JP2003227718A - 推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測装置、計測方法、推進軌跡管理装置及び推進軌跡管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 推進距離が長くなった場合においても、推進
軌跡の全体を把握しつつ推進作業を行うことができると
ともに、シールド掘進機の姿勢を精度高く計測してシー
ルド掘進機の制御操作を行うことができる。 【解決手段】 シールド掘進機１と埋設管７との間に接
続される１又は２以上の計測管２〜６と、上記シールド
掘進機及び各計測管の間の隣接角度偏位を計測できる角
度偏位計測手段Ｃ₁ 〜Ｃ₅ と、上記シールド掘進機及び
上記計測管の推進起点からの推進距離を計測できる推進
距離計測手段１７と、少なくとも最後尾の計測管に設け
られるとともに、水平面に対する角度姿勢を計測できる
角度姿勢計測手段Ｇと、上記各計測手段の出力から、上
記推進軌跡及び上記推進姿勢を算出する演算装置１６
と、上記演算装置から出力される推進軌跡情報及び推進
姿勢情報を表示する表示装置及び／又は出力する出力装
置とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、推進シールド工
法における推進軌跡及び推進姿勢の計測装置等に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】地中に上下水道管等を敷設する場合、シ
ールド掘進機によって地中を掘削しながらシールド掘進
機に接続した埋設管を推し進めて敷設する推進シールド
工法が採用されることが多い。上記推進シールド工法に
おいて、埋設管を計画位置に正確に埋設するには、地中
を掘削するシールド掘進機の推進軌跡及び推進姿勢を管
理する必要がある。

【０００３】特に、人が直接推進軌跡や推進姿勢を計測
できない小径の管路を敷設する場合、シールド掘進機の
推進軌跡及び推進姿勢をリアルタイムに把握できない
と、計画した経路に沿って管路を設けることができな
い。

【０００４】

【特許文献１】特開平８−３３８７２１号

【特許文献２】特開２０００−１９３４１４号

【０００５】特許文献１に記載されたシールド掘進機の
姿勢計測装置は、シールド掘進機の後方に接続した複数
の誘導管に、各誘導管の間の折れ角を検出するストロー
クセンサと、シールド掘進機の推進高さを検出する液圧
差検出システムと、シールド掘進機のローリング及びピ
ッチングを検出する傾斜計と、シールド掘進機の起点か
らの累積推進距離を検出する距離計と、上記各センサ等
で検出された出力からシールド掘進機の姿勢を演算する
コンピュータシステムとを備えて構成されている。上記
姿勢計測装置からの計測結果に基づいて、シールド掘進
機の姿勢を制御し、計画した推進軌跡に沿うように管路
を敷設する。

【０００６】特許文献２に記載された位置検出装置は、
隣接する推進管に拡散光源と、この光源から照射される
拡散光を受光して上記光源との相対位置を検出する位置
検出素子とを設け、各推進管の位置関係を求めてシール
ド掘進機の姿勢等を制御するように構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記特許文献１に記載
されている姿勢計測装置は、シールド掘進機の姿勢を計
測することによりシールド掘進機の方向制御を行うが、
推進軌跡の全体を把握してシールド掘進機の制御を行う
ことができない。また、シールド掘進機に接続された各
埋設管の位置、姿勢等をリアルタイムに把握することも
困難である。このため、シールド掘進機を的確に制御し
て操作を行うことができない。また、計画軌跡に対する
ずれ（偏位量）を定量的に把握できないため、ずれに対
する修正動作をシールド掘進機に的確に指示することも
困難である。

【０００８】また、シールド掘進機の姿勢は、シールド
掘進機に設けた傾斜計によってローリング及びピッチン
グの計測が行われる。ところが、上記シールド掘進機に
は推進にともなう大きな振動が生じているばかりでな
く、推進力の作用の仕方によっては、シールド掘進機自
体が進行方向に向かって傾斜した状態で推進作業が行わ
れている場合も考えられる。このため、シールド掘進機
に設けたセンサ出力から得られる推進姿勢情報を用いて
シールド掘進機を制御すると、長い経路を推進する場合
に累積誤差が大きくなって、推進軌跡を精度高く計測す
ることができない。

【０００９】上記特許文献２に記載されている位置計測
装置は、計測基点を発進立坑に設定するとともに、この
計測基点らシールド掘進機までの間のすべての軌跡を光
学的に計測するものである。したがって、原理的には各
推進管の推進基点を原点とする基準座標位置及び姿勢を
正確に計測することができる。しかしながら、推進距離
が長くなると中継計測点が多くなり、装置及び演算処理
が複雑になる。また、一つの光源あるいは位置検出素子
が故障したり、計測精度が低下すると、正確な推進軌跡
を計測できなくなって計測誤差が増大するといった問題
がある。

【００１０】本願発明は、上述の事情のもとで考え出さ
れたものであって、上記従来の問題を解決し、推進距離
が長くなった場合においても、推進軌跡の全体を把握し
つつ推進作業を行うことができるとともに、シールド掘
進機の姿勢を精度高く計測してシールド掘進機の制御操
作を行うことができる、推進シールド工法における推進
軌跡及び推進姿勢の計測装置、計測方法、シールド掘進
機の軌跡管理装置及び軌跡管理方法を提供することをそ
の課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記改題を解決するた
め、本願発明では次の技術的手段を講じている。

【００１２】本願の請求項１に記載した発明は、シール
ド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路
を敷設する推進シールド工法における推進軌跡及び推進
姿勢の計測装置であって、上記シールド掘進機と埋設管
との間に接続される１又は２以上の計測管と、上記シー
ルド掘進機及び各計測管の間の隣接角度偏位を計測でき
る角度偏位計測手段と、上記シールド掘進機及び上記計
測管の推進起点からの推進距離を計測できる推進距離計
測手段と、少なくとも最後尾の計測管に設けられるとと
もに、水平面に対する角度姿勢を計測できる角度姿勢計
測手段と、上記各計測手段の出力から、上記推進軌跡及
び上記推進姿勢を算出する演算装置と、上記演算装置か
ら出力される推進軌跡情報及び推進姿勢情報を表示する
表示装置及び／又は出力する出力装置とを備えて構成さ
れる。

【００１３】上記推進シールド工法の具体的手法は特に
限定されることはなく、先端部に掘進機を設けてこれに
埋設管を接続し、上記埋設管列の最後尾を押圧しながら
地中等に配管を敷設する工法に広く適用できる。

【００１４】本願発明における上記計測管の数は特に限
定されることはないが、計測値を統計的に処理してより
正確な推進軌跡を求めるため、２以上の計測管を設ける
のが望ましい。また、いずれかの計測管の計測装置に障
害が発生した場合に対応するためには、３以上の計測管
を設けるのが望ましい。高い精度が要求される場合に
は、推進軌跡の全範囲に対応する計測管を接続してもよ
い。上記計測管は、上記シールド掘進機に続いて推進軌
跡を通過するとともに、より後方を推進する計測管にお
いては、振動等が少なくまた姿勢も安定しているため、
高い精度で推進軌跡等を計測することができる。

【００１５】上記角度偏位検出手段は、隣接するシール
ド掘進機及び計測管の相対角度偏位、あるいは相対座標
変化を検出できるものであれば種々のセンサ等を採用で
きる。たとえば、請求項２に記載した発明のように、上
記角度偏位計測手段を、隣接するシールド掘進機又は各
計測管の一方に配置される投光ユニットと、他方に配置
されて上記投光ユニットから照射される光を受光する受
光ユニットとを備えて構成される光学式２次元座標検出
センサを採用することができる。上記２次元座標検出セ
ンサにおいて、投光ユニットから照射される光が受光ユ
ニットを照らす光の位置変化から、隣接するシールド掘
進機及び各計測管のそれぞれの相対角度変化を求めるこ
とができる。

【００１６】上記２次元座標検出センサの種類は特に限
定されることはない。たとえば、レーザー光を用いる２
次元座標検出センサを採用することもできる。また、上
記受光ユニットに用いるセンサも限定されることはな
く、たとえば、ＣＣＤ素子を利用した受光素子を採用で
きる。また、請求項３に記載した発明のように、上記角
度偏位計測手段を、一対の上記光学式２次元座標検出セ
ンサを、隣接する上記シールド掘進機及び各計測管のそ
れぞれの軸心に対して対称に配置して計測することがで
きる。一対の２次元座標検出センサを用いて角度偏位を
計測することにより、計測精度が高まるばかりでなく、
隣接する計測管の回転偏位（ローリング）を計測するこ
とができる。

