JP5031623B2 - 地中位置検知システム - Google Patents

Description

本発明は、ＨＤＤ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）工法に用いるリンク先端の地中位置検知システムに関するものである。

既に、本発明者らによって、パイプを回転させずに掘進する推進工法用の地中位置測定システムが提案されている（下記特許文献１参照）。

図８は従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法を示す模式図である。

この図において、１０１は地上、１０２は地中、１０３は推進工法用専用機、１０４は回転しながら掘進する配管（パイプ）、１０５は配管１０３の先端部に配置されるドリルである。

ここで、推進工法用専用機１０３の駆動により、配管１０４は回転しながらドリル１０５により掘進する。

水平ボーリング（ＨＤＤ）工法は、配管を回転させながら掘り進む工法であり、この工法の性質上、配管（パイプ）の先端を検知するには種々の問題が発生する。

（１）計測器を搭載しても、その計測器が配管（パイプ）とともに回転する。

（２）計測処理の許容時間が極端に短い。

（３）先端まで計測用コード等を引き通す場合に、配管（パイプ）の回転によりコード等が絡まる。

このような問題に対処する必要がある。

反面、精度については０．５％程度の誤差が許容され、推進工法に比較して一桁大きな誤差が許される（下記特許文献２参照）。

これまでの先行技術としては、（Ａ）配管の先端に電波発振器を取り付けて地上で誘導する方法や、（Ｂ）掘削後に三次元ジャイロを走行させて計測する方法等があった（下記特許文献３参照）。

しかし上記（Ａ）の方法では、地上に作業員を配置する必要があるため、従業員の立ち入れない鉄道、高速道路、河川などの下では施工が不可能であった。

また、上記（Ｂ）の方法は、掘削方向の誘導制御が不可能である。
特開２００６−１６２３５８号公報 特開平１１−０２３２７１号公報 特開２００２−４８５４３号公報

上記したように、従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法では、（１）計測器を搭載しても、この計測器が配管（パイプ）とともに回転する。（２）計測処理の許容時間が極端に短い。（３）地中位置計測情報を伝送するためにケーブルを用いようとすると、配管（パイプ）の回転によりケーブルが絡まる等の問題に対処する必要がある。反面、精度については１％程度の誤差が許容され、推進工法に比較して一桁大きな誤差が許される。

本発明は、上記状況に鑑みて、配管（パイプ）の回転にもかかわらず、配管の先端部位を外部からの誘導なしに的確に検知することができる地中位置検知システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムにおいて、回転しながら掘進する配管内に長手回りの回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求めることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記第２リンクの先端に配置される掘削装置と光学測量器をクローラドリルなどの共通架台上に設置し、前記光学測量器の視準により位置検知装置の掘削開始時の姿勢を自動的に算出することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の外部を絶縁し、この配管を信号路に、大地を帰線とした、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の内部に絶縁層と導通層を設け、この導通層を信号路に、前記配管を帰線とする、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の地中位置検知システムにおいて、位置検知装置（地下）側に発音体を配設し、この発音体からの変調された音波信号を地上側の受音体で受けて、位置検知情報を伝送することを特徴とする。

〔６〕地中位置検知システムであって、上記〔３〕、〔４〕又は〔５〕記載の地中位置計測情報の伝送方式を組み合わせて用いることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）配管（パイプ）の回転にもかかわらず、配管の先端部位を的確に検知することができる。

（２）水平ボーリング（ＨＤＤ）における掘削方向制御を、ジャイロコンパスを用いずに簡便に構築することができる。

（３）地上誘導が不要になる。

本発明の水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムは、回転しながら掘進する配管内に長手方向の回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求める。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、システム設計の前提となるシステム設計にあたって以下の仮定を置く。

（１）装置はクローラドリルなどの準固定的な台（共通架台）の上に架設され、掘削機と到達目標の位置関係は測定できるものとする。

（２）推進距離に対して０．５％以下の誤差を目標とする。

（３）測定器は配管（パイプ）と一緒に回転するものとする。

（４）配管（パイプ）は弾性により曲がるものとする。

次に、測定原理について説明する。

まず、装置構成と座標系の定義について説明する。

図１は本発明の地中位置検知システム（配管は図示なし）の模式図、図２は本発明の地中位置検知システムの座標系の説明図である。

図１に示すように、配管の管壁（図示なし）に対して支持されるジョイントを持つ２本のリンクＬ₁ ，Ｌ₂ で構成する。ジョイントＪ₁ は、配管の管壁に対しピッチ、ヨーの自由度を持ち、ロール回転を許さない。ジョイントＪ₂ はリンクＬ₁ に対してリンクＬ₂ をロールに対して剛に、かつ配管に対して長手方向に自由に保持する。ジョイントＪ₃ は配管の管壁に対してリンクＬ₂ を回転可能に、かつ配管に対して長手方向に自由に支持する。

