JP4066124B2 - 先導体位置計測方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等などを通すためのトンネルを掘る先導体の位置を先導体位置測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等を地中に埋設する管路の敷設工事には、近年開削工法ではなく推進工法が通常採用される。この推進工法では、管路の一端となる位置に発進立坑が堀られ、管路の他端となる位置に到達立坑が掘られる。発進立坑内には先導体及び元押装置が設置される。この元押装置で先導体を地中内の水平方向に押し出すと、先導体が推進される。先導体が所定のストロークだけ前進したときに、先導体の後部に推進管が連結され、その後再び元押装置により推進管と共に先導体が前進させられる。このような工程の繰り返しで順次推進管が繋げられ、先導体を到達立坑まで前進させることによって管路が構築される。
【０００３】
粘性地盤や砂質地盤の場合は、先導体として圧入ヘッドを備える圧入方式のものが用いられ、砂礫地盤や玉石地盤の場合は、回転式のカッタヘッドを備える掘削方式のものが用いられる。元押装置としては油圧ジャッキ等が用いられる。圧入方式では口径３００〜４００ｍｍの推進管を最大５００ｍ程度の長さまで堀り進めることができ、掘削方式では最大口径６００ｍｍの推進管を最大２５０ｍ程度まで掘り進めることができる。
【０００４】
先導体には油圧ジャッキ等からなる方向修正機構が設けられる。この方向修正機構を制御することにより、直線掘進だけでなく曲線掘進にも対応できる。推進工法の施工に当たっては、先導体を計画線に沿って掘進させるために、あるいは土の影響により先導体が計画線からずれるのを防止するために、地中を掘進する先導体の水平及び垂直方向の位置を先導体位置計測装置によって逐次計測する。掘進する先導体が所定の計画線からずれたときに、先導体の掘進方向を修正するように方向修正機構を駆動し、先導体が計画線に沿って掘進するようにしている。
【０００５】
先導体の位置を計測する方法として、従来から電磁法、レーザターゲット法等が知られている。電磁法では、先導体に磁場を発生する発振器が設置され、地上に発振器から発生する磁場を受信する受信器が設置され、磁場の強さから先導体の位置が計測される。
【０００６】
レーザターゲット法では、図２３及び図２４に示すように、発進立坑１にレーザ光を射出するレーザ照準機が設けられ、先導体２にレーザ受光装置としてのターゲット３が設けられる。レーザ照準機は、基準線・計画線上に直線のレーザ光を射出する。ターゲット３上に照射されたレーザ光の位置４に基づいて計画線からの先導体のずれ量▲１▼が計測される。
【０００７】
このレーザターゲット法の応用として、曲がった計画線に沿って掘進する先導体の位置を計測する計測装置（特開平５−３４０１８６号公報参照）も知られている。この計測装置では、図２５に示すように、測角機能を有するレーザ照準機５がトンネル内に設置され、測距儀を有するウェッジプリズム６がレーザ照準機よりも前方に設けられ、反射プリズムを有するターゲット７が先導体８に設けられている。ウェッジプリズム６はレーザ照準機５から射出されるレーザ光を屈折する。あらかじめ測定されるレーザ照準機５とウェッジプリズム６との間の距離Ｌ１、ウェッジプリズムの屈折角θ１、測距儀が測定したウェッジプリズム６と先導体８との間の距離Ｌ２、及びターゲット７上のレーザスポットの照射位置（Δｘ，Δｙ）から先導体８の位置が計測される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電磁法にあっては、地上部に建物等がある場合には建物等を避けて計測しなければならず、連続的な計測ができない。また計測するに当たり、計測の毎に受信器をセットし、受信器そのもの位置をトランシット等で測量する必要があるので、手間がかかるという問題もある。
【０００９】
レーザ法にあっては、計画線が直線の場合にしか適用できず曲線の場合に適用できない。またレーザ光がターゲットの受光面から外れそうになったときは、レーザ照準機を水平垂直方向に振り、手動で再びターゲットにレーザ光が当たるようにする必要がある。これにより先導体の位置の計測が中断され、連続的に先導体の位置を計測できないという問題がある。
【００１０】
特開平５−３４０１８６号公報記載の測定装置にあっても、曲線施工が進んでレーザ光がターゲットの受光面から外れそうになったときは、ウェッジプリズムを回転させたり、あるいは測距儀を有するウェッジプリズムを先導体側に進め、測角機能を有する他のウェッジプリズムを設置し、手動で再びターゲットにレーザ光が当たるようにする必要がある。これにより先導体の位置の計測が中断され、連続的に先導体の位置を計測できないという問題がある。また、測距儀で先導体側のウェッジプリズム６と先導体８との間の距離Ｌ２を測定する必要があるが、測距儀はウェッジプリズムに比べて大きいので小口径のトンネル内に設置するのには適さず、小口径の先導体の位置を計測することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、曲がりを有する比較的小口径のトンネルを掘る先導体の位置及び姿勢を、自動的に且つ連続的に計測することができる先導体位置計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明者は、受光器を先導体に搭載し、複数のウェジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する光路屈折装置を、先導体に連結される先導体後続治具に取り付け、発進立坑から射出される光を曲げて受光器まで届くようにし、曲がった光の経路を知ることで先導体の位置を計測した。すなわち、所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測方法であって、前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する少なくとも一つの光路屈折装置を固定し、前記先導体に光が照射される受光器を固定し、発進立坑から射出される光を光路屈折装置で屈折して前記受光器まで届くようにし、前記光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測し、前記先導体は、前記先導体に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測方法により、上述した課題を解決した。
【００１４】
この発明によれば、先導体と共に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から、測距儀等で測定することなく、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。また、受光器に光が照射するように光の屈折角を制御しているので、光が受光器上の一定位置、例えば常に受光器の中心に光が照射するようにすることができる。この光が受光器の中心に届くことを利用し、受光器の中心に届いた光を透過部によって透過させ、透過部から一定間隔開けて配置した２次元の位置センサ上での光の照射位置を測定すると、先導体の姿勢を計測することができる。
【００１５】
また、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにしたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、受光器の出力値をフィードバック制御し、発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器で届くようにしているので、自動的に先導体の位置を計測することができる。また、発進立坑から照射される光が常に受光器を照射しているので、光が受光器から外れることがなく、この結果先導体の位置の計測を中断する必要がなくなり、先導体の位置を連続的に測定することができる。
【００１７】
また、本発明は、前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器を設け、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、計画線がどのように曲がっていても、発進立坑から射出される光を先導体の受光器まで確実に届かせることができる。
【００１９】
また、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、光路屈折装置による光の屈折角を高精度に且つ容易に算出することができる。
【００２３】
また、本発明は、前記透過部がレンズから構成されることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、レンズによって位置センサ上にレーサ光の焦点を結ぶことができ、先導体の姿勢を正確に計測することができる。
【００２５】
また、本発明は、前記先導体が、前記先導体（受光器の中心）に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器に届くようにし、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、光が受光器の中心に届くことを利用し、受光器の中心に届いた光を、自動的に姿勢計測用受光器に届くように先導体用光路屈折装置によって屈折することによって、先導体の姿勢を計測することができる。
【００２７】
さらに、本発明は、先導体が計画線の終端に位置するときに発進立坑から射出される光が前記受光器に届くように、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔によって掘進を行い、発進立坑に前記光路屈折装置のうちの一つを残しておいて前記先導体後続治具に固定された残りの光路屈折装置を先導体と一緒に移動させ、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔では、先導体が計画線の途中に位置するときに発進立坑から照射される光が前記受光器を照射できなくなると予測されると、前記光路屈折装置をさらに配置し、先導体が計画線の途中に位置するときにも発進立坑から射出される光が前記受光器に届くようにすることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、先導体が計画線上のどこに位置しても、先導体の位置を連続的に計測することができる。
【００２９】
また、本発明は、所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測装置であって、発進立坑から光を射出する発光装置と、前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に固定され、前記発光装置から射出される光を屈折する少なくとも一つの光路屈折装置と、前記光路屈折装置による光の屈折を制御する制御装置と、前記先導体に固定され、光が照射される受光器と、前記光路屈折装置による前記光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測する演算装置とを備え、前記光路屈折装置それぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発光装置から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにし、前記先導体は、前記受光器に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記演算装置は、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前記位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測装置としても構成することができる。