【００１７】また、一対の光学式２次元座標検出センサ
を、隣接する上記シールド掘進機及び各計測管のそれぞ
れの軸心に対称に配置している。３次元空間に存在する
２点の中点座標は、その２点の各座標を平均することで
求めることができる。したがって、簡単な演算処理によ
って各管軸の座標変化、すなわち角度偏位を容易に求め
ることができる。

【００１８】上記光学式２次元座標検出センサの種類は
特に限定されることはないが、請求項４に記載した発明
のように、拡散光を照射できる投光ユニットを採用する
とともに、上記各投光ユニットと上記各受光ユニットの
間に、投光ユニットから受光ユニットに向けて照射され
る拡散光の投光範囲を制限する遮光板を設けるのが望ま
しい。拡散光を照射する投光ユニットを採用した場合、
計測管の管壁等で反射された光が上記受光ユニットに入
射しやすく、正確な座標位置を検出できない場合があ
る。一方、上記シールド掘進機及び各計測管の間の各隣
接角度偏位は非常に小さく、また、受光ユニットの受光
面も限られるため、照射範囲を限定しても問題が生じる
ことはない。

【００１９】上記遮光板の数は特に限定されることはな
いが、投光ユニット側と受光ユニット側に一対の遮光板
を設けるのが好ましい。

【００２０】また、請求項５に記載した発明のように、
上記角度偏位計測手段を、上記シールド掘進機及び上記
各計測管に設けた二次元ターゲットと、前方を推進する
シールド掘進機又は計測管の上記２次元ターゲットを撮
像して画像情報を出力できるＣＣＤ撮像手段と、後方を
推進する計測管に設けた上記２次元ターゲットを撮像し
て画像情報を出力するＣＣＤ撮像手段とを備えて構成す
ることができる。

【００２１】上記ＣＣＤ撮像手段は、デジタルカメラに
採用されている市販の撮像素子を利用できる。また、タ
ーゲットの全体を上記撮像手段に受像させるために、レ
ンズを組み合わせて撮像手段を構成できる。

【００２２】上記２次元ターゲットの形態は特に限定さ
れることはなく、撮像した画像の２次元の方向偏位と回
転角度偏位を検出できるものであれば、どのような形態
でも採用できる。たとえば、十字状や、矢印状の形態の
ターゲットは、２次元直交座標系におけるＸ及びＹ方向
の偏位を計測できるとともに、これら形状の図心回りの
回転角度偏位を検出できるため、本願発明に係るターゲ
ットとして採用できる。一方、たとえば、円形のターゲ
ットでは回転角度偏位を検出できないため、これら形態
のターゲットは本願発明のターゲットとして採用できな
い。すなわち、本願発明では、上記ターゲットを撮像し
て得られる図形を画像処理することにより、ターゲット
の二次元座標系の偏位と、回転偏位とを求めるものであ
る。なお、上記ターゲットは一体である必要はなく、複
数の部分が離間した形態のものを採用することもでき
る。

【００２３】また、各計測管内に前方のＣＣＤ撮像手段
によって撮像されるターゲットと、後方のＣＣＤ撮像手
段によって撮像されるターゲットを別途設けることもで
きるし、前後のＣＣＤ撮像手段によって撮像される一つ
のターゲットを設けることもできる。

【００２４】上記ターゲットを構成する材料も特に限定
されることはない。ＣＣＤ撮像手段の近傍から発せられ
る光を反射して撮像されるターゲットを設けることがで
きる。請求項６に記載した発明のように、上記ターゲッ
トを照らす光源を設けるとともに、上記２次元ターゲッ
トを光反射シートを備えて構成することができる。

【００２５】また、二次元形態を備える種々の面状発光
体を採用できる。さらに、ターゲットの形態を透光性の
ある部材で形成して、バックライトによって面状に発光
するように形成してもよい。

【００２６】さらに、ターゲットを発光体を配列して構
成することもできる。たとえば、請求項７に記載した発
明のように、上記各２次元ターゲットを、複数のＬＥＤ
発光体を配列して構成することができる。また、上記発
光体の光を前方及び後方に向けて照射できるように構成
し、前方及び後方のＣＣＤ撮像手段によって撮像できる
ように構成してもよい。

【００２７】本願発明では、隣接する各シールド掘進機
と埋設管との対向する角度を、双方向から計測するとと
もに、上記ターゲットと上記ＣＣＤ撮像手段との間の距
離から、シールド掘進機及び埋設管の相対的な角度偏位
を求め、基準点に対して推進軌跡の先端がどの方向を向
いて推進しているかを求めることができる。

【００２８】請求項５に係る上記演算装置は、各ターゲ
ットとこれを撮像する各ＣＣＤ撮像手段との間の距離
と、各ＣＣＤ撮像手段によって得られる各ターゲットの
画像偏位とから、上記隣接角度偏位を求める角度偏位算
出手段を備えて構成されている。

【００２９】すなわち、上記各ＣＣＤ撮像手段から出力
される画像情報をもとに、二次元画像解析によって、撮
像されたターゲット画像の二次元相対偏位と相対角度偏
位とを求め、基準点に対するシールド掘進機及び計測管
の推進軌跡及び姿勢を求めるように構成されている。ま
た、向き合うターゲットを双方向から撮像することによ
り、ターゲット画像の偏位が、管の屈曲偏位で生じたも
のか、あるいは埋設管の軸回りの回転によって生じたも
のであるかを判断できる。これにより、隣接するシール
ド掘進機あるいは埋設管の偏位を精度高く計測すること
が可能となる。これらシールド掘進機と埋設管の相対座
標偏位を、基準点に対する座標変換することにより、シ
ールド掘進機及び各計測管の位置と姿勢を精度高く求め
ることが可能となる。

【００３０】上記推進距離計測手段は、基準点から推進
させたシールド掘進機、計測管及び埋設管の累積推進距
離を計測できるものであればよく、一般的な距離計を採
用できる。たとえば、ロータリーエンコーダ等を利用し
て、推進を開始した埋設管の中間部位における累積推進
距離を計測できるように構成するのが望ましい。なお、
実際に計測するのは直線方向に推進する場合の距離であ
り、シールド掘進機、計測管及び埋設管の中心軸におけ
る実際の推進軌跡に対応する距離、すなわち角度偏位を
考慮した推進距離は、上述したシールド掘進機、各計測
管及び各埋設管の角度偏位を用いて演算により求められ
る。

【００３１】本願発明においては、少なくとも最後尾の
計測管に設けられるとともに、水平面に対する角度姿勢
を計測できる角度姿勢計測手段を設ける。これにより、
最後尾の計測管の水平面に対するローリング角度及びピ
ッチング角度を正確に求めることができる。

【００３２】最後尾の計測管は、シールド掘進機からの
振動等が伝わることも少なく、安定した姿勢を保持した
状態で推進が行われる。本願発明では、後述するよう
に、最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を基準として、
前方の計測管及び推進軌跡を求める。したがって、最後
尾の計測管の推進位置及び姿勢を精度高く求める必要が
ある。上記角度姿勢計測手段は、特に限定されることは
ないが、鉛直方向と水平方向の２軸の角度姿勢を地磁気
や地球の自転等の影響を受けることなく計測できるもの
を採用するのが望ましい。たとえば、直交２軸の傾斜角
度を内蔵の液面静電容量型傾斜計で計測して出力できる
２軸傾斜計を採用することができる。

【００３３】上記角度姿勢計測手段は、少なくとも最後
尾の計測管に設けることができる。計測精度を上げるた
めに各計測管にそれぞれ設けることもできる。なお、シ
ールド掘進機及び各計測管に上述した光学式２次元座標
検出センサを一つずつ設ける場合には、隣接するシール
ド掘進機及び計測管の軸心に沿う相対的なローリング偏
位を正確に計測することができない場合がある。このよ
うな場合には、シールド掘進機及び各計測管に、上記角
度姿勢計測手段を各々設けるのが望ましい。

【００３４】上記演算装置の種類も限定されることはな
い。汎用のコンピュータや専用の集積回路を用いたもの
を採用することができる。これら演算装置に、上記演算
を行うプログラムを書き込んで実行させる。

【００３５】さらに、本願発明では、上記シールド掘進
機の制御操作を容易に行えるように、上記演算装置から
出力される推進軌跡情報及び推進姿勢情報を表示する表
示装置及び／又は出力する出力装置装置を備える。上記
表示装置として、汎用コンピュータのディスプレイ装置
を採用できる。また、上記出力装置として、プリンタ装
置を採用できる。リアルタイムに計測を行うとともに、
シールド掘進機の制御操作を行うにはディスプレイ装置
を採用するのが望ましい。

【００３６】上記推進軌跡情報として、上記計測結果か
ら演算される推進軌跡や推進姿勢のみならず、計画され
た計画推進軌跡や計画推進姿勢をディスプレイ装置の画
面に同時に表示することもできる。これにより、シール
ド掘進機のそれまでに掘削した推進軌跡全体を考慮し
て、シールド掘進機の制御操作を行うことが可能とな
る。

