JP3121237B2 - 掘削機位置の計測装置および掘削機位置の計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、掘削機位置の計測装
置、掘削機位置の計測方法およびこの方法を用いた掘削
方法に関し、特に、大深度立坑の築造に有効な技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】土木工事における地下連壁工法、縦坑
（立坑）掘削工法などでは、掘削壁の鉛直性や掘削幅を
確保するために、壁面の掘削状態の測定が必要である。

【０００３】特に、大深度の連続した地中壁の掘削に
は、掘削中の掘削機の位置をリアルタイムで検出し、方
向制御を行って高精度の掘削を実現する技術が必要であ
る。

【０００４】大深度立坑を構築するための掘削は、例え
ば、図２３に示されるように、安定液１６が注入された
掘削溝１８内で、吸い上げパイプ１４を介して砂礫等を
吸い上げながら、ロータリー式掘削機１０の回転ビット
１２によって鉛直方向に掘削することにより行われる。
掘削機１０の掘削は、アジャスタブルガイド２０によっ
て安定化されている。

【０００５】図２１に示されるように、縦坑の掘削途中
において、掘削機１０には「水平方向の位置ずれ」や、
「ヨーイング，ピッチング，ローリング（各態様が図２
２の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている）」が生じ
る。

【０００６】したがって、掘削機１０の位置を正確に特
定するためには、それらを考慮しなければならない。

【０００７】ここで、「水平方向の位置ずれ」とは、要
するに、掘削機の仮想的な原点位置が水平方向にずれる
ことである。

【０００８】また、「ヨーイング，ピッチング，ローリ
ング」は、一般には、「掘削機の回転方向」を示す用語
であり、それらが生じた場合の「角度のずれ」を特定す
ることによって、「掘削機の姿勢」を把握できることに
なる。

【０００９】このような事項を考慮した上で、本明細書
においては、以下のように用語を使用する。

【００１０】つまり、本明細書では、掘削機の「位置」
という用語は、「水平方向の位置」および「ヨーイング
等を考慮した掘削機の姿勢」の双方を含む広義の意味で
使用する。したがって、「掘削機の位置ずれ」と記すと
きには、「掘削機の水平方向の位置ずれ、およびヨーイ
ング等による角度ずれ」の双方を含む意味で使用するこ
とになる。

【００１１】また、「ヨーイング，ピッチング，ローリ
ング」という用語は、単に「掘削機の回転方向（図２２
の各態様）」のみを示すのではなく、さらに、「ヨーイ
ング，ピッチング，ローリングが生じた場合のその角度
ずれ」も含む意味で広義に使用する。したがって、例え
ば、「掘削機のヨーイングを測定する」と記す場合に
は、「掘削機にヨーイングが生じていること、および、
その場合の角度ずれを測定すること」を意味する。

【００１２】上述の用語の使用によれば、「掘削機の原
点位置の測定」によって「掘削機の水平位置」がわか
り、「ヨーイング，ピッチング，ローリングの測定」に
よって「掘削機の姿勢」がわかり、これによって、「掘
削機の（現在）位置」が特定されることになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、掘削機位
置を計測するための技術として、図２０（ａ）〜（ｃ）
に示す各技術をピックアップして各技術について種々の
検討を行ったが、その結果、以下のことが明らかとなっ
た。

【００１４】（１）図２０（ａ）の計測技術は、傾斜測
定用ケーブル８０２のケーブル位置をレーザー光を用い
た検出器８０４（ａ）および８０４（ｂ）により検出
し、そのケーブル位置から傾斜角を求め、その傾斜角を
用いて水平の位置ずれ量を計測するものである。

【００１５】この技術では、計測精度を高めるために
は、やぐら８００の高さ（Ｈ）をかなり高くしなければ
ならないため、現実には、それほど高い測定精度は期待
できない。また、この技術では、ローリング（図２２
（Ｃ））を測定できない。

【００１６】（２）図２０（ｂ）の計測技術は、傾斜計
２０を用いて傾斜角θ_x，θ_yを測定し、これを用いて、
以下のように水平方向の変位を測定するものである。

【００１７】△Ｘ＝Ｌ・ｓｉｎθ_x △Ｙ＝Ｌ・ｓｉｎθ_y 但し、Ｌはワイヤー長（距離）である。

【００１８】この技術は、傾斜計を用いて測定した微妙
な傾斜角度と、ワイヤー長（距離）とを用いて間接的に
水平位置ずれを計測するため、測定精度には一定の限界
がある。特に、傾斜計の検出出力が掘削機の振動の影響
を受けやすいことが、誤差の原因となる恐れがある。ま
た、この技術では、ローリング（図２２（Ｃ））を測定
できない。

【００１９】（Ｃ）図２０（ｃ）に示す技術は、ワイヤ
ーを介して掘削機１０と連動する浮き３１を設け、浮き
の動きにより掘削機１０の位置を計測するものである。

【００２０】このフロート式の技術は、掘削機の動きを
ワイヤーを介して直に観測できる点で優れるが、浮き３
１のゆれが多くノイズが多いという問題点があり、ある
いは浮きが沈まないようにするためには、ワイヤーのテ
ンション制御に工夫を要するといった煩雑さもある。ま
た、上述の技術と同様にローリング（ねじれ）は計測す
ることはできない。

