JPH0861953A - 旧トンネルの拡大掘削時におけるトンネル掘削機の測量方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネル掘削機による旧トンネルの拡大掘削
時において、トンネル計画線に対するトンネル掘削機の
偏位量を円滑且つ精度よく測量する。 【構成】 旧トンネルT1内の空間部を利用して該旧トン
ネルT1内の適所にレーザ発振器１を設置する一方、トン
ネル掘削機Ａ内にはその非回転部の適所に受光器２を設
置し、トンネル掘削機Ａのカッターヘッド６に設けてい
る開口部３を通じてレーザ発振器１からのレーザ光線を
受光器２に照射してトンネル掘削機Ａの現在位置におけ
るトンネル計画線に対する偏位量を測定し、その偏位量
が減少する方向にトンネル掘削機Ａを掘進させながら旧
トンネルT1を拡大して新設トンネルT2を築造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘削機によっ
て旧トンネルを拡大掘削するに際して、旧トンネル内を
利用してトンネル掘削機の現在位置と掘削方向を求める
ための測量方法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネルを掘削する場合、計画線上に沿
って正確にトンネル掘削機を推進させる必要があり、そ
のため、従来から図10に示すように、トンネル掘削機ａ
内の略中心部における非回転部分に受光器32を取付ける
一方、このトンネル掘削機ａによって掘削された掘削機
後方のトンネルT2内にレーザ発振器31を設置してこのレ
ーザ発振器31からのレーザ光線Ｄをトンネル掘削計画線
に合致させた状態にして上記受光器32に照射し、その照
射点に対する受光器中心の偏位量、即ち、掘削機の偏位
量を検出し、受光器32の中心がレーザ光線Ｄと合致する
ようにトンネル掘削機ａの方向制御を行っている。この
ようなトンネル掘削機ａの偏位量の検出は、旧トンネル
T1を拡大掘削する場合においても同様な方法で行われて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トンネ
ル掘削機ａによって掘削されたトンネル内にはトンネル
掘削機ａに後続して油圧発生装置やズリ搬出用ベルトコ
ンベア、ズリ搬出台車、トンネル壁面覆工装置等の設備
が設けられているので、レーザ発振器31および受光器32
をトンネル掘削機ａの回転中心線上（機軸線上）に設置
することができず、これらの後続設備によってレーザ光
線Ｄが遮断されない場所に設置しているのが現状であ
る。このように、レーザ発振器31や受光器32の設置場所
がトンネル掘削機ａの回転中心線上から外れると、トン
ネル掘削機ａがローリングした時にはそのローリング量
に応じた測量補正が必要になるという問題点がある。ま
た、レーザ光線Ｄが遮断されない空間は狭いので、トン
ネルの曲線部においてレーザ発振器31を必要回数移設し
なければならない。

【０００４】さらに、レーザ発振器31の設置は通常、ト
ンネルを一定長、掘進する度に掘削された一次覆工終了
後の新設トンネル内壁面にＬ字形状の支持部材33を固定
し、この支持部材33に着脱自在に設置されるものである
が、この間、トンネルT2内においては作業員やズリ排出
台車等の往来が激しいために、レーザ発振器31の設置場
所の移動作業を任意の時期に行うことが困難となる。そ
の上、レーザ発振器31が次の場所に設置された時にその
設置位置の測量が必要となるが、新設トンネルT2の底面
には軌条設備があって充分な作業足場を確保することが
できなく、測量作業が困難となる。

【０００５】また、新設トンネルT2は一次覆工後におい
ても地山の変動によって絶えず変化しており、この状態
のもとでトンネル内壁面に固定した支持部材33にレーザ
発振器31を設置すると、その設置位置に誤差が生じて精
度のよい測量が行えないという問題点が生じる。本発明
は旧トンネルを拡大掘削することによって大径のトンネ
ルを掘進していく場合において、旧トンネル内をレーザ
発振器の設置場所に利用することにより上記問題点を全
面的に解消し得るトンネル掘削機の測量方法とその方法
を実施するための装置の提供を目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明による旧トンネルの拡大掘削時におけるトンネ
ル掘削機の測量方法は、トンネル掘削機によって旧トン
ネルの周囲の地盤を掘削しながら拡大トンネルを形成し
ていく際に、旧トンネル内の適所にレーザ発振器を設置
し、該レーザ発振器からトンネル掘削機の非回転部分の
適所に設置した受光器にトンネル掘削機の回転掘削部の
開口部を通じてレーザ光を照射することによりトンネル
計画線に対するトンネル掘削機の偏位量を測定すること
を特徴とするものである。

