JP3757767B2

JP3757767B2 - 非開削推進工法，掘進管先端姿勢位置計測方法及び掘進管先端位置計測装置

Info

Publication number: JP3757767B2
Application number: JP2000239844A
Authority: JP
Inventors: 浩一手塚; 章生長棟; 修荒木
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: JP2002054389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非開削で配管を地中に敷設する非開削推進工法，並びに掘進管先端姿勢位置計測方法及び掘進管先端姿勢位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非開削の埋設管の推進工法においては、掘進管先端の位置を計測することは重要である。掘進管の先端位置を計測する方法としては、地表面の推進予定線に沿って敷設された電線に通電することにより発生する磁場を掘進管先端で検出することにより掘進管先端部の位置を計測する方法（特開平３−２６０２８４号公報）等が提案され、これらの位置計測方法を適用した非開削推進工法が実施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置計測方法を適用した非開削推進工法では、推進予定線に沿って、あらかじめ正確な位置が測量（計測）された電線を敷設する必要があるため、電線を敷設するための工程、時間が必要となり、さらに、電線を敷設した推進予定線付近を施工範囲として管理する必要があるため、非開削推進工法の適用可能範囲が限定されるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、非開削で地中に掘進管を進行させる工期の短縮、非開削推進工法の適用可能範囲を広げられる非開削推進工法，掘進管先端位置計測方法及び掘進管先端姿勢位置計測装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
［構成］
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【０００６】
（１）本発明（請求項１）は、掘進管を地中に掘進させる非開削推進工法において、掘進予定線路上の前記掘進管先端直上付近の位置に、可搬型の円形コイルを含む磁場発生手段を移動・設置する磁場発生手段移設工程と、前記掘進管の先端部の姿勢を計測する姿勢計測工程と、前記掘進管の先端部の磁場を計測する磁場計測工程と、計測された前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場から、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置を算出する先端位置算出工程と、算出された先端位置に基づいて、前記掘進管の掘進制御を行う掘進制御工程とを含み、前記掘進管の掘進に伴い、前記磁場発生手段移設工程と、姿勢及び磁場計測工程と、先端位置算出工程と、掘進制御工程とを順次繰り返しつつ行うこと特徴とする。
【０００７】
（２）本発明（請求項５）は、非開削推進工法における掘進管の先端位置を計測する掘進管先端姿勢位置計測方法において、掘進予定線路上の前記掘進管先端直上付近の位置に磁場発生用の円形のコイルを含む磁場発生手段を移動・設置する磁場発生手段移設工程と、前記掘進管の先端部の姿勢を計測する姿勢計測工程と、前記掘進管の先端部の磁場を計測する磁場計測工程と、計測された前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場から、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置及び向きの少なくとも一方を算出する先端位置算出工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
（３）本発明（請求項８）は、非開削推進工法における掘進管の先端位置を計測する掘進管先端位置計測装置において、前記掘進管の掘進予定線路上の所定位置に、移動・設置される可搬型の円形のコイルを含む磁場発生手段と、前記掘進管の先端部に設置され、該掘進管の姿勢を計測する姿勢計測手段と、前記掘進管の先端部に設置され、磁場を計測する磁場計測手段と、前記姿勢計測手段及び磁場計測手段で計測された姿勢及び磁場を用いて、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置を算出する先端位置算出手段とを具備してなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい実施態様を以下に記す。