【００２１】以上まとめると、上述の各技術は掘削機位
置を間接的に検出するものであり、掘削機の振動の影響
を無視できず、また、ローリング（ねじれ）を検知する
ことができず、精度のさらなる向上を図るためには、い
ろいろと問題があるということがわかった、ということ
である。

【００２２】そして、この限界を克服するためには、掘
削機位置を、直接に計測する新規な計測手法を採用する
必要があることが明らかとなった。

【００２３】本発明は、このような検討結果に基づいて
なされたものであり、その目的は、掘削機の振動の影響
を受けず、泥水中においても掘削機位置を直接に、高精
度にローリングを含めて計測し得る技術、ならびにこの
技術を用いた高精度な掘削技術を実現することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、以下の構成を有する。

【００２５】（１）請求項１に記載の本発明は、掘削機
の表面に固定された基準面設定部と、この基準面設定部
の前記基準面に向けて超音波を送出する超音波送信部
と、前記基準面からの反射波を受信する超音波受信部と
を具備し、前記掘削機とは非接触の状態で保持されてな
る超音波送受信手段と、超音波の送信および受信タイミ
ングの差に基づき時間データを取得する時間測定手段
と、この時間測定手段によって取得された時間データに
基づいて、前記超音波送受信手段と前記基準面との間の
距離データを取得する距離データ取得手段と、この距離
データ取得手段によって取得された前記距離データを用
いて前記掘削機位置を求める掘削機位置検出手段とを有
し、 縦坑あるいは溝の内部における掘削機の位置を計測
する掘削機位置の計測装置であって、 前記掘削位置検出
手段は、仮想的な座標空間における前記基準面位置を特
定する直交座標系の位置を検出するために、前記基準面
設定部内の異なる方向の５箇所の点についての距離を計
測することを特徴とする。

【００２６】（２）請求項２に記載の本発明は、請求項
１において、前記立坑あるいは溝内には安定液が注入さ
れると共に、前記安定液の温度を測定する温度計が設け
られていることを特徴とする。

【００２７】（３）請求項３に記載の本発明は、請求項
１または２において、基準面設定部は、多面体をなす中
空のハウジングからなり、このハウジングは複数の壁面
を含んで構成されており、 超音波送受信手段は、前記中
空のハウジングの内部に位置し、複数の内壁面に対して
超音波の送受信を行い、 掘削機位置検出手段は、超音波
送受信手段とハウジングの前記複数の内壁面との間の各
距離データに基づいて、前記複数の内壁面の各位置を検
出することにより前記掘削機の位置を特定することを特
徴とする。

【００２８】（４）請求項４に記載の本発明は、請求項
３において、ハウジングは掘削機の上面に固定されてお
り、そのハウジングの上部は開口しており、 超音波送受
信手段は吊り下げ具によって吊り下げられ、前記ハウジ
ングの上部の開口を介して前記ハウジングの内部に静止
して保持されることを特徴とする。

【００２９】（５）請求項５に記載の本発明は、請求項
４において、掘削機は長さの調整が可能な吊りワイヤー
によって吊られており、超音波送受信手段を吊り下げる
前記吊り下げ具の長さは、前記吊りワイヤーの長さと連
動して調整されることを特徴とする。

【００３０】（６）請求項６に記載の本発明は、請求項
１〜５のいずれかにおいて、掘削機位置の計測装置は、
大深度の連続地中壁の掘削による立坑築造に使用される
ことを特徴とする。

【００３１】（７）請求項７に記載の本発明は、縦坑あ
るいは溝を掘削する掘削機の表面に多面体からなる中空
のハウジングを固定しておき、掘削機の深さ位置に合わ
せて超音波送受信機を降下させ、その超音波送受信機を
前記ハウジングの内部において、ハウジングの内壁面に
接触しないように保持し、前記超音波送受信機からハウ
ジングの前記内壁面または掘削機の表面に向けて超音波
を送出し、反射波を受信して、内壁面までの距離または
掘削機の表面までの距離を測定し、その距離から前記ハ
ウジングの位置を特定し、これによって、掘削機位置を
計測する掘削機位置の計測方法であって、 仮想的な座標
空間におけるハウジング位置を特定する直交座標系の一
を検出するために、前記超音波送受信器にて異なる方向
の５箇所の点についての距離を測定することを特徴とす
る。

【００３２】（８）請求項８に記載の本発明は、請求項
７において、前記縦坑あるいは溝内には安定液が注入さ
れ、 前記安定液の温度を温度計にて計測し、安定液中に
おける音速を求めることを特徴とする。

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【作用】（１）請求項１〜６の本発明の装置では、超音
波を用いた複数点の距離測定（測距）と、この測定デー
タを用いた演算処理の技術により、掘削機位置を直接に
測定する。したがって、高精度の計測が可能となる。

