JP6419731B2 - 地中掘削位置を計測する方法及び地中掘削位置計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中掘削位置を計測する方法及び地中掘削位置計測装置に関し、特に地面をオープンカットせずに行う非開削工法において用いるための地中掘削位置を計測する方法及び地中掘削位置計測装置に関する。

非開削工法は地面をオープンカットすることなく水道管、ガス管等を埋設することができる省エネタイプの掘削工法であり、地震による液状化対策として既設建造物直下の地盤改良工事を行う場合や、さらに一般的に大規模にオープンカットすることなく地中掘削する場合に、この非開削工法の活用が期待されている。

一方で、非開削工法において、地面を開削することなく設定した進路にボーリングを行うためにはボーリング先端のビットの位置を常に地上から把握する必要がある。従来非開削工法用のボーリング先端のビットの位置計測は地中におけるボーングツール先端に取り付けたセンサから発する電磁信号を真上の地表で受信しビットの位置を推定するという計測方法が用いられている。しかしながら、この計測方法では、計測位置の真上に建造物や河川等の傷害物がある状況ではビットの位置を計測できないものである。

従来において、地中の位置計測装置として、例えば特許文献１に開示されるものがある。これは、水中、地中等の入り組んだ空間などでの走行体に加速度計とジャイロとを備え、ジャイロにより計測した角速度と、加速度計により計測した加速度とを用いた演算により位置を求めるものである。特許文献２においては、装置本体内に円錐形状の被測定面を有する被測定体を円錐頂点方向の支点で自由傾斜可能に保持し、円錐形状の被測定面に向けてレーザを照射する発光部及び受光部による変位計測計を備え、相対距離の変位を解析して被計測面の傾斜方向を求める方位傾斜計測の方法、装置について開示されている。また、特許文献３には、多重管の外側から２番目に取り付けられたジャイロスコープのローリング角を検出しローリング角が所定角度以上になった時にクラッチを断切してローリング角を除去する掘削位置検出について記載されている。

特開平３−２８５１１１号公報 特開２００５−３６４１号公報 特開２００２−２２０９８６号公報

今後地震による液状化対策のために既存建造物の地下を地盤改良して地盤沈下対策を行う工事の必要性が高まると考えられるが、このような工事のためには建造物直下の目的地までピンポイントでボーリングをする必要がある。そのような状況において、建造物等の障害物がある箇所でもボーリング先端位置を正確に特定しボーリングできるようにすること、また、一般的にオープンカットせずに行う、よりコストの少ない非開削による工法が強く求められているが、現状において建造物等の障害物の直下を掘削する場合を含めて、掘削位置を精度よく計測できる安価な計測装置を有する掘削システムは実現していない。

特許文献１のように加速度計、ジャイロを備えた位置計測装置を用いることにより障害物直下における位置を計測可能になるが、ジャイロを用いる際に、ジャイロを回転状態で使用する必要があり、実際の非開削工法において利用する上での精度上の問題点は解消されない特許文献２に開示のものは、測定手段として回転走査を行う部分を含み、被測定体の支持形態として大きな傾斜角度をとることはできず、地中の掘削位置を計測するという課題に適用されているものでもない。また、特許文献３によるものは、掘削位置を検出するものであるが、ジャイロを用いるものであることから、実際の非開削工法において利用する上での精度上の難点を有する。本発明は、このような従来の技術状況において、建造物等の障害物がある箇所でもボーリング先端位置を正確に特定してボーリングできるようにし、さらに一般的にオープンカットせずにコストのより少ない非開削工法とするために、非開削工法用掘削システムによる掘削時の地中掘削位置を計測する方法、地中掘削位置計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述した課題を解決すべくなしたものであって、請求項１による地中掘削位置を計測する方法は、ロッドの先端に掘削ビットを備えロッドを逐次継ぎ足して地中への掘削を進める非開削工法用掘削システムによる地中掘削時の掘削位置を計測する際に、掘削先端にある掘削ビットに一体的に備えられた姿勢検知センサ及び地磁気を測定する３軸磁気センサを用いて地中の掘削位置を計測する方法であって、掘削前に重力方向をｚ軸、磁北方向をｘ軸とする座標系ｘｙｚを設定し、地表における地磁気を３軸磁気センサで測定し地磁気の伏角Ｉを求めることと、掘削時に、掘削ビットと一体的な姿勢検知センサでの測定値から水平面からの傾斜角φとｘ軸回りの回転角ωとを求めることと、前記求められた傾斜角、ｘ軸回りの回転角と、前記３軸磁気センサによる測定値及び掘削前に地表で測定された地磁気の伏角Ｉとから方位角θを求めることと、前記求められた傾斜角、方位角と、ロッド１本分の長さとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を方向成分毎に求めることと、複数回の掘削に対して求められた各方向成分毎の位置変化量を累積して複数回の掘削、ロッド継ぎ足しによる掘削位置を求めることと、からなる。

