JPH07174561A

JPH07174561A - 位置計測投光装置および投光装置取り付け構造

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Publication number: JPH07174561A
Application number: JP5344965A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yamaguchi; 博明山口
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1995-07-14
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: US5757504A; GB2300262A; DE4480108C2; KR960706628A; GB9612722D0; GB2300262B; JP3429046B2; DE4480108T1; WO1995017647A1

Abstract

(57)【要約】【目的】盛り替え作業を容易にし、トンネル施工作業
の能率を高める。【構成】投光装置の本体フレーム３２には、入射する
レーザ光１８を受光する受光器３６が設けてある。ま
た、受光器３６の後方には、ビーム４４を出射する発光
器４２が設けてある。この発光器４２は、出射方向調整
装置４４に搭載してあり、ローカルコントローラ５０が
出射方向調整装置４４を介してビーム４４の出射仰角と
出射水平角とを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘進機の位
置、姿勢を計測するシステムに係り、特にトンネル内の
基準点と掘進機との中間に設けて計測用ビームの中継を
する位置計測投光装置および投光装置取り付け構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】トンネルを施工する場合、トンネル掘進
機によって予め定めたトンネル計画線に沿って掘進（掘
削）するようになっている。従って、トンネルを計画通
りに施工するためには、掘進機の位置、姿勢を計測し、
的確な方向修正や制御、また後工程におけるセグメント
を組み立てる場合の掘進機との緩衝を避けるために必要
である。しかも、トンネル掘進線形の複雑化、地下構造
物や既存トンネルが多い地域での施工、下水道など施工
線形の高い要求精度などの施工案件が増加しており、掘
進機の位置、姿勢計測の重要性、必要性が増している。

【０００３】トンネル掘進機の位置と姿勢とを決定する
ためには、位置を表す３つの量と、姿勢を表す３つの量
の計６成分を知る必要がある。掘進機の位置は、例えば
トンネル空間内に適当な三次元座標系を設置し、その３
つの成分を用いて表すことができ、通常はトンネルの掘
進計画線を１つの座標軸にとり、掘進距離と計画線から
のずれ（水平方向、鉛直方向の２成分）によって掘進機
の位置を表すことが多い。一方、掘進機の姿勢は、例え
ば掘進機の中心軸（掘進方向と同じ向き）が水平面内に
おいて向いている方向（ヨーイング角）、掘進機の前後
方向の傾き（ピッチング）、掘進機の中心軸回りの回転
（ローリング）の３成分を用いて表すことができる。そ
して、近年は、掘進機による掘進速度の向上に伴い、人
手による位置、姿勢の計測では施工要求速度に対応でき
ないため、掘進機の位置、姿勢計測を自動的に行うよう
方法、装置が各種提案されている。

【０００４】例えば、特開平４−３１０８１８号公報に
は、トンネル内の測定済みのセグメント上部からターゲ
ットプリズムを吊り下げて固定し、トンネル掘進機内の
上部に光波距離計と方位ジャイロと傾斜計とを設け、ト
ンネル掘進機の位置と姿勢とを計測する方法が開示して
ある。

【０００５】また、特開平３−２１１４０９号公報に
は、掘進機と既設セグメントに受光器を設け、旋回式レ
ーザ投光器をこれらの受光器の間に設置し、２つの受光
器が出力する受光信号により、旋回式レーザ投光器の旋
回角を測定し、かつレーザ投光器と２つの受光器との距
離を測定する測距儀を設けて測定し、角度と距離とから
既設セグメントに設けた受光器位置から掘進機の位置を
測定する方法が開示してある。

【０００６】さらに、特開昭６０−２１２５９３号公報
には、トンネル掘進機の後方にレーザ投光器を設け、掘
進機にレーザ受光器とローリング計とを搭載し、またレ
ーザレーザ投光器とレーザ受光器との間の距離を検出す
る測距儀を設け、これらによりトンネル掘進機の位置、
姿勢を検出し、同時に予定掘進線形にレーザレーザ投光
器のレーザ光１２を追従させる技術が開示してある。

【０００７】そして、特公平３−７９６４６号公報に
は、トンネル内の固定点と最終測定点である掘進機との
間に移動点を設定し、固定点には、レーザ発振器、照準
ターゲット、光波測距儀のプリズムターゲット、回転装
置により構成した定位置測定器を設置し、最終測定点で
ある掘進機には、ローリングを自動補正する懸架装置、
レーザ位置検出器、光波測距儀のプリズムターゲット、
傾斜計により構成した掘進機用測定器を設け、また各移
動点には、レーザ発振器、レーザ発振器を水平面内で回
転可能ならしめる回転装置、回転装置のレベルを調整す
る自動レベル設定器、光波測距儀、レーザ位置検出器に
より構成した移動点測定器を設け、測角および距離測定
を行い固定点から最終測定点の位置を計測する手段が開
示してある。

【０００８】すなわち、特公平３−７９６４６号公報に
記載のものは、固定点から固定点後方の基準点と移動点
測定器を臨む角度を、定位置測定器の回転装置に固定し
たレーザ発振器により、基準点をバックサイトしたとき
の回転角度と、移動点測定器を臨む回転角度との差によ
り検出し、さらに移動点から固定点、最終測定点および
移動点との距離を、移動点測定器に設置した光波測距儀
と、定位置測定器、掘進機用測定器に設置したプリズム
ターゲットとにより測定する。そして、移動点が掘進機
の掘進により位置が変化したときは、前記手段をもって
再測定を実行することにより、逐次掘進機の位置を検出
可能にし、トラバース測量と同じ原理で絶えず基準点に
対する掘進機の位置を知ることができるようになってい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ジャイロコンパスによ
るトンネル掘進機の方位（掘進方向、ヨーイング角）を
検出して掘進機の位置を測定場合、掘進機がジャイロコ
ンパスにより検出した掘進方向に、実際どのくらいの距
離を掘進したかを計測する必要がある。しかし、掘進機
は、掘進する際に横滑りを起こしながら掘進していくこ
とがあり、特開平４−３１０８１８号公報に開示してあ
るトンネル内の測定済みのセグメント上部の点からター
ゲットプリズムを吊り下げて固定し、トンネル掘進機内
上部にプリズムからの反射光を受光して距離を計測する
光波距離計を用いる方法では、掘進機とターゲットプリ
ズムとの間の距離を計測することはできるが、掘進方向
成分とそれに鉛直な平面内の移動成分とが分離できない
ため、トンネル掘進機が横滑りをすると、横滑りを起こ
した際の位置は、掘進方向に鉛直な平面内の移動成分に
より生じる誤差を含んだものになる。

