JP3221320B2 - トンネル掘削機械の先端位置の検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トンネル掘削機
械の先端位置の検出方法に関し、特に、シールド掘進機
やトンネルボーリングマシン等の、先端面に回転駆動す
るカッターフェイスを備えたトンネル掘削機械の先端位
置を検出するための検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル工事においては、掘削作業中の
トンネルを、トンネル同士の地中接合部や到達基地に精
度良く到達させる必要がある。そして、特に、シールド
掘進機やトンネルボーリングマシン等の、先端面に回転
駆動するカッターフェイスを備えたトンネル掘削機械を
用いてトンネルを構築して行く際には、これらは切羽面
等を閉塞した状態で掘削してゆく機械であるため、その
位置の管理が容易でないばかりか、地中接合部や立坑に
対するドッキング位置にトンネル掘削機械が正確に到達
しないと、地盤条件などから、かかる誤差を修復するた
めの拡幅工事や補強工事に多くの無駄な労力を要するこ
とになるとともに、トンネル掘削機械の撤去作業等が困
難になる場合がある。

【０００３】したがって、これらのトンネル掘削機械を
地中接合部や立坑等の到達基地に精度良く到達させるた
めの方法が種々提案されており、例えば、このようなド
ッキング位置の手前で地上から垂直ボーリングを行って
正確な位置出しを行い、このボーリング位置を基準とし
て軌道を修正してゆくことにより、トンネル掘削機械を
所望の到達位置に到達させる方法が一般的に採用されて
いる。

【０００４】一方、このような垂直ボーリングによる方
法では、設置すべきトンネルが地中の相当の深さに位置
する場合や、水面下の地盤に位置する場合には、その位
置を精度良く測定することが困難なことから、このよう
な場合でも、比較的簡単な手段で、高精度かつ容易にト
ンネル掘削機械の先端位置を検出できる方法として、例
えば本願出願人の出願に係る特開昭６１−２５４７９３
号公報に記載された検出方法が提案されている。

【０００５】すなわち、この公報の検出方法によれば、
例えば、シールド掘進機をその掘進軌道を修正可能な位
置に停止させた後、ドッキングすべき他方のシールド掘
進機や立坑からこのシールド掘進機に向けて水平ボーリ
ングを行い、このボーリング孔の先端部に設けた磁気セ
ンサーによって、面板すなわちカッターフェイスに設け
られたビット、スリット孔、磁性片などにより磁界が乱
されるのを検知してそのシールド掘進機の面盤形状を探
査し、この探査結果をあらかじめ収集したデータと比較
することによりカッターフェイスの位置を検出するもの
である。

【０００６】そして、この検出方法によれば、磁気セン
サーによりシールド掘進機のカッターフェイスの磁気的
な変化を測定してその位置を特定するものであるので、
構成が比較的簡単であって、かつ垂直ボーリングを行う
ことのできない施工箇所においてもシールド掘進機の位
置を高精度で検出できるとともに、従来と比較してその
費用を大幅に低減することができるという利点を備える
ものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記磁
気センサーによりカッターフェイスの位置を検出する方
法によれば、上述のような利点を有する一方で、探査結
果と比較するためのデータを収集する作業に長時間を要
する場合があり、また、掘削作業中の磨耗、破損等によ
ってカッターフェイスの形状が変化して、事前に収集し
たデータとの比較が困難になる場合がある。さらに、そ
の解析作業に多くの労力や時間を費やすことになる場合
もある。