請求項２による地中掘削位置を計測する方法は、前記３軸磁気センサを収納する掘削ビットまたは掘削経路近辺に存在する磁性体による３軸磁気センサの出力の歪みを補正するために、掘削前に前記掘削ビットを磁北の方向及びそれから方位を変えた方向との複数の方向にした時の３軸磁気センサの出力から補正係数及びオフセットを求め、前記３軸磁気センサの出力と前記求められた補正係数及びオフセットとから地磁気の各方向成分を求めるようにしたものであり、請求項３による地中掘削位置を計測する方法は、前記姿勢検知センサが重力加速度を測定する加速度センサであるようにしたものである。

請求項４による地中掘削位置計測装置は、ロッドの先端に掘削ビットを備えロッドを逐次継ぎ足して地中への掘削を進める非開削工法用掘削システムにおける地中掘削時の掘削位置計装置であって、姿勢検知センサと、地磁気を測定する３軸磁気センサと、該姿勢検知センサ及び３軸磁気センサの各々による測定で得られた測定値データを演算処理して掘削時における前記掘削ビットの姿勢角を求める演算処理装置とを前記掘削ビット内に一体的に備えてなり、前記演算処理装置は、掘削前に重力方向をｚ軸、磁北方向をｘ軸として設定された座標系ｘｙｚに対し、掘削時に、掘削ビットと一体的な加速度センサでの測定値から水平面からの傾斜角φとｘ軸回りの回転角ωとを求め、前記求められた傾斜角φと、ｘ軸回りの回転角ωと、３軸磁気センサによる測定値及び掘削前に地表において３軸磁気センサで測定された地磁気の伏角Ｉとから方位角θを求め、前記求められた傾斜角φ、方位角θと、ロッド１本分の長さＬとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を方向成分毎に求め、複数回の掘削に対して求められた方向成分毎の位置変化量を累積して複数回の掘削、ロッド継ぎ足しによる掘削位置を求める演算を行うものである。

請求項５による地中掘削位置計測装置は、前記演算処理装置が掘削前に前記掘削ビットを磁北の方向及びそれから方位を変えた方向との複数の方向にした時の３軸磁気センサの出力から補正係数及びオフセットを求める演算を行うものであり、前記３軸磁気センサの出力と前記求められた補正係数及びオフセットとから地磁気の各方向成分を求めて前記３軸磁気センサを収納する掘削ビットまたは掘削経路近辺に存在する磁性体による３軸磁気センサの出力の歪みを補正するものであり、請求項６による地中掘削位置計測装置は、前記姿勢検知センサが重力加速度を測定する加速度センサであるようにしたものである。

本発明では、掘削先端にある掘削ビット内に姿勢検知センサ、３軸磁気センサを一体的に備え、地中掘削時において姿勢検知センサでの測定によりその時点での掘削ビットの傾斜角を求め、３軸磁気センサでの測定により掘削ビットの方位角を求め、これらの取得されたデータと掘削前に測定された地磁気の伏角とから掘削ビットの進行方向を求め、これとロッド１本分の長さとから移動距離を求め、その累積により掘削位置を求めるようにしたものであり、埋設物や建造物のような障害物がある状況で、あるいは一般的に所望経路に沿ってオープンカットせずに地中掘削位置を測定する場合においても、ジャイロのように動的状態で測定する手段を含まない形で、かつ簡易な形態で掘削位置を測定することができ、正確に掘削位置を計測できるものである。

本発明による地中掘削位置計測装置を備えた非開削工法用掘削システムの概略構成を示す図である。 図１における掘削ビットの部分を示す図である。 測定地点で設定した座標系と、重力ベクトル、地磁気ベクトル、掘削ビットの方向ベクトルの関係を示す図である。 （ａ）は掘削ビットをｘ軸中心にωだけ回転させた時の掘削ビットの３方向成分の方向ベクトルの方向を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の状態から掘削ビットをｙ軸中心にφだけ傾けた時の掘削ビットの３方向成分の方向ベクトルの方向を示す図である。 掘削位置計測の手順を示すフロー図である。 掘削ビット側に装備されるセンサ・データ送信部の構成を示す図である。 地上側における受信側の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の非開削工法用掘削システムにおける位置計測装置は、建造物等の障害物がある箇所でもオープンカットせずに、ボーリング先端位置を正確に特定してボーリングできるように位置計測を行うものであるが、また、さらに一般的に大規模にオープンカットせずにボーリング先端位置を正確に特定してボーリングできるように位置計測を行うものである。

