JP2968904B2 - 掘削機の方向修正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は推進工法に使用され
る掘削機の推進方向を修正する掘削機の方向修正装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】下水道管路や上水道管路を敷設するに際
し、先頭に掘削機を配設し、この掘削機の後端にヒュー
ム管を連続させて元押装置によって推進するセミシール
ド工法が採用されている。この工法は、管路の敷設計画
線と一致して直進性を有するレーザー光を照射すると共
に、敷設計画線と一致して設置された元押装置に掘削機
を配置し、該掘削機のカッターを駆動することで地山を
掘削して土砂を外部に排出しつつ元押装置によって推進
し、更に、掘削機に複数の管を順次後続させて推進する
ものである。

【０００３】掘削機を推進する際に掘削機には様々な抵
抗が作用し、該掘削機の後端に元押装置によって計画線
と平行に一様な推力を付与するにも関わらず、掘削機の
推進方向が計画線からズレることがある。このため、掘
削機は、テールシールドにレーザー光を投影させる投影
板を設けると共に該投影板を撮影するテレビカメラを設
け、且つカッターヘッドに接続された指標を投影板の表
面に配置して構成されている。

【０００４】そして投影板にレーザー光を投影させてテ
レビカメラによって撮影し、ブラウン管上に映写された
画像をオペレーターが監視しつつ掘削機の推進方向が計
画線からズレたとき、方向修正部材を操作してカッター
ヘッドとテールシールドを相対的に屈折させることで、
ズレを修正するようにしている。前記カッターヘッドと
テールシールドの屈折方向及び屈折量は、投影板に対す
る指標の変位によって表示される。

【０００５】上記掘削機に於いて、投影板は掘削機の１
ヵ所のみに設けられている。このため、掘削機を発進立
坑に設置した元押装置に配置し、計画線と一致して照射
されるレーザー光を投影板上に投影させた投影点を原点
とし、推進に伴って投影板上のレーザー光の投影点が原
点から変位したとき、ブラウン管に映写された画像から
判明することは、投影板の配置位置に対応する掘削機の
断面が計画線からズレているということのみである。

【０００６】従って、投影板上のレーザー光の投影点が
原点から変位したとき、この変位から方向修正部材の操
作量を導くことは困難である。このため、掘削機の方向
修正作業はオペレーターの熟練度やノウハウに依存して
いるのが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】最近に至って、計画線
と一致して照射されるレーザー光をターゲット上に投影
させると共に該ターゲットを通過させ、更にターゲット
を通過したレーザー光を反射鏡によって反射させてスク
リーン上に投影させ、これ等の投影点を監視することで
推進方向を修正し得るようにした掘削機が開発されてい
る。この掘削機では、掘削機の推進に伴うスクリーン上
のレーザー光の投影点の当初の点からのズレを検出して
掘削機の推進方向を修正している。

【０００８】上記掘削機は推進方向を自動的に修正する
一つの方法を示している。本発明は掘削機の推進方向を
修正するための異なる装置を提案するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る掘削機の方向修正装置は、地山を掘削す
るカッターと直進性を有する光線を反射する反射鏡を設
けたカッターヘッドと、方向修正部材を介して前記カッ
ターヘッドに屈折可能に接続され、直進性を有する光線
を投影すると共に通過させるターゲットと前記カッター
ヘッドに設けた反射鏡によって反射した光線を投影する
スクリーンと前記ターゲット及びスクリーンを撮影する
テレビカメラを設けたテールシールドと、前記テレビカ
メラによって撮影された画像を処理してターゲット及び
スクリーン上の投影点の位置を検出する画像処理装置
と、前記画像処理装置に接続された、ターゲット及びス
クリーン上に於ける当初の投影点の位置を記憶するため
の記憶部及び前記画像処理装置に対し定時的にホールド
信号及びシーン切換信号を伝送し、前記ホールド信号及
びシーン切換信号に応じて前記画像処理装置から伝送さ
れたターゲット及びスクリーンの画像情報を適宜切り換
えてホールドし、ホールドされた画像から推進時に於け
るターゲット及びスクリーン上の投影点の座標値を演算
する制御部を含む画像処理制御装置と、推進に伴って、
前記画像処理制御装置から伝送されたスクリーン上に於
ける当初の投影点の位置データと現在の投影点の位置デ
ータを比較すると共に現在の投影点が当初の投影点に対
し予め設定された一定の緩衝範囲を越えて変位したとき
該変位に応じた信号を発生する比較装置と、前記比較装
置から現在の投影点の当初の投影点に対する変位に応じ
た信号が発生したとき該信号に応じて現在の投影点が当
初の投影点に一致するように方向修正部材を駆動する駆
動装置とを有して構成されるものである。