【００４１】また、掘削機と非接触で位置を測定できる
ため、マシンの振動の影響を受けず、したがって、掘削
機の稼働中でも高精度の位置計測が可能である。

【００４２】距離測定は、掘削機表面に固定した基準面
設定部の基準面を用いて行い、かつ、掘削機位置はソフ
トウエアにより行えるため、さしたる技術的困難がな
く、容易に現場に導入できる。特に、本発明の掘削機位
置の計測装置では、５カ所の異なる点までの距離データ
に基づき、水平位置（鉛直線からのずれ），ヨーイン
グ，ピッチング，ローリング（ねじれ）を考慮した掘削
機位置の計測を行うことができる。よって、最小限のデ
ータで、ローリング等の回転による変位を含めた高精度
な掘削機位置の計測が可能である。 異なる５点の距離の
測定は、平行移動および回転移動を特定するために必要
である。つまり、ある空間を他へ移動するためには平行
移動、および回転で移動することが可能である。したが
って、平行移動に関してｘ，ｙ，ｚの３変数、および回
転に関してθ１，θ２の２変数（合計で５変数）があれ
ば、ハウジング（掘削機位置）の特定が可能である。 （２）請求項２の本発明の装置では、温度計によって安
定液中の温度を計測することで、温度変化に応じた液中
の音速を正確に把握して距離測定の精度を向上させるこ
とができる。

【００４３】（３）請求項３の本発明の装置では、多面
体形態の中空のハウジングを掘削機に固定し、その内壁
面を基準面として使用する。したがって、複数の基準面
を、正確に、かつきわめてコンパクトに設置することが
でき、便利である。

【００４４】（４）請求項４の本発明の装置は、超音波
送受信手段が、ケーブル等の吊り下げ具で吊り下げら
れ、中空のハウジング中で非接触で静止している。つま
り、超音波送受信手段は鉛直方向に静止している。した
がって、掘削機位置が変動すると、これに伴ってハウジ
ング位置が変化し、結果的に超音波送受信手段との相対
位置が変化することから、ハウジング位置を特定するこ
とによって掘削機位置を計測することができる。

【００４５】（５）請求項５の本発明の装置では、超音
波送受信手段の吊り下げ具の長さを掘削機の吊りケーブ
ルの長さと連動して調整することにより、ハウジングと
超音波送受信手段との相対的な関係を常に所定の範囲内
に保つことができる。

【００４６】

【００４７】（６）請求項６の本発明の装置は、大深度
の連続地中壁の掘削による立坑の築造に使用される。し
たがって、掘削中の溝壁の形状をリアルタイムでキャッ
チして方向制御を行いながら、高精度な掘削をすること
が可能となる。

【００４８】

【００４９】

【００５０】（７）請求項７の本発明の計測方法では、
ハウジング内部に位置する超音波送受信機からハウジン
グの内壁面または掘削機の表面に向けて超音波を送出
し、距離を測定する。

【００５１】この方法によれば、例えば、超音波の送出
方向を制御することにより、ハウジング（掘削機）の位
置認識に必要な複数点の距離データを、容易に測定でき
る。

【００５２】

【００５３】特に、本発明の計測方法では、５カ所の異
なる点までの距離データに基づき、水平位置（鉛直線か
らのずれ），ヨーイング，ピッチング，ローリング（ね
じれ）を考慮した掘削機位置の計測を行うことができ
る。よって、最小限のデータで、ローリング等の回転に
よる変位を含めた高精度な掘削機位置の計測が可能であ
る。

【００５４】異なる５点の距離の測定は、平行移動およ
び回転移動を特定するために必要である。つまり、ある
空間を他へ移動するためには平行移動、および回転で移
動することが可能である。したがって、平行移動に関し
てｘ，ｙ，ｚの３変数、および回転に関してθ１，θ２
の２変数（合計で５変数）があれば、ハウジング（掘削
機位置）の特定が可能である。

【００５５】（８）請求項８に記載の本発明の掘削方法
では、温度計によって安定液中の温度を計測すること
で、温度変化に応じた液中の音速を正確に把握して距離
測定の精度を向上させることができる。

【００５６】

【００５７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００５８】（実施例１）図１は本発明の掘削機位置の
計測装置の一実施例の構成を示す図である。

【００５９】本実施例は大深度立坑の築造のための連続
地中壁の掘削に用いられる装置であり、その特徴は、ハ
ウジング１１０内に位置する超音波測定器１２０によ
る、ハウジングの内壁面または掘削機１０の表面までの
距離の測定データと、掘削機１０に取り付けられた傾斜
角センサ２２の測定データとを併用して、掘削機１０の
位置を特定することである。

【００６０】（全体構成）掘削溝１８には安定液１６が
注入されており、掘削機１０は回転ビット１２によって
溝底部を掘削する。

【００６１】掘削機１０の鉛直方向の位置は、ウインチ
１３０による吊りワイヤー１００の長さ調整によって制
御されるようになっている。

【００６２】超音波測定器１２０はケーブルＣ２によっ
て吊り下げられており、掘削機１０との所定の相対位置
関係が成立するように掘削機１０と同様に降下され、掘
削機１０の上面に固定されたハウジング１１０の内側に
おいて静止して保持されている。

【００６３】超音波測定器１２０は自重で鉛直方向に降
下し、その降下位置（深度）は、巻き上げ部１４０の回
転の調整によって制御される。巻き上げ部１４０の回転
数は、ロータリーエンコーダ１５０により検知され、そ
のエンコード出力は、位置検出装置１６０内の、深度計
１６１に与えられる。

【００６４】位置検出装置１６０は、深度計１６１の他
に、傾斜角検出手段１６２と、距離算出手段１６３と、
巻き上げ部１４０の回転を制御する回転制御手段１６４
と、ハウジング１０の位置（つまり、掘削機１０の位
置）を検出する位置検出手段１６５とを有している。