【０００７】又、上記方法を実施するための装置として
は、請求項２に記載しているようにトンネル掘削機によ
って拡大掘削される旧トンネル内に設置されてトンネル
掘削機の方向に向かってレーザ光を照射するレーザ発振
器と、回転掘削部に上記レーザ光を通過させる開口部を
有するトンネル掘削機内の非回転部分に設置された受光
器とから構成しているものである。

【０００８】

【作用】トンネル掘削機によって拡大すべき旧トンネル
内にはレーザ発振器の設置を妨げるものはなく、その内
空の所望の位置に何時でも自由に且つ容易にレーザ発振
器を設置することができる。従って、レーザ発振器をト
ンネル掘削機のローリング等によって測量に影響されな
い旧トンネルの中心部に設置して簡単かつ精度のよい測
量が可能となる。

【０００９】一方、トンネル掘削機の回転掘削部にはレ
ーザ光を通過させる開口部を設けているので、トンネル
掘削機の前方側の旧トンネル内にレーザ発振器が設置さ
れているにも拘わらず、レーザ発振器からのレーザ光
を、該開口部を通じてトンネル掘削機内の非回転部分に
設置された受光器に確実に照射させてトンネル計画線に
対するトンネル掘削機の偏位度を測定することができ
る。

【００１０】こうして、測定された偏位量に基づいてト
ンネル掘削機をトンネル計画線に向かって方向修正しな
がら掘進させ、旧トンネルが一定長さ、拡大掘削される
とレーザ発振器を旧トンネル内における次の測量位置に
設置して再び、トンネル掘削機の偏位量を測定し、トン
ネル掘削機をトンネル計画線上に沿って掘進させる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面について説明す
ると、図１、図２は旧トンネルT1をトンネル掘削機Ａに
よって拡大掘削する場合におけるトンネル掘削機Ａの測
量装置を示すもので、旧トンネルT1内におけるトンネル
計画線Ｘ上（この場合、旧トンネルT1の中心線上とな
る）の適所に設置されたレーザ発振器１と、トンネル掘
削機Ａの非回転部分の適所に設置された受光器２とから
なり、レーザ発振器１からのレーザ光線Ｄはトンネル計
画線Ｘに合わせてトンネル掘削機Ａに向かって照射さ
れ、トンネル掘削機Ａの回転掘削部に設けている開口部
３を通じて受光器２に照射するように構成されている。

【００１２】トンネル掘削機Ａは、このトンネル掘削機
Ａによって旧トンネルT1を拡大掘削することにより形成
される大径の新設トンネルT2方向に長いメインビーム４
と、このメインビーム４の先端に一体に固着している短
筒形状の隔壁体５と、該隔壁体５の開口前端部に回転自
在に支持されたカッターヘッド６と、隔壁体５の外周部
数箇所（図においては４方部）に径方向に拡縮自在に配
設されたサポート部材７と、メインビーム４の長さ方向
の中間部に配設された方向修正機構８と、カッターヘッ
ド６の推進ジャッキ９と、メインビーム４の後端を支持
するリヤサポート10（図５に示す）及び、掘削ズリ排出
用コンベア11とから構成されている。

【００１３】カッターヘッド６は、その中央部を円形状
に大きく切除して前後方向に貫通する上記開口部３に形
成していると共に、その背面外周部に突設した筒胴部6a
を隔壁体５の内周面に回転自在に支持させ、該筒胴部6a
の内周面に内歯車6bを一体に設けて隔壁体５に取付けて
いる駆動モータ12の回転軸に固着した小歯車13を該内歯
車6bに噛合させ、駆動モータ12によって回転させられる
ように構成している。

【００１４】さらに、カッターヘッド６の前面外周部に
は、図３に示すように、その円周上の複数個所に切削ビ
ット61が取付けられていると共に任意の隣接する切削ビ
ット61、61間の外周部に切削ビット61によって切削され
たズリを掻き上げてトンネル掘削機Ａ内に搬入するため
のズリ掻き上げ板62と搬入口63とを設けてあり、カッタ
ーヘッド６によって掘削されたズリを搬入口63からトン
ネル掘削機Ａ内に搬入したのち、後方に向かって突出し
た掻き上げ板62によってカッターヘッド６の回転に伴い
上方に持ち上げ、上記隔壁体５に固定している上向きに
大きく開口したズリ取入口14に投下させて該取入口14を
通じて隔壁体５内に受け入れられ、コンベア11上に搭載
されてトンネル後方側に排出される。