前記掘進管の掘進作業前又は掘削作業中に、前記掘進予定線路上に１以上のマーキングを施し、前記磁場発生手段移設工程では、前記マーキング位置に、前記磁場発生手段を移動して設置する。
【００１０】
前記磁場発生手段が、磁場発生用の円形コイルを含む。
前記磁場発生手段は、磁場発生用のコイルを含み、前記磁場発生手段移設工程が、前記コイルの傾斜角を計測する工程と、計測された傾斜角に応じて前記コイルの傾斜角が一定角となるように調整する工程とを含む。
【００１１】
前記磁場発生手段は、磁場発生用のコイルを含み、前記磁場発生手段移設工程が、前記コイルの傾斜角を計測する傾斜角計測工程を含み、先端位置算出工程は、前記傾斜角計測工程で計測されたコイルの傾斜角を用いて、前記掘進管先端位置の算出結果を補正する工程を含む。
【００１２】
［作用］
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
【００１３】
本発明による非開削工法では、掘進管先端位置を計測するために必要な磁場発生手段が小型であり、磁場発生手段の移動・設置を簡易に短時間で実施することが可能であり、事前の電線等を敷設するための時間、工程が不必要であり、効率的な掘進作業を実現することが可能となる。また、掘進予定線路全域を施工範囲とする必要がないため工法の適用範囲が限定されることもない。
【００１４】
可搬型の磁場発生手段は、掘進予定線路上に設置されているので、掘進管先端の掘進予定線路に対する掘進管先端位置あるいは、掘進作業中の掘進管先端位置の履歴を把握することが可能になる。掘進管予定線路に対して掘進管先端位置のずれが発生した場合には、掘進管先端位置の掘進予定線路に対するズレを減少させるように掘進管の推進方向、速度等の制御を行う。
【００１５】
掘進管掘進の進行に伴い磁場発生手段を移動させる際に、地表面に施されたマーキングに合わせて磁場発生手段の位置、方向を設定するので、掘進予定線路上に所定の間隔でマーキングされた位置に対する掘進管先端位置を計測し、掘進の制御を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明による非開削工法，掘進管先端位置計測方法及び掘進管先端位置計測装置では、磁場発生手段として円形コイルを利用するので、コイルの円周方向の向きによらず、コイルに対する相対位置により変化する既知の分布を有する磁場分布を形成することが可能であるので、掘削管先端で計測される掘進管姿勢と磁場の方向、強度から円形コイルに対する掘削管先端の相対位置を算出することが可能となる。
【００１７】
さらに、コイルが円形であるので、地表面の掘削予定線路上にコイルを移動、設置する際に、円形コイルの中心位置が既知であればコイルの円周方向の向きには制限がないため容易に移動、設置を行うことが可能となる。
【００１８】
本発明による非開削工法あるいは掘進管先端位置計測方法あるいは掘進管先端位置計測装置では、磁場発生手段として、平面状のコイルを利用し、コイルの傾斜角を計測する手段と、コイルの傾斜角を調整する機構を有するので、掘進予定線路上へのコイルの移動、設置を繰り返し行う際に、コイルの地表面（水平面）に対する傾斜角を計測し、コイルの水平面に対する傾斜角度が一定の条件になるように調整する事が出来るので、地表面の凹凸等に起因するコイル傾斜角の変動による、掘進管先端部における計測磁場の変動をなくし、掘進管先端の正確な位置計測を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明による非開削工法，掘進管先端位置計測方法あるいは掘進管先端位置計測装置では、磁場発生手段として、平面状コイルを利用し、コイルの傾斜角を計測する手段を有するので、コイルを掘進予定線路上への移動・設置、掘進管先端位置の計測を行う際に、コイルの地表面に対する傾斜角度の計測値から地表面の予定線路に対する掘進管先端位置を正確に算出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、掘進機１１により地中を非開削で掘進する掘進管１２の先端部に、姿勢計測器１３及び磁場計測器１４が設置されている。なお、１０は掘進予定線路である。
【００２３】
掘進機１１，姿勢計測器１３及び磁場計測器１４が、通信ケーブルを介して、信号処理制御部１５に接続されている。掘進機１１は、掘進管の本数を管理し、本数を信号処理制御部１５に伝送される。掘進機１１，姿勢計測器１３及び磁場計測器１４で計測された姿勢、磁場データは信号処理制御部１５に伝送される。なお、通信ケーブルを用いて信号の伝送を行っているが、電磁波、磁場等を利用した無線による信号伝送方法を用いることも可能である。
【００２４】
信号処理制御部１５に磁場発生器１６の信号発生部１７が、信号的に接続されている。信号処理制御部１５と信号発生部１７との信号の伝送は、電磁波、磁場等を利用した無線による信号伝送方法を用いる。なお、無線伝送方法を用いたが、制御を確実に行うため、有線で行うことも可能である。
【００２５】