図１は、本発明による地中掘削位置計測装置を備えた非開削工法用掘削システムの概略構成を示し、図２は、掘削ビット及びそれに一体的に収納されたセンサ等の構成を示すものである。非開削工法用掘削システム１は、掘削用のロッド１０、ロッド１０の先端側に装備された掘削ビット２０を備えており、ロッドを継ぎ足しつつ掘削ビット２０により地中を掘削し推進させていく。掘削ビット２０内には位置計測のためのセンサ・データ送信部２１が一体的に備えられ、ロッド１０を介して位置計測データが演算処理部３０に伝送される。

地中掘削位置計測装置は掘削ビット内に一体的に備えられた、重力加速度を計測する加速度センサと地磁気を計測する磁気センサとを用いて地中で、移動する掘削ビットの基準方向からの角度（姿勢）を検知し、それと掘削距離とから掘削位置を計算し求めるものである。以下の説明で、グローバル座標系は地表で設定されたｘｙｚ座標系であり、これに対しz′軸をｚ軸と平行にして加速度センサ、磁気センサを一体的に備え、移動する掘削ビットとともに回転する座標系ｘ′ｙ′ｚ′をローカル座標系と称する。

図３は、測定地点での磁北をｘ方向、重力ベクトルをｚ方向としたグローバル座標系を考えた時の地磁気ベクトルｍと、掘削ロッドの方向ベクトルＰとを示したものであり、掘削ビットの方向がｚｘ面内にある状態を示し、φは水平面からの傾斜角である。地磁気ベクトルもｚｘ面内にある。

重力ベクトルｇは重力加速度をｇ_０（ｍ／ｓ^２）として、
ｇ＝（０，０，ｇ_０） ………（１）
で表され、また、地磁気ベクトルｍはｚｘ面内にあり、地磁気の大きさをｍ₀（ｎＴ）、伏角をＩとして、
ｍ＝（ｍ_０cosＩ，０，ｍ_０sinＩ） ………（２）
で表される。

掘削ビットの進行方向をｘ方向とし、掘削ビットがｘ軸回りにωだけ回転し、水平面から角度φだけ傾斜している状態における掘削ビット内のセンサのｘ、ｙ、ｚ方向の方向ベクトル（単位長さベクトルとする）ｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｋ_ｓがどのように表されるかを考える。最初にセンサのｉ_ｓ方向をｘ軸の＋方向に、センサのｊ_ｓ方向をｙ軸の＋方向に、センサのｋ_ｓ方向をｚ軸の−方向に合わせた後に、加速度センサをｘ軸中心に左回りに角度ωだけ回転させるとｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｋ_ｓは図４（ａ）に示すような位置になる。図４（ａ）の左半はｚｘ面への射影を示し、右半はｙｚ面への射影を示している。さらに図４（ｂ）に示すように加速度センサをｙ軸中心に水平面（ｘｙ面）から角度φだけ傾ける。図４（ｂ）の左半はｚｘ面への射影を示し右半はｙｚ面への射影を示している。この時、センサにおける３方向成分の方向ベクトルｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｋ_ｓはそれぞれ、
ｘ方向：ｉ_ｓ＝（cosφ，０，sinφ） ………（３）
ｙ方向：ｊ_ｓ＝（sinωsinφ，cosω，−sinωcosφ） ………（４）
ｚ方向：ｋ_ｓ＝（cosωsinφ，−sinω，−cosωcosφ）………（５）
となる。

このように、ｘ軸回りにωだけ回転し、水平面から角度φだけ傾斜している状態における掘削ビット内のセンサのｘ、ｙ、ｚ方向の方向ベクトルｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｋ_ｓは（３）〜（５）で表される。次に方向ベクトルｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｋ_ｓをｚ軸回りに方位角θだけ回転させる。この場合の回転ベクトルＲθは

となり、回転後の方向ベクトルｉ_ｓ′，ｊ_ｓ′，ｋ_ｓ′は次のようになる。
ｉ_ｓ′＝Ｒθ・ｉ_ｓ＝（cosφcosθ，cosφsinθ，sinφ） ………（７）
ｊ_ｓ′＝Ｒθ・ｊ_ｓ＝（cosθsinωsinφ−sinθcosω，sinθsinωsinφ＋cosθcosω，−sinωcosφ） ………（８）
ｋ_ｓ′＝Ｒθ・ｋ_ｓ＝（cosθcosωsinφ＋sinθsinω，sinθsinωsinφ−cosθsinω，−cosωcosφ） ………（９）

