JP2003121151A

JP2003121151A - 掘削体の位置探査方法及び位置探査装置

Info

Publication number: JP2003121151A
Application number: JP2001317892A
Authority: JP
Inventors: Masato Kagawa; 理人香川; Yoichi Kimura; 洋一木村; Osamu Shimoe; 治下江
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】埋設管の所定位置及び所定向きに掘削穴を高
精度に到達させることができ、しかも地表を長時間にわ
たって占有する必要がない掘削体先端の位置探査方法及
び装置を提供する。【解決手段】掘削体先端部の所定箇所に設けた発信コ
イルから交流磁界を発生させ、複数の受信コイルに励起
される電圧値を測定し、受信コイルと発信コイルの位置
関係をもとに計算される受信コイルの理論電圧値との誤
差が極小となる受信コイルと発信コイルの位置関係を算
出し、掘削体先端部の位置と姿勢を求めることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中穴を掘削する
非開削工法において、掘削体先端部の位置、姿勢を検出
するための位置探査方法及び位置探査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスや上下水道などの地下埋設管から供
給管を分岐させるには、地下埋設管部分と供給管敷設部
分を地上から掘削して土砂を取り除いた上で作業を進め
ることが普通であるが、地上からの開削作業が必要であ
り、作業量が増えるだけでなく、工期も長くなって不経
済であり、また道路等を掘り返すことによる地域への影
響も無視できない。これを解決するための工法に、道路
等を掘り返すことなく供給管を敷設することができる非
開削工法がある。

【０００３】特開平８−１００５９５号公報には、非開
削工法における推進体の推進制御方法が開示されてい
る。これは、予め、地中を推進方向変更自在に推進可能
な推進体の先端部に、推進体の軸芯に沿った軸芯を有す
る発信コイルを設けておくと共に、推進体の所定の到達
部で予定到達方向に直交する平面内で、且つ、到達部を
挟んで等しい距離の複数位置に、発信コイルからの電磁
波を受信する複数の受信コイルを、それぞれ予定到達方
向に軸芯を沿わせて設けておき、複数の受信コイルそれ
ぞれの電磁波受信強度が各別に設定された値になるよう
に推進体の推進方向を設定して推進させる方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、供給管を流
体の漏れが発生しないように地中に埋設してある本支管
に接続するためには、供給管敷設用地中穴を、接続予定
箇所近辺に、本支管表面に略直交する方向から、本支管
軸心とのずれができるだけ小さくなるように到達させる
ことが重要となる。許容ずれ量は、本支管及び供給管の
大きさにより異なるが、例えば１５０Ａ（内径約１５０
ｍｍ）の本支管に、３０Ａ（内径約３０ｍｍ）の供給管
を接続する場合、±１０ｍｍ以内とすることが望まし
い。このためには推進体の位置及び方向を高精度に計測
して推進誘導することが必要である。

【０００５】これに対し、前記公知例では次のような問
題がある。１）推進体が、障害物の回避動作等で受信コイル軸芯と
異なった方向から進行してくる場合には、傾き程度に応
じて各受信コイルの受信強度が異なり、到達位置が変動
する。２）掘削途中の推進体までの距離や向きの大きさは計測
できないため、到達予定箇所へ精度よく誘導できず、到
達精度を高めることが難しい。３）到達部を挟んだ平面が必要であるため、比較的広く
て深いピットを到達部に掘る必要があり、道路下に埋設
されている本支管に対しては、道路を掘り返す必要があ
り、交通の妨害になる。従って、本発明は、埋設管の所
定位置及び所定向きに掘削穴を高精度に到達させること
ができ、しかも地表を長時間にわたって占有する必要が
ない掘削体先端の位置探査方法及び装置を提供すること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の掘削体の位置探
査方法は、掘削体先端部の所定箇所に設けた発信コイル
から交流磁界を発生させ、複数の受信コイルに励起され
る電圧値を測定し、受信コイルと発信コイルの位置関係
をもとに計算される受信コイルの理論電圧値との誤差が
極小となる受信コイルと発信コイルの位置関係を算出
し、掘削体先端部の位置と姿勢を求めることを特徴とし
ている。本発明において、受信コイルは、中心位置又は
方向が異なり、互いに位置関係が規定された少なくとも
６個を用い、理論電圧値は、受信コイルと発信コイルの
位置関係を表す変数を有する少なくとも６個の数式をも
とにして計算することができる。また、本発明におい
て、受信コイルは、中心位置又は方向が異なり、互いに
位置関係が規定された少なくとも６個を用い、各受信コ
イルと位置関係が規定された任意の座標系を設定し、該
座標系において、発信コイルの位置関係を算出し、掘削
体先端部の位置と姿勢を求めることが好ましい。