【００１０】上記掘削機の方向修正装置によれば、推進
に伴って掘削機が計画線からズレたとき、このズレを自
動的に修正することが出来る。即ち、カッターヘッドに
反射鏡を設けると共にテールシールドにターゲットとス
クリーンを設けることによって、計画線と平行に照射さ
れたレーザー光はターゲット上で投影し、且つ該ターゲ
ットを通過したレーザー光は反射鏡によってスクリーン
方向に反射されてスクリーン上に投影する。

【００１１】従って、カッターヘッドの軸心とテールシ
ールドの軸心が一致した状態で掘削機を元押装置上に配
置して軸心を計画線と一致させ、この状態に於けるター
ゲット及びスクリーンにレーザー光を投影させ、該ター
ゲット及びスクリーンをテレビカメラで撮影すると共に
撮影した画像を画像処理装置で処理して前記投影点の位
置を画像処理制御装置の記憶部に記憶させることで、当
初の投影点、即ち原点を記憶させることが出来る。

【００１２】掘削機の推進に伴って、連続的にターゲッ
ト及びスクリーンを撮影すると共に一定の時間間隔で画
像を処理することで、現在の投影点の位置を検出するこ
とが出来る。また検出した位置と原点を比較装置によっ
て比較することで、現在の投影点の原点からの変位の有
無及び変位方向，変位量を検出し、変位方向，変位量に
応じた信号を発生することが出来る。

【００１３】そして比較装置から発生した信号に応じて
駆動装置によって方向修正部材を操作し、スクリーン上
の現在の投影点を原点と一致させるようにカッターヘッ
ドをテールシールドに対して屈折させることで、カッタ
ーヘッドの先端を計画線に一致させて推進方向を修正す
ることが出来る。従って、この状態で掘削機を推進し、
推進に伴ってスクリーン上の投影点が原点から変位した
とき、投影点を原点に一致させるように方向修正部材を
操作することで、掘削機は推進に応じて計画線に接近
し、最終的に計画線に一致する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下上記方向修正装置の好ましい
実施形態について図を用いて説明する。図１は掘削機の
構成を説明する模式断面図、図２は方向修正部材の構成
を説明する図、図３は制御系のブロック図、図４はター
ゲット及びスクリーンを撮影した画像を説明する図であ
る。

【００１５】図に於いて、掘削機Ａは推進方向前方（図
１に於ける左側、以下同じ）に配置されるカッターヘッ
ド１と、カッターヘッド１の後方（図１に於ける右側、
以下同じ）に設けたテールシールド２とを有し、前記カ
ッターヘッド１とテールシールド２を方向修正部材とな
る２本のジャッキ３ａ，３ｂ及び１本のロッド４によっ
て接続して構成されている。またテールシールド２の前
端はカッターヘッド１の後端に嵌合されており，ジャッ
キ３ａ，３ｂを同時に或いは選択的に駆動することで互
いに屈折可能に構成されている。

【００１６】カッターヘッド１には隔壁１ｂが形成され
ており、この隔壁１ｂによって切羽側と室内側を区画し
ている。隔壁１ｂによって区画されたカッターヘッド１
の切羽側に切羽を掘削するカッター５が設けられ、室内
側にはカッター５を駆動するモーター６及び反射鏡７が
設けられている。反射鏡７は、隔壁１ｂに於けるカッタ
ーヘッド１の軸心１ａから所定距離離隔させた位置に固
着したアーム７ａの端部に固着されている。