【００１０】一方、レーザ光を利用してトンネル掘進機
の位置を計測する場合、レーザ光の直線性により、トン
ネルの曲線部では曲線に対応した計測が困難となる。そ
こで、特開昭６０−２１２５９３号公報に記載のもは、
掘進機後方に設けたレーザ投光器から照射されたレーザ
光を基準にし、掘進機にレーザ受光器とローリング計、
およびレーザ投光器とレーザ受光器との間の距離を検出
する測距儀を設け、各計測器の出力信号からトンネル掘
進機の位置３成分と姿勢角３成分とを計測することを可
能にし、多少の曲線にも対応できるように予定掘進線形
にレーザ投光器のレーザ光を追従させるようにしてい
る。しかし、この技術により対応できるのは、レーザ投
光器からレーザ受光器が臨めることが前提であり、適用
できる範囲が極めて狭い。

【００１１】ところで、曲線施工に対応する方法とし
て、通常のトラバース測量と同様に、基準点と掘進機に
設けた測点との中間に中間測点を設け、基準点と中間測
点および中間測点と掘進機の測点とを結んだ線のなす角
とそれぞれの長さを測定し、基準点に対する掘進機の位
置を計測する技術が考えられる。そして、このような考
えの下に、特開平３−２１１４０９号公報と特公平３−
７９６４６号公報とには、中間の測量点（旋回型レーザ
発振器の設置点または移動点）に測距儀を設置して基準
点と中間の測量点との間、中間の測量点と掘進機に設置
された測点との間の距離を測定するようにしている。し
かし、この構成によると、曲線施工をしていくと、図２
１（１）に示したように、自ら施工したトンネルの壁１
０により、中間の測点１２から掘進機の測点を臨むこと
が不可能になり、レーザ光がトンネルの壁１０に阻害さ
れ、掘進機の位置を計測できなくなる。

【００１２】通常のトラバース測量の場合、中間測点か
ら掘進機の測点を臨むことが不可能になると、中間の測
点より掘進機に近い、掘進機を臨むことができる地点の
既設セグメント上に新たな測点を設け、先の中間の測点
を新たな基準点として掘進機の位置を測定する。同様の
視点から、特開平３−２１１４０９号公報に記載の基準
点に設けた受光器と、中間測点に設置した旋回式レーザ
投光器、測距儀を新たに設置し直し、また特公平３−７
９６４６号公報に記載の定位置測定器、移動点測定器を
設置し直す、いわゆる「盛り替え」を行うことにより、
トンネル曲線部における対応が可能になる。しかし、特
開平３−２１１４０９号公報と特公平３−７９６４６号
公報に記載のものは、１回の盛り替え作業において、２
つの測定器を設置し直す必要がある。また、この盛り替
え作業は、トンネルの直線施工の工区であっても必要と
なる。

【００１３】すなわち、レーザ光の到達距離は、トンネ
ル内の環境（例えば、湿度、浮遊塵埃、温度等）にも左
右されるが、一般に２００ｍ程度であるため、図２１
（２）の如く、シールド掘進機１４がレーザ投光器１６
の出射したレーザ光１８の検出可能距離Ｌより長く掘進
したした場合、レーザ光１８がシールド掘進機１４に設
けた受光器２０に到達しないため、盛り替えをしてシー
ルド掘進機１４の位置を検出できるようにしなければな
らない。さらに、シールド掘進機１４の掘進移動によ
り、シールド掘進機１４の位置、姿勢が変化し、それま
でシールド掘進機１４の受光器２０に当たっていたレー
ザ光１８が、図２１（３）のように受光器２０から外れ
てしまう、いわゆるターゲットアウトが生ずる場合があ
り、このようなターゲットアウトを生じた測点と測点と
の間にも、新設による盛り替えをする必要がある。

【００１４】ところが、特公平３−７９６４６号公報に
記載のものにおける盛り替え作業は、定位置測定器のレ
ーザ回転軸が水平面と直交していない場合、基準点と固
定点および移動点とのなす角度の測定に誤差を生じるた
め、定位置測定器を設置する場合、測定器が水平を保つ
ように調整しながら行う必要があり、盛り替え作業が煩
雑で、多くの時間を必要とする。このことは、旋回式レ
ーザ投光器を用いた特開平３−２１１４０９号公報に記
載のものにおいても同様である。

【００１５】また、特公平３−７９６４６号公報に記載
のレーザ発振器は、水平面内の回転と仰角方向の角度検
出とを検出して制御するようにしているが、各測定器間
にレベル差があると計測した距離に誤差を生ずる。そこ
で、距離の測定誤差を抑えるためには、定位置測定器、
移動点測定器および掘進機用測定器のそれぞれのレベル
を合わせることが必要である。このことは、特開平３−
２１１４０９号公報に記載の光波測距儀の光軸を調整す
る場合も同様である。従って、従来技術における盛り替
え作業は、測定装置の単なる設置場所の変更というだけ
でなく、多くの手間を必要とする作業となっており、ト
ンネル工事の迅速化、効率化の障害となっている。

【００１６】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、盛り替え作業を容易にし、トン
ネル施工作業の能率を高めることを目的としてる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る位置計測投光装置は、トンネル内の
基準点と掘進機との間に設置され、前記基準点または前
記掘進機に設けた光源が出射した光を他方に中継する位
置計測投光装置において、前記光源が出射した光が入射
する受光部と、この受光部の前記光の受光方向と略反対
方向に光を出射する発光部と、前記受光部が出力する受
光信号に基づいて、受光部への前記光の入射方向を求
め、前記発光部の光の出射方向を予め定められた目標点
に制御する制御部と、この制御部と前記受光部、前記発
光部とを取り付けた本体とを有することを特徴としてい
る。