【０００８】そこで、この発明はこのような従来の課題
に着目してなされたもので、事前のデータの収集や煩雑
な解析作業を必要とすることなく、既存の装置を用いて
簡易、迅速かつ精度良くトンネル掘削機械の先端位置を
検出することができるとともに、カッターフェイスの形
状が変化した場合でも、大きな影響を受けることなく精
度良くトンネル掘削機械の先端位置を検出してゆくこと
のできるトンネル掘削機械の先端位置の検出方法を提供
することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、このような
目的を達成するためになされたもので、その要旨は、シ
ールド掘進機やトンネルボーリングマシン等の、先端面
に回転駆動するカッターフェイスを備えたトンネル掘削
機械の先端位置を検出するための方法であって、前記カ
ッターフェイスには、複数のデータキャリアを、カッタ
ーフェイスが回転駆動する際に当該データキャリアの各
軌跡が放射方向に所定間隔をおいた同心円を描くよう
に、前記カッターフェイスの回転中心からの距離を異な
らせた状態で取り付けておき、前記トンネル掘削機械の
先端面が検出位置に到達したら、前記カッターフェイス
が対向する他のトンネル坑や立坑等の作業空間から前記
カッターフェイスに向かってボーリング孔を穿孔形成
し、該穿孔形成したボーリング孔には、前記データキャ
リアからの情報を読み取るためのアンテナを挿入して当
該アンテナを前記カッターフェイスの近傍に配設し、前
記カッターフェイスを回動するとともに、前記アンテナ
の配設位置の近傍を通過する前記データキャリアの情報
を読み取ることによりデータキャリアを特定して、前記
カッターフェイスの先端位置を検出することを特徴とす
るトンネル掘削機械の先端位置の検出方法にある。

【００１０】また、この発明の検出方法によれば、前記
カッターフェイスに取り付けられる複数のデータキャリ
アを、少なくとも隣接する同心円を描くデータキャリア
が放射方向に直線状に配設されないように、前記カッタ
ーフェイスの回転方向に所定の角度間隔をおいて配置す
るようにすることが好ましい。

【００１１】そして、この発明のトンネル掘削機械の先
端位置の検出方法によれば、カッターフェイスに取り付
けられたデータキャリアと、ボーリング孔を介してカッ
ターフェイスの近傍に配置されたアンテナとの間で情報
の伝達を行うことにより、カッターフェイスすなわちト
ンネル掘削機械の先端面の位置を検出する。

【００１２】ここで、データキャリアとは、生活活動に
利用するために物体の属性情報を記録し認識する技術に
関するＩＤ技術において、当該データキャリアに対し伝
送媒体の送受信を行うリーダ／ライタとともにデータキ
ャリアシステム（ＩＤシステム）を構成する、非接触で
データを読み取り又は書き込みすることができる情報担
体をいい、ＩＤタグ、トランスポンダー、応答器ともよ
ばれるもので、具体的にはＩＤカード等が含まれる。

【００１３】一方、アンテナとは、上記リーダ／ライタ
を構成し、データキャリアとの間で伝送媒体の送受信を
行うもので、コンピュータやプログラマブルコントロー
ラ等の上位機器と適宜接続して、これらの指令により、
データキャリアとの間で、マイクロ波や低周波等の情報
伝送媒体を介して非接触状態でデータの読み取り又は書
き込みを行うものである。

【００１４】そして、この発明の検出方法によれば、ア
ンテナがカッターフェイスの近傍に配設されるので、例
えばカッターフェイスを回転すると、カッターフェイス
に取り付けた複数のデータキャリアのうち、いずれか一
以上のデータキャリアがその円形の軌跡に沿って当該ア
ンテナの近傍を通過することになり、この時このデータ
キャリアに担持された情報をアンテナによって読み取る
とともに、カッターフェイスの回転角を測定すれば、カ
ッターフェイスに対するボーリング孔の先端の相対位置
が判明することになるので、これによって、ボーリング
孔の先端位置を基準とした、カッターフェイスすなわち
トンネル掘削機械の先端面の位置が正確に検出されるこ
とになる。

【００１５】また、データキャリアシステムを構成する
アンテナは指向性を有するとともに、このアンテナに適
宜取り付けたリーダユニット等の入出力を調整して、そ
の指向性を制御し、アンテナの近傍を通過する特定のデ
ータキャリアからの情報のみを読み取るようにすれば、
アンテナによって複数のデータキャリアの情報が重複し
て読み取られることになるのを容易に回避することがで
きる。

