JPH0687016B2

JPH0687016B2 - 堀進機の位置検出装置

Info

Publication number: JPH0687016B2
Application number: JP1162022A
Authority: JP
Inventors: 和夫平本; 政嗣西
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPH0326912A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、地中掘進機の位置検出装置に係り、特に、位
置検出感度・精度が高く、また、移動の障害となる埋設
物の有無を検知し得る掘進機位置検出装置に関する。

［従来の技術］地中に管を非開削で埋設する場合、当該管の先端に地中
掘進機を配置し、該掘進機が作る空間に管を埋設してい
く。掘進機は、掘進目標線に沿って掘削するが、所定位
置に管を高精度で埋設するには、掘削中の掘進機の位置
を知り、掘進機が掘削目標線からずれた場合には、修正
する必要がある。

以下、掘進機の位置検出手段の従来技術を図により説明
する。第３図において、１は地中を掘削中の掘進機、２
は掘進機１の後部に設けられる埋設管、３は掘進機１が
掘削を開始するための発達立坑である。発達立坑３内に
は、埋設管２の後部を押す押し装置（図示されていな
い）が設けられている。第４図は、掘進機の進行方向に
垂直な面での断面図である。４は掘進機１がその直下を
進むべき地表上の掘削目標線、５は掘進機１の位置検出
に使用する磁界を発生する平行往復交流電流を流す電線
である（第３図では目標線４と電線５は重なって図示さ
れている）。また、第４図の6,7は掘進機１の側表面に
水平に対称に取り付けられた磁界検出器で、電線５の電
流が形成する磁界のうち、掘進機表面位置6,7での水平
方向（掘進機の軸方向と直角な水平方向）の磁界を検出
する。

掘進機１の掘削目標線４からのずれは、以下のようにし
て求める。まず、平行往復電線流電線５を掘削目標線４
から等距離Ｗ（従って、電線５の間隔は2W）に置く。掘
進機中心の掘削目標線からのずれをｙ_ｃとし、掘進機半
径をａとすると、磁界検出器6,7の出力e₁,e₂は、ｙ_ｃの
大きさが小さい範囲で、近似的に次のように表わせる。

e₁＝ｋ（ｙ_ｃ＋ａ）sinω ……（１） e₂＝−ｋ（ｙ_ｃ−ａ）sinωｔ ……（２）ここでk:比例定数 ω：電流の角周波数（１）式及び、（２）式よりｙ_ｃは次のように表わせ
る。

そこで、出力e₁,e₂を用い、計算機８により、（３）式
の計算を行うことにより、目標線４を基準とした掘進機
のｙ方向位置ｙ_ｃを求める。

以上の従来装置については、特開昭60−230498で論じら
れている。

［発明が解決しようとする課題］以上述べた掘進機の従来の位置検出手段では、高精度で
掘進機位置を検出するには、検出磁界強度が大きく、か
つ、掘進機の水平方向位置変化に対する検出磁界強度の
変化率、即ち、（１）式、（２）式の定数ｋが大きい必
要がある。また、掘進機位置を広範囲に精度良く検出す
るには、広範囲にわたって水平方向位置ｙ_ｃと検出磁界
強度の間に比例関係（（１）式、（２）式）が成立する
必要がある。

しかし、深い位置で施工する場合、あるいは、掘進機径
が大きい場合には、検出磁界強度が小さくなり、さら
に、（１）式、（２）式の定数ｋが小さくなる結果、掘
進機位置の測定に大きな誤差が生じるおそれがあった。

また、掘削目標線からの掘進機のずれが大きくなると、
（１）式、（２）式が成立しなくなり、掘進機の位置を
高精度で測定できなくなるという問題が生じていた。

また、前述の従来装置では、掘進機位置の測定に対する
既埋設管等の金属性障害物の影響が考慮されていない。
従って、金属性の既埋設管がある場合には、既埋設管が
ない場合と同様にして施工していくと、掘削目標線に沿
って施工できないだけでなく、既埋設管等を破損するお
それがあった。