リンクＬ₁ とリンクＬ₂ の相対角はエンコーダ１，２で測定する。リンクＬ₁ の座標軸（ｘ_A ，ｙ_A ，ｚ_A ）の方向に向けて加速度センサ３を配置し、水平面に対するリンクＬ₁ の姿勢を測定する。

図２に示すように、リンクＬ₁ に固定された座標系をＡ座標系、リンクＬ₂ に固定された座標系をＢ座標系、掘削原点Ｏから到達点に向かうベクトルの水平面への投影をｘ軸（ｘ_C ）、重力加速度ベクトルをｚ軸（ｚ_C ）、ｚ_C ×ｘ_C をｙ軸（ｙ_C ）とする座標系をＣ座標系（グローバル座標系）とする。

図３は本発明の配管を有する地中位置検知システムの模式図である。

この図において、Ｐ₁ は掘削原点側の第１の配管、Ｐ₂ は掘削原点から離れている側の第２の配管、Ｌ₁ 掘削原点側の第１のリンク、Ｌ₂ 掘削原点から離れている側の第２のリンク、１１は掘削機、１２は共通架台、１３は光学測量器である。

そこで、初期姿勢・リンク先端位置の計測について説明する。
（１）掘削機１１と同一共通架台１２上にセットされたセオドライトで目標を視準し、測定した角度を用いて掘削開始点Ｏから目標に向かう方向の単位ベクトルＵ０を求める。掘削機１１の方向調整は鉛直軸回りになされるものとする。
（２）座標系の定義より、
ｚ_C ＝Ｇ …（１）
ｙ_C ＝（Ｇ×Ｕ）／｜Ｇ×Ｕ｜ …（２）
ｘ_C ＝ｙ_C ×ｚ_C …（３）
（３）掘削開始時点におけるリンクＬ₁ の主軸方向単位ベクトルＶ₁ は掘削機の主軸方向単位ベクトルＶ₀ に一致しているものとする。

Ｖ₁ ＝Ｖ₀ …（４）
また、掘削機が鉛直軸回りに回転することから、Ｃ座標上でψのヨー角を持つ掘削機のｙ軸方向上の単位ベクトルはｚ軸回り回転変換をＲｚとして次式（５）で表される。

…（５）
（４）Ａ座標軸上で表した重力加速度方向の単位ベクトルｇ_A は３個の加速度センサ３の出力から次式（６）で構成される。

…（６）
ａｘ：ｘ軸方向加速度、ａｙ：ｙ軸方向加速度、ａｚ：ｚ軸方向加速度、ｇ：重力加速度（９．８ｍ／ｓ² ）
また、Ａ座標系で表したＶ₁ は

…（７）
Ｊ₀ はＧおよびＶ₀ と直交しているからＡ座標上で表したＪ₀ は
Ｊ_0A＝（ｇ_A ×Ｖ_1A）／｜ｇ_A ×Ｖ_1A｜ …（８）
（５）Ａ座標系からＣ座標系への変換行列Ｒ_ACをＣ座標からＡ座標への変換行列をＲ_CAとすると、上記式（１），（４）〜（８）により、次式（９）、（１０）が得られる。

［Ｖ₀ Ｇ Ｊ₀ ］＝Ｒ_AC［Ｖ_1A ｇ_A Ｊ_0A］
Ｒ_AC［Ｖ_1A ｇ_A Ｊ_0A］［Ｖ₀ Ｇ Ｊ₀ ］^-1 …（９）
Ｒ_CA＝Ｒ_AC ^-1 …（１０）
（６）リンクＬ₁ の先端座標Ｐ₁ は上記式（９）より、リンク長をｌ、出発座標をＰ₀ として、式（１１）となる。

…（１１）
（７）リンクＬ₁ からみたリンクＬ₂ のピッチ角をθ、ヨー角をψとし、ｙ軸回りの回転変換行列をＲ_y 、ｚ軸回りの回転変換行列をＲ_z とする。Ｒ_ACの各列はそれぞれＡ座標ｘ，ｙ，ｚ軸上の単位ベクトルの成分を示すから、この単位ベクトルをピッチ、ヨー回転変換とするとリンクＬ₂ の姿勢が求まる。これをＲ_BCとする。この主軸方向上の単位ベクトルをＶ₂ とする。