【００３０】
この発明によれば、先導体と一緒に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を、、測距儀等で測定することなく知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。また、トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。さらに、受光器の出力値をフィードバック制御し、発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器で届くようにしているので、自動的に先導体の位置を計測することができる。また、発進立坑から照射される光が常に受光器を照射しているので、光が受光器から外れることがなく、この結果先導体の位置の計測を中断する必要がなくなり、先導体の位置を連続的に測定することができる。また、この発明によれば、上述のように先導体の姿勢を計測することができる。
【００３１】
また、本発明は、前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器が設けられ、前記制御装置は、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにすることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、上述のように、計画線がどのように曲がっていても、発進立坑から射出される光を先導体の受光器まで確実に届かせることができる。
【００３３】
また、本発明は、前記演算装置が、前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、演算装置で光路屈折装置による光の屈折角を高精度に且つ容易に算出することができる。
【００３７】
また、本発明は、前記先導体が、前記先導体（受光器の中心）に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、前記先導体用光路屈折装置は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器まで届くようにし、前記演算装置は、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、上述のように先導体の姿勢を計測することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態における先導体位置計測装置が適用される推進工法を示す。先導体２１は発進立坑２２から到達立坑２３に向かって所定の計画線２４に沿ってトンネルを掘進する。ジャッキ等の元押装置により発進立坑２２から先導体２１が一定のストロークずつ押される。先導体２１が元押装置によって一定のストロークを前進する都度、先導体２１の後部に順次推進管が継ぎ足される。本発明の先導体位置計測装置は、掘進中の先導体２１の推進位置２５、例えば初期設定基準線２６に対する先導体の距離▲２▼を自動的に且つ連続的に計測する。図２に示すように、この距離▲２▼と初期設定基準線２６から計画線２４までの距離▲１▼とが比較され、▲２▼−▲１▼が先導体の計画線２４からのずれ量▲３▼とされる。ずれ量▲３▼が０となるように先導体２１の掘削が制御されている。
【００４０】
図３は先導体２１を示す。先導体は、前部ユニット２１ａと後部ユニット２１ｂとに分割され、これら前部ユニット２１ａと後部ユニット２１ｂとが中折れ機構２１ｃを介して屈曲可能に連結されている周知の構成からなる。前部ユニット２１ａの先端部には方向修正機構２１ｄを介して先端ヘッド２１ｅが設けられ、また後部ユニット２１ｂの後端部には受光器２７が設けられる。
【００４１】
図４は、先導体２１に取り付けられる受光器２７及び姿勢計測部を示す。図中（Ａ）は斜視図を示し、図中（Ｂ）はレンズの中心線方向の断面図を示す。受光器２７は姿勢計測部２８のレンズ３０の周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された３個ないし４個の光電センサ２９…から構成される。レーザ光の屈折の制御については後述するが、レーザ光は常に受光器２７の中心（レンズ３０の中心）に届くようにその屈折角が制御されている。
【００４２】
姿勢計測部２８は、受光器２７の中心に届いた光を透過させる透過部としてのレンズ３０と、レンズ３０と一定間隔を開け、透過された光が照射される２次元の位置センサ３１とを備える。先導体２１の姿勢は、受光器２７の中心にレーザ光が届いていることを利用し、２次元位置センサ３１からの出力に基づいて算出される。この姿勢の算出方法についても後述する。なお、受光器２７には４つの光電センサを組合せた２軸光電センサの他、ＣＣＤカメラ等の撮影素子が用いられても良い。透過部にはレンズ３０以外にもレーザ光を単に通過させるのみの小径のピンホールが用いられても良い。
【００４３】
図５は、先導体２１に連結される先導体後続治具を示す。先端ヘッドで地山を掘削する際、掘削された土砂は泥土に変換され、先導体２１内に設けた土砂圧送ポンプによって先導体後続治具３２を介して発進立坑まで圧送される。こうしてできたトンネルに推進管３３が敷設される。先導体を搬送する排土管３４は、先導体後続治具３２と一体化しており、周囲には、推進工法に必要とされる各種電線、油圧ホース等が設けられる。先導体２１の後部に順次推進管３３が継ぎ足されるのと同時に、これらの電線、油圧ケーブル、先導体後続治具３２等が順次継ぎ足される。この先導体後続治具３２は推進管３３の内部に上下方向および左右方向に拘束され、ガイドローラ３５，３６で先導体と一緒に移動可能となっている。また、図６に示すように先導体後続治具３２の単位管の両端には、ローリングしにくいようにローリング防止ピン３７ａ及びローリング防止溝３７ｂが設けられている。一対のウェッジプリズムを有する光路屈折装置としてのプリズムユニット１１及びプリズムユニット１１を制御する制御装置４２は、この先導体後続治具３２に取付け板３９を介して固定されている。上述のように先導体後続治具３２は推進管３３の内部に上下方向および左右方向に拘束されているので、推進管３３の管軸から一定位置にプリズムユニット１１を配置することができる。
【００４４】
図７は、本発明の先導体位置計測装置の全体システム構成図を示す。この先導体位置計測測装置は、発進立坑からレーザ光を射出する発光装置としてのレーザ照準機４１と、先導体２１に連結されると共に先導体２１と一緒に移動する先導体後続治具３２に固定され、レーザ照準機４１から射出される光を屈折するプリズムユニット１１…と、レーザ光の屈折を制御する制御装置４２…と、先導体２１に固定される受光器２７と、プリズムユニット１１…によるレーザ光の屈折角（θ１，θ２，θ３）、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及びプリズムユニット１１から受光器２７までの距離（Ｌ３）に基づいて先導体２１の位置を計測する演算装置４３とを備える。レーザ照準機４１及びレーザ光を最初に屈折するプリズムユニット１１は、発進立坑２２内に設けられる。
【００４５】
図８はプリズムユニット１１示す。図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す。各プリズムユニット１１は内部に一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを有する。各プリズムユニット１１には光路屈折装置用受光器４４が設けられる。この光路屈折装置用受光器はウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された３個ないし４個の光電センサ４５…から構成される。なお、光路屈折装置用受光器４４には４つの光電センサを組合せた２軸光電センサの他、ＣＣＤカメラ等の撮影素子が用いられても良い。
【００４６】
図９は、プリズムユニット１１の断面図を示す。プリズムユニット１１は、円筒状のケース１２と、このケース１２内に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、この一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれを個別に回転させる駆動部としてのモータ１４ａ，１４ｂと、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角をデジタル式に検出する角度検出部としてのエンコーダ１５ａ，１５ｂとを備える。モータ１４ａ，１４ｂとエンコーダ１５ａ，１５ｂとは一体になっている。また、塵等が付着するのを防止するために、ウェッジプリズムは保護ガラス１６で覆われている。なお、角度検出部はデジタル的に検出するエンコーダ１５ａ，１５ｂに限られることなく、アナログ的に検出するポテンションメータであってもよい。
【００４７】
図１０に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは、円筒状のレンズの第２面１７にテーパをつけたプリズムである。このウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの第１面１８にビームが垂直に入射すると、入射した光線は屈折角δで屈折する。ここで、屈折角δとウェッジ頂角ｗの関係は、以下の式で表される。
【００４８】
【式１】
ここで、ｎは屈折率である。
【００４９】
図１１は、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを組み合わせた場合を示す。２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角ｗを有する。この図に示すように、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを傾斜面１９が平行になるように近接配置すると、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを通過したビームは、平行なガラスを通過するのと同様に直進する。一方、図１２に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを第１面１８の法線と平行な軸の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円錐体内部の任意の方向にレーザ光を屈折（偏向）することができる。このときの最大屈折角は、ウェッジ頂角ｗが小さい場合は２つのウェッジプリズムの屈折角δを合算した２δになる。したがってレーザ光は直径４δの円内を照射する。
【００５０】