本発明の目的は、従来の位置検出装置が持つ問題点を解
決し、深い位置での施工の場合、あるいは掘進機径が大
きい場合、または、掘進機の掘削目標線からのずれが大
きい場合にも、容易にかつ高精度で掘進機の水平方向位
置を測定し、さらに、掘進機の近くに金属性障害物があ
る場合にそれを検知し得る位置検出装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］本発明による掘進機の位置検出装置は、地表面上に敷設
される同一間隔の且つ各組の中心が互に一定間隔だけず
れている二組の平行往復電線または同一間隔のまま平行
依動可能な一組の平行往復電線と、掘進機の上部または
下部に取り付けられ該部位における掘進機の掘進方向と
直角な水平方向磁界の強さを検出する少くとも一つの水
平方向磁界検出器と、上記二組の平行往復電線の各組に
又は平行移動の前後において上記一組の掘進機に平行往
復電線に平行往復電流を流したときの上記水平方向磁界
検出器の出力に基づいて掘進機の水平位置を算出する信
号処理装置より成ることを特徴とする。

［作用］本発明では、地上の電流が作る掘進機での水平方向磁界
を、掘進機上部及び下部に設置した磁界検知器で検知
し、掘進機の掘削目標線からのずれを検出する。以下、
本発明の原理を説明する。

第１図に示すように、地表に平行往復交流電流の流れる
往復平行電線13を相互間隔2Wで設置し、掘進機１は該電
線と平行な方向に掘削するものとする。ｘ軸を掘進機１
の中心を通る鉛直方向にとり、ｙ軸を電線13と直角に水
平方向にとる。ただし、原点は地表面上にとる。水平方
向の平行往復交流電流の電線13間の中心をＰとし、その
ｙ座標をｙ_Ｐとする。掘進機１の断面の上部および下部
には水平方向磁界検出器11,12を設置してある。この磁
界検出器11,12はその位置における掘進機の掘削方向と
直角な水平方向の磁界を夫々検出するものである。

掘進機１の表面での磁界は、掘進機の導電性もしくは磁
性の影響を受けるため地上の平行往復電流が作る磁界の
ままではなく、方向、大きさが変化する。そこで、掘進
機の材質の導電率σ（S/m）および比透磁率μｒの大き
さを考慮して、検出器11,12の位置での水平方向磁界強
度を解析により求めた結果を第５図に示す。第５図は、
平行往復電流13の間隔2Wが1mで、電流の周波数が10KH
z、振幅が1A、また、掘進機１の直径が25cm、その材質
は鉄として導電率σが10⁷（S/m）、比透磁率μｒが30
0、深さが1mの場合の解析結果である。横軸は、前述の
ｙ_Ｐ（ｍ）、縦軸は水平方向磁界強度（AT/m）を示して
いる。また、図中の負の磁界強度は位相が反転している
ことを示す。

第５図より、検出器11,12の位置での水平方向磁界強度
は、平行往復電流13の中心Ｐのｙ座標ｙ_Ｐの大きさが増
加するに従い直線的に増加することが分る。さらに、ｙ
_Ｐが０、即ち、中心Ｐが掘進機中心の真上にある場合に
は、検出器11,12の位置での水平方向磁界強度は０とな
る。

そこで、第１図において相互間隔2Wを一定に保ったまま
で平行往復電流の流れる平行電線13を水平方向にわずか
に平行移動させるか、もしくは、第２図に示すような２
組の平行往復電流の流れる２組の平行電線9,10を設置し
て、検出器11又は12で得られる水平磁界の値から、水平
磁界が０になる位置を外挿もしくは内挿により求める。
第５図より、この水平磁界が０になる位置が掘進機１の
中心の位置である。

以上が本発明により掘進機の水平方向位置を測定する原
理である。

一方、従来の位置検出装置では、第４図に示すように、
固定した一組の平行往復電流５と、掘進機の水平な直径
上における側表面位置での水平方向磁界を検出する検出
器6,7とを用いている。本発明と従来装置との検出磁界
強度を比較するため、掘進機の材質、直径、深さ、また
電線に流す電流値、周波数、電線間隔は第５図の場合と
同一条件として、第４図の従来技術における掘進機中心
位置ｙ_Ｃと検出器6,7での検出水平磁界強度の関係を第
６図に示した。第５図と第６図の比較から、検出される
水平方向磁界強度、掘進機の水平方向位置変化に対する
該磁界強度の変化、及び、磁界強度が直線的に変化する
水平方向位置範囲は、いずれも本発明の方が大きいこと
が分る。以上は、掘進機材質が鉄の場合の比較である
が、掘進機材質が非磁性の金属（ステンレス等）の場
合、あるいは、掘進機径がさらに大きい場合には、上記
の本発明と従来装置の差はさらに大きくなる。すなわ
ち、本発明の方が検出感度、検出精度が高い。

