JP4642288B2 - 地下埋設物掘削システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、天然ガスや石油等を輸送するのに、地表近く（例えば１ｍ程度の深さ）の地中にパイプラインを埋設することが行われている。このパイプラインは、管肌の損傷・腐食防止や、寒冷地での輸送流体の凍結防止のために、管の外周面に合成テープが巻き付けられた状態で埋設されている。
【０００３】
ところで、この種パイプラインは、長年使用していると、外周面に巻き付けられたテープが損傷することにより管肌に損傷・腐食が生じる場合がある。このように管肌が損傷すると、流体輸送そのものに支障を来たすだけでなく、その輸送流体の漏れによって思わぬ事故が発生する危険性がある。このため、埋設後所定期間が経過したパイプラインは、その周囲の土を掘り返して地表面に露出させ、外周面に巻き付けられているテープを交換したり、あるいは腐食した管を新品の管と交換したりする補修作業が必要となってくる。
【０００４】
このパイプラインを補修するために、そのパイプライン周りの土を掘削する作業機械として油圧ショベルを用いるシステムについて、本出願人は既に提案している（特願２００１−１７１２６０号）。この既提案のシステムによれば、各掘削工程における掘削作業がすべて油圧ショベルを用いて行われるので、仮に１台の油圧ショベルが故障したとしても、その故障車以外の機械でその担当部署をカバーすることができ、またオペレータも共有することができるとともに、補給部品の共通率も高めることができるという優れた特徴を有している。
【０００５】
ところで、前述のように油圧ショベルを用いて埋設物周りの土の掘削作業を行う場合、埋設物の位置を明確に把握して掘削作業を行わないと、その埋設物を破損させるという問題点や、あるいは掘削作業が効率的に行えないという問題点がある。
【０００６】
従来、このような問題点に対処したものとして、特許第２７０９３４５号公報に開示されたものがある。この公報に記載のものでは、地下埋設物探索装置を搭載する車両と掘削装置を搭載する車両とに分割し、地下埋設物探索装置を搭載する車両から得られるマップ情報を元に、掘削装置を搭載する車両によって掘削を行うように構成されている。
【０００７】
また、本願発明に関連する先行技術として、特許第２８２３３９６号公報および特開平３−２９５９３５号公報に記載された技術がある。このうち、前者（特許第２８２３３９６号公報）においては、トンネル掘削工事において、地中に掘進する掘削機の位置を地上から確認するために、地上を走行する走行車上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用してその走行車の地上での絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、前記走行車上に設置され、地中の掘削機を探査する地中物体探査手段と、走行車の絶対位置と掘削機の相対位置とから地中の掘削機の絶対位置を算出する手段とを備えてなる掘削機の自動探査装置が提案されている。
【０００８】
また、後者（特開平３−２９５９３５号公報）においては、管の埋設施工に際して、掘削溝と同じ傾斜角度で平行にレーザ光を発振するレーザ発振器を設けるとともに、油圧ショベルの車体にレーザ受光器を設けて掘削溝の深さおよび傾斜角度のデータを与え、レーザ光の方向に油圧ショベルが移動しながら、各掘削工程をレーザ受光器における受光位置および掘削溝の深さと傾斜角度に基づいて演算を行って施工するようにした管埋設施工方法が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許第２７０９３４５号公報に記載のものでは、地下埋設物探索装置を搭載する車両を走行させて埋設物の存在を検知させ、この検知信号を掘削作業機搭載車両の遠隔操作装置用の制御装置に向けて送信するように構成されているために、埋設物の地上での絶対座標が検出できず、埋設物の正確な位置検知が行えないという問題点がある。また、掘削作業を行う掘削作業機の作業位置（例えばバケットの刃先位置）情報までを指示することができず、実際の装置に適用する際に種々の解決すべき課題がある。
【００１０】
また、本発明に関連する先行技術として挙げた前記各公報（特許第２８２３３９６号公報、特開平３−２９５９３５号公報）に記載のものでは、ＧＰＳ衛星を利用する点あるいはレーザ投受光器を利用する点が断片的に記載されているのみであって、これら技術手段から、地下埋設物の掘削を総合的に行う本発明のようなシステムを直ちに導き出せるものではない。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、油圧ショベルを用いて地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を掘削するに際して、埋設物を破損させることなく、しかも掘削作業を効率的に行うことのできる地下埋設物掘削システムを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する基地局車両、
（ｂ）この基地局車両により検出された埋設物の絶対座標を前記油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明において、油圧ショベルを用いた埋設物周りの土の掘削に際しては、まず埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとを搭載した基地局車両がその埋設物に沿って走行され、ＧＰＳにてその基地局車両自身の絶対位置が検出されるとともに、埋設物探査手段にて埋設物の埋設位置が検出され、これら各検出情報から埋設物の地中での絶対座標が求められる。そして、この求められた絶対座標に基づいて掘削を行う油圧ショベルの機械中心位置が決定される。次に、この決定された機械中心位置に対してショベル姿勢検出手段によって油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢が検出され、さらに刃先位置検出手段によってバケットの刃先位置が検出される。こうして、埋設管の絶対位置とバケット刃先の絶対位置との関係が決められ、この関係に基づき、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設管の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１４】
また、第２発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する先頭の油圧ショベル、
（ｂ）この先頭の油圧ショベルにより検出された埋設物の絶対座標を後続の油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記後続の油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記後続の油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記後続の油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、先頭の油圧ショベルが第１発明における基地局車両を兼ねることになり、この先頭の油圧ショベルにて検出された埋設管の絶対座標に係る情報をリアルタイムで後続車両に伝送することができ、作業効率をより向上させることができる。
【００１５】
次に、第３発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物の位置が既知の油圧ショベルに設けられる水平方向および垂直方向のレーザプレーン投光器、