【００１６】さらに、データキャリアは、これの回転に
よる同心円状の軌跡が密に描かれるように、カッターフ
ェイスの回転中心からの距離すなわち回転半径の差を密
にした状態でカッターフェイスに多数取り付ければ、よ
り精度良くその位置を検出できることになるが、データ
キャリアが近接配置されることにより、複数のデータキ
ャリアの情報が重複してアンテナにより読み取られるこ
とを回避するためには、少なくとも隣接する同心円を描
くデータキャリアが放射方向に直線状に配設されないよ
うに、前記カッターフェイスの回転方向に所定の角度間
隔をおいて配置するようにする。

【００１７】なお、ボーリング孔の先端位置は、ボーリ
ング孔の穿孔作業を行ったトンネル坑や立坑等の作業空
間から、トータルステーション等を使用した従来の測量
方法を採用して精度良く測定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態すなわち実施例について、添付図面を参照しつつ詳
細に説明する。この実施例によれば、一例として、一対
のシールド掘進機１０，１１により各々掘削形成された
シールドトンネル１２，１３を地中において精度良く接
合してこれらのシールドトンネル１２，１３が連通一体
化したトンネルを構築すべく、この発明のトンネル掘削
機械の先端位置の検出方法を採用するものである。

【００１９】すなわち、この実施例では、これらのシー
ルドトンネル１２，１３を地中の接合部において精度良
く合体させるため、一方のシールド掘進機１０の先端面
を、これがドッキングする他方のシールド掘進機１１の
先端面に正確に導いて到達させることを目的として、こ
の実施例の検出方法により他方のシールド掘進機１１に
対する一方のシールド掘進機１０の先端面の位置を検出
する。

【００２０】そして、この実施例の検出方法によれば、
一方のシールド掘進機１０によるトンネル１２の掘進作
業に先立って、当該シールド掘進機１０の先端面に位置
して切羽面の切削を行う面盤タイプのカッターフェイス
１４に、データキャリアとしてのＩＤタグ１５を複数取
り付けておく。

【００２１】ここで、ＩＤタグ１５は、後述するアンテ
ナ１６とともにＩＤシステムを構成する、非接触状態で
データを読み取り又は書き込みをすることができる情報
担体で、カード形、ガラス封入形、ウェッジ形等、公知
の種々の形式のものを用いることができる。なお、この
ＩＤタグ１５は、シールド掘進機１０による長期間にわ
たる掘進作業の後にも使用が可能なように、無電池方式
のものを用いることが好ましい。

【００２２】また、これらのＩＤタグ１５は、図２に示
すように、カッターフェイス１４を構成する面板２６の
全体にわたって、スリット状の開口部１７を避けるよう
な位置に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３８まで３８カ所に取り付
けられている。

【００２３】なお、これらの各ＩＤタグ１５は、図３
（ａ）及び（ｂ）に示すように、透明の耐摩耗性樹脂２
７を取り付けて前面開口部分を閉塞した状態で面板２６
に開口形成された取付孔２８に、当該ＩＤタグ１５を埋
設した中実円筒状の樹脂ブロック２９を嵌合挿入し、位
置決めした後ペイントロック等で固定し、さらに後面開
口部分を鉄製カバー２４で覆うことによって強固に取り
付けられることになる。すなわち、このようにして取り
付けられたＩＤタグ１５によれば、地山や、耐摩耗性樹
脂２７あるいは樹脂ブロック２９を構成する樹脂を容易
に透過する低周波やマイクロ波等の伝送媒体を介して、
アンテナ１６との間で情報の交換を容易に行うことがで
きることになる。

【００２４】また、図２及び図３において、符号２０で
示されるものは、カッターフェイス１４の中心に位置す
るフッシュテール部、符号２１はカッタ−ビット、符号
２２は先行ビット、符号２３は最外周先行ビットであ
る。

