JPH09126774A - トンネル機械の位置・姿勢計測方法及びその計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中継測点を移動台車上に設けたトンネル機械
の位置・姿勢計測方法において、中継測点の位置・姿勢
が不明となることを阻止する。 【解決手段】 基準測点と、トンネル機械上に設けた移
動体測点との間に、トンネル機械の掘進と共に基準測点
から掘進方向に遠ざかる移動台車上に搭載された中継測
点を設け、基準測点から放射した光を中継測点で受光し
て中継測点の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測する
と共に、中継測点から放射した光を移動体測点で受光し
て移動体測点の位置及び姿勢を中継測点を基準に計測す
ることによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢
を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置・姿勢
計測方法において、トンネル機械の掘進停止時に、移動
台車を、基準測点から放射した光が到達可能な距離に移
動させて停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル機械の位
置・姿勢計測方法及びその計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル施工では、計画線通りの施工を
行うために、トンネル機械の位置・姿勢を計測する。位
置計測は、トンネル空間内に適当な三次元座標系を設置
してその３成分で表すのが普通である。通常はトンネル
計画線を１つの座標軸とし、これより得られる掘進距離
と、計画線からの水平方向へのずれと、計画線からの鉛
直方向へのずれとにより、トンネル機械の位置を表すこ
とが多い。他方、姿勢計測は、前記三次元座標系の各軸
回りの３成分で表すのが普通である。例えばトンネル機
械の水平面方向の向き（ヨーイング角）と、トンネル機
械の前後方向の傾き（ピッチング）と、トンネル機械の
中心軸回りの回転（ローリング）とにより、トンネル機
械の姿勢を表すことが多い。

【０００３】そしてトンネル機械における上記計測は、
レーザ光などの光ビームを用いるのが普通である。とこ
ろが光ビームは、トンネル内の温度、湿度、粉塵等の影
響を受け、１００〜１５０ｍ程度の有効到達距離しかな
い。そこで直線施工でも、施工距離が長いときは、トン
ネル機械後方の既知点（以下、基準測点とする）と、こ
のトンネル機械に備えた測点（以下、移動体測点とす
る）と間に、光ビーム発生手段等を備えた中継測点を設
ける。他方、曲線施工では、曲部での光ビームの移動体
測点への未達に対し、上記同様、中継測点を必要数設け
る。即ち、このような計測では、通常のトラバース測量
と同様、基準測点、必要数の中継測点、移動体測点を設
けて行う。

【０００４】上記中継測点なる光ビーム発生手段等は、
いわゆる盛替え手順によりトンネル機械後方に周設した
セグメント等の固定物上やトンネル内を移動可能とされ
た移動台車上に設ける。ところで前者「中継測点をセグ
メント等の固定物上に設置した」技術は、設置作業（即
ち、盛替え作業）を作業者が行わなければならない。従
って手数がかかるばかりか、盛替えに熟練を要し、自動
化も期待できないという問題がある。そこでこの問題を
解決した技術が後者「中継測点を移動台車上に設置し
た」技術と言える。

【０００５】そして後者技術として、例えば特開昭５−
２８８５４８号公報がある。これは、「自動追尾式測距
測角儀を搭載した走行台車をシールド掘進機の後方台車
の後方に連結し、もしくはこの走行台車を自走式とし、
シールド掘進機の掘進時に、走行台車を静止させたまま
で、立坑側の基準点を基にこの自動追尾式測距測角儀の
位置を自動検出し、次いでシールド掘進機に取り付けた
ターゲットを追尾してシールド掘進機の位置を検出し、
後方台車の進行・停止とは独立してこれに追従してゆく
自動測量方法」なる技術を開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来の特
開昭５−２８８５４８号公報記載の技術は、自動追尾式
測距測角儀が立坑側の基準点を視準できなくなる位置で
は、この自動追尾式測距測角儀の位置を自動検出するこ
とができないという問題がある。即ち、自動追尾式測距
測角儀が立坑側の基準点を視準できなくなる位置では、
自動追尾式測距測角儀からトンネル機械（シールド掘進
機）に取り付けたターゲットを視準できても、自動追尾
式測距測角儀自体の基準点に対する位置が不明となって
いるため、トンネル機械の位置を検出できないという問
題が生じる。

【０００７】また管推進工法でも、推進管が先導管と共
に推進されるため、推進管上に位置した移動台車も推進
管と共に移動する。そして移動台車が、光ビームが到達
しない位置（直線施工にあっては光ビームの有効到達距
離を越えた位置、また曲線施工にあっては曲線部）に至
ることにより、上記同様、トンネル機械（先導管）の位
置・姿勢を計測できなくなるという問題が生じている。