２個のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の屈折角および屈折方向の算出方法について説明する。ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂのそれぞれの回転角はエンコーダ１５ａ，１５ｂで検出され、組み合わせた場合の屈折角度は演算装置４３（図７参照）で算出される。演算装置４３はＣＰＵ等を有する計算機からなり、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角から各プリズムユニット１１の屈折角を算出し、さらにプリズムユニット１１…の屈折角θ１〜θ３の値、およびプリズムユニット１１…間の距離Ｌ１〜Ｌ２、奥側のプリズムユニット１１と受光器２７間の距離Ｌ３の値に基づいて、光路を折れ線グラフを引くようにトレースして先導体の位置を算出する。また、この演算装置４３は、姿勢計測部２８のレンズ３０と２次元位置センサ３１間との距離及び２次元位置センサ３１に照射された光の位置に基づいて先導体２１の姿勢を算出する（図２０参照）。先導体２１の姿勢の算出方法については後述する。
【００５１】
図１３に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ（以下ウェッジプリズム１３ａをプリズム１といい、ウェッジプリズム１３ｂをプリズム２という）の中心線上にレーザ光を入射すると、プリズム１がレーザ光を屈折角δ１で屈折し、プリズム２がさらにレーザ光を屈折角δ２で屈折する。この屈折角δ１，δ２が得られるプリズム１の回転角をψ１，プリズム２の回転角をψ２とする。プリズム１，２の一番厚いところと一番薄いところを結んだ線が水平となる位置を基準とし、回転角ψ１，ψ２はこの位置からの角度を表している。
【００５２】
ここで、ウェッジ頂角ｗが微少であることから、計算を簡単にするためにδ１，δ２ともに微少とし、ウェッジプリズム２の第1面にもレーザ光が垂直に入射すると仮定する。図１４は、レーザ光に対して直交する面にＸ軸，Ｙ軸をとり、プリズム１の屈折角δ１（図中（ａ））およびプリズム２の屈折角δ２（図中（ｂ））をベクトル表示したものである。この図からプリズム１に関して以下の計算式が成立する。
【００５３】
【式２】
また、プリズム２に関しても同様に以下の計算式が成立する。
【００５４】
【式３】
式２および式３からプリズム１とプリズム２を合算した場合のＸ方向の合成成分δTXは、以下の式４で表される。
【００５５】
【式４】
同様に、Ｙ方向の合成成分は、以下の式５で表される。
【００５６】
【式５】
したがって、合成屈折角δT、合成屈折方向ψTは以下の式６で表される。
【００５７】
【式６】
ここで、プリズム２個の差角ΔψをΔψ＝ψ１−ψ２とすると、δTは以下の式７で表される。
【００５８】
【式７】
【００５９】
これらの計算式を用いることで、２個のプリズム１，２それぞれの回転角から、組み合わせた場合の合成屈折角δＴおよび合成屈折方向ψＴを簡単に算出することができる。なお、プリズム１，２の屈折角δ1，δ2はプリズムによって一定の値を保ち、この屈折角は計算機のメモリに記憶されている。異なる屈折角のプリズム１，２を使用する場合は、メモリに複数の屈折角が記憶される。
【００６０】
図７に示すように制御装置４２は、プリズムユニット１１における一対のプリズム１，２それぞれの回転角度を操作して、光が直後のプリズムユニットを照射するように直後の光路屈折装置用受光器４４の出力値をフィードバック制御し、プリズムユニット１１で屈折される光が自動的に直後のプリズムユニット１１まで届くようにし、最終的にはレーザ照準機４１から射出されるレーザ光が自動的に受光器２７まで届くようにしている。各制御装置４２は、レーザ光が光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にないときは、あらかじめ定めたアルゴリズムでプリズム１，２それぞれを回転し、光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にくるようにプリズム１，２を操作する。このときのプリズム１，２の回転角ψ１，ψ２から上述の計算式を用いて合成屈折角δT（図１のθ１〜θ３）、合成屈折方向ψTが算出される。
【００６１】
レーザ光を光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にもっていくように制御装置４２で実行されるソフトウェアサーボのアルゴリズムについて説明する。このソフトウェアサーボは、プリズム１，２の回転角度を操作して、レーザ光が受光器２７の中心を照射するように光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の出力値をフィードバック制御している。以下受光器２７についてのみ説明するが、光路屈折装置用受光器４４についても全く同様である。
【００６２】
図１５は、アルゴリズムのフローチャートを示す。まず、受光器２７からの入力レベルがｅ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１）。受光器２７が中心から＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙの４方向に延びる４つの光電センサを組み合わせた２軸光電センサの場合、レーザ光が中心にあれば出力値が０になる。受光器２７からの入力レベル＜ｅ１の場合は、レーザ光が受光器２７の中心にあるとして、プリズム１，２の回転角を操作しない。受光器２７からの入力レベル≧ｅ１の場合は、レーザ光が受光器２７の中心にないので、レーザ光が受光器２７の中心にくるように以下の処理を行う。
【００６３】
まずプリズム座標系で、Ｘ０，Ｙ０，ψＴを算出する（ステップＳ２）。次に、受光器座標系でＸ１，Ｙ１を検出する（ステップＳ３）。プリズム座標系は、図１６および図１７に示すように、プリズムユニット１１からプリズム中心線を延長して受光器上の平面と交差する点Ｐを原点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器２７の中心を原点とした座標系をいう。この図１６および図１７で、レーザ光の受光器２７上の照射位置をプリズム座標系で示したものがｖ０ベクトルで、受光器座標系で示したものがｖ１ベクトルである。レーザ光が受光器２７の中心を照射するためには、ｖ１ベクトルが０となればよい。プリズム座標系のｖ０ベクトルのＸ方向成分、Ｙ方向成分それぞれをＸ０，Ｙ０とすると、上述のプリズムの合成屈折角δTから、Ｘ０＝δＴＸ×Ｌ１，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌ１と算出される。ここで、Ｌ１はプリズムから受光器までの距離である。そして、ψＴは上述の合成屈折方向から算出される（ステップＳ２）。また、受光器座標系において、受光器２７の検出値からＸ１，Ｙ１が検出され、計算式θ１＝ｔａｎ-1（Ｙ１／Ｘ１）からθ１が算出される（ステップＳ３）。受光器２７の精度が高く、座標Ｘ１，Ｙ１が高精度に得られると、このＸ１，Ｙ１に基づいてプリズムを操作して受光器２７の中心を照射するように合成屈折角δＴを変化させればよいが、一般に受光器２７の精度はそれほど高くないので以下のような処理が必要になる。
【００６４】
ψＴとθ１を比較し、一致する方向に差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回し、ψＴを変える（ステップＳ４）。図１８に示すように、２つのプリズムの差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回すと、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、絶対値を保ったまま、原点Ｐを中心として回転する。ψＴとθ１とが等しくなるまで（図中２点鎖線の位置から実線の位置まで）回転すると、ｖ１ベクトルとｖ０ベクトルとは重なる。このステップＳ４では、ｖ０ベクトルとｖ１ベクトルとの方向を合わせている。なお、プリズムの１回の回転量は振動しないように差の１／２とされる。
【００６５】
次に、｜ｖ１｜と｜ｖ０｜を比較し、ψＴを一定に保ったまま、｜ｖ１｜が０となるように差角Δψを変化する。図１９に示すように、２枚のプリズムを相反する方向へ同じ量回転すると、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、ψＴを一定に保ったまま、絶対値｜ｖ０｜を変化する。この図に示すように、２枚のプリズムの差角Δψを｜ｖ１｜が０となるように変化すると、ｖ０ベクトルの絶対値が図中２点鎖線の位置から実線の位置まで変化する。すなわち、ステップＳ５では、ｖ１ベクトルの絶対値を０となるようにしている。ここで、｜ｖ１｜＝√（Ｘ１2＋Ｙ１2），｜ｖ０｜＝Ｌ１√（δＴＸ2＋δＴＹ2）で表される。なお、差角Δψの１回の変化量は、振動しないように差の１／２とされる。
【００６６】
次に、ステップＳ５での差角Δψの変化量が例えば１０″以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。１０″以下であれば、レーザ光が受光器２７の中心を照射しているとして、スタートに戻る。１０″以下でなければ、ステップ２〜ステップ５を繰り返し、再びｖ１ベクトルが０になるようにプリズムの回転角を操作する。
【００６７】
このようにして、制御装置４２は直前のプリズムユニット１１における一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角度を操作して、レーザ光が直後の光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７を自動的に照射するようにしている。十文字状に配置された光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心は、プリズムユニット１１の中心（ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転中心）と一致しているので、レーザ光はプリズムユニット１１の中心を照射する。そして、順次直後のプリズムユニット１１を照射するようにプリズムユニット１１が制御され、最終的にはレーザ照準機４１から射出されるレーザ光が自動的に先導体２１の受光器２７まで届く。レーザ光が受光器２７の中心を照射しているときのプリズムユニット１１の合成屈折角δＴを算出すれば、図７に示すようなプリズムユニット１１の屈折角θ１〜θ３を求めることができる。
【００６８】
本発明によれば、先導体２１と共に移動する先導体後続治具３２にプリズムユニット１１…が固定されるので、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及び先導体２１とプリズムユニット１１間の距離（Ｌ３）が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具３２にプリズムユニット１１を固定した位置から、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及び先導体２１とプリズムユニット１１間の距離（Ｌ３）を、測距儀等で測定しなくても知ることができる。また、上述のようにプリズムユニット１１の一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを回転すると、レーザ光を任意の方向に屈折することができ、一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角からプリズムユニット１１の屈折角を知ることができる。これらのプリズムユニットに１１…よる光の屈折角、プリズムユニット１１…間の距離及びプリズムユニット１１から前記受光器２７までの距離に基づいて先導体２１の位置を自動的に計測することができる。また、トンネル内には、大きさの小さい受光器２７、プリズムユニット１１…しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体２１の位置を計測するのに最適な先導体位置計測装置が得られる。
