JPH06146780A - シールド機の自動位置測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールド坑のカーブの有無に拘らず測定地点
の盛替えを行わずに測定できると共に、シールド機の掘
進量に拘らずシールド機の位置を正確に測定できるシー
ルド機の自動位置測定方法を提供する。 【構成】 シールド機１の音波発信装置９ａ，９ｂから
出力される音波を、シールド坑４の計画線Ａに沿って地
上６に設置した６個の音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，
…，１０ｆで受信し、音波発信装置９ａ，９ｂから各音
波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆまでの音波の
伝搬時間からシールド機１の位置を割り出すようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の計画線に沿って
地下を掘進するシールド機の位置を自動測定する方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】地下を掘進するシールド機を所定の計画
線に沿って自動的に掘進させるために、シールド機の誘
導制御を行う際には、シールド機の位置を確認するため
にシールド機の自動測定が行われる。シールド機の自動
測定には、従来、レーザを用いる方式やジャイロコンパ
スを用いる方式が採用されている。

【０００３】レーザ方式は、シールド機の後方であらか
じめ測量等により位置が求められたシールド坑内の測定
地点から、シールド機の後端に設けた指標へレーザ光を
照射し、この指標を自動追尾しつつ、指標からのレーザ
光の反射波に基づいて所謂光波測距法によりシールド機
までの距離を求め、この距離と、自動追尾によるレーザ
光の振れ角と、測定地点の位置とから、シールド機の位
置の測定を行うものである。

【０００４】一方、ジャイロコンパス方式は、ジャイロ
コンパスが地球の自転軸を感知して常に南北方向を指す
ことを利用し、シールド機に搭載されたジャイロコンパ
スが指す方向とシールド機の掘進方向とのなす角（方位
角）や、シールド機の掘進距離から、シールド機の位置
の測定を行うものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たレーザ方式は、測定地点からシールド機の指標へレー
ザ光を照射するため、次に示す２つの不具合が生じる。
第１には、シールド坑が直線的である場合は測定地点と
シールド機との間の見通しが利くため問題ないが、シー
ルド坑がカーブしている場合は、測定地点とシールド機
との間の見通しが利かなくなりレーザ光が指標を追尾で
きなくなって指標にレーザ光を照射できなくなるので、
シールド機の掘進に伴って、レーザ光を出力する測定地
点の盛替えを頻繁に行わなければならない不具合が生じ
る。第２には、測定地点からシールド機までの距離が長
くなると、指標に照射されるレーザ光のスポット径がレ
ーザ光の拡散によって大きくなり、測定精度が低下する
不具合が生じる。

【０００６】一方、ジャイロコンパス方式は、レーザ方
式のような盛替えを必要としないが、基準となる地点に
対するシールド機の相対位置を測定するものではなく、
シールド機の位置を直接測定するものであるため、シー
ルド機の誘導制御を行う上で有用なシールド機の絶対座
標を得ることができない不具合がある。また、ジャイロ
コンパス方式では、シールド機が所定の掘進方向を指向
しているものの所定の計画線から外れている場合、ジャ
イロコンパスの測定結果からはそのことを検出すること
ができず、測定結果には何ら問題がないのに実際にはシ
ールド機が所定の計画線から外れた箇所を掘削すること
があるという不具合があった。