【０００８】本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、移
動台車が移動することにより、移動台車（即ち、中継測
点）の位置・姿勢が不明となり、もって移動体測点（即
ち、トンネル機械）の位置・姿勢も計測できなくなると
いう従来技術の問題点の解決方法及びその装置を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係わるトンネル機械の位置・姿勢計測方法
及びその計測装置は、 （１）第１に、基準測点と、トンネル機械上に設けた移
動体測点との間に、トンネル機械の掘進と共に基準測点
から掘進方向に遠ざかる移動台車上に搭載された中継測
点を設け、基準測点から放射した光を中継測点で受光し
て中継測点の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測する
と共に、中継測点から放射した光を移動体測点で受光し
て移動体測点の位置及び姿勢を中継測点を基準に計測す
ることによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢
を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置・姿勢
計測方法において、トンネル機械の掘進停止時に、移動
台車を、基準測点から放射した光が到達可能な距離に移
動させて停止させることを特徴としている。 （２）第２に、曲線施工を考慮して、基準測点と、トン
ネル機械上に設けた移動体測点との間に、トンネル機械
の掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざかる移動台車
上に搭載された中継測点を設け、基準測点から放射した
光を中継測点で受光して中継測点の位置及び姿勢を基準
測点を基準に計測すると共に、中継測点から放射した光
を移動体測点で受光して移動体測点の位置及び姿勢を中
継測点を基準に計測することによって、トンネル機械の
掘進中の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測するトン
ネル機械の位置・姿勢計測方法において、トンネル機械
の掘進停止時に、移動台車を、基準測点から放射した光
が到達可能な距離に移動させた後、トンネル機械の掘進
時に、移動台車の前記移動を停止させて移動台車が前記
掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざかりながら、中
継測点及び移動体測点のそれぞれの位置及び姿勢を計測
することを特徴としている。 （３）第３に、直線施工を考慮して、基準測点と、トン
ネル機械上に設けた移動体測点との間に、トンネル機械
の掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざかる移動台車
上に搭載された中継測点を設け、基準測点から放射した
光を中継測点で受光して中継測点の位置及び姿勢を基準
測点を基準に計測すると共に、中継測点から放射した光
を移動体測点で受光して移動体測点の位置及び姿勢を中
継測点を基準に計測することによって、トンネル機械の
掘進中の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測するトン
ネル機械の位置・姿勢計測方法において、トンネル機械
の掘進停止時に、移動台車を、基準測点から放射した光
が到達可能な距離に移動させた後、トンネル機械の掘進
中に、移動台車の前記移動を停止させて、移動台車が前
記掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざかりながら、
中継測点からの光の放射方向を移動体測点の移動する方
向にし、中継測点及び移動体測点のそれぞれの位置及び
姿勢を計測することを特徴としている。 （４）第４に、請求項１〜３に記載のトンネル機械の位
置・姿勢計測方法において、基準測点と移動体測点の間
に、複数台の前記移動台車上にそれぞれ搭載された前記
中継測点を設けると共に、トンネル機械の掘進停止時
に、各移動台車を、基準測点から、又は当該中継測点よ
り基準測点側の隣の中継測点から放射した光が到達可能
な距離に移動させた後、トンネル機械の掘進時に、各移
動台車の前記移動を停止させて各移動台車が前記掘進と
共に基準測点から掘進方向に遠ざかりながら、各中継測
点及び移動体測点のそれぞれの位置及び姿勢を計測する
ことによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢を
基準測点を基準に計測することを特徴としている。 （５）第５に、基準測点と、トンネル機械上に設けた移
動体測点と、基準測点及び移動体測点の間に設けられた
移動台車上に搭載された中継測点とを有すると共に、前
記基準測点及び中継測点にそれぞれ設けられ、かつ、そ
れぞれ中継測点又は移動体測点に向けてレーザ光を放射
するレーザ発振器と、前記中継測点及び移動体測点にそ
れぞれ設けられ、それぞれ基準測点又は中継測点の前記
レーザ発振器から放射されたレーザ光を受光し、かつ、
この受光位置変位量に基づいて中継測点又は移動体測点
の位置及び姿勢を計測する受光器とを備え、この各受光
器で計測された中継測点及び移動体測点のそれぞれの位
置及び姿勢に基づいて、トンネル機械の掘削中の位置及
び姿勢を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置
・姿勢計測装置において、トンネル機械の掘進停止時
に、基準測点の前記レーザ発振器から放射されたレーザ
光が中継測点の前記受光器に到達可能な所定距離に前記
移動台車が移動するように、移動台車に移動指令を出力
するホスト制御器を備えたことを特徴としている。 （６）第６に、請求項５に記載のトンネル機械の位置・
姿勢計測装置において、基準測点と移動体測点の間に前
記移動台車及び前記中継測点を複数配設し、各中継測点
には前記レーザ発振器と前記受光器とを備えると共に、
前記ホスト制御器は、トンネル機械の掘進停止時に、前
記各レーザ発振器から放射されたレーザ光が受光される
べき前記受光器に到達可能な所定距離に前記各移動台車
が移動するように、各移動台車に移動指令を出力するこ
とを特徴としている。