【００１８】光源と発光部とが出射する光は線状ビーム
であることが望ましい。また、本体には、トンネルの軸
線に平行な軸回りの回転を検出するローリング検出部を
設ける。そして、受光部は、光を受光、透過して照射位
置を２次元的に検出する位置検出センサにするとよい。
さらに、受光部は、所定の間隔を隔てて配置した第１受
光面と第２受光面とを有する構造にする。そして、第２
受光面は、ＣＣＤから構成してよい。なお、発光部は、
仰角と水平角とを調整可能に構成する。また、本体に
は、目標点との距離を計測す光距離計測部を設けること
ができる。この光距離計測部は、仰角と水平角とを調整
可能に設ける。さらに、本体は、光距離計測部の照射す
る入射ビームを入射方向に送り返す測距用反射部を設け
ることができる。

【００１９】一方、本発明に係る投光装置固定構造は、
投光装置の上部に取り付ける治具本体と、この治具本体
の上部に開閉可能に設けた複数の係止片と、これら各係
止片を開脚させる弾性体と、既設のセグメントに設けら
れ、中央部に前記治具本体を進入させる開口を有し、開
脚している前記係止片を係止する係止部と、この係止部
の上方に上下方向移動可能に配置され、前記治具本体が
進入したときに、前記係止片を閉脚する閉脚部材とを有
する構造となっている。

【００２０】弾性体は、ばねであってよい。ばねは、治
具本体の内部に配置され、係止片の治具本体内挿入部を
開脚方向に付勢しているコイルばねにすることができる
し、治具本体と係止片との間に各係止片に対応させて設
けたコイルばね、板ばねなどにすることができる。そし
て、治具本体は、治具本体を昇降させるワイヤを上下方
向に挿通させる挿通穴を設け、係止部の上方にはワイヤ
を掛けるワイヤ掛け部を設けるとよい。

【００２１】

【作用】上記の如く構成した本発明の位置計測投光装置
は、制御部が受光部に入射してくる光源からの光の入射
方向に応じて、発光部の光の出射方向を、予め定められ
た目標点となるように調整するため、従来のような厳密
な光軸合わせ、レベル合わせ必要とせず、迅速な盛り替
えが可能となってトンネル施工作業の迅速化、効率化が
図れる。第１受光面に、照射位置を２次元的に検出する
位置検出センサを用いる構成となっており、線状ビーム
の照射位置が水平、垂直の平面で検出でき、本体装置に
設けられている受光部の出射方向の調整軸の位置偏位量
を本体装置の姿勢情報と併せて検出することができ、出
射方向の調整が容易になる。また、本体に線状ビームを
照射している別の装置からの距離、出射方向、位置の情
報を用いることにより、本体の位置が掘進機の掘進反力
により移動してもその量を検出することができる。

【００２２】光源と発光部とが出射する光を線状ビーム
にすると、受光部に入射する光の方向を求めることが容
易である。また、本体のローリング検出部を設けて本体
のローリング量を検出すれば、受光部に入射した光の入
射方向のローリングによる影響を排除して、受光部（本
体）のピッチング量、ヨーイング量を求めることがで
き、これらを考慮して発光部の光の出射方向を正確に定
めることができる。そして、光を受光、透過して照射位
置を２次元的に検出する位置検出センサを用いることに
より、入射可能範囲を大きくとることができ、本体の姿
勢を求めるのに好都合である。

【００２３】さらに、受光部に所定の間隔を隔てて設け
た２つの受光面を設けると、受光部に入射する光の入射
方向を容易に知ることができる。第１受光面と第２受光
面とは、ともに光を受光、透過して照射位置を２次元的
に検出する位置検出センサによって構成することも可能
であるが、入射光に対して後方に位置する第２受光面を
ＣＣＤや多数の受光素子を面状に配列したセンサによっ
て構成することにより、装置のコストを低減できる。

【００２４】なお、本体には、光距離計測部を設けれ
ば、目標点となる例えば掘進機までの距離を測定でき
る。そして、光距離計測部を仰角と水平角とを調整可能
とすることにより、光距離計測部を目標点の反射部に対
して確実に正対させることができ、距離の計測を各確実
に行うことができる。さらに、本体に測距用反射部を設
ければ、他の計測装置による距離測定を可能にする。

【００２５】また、本発明の投光装置固定構造において
は、係止部の中央部に設けた開口から治具本体の上部を
進入させ、開脚した係止片を係止部に係止、支持させる
ことにより、投光装置を既設セグメントに容易に取り付
けることができる。また、治具本体をさらに上方に移動
させると、閉脚部材が係止片を閉脚するため、係止部に
よる係止片の係止が解除され、治具本体をセグメントか
ら投光装置を容易に取り外すことができる。従って、投
光装置の着脱が容易に行え、トンネル工事の迅速化を図
ることができる。

【００２６】弾性体は、ばねであってもよいし、ゴムな
どであってもよい。ばねを治具本体内に配置したコイル
ばねとすると、構造を簡素にすることができる。また、
治具本体にワイヤの挿通穴を設け、係止部の上方にワイ
ヤを掛けるワイヤ掛け部を設けると、治具本体を挿通さ
せたワイヤをワイヤ掛け部に掛け、滑車を用いると同様
にして投光装置を取り付けた治具本体を昇降させること
ができ、取り付け、取り外しに台等を必要とせず、投光
装置の設置、取り外しを容易に行え、作業者の作業負
担、危険度を低減することができる。

【００２７】

【実施例】本発明に係る位置計測投光装置および投光装
置取り付け構造の好ましい実施例を、添付図面に従って
詳説する。なお、前記従来技術において説明した部分に
対応する部分については、同一の符号を付し、その説明
を省略する。図１は、本発明の実施例に係る位置計測投
光装置の斜視図である。