【００１７】カッター５には複数のスポーク５ａが固着
され、且つ該スポーク５ａには複数のビット５ｂが固着
されている。またカッター５の先端であってカッターヘ
ッド１の軸心１ａと一致する点は誘導中心８として設定
されており、この誘導中心８とカッター５の屈折中心１
ｃまでの距離は予め設定された値Ｌを有している。

【００１８】本実施例に於いて、直進性を有する光線と
してレーザー光を用いており、このレーザー光を計画線
と一致させて照射している。このため、掘削機Ａが計画
線と一致して推進されているとき、レーザー光９はテー
ルシールド２の軸心２ａと一致して照射される。

【００１９】テールシールド２の軸心２ａと一致し且つ
反射鏡７よりも後方側にターゲット10が設けられてい
る。このターゲット10はテールシールド２の内壁に固着
したステー11に取り付けられている。反射鏡７はテール
シールド２の軸心２ａから離隔した位置に取り付けられ
ている。このため、ターゲット10と反射鏡７の間には、
照射されたレーザー光９を反射鏡７に導く１組のミラー
12ａ，12ｂが配置されている。

【００２０】ミラー12ａ，12ｂは夫々全反射鏡によって
構成されている。ミラー12ａはテールシールド２の軸心
２ａと一致してターゲット10よりも前方側に配置され、
且つ軸心２ａに対し45度傾斜して固定されており、ミラ
ー12ｂはミラー12ａ及び反射鏡７と対向した位置に軸心
２ａに対し45度傾斜して固定されている。

【００２１】ミラー12ａ，12ｂの間にテールシールド２
の軸心２ａに対し45度傾斜させたハーフミラー13が配置
されており、このハーフミラー13と対向してスクリーン
14が設けられている。ハーフミラー13は照射されたレー
ザー光９を透過させて反射鏡７に導き、且つ反射鏡７か
ら反射された反射光をスクリーン14の方向に屈折させる
機能を有するものである。またスクリーン14はターゲッ
ト10に隣接してステー11に取り付けられている。

【００２２】上記構成に於いて、反射鏡７からミラー12
ｂまでの距離とハーフミラー13からスクリーン14までの
距離を加えた寸法は、カッターヘッド１の誘導中心８と
屈折中心１ｃとの距離Ｌの１／２、或いは１／２以上に
設定されている。

【００２３】テールシールド２の所定位置にはターゲッ
ト10及びスクリーン14を撮影するテレビカメラ15が設け
られている。このテレビカメラ15はターゲット10とスク
リーン14を同時に撮影して画像を後述する受像機21に表
示する機能を有する。

【００２４】カッターヘッド１とテールシールド２を相
対的に屈折させて掘削機Ａの推進方向を修正する手段
は、図２に示すように、２本のジャッキ３ａ，３ｂと１
本のロッド４を掘削機Ａの円周方向に等間隔に配置して
構成されている。ジャッキ３ａ，３ｂは油圧シリンダー
によって構成されている。またロッド４は図示しないピ
ン等を介してカッターヘッド１と接続され、且つピン及
びユニバーサルジョイントを介してテールシールド２と
接続されている。

【００２５】従って、ジャッキ３ａ，３ｂに同時に或い
は選択的に所望量の圧油を供給してロッドを伸縮させる
ことで、カッターヘッド１をテールシールド２に対し所
望の方向に屈折させることが可能である。そしてカッタ
ーヘッド１のテールシールド２に対する屈折に伴って、
誘導中心８は軸心１ａ上に設定された屈折中心１ｃを中
心とし、誘導中心８と屈折中心１ｃの距離Ｌを屈折半径
として屈折する。

【００２６】ジャッキ３ａ，３ｂを駆動する駆動手段
は、予め設定された圧力を持った圧油を発生させる油圧
ユニットと、ジャッキ３ａ，３ｂの所望の室に所望量の
圧油を供給するように制御する油圧回路とによって構成
されている。尚、油圧回路は図示しない方向切換バルブ
やパイロットチェックバルブ，リリーフバルブ等からな
る通常の油圧回路として設定される。