【００３７】本願の請求項８に記載した発明は、上記演
算装置が、最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を基準と
して、前方を推進するシールド掘進機ないし計測管の推
進位置及び姿勢を各計測手段からの出力から演算する一
方、最後尾の計測管の推進位置及び推進姿勢を、前方を
推進する上記シールド掘進機及び計測管が上記推進位置
を通過する際に演算された上記位置情報及び姿勢情報を
統計的に処理して求めるように構成している。

【００３８】推進シールド工法においては、上記シール
ド掘進機が土中を掘削しながら、計画された軌跡にでき
るだけ沿うように推進作業が行われる。ところが、シー
ルド掘進機には振動や衝撃が発生しているため、その姿
勢が不安定になりやすい。また、シールド掘進機の振動
等が後続の計測管に伝わり、計測管に設けた計測手段が
必ずしも正確な計測値を出力するとは限らない。このた
め、シールド掘進機や計測管に設けた個々のセンサから
の出力のみで推進軌跡を演算してシールド掘進機を制御
操作すると、計画推進軌跡に沿う精度の高い施工は困難
である。また、いずれかの計測手段に障害が生じて使用
できなくなる場合も考えられる。

【００３９】最後尾の計測管は、シールド掘進機から最
も離れており、推進姿勢も安定している。一方、本願発
明では、隣接するシールド掘進機及び各計測管の角度偏
位は、上記角度偏位計測手段により精度高く求めること
ができる。また、最後尾の計測管に、上記角度姿勢計測
手段が設けられているため、水平面に対する角度偏位は
正確に求めることができる。したがって、これらの情報
に基づいて最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を正確に
求めることができれば、前方を推進するシールド掘進
機、各計測管の推進位置及び推進姿勢を正確に推定する
ことが可能となる。

【００４０】最後尾の計測管がこれから推進しようとす
る軌跡は、すでに他の計測管が通過しているはずである
から、原理的には同一になるはずである。ところが、軌
跡における位置が同一でも推進中に管軸回りの回転偏位
等が生じたり、推進姿勢等が変化することも考えられ
る。また、計測誤差も生じる。したがって、最後尾の推
進軌跡及び推進姿勢が、一つ前方を推進する計測管と同
一であるという仮定で推進位置を決定し、この位置を基
準として、それより前方の計測管等の推進軌跡及び推進
姿勢を演算すると正確な推進軌跡等を得られない。

【００４１】本願発明では、上記問題を解決するため、
最後尾の推進管の推進軌跡を決定するのに、この推進位
置を通過した際に出力された複数の計測管からの出力、
あるいはこれら計測値から演算した結果に統計的処理を
施し、より正確な最後尾の計測管の推進軌跡を求める。
そして、このようにして求められた推進軌跡及び推進姿
勢を基準として、前方のシールド掘進機ないし計測管の
推進位置及び姿勢を再演算する。推進基点を離れた最後
尾の計測管についてこの操作を繰り返すことにより、推
進軌跡を決定しながら埋設管を推進させるのである。

【００４２】上記統計的処理は、所定の推進位置を通過
した際の、シールド掘進機及び各計測管の推進位置情報
及び推進姿勢情報を、統計的に処理して求めることがで
きる。たとえば、各計測管が上記推進位置を通過したと
きのベクトルを非線形最小二乗法によって処理し、最後
尾の計測管が推進する軌跡を決定することができる。ま
た、各推進位置を決定するための情報が多数ある場合に
は、最大及び最小値を無視して演算を行うこともでき
る。しかも、最後尾の計測管に設けられた上記角度姿勢
計測手段の出力によって、計測管列のローリング、ピッ
チングを補正した推進姿勢を求めることができる。この
ようにして、推進基点を離れた最後尾の計測管の推進位
置及び推進姿勢を連続的に決定して推進軌跡を求め、こ
の最後尾の推進位置及び推進姿勢を基準として、前方の
シールド掘進機ないし計測管の推進位置及び姿勢を演算
することにより、従来にない精度でシールド掘進機の位
置及び姿勢を求めることが可能となる。

【００４３】推進軌跡を求める間隔は特に限定されるこ
とはない。所定の時間ごとあるいは推進距離ごとに演算
を行って求めることもできるし、計測間隔を短く設定し
て連続的に推進軌跡を求めることもできる。上記手法を
採用することにより、従来にない精度でシールド掘進機
の推進位置及び推進姿勢を求めることが可能となり、こ
れに基づいてシールド掘進機を制御操作することによ
り、推進軌跡の精度も大幅に高まる。しかも、複数の計
測値を統計的手法で処理して推進軌跡及び推進姿勢を求
めるため、いずれかのセンサが故障しても作業を継続す
ることができる。このため、信頼性が高い。

【００４４】本願の請求項９に記載した発明は、上記演
算装置と、上記推進軌跡情報及び推進姿勢情報を表示し
及び／又は出力する装置とが、計画された計画推進軌跡
又は／及び計画推進姿勢と、計測値から演算された推進
軌跡及び／又は推進姿勢とのずれを演算して表示するよ
うに構成されているものである。

【００４５】従来の計測装置は、実際の推進軌跡が計画
された推進軌跡からどの程度ずれているかをリアルタイ
ムに認識できず、シールド掘進機の姿勢情報のみからシ
ールド掘進機の制御操作を行うことが多かった。このた
め、推進作業を精度高く管理することが困難であった。

【００４６】本願発明では、計画推進軌跡及び／又は計
画推進姿勢とのずれをリアルタイムに認識しながら、シ
ールド掘進機の制御操作等を行える。したがって、精度
の高い推進作業を行えるだけでなく、シールド掘進機の
制御操作も容易になる。

【００４７】本願の請求項１０に記載した発明は、請求
項１から請求項９のいずれかに記載した計測装置と、上
記計測装置によって得られる情報に基づいて上記シール
ド掘進機の制御操作情報を演算して出力し及び／又は表
示する制御操作情報出力手段を備えて推進軌跡管理装置
を構成したものである。

【００４８】従来の推進シールド工法においては、シー
ルド掘進機の操作を行う者が、シールド掘進機の姿勢情
報等に基づいてシールド掘進機が計画軌跡に近接するよ
うに、シールド掘進機の制御操作を行っていた。また、
上記制御操作も、シールド掘進機の方向を変更するだけ
であり制御量等を指示することはなかった。このため、
作業者の感に頼ることも多く、操作を行うのに熟練を要
した。

【００４９】本願発明では、上記シールド掘進機の制御
操作情報を演算して出力し及び／又は表示する制御操作
情報出力手段を設けているため、シールド掘進機の操作
が極めて容易になり、制御操作に熟練を要することもな
い。また、シールド掘進機の操作を自動化することも可
能となる。

【００５０】たとえば、請求項１１に記載した発明のよ
うに、上記制御操作情報出力手段を、計画された計画推
進軌跡又は／及び計画推進姿勢と、計測推進軌跡及び／
又は計測推進姿勢とのずれに対応する補正操作を出力し
及び／又は表示するように構成できる。これにより、作
業者の感に頼ることなく、精度の高い推進作業を行うこ
とができる。

【００５１】本願の請求項１２から請求項１９に係る発
明は、推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢
の計測方法に係るものである。

【００５２】本願の請求項１２に記載した発明は、シー
ルド掘進機の後方に埋設管列を接続して、掘削しながら
管路を敷設する推進シールド工法における推進軌跡及び
推進姿勢の計測方法であって、上記シールド掘進機と埋
設管との間に１又は２以上の計測管を接続するととも
に、上記シールド掘進機及び各計測管の推進基点からの
推進距離出力と、隣接する上記シールド掘進機及び各計
測管の間の隣接角度偏位出力と、少なくとも最後尾の計
測管の水平面に対する角度偏位出力と、に基づいて上記
推進軌跡及び推進姿勢を求めるものである。

【００５３】本願の請求項１３に記載した発明は、最後
尾の計測管の推進位置及び推進姿勢を基準にして、上記
各計測情報から前方を推進するシールド掘進機及び各計
測管の推進位置及び推進姿勢を演算する一方、最後尾の
計測管の推進位置及び姿勢を、前方を推進するシールド
掘進機及び各計測管が上記推進位置を通過する際に演算
された上記推進位置情報及び推進姿勢情報を統計的に処
理して求めるものである。最後尾の計測管が推進基点を
離れた後、上記演算を繰り返して推進軌跡を決定してい
くのである。

