JPH10293028A - 地中掘進機の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 掘進位置の計測の際、光を受光手段に当てる
ための操作をしなくても済み、そのための操作機構を要
しない地中掘進機の位置計測装置を提供する。 【解決手段】 計測ユニット４，５，６を、全ての隣接
する計測ユニットに拡散光を発することのできる光源４
２と、隣接する計測ユニットの全ての光源４２からの拡
散光を集めることのできる凸レンズと、凸レンズにより
集められた光を受光しその受光した光の位置により隣接
する計測ユニットの光源の方向を検出し得るように配置
されたＣＣＤ撮像素子とで構成し、各計測ユニット４，
５，６での検出結果に基づいて得られる各光源４２の方
向に関するデータと、別途収集した隣接する計測ユニッ
ト間の各距離に関するデータとを中央演算処理装置７の
演算部に入力し、同演算部により、計測基点に対する被
計測点の相対位置を演算して計測するように、地中掘進
機の位置計測装置を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地下坑を掘削しな
がら地中を掘進する、管推進機（人が入れない小口径の
管を地中に埋設する小口径管推進機や人が入れる大口径
の管を地中に埋設するセミシールド機）及びシールド掘
進機等の地中掘進機の掘進位置の計測に用いられる地中
掘進機の位置計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下坑を掘削しながら地中を掘進する、
管推進機及びシールド掘進機等の地中掘進機では、予め
設定された掘進経路である計画線に沿って正しく掘進で
きるようにする必要がある。そのためには、掘進中の地
中掘進機の現在位置がリアルタイムにかつ的確に計測で
きるようにすることが望ましい。すなわち、地中掘進機
の現在位置に関する信頼性の高い情報がオペレータにリ
アルタイムに提供されると、地中掘進機が計画線から外
れて掘進しようとしたときに、オペレータは、これをい
ち早く見つけて早期に対応することができ、地中掘進機
を計画線に沿って掘進させる管理が楽に行え、施工精度
の向上も期待できる。地中掘進機の掘進位置を計測する
技術としては、従来、「トランシットを用いて人手によ
り計測する」方法、「地中掘進機に誘導磁界を発生する
発信コイルを設置し、その誘導磁界の強度を地上の受信
コイルで測定して地中掘進機の掘進位置を計測する」方
法、「逆に、地上に電路を敷設し、この電路に電流を流
して誘導磁界を発生させ、その誘導磁界の強度を地中掘
進機に設置した受信コイルで検出して掘進位置を計測す
る」方法等の各種の方法が用いられていた。しかしなが
ら、これら従来用いられている地中掘進機の位置計測技
術は、掘進位置のリアルタイムな計測が本来的に行えな
かったり、原理的には行えても実際上困難であったりし
た。

【０００３】こうした問題を改善する地中掘進機の位置
計測技術として、特開昭６１ー４５０９２号公報に記載
のシールド掘進機の方向検出装置が提案されている。こ
の従来提案されているシールド掘進機の方向検出装置
は、「前方のトンネル内へ向けて照射する第１レーザビ
ーム発振器と前方からのレーザビームを受光することが
できる第１レーザビーム受光器とをサーボモータでＸ方
向（ヨーイング方向）、Ｙ方向（ピッチング方向）に回
転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度を
センサで検知できるようにした計測用機器をトンネルの
入口部に設置するとともに、後方の第１レーザビーム受
光器へ向けて照射する第２レーザビーム発振器と後方の
第１レーザビーム発振器からのレーザビームを受光する
ことができる第２レーザビーム受光器と前方のシールド
掘進機方向に向けて照射する第３レーザビーム発振器と
をサーボモータでＸ，Ｙ方向に回転できるように架台に
取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるよ
うにした計測用の中継器をトンネルの中間部に設置し、
また、後方の第２レーザビーム発振器からのレーザビー
ムを受光することができ、かつ、Ｘ，Ｙ方向及びローリ
ング角を検知可能にした第３レーザビーム受光器とピッ
チングローリング計とをシールド掘進機に取り付けるよ
うにした」装置である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この従来の
装置は、収束度の高いレーザ光であるレーザビームをレ
ーザビーム受光器の所定位置に照射するように、レーザ
ビーム発振器をヨーイング方向やピッチング方向に回転
操作してその回転角度を検知し、検知した回転角度に基
づいて、シールド掘進機の計画線からのずれ位置をコン
ピュータで演算して求めるようにしている。そのため、
地中掘進機の掘進位置を計測する際、レーザビームをレ
ーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレー
ザビーム発振器を回転させる操作を要して操作が複雑で
あるばかりでなく、サーボモータ等レーザビーム発振器
を回転させるための回転機構を要して機構も複雑にな
り、これに伴って種々の問題がもたらされることとな
る。例えば、こうした回転機構を設けたことにより、装
置が地下坑内に配置するものにしては大型化し、製作費
が割高になるのは勿論のこと、回転機構が機械的なもの
であるために、光学的な誤差に機械的な誤差が加わって
高い計測精度を確保することが困難であるとともに振動
に対しても弱い。

