JP3992257B2

JP3992257B2 - 地中掘削機の地中レーダ装置

Info

Publication number: JP3992257B2
Application number: JP31415198A
Authority: JP
Inventors: 徹也平原; 成悟梅田; 俊光野津; 盛雄鈴木; 啓二朗石井; 裕司柿崎
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: JP2000147137A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シールドマシンなどと称される地中掘削機に取付けられる地中レーダ装置に関するものであり、特に、側方の障害物探知機能を高めた地中レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地上からの開削を行うことなく地中にトンネルを形成する非開削工法としてシールド掘削工法が知られている。このようなシールド掘削工法に使用されるシールド掘削機は、通常、その内部で人が作業できる程度に大型であり、その掘削速度も毎分10ｃｍ程度と低速である。このようなシールド掘削機には、その先端の掘削用回転刃の裏側に前方監視用の地中レーダ装置が設置される（特開平８ー２７８３７１号公報等）。また、地質の変化を監視する目的などでシールド掘削機の側周面に地中レーダ装置が設置される場合もある（特公平４ー３２９１９号公報等）。
【０００３】
最近、超小型のシールド掘削システムとして、ロッドなどと称される可撓性を有する長尺体の先端に直径50ｍｍ〜60ｍｍ程度の寸法の掘削機を取付け、地上に設置した駆動装置から上記長尺体を介してその先端に取付けた掘削機に回転力と推進力とを伝達することにより地中に小径のトンネルを形成する工法が採用されてきている。このようなシールド掘削工法は、非開削ドリリング工法などと称されている。
【０００４】
この非開削ドリリング工法を図６を参照して説明する。まず、図６（Ａ）に示すように、地上に駆動装置Ｒが設置され、この駆動装置Ｒに可撓性を有する細長いロッドＱが連結され、このロッドＱの先端に掘削機Ｐが取付けられる。この掘削機Ｐを立坑から地中に進入させ、駆動装置ＲからロッドＱを介して回転力と推進力を掘削機Ｐに伝達することによって次の立坑との間に直径が50ｍｍ〜60ｍｍの小径のトンネルが形成される。引き続き、図６（Ｂ）に示すように、ロッドＱの先端から掘削機Ｐが取り外され、代わりにバックリーマと称される直径が200 ｍｍ程度の掘削体Ｓと、敷設対象のケーブルＴの先端とが取付けられたのち、このロッドＱが後退せしめられる。これに伴い、バックリーマによるトンネルの径の拡大と、この径が拡大されたトンネル内へのケーブルの敷設が行われる。
【０００５】
上記従来の非開削ドリリング工法では、トンネルの形成に先立って、形成対象の地中のガス管、水道管、電力ケーブル等の既設の設備の埋設状況が地上で地中レーダ装置を操作することによって探査される。このような地上で操作される地中レーダ装置は、実公平３ー５５１２２号公報などに開示されている。そして、既設の埋設物への接触を回避できるようなトンネルの形成ルートが決定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、上述したような地上操作の地中レーダによる既設の地中埋設設備の位置検出誤差や、トンネル形成時のルート選択に関する制御誤差などのために、形成中のトンネルが埋設物に衝突し、あるいは接近し過ぎてしまい、トンネルの形成のやり直しが必要になる場合が往々にして生じる。
【０００７】
特に問題になるのは、図６（Ａ）に例示するように、埋設物Ｏの存在が小径のトンネルの形成には何ら支障を及ぼさないが、図６（Ｂ）に例示するように、バックリーマを用いた大径のトンネルの形成に支障を及ぼすという場合である。何故ならば、この場合、全作業を小径のトンネルの形成からやり直すことが必要になり、全作業の労力と時間が大幅にかさむからである。
【０００８】
上記非開削ドリリング工法では、従来のシールド掘削機に比べて掘削機の寸法が桁違いに小さいため、これに地中レーダ用アンテナを取付けるには、まず、その大幅な小型化が必要になる。更に、非開削ドリリング工法の掘削機に地中レーダ用アンテナを取付ける際に生ずる第２の問題点は、非開削ドリリング工法で使用する掘削機は、図７に示すように、掘削機Ｐの先端に取付けられる細長い矩形板状の刃ＢＬが掘削機Ｐの回転軸Ｚに対して大な傾斜角をもって取付けられているという点である。