【００５４】上記統計処理は、最後尾の計測管より前方
を推進するシールド掘進機及び計測管から収集した種々
のデータ及び処理方法を用いて行うことができる。

【００５５】たとえば、請求項１４に記載した発明のよ
うに、上記最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を、前方
を推進するシールド掘進機及び各計測管が上記推進位置
を通過する際に演算された推進位置情報及び推進姿勢情
報を非線形最小二乗法により処理して求めることができ
る。

【００５６】具体的には、最後尾の計測管が進行する方
向のベクトルを上記手法を用いて演算により求めること
ができる。上記手法により、最後尾の計測管における推
進ベクトルを推進基点から連続的に求めていき、推進軌
跡を決定していくのである。

【００５７】請求項１５に記載した発明は、所定の推進
間隔ごとに最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を求めて
推進軌跡を決定するとともに、この最後尾の計測管の推
進位置及び推進姿勢を基準として、前方を推進する掘進
機及び計測管の推進位置及び姿勢を求めるものである。

【００５８】計測を行って推進軌跡を求める上記間隔は
特に限定されることはない。時間的間隔ごとに、あるい
は推進距離間隔ごとに推進軌跡を求めることができる。
また

【００５９】請求項１６に記載した発明は、隣接する上
記シールド掘進機及び各計測管に投光ユニットと受光ユ
ニットとを備える２次元座標検出センサをそれぞれ設
け、これら２次元座標検出センサの出力から各隣接角度
偏位を求めるものである。

【００６０】請求項１７に記載した発明は、各隣接角度
偏位を、上記シールド掘進機及び上記各計測管のそれぞ
れの軸に対称に設けた一対の２次元座標検出センサの出
力から求めるものである。

【００６１】請求項１８に記載した発明は、上記シール
ド掘進機及び上記各計測管に設けた二次元ターゲット
を、前方を推進するシールド掘進機又は計測管に設けた
ＣＣＤ撮像手段と、後方を推進する計測管に設けたＣＣ
Ｄ撮像手段とによって撮像し、各ターゲットとこれを撮
像する各ＣＣＤ撮像手段との間の距離と、各ＣＣＤ撮像
手段によって得られる各ターゲットの画像偏位とから、
上記隣接角度偏位を求めるものである。

【００６２】請求項１９に記載した発明は、上記計測方
法によって得られる上記推進軌跡及び上記推進姿勢の計
画推進軌跡及び計画推進姿勢に対するずれを演算して表
示するものである。

【００６３】請求項２０に記載した発明は、請求項１２
から請求項１９に記載した計測方法によって得られた計
測情報に基づいて上記シールド掘進機の推進方向を指示
する制御情報を演算し、この制御情報を表示し及び／又
は上記シールド掘進機に出力してシールド掘進機の制御
を行う、シールド工法におけるシールド掘進機の軌跡管
理方法に関する。

【００６４】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態を図
に基づいて具体的に説明する。

【００６５】図１に、本願発明に係る計測方法が適用さ
れる推進シールド工法を行う装置の全体構成の概要を示
す。

【００６６】地中Ｅには、シールド掘進機１を先頭にし
て、５本の計測管２，３，４，５，６が列状に接続さ
れ、さらに、上記計測管２，３，４，５，６の後に埋設
管７，７……が接続される。上記シールド掘進機１及び
上記埋設管７は、従来から使用されている種々の掘進機
及び埋設管を採用することができる。

【００６７】上記シールド掘進機１には、先端にモータ
８によって駆動される掘削ヘッド９が設けられており、
上記掘削ヘッド９によって掘削された土砂は、地表から
図示しない注入パイプを介して注入される滑材と混合さ
れて泥水となり、排泥管１０及び泥水ポンプ１１を介し
て外部に設けた泥水処理装置１２に導かれて処理され
る。

【００６８】なお、符号１３を付した装置は滑材注入装
置である。また、符号１４を付した装置はシールド掘進
機、計測管及び埋設管を推進するための圧力を発生させ
る油圧ユニットである。また、符号１５を付した装置
は、泥水の量を計測する電磁流量計である。これら装置
は、従来の推進シールド工法に用いられるものを採用す
ることができる。

【００６９】上記シールド掘進機１及び計測管２，３，
４，５，６の内部に、推進にともなって変化する隣接角
度偏位をそれぞれ計測する角度偏位計測手段を設ける。
各角度偏位計測手段は、拡散光を投光できる投光ユニッ
トＡ1 〜Ａ5 ，ａ1 〜ａ5 と、投光された拡散光を受光
する受光ユニットＳ1 〜Ｓ5 ，ｓ1 〜ｓ5 とをそれぞれ
備える光学式２次元座標検出センサＣ₁ 〜Ｃ₅ ，ｃ₁ 〜
ｃ₅ を設けて構成されている。各投光ユニットと受光ユ
ニットは、隣接するシールド掘進機及び計測管に対向す
るように設置される。また、本実施の形態では、図２に
示すように、それぞれ一対の光学式２次元座標検出セン
サＣ1 〜Ｃ5 ，ｃ1 〜ｃ5 を設けて上記角度偏位検出手
段を構成し、隣接する管軸の角度偏位を検出する。

【００７０】図２に、図１に示す装置概要の平面図を示
す。なお、排泥管１０、配線Ｌは省略している。

【００７１】各投光ユニットＡ1 〜Ａ5 ，ａ1 〜ａ5
は、それぞれ後方に位置する受光ユニットＳ₁ 〜Ｓ₅ ，
ｓ₁ 〜ｓ₅ に向けてＬＥＤ拡散光を投光できるように配
置されている。図に示すように、それぞれの角度偏位検
出手段を構成する一対の２次元座標検出センサは、各管
軸に対称に配置されており、これら一対の受光ユニット
からそれぞれ出力される信号を処理ボードＢ1 〜Ｂ5 に
よって処理し、それぞれの管軸の隣接角度偏位を計測で
きるように構成している。

【００７２】上記光学式２次元座標検出センサＣ1 〜Ｃ
5 ，ｃ1 〜ｃ5 は、上記各投光ユニットＡ₁ 〜Ａ₅ ，ａ
₁ 〜ａ₅ の位置を、受光側から見たＸＹ座標値にてアナ
ログ出力し、上記処理ボードＢ₁ 〜Ｂ₅ において偏位を
検出する。上記投光ユニットに用いられる光源は、ＬＥ
Ｄ拡散光源が採用される一方、受光ユニットにはホトダ
イオードが採用されており、上記ホトダイオードの受光
領域の変化によって、入射角度データを求め、上記ＸＹ
座標値を得る。

【００７３】なお、採用されるセンサは、上記のものに
限定されることはなく、最終的に隣接するシールド掘進
機及び各計測管の角度偏位をを計測できる種々のセンサ
を採用できる。たとえば、拡散光ではなく、レーザー光
を用いた２次元座標検出装置であってもよい。また、リ
ンク機構等の機械的な構造で隣接する計測管の角度を検
出するように構成することもできる。

【００７４】最後尾の計測管に設置される上記傾斜計Ｇ
は、直交する２軸の傾斜角度を内蔵された液面静電容量
型傾斜計で計測できるように構成されており、実施の形
態では、管軸方向の傾斜（ピッチング）と、管軸回りの
傾斜（ローリング）を水平面に対して計測できるように
構成されている。

【００７５】一方、上記シールド掘進機、これに続く計
測管及び埋設管を送り出す油圧押出装置１８は、縦穴１
９内に設けられており、上記油圧ユニット１４で発生し
た油圧によって作動させられる油圧シリンダ装置２０を
備えて構成される。上記油圧シリンダ装置２０には、推
進距離計測手段として押出積算距離を計測できる距離セ
ンサ１７が設けられている。

【００７６】上記距離センサ１７として、種々の距離セ
ンサを採用できる。実施の形態では、上記シリンダ装置
の偏位量を電気抵抗値変化量に変換して距離を計測する
リニア型のポテンシオメータを採用している。この距離
センサ１７によって、上記シールド掘進機１の推進距離
をリアルタイムに計測することができる。なお、距離セ
ンサも実施の形態に限定されることはなく、種々の形式
のものを採用できる。

【００７７】上記処理ボードＢ₁ 〜Ｂ₅ 及び傾斜計Ｇの
信号出力は、配線Ｌを介して地表に設置した自動計測装
置１６に伝送できるように構成している。また、距離セ
ンサ１７の出力も上記自動計測装置１６に伝送される。

【００７８】上記自動計測装置１６は、演算装置と、上
記演算装置から出力される推進軌跡情報及び推進姿勢情
報を表示するディスプレイ装置を備えて構成されてい
る。上記演算装置は、上記各処理ボードＢ₁ 〜Ｂ₅ 、上
記傾斜計Ｇの信号出力及び距離センサ１７からの信号出
力から、シールド掘進機及び計測管の推進軌跡及び推進
姿勢を演算して、上記ディスプレイに表示する。