【００２８】図１において、投光装置３０は、本体フレ
ーム３２の底板３４に受光器３６が固定してある。この
受光器３６は、線状ビームからなるレーザ光１８の入射
する受光部３８が図２に示したように、第１の受光面３
８ａと第２の受光面３８ｂとから構成してあるととも
に、第１受光面３８ａの前方に集光レンズ３９が配設し
てある。各受光面３８ａ、３８ｂは、照射位置を２次元
的に検出する位置検出センサにより構成してある。ま
た、第１の受光面３８ａは、透明または半透明になって
いて、レーザ光１８を透過できるようにしてある。そし
て、レンズ３９は、光軸４１が各受光面３８ａ、３８ｂ
と直交し、第２受光面３８ｂの中心（原点）と一致して
いるとともに、第２受光面３８ｂの中心に焦点を結ぶよ
うになっていて、光軸４１に平行に入射してきたレーザ
光１８を第２受光面３８ｂの中心に入射させるようにな
っている。さらに、受光器３６は、ローリング計４０を
内蔵していて、トンネルの軸線（計画線）と平行な軸、
すなわち入射するレーザ光１８のほぼ進行方向回りの回
転量（ローリング量）が検出されるようになっている。

【００２９】受光器３６の後方には、発光器４２が設け
てある。この発光器４０は、レーザ発振器から構成して
あり、線状のレーザ光ビーム４４をレーザ光１８の入射
方向とほぼと反対方向に出射する。そして、発光器４２
は、図示しないステッピングモータやダイレクトドライ
ブモータ等のモータを内蔵した出射方向調整装置４４に
取り付けてある。この出射方向調整装置４４は、一点鎖
線に示したように発光器４２の向きを変え、ビーム４４
の出射方向を調整してビーム４４を確実に目標物（目標
点）に向けて放射できるようにする。すなわち、出射方
向調整装置４４は、例えば２軸の回転ステージを有し、
制御部であるローカルコントローラ５０によって制御さ
れ、矢印４６のように発光器４２を上下方向に揺動す
る、矢印４８に示したように発光器４２を水平面内（床
面に平行な面内）で揺動し、ビーム４４の仰角と水平角
とを調整するようになっている。そして、発光器４２の
仰角と水平角とは、角度検出器４５によって検出され、
ローカルコントローラ５０に入力される。

【００３０】発光器４２の側方には、光距離計測部とな
る光波測距儀５２が設置してある。この光波測距儀５２
は、線状ビーム４４とほぼ同方向に計測ビームを出射
し、目標点が反射した反射光を受光して目標点までの距
離を求めるようになっている。そして、光波測距儀５２
は、発光器４２と同様に仰角と水平角との調整が可能と
なっていて、他の投光装置または掘進機などの目標点に
設けた反射部と正対させることができるようにしてあ
る。また、受光器３６の側方には、測距用反射部である
反射プリズム５４が設けてあり、レーザ光１８と同方向
から入射してくる、他の投光装置３０などの光波測距儀
が出力した測距用ビームを入射方向に送り返すようにな
っている。なお、光波測距儀５２と反射プリズム５４と
は、位置を入れ替えてもよい。

【００３１】コントローラ５０には、表示部５５が設け
てあり、投光装置３０の位置や姿勢、ビーム４４の出射
方向等を表示できるようにしてある。また、投光装置３
０は、各計測器やコントローラ５０へ電力を供給する電
源５６を有するとともに、通信ボート５８が設けてあ
る。この通信ボート５８は、図３のように地上などに設
置してあるメインコントローラ６０と通信ケーブル６２
を介して接続してあり、ローカルコントローラ５０が求
めたデータをメインコントローラ６０に転送できるとと
もに、メインコントローラ６０からコントローラ５０に
命令やデータを与えることができるようにしてある。

【００３２】メインコントローラ６０は、図示しない発
進立坑などの基準点（第１の測点）に配設した第１の測
点ローカルコントローラ６４や、最終測点であるシール
ド掘進機１４に設けた最終測点ローカルコントローラ６
６、およびこれら第１測点と最終測点との間に複数配置
した図１に示した投光装置３０のそれぞれの通信ボート
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ……と並列に接続してあり、こ
れらと情報の授受を行うようになっている。なを、図４
に示したように、第１測点ローカルコントローラ６４、
各通信ボート５８ａ、５８ｂ、５８ｃ……、最終測点ロ
ーカルコントローラ６６、メインコントローラ６０を直
列に接続するようにしてもよい。

【００３３】投光装置３０の本体フレーム３２の上部に
は、投光装置３０を既設セグメントに固定し、また取り
外すための取付け治具７０が複数装着してある。この取
付け治具７０は、図５に示したように、治具本体７２が
略角筒状に形成してあり、上部に４枚の係止片７４が設
けてある。各係止片７４は、治具本体７２に枢着してあ
って、矢印７６のように開閉脚できるようになってい
る。そして、治具本体７２の内部には、圧縮した開脚コ
イルばね７８が配置してあり（図７参照）、この開脚コ
イルばね７８が各係止片７４を開脚方向に付勢してい
る。また、治具本体７２の上部には、昇降ワイヤ８０を
通すための穴８２が形成してある。

【００３４】このように構成した実施例の投光装置３０
は、既設セグメントの裏込め注入用の注入孔を塞ぐねじ
を利用して既設のセグメントリングに中継器としてに取
り付けられ、また取り外される。すなわち、図６に示し
たように、注入孔を塞ぐねじ８４は、ワイヤ掛け部とな
るピン８６が設けてあるとともに、仕切り８８を有して
いる。昇降ワイヤ８０はピン８６の仕切り８６の一側に
掛け、ピン８６の他側に掛けた通信ケーブル６２と電源
ケーブル９０とを損傷しないようにする。このように、
ピン８６に昇降ワイヤ８０等が掛けられたねじ８４は、
図８のようにセグメントリング９２の上部に位置するセ
グメントピースの裏込め注入孔に螺着する。そして、ピ
ン８６に掛けられたに昇降ワイヤ８０は、両端が図５の
ように穴８２を介して治具本体７２に通されたのち、一
端が投光装置３０に結合さる。また昇降ワイヤ８０の他
端は、上部のセグメントピースに隣接したセグメントピ
ースの裏込め用注入孔に螺着した図６のねじ８４と同様
のねじのピンに掛けられたのち、チェーンブロック９２
に連結する（図８参照）。