【００２５】一方、図４は、図２に示すカッターフェイ
ス１４に対するＩＤタグ１５の３８カ所の配設位置につ
いて、さらに詳細に説明する説明図である。ここで、同
図におけるスポークＮｏ．の欄は、図２のカッターフェ
イス１４を構成するＮｏ．１〜Ｎｏ．８の各スポークに
対応することを示しており、また同図の左欄に示す数値
は、下端を５００ｍｍとしたカッターフェイス１４の中
心からの距離すなわち取付半径を示すものである。さら
に、図中の斜線で示す箇所は各スポークにおける先行ビ
ット２２の取り付け位置を、図中の丸数字で示す箇所は
各スポークにおけるＩＤタグ１５の取り付け位置及びそ
のＮｏ．をそれぞれ示すものである。したがって、同図
によれば、例えばＮｏ．１のスポークにおいては、取付
半径５７０ｍｍ，１１１０ｍｍ，１３５０ｍｍの位置に
先行ビット２２が、取付半径７４０ｍｍ，９００ｍｍ，
１０６０ｍｍ，１２４０ｍｍ，１４００ｍｍの位置にＮ
ｏ．３７，Ｎｏ．３０，Ｎｏ．２２，Ｎｏ．１３，Ｎ
ｏ．５のＩＤタグ１５が、それぞれ取り付けられている
ことになる。

【００２６】そして、図４を全体的に見ると、取付半径
７１０ｍｍ（Ｎｏ．３８）〜１４８０ｍｍ（Ｎｏ．１）
の範囲で、３８カ所のＩＤタグ１５が、２０ｍｍ〜３０
ｍｍの間隔で取付半径を異ならせながら、かつ、連続す
る番号のＩＤタグ１５が同一スポークにおいて放射方向
に連続して取り付けられることのないようにしながら、
順次内側から外側に向かって番号が小さくなるようにし
て配置されていることになる。

【００２７】次に、このようにしてカッターフェイス１
４に複数のＩＤタグ１５が取り付けられたシールド掘進
機１０によって、接合部に向かってトンネルの掘進作業
が行われることになるが、シールド掘進機１０がこの接
合部に接近してきたら、接合部に対する軌道を修正可能
な距離として例えば５０ｍ程度の距離を残し、この位置
を検出位置として当該シールド掘進機１０を一旦停止さ
せる。そして、この接合部に先行して到達している他方
のシールド掘進機１１の坑内を作業空間として、当該シ
ールド掘進機１０の先端の位置を検出する作業を行う。

【００２８】すなわち、かかる検出作業を行うには、図
１に示すように、まず他方のシールド掘進機１１の坑内
から、当該シールド掘進機１０の先端のカッターフェイ
ス１４に向かってボーリング孔１８を穿孔形成するとと
もに、このボーリング孔１８にＩＤタグ１５からの情報
を読み取るアンテナ１６を挿入配置する作業を行う。

【００２９】ここで、このボーリング孔１８の穿孔作業
は、例えば他方のシールド掘進機１１のカッターフェイ
ス２５に開口形成した穿孔用の開口から、既存のボーリ
ング装置を用いて、当該シールド掘進機１０のカッター
フェイス１４に近接する位置まで、容易に行うことがで
きるとともに、このようにして穿孔形成されたボーリン
グ孔１８には、その先端部分にアンテナ１６を挿入し
て、これをカッターフェイス１４の近傍、例えばカッタ
ーフェイス１４から２０ｃｍ程度離れた位置に配置す
る。

【００３０】また、ボーリング孔１８の内部には、配置
したアンテナ１６に後続してリーダユニット１９を配設
するとともに、他方のシールド掘進機１１によるトンネ
ル１３の坑内には、リーダユニット１９に接続して、リ
ーダユニット１９の制御や得られた情報の収集、処理、
出力等を行うパーソナルコンピュータ３０を配置する。

【００３１】なお、アンテナ１６を配置したボーリング
孔１８の先端位置は、他方のシールド掘進機１１から、
トランシットやジャイロコンパス、トータルステーショ
ン等の公知の装置を使用した測量方法により、予め精度
良く測定しておく。

【００３２】そして、このようにしてアンテナ１６やリ
ーダユニット１９、パーソナルコンピュータ３０等を配
置したら、当該シールド掘進機１０のカッターフェイス
１４を例えば１分間に１回転程度の回転速度で回動する
とともに、リーダユニット１９を作動して、カッターフ
ェイス１４に取り付けたＩＤタグ１５からの情報を、ア
ンテナ１６を介して読み取る作業を行なう。