【０００７】本発明の掘削体の位置探査装置は、掘削体
先端部に設けた発信コイルと、中心位置又は軸方向が異
なる少なくとも６個の受信コイルを有し掘削体先端部到
達予定箇所近傍に配置される受信器と、各受信コイルか
らの測定電圧が入力され、受信コイルと発信コイルの位
置関係をもとに計算される受信コイルの理論電圧値との
誤差が極小になる受信コイルと発信コイルの位置関係を
算出する処理手段を備えた制御装置とを有することを特
徴としている。本発明において、受信器は、直交３軸座
標系の軸方向に配設され原点に中心を一致させた３つの
受信コイルからなる直交３軸コイルユニットが、少なく
とも２セット、相互位置関係を規定して配設されている
ことが好ましい。上記発明は、ガス、上水道、或いは下
水道などの地下埋設管に向けて、供給管敷設用地中穴を
地表から掘削する方法に用いると、極めて有効である。
また、受信器は、地下埋設管内に装入してもよいし、地
下埋設管の掘削ヘッド到達予定箇所近傍で地表から埋設
管に向けて設けた穴内に装入するようにしてもよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図２は、道路２の下に埋設されて
いるガス用本支管３から分岐し、家屋側に伸びる供給管
１の敷設状態を示した模式図である。供給管１はＰＥ管
が用いられ、一端が同じくＰＥ管の本支管３に接続さ
れ、他端が家屋内に引き込まれるメータ縦管４に接続さ
れている。図１は、図２における供給管を敷設するため
の地中穴を家屋側より掘削する本発明の掘削方法を説明
するための模式図であり、家屋側地表面には、掘削体を
地中に進入掘削させるための掘削機６が設置されてい
る。掘削体先端の掘削ヘッド７には磁界Ｗを発生する発
信器８が、また、本支管３の供給管接続予定箇所の近傍
（図１では本支管３の内部）には、磁界Ｗを受信する受
信器１０が配設されている。

【０００９】図３に掘削体を示すが、先端に傾斜面７ａ
を有する掘削ヘッド７と、掘削ヘッド７の後側に連接さ
れた可撓性を有するロッドユニット５を備えており、適
宜回転させながら推進させることで推進方向変更自在な
地中穴を掘削することができる。図３にはロッドユニッ
ト５の一構成例を示すが、複数のロッド部材２０が軸方
向を合せて連設されており、隣接するロッド部材２０同
士は、弾性部材を介してロッドユニットの軸心（Ｚ）方
向に略直交する方向に装着される軸２１で連結されてい
る。ロッドユニット５は、軸方向にネジ等で連結するこ
とができ、所望の長さの掘削体を形成することができ
る。

【００１０】掘削ヘッド７内には、交流磁界を発生する
発信器８が装着されている。発信器８には、１軸の発信
コイル１８が、その中心位置が掘削ヘッド７の先端から
所定距離をなし、そのコイル軸心が掘削ヘッド軸心と一
致するか或いは小さな所定角度をなすように組込まれて
いる。また、図４に示すように、受信器１０は、直交す
る３軸方向に設けられた３個の受信コイル１９（以降、
直交３軸コイルとも称する）を有するコイルユニット９
が２組（９ａ、９ｂ）、所定間隔Ｌ隔てて連結部材１１
で取付けられた構成であり、本支管３内に装入したり、
供給管接続予定箇所近傍に設けた穴中に装着することが
できる。

