内に設置
された変位計で線状部材の変位を計測すればよいため、
従来技術のように、後胴と前胴との間にレーザ装置を設
置する必要がなくなる。このため、従来大型のレーザ装
置を設置していたスペースを有効に使用できるので他の
必要な機器等を設置する制約がなくなり、機器や装置の
レイアウトの自由度が大きくなる。また、レーザの照射
空間へ障害物が介入することがなくなり、線状部材と後
胴の軸心方向とのなす角度を確実に計測できる。

【０００９】第２の発明に係るトンネル掘進機の後胴と
前胴との相対姿勢計測装置は、第１の発明において、ス
トローク計の少なくとも１つは、ワイヤ式ストローク計
であり、かつ線状部材がこのワイヤ式ストローク計のワ
イヤであることを特徴とする。

【００１０】第２の発明によれば、同じ線状部材につい
て、その長さをストローク計により計測し、互いに直交
する二方向の変位が変位計により計測されるので、スト
ローク計と変位計との計測対象物を別々に設置する必要
がなくなり、装置構成が簡略化されると共に製造コスト
が低減される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図１
〜６を参照して詳述する。なお、従来技術と同一の要素
には同一符号を付して以下での説明を省略する。本発明
に係る相対姿勢計測装置をラチス式トンネル掘進機に適
用した場合の例を、図１に基づいて説明する。トンネル
掘進機１０の後胴１及び前胴２の外周には全長にわたっ
てシールド１ａ，２ａが設けてあり、前胴２の後端部内
周には掘進中に後胴１の前端部外周が所定長さＭにわた
って前後方向に摺動する嵌合部が形成されている。前胴
２の前端部にはカッタヘッド７が回転駆動自在に装着さ
れており、後胴１と前胴２とを連結する所定本数のラチ
ス式ジャッキ８は、傾斜配置（ラチス）することで推進
機能、トルク反力伝達機能及びカッタヘッド７の方向制
御機能を合わせ持っている。また、後胴１と前胴２との
水平方向と鉛直方向には、それぞれ円周方向を四等分す
る位置に前胴２に装着されたストローク計４によりワイ
ヤ（線状部材の一例）３が張設され、それぞれのワイヤ
３を巻取るストローク計４の回転角度によってそれぞれ
の位置での後胴１と前胴２との距離が計測される。

【００１２】図２に示すように、ワイヤ式ストローク計
のワイヤの傾きを２つの変位計により計測している。ワ
イヤ３の一端は、後胴１の固定点Ｑ点（第１の点の一
例）において固定され、他端は前胴２の固定点（第２の
点の一例）Ｐ点において図示しないローラ等を経由し、
ストローク計４の図示しない回転ドラムに係止されてい
る。このストローク計４の回転ドラムは所定の付勢力に
より巻取り方向に回転することにより、常時、ワイヤ３
に張力を付与するようになっている。また、後胴１に
は、固定点Ｑの前方に、第１変位計（変位計の一例）１
１及び第２変位計（変位計の一例）１２が設置されてい
る。第１変位計１１はレーザ発信器１１ａ及びレーザ受
信器１１ｂを備えており、このレーザ発信器１１ａとレ
ーザ受信器１１ｂとによって後胴１の軸心方向と直交す
る平面内に鉛直方向のレーザ光面を形成し、このレーザ
光面とワイヤ３との交点の位置により水平方向のワイヤ
３の変位量を計測するようになっている。また、第２変
位計１２はレーザ発信器１２ａ及びレーザ受信器１２ｂ
を備えており、このレーザ発信器１２ａ及びレーザ受信
器１２ｂによって、後胴１の軸心及び第１変位計のレー
ザ光面と直交する平面内に水平方向のレーザ光面を形成
し、このレーザ光面と鉛直方向のワイヤ３の変位量を計
測するようになっている。

