JP3465970B2 - 地中穿孔システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、地中に小径の直線孔
や曲線孔を掘り進める地中穿孔システムに関する。 【０００２】 【従来の技術】地下に小径の孔を掘り進めるためには、
例えば図９に示す地中穿孔用ドリルを用いる。この地中
穿孔用ドリルは、加圧した流体を噴出させて、地中に直
線孔や曲線孔のトンネルを掘り進む。 【０００３】この地中穿孔用ドリルは、長手形状の本体
部１１０と、本体部１１０の先端に設けられたヘッド部
１２０とを備える。本体部１１０の内部には、加圧した
流体の流路が形成され、ヘッド部１２０の内部には、流
路１２１が形成されている。本体部１１０の長手方向の
中心軸１１１が、流路１２１の長手方向の中心軸１２２
と角度αで交差するように、ヘッド部１２０は、本体部
１１０に設けられている。加圧した流体は、ヘッド部１
２０の放出口１２３から外部に噴出する。 【０００４】この地中穿孔用ドリルを用いて、地中に直
線孔を掘る場合、本体部１１０を回転させながら、ドリ
ルを前進させる。また、曲線孔を掘る場合、本体部１１
０の回転を停止して、ドリルを前進させる。 【０００５】このような技術は、特開昭６１−２５７５
０１号公報に示されている。また、このドリルを用い
て、地中に直線孔や曲線孔を掘り進めるシステムが特開
昭６３−１６５６８６号公報に示されている。 【０００６】このシステムは、図１０に示すように、地
中ボーリング装置２１０を目標点に案内する。地中ボー
リング装置２１０には、例えば図９に示す地中穿孔用ド
リルがドリルヘッドとして用いられる。地中ボーリング
装置２１０は、制御ステーション２２０と接続されてい
る。制御ステーション２２０は、地中ボーリング装置２
１０を駆動して、地中に直線孔や曲線孔を掘り進める。 【０００７】地中ボーリング装置２１０は、地中を掘り
進むときに、誘導信号を送信する。目標点に置かれた受
信組立体２３０は、誘導信号をアンテナ２３１で受信し
て、地中ボーリング装置２１０が目標点に至るコースに
沿って移動しているかどうかを検出する。コースから外
れている場合、受信組立体２３０は、アンテナ２３２を
用いて、指示信号を制御ステーション２２０に送信す
る。制御ステーション２２０は、アンテナ２２１で指示
を受信すると、この指示に基づいて、地中ボーリング装
置２１０を制御する。 【０００８】このようなシステムにより、直線孔や曲線
孔のトンネルを地中に掘り進める。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】ところで、先に述べた
システムを用いて、例えばループ状のトンネルを形成す
る場合がある。この場合には、作業者が、システムの受
信組立体２３０を、ループ状のトンネルのコースに沿っ
て何回も移動する必要がある。 【００１０】また、このために、作業者が地中ボーリン
グ装置２１０の掘り進み状況を監視する必要があり、ト
ンネルを掘り進めるための作業性は低下する。 【００１１】この発明の目的は、このような欠点を除
き、トンネルを掘り進めるためのコースをセットした後
は、任意形状のトンネルを自動的に掘り進めることがで
きる地中穿孔システムを提供することにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】この発明は、その目的を
達成するため、地中での掘進み方向を検出し、検出した
掘進み方向に応じて断続する磁界を放射するドリルヘッ
ドと、ドリルヘッドを回転状態で押し進めて地中に直線
孔を掘り、ドリルヘッドを回転停止状態で押し進めて曲
線孔を掘る推進装置と、地面に設けられた、直線孔およ
び曲線孔の掘進み計画線を検出して、この掘進み計画線
に沿って移動し、ドリルヘッドからの磁界を受信する
と、この磁界の断続状態からドリルヘッドの掘進み方向
