JP2926010B2 - 曲線トンネルの測量方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機に
よって屈曲計画線上に曲線トンネルを掘進して行くに際
して、屈曲計画線に沿ってトンネル掘削機を正確に掘進
させることができる曲線トンネルの測量方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】トンネルを掘削する場合、計画線上に沿
って正確にトンネル掘削機を推進させる必要があり、そ
のため、従来からトンネル掘削機内の中心部にターゲッ
トを取付ける一方、該掘削機後方のトンネル内にレーザ
光発振装置を設置してこの装置からの集束光線をトンネ
ル掘削計画線に合致させ、上記ターゲットに照射してそ
の照射点に対するターゲット中心の偏位量、即ち、掘削
機の偏位量を検出し、ターゲットの中心が集束光線と合
致するようにトンネル掘削機の方向制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法によれば、直線トンネルの掘進に適用して計
画直線に対する掘削機の偏位量を連続的に測定できて
も、曲線トンネルの掘進時には、一定長さ、例えば１ｍ
掘進する毎に屈曲計画線に対してトンネル掘削機の位置
がずれていないかどうかを測定しなければならない。ま
た、トンネル掘削機の現在の位置を測定することができ
ても、掘削機の掘進方向、即ち、その現在位置からトン
ネルを掘進させると、どの方向に進むのかを予知するこ
とができず、オペレータの経験と勘とで運転しているの
が現状であり、精度のよいトンネルを円滑に掘進するこ
とが困難であった。本発明はこのような問題点を解消す
ることを目的とするもので、トンネル掘削機を現在位置
から一定距離だけ掘進させた場合に、その位置において
屈曲計画線からどの程度偏位しているのかを予め求める
ことができる曲線トンネルの測量方法を提供するもので
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による曲線トンネルの測量方法は、曲線トン
ネルの屈曲計画線に沿ってトンネル掘削機を掘進させる
際に、現在位置における屈曲計画線に対するトンネル掘
削機の偏位量と偏角を求め、この現在位置からトンネル
掘削機を上記偏角でもって一定距離掘進させた場合の予
測位置をトンネル掘削機の機軸線が屈曲計画線と交差す
る時にその機軸線と屈曲計画線との距離がトンネル施工
許容誤差になるときの屈曲計画線の弧長よりも短い前方
距離に設定し、その予測位置における屈曲計画線に対す
る偏位量を求めることを特徴とするものである。

【０００５】

【作用】トンネル掘削機の機軸線は直線であり、計画線
は曲線であるため、該機軸線をこの屈曲計画線に対して
交差させることができる。そして、トンネル掘削機を現
在位置から予測位置にまで掘進させる場合に、その現在
位置から予測位置までの距離を、トンネル掘削機の機軸
線が屈曲計画線と交差する時にその機軸線と屈曲計画線
との距離がトンネル施工許容誤差になるときの屈曲計画
線の弧長よりも短い前方距離に設定しているので、トン
ネル掘削機の現在位置からその位置における偏角でもっ
て予測位置まで掘進させても、その掘削距離の全長に亘
って屈曲計画線との偏位量が許容される最大誤差以内に
納めることができ、さらに、その予測位置における屈曲
計画線に対する偏位量を求めるので、現在位置における
曲線計画線との偏位量との差を比較することができる。
従って、その差が大きい場合には現在位置においてトン
ネル掘削機の偏角を上記差が小さくなる方向に制御して
屈曲計画線に沿った正確な曲線トンネルを掘進すること
ができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面について説
明すると、トンネル掘削機１には図１に示すように、そ
の機軸線Ｂ上における機内後部に測定器２を一体的に配
設してある。この測定器２は、図２に示すように、一枚
の凸レンズ３と、該凸レンズ３の前方に順次配設された
第１、第２のターゲット４、５とからなり、これらのレ
ンズ３とターゲット４、５の中心をトンネル掘削機１の
機軸線Ｂ上に位置させ、且つ最前方側の第２ターゲット
５を凸レンズ３の焦点に配設してある。