【００３５】オペレータ９４がチェーンブロック９２を
操作して昇降ワイヤ８０を巻き取ると、投光装置３０を
接続した取付け治具７０が図７（１）のように上昇す
る。ねじ８４を取り付けたセグメントリング９２の上部
セグメントには、孔部９６の下端部に、取付け治具７０
の係止片７４を係止する係止部９８が孔部９６の内側に
向けて設けてある。そして、孔部９６には、係止部９８
によって形成させた治具本体７２が進入する開口１００
より大きく形成した閉脚部材１０２が上下動可能に配置
してある。この閉脚部材１０２は、中心部に開口１００
より小さな治具本体７２を受け入れる穴１０４を有して
いる。

【００３６】昇降ワイヤ８０がチェーンブロック９２に
巻き取られるに従って、治具本体７２は上部が図７
（２）のように開口１００を介して閉脚部材１０２の穴
１０４に進入する。このとき、係止片７４は、係止部９
８により閉脚させられるとともに、閉脚部材１０２を押
し上げる。そして、係止片７４が係止部９８の上方に達
した段階で昇降ワイヤ８０を緩めると、係止片７４は、
開脚コイルばね７８によって開脚させられ、係止部９６
に係止される。これにより、図７（３）のように投光装
置３０は、取付け治具７０を介してセグメントリング９
２に固定される。

【００３７】一方、投光装置３０を取り外す場合、チェ
ーンブロック９２によって昇降ワイヤ８０を巻き、係止
片７４を閉脚部材１０２の穴１０４内に進入させる。こ
れにより、係止片７４は、図７（４）のように閉脚部材
１０２によって閉脚させられ、破線で示したように閉脚
部材１０２が自重により係止部９８の上に落下する。そ
こで、チェーンブロック９２を介して昇降ワイヤ８０を
繰り出すと、治具本体７２の上端部は図７（５）のよう
に閉脚部材１０２の中を滑り降りる。そして、取付け治
具７０は、閉脚部材１０２の穴１０４が開口１００より
小さいため、図７（６）、（７）のように上端部が係止
部９８の下方に抜け、係止片７４が開脚コイルばね７８
によって開脚させられる。従って、投光装置３０をセグ
メントリング９２から取り外すことができる。

【００３８】このように、実施例の取り付け構造によれ
ば、チェーンブロック９２による昇降ワイヤ８０の巻き
取り、繰り出し操作だけで投光装置３０をセグメントリ
ング９２に固定したり、セグメントリング９２から取り
外すことができ、設置場所が高くとも設置用の台などを
必要とせず、極めて容易に投光装置３０の着脱をおこな
うことができる。しかも、治具本体７２が角筒状に形成
してあるため、投光装置３０の受光器３６と発光器４２
とを容易、確実にトンネルの軸線方向にむけることがで
きる。なお、この実施例においては、係止片７４を開脚
させるのに、治具本体７２の内部に配置した開脚コイル
ばね７８を用いたが、図７（１）に破線で示したよう
に、各係止片７４に対応してコイルばね７９や板ばね、
ゴム等を設けてもよい。また、取付け治具７０を裏込め
注入孔にねじ込むようにしてもよい。

【００３９】図９は、基準点となる第１の測点と最終測
点であるシールド掘進機１４に設けた受光器２０との間
に、１つの投光装置３０を中継器として設置した例を示
したものである。中継器である投光装置３０は、上述の
ようにしてセグメントリング９２に取り付けられる。こ
の投光装置３０は、第１測点に設けた光源（レーザ投光
器）１０５の出射したレーザ光１８が受光器３６に入射
するように設置される。第１の測点は、例えばシールド
掘進機１４の発進立坑に設けられ、通常の測量等により
光源１０５の位置が正確に求めてある。また、光源１０
５は、レーザ光１８がトンネル計画線に沿って出射され
るように設置することが望ましい。

【００４０】投光装置３０は、発光器４２がシールド掘
進機１４に向いており、シールド掘進機１４に設けた受
光器２０に向けて線状のレーザビーム４４を放射する。
シールド掘進機１４に設けた受光器２０を有する測定装
置は、ローリング計１０６を備えており、シールド掘進
機１４のローリング量（ローリング角）を検出できるよ
うになっている。なお、図９の符号１０７は、セグメン
ト１０８に反力をとってシールド掘進機１４を前進させ
るシールドジャッキである。

【００４１】このように設置した投光装置３０におい
て、前記したように受光器３６の集光レンズ３９の光軸
４１に平行して受光部３８に入射してくるレーザ光１８
は、原点である第２受光面３８ｂの中心に照射される。
従って、投光装置３０は、図２の実線のように、第２受
光面３８ｂの中心にレーザ光１８が入射している場合、
レーザ光１８の進行方向回りの傾き（ローリング）があ
ったとしても、受光器３６の受光面３８がレーザ光１８
の進行方向に直交した姿勢となり、投光装置３０にピッ
チング（レーザ光１８の進行方向に対する上下方向の傾
き）やヨーイング（水平面内の傾き）を生じていない。
このため、発光器４２は、例えばトンネルが直線的に掘
進されている場合、レーザ光１８と同方向にビーム４４
を出射する。そして、受光器３６のローリング量は、受
光器３６に設けたローリング計４０によって検出され、
ローカルコントローラ５０に入力される。一方、図２の
破線に示したように、集光レンズ３９を通ったレーザ光
１８が照射位置が第２受光面３８ｂの中心からずれてい
る場合、投光装置３０にピッチングまたはヨーイング、
あるいはこの両者が生じているため、発光器４２のビー
ム４４の出射方向を調整する必要がある。この調整は、
コントローラ５０により行われる。