【００７９】図３は、隣接する計測管３と計測管４の内
部構造を示す拡大縦断面図である。本実施の形態では、
角度偏位計測手段Ｃ₃ ，ｃ₃ を構成する一対の投光ユニ
ットＡ3 ，ａ3 と一対の受光ユニットＳ3 ，ｓ3 とが、
管軸対称に設けられている。なお、図面では、一方の角
度偏位計測手段Ｃ3 のみ表示している。

【００８０】これら投光ユニットＡ₃ ，ａ₃ と受光ユニ
ットＳ₃ ，ｓ₃ との間に二枚の遮光板３１，３２がそれ
ぞれ設けられている。上記遮光板３１，３２は、薄い金
属板で形成されるとともに下部を弦で切欠いた円板状に
形成されている。図４に示すように、上記遮光板３１，
３２には、各投光ユニット及び受光ユニットを臨む小判
状の開口部３６，３７が形成されている。また、上記切
欠き部分と計測管の下方内面との間には、柔軟な樹脂シ
ートで分割ひだ状に形成された遮光カーテン３４，３５
を設けている。

【００８１】図３及び図４に示すように、上記遮光板３
１，３２を設けることによって、投光ユニットＡ3 ，ａ
3 から照射される拡散光は、上記開口部３６，３７を介
して受光ユニットＳ3 ，ｓ3 に入射させられる。これに
より、計測に必要な範囲の光のみを受光ユニットＳ₃ ，
ｓ₃ に入射させることができる。したがって、計測管の
内面等で反射した光が受光ユニットに入射することがな
くなり、精度の高い計測を行うことができる。

【００８２】各計測管には、推進にともなって生じる泥
等を排出する排泥管１０や信号線Ｌ等を設ける必要があ
る。本実施の形態では、上記分割したひだ状の遮光カー
テン３４，３５を設けているため、上記排泥管１０等の
配置や推進中の移動に柔軟性をもたせつつ、上記反射光
等が受光ユニットに入射するのを有効に防止できる。

【００８３】以下、本願発明に係る推進軌跡及び推進姿
勢の計測方法の原理を図に基づいて説明する。

【００８４】図２に示すように、シールド掘進機１を先
頭とした管列は、曲線状の軌跡を描いて推進させられて
おり、隣接する各シールド掘進機、計測管及び埋設管の
角度偏位が生じているのがわかる。

【００８５】図５に、推進基点Ｏを原点とする基準三次
元座標空間（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ₀ ）における管列の推進状
態を模式的に示す。この図において、Ｌ₁ 〜Ｌ₆ は、シ
ールド掘進機及び計測管の管軸方向長さ、Ｅ1 〜Ｅ6
は、シールド掘進機及び各計測管の推進ベクトル、Ｐ1
からちＰ6 は、シールド掘進機及び計測管の管軸の交点
を表している。各管に生じる管軸の３次元の角度偏位を
α₁ 〜α₅ で示す。

【００８６】図６に、計測管５と計測管６との間の３次
元の屈曲状態を模式的に示す。この図に示すように、計
測管５と計測管６とは、支点Ｒ₅ にて接触した状態で推
進していると考えられる。

【００８７】図７に計測管３と計測管４の各管軸と、支
点Ｒ5 を含む平面での偏位状態を示す。この図に示すよ
うに、計測管５と計測管６には、α₅ の角度偏位が生じ
ている。上記α5 は、上記一対の２次元座標検出センサ
によって検出された投光ユニットと受光ユニットの相対
座標変化に基づいて求められる。

【００８８】本実施の形態では、各２次元座標検出セン
サＣ1 〜Ｃ5 ，ｃ1 〜ｃ5 及び各処理ボードＢ₁ 〜Ｂ₅
からの出力によって、隣接するシールド掘進機及び各計
測管の間の各相対角度偏位α₁ 〜α₅ が検出される。一
方、最後尾の計測管６に設けた傾斜計Ｇから最後尾の計
測管６のローリング及びピッチングの角度偏位を求める
ことができる。

【００８９】上記２次元座標検出センサから求められる
角度偏位及び埋設管におけるセンサ位置等から、図７に
示す各管軸座標系の推進ベクトルｅｖ₅ を求めることが
できる。同様に、シールド掘進機１及び各計測管２〜５
の上記各推進ベクトルを求める。これにより、最後尾の
計測管６の推進基点を原点とする基準座標系の座標値及
び推進姿勢が求まれば、前方を推進するシールド掘進機
１及び計測管２〜５の基準座標系における推進位置及び
姿勢が求まる。

【００９０】図５から明らかなように、最後尾の計測管
が推進を開始するまでは、基点Ｏの座標（原点）と上記
各管軸系相対角度偏位から、シールド掘進機１及び各計
測管２〜６の推進位置及び姿勢を演算することができ
る。最後尾の計測管が基点Ｏを離れた後に、どのように
して最後尾の計測管６の推進位置及び推進姿勢を決定し
ていくかが問題となる。

【００９１】最後尾の計測管６の軌跡を求めるのに、前
方を推進する計測管５と同じ軌跡を推進すると仮定し
て、すなわち、最後尾の計測管６と一つ前方を推進する
計測管５の間の角度偏位が、最後尾の計測管が進行する
間変化しないと仮定して、最後尾の計測管６の推進ベク
トルないし軌跡を求めることができる。

【００９２】ところが、一つ前方を推進する計測管５
は、より前方を推進する計測管あるいはシールド掘進機
の影響によって角度偏位が生じることがある。また、最
後尾の計測管と直前の計測管との間の２次元座標検出セ
ンサの出力に誤差が生じることも考えられる。したがっ
て、最後尾の計測管と直前の計測管との間で検出された
角度偏位のみによって最後尾の計測管の推進姿勢及び推
進位置を求め、この値から前方のシールド掘進機ないし
計測管の推進位置及び姿勢を求めると、誤差が累積され
る恐れがあり、正確な推進軌跡を求めることができな
い。

【００９３】本願発明は、上記問題を解決するため、最
後尾の計測管６の推進位置及び推進姿勢を、前方を推進
するシールド掘進機１及び計測管２〜５が、最後尾の計
測管６が通過する位置において出力した複数の偏位デー
タを利用して求める。すなわち、過去に通過した地点に
おいて、シールド掘進機及び計測管から出力された複数
の角度偏位をもとに、最後尾の計測管の推進姿勢を演算
するのである。

【００９４】さらに、最後尾の計測管６に傾斜計を設け
ているため、ローリング及びピッチングに対する補正も
容易に行うことができる。上記各情報から、最後尾の計
測管６の推進位置及び姿勢を演算することにより、推進
基点Ｏを離れた最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を精
度高く推定することが可能となった。

【００９５】そして、上記のようにして求めた最後尾の
計測管６の推進軌跡及び姿勢に基づいて、前方の計測管
２〜５及びシールド掘進機１の推進位置及び姿勢を再演
算して求め、これを基にシールド掘進機１を計画推進軌
跡に沿うように制御して掘進作業を行う。

【００９６】なお、精度の高い推進軌跡を形成する必要
がある場合には、推進軌跡の全長に渡って計測管を推進
させるとともに、これら計測管を埋設管に置き換えるこ
とも考えられる。上述したように、最後尾の計測管の後
端部が起点Ｏ（座標原点）にある場合、シールド掘進機
及び計測管の隣接する角度偏位が求まれば、演算によっ
て掘進機１及び全ての計測管の推進位置及び姿勢が一義
的に決定されるからである。

【００９７】さらに、本実施の形態では、図８及び図９
に示すように、上記計測によって得られた推進軌跡Ｔ₁
と予め設定された計画軌跡Ｔ₂ とを対比して、上記自動
計測装置１６のディスプレイに表示できるように構成し
ている。

【００９８】図８では、計測された上記推進軌跡Ｔ1 と
上記計画軌跡Ｔ2 の水平面（ｘ−ｙ座標）に沿う全体形
状及び現在における推進位置を表示する一方、図９で
は、推進累積距離Ｄに対する上記推進軌跡Ｔ₁ の計測推
進軌跡、すなわち、管軸に沿う距離Ｄを横軸にとって、
深さ方向（ｚ方向）の推進軌跡を表している。これら表
示から、推進作業が目標点に対してどの程度まで進行し
ているかを一目で理解することができる。また、実際の
推進軌跡と計画軌跡のずれ（偏位量）を直観的に判断す
ることができる。これに基づいて、シールド掘進機を制
御操作することにより、より計画軌跡に沿った推進軌跡
を形成することができる。