以上のような特性は、本発明者らが磁界解析を実施した
結果明らかとなったもので、従来は明らかにされていな
かった特性である。

次に、本発明の装置を用いたときの金属性障害物の有無
の検知について説明する。第７図に、掘進機１の近くに
鉄製の既埋設管14がある場合のｙ_Ｐと磁界検出器11,12
の位置における水平方向磁界強度の関係を示す。既埋設
管14は直径が10cmの鉄管とし、第７図中に示した位置に
あるとする。第７図からわかるように、この場合ｙ_Ｐと
水平方向磁界強度の関係は直線的にならない。また、２
ヶ所以上のｙ_Ｐで測定した水平方向磁界強度から直線的
に内挿あるいは外挿して水平方向磁界が０になる位置が
検出器11および12について一致しない。このように、水
平方向磁界が０になる位置が一致しないことを判別する
ことにより、掘進機１の近傍に障害物14があることを検
知できる。

以上述べたことからわかるように、掘進機の上部および
下部に取り付けた水平方向磁界検出器11,12の両者は金
属性障害物を検知するためには両者とも必要であるが、
金属性障害物がないことがあらかじめ分っていて金属性
障害物を検出する必要がない場合には、掘進機の上部あ
るいは下部の水平方向磁界検出器11または12の一者だけ
で、掘進機水平方向位置を求めることができる。

［実施例］第８図は、本発明の実施例に係る掘進機位置検出装置に
用いた検出システムを示す図である。図において、１は
掘進機で、直径が10cm、材質は鉄で、導電率が10⁷（S/
m）、比透磁率が300である。また、11,12は掘進機１の
周壁の上下対称位置に設けられた水平方向磁界検出器で
あり、各々の検出器は、断面積Ｓが0.01m²、巻数Ｎが10
00回のコイルである。9,10は地上に敷設した２組の平行
往復ケーブル又は電線で、間隔2Wは相等しく、各々2mで
ある。このケーブル9,10には、交流電源15から、周波数
が10KHz、振幅が1Aの交流電流をいずれか１組に流す。1
6は電流を流す平行往復ケーブルを切り換えるスイッチ
で、17は切り換えの制御装置である。

施工の掘削目標線を４とし、掘削目標線から鉛直方向に
ｘ軸、水平方向にｙ軸をとる。掘進機中心の座標を（ｘ
_ｃ,y_ｃ）とする。本例では（ｘ_ｃ,y_ｃ）は（1m,−0.2
m）であるとする（測定の目的からいえば本来この位置
は未知数である）。

掘進機中心の掘削目標線４からのずれを測定するため、
平行ケーブル10間の中央を掘削目標線４に合わせ、平行
ケーブル９間の中央が掘削目標線４からｙ軸正方向にｄ
（本実施例では30cm）ずれるように配置する。先ず平行
ケーブル10に制御装置17と切り換えスイッチ16を用いて
交流電流と流し、磁界検知器11および12で水平方向磁界
を検出する。各磁界検出器で検出される交流信号の振幅
|e|は、次のように表される。

|e|＝２πｆμ_ＯHNS ここでf:周波数（10KHz） μ_Ｏ：真空の透磁率（＝1.256×10^-6H/m） H:検出磁界強度（AT/m） N:コイル巻数（＝1000） S:コイル断面積磁界検出器11,12の出力ｅ_A1,e_B1は各々の増幅器18,19に
入力する。増幅後の出力Ｅ_A1,E_B1を整流器20,21を通
し、信号Ｅ_A1,E_B1のを求め、計算値22に記憶する。（ここでは説明の便宜の
ため、平行往復ケーブル10に交流を流した場合の値には
右下添字１を付し、平行往復ケーブル９に交流を流した
場合の値には右下添字２を付す。）検出器11,12の出力
ｅ_A1,e_B1と電流15からの交流出力e₀を各々の飽和増幅器
23,24,25に入力し、飽和増幅器23,24の出力を掛算器26
に、飽和増幅器23,25の出力を掛算器27に入力し、掛算
器26,27の各出力E₁ ²⁶,E₁ ²⁷を計算機22に入力する。