【０００７】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、シールド坑のカーブの有無に拘らず測定地点の盛替
えを行わずに測定できると共に、シールド機の掘進量に
拘らずシールド機の位置を正確に測定できるシールド機
の自動位置測定方法を提供することを目的とし、さらに
は、所定の計画線からのシールド機のずれを検出するた
めの測定結果を得ることができるシールド機の自動位置
測定方法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、所定の計画線に沿って地下を掘進するシー
ルド機の位置を自動測定する方法であって、前記シール
ド機から地上に向けて音波を発信させ、前記計画線に沿
う複数の地上箇所において、前記シールド機から音波が
発信されてから該音波が前記各地上箇所に到達するまで
の音波伝搬時間を測定し、前記各地上箇所間の距離と前
記音波伝搬時間とに基づいて、該各地上箇所から前記シ
ールド機までの距離を割り出し、前記各地上箇所の位置
と、該各地上箇所から前記シールド機までの距離とに基
づいて、前記シールド機の位置を割り出すようにした。
また、本発明は、前記シールド機の掘進方向に沿う複数
のシールド機箇所から前記音波を発信させて、該各シー
ルド機箇所の位置を割り出し、該各シールド機箇所の位
置に基づいて前記シールド機の姿勢を割り出すようにし
た。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図１は本発明のシールド機の自動位置測定
方法の一実施形態を示す説明図である。図１において１
はシールド機であり、シールド２と、シールド２の前端
に設けられたカッタ３と、シールド２の後端に設けられ
た不図示の複数のシールドジャッキとを備える。

【００１０】４はシールド機１による掘削で地下に形成
されたシールド坑、５はシールド坑４の内壁に設置され
たセグメントであり、シールド機１は、複数のシールド
ジャッキでセグメント５の前端を後方へ押圧すること
で、図１中の矢印Ｘで示す掘進方向へ掘進する。尚、図
１中６は地上、７はシールド機１の位置検出を行うパー
ソナルコンピュータ、８はシールド機１の誘導制御を行
うホストコンピュータであり、パーソナルコンピュータ
７が接続されている。ホストコンピュータ８は、パーソ
ナルコンピュータ７で検出されたシールド機１の位置に
基づいて、シールド機１の各シールドジャッキのジャッ
キ圧を制御することで、図１のＹ矢視図である図２に示
すシールド坑４の計画線Ａに沿ってシールド機１を誘導
する。

【００１１】図１において９ａ，９ｂは、一定周波数の
音波を地上６に向けて発信する音波発信装置であり、シ
ールド機１の掘進方向Ｘに沿うシールド３の前後両端の
上部にそれぞれ配設されている。また、図１及び図２に
おいて１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆは、音波発信装置９
ａ，９ｂからの音波を受信する音波受信センサ（図１で
は音波受信センサ１０ａ，１０ｂのみ示している）であ
り、図２に示すように、シールド坑４の計画線Ａに沿う
方向とシールド坑４の径方向とにそれぞれ間隔を置い
て、地上６に６個設置されている。

【００１２】尚、各音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，
…，１０ｆの設置位置はあらかじめ任意の手段により測
定されており、従って、隣接する音波受信センサ１０
ａ，１０ｂ，…，１０ｆ間の距離Ｂ，Ｃ，…，Ｈ（図
２）は既知とされている。また、各音波受信センサ１０
ａ，１０ｂ，…，１０ｆの設置位置は、音波発信装置９
ａ，９ｂからの音波の発信強度や、地中における音波の
減衰率、及びシールド機１の掘進等に応じて適宜移動す
ることとなるが、その移動は、従来のレーザ方式の測定
における測定地点の盛替えに比べて十分少ない回数で済
む。或は、シールド坑４の計画線Ａの全体に亘って、相
当する数の音波受信センサをあらかじめ設置しておくこ
とも可能である。

【００１３】さらに、図１において１１は伝搬時間測定
装置であり、パーソナルコンピュータ７、音波発信装置
９ａ，９ｂ、及び音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，
１０ｆが接続されている。伝搬時間測定装置１１は、パ
ーソナルコンピュータ７によりトリガされて音波発信装
置９ａ，９ｂから音波を発信させ、また、音波発信装置
９ａ，９ｂからの音波を受信した音波受信センサ１０
ａ，１０ｂ，…，１０ｆからの出力信号に基づいて、音
波発信装置９ａ，９ｂから音波受信センサ１０ａ，１０
ｂ，…，１０ｆまでの音波の伝搬時間を割り出し、その
結果をパーソナルコンピュータ７に出力する。

【００１４】パーソナルコンピュータ７では、伝搬時間
測定装置１１で割り出された音波発信装置９ａ，９ｂか
ら音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆまでの音
波の伝搬時間に基づいて、シールド機１の位置が割り出
される。尚、パーソナルコンピュータ７やホストコンピ
ュータ８、伝搬時間測定装置１１は、例えば地上６の作
業事務所（不図示）等に設置される。