【００１０】

【作用】上記第１構成は、要すれば、基準測点と、移動
台車上の中継測点と、トンネル機械上の移動体測点とを
結ぶように光ビームを放射することにより、基準測点に
対する中継測点の位置・姿勢を測定し、次いでこの中継
測点に対する移動体測点（即ち、トンネル機械）の位置
・姿勢を測定するトンネル機械の位置・姿勢計測方法に
おいて、トンネル機械の掘進停止時に、移動台車を、基
準測点から放射した光が到達可能な距離に移動させて停
止させるようにしている。例えば、第２構成又は第５構
成に示すように、掘進中は、移動台車を停止させておく
が（この場合、従来技術に示したように、移動台車はシ
ールド掘進機と共に、又は推進管とともに基準測点から
トンネル機械の方へ遠ざかる）、他方、掘進停止中に元
の位置に移動させる。このようにすると、中継測点（即
ち、移動台車）と基準測点との距離が所定範囲に保持さ
れ、基準測点と中継測点との間で光ビームが到達しなく
なるということがなくなる。即ち、第２構成又は第４構
成は、特には曲線施工に適用されるが、直線施工でも適
用可能である。他方、第３構成に示すように、光の放射
方向とは、距離測定が不要であることを示す。すなわ
ち、第３構成は、直線施工や、曲線施工後の直線施工に
適用される。また、第４構成又は第６構成においては、
中継測点及び移動台車を複数配設する場合、掘進中は、
各移動台車を停止させておくが（この場合、前述同様に
各移動台車はシールド掘進機と共に、又は推進管ととも
に基準測点からトンネル機械の方へ遠ざかる）、掘進停
止中に元の位置に移動させる。このようにすると、各中
継測点（即ち、移動台車）と基準測点との距離、又は各
中継測点間の距離が所定の範囲に保持され、基準測点と
中継測点との間、及び各中継測点間で光ビームが到達し
なくなるということがなくなる。なお、第４構成又は第
６構成は、曲線施工及び直線施工に適用される。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１〜図７を参
照して例機と共に説明する。尚、本実施例に供される例
機は管推進工法用のトンネル機械（以下、先導管とす
る）と、これに搭載した各種計測機器とでなる。管推進
工法は、図２に示すように、発進立坑１０に設けた油圧
ジャッキ等の推進機２０で先導管３０又はこれに順次継
足された推進管４０を地中に押し込みつつ推進管４０を
到達立坑（図示せず）まで埋設する工法である。

【００１２】例機は、図４に示すように、発進立坑１０
に基準測点Ａを設け、先導管３０に移動測点Ｂを設け、
中継測点Ｃを設置してある。そしてこの中継測点Ｃは図
示しない移動台車に搭載してある。

【００１３】各測点Ａ、Ｂ、Ｃの計測機器を、図４を参
照して説明する。 （１）基準測点Ａは、俯仰水平回転自在とされたレーザ
発振器Ａ１及び光波測距測角儀Ａ２並びにこれらの俯仰
水平角を検出する角度計Ａ３等の各計測機器と、前記レ
ーザ発振器Ａ１及び光波測距測角儀Ａ２の俯仰水平駆動
アクチュエータ、光波測距測角儀Ａ２及び角度計Ａ３に
電気的に接続されたホスト制御器Ａ４とを備えている。 （２）中継測点Ｃは、俯仰水平回転自在とされて移動体
測点Ｂに向けたレーザ発振器Ｃ１及び光波測距測角儀Ｃ
２、これらの俯仰水平角を検出する角度計Ｃ３と、受光
器Ｃ４、反射プリズムＣ５並びにローリング計Ｃ６等の
各計測機器と、前記レーザ発振器Ｃ１及び光波測距測角
儀Ｃ２の俯仰水平駆動アクチュエータ、光波測距測角儀
Ｃ２、角度計Ｃ３、受光器Ｃ４及びローリング計Ｃ６に
電気的に接続されたローカル制御器Ｃ７とを備えてい
る。 （３）移動体測点Ｂは、受光器Ｂ１、反射プリズムＢ２
及びローリング計Ｂ３等の各計測機器と、前記受光器Ｂ
１及びローリング計Ｂ３に電気的に接続されたローカル
制御器Ｂ４とを備え、移動台車上に設けられている。 （４）尚、前記ホスト制御器Ａ４には前記ローカル制御
器Ｃ７、Ｂ４が電気的に接続され、通信可能とされてい
る。尚、前記移動台車の走行制御及び制動制御は、ホス
ト制御器Ａ４からローカル制御器Ｃ７を経てなされる。

【００１４】尚、上記受光器Ｃ４、Ｂ１は、レーザ発振
器Ａ１（中継測点Ｃが複数ある時は、レーザ発振器Ｃ１
も含む）からのレーザ光Ｓに対する受光器Ｃ４、Ｂ１自
体の位置、ピッチング及びヨーイングを得るものであ
る。このような受光器Ｃ４、Ｂ１としては、例えば集光
レンズと、透明又は半透明の第１受光板と、ＣＣＤ等で
なる第２受光板とをこの順で互いに離間して鉛直方向に
平行配列したものがある。詳しくは、第１受光板と第２
受光板とは、集光レンズの光軸上を原点とした水平方向
と鉛直方向とからなる平面座標を備えており、かつ第２
受光板の原点が集光レンズの焦点と一致するように位置
に配置してある。従って集光レンズを透過したレーザ光
Ｓの第１受光板上での入射点座標は、レーザ光Ｓに対す
る受光器Ｃ４、Ｂ１の相対位置を表す。他方、第１受光
板を透過したレーザ光Ｓの第２受光板上での入射点座標
は、レーザ光Ｓに対する受光器Ｃ４、Ｂ１のピッチング
及びヨーイングの算出要素となる。受光器Ｃ４、Ｂ１の
ローリングは、ローリング計Ｃ６で計測し、前記受光器
Ｃ４、Ｂ１の位置、ピッチング及びヨーイングの補正に
供される。そしてこれら演算は、受光器Ｃ４、Ｂ１及び
ローリング計Ｃ６、Ｂ３に接続されたローカル制御器Ｃ
７、Ｂ４で行われる。なお、上記のレーザ光Ｓの第２受
光板上での入射点座標によって受光器Ｃ４、Ｂ１のヨー
イングのみを検出し、ピッチングはローリングと同様に
傾斜計で計測するようにしてもよい。