【０００５】本発明は、こうした従来の技術にみられる
問題を解消しようとするものであって、その技術課題
は、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段
に当てるための操作をしなくても済み、そのための操作
機構を要しない地中掘進機の位置計測装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のこうした技術課
題は、「地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進
機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置し
その掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向
後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で
計測する地中掘進機の位置計測装置」を、「前方に拡散
光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光
を集めることのできる集光手段と集光手段により集めら
れた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源
の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し
計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光
を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を
集めることのできる集光手段と集光手段により集められ
た光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の
方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被
計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方
に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光
源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段
と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受
光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を
検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内
における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間
に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設
けて構成し、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニ
ット及び中間計測ユニットの各計測ユニットで検出結果
に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと各計
測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に
関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点
の相対位置を演算手段で演算して計測するようにした」
ことにより達成される。

【０００７】本発明の地中掘進機の位置計測装置は、こ
うした技術手段を採用したことにより、中間計測ユニッ
トは、前後に隣接する計測ユニットの前後双方の光源か
ら拡散光を各集光手段で集めてその集められた各光を受
光手段で受光し、その受光した各光の位置により中間計
測ユニットに対する前後の双方の各光源の相対的な方向
を検出することができて、その検出結果に基づいて各光
源の方向に関するデータが得られる。その場合、光源と
して、特に拡散光を発することのできる光源を用い、こ
の光源からの拡散光を集光手段で集めて受光手段に当て
るようにしているため、従来のように光源からの光を受
光手段に当てるための操作をしなくても済む。こうして
各光源の方向に関するデータが得られると、隣接する各
計測ユニット間を結ぶ各掘進路線の発進方向線に対する
各角度を、その発進方向線との関係で直接的に検出しな
くても、演算により間接的に求めることができる。その
場合、その角度は、中間計測ユニットや被測点計測ユニ
ットがその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進
機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化した
りしても、こうした影響を排除した状態で正しく求める
ことができる。したがって、別途、各計測ユニットにお
ける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを
適宜の方法で収集すれば、演算により求められた前記の
各角度に関するデータとそれらの各距離に関するデータ
とから計測基点に対する被計測点の相対位置を演算して
計測することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明が実際上どのように
具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図１８に基
づいて説明することにより、本発明の実施の形態を明ら
かにする。本発明の具体化例の地中掘進機の位置計測装
置は、何れも、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地
中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に
配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘
進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置
関係で計測する装置である。まず、図１乃至図９を用い
て、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置
について説明する。図１は、本発明の第１具体化例の地
中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断
面図、図２は、図１の地中掘進機の位置計測装置におけ
る計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明する
ための概念図、図３は、図１の地中掘進機の位置計測装
置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、
図４は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間
計測ユニットの作動時のイメージを示す斜視図、図５
は、図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受してい
るときの状態を示す要部の水平断面図、図６は、図１の
地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニッ
トの方向を算出する手法を説明するための概念図、図７
は、図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計
測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念
図、図８は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘
進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概
念図、図９は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中
掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するた
めの概念図である。