【００１５】図３はパーソナルコンピュータ７及び伝搬
時間測定装置１１の概略構成を示すブロック図である。
パーソナルコンピュータ７は、インタフェース部７１、
トリガ信号出力部７２、距離算出部７３、記憶部７４、
及び入力部７５を備え、例えば、トリガ信号出力部７２
及び距離算出部７３はＣＰＵで、記憶部７４はＲＡＭ
で、入力部７５はキーボードで構成される。入力部７５
からは、測定開始指令や、隣接する音波受信センサ１０
ａ，１０ｂ，…，１０ｆ間の距離Ｂ，Ｃ，…，Ｈ等の既
知のデータが入力される。

【００１６】測定開始指令は入力部７５からトリガ信号
出力部７２に出力され、測定開始指令が入力されるとト
リガ信号出力部７２は、インタフェース部７１を介して
伝搬時間測定装置１１へトリガ信号を出力する。測定開
始指令以外の既知のデータは入力部７５から記憶部７４
に出力され、記憶される。距離算出部７３には、伝搬時
間測定装置１１で割り出された音波発信装置９ａ，９ｂ
から音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆまでの
音波の伝搬時間が、インタフェース部７１を介して入力
され、この音波の伝搬時間と、記憶部７４に記憶された
既知のデータとに基づいて、音波発信装置９ａ，９ｂと
各音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆとの間の
距離が算出され、それに基づいて音波発信装置９ａ，９
ｂの位置、ひいてはシールド機１の位置が割り出され
る。

【００１７】一方、伝搬時間測定装置１１は、インタフ
ェース部１１１と、ドライバ部１１２と、音波受信セン
サ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆに対応して６段設けられ
た伝搬時間算出部１１３，１１４，…，１１８を備えて
おり、各伝搬時間算出部１１３，１１４，…，１１８を
代表して伝搬時間算出部１１３の構成について説明する
と、チャンネルトリガ部１１３ａ、Ａ／Ｄ変換部１１３
ｂ、及び計時部１１３ｃを備えている。尚、伝搬時間算
出部１１４，１１５，…，１１８の構成及び動作は、伝
搬時間算出部１１３と同様であるため、以後の説明にお
いては、伝搬時間算出部１１４，１１５，…，１１８に
関する説明を省略する。

【００１８】ドライバ部１１２と、伝搬時間算出部１１
３のチャンネルトリガ部１１３ａ及びＡ／Ｄ変換部１１
３ｂには、パーソナルコンピュータ７のトリガ信号出力
部７２からのトリガ信号が、インタフェース部１１１を
介して入力され、ドライバ部１１２はこのトリガ信号に
より音波発信装置９ａ，９ｂから音波を発信させ、伝搬
時間算出部１１３のチャンネルトリガ部１１３ａはこの
トリガ信号により、音波受信センサ１０ａからの出力信
号の取り込みを開始させる。

【００１９】Ａ／Ｄ変換部１１３ｂは、トリガ信号出力
部７２からのトリガ信号によって、音波受信センサ１０
ａの出力信号のＡ／Ｄ変換を開始し、計時部１１３ｃで
は、Ａ／Ｄ変換された音波受信センサ１０ａからの出力
信号の立ち上がりを検出して、音波発信装置９ａ，９ｂ
から発信された音波が音波受信センサ１０ａで受信され
るまでの伝搬時間の計時を行う。計時部１１３ｃで計時
された音波発信装置９ａ，９ｂから音波受信センサ１０
ａまでの音波の伝搬時間は、インタフェース部１１１を
介してパーソナルコンピュータ７の距離算出部７３に伝
送される。