【００１１】コイルユニット９はデータ処理ユニット１
２に電気的に接続されている。図５はデータ処理ユニッ
ト１２内部の電気回路構成を示したものである。受信コ
イル１９が磁界を受信して発生した誘起電圧信号は、プ
リアンプ２０で増幅されたのち、切替スイッチ２１に達
する。切替スイッチ２１は中央演算処理装置（ＣＰＵ）
２２でオンオフ制御される。切替スイッチ２１を通過し
た交番電圧信号は、発信コイル１８に合わせて設定され
た周波数選択フィルタ（ＢＰＦ）２３を通過後、再度増
幅器２４を通り、ＡＣ電圧計２５に接続される。ＡＣ電
圧計２５にて実効値変換された出力信号はＣＰＵ２２に
達し、ＣＰＵ２２に内蔵されたプログラムにしたがって
適宜読みこまれる。ＣＰＵ２２は、読みこんだ受信コイ
ル１９の誘起電圧成分を使って、内蔵した数式（後述）
をもとに、所定座標系における発信コイル１８の中心位
置と方向を計算する。発信コイル１８と掘削ヘッド７の
位置関係は既知であり、掘削ヘッド７先端部の方向と位
置を知ることができ、掘削機側のモニター１４に送信さ
れる。掘削ヘッド７は、この送信されたデータをもとに
して、位置や方向が制御される。通常は、モニター１４
に掘削操作の支援情報として表示され、オペレータがこ
れを見ながら掘削機６を操作するが、自動制御システム
に適応することもできる。

【００１２】次に、図６を参照しながら、掘削ヘッド７
の位置と方向を規定する計算方法を説明する。図６は、
受信機１０側の２つのコイルユニット９ａ、９ｂと、発
信器８側の発信コイル１８の幾何学的関係を示したもの
である。コイルユニット９は、各受信コイル１９の中心
が一致するように構成されている。コイルユニット９ａ
とコイルユニット９ｂは、その受信コイ１９の３軸方向
が一致するように、かつＸ軸方向に直列で、コイル中心
間距離がＬとなるように配設されている。

【００１３】発信コイル１８に磁界が発生すると、受信
コイル１９には、数１に示す理論式で表される起電力が
生じる。

【数１】ｎｔ：受信コイルの巻数、ｆ：発信コイルが発生する交流磁界の周波数Ａ：受信コイルと交流磁界が鎖交する面積Ｍ：発信コイルをダイポール近似したときの磁気モーメ
ントｒ：発信コイル中心の位置ベクトル以降、下線を付した記号はベクトルであることを表す。

【００１４】コイルユニット９ａにおいて、直交３軸コ
イルの中心Ｏ１を原点とし、コイルと同方向に軸方向を
なすような座標系を規定すると、コイルユニット９ａ内
の直交３軸コイルの各々に生じる起電力Ｅｘ_１、Ｅ
ｙ_１、Ｅｚ_１は、受信コイル巻数はｎｔで同一とし、発
信コイル中心位置をｒ _１＝（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）、磁気
モーメントをＭ _１＝（Ｍｘ_１、Ｍｙ_１、Ｍｚ_１）とすれ
ば、数２で表される。

【数２】

【００１５】同様に、コイルユニット９ｂにおいて、直
交３軸コイルの中心Ｏ２を原点とし、コイルと同方向に
軸方向をなすような座標系を規定すると、コイルユニッ
ト９ｂ内の直交３軸コイルの各々に生じる起電力Ｅ
ｘ_２、Ｅｙ_２、Ｅｚ_２は、受信コイル巻数はｎｔで同一
とし、発信コイル中心位置をｒ _２＝（ｘ_２、ｙ_２、
ｚ_２）、磁気モーメントをＭ _２＝（Ｍｘ_２、Ｍｙ_２、Ｍ
ｚ_２）とすれば、数３で表される。