【０００７】トンネル掘削機１は通常、その重心点、即
ち、方向修正時における回転中心が該掘削機１の前端機
軸線上に位置しており、この点がトンネル計画線Ａに対
するトンネル掘削機１の位置の被測点Ｃとなる。今、ト
ンネル掘削機１の現在位置における該掘削機の方向、即
ち機軸線Ｂがトンネル計画線Ａに対してαだけ傾斜して
おり、且つトンネル掘削機１が被測点Ｃで偏位していな
い場合において、トンネル掘削機１の後方にレーザ光線
等の集束光線照射器６を設置し、該照射器６から計画線
Ａに一致させて集束光線Ｄを照射すると、該集束光線Ｄ
は凸レンズ３によって屈折して第１、第２ターゲット
４、５に照射する。なお、これらのターゲット４、５は
多数の光電素子からなるポジションセンサーヘッドに構
成されていて、その照射点の位置をコンピュータに入力
するようになっている。

【０００８】この時、第２のターゲット５は凸レンズ３
の焦点位置にあるので、凸レンズ３の光軸と平行に集束
光線Ｄが入射すれば、その光線は全て該ターゲット５の
中心に集まるが、上記のように、トンネル計画線Ａ上を
照射する集束光線Ｄは機軸線Ｂに対して角度αだけ傾斜
しているので、その入射光線は凸レンズ３の焦点距離を
ｆとすると、ｆtan αだけ該ターゲット５の中心から隔
たった点に集まり、トンネル掘削機１の偏角αを求める
ことができる。

【０００９】また、凸レンズ３を介して屈折した集束光
線Ｄと凸レンズ３の光軸との交差点をＥ、凸レンズ３と
被測点Ｃとの距離をｇ、第１、第２ターゲット４、５間
の距離をＸとすれば、Ｘ＝ｆ² ／（ｆ＋ｇ）となり、こ
のＥ点上に第１ターゲット４を配置しておくと、トンネ
ル掘削機１の被測点Ｃが計画線ＡからＳだけ偏位した場
合、その偏位量Ｓは、第１ターゲット４の中心からＳ・
ｆ／（ｆ＋ｇ）だけ隔たった距離Ｍに縮小して表される
ことになる。

【００１０】上記偏位量Ｓおよび偏角αを求めるための
第１、第２ターゲット４、５に照射する点は、機軸線Ｂ
に相当する位置（ターゲットの中心）から上下左右にず
れた位置で電気信号が発せられ、コンピュータに入力さ
れ、現在位置における計画線Ａに対するトンネル掘削機
１の水平方向並びに鉛直方向の偏位量と偏角をコンピュ
ータにより演算して予め該コンピュータに記憶させてい
る計画線Ａと対比させ、トンネル掘削機１を計画線Ａに
自動方向修正させる。

【００１１】このような測量手段を備えたトンネル掘削
機１によって直線トンネルを掘削する場合には、上述し
たように、トンネル掘削機１の後方トンネル内に集束光
線照射器６を設置し、該照射器６から計画線Ａに一致さ
せて集束光線Ｄを照射することにより第１ターゲット４
の中心に対する上記距離Ｍから偏位量を測定し、照射点
が第１ターゲット４の中心に一致している場合には、ト
ンネル掘削機１は計画線Ａ上を掘進しているものであ
り、照射点が該ターゲット中心から偏位している場合に
は、その偏位が減少する方向にトンネル掘削機１を方向
制御しながら掘進するものである。

【００１２】上記測量方法は、集束光線Ｄを常に計画線
Ａ上に照射させておくものであるから、曲線トンネルの
掘削には適用することができない。従って、曲線トンネ
ルの掘削には次に述べるような測量方法を実施しながら
行うものである。

【００１３】まず、上記したように、計画直線に沿って
直線トンネルを掘削し、次いで掘削計画線Ａが曲線とな
る位置に達すると、図３、図４に示すように、上記位置
で集束光線Ｄを直線トンネル中心線上に照射しながら、
トンネル掘削機１をその屈曲計画線Ａの方向に向けて掘
進する。そうすると、測定器２の中心に向けて照射して
いた集束光線Ｄの照射点がトンネル掘削機１の屈折、掘
進に従って、測定器２の凸レンズ３の中心から離間する
方向に移動する。

【００１４】この時の直線トンネルからの掘進長Ｌを測
定すると共に、上記同様にして集束光線Ｄと第１ターゲ
ット４の中心との距離Ｍから偏位量Ｓを求めると共に、
コンピュータに記憶させている屈曲計画線Ａの掘進長Ｌ
における位置と第１ターゲット４に対する照射点Ｆとの
間の偏位量Ｒを求め、これらの両偏位量の差から屈曲計
画線Ａに対するトンネル掘削機１の被測点Ｃにおける偏
位量Ｔを演算によって求める。同様に、トンネル掘削機
１の偏角も上記のようにして求める。