を検出し、受信した磁界の減衰状態からドリルヘッドの
深さを検出し、検出した掘進み方向に対する掘進み計画
線の変位量、および、あらかじめ記憶している深さに対
する検出した深さの変位量を調べて推進装置に送る誘導
台車とを有し、推進装置は、誘導台車からの変位量を受
け取ると、この変位量に基づいてドリルヘッドの掘進み
方向を変える。 【００１３】 【作用】この発明では、これから掘り進めるトンネルの
計画線を地面に設ける。さらに、これから掘り進めるト
ンネルの計画線上での深さを、誘導台車に記憶させる。 【００１４】この状態のときに、誘導台車が地面に設け
られた計画線を検出し、この計画線に沿って移動する。
同時に、この誘導台車は、ドリルヘッドからの磁界を受
信する。誘導台車は、受信した磁界から、ドリルヘッド
の計画線に対する変位量と、深さに対する変位量とを検
出する。そして、誘導台車は、各変位量を推進装置に送
る。推進装置は、受け取った変位量に基づいて、ドリル
ヘッドの掘進み方向を変える。 【００１５】これにより、これから掘り進めるトンネル
の計画線を地面に設け、このトンネルの計画線上での深
さを誘導台車３０に記憶させるだけで、自動的にトンネ
ルを掘り進めることができる。 【００１６】 【実施例】次に、この発明の実施例を、図面を用いて説
明する。 【００１７】図１，２は、この発明の一実施例を示す説
明図である。この地中穿孔システムは、例えばマンホー
ル用の穴となる縦穴１と縦穴２とを連結する小径の孔
（以下、トンネルと記す）を掘る。この地中穿孔システ
ムは、ドリルヘッド１０と、推進装置２０と、誘導台車
３０とを備える。 【００１８】この地中穿孔システムのために、縦穴１と
縦穴２とを結ぶトンネルの位置を示す計画線（掘進み計
画線）３が地面に引かれている。計画線３は光を反射
し、例えば金属箔テープが計画線３として用いられる。
また、図３に示すように、これから掘るトンネル４の深
さＲn（ｎ＝１〜８）が計画線３の各地点Ｓn（ｎ＝１〜
８）にあらかじめ設定されている。 【００１９】ドリルヘッド１０は、地中に曲線孔や直線
孔を掘り進めるものであり、例えば先に説明した図９の
地中穿孔用ドリルである。ドリルヘッド１０は、地中で
の掘進み方向を検出し、検出した掘進み方向に応じて断
続する磁界を送信する。このために、ドリルヘッド１０
は、例えば図４に示す送信装置を備える。 【００２０】この送信装置の電源回路１９Ｂは、蓄電池
１９Ａからの電源により、直流電圧を発生して、各回路
に供給する。これにより、送信装置が動作状態になる。
水晶発振器１１は、１ＭＨｚの周波数の信号を継続的に
発振する。分周器１２は、１ＭＨｚの信号を受け取る
と、この信号を１／２０に分周して、５０ｋＨｚの送信
用の信号ａを発生する。また、分周器１２は、１／２５
００００に分周して、４Ｈｚのトリガ信号ｂを発生す
る。 【００２１】送信装置の傾斜角センサ１７は、ドリルヘ
ッド１０の角度を検出する。傾斜角センサ１７は、コン
デンサを備え、例えば、地面に向かって真上方向に対し
て角度が０（ゼロ）度であるとき容量１０００ｐＦ、角
度１０度に対して容量１０１０ｐＦ、…、角度３５０度
に対して１３５０ｐＦのように、容量を変える。単安定
発振器１８は、トリガ信号ｂでトリガされて、駆動信号
ｃを発生する。この場合、単安定発振器１８は、傾斜角
センサ１７のコンデンサに基づいてパルス幅ｔを決め
る。このパルス幅ｔが送信信号の継続時間になる。さら
に、パルス幅ｔが、 １００ｍ秒≦ｔ≦１３６ｍ秒 となるように設定されている。これにより、単安定発振
器１８は、傾斜角センサ１７の角度１０度に対して１ｍ
秒のパルス幅ｔを持つ駆動信号ｃを、スイッチ回路１３
に出力する。 【００２２】送信装置のスイッチ回路１３は、駆動信号
ｃのパルス幅ｔの間だけ、分周器１２からの、５０ｋＨ
ｚの送信用の信号ａを通して、送信信号ｄを発生する。
送信信号ｄは、増幅器１４、コンデンサ１５を経由し