【０００９】図１乃至図４において、１は地中掘進機の
主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削した坑
道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は地中掘
進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は地下坑２内に
おける後記基点計測ユニット５と後記被測点計測ユニッ
ト６との間に配置された中間計測ユニット、５は発進立
坑３に配置された基点計測ユニット、６は掘削機１内に
配置された被測点計測ユニット、７はこれら中間計測ユ
ニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット
６とそれぞれ通信ラインで接続され地中掘進機の掘進位
置を演算する中央演算処理装置、８は中央演算処理装置
７での演算結果やその演算結果に基づいて得られる情報
をオペレータの操縦の便のために数値やグラフで表示す
る表示装置である。掘削機１は、管推進機及びシールド
掘進機等、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘
進機の掘削機であれば、何れのものでもよい。地下坑２
は、管推進機であれば、ヒューム管、鋼管等の埋設管で
坑壁が形成され、シールド掘進機であれば、鋼製又はコ
ンクリート製のセグメントで坑壁が形成される。中間計
測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニ
ット６は、大別すると、隣接する計測ユニットの光源４
２から光を受けてその光の方向を検出できるように構成
された光源方向検出手段４１と光源４２とからなってい
て、何れも基本的な構造は変わらない。

【００１０】そこで、これらの計測ユニット４，５，６
を代表して、中間計測ユニット４の構造を図３に基づい
て説明する。中間計測ユニット４は、図３に詳細を示す
ように、隣接する計測ユニットに向けて拡散光を発する
ことのできる発光ダイオード等の光源４２と、隣接する
計測ユニットの光源４２からの拡散光を集めることので
きる集光手段としての凸レンズ４１１と、この凸レンズ
４１１により集められた光を受光しその受光した光の位
置を検出することのできる受光手段としてのＣＣＤ撮像
素子４１２（ＣＣＤはＣｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−
Ｄｅｖｉｃｅの略称である。）を備えている。この受光
手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２は、図２で後に詳述
するように、集光手段としての凸レンズ４１１に対して
受光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の
方向を検出し得るように配置されている。図示している
光源方向検出手段４１は、こうした凸レンズ４１１とＣ
ＣＤ撮像素子４１２との集合体のことである。中間計測
ユニット４では、光源４２が地中掘進機の掘進方向を基
準に前方及び後方に向けてそれぞれ拡散光を発すること
ができるように図３の左右にそれぞれ配置されている。
また、凸レンズ４１１は、前後に隣接する別の計測ユニ
ットの光源４２からの各拡散光をそれぞれ集めることが
できるように、同じく左右に配置されているとともに、
ＣＣＤ撮像素子４１２も、各凸レンズ４１１でそれぞれ
集められた光を受光することができるように左右に配置
されている。各凸レンズ４１１及び各ＣＣＤ撮像素子４
１２は、互いに平行に配置して中間計測ユニット４のケ
ース内に取り付け、光源４２は、同ケースの外側に取り
付ける。

【００１１】ＣＣＤ撮像素子４１２は、一次元のライン
センサでもよいが、本具体化例では二次元の面センサを
使用することを前提にしている。受光手段として、本具
体化例ではＣＣＤ撮像素子４１２を用いているが、これ
に代えて、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光ス
ポットの位置を知ることのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなも
のを用いてもよく、要は、凸レンズ４１１のような集光
手段により集められた光を受光しその受光した光の位置
を検出することのできるものであればよく、その種類は
問わない。光源４２には、いわゆる点光源のようなもの
を用い、レーザビームのような収束度の高い光線を発す
るものは用いることができないが、基本的には、微小な
エリアから放射状に拡がるいわゆる拡散光を発するよう
なものであれば、どのようなものでも使用することがで
きる。中間計測ユニット４は、多くの場合５ｍ乃至５０
ｍの間隔で地下坑３内に取り付けられるが、光源４２
は、こうした５ｍ乃至５０ｍ先の地下坑内の略全域を照
らし得る広がりをもつ収束度の低い光であればよい。す
なわち、地下坑３の内径にもよるが、少なくとも５°乃
至１０°の角度で広がる光であれば、本発明に用いるこ
とができる。したがって、レーザ光であっても、こうし
た角度以上の角度で広がる収束度の低いレーザ光であれ
ば実用に供することができる。発明が解決しようとする
課題の項で述べたように、従来の装置にあっては、レー
ザビームを光源に用いているため、地中掘進機の掘進位
置の計測の際、レーザビームをレーザビーム受光器の所
定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転
させる操作を必要としたが、本発明では、光源に拡散光
を発するものを用いたため、地下坑２の掘削中に何れか
の測量ユニットの姿勢が変動しても、光源４２の光を受
光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に確実に当てるこ
とができて、こうした操作をしなくても済む。