【００６５】また、位置検出手段１６５は、ウインチ１
３０からの、掘削機１０を吊り下げている吊りワイヤー
１００の長さの情報を基に、回転制御手段１６４に指示
を与えて、ケーブルＣ２の長さを吊りワイヤーと一定の
関係をもたせて調整する（例えば、連動させて調整す
る）機能を併せもっている。

【００６６】なお、傾斜角検出手段１６２は、掘削機１
０に取付られた傾斜角センサ２２から、ケーブルＣ１を
介して送られてくるセンシング出力を受けて傾斜角を検
出するものであり、また、距離算出手段１６３は、超音
波測定器１２０によって測定され、ケーブルＣ２を介し
て送られてくる測定データより、超音波測定器１２０か
らハウジング１１０の各内壁面（すなわち、各基準面）
までの距離を検出するものである。

【００６７】検出された掘削機１０の位置は、リアルタ
イムで表示手段１７０に表示されると共に、データレコ
ーダ１８０に記録される。

【００６８】制御装置（位置ずれ検出手段１９１，補正
量検出手段１９２をもつ）１９０は、位置検出手段１６
５から送られてくる掘削機位置情報に基づき掘削機操作
盤２００に指示を与え、掘削機操作盤２００は、この指
示に従って掘削機１０の掘削姿勢を補正する。この結
果、リアルタイムの掘削機位置の検出による高精度な掘
削制御が実現される。

【００６９】ハウジング１１０は、図２に例示されるよ
うに、例えば、上面が開口した中空の直方体からなり、
四方の壁の内壁面は超音波計測のための基準面を構成し
ている。

【００７０】なお、ハウジングの底面には、なにも設け
ずに掘削機１０の上側の表面の一部が露出していてもよ
いし、所定厚みの底板を設けてもよい。底板を設ける場
合には、その厚みを考慮した距離データの取得を行えば
正確な距離を測定できる。

【００７１】（超音波計測の内容）超音波による距離の
計測は、図２に例示されるように、ハウジング１１０の
理想的な位置（鉛直位置）に適合するｘ，ｙ，ｚの直交
座標系を想定し、ｘ，ｙ，ｚの少なくとの一つの方向に
超音波を送出して、その反射波の受信タイミングを測定
することによって行われる。つまり、送受信の時間差よ
り距離を求める。

【００７２】超音波測定器１２０は、図５に示されるよ
うに、超音波送信のタイミングを与えるトリガーパルス
を出力するトリガパルサ４００と、そのトリガーパルス
によってトリガーされて送信パルスを出力する送信パル
サ４０１と、送受信分離手段４０２と、超音波送受信部
４０３と、走査角信号に従って超音波送信の方向を変更
する走査部４０４と、受信波の振幅を調整するＳＴＣ回
路４０５と、検波回路４０６と、増幅回路４０７と、送
受信タイミングの差の時間を測定する時間測定回路４０
８と、安定液の温度を測定するための温度計３１６とを
有している。

【００７３】温度計３１６は、水中の音速が温度に依存
して変化することに着目して、水中における音速を正確
に把握し、超音波による距離測定の精度を向上するため
に設けられている。

【００７４】この温度計３１６の測定データ（温度デー
タ）と時間測定回路４０８の測定時間データは、図１に
示されるケーブルＣ２を介して距離算出手段１６３にシ
リアル転送されるようになっている。温度計３１６によ
る温度測定は、常時行ってもよいし、また、超音波によ
る距離測定を行う時にのみ、連動して計測するようにし
てもよい。

【００７５】なお、超音波送受信部４０３および温度計
３１６とその他の信号処理回路とを分離し、超音波送受
信部４０３および温度計３１６のみを縦坑内部に保持
し、測定信号をケーブルを介して送信し、データ処理は
地上にて行うような構成としてもよい。

【００７６】（超音波測定器の全体構成）超音波測定器
１２０は、図３（ａ）に示すように、水平方向（ｘ，ｙ
方向）に超音波を送出するための超音波振動子３００
と、鉛直方向（ｚ方向）に超音波を送出するための超音
波振動子３０２とを具備して構成されている。参照番号
３０４は重りであり、この自重によって、超音波測定器
１２０は鉛直方向に降下するように設計されている。

【００７７】水平方向に超音波を送出するための振動子
３００は、支軸３１２の回転に連動して３６０度回転自
在となっており、図４に示されるように、外壁に設けら
れた開口部（ア）〜（エ）を介して任意の方向に超音波
を送出することができる。

【００７８】図３（ｂ）に示されるように、支軸３１２
はモータ３１０により駆動されて任意の角度だけ回転す
るように構成されている。また、振動子３０２は開口部
（オ）を介して、鉛直方向に超音波を送出するようにな
っている。

【００７９】また、安定液の温度を測定するための温度
計３１６は、図３（ａ）に示されるように、超音波測定
器１２０の上面に取り付けられている。但し、取り付け
位置はここに限定されるものではなく、安定液の温度を
正確に把握できる位置であるなら、他の余分なスペース
等に配置することもできる。