（ｂ）このレーザプレーン投光器からのレーザ光を受光すべく、前記埋設物の位置が未知の油圧ショベルに設けられるレーザ受光器、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記レーザ受光器および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明においては、埋設物の位置が既知の油圧ショベルに設けられる水平方向および垂直方向のレーザプレーン投光器から投光される水平方向のレーザプレーンおよび垂直方向のレーザプレーンが、埋設物の位置が未知の油圧ショベルに設けられるレーザ受光器にて受光されることにより、このレーザ受光器を備える油圧ショベルの作業機の上下方向位置もしくは左右方向位置に係る情報を得ることができる。こうして得られた情報と刃先位置検出手段より得られるバケットの刃先位置に係る情報とに基づいて、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設物の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１７】
また、第４発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記油圧ショベルの上部旋回体の前後位置に搭載され前記埋設物を探査する埋設物探査手段、
（ｂ）前記油圧ショベルの上部旋回体を旋回させた際の前記埋設物探査手段からの出力に基づき、前記埋設物の軸心の水平方向ベクトル、垂直方向ベクトルおよび旋回中心からのオフセット距離を検出する埋設物検出手段、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記埋設物検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明においては、油圧ショベルの上部旋回体の前後位置に搭載された少なくとも２個の埋設物探査手段により、その上部旋回体の旋回時に埋設物の軸心の水平方向ベクトル、垂直方向ベクトルおよび旋回中心からのオフセット距離が検出され、これによって埋設物の埋設位置および深さが検出される。こうして得られた情報と刃先位置検出手段より得られるバケットの刃先位置に係る情報とに基づいて、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設物の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による地下埋設物掘削システムの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１には、本発明の第１の実施形態に係る埋設管補修システムの全体概要を説明する平面図が示されている。
【００２１】
この実施形態において、図中左右方向に延設された埋設管（既設管）１は、その外周面にテープが巻き付けられた状態で、地表から１ｍ程度の深さの位置に埋設されている。この埋設管１の補修作業は、図中右側から左側へ向けて順次行われるようにされており、その補修工程は主として次の９工程からなっている。なお、これらの補修工程を実行するに際して、主要機械として油圧ショベルが用いられ、この油圧ショベルを含む各重機等は図中矢印Ａ方向へ向かって進行していくようにされている。また、基本的にその進行方向に向かって埋設管１の右方（図中下方）は重機および資材運搬車両等の進行スペース３とされ、左方（図中上方）は掘削された土の盛土スペース４とされている。ここで、掘削土（盛土）は、埋設管１の上方の土（表土）とその下層土とに分離するために、前記盛土スペース４のうち進行方向に向かって左側が表土スペース４ａ、右側が下層土スペース４ｂとされている。
【００２２】
（１）第１工程：表土剥ぎ（上面掘削）
この表土剥ぎは、通常タイプの油圧ショベル５を、埋設管１の略直上部にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置するとともにバケット幅の大きなバケットを装着し、この油圧ショベル５を進行方向（矢印Ａ方向）に向けて後進させながら、埋設管１の上方にある表土を所定幅だけ掘削することにより行われる。
（２）第２工程：右側側溝掘削
この右側側溝掘削は、第１工程における表土剥ぎが完了した後方部位において、埋設管１の右側方に側溝７を掘削するものである。この側溝掘削は、前記第１工程にて形成された浅溝６の底面を足場にして埋設管１を跨ぐように履帯を配して、オフセットブーム式の油圧ショベル８を用いて行われる。
【００２３】
（３）第３工程：左側側溝掘削
この左側側溝掘削は、第２工程における右側側溝掘削が完了した後方部位において、埋設管１の左側方に側溝９を掘削するものである。この側溝掘削は、前記第１工程にて形成された浅溝６の底面を足場にして、前記右側側溝掘削と同様のオフセットブーム式の油圧ショベル８Ａを用いて行われる。
（４）第４工程：管下掘削
この管下掘削は、前記第３工程における左側側溝掘削が完了した後方部位において、左右の側溝７，９の下部を埋設管１の下方で相互に連結するように掘削するものである。この管下掘削は、第１工程にて用いられたのと同様の通常タイプの油圧ショベル５Ａを、埋設管１の右方に設けられた重機等の進行スペース３にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置し、上部旋回体を進行方向に対して左旋回方向に略９０°旋回させた状態で走行させ、アーム５ａの先端に取り付けられたワイヤロープ１０にて管下掘削機（カッタビット式の掘削装置）１１を牽引しつつ連続的に行われる。
【００２４】
（５）第５工程：テープ除去、管肌洗浄および（６）第６工程：再テーピング
このテープ除去、管肌洗浄および再テーピングは、第４工程において管下掘削が完了した後方部位において、その作業部位の前後位置にて埋設管１をクローラ式クレーン１２，１２により吊持した状態で、専用の洗浄装置１３およびテーピング装置１４を用いて行われる。
（７）第７工程：下層土埋め戻し
この下層土埋め戻しは、前記第６工程における再テーピングが完了した後方部位において、補修後の埋設管１に対して下層土スペース４ｂにある盛土を埋め戻すものである。この埋め戻しは、第１工程にて用いられたのと同様の通常タイプの油圧ショベル５Ｂを、埋設管１の右方に設けられた重機等の進行スペース３にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置し、上部旋回体を進行方向に対して左旋回方向に略９０°旋回させた状態で走行させつつ、前記盛土を手前側に引き寄せるようにして行われる。
【００２５】
（８）第８工程：管下土締め固め
この管下土締め固めは、前記第７工程における下層土埋め戻しが完了した後方部位において、埋め戻された下層土を油圧ショベル５Ｃのアーム５ａ先端に取り付けられた締め固め機（締め固め装置）１５により締め固めるものである。
（９）第９工程：表土埋め戻し
この表土埋め戻しは、前記第８工程における管下土締め固めが完了した後方部位において、締め固められた下層土の上方にブルドーザ１６を用いて表土スペース４ａにある盛土を埋め戻すものである。
【００２６】
本実施形態のシステムにおいては、前述のような埋設管１の補修工程のうち、第１工程（上面掘削工程）、第２工程（右側側溝掘削工程）および第３工程（左側側溝掘削）の各掘削工程において、油圧ショベルを操作するオペレータに対して、後述の刃先モニタ３５への表示、警告もしくは自動停止等のガイダンスを行うようにされている。このガイダンスシステムを含む本実施形態の埋設管掘削システムについて以下に詳述する。
【００２７】
まず、各掘削工程における掘削作業を実行する前に、図２に示される基地局車両（先頭車両）２０によって埋設管１の埋設位置の探査が行われ、この探査に基づいてその埋設管１の地中での３次元絶対座標が決定される。このために、図３に示されるように、前記基地局車両２０にはＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）２１が搭載されるとともに、地中探査装置（本実施形態では、地中レーダ）２２が搭載され、この基地局車両２０を、おおよその埋設位置が既知の埋設管１に沿わせて走行させて、地中レーダ２２によってその埋設管１の埋設位置および深さを検出するとともに、走行路上における当該基地局車両２０の絶対位置をＧＰＳ２１にて測定するようにされている。
【００２８】
