JPH0566130A

JPH0566130A - 掘削機の自動探査装置

Info

Publication number: JPH0566130A
Application number: JP25469591A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Iwaoka; 聡岩岡; Yoshiaki Omori; 嘉朗大森; Gen Sekihara; 弦関原
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 1991-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1993-03-19
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JP2823396B2

Abstract

(57)【要約】［目的］掘削地盤の状況を容易に把握し、施工ルート
の測量を高精度に行う。［構成］探査用走行車１３に、走行車１３の絶対位置
を検出するＧＰＳ測量装置１５１、向き検出用ジャイロ
コンパス１５２、地盤状態探査用センサ１６１、埋設物
探査用センサ１６２およびＡＥセンサ１６３を設け、Ｇ
ＰＳ測量装置１５１からの絶対位置と埋設物センサ１６
２による絶対位置およびＡＥセンサ１６３からの位置情
報とからシールド機１２の絶対位置を算出し、そして、
走行車１３の絶対位置およびジャイロコンパス１５２か
らの向き情報と、センサ１６２からの地盤状態情報に基
づいて地盤データ解析部４３により地盤構造を解析す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地山にトンネルなどを
掘削する掘進工事において、地中を掘進する掘削機の位
置を地上から認識できるようにした掘削機の自動探査装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、トンネル掘削工事の１つとしてシ
ールド工法が知られており、このシールド工事において
も省力化、経済性、安全性の諸観点から自動化施工のた
めの技術開発が具体化されてきている。その中でも、シ
ールド機の自動化技術は開発段階から実施期に入りつつ
ある。しかし、シールド機の自動化技術がいくら発展し
ても、シールド機の掘進方向を設定する測量について
は、その使用機器の信頼性、機器使用上の操作性および
導入による効果に疑問がもたれている。

【０００３】そこで、従来にあっては、最新の自動測量
技術が１００％の能力を発揮し得るものであっても、施
工現場サイドでは、従来からの手動測量の併用やチェッ
クボーリングを行っているのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
シールド工法に関する測量技術については、次に列挙す
る問題点がある。（ａ）測量精度は、立坑下の基準点の測量技術に大き
く左右される。（ｂ）掘進作業中の測量は、地山挙動の影響を受け易
い。（ｃ）カーブ測量は、基準点の盛替えが必要である。（ｄ）計測コストは、全体工費の約２％に相当し多大
な経費がかかる。

【０００５】特に、都市部でのシールド工事において
は、都市土木という背景から施工条件に制約がある。例
えば、立坑の広さは必要最小限のものしから確保でき
ず、しかも、複雑な地中埋設物との関係から大深度まで
掘り下げなければならない。従って、このような狭い立
坑の中で測量の基準点を移設することは、いかなる測量
技術を持ってしても大きな誤差が生じ易く、高精度の測
量は不可能である。また、万が一誤った基準点より掘進
を開始した場合には、数１００ｍ先の到達点の位置は、
誤差許容範囲を大きく外れてしまう。そのため、実際の
施工では、チェックボーリングにて掘進位置を確認しな
ければならない。

【０００６】また、従来の測量システムでは、掘削する
トンネルがカーブした場合、基準点からカーブを通して
の前方の見通しが良いことが望まれるが、狭いトンネル
断面では、測量に必要な空間を確保することは非常に困
難であり、実際上不可能に等しい。また、見通せる範囲
に基準点を移設すると、掘削された地山挙動の影響を受
け易く、誤差の増大を招いてしまう問題があった。