よって、グローバル座標系での重力と地磁気の各成分は次の式で求められる。
ｇ_ｘ＝ｇ_０sinφ，ｇ_ｙ＝−ｇ_０sinωcosφ，ｇ_ｚ＝−ｇ_０cosωcosφ
………（１０）
ｍ_ｘ＝ｍ_０（cosθcosφcosＩ＋sinφsinＩ） ………（１１）
ｍ_ｙ＝ｍ_０（cosθsinωsinφcosＩ−sinθcosωcosＩ−sinωcosφsinＩ）
………（１２）
ｍ_ｚ＝ｍ_０（cosθcosωsinφcosＩ＋sinθsinωcosＩ−cosωcosφsinＩ）
………（１３）

次に、鉄製の掘削ビット内に磁気センサを入れた場合を考える。
掘削ビット内に磁気センサを入れた場合は、周囲の鉄管及びセンサを取り付けている基板による磁気ノイズのためにセンサ出力が大きく歪むことになる。この場合は、次のような補正係数及びオフセットを考えることでセンサ出力を定式化できる。

（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）Tをセンサ出力とすると、

となる。ここで、Ｓはセンサの感度（Ｖ／ｎＴ）、ｍ_ｘ，ｍ_ｙ，ｍ_ｚは実際の地磁気の各成分であり、Ｖ_ｘｏ，Ｖ_ｙｏ，Ｖ_ｚｏは出力電圧のオフセットである。地磁気センサの周囲に基板や鉄管が存在すると、これらの永久磁気のため、オフセットＶ_ｘｏ，Ｖ_ｙｏ，Ｖ_ｚｏは大きくなることが予想される。また、α_１，α_２，α_３は各成分毎の補正係数であって１を超えない正数（０≦α＜１，ｉ＝１，２，３）である。鉄管内では、地磁気による鉄管の誘導磁気が地磁気を打ち消す方向に働くため、このような補正係数を設定することができる。測定実験では、αは０．６以上となり、実際の地磁気の大きさの数％〜３０％程度が観測される。

次に、各成分の補正係数及びオフセットを求めることについて考える。掘削ビットを水平（φ＝０）にして、回転角ωを０とする（ｘｙ面を水平面と一致させる）と、（２）〜（６）、（１４）から、

となる。ここで、ｍ_０は地磁気の大きさ、θは方位角、Ｉは地磁気の伏角である。

まず、掘削ビットを磁北に向け、方位角θを０として、センサのｘ方向の出力電圧を測定し、次にθを順次π／２，π，３π／２として測定すると、（１５）から次の４式が得られる。
Ｖ_ｘ(1)＝Ｓｍ_０（１−α_１）cosＩ＋Ｖ_ｘｏ ………（１６）
Ｖ_ｘ(2)＝ Ｖ_ｘｏ ………（１７）
Ｖ_ｘ(3)＝−Ｓｍ_０（１−α_１）cosＩ＋Ｖ_ｘｏ ………（１８）
Ｖ_ｘ(4)＝ Ｖ_ｘｏ ………（１９）
ｘ方向のオフセットＶｘｏは、（１６）〜（１９）式の総和から、次式で求められる。
Ｖ_ｘｏ＝（Ｖ_ｘ(1)＋Ｖ_ｘ(2)＋Ｖ_ｘ(3)＋Ｖ_ｘ(4)）／４ ………（２０）
また、（１６）−（１７）−（１８）＋（１９）より、
Ｓｍ_０（１−α_１）＝（Ｖ_ｘ(1)−Ｖ_ｘ(2)−Ｖ_ｘ(3)＋Ｖ_ｘ(4)）／２cosＩ
………（２１）
となる。

同様にして、ｙ方向のセンサのオフセットＶ_ｙｏと補正係数は、
Ｖ_ｙｏ＝（Ｖ_ｙ(1)＋Ｖ_ｙ(2)＋Ｖ_ｙ(3)＋Ｖ_ｙ(4)）／４ ………（２２）
Ｓｍ_０（１−α_２）＝（Ｖ_ｙ(1)−Ｖ_ｙ(2)−Ｖ_ｙ(3)＋Ｖ_ｙ(4)）／２cosＩ
………（２３）
となる。