【０００９】
すなわち、刃ＢＬの裏側に、送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸとを取付けることによって斜線で示した両アンテナによる放射パターンの重なり合った部分の地中の障害物の検出が可能になる。この斜線を付して示すアンテナ対による検出可能領域ＤＡは、図７（Ａ）に例示する位置では上を向いており、同図（Ｂ）に例示する位置では下を向いている。すなわち、斜線を付した検出可能領域ＤＡは掘削機Ｐの回転と推進とに伴って螺旋状に回転し推進されることになる。この結果、図７（Ａ）の位置では先端部の下方が検出できず、図７（Ｂ）の位置では先端部の上方が検出できないという具合に、掘削機Ｐの先端部分の極く近傍で検出の死角が生ずる。
【００１０】
上記死角を小さくするには、図７（Ｃ）に示すように、送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸの取付け面を掘削機Ｐの回転軸Ｚに対して直交させればよい。しかしながら、そのようにすると、アンテナＴＸ，ＲＸが先端部分からかなり後退してしまい、刃ＢＬの位置で電波がかなり広がってしまう。このため、電波を通過させるために金属性の刃ＢＬに設けなければならない誘電体の窓の寸法が大きくなり、刃ＢＬが弱くなってしまうという問題がある。
【００１１】
また、電波のかなりの部分が掘削機Ｐの先端部分の内部に放射されるため、内壁面を電波吸収体で覆わなければならなくなる。このため、送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸの取付け面をある程度の限界、例えば、図７（Ｄ）に例示する程度の限界を越えて傾けることができず、依然として死角が残ってしまう。
【００１２】
この死角は、この種の非開削ドリリング工法の掘削機の掘進速度が、従来のシールド掘削機の毎分１０ｃｍ程度とは異なり、毎秒３０ｃｍもの大きな値であることにもよる。すなわち、回転軸の上方や下方を向いた電波ビームが行う螺旋運動に着目すると、従来のシールド掘削機では旋回運動のピッチが小さくて死角が小さい。これに対して非開削ドリリング工法の掘削機では、ビームの旋回運動のピッチが大きく、その分死角が大きくなる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、地中掘削機の先端部分の周辺を隈なく検出可能な地中レーダ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる地中掘削機の地中レーダ装置は、地中掘削機の先端近傍において側面のまわりにほぼ等間隔で取付けられる複数の指向性アンテナを備えている。
【００１６】
そして、本発明に係わる地中掘削機の地中レーダ装置は、上記各指向性アンテナから同時に信号を送信し、各受信信号の振幅をどの受信部のものかを区別することなく重畳して合成することにより仮想的な単一の無指向性アンテナを構成し、この合成された受信信号の振幅を地中掘削機を中心とする同心円状に極座標上に表示する円形表示手段を備えることにより、合成受信信号の振幅が表示画面の中心のまわりに描く円の半径に基づき、反射体までの距離を直観的に把握できるように構成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記極座標上に表示中の合成された受信信号の振幅が表示画面の中心に対して予め定めた所定値以下に接近したことを検出してブザーを鳴らす警報発生手段を備えることにより、操作者が監視を怠ってその反射体を見逃した場合でも、その注意を喚起し、見落としを防ぐように構成されている。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例に係わる地中掘削機の地中レーダ装置を構成する４個の指向性アンテナの配置を示す断面図（Ａ）と、側面図（Ｂ）である。この地中レーダ装置は、非開削ドリリング工法による地中掘削機の内外に分散して設置される。側面図（Ｂ）に示すように、掘削機Ｐの先端近傍の側面のまわりに等間隔を保って、４個の指向性アンテナＡＴ１，ＡＴ２，ＡＴ３，ＡＴ４が掘削機Ｐの内部に設置される。各指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４は、掘削機Ｐの先端部の刃ＢＬによって放射電波が遮られない程度にできるだけ先端に近づけて配置される。
【００１９】