信号発生部１７は、信号処理制御部１５からの制御信号により、電源１８から方形コイル１９に交流（交番）電流を印加させ、直流磁界または交流（交番）磁界を発生させる。方形コイル１９の大きさは、１．５ｍ×１．５ｍであり、持ち運びが容易となっている。
【００２６】
本実施形態では、掘進管先端の姿勢計測器１３としては３軸の傾斜計、磁場計測器１４としては３軸の磁気センサを用いる。
【００２７】
次に、本装置を用いた掘進管先端姿勢位置計測方法及び非開削推進工法について図２のフローチャートを用いて説明する。
先ず、掘進予定線路の確認を行った後、予め掘進予定線路１０上の地表面に、一定間隔、例えば３ｍ間隔でペイントを用いてマーキング２０を描く（ステップＳ１）。ただし、マーキング２０は一定間隔である必要はない。予定線路上のマーキング２０は、掘進予定線路１０に対して直交するラインと平行なラインとからなる。
【００２８】
後工程で、磁場発生器１６の平面状方形コイル１９は、掘進予定線路１０と直交するマーキング２０のラインを利用して、位置、方向を定めて設置を行うが、マーキングは磁場発生器の位置、方向を規定できるものであればその形態に制限はない。
【００２９】
次いで、掘進機１１を地表面に設置した後、掘進を開始し掘進管１２を地中に掘進させる（ステップＳ２）。磁場発生器１６の平面状方形コイル１９は、掘進予定線路１０と直交するマーキング２０のラインを利用して、位置、方向を定めて設置を行う。
【００３０】
次いで、掘進機１１で掘進中の掘進管１２の本数を管理することで掘進管１２の掘進進行量の確認を行い、掘進管１２の先端が掘進予定線路１０上のマーキング２０地点に達した時点で、マーキング２０地点に磁場発生器１６の方形コイル１９を移動、設置した後、方形コイル１９に通電し、磁場を発生させる（ステップＳ３）。なお、ここでは、掘進管１２先端位置がマーキング２０地点の真下付近の位置に達した時点で磁場発生器１６を移動させるものとしたが、掘進管１２の進行に合わせて、あらかじめ磁場発生器１６を移動し、設置することも可能である。また、それぞれのマーキング２０地点に、予め磁場発生器１６を設置しておくことも可能である。
【００３１】
次いで、姿勢計測器１３及び磁場計測器１４により、掘進管１２先端の姿勢、及び掘進管１２先端における磁場を計測する（ステップＳ４）。
【００３２】
次いで、検出された姿勢及び磁場から、磁場発生器１６（マーキング２０地点）に対する掘進管１２の先端位置を算出する（ステップＳ５）。掘進管１２先端の姿勢及び掘進管先端での磁場から掘進管１２先端位置を求める方法については、公知の方法を用いれば良く、詳細な説明を省略する。
【００３３】
次いで、磁場発生器１６が設置されたマーキング２０地点から、掘進予定線路１０に対する掘進管１２の先端位置を算出する（ステップＳ６）。
【００３４】
次いで、計測された先端位置、或いは繰り返し行われた計測位置の履歴により、掘進予定線路１０に対する掘進管１２先端位置のズレの把握、並びに掘進管１２の掘進方向及び速度等の制御を行う（ステップＳ７）。推進方向は、先端部の斜切りの向きや回転により制御できるが、それ以外の方法でも良い。
【００３５】
そして、掘進管１２の進行に伴い、次のマーキング２０地点に磁場発生器１６を移動させ（ステップＳ８）、前記ステップＳ４〜ステップＳ８を繰り返し行う。
【００３６】
本発明は、掘進の進行にしたがって地表の掘進予定線路上を任意の間隔で磁場発生器を移設または移動させながら、それによって発生される磁場を計測して、その磁場発生器に対する相対位置を求めるものである。
【００３７】
掘進管先端位置を計測するために必要な磁場発生器が小型であり、人口磁場発生装置の移動、設置を簡易に短時間で実施することが可能である。従って、事前の電線等を敷設するための時間、工程が不必要であり、効率的な掘進作業を実現することが可能となる。
【００３８】
なお、測定点と測定点との間については、同じ磁気センサで地磁気を測定して地磁気の方位角を求めこれを掘進距離に応じて積算して掘進管先端位置を計測する方法を適用し、本発明と地磁気利用方式との組み合わせにより掘進管先端位置計測精度を向上させることも可能である。
【００３９】
また、マーキングとして地表面に直接ペイントする例を示したが、レーザ光信号、磁場信号等の手段による位置決め機構を利用してもよい。また、本実施形態では予定線路上のマーキングにより磁場発生器の位置を決めているが、別途、トランシット等を用意し、磁場発生器の位置、方向を計測する様にすれば、より正確に予定線路に対する磁場発生器の位置を把握することも可能となる。
【００４０】
また掘進管姿勢や磁場の計測の際は、掘進管を掘進しながら、または低速で動かしながら、または停止した状態で測定してもよい。
【００４１】
本実施形態の変形例を図３に示す。図３は本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。図１において、図３と同一な部位には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