【００８０】このような超音波測定器１２０は、図６に
示される手順によって走査される。まず、測定器の位置
ｈおよび走査角θがそれぞれ、初期値ｈ０およびθ０に
設定され（ステップ５００，５０１）、続いて、超音波
の送受信が行われる（ステップ５０２）。

【００８１】次に、データ処理が行われる（ステップ５
０３）。続いて、走査角が適正に更新され（ステップ５
０４，５０５）、測定器の位置が適正に更新されると
（ステップ５０６，５０７）、ステップ５０１に戻っ
て、異なる方向の異なる点についての超音波計測が実行
される。なお、測定器の深度ｈは、例えば、掘削機１０
の深度に連動させて調整される。

【００８２】（位置計測の具体例）このような本実施例
の超音波による距離計測によって、水平方向の位置ず
れ、ならびに掘削機のローリング（ねじれ）を検出でき
る。

【００８３】つまり、例えば、図７に示すように、ｙ方
向に位置ずれがあった場合（図中、ハウジング１１０の
初期位置が一点鎖線で示され、変位後の位置が実線で示
されている）、超音波測定器１２０（図中、黒丸で示さ
れている）からハウジング１１０のｙ方向に位置する内
壁面（基準面）までの距離がＤ１からＤ２へと変化し、
これにより、位置ずれが検出される。

【００８４】また、図８に示されるように、ローリング
（ねじれ）が生じた場合には（図中、実線がローリング
が生じる前の位置を示し、一点鎖線がローリングが生じ
た後の位置を示す）、ｘ方向にｄ２，ｄ３の距離の変位
が生じ、ｙ方向にｄ４，ｄ５の距離変位が生じる。よっ
て、この変位よりローリングが検出可能である。

【００８５】また、ローリングが生じると、ｘ方向，ｙ
方向それぞれにおけるトータル距離も異なるため、この
距離の変化によってもローリングを検出することが可能
である。

【００８６】このように、本実施例では、超音波を用い
て非接触で、しかも直接にハウジングの位置を計測する
ため、掘削機の振動に影響されることなく、きわめて高
精度な位置計測が可能である。

【００８７】なお、ピッチングやヨーイングに関して
は、図１の傾斜角センサ２２の検出データを用いて計測
する。

【００８８】よって、本実施例によれば、図２１，図２
２に示されるすべての変位を考慮した、精度の高い掘削
機位置の計測を、非接触で行うことができる。

【００８９】このような掘削機位置の検出データは、図
１の制御装置１９０によって掘削機１０の姿勢制御に利
用される。掘削機の姿勢制御の手順の一例が、図９に示
される。

【００９０】すなわち、図５の構成をもつ超音波測定器
１２０によって、送受信タイミングの差を示す時間デー
タが取得されると（ステップ６００）、図１の距離算出
手段１６３は基準面までの距離を算出し（ステップ６０
１）、この距離データを用いて、図１の位置検出手段１
６５がハウジング位置（結果的に掘削機位置）を検出す
る（ステップ６０２）。

【００９１】次に、図１の制御装置１９０を構成する位
置ずれ検出手段１９１が位置ずれを検出し、次に、補正
量検出手段１９２が適正な掘削を行うための位置制御量
（補正量）を算出し（ステップ６０４）、この補正量に
基づいた図１の掘削機操作盤２００による制御により、
掘削機１０の位置（姿勢）が適正に制御される（ステッ
プ６０５）。

【００９２】（実施例２） （装置構成と特徴）本発明の掘削機位置の計測装置の第
２の実施例が図１０に示される。

【００９３】本実施例の特徴は、傾斜角センサを用いる
ことなく、超音波計測にのみによって、図２１，図２２
に示されるすべての変位を考慮した掘削機位置の計測を
行うことである。

【００９４】したがって、図１０の構成では、図１の傾
斜角センサ２２と、ケーブルＣ１と、傾斜角検出手段１
６２が省かれている。

【００９５】つまり、図１の構成では、ピッチングとヨ
ーイングの各々を検出するために、傾斜角センサ２２等
の特別の構成が必要であったが、本実施例ではこれらが
全く不要となり、さらに構成が簡素化されている。な
お、その他の構成は、図１の構成と同じである。

【００９６】（超音波測定点数についての考察）次に、
超音波計測のみによって掘削機位置（すなわち、ハウジ
ング位置）を検出する場合に、どれだけの測定点数が必
要であるかについて考察する。

【００９７】図１１には、最も基本的な考え方が示され
ている。つまり、ハウジング１１０の位置を特定するた
めには、直交する３つの面（図１１の（Ａ）〜（Ｃ））
を特定すればよく、そして、１つの面を特定するために
は３点のデータがあればよい。よって、各面毎に３点ず
つ、計９点のデータがあれば、ハウジングの位置を特定
できることになる。

【００９８】次に、最低限、何点のデータがあればハウ
ジング位置の特定（ハウジング外形の認識）が可能かを
図１３を用いて考察する。

【００９９】図１３に示されるように、ハウジング１１
０の位置は、このハウジング１１０の位置（空間）を特
定するような直交座標系（直交座標軸）の位置を特定す
ることによって、一義的に定まる。

【０１００】つまり、ハウジング位置（ハウジングで規
定される６面体の空間）を特定するようなｘ、ｙ，ｚの
直交座標（直交座標軸）を想定し、この直交座標（直交
座標軸）の位置を、より広い仮想的な座標空間において
特定することによって、ハウジング位置を特定する。