【００１５】上記サポート部材７は、新設トンネルT2の
内壁面ｔに沿って円弧状に湾曲した一定幅と一定円弧長
を有するセグメント形状に形成されてあり、各サポート
部材7 の内周面と隔壁体５とをジャッキ16により連結し
て該ジャッキ16の作動によりトンネル径方向に拡縮させ
られる。

【００１６】上記方向修正機構８は図４に示すように、
メインビーム４の長さ方向の中間部を長さ方向に摺動可
能に受止した断面Ｕ字状のビーム受81と、このビーム受
81の下面側に新設トンネルT2の径方向に向けて水平状に
配設したシリンダー体82と、該シリンダー体82内の両側
に内装された流体圧によって摺動するピストン83と、こ
れらのピストン83のピストンロッド84の端部に固着した
シュー取付部材85と、該シュー取付部材85に装着された
グリッパシュー86と、上記ビーム受81とシリンダー体82
との両側部間を連結しているジャッキ87、87とからな
る。

【００１７】そして、このジャッキ87の作動によってメ
インビーム４を上記サポート部材７を支点として上下方
向に移動させると共に、ピストン83の作動によって外側
面を円弧状に湾曲させている上記グリッパーシュー86を
新設トンネルT2の壁面ｔの両側内面に着脱自在に圧着さ
せるように構成している。また、上記推進ジャッキ９、
９はサポート部材７の背面両側部と上記両側のシュー取
付部材85、85間に夫々連結している。

【００１８】上記受光器２は測定部と該測定部の上方に
設置した反射鏡21とを有しており、トンネル掘削機Ａの
非回転部材である隔壁体５の前面側におけるトンネル中
心点（トンネル掘削機Ａの機軸線上）に測定部の中心が
くるように固定的に設置されている。測定部は図７に示
すように、一枚の凸レンズ22と、該凸レンズ22の前方に
順次配設された第１、第２のターゲット23、24とからな
り、これらのレンズ22とターゲット23、24の中心をトン
ネル掘削機Ａの機軸線Ｂ上に位置させ、且つ最前方側の
第２ターゲット24を凸レンズ22の焦点に配設してある。
トンネル掘削機Ａは通常、その重心点、即ち、方向修正
時における回転中心が該掘削機Ａの前端機軸線上に位置
しており、この点がトンネル計画線Ｘに対するトンネル
掘削機Ａの位置の被測点Ｃとなる。なお、ターゲット2
3、24は多数の光電素子からなるポジションヘンサーヘ
ッドに構成されている。

【００１９】旧トンネルT1内に設置された上記レーザ発
振器１には測距儀17が一体的に設けられており、この測
距儀17と上記反射鏡21とでレーザ発振器１と受光器２間
の距離を自動的に測定したコンピュータ18（図５に示
す）に入力することによりトンネル計画線Ｘ上でのトン
ネル掘削機Ａの位置（移動距離）を自動測定するもので
あるが、これらの測距儀17と上記反射鏡21とは必ずしも
必要ではない。即ち、トンネル掘削機Ａの推進ジャッキ
９のストロークを積算することにより、トンネル計画線
Ｘ上のトンネル掘削機Ａのトンネル方向うの座標値を算
出することができるからである。

【００２０】一方、レーザ発振器１からのレーザ光線Ｄ
を受光器２のターゲット23、24に照射することによって
ターゲット上の座標値を検出し、その座標値をコンピュ
ータ18に入力してトンネル掘削機Ａの現在位置の座標を
算出し、該座標値とトンネル計画線Ｘ上における座標値
とからトンネル計画線Ｘに対するトンネル掘削機Ａのズ
レ（偏位）を演算させ、その演算に基づいてコントロー
ラ19によりトンネル掘削機Ａの方向修正を行うものであ
る。

【００２１】レーザ発振器１と受光器２とによる測量方
法を図７に基づいて説明すると、トンネル掘削機Ａの現
在位置における該掘削機の方向、即ち機軸線Ｂがトンネ
ル計画線Ｘに対してαだけ傾斜しており、且つトンネル
掘削機Ａが被測点Ｃで偏位していない場合において、ト
ンネル掘削機Ａの前方の旧トンネルT1内に設置したレー
ザ発振器１からトンネル計画線Ｘに一致させてレーザ光
線Ｄを照射すると、該光線Ｄは凸レンズ22によって屈折
して第１、第２ターゲット23、24に照射する。