【００６９】
プリズムユニット１１…の配置方法について説明する。まず、図１に示すように、先導体２１が計画線２４の終端（到達立坑２３）に位置するときに発進立坑２２から射出される光が先導体２１の受光器２７に届くように、プリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔をあらかじめ決定する。あらかじめ決定されたプリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔によって掘進を行い、図７に示すように発進立坑２２にプリズムユニット１１…のうちの一つを残しておいて先導体後続治具３２に固定された残りのプリズムユニット１１，１１を先導体２１と一緒に移動させ、先導体２１の位置を計測する。次に、あらかじめ決定されたプリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔では、先導体２１が計画線の途中に位置するときに発進立坑２２から照射されるレーザ光が受光器２７を照射できなくなると予測されると、プリズムユニット１１が新たに配置される。そして、先導体２１が計画線の２４途中に位置するときにも発進立坑２２から射出されるレーザ光が受光器２７に届くようにする。例えば、計画線２４の途中に曲率半径の小さく曲がりの急な円弧がある場合は、その円弧から到達立坑２３までは円弧でもレーザ光が届くように新たにプリズムユニット１１が設置され、プリズムユニット１１…間の距離が短くなる。このようにプリズムユニット１１…を配置すると、先導体２１が計画線２４上のどこに位置しても、先導体２１の位置を連続的に計測することができる
次に先導体２１の姿勢の計測方法について説明する。
【００７０】
図２０は、先導体２１の姿勢計測部２８を示す。図中（Ａ）は姿勢計測部の断面を示し、図中（Ｂ）は位置センサ３１の正面図を示す。上述のように、姿勢計測部２８は受光器２７の中心に届いたレーザ光を透過させるレンズ３０と、レンズ３０から一定間隔Ｌ開けて配置され、透過されたレーザ光が照射される２次元の位置センサ３１とを備える。先導体２１の姿勢が変化すると、位置センサ３１上でのレーザ光の照射位置が変化する。姿勢計測部２８は、受光器２７の中心に届いたレーザ光を先導体２１の内部に取り込み、ヨーイング角を計測する。演算装置４３（図７参照）は２次元の位置センサ３１上でのレーザ光の照射位置から先導体２１の姿勢を算出する。２次元の位置センサ３１には、２軸の光電センサあるいはＣＣＤカメラ等が用いられるが、ここでは２軸の光電センサを用いた場合について説明する。
【００７１】
まず、２次元の位置センサ３１によってレーザ光の照射位置４８のＸ座標及びＹ座標が計測される。位置センサ３１は、例えば（Ｘ軸方向＋０．５Ｖ、Ｙ軸方向＋１Ｖ）のように電圧値（ｅｘ，ｅｙ）を出力する。演算装置４３は、この電圧値にスケールファクターＫ（電圧を変位に変換する係数）を乗じてレーザ光の照射位置（Ｋ・ｅｘ，Ｋ・ｅｙ）を算出する。次に、演算装置４３は、レンズ３０の中心にレーザ光が透過していることから下記の計算式に基づいて近似的にヨーイング角ψ（水平面内での先導体２１の回転角）を算出する。なお、先導体２１の計画線に対する水平面内でのすれを測定するのが目的なので、先導体２１のヨーイング角ψを知ることが最も重要である。
【００７２】
【式８】
ψ＝ｔａｎ-1（Ｋ・ｅｘ／Ｌ）
【００７３】
ここでは、計算を簡単にするためにピッチング角θ（垂直面内での先導体の回転角）及びローリング角φを０としている。先導体のヨーイング角ψを厳密に算出する場合には、ローリング角φ及びピッチング角θの影響を考慮した３×３のマトリクスのオイラー変換式が使用される。先導体のローリング角φは、先導体に取り付けられるローリング計から測定される。
【００７４】
上述のヨーイング角ψを求めるのと同様にピッチング角θも求めることができる。位置センサ３１によって先導体のピッチング角θを求めると、先導体２１に別途傾斜計を設ける必要がなくなる。
【００７５】
図２１及び図２２は、姿勢計測部の他の例を示す。この例において、先導体２１には、先導体２１（受光器２７の中心）に届いた光を一対のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用プリズムユニット５１と、先導体用プリズムユニット５１と所定の間隔Ｌを開け、先導体用プリズムユニット５１で屈折されたレーザ光が照射される姿勢計測用受光器５２が設けられる。先導体用プリズムユニット５１は、上述のプリズムユニット１１と同様な構成を有し、姿勢計測用受光器５２は上述の受光器２７と同様に２軸光電センサ等から構成される。
【００７６】
制御装置（図示せず）は、ウェッジプリズム５２ａ，５２ｂの回転角度を操作して、レーザ光が姿勢計測用受光器５２を照射するように姿勢計測用受光器５２の出力値をフィードバック制御し、受光器２７の中心に届いたレーザ光が自動的に姿勢計測用受光器に届くようにする。演算装置４３は、先導体用プリズムユニット５１における一対のウェッジプリズム５２ａ，５２ｂそれぞれの回転角度に基づいて先導体用プリズムユニット５１の屈折角θを算出する。このようにしても先導体用プリズムユニット５１の屈折角θから先導体２１の姿勢を計測する。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、先導体と共に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から、測距儀等で測定することなく、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における先導体位置計測装置が適用される推進工法を示す平面図。
【図２】先導体の計画線からのずれを示す概略図。
【図３】先導体を示す平面図。
【図４】先導体に取り付けられる受光器及び姿勢計測部を示す図（図中（Ａ）は斜視図を示し、図中（Ｂ）はレンズの中心線方向の断面図を示す）。
【図５】先導体後続治具を示す管軸と直交する方向の断面図。
【図６】先導体後続治具を示す側面図。
【図７】先導体位置計測装置の全体システム構成図。
【図８】プリズムユニットを示す図（図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図９】プリズムユニットを示す断面図。
【図１０】ウェッジプリズムを示す断面図。
【図１１】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。
【図１２】入射光線を屈折するウェッジプリズムを示す斜視図。
【図１３】入射光線の屈折を座標系で示す図。
【図１４】屈折角をベクトルで示す図（図中（ａ）はプリズム１を示し、図中（ｂ）はプリズム２を示す。）
【図１５】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１６】受光器上でのレーザ光の照射位置を示す図。
【図１７】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１８】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１９】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図２０】姿勢計測部を示す図（図中（Ａ）は姿勢計測部の断面を示し、図中（Ｂ）は位置センサ３１の正面図を示す）。
【図２１】他の例の姿勢計測部が組み込まれた先導体を示す平面図。
【図２２】他の例の姿勢計測部の水平方向の断面図。
【図２３】従来のレーザ法による計測を示す平面図。
【図２４】従来のレーザ法によるずれ量を示す概略図。
【図２５】従来の曲がった管路を計測する計測装置を示す平面図。
【符号の説明】
１１ プリズムユニット（光路屈折装置）
１３ａ，１３ｂ ウェッジプリズム
１４ａ，１４ｂ モータ（駆動部）
１５ａ，１５ｂ エンコーダ（角度検出部）
２１ 先導体
２２ 発進立坑
２４ 計画線
２７ 受光器
３０ レンズ（透過部）
３１ 位置センサ
３２ 先導体後続治具
４２ 制御装置
４３ 演算装置
４４ 光路屈折装置用受光器
５１ 先導体用プリズムユニット（先導体用光路屈折装置）
５２ 姿勢計測用受光器
θ１〜θ３ 屈折角
Ｌ１〜Ｌ３ 距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等などを通すためのトンネルを掘る先導体の位置を先導体位置測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等を地中に埋設する管路の敷設工事には、近年開削工法ではなく推進工法が通常採用される。この推進工法では、管路の一端となる位置に発進立坑が堀られ、管路の他端となる位置に到達立坑が掘られる。発進立坑内には先導体及び元押装置が設置される。この元押装置で先導体を地中内の水平方向に押し出すと、先導体が推進される。先導体が所定のストロークだけ前進したときに、先導体の後部に推進管が連結され、その後再び元押装置により推進管と共に先導体が前進させられる。このような工程の繰り返しで順次推進管が繋げられ、先導体を到達立坑まで前進させることによって管路が構築される。
【０００３】
粘性地盤や砂質地盤の場合は、先導体として圧入ヘッドを備える圧入方式のものが用いられ、砂礫地盤や玉石地盤の場合は、回転式のカッタヘッドを備える掘削方式のものが用いられる。元押装置としては油圧ジャッキ等が用いられる。圧入方式では口径３００〜４００ｍｍの推進管を最大５００ｍ程度の長さまで堀り進めることができ、掘削方式では最大口径６００ｍｍの推進管を最大２５０ｍ程度まで掘り進めることができる。
【０００４】
先導体には油圧ジャッキ等からなる方向修正機構が設けられる。この方向修正機構を制御することにより、直線掘進だけでなく曲線掘進にも対応できる。推進工法の施工に当たっては、先導体を計画線に沿って掘進させるために、あるいは土の影響により先導体が計画線からずれるのを防止するために、地中を掘進する先導体の水平及び垂直方向の位置を先導体位置計測装置によって逐次計測する。掘進する先導体が所定の計画線からずれたときに、先導体の掘進方向を修正するように方向修正機構を駆動し、先導体が計画線に沿って掘進するようにしている。
【０００５】
先導体の位置を計測する方法として、従来から電磁法、レーザターゲット法等が知られている。電磁法では、先導体に磁場を発生する発振器が設置され、地上に発振器から発生する磁場を受信する受信器が設置され、磁場の強さから先導体の位置が計測される。
【０００６】
レーザターゲット法では、図２３及び図２４に示すように、発進立坑１にレーザ光を射出するレーザ照準機が設けられ、先導体２にレーザ受光装置としてのターゲット３が設けられる。レーザ照準機は、基準線・計画線上に直線のレーザ光を射出する。ターゲット３上に照射されたレーザ光の位置４に基づいて計画線からの先導体のずれ量▲１▼が計測される。
【０００７】