各指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４は、指向性アンテナＡＴ２によって代表して図１（Ｂ）に示されているように、互いに近接して配置された送信アンテナＡＴＴ２と受信アンテナＡＴＲ２とから構成されている。送信アンテナＡＴＴ２と受信アンテナＡＴＲ２はそれぞれダイポールアンテナから構成され、これらのダイポールアンテナは、給電点であるそれぞれの頂点を対向させて誘電体基板上に形成された２個の三角形の金属板から形成されている。この種の地中レーダ装置用ダイポールアンテナの構成と動作の一層の詳細に関しては、必要に応じて、本出願人が先に出願した特許出願（特開平１０ー２００３０号公報など）を参照されたい。
【００２０】
上記側面図（Ｂ）中のＡ−Ａを切断面とする断面図（Ａ）を参照すると、４個の指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４は、掘削機Ｐの内部において外側の上下左右に向けて配置され、それぞれの送信アンテナから掘削機Ｐの金属製の構体に設けられた誘電体の窓を通して掘削機Ｐの上下左右に電波が放射され、地中の物体などによって発生した反射波がそれぞれの受信アンテナで受信される。送信アンテナの放射パターンと受信アンテナの受信感度パターンとが重なり合った空間として定義される各指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４による地中埋設物などの物体の検出可能領域ＤＡ１〜ＤＡ４が例示されている。
【００２１】
図２は、上記実施例に係わる地中掘削機の地中レーダ装置の全体的な構成を示す機能ブロック図であり、１は受信信号処理部、２は送信制御部、３は回転角検出部、４は画面表示部、５はブザー、６は入力部である。また、ＴＸ１〜ＴＸ４は送信部、ＲＸ１〜ＲＸ４は受信部、ＡＴ１〜ＡＴ４は指向性アンテナ、ＡＴＴ１〜ＡＴＴ４は各指向性アンテナの送信アンテナ、ＡＴＲ１〜ＡＴＲ４は各指向性アンテナの受信アンテナである。この実施例では、画面表示部４とブザー５と入力部６とを除くフロントエンドの各部が掘削機Ｐの内部に設置されており、残りの画面表示部４等は掘削機Ｐの内部に設置された信号処理部１にケーブルで接続されることにより地上に設置されている。
【００２２】
送信制御部２は、各指向性アンテナの送信部ＴＸ１〜ＴＸ４の動作を制御することにより、送信アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４から地中への電波の放射のタイミングを制御する。この制御対象の電波の放射タイミングは、全ての指向性アンテナの送信アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４から同時に掘削機Ｐの四方に向けて電波が放射される全方向放射モードと、選択された一つの送信アンテナのみから掘削機Ｐの回転に伴う回転方向への走査を受けながら一方向にのみ電波が放射される指向性走査モードとに大別される。上記動作モードは、入力部６の操作によって選択される。
【００２３】
上記全方向放射モードにおいて送信アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４のそれぞれから掘削機Ｐの四方の地中に送信された電波は、地中の埋設物などによって反射され、対応の受信アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４に受信される。受信信号処理部１は、指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４の受信部ＲＸ１〜ＲＸ４が対応の受信アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４を通して受信した地中からの反射信号と、送信制御部２からの送信タイミング信号と、回転角検出部３が検出した掘削機Ｐの回転角を受信する。
【００２４】
一例として、回転角度検出部３は、掘削機Ｐが360 °を16等分した22.5°だけ回転するたびに、パルスを１個発生しこれを受信信号処理部１に供給する。受信信号処理部１は、各受信部ＲＸ１〜ＲＸ４から受信した地中からの反射信号を、送信制御部２から受けた送信タイミングに基づいて処理することにより、各反射信号の波形を送信時点を原点とする時間軸上に配列する。この受信信号処理回路１は、回転角度検出部３から受信した掘削機Ｐの回転角度に基づいて処理することにより、反射信号の波形を円形表示（ＰＰＩ表示）した可視画像を作成し、この作成したＰＰＩ表示画像を、画像表示部４に供給する。