【００４２】メインコントローラ６０とローカルコント
ローラとが図３のように並列に接続してある場合、まず
ローカルコントローラ５０は、図１０のステップ１１０
のように、第１受光面３８ａ、第２受光面３８ｂにおけ
るレーザ光１８の照射位置を読み取るとともに、ローリ
ング計４０から受光器３６のローリング量（ローリング
角）を読み取り、また光波測距儀５２が計測した次の投
光装置３０またはシールド掘進機１４に設置した反射プ
リズムまでの距離を読み込む。そして、コントローラ５
０は、メインコントローラ６０から予め与えられたプロ
グラムに従って、ローリング計４０が検出したローリン
グ量に等しい回転分だけ第１受光面３８ａと第２受光面
３８ｂとの座標をローリング方向と反対方向に回転させ
（ステップ１１１）、ローリングがないとした場合の、
第１受光面３８ａと第２受光面３８ｂとのレーザ光１８
の照射位置（補正照射位置）を求め（ステップ１１
２）、表示部５５に表示するとともに、メインコントロ
ーラ６０に伝送する（ステップ１１３、１１４）。

【００４３】次に、メインコントローラ６０は、ローカ
ルコントローラ５０が上記のようにして求めた第１受光
面３８ａと第２受光面３８ｂとの修正照射位置から、受
光器３６のピッチング量とヨーイン量とを演算し、受光
器３６の姿勢、すなわち投光装置３０の姿勢を求める。
このピッチング量とヨーイング量とを求める演算は、集
光レンズ３９の倍率、配置位置、さらには第１受光面３
８ａと第２受光面３８ｂとの距離が予め与えられている
ため、光学の解析と三角法（正接）により容易に求める
ことができる。そして、メインコントローラ６０は、受
光器３６にピッチング、ヨーイングが生じている場合、
発光器４２の仰角、水平角の調整命令をローカルコント
ローラ５０に与える。

【００４４】ローカルコントローラ５０は、メインコン
トローラ６０にデータを転送すると、発光器４２の仰角
と水平角とを調整すべき命令がメインコントローラ６０
から与えられたか否かを判断する（ステップ１１５）。
そして、コントローラ５０は、受光器３６がローリング
しておらず、またレーザ光１８が受光器３６の受光面３
８に垂直に入射し、発光器４２の仰角、水平角の調整の
必要がなく、メインコントローラ６０から調整指令を受
け取らない場合には、ステップ１１０に戻る。一方、コ
ントローラ５０は、メインコントローラ６０から仰角、
水平角の調整すべき指示を受けると、メインコントロー
ラ６０が出力する調整指示値を取り込み（ステップ１１
６）、指示値として与えられたローリング角度の補正を
するとともに、出射方向調整装置４４を介して発光器４
２の仰角、水平角の調整を行う（ステップ１１７、１１
８）。

【００４５】このように、実施例においては、発光器４
２のレーザ光１８の出射方向を調整できるようにしてあ
るため、セグメントリング９２へ投光装置３０を取り付
けた際に、精密な光軸合わせを行う必要がなく、盛り替
えを迅速に行うことができ、トンネル施工作業の能率を
大幅に向上することができる。また、実施例の光波測距
儀５２も仰角と水平角とを調整することができるため、
シールド掘進機１４や他の投光装置３０に設けた反射プ
リズムに正対させることができ、距離の計測が不可能と
なるような事態を避けることができる。

【００４６】一方、メインコントローラ６０は、図１１
のステップ１２０に示したように、通信ケーブル６２を
介して各測点に設けた測定器により計測した計測データ
を読み込む。そして、メインコントローラ６０は、基準
点となる第１の測点から見た投光装置３０のあるべき座
標位置を算出する（ステップ１２１）。その後、メイン
コントローラ６０は、投光装置（中継器）３０のローカ
ルコントローラ５０から送られてきた受光器３６の第１
受光面３８ａと第２受光面３８ｂとのレーザ光１８の補
正照射位置から、投光装置３０の座標位置を演算する
（ステップ１２２）。また、メインコントローラ６０
は、コントローラ５０から与えられた補正照射位置に基
づいて、前記した如く投光装置３０の姿勢を求めるとと
もに、発光器４２の角度からビーム４４の出射方向（放
射方向）を演算する（ステップ１２３）。

【００４７】次に、メインコントローラ６０は、投光装
置３０のトンネル内位置と、ステップ１２３で求めたビ
ーム４４の放射方向と、光波測距儀５２が求めた最終測
点までの距離とから、シールド掘進機１４に設けた最終
測点のあるべき位置を算出するとともに、上記と同様に
して求めた最終測点のレーザビームの受光器３６上の補
正照射位置から、最終測点の位置座標を算出する（ステ
ップ１２４、１２５）。さらに、メインコントローラ６
０は、投光装置３０の発光器４２のビーム４４の出射方
向と、最終測点に設けた受光器の姿勢と、シールド掘進
機１４のローリング角度とから最終測点受光器の姿勢を
算出する（ステップ１２６）。また、メインコントロー
ラ６０は、シールド掘進機１４における受光器の取り付
け位置、姿勢の補正値を求めるとともに（ステップ１２
７）、シールド掘進機１４の位置、姿勢を図示しない表
示装置に表示したり上位のコントローラ（図示せず）に
求めたデータを伝送する。これにより、掘進機１４の位
置と姿勢とを検出することができ、掘進機１４の掘進方
向、姿勢の修正を正確に行え、トンネル計画線に沿った
トンネル施工が可能となる。

【００４８】図１２（１）は、シールド掘進機１４側を
第１の測点とし、トンネル後方側を最終測点とした例を
示したものである。本例においても、最終測点に設けた
受光器２０の位置に関する３成分と姿勢に関する３成分
とを正確に求めておくことにより、上記の場合と同様に
シールド掘進機１４の位置検出が可能である。また、図
１２（２）は、トンネル内に複数の投光装置３０を中継
器として設置した例を示したもので、このような場合に
も、投光装置３０の数をメインコントローラ６０に入力
するとともに、投光装置３０の数だけデータ処理ルーチ
ンを繰り返すことにより、投光装置３０の位置とシール
ド掘進機１４の位置を求めることができる。