このレーザターゲット法の応用として、曲がった計画線に沿って掘進する先導体の位置を計測する計測装置（特開平５−３４０１８６号公報参照）も知られている。この計測装置では、図２５に示すように、測角機能を有するレーザ照準機５がトンネル内に設置され、測距儀を有するウェッジプリズム６がレーザ照準機よりも前方に設けられ、反射プリズムを有するターゲット７が先導体８に設けられている。ウェッジプリズム６はレーザ照準機５から射出されるレーザ光を屈折する。あらかじめ測定されるレーザ照準機５とウェッジプリズム６との間の距離Ｌ１、ウェッジプリズムの屈折角θ１、測距儀が測定したウェッジプリズム６と先導体８との間の距離Ｌ２、及びターゲット７上のレーザスポットの照射位置（Δｘ，Δｙ）から先導体８の位置が計測される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電磁法にあっては、地上部に建物等がある場合には建物等を避けて計測しなければならず、連続的な計測ができない。また計測するに当たり、計測の毎に受信器をセットし、受信器そのもの位置をトランシット等で測量する必要があるので、手間がかかるという問題もある。
【０００９】
レーザ法にあっては、計画線が直線の場合にしか適用できず曲線の場合に適用できない。またレーザ光がターゲットの受光面から外れそうになったときは、レーザ照準機を水平垂直方向に振り、手動で再びターゲットにレーザ光が当たるようにする必要がある。これにより先導体の位置の計測が中断され、連続的に先導体の位置を計測できないという問題がある。
【００１０】
特開平５−３４０１８６号公報記載の測定装置にあっても、曲線施工が進んでレーザ光がターゲットの受光面から外れそうになったときは、ウェッジプリズムを回転させたり、あるいは測距儀を有するウェッジプリズムを先導体側に進め、測角機能を有する他のウェッジプリズムを設置し、手動で再びターゲットにレーザ光が当たるようにする必要がある。これにより先導体の位置の計測が中断され、連続的に先導体の位置を計測できないという問題がある。また、測距儀で先導体側のウェッジプリズム６と先導体８との間の距離Ｌ２を測定する必要があるが、測距儀はウェッジプリズムに比べて大きいので小口径のトンネル内に設置するのには適さず、小口径の先導体の位置を計測することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、曲がりを有する比較的小口径のトンネルを掘る先導体の位置及び姿勢を、自動的に且つ連続的に計測することができる先導体位置計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明者は、受光器を先導体に搭載し、複数のウェジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する光路屈折装置を、先導体に連結される先導体後続治具に取り付け、発進立坑から射出される光を曲げて受光器まで届くようにし、曲がった光の経路を知ることで先導体の位置を計測した。すなわち、所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測方法であって、前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する少なくとも一つの光路屈折装置を固定し、前記先導体に光が照射される受光器を固定し、発進立坑から射出される光を光路屈折装置で屈折して前記受光器まで届くようにし、前記光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測し、前記先導体は、前記先導体に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測方法により、上述した課題を解決した。
【００１４】
この発明によれば、先導体と共に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から、測距儀等で測定することなく、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。また、受光器に光が照射するように光の屈折角を制御しているので、光が受光器上の一定位置、例えば常に受光器の中心に光が照射するようにすることができる。この光が受光器の中心に届くことを利用し、受光器の中心に届いた光を透過部によって透過させ、透過部から一定間隔開けて配置した２次元の位置センサ上での光の照射位置を測定すると、先導体の姿勢を計測することができる。
【００１５】
また、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにしたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、受光器の出力値をフィードバック制御し、発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器で届くようにしているので、自動的に先導体の位置を計測することができる。また、発進立坑から照射される光が常に受光器を照射しているので、光が受光器から外れることがなく、この結果先導体の位置の計測を中断する必要がなくなり、先導体の位置を連続的に測定することができる。
【００１７】
また、本発明は、前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器を設け、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、計画線がどのように曲がっていても、発進立坑から射出される光を先導体の受光器まで確実に届かせることができる。
【００１９】
また、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、光路屈折装置による光の屈折角を高精度に且つ容易に算出することができる。
【００２３】
また、本発明は、前記透過部がレンズから構成されることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、レンズによって位置センサ上にレーサ光の焦点を結ぶことができ、先導体の姿勢を正確に計測することができる。
【００２５】
また、本発明は、前記先導体が、前記先導体（受光器の中心）に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器に届くようにし、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、光が受光器の中心に届くことを利用し、受光器の中心に届いた光を、自動的に姿勢計測用受光器に届くように先導体用光路屈折装置によって屈折することによって、先導体の姿勢を計測することができる。
【００２７】
さらに、本発明は、先導体が計画線の終端に位置するときに発進立坑から射出される光が前記受光器に届くように、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔によって掘進を行い、発進立坑に前記光路屈折装置のうちの一つを残しておいて前記先導体後続治具に固定された残りの光路屈折装置を先導体と一緒に移動させ、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔では、先導体が計画線の途中に位置するときに発進立坑から照射される光が前記受光器を照射できなくなると予測されると、前記光路屈折装置をさらに配置し、先導体が計画線の途中に位置するときにも発進立坑から射出される光が前記受光器に届くようにすることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、先導体が計画線上のどこに位置しても、先導体の位置を連続的に計測することができる。
【００２９】
また、本発明は、所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測装置であって、発進立坑から光を射出する発光装置と、前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に固定され、前記発光装置から射出される光を屈折する少なくとも一つの光路屈折装置と、前記光路屈折装置による光の屈折を制御する制御装置と、前記先導体に固定され、光が照射される受光器と、前記光路屈折装置による前記光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測する演算装置とを備え、前記光路屈折装置それぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発光装置から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにし、前記先導体は、前記受光器に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記演算装置は、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前記位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測装置としても構成することができる。
【００３０】
この発明によれば、先導体と一緒に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を、、測距儀等で測定することなく知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。また、トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。さらに、受光器の出力値をフィードバック制御し、発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器で届くようにしているので、自動的に先導体の位置を計測することができる。また、発進立坑から照射される光が常に受光器を照射しているので、光が受光器から外れることがなく、この結果先導体の位置の計測を中断する必要がなくなり、先導体の位置を連続的に測定することができる。また、この発明によれば、上述のように先導体の姿勢を計測することができる。
【００３１】
また、本発明は、前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器が設けられ、前記制御装置は、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにすることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、上述のように、計画線がどのように曲がっていても、発進立坑から射出される光を先導体の受光器まで確実に届かせることができる。
【００３３】
また、本発明は、前記演算装置が、前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、演算装置で光路屈折装置による光の屈折角を高精度に且つ容易に算出することができる。
【００３７】
また、本発明は、前記先導体が、前記先導体（受光器の中心）に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、前記先導体用光路屈折装置は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器まで届くようにし、前記演算装置は、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、上述のように先導体の姿勢を計測することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態における先導体位置計測装置が適用される推進工法を示す。先導体２１は発進立坑２２から到達立坑２３に向かって所定の計画線２４に沿ってトンネルを掘進する。ジャッキ等の元押装置により発進立坑２２から先導体２１が一定のストロークずつ押される。先導体２１が元押装置によって一定のストロークを前進する都度、先導体２１の後部に順次推進管が継ぎ足される。本発明の先導体位置計測装置は、掘進中の先導体２１の推進位置２５、例えば初期設定基準線２６に対する先導体の距離▲２▼を自動的に且つ連続的に計測する。図２に示すように、この距離▲２▼と初期設定基準線２６から計画線２４までの距離▲１▼とが比較され、▲２▼−▲１▼が先導体の計画線２４からのずれ量▲３▼とされる。ずれ量▲３▼が０となるように先導体２１の掘削が制御されている。