【００１５】以下実施例方法を第１図のフロチャート及
び図３〜図７を参照して説明する。既説の通り、管推進
工法では、推進管４０も移動するため、中継測点Ｃも移
動し、光ビームなるレーザ光Ｓが到達しなくなると、先
導管３０の位置・姿勢を計測することができなくなる。

【００１６】そこで、図１に示すように、先ず、移動台
車を推進管４０の内部を予め定めた位置まで移動させて
停止させる（工程５１−５２）。この予め定めた位置と
は、曲線施工設計時に定めた地点でも、また施工実績上
定めた地点でもよい。設置条件として、基準測点Ａから
のレーザ光Ｓの可能到達点よりも手前である必要があ
る。例えば、第３図では、次の推進管４０の押し込み時
に基準測点Ａからのレーザ光Ｓは移動測点Ｂに到達しな
くなる。そこで、移動台車を発振立坑１０から推進管４
０の内部を移動させ、例えば基準測点Ａと移動測点Ｂと
の中間位置や、先導管３０から２つ手前の推進管４０の
位置としてもよい。すなわち、移動台車は、中継測点Ｃ
から基準測点Ａ及び移動測点Ｂが望める位置に在りさえ
すればよい。

【００１７】尚、移動台車の構造、移動機構及び移動距
離の検出方法に関しては様々なものが考えられ、本発明
はその構造、移動機構及び付随する機器構成などは問わ
ない。一般的に、移動台車の構造として、推進管内を移
動するタイプ、推進管内に設置され管推進工法に使われ
ている管類（例えば、推進中の土砂を排出する管や、先
導管を駆動するための管や、ケーブル等）を用いて移動
するタイプ、また、専用の走行レールなどを用いて移動
するタイプなどが考えられが、本発明はこれらのタイプ
の移動方法には限定されない。

【００１８】一方、移動台車の移動のさせ方がそれぞれ
異なるので、以下に若干例示して説明する。移動台車の
移動の仕方としては、移動台車にモータなどの自走用駆
動源を持った自走タイプと、駆動源を持たない非自走タ
イプがある。自走タイプの場合、前述の工程５１−５２
は、駆動源に駆動指令を与えて所定の位置まで走行さ
せ、停止させる方法が考えられる。所定の位置を検出す
る方法は、例えばモータ等を使用する場合はロータリー
エンコーダ等を設置して移動台車の移動量を計測しても
よい。あるいは、ホスト制御器が基準測点Ａに設置した
光波測距測角儀により移動台車（中継測点Ｃ）との距離
を計測し、基準測点Ａから所定距離離れた地点で移動台
車を停止させるようにしてもよい。

【００１９】非自走タイプの場合、移動台車にワイヤや
ロッド等の一端を接続し、その他端を立坑（基準測点
Ａ）まで引き込むような構造とし、立坑側に導かれてい
る上記ワイヤやロッド等を引っ張ったり押し込んだりし
て、移動台車を移動させる方法が考えられる。このワイ
ヤやロッドの配置の仕方としては、例えば、単純に移動
台車と繋いで立坑まで持ってくる方法や、このように繋
いだワイヤやロッドに加えて、さらに、先導管側に滑車
等を設け、移動台車の先導管側に繋いた他のワイヤやロ
ッドを上記滑車等で折り返して立坑に引き込む方法等が
考えられるが、本発明はこれらを問わない。この場合、
立坑まで引き込まれた上記ワイヤやロッドの一端を、ウ
ィンチなどで引っ張ったり、ジャッキ等で押したりして
動かすこともできるし、又は、人手によって操作するこ
とも可能である。また、移動距離及び停止位置の監視に
ついては、前述したようなロータリーエンコーダが採用
されている場合は、このエンコーダの出力値をホスト制
御器に通信等で入力する。そして、ホスト制御器に上記
ウィンチやジャッキ等の駆動源があれば、ホスト制御器
が上記エンコーダ値に基づいてその駆動源を制御して移
動や停止を行わせることができるし、あるいは、ホスト
制御器に上記エンコーダ値を表示して手動操作で行うこ
とも可能である。なお、この方法によれば、光波測距測
角儀の距離データを使うことも可能である。また、ワイ
ヤやロッドなどの長さを計測することによって、移動量
を測定することも可能であり、特段、電気的に移動距離
を計測する必要はない。ここで、ワイヤ、ロッドなど
は、移動台車から立坑まで一体である必要はなく、幾つ
かに分割されたものを連結して使用しても機能に代わり
がないことは当然である。

【００２０】つぎに、推進管４０の押し込みを再開し、
推進機２０で押し込んだ後（工程５４）、次の推進管４
０を継ぎ足す工程に入ったことを通信手段（本例では、
ホスト制御器Ａ４からローカル制御器Ｃ７を経た指令）
を以て移動台車に伝え、この工程中もしくは前後に、推
進管４０の１本分の長さを発振立坑１０の方向に後退移
動させて停止させる（工程５５−５２）。自走式の移動
台車の場合は、上記通信手段によって移動させ、非自走
式の場合は、例えば１本分の長さをホストコントローラ
の表示によるメッセージをもって移動させる。この工程
５５−５２を、第４図、第５図に示す。つまり、推進管
４０の押し込み中、移動台車は、推進管４０と共に移動
していることになる（図４）が、推進管４０の継足し工
程に入り、自ら推進管長分だけ移動することにより、前
の工程で停止していた地点に戻ってくる（図５）。