【００１３】図３に基づいて、ワイヤ３の水平方向と鉛
直方向の変位量Ｕ，Ｖを測定する方法を説明する。第１
変位計１１のレーザ発信器１１ａから鉛直方向に照射さ
れる平面状のレーザ光はワイヤ３に遮ぎられ、影１３を
生じる。影１３の位置は、レーザ受信器１１ｂが受光す
るレーザ光の位置により計測され、さらに、ワイヤ３の
直径の大きさを参照してワイヤ３の中心の基準位置に対
する水平方向の変位量Ｕが計測される。ここで、基準位
置は、後胴１の軸心と平行で、かつ固定点Ｑを通る直線
とレーザ光面との交点とする。同様に、レーザ発信器１
２ａから水平方向に照射されるレーザ光はワイヤ３に遮
ぎられて影１４を生じる。影１４の位置はレーザ受信器
１２ｂが受光するレーザ光の位置により計測され、ワイ
ヤ３の直径の大きさから基準位置に対する鉛直方向の変
位量Ｖが計測される。第１変位計１１と固定点Ｑとの距
離をＬU とすると、第１変位計１１により測定されたワ
イヤ３の変位量Ｕに基づいて、ワイヤ３の水平方向の傾
き角αが次のように求まる。（図４参照） ｔａｎα＝Ｕ／ＬU また、第２変位計１２と固定点Ｑとの距離をＬV とする
と、第２変位計１２により測定されたワイヤ３の基準位
置に対する変位量Ｖに基づいて、ワイヤ３の鉛直方向の
傾き角βが次のように求まる。（図５参照） ｔａｎβ＝Ｖ／ＬV

【００１４】ここで、図６に示すように、後胴１の固定
点Ｑを原点とし、水平方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸、後
胴１の軸心方向をｚ軸とし、前胴２の固定点の座標をＰ
（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）、Ｐ，Ｑ間の距離をＬ、距離Ｌの
ｘｚ平面上への投影長をＬxz、距離Ｌのｙｚ平面上への
投影長をＬyzとすると、 ｘ1 ＝Ｌxz・ｓｉｎα ｙ1 ＝Ｌyz・ｓｉｎβ ｚ1 ＝Ｌxz・ｃｏｓα Ｌxz2 ＋Ｌyz2 ＝Ｌ2 の関係が成り立つから、これを解くと次のようになる。 ｘ1 ＝Ｌｓｉｎα・ｃｏｓβ ｙ1 ＝Ｌｃｏｓα・ｓｉｎβ ｚ1 ＝Ｌｃｏｓα・ｃｏｓβ 従って、Ｌ、α、βを測定することにより前胴２側の固
定点Ｐの座標位置が求まる。また、他のストローク計か
ら得られる値を考慮して演算すれば、Ｐを通り前胴２の
軸心と直交する平面を求めることができ、さらに後胴１
に対する前胴２の相対位置及び姿勢を知ることができ
る。これらの演算は図示しない演算装置にて行われる。

【００１５】このように、後胴１に設置された変位計１
１，１２により線状部材３の小さな変位量を測定するだ
けでよいため、変位計１１，１２のレーザの照射距離が
短くなると共にレーザの照射空間にある粉塵の影響によ
る減衰量も少なくなるので、必要なレーザ出力が小さく
て済む。このため、変位計１１，１２の大幅な小型化が
可能となり、設置スペースを低減できるとと共に、コス
トも低減できる。

【００１６】ここで、後胴１の絶対姿勢は、従来と同様
にトンネル抗外のレーザ発信器から照射されるレーザ光
を後胴１に設置したターゲットが受信することにより計
測される。また、前胴２にはローリング計（図示せず）
が設置されており、ローリング計により計測されるロー
リング量によって後胴１に対する前胴２の相対姿勢を補
正しているが、本発明の主旨でないため詳細説明は省略
する。