前記基地局車両２０には、この基地局車両２０全体を制御・管理するコントローラ２３が設けられており、このコントローラ２３は、前記ＧＰＳ２１から得られる基地局車両２０の絶対位置に係るデータと、地中レーダ２２から得られる埋設管１の埋設位置に係るデータとから、地中における埋設管１の絶対座標に係るマップ情報を作成する。こうして作成されたマップ情報はデータ通信機２４を介して油圧ショベル５にデータ送信される。
【００２９】
一方、埋設管１の上面掘削を実行する油圧ショベル５は、この油圧ショベル５全体を制御・管理するコントローラ２５を備え、このコントローラ２５に、基地局車両２０のデータ通信機２４からのデータを受信するデータ通信機２６が接続されるとともに、前記基地局車両２０と同様のＧＰＳ２７が接続されて構成されている。
【００３０】
また、図４（ａ）（ｂ）も参照しつつ、前記油圧ショベル５には、この油圧ショベル５の上部旋回体５ｂの向き（旋回角θ）を検出する方位センサ２８および旋回角センサ２９と、油圧ショベル５の水平線に対する前後方向の傾斜角αを検出する傾斜センサ３０およびピッチジャイロ３１と、ブーム５ａの傾斜角ａを検出するブーム角センサ３２と、アーム５ｃの傾斜角ｂを検出するアーム角センサ３３と、バケット５ｄのストロークｃを検出するバケットストロークセンサ３４とが設けられ、これら各センサ２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４からのデータが前記コントローラ２５に入力される。このコントローラ２５においては、各入力データに基づいて所要の演算を実行し、その演算結果が刃先モニタ３５に表示される。
【００３１】
ここで、前記方位センサ２８は上部旋回体５ｂの静的位置を検出し、前記旋回角センサ２９は上部旋回体５ｂの動的位置を検出し、方位センサ２８からの出力信号はローパスフィルターを、旋回角センサ２９からの出力信号はハイパスフィルターをそれぞれ通された後に両信号が加算されて最終的な制御信号を得るようにされている。同様に、前記傾斜センサ３０は油圧ショベル５の静的傾斜位置を検出し、前記ピッチジャイロ３１は油圧ショベル５の動的傾斜位置を検出し、傾斜センサ３０からの出力信号はローパスフィルターを、ピッチジャイロ３１からの出力信号はハイパスフィルターをそれぞれ通された後に両信号が加算されて最終的な制御信号を得るようにされている。なお、本実施形態における方位センサ２８および旋回角センサ２９が、本発明におけるショベル姿勢検出手段に対応し、本実施形態における傾斜センサ３０、ピッチジャイロ３１、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４が、本発明における刃先位置検出手段に対応する。
【００３２】
次に、前述の構成よりなる埋設管掘削システムの作用について説明する。
【００３３】
前述のように、油圧ショベル５による掘削作業の実行前に、基地局車両（先頭車両）２０を埋設管１に沿うように走行させ、この基地局車両２０に搭載されている地中レーダ２２によって埋設管１の埋設位置および深さを探査し、その位置情報を収集する。一方、基地局車両２０の絶対位置はＧＰＳ２１にて測定されるので、基地局車両２０のコントローラ２３においては、これらＧＰＳ２１および地中レーダ２２から入力されるデータに基づいて埋設管１の地中での３次元絶対座標に係るマップ情報が演算される。そして、得られたマップ情報はデータ通信機２４を介して埋設管１の上面掘削を担当する油圧ショベル５に送信される。
【００３４】
一方、前記マップ情報をデータ通信機２６を介して受信した油圧ショベル５においては、当該油圧ショベル５に搭載されたＧＰＳ２７から得られるその油圧ショベル５の絶対位置に係るデータを参照し、油圧ショベル５の機械中心位置を決定しその機械中心が埋設管１の直上方に位置するようにして掘削作業が行われる。また、この油圧ショベル５のコントローラ２５においては、このコントローラ２５に入力される方位センサ２８および旋回角センサ２９からの上部旋回体５ｂの旋回角データ、傾斜センサ３０およびピッチジャイロ３１からの傾斜角データ、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４からの作業機姿勢データに基づき、バケット５ｄの刃先の絶対位置が演算される。こうして、コントローラ２５の演算結果に基づいて、刃先モニタ３５には、埋設管１の絶対位置と刃先の絶対位置との関係、言い換えれば埋設管１と刃先との相対位置が表示される。したがって、油圧ショベル５を操作するオペレータはその刃先モニタ３５を見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル５を操作することができる。
【００３５】
また、図５に示されている埋設管１の右側側溝掘削を行うオフセットブーム式の油圧ショベル８および左側側溝掘削を行うオフセットブーム式の油圧ショベル８Ａ（図１参照）については、ブーム８ａの先端部にオフセットブーム８ｂが左右回動自在に連結され、このオフセットブーム８ｂの先端部に前後回動自在にアーム８ｃが連結されてなり、アーム８ｃおよびバケット８ｄが左右方向にオフセット（平行移動）できるような構造である。したがって、これら油圧ショベル８，８Ａのコントローラ（図示省略）においては、前記油圧ショベル５における各種センサからのデータ以外に、オフセットブーム８ｂの回動角を検知するオフセット角センサ（図示せず）からのデータが入力される。そして、このコントローラは、前記傾斜センサ３０、ピッチジャイロ３１、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４およびオフセット角センサからの作業機姿勢データに基づき、バケット８ｄの刃先の絶対位置を演算する。これ以外の点については、前記上面掘削の場合と同様であるので、その詳細な説明を省略することとする。
【００３６】
本実施形態においては、予め埋設管１に沿って基地局車両２０を走行させた後に、この基地局車両２０にて得たマップ情報を油圧ショベル５，８，８Ａに受け渡すものとしたが、先頭の油圧ショベル５が基地局車両２０を兼ねるようにし、この油圧ショベル５に地中レーダ２２を搭載し、この油圧ショベル５のコントローラ２５にてマップ情報を作成するようにし、この作成されたマップ情報を後続の油圧ショベル８，８Ａに受け渡すようにする実施形態も可能である。このようにすれば、先頭を走行させる基地局車両２０が不要となる。
【００３７】
本実施形態においては、基地局車両２０もしくは先頭の油圧ショベル５にて埋設管１のマップ情報を作成し、この作成されたマップ情報を通信手段を介して他の油圧ショベルに送信するようにしたものを説明したが、作成されたマップ情報をＩＣカード等の記録媒体に記録し、この記録媒体を、掘削作業を担当する油圧ショベルに渡すようにすることもできる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６には、本発明の第２の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図が示されている。この例では、前記第４工程（管下掘削工程）に用いられる油圧ショベル５Ｄとして、その履帯が埋設管１を跨ぐように配されるとともに、アーム５ｃ先端に管下掘削機１１Ａが装着されてなる構造のものが用いられている。
【００３９】
本実施形態では、前記管下掘削機１１Ａが埋設管１に最も近接した位置で掘削作業を実行しており、この管下掘削機１１Ａの位置情報から埋設管１の軸心位置情報が容易に得られることに鑑み、この管下掘削機１１Ａを保有する油圧ショベル５Ｄの上方に、水平方向および垂直方向の各レーザプレーン回転投光器３６，３７を設置するとともに、上面掘削用の油圧ショベル５のアーム５ｃ上に、水平レーザを受光するリニアアレイレーザ受光器３８を、側溝掘削用油圧ショベル８，８Ａのアーム８ｃ上に、垂直レーザを受光するリニアアレイレーザ受光器３９，４０をそれぞれ設置したものである。
【００４０】