て、コイル１６から磁界として送信される。 【００２３】このようにして、ドリルヘッド１０は、掘
進み方向に応じて断続する磁界を送信する。 【００２４】誘導台車３０は、図５に示すように、移動
部３１と、認識部３２と、受信部３３と、制御部３４
と、送信部３５と、記録部３６とを備える。 【００２５】誘導台車３０の記録部３６は、計画線３の
各地点Ｓnのトンネル４の深さＲn（図３）を記憶してい
る。 【００２６】誘導台車３０の受信部３３は、ドリルヘッ
ド１０からの磁界を受信すると、磁界の断続時間を調べ
て、ドリルヘッド１０のロール角θを検出する。受信部
３３は、検出結果であるロール角θを制御部３４に送
る。 【００２７】受信部３３は、受信した磁界の強度から、
ドリルヘッド１０の深さを演算する。磁界強度は、ドリ
ルヘッド１０から誘導台車３０までの距離の３乗に逆比
例する。つまり、距離と磁界強度との関連があらかじめ
判明していれば、受信した磁界強度からドリルヘッド１
０の深さを演算することができる。受信部３３は、演算
結果である深さを制御部３４に送る。 【００２８】誘導台車３０の移動部３１は、誘導台車３
０を計画線３に沿って移動させる。このとき、移動部３
１は、制御部３４の制御により、誘導台車３０を前後左
右に微小に移動させる。 【００２９】移動部３１は、車輪（図示を省略）にロー
タリーエンコーダ（図示を省略）を備え、このロータリ
ーエンコーダで検出した移動距離Ｌを制御部３４に出力
する。 【００３０】誘導台車３０の認識部３２は、例えば図６
に示すような構成である。変調回路４１は、誘導台車３
０の位置検出に係る送信信号を変調する。増幅回路４２
は、変調回路４１からの送信信号を増幅し、マルチプレ
クサ４３に送る。信号発生回路４５は、発光器４４を走
査するためのラインスキャン信号を発生する。マルチプ
レクサ４３は、ラインスキャン信号で送信信号を走査さ
せる。 【００３１】認識部３２の発光器４４および受光器４６
は、計画線３を検出するためのラインセンサである。図
７に示すように、ラインセンサ５０の発光器４４は、計
画線３に対して、直角方向に配置された発光素子４４₁
〜４４₈を備え、受光器４６は、受光素子４６₁〜４６₈
を備える。発光素子４４₁〜４４₈からの光Ａは、受光素
子４６₁〜４６₈でそれぞれ受光される。 【００３２】ラインセンサ５０の中央の発光素子４
４₄，４４₅の付近には、ドリルヘッド１０からの磁界を
受信するための、受信部３３の受信アンテナ３３Ａが配
置されている。 【００３３】認識部３２のマルチプレクサ４３により、
変調された送信信号は、発光素子４４₁から発光素子４
４₈に、順に加えられる。例えば、計画線３が発光素子
４４₄の下方に位置するとき、発光素子４４₄が射出する
光Ａは、計画線３上で反射して受光素子４６₄に入射す
る。このとき、送信信号は、変調回路４１で変調されて
いるので、光Ａは、太陽光などの外光の影響を受けな
い。 【００３４】認識部３２のマルチプレクサ４７は、信号
発生回路４５からのラインスキャン信号により、受光素
子４４₁〜４４₈からの受信信号を増幅回路４８に送る。
復調回路４９は、増幅回路４８で増幅された受信信号を
復調して、ドリルヘッド１０の位置信号として制御部３
４に送る。 【００３５】誘導台車３０の制御部３４は、認識部３２
が検出した位置信号により、ドリルヘッド１０の計画線
３からの変位量であるズレＱn（ｎ＝１〜８）を、計画
線３の各地点Ｓnで検出する。つまり、誘導台車３０が
左右に微小に移動するので、受信部３３の受信アンテナ
３３Ａが受信した磁界の強度が最大になる位置ときに、
光素子４６₁〜４６₈からの受光信号は、ドリルヘッド１
０の計画線３からの位置ズレを示す。ラインセンサ５０
の中央に位置する受光素子４６₄，４６₅から受信信号が
出力されたときに、ドリルヘッド１０が誘導台車３０の
真下にあることが示される。制御部３４は、検出した位