【数３】

【００１６】一方、コイルユニット９ａと９ｂの直交３
軸コイルの位置関係は前述した通りであるので、ｘ_２＝
ｘ_１−Ｌ、ｙ_２＝ｙ_１、ｚ_２＝ｚ_１、Ｍｘ_２＝Ｍｘ_１、
Ｍｙ _２＝Ｍｙ_１、Ｍｚ_２＝Ｍｚ_１と置き換えることがで
き、数３で示した起電力Ｅｘ _２、Ｅｙ_２、Ｅｚ_２は、ｘ
_１、ｙ_１、ｚ_１、Ｍｘ_１、Ｍｙ_１、Ｍｚ_１で表すことが
できる。即ち、Ｅｘ_１、Ｅｙ_１、Ｅｚ_１、Ｅｘ_２、Ｅｙ
_２、Ｅｚ_２は、コイルユニット９ａ座標系で規定された
ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１、Ｍｘ_１、Ｍｙ_１、Ｍｚ_１で表すこと
ができる。なお、本実施例においては、コイルユニット
９ａ座標系とコイルユニット９ｂ座標系は軸方向を同一
としたが、一意的に座標変換ができれば、必ずしも軸方
向は同一でなくてもよい。さらに、コイルユニット９ａ
座標系及びコイルユニット９ｂ座標系と、位置及び方向
が規定できる任意の座標系を設定すれば、この座標系か
らみた発信コイル８の中心位置及び磁気モーメントは、
コイルユニット９ａ座標系又はコイルユニット９ｂ座標
系における中心位置及び磁気モーメントで表すことがで
きることは明らかであり、このような座標系を適宜設定
することができる。

【００１７】ところで、受信コイル１９で測定された電
圧をＥ_０とすると、該受信コイル１９における測定値Ｅ
_０と数２、数３で表される理論値Ｅが一致、あるいは誤
差が最小となる時のＭ、ｒを求めることが、発信コイル
１８の方向と位置を求めることになる。測定値と理論値
の誤差Ｓは、最小二乗法で下記数４で表す。

【数４】ｎ：受信器内の異なった方向、位置に配設されたコイル
の数（本実施例ではｎ＝６）、ｗｉ：重み関数（本実施例ではｗｉ＝１とする）誤差が極小となる場合、即ち、誤差がない場合を含め測
定誤差の範囲内での最小である場合を真値に近い適正値
とみなすことができる。誤差極小の条件は数５で表され
る。

【００１８】

【数５】ここで、ξは未知変数の代表、ｍは未知の変数の数であ
る。ここでは、未知変数は上述したＭとｒであり、これ
らを成分表示すると数６で表される。

【数６】これらを、数５に適応するには、ξ_１＝Ｍｘ、ξ_２＝Ｍ
ｙ、ξ_３＝Ｍｚ、ξ_４＝ｘ、ξ_５＝ｙ、ξ_６＝ｚと扱え
ばよい。また、数４を用いて数５の左辺を計算すると、
数６となる。

【００１９】

【数７】数５を満たすξ _ｊを見出すことは、すなわち、下記数
８を解くことである。

【数８】しかし、この数８の連立式は非線形であることから、正
解を推定しておき繰り返して計算することにより真値を
導き出す方法（例えばニュートンラプソン法）を適用す
る必要がある。そのために、数８をテイラー展開した最
初の２項で近似した数９とする。

【００２０】

【数９】上付き文字の（ｔ）や（ｔ＋１）は何回目の近似解であ
るかを示している。そこで、今仮に（ｔ＋１）回目の解
が真値であったとすると、下記数１０を満たすことか
ら、数９は数１１で表される。

【数１０】

【数１１】数１１の右辺は数７、左辺は下記数１２であることから

【数１２】下記数１３の関係が成り立つ。

【００２１】

【数１３】この数１３は容易に解を求めることが出来る線形連立方
程式である。したがって、この方程式の解であるδξ_ｋ
（ｋ＝１、２、・・、ｍ）は求めることができる。この
解δξ_ｋはニュートンラプソン法によって派生した差分
であるので、