【０００７】本発明は、上述のような事情に鑑みなされ
たもので、掘削地盤の状況を容易に把握できるととも
に、施工ルートの測量を高精度にかつ容易に行うことが
できる掘削機の自動探査装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、地中を掘進する掘削機の地上に配置された
探査用走行車と、前記走行車を地上で前記掘削機の掘進
施工ルートに沿って自動走行させる走行制御手段と、前
記走行車上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用して走行車の
地上での絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、前記
走行車に設置され、地中の掘削機を含む物体を探査する
地中物体検出手段と、前記絶対位置検出手段により検出
した走行車の絶対位置と前記地中物体検出手段により検
出した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る構成にした。また、本発明
は、地中を掘進する掘削機の地上に配置された探査用走
行車と、前記走行車を地上で前記掘削機の掘進施工ルー
トに沿って自動走行させる走行制御手段と、前記走行車
上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用して走行車の地上での
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、走行車の向きを検出する手段と、前記走行
車上に設置され、地盤の構造を地上から探査する地盤状
態検出手段と、前記走行車上に設置され、地中の掘削機
を含む物体を探査する地中物体検出手段と、前記絶対位
置検出手段により検出した走行車の絶対位置と前記地中
物体検出手段により検出した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、前記絶対位置
検出手段および向き検出手段により検出した走行車の絶
対位置および向き情報と、前記地盤状態検出手段による
地盤状態情報および地中物体検出手段による地中物体情
報に基づいて地盤構造を解析する地盤解析手段とを備え
る構成にした。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の自動探査装置をシールド機に
適用した場合の実施例について図１および図２に基づき
説明すると、図１は全体の構成図、図２は自動探査シス
テムの概念図である。まず、図２において、１０は地中
に築造された発進立坑、１１は発進立坑１０から計画路
線に沿ってシールド工法により掘削されたトンネル、１
２はトンネル１１を構築するシールド機である。１３は
地上を計画路線（施工ルート）１４に沿って自動走行さ
れる探査用走行車であり、この走行車１３は自動走行す
る台車１３１を備え、台車１３１上には、走行車１３の
絶対位置および方向を検出する位置／方向検出部１５、
計画路線１４の地盤状態、地中埋設物およびシールド機
１２の相対位置を探査する探査部１６が設置され、さら
に、地上走行路の選定、障害物の検知を行う監視カメラ
１７、および発進基地とのデータ通信を行うデータ通信
機１８が取り付けられている。

【００１０】１９は走行車１３の絶対位置を得るための
ＧＰＳ（グローバル・ポジション・システム）衛星、２
０は発進立坑１０の発進基地に設置した監視センタ、２
１はシールド機制御装置であり、監視センタ２０と走行
車１３間のデータ通信は無線により行われ、監視センタ
２０とシールド機制御装置２１間のデータ通信はＬＡＮ
システムにより行われる。

【００１１】次に、図１について説明する。図１におい
て、３０は走行車１３全体を制御し管理する制御回路で
あり、マイクロプロセッサ等から構成される。制御回路
３０には、位置／方向検出部１５および探査部１６が接
続され、さらに監視用ビデオカメラ１７がＡ−Ｄコンバ
ータ３１を介して接続されている。

【００１２】位置／方向検出部１５は、走行路上での走
行車１３の絶対位置を測定するＧＰＳ測量装置１５１
と、その絶対位置での走行車１３の向きを検出するジャ
イロコンパス１５２とから構成される。また、探査部１
６は、電磁波を利用して地中の埋設物を検出する埋設物
センサ１６１と、弾性波あるいは超音波を利用して掘削
前，掘削中および掘削後の地盤の状態を検出する地盤セ
ンサ１６２と、掘削時に発生するシールド機１２からの
弾性波を検知してシールド機１２の位置情報の裏付けを
とるＡＥ（アコースティック・エミッション）センサ１
６３とから構成される。

【００１３】さらに、制御回路３０には、発進基地に設
置した基地センサ２０とデータ通信を行うデータ通信機
１８、および基地センサ２０からの指令に基づいて走行
車１３の地上走行を制御する走行制御装置３２が接続さ
れ、走行制御装置３２には、走行車１３の走行装置３３
が接続されている。

【００１４】基地センタ２０は、走行車１３側のデータ
通信機１８とデータ通信するデータ通信機４１、全体を
管理し制御する制御回路４２、走行車１３から送信され
てくる地盤情報、テレビカメラ１７により撮影された画
像情報、地中埋設物情報、走行車１３の位置および方向
情報およびシールド機１２の絶対位置情報に基づいて地
盤解析および探査画像処理を行う探査データ解析部４
３、入出力インタフェース４４を介して制御回路４２に
接続したモニタ表示装置４５、各種指令を入力するキー
ボード４６および走行車１３を遠隔制御するリモートコ
ントローラ４７がそれぞれ接続されている。