【００１２】中間計測ユニット４は、以上述べた凸レン
ズ４１１、ＣＣＤ撮像素子４１２及び光源４２のほか、
付帯的構造として、透明ガラス製の透明板４１３やコン
トローラ部４３を備えている。透明板１１３は、中間計
測ユニット４のケースの前後に設けた各光採取孔に覆う
ように取り付けられ、同ケースの気密性を保持し、ケー
ス内の凸レンズ４１１等を防護する。コントローラ部４
３は、中間計測ユニット４のケースに内蔵され、ＣＣＤ
撮像素子４１２や各光源４２が電気的に接続されるとと
もにケーブル４５が接続される。このケーブル４５は、
ケースに穿設した引出口から引き出されて中央演算処理
装置７に接続されるが、その際、ケーブル４５を、引出
口に嵌めたグランド４４に挿通して引きだすことによ
り、ケースの気密性を保持するようにしている。コント
ローラ部４３は、光源４２を発光させるための電源部、
ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置に関する画像
データを数値データに変換して処理するためのデータ処
理部及びこのデータ処理部で処理したデータを中央演算
処理装置７に出力するための通信処理部等から構成され
る。このコントローラ部４３のデータ処理部では、後に
詳述するように、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の
位置のデータを各光源４２の方向のデータに変換したり
その変換したデータを補正したりするための演算も行
う。前記ケーブル４５は、コントローラ部４３の通信処
理部と中央演算処理装置７との間で通信信号を送受信す
るための信号路や中間計測ユニット４に電源電流を導く
ための電路を内蔵している。

【００１３】以上、中間計測ユニット４の構造について
述べたが、基点計測ユニット５は、前方に拡散光を発す
ることのできる光源４２と前方の光源４２からの拡散光
を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４
１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ
撮像素子４１２とを備えている。また、被測点計測ユニ
ット６は、後方に拡散光を発することのできる光源４２
と後方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸
レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光
を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２とを備え
ている。換言すると、基点計測ユニット５及び被測点計
測ユニット６は、それぞれ、中間計測ユニット４におけ
る前方側半分の機能及び後方側半分の機能を果たす構造
を備えており、この点を除けば、中間計測ユニット４の
構造と本質的な差異はない。したがって、基点計測ユニ
ット５及び被測点計測ユニット６には、中間計測ユニッ
ト４をそのまま使用し、セットする際にそれぞれ前方側
半分及び後方側半分だけが働くようにしたり、ソフト
上、それぞれ前方側半分及び後方側半分だけを活かすよ
うにしてもよい。このように中間計測ユニット４に用い
られる計測ユニットを基点計測ユニット５や被測点計測
ユニット６に兼用するようにすれば、製作する機器の種
類を少なくできてそれらの製作を省力化することができ
るだけでなく、使用する機器の種類も少なくできて機器
の使用上の便もよい。地中掘進機の掘進位置を計測する
際、その計測の基点となる計測基点と掘進中の地中掘進
機の現在位置を表す指標となり得るような被計測点を設
定する必要があるが、基点計測ユニット５は、計測基点
を設定する役割を果たし、被測点計測ユニット６は、被
計測点を設定する役割を果たす。