この掘進管先端位置姿勢計測装置は、図３に示すように、磁場発生器として、直径１．５ｍの円形コイルを使用している。
地表面の掘進予定線路上のマーキングとしては一定距離間隔の点（円形）マーキング３０を使用し、円形コイル３１の中心位置が掘進予定線路上のマーキングに一致するように円形コイル３１を移動させている。この場合、円形コイル３１を移動する際に、コイルの円周方向の向きには制限がないため、コイルの移動、設置を簡易化することが可能となる。
【００４３】
本発明の磁場発生器の実施形態を図４に示す。図４は、本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の磁場発生器の構成を示す図である。図４において、図１と同一な部位には同一符号を付し、その説明を省略する。また、磁場発生器の電源及び信号発生部の図示を省略している。
図４において、４１は傾斜角計測器、４２は傾斜角度調整機構、４３は方形コイル１９を乗せるための架台を示す。
本実施形態では、方形コイル１９を支持するために、非磁性材料で製作した架台４３に乗せている。コイル１９の水平面に対する傾斜角度を計測する傾斜角計測器４１としては、２軸の傾斜角センサ（重力加速度センサ）を用いたが、水準器等を用いることも可能である。本実施形態では、傾斜角調整機構４２として、高さを調整可能な支持部４２ａ〜４２ｃにより方形コイル１９が載せられた架台４３を３点で支持する機構を用いた。
【００４４】
磁場発生器を掘進予定線路上に設置後、傾斜角計測器４１により水平面に対する角度を計測し、図５に示すように、傾斜角調整機構４２の３つの各支持部４２ａ〜４２ｃの高さをそれぞれ調整することにより、方形コイル１９が水平面に対して常に平行になるように調整を行った。
【００４５】
本実施形態では、平地における掘進例として、コイルと水平面とが平行となるように調整する場合に関して述べたが、傾斜地等においては地表面に対して平行となるよう（水平面に対して一定の角度を有するよう）調整する場合もある。
【００４６】
また、本実施形態では、傾斜角の計測データを元に手動で高さ調整を行ったが、サーボ機構により、高さ調整を自動で行うようにすることも可能である。
【００４７】
また、角度調整機構としては３点支持の高さ調整による方法を示したが、コイル全体を直交２軸に可動なジンバル構造の架台上に設置し、角度調整をすることも可能である。
【００４８】
また、水平面に対して平行になるようにコイルを調整するのではなく、コイルの水平面に対する傾斜角を計測し、計測された傾斜角を用いて掘進管先端の正確な位置を算出することも可能である。
【００４９】
例えば、図６に示すように、傾斜角計測器４１により方形コイルの水平面に対する傾斜角を計測し、計測値を信号処理制御部１５に伝送する。そして、信号処理制御部１５では、掘進管先端位置を算出する際に、人口磁場発生器の水平面に対する傾斜角度を利用して、掘進予定線路に対する掘進管先端の正確な位置を算出する。
【００５０】
計測された傾斜角θから、掘進管先端の正確な位置を算出する方法について図７を参照して以下に説明する。計測されたコイルに対する掘進管の横方向の変位ｘ’，深度ｙ’、傾斜角θの場合、
【００５１】
【数１】

の連立方程式を解くことによって、実際の横方向変位ｘ及び深度ｙを求めることができる。
【００５２】
本実施形態では方形コイルを用いる方法に関して述べたが、円形コイルを用いることも可能である。
【００５３】
本実施形態では方形コイルを用いる方法に関して述べたが、円形コイルを用いることも可能である。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、掘進管先端位置を計測するために必要な磁場発生装置が小型であり、人口磁場発生装置の移動、設置を簡易に短時間で実施することが可能であり、事前の電線等を敷設するための時間、工程が不必要であり、工期の短縮化、効率的な掘進作業を実現することが可能となる。また、掘進予定線路全域を施工範囲とする必要がないため工法の適用範囲が限定されることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる掘進管先端姿勢位置計測装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係わる掘進管先端姿勢位置計測方法及び非開削推進工法を説明するためのフローチャート。
【図３】本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の磁場発生器の構成を示す図。
【図５】図４に示す磁場発生器において、コイルの傾斜角を調整している状態を示す図。
【図６】本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の磁場発生器の構成を示す図。