【００１５】また、基地センタ２０の制御回路４２に
は、インタフェース４８およびＬＡＮシステム５０を介
してシールド機制御装置２１が接続されている。

【００１６】次に動作について説明する。シールド工事
に際しては、まず、走行車１３を計画ルートとなる地上
を数回走行させて、計画ルートの地盤情報、地中埋設物
情報を収集する。このときの走行指令は、基地センタ２
０のリモートコントローラ４７から入出力インタフェー
ス４４、制御回路４２、データ通信機４１、データ通信
機１８、制御回路３０を通して走行制御装置３２に伝送
され、走行装置３３を駆動制御することによって走行車
１３を計画路線に沿い自動走行させる。また、走行車１
３の走行に伴いテレビカメラ１７により写し出される計
画線路上の画像はＡ−Ｄコンバータ３１によりデジタル
信号に変換され、さらに、制御回路３０で圧縮、その他
の必要な画像処理が施された後、データ通信機１８によ
り基地センタ２０に送信される。基地センタ２０では、
データ通信機４１で受信した画像データを制御回路４２
に出力することによって復調処理し、この復調処理画像
をモニタ表示装置４５に出力することにより、計画路面
の状況を表示する。従って、モニタ表示装置４５に表示
される画面を見ることにより、計画線路の選定、障害物
の検知が可能になるとともに、走行車１３を安全にかつ
確実に遠隔制御することができる。

【００１７】一方、走行車１３が計画線路上を走行され
るときの走行車１３の絶対位置は、ＧＰＳ衛星１９から
の信号を基にＧＰＳ測量装置１５１により測定され、同
時に、この絶対位置での走行車１３の向きがジャイロコ
ンパス１５２により検出される。また、計画線路に沿う
地盤状態は地盤センサ１６２により検知され、さらに地
中埋設物は埋設物センサ１６１により検知される。この
ようにして得られた走行車１３の位置，向きデータおよ
び各センサ１６１、１６２で検出した地盤データ、埋設
物データは制御回路３０を通してデータ通信機１８に出
力され、多重化、その他の送信に必要な処理が施された
後、基地センタ２０に向け送信される。基地センタ２０
では、送信されてくるデータをデータ通信機４１により
受信し復調した後、制御回路４２を通して地盤データ解
析部４３に取り込み、走行車１３の位置データと地盤デ
ータおよび埋設物データに基づいて地盤状態を解析し、
これを掘削される地山の基準データとして内蔵または外
部の記憶装置（不図示）に蓄積する。また、解析された
地盤および埋設物データは画像処理されて記憶装置に格
納されるとともに、必要に応じてモニタ表示装置４５に
表示される。

【００１８】次に、掘削中および掘削後の動作について
述べる。計画路線に沿って地山をシールド掘削する場合
は、シールド機１２を発進立坑１０から到達点に向け掘
進させる。そして、走行車１３を掘進中のシールド機１
２の真上に位置する地上および掘削後のセグメントの真
上に位置する地上を走行させる。このときの走行車１３
の絶対位置は、ＧＰＳ衛星１９とＧＰＳ測量装置１５１
により検出され、この絶対位置での走行車１３の向きは
ジャイロコンパス１５２により検出される。さらに、地
山の構造を地盤センサ１６２により検出し、そして、走
行車１３に対するシールド機１２の相対位置を埋設物セ
ンサ１６１により検出する。また、掘進時にシールド機
１２に発生する弾性波をＡＥセンサ１６３により検出す
る。

【００１９】これらセンサにより検出された走行車１３
の絶対位置データ、シールド機１２の相対位置データお
よびＡＥセンサ１６３で検出した位置情報はデータ通信
機１８を通して基地センタ２０に送信される。基地セン
タ２０では、送信されてくる検出データをデータ通信機
４１で受信し、復調した後、制御回路４２に取り込むこ
とにより、シールド機１２の絶対位置を算出する。そし
て、算出したシールド機１２の絶対位置データをＬＡＮ
システム５０を介してシールド機制御装置２１にフィー
ドバックする。シールド機制御装置２１では、計画路線
データと算出した絶対位置データとを比較し、両者間に
許容値以上のずれがあれば、そのずれ量に応じてシール
ド機１２のシールドジャッキ等を制御することにより、
シールド機１２の掘進方向を修正する。

【００２０】また、掘削中および掘削後に収集したシー
ルド機１２および埋設物を含む地山の構造データと、掘
削前に収集した基準データとを比較し、その相違を検討
することにより、シールド機１２の位置座標、トンネル
切羽付近の地山の崩壊状況および掘削後の地盤状況を把
握できる。