このように構成されているので、油圧ショベル５Ｄのレーザプレーン投光器３６から後方の油圧ショベル５（先頭車両）に向けて投光される水平方向のレーザプレーンは、上面掘削用の油圧ショベル５のリニアアレイレーザ受光器３８にて受光されることにより、この油圧ショベル５におけるアーム５ｃの上下方向位置に係るデータを得ることができ、このデータと、前記実施形態と同様の作業機姿勢データとによってバケット５ｄの刃先位置を演算することができる。そして、この演算に基づき、油圧ショベル５の刃先モニタに、埋設管１の位置とバケット５ｄの刃先位置との関係を表示させることができる。したがって、油圧ショベル５を操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル５を操作することができる。
【００４１】
また、油圧ショベル５Ｄのレーザプレーン投光器３７から後方の油圧ショベル８，８Ａに向けて投光される垂直方向のレーザプレーンは、側溝掘削用の油圧ショベル８，８Ａのリニアアレイレーザ受光器３９，４０にて受光されることにより、これら油圧ショベル８，８Ａにおけるアーム８ｃの左右方向位置に係るデータを得ることができ、このデータと、前記実施形態と同様の作業機姿勢データとによってバケット８ｄの刃先位置を演算することができる。そして、この演算に基づき、これら油圧ショベル８，８Ａの刃先モニタに、埋設管１の位置とバケット８ｄの刃先位置との関係を表示させることができる。したがって、油圧ショベル８，８Ａを操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル８，８Ａを操作することができる。
【００４２】
本実施形態では、管下掘削機１１Ａの位置情報から埋設管１の軸心位置情報を得るものについて説明したが、管肌を洗浄する前記洗浄装置１３の位置情報から埋設管１の位置情報を得るようにしても良い。
【００４３】
（第３の実施形態）
図７には、本発明の第３の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図が示されている。本実施形態では、前記第２工程（右側側溝掘削）に用いられる油圧ショベル８を例にして説明されているが、第１工程（上面掘削）および第３工程（左側側溝掘削）に用いられる油圧ショベル５，８Ａについても同様である。
【００４４】
本実施形態においては、上部旋回体８ｅの後端部下面とブーム８ａの先端部下面とにそれぞれ地中レーダ２２Ａ，２２Ｂが装着され、上部旋回体８ｅの旋回動作時にそれら一対の地中レーダ２２Ａ，２２Ｂによって埋設管１の埋設位置および深さを検出するようにされている。なお、本実施形態において、方位センサ、旋回角センサ、前後方向の傾斜角を検出する傾斜センサ、前後方向の傾斜角を検出するピッチジャイロ、ブーム角センサ、アーム角センサ、バケットストロークセンサおよびオフセット角センサを有する構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態では、さらに左右方向の傾斜角を検出する傾斜センサおよびレートジャイロが用いられている。
【００４５】
前記地中レーダ２２Ａ，２２Ｂは地中に向けてパルスを発信し、埋設管１の表面からの反射波を受信することで、その反射波波形によって、埋設管１の水平方向ベクトルおよび垂直方向ベクトル（図７（ｂ）参照）と、旋回中心からのオフセット距離ｄ１，ｄ２（図７（ｃ）参照）とが算出されるようになっている。
【００４６】
一方、前記前後・左右の傾斜センサ、レートジャイロ、方位センサおよび旋回角センサからのデータにより油圧ショベル８の旋回平面の傾きが決定され、また傾斜センサ、ピッチジャイロおよび作業機姿勢より車体基準点に対する刃先の垂直位置が算出され、さらに方位センサ、旋回角センサおよびオフセット角センサにより車体基準点に対する刃先の水平位置が算出される。こうして、これら各データと前記埋設管１の水平・垂直方向ベクトルおよび旋回中心からの距離に係るデータとに基づき、刃先モニタには、埋設管１と刃先との相対位置を表示させることができる。したがって、油圧ショベル８を操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル８を操作することができる。
【００４７】
本実施形態においては、地中レーダを２個用い、これを上部旋回体の前後に設けてその上部旋回体の旋回動作を利用して埋設管１の相対位置を探査するものとしたが、勿論、この地中レーダは３個以上設けることもできる。
【００４８】
本実施形態および前記第１の実施形態においては、埋設管探査手段として地中レーダを用いたものを説明したが、この埋設管探査手段としては、他に、電磁誘導法を用いる方法がある。この電磁誘導法は、特に金属管の場合に有効な方法であって、信号電流値と信号方向とによって埋設管１の水平位置と深さとを探査することが可能である。
【００４９】
前記各実施形態においては、埋設管１の埋設位置とバケット刃先との相対位置をモニタ表示し、オペレータがそのモニタ表示を見ながら油圧ショベルの操作を行うようにしたものを説明したが、埋設管の埋設位置とバケット刃先との相対位置に係る情報に基づいて、バケット刃先が埋設管に衝接する位置まで来ると作業機を自動停止させるように刃先の自動制御を行うようにすることも可能である。さらには、前記情報に基づいて油圧ショベルの自動掘削制御（無人運転）を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る埋設管補修システムの全体概要を説明する平面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る埋設管掘削システムのシステム構成図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、上面掘削用油圧ショベルのショベル姿勢および刃先位置の説明図である。
【図５】図５（ａ）（ｂ）は、側溝掘削用油圧ショベルのショベル姿勢および刃先位置の説明図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【図７】図７は、第３の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【符号の説明】
１ 埋設管
５，５Ａ，５Ｄ 油圧ショベル
５ｂ 上部旋回体
８，８Ａ オフセットブーム式の油圧ショベル
１１，１１Ａ 管下掘削機
２０ 基地局車両
２１，２７ ＧＰＳ
２２，２２Ａ，２２Ｂ 地中レーダ
２３，２５ コントローラ
２４，２６ データ通信機
２８ 方位センサ
２９ 旋回角センサ
３０ 傾斜センサ
３１ ピッチジャイロ
３２ ブーム角センサ
３３ アーム角センサ
３４ バケットストロークセンサ
３５ 刃先モニタ
３６，３７ レーザプレーン回転投光器
３８，３９，４０ リニアアレイレーザ受光器
【発明の属する技術分野】
本発明は、地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、天然ガスや石油等を輸送するのに、地表近く（例えば１ｍ程度の深さ）の地中にパイプラインを埋設することが行われている。このパイプラインは、管肌の損傷・腐食防止や、寒冷地での輸送流体の凍結防止のために、管の外周面に合成テープが巻き付けられた状態で埋設されている。
【０００３】
ところで、この種パイプラインは、長年使用していると、外周面に巻き付けられたテープが損傷することにより管肌に損傷・腐食が生じる場合がある。このように管肌が損傷すると、流体輸送そのものに支障を来たすだけでなく、その輸送流体の漏れによって思わぬ事故が発生する危険性がある。このため、埋設後所定期間が経過したパイプラインは、その周囲の土を掘り返して地表面に露出させ、外周面に巻き付けられているテープを交換したり、あるいは腐食した管を新品の管と交換したりする補修作業が必要となってくる。
【０００４】
このパイプラインを補修するために、そのパイプライン周りの土を掘削する作業機械として油圧ショベルを用いるシステムについて、本出願人は既に提案している（特願２００１−１７１２６０号）。この既提案のシステムによれば、各掘削工程における掘削作業がすべて油圧ショベルを用いて行われるので、仮に１台の油圧ショベルが故障したとしても、その故障車以外の機械でその担当部署をカバーすることができ、またオペレータも共有することができるとともに、補給部品の共通率も高めることができるという優れた特徴を有している。