ｚ方向については、水平面内での掘削ビットの回転だけでは常に同じ値となるので、ωを変えた測定が必要になる。センサのｘ方向を磁北に向け（θ＝０）、ｚ軸が反転するようにω＝０とする。掘削ビットの水平面内の回転では、θを０，π／２，π，３π／２として測定することにより、（１５）から次の４式が得られる。
Ｖ_ｚ(1)＝−Ｓｍ_０（１−α_３）sinＩ＋Ｖ_ｚｏ ……… （２４）
Ｖ_ｚ(2)＝−Ｓｍ_０（１−α_３）sinＩ＋Ｖ_ｚｏ ……… （２５）
Ｖ_ｚ(3)＝−Ｓｍ_０（１−α_３）sinＩ＋Ｖ_ｚｏ ……… （２６）
Ｖ_ｚ(4)＝−Ｓｍ_０（１−α_３）sinＩ＋Ｖ_ｚｏ ……… （２７）

ω＝πとした場合、次式が得られる。
Ｖ_ｚ(5)＝Ｓｍ_０（１−α_３）sinＩ＋Ｖ_ｚｏ ……… （２８）
オフセットと補正係数の計算には（２４）〜（２７）式の１つと、（２８）式とがあればよいが、実際の測定では完全な水平面内の回転になっていない場合も考えられるので、（２４）〜（２７）式を全て用いた次式からオフセットと補正係数を求める。

Ｓｍ_０（１−α_１），Ｓｍ_０（１−α_２），Ｓｍ_０（１−α_３）をβ_１，β_２，β_３と置き直すと

となる。ここで＜ｍ_ｘ＞，＜ｍ_ｙ＞，＜ｍ_ｚ＞は地磁気の大きさｍ_０で規格化した地磁気ベクトルの各成分である。

規格化した地磁気ベクトルｍの各成分＜ｍ_ｘ＞，＜ｍ_ｙ＞，＜ｍ_ｚ＞は、（３１）式から次式のようになる。

これまでに説明した方法で、補正係数β_１，β_２，β_３とセンサのオフセットＶ_ｘｏ，Ｖ_ｙｏ，Ｖ_ｚｏが求められていれば、観測値Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚを用いて（３２）式から＜ｍ_ｘ＞，＜ｍ_ｙ＞，＜ｍ_ｚ＞を求めることができる。

次に、地磁気成分を用いて方位角θを計算する方法を示す。方位角θ、傾斜角φ、センサの回転角ω、地磁気の伏角Ｉを用いると、（１１）〜（１３）から規格化された地磁気の各成分は次式となる。
＜ｍ_ｘ＞＝cosθcosφcosＩ＋sinφsinＩ ………（３３）
＜ｍ_ｙ＞＝cosθsinωsinφcosＩ−sinθcosωcosＩ−sinωcosφsinＩ
………（３４）
＜ｍ_ｚ＞＝cosθcosωsinφcosＩ＋sinθsinωcosＩ−cosωcosφsinＩ
………（３５）

方位角θは（３３）式から次式で求められる。

したがって、

となる。ただし、伏角Ｉは伏角計などを用いて測定する必要があり、傾斜角φは重力加速度の各成分から求める必要がある。

（３６）式のようにcos^−１を用いてθを求める際に、（ ）内のある正値に対して、θは１象限と４象限との２つになる。そのいずれになるかについては、sinθの符号によりθを決定する。つまり、

（３４）×cosω−（３５）×sinωより、
＜ｍ_ｙ＞cosω−＜ｍ_ｚ＞sinω＝−sinθcosI ………（３９）
となる。（３９）式をsinθについてまとめると、
sinθ＝（−＜ｍ_ｙ＞cosω＋＜ｍ_ｚ＞sinω）／cosI………（４０）
となる。

また、（３３）式から、
cosθ＝（＜ｍ_ｘ＞−sinφsinＩ）／cosφcosＩ ………（３３）′
となるので、tan^−１を用いて次式のようにθを求めることもできる。

（４１）式中の回転角ωと傾斜角φは、加速度センサのデータから比較的簡単に求めることができる。

次に、方位角θを決定するために用いる回転角ωと傾斜角φの決定方法を示す。加速度センサの出力電圧を（ｗ_ｘ，ｗ_ｙ，ｗ_ｚ）^Ｔとすると、ωとφを用いて次式のように定式化できる。

ここで、ｔは加速度センサの感度［Ｖ／（ｍ／ｓ^２）］，ｇ_０は重力加速度の絶対値、ｗ_ｘｏ，ｗ_ｙｏ，ｗ_ｚｏは各方向のオフセット成分である。

最初にキャリブレーションによりセンサのオフセットと感度を求める方法を示す。ロッドを水平にして加速度を測定すると、傾斜角φは０となるので、（４２）式は次のように簡略化できる。