【００２１】このように本実施例においては、走行車１
３による地上での絶対位置からシールド機１２の位置を
毎回測量できるから、測定誤差が小さく、かつその累積
が全くなくなるほか、人手を要することなく常に正確な
測量が可能になる。また、地盤状態を検知できるから、
掘削に伴う地山の変化に柔軟に対応した最適な掘進制御
が可能になるとともに、施工前に掘削計画線路上を連続
して探査することにより、その地盤状態を緻密に予測し
得るから、施工ルートの最適工法、最適シールド機の選
定、掘削ルートの変更が可能であり、選定ミスによる施
工トラブルを減少できる。さらにまた、地中の既設管、
流木、転石等の掘進方向の障害物、施工ルート近傍の重
要埋設物を事前に把握でき、従来のようなチェックボー
リングが不要になる。また、何等かの原因によりシール
ド機１２が掘進不能になった場合、切羽全面またはシー
ルド機１２周辺の状況を走行車により探査することでト
ラブルの原因を解明できる。さらに、掘削後の地盤状況
を探査できることにより、裏込め注入の効果判断や出来
型の確認ができるほか、地盤の変位計測を連続的に行う
ことにより、地盤沈下の早期発見または陥没事故を未然
に防止できる。また、掘削時も管理測量が並行してなさ
れ、かつ測量による時間ロスがないので、カーブ施工等
の測量の頻度が高い場合でも工期が短縮され、測量の低
コスト化が可能になる。さらにまた、掘削の前後に関係
なく同一地盤の経時変化をたどることにより、陥没事故
などの重大な施工トラブルを未然に防止でき、適正な工
程管理も可能になる。

【００２２】なお、上記実施例ではシールド機について
述べたが、それ以外の掘削機により地中を掘進するもの
にも適用できる。また、本発明は、上記実施例に示す構
成のものに限らず、請求項に記載した範囲を逸脱しない
限り種々変形し得る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、地
上を走行する走行車上の絶対位置をＧＰＳを利用して検
出し、そして、電磁波、超音波を利用して地中物体検出
手段により掘削機の相対位置を検出し、この両者から掘
削機の絶対位置を求めるようにしたので、誤差の小さい
正確な測量が可能になるとともに、施工管理が容易にな
る。また、走行車上の地盤探査手段により地盤の構造を
検知できるようにしたので、掘削地盤状況を容易に把握
でき、測量の精度も向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す全体の構成図である。

【図２】本実施例における自動探査システムの概念図で
ある。

【符号の説明】

１０発進立坑１１トンネル１２シールド機１３地上走行車１５位置／方向検出部１５１ＧＰＳ測量装置１５２ジャイロコンパス１６探査部１６１埋設物センサ１６２地盤センサ１６３ＡＥセンサ１７ビデオカメラ１８データ通信機１９ＧＰＳ衛星２０基地センタ２１シールド機制御装置３０制御回路３２走行制御装置３３走行装置４１データ通信機４２制御回路４３探査データ解析部４５モニタ表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地中を掘進する掘削機の地上に配置され
た探査用走行車と、前記走行車を地上で前記掘削機の掘進施工ルートに沿っ
て自動走行させる走行制御手段と、前記走行車上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用して走行車
の地上での絶対位置を検出する絶対位置検出手段と、前記走行車に設置され、地中の掘削機を含む物体を探査
する地中物体検出手段と、前記絶対位置検出手段により検出した走行車の絶対位置
と前記地中物体検出手段により検出した掘削機の相対位
置とから地中の掘削機の絶対位置を算出する手段と、を備えたことを特徴とする掘削機の自動探査装置。
【請求項２】地中を掘進する掘削機の地上に配置され
た探査用走行車と、前記走行車を地上で前記掘削機の掘進施工ルートに沿っ
て自動走行させる走行制御手段と、前記走行車上に設置され、ＧＰＳ衛星を利用して走行車
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、走行車の向きを検出する手段
と、前記走行車上に設置され、地盤の構造を地上から探査す
る地盤状態検出手段と、前記走行車上に設置され、地中の掘削機を含む物体を探
査する地中物体検出手段と、前記絶対位置検出手段により検出した走行車の絶対位置
と前記地中物体検出手段により検出した掘削機の相対位
置とから地中の掘削機の絶対位置を算出する手段と、前記絶対位置検出手段および向き検出手段により検出し
た走行車の絶対位置および向き情報と、前記地盤状態検
出手段による地盤状態情報および地中物体検出手段によ
る地中物体情報に基づいて地盤構造を解析する地盤解析
手段と、を備えたことを特徴とする掘削機の自動探査装
置。