【数１４】にしたがって、解を修正することができ、繰り返しを重
ねると、いずれ修正量はとなり、を示す様になる。このときのξ_ｋ ^（ｔ）を真値とみなす
ことができる。

【００２２】前述したように、未知変数はＭ＝（Ｍｘ、
Ｍｙ、Ｍｚ）、ｒ＝（ｘ、ｙ、ｚ）の６であり、少なく
とも、６つの異なった受信コイル１９に生じる電圧値が
測定できれば解を求めることができる。即ち、数２、数
３で示したように、２つのコイルユニット９ａ、９ｂに
設けられた６個の直交３軸コイルから測定される６つの
起電力値Ｅｘ１、Ｅｙ１、Ｅｚ１、Ｅｘ２、Ｅｙ２、Ｅ
ｚ２を、例えばコイルユニット９ａに規定した座標系に
おける発信コイル１８の位置（ｘ_１、ｙ_１、ｚ _１）と磁
気モーメント成分（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）で表すことによ
り、６つの未知変数を求めることができる。

【００２３】実際の非開削工法への適用にあたっては、
掘削ヘッド７の到達予定位置と方向で決定される発信ヘ
ッド１８の中心位置と磁気モーメントに対し、推進途中
で算出された発信コイル１８の位置（ｘ_１、ｙ_１、
ｚ_１）と磁気モーメント成分（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）をも
とに、掘削ヘッド７の位置と向きを修正するように推進
制御する。例えば、掘削ヘッド７を図６における距離Ｌ
隔てられた２つのコイルユニット９ａ、９ｂの中央部
に、水平状態でかつ本支管表面の法線方向に到達させた
い場合、ｘ＝Ｌ／２、ｚ＝０、磁気モーメント成分Ｍｘ
＝０、Ｍｚ＝０となるように、推進制御するとよい。な
お、発信コイル１８の位置と方向を規定する座標系を、
一方のコイルユニットの座標系を用いる例で説明した
が、前述したように、コイルユニット座標系との関係が
規定できれば任意に座標系を定めることができる。即
ち、上記の場合、コイルユニット９ａ、９ｂの中央部に
原点を有するような座標系を設定すれば、算出データが
そのまま掘削到達予定部に対するヘッドの位置関係を表
すので、制御しやすくなる。

【００２４】

【実施例１】受信器を本支管３内に装着して掘削する例
を図４に示す。図４は、図１のＢ−Ｂ断面図であり、掘
削ヘッド７と受信器１０を地表側から見た図である。受
信器１０は、２つのコイルユニット９ａ、９ｂが所定距
離Ｌ隔てて連結部材１１に固定された構成であり、コイ
ルユニット９ａ、９ｂには、その中心部が本支管３内の
軸心に略一致して移動できるとともに、軸心廻りに回転
できるように転動体が取付けられており、連結部材１１
の一端にはデータ処理ユニット１２が取付けられてい
る。受信器１０には、可撓性を有しかつ座屈及び捩り剛
性が大きく、受信器を押込み装入できるセット部材、例
えば炭素繊維製ワイヤ１３が接続されている。受信器１
０は、掘削ヘッド７先端の本支管３到達予定箇所近傍に
送出されて位置決めされる。

【００２５】掘削ヘッド７には、発信コイル１８の軸心
が掘削ヘッド軸心に略一致するように装着されており、
掘削機６によって推進制御される。発信コイル１８から
の磁界Ｗを２つのコイルユニット９ａ、９ｂで受信し、
掘削ヘッド７の位置と方向を規定するための所定の座標
系における掘削ヘッド７の位置および方向が算出される
ので、掘削ヘッド７の先端が到達すべき予定箇所に対し
て、現在の位置および方向を求めることができる。この
情報をもとに、掘削ヘッド７先端が本支管の供給管接続
予定箇所へ向くように、かつ軸心に向うようにするため
の掘削機６の操作情報がモニター１４に表示され、オペ
レータはこれを見ながら掘削機６を操作することができ
る。