【００９９】さらに、上記シールド掘進機１の制御操作
を確実に行うため、図１０及び図１１に示すように、シ
ールド掘進機、計測管及び埋設管の推進姿勢と、これら
の計画軌跡Ｔ2 に対するずれ（偏位量）δを数値で表示
できるように構成している。図１０には、推進軌跡Ｔ₂
の曲率半径方向のずれをδとして表示するとともに、Ｘ
軸及びＹ軸方向のずれδx ，δy に分解して表示してい
る。また、シールド掘進機１の現在の推進位置におい
て、シールド掘進機１の進行方向の計画軌跡方向からの
角度のずれθXYを表示している。

【０１００】図１１には、鉛直方向の推進軌跡及び推進
姿勢のずれδz を推進距離Ｄに対して表示している。な
お、上記表示の態様はこれら実施の形態に限定されるこ
とはなく、種々の表示形態を採用できる。

【０１０１】上記表示からシールド掘進機１の姿勢を正
確に把握できるとともに、シールド掘進機１の制御操作
を的確に行うことが可能となる。また、ずれの程度を表
示できるため、経験や感にたよることなく、シールド掘
進機１の制御操作を極めて容易に行うことができる。

【０１０２】以下、図１２及び図１３に基づいて、本実
施の形態に係るシールド推進工法における計測方法の手
順を具体的に説明する。

【０１０３】本願発明では、計測を連続的に行うことも
できるし、間欠的に行うこともできる。たとえば、１本
の埋設管の推進操作ごとに計測を行うこともできるし、
１本の埋設管を推進させている間の推進軌跡及び姿勢を
連続的にに計測することもできる。

【０１０４】本実施の形態では、シールド掘進機１及び
計測管２〜６のみを推進させる場合と、計測管に続いて
埋設管７を推進させる場合とに分けて説明する。

【０１０５】図１２に基づいて、シールド掘進機１及び
計測管２〜６のみを推進させる場合を説明する。

【０１０６】推進作業を始める場合、まず設計軌跡を読
み込む（Ｓ１０２）。そして、自動計測装置１６のディ
スプレイに設計軌跡を表示する（Ｓ１０５）。また、推
進させる掘削機１ないし各計測管２〜６のセンサ出力等
の初期設定を行う。具体的には推進起点（Ｏ点）位置の
各座標等を読み込む。推進工程途中である場合には、保
存データを読み込むことができる（Ｓ１０１，Ｓ１０
４）。なお、本実施の形態では、シールド掘進機１と５
台の計測管２〜６のみが推進している場合と、これに引
き続いて埋設管が推進している場合とを区別するため、
ｎが６より大きくなった場合に、計測管に引き続いて埋
設管を推進させるものとして演算を行う。

【０１０７】まず、ｎ＝１とおいて計測を開始する（Ｓ
１０６）。推進を開始後、推進作業にともなう各センサ
出力（角度偏位及び推進距離等）を取得して（Ｓ１０
８）、シールド掘進機ないし計測管の各管軸座標系の推
進ベクトル（図５のＥ₁ 〜Ｅ₆）を演算する（Ｓ１０
９）。なお、シールド掘進機１ないし計測管２〜６を推
進させる途中で保存した場合には（Ｓ１０７でＮ）、対
応する推進ベクトルの演算から開始する。

【０１０８】上記管軸座標系の推進ベクトルＥ1 〜Ｅ6
のままでは、推進位置情報を得ることができないため、
これらの推進ベクトルを、基準座標系の推進ベクトルに
変換する（Ｓ１１０）。実施の形態では、最後尾の計測
管６が原点に位置するため、原点における基準座標系ベ
クトルが確定している。したがって、これを基準に前方
を推進する各計測管及びシールド掘進機の基準座標系の
推進ベクトルを求めることができる。

【０１０９】次に、上記基準座標系ベクトルから、各計
測管及びシールド掘進機の推進位置及び姿勢を求める
（Ｓ１１１）。上記手順を最後尾の計測管６を推進させ
るまで繰り返す（Ｓ１１２，Ｓ１１３）。本実施の形態
では、シールド掘進機１及び計測管２〜６の推進軌跡を
決定した時点で推進軌跡及び推進姿勢を表示する（Ｓ１
１４，Ｓ１１５）。

【０１１０】次に、シールド掘進機１及び計測管２〜６
に引き続いて埋設管７を推進させる場合を、図１３に基
づいて説明する。

【０１１１】埋設管７，７…を推進させる場合にも、各
センサ出力を取得する（Ｓ２０１）。なお、上記各セン
サ出力には、最後尾の計測管６に設けた傾斜計Ｇの出力
が含まれる。そして、シールド掘進機１及び各計測管２
〜５の管軸座標系の推進ベクトルを演算する（Ｓ２０
２）。

【０１１２】この場合、推進基点にいずれかの計測管が
位置している場合には、上述したように、基準座標系の
推進ベクトルを容易に求めることができるが、埋設管が
推進しているため、最後尾の計測管６の推進位置が確定
できない。

【０１１３】そこで、本実施の形態では、最後尾の計測
管６の推進位置及び推進姿勢を、前方を推進するシール
ド掘進機１及び計測管２〜５の推進データを利用して決
定していく。すなわち、推進基点Ｏから離れようとする
最後尾の計測管６の推進位置及び推進姿勢を、前方を推
進するシールド掘進機１及び計測管２〜５の複数のデー
タを利用して決定する（Ｓ２０３）。

【０１１４】上記最後尾の計測管６の推進位置を求める
具体的手法として、最後尾の計測管６より前方を推進す
るシールド掘進機１及び計測管２〜５が、上記最後尾の
計測管位置にあったときの各管軸方向ベクトルを非線形
最小二乗法によって処理し、最後尾の計測管６の推進ベ
クトルを求める。そして、推進基点を離れた最後尾の計
測管の推進位置及び推進姿勢を上記推進ベクトルから求
める。そして、上記最後尾の計測管６の推進軌跡を確定
推進軌跡とする（Ｓ２０４）。上記手法を採用すること
により、埋設管を推進させる場合の推進軌跡の計測精度
が格段に高まる。

【０１１５】さらに、上記のようにして求めた確定推進
軌跡に計測管６が推進したものとして、そのときの最後
尾の推進位置及び推進姿勢を基準にして、演算により求
められたシールド掘進機１及び各計測管２〜５の推進ベ
クトルを基準座標系の推進ベクトルに変換する（Ｓ２０
５）。

【０１１６】最後尾の計測管６には、傾斜計が設けられ
ているため、ピッチング方向の角度偏位及びローリング
方向の角度偏位を正確に計測することができるため、こ
の値を上記演算に反映させて、シールド掘進機１及び計
測管２〜５の推進位置及び推進姿勢を求める（Ｓ２０
６）。

【０１１７】次に、上記シールド掘進機１の推進位置
と、計画推進軌跡及び姿勢のずれを演算する（Ｓ２０
７）。また、上記ずれを修正するための制御操作方向及
び制御量を演算する（Ｓ２０８）。

【０１１８】そして、上記推進軌跡及び制御操作量、軌
跡の計画軌跡からの偏位量、シールド掘進機の姿勢等を
ディスプレイに表示し（Ｓ２０９，２１０）、制御操作
を行う者が上記の表示情報からシールド掘進機１に制御
信号を送り、シールド掘進機の制御操作を行う。

【０１１９】上記計測演算された各データは各位置にお
けるデータとして保存され（Ｓ２１１）、目標点に到達
するまで（Ｓ２１２でＹ）、上記計測が連続的に繰り返
される（Ｓ２０１〜Ｓ２１２）。そして、シールド掘進
機１あるいは計測管２〜６が目標点に到達することによ
り、最終データを保存し（Ｓ２１３）計測作業が終了す
る。

【０１２０】図１４から図１９に、本願発明の第２の実
施の形態を示す。第２の実施の形態は、第１の実施の形
態に係る角度偏位計測手段を、二次元形状を備えるター
ゲットとＣＣＤ撮像素子とで構成したもののである。角
度偏位計測手段以外の部材及び装置は、上記第１の実施
の形態と同様であるので説明は省略する。

【０１２１】本実施の形態に係る角度偏位計測手段５１
は、シールド掘進機及び計測管にそれぞれ設けた二次元
ターゲット５２と、これら二次元ターゲットを前後に接
続したシールド掘進機又は計測管から撮像できるＣＣＤ
撮像素子５３とを備えて構成される。上記ＣＣＤ撮像素
子５３によって上記ターゲット５２の二次元形状を撮像
し、上記ターゲットの画像の偏位から、隣合う上記シー
ルド掘進機及び上記計測管の角度偏位を求めるものであ
る。