Ｒ_BC＝Ｒ_z Ｒ_y Ｒ_AC …（１２）
Ｒ_CB＝Ｒ_BC ^-1 …（１３）

…（１４）
このときＢ座標上で見た重力ベクトルの方向は

…（１５）

次に、第２ステップ以降の姿勢・位置計測について説明する。
（１）ｎステップのＬ₁ リンク姿勢
１リンクの長さ分、掘削するとリンクＬ₁ の元端は前回のリンクＬ₁ 先端座標Ｐ_{1 n-1} 点に来ている。リンクＬ₁ がリンクＬ₂ の軌跡をトレースしていれば、このときリンクＬ₁ の主軸方向単位ベクトルＶ_1nは前回のリンクＬ₂ の主軸方向単位ベクトルＶ_2n-1と同じになる。

Ｖ_1n＝Ｖ_2n-1 …（１６）
直前に求めたＢ座標上の重力加速度方向ベクトルｇ_Bn-1を、加速度センサ３の測定から求めた重力加速度方向単位ベクトルをｇ_Anとすると、ｎステップの座標系Ａ_n はｎ−１ステップの座標系Ｂ_n-1 に対してロール角だけが異なるから、Ｂ_n-1 の主軸回りに座標系を回転してｇ_Bn-1とｇ_Anが最も近づく角度を探せばよい。よって、次式（１７）のθを求める。

θ＝ａｒｇｍｉｎ〔ｇ_An・（ｒｏｔ（Ｖ_1n，θ）ｇ_Bn-1）〕 …（１７）
このとき、リンクＬ₁ の姿勢は、前ステップのリンクＬ₂ の姿勢をＶ_1n回りにθだけ回転したものであるから、前ステップのリンクＬ₂ の姿勢を用いてＣ座標上で示すと、次式（１８）となる。

Ｒ_ACn ＝ｒｏｔ（Ｖ_1n，θ）Ｒ_BCn-1 …（１８）
なお、ここで、ｒｏｔ（Ｖ，θ）は、ベクトルＶを中心としてθだけ回転する回転変換行列である。
（２）リンクＬ₁ の先端座標Ｐ_1nは次式（１９）の逐次式で示される。

…（１９）
（３）リンクＬ₂ の姿勢計算
上記式（１２）〜（１５）を用いて、ｎステップの姿勢Ｒ_BCn 、主軸方向ベクトルＶ_2n、重力加速度ベクトルｇ_Bnを求める。
（４）以上を繰り返し、逐次の座標と姿勢を求めていく。

次に、情報伝送路の構築について説明する。

水平ボーリング（ＨＤＤ）工法では配管が回転するため、情報伝送するためにケーブルを用いると、ねじれて絡んでしまう。すなわち、一般的なケーブルでは安定して地上へ計測器からの情報を伝送するのが難しいと考えられる。

電源供給については１回の作業時間が短いことから、バッテリーを搭載することでケーブルを使用しないことが可能であるが、情報伝送は、何らかの伝送経路がないとシステムが成立しない。

したがって、以下のような方策を採用する。
（１）図４は本発明の地中位置検知システムの第１の情報伝送方式の模式図である。

この図において、２１は配管、２２はその配管２１の外周面に形成される絶縁層、２３は配管２１のねじ部である。例えば、ねじ部２３を除く配管２１の外周部をエポキシ樹脂等で絶縁する。

そこで、配管２１を信号経路として用い、帰線は大地を使う。
（２）図５及び図６は本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の模式図であり、図５はその配管の断面図、図６はその配管の接続継手の模式図である。

この図において、３１は配管、３２は配管３１の内周面に形成される絶縁層、３３はその絶縁層３２上に形成される導通層、３４は接続継手であり、図６に示すように、配管の継手部分においては、各配管が接続継手３４によって電気的接続が行われている。

このように、配管３１内面に絶縁層３２と導通層３３が形成される。配管３１の継手部分は絶縁しておき、端部にキャップをはめて、配管３１をねじ込んだときに導通層３３同士が接続されるようにする。帰線は大地を用いる。