【００１５】このようなトンネル掘削機１の偏位量と偏
角を所望トンネル長さの掘進毎に求めながらトンネル掘
削機１を計画線Ａに沿って掘進させる。その掘進に従っ
て、測定器２の凸レンズ３に対する集束光線Ｄの照射は
徐々に該凸レンズ３の一端部側に移動し、凸レンズ３か
ら外れると測量不能となるので、集束光線Ｄの凸レンズ
３に対する照射が凸レンズ３の有効径の一端部に達した
時にトンネル掘削機１の掘進を停止させる。

【００１６】次いで、屈曲計画線Ａに沿って掘削機１に
より曲線トンネルを掘削する場合には、図５に示すよう
にその集束光線Ｄが屈曲計画線Ａの２点ｃ、ｄで交わり
且つ測定器２の凸レンズ３と交差するような測量基線Ｈ
上のトンネル内適所に照射器６を設置するものである。

【００１７】この測量基線Ｈの設定は、図６に示すよう
に、トンネル掘削機１前方における屈曲計画線Ａ上の２
点ｃ、ｄを該基線Ｈが通過するものとしてこれらの点
ｃ、ｄ間の円弧曲線と該基線Ｈとの間の間隔が最大とな
る部分を中央縦距Ｕとした場合に該中央縦距Ｕを上記凸
レンズ３の有効幅又は有効径以内となるように上記２点
ｃ、ｄを設定すると共にその円弧曲線の中心角βを求
め、さらに停止しているトンネル掘削機１近傍側の上記
曲線上の点ｃに対する接線（トンネル掘削機１の掘進方
向）と測量基線Ｈとのなす角度が上記角度βの1/2 とな
り、且つ測量基線Ｈが凸レンズ３と交差するようにコン
ピュータの演算によって算出するものである。

【００１８】上記屈曲計画線Ａは、予めコンピュータに
プログラミングしているので、上記円弧曲線の半径をｒ
とした場合、中央縦距Ｕ＝ｒ（１−cos β/2）の式から
β/2、即ち、測量基線Ｈを求めることができる。なおこ
の場合、該測量基線Ｈが円弧曲線の外側における凸レン
ズ３の有効径の一端部に交差するように設定する。こう
して設定した測量基線Ｈの延長線上の既設トンネル覆工
部分に集束光線照射装置６を据え付け、該装置から集束
光線Ｄを測量基線Ｈ上に照射しながら図７、図８に示す
ようにトンネル掘削機１によって屈曲計画線Ａに沿った
曲線トンネルを所望長さ掘進する。

【００１９】その際、上記同様に、直線トンネルからの
被測点Ｃまでの掘進距離（掘進累積距離）Ｌを測定し、
被測点Ｃ上における屈曲計画線Ａの座標値（コンピュー
タから求められる掘進距離Ｌにおける屈曲計画線Ａの座
標値）と被測点Ｃにおける測量基線Ｈの座標値との偏位
量Ｓを演算によって求めると共に被測点Ｃにおける測量
基線Ｈの座標値と被測点Ｃの座標値との偏位量Ｒを測定
し、これらの両偏位量の差Ｔを求める。

【００２０】この差Ｔが屈曲計画線Ａに対するトンネル
掘削機１被測点Ｃの掘進偏位量であり、水平方向の偏位
量Tyと鉛直方向の偏位量Txを求める。次に第２ターゲッ
ト５により測量基線Ｈと現在位置における偏角を求め
る。これらの数値に基づいてトンネル掘削機１の方向を
屈曲計画線Ａに沿うように制御しながら掘進する。所定
距離の掘進後、上記同様にして再びトンネル掘削機１の
掘進偏位量と偏角を測定し、これを繰り返して測量基線
Ｈに交差する屈曲計画線Ａの円弧曲線の一方の点ｃから
他方の点ｄに達するまでトンネル掘削機１を掘進させ
る。