【０１０１】この場合、例えば、その直交座標軸の原点
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）に超音波測定器１２０
があるとする。

【０１０２】現実には超音波測定器１２０自体は静止し
ており、一方、ハウジング１１０の位置が変動すると、
このハウジング位置を特定する直交座標軸の位置がこれ
に伴って変動する。

【０１０３】したがって、上述の直交座標軸の移動を特
定できれば、結局、超音波測定器からみたハウジング１
１０の相対位置を特定できることになる。

【０１０４】そして、この直交座標軸の移動は、平行移
動および回転によって行うことができる。したがって、
平行移動に関して（α，β，γ）の３変数、および回
転に関して（θ，φ）の２変数（合計で５変数）があれ
ば、ハウジング（掘削機位置）の特定が可能である。な
お、回転についての２変数（θ，φ）は、例えば、図１
３（ｂ）に示すような極座標によって表現できる。

【０１０５】したがって、図１２に示すような、異なる
方向における５点の距離データを得ることができれば、
ハウジング位置の検出ができる。

【０１０６】（掘削機位置検出のための機能ブロックの
構成）上述の考え方を適用すると、図１０の構成中、位
置検出手段１６５は、図１４に示されるような機能ブロ
ックによって表現できる。

【０１０７】図１４（ａ）は、５点の距離データを入力
として、５つの変数（α，β，γ，θ，φ）を出力する
ような機能ブロックを示している。

【０１０８】図１４（ｂ）は、（ａ）の機能ブロックを
さらに具体化したもので、原点の平行移動検出手段１６
７と、ｘ軸（あるいはｙ，ｚ軸）の方向の変化検出手段
１６８とからなっている。

【０１０９】各検出手段１６７と１６８は、互いに情報
の授受を行いながら、ハウジング位置を正確に特定す
る。

【０１１０】例えば、図１５に示すように、ｘ方向およ
びｙ方向の距離を測定したとする。当初、超音波測定器
は原点Ａ１にあり、その後、ハウジングの位置変動によ
って相対的に点Ａ２に移動したとする。

【０１１１】この場合、ｘ方向およびｙ方向の距離はそ
れぞれｎ，ｍとなるが、これだけでは図示されるよう
に、平行移動のみなのか、あるいは回転が生じているか
否かは判別できない。

【０１１２】このような場合、ｙ方向について、反対方
向の距離（ｋ１またはｋ２）も測定し、ｍ＋ｋ１＝Ｌａ
より平行移動のみであることがわかる。

【０１１３】一方、ｍ＋ｋ２＞Ｌａより回転が生じてい
ることがわかる。但し、Ｌａはハウジングのｙ方向の一
辺の長さである。このような判断を行うために、図１４
（ｂ）の各機能ブロック１６７，１６８は相互に情報の
やり取りを行う。

【０１１４】なお、図１５は、機能ブロック間の情報の
授受の例をわかりやすく説明するために、便宜上、位置
ずれを誇張して描いている。

【０１１５】（位置検出の具体例）本実施例によると、
前述の図７（水平位置ずれ）や図８（ローリング）の変
位の他に、さらに、ヨーイングやピッチングも検出でき
る。

【０１１６】つまり、図１６に示すように、変位ｄ８，
ｄ９，ｄ１０の計測より掘削機１０のヨーイングを検出
できる。

【０１１７】また、図１７に示すように、変位ｄ１２，
ｄ１３，ｄ１４の計測によって掘削機１０のピッチング
を測定できる。

【０１１８】ヨーイングを例にとると、例えば、図１８
に示すように、〜の６つの直角三角形の内角を使っ
て、角度を算出することができる（つまり、θ２＝９０
度−θ１となる）。

【０１１９】（掘削機制御の例）図１０の本実施例によ
る掘削機制御（掘削方法）の手順の一例が図１９に示さ
れる。

【０１２０】まず、初期条件が設定され（ステップ７０
０）、掘削が開始される（ステップ７０１）。掘削機位
置はリアルタイムで測定され（ステップ７０２）、その
測定データに基づいて、ローリング角等が随時に演算さ
れる（ステップ７０３）。この位置ずれのデータを掘削
機の制御に反映させて掘削を続行し（ステップ７０
４）、、それでも修正ができなかった場合には、いった
ん掘削を中止する（ステップ７０５）。

【０１２１】このようにして、例えば、大深度地下の連
続地中壁の掘削等のおいても、常に適切な判断の下で信
頼性の高い掘削が可能となる。

【０１２２】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、変形，応
用が可能である。

【０１２３】例えば、安定液が注入されないような溝の
掘削においては、超音波の他に、赤外線や光等のビーム
を用いた計測も可能である。

【０１２４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
以下の効果が得られる。

【０１２５】（１）請求項１〜６の本発明の装置では、
超音波を用いた複数点の距離測定（測距）と、この測定
データを用いた画像認識の技術により、掘削機位置を直
接に測定する。したがって、高精度の計測が可能とな
る。