回転角ωを０，π／２，π，３π／２と変えて測定すると、各成分についての出力電圧は次のようになる。
ｘ成分：
ｗ_ｘ(1)＝ｗ_ｘ(2)＝ｗ_ｘ(3)＝ｗ_ｘ(4）＝ｗ_ｘｏ
ｙ成分：
ｗ_ｙ(1)＝ｗ_ｙ(3)＝ｗ_ｙｏ， ｗ_ｙ(2)＝−ｔｇ_０＋ｗ_ｙｏ，
ｗ_ｙ(4)＝ｔｇ_０＋ｗ_ｙｏ
ｚ成分：
ｗ_ｚ(1)＝ｔｇ_０＋ｗ_ｚｏ， ｗ_ｚ(2)＝ｗ_ｚ(4)＝ｗ_ｚｏ，
ｗ_ｚ(3)＝−ｔｇ_０＋ｗ_ｚｏ
ここで、オフセット成分ｗの添え字における（１）はω＝０、（２）はω＝π／２、（３）はω＝π、（４）はω＝３π／２の時の出力電圧であることを示している。

これらにより、各方向のオフセットは次式で求められる。
ｗ_ｘｏ＝（ｗ_ｘ(1)＋ｗ_ｘ(2)＋ｗ_ｘ(3)＋ｗ_ｘ(4)）／４ ………（４４）
ｗ_ｙｏ＝（ｗ_ｙ(1)＋ｗ_ｙ(2)＋ｗ_ｙ(3)＋ｗ_ｙ(4)）／４ ………（４５）
ｗ_ｚｏ＝（ｗ_ｚ(1)＋ｗ_ｚ(2)＋ｗ_ｚ(3)＋ｗ_ｚ(4)）／４ ………（４６）

また、センサの感度ｔについては、次式が得られる。
ｔｇ_０＝（ｗ_ｚ(1)−ｗ_ｙ(2)−ｗ_ｚ(3)＋ｗ_ｙ(4)）／４ ………（４７）
ｔｇ_０をγで置き換えると、ｇ_０で規格化された加速度成分（＜ｇ_ｘ＞，＜ｇ_ｙ＞，＜ｇ_ｚ＞）^Ｔは、観測値（ｗ_ｘ，ｗ_ｙ，ｗ_ｚ）^Ｔを用いて次式で求められる。

次に、測定で得られた（＜ｇ_ｘ＞，＜ｇ_ｙ＞，＜ｇ_ｚ＞）^Ｔから傾斜角φと回転角ωを求める方法を示す。
（４８）から sinφ＝＜ｇ_ｘ＞なので、
φ＝sin^−１＜ｇ_ｘ＞ ………（４９）
となる。

また、−sinωcosφ＝ ＜ｇ_ｙ＞、 cosωcosφ＝＜ｇ_ｚ＞なので、

から、
ω=tan^−１(−＜ｇ_ｙ＞／＜ｇ_ｚ＞) ………（５０）
となる。

方位角θと傾斜角φがわかれば、ロッドの先端位置の位置ベクトルは
Ｌ・ｉ_ｓ′＝（Ｌcosφcosθ, Ｌcosφsinθ, Ｌsinφ）
となる。ここでＬはロッドの長さである。ロッドを継ぎ足して掘削した場合には、ロッド毎の位置ベクトルを足し合わせて最終的な位置を計算できる。すなわち、ある位置においてセンサによる測定値から方位角θ、傾斜角φを求め、その方向と掘削により進行したロッド１本分の移動距離とから位置ベクトルの変化量を求め、この操作をロッドの継ぎ足し毎に順次累積していく。

このようにＮ回の掘削、ロッド継ぎ足しを行った時の掘削ビット先端の位置は次式で表されるようになる。

ここで、ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ，ｚ_ＮはＮ回掘削後の各座標、Ｌ_ｉ，θ_ｉ，φ_ｉは、それぞれｉ番目のロッド長、方位角、傾斜角である。ｉ＝１は最初のロッドを使って掘削した場合、ｉ＝２は２本目のロッドを継ぎ足して掘削した場合であり、以下順次ロッドを継ぎ足していくものである。この地中掘削位置の求め方は、ビット継ぎ足しごとの掘削の経路を折れ線で近似することによるものである。

掘削、ロッドの継ぎ足しに応じた掘削位置の測定の手順について説明する。最初に掘削前に磁気センサにより地磁気の伏角Ｉを測定する。この伏角Ｉの値は掘削時にも変化しないものである。掘削時に、掘削ビットと一体的な加速度センサでの測定値から（４９）式により水平面からの傾斜角φを求め、（５０）式からｘ軸回りの回転角ωを求める。次に、求められた傾斜角φ、ｘ軸回りの回転角ωと、磁気センサによる測定値とから（４１）式により方位角θを求める。さらに、傾斜角φ、方位角θと、ロッド１本の長さとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を各方向成分毎に求める。Ｎ回の掘削による掘削ビット先端の位置変化量を（５１）式により求める、という形になる。