【００２６】

【実施例２】受信器を本支管３内には装着しない例を図
７に示す。本実施例は、受信器１０を、本支管３に達す
るように開けた小孔１５を通して本支管３の外周上面に
接して配置したもので、受信器１０を本支管３内に装入
できるような場所が供給管接続箇所から遠い場合や、本
支管３が複雑に屈曲しているような場合に適用するとよ
い。なお、データ処理ユニット１２は、受信器と電気的
に接続されておればよく、地表に設置している。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は次の効果
を有している。１）発信コイルと受信コイルの位置関係で規定される受
信コイルの理論起電力をもとにして、受信コイルと発信
コイルの位置関係を求めるので、発信コイルと受信コイ
ルの相対的な位置と姿勢が変わっても、その時々の発信
コイルの位置と姿勢を精度高く測定することができる。２）掘削到達予定箇所と受信コイルの位置を規定すると
ともに掘削体先端部と発信コイルの位置を規定すること
により、掘削到達予定箇所に対する掘削体先端部の位置
関係を迅速に知ることができる。３）受信コイルの配設の自由度は高いので、地表面を広
範囲に或いは長時間に渡って占有する必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による地中内の掘削状況を示す模式図

【図２】本支管から分岐して家屋側に敷設された供給管
の模式図

【図３】本発明で使用する掘削体の一例を示す図

【図４】実施例１における受信器の設置状況を示す平面
図

【図５】データ処理ユニットの電気回路構成の一例を示
す図

【図６】受信器側の２つのコイルユニットと発信コイル
の位置関係を示す図

【図７】実施例２における受信器の設置状況を示す側面
図

【符号の説明】

１供給管、３本支管、５掘削ロッド、７
掘削ヘッド、８発信器、９コイルユニット、１
０受信器、１１連結部材、１２データ処理ユニ
ット、１３セット部材、１８発信コイル、１９
受信コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｅ２１Ｄ 9/06 ３１１Ｅ２１Ｄ 9/06 ３１１ＤＦターム(参考） 2D054 AA01 AA04 AC18 EA09 GA19 GA42 GA62 GA65 GA84 GA92 2F063 AA04 AA37 BA17 BC04 BD01 DA01 DA05 DD03 DD06 GA03 KA01 LA12 LA18 LA21 LA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】掘削体先端部の所定箇所に設けた発信コ
イルから交流磁界を発生させ、複数の受信コイルに励起
される電圧値を測定し、受信コイルと発信コイルの位置
関係をもとに計算される受信コイルの理論電圧値との誤
差が極小となる受信コイルと発信コイルの位置関係を算
出し、掘削体先端部の位置と姿勢を求めることを特徴と
する掘削体の位置探査方法。
【請求項２】受信コイルは、中心位置又は方向が異な
り、互いに位置関係が規定された少なくとも６個を用
い、理論電圧値は、受信コイルと発信コイルの位置関係
を表す変数を有する少なくとも６個の数式をもとに計算
される請求項１記載の掘削体の位置探査方法。
【請求項３】受信コイルは、中心位置又は方向が異な
り、互いに位置関係が規定された少なくとも６個を用
い、各受信コイルと位置関係が規定された任意の座標系
を設定し、該座標系において、発信コイルの位置関係を
算出し、掘削体先端部の位置と姿勢を求めることを特徴
とする請求項１又は２記載の掘削体の位置探査方法。
【請求項４】掘削体先端部に設けた発信コイルと、中
心位置又は軸方向が異なる少なくとも６個の受信コイル
を有し掘削体先端部到達予定箇所近傍に配置される受信
器と、各受信コイルからの測定電圧が入力され、受信コ
イルと発信コイルの位置関係をもとに計算される受信コ
イルの理論電圧値との誤差が極小になる受信コイルと発
信コイルの位置関係を算出する処理手段を備えた制御装
置とを有することを特徴とする掘削体の位置探査装置。
【請求項５】受信器は、直交３軸座標系の軸方向に配
設され原点に中心を一致させた３つの受信コイルからな
る直交３軸コイルユニットが、少なくとも２セット、相
互位置関係を規定して配設されている請求項４記載の掘
削体の位置探査装置。