【０１２６】また、掘削機と非接触で位置を測定できる
ため、マシンの振動の影響を受けず、したがって、掘削
機の稼働中でも高精度の位置計測が可能である。

【０１２７】距離測定は、掘削機表面に固定した基準面
設定部の基準面を用いて行い、かつ、掘削機位置はソフ
トウエアにより行えるため、さしたる技術的困難がな
く、容易に現場に導入できる。特に、本発明の掘削機位
置の計測装置では、５カ所の異なる点までの距離データ
に基づき、水平位置（鉛直線からのずれ），ヨーイン
グ，ピッチング，ローリング（ねじれ）を考慮した掘削
機位置の計測を行うことができる。よって、最小限のデ
ータで、ローリング等の回転による変位を含めた高精度
な掘削機位置の計測が可能である。 異なる５点の距離の
測定は、平行移動および回転移動を特定するために必要
である。つまり、ある空間を他へ移動するためには平行
移動、および回転で移動することが可能である。したが
って、平行移動に関してｘ，ｙ，ｚの３変数、および回
転に関してθ１，θ２の２変数（合計で５変数）があれ
ば、ハウジング（掘削機位置）の特定が可能である。 （２）請求項２の本発明の装置では、温度計によって安
定液中の温度を計測することで、温度変化に応じた液中
の音速を正確に把握して距離測定の精度を向上させるこ
とができる。

【０１２８】（３）請求項３の本発明の装置では、多面
体形態の中空のハウジングを掘削機に固定し、その内壁
面を基準面として使用する。したがって、複数の基準面
を、正確に、かつきわめてコンパクトに設置することが
でき、便利である。

【０１２９】（４）請求項４の本発明の装置は、超音波
送受信手段がハウジング内で静止している。したがっ
て、掘削機位置が変動すると、これに伴ってハウジング
位置が変化し、結果的に超音波送受信手段との相対位置
が変化することから、ハウジング位置を特定することに
よって掘削機位置を計測することができる。

【０１３０】（５）請求項５の本発明の装置では、超音
波送受信手段の吊り下げ具の長さを掘削機の吊りケーブ
ルの長さと連動して調整することにより、ハウジングと
超音波送受信手段との相対的な関係を常に所定の範囲内
に保つことができる。

【０１３１】

【０１３２】（６）請求項６の本発明の装置は、大深度
の連続地中壁の掘削による立坑の築造に使用される。し
たがって、掘削中の溝壁の形状をリアルタイムでキャッ
チして方向制御を行いながら、高精度な掘削をすること
が可能となる。

【０１３３】

【０１３４】

【０１３５】（７）請求項７の本発明の計測方法では、
ハウジング内部に位置する超音波送受信機からハウジン
グの内壁面または掘削機の表面に向けて超音波を送出
し、距離を測定する。

【０１３６】この方法によれば、例えば、超音波の送出
方向を制御することにより、ハウジング（掘削機）の位
置認識に必要な複数点の距離データを、容易に測定でき
る。

【０１３７】

【０１３８】特に、本発明の計測方法では、５カ所の異
なる点までの距離データに基づき、水平位置（鉛直線か
らのずれ），ヨーイング，ピッチング，ローリング（ね
じれ）を考慮した掘削機位置の計測を行うことができ
る。よって、最小限のデータで、ローリング等の回転に
よる変位を含めた高精度な掘削機位置の計測が可能であ
る。

【０１３９】（８）請求項８に記載の本発明の掘削方法
では、温度計によって安定液中の温度を計測すること
で、温度変化に応じた液中の音速を正確に把握して距離
測定の精度を向上させることができる。

【０１４０】

【０１４１】（９）以上により、掘削機の振動の影響を
受けず、泥水中においても掘削機位置を直接に、高精度
にローリングを含めて計測し得る新規な技術を提供する
こと、ならびにこの技術を用いた高精度な掘削技術を提
供すること、が可能となった。

【０１４２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の掘削機位置の計測装置の第１の実施例
の構成を示す図である。

【図２】図１の実施例における、超音波を用いた距離測
定の態様を示す図である。

【図３】超音波測定器の構成例を示す図であり、（ａ）
は全体構成，（ｂ）は要部構成を示す図である。

【図４】超音波測定器の、超音波振動子の水平方向にお
ける走査例を示す図である。

【図５】超音波測定器の内部構成例を示すブロック図で
ある。

【図６】超音波測定器を用いた測距動作の手順を示すフ
ローチャートである。

【図７】図１の実施例を用いて、掘削機の水平方向の位
置ずれを検出することができることを説明するための図
である。

【図８】図１の実施例を用いて、掘削機のローリング
（ねじれ）を検出することができることを説明するため
の図である。

【図９】図１の実施例を用いた、掘削機の位置制御のた
めの手順を示すフローチャートである。

【図１０】本発明の掘削機位置の計測装置の第２の実施
例の構成を示す図である。

【図１１】ハウジング（掘削機）位置の特定のための、
距離データ取得の一例を示す図である。

【図１２】ハウジング（掘削機）位置の特定のための、
距離データ取得の他の例（最も少ないデータ点数の例）
を示す図である。

【図１３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、距離データより
ハウジング位置を検出する方法の一例の概要を説明する
ための図である。

【図１４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１３のハウジ
ング位置の検出方法を実現するため機能ブロックの例を
示す図である。