【００３３】すなわち、カッターフェイス１４を回動す
れば、取付半径を２０ｍｍ〜３０ｍｍの間隔で異ならせ
ながら配設された３８カ所のＩＤタグ１５は、２０ｍｍ
〜３０ｍｍの密な間隔の同心円を描きながら回転してゆ
くことになり、これによっていずれか一又は二のＩＤタ
グ１５が、アンテナ１６に最寄りの位置を通過して行く
ことになるので、リーダユニット１９からの入出力を調
整して、最寄りの位置を通過する一カ所のＩＤタグ１５
を特定し、この特定したＩＤタグ１５のみから情報を得
るようにする。

【００３４】ここで、ＩＤタグ１５は、予め書き込まれ
た位置情報、例えばカッターフェイス１４の中心からの
距離等の情報を担持しており、リーダユニット１９から
の出力を受けて、あるいはＩＤタグ１５が自ら、マイク
ロ波や低周波等の情報伝送媒体を発し、これをアンテナ
１６が拾ってその情報を読み取ることにより、カッター
フェイス１４の位置が容易に検出されることになる。

【００３５】すなわち、アンテナ１６ないしはリーダユ
ニット１９によって読みとられたＩＤタグ１５の情報
は、他方のシールド掘進機１１に設置されたパーソナル
コンピュータ３０に伝送されるとともに、当該一方のシ
ールド掘進機１０において計測された、ＩＤタグ１５の
情報が読み取られた瞬間のカッターフェイス１４の回転
角度等の情報が、地上に配設した回線等を通じて上記パ
ーソナルコンピュータ３０に伝送されることになり、こ
れらの情報を演算処理して、カッターフェイス１４に対
するボーリング孔１８の先端の相対位置が正確に検知さ
れることになる。

【００３６】また、他方のシールド掘進機１１に対する
ボーリング孔１８の先端位置に関する情報は、上記公知
の測量方法により精度良く測定されてパーソナルコンピ
ュータ３０に収納されているため、これらの情報を併せ
て演算処理すれば、他方のシールド掘進機１１に対する
当該シールド掘進機１０の先端の位置が簡易、迅速かつ
容易に検出されることになる。

【００３７】そして、この実施例によれば、ＩＤタグ１
５は、上述のように、カッターフェイス１４の回動によ
る同心円状の軌跡が密に描かれるように、取付半径すな
わち回転半径の間隔を密にした状態でカッターフェイス
に取り付けられていることから、いずれか一カ所のＩＤ
タグ１５を特定して位置情報を得ることにより、精度良
く当該シールド掘進機１０の先端の位置を検出すること
ができることになる。また、これらのＩＤタグ１５は、
少なくとも隣接する同心円を描くＩＤタグ１５が同一の
スポークに配設されないように、スポークを異ならせて
カッターフェイス１４の回転方向に所定の角度間隔をお
いて配置されているので、複数のＩＤタグ１５の情報が
重複してアンテナ１６によって読み取られるのを容易に
回避することができることになる。

【００３８】このようにして、他方のシールド掘進機１
１に対する当該シールド掘進機１０の先端の位置が検出
されたら、接合部において、当該シールド掘進機１０が
他方のシールド掘進機１１に対して精度良く合体するよ
うに、その軌道を修正しながら再びシールド掘進機１０
による掘進作業を行ってゆくことになるが、シールド掘
進機１０を適宜停止し、同様の検出作業を繰り返してシ
ールド掘進機１０の先端の位置を引き続き追跡してゆく
ようにすれば、シールド掘進機１０を一層高精度に接合
部に到達させることができるようになる。