【００２７】次に掘削機Ａの制御系について図３のブロ
ック図により説明する。図に於いて、テレビカメラ15は
受像機21と接続されている。この受像機21は、通常のテ
レビ受像機と同様に構成された受像部と、特定の色彩を
分離する色彩分離部とによって構成され、撮影したター
ゲット10及びスクリーン14の画像を受像部に映写すると
共に、投影されたレーザー光９の像（以下『スポット』
という）10ａ，14ａの色彩信号、例えばレーザー光が赤
である場合にはＲ信号、またレーザー光が緑である場合
にはＧ信号を分離して画像処理装置22に伝送する機能を
有する。

【００２８】画像処理装置22は受像機21から伝送された
例えばＲ信号の座標値を演算する機能を有するものであ
って、公知の画像処理装置によって構成されている。こ
の画像処理装置22には記憶部及び制御部等を有する画像
処理制御装置23が接続されており、掘削機Ａの推進開始
時に於けるターゲット10及びスクリーン14の画像（図４
参照）から当初の投影点、即ち、ターゲット10上の原点
Ｏ，スクリーン14上の原点ｏの座標データを記憶すると
共に、推進に伴って記憶した原点Ｏ，ｏの座標データを
比較装置24に出力する。

【００２９】また掘削機Ａの推進を開始した後、画像処
理制御装置23から画像処理装置22に対し定時的にホール
ド信号及びシーン切換信号が伝送される。そして前記各
信号の発生に応じてターゲット10，スクリーン14の画像
情報が適宜切り換えられてホールドされ、ホールドされ
た画像から推進時に於けるスポット10ａ，14ａの座標値
が演算され、演算されたデータが比較装置24に伝送され
る。

【００３０】比較装置24には画像処理制御装置23から原
点Ｏ，ｏの座標データが伝送されると共に、画像処理装
置22から推進時に於けるスポット10ａ，14ａの座標デー
タが伝送される。そして前記各データを比較してスポッ
ト10ａ，14ａの原点Ｏ，ｏからの変位方向，変位量を検
出することで、掘削機Ａが計画線（レーザー光９）から
ズレているか否かを検出し、スポット10ａ或いは14ａが
原点Ｏ或いはｏから所定距離以上変位していることを検
出したとき、この変位に応じた操作信号を発生してイン
ターフェース25を介して駆動装置26に伝送する。

【００３１】比較装置24から発生する操作信号は、スク
リーン14上のスポット14ａを原点ｏに一致させるように
カッターヘッド１をテールシールド２に対して屈折させ
るための信号であり、ジャッキ３ａ，３ｂに圧油を供給
する際のジャッキ３ａ，３ｂの室を選択すると共に供給
する圧油の量を設定する信号である。

【００３２】駆動装置26では、伝送された操作信号に応
じて図示しない油圧回路を作動させることで、ジャッキ
３ａ，３ｂに所定量の圧油を供給してカッターヘッド１
をテールシールド２に対して屈折させる。この屈折に応
じて反射鏡７の角度が変化し、レーザー光９は反射鏡７
の変化した角度の２倍の角度を持って反射し、ミラー12
ｂ，ハーフミラー13を介してスクリーン14に投影され
る。カッターヘッド１の屈折に伴ってスポット14ａは原
点ｏに接近する。

【００３３】次に、上記の如く構成された掘削機Ａに於
ける推進方向を修正する手順について説明する。先ず、
掘削機Ａを図示しない発進立坑に設置された元押装置に
計画線と一致させて配置し、掘削機Ａの後方から計画線
と一致させて或いは平行にレーザー光９を照射すると、
このレーザー光９はターゲット10，スクリーン14に投影
される。このときの撮影された画像を画像処理装置22に
よって処理し、画像処理制御装置23に当初の投影点を原
点Ｏ，ｏとして記憶させる。