【００２１】このような動作をする移動台車を用いての
移動台車（即ち、中継測点Ｃ）の位置・姿勢の測定を経
て、先導管３０の位置・姿勢を計測する手順を述べる
（工程５３）。基準測点Ａのレーザ発振器Ａ１からのレ
ーザ光Ｓは、移動台車に設置した中継測点Ｃの受光器Ｃ
４で受光される。ローカル制御器Ｃ７は，受光器Ｃ４か
らの計測データと、ローリング計Ｃ６からのローリング
角とを入力し、ローリング角で補正した中継測点Ｃの位
置、ピッチング及びヨーイングを測定し、この結果とロ
ーリング角を基準測点Ａのホスト制御器Ａ４へ伝送す
る。ホスト制御器Ａ４は、基準測点Ａの光波測距測角儀
Ａ２が中継測点Ｃの反射プリズムＣ５とで計測した基準
測点Ａから中継測点Ｃまでの距離も入力する。以上によ
り、中継測点Ｃ（即ち、移動台車）の位置・姿勢が計測
される。

【００２２】尚、本実施例では、光波測距測角儀Ａ２及
び反射プリズムＣ５によって基準測点Ａと中継測点Ｃ間
の距離及び俯仰水平角を測定しているが、本発明に係わ
る位置・姿勢計測方法はこれに限定するものではなく、
例えば、俯仰水平角の計測はレーザ付きセオドライトに
よって行ない、これとは別に、距離の計測は光波距離計
によって行ってもよい。上記レーザ付きセオドライトは
俯仰水平駆動用アクチュエータを備えていないような手
動操作によるものであってもよく、この場合にはこれに
伴って、角度計Ａ３も電気的にホスト制御器Ａ４と接続
されてなくてもよいが、これらの角度計Ａ３の値は、ホ
スト制御器Ａ４に人手により入力可能となっていること
が望ましい。また、上記距離計測は、例えばワイヤ長や
推進管４０の本数等によって計測しても構わない。

【００２３】次に、この移動台車の位置・姿勢におい
て、移動台車の中継測点Ｃのレーザ発振器Ｃ１から先導
管３０の方向へレーザ光Ｓを発振する。またこのときの
レーザ発振器Ｃ１の俯仰水平角を角度計Ｃ３で計測し、
この計測データをローカル制御器Ｃ７に入力する。先導
管３０の存在方向は、施工計画線と既に推進されている
推進管４０の本数とにより概ね確定されている。また、
施工履歴を参照することによりさらに精度良く推定する
事もできる。先導管３０の存在位置が推定され、中継測
点Ｃの姿勢が計測できることより、レーザ光Ｓの発光方
向を概ね定めることが可能であり、先導管３０上の移動
体測点Ｂの受光器Ｂ１にレーザ光Ｓを照射することがで
きる。なお、受光器Ｂ１で受光できない場合には、レー
ザ発振器Ｃ１の俯仰水平角を調整して受光可能な俯仰水
平角にすることによって、上記で説明した作用と同じ作
用が得られ、本発明の作用に変わりが無いことは言うま
でもない。この先導管３０上の移動測点Ｂの受光器Ｂ１
はレーザ発振器Ｃ１からのレーザ光Ｓを受光し、受光器
Ｂ１（即ち、先導管３０そして移動測点Ｂ）の位置、ピ
ッチング及びヨーイングの計測データをローカル制御器
Ｂ４に入力する。このローカル制御器Ｂ４はローリング
計Ｂ３からローリング角を入力して、前記移動測点Ｂ
（即ち、先導管３０）の位置、ピッチング及びヨーイン
グの計測データを補正する。

【００２４】尚、移動台車を未だ配置していない間で
は、前記受光器Ｂ１は基準測点Ａに備えたレーザ発振器
Ａ１からのレーザ光Ｓを受光する。尚、重力方向の姿勢
は、傾斜計等を別途移動測点Ｂに備えることにより計測
し、この計測データをローカル制御器Ｂ４に入力する。

【００２５】中継測点Ｃから移動測点Ｂまでの距離は、
中継測点Ｃに設けた光波測距測角儀Ｃ２と、移動測点Ｂ
に設けた反射プリズムＢ２とで行い、この計測データは
光波測距測角儀Ｃ２から中継測点Ｃに設けたローカル制
御器Ｃ７に入力される。この距離計測も、前記同様、前
記光波測距測角儀Ｃ２や反射プリズムＢ２を用いること
なく、例えばワイヤ長や推進管４０の本数等によって計
測しても構わない。尚、前記光波測距測角儀Ａ２、Ｃ２
が、レーザ光等の光ビームに変調をかけて、発光、受光
間の変調位相差を計測することにより計測する原理であ
るならば、前記レーザ発振器Ａ１、Ｃ１にレーザ光を変
調する機能と、受光した光の位相差を検出する機能をも
たせることにより、距離計測を成し得るようにしてもよ
い。