【００２２】この時、第２のターゲット24は凸レンズ22
の焦点位置にあるので、凸レンズ22の光軸と平行にレー
ザ光線Ｄが入射すれば、その光線は全て該ターゲット24
の中心に集まるが、上記のように、トンネル計画線Ｘ上
を照射するレーザー光線Ｄは機軸線Ｂに対して角度αだ
け傾斜しているので、その入射光線は凸レンズ22の焦点
距離をｆとすると、ｆtan αだけ該ターゲット24の中心
から隔たった点に集まり、トンネル掘削機Ａの偏角αを
求めることができる。

【００２３】また、凸レンズ22を介して屈折したレーザ
ー光線Ｄと凸レンズ22の光軸との交差点をＥ、凸レンズ
22と被測点Ｃとの距離をｇ、第１、第２ターゲット23、
24間の距離をｉとすれば、とすれば、ｉ＝ｆ²=／（ｆ＋
ｇ）となり、このＥ点上に第１ターゲット23を配置して
おくと、トンネル掘削機Ａの被測点Ｃが計画線ＸからＳ
だけ偏位した場合、その偏位量Ｓは、第１ターゲット23
の中心からＳ・ｆ／（ｆ＋ｇ）だけ隔たった距離Ｍに縮
小して表されることになる。

【００２４】上記偏位量Ｓおよび偏角αを求めるための
第１、第２ターゲット23、24に照射する点は、機軸線Ｂ
に相当する位置（ターゲットの中心）から上下左右にず
れた位置で電気信号が発せられ、コンピュータ18に入力
され、現在位置におけるトンネル計画線Ｘに対するトン
ネル掘削機Ａの水平方向並びに鉛直方向の偏位量と偏角
をコンピュータ18の演算器により演算して予め該コンピ
ュータ18の記憶装置に記憶させているトンネル計画線Ｘ
（旧トンネルT1の中心線）と対比させ、その位置を入力
するものである。なお、測定部において、１枚のターゲ
ットだけでも測量が可能である。この場合は偏位の測量
が行え、偏角は求められない。

【００２５】図８は上記測量値に基づくトンネル掘削機
Ａの掘進方法を説明するためのブロック図で、トンネル
掘削機Ａが旧トンネルT1の拡大掘削を開始すると同時に
所定時間間隔毎に掘進距離とトンネル計画線Ｘに対する
偏位、偏角を測定し、上記のように計画線Ｘに対するト
ンネル掘削機Ａの現在位置における偏位と偏角、及びト
ンネルの掘進距離をコンピュータ18によって演算、算出
する。これらの算出値による操作量制御値Ｎをコントロ
ーラ19に指示させ、掘削反力支持機構であるグリッパシ
ュー86を備えた方向修正装置８を操作してトンネル計画
線Ｘに沿う方向にトンネル掘削機Ａを掘進させるもので
ある。

【００２６】コントローラ19によるトンネル掘削機Ａの
方向修正機構８の作動は、次のようにして行われる。即
ち、トンネル掘削機Ａの方向修正装置５の両側グリッパ
シュー86、86とを掘削地盤に圧着させた状態で方向修正
装置８に装着しているジャッキ87を伸縮させると、ビー
ム受81が上下方向に移動して該ビーム受81上に中間部が
載置されているメインビーム４がサポート部材７を支点
として上下に移動し、メインビーム４の前端隔壁体５に
配設しているカッターヘッド６が上下方向に移動する。

【００２７】また、方向修正装置８の一方のグリッパシ
ュー86を伸長させ、他方のグリッパシュー86をその伸長
量に同調して収縮させると、メインビーム４がサポート
部材７を支点として左右に振れ、カッターヘッド６が左
右方向に傾動する。従って、カッターヘッド６を上記指
令に応じた向きに推進反力支持機構を備えた方向修正装
置８の作動範囲内で自動的に指向させることができ、カ
ッターヘッド６を回転させると共に地盤に圧着したグリ
ッパシュー86、86を支点として推進ジャッキ９、９を作
動させることにより旧トンネルT1の外周地盤を掘削しな
がら該旧トンネルT1を拡大した新設トンネルT2を掘進す
る。この際、サポート部材７は新設トンネルT2のトンネ
ル壁面ｔに摺動しながら前進する。

【００２８】なお、以上の実施例においては、レーザ発
振器１を旧トンネルT1の中心に設置したが、旧トンネル
T1内ではどの部分にも容易に設置し得ると共にその設置
場所の座標値も簡単に測定し得るので、中心から偏位し
た部分に設置してもよく、また、このレーザ発振器１か
らトンネル計画線Ｘに平行に照射するレーザ光線Ｄを受
光するための受光器２もトンネル掘削機Ａの機軸線Ｂ上
から偏位したトンネル掘削機の非回転部分の適所に設置
しておいてもよい。