【００３４】その後、カッター５を駆動しつつ元押装置
によって推力を付与することで、掘削機Ａは切羽を掘削
しつつ推進される。この推進過程で掘削機Ａが例えば計
画線の上方にズレると、レーザー光９は図１に点線で示
すように相対的に下方に移動し、ターゲット10，スクリ
ーン14上のスポット10ａ，14ａは図４に示すように原点
Ｏ，ｏの下方に変位する。即ち、スポット10ａ，14ａの
変位方向は、掘削機Ａの計画線に対するズレ方向の反対
方向となる。

【００３５】ターゲット10、スクリーン14上のスポット
10ａ，14ａの原点Ｏ，ｏからの変位は、画像処理装置2
2，画像処理制御装置23，比較装置24によって一定の時
間間隔で監視される。本実施例では、スクリーン14上の
スポット14ａが原点ｏから変位したとき、直ちに操作信
号を発生するものではなく、一定の緩衝範囲を設定して
いる。このため、スポット14の原点ｏからの変位量が前
記緩衝範囲内である場合操作信号は発生せず、掘削機Ａ
が計画線からズレた場合であっても推進方向の維持する
ように構成している。

【００３６】スクリーン14上のスポット14ａが原点ｏか
ら予め設定された緩衝範囲以上に変位すると、比較装置
24から駆動装置26に対し操作信号が伝送され、ジャッキ
３ａ，３ｂはカッターヘッド１を屈折させる方向に応じ
て同時に或いは選択的に駆動される。即ち、掘削機Ａが
計画線の上方にズレたような場合には、ジャッキ３ａの
ロッドを前方側に押し出すと共にジャッキ３ｂのロッド
を後方側に引き戻すように、夫々のジャッキ３ａ，３ｂ
に圧油が供給される。

【００３７】ジャッキ３ａ，３ｂの駆動に応じてカッタ
ーヘッド１は計画線に向かって下向きに屈折し、該ヘッ
ド１の屈折に伴って反射鏡７は上向きに傾斜する。この
ため、反射鏡７に照射されたレーザー光９は上向きに反
射され、スクリーン14上のスポット14ａは原点ｏに接近
する。このとき、ターゲット10上のスポット10ａの位置
は変化しない。

【００３８】ここで、比較装置24からの操作信号に応じ
てカッターヘッド１がテールシールド２に対し下向きに
角度θ屈折したとすると、反射鏡７は上向きに角度θ傾
斜することとなる。従って、反射鏡７に入射したレーザ
ー９と反射光のなす角度は２θとなる。そして反射鏡７
とスクリーン14との距離がカッターヘッド１の屈折半径
Ｌ（誘導中心８と屈折中心１ｃとの距離）の１／２に設
定されることから、カッターヘッド１が角度θ屈折した
ときの誘導中心８の変位寸法と、スクリーン14上に於け
るスポット14ａの変位寸法は巨視的に等しくなる。

【００３９】即ち、掘削機Ａが計画線から距離ｄズレた
とき、ターゲット10，スクリーン14上のスポット10ａ，
14ａは夫々原点Ｏ，ｏから距離ｄ変位する。そしてカッ
ターヘッド１を角度θ屈折させたときスポット14ａが原
点ｏに一致したとすると、ｄ＝Ｌtan2θ／２なる式が成
立する。ここで、tan2θ＝２tan θ／（１−tan 2 θ）
となり、θが極めて小さい値である場合、tan 2 θ＝０
として差支えない。従って、tan2θ＝２tan θとなり、
ｄ＝Ｌtan θとなる。

【００４０】一方、カッターヘッド１を角度θ屈折する
ことにより、誘導中心８は計画線の方向に、Ｌtan θ移
動することとなり、この移動量は掘削機Ａの計画線から
のズレ量であるｄと一致する。従って、カッターヘッド
１がテールシールド２に対して屈折し、この屈折に伴っ
てスクリーン14上のスポット14ａが原点ｏと一致したと
き、カッターヘッド１の誘導中心８は計画線と一致する
こととなる。