【図１５】図１４の機能ブロックにおける処理（ハウジ
ング位置を特定するための画像処理）の内容の一部を示
す図である。

【図１６】図１０の実施例を用いて、掘削機のヨーイン
グを検出することができることを説明するための図であ
る。

【図１７】図１０の実施例を用いて、掘削機のピッチン
グを検出することができることを説明するための図であ
る。

【図１８】本発明を用いて、掘削機のヨーイングを検出
する場合の演算処理の内容の一例を示す図である。

【図１９】図１０の実施例を用いた、掘削機制御の一例
の手順を示すフローチャートである。

【図２０】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、本発明
前に本発明者によって検討された掘削機位置の計測技術
の例を示す図である。

【図２１】掘削機位置の変位を説明するための図であ
る。

【図２２】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、掘削機
のヨーイング，ピッチング，ローリングを説明するため
の図である。

【図２３】立坑の築造のための掘削形態の一例を示す図
である。

【符号の説明】

１０ 掘削機 １２ 回転ビット ２０ アジャスタブルガイド １００ 吊りワイヤー １１０ ハウジング（基準板） １２０ 超音波測定器 １３０ ウインチ １６０ 位置検出装置 １７０ 表示装置 １８０ データレコーダ １９０ 制御装置 ２００ 掘削機操作盤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 英智 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田 建設株式会社内 (72)発明者 原田 和男 東京都東久留米市滝山６−３−７−210 (72)発明者 筒井 透 埼玉県所沢市山口5040 39−５−303 (56)参考文献 特公 昭57−45878（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭58−24728（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21B 47/024 E21B 44/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘削機の表面に固定された基準面設定部
   と、 この基準面設定部の前記基準面に向けて超音波を送出す
   る超音波送信部と、前記基準面からの反射波を受信する
   超音波受信部とを具備し、前記掘削機とは非接触の状態
   で保持されてなる超音波送受信手段と、 超音波の送信および受信タイミングの差に基づき時間デ
   ータを取得する時間測定手段と、 この時間測定手段によって取得された時間データに基づ
   いて、前記超音波送受信手段と前記基準面との間の距離
   データを取得する距離データ取得手段と、 この距離データ取得手段によって取得された前記距離デ
   ータを用いて前記掘削機位置を求める掘削機位置検出手
   段とを有し、 縦坑あるいは溝の内部における掘削機の位置を計測する
   掘削機位置の計測装置であって、 前記掘削位置検出手段は、仮想的な座標空間における前
   記基準面位置を特定する直交座標系の位置を検出するた
   めに、前記基準面設定部内の異なる方向の５箇所の点に
   ついての距離を計測 することを特徴とする掘削機位置の
   計測装置。
2. 【請求項２】 前記立坑あるいは溝内には安定液が注入
   されると共に、前記安定液の温度を測定する温度計が設
   けられていることを特徴とする請求項１記載の掘削機位
   置の計測装置。
3. 【請求項３】 基準面設定部は、多面体をなす中空のハ
   ウジングからなり、このハウジングは複数の壁面を含ん
   で構成されており、 超音波送受信手段は、前記中空のハウジングの内部に位
   置し、複数の内壁面に対して超音波の送受信を行い、 掘削機位置検出手段は、超音波送受信手段とハウジング
   の前記複数の内壁面との間の各距離データに基づいて、
   前記複数の内壁面の各位置を検出することにより前記掘
   削機の位置を特定することを特徴とする請求項１または
   ２記載の掘削機位置の計測装置。
4. 【請求項４】 ハウジングは掘削機の上面に固定されて
   おり、そのハウジングの上部は開口しており、 超音波送受信手段は吊り下げ具によって吊り下げられ、
   前記ハウジングの上部の開口を介して前記ハウジングの
   内部に静止して保持されることを特徴とする請求項３記
   載の掘削機位置の計測装置。
5. 【請求項５】 掘削機は長さの調整が可能な吊りワイヤ
   ーによって吊られており、超音波送受信手段を吊り下げ
   る前記吊り下げ具の長さは、前記吊りワイヤーの長さと
   連動して調整されることを特徴とする請求項４記載の掘
   削機位置の計測装置。
6. 【請求項６】 掘削機位置の計測装置は、大深度の連続
   地中壁の掘削による立坑築造に使用されることを特徴と
   する請求項１〜５のいずれかに記載の掘削機位置の計測
   装置。
7. 【請求項７】 縦坑あるいは溝を掘削する掘削機の表面
   に多面体からなる中空のハウジングを固定しておき、 掘削機の深さ位置に合わせて超音波送受信機を降下さ
   せ、その超音波送受信機を前記ハウジングの内部におい
   て、ハウジングの内壁面に接触しないように保持し、 前記超音波送受信機からハウジングの前記内壁面または
   掘削機の表面に向けて超音波を送出し、反射波を受信し
   て、内壁面までの距離または掘削機の表面までの距離を
   測定し、 その距離から前記ハウジングの位置を特定し、これによ
   って、掘削機位置を計測する掘削機位置の計測方法であ
   って、 仮想的な座標空間におけるハウジング位置を特定する直
   交座標系の一を検出するために、前記超音波送受信器に
   て異なる方向の５箇所の点についての距離を測定するこ
   とを特徴とする掘削位置の計測方法。
8. 【請求項８】 前記縦坑あるいは溝内には安定液が注入
   され、 前記安定液の温度を温度計にて計測し、安定液中におけ
   る音速を求めることを特徴とする請求項７記載の掘削機
   位置の計測方法。