【００４０】
図３は先導体２１を示す。先導体は、前部ユニット２１ａと後部ユニット２１ｂとに分割され、これら前部ユニット２１ａと後部ユニット２１ｂとが中折れ機構２１ｃを介して屈曲可能に連結されている周知の構成からなる。前部ユニット２１ａの先端部には方向修正機構２１ｄを介して先端ヘッド２１ｅが設けられ、また後部ユニット２１ｂの後端部には受光器２７が設けられる。
【００４１】
図４は、先導体２１に取り付けられる受光器２７及び姿勢計測部を示す。図中（Ａ）は斜視図を示し、図中（Ｂ）はレンズの中心線方向の断面図を示す。受光器２７は姿勢計測部２８のレンズ３０の周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された３個ないし４個の光電センサ２９…から構成される。レーザ光の屈折の制御については後述するが、レーザ光は常に受光器２７の中心（レンズ３０の中心）に届くようにその屈折角が制御されている。
【００４２】
姿勢計測部２８は、受光器２７の中心に届いた光を透過させる透過部としてのレンズ３０と、レンズ３０と一定間隔を開け、透過された光が照射される２次元の位置センサ３１とを備える。先導体２１の姿勢は、受光器２７の中心にレーザ光が届いていることを利用し、２次元位置センサ３１からの出力に基づいて算出される。この姿勢の算出方法についても後述する。なお、受光器２７には４つの光電センサを組合せた２軸光電センサの他、ＣＣＤカメラ等の撮影素子が用いられても良い。透過部にはレンズ３０以外にもレーザ光を単に通過させるのみの小径のピンホールが用いられても良い。
【００４３】
図５は、先導体２１に連結される先導体後続治具を示す。先端ヘッドで地山を掘削する際、掘削された土砂は泥土に変換され、先導体２１内に設けた土砂圧送ポンプによって先導体後続治具３２を介して発進立坑まで圧送される。こうしてできたトンネルに推進管３３が敷設される。先導体を搬送する排土管３４は、先導体後続治具３２と一体化しており、周囲には、推進工法に必要とされる各種電線、油圧ホース等が設けられる。先導体２１の後部に順次推進管３３が継ぎ足されるのと同時に、これらの電線、油圧ケーブル、先導体後続治具３２等が順次継ぎ足される。この先導体後続治具３２は推進管３３の内部に上下方向および左右方向に拘束され、ガイドローラ３５，３６で先導体と一緒に移動可能となっている。また、図６に示すように先導体後続治具３２の単位管の両端には、ローリングしにくいようにローリング防止ピン３７ａ及びローリング防止溝３７ｂが設けられている。一対のウェッジプリズムを有する光路屈折装置としてのプリズムユニット１１及びプリズムユニット１１を制御する制御装置４２は、この先導体後続治具３２に取付け板３９を介して固定されている。上述のように先導体後続治具３２は推進管３３の内部に上下方向および左右方向に拘束されているので、推進管３３の管軸から一定位置にプリズムユニット１１を配置することができる。
【００４４】
図７は、本発明の先導体位置計測装置の全体システム構成図を示す。この先導体位置計測測装置は、発進立坑からレーザ光を射出する発光装置としてのレーザ照準機４１と、先導体２１に連結されると共に先導体２１と一緒に移動する先導体後続治具３２に固定され、レーザ照準機４１から射出される光を屈折するプリズムユニット１１…と、レーザ光の屈折を制御する制御装置４２…と、先導体２１に固定される受光器２７と、プリズムユニット１１…によるレーザ光の屈折角（θ１，θ２，θ３）、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及びプリズムユニット１１から受光器２７までの距離（Ｌ３）に基づいて先導体２１の位置を計測する演算装置４３とを備える。レーザ照準機４１及びレーザ光を最初に屈折するプリズムユニット１１は、発進立坑２２内に設けられる。
【００４５】
図８はプリズムユニット１１示す。図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す。各プリズムユニット１１は内部に一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを有する。各プリズムユニット１１には光路屈折装置用受光器４４が設けられる。この光路屈折装置用受光器はウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された３個ないし４個の光電センサ４５…から構成される。なお、光路屈折装置用受光器４４には４つの光電センサを組合せた２軸光電センサの他、ＣＣＤカメラ等の撮影素子が用いられても良い。
【００４６】
図９は、プリズムユニット１１の断面図を示す。プリズムユニット１１は、円筒状のケース１２と、このケース１２内に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、この一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれを個別に回転させる駆動部としてのモータ１４ａ，１４ｂと、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角をデジタル式に検出する角度検出部としてのエンコーダ１５ａ，１５ｂとを備える。モータ１４ａ，１４ｂとエンコーダ１５ａ，１５ｂとは一体になっている。また、塵等が付着するのを防止するために、ウェッジプリズムは保護ガラス１６で覆われている。なお、角度検出部はデジタル的に検出するエンコーダ１５ａ，１５ｂに限られることなく、アナログ的に検出するポテンションメータであってもよい。
【００４７】
図１０に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは、円筒状のレンズの第２面１７にテーパをつけたプリズムである。このウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの第１面１８にビームが垂直に入射すると、入射した光線は屈折角δで屈折する。ここで、屈折角δとウェッジ頂角ｗの関係は、以下の式で表される。
【００４８】
【式１】
【００４９】
図１１は、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを組み合わせた場合を示す。２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角ｗを有する。この図に示すように、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを傾斜面１９が平行になるように近接配置すると、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを通過したビームは、平行なガラスを通過するのと同様に直進する。一方、図１２に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを第１面１８の法線と平行な軸の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円錐体内部の任意の方向にレーザ光を屈折（偏向）することができる。このときの最大屈折角は、ウェッジ頂角ｗが小さい場合は２つのウェッジプリズムの屈折角δを合算した２δになる。したがってレーザ光は直径４δの円内を照射する。
【００５０】
２個のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の屈折角および屈折方向の算出方法について説明する。ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂのそれぞれの回転角はエンコーダ１５ａ，１５ｂで検出され、組み合わせた場合の屈折角度は演算装置４３（図７参照）で算出される。演算装置４３はＣＰＵ等を有する計算機からなり、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角から各プリズムユニット１１の屈折角を算出し、さらにプリズムユニット１１…の屈折角θ１〜θ３の値、およびプリズムユニット１１…間の距離Ｌ１〜Ｌ２、奥側のプリズムユニット１１と受光器２７間の距離Ｌ３の値に基づいて、光路を折れ線グラフを引くようにトレースして先導体の位置を算出する。また、この演算装置４３は、姿勢計測部２８のレンズ３０と２次元位置センサ３１間との距離及び２次元位置センサ３１に照射された光の位置に基づいて先導体２１の姿勢を算出する（図２０参照）。先導体２１の姿勢の算出方法については後述する。
【００５１】
図１３に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ（以下ウェッジプリズム１３ａをプリズム１といい、ウェッジプリズム１３ｂをプリズム２という）の中心線上にレーザ光を入射すると、プリズム１がレーザ光を屈折角δ１で屈折し、プリズム２がさらにレーザ光を屈折角δ２で屈折する。この屈折角δ１，δ２が得られるプリズム１の回転角をψ１，プリズム２の回転角をψ２とする。プリズム１，２の一番厚いところと一番薄いところを結んだ線が水平となる位置を基準とし、回転角ψ１，ψ２はこの位置からの角度を表している。
【００５２】
ここで、ウェッジ頂角ｗが微少であることから、計算を簡単にするためにδ１，δ２ともに微少とし、ウェッジプリズム２の第1面にもレーザ光が垂直に入射すると仮定する。図１４は、レーザ光に対して直交する面にＸ軸，Ｙ軸をとり、プリズム１の屈折角δ１（図中（ａ））およびプリズム２の屈折角δ２（図中（ｂ））をベクトル表示したものである。この図からプリズム１に関して以下の計算式が成立する。
【００５３】
【式２】
【００５４】
【式３】
【００５５】
【式４】
【００５６】
【式５】
【００５７】
【式６】
【００５８】
【式７】
これらの計算式を用いることで、２個のプリズム１，２それぞれの回転角から、組み合わせた場合の合成屈折角δＴおよび合成屈折方向ψＴを簡単に算出することができる。なお、プリズム１，２の屈折角δ1，δ2はプリズムによって一定の値を保ち、この屈折角は計算機のメモリに記憶されている。異なる屈折角のプリズム１，２を使用する場合は、メモリに複数の屈折角が記憶される。
【００６０】
図７に示すように制御装置４２は、プリズムユニット１１における一対のプリズム１，２それぞれの回転角度を操作して、光が直後のプリズムユニットを照射するように直後の光路屈折装置用受光器４４の出力値をフィードバック制御し、プリズムユニット１１で屈折される光が自動的に直後のプリズムユニット１１まで届くようにし、最終的にはレーザ照準機４１から射出されるレーザ光が自動的に受光器２７まで届くようにしている。各制御装置４２は、レーザ光が光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にないときは、あらかじめ定めたアルゴリズムでプリズム１，２それぞれを回転し、光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にくるようにプリズム１，２を操作する。このときのプリズム１，２の回転角ψ１，ψ２から上述の計算式を用いて合成屈折角δT（図１のθ１〜θ３）、合成屈折方向ψTが算出される。