【０１２２】図１４に示すように、シールド掘進機に
は、二次元ターゲット５２と後方を向けたＣＣＤ撮像素
子５３が設置されている。また、最後尾に接続された計
測管には、二次元ターゲット５２と前方を向けたＣＣＤ
撮像素子５４とが設置されている。上記以外の中間部に
位置する各計測管には、二次元ターゲット５２と、前方
及び後方を向けた一対のＣＣＤ撮像素子５４，５３とが
設置されている。なお、図１４に示すターゲットは、理
解を容易にするため模式的に描いてある。

【０１２３】上記各撮像素子５３，５４は、図１６に示
すように、上記シールド掘進機１及び各計測管２〜６の
軸方向の所定位置に配置された基板５５に軸方向に向か
うように接合保持されている。上記基板５５は、上記Ｃ
ＣＤ撮像素子を保持する部分から上方に延出させられて
おり、この延出部に上記ターゲット５３が形成されてい
る。なお、本実施の形態に係る上記ターゲット５２は、
基板の上方に一つ形成されているが、ターゲットの数は
特に限定されることはない。

【０１２４】上記ターゲットは、内部にＬＥＤ発光素子
を配列して構成されており、各ターゲットは、前方と後
方に向けて光を放射し、対向するＣＣＤ撮像素子によっ
て撮像されるように構成されている。なお、掘進機に設
けたターゲットと、最後尾に接続された計測管のターゲ
ットは、一方向に向けて光を放射できるように構成すれ
ば足りる。

【０１２５】図１８に、ターゲットを撮像した画面の状
態を示す。画面中央部に撮像された画像６６ａは、図１
６に示すように、隣接する埋設管ないし計測管の軸が一
致した場合に撮像される画像である。すなわち、推進開
始時に、上記ターゲットが５２上記画面６８の原点Ｏに
位置するように、上記ターゲット５２及び上記ＣＣＤ撮
像素子５３，５４が調整されて推進が開始される。

【０１２６】図１７に示すように、上記掘進機及び計測
管が屈曲して推進すると、上記ターゲットの画像が、６
６ａの基準位置から６６ｂの位置まで偏位する。また、
偏位後の上記ターゲット画像６６ｂには、Ｚ軸に対して
角度偏位θが生じている。上記各画像は、自動計測装置
１６に出力され、画像処理プログラムによって、ターゲ
ット画像のＸ方向及びＹ方向の偏位ｘ，ｚと回転偏位θ
が自動的に求められるように構成されている。

【０１２７】本実施の形態では、図１４に示すように、
隣接する掘進機１及び計測管２〜６のターゲットを前後
から互いに撮像しあうように構成されている。また、各
ターゲット５２とこれを撮像するＣＣＤ撮像素子５３，
５４との間の距離が既知である。したがって、図１９に
示すように、隣接する掘進機及び計測管の相対角度偏位
上記画像の偏位から容易に求めることができる。

【０１２８】掘進機と計測管の相対角度偏位が求まるこ
とにより、第１の実施の形態と同様に、最後尾の計測管
の推進位置及び推進方向を基準として、上記各角度偏位
から、前方を推進する計測管及び掘進機の位置及び姿勢
を順次精度高く求め、先端を推進するシールド掘進機の
推進位置及び姿勢を求めることができる。

【０１２９】本願発明は上述の実施の形態に限定される
ことはない。実施の形態では、５台の計測管２〜６をシ
ールド掘進機１の後部に接続したが、１台あるいは６台
以上の計測管を接続することができる。また、また、推
進軌跡の全部に計測管を接続して精度の高い推進軌跡を
形成することもできる。

【０１３０】また、角度偏位計測手段として一対の光学
式２次元座標検出センサを用いて、シールド掘進機及び
計測管の角度偏位を求めた。これは、各計測管のローリ
ングを計測して反映させるためであるが、一つの光学式
２次元座標検出センサを管軸に沿って設けるとともに、
傾斜計を各計測管に設けて同様の計測を行うこともでき
る。

【０１３１】さらに、実施の形態では、最後尾の計測管
の推進位置を求めるために、前方を推進するシールド掘
進機及び計測管のデータを用いた例を示したが、前方を
推進する各計測管の推進位置及び推進姿勢を求めるため
に、それよれ前方を推進する計測管及びシールド掘進機
のデータを最小二乗法で処理して求めることができる。

【０１３２】また、第１の実施の形態では、軸対称に設
けた光学式２次元座標検出センサを採用したが、一対の
ＣＣＤ撮像素子を採用して、光源の位置を計測するよう
に構成することもできる。また、一対のＣＣＤ撮像素子
とこれらに撮像される一対の二次元ターゲットを設ける
こともできる。

【０１３３】また、ＣＣＤ撮像素子とターゲットを、隣
接する掘進機あるいは計測管の軸心に沿って配置する
と、一組のＣＣＤ撮像素子と二次元ターゲットによっ
て、隣接する掘進機及び計測管の角度偏位を計測するこ
とが可能となる。すなわち、ＣＣＤ撮像素子と二次元タ
ーゲットを軸心に配置することによって、上記画像の回
転偏位が掘進機及あるいは計測管の軸心回りの回転偏位
を表すことになる。このため、画像の直交座標系の偏位
と、ターゲットを撮像した画像の図心回りの回転偏位角
度を画像処理によって計測することにより、隣接する上
記掘進機及び上記計測管の角度偏位を精度高く求めるこ
とが可能となる。

【０１３４】

【発明の効果】本願発明においては、地磁気や地球の自
転によって影響をうけるセンサを用いることなく、推進
シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢を、リアル
タイムにしかも精度高く計測することができる。また、
シールド掘進機の推進軌跡及び推進姿勢を表示しながら
作業を行うことができる。さらに、計画軌跡に対する推
進軌跡のずれを認識しながら操作を行えるとともに、シ
ールド掘進機の姿勢を制御する情報を得ることもでき
る。このため、シールド掘進機の制御操作を極めて容易
に行えるとともに、精度の高い推進軌跡を形成すること
ができる。

【０１３５】また、複数の計測値から最後尾の計測管の
推進軌跡及び姿勢を求めるように構成しているため、計
測手段の一部が故障しても、推進作業を続行することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係る推進シールド工法を行うための
装置構成の概要を示す断面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】計測管の内部構造を示す縦断面図である。

【図４】図３におけるIV−IV線に沿う断面図である。

【図５】シールド掘進機及び計測管の３次元の推進状態
を模式的に表す図面である。

【図６】計測管５と計測管６の３次元の推進状態を模式
的に表す図面である。

【図７】図６に示した推進状態を管軸系座標で表した図
面である。

【図８】計測された推進軌跡と計画軌跡とを水平面にお
いて比較した表示態様を示す図である。

【図９】計測された推進軌跡と計画軌跡の深さ方向のず
れを、推進距離を横軸にとって比較した表示態様を示す
図である。

【図１０】シールド掘進機及び計測管の姿勢及び計画軌
跡からの水平面におけるずれの表示態様を示す図であ
る。

【図１１】シールド掘進機及び計測管の姿勢及び計画軌
跡からの深さ方向のずれを、推進距離を横軸にとって表
した表示態様を示す図である。

【図１２】本願発明に係る計測方法の手順を表すフロー
チャートである。

【図１３】本願発明に係る計測方法の手順を表すフロー
チャートである。

【図１４】本願発明に係る第２の実施の形態に係る装置
構成の概要を示す断面図である。

【図１５】ＣＣＤ撮像素子及びターゲットの状態を示す
図であり、図１４におけるXV−XV線に沿う断面図であ
る。

【図１６】掘進機及び計測管が一つの直線上を推進する
状態を模式的に表す断面図である。

【図１７】掘進機及び計測管に角度偏位が生じた状態を
模式好きに表す断面図である。

【図１８】ＣＣＤ撮像素子の画面の状態を表す図であ
る。

【図１９】掘進機及び計測管の角度偏位から、推進軌跡
及び推進姿勢をもとめる手法を説明する図である。

【符号の説明】

１ シールド掘進機 ７ 埋設管 １６ 自動計測装置（演算・表示装置） １７ 距離センサ（推進距離計測手段） Ｃ₁ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） Ｃ2 ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） Ｃ₃ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） Ｃ₄ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） Ｃ₅ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） ｃ1 ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） ｃ₂ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） ｃ₃ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） ｃ₄ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） ｃ₅ ２次元座標検出センサ（角度偏位計測手段） Ｇ 傾斜計（角度姿勢計測手段）

フロントページの続き (72)発明者 宮本 明佳 大阪府泉南市信達牧野973番地 株式会社 渡守建設内 Ｆターム(参考） 2D054 AA01 AA02 AC18 GA04 GA25 GA62 GA65 GA82 GA94