【００２０】次に、上述した各要素を用いてシールド機
１の位置測定を行う場合について説明する。パーソナル
コンピュータ７の入力部７５から測定開始指令が入力さ
れると、トリガ信号出力部７２からトリガ信号が出力さ
れて、伝搬時間測定装置１１のドライバ部１１２と伝搬
時間算出部１１３に入力され、音波発信装置９ａ，９ｂ
からの音波の発信が開始されると共に、音波受信センサ
１０ａからの出力信号の取り込み、取り込まれた出力信
号のＡ／Ｄ変換部１１３ｂによるＡ／Ｄ変換、及び計時
部１１３ｃによる音波発信装置９ａ，９ｂから音波受信
センサ１０ａまでの音波の伝搬時間の計時が開始され
る。

【００２１】尚、音波発信装置９ｂからの音波の発信
や、音波発信装置９ｂから音波受信センサ１０ａまでの
音波の伝搬時間の計時は、音波発信装置９ａから発信さ
れる音波と音波発信装置９ｂから発信される音波との干
渉を避けるため、音波発信装置９ａからの音波の発信や
その音波の伝搬時間の計時とは時間をずらして行うのが
好ましい。従って、その場合には、音波発信装置９ａか
ら音波を発信させるためのトリガ信号と、音波発信装置
９ｂから音波を発信させるためのトリガ信号とを、パー
ソナルコンピュータ７のトリガ信号出力部７２から時間
をずらして出力させればよい。

【００２２】計時部１１３ｃで計時された音波発信装置
９ａ，９ｂから音波受信センサ１０ａまでの音波の伝搬
時間は、インタフェース部１１１を介してパーソナルコ
ンピュータ７の距離算出部７３に伝送され、ここで、音
波発信装置９ａ，９ｂと各音波受信センサ１０ａ，１０
ｂ，…，１０ｆとの間の距離が算出される。距離算出部
７３による算出過程を詳説すると、まず、距離算出部７
３では、音波発信装置９ａと各音波受信センサ１０ａ，
１０ｂ，…，１０ｆとの間の距離ｔ１，ｔ２，…，ｔ６
（図２）を求める連立方程式を演算する。

【００２３】この連立方程式を用いて距離ｔ１，ｔ２，
…，ｔ６を求めるには、地中の音波の伝搬速度Ｖｇの値
が必要となるが、伝搬速度Ｖｇは地質等によって異なり
未知数であるため、適当な値を伝搬速度Ｖｇの値として
設定し、その値を連立方程式に代入して仮の距離ｔ１
１，ｔ１２，…，ｔ１６を求める。

【００２４】続いて、仮の距離ｔ１１，ｔ１２，…，ｔ
１６から、隣接する音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，
…，１０ｆ間の仮の距離Ｂ１，Ｃ１，…，Ｈ１を求め、
この仮の距離Ｂ１，Ｃ１，…，Ｈ１と、既知の実際の距
離Ｂ，Ｃ，…，Ｈとの誤差が最小になるような、伝搬速
度Ｖｇとして設定する適当な値を求める。伝搬速度Ｖｇ
として設定する適当な値が求まったならば、その値を伝
搬速度Ｖｇとして上述の連立方程式を解き、距離ｔ１，
ｔ２，…，ｔ６を求める。尚、音波発信装置９ｂと各音
波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆとの間の距離
についても同様にして算出され、それら算出結果に基づ
いて距離算出部７３にて、音波発信装置９ａ，９ｂの位
置、ひいてはシールド機１の位置が割り出される。シー
ルド機１の位置のデータはホストコンピュータ８に伝送
される。

【００２５】このように、本実施例によるシールド機の
自動位置測定方法では、シールド機１の音波発信装置９
ａ，９ｂから出力される音波を、シールド坑４の計画線
Ａに沿って地上６に設置した６個の音波受信センサ１０
ａ，１０ｂ，…，１０ｆで受信し、音波発信装置９ａ，
９ｂから各音波受信センサ１０ａ，１０ｂ，…，１０ｆ
までの音波の伝搬時間からシールド機１の位置を割り出
すようにしたので、シールド坑４のカーブの有無に拘ら
ず、測定地点の頻繁な盛替えを行わずにシールド機１の
位置を測定できると共に、シールド機１の掘進量に拘ら
ずシールド機１の位置を正確に測定でき、また、計画線
Ａからのシールド機１の位置ずれを検出するための測定
結果を得ることができる。