【００２５】
図３は、画面表示部４に表示される表示画面の例である。４個の指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を使用して地中から受信された反射信号の波形が、互いに90°ずつの角度を保って円形表示されている。この円形表示された画像は、掘削機Ｐの回転に同期して表示画面中を互いに90°ずつの角度を保って回転する。この掘削システムの操作者は、画面表示部４に表示中のＰＰＩ表示画像を監視しながら掘削機Ｐの進路を制御する。
【００２６】
この掘削機Ｐの操作者は、入力部６の押しボタンなどを操作することにより、どの指向性アンテナを動作させるかを選択することができる。例えば、操作者が掘削機Ｐを前進させている間は、入力部６から送信制御部２に、４個の指向性アンテナを使用する全方向放射の動作モードが指令される。この動作モードでは、全ての指向性アンテナから同時に電波が放射され、地中から受信された反射信号が、図３に例示するように、各指向性アンテナの掘削機への取付け位置と、この掘削機の回転角度を考慮して算定された位置に円形表示される。
【００２７】
このシステムの操作者が掘削機Ｐの操作に気を取られていると、画面表示部４に表示中のＰＰＩ画面を見落としてしまうおそれがある。この点を考慮して、ブザー５が設置されている。すなわち、受信信号処理部２は、受信回路ＲＸ１〜ＲＸ２のどれに受信されたか否かを問わず、画面表示中の反射信号の波形が表示画面の中心に対して予め定めた所定値以下に接近した場合には、すなわち、どの方向であるかは別として、掘削機Ｐが地中の埋設物などの反射体に所定距離以内に接近した場合には、ブザー５から警報が発せられることにより、その旨が操作者に通知される。
【００２８】
この警報を気づいた操作者は、掘削機Ｐを一旦後退させ、入力部６の操作によって指向性アンテナの一つだけから電波を放射させる走査モードに切替え、表示画面上で埋設物の位置を視認することによってこの埋設物との距離を十分にとりながら、掘削機Ｐを再び前進させる。この掘削のやり直しによって、地中の埋設物などとの距離を十分に置きながらトンネルが形成される。
【００２９】
図４は、掘削機が前進中である場合などには、４個の指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を組合せることによりあたかも単一の無指向性アンテナであるかのように機能させた場合の表示画面を例示している。この動作モードでは、各指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４から同時に電波が放射され、各受信部ＲＸ１〜ＲＸ４の受信信号が受信信号処理部１において単にそれぞれの振幅が重畳されることによって合成され、どの受信部の受信信号であるかを区別することなく、４個の受信部の合成の受信信号として、（Ａ）に示すようにＡスコープ表示されるか、（Ｂ）に例示するように、円形表示、ないしは変形ＰＰＩ表示される。
【００３０】
図５は、本発明の他の実施例の地中レーダ装置を構成する２種類の指向性アンテナ群の配置を示す側面図である。この地中レーダ装置は、図１に示した４個の指向性アンテナの群ＡＴ１〜ＡＴ４の後方に、より高周波の電波を放射する小型の４個の指向性アンテナ群ＡＴ₁〜ＡＴ₄を設置している。
【００３１】
地中レーダ装置では、放射する電波の周波数が低いと地中の減衰量が少なくなるため電波の到達距離が増大し、より遠方への監視範囲が拡大される。逆に、放射する電波の周波数が高くなると、監視範囲は減少するが分解能が向上する。そこで、前方に設置した低周波の指向性アンテナ群ＡＴ１〜ＡＴ４を使用して監視範囲が拡大されると共に、後方の設置した高周波の指向性アンテナ群ＡＴ₁〜ＡＴ₄を使用して分解能の向上が図られる。
【００３２】
以上、４個の指向性アンテナを周方向に設置して掘削機の上下左右の四方に電波を放射する構成を例示した。しかしながら、周方向に設置する無指向性アンテナの個数は、より少数の３個や、あるいは、より多数の６個や８個など、費用や分解能を勘案した任意の個数を選択できる。
【００３３】
また、異なる周波数の２系統の指向性アンテナ群を掘削機の軸線方向に設置する構成を例示した。しかしながら、異なる周波数の周波数アンテナ群を掘削機の軸線方向に３系統、４系統など任意の系統設置する構成とすることもてきる。
【００３４】