【００６１】
レーザ光を光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心にもっていくように制御装置４２で実行されるソフトウェアサーボのアルゴリズムについて説明する。このソフトウェアサーボは、プリズム１，２の回転角度を操作して、レーザ光が受光器２７の中心を照射するように光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の出力値をフィードバック制御している。以下受光器２７についてのみ説明するが、光路屈折装置用受光器４４についても全く同様である。
【００６２】
図１５は、アルゴリズムのフローチャートを示す。まず、受光器２７からの入力レベルがｅ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１）。受光器２７が中心から＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙの４方向に延びる４つの光電センサを組み合わせた２軸光電センサの場合、レーザ光が中心にあれば出力値が０になる。受光器２７からの入力レベル＜ｅ１の場合は、レーザ光が受光器２７の中心にあるとして、プリズム１，２の回転角を操作しない。受光器２７からの入力レベル≧ｅ１の場合は、レーザ光が受光器２７の中心にないので、レーザ光が受光器２７の中心にくるように以下の処理を行う。
【００６３】
まずプリズム座標系で、Ｘ０，Ｙ０，ψＴを算出する（ステップＳ２）。次に、受光器座標系でＸ１，Ｙ１を検出する（ステップＳ３）。プリズム座標系は、図１６および図１７に示すように、プリズムユニット１１からプリズム中心線を延長して受光器上の平面と交差する点Ｐを原点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器２７の中心を原点とした座標系をいう。この図１６および図１７で、レーザ光の受光器２７上の照射位置をプリズム座標系で示したものがｖ０ベクトルで、受光器座標系で示したものがｖ１ベクトルである。レーザ光が受光器２７の中心を照射するためには、ｖ１ベクトルが０となればよい。プリズム座標系のｖ０ベクトルのＸ方向成分、Ｙ方向成分それぞれをＸ０，Ｙ０とすると、上述のプリズムの合成屈折角δTから、Ｘ０＝δＴＸ×Ｌ１，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌ１と算出される。ここで、Ｌ１はプリズムから受光器までの距離である。そして、ψＴは上述の合成屈折方向から算出される（ステップＳ２）。また、受光器座標系において、受光器２７の検出値からＸ１，Ｙ１が検出され、計算式θ１＝ｔａｎ-1（Ｙ１／Ｘ１）からθ１が算出される（ステップＳ３）。受光器２７の精度が高く、座標Ｘ１，Ｙ１が高精度に得られると、このＸ１，Ｙ１に基づいてプリズムを操作して受光器２７の中心を照射するように合成屈折角δＴを変化させればよいが、一般に受光器２７の精度はそれほど高くないので以下のような処理が必要になる。
【００６４】
ψＴとθ１を比較し、一致する方向に差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回し、ψＴを変える（ステップＳ４）。図１８に示すように、２つのプリズムの差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回すと、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、絶対値を保ったまま、原点Ｐを中心として回転する。ψＴとθ１とが等しくなるまで（図中２点鎖線の位置から実線の位置まで）回転すると、ｖ１ベクトルとｖ０ベクトルとは重なる。このステップＳ４では、ｖ０ベクトルとｖ１ベクトルとの方向を合わせている。なお、プリズムの１回の回転量は振動しないように差の１／２とされる。
【００６５】
次に、｜ｖ１｜と｜ｖ０｜を比較し、ψＴを一定に保ったまま、｜ｖ１｜が０となるように差角Δψを変化する。図１９に示すように、２枚のプリズムを相反する方向へ同じ量回転すると、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、ψＴを一定に保ったまま、絶対値｜ｖ０｜を変化する。この図に示すように、２枚のプリズムの差角Δψを｜ｖ１｜が０となるように変化すると、ｖ０ベクトルの絶対値が図中２点鎖線の位置から実線の位置まで変化する。すなわち、ステップＳ５では、ｖ１ベクトルの絶対値を０となるようにしている。ここで、｜ｖ１｜＝√（Ｘ１2＋Ｙ１2），｜ｖ０｜＝Ｌ１√（δＴＸ2＋δＴＹ2）で表される。なお、差角Δψの１回の変化量は、振動しないように差の１／２とされる。
【００６６】
次に、ステップＳ５での差角Δψの変化量が例えば１０″以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。１０″以下であれば、レーザ光が受光器２７の中心を照射しているとして、スタートに戻る。１０″以下でなければ、ステップ２〜ステップ５を繰り返し、再びｖ１ベクトルが０になるようにプリズムの回転角を操作する。
【００６７】
このようにして、制御装置４２は直前のプリズムユニット１１における一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角度を操作して、レーザ光が直後の光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７を自動的に照射するようにしている。十文字状に配置された光路屈折装置用受光器４４あるいは受光器２７の中心は、プリズムユニット１１の中心（ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転中心）と一致しているので、レーザ光はプリズムユニット１１の中心を照射する。そして、順次直後のプリズムユニット１１を照射するようにプリズムユニット１１が制御され、最終的にはレーザ照準機４１から射出されるレーザ光が自動的に先導体２１の受光器２７まで届く。レーザ光が受光器２７の中心を照射しているときのプリズムユニット１１の合成屈折角δＴを算出すれば、図７に示すようなプリズムユニット１１の屈折角θ１〜θ３を求めることができる。
【００６８】
本発明によれば、先導体２１と共に移動する先導体後続治具３２にプリズムユニット１１…が固定されるので、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及び先導体２１とプリズムユニット１１間の距離（Ｌ３）が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具３２にプリズムユニット１１を固定した位置から、プリズムユニット１１…間の距離（Ｌ１，Ｌ２）及び先導体２１とプリズムユニット１１間の距離（Ｌ３）を、測距儀等で測定しなくても知ることができる。また、上述のようにプリズムユニット１１の一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを回転すると、レーザ光を任意の方向に屈折することができ、一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角からプリズムユニット１１の屈折角を知ることができる。これらのプリズムユニットに１１…よる光の屈折角、プリズムユニット１１…間の距離及びプリズムユニット１１から前記受光器２７までの距離に基づいて先導体２１の位置を自動的に計測することができる。また、トンネル内には、大きさの小さい受光器２７、プリズムユニット１１…しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体２１の位置を計測するのに最適な先導体位置計測装置が得られる。
【００６９】
プリズムユニット１１…の配置方法について説明する。まず、図１に示すように、先導体２１が計画線２４の終端（到達立坑２３）に位置するときに発進立坑２２から射出される光が先導体２１の受光器２７に届くように、プリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔をあらかじめ決定する。あらかじめ決定されたプリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔によって掘進を行い、図７に示すように発進立坑２２にプリズムユニット１１…のうちの一つを残しておいて先導体後続治具３２に固定された残りのプリズムユニット１１，１１を先導体２１と一緒に移動させ、先導体２１の位置を計測する。次に、あらかじめ決定されたプリズムユニット１１…の設置個数及び設置間隔では、先導体２１が計画線の途中に位置するときに発進立坑２２から照射されるレーザ光が受光器２７を照射できなくなると予測されると、プリズムユニット１１が新たに配置される。そして、先導体２１が計画線の２４途中に位置するときにも発進立坑２２から射出されるレーザ光が受光器２７に届くようにする。例えば、計画線２４の途中に曲率半径の小さく曲がりの急な円弧がある場合は、その円弧から到達立坑２３までは円弧でもレーザ光が届くように新たにプリズムユニット１１が設置され、プリズムユニット１１…間の距離が短くなる。このようにプリズムユニット１１…を配置すると、先導体２１が計画線２４上のどこに位置しても、先導体２１の位置を連続的に計測することができる
次に先導体２１の姿勢の計測方法について説明する。
【００７０】
図２０は、先導体２１の姿勢計測部２８を示す。図中（Ａ）は姿勢計測部の断面を示し、図中（Ｂ）は位置センサ３１の正面図を示す。上述のように、姿勢計測部２８は受光器２７の中心に届いたレーザ光を透過させるレンズ３０と、レンズ３０から一定間隔Ｌ開けて配置され、透過されたレーザ光が照射される２次元の位置センサ３１とを備える。先導体２１の姿勢が変化すると、位置センサ３１上でのレーザ光の照射位置が変化する。姿勢計測部２８は、受光器２７の中心に届いたレーザ光を先導体２１の内部に取り込み、ヨーイング角を計測する。演算装置４３（図７参照）は２次元の位置センサ３１上でのレーザ光の照射位置から先導体２１の姿勢を算出する。２次元の位置センサ３１には、２軸の光電センサあるいはＣＣＤカメラ等が用いられるが、ここでは２軸の光電センサを用いた場合について説明する。
【００７１】
まず、２次元の位置センサ３１によってレーザ光の照射位置４８のＸ座標及びＹ座標が計測される。位置センサ３１は、例えば（Ｘ軸方向＋０．５Ｖ、Ｙ軸方向＋１Ｖ）のように電圧値（ｅｘ，ｅｙ）を出力する。演算装置４３は、この電圧値にスケールファクターＫ（電圧を変位に変換する係数）を乗じてレーザ光の照射位置（Ｋ・ｅｘ，Ｋ・ｅｙ）を算出する。次に、演算装置４３は、レンズ３０の中心にレーザ光が透過していることから下記の計算式に基づいて近似的にヨーイング角ψ（水平面内での先導体２１の回転角）を算出する。なお、先導体２１の計画線に対する水平面内でのすれを測定するのが目的なので、先導体２１のヨーイング角ψを知ることが最も重要である。
【００７２】
【式８】
ψ＝ｔａｎ-1（Ｋ・ｅｘ／Ｌ）
【００７３】
ここでは、計算を簡単にするためにピッチング角θ（垂直面内での先導体の回転角）及びローリング角φを０としている。先導体のヨーイング角ψを厳密に算出する場合には、ローリング角φ及びピッチング角θの影響を考慮した３×３のマトリクスのオイラー変換式が使用される。先導体のローリング角φは、先導体に取り付けられるローリング計から測定される。