【００４９】図１３は、投光装置３０の設置状態の一例
を示したもので、中間の投光装置３０ｂが投光装置３０
ａの出射ビーム４４ａに対して傾いた状態に設置された
としても、発光器４２のビーム放射方向を調整して次の
投光装置３０ｃにビーム４４ｂを照射することができ
る。図１４は、図２１（２）ようにシールド掘進機１４
による掘進が進んで、投光装置３０ａのビーム４４が掘
進機１４に設置した受光器２０まで届かずに盛り替えを
必要となったため、盛り替えを行って投光装置３０ｂの
盛り替えが終了した状態を示したものである。また、図
１５は、投光装置３０ｂの姿勢を制御し、ビーム４４ｂ
が受光器２０に当たるように調整した例を示したもので
ある。さらに、図１６は、トンネルの曲線部などにおい
て、投光装置３０に設けた発光器４２のビーム４４の放
射方向を変えた例を示したものである。

【００５０】図１７は、距離の測定を光波距離計によっ
て測定する例を示したもので、図１７（１）は、投光装
置３０に光波距離計１３０を設け、シールド掘進機１４
に反射プリズム１３２を設置した例である。そして、図
１７（２）は、シールド掘進機１４に光波距離計１３０
を設け、投光装置３０に反射プリズム１３２を設けたも
のである。

【００５１】また、図１８は、トンネルの曲線部に実施
例の投光装置３０を用いた例を示したものである。この
ように実施例の投光装置３０を用いると、シールド掘進
機１４から充分離れた不動点に第１の測点または投光装
置３０ａを設置することができるため、正確な測定が可
能となる。そして、図１９は、複雑な形状のトンネルに
おける実施例に係る投光装置３０の配置状態を示したも
ので、トンネルがこのように複雑であっても、上記した
手順を経ることにより、シールド掘進機１４の位置を正
確に検出することができる。

【００５２】前記実施例においては、掘進機がシールド
掘進機１４である場合について説明したが、図２０のよ
うに孔壁にグリッパ１３４を張って反力をとるトンネル
掘削機（ＴＢＭ）１３６に対しても、シールド掘進機１
４の場合と同様に適用することができる。また、前記実
施例においては、光波測距儀５２により第１測点と投光
装置３０との距離、投光装置３０、３０間の距離、投光
装置３０と最終測点との距離を検出する場合について説
明したが、第１測点と投光装置３０との距離または投光
装置３０、３０間の距離をセグメントの数を計数して求
め、また投光装置３０と最終測点との距離をセグメント
の数とシールドジャッキ１０７のストローク量から求め
てもよい。

【００５３】さらに、前記実施例においては、第１受光
面３８ａと第２受光面３８ｂとがともに光を受光、透過
して照射位置を２次元的に検出する位置検出センサによ
る場合について説明したが、第２受光面３８ｂをＣＣＤ
や多数の受光素子を面状に配列したセンサによって構成
してもよい。このようにすると、受光器３６のコストを
低減することができる。そして、前記実施例において
は、受光面３８ａ、３８ｂ正方形の場合について説明し
たが、円形や他の形状であってもよい。第１受光面の前
方に配置される集光レンズは、第１受光面と第２受光面
の間の第２受光面上に焦点を結ぶ位置に設けてもよく、
さらに言えば設けなくともよい。また、前記実施例にお
いては、取付け治具７０が係止片７４を有し、この係止
片７４をセグメント側に設けた係止部９８で係止させて
投光装置３０をセグメントに固定する場合について説明
したが、取付け治具７０にねじ部を形成し、セグメント
の裏込め用の穴にねじ込むようにしてもよい。また、前
記実施例においては、メインコントローラ６０によって
受光器３６の姿勢を求めるようにしたが、ローカルコン
トローラ５０によって求めるようにしてもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の位置計
測投光装置によれば、制御部が受光部に入射してくる光
源からの光の入射方向に応じて、発光部の光の出射方向
を、予め定められた目標点となるように調整するため、
従来のような厳密な光軸合わせ、レベル合わせ必要とせ
ず、迅速な盛り替えが可能となってトンネル施工作業の
迅速化、効率化が図れる。

【００５５】また、光源と発光部との出射する光が線状
ビームであるため、受光部に入射する光の方向を求める
ことが容易であり、本体のローリング検出部を設けて本
体のローリング量を検出するようにしたので、受光部に
入射した光の入射方向のローリングによる影響を排除し
て、受光部（本体）のピッチング量、ヨーイング量を求
めることができ、これらを考慮して発光部の光の出射方
向を正確に定めることができる。そして、受光部を複数
の受光素子を面状に配列した構造にしたことにより、光
源が出射した光の入射可能範囲が大きくなり、入射位置
を二次元的に検出でき、本体の姿勢を求めるのに好都合
である。

【００５６】さらに、受光部に所定の間隔を隔てて設け
た２つの受光面を設けたため、受光部に入射する光の入
射方向を容易に知ることができる。しかも、入射光に対
して後方に位置する第２受光面をＣＣＤや多数の受光素
子を面状に配列したセンサによって構成すると、装置の
コストを低減できる。なお、本体には、光距離計測部を
有しているため、目標点となる例えば掘進機までの距離
を測定できる。また、光距離計測部を仰角と水平角とを
調整可能としたことにより、光距離計測部を目標点の反
射部に対して確実に正対させることができ、距離の計測
を各確実に行うことができる。さらに、本体に測距用反
射部を設けたことにより、他の計測装置による距離測定
が可能となる。

【００５７】また、本発明の投光装置固定構造において
は、係止部の中央部に設けた開口から治具本体の上部を
進入させ、開脚した係止片を係止部に係止、支持させる
ことにより、投光装置を既設セグメントに容易に取り付
けることができる。また、治具本体をさらに上方に移動
させると、閉脚部材が係止片を閉脚するため、係止部に
よる係止片の係止が解除され、治具本体をセグメントか
ら投光装置を容易に取り外すことができる。従って、投
光装置の着脱が容易に行え、トンネル工事の迅速化を図
ることができる。