置のズレＱnを送信部３５に送る。 【００３６】制御部３４は、受信部３３からのロール角
θと、移動部３１からの移動距離Ｌとを受け取ると、こ
れらを送信部３５に送る。 【００３７】制御部３４は、受信部３３から深さを示す
演算結果を受け取ると、記録部３６が記憶している、ト
ンネル４の深さＲnと演算結果とを比較して、深さの変
位量であるズレＰn（ｎ＝１〜８）を算出する。そし
て、算出した深さのズレＰnを送信部３５に送る。 【００３８】誘導台車３０の送信部３５は、制御部３４
からの移動距離Ｌ、深さのズレＰn、位置のズレＱn、ロ
ール角θを受け取ると、これらを制御情報として、アン
テナ３５Ａから電波で推進装置２０に送信する。 【００３９】推進装置２０は、図８に示すように、受信
部６１と、制御部６２と、動力部６３と、前進駆動部６
４と、回転駆動部６５と、導管索６６とを備える。 【００４０】推進装置２０の受信部６１は、誘導台車３
０からの制御情報をアンテナ６１Ａで受信すると、制御
情報を制御部６２に送る。 【００４１】推進装置２０の制御部６２は、制御情報に
基づてい、前進駆動部６４に移動指示を与え、回転駆動
部６５に回転指示を与える。つまり、制御部６２は、制
御情報の深さのズレＰnと位置のズレＱnとを調べる。こ
れらのズレがゼロではないとき、制御部６２は、これら
のズレから、次に掘り進めるときのロール角θを算出す
る。つまり、制御部６２は、制御情報から現在のロール
角θを調べ、このロール角θを基準にして、次に掘り進
めるためのロール角θの修正値を算出する。そして、こ
の修正値を回転指示として回転駆動部６５に送る。 【００４２】深さのズレＰnと位置のズレＱnがゼロであ
り、トンネルの掘り進み状況が計画通りであるとき、制
御部６２は、回転駆動部６５に回転指示を送り、現在の
ドリルヘッド１０の掘進み方向を維持させる。 【００４３】制御部６２は、制御情報から移動距離Ｌを
調べる。ドリルヘッド１０が縦穴２に到達していなけれ
ば、ドリルヘッド１０を一定の短い距離だけ前進させる
ための移動指示を前進駆動部６４に送る。 【００４４】推進装置２０の動力部６３は、前進駆動部
６４と回転駆動部６５とに、導管索６６を駆動するため
の駆動力を供給する。導管索６６は、先端にドリルヘッ
ド１０を備え、前進駆動部６４により伸縮し、回転駆動
部６５により回転する。 【００４５】推進装置２０の前進駆動部６４は、制御部
６２からの、移動指示を受け取ると、この値に基づい
て、一定の短い距離だけ導管索６６を押し出す。回転駆
動部６５は、制御部６２からの修正値を受け取ると、こ
の値に基づいて、導管索６６を回転させる。 【００４６】次に、この実施例の動作について説明す
る。 【００４７】縦穴１から縦穴２に向かって、トンネルを
掘る場合、作業者は、このトンネルの計画線３を地面に
設ける。また、計画線３の各地点Ｓnでのトンネルの深
さＲnを誘導台車３０に設定する。この状態で、作業者
は、計画線３の縦穴１側の端部に誘導台車３０を置き、
トンネルの掘り進み作業を開始する。 【００４８】推進装置２０は、一定の短い距離だけ導管
索６６を押し出す。トンネルが直線である場合には、導
管索６６の回転によりドリルヘッド１０を回転させる。
また、トンネルが曲線孔である場合には、導管索６６の
回転を止め、ロール角θを曲がる方向に保って、導管索
６６を押し出す。 【００４９】ドリルヘッド１０は、トンネルを掘り進む
際にロール角θを検出する。導管索６６が長距離になっ
た場合、ねじれが発生して、ドリルヘッド１０の固定の
位置が決定されない。このために、ロール角θの検出が
必要になる。また、導管索６６を接続した場合、導管索
６６をねじ込むので、同様にロール角θの検出が必要に
なる。 【００５０】誘導台車３０は、前後左右に微小に移動す
る。誘導台車３０は、この移動により、計画線３の最初
の地点Ｓ₁での、ドリルヘッド１０の深さのズレＰ₁、位