【００７４】
上述のヨーイング角ψを求めるのと同様にピッチング角θも求めることができる。位置センサ３１によって先導体のピッチング角θを求めると、先導体２１に別途傾斜計を設ける必要がなくなる。
【００７５】
図２１及び図２２は、姿勢計測部の他の例を示す。この例において、先導体２１には、先導体２１（受光器２７の中心）に届いた光を一対のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用プリズムユニット５１と、先導体用プリズムユニット５１と所定の間隔Ｌを開け、先導体用プリズムユニット５１で屈折されたレーザ光が照射される姿勢計測用受光器５２が設けられる。先導体用プリズムユニット５１は、上述のプリズムユニット１１と同様な構成を有し、姿勢計測用受光器５２は上述の受光器２７と同様に２軸光電センサ等から構成される。
【００７６】
制御装置（図示せず）は、ウェッジプリズム５２ａ，５２ｂの回転角度を操作して、レーザ光が姿勢計測用受光器５２を照射するように姿勢計測用受光器５２の出力値をフィードバック制御し、受光器２７の中心に届いたレーザ光が自動的に姿勢計測用受光器に届くようにする。演算装置４３は、先導体用プリズムユニット５１における一対のウェッジプリズム５２ａ，５２ｂそれぞれの回転角度に基づいて先導体用プリズムユニット５１の屈折角θを算出する。このようにしても先導体用プリズムユニット５１の屈折角θから先導体２１の姿勢を計測する。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、先導体と共に移動する先導体後続治具に光路屈折装置を固定するので、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離が常に一定に保たれ、初めに先導体後続治具に光路屈折装置を固定した位置から、測距儀等で測定することなく、光路屈折装置間の距離及び先導体と光路屈折装置間の距離を知ることができる。また、光路屈折装置の複数のウェッジプリズムを回転すると、光を任意の方向に屈折することができ、複数のウェッジプリズムの回転角から光路屈折装置の屈折角を知ることができる。これらの光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を自動的に計測することができる。トンネル内には、大きさの小さい受光器、ウェッジプリズム（光路屈折装置）しか配置されないので、小口径のトンネルを掘進する先導体の位置を計測するのに最適な先導体位置計測方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における先導体位置計測装置が適用される推進工法を示す平面図。
【図２】先導体の計画線からのずれを示す概略図。
【図３】先導体を示す平面図。
【図４】先導体に取り付けられる受光器及び姿勢計測部を示す図（図中（Ａ）は斜視図を示し、図中（Ｂ）はレンズの中心線方向の断面図を示す）。
【図５】先導体後続治具を示す管軸と直交する方向の断面図。
【図６】先導体後続治具を示す側面図。
【図７】先導体位置計測装置の全体システム構成図。
【図８】プリズムユニットを示す図（図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図９】プリズムユニットを示す断面図。
【図１０】ウェッジプリズムを示す断面図。
【図１１】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。
【図１２】入射光線を屈折するウェッジプリズムを示す斜視図。
【図１３】入射光線の屈折を座標系で示す図。
【図１４】屈折角をベクトルで示す図（図中（ａ）はプリズム１を示し、図中（ｂ）はプリズム２を示す。）
【図１５】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１６】受光器上でのレーザ光の照射位置を示す図。
【図１７】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１８】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１９】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図２０】姿勢計測部を示す図（図中（Ａ）は姿勢計測部の断面を示し、図中（Ｂ）は位置センサ３１の正面図を示す）。
【図２１】他の例の姿勢計測部が組み込まれた先導体を示す平面図。
【図２２】他の例の姿勢計測部の水平方向の断面図。
【図２３】従来のレーザ法による計測を示す平面図。
【図２４】従来のレーザ法によるずれ量を示す概略図。
【図２５】従来の曲がった管路を計測する計測装置を示す平面図。
【符号の説明】
１１ プリズムユニット（光路屈折装置）
１３ａ，１３ｂ ウェッジプリズム
１４ａ，１４ｂ モータ（駆動部）
１５ａ，１５ｂ エンコーダ（角度検出部）
２１ 先導体
２２ 発進立坑
２４ 計画線
２７ 受光器
３０ レンズ（透過部）
３１ 位置センサ
３２ 先導体後続治具
４２ 制御装置
４３ 演算装置
４４ 光路屈折装置用受光器
５１ 先導体用プリズムユニット（先導体用光路屈折装置）
５２ 姿勢計測用受光器
θ１〜θ３ 屈折角
Ｌ１〜Ｌ３ 距離
Claims (11)
- 所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測方法であって、
前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する少なくとも一つの光路屈折装置を固定し、前記先導体に光が照射される受光器を固定し、発進立坑から射出される光を光路屈折装置で屈折して前記受光器まで届くようにし、前記光路屈折装置による光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測し、前記先導体は、前記先導体に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前記位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測方法。 - 前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発進立坑から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の先導体位置計測方法。
- 前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器を設け、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにしたことを特徴とする、請求項１または２に記載の先導体位置計測方法。
- 前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする、請求項１から３の何れか１つに記載の先導体位置計測方法。
- 前記透過部はレンズから構成されることを特徴とする、請求項１から４の何れか１つに記載の先導体位置計測方法。
- 前記先導体は、前記先導体に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器に届くようにし、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする、請求項１から５の何れか１つに記載の先導体位置計測方法。
- 先導体が計画線の終端に位置するときに発進立坑から射出される光が前記受光器に届くように、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔によって掘進を行い、発進立坑に前記光路屈折装置のうちの一つを残しておいて前記先導体後続治具に固定された残りの光路屈折装置を先導体と一緒に移動させ、あらかじめ決定された前記光路屈折装置の設置個数及び設置間隔では、先導体が計画線の途中に位置するときに発進立坑から照射される光が前記受光器を照射できなくなると予測されると、前記光路屈折装置をさらに配置し、前記先導体が前記計画線の途中に位置するときにも前記発進立坑から射出される光が前記受光器に届くようにすることを特徴とする、請求項１から６の何れか１つに記載の先導体位置計測方法。
- 所定の計画線に沿って掘進する先導体の位置を、光を使用して計測する先導体位置計測装置であって、
発進立坑から光を射出する発光装置と、前記先導体に連結されると共に前記先導体と一緒に移動する先導体後続治具に固定され、前記発光装置から射出される光を屈折する少なくとも一つの光路屈折装置と、前記光路屈折装置による光の屈折を制御する制御装置と、前記先導体に固定され、光が照射される受光器と、前記光路屈折装置による前記光の屈折角、前記光路屈折装置間の距離及び前記光路屈折装置から前記受光器までの距離に基づいて前記先導体の位置を計測する演算装置とを備え、前記光路屈折装置それぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記受光器を照射するように前記受光器の出力値をフィードバック制御し、前記発光装置から射出される光が自動的に前記受光器まで届くようにし、前記先導体は、前記受光器に届いた光を透過させる透過部と、前記透過部と一定間隔を開け、透過された光が照射される位置センサとを備え、前記演算装置は、前記透過部と前記位置センサ間との距離及び前記位置センサに照射された光の位置に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする先導体位置計測装置。 - 前記光路屈折装置それぞれに光路屈折装置用受光器が設けられ、前記制御装置は、直前の光路屈折装置における複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度を操作して、光が直後の光路屈折装置を照射するように直後の光路屈折装置用受光器の出力値をフィードバック制御し、直前の光路屈折装置で屈折される光が自動的に直後の光路屈折装置まで届くようにすることを特徴とする、請求項８に記載の先導体位置計測装置。
- 前記演算装置は、前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折装置の屈折角を算出することを特徴とする、請求項８または９に記載の先導体位置計測装置。
- 前記先導体は、前記先導体に届いた光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する先導体用光路屈折装置と、前記先導体用光路屈折装置と所定の間隔を開け、前記先導体用光路屈折装置で屈折された光が照射される姿勢計測用受光器を備え、前記先導体用光路屈折装置は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記制御装置は、前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、光が前記姿勢計測用受光器を照射するように前記姿勢計測用受光器の出力値をフィードバック制御し、前記先導体に届いた光が自動的に前記姿勢計測用受光器まで届くようにし、前記演算装置は、前記先導体用光路屈折装置における前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記先導体の姿勢を計測することを特徴とする、請求項８から１０の何れか１つに記載の先導体位置計測装置。
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