【００２６】尚、シールド坑４の計画線Ａに沿って地上
６に設置する音波受信センサの数は、実施例で示した６
個に限定されないが、地中の音波の伝搬速度Ｖｇを未知
としたまま算出を行うためには、少なくとも６個以上設
置することが望ましく、地中の音波の伝搬速度Ｖｇが既
知である場合には、少なくとも４個以上設置することが
望ましい。

【００２７】また、単にシールド機１の位置を測定する
ためには、シールド機１に設ける音波発信装置の数は１
個で十分であるが、計画線Ａからのシールド機１の位置
ずれを検出するためには２個以上設けることが望まし
い。そして、そのようにすることにより、シールド機１
の異なる２以上の地点の位置から、シールド機１の方向
角やピッチング等、シールド機１の姿勢の検出も容易に
行うことができる。さらに、音波発信装置は、地上に向
けて音波を発信させる関係上シールド機の上部に配設す
ることが望ましいが、地上に向けての音波の伝搬に支障
がない範囲でシールド機の他の箇所に配設してもよい。

【００２８】

【発明の効果】上述したように本発明のシールド機の自
動位置測定方法によれば、所定の計画線に沿って地下を
掘進するシールド機から地上に向けて音波を発信させ、
前記計画線に沿う複数の地上箇所において、前記シール
ド機から音波が発信されてから該音波が前記各地上箇所
に到達するまでの音波伝搬時間を測定し、前記各地上箇
所間の距離と前記音波伝搬時間とに基づいて、該各地上
箇所から前記シールド機までの距離を割り出し、前記各
地上箇所の位置と、該各地上箇所から前記シールド機ま
での距離とに基づいて、前記シールド機の位置を割り出
すようにした。このため、シールド坑のカーブの有無に
拘らず測定地点の盛替えを行わずに測定できると共に、
シールド機の掘進量に拘らずシールド機の位置を正確に
測定できる。また、本発明のシールド機の自動位置測定
方法によれば、前記シールド機の掘進方向に沿う複数の
シールド機箇所から前記音波を発信させて、該各シール
ド機箇所の位置を割り出し、該各シールド機箇所の位置
に基づいて前記シールド機の姿勢を割り出すようにした
ので、所定の計画線からのシールド機のずれを検出する
ための測定結果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシールド機の自動位置測定方法の一実
施形態を示す説明図である。

【図２】図１のＹ矢視図である。

【図３】図１に示すパーソナルコンピュータ及び伝搬時
間測定装置の概略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ シールド機 ４ シールド坑（地下） ６ 地上 ７ パーソナルコンピュータ ７３ 距離算出部 ９ａ，９ｂ 音波発信装置 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 音
波受信センサ １１ 伝搬時間測定装置 １１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８ 伝
搬時間算出部 Ａ 計画線 Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ 音波受信センサ間の距離 Ｘ 掘進方向

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の計画線に沿って地下を掘進するシ
   ールド機の位置を自動測定する方法であって、 前記シールド機から地上に向けて音波を発信させ、 前記計画線に沿う複数の地上箇所において、前記シール
   ド機から音波が発信されてから該音波が前記各地上箇所
   に到達するまでの音波伝搬時間を測定し、 前記各地上箇所間の距離と前記音波伝搬時間とに基づい
   て、該各地上箇所から前記シールド機までの距離を割り
   出し、 前記各地上箇所の位置と、該各地上箇所から前記シール
   ド機までの距離とに基づいて、前記シールド機の位置を
   割り出すようにした、 ことを特徴とするシールド機の自動位置測定方法。
2. 【請求項２】 前記シールド機の掘進方向に沿う複数の
   シールド機箇所から前記音波を発信させて、該各シール
   ド機箇所の位置を割り出し、該各シールド機箇所の位置
   に基づいて前記シールド機の姿勢を割り出すようにした
   請求項１記載のシールド機の自動位置測定方法。