この手順をフロー図で示すと、図４のようになる。（１）地磁気の伏角Ｉの測定は最初に行うのみであり、（２）掘削ビットの方向を求める、（３）ロッド１本分の掘削、（４）掘削による進行変位量の計算は、ロッド１本の掘削ごとに行う。ロッド１本分の掘削後にさらに掘削を行うか、掘削を終了するかの操作指令信号に応じて、さらに掘削する場合（ＹＥＳ）には（２）〜（４）のステップに戻り、掘削を終了する場合（ＮＯ）にはステップ（６）においてそれまでの累積進行変位量により掘削位置を計算する。

〔地中掘削位置計測装置〕
掘削位置計測装置は、図１に示す非開削工法用掘削システムの掘削用ロッド１０の先端に装備される掘削ビット２０内に装備されたセンサ・データ送信部と、地上に設置されるステーションに備えられた受信側の演算処理部３０とを有する構成である。

図６は、掘削ビット２０内に備えられるセンサ・データ送信部２１の構成を示し、このセンサ・データ送信部２１は、姿勢検知センサとしての３軸加速度センサ２２、３軸磁気センサ２３、ＭＰＵ２４、電源レギュレータ２５、信号増幅・送信部２６が装備されたものであり、これらを位置計測データ伝送基板に実装したものとして構成することができる。３軸加速度度センサ２２による計測値のＡＤ変換により掘削ビットの姿勢を求めるための計測データが取得され、３軸磁気センサ２３による計測値のＡＤ変換により方位角を求めるためのデータが取得され、それらのデータはＭＰＵ２４により処理されて伝送データとなり、信号増幅・送信部２６により演算処理部３０側に送信される。

受信側の演算処理部３０は、図７に示すように、受信部３１、ＭＰＵ３２、電源レギュレータ３３、インタフェース３４を位置計測データ受信側基板に実装したものと、演算処理ユニット３５とを備えるものとして構成することができる。受信部３１は送信側の計測データ生成部から送信されたデータを受信しフィルタリングを行ってＭＰＵ３２に伝送するものであり、ＭＰＵ３２はインタフェース３４を介して演算処理ユニット３５に伝送する。演算処理ユニット３５は通常のパーソナルコンピュータでもよく、取得されたデータからデータ抽出を行い、演算処理を行って、掘削ビットの姿勢、方向を求め、掘削−ビットの継ぎ足しに応じた掘削位置を求める演算を行い、モニター（図示せず）に表示する。

演算処理ユニット３５では３軸加速度センサで取得された測定値から水平面からの傾斜角φとｘ軸回りの回転角ωとを求め、求められた傾斜角φと、ｘ軸回りの回転角ωと、３軸磁気センサにより取得された測定値及び掘削前に地表において３軸磁気センサで測定された地磁気の伏角Ｉとから方位角θを求め、このように求められた傾斜角φ、方位角θと、ロッド１本分の長さＬとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を方向成分毎に求め、複数回の掘削に対して求められた方向成分毎の位置変化量を累積して複数回の掘削、ロッド継ぎ足しによる掘削位置を求める演算を行う。

送信側から受信側へのデータの伝送系としては、信号増幅・送信部２６において変調し、ロッドに併設されるケーブルを介して受信側に伝送する形態、あるいは、信号増幅・送信部２６において超磁歪素子を用いて発振させ、ロッドに振動を伝え、受信側において超磁歪素子またはマイクロフォンにより受信するというような形態が考えられる。

姿勢検知センサとしては、掘削ビット内に一体的に備えられた３軸加速度センサを用い姿勢を検知する例を示したが、例えば傾斜センサを用いて基準方向からの傾斜角度を検知するものとしてもよい。傾斜センサとしては、液体を用い液面や気泡の偏りを検知するもの、錘を用いその偏りを計測し傾斜角を求めるもの等がある。このような傾斜センサを用いても、３軸加速度センサと同様に掘削位置を求めるデータを取得することができる。近年における傾斜センサとして、水平に近い小さな角度を高精度に測定できるものが得られており、水平に近い小さな角度が重要になる場合においては、傾斜センサを用いた場合の方が精度よい掘削位置計測がなされることも考えられる。

本発明は、センサとして静的な測定手段である姿勢検知センサと、３軸磁気センサを用いた簡易な安価な構成の装置により地中掘削位置計測を行うことができ、地表に建造物や障害物のある箇所においてボーリングによる工事、調査の実施の際に適用することができ、一般的な掘削工事としても、大規模にオープンカットせずに行う非開削工法において精度よく地中の掘削位置を計測することに利用することができる。