なお、上記した地中位置検知システムの第１の情報伝送方式と地中位置検知システムの第２の情報伝送方式とは組み合わせて用いるようにしてもよい。

図７は本発明の地中位置検知システムの第３の情報伝送方式の模式図である。 この図において、４１は配管、４２は位置検知装置、４３は変調音波発生器、４４は配管４１の位置検知装置４２（地下Ａ）側に配置される発音体としてのスピーカー、４５は配管４１の地上Ｂ側に配置される受音体としてのマイク、４６は変調音波である。なお、変調音波発生器４３はスピーカー４４から発音される変調音波を生成する。つまり、伝送信号により変調音波発生器４３で可聴帯域に近い超音波が変調され、その変調音波４６が配管４１内を地下側から地上側へと伝搬される。

このように、伝送信号により可聴帯域に近い超音波が変調音波発生器４３で変調されて搬送波となり、位置検知装置４２からの位置検知情報を搬送波としての変調音波４６に重畳し、この変調音波を発音体であるスピーカー４４で発音して、配管４１内を音波の形で伝送することにより、位置検知装置４２からの位置検知情報をマイク４４で受信することができる。

変調方式としては伝送情報の「１」，「０」に対して振幅レベルを変えるＡＳＫ方式（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）や、周波数を変えるＦＳＫ方式（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等を用いる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の地中位置検知システムは、ジャイロコンパスレスで、構造が簡便な水平ボーリング工法に利用可能である。

本発明の地中位置検知システム（配管は図示なし）の模式図である。 本発明の地中位置検知システムの座標系の説明図である。 本発明の配管を有する地中位置検知システムの模式図である。 本発明の地中位置検知システムの第１の情報伝送方式の模式図である。 本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の配管の断面図である。 本発明の地中位置検知システムの第２の情報伝送方式の配管の接続継手の模式図である。 本発明の地中位置検知システムの第３の情報伝送方式の模式図である。 従来の水平ボーリング（ＨＤＤ）工法を示す模式図である。

符号の説明

Ｌ₁ 掘削原点側の第１のリンク
Ｌ₂ 掘削原点から離れた側の第２のリンク
１ ピッチエンコーダ
２ ヨーエンコーダ
３ 加速度センサ
Ｐ₁ 掘削原点側の第１の配管
Ｐ₂ 掘削原点から離れている側の第２の配管
１１ 掘削機
１２ 共通架台
１３ 光学測量器
２１，３１ 配管
２２ 配管の外周面に形成される絶縁層
２３ 配管のねじ部
３２ 配管の内周面に形成される絶縁層
３３ 絶縁層上に形成される導通層
３４ 接続継手
４１ 配管
４２ 位置検知装置
４３ 変調音波発生器
４４ 発音体としてのスピーカー
４５ マイク
４６ 変調音波

Claims (6)

1. 水平ボーリング工法に用いる地中位置検知システムにおいて、回転しながら掘進する配管内に長手回りの回転を拘束して接続した同じ長さの２本のリンクを配設し、前記２本のリンク中の掘削原点側の第１リンクに取り付けた３個の加速度センサによって求めた重力ベクトルの方向から前記第１リンクの姿勢と、前記第１リンクと第２リンクの接続点の位置を求め、前記第１リンクと該第１リンクに接続される掘削原点とは反対側の前記第２リンクのなす角を測定して、これらの観測量から前記第２リンクの姿勢を求め、リンク１本分掘り進んだときに２本のリンクが同一経路を通過していれば前ステップの前記第２リンクの姿勢及び位置と前記第１リンクの姿勢及び位置が等しくなることを利用して前記配管内のリンク先端の座標を逐次求めることを特徴とする地中位置検知システム。
2. 請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記第２リンクの先端に配置される掘削装置と光学測量器をクローラドリルなどの共通架台上に設置し、前記光学測量器の視準により位置検知装置の掘削開始時の姿勢を自動的に算出することを特徴とする地中位置検知システム。
3. 請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の外部を絶縁し、該配管を信号路に、大地を帰線とした、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
4. 請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、前記配管の内部に絶縁層と導通層を設け、該導通層を信号路に、前記配管を帰線とする、ケーブルを用いない地中位置計測情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
5. 請求項１記載の地中位置検知システムにおいて、位置検知装置（地下）側に発音体を配設し、該発音体からの変調された音波信号を地上側の受音体で受けて、位置検知情報を伝送することを特徴とする地中位置検知システム。
6. 請求項３、４又は５記載の地中位置計測情報の伝送方式を組み合わせて用いることを特徴とする地中位置検知システム。

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