【００４１】カッターヘッド１のテールシールド２に対
する屈折角度を維持させて掘削機Ａを推進すると、誘導
中心８は計画線と交叉し掘削機Ａは計画線に接近する。
掘削機Ａの計画線に対する接近に伴って、ターゲット10
上のスポット10ａは原点Ｏに接近し、同時にスクリーン
14上のスポット14ａは原点ｏから離隔する。

【００４２】上記過程で、撮影された画像に対する画像
処理は継続して行われ、スポット14ａが原点ｏを中心と
して予め設定された緩衝範囲にあるとき、比較装置24か
ら駆動装置26に対する操作信号は発生しない。

【００４３】上記の如くして掘削機Ａが計画線からズレ
たとき、スクリーン14上のスポット14ａを原点ｏに一致
させるようにカッターヘッド１をテールシールド２に対
して屈折させることで、誘導中心８を計画線と一致させ
て掘削機Ａの推進方向を修正することが可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
掘削機の方向修正装置によれば、推進に伴って掘削機が
計画線からズレたとき、ターゲット及びスクリーンをテ
レビカメラによって撮影すると共に画像を画像処理装置
によって処理し、更に、画像処理制御装置によってター
ゲット上のレーザー光のスポットと原点を比較すること
でズレを検出することが出来る。またスクリーン上のス
ポットと原点を比較し、スポットを原点に一致させるよ
うな操作信号を発生して方向修正部材を駆動する駆動装
置に伝送することで、掘削機の推進方向を自動的に修正
することが出来る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】掘削機の構成を説明する模式断面図である。

【図２】方向修正部材の構成を説明する図である。

【図３】制御系のブロック図である。

【図４】ターゲット及びスクリーンを撮影した画像を説
明する図である。

【符号の説明】

Ａ 掘削機 １ カッターヘッド １ａ 軸心 １ｃ 屈折中心 ２ テールシールド ２ａ 軸心 ３ａ，３ｂ ジャッキ ４ ロッド ５ カッター ７ 反射鏡 ８ 誘導中心 ９ レーザー光 10 ターゲット 10ａ スポット 12ａ，12ｂ ミラー 13 ハーフミラー 14 スクリーン 14ａ スポット 15 テレビカメラ 21 受像機 22 画像処理装置 23 画像処理制御装置 24 比較装置 25 インターフェース 26 駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−44392（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−59884（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 311

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地山を掘削するカッターと直進性を有す
   る光線を反射する反射鏡を設けたカッターヘッドと、 方向修正部材を介して前記カッターヘッドに屈折可能に
   接続され、直進性を有する光線を投影すると共に通過さ
   せるターゲットと前記カッターヘッドに設けた反射鏡に
   よって反射した光線を投影するスクリーンと前記ターゲ
   ット及びスクリーンを撮影するテレビカメラを設けたテ
   ールシールドと、 前記テレビカメラによって撮影された画像を処理してタ
   ーゲット及びスクリーン上の投影点の位置を検出する画
   像処理装置と、 前記画像処理装置に接続された、ターゲット及びスクリ
   ーン上に於ける当初の投影点の位置を記憶するための記
   憶部及び前記画像処理装置に対し定時的にホールド信号
   及びシーン切換信号を伝送し、前記ホールド信号及びシ
   ーン切換信号に応じて前記画像処理装置から伝送された
   ターゲット及びスクリーンの画像情報を適宜切り換えて
   ホールドし、ホールドされた画像から推進時に於けるタ
   ーゲット及びスクリーン上の投影点の座標値を演算する
   制御部を含む画像処理制御装置と、 推進に伴って、前記画像処理制御装置から伝送されたス
   クリーン上に於ける当初の投影点の位置データと現在の
   投影点の位置データを比較すると共に現在の投影点が当
   初の投影点に対し予め設定された一定の緩衝範囲を越え
   て変位したとき該変位に応じた信号を発生する比較装置
   と、 前記比較装置から現在の投影点の当初の投影点に対する
   変位に応じた信号が発生したとき該信号に応じて現在の
   投影点が当初の投影点に一致するように方向修正部材を
   駆動する駆動装置とを有することを特徴とする掘削機の
   方向修正装置。