【図７】図６に示す磁場発生器を用いた、掘進管先端の位置の算出を説明する図。
【符号の説明】
１０…掘進予定線路
１１…掘進機
１２…掘進管
１３…姿勢計測器
１４…磁場計測器
１５…信号処理制御部
１６…磁場発生器
１７…信号発生部
１８…電源
１９…方形コイル
２０…マーキング

Claims

掘進管を地中に掘進させる非開削推進工法において、
掘進予定線路上の前記掘進管先端直上付近の位置に、可搬型の円形コイルを含む磁場発生手段を移動・設置する磁場発生手段移設工程と、
前記掘進管の先端部の姿勢を計測する姿勢計測工程と、
前記掘進管の先端部の磁場を計測する磁場計測工程と、
計測された前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場から、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置を算出する先端位置算出工程と、
算出された先端位置に基づいて、前記掘進管の掘進制御を行う掘進制御工程とを含み、
前記掘進管の掘進に伴い、前記磁場発生手段移設工程と、姿勢及び磁場計測工程と、先端位置算出工程と、掘進制御工程とを順次繰り返しつつ行うこと特徴とする非開削推進工法。
前記掘進管の掘進作業前又は掘削作業中に、前記掘進予定線路上に１以上のマーキングを施し、
前記磁場発生手段移設工程では、前記マーキング位置に、前記磁場発生手段を移動・設置することを特徴とする請求項１に記載の非開削推進工法。
前記磁場発生手段移設工程が、前記円形コイルの傾斜角を計測する工程と、計測された傾斜角に応じて、前記円形コイルの傾斜角が一定角となるように調整する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の非開削推進工法。
前記磁場発生手段移設工程は、前記円形コイルの傾斜角を計測する傾斜角計測工程を含み、
前記先端位置算出工程は、前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場、並びに前記傾斜角計測工程で計測された円形コイルの傾斜角を用いて、前記掘進管先端位置を算出する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の非開削推進工法。
非開削推進工法における掘進管の先端位置を計測する掘進管先端姿勢位置計測方法において、
掘進予定線路上の前記掘進管先端直上付近の位置に磁場発生用の円形のコイルを含む磁場発生手段を移動・設置する磁場発生手段移設工程と、
前記掘進管の先端部の姿勢を計測する姿勢計測工程と、
前記掘進管の先端部の磁場を計測する磁場計測工程と、
計測された前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場から、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置及び向きの少なくとも一方を算出する先端位置算出工程とを含むことを特徴とする掘進管先端姿勢位置計測方法。
前記磁場発生手段移設工程は、前記円形コイルの傾斜角を計測する工程と、計測された傾斜角に応じて、前記円形コイルの傾斜角が一定角となるように調整する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の掘進管先端姿勢位置計測方法。
前記磁場発生手段移設工程は、前記円形コイルの傾斜角を計測する傾斜角計測工程を含み、
前記先端位置算出工程は、前記掘進管の先端部の姿勢及び磁場、並びに前記傾斜角計測工程で計測された円形コイルの傾斜角を用いて、前記掘進管の先端位置を算出する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の掘進管先端姿勢位置計測方法。
非開削推進工法における掘進管の先端位置を計測する掘進管先端位置計測装置において、
前記掘進管の掘進予定線路上の所定位置に、移動・設置される可搬型の円形のコイルを含む磁場発生手段と、
前記掘進管の先端部に設置され、該掘進管の姿勢を計測する姿勢計測手段と、
前記掘進管の先端部に設置され、磁場を計測する磁場計測手段と、
前記姿勢計測手段及び磁場計測手段で計測された姿勢及び磁場を用いて、前記磁場発生手段に対する前記掘進管の先端位置を算出する先端位置算出手段とを具備してなることを特徴とする掘進管先端位置計測装置。
前記磁場発生手段は、前記円形コイルの傾斜角を計測する傾斜角計測手段と、この傾斜角計測手段の計測値に応じて、前記円形コイルの傾斜角を調整する傾斜角調整手段とを含むことを特徴とする請求項８記載の掘進管先端位置計測装置。
前記磁場発生手段は、前記円形コイルの傾斜角を計測する傾斜角計測手段とを含み、
前記先端位置算出手段は、前記姿勢計測手段及び磁場計測手段で計測された姿勢及び磁場、並びに前記傾斜角計測手段で計測された傾斜角を用いて、前記掘進管の先端位置の算出することを特徴とする請求項８記載の掘進管先端位置計測装置。