この信号E₁ ²⁶,E₁ ²⁷は、後に平行往復ケーブルを10から
９に切り換えた場合に得られる信号E₂ ²⁶,E₂ ²⁷と比較
し、検出信号の位相比較をすることに用いるものであ
る。この位相比較では、検出器11,12の出力ｅ_Ａ,e_Ｂと
電源15からの出力e₀とは位相が一致しているか、又は、
反転しているかのどちらかであるという性質を利用す
る。前者の場合、掛算器26,27の出力は正であり、後者
の反転の場合、掛算器26,27の出力は負となる。

以上の測定を終え、を計算機22に記憶し終えると、計算機22から信号を制御
装置17に送り、制御装置17から切り換えスイッチ16を制
御し、平行ケーブル10の代りに平行ケーブル９に電流を
流す。

この平行ケーブル９の電流が作る水平方向磁界を検出器
11,12で検出し、その後は、平行ケーブル10の電流の作
る水平磁界を測定した場合と全く同様に、実効値_A2，
_E2及び掛算器26,27の出力E₂ ²⁶,E₂ ²⁷を計算機22に記憶
させる。

以上の信号_A1，_A2，_B1，_B2及びE₁ ²⁶,E₁ ²⁷,
E₂ ²⁶,E₂ ²⁷を用い、計算機22により掘進機中心の水平方
向位置を求める。このための計算手順を第９図のフロー
チャートを用いて説明する。計算がスタートすると掛算
器26の出力E₁ ²⁶,E₂ ²⁶の符号を比較する（ステップ
）。第８図のように掘進機中心が平行ケーブル９の中
央及び平行ケーブル10の中央から同じ方向にずれていれ
ば、掛算器26の出力E₁ ²⁶とE₂ ²⁶は同符号となる。このよ
うに同符号の場合は、検出器11の出力を増幅、整流して
得た実効値_A1，_A2および二組の平行ケーブル間のず
れｄ（本実施例では30cm）を用い、次式で掘進機中心の
掘削目標線４（平行ケーブル10の中央と一致）からのず
れｙ_ｃを求める。（ステップ）。

上式でｙ_ｃが正となるのは掘進機中心が第８図で掘削目
標線４より右側に位置している場合でもあり、ｙ_ｃが負
になるのは第８図で掘進機中心が掘削目標線４より左側
に位置している場合である。第８図に示した状態ではｙ
_ｃは負となる。

一方、ステップで掛算器の出力E₁ ²⁶とE₂ ²⁶が異符号と
判断した場合には、掘進機中心が、平行ケーブル９の中
央と平行ケーブル10の中央の間に位置している場合であ
り、次式でｙ_ｃを求める（ステップ）。

以上のステップもしくはステップまでの計算によ
り、掘進機中心の水平方向位置ｙ_ｃが求まる。

次に、掘進機周囲に既埋設管があるかどうかを判定し、
ステップあるいはステップにより掘進機中心位置が
正しく求まっているかどうかを判定する。このために
は、掛算器27の出力E₁ ²⁷とE₂ ²⁷の符号をステップで比
較する。同符号の場合には、ステップと同様に（４）
式を用い掘進機中心位置ｙ_ｃ′を求める（ステップ）。ステッ
プで異符号と判定された場合は、ステップと同様
（５）式を用い掘進機中心位置ｙ_ｃ′を求める（ステップ）。次に、
ステップあるいはで得たｙ_ｃと、ステップあるい
はで得たｙ_ｃ′が一致しているかどうかを次式で判定
するステップ）。

δの大きさは0.01〜0.1程度で十分である。ステップ
でｙ_ｃとｙ_ｃ′が一致しない場合には、掘進機周辺に既
埋設管等の障害物がある場合であり、第８図の表示装置
28に、障害物があると警告表示する（ステップ）。一
方、第８図のように、既埋設管がない場合にはステップ
でｙ_ｃとｙ_ｃ′が一致するから、ステップで表示装
置28に掘進機中心位置ｙ_ｃを表示する。