【０００５】
ところで、前述のように油圧ショベルを用いて埋設物周りの土の掘削作業を行う場合、埋設物の位置を明確に把握して掘削作業を行わないと、その埋設物を破損させるという問題点や、あるいは掘削作業が効率的に行えないという問題点がある。
【０００６】
従来、このような問題点に対処したものとして、特許第２７０９３４５号公報に開示されたものがある。この公報に記載のものでは、地下埋設物探索装置を搭載する車両と掘削装置を搭載する車両とに分割し、地下埋設物探索装置を搭載する車両から得られるマップ情報を元に、掘削装置を搭載する車両によって掘削を行うように構成されている。
【０００７】
また、本願発明に関連する先行技術として、特許第２８２３３９６号公報および特開平３−２９５９３５号公報に記載された技術がある。このうち、前者（特許第２８２３３９６号公報）においては、トンネル掘削工事において、地中に掘進する掘削機の位置を地上から確認するために、地上を走行する走行車上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用してその走行車の地上での絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、前記走行車上に設置され、地中の掘削機を探査する地中物体探査手段と、走行車の絶対位置と掘削機の相対位置とから地中の掘削機の絶対位置を算出する手段とを備えてなる掘削機の自動探査装置が提案されている。
【０００８】
また、後者（特開平３−２９５９３５号公報）においては、管の埋設施工に際して、掘削溝と同じ傾斜角度で平行にレーザ光を発振するレーザ発振器を設けるとともに、油圧ショベルの車体にレーザ受光器を設けて掘削溝の深さおよび傾斜角度のデータを与え、レーザ光の方向に油圧ショベルが移動しながら、各掘削工程をレーザ受光器における受光位置および掘削溝の深さと傾斜角度に基づいて演算を行って施工するようにした管埋設施工方法が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許第２７０９３４５号公報に記載のものでは、地下埋設物探索装置を搭載する車両を走行させて埋設物の存在を検知させ、この検知信号を掘削作業機搭載車両の遠隔操作装置用の制御装置に向けて送信するように構成されているために、埋設物の地上での絶対座標が検出できず、埋設物の正確な位置検知が行えないという問題点がある。また、掘削作業を行う掘削作業機の作業位置（例えばバケットの刃先位置）情報までを指示することができず、実際の装置に適用する際に種々の解決すべき課題がある。
【００１０】
また、本発明に関連する先行技術として挙げた前記各公報（特許第２８２３３９６号公報、特開平３−２９５９３５号公報）に記載のものでは、ＧＰＳ衛星を利用する点あるいはレーザ投受光器を利用する点が断片的に記載されているのみであって、これら技術手段から、地下埋設物の掘削を総合的に行う本発明のようなシステムを直ちに導き出せるものではない。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、油圧ショベルを用いて地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を掘削するに際して、埋設物を破損させることなく、しかも掘削作業を効率的に行うことのできる地下埋設物掘削システムを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する基地局車両、
（ｂ）この基地局車両により検出された埋設物の絶対座標を前記油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明において、油圧ショベルを用いた埋設物周りの土の掘削に際しては、まず埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとを搭載した基地局車両がその埋設物に沿って走行され、ＧＰＳにてその基地局車両自身の絶対位置が検出されるとともに、埋設物探査手段にて埋設物の埋設位置が検出され、これら各検出情報から埋設物の地中での絶対座標が求められる。そして、この求められた絶対座標に基づいて掘削を行う油圧ショベルの機械中心位置が決定される。次に、この決定された機械中心位置に対してショベル姿勢検出手段によって油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢が検出され、さらに刃先位置検出手段によってバケットの刃先位置が検出される。こうして、埋設管の絶対位置とバケット刃先の絶対位置との関係が決められ、この関係に基づき、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設管の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１４】
また、第２発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する先頭の油圧ショベル、
（ｂ）この先頭の油圧ショベルにより検出された埋設物の絶対座標を後続の油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記後続の油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記後続の油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記後続の油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、先頭の油圧ショベルが第１発明における基地局車両を兼ねることになり、この先頭の油圧ショベルにて検出された埋設管の絶対座標に係る情報をリアルタイムで後続車両に伝送することができ、作業効率をより向上させることができる。
【００１５】
次に、第３発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物の位置が既知の油圧ショベルに設けられる水平方向および垂直方向のレーザプレーン投光器、
（ｂ）このレーザプレーン投光器からのレーザ光を受光すべく、前記埋設物の位置が未知の油圧ショベルに設けられるレーザ受光器、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記レーザ受光器および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明においては、埋設物の位置が既知の油圧ショベルに設けられる水平方向および垂直方向のレーザプレーン投光器から投光される水平方向のレーザプレーンおよび垂直方向のレーザプレーンが、埋設物の位置が未知の油圧ショベルに設けられるレーザ受光器にて受光されることにより、このレーザ受光器を備える油圧ショベルの作業機の上下方向位置もしくは左右方向位置に係る情報を得ることができる。こうして得られた情報と刃先位置検出手段より得られるバケットの刃先位置に係る情報とに基づいて、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設物の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１７】
また、第４発明による地下埋設物掘削システムは、
地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記油圧ショベルの上部旋回体の前後位置に搭載され前記埋設物を探査する埋設物探査手段、