さらに、指向性アンテナとして、送信専用のものと受信専用のものとを隣接する配置する構成を例示した。しかしながら、指向性アンテナとして送受共用の一つのアンテナをスイッチで送信用と受信用とに切り替えて使用したり、サーキュレーターの併用により送受分離して使用したりすることもできる。
【００３５】
また、送信アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４のそれぞれに対応させてこれらと同数の送信回路ＴＸ１〜ＴＸ４を設置すると共に、受信アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４のそれぞれに対応させてこれらと同数の受信回路ＲＸ１〜ＲＸ４を設置する構成を例示した。しかしながら、送信回路ＴＸ１〜ＴＸ４を、共通の送信回路とこの共通の送信回路の出力を送信アンテナＡＴＴ１〜ＡＴＴ４の全部又は一部のものに選択的に分配するスイッチ回路で置き換えこともできる。また、受信回路ＲＸ１〜ＲＸ４を、共通の受信回路とこの共通の受信回路に受信アンテナＡＴＲ１〜ＡＴＲ４のうちの一つの受信信号や、各受信アンテナの受信信号の振幅を重畳した合成受信信号を供給するスイッチ回路で置き換えこともできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の地中レーダ装置は、地中掘削機の先端近傍において側面のまわりにほぼ等間隔で取付けられる複数の指向性アンテナを備える構成であるから、地中掘削機の先端部分の周辺に存在する地中埋設物などの障害物が漏れなく検出可能となり、トンネル掘削作業に必要な労力と時間が大幅に節減されるという効果が奏される。
【００３７】
そして、本発明の地中レーダ装置は、複数の指向性アンテナの受信信号の振幅をどの受信部のものかを区別することなく重畳して合成することにより仮想的な単一の無指向性アンテナを構成し、この合成された受信信号の振幅を前記地中掘削機を中心とする同心円状に極座標上に表示する円形表示手段を備える構成であるから、表示中の合成受信信号の振幅が描く円の半径に基づき、地中掘削機から反射体までの距離を直観的に容易に把握できるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる地中掘削機の地中レーダ装置を構成する４個の指向性アンテナの配置を示す断面図（Ａ）と、側面図（Ｂ）である。
【図２】上記実施例に係わる地中掘削機の地中レーダ装置の全体的な構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図２の機能ブロック図中の画面表示部４に表示される表示画面の一例を示す概念図である。
【図４】４個の指向性アンテナＡＴ１〜ＡＴ４を単一の仮想的な無指向性アンテナとして機能させた場合の表示画面である。
【図５】本発明の他の実施例に係わる地中掘削機の地中レーダ装置を構成する２種類の周波数の指向性アンテナ群の配置を示す側面図である。
【図６】非開削ドリリング工法を説明するための断面でである。
【図７】上記非開削ドリリング工法に使用する掘削機における問題点である死角の発生を説明するための断面図である。
【符号の説明】
AT1-AT4 掘削機Ｐの周方向に配列された４個の無指向性アンテナ
DA1-DA4 ４個の無指向性アンテナにより形成される物体の検出可能領域
１受信信号処理部
２送信制御部
３回転角検出部
４画面表示部
５ブザー
TX1-TX4 送信部
RX1-RX4 受信部

Claims

先端部に掘削工具が取付けられ回転・推進せしめられる地中掘削機に取付けられる地中レーダ装置であって、
この地中レーダ装置は、前記地中掘削機の先端近傍において側面のまわりにほぼ等間隔で取付けられる複数の指向性アンテナを備えたことと、
前記各指向性アンテナから同時に信号を送信し、各受信信号の振幅をどの受信部のものかを区別することなく重畳して合成することにより仮想的な単一の無指向性アンテナを構成し、この合成された受信信号の振幅を前記地中掘削機を中心とする同心円状に極座標上に表示する円形表示手段を備えたことと
を特徴とする地中掘削機の地中レーダ装置。
請求項１において、
前記極座標上に表示中の合成された受信信号の振幅が表示画面の中心に対して予め定めた所定値以下に接近したことを検出してブザーを鳴らす警報発生手段を備えたことを特徴とする地中掘削機の地中レーダ装置。
請求項１または２のいずれかにおいて、
前記複数の指向性アンテナの群が、前記地中掘削機の長手方向に沿って、低周波の電波を送受信する前方の群と、高周波の電波を送受信する後方の群とに分離されたことを特徴とする地中掘削機の地中レーダ装置。