置のズレＱ₁およびロール角θと、誘導台車３０の移動
距離Ｌと検出する。そして、誘導台車３０は、これらを
制御情報として、アンテナ３５Ａから電波で推進装置２
０に送信する。 【００５１】推進装置２０は、誘導台車３０からの制御
情報を受信すると、深さのズレＰ₁、位置のズレＱ₁およ
びロール角θから、ドリルヘッド１０が計画通りに掘り
進めているかどうかを調べる。そして、ズレが発生して
る場合には、推進装置２０は、深さのズレＰ₁、位置の
ズレＱ₁およびロール角θから、導管索６６の回転や押
し出しの制御をする。これにより、ドリルヘッド１０
の、最初の地点Ｓ₁でのズレを修正する。 【００５２】例えば、ロール角θが、地上に向かって真
上方向を０度とし、右回り方向に４５度、９０度、１３
５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度とす
る。これにより、ドリルヘッド１０が掘り進む方向は、
順に上（深さが浅くなる方向）、右上、右、右下、下
（深さが深くなる方向）、左下、左、左上となる。ま
た、例えばロール角θを９０度として、右に方向を修正
したが、方向が修正されない場合がある。この場合に
は、推進装置２０は、ドリルヘッド１０が岩などのよう
な障害物に突き当たった状態と判断する。そして、推進
装置２０は、警報を出して、作業者に知らせる。 【００５３】誘導台車３０からの制御情報の移動距離Ｌ
が縦穴１から縦穴２までを示すまで、推進装置２０と誘
導台車３０とは、計画線３の各地点Ｓn（ｎ＝２〜８）
でこれらの動作を繰り返す。 【００５４】このようにして、この実施例により、トン
ネルを掘り進めるための計画線３の設置と、トンネルの
深さの設定とを行った後は、人手を不要にして、任意形
状のトンネルを自動的に掘り進めることができる。 【００５５】 【発明の効果】以上、説明したように、この発明では、
これから掘り進めるトンネルの計画線を地面に設け、さ
らに、これから掘り進めるトンネルの計画線上での深さ
を誘導台車に記憶させる。これにより、任意形状のトン
ネルを自動的に掘り進めることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の一実施例を示す説明図である。 【図２】この発明の一実施例を示す説明図である。 【図３】この発明の一実施例を示す説明図である。 【図４】ドリルヘッドの送信装置の一例を示すブロック
図である。 【図５】誘導台車の一例を示すブロック図である。 【図６】認識部の一例を示すブロック図である。 【図７】ラインセンサの一例を示す概略図である。 【図８】推進装置の一例を示すブロック図である。 【図９】地中穿孔用ドリルの一例を示す図である。 【図１０】従来の地中穿孔システムを示す概略図であ
る。 【符号の説明】 １０ ドリルヘッド ２０ 推進装置 ３０ 誘導台車

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 地中での掘進み方向を検出し、検出した
   掘進み方向に応じて断続する磁界を放射するドリルヘッ
   ドと、 ドリルヘッドを回転状態で押し進めて地中に直線孔を掘
   り、ドリルヘッドを回転停止状態で押し進めて曲線孔を
   掘る推進装置と、 地面に設けられた、直線孔および曲線孔の掘進み計画線
   を検出して、この掘進み計画線に沿って移動し、ドリル
   ヘッドからの磁界を受信すると、この磁界の断続状態か
   らドリルヘッドの掘進み方向を検出し、受信した磁界の
   減衰状態からドリルヘッドの深さを検出し、検出した掘
   進み方向に対する掘進み計画線の変位量、および、あら
   かじめ記憶している深さに対する検出した深さの変位量
   を調べて推進装置に送る誘導台車とを有し、 推進装置は、誘導台車からの変位量を受け取ると、この
   変位量に基づいてドリルヘッドの掘進み方向を変える地
   中穿孔システム。