（ｂ）前記油圧ショベルの上部旋回体を旋回させた際の前記埋設物探査手段からの出力に基づき、前記埋設物の軸心の水平方向ベクトル、垂直方向ベクトルおよび旋回中心からのオフセット距離を検出する埋設物検出手段、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記埋設物検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明においては、油圧ショベルの上部旋回体の前後位置に搭載された少なくとも２個の埋設物探査手段により、その上部旋回体の旋回時に埋設物の軸心の水平方向ベクトル、垂直方向ベクトルおよび旋回中心からのオフセット距離が検出され、これによって埋設物の埋設位置および深さが検出される。こうして得られた情報と刃先位置検出手段より得られるバケットの刃先位置に係る情報とに基づいて、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置および掘削深さが決定される。この決定された掘削位置および掘削深さを例えばモニタ表示することで、オペレータはモニタ表示を見ながら埋設物の破損を防止しつつ油圧ショベルの操作を確実に、かつ迅速に行うことができる。また、この埋設物の掘削位置および掘削深さ係る情報に基づき、油圧ショベルの自動停止もしくは自動掘削等を行うこともできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による地下埋設物掘削システムの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１には、本発明の第１の実施形態に係る埋設管補修システムの全体概要を説明する平面図が示されている。
【００２１】
この実施形態において、図中左右方向に延設された埋設管（既設管）１は、その外周面にテープが巻き付けられた状態で、地表から１ｍ程度の深さの位置に埋設されている。この埋設管１の補修作業は、図中右側から左側へ向けて順次行われるようにされており、その補修工程は主として次の９工程からなっている。なお、これらの補修工程を実行するに際して、主要機械として油圧ショベルが用いられ、この油圧ショベルを含む各重機等は図中矢印Ａ方向へ向かって進行していくようにされている。また、基本的にその進行方向に向かって埋設管１の右方（図中下方）は重機および資材運搬車両等の進行スペース３とされ、左方（図中上方）は掘削された土の盛土スペース４とされている。ここで、掘削土（盛土）は、埋設管１の上方の土（表土）とその下層土とに分離するために、前記盛土スペース４のうち進行方向に向かって左側が表土スペース４ａ、右側が下層土スペース４ｂとされている。
【００２２】
（１）第１工程：表土剥ぎ（上面掘削）
この表土剥ぎは、通常タイプの油圧ショベル５を、埋設管１の略直上部にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置するとともにバケット幅の大きなバケットを装着し、この油圧ショベル５を進行方向（矢印Ａ方向）に向けて後進させながら、埋設管１の上方にある表土を所定幅だけ掘削することにより行われる。
（２）第２工程：右側側溝掘削
この右側側溝掘削は、第１工程における表土剥ぎが完了した後方部位において、埋設管１の右側方に側溝７を掘削するものである。この側溝掘削は、前記第１工程にて形成された浅溝６の底面を足場にして埋設管１を跨ぐように履帯を配して、オフセットブーム式の油圧ショベル８を用いて行われる。
【００２３】
（３）第３工程：左側側溝掘削
この左側側溝掘削は、第２工程における右側側溝掘削が完了した後方部位において、埋設管１の左側方に側溝９を掘削するものである。この側溝掘削は、前記第１工程にて形成された浅溝６の底面を足場にして、前記右側側溝掘削と同様のオフセットブーム式の油圧ショベル８Ａを用いて行われる。
（４）第４工程：管下掘削
この管下掘削は、前記第３工程における左側側溝掘削が完了した後方部位において、左右の側溝７，９の下部を埋設管１の下方で相互に連結するように掘削するものである。この管下掘削は、第１工程にて用いられたのと同様の通常タイプの油圧ショベル５Ａを、埋設管１の右方に設けられた重機等の進行スペース３にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置し、上部旋回体を進行方向に対して左旋回方向に略９０°旋回させた状態で走行させ、アーム５ａの先端に取り付けられたワイヤロープ１０にて管下掘削機（カッタビット式の掘削装置）１１を牽引しつつ連続的に行われる。
【００２４】
（５）第５工程：テープ除去、管肌洗浄および（６）第６工程：再テーピング
このテープ除去、管肌洗浄および再テーピングは、第４工程において管下掘削が完了した後方部位において、その作業部位の前後位置にて埋設管１をクローラ式クレーン１２，１２により吊持した状態で、専用の洗浄装置１３およびテーピング装置１４を用いて行われる。
（７）第７工程：下層土埋め戻し
この下層土埋め戻しは、前記第６工程における再テーピングが完了した後方部位において、補修後の埋設管１に対して下層土スペース４ｂにある盛土を埋め戻すものである。この埋め戻しは、第１工程にて用いられたのと同様の通常タイプの油圧ショベル５Ｂを、埋設管１の右方に設けられた重機等の進行スペース３にその履帯が埋設管１と略平行になるように設置し、上部旋回体を進行方向に対して左旋回方向に略９０°旋回させた状態で走行させつつ、前記盛土を手前側に引き寄せるようにして行われる。
【００２５】
（８）第８工程：管下土締め固め
この管下土締め固めは、前記第７工程における下層土埋め戻しが完了した後方部位において、埋め戻された下層土を油圧ショベル５Ｃのアーム５ａ先端に取り付けられた締め固め機（締め固め装置）１５により締め固めるものである。
（９）第９工程：表土埋め戻し
この表土埋め戻しは、前記第８工程における管下土締め固めが完了した後方部位において、締め固められた下層土の上方にブルドーザ１６を用いて表土スペース４ａにある盛土を埋め戻すものである。
【００２６】
本実施形態のシステムにおいては、前述のような埋設管１の補修工程のうち、第１工程（上面掘削工程）、第２工程（右側側溝掘削工程）および第３工程（左側側溝掘削）の各掘削工程において、油圧ショベルを操作するオペレータに対して、後述の刃先モニタ３５への表示、警告もしくは自動停止等のガイダンスを行うようにされている。このガイダンスシステムを含む本実施形態の埋設管掘削システムについて以下に詳述する。
【００２７】
まず、各掘削工程における掘削作業を実行する前に、図２に示される基地局車両（先頭車両）２０によって埋設管１の埋設位置の探査が行われ、この探査に基づいてその埋設管１の地中での３次元絶対座標が決定される。このために、図３に示されるように、前記基地局車両２０にはＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）２１が搭載されるとともに、地中探査装置（本実施形態では、地中レーダ）２２が搭載され、この基地局車両２０を、おおよその埋設位置が既知の埋設管１に沿わせて走行させて、地中レーダ２２によってその埋設管１の埋設位置および深さを検出するとともに、走行路上における当該基地局車両２０の絶対位置をＧＰＳ２１にて測定するようにされている。
【００２８】
前記基地局車両２０には、この基地局車両２０全体を制御・管理するコントローラ２３が設けられており、このコントローラ２３は、前記ＧＰＳ２１から得られる基地局車両２０の絶対位置に係るデータと、地中レーダ２２から得られる埋設管１の埋設位置に係るデータとから、地中における埋設管１の絶対座標に係るマップ情報を作成する。こうして作成されたマップ情報はデータ通信機２４を介して油圧ショベル５にデータ送信される。
【００２９】
一方、埋設管１の上面掘削を実行する油圧ショベル５は、この油圧ショベル５全体を制御・管理するコントローラ２５を備え、このコントローラ２５に、基地局車両２０のデータ通信機２４からのデータを受信するデータ通信機２６が接続されるとともに、前記基地局車両２０と同様のＧＰＳ２７が接続されて構成されている。
【００３０】
また、図４（ａ）（ｂ）も参照しつつ、前記油圧ショベル５には、この油圧ショベル５の上部旋回体５ｂの向き（旋回角θ）を検出する方位センサ２８および旋回角センサ２９と、油圧ショベル５の水平線に対する前後方向の傾斜角αを検出する傾斜センサ３０およびピッチジャイロ３１と、ブーム５ａの傾斜角ａを検出するブーム角センサ３２と、アーム５ｃの傾斜角ｂを検出するアーム角センサ３３と、バケット５ｄのストロークｃを検出するバケットストロークセンサ３４とが設けられ、これら各センサ２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４からのデータが前記コントローラ２５に入力される。このコントローラ２５においては、各入力データに基づいて所要の演算を実行し、その演算結果が刃先モニタ３５に表示される。