【００１７】なお、本実施形態では線状部材３としてワ
イヤ式ストローク計のワイヤの傾きを計測するようにし
ているが、これに限らず巻取り式のワイヤ等を別に設け
て測定してもよいし、棒状のものでもよいことは言うま
でもない。また、本実施形態では変位計１１，１２とし
てレーザ式変位計を用いて説明したが、これに限らずワ
イヤ３の基準位置からの水平方向と鉛直方向の各変位量
Ｕ，Ｖが計測されればよく、例えば、超音波によりワイ
ヤとの距離を計測する超音波式変位計あるいはワイヤに
ポテンショメータの摺動子を連結して計測される接触式
の変位計等であってもよいことは勿論である。さらに、
本実施形態ではラチス式トンネル掘進機について説明し
たが、ラチス構造でなくとも、後胴１に対する前胴２の
方向と変位、すなわち後胴１に対する前胴２の相対姿勢
が変わる構造のトンネル掘進機であれば同様に適用でき
ることはもちろんである。

【００１８】以上のように、本発明によれば次のような
効果を奏する。後胴内または前胴内に設置された変位計
で線状部材の変位を計測すればよいため、従来技術のよ
うに、後胴と前胴との間にレーザ装置を設置する必要が
なくなる。このため、従来大型のレーザ装置を設置して
いたスペースを有効に使用できるので他の必要な機器等
を設置する制約がなくなり、機器や装置のレイアウトの
自由度が大きくなる。また、レーザの照射空間へ障害物
が介入することがなくなり線状部材と後胴の軸心方向と
のなす角度を確実に計測できる。特に、同じ線状部材に
ついて、その長さをストローク計により計測し、互いに
直交する二方向の変位が変位計により計測されるので、
ストローク計と変位計との計測対象物を別々に設置する
必要がなくなり、装置構成が簡略化されると共に製造コ
ストが低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を適用したラチス式トンネル
掘進機の側面断面図である。

【図２】本発明に係る線状部材の変位量を計測する変位
計を示す図である。

【図３】図２に示す線状部材の変位量を計測する説明図
である。

【図４】図３に示す変位量を用いた線状部材の水平面内
傾斜角を示す図である。

【図５】図３に示す変位量を用いた線状部材の鉛直面内
傾斜角を示す図である。

【図６】本発明の実施形態に係る後胴に対する前胴の相
対姿勢を示す図である。

【図７】従来技術に係る後胴に対する前胴の相対姿勢を
計測する方法を示す模式図である。

【図８】従来技術に係るピッチング角の計測方法の説明
図である。

【図９】従来技術のヨーイング角の計測方法の説明図で
ある。

【符号の説明】

１；後胴、 ２；前胴、 ３；ワイヤ（線状部材の一
例）、 ４；ストローク計、 １０；トンネル掘進機、
１１；第１変位計、 １１ａ，１２ａ；レーザ発信
器、 １１ｂ，１２ｂ；レーザ受信器、 １２；第２変
位計。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘進機の前胴と後胴との相対姿
   勢を計測する相対姿勢計測装置において、 後胴(1) 内の所定の点と、前胴(2) 内の所定の点とを結
   ぶ距離をそれぞれ計測する少なくとも３個のストローク
   計(4) と、 後胴(1) 内の第１の点(Q1)と、前胴(2) 内の第２の点(P
   1)とを直線状に結ぶ少なくとも１つの線状部材(3) と、 後胴(1) 内または前胴(2) 内に設置されて線状部材(3)
   の互いに直交する二方向の変位を計測する変位計(11,1
   2) と、 ストローク計(4) の計測値と、変位計(11,12) の計測値
   に基づいて、後胴(1)と前胴(2) との相対姿勢を演算す
   る演算装置とを備えたことを特徴とするトンネル掘進機
   の後胴と前胴との相対姿勢計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のトンネル掘進機の後胴
   と前胴との相対姿勢計測装置において、 ストローク計(4) の少なくとも１つは、ワイヤ式ストロ
   ーク計であり、かつ線状部材(3) がこのワイヤ式ストロ
   ーク計のワイヤであることを特徴とするトンネル掘進機
   の後胴と前胴との相対姿勢計測装置。