１ 非開削用掘削システム
１０ 掘削用ロッド
２０ 掘削ビット
２１ センサ・データ送信部
２２ ３軸加速度センサ
２３ ３軸磁気センサ
２４ ＭＰＵ
２５ 電源レギュレータ
２６ 信号増幅・送信部
３０ 演算処理部
３１ 受信部
３２ ＭＰＵ
３３ 電源レギュレータ
３４ インタフェース
３５ 演算処理ユニット

Claims (6)

1. ロッドの先端に掘削ビットを備えロッドを逐次継ぎ足して地中への掘削を進める非開削工法用掘削システムによる地中掘削時の掘削位置を計測する際に、掘削先端にある掘削ビットに一体的に備えられた姿勢検知センサ及び地磁気を測定する３軸磁気センサを用いて地中の掘削位置を計測する方法であって、
   掘削前に重力方向をｚ軸、磁北方向をｘ軸とする座標系ｘｙｚを設定し、地表における地磁気を３軸磁気センサで測定し地磁気の伏角Ｉを求めることと、
   掘削時に、掘削ビットと一体的な姿勢検知センサでの測定値から水平面からの傾斜角φとｘ軸回りの回転角ωとを求めることと、
   前記求められた傾斜角、ｘ軸回りの回転角と、前記３軸磁気センサによる測定値及び掘削前に地表で測定された地磁気の伏角Ｉとから方位角θを求めることと、
   前記求められた傾斜角、方位角と、ロッド１本分の長さとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を方向成分毎に求めることと、
   複数回の掘削に対して求められた各方向成分毎の位置変化量を累積して複数回の掘削、ロッド継ぎ足しによる掘削位置を求めることと、
   からなることを特徴とする非開削工法用掘削システムによる掘削時の地中掘削位置を計測
   する方法。
2. 前記３軸磁気センサを収納する掘削ビットまたは掘削経路近辺に存在する磁性体による
   ３軸磁気センサの出力の歪みを補正するために、掘削前に前記掘削ビットを磁北の方向及びそれから方位を変えた方向との複数の方向にした時の３軸磁気センサの出力から補正係数及びオフセットを求め、前記３軸磁気センサの出力と前記求められた補正係数及びオフセットとから地磁気の各方向成分を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の地中掘削位置を計測する方法。
3. 前記姿勢検知センサが重力加速度を測定する３軸加速度センサであることを特徴とする
   請求項１または２のいずれかに記載の地中掘削位置を計測する方法。
4. ロッドの先端に掘削ビットを備えロッドを逐次継ぎ足して地中への掘削を進める非開削
   工法用掘削システムにおける地中掘削時の掘削位置計装置であって、
   姿勢検知センサと、地磁気を測定する３軸磁気センサと、該姿勢検知センサ及び３軸磁気センサの各々による測定で得られた測定値データを演算処理して掘削時における前記掘削ビットの姿勢角を求める演算処理装置とを前記掘削ビット内に一体的に備えてなり、
   前記演算処理装置は、掘削前に重力方向をｚ軸、磁北方向をｘ軸として設定された座標系ｘｙｚに対し、掘削時に、掘削ビットと一体的な加速度センサでの測定値から水平面からの傾斜角φとｘ軸回りの回転角ωとを求め、前記求められた傾斜角φと、ｘ軸回りの回転角ωと、３軸磁気センサによる測定値及び掘削前に地表において３軸磁気センサで測定された地磁気の伏角Ｉとから方位角θを求め、前記求められた傾斜角φ、方位角θと、ロッド１本分の長さＬとから、ロッド１本分の掘削による位置変化量を方向成分毎に求め、複数回の掘削に対して求められた方向成分毎の位置変化量を累積して複数回の掘削、ロッド継ぎ足しによる掘削位置を求める演算を行うものであることを特徴とする非開削工法用掘削システムにおける地中掘削位置計測装置。
5. 前記演算処理装置は、掘削前に前記掘削ビットを磁北の方向及びそれから方位を変えた方向との複数の方向にした時の３軸磁気センサの出力から補正係数及びオフセットを求める演算を行うものであり、前記３軸磁気センサの出力と前記求められた補正係数及びオフセットとから地磁気の各方向成分を求めて前記３軸磁気センサを収納する掘削ビットまたは掘削経路近辺に存在する磁性体による３軸磁気センサの出力の歪みを補正するものであることを特徴とする請求項４に記載の地中掘削位置計測装置。
6. 前記姿勢検知センサが重力加速度を測定する３軸加速度センサであることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の地中掘削位置計測装置。

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