【００２６】また、これまで説明した、基準測点Ａから
中継測点Ｃまでの距離、中継測点Ｃから次の中継測点Ｃ
までの距離、または、中継測点Ｃから移動測点Ｂまでの
距離を計測する他の方法として、例えば三角測量原理を
用いてもよい。すなわち、前記レーザ発振器Ａ１、Ｃ１
から所定距離離した位置に受光器を設置し、レーザ発振
器Ａ１、Ｃ１から照射されたレーザ光を、中継測点Ｃの
前記各計測機器を収納した中継器に、もしくは先導管に
当てる。そして、このレーザ光が当たった位置を上記受
光器で検出し、その受光位置の変位と、レーザ発振器か
ら受光器までの距離とを基に、レーザ発振器Ａ１、Ｃ１
からレーザ光が当たっている位置までの距離を計測する
ようにしてもよい。なお、この場合には、レーザ光が当
たるべき位置は光を散乱反射すればよいので、中継測点
Ｃ又は移動測点Ｂに反射プリズムを設ける必要はなく、
上記のレーザ光が当たるべき位置に例えば色付きプラス
チック等の反射面を設ければよい。

【００２７】中継測点Ｃのローカル制御器Ｃ７は、基準
測点Ａから照射されるレーザ光を受光した中継測点Ｃの
位置と、ローリング角により補正されたピッチング角及
びヨーイング角と、傾斜計により計測されたローリング
角とを記憶すると共に、先導管３０へのレーザ照射の俯
仰水平角及び距離を記憶し、それらのデータをホスト制
御器Ａ４へ送信する。先導管３０上の移動体測点Ｂの中
継測点Ｃより照射されたレーザ光を受光することにより
測定された位置、ピッチング角、ヨーイング角、及び傾
斜計により計測されたローリング角は、ローカル制御器
Ｂ４に記憶されているが、これらもホスト制御器Ａ４に
送信される。ホスト制御器Ａ４は、基準測点Ａにある光
波測距測角儀Ａ２のデータと共に、まず、中継測点Ｃの
位置を演算し、その位置と姿勢、並びに前記レーザ光俯
仰水平角及び距離、移動体測点Ｂの位置及び姿勢データ
によって、基準測点Ａからの移動体測点Ｂの位置を演算
することができる。これと共に、ホスト制御器Ａ４は、
基準測点Ａに任意に設けられた方位（通常、立坑からの
発進方位）に対する移動体測点Ｂの方向（ヨーイング角
に相当）、ピッチング角及びローリング角（上記の傾斜
計の値をそのまま使う）を演算することができ、これら
の演算結果を推進機２０のオペレータに表示等の手段で
知らせることができる。これらの演算は、推進機２０の
操作中であっても、レーザ光が基準測点Ａから移動体測
点Ｂまでつながっていれば可能である。

【００２８】また、上記の演算手順は、これに限定され
るものでは無く、例えば以下のように行ってもよい。す
なわち、移動体測点Ｂのデータを中継測点Ｃのローカル
制御器Ｃ７に転送し、ローカル制御器Ｃ７により中継測
点Ｃ及び移動体測点Ｂの位置を演算し、この演算結果
と、ローカル制御器Ｃ７に記憶されている基準測点Ａか
らのレーザ光による受光位置、ピッチング角、ヨーイン
グ角及びローリング角とをホスト制御器Ａ４に転送す
る。そして、ホスト制御器Ａ４は、基準測点Ａと中継測
点Ｃの位置関係を演算し、かつ、ローカル制御器Ｃ７に
よって演算され転送された前記中継測点Ｃと移動体測点
Ｂの位置関係を利用することにより、移動体測点Ｂの位
置及び姿勢を基準測点Ａを基準にした位置及び姿勢に変
換して演算するようにしても、何ら差し支えは無い。ま
た、ホスト制御器Ａ４は、中継測点Ｃ及び移動体測点Ｂ
の位置を常に知ることができるので、管継ぎ工程に入っ
た時以外であっても、中継測点Ｃにあるレーザ発振器の
俯仰水平角が不正であるような時に、レーザ光により基
準測点Ａから移動体測点Ｂをつなぐように、中継測点Ｃ
の移動を指令できる機能を持つことが可能になる。

【００２９】実施例の効果を述べる。上記実施例から明
らかなように、先導管３０なるトンネル機械の位置・姿
勢を基準測点Ａから移動台車（即ち、中継測点Ｃ）の位
置・姿勢を経由して計測することが可能となる。そし
て、これら計測は、トンネル機械が掘進中においてもな
すことができるため、トンネル機械の的確な方向修正や
制御が可能となる。そして、トンネル機械の推進の停止
中に、移動台車が、前述したように、推進管４０の１本
分だけ基準測点Ａの側に後退するため、推進管４０の１
本分の区間において光路確保可能な地点に、移動台車を
設置させれば、次の推進管施工区間においても位置・姿
勢を計測できる。

【００３０】また、移動台車とトンネル機械との間の距
離は、計測しなくても良い場合も有る。これは、施工条
件によるが、最終曲進後のトンネル機械の進行方向を正
確に制御しておけば良い場合である。例えば、図６に示
すように、曲進区間終了後は直線であり、最終到達地点
までその方向へさえ推進すれば良いような場合（即ち、
トンネル機械の位置が曖昧でも推進できる場合）は、距
離を敢えて計測する必要はなく、移動台車上のレーザ発
振器Ｃ１のレーザ光Ｓは、トンネル機械の掘進する方位
を与え、トンネル機械上の受光器Ｂ１の受光を基準とし
た変位量と方向の変角のみを計測し、トンネル機械を制
御して行けば良いことは明確である。