【００３１】
ここで、前記方位センサ２８は上部旋回体５ｂの静的位置を検出し、前記旋回角センサ２９は上部旋回体５ｂの動的位置を検出し、方位センサ２８からの出力信号はローパスフィルターを、旋回角センサ２９からの出力信号はハイパスフィルターをそれぞれ通された後に両信号が加算されて最終的な制御信号を得るようにされている。同様に、前記傾斜センサ３０は油圧ショベル５の静的傾斜位置を検出し、前記ピッチジャイロ３１は油圧ショベル５の動的傾斜位置を検出し、傾斜センサ３０からの出力信号はローパスフィルターを、ピッチジャイロ３１からの出力信号はハイパスフィルターをそれぞれ通された後に両信号が加算されて最終的な制御信号を得るようにされている。なお、本実施形態における方位センサ２８および旋回角センサ２９が、本発明におけるショベル姿勢検出手段に対応し、本実施形態における傾斜センサ３０、ピッチジャイロ３１、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４が、本発明における刃先位置検出手段に対応する。
【００３２】
次に、前述の構成よりなる埋設管掘削システムの作用について説明する。
【００３３】
前述のように、油圧ショベル５による掘削作業の実行前に、基地局車両（先頭車両）２０を埋設管１に沿うように走行させ、この基地局車両２０に搭載されている地中レーダ２２によって埋設管１の埋設位置および深さを探査し、その位置情報を収集する。一方、基地局車両２０の絶対位置はＧＰＳ２１にて測定されるので、基地局車両２０のコントローラ２３においては、これらＧＰＳ２１および地中レーダ２２から入力されるデータに基づいて埋設管１の地中での３次元絶対座標に係るマップ情報が演算される。そして、得られたマップ情報はデータ通信機２４を介して埋設管１の上面掘削を担当する油圧ショベル５に送信される。
【００３４】
一方、前記マップ情報をデータ通信機２６を介して受信した油圧ショベル５においては、当該油圧ショベル５に搭載されたＧＰＳ２７から得られるその油圧ショベル５の絶対位置に係るデータを参照し、油圧ショベル５の機械中心位置を決定しその機械中心が埋設管１の直上方に位置するようにして掘削作業が行われる。また、この油圧ショベル５のコントローラ２５においては、このコントローラ２５に入力される方位センサ２８および旋回角センサ２９からの上部旋回体５ｂの旋回角データ、傾斜センサ３０およびピッチジャイロ３１からの傾斜角データ、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４からの作業機姿勢データに基づき、バケット５ｄの刃先の絶対位置が演算される。こうして、コントローラ２５の演算結果に基づいて、刃先モニタ３５には、埋設管１の絶対位置と刃先の絶対位置との関係、言い換えれば埋設管１と刃先との相対位置が表示される。したがって、油圧ショベル５を操作するオペレータはその刃先モニタ３５を見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル５を操作することができる。
【００３５】
また、図５に示されている埋設管１の右側側溝掘削を行うオフセットブーム式の油圧ショベル８および左側側溝掘削を行うオフセットブーム式の油圧ショベル８Ａ（図１参照）については、ブーム８ａの先端部にオフセットブーム８ｂが左右回動自在に連結され、このオフセットブーム８ｂの先端部に前後回動自在にアーム８ｃが連結されてなり、アーム８ｃおよびバケット８ｄが左右方向にオフセット（平行移動）できるような構造である。したがって、これら油圧ショベル８，８Ａのコントローラ（図示省略）においては、前記油圧ショベル５における各種センサからのデータ以外に、オフセットブーム８ｂの回動角を検知するオフセット角センサ（図示せず）からのデータが入力される。そして、このコントローラは、前記傾斜センサ３０、ピッチジャイロ３１、ブーム角センサ３２、アーム角センサ３３およびバケットストロークセンサ３４およびオフセット角センサからの作業機姿勢データに基づき、バケット８ｄの刃先の絶対位置を演算する。これ以外の点については、前記上面掘削の場合と同様であるので、その詳細な説明を省略することとする。
【００３６】
本実施形態においては、予め埋設管１に沿って基地局車両２０を走行させた後に、この基地局車両２０にて得たマップ情報を油圧ショベル５，８，８Ａに受け渡すものとしたが、先頭の油圧ショベル５が基地局車両２０を兼ねるようにし、この油圧ショベル５に地中レーダ２２を搭載し、この油圧ショベル５のコントローラ２５にてマップ情報を作成するようにし、この作成されたマップ情報を後続の油圧ショベル８，８Ａに受け渡すようにする実施形態も可能である。このようにすれば、先頭を走行させる基地局車両２０が不要となる。
【００３７】
本実施形態においては、基地局車両２０もしくは先頭の油圧ショベル５にて埋設管１のマップ情報を作成し、この作成されたマップ情報を通信手段を介して他の油圧ショベルに送信するようにしたものを説明したが、作成されたマップ情報をＩＣカード等の記録媒体に記録し、この記録媒体を、掘削作業を担当する油圧ショベルに渡すようにすることもできる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６には、本発明の第２の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図が示されている。この例では、前記第４工程（管下掘削工程）に用いられる油圧ショベル５Ｄとして、その履帯が埋設管１を跨ぐように配されるとともに、アーム５ｃ先端に管下掘削機１１Ａが装着されてなる構造のものが用いられている。
【００３９】
本実施形態では、前記管下掘削機１１Ａが埋設管１に最も近接した位置で掘削作業を実行しており、この管下掘削機１１Ａの位置情報から埋設管１の軸心位置情報が容易に得られることに鑑み、この管下掘削機１１Ａを保有する油圧ショベル５Ｄの上方に、水平方向および垂直方向の各レーザプレーン回転投光器３６，３７を設置するとともに、上面掘削用の油圧ショベル５のアーム５ｃ上に、水平レーザを受光するリニアアレイレーザ受光器３８を、側溝掘削用油圧ショベル８，８Ａのアーム８ｃ上に、垂直レーザを受光するリニアアレイレーザ受光器３９，４０をそれぞれ設置したものである。
【００４０】
このように構成されているので、油圧ショベル５Ｄのレーザプレーン投光器３６から後方の油圧ショベル５（先頭車両）に向けて投光される水平方向のレーザプレーンは、上面掘削用の油圧ショベル５のリニアアレイレーザ受光器３８にて受光されることにより、この油圧ショベル５におけるアーム５ｃの上下方向位置に係るデータを得ることができ、このデータと、前記実施形態と同様の作業機姿勢データとによってバケット５ｄの刃先位置を演算することができる。そして、この演算に基づき、油圧ショベル５の刃先モニタに、埋設管１の位置とバケット５ｄの刃先位置との関係を表示させることができる。したがって、油圧ショベル５を操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル５を操作することができる。
【００４１】
また、油圧ショベル５Ｄのレーザプレーン投光器３７から後方の油圧ショベル８，８Ａに向けて投光される垂直方向のレーザプレーンは、側溝掘削用の油圧ショベル８，８Ａのリニアアレイレーザ受光器３９，４０にて受光されることにより、これら油圧ショベル８，８Ａにおけるアーム８ｃの左右方向位置に係るデータを得ることができ、このデータと、前記実施形態と同様の作業機姿勢データとによってバケット８ｄの刃先位置を演算することができる。そして、この演算に基づき、これら油圧ショベル８，８Ａの刃先モニタに、埋設管１の位置とバケット８ｄの刃先位置との関係を表示させることができる。したがって、油圧ショベル８，８Ａを操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル８，８Ａを操作することができる。