【００５８】そして、弾性体を治具本体内に配置したコ
イルばねとしたことにより、構造を簡素にすることがで
きる。また、治具本体にワイヤの挿通穴を設け、係止部
の上方にワイヤを掛けるワイヤ掛け部を設けたため、治
具本体を挿通させたワイヤをワイヤ掛け部に掛け、滑車
を用いると同様にして投光装置を取り付けた治具本体を
昇降させることができ、取り付け、取り外しに台等を必
要とせず、投光装置の設置、取り外しを容易に行え、作
業者の作業負担、危険度を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る位置計測投光装置の斜視
図である。

【図２】前記実施例の受光部の詳細説明図である。

【図３】実施例に係る投光装置の複数をメインコントロ
ーラに並列に接続したシステムのブロック図である。

【図４】実施例に係る投光装置の複数をメインコントロ
ーラに直列に接続したシステムのブロック図である。

【図５】実施例に係る取付け治具本体の斜視図である。

【図６】実施例に係るセグメントの裏込め注入用穴に螺
着するねじの説明図である。

【図７】実施例に係る取付け治具を介して投光装置を取
り付け、取り外す方法の説明図である。

【図８】実施例に係る投光装置を取り付け、取り外しの
操作を説明する図である。

【図９】実施例に係る投光装置を中継器として設置した
一例の説明図である。

【図１０】実施例に係る投光装置のコントローラの動作
を説明するフローチャートである。

【図１１】実施例に係るメインコントローラの動作を説
明するフローチャートである。

【図１２】掘進機側を第１の測点とし基準点側を最終測
点とした例と、複数の投光装置を中継器として設置した
実施例の説明図である。

【図１３】実施例に係る投光装置の姿勢調整の一例を示
す図である。

【図１４】実施例に係る投光装置を用いた盛り替えの終
了状態を示す図である。

【図１５】ビームが最終測点の受光器に当たるように実
施例に係る投光装置の姿勢を調整した図である。

【図１６】実施例に係る投光装置のビームの出射方向を
変えた例を示す図である。

【図１７】光波距離計によって距離を測定する実施例の
説明図である。

【図１８】トンネルの曲線部に実施例に係る投光装置を
配置した状態を示す図である。

【図１９】実施例に係る投光装置を複雑なトンネル形状
に適用した場合の説明図である。

【図２０】実施例に係る投光装置を孔壁に反力をとるト
ンネル掘削機に適用した例の説明図である。

【図２１】盛り替えを必要とする状態の説明図である。

【符号の説明】

３０……位置計測投光装置（投光装置）、３２……本体
フレーム、３６……受光器、３８ａ……第１受光面、３
８ｂ……第２受光面、４０……ローリング計、４２……
発光器、４４……出射方向調整装置、５０……制御部
（ローカルコントローラ）、５２……光距離計測部（光
波測距儀）、５４……反射プリズム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル内の基準点と掘進機との間に設
置され、前記基準点または前記掘進機に設けた光源が出
射した光を他方に中継する位置計測投光装置において、
前記光源が出射した光が入射する受光部と、この受光部
の前記光の受光方向と略反対方向に光を出射する発光部
と、前記受光部が出力する受光信号に基づいて、受光部
への前記光の入射方向を求め、前記発光部の光の出射方
向を予め定められた目標点に制御する制御部と、この制
御部と前記受光部、前記発光部とを取り付けた本体とを
有することを特徴とする位置計測投光装置。
【請求項２】前記光源と前記発光部とが出射する光は
線状ビームであり、前記本体は前記トンネルの軸線に平
行な軸線回りの回転を検出するローリング検出部を備え
ていることを特徴とする請求項１に記載の位置計測投光
装置。
【請求項３】前記受光部は、光を受光、透過して照射
位置を２次元的に検出する位置検出センサを有すること
を特徴とする請求項１または２に記載の位置計測投光装
置。
【請求項４】前記受光部は、所定の間隔を隔てて配置
した第１受光面と第２受光面とを有していることを特徴
とする請求項３に記載の位置計測投光装置。
【請求項５】前記第２受光面は、ＣＣＤからなること
を特徴とする請求項４に記載の位置計測投光装置。
【請求項６】前記発光部は、仰角と水平角とが調整可
能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか
１に記載の位置計測投光装置。
【請求項７】前記本体には、前記目標点との距離を計
測す光距離計側部が設けてあることを特徴とする請求項
１ないし５のいずれか１に記載の位置計測投光装置。
【請求項８】前記光距離計測部は、仰角と水平角とが
調整可能であることを特徴とする請求項７に記載の位置
計測投光装置。
【請求項９】前記本体は、入射ビームを入射方向に送
り返す測距用反射部を有していることを特徴とする請求
項１ないし８のいずれか１に記載の位置計測投光装置。
【請求項１０】投光装置の上部に取り付ける治具本体
と、この治具本体の上部に開閉脚可能に設けた複数の係
止片と、これら各係止片を開脚させる弾性体と、既設の
セグメントに設けられ、中央部に前記治具本体を進入さ
せる開口を有し、開脚している前記係止片を係止する係
止部と、この係止部の上方に上下方向移動可能に配置さ
れ、前記治具本体が進入したときに、前記係止片を閉脚
する閉脚部材とを有することを特徴とする投光装置取り
付け構造。
【請求項１１】前記弾性体は、前記治具本体の内部に
配置され、前記係止片の治具本体内挿入部を開脚方向に
付勢しているコイルばねであることを特徴とする請求項
１０に記載の投光装置取り付け構造。
【請求項１２】前記弾性体は、前記治具本体と前記係
止片との間に各係止片に対応させて設けたばねであるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の投光装置取り付け構
造。
【請求項１３】前記治具本体は、治具本体を昇降させ
るワイヤを上下方向に通す穴を有し、前記係止部の上方
には、前記ワイヤを掛けるワイヤ掛け部が設けてあるこ
とを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１に記
載の投光装置取り付け構造。