【００３９】なお、この発明は上記実施例の実施の態様
のものに限定されるものではなく、各請求項に記載され
た構成の範囲内において、種々変更して採用することが
できる。例えば、この発明の検出方法は、シールド掘進
機等のトンネル掘削機械同士をドッキングさせる場合の
みならず、立坑等の他の到達基地にトンネル掘削機械を
ドッキングさせる場合にも採用することができ、また、
面盤タイプのカッターフェイスを有するトンネル掘削機
械に限定されることなく、スポークタイプのカッターフ
ェイスにデータキャリアを取り付けてこの発明を実施す
ることもできる。さらに、カッターフェイスに取り付る
複数のデータキャリアは、アンテナにより重複して情報
が読み取られるおそれがなければ、必ずしも、少なくと
も隣接する同心円を描くデータキャリアが放射方向に直
線状に配設されないようにして配置する必要はない。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
トンネル掘削機械の先端位置の検出方法によれば、カッ
ターフェイスに、複数のデータキャリアを取り付けてお
き、トンネル掘削機械の先端面が検出位置に到達した
ら、カッターフェイスと対向する作業空間からカッター
フェイスに向かってボーリング孔を穿孔形成してこれに
アンテナを配設し、カッターフェイスを回動するととも
に、アンテナによって特定のデータキャリアからの情報
を読みとってカッターフェイスの先端位置を検出するの
で、事前のデータの収集や煩雑な解析作業を必要とする
ことなく、既存の装置を用いて簡易、迅速かつ精度良く
トンネル掘削機械の先端位置を検出することができると
ともに、カッターフェイスの形状が変化した場合でも、
大きな影響を受けることなく精度良くトンネル掘削機械
の先端位置を検出してゆくことができる。

【００４１】また、複数のデータキャリアを、少なくと
も隣接する同心円を描くデータキャリアが放射方向に直
線状に配設されないように、カッターフェイスの回転方
向に所定の角度間隔をおいて配置するようにすれば、デ
ータキャリアが近接配置されることにより、複数のデー
タキャリアの情報が重複してアンテナにより読み取られ
ることになるのを容易に回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るトンネル掘削機械の
先端位置の検出方法の実施状況を示す説明図である。

【図２】図１の実施例における、データキャリアのカッ
ターフェイスへの配置状況を示すカッターフェイスの正
面図である。

【図３】（ａ）はデータキャリアのカッターフェイスへ
の取り付け状況を示す、図２のＡ−Ａに沿った断面図、
（ｂ）は（ａ）のＸ部の拡大図である。

【図４】図２に示すカッターフェイスに配設された複数
のデータキャリアの位置関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，１１ シールド掘進機（トンネル掘削機械） １２，１３ シールドトンネル １４ カッターフェイス １５ ＩＤタグ（データキャリア） １６ アンテナ １８ ボーリング孔 １９ リーダユニット ３０ パーソナルコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−239587（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−27803（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−162946（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−68851（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−50164（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21D 9/06 301 G01C 15/00 104 G01B 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド掘進機やトンネルボーリングマ
   シン等の、先端面に回転駆動するカッターフェイスを備
   えたトンネル掘削機械の先端位置を検出するための方法
   であって、前記カッターフェイスには、複数のデータキ
   ャリアを、カッターフェイスが回転駆動する際に当該デ
   ータキャリアの各軌跡が放射方向に所定間隔をおいた同
   心円を描くように、前記カッターフェイスの回転中心か
   らの距離を異ならせた状態で取り付けておき、前記トン
   ネル掘削機械の先端面が検出位置に到達したら、前記カ
   ッターフェイスが対向する他のトンネル坑や立坑等の作
   業空間から前記カッターフェイスに向かってボーリング
   孔を穿孔形成し、該穿孔形成したボーリング孔には、前
   記データキャリアからの情報を読み取るためのアンテナ
   を挿入して当該アンテナを前記カッターフェイスの近傍
   に配設し、前記カッターフェイスを回動するとともに、
   前記アンテナの配設位置の近傍を通過する前記データキ
   ャリアの情報を読み取ることによりデータキャリアを特
   定して、前記カッターフェイスの先端位置を検出するこ
   とを特徴とするトンネル掘削機械の先端位置の検出方
   法。
2. 【請求項２】 前記カッターフェイスに取り付けられる
   複数のデータキャリアを、少なくとも隣接する同心円を
   描くデータキャリアが放射方向に直線状に配設されない
   ように、前記カッターフェイスの回転方向に所定の角度
   間隔をおいて配置することを特徴とする請求項１に記載
   のトンネル掘削機械の先端位置の検出方法。