【００３１】曲進施工区間が２カ所以上ある施工や、曲
線施工長が長く１台の中継測点では立坑から先導管まで
常時レーザ光でつながった状態にできないような施工の
場合などは、移動台車を複数設置すれば良いことは明白
である。この場合は、移動台車から放射される光ビーム
が、トンネル機械に搭載された受光器Ｂ１に検出されな
くなった時に又は施工線形上予測される時に、図７
（ａ）に示すように、先行の移動台車をトンネル機械側
へ移動させ、次いで図７（ｂ）に示すように、新たな移
動台車を先行した移動台車の元あった位置まで移動させ
ることにより光ビームの経路を基準測点Ａより移動測点
Ｂまで結べば良い。そして、基準測点Ａから移動測点Ｂ
まで常時光ビームでつながるように、すなわち、各レー
ザ発振器から放射した光が受光されるべき受光器に到達
可能な所定距離の範囲に各移動台車がいるように、この
各移動台車を上述のように移動して停止させればよいこ
とは言うまでもない。なお、本発明に係わる移動台車
（中継測点）の投入手順については、上述した例に限定
されない。また、本実施形態においては移動量を推進管
１本分としたが、これに限定されずに、例えば、光ビー
ムがつながる状態で、推進管１本分以外の移動量とする
ことも可能である。

【００３２】尚、上記説明から明らかなように、トンネ
ル機械の位置・姿勢における計測機器の配置は、上記の
例機の配置に限定されることなく、千差万別である。幾
つかの事例を次に列記する。

【００３３】第１事例として、（１）基準測点Ａには、
反射プリズムＡ５を配置し、（２）中継測点Ｃには、反
射プリズムＣ５、後視かつ前視可能に俯仰水平回転自在
とされ、後視して前記基準測点Ａの反射プリズムＡ５
と、前視して移動測点Ｂの反射プリズムＢ２とに光ビー
ムを投射し、中継測点Ｃから基準測点Ａまで及び中継測
点Ｃから移動測点Ｂまでの距離を計測する光波測距測角
儀Ｃ２、少なくとも移動測点Ｂの受光器Ｂ１に向けてレ
ーザ光Ｓを投射するために俯仰水平回転自在とされたレ
ーザ発振器Ｃ１、これらの俯仰水平角を計測する角度計
Ｃ３等の各測機器と共に、ローカル制御器Ｃ７を配置す
る。尚、中継測点Ｃを複数設置可能とされるため、受光
器Ｃ４及び反射プリズムＣ５も備える。（３）移動体測
点Ｂには、前記例機同様、受光器Ｂ１と、反射プリズム
Ｂ２と、ローリング計Ｂ３等の各測機器と共に、ローカ
ル制御器Ｂ４を配置したもの、（４）尚、例えば発進立
坑近辺にホスト制御器Ａ４を備え、ローカル制御器Ｃ
７、Ｂ４と通信し、移動台車を制御し、かつ、ローカル
制御器Ｃ７、Ｂ４からの測定データを入力してトンネル
機械の位置・姿勢を演算する。

【００３４】また第２事例として、中継測点Ｃに基準測
点Ａからのレーザ発振器Ａ１からのレーザ光Ｓを反射す
るだけのものでもよい。

【００３５】また第３事例として、目標計測精度によっ
ては、姿勢計測の一部、例えばローリング計Ｃ２、Ｂ３
等を不要としたものなど多々ある（即ち、上記６成分の
総てを計測しない場合も多々ある）。

【００３６】

【発明の効果】上記実施例の説明から明らかように、本
発明は、要すれば、特許請求の範囲に記載の手段を講じ
たものであり、上記実施例の説明から分かるように、移
動台車（即ち、中継測点）の位置・姿勢が不明とならな
いため、トンネル機械の位置・姿勢を正確に計測でき
る。詳しくは、次の通り。 （１）従来の技術では、掘進するトンネル掘進機の位置
・姿勢を計測する方法では、特に近年施工事例が出てき
た、曲線、急曲線施工に対して、位置・姿勢を精度よく
計測する際に、光路の確保が困難なため、盛り替え作業
を必要とし、自動化しにくいなどの問題があったが、本
発明により、自動化を推進することができる。これは、
特に人がトンネル内に入ることが難しい小口径の施工に
おいて有効であり、自動的に測量を行う機械の適用を広
げる効果がある。 （２）また、トンネル機械の掘進中の位置、姿勢を捉え
ることから、トンネル機械の方向修正、制御にそのデー
タを使用することができ、トンネル機械の制御精度の向
上、引いては、トンネル線形の仕上がり精度の向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例方法の移動台車制御のフロチャートであ
る。

【図２】管推進工法における直進推進の図である。

【図３】管推進工法における短い曲進推の図である。

【図４】移動台車の設置を示す図である。

【図５】移動台車を推進管の一本分後退させる図であ
る。

【図６】トンネル機械の位置が曖昧でも計測できること
を説明する図である。

【図７】複数の移動台車を設置した図であり、（ａ）
は、先行する移動台車、（ｂ）は後続する移動台車の設
置位置を示す図である。

【符号の説明】

Ａ 基準測点 Ｂ 移動体測点 Ｃ 移動台車上の中継測点 Ａ１、Ｃ１ レーザ発振器 Ａ２、Ｃ２ 光波測距測角儀 Ａ３、Ｃ３ 角度計 Ａ４ ホスト制御器 Ｃ４、Ｂ１ 受光器 Ｃ５、Ｂ２ 反射プリズム Ｃ６、Ｂ３ ローリング計 Ｃ７、Ｂ４ ローカル制御器