以上により、掘進機中心の掘削目標線からのずれ、ある
いは、掘進機周囲の既埋設管の有無を検知できる。

以上では、地表面上に平行往復ケーブルを２組敷設して
掘進機位置を測定したが、１組の平行往復ケーブルを地
表面上で平行移動させても掘進機位置あるいは、掘進機
周囲の既埋設管の有無を検知できる。この場合の実施例
の構成を第10図に示す。10は平行往復ケーブル、29はケ
ーブル10を間隔一定のまま平行移動させる駆動装置であ
る。他の構成要素は前述の実施例と同じである。

最初に、ケーブル10の中央を掘削目標線４にあわせ、電
流が作る水平方向磁界を検出器11,12で検知し増幅、整
流を行い、検出信号の実効値_A1，_B1を計算機22にと
りこむ。これは、前述の第８図のケーブル10を使った場
合と全く同じ手順である。さらに、検出信号と磁界源電
流を用いて飽和増幅器23,24,25、掛算器26,27を介して
前述の実施例と同様に信号E₁ ²⁶,E₁ ²⁷を計算機にとりこ
む。次に制御装置17の信号により、移動装置29を用い平
行ケーブル10を水平方向にｄだけ移動させ、同様の信号
をとりこむ。そして、第９図に示すフローチャートで、
掘進機の水平方向位置ｙ_ｃ、もしくは周囲の既埋設管の
有無を検知する。

［発明の効果］本発明によれば、検出される水平方向磁界強度を高く
し、かつ、掘進機の水平方向ずれに対する検出水平方向
磁界強度の変化率を高くとれるので、深い所での掘進ま
たは、径が大きい掘進機についてもその位置を高感度、
高精度で測定でき、また該測定は掘進機の上部又は下部
のいずれか１個の検出器で行うことができて検出装置の
構成が簡単となり、さらに掘進機の深さや径をファクタ
ーとする係数の補正を要することなく、検出器の出力信
号を処理することができ、深さ位置の測定操作が簡単で
ある。また、障害物の有無も検知できるので、安全な施
工に資することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理および一実施例を説明する正面断
面図、第２図は本発明の他の実施例を説明する正面断面
図、第３図、第４図は夫々、従来の掘進機の位置検出方
式を示す側断面図および正面断面図、第５図は本発明の
ケーブル中央位置と検出磁界強度の関係を示す図、第６
図は従来装置の掘進機中心位置と検出磁界強度の関係を
示す図、第７図は本発明において障害物のある場合の検
出磁界強度を示す図、第８図は２組の平行電流を使用す
る本発明の実施例を示す図、第９図はそのフローチャー
トを示す図、第10図は１組の平行電流を平行移動させる
本発明の実施例を示す図である。１……掘進機、２……被埋設管３……立坑、４……掘削目標線５……平行ケーブル 6,7……水平方向磁界検出装置 9,10,13……平行ケーブル 11,12……水平方向磁界検出装置 18,19……増幅器、20,21……整流器 22……計算機 23,24,25……飽和増幅器 26,27……掛算機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地表面上に敷設される同一間隔の且つ各組
の中心が互に一定間隔だけずれている二組の平行往復電
線または同一間隔のまま平行移動可能な一組の平行往復
電線と、掘進機の上部または下部に取り付けられ当該部
位における掘進機の掘進方向と直角な水平方向磁界の強
さを検出する少くとも一つの水平方向磁界検出器と、上
記二組の平行往復電線の各組に又は平行移動の前後にお
いて上記一組の平行往復電線に平行往復電流を流したと
きの上記水平方向磁界検出器の出力に基づいて掘進機の
水平位置を算出する信号処理装置より成ることを特徴と
する掘進機の位置検出装置。
【請求項２】水平方向磁界検出器は掘進機の上部および
下部に取り付けられ、前記信号処理装置はこれら両者の
水平方向磁界検出器の出力に基づいて算出した掘進機の
水平位置が一致するか否かによって金属性障害物の有無
を検知する特許請求の範囲第１項記載の掘進機の位置検
出装置。