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機の後方に埋設管を接続し
   て、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法にお
   ける推進軌跡及び推進姿勢の計測装置であって、 上記シールド掘進機と埋設管との間に接続される１又は
   ２以上の計測管と、 上記シールド掘進機及び各計測管の間の隣接角度偏位を
   計測できる角度偏位計測手段と、 上記シールド掘進機及び上記計測管の推進起点からの推
   進距離を計測できる推進距離計測手段と、 少なくとも最後尾の計測管に設けられるとともに、水平
   面に対する角度姿勢を計測できる角度姿勢計測手段と、 上記各計測手段の出力から、上記推進軌跡及び上記推進
   姿勢を算出する演算装置と、 上記演算装置から出力される推進軌跡情報及び推進姿勢
   情報を表示する表示装置及び／又は出力する出力装置と
   を備える、推進シールド工法における推進軌跡及び推進
   姿勢の計測装置。
2. 【請求項２】 上記角度偏位計測手段は、隣接するシー
   ルド掘進機又は各計測管の一方に配置される投光ユニッ
   トと、他方に配置されて上記投光ユニットから照射され
   る光を受光する受光ユニットとを備える光学式２次元座
   標検出センサを設けて構成される、請求項１に記載の推
   進シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測装
   置。
3. 【請求項３】 上記角度偏位計測手段は、一対の上記光
   学式２次元座標検出センサを、隣接する上記シールド掘
   進機及び各計測管のそれぞれの軸心に対して対称に配置
   して構成される、請求項２に記載の推進シールド工法に
   おける推進軌跡及び推進姿勢の計測装置。
4. 【請求項４】 拡散光を照射できる投光ユニットを採用
   するとともに、上記各投光ユニットと上記各受光ユニッ
   トの間に、投光ユニットから受光ユニットに向けて照射
   される拡散光の投光範囲を制限する遮光板を設けた、請
   求項２又は請求項３に記載の推進シールド工法における
   推進軌跡及び推進姿勢の計測装置。
5. 【請求項５】 上記角度偏位計測手段は、上記シールド
   掘進機及び上記各計測管に設けた二次元ターゲットと、
   前方を推進するシールド掘進機又は計測管の上記２次元
   ターゲットを撮像して画像情報を出力できるＣＣＤ撮像
   手段と、後方を推進する計測管に設けた上記２次元ター
   ゲットを撮像して画像情報を出力するＣＣＤ撮像手段と
   を備えるとともに、 上記演算装置は、各ターゲットとこれを撮像する各ＣＣ
   Ｄ撮像手段との間の距離と、各ＣＣＤ撮像手段によって
   得られる各ターゲットの画像偏位とから、上記隣接角度
   偏位を求める角度偏位算出手段を備えて構成されてい
   る、請求項１に記載の推進シールド工法における推進軌
   跡及び推進姿勢の計測装置。
6. 【請求項６】 上記ターゲットを照らす光源を設けると
   ともに、上記２次元ターゲットを光反射シートを備えて
   構成した、請求項５に記載の推進シールド工法における
   推進軌跡及び推進姿勢の計測装置。
7. 【請求項７】 上記各２次元ターゲットは、複数のＬＥ
   Ｄ発光体を配列して構成されている、請求項５に記載の
   推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測
   装置。
8. 【請求項８】上記演算装置は、最後尾の計測管の推進位
   置及び姿勢を基準として、前方を推進するシールド掘進
   機ないし計測管の推進位置及び姿勢を各計測手段からの
   出力から演算する一方、 最後尾の計測管の推進位置及び推進姿勢を、前方を推進
   する上記シールド掘進機及び計測管が上記推進位置を通
   過する際に演算された上記位置情報及び姿勢情報を統計
   的に処理して求めるように構成されている、請求項１か
   ら請求項７に記載の推進シールド工法における推進軌跡
   及び推進姿勢の計測装置。
9. 【請求項９】 上記演算装置と、上記推進軌跡情報及び
   推進姿勢情報を表示する表示装置及び／又は出力する出
   力装置とが、計画された計画推進軌跡又は／及び計画推
   進姿勢と、計測値から演算された推進軌跡及び／又は推
   進姿勢とのずれを演算して表示するように構成されてい
   る、請求項１から請求項８のいずれかに記載の推進シー
   ルド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測装置。
10. 【請求項１０】 請求項１から請求項９のいずれかに記
    載した計測装置と、 上記計測装置によって得られる情報に基づいて上記シー
    ルド掘進機の制御操作情報を演算して出力し及び／又は
    表示する制御操作情報出力手段を備える、推進軌跡管理
    装置。
11. 【請求項１１】 上記制御操作情報出力手段が、計画さ
    れた計画推進軌跡又は／及び計画推進姿勢と、計測推進
    軌跡及び／又は計測推進姿勢とのずれに対応する補正操
    作を出力し及び／又は表示する、請求項１０に記載の推
    進軌跡管理装置。
12. 【請求項１２】 シールド掘進機の後方に埋設管列を接
    続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法
    における推進軌跡及び推進姿勢の計測方法であって、 上記シールド掘進機と埋設管との間に１又は２以上の計
    測管を接続するとともに、 上記シールド掘進機及び各計測管の推進基点からの推進
    距離と、隣接する上記シールド掘進機及び各計測管の間
    の隣接角度偏位と、少なくとも最後尾の計測管の水平面
    に対する角度偏位とを計測し、 これら各計測値に基づいて上記推進軌跡及び推進姿勢を
    求める、推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿
    勢の計測方法。
13. 【請求項１３】 最後尾の計測管の推進位置及び推進姿
    勢を基準にして、上記各計測情報から前方を推進するシ
    ールド掘進機及び各計測管の推進位置及び推進姿勢を演
    算する一方、 最後尾の計測管の推進位置及び姿勢を、前方を推進する
    シールド掘進機及び各計測管が上記推進位置を通過する
    際に演算された上記推進位置情報及び推進姿勢情報を統
    計的に処理して求める、請求項１２に記載の推進シール
    ド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測方法。
14. 【請求項１４】 上記最後尾の計測管の推進位置及び姿
    勢を、前方を推進するシールド掘進機及び各計測管が上
    記推進位置を通過する際に演算された推進位置情報及び
    推進姿勢情報を非線形最小二乗法により処理して求め
    る、請求項１２又は請求項１３のいずれかに記載の推進
    シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測方
    法。
15. 【請求項１５】 所定の推進距離ごとに最後尾の計測管
    の推進位置及び姿勢を求めて推進軌跡を決定するととも
    に、この最後尾の計測管の推進位置及び推進姿勢を基準
    として、前方を推進する掘進機及び計測管の推進位置及
    び姿勢を求める、請求項１２から請求項１４のいずれか
    に記載の推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿
    勢の計測方法。
16. 【請求項１６】 隣接する上記シールド掘進機及び各計
    測管に投光ユニットと受光ユニットとを備える２次元座
    標検出センサをそれぞれ設け、 これら２次元座標検出センサの出力から各隣接角度偏位
    を求める、請求項１２から請求項１５のいずれかに記載
    の推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計
    測方法。
17. 【請求項１７】 各隣接角度偏位を、上記シールド掘進
    機及び上記各計測管のそれぞれの軸に対称に設けた一対
    の２次元座標検出センサの出力から求める、請求項１６
    に記載の推進シールド工法における推進軌跡及び推進姿
    勢の計測方法。
18. 【請求項１８】 上記シールド掘進機及び上記各計測管
    に設けた二次元ターゲットを、前方を推進するシールド
    掘進機又は計測管に設けたＣＣＤ撮像手段と、後方を推
    進する計測管に設けたＣＣＤ撮像手段とによって撮像
    し、 各ターゲットとこれを撮像する各ＣＣＤ撮像手段との間
    の距離と、各ＣＣＤ撮像手段によって得られる各ターゲ
    ットの画像偏位とから、上記隣接角度偏位を求める、請
    求項１２から請求項１５のいずれかに記載の推進シール
    ド工法における推進軌跡及び推進姿勢の計測方法。
19. 【請求項１９】 上記計測方法によって得られる上記推
    進軌跡及び上記推進姿勢の計画推進軌跡及び計画推進姿
    勢に対するずれを演算して表示する、請求項１２から請
    求項１８のいずれかに記載の推進シールド工法における
    推進軌跡及び推進姿勢の計測方法。
20. 【請求項２０】 請求項１２から請求項１９に記載した
    計測方法によって得られた計測情報に基づいて上記シー
    ルド掘進機の推進方向を指示する制御情報を演算し、こ
    の制御情報を表示し及び／又は上記シールド掘進機に出
    力してシールド掘進機の制御を行う、推進シールド工法
    におけるシールド掘進機の軌跡管理方法。