【００２１】この間、集束光線Ｄは測量基線Ｈの直線上
に照射して屈曲計画線Ａに対して２点で交差しており、
トンネル掘削機１はこの屈曲計画線Ａに沿って進むの
で、掘進開始時に集束光線Ｄが凸レンズ３の一端部に照
射するようにしておくと、その掘進中に凸レンズ３に照
射する集束光線Ｄの照射点は凸レンズ３の他端側に移動
したのち再び一端側に戻るという経路をたどり、ついに
は該凸レンズ３の一端から外れることになる。

【００２２】凸レンズ３に対する集束光線Ｄの照射が外
れると測量不能となるので、照射点が凸レンズ３の一端
部にまで復帰すると凸レンズ３削機１の掘進を一旦停止
し、光線照射装置６の設置位置を前の位置から前方側ト
ンネル覆工の適宜な場所に移し変える。この際、上記同
様にして測量基線Ｈを設定し、該測量基線Ｈ上に光線照
射装置６を据え付けたのち、再び、方向制御しながらシ
ールド掘削機１により屈曲計画線Ａに沿ってトンネルを
掘進するものである。

【００２３】なお、測量基線Ｈの設定時において、集束
光線Ｄが例えば凸レンズ３の中心部分に照射するように
設定すると、上記中央縦距Ｕの距離が小さくなってトン
ネル掘削機１による曲線トンネルの掘削長が短くなり、
光線照射装置６の盛り替えを頻繁に行う必要が生じるの
で、上記のように掘進初期においては照射点が凸レンズ
３の有効径の１端部を照射するように設定するのであ
る。

【００２４】このように、屈曲計画線Ａの円弧曲線の一
方の点ｃから他方の点ｄに達する間において、所定距
離、例えば１ｍ掘進する毎にトンネル掘削機１を停止さ
せ、その停止位置（現在位置）での偏位量と偏角を、上
記測定器２の第１、第２ターゲット４、５に照射される
照射点の位置を電気的にコンピュータの演算器７に入力
して偏位量、偏角の比較、演算を行うことにより、コン
ピュータの記憶装置８に記憶させている計画線Ａに対す
るトンネル掘削機１の現在位置をトンネル掘削機１内の
適所に設置したＣＲＴ画面９に表示させる。

【００２５】このＣＲＴ画面９は図10に示すように、そ
の中央に、予めコンピュータに記憶させている屈曲計画
線Ａにおいて、トンネル掘削機１の現在位置（被測点
Ｃ）から一定長ｌ前方部分間を直線とみなし、その水平
方向の計画線を水平方向計画線ＩとしてＣＲＴ画面の縦
軸に、鉛直方向の計画線を鉛直方向計画線IIとして横軸
にし、一定距離の掘進毎に十字線で表示するように構成
してあり、このＣＲＴ画面９の下部と左部とに、上記第
１ターゲット４に照射される照射点から得られた現在位
置におけるトンネル掘削機１の被測点Ｃの水平方向偏位
量Tyと鉛直方向偏位量Txをそれぞれ水平方向の現在位置
10と鉛直方向の現在位置11とに区別して表示させる。

【００２６】この現在位置からトンネル掘削機１を上記
第２ターゲット５によって求めたその偏角でもって掘進
させた場合、トンネル掘削機１が屈曲計画線Ａに対して
接近する方向に進むのか離れる方向に進むのかは判らな
い。そのため、図11に示すように、上記のようにして測
定された現在位置10から一定長さｌだけ、トンネル掘削
機１をその偏角でもって掘進させたと仮定した位置Ｋに
おける該トンネル掘削機１の計画線Ａに対する水平、鉛
直方向の偏位量を求める。一定長ｌは、機軸線Ｂが曲線
計画線Ａと交差したときに、その中央縦距、即ち、機軸
線と屈曲計画線との距離がトンネル施工許容誤差（偏位
の許容誤差）になるときの弧長よりも短い寸法で予め定
めておく。

【００２７】これらの偏位量は、トンネル掘削機１内の
被測点Ｃの現在位置からその延長線上に一定距離ｌだけ
前方位置に移動させた場所Ｋにおける被測点Ｃの座標値
が、掘進距離Ｌに一定距離ｌを加えた点Ｋにおける計画
線Ａ上の座標値の差として上記同様にコンピュータから
求めることができ、その偏位量から予測位置を水平方向
計画線Ｉと鉛直方向計画線IIに対して、それぞれ水平面
上の予測位置12と鉛直面上の予測位置13としてＣＲＴ画
面９の上部と右部に表示させる。