【００２９】この場合、レーザ発振器１からのレーザ光
線Ｄがトンネル掘削機Ａの回転掘削部であるカッターヘ
ッド６の中央開口部３より外側に照射されてカッターヘ
ッド６で遮断され、該カッターヘッド６の背面側に設置
されている受光器２にレーザ光線Ｄが到達しえない設置
状態となる場合には、図９に示すように、カッターヘッ
ド６の板面部の適所にカッターヘッド６を貫通する少な
くとも１個のスリット20を設けておけばよい。そうする
と、カッターヘッド６が回転して該スリット20が後方側
に設置した受光器２の前方に達した時にレーザ発振器１
からのレーザ光線Ｄが該スリット20を通過して受光器２
に照射し、上記同様にしてトンネル掘削機Ａの測量が可
能となるものである。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、トンネル
掘削機によって旧トンネルの周囲の地盤を掘削しながら
拡大トンネルを形成していく際に、旧トンネル内の適所
にレーザ発振器を設置し、該レーザ発振器からトンネル
掘削機の非回転部分の適所に設置した受光器にトンネル
掘削機の回転掘削部の開口部を通じてレーザ光を照射す
ることによりトンネル計画線に対するトンネル掘削機の
偏位量を測定するものであるから、旧トンネル内にはレ
ーザ発振器の設置を妨げるものは全く存在しないので、
所望の時間にレーザ発振器を所定の位置に正確且つ簡単
に設置することができ、トンネル掘削機の測量を能率よ
く行えるものである。

【００３１】その際、レーザ発振器をトンネル掘削機の
ローリング等によって測量に影響されない旧トンネルの
中心部に設置することにより、精度のよい測量が可能と
なるものである。また、トンネル掘削機の回転掘削部に
はレーザ光を通過させる開口部を設けているので、トン
ネル掘削機の前方側の旧トンネル内に設置しているレー
ザ発振器からのレーザ光線を、該開口部を通じてトンネ
ル掘削機内の非回転部分に設置された受光器に確実に照
射させながらトンネル計画線に対するトンネル掘削機の
偏位度を測定することができる。

【００３２】さらに、測定された偏位量に基づいてトン
ネル掘削機をトンネル計画線に向かって方向修正しなが
ら掘進させ、旧トンネルが一定長さ、拡大掘削される
と、レーザ発振器を取り外して旧トンネル内における次
の測量位置に簡単に設置することができ、計画線上に沿
ったトンネル掘削が円滑に行えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】旧トンネルを拡大掘削するトンネル掘削機の簡
略縦断側面図、

【図２】その平面図、

【図３】カッターヘッドの正面図、

【図４】方向修正機構部分の縦断正面図、

【図５】測量装置を回路的に図示した簡略側面図、

【図６】その平面図、

【図７】受光器の簡略構成図、

【図８】掘削制御を説明するためのブロック図、

【図９】受光器をカッターヘッドの開口中心部から偏位
した位置に設置した場合のカッターヘッドの正面図、

【図１０】従来例を示す簡略側面図。

【符号の説明】

Ａ トンネル掘削機 T1 旧トンネル T2 新設トンネル １ レーザ発振器 ２ 受光器 ３ 開口部 ５ 隔壁体（非回転部） ８ 方向修正機構 Ｄ レーザ光線 Ｘ トンネル計画線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機によって旧トンネルの周
   囲の地盤を掘削しながら拡大トンネルを形成していく際
   に、旧トンネル内の適所にレーザ発振器を設置し、該レ
   ーザ発振器からトンネル掘削機の非回転部分の適所に設
   置した受光器にトンネル掘削機の回転掘削部の開口部を
   通じてレーザ光を照射することによりトンネル計画線に
   対するトンネル掘削機の偏位量を測定することを特徴と
   する旧トンネルの拡大掘削時におけるトンネル掘削機の
   測量方法。
2. 【請求項２】 トンネル掘削機によって拡大掘削される
   旧トンネル内に設置されてトンネル掘削機の方向に向か
   ってレーザ光を照射するレーザ発振器と、回転掘削部に
   上記レーザ光を通過させる開口部を有するトンネル掘削
   機内の非回転部分に設置された受光器とからなることを
   特徴とする旧トンネルの拡大掘削時におけるトンネル掘
   削機の測量装置。