【００４２】
本実施形態では、管下掘削機１１Ａの位置情報から埋設管１の軸心位置情報を得るものについて説明したが、管肌を洗浄する前記洗浄装置１３の位置情報から埋設管１の位置情報を得るようにしても良い。
【００４３】
（第３の実施形態）
図７には、本発明の第３の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図が示されている。本実施形態では、前記第２工程（右側側溝掘削）に用いられる油圧ショベル８を例にして説明されているが、第１工程（上面掘削）および第３工程（左側側溝掘削）に用いられる油圧ショベル５，８Ａについても同様である。
【００４４】
本実施形態においては、上部旋回体８ｅの後端部下面とブーム８ａの先端部下面とにそれぞれ地中レーダ２２Ａ，２２Ｂが装着され、上部旋回体８ｅの旋回動作時にそれら一対の地中レーダ２２Ａ，２２Ｂによって埋設管１の埋設位置および深さを検出するようにされている。なお、本実施形態において、方位センサ、旋回角センサ、前後方向の傾斜角を検出する傾斜センサ、前後方向の傾斜角を検出するピッチジャイロ、ブーム角センサ、アーム角センサ、バケットストロークセンサおよびオフセット角センサを有する構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態では、さらに左右方向の傾斜角を検出する傾斜センサおよびレートジャイロが用いられている。
【００４５】
前記地中レーダ２２Ａ，２２Ｂは地中に向けてパルスを発信し、埋設管１の表面からの反射波を受信することで、その反射波波形によって、埋設管１の水平方向ベクトルおよび垂直方向ベクトル（図７（ｂ）参照）と、旋回中心からのオフセット距離ｄ１，ｄ２（図７（ｃ）参照）とが算出されるようになっている。
【００４６】
一方、前記前後・左右の傾斜センサ、レートジャイロ、方位センサおよび旋回角センサからのデータにより油圧ショベル８の旋回平面の傾きが決定され、また傾斜センサ、ピッチジャイロおよび作業機姿勢より車体基準点に対する刃先の垂直位置が算出され、さらに方位センサ、旋回角センサおよびオフセット角センサにより車体基準点に対する刃先の水平位置が算出される。こうして、これら各データと前記埋設管１の水平・垂直方向ベクトルおよび旋回中心からの距離に係るデータとに基づき、刃先モニタには、埋設管１と刃先との相対位置を表示させることができる。したがって、油圧ショベル８を操作するオペレータはその刃先モニタを見ながら埋設管１に刃先が接触しないように油圧ショベル８を操作することができる。
【００４７】
本実施形態においては、地中レーダを２個用い、これを上部旋回体の前後に設けてその上部旋回体の旋回動作を利用して埋設管１の相対位置を探査するものとしたが、勿論、この地中レーダは３個以上設けることもできる。
【００４８】
本実施形態および前記第１の実施形態においては、埋設管探査手段として地中レーダを用いたものを説明したが、この埋設管探査手段としては、他に、電磁誘導法を用いる方法がある。この電磁誘導法は、特に金属管の場合に有効な方法であって、信号電流値と信号方向とによって埋設管１の水平位置と深さとを探査することが可能である。
【００４９】
前記各実施形態においては、埋設管１の埋設位置とバケット刃先との相対位置をモニタ表示し、オペレータがそのモニタ表示を見ながら油圧ショベルの操作を行うようにしたものを説明したが、埋設管の埋設位置とバケット刃先との相対位置に係る情報に基づいて、バケット刃先が埋設管に衝接する位置まで来ると作業機を自動停止させるように刃先の自動制御を行うようにすることも可能である。さらには、前記情報に基づいて油圧ショベルの自動掘削制御（無人運転）を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る埋設管補修システムの全体概要を説明する平面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る埋設管掘削システムのシステム構成図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、上面掘削用油圧ショベルのショベル姿勢および刃先位置の説明図である。
【図５】図５（ａ）（ｂ）は、側溝掘削用油圧ショベルのショベル姿勢および刃先位置の説明図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【図７】図７は、第３の実施形態に係る埋設管掘削システムの説明図である。
【符号の説明】
１ 埋設管
５，５Ａ，５Ｄ 油圧ショベル
５ｂ 上部旋回体
８，８Ａ オフセットブーム式の油圧ショベル
１１，１１Ａ 管下掘削機
２０ 基地局車両
２１，２７ ＧＰＳ
２２，２２Ａ，２２Ｂ 地中レーダ
２３，２５ コントローラ
２４，２６ データ通信機
２８ 方位センサ
２９ 旋回角センサ
３０ 傾斜センサ
３１ ピッチジャイロ
３２ ブーム角センサ
３３ アーム角センサ
３４ バケットストロークセンサ
３５ 刃先モニタ
３６，３７ レーザプレーン回転投光器
３８，３９，４０ リニアアレイレーザ受光器
Claims (4)
- 地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する基地局車両、
（ｂ）この基地局車両により検出された埋設物の絶対座標を前記油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とする地下埋設物掘削システム。 - 地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物を探査する埋設物探査手段とＧＰＳとが搭載され、前記埋設物に沿って走行されることによりその埋設物の地中での絶対座標を検出する先頭の油圧ショベル、
（ｂ）この先頭の油圧ショベルにより検出された埋設物の絶対座標を後続の油圧ショベルに送信する通信手段、
（ｃ）この通信手段に送信された埋設物の絶対座標に基づき、前記後続の油圧ショベルの機械中心位置を決定するショベル位置決定手段、
（ｄ）前記後続の油圧ショベルにおける上部旋回体の姿勢を検出するショベル姿勢検出手段、
（ｅ）前記後続の油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｆ）前記ショベル位置決定手段、前記ショベル姿勢検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とする地下埋設物掘削システム。 - 地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記埋設物の位置が既知の油圧ショベルに設けられる水平方向および垂直方向のレーザプレーン投光器、
（ｂ）このレーザプレーン投光器からのレーザ光を受光すべく、前記埋設物の位置が未知の油圧ショベルに設けられるレーザ受光器、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記レーザ受光器および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とする地下埋設物掘削システム。 - 地表近くの地中に埋設された埋設物の周囲の土を油圧ショベルにて掘削する地下埋設物掘削システムにおいて、
（ａ）前記油圧ショベルの上部旋回体の前後位置に搭載され前記埋設物を探査する埋設物探査手段、
（ｂ）前記油圧ショベルの上部旋回体を旋回させた際の前記埋設物探査手段からの出力に基づき、前記埋設物の軸心の水平方向ベクトル、垂直方向ベクトルおよび旋回中心からのオフセット距離を検出する埋設物検出手段、
（ｃ）前記油圧ショベルにおけるバケットの刃先位置を検出する刃先位置検出手段および
（ｄ）前記埋設物検出手段および刃先位置検出手段からの出力に基づいて、前記バケットによる掘削位置および掘削深さを決定する掘削位置・深さ決定手段
を備えることを特徴とする地下埋設物掘削システム。
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