【００２８】こうして、現在位置におけるトンネル掘削
機１の水平、鉛直偏位位置10、11と一定延長距離ｌを存
した位置におけるトンネル掘削機１の水平、鉛直方向の
偏位量を示す予測位置12、13とをＣＲＴ画面９に点表示
し、さらに、水平方向の現在位置と予測位置との点表示
間、及び鉛直方向の現在位置と予測位置との点表示間を
それぞれ直線14、15で結んだ状態に表示させる。

【００２９】こうしてＣＲＴ画面９に表示された直線画
像によって、例えば、トンネル掘削機１の水平方向の掘
進予測直線14が水平方向計画線Ｉに対して現在位置から
予測位置に向かうに従って離間している場合には、現在
位置におけるトンネル掘削機１の水平方向の掘進角度を
反対側に修正すれば計画線Ａに向かうことが判り、鉛直
方向の場合においても同様に判断することができる。

【００３０】このような掘進方向表示は、上記のように
トンネル掘削機１が一定距離、掘進する毎にその現在位
置と予測位置とをコンピュータにより演算させて新たに
表示させ、その画面９をトンネル掘削機１のオペレータ
が直視しながらトンネル掘削機１を計画線Ａに沿う方向
に方向制御を行うものである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明の曲線トンネルの測
量方法によれば、トンネル掘削機を現在位置から予測位
置にまで掘進させる場合に、その現在位置から予測位置
までの距離を、トンネル掘削機の機軸線が屈曲計画線と
交差する時にその機軸線と屈曲計画線との距離がトンネ
ル施工許容誤差になるときの屈曲計画線の弧長よりも短
い前方距離に設定しているので、トンネル掘削機の現在
位置からその位置における偏角でもって予測位置まで掘
進させても、その掘削距離の全長に亘って屈曲計画線と
の偏位量が許容される最大誤差以内に納めることがで
き、さらに、その予測位置における屈曲計画線に対する
偏位量を求めるので、現在位置における曲線計画線との
偏位量との差を比較することができる。従って、その差
が大きい場合には現在位置においてトンネル掘削機の偏
角を上記差が小さくなる方向に制御して屈曲計画線に沿
った正確な曲線トンネルを能率よく掘進することができ
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】直線トンネルを掘削する場合の簡略縦断側面
図、

【図２】測定方法を説明するための測定器の構成図、

【図３】曲線トンネル掘削初期における測量方法を説明
するための簡略縦断側面図、

【図４】その一部の拡大縦断側面図、

【図５】曲線トンネルを掘削する場合の簡略縦断側面
図、

【図６】測量基線を設定する方法の説明図、

【図７】曲線トンネルの掘削における測量方法を説明す
るための簡略縦断側面図、

【図８】その一部の拡大縦断側面図、

【図９】集束光線からＣＲＴ画面に至る間の簡略回路
図、

【図１０】ＣＲＴ画面の正面図、

【図１１】予測位置の設定図。

【符号の説明】

１ シールド掘削機 ２ 測定器 ６ 集束光線照射装置 ９ ＣＲＴ画面 Ａ 計画線 Ｂ 機軸線 Ｃ 被測点 Ｄ 集束光線 Ｈ 測量基線 Ｉ 水平方向計画線 II 鉛直方向計画線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園部 富士雄 大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号 株式会社奥村組内 (72)発明者 三好 裕芳 大阪市阿倍野区松崎町２丁目２番２号 株式会社奥村組内 (56)参考文献 特開 昭64−71996（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 15/00 - 15/14 E21D 9/06 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 曲線トンネルの屈曲計画線に沿ってトン
   ネル掘削機を掘進させる際に、現在位置における屈曲計
   画線に対するトンネル掘削機の偏位量と偏角を求め、こ
   の現在位置からトンネル掘削機を上記偏角でもって一定
   距離掘進させた場合の予測位置をトンネル掘削機の機軸
   線が屈曲計画線と交差する時にその機軸線と屈曲計画線
   との距離がトンネル施工許容誤差になるときの屈曲計画
   線の弧長よりも短い前方距離に設定し、その予測位置に
   おける屈曲計画線に対する偏位量を求めることを特徴と
   する曲線トンネルの測量方法。