フロントページの続き (72)発明者 加藤 豊 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準測点と、トンネル機械上に設けた移
   動体測点との間に、トンネル機械の掘進と共に基準測点
   から掘進方向に遠ざかる移動台車上に搭載された中継測
   点を設け、基準測点から放射した光を中継測点で受光し
   て中継測点の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測する
   と共に、中継測点から放射した光を移動体測点で受光し
   て移動体測点の位置及び姿勢を中継測点を基準に計測す
   ることによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢
   を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置・姿勢
   計測方法において、 トンネル機械の掘進停止時に、移動台車を、基準測点か
   ら放射した光が到達可能な距離に移動させて停止させる
   ことを特徴とするトンネル機械の位置・姿勢計測方法。
2. 【請求項２】 基準測点と、トンネル機械上に設けた移
   動体測点との間に、トンネル機械の掘進と共に基準測点
   から掘進方向に遠ざかる移動台車上に搭載された中継測
   点を設け、基準測点から放射した光を中継測点で受光し
   て中継測点の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測する
   と共に、中継測点から放射した光を移動体測点で受光し
   て移動体測点の位置及び姿勢を中継測点を基準に計測す
   ることによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢
   を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置・姿勢
   計測方法において、 トンネル機械の掘進停止時に、移動台車を、基準測点か
   ら放射した光が到達可能な距離に移動させた後、トンネ
   ル機械の掘進時に、移動台車の前記移動を停止させて移
   動台車が前記掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざか
   りながら、中継測点及び移動体測点のそれぞれの位置及
   び姿勢を計測することを特徴とするトンネル機械の位置
   ・姿勢計測方法。
3. 【請求項３】 基準測点と、トンネル機械上に設けた移
   動体測点との間に、トンネル機械の掘進と共に基準測点
   から掘進方向に遠ざかる移動台車上に搭載された中継測
   点を設け、基準測点から放射した光を中継測点で受光し
   て中継測点の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測する
   と共に、中継測点から放射した光を移動体測点で受光し
   て移動体測点の位置及び姿勢を中継測点を基準に計測す
   ることによって、トンネル機械の掘進中の位置及び姿勢
   を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置・姿勢
   計測方法において、 トンネル機械の掘進停止時に、移動台車を、基準測点か
   ら放射した光が到達可能な距離に移動させた後、トンネ
   ル機械の掘進中に、移動台車の前記移動を停止させて、
   移動台車が前記掘進と共に基準測点から掘進方向に遠ざ
   かりながら、中継測点からの光の放射方向を移動体測点
   の移動する方向にし、中継測点及び移動体測点のそれぞ
   れの位置及び姿勢を計測することを特徴とするトンネル
   機械の位置・姿勢計測方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３に記載のトンネル機械の位
   置・姿勢計測方法において、 基準測点と移動体測点の間に、複数台の前記移動台車上
   にそれぞれ搭載された前記中継測点を設けると共に、 トンネル機械の掘進停止時に、各移動台車を、基準測点
   から、又は当該中継測点より基準測点側の隣の中継測点
   から放射した光が到達可能な距離に移動させた後、トン
   ネル機械の掘進時に、各移動台車の前記移動を停止させ
   て各移動台車が前記掘進と共に基準測点から掘進方向に
   遠ざかりながら、各中継測点及び移動体測点のそれぞれ
   の位置及び姿勢を計測することによって、トンネル機械
   の掘進中の位置及び姿勢を基準測点を基準に計測するこ
   とを特徴とするトンネル機械の位置・姿勢計測方法。
5. 【請求項５】 基準測点と、トンネル機械上に設けた移
   動体測点と、基準測点及び移動体測点の間に設けられた
   移動台車上に搭載された中継測点とを有すると共に、前
   記基準測点及び中継測点にそれぞれ設けられ、かつ、そ
   れぞれ中継測点又は移動体測点に向けてレーザ光を放射
   するレーザ発振器と、前記中継測点及び移動体測点にそ
   れぞれ設けられ、それぞれ基準測点又は中継測点の前記
   レーザ発振器から放射されたレーザ光を受光し、かつ、
   この受光位置変位量に基づいて中継測点又は移動体測点
   の位置及び姿勢を計測する受光器とを備え、この各受光
   器で計測された中継測点及び移動体測点のそれぞれの位
   置及び姿勢に基づいて、トンネル機械の掘削中の位置及
   び姿勢を基準測点を基準に計測するトンネル機械の位置
   ・姿勢計測装置において、 トンネル機械の掘進停止時に、基準測点の前記レーザ発
   振器から放射されたレーザ光が中継測点の前記受光器に
   到達可能な所定距離に前記移動台車が移動するように、
   移動台車に移動指令を出力するホスト制御器を備えたこ
   とを特徴とするトンネル機械の位置・姿勢計測装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のトンネル機械の位置・
   姿勢計測装置において、 基準測点と移動体測点の間に前記移動台車及び前記中継
   測点を複数配設し、各中継測点には前記レーザ発振器と
   前記受光器とを備えると共に、 前記ホスト制御器は、トンネル機械の掘進停止時に、前
   記各レーザ発振器から放射されたレーザ光が受光される
   べき前記受光器に到達可能な所定距離に前記各移動台車
   が移動するように、各移動台車に移動指令を出力するこ
   とを特徴とするトンネル機械の位置・姿勢計測装置。