【００１４】これらの計測ユニット４，５，６の光源方
向検出手段４１で光源４２の方向を検出する原理を、図
２を用いて説明する。以下、この説明を始め各具体化例
の説明をするに当たり、３次元位置座標上の水平方向の
座標軸（端的にいえば左右方向の軸線）をＸ軸、３次元
位置座標上の垂直方向の座標軸（端的にいえば上下方向
の軸線）をＹ軸、Ｘ軸に直交する３次元位置座標上の水
平方向の座標軸（端的にいえば前後方向の軸線）をＺ軸
とする。いま、図２に示すように、凸レンズ４１１とＣ
ＣＤ撮像素子４１２とをＬｃの間隔で互いに平行に配置
し、隣接する計測ユニットの光源４２から拡散光を発す
ると、光源４２の像が凸レンズ４１１を通過してＣＣＤ
撮像素子４１２の面上に結像する。その場合、光軸（光
源４２と凸レンズ４１１の中心とを結ぶ線を意味する。
以下同じ。）が基準線（凸レンズ４１１の中心を通りＣ
ＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する。以下
同じ。）となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（Ｙ軸回りの
回転角度）をΘ、同角度のＹ−Ｚ平面上の成分（Ｘ軸回
りの回転角度）をΦとし、ＣＣＤ撮像素子４１２の面上
における光源４２の像の結像点が基準線からずれるずれ
量（ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点の
ＣＣＤ撮像素子４１２の中心からの偏差量）のうち、そ
のＸ軸方向の成分をδｃＸ，そのＹ軸方向の成分をδｃ
Ｙとすると、次の各式が成立する。 ｔａｎΘ＝δｃＸ／Ｌｃ……………（１） ｔａｎΦ＝δｃＹ／Ｌｃ……………（２） 前（１）式及び前（２）式からは、それぞれ、δｃＸ／
Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づいて角度Θ及び角度Φを演
算により求めることができる。光源４２の方向は、こう
した原理により、ＣＣＤ撮像素子４１２が検出した光の
位置に基づいて各計測ユニット４，５，６の光源方向検
出手段４１で検出することができる。δｃＸ／Ｌｃ及び
δｃＹ／Ｌｃに基づく角度Θ及び角度Φの実際の演算
は、本具体化例ではコントローラ部４３の演算手段で行
っているが、中央演算処理装置７で行うようにしてもよ
い。

【００１５】ここで留意すべきことは、こうして求めら
れる角度Θ，Φは、当該計測ユニットの光軸がその計測
ユニットの基準線に対してなす角度であって、地中掘進
機の発進時の発進方向に対してなす角度ではなく、地中
掘進機の掘進方向を定めるための尺度とはなりえない。
しかも、その計測ユニットの基準線それ自体は、計測ユ
ニットの取付時の姿勢によって変化するし、地中掘進機
の掘進時のヨーイングやピッチングによっても変化する
ことから、光源方向検出手段４１で検出した前記の角度
Θ，Φの値を単純に利用しても、地中掘進機の掘進方向
を正しく演算することはできない。こうしたことから、
中間計測ユニット４には、前述したように、前後双方の
光源４２から拡散光を集め得るように凸レンズ４１１を
左右に設け、これら左右の凸レンズ４１１で集められた
光を受光し得るようにＣＣＤ撮像素子４１２も左右に設
けて、角度Θ，Φを前後双方で検出するようにするとと
もに、これら前後双方の角度Θ，Φの検出値を後に詳述
する独自の演算手法に利用することにより、計測ユニッ
トの取付時の姿勢や地中掘進機のヨーイング、ピッチン
グの影響を排除した状態で地中掘進機の掘進方向を正し
く演算できるようにしている。その技術内容について
は、地中掘進機の位置の演算手法を説明する際に具体的
に述べる。

【００１６】中間計測ユニット４を設置して実際に作動
させているときの全体のイメージを図示すると、図４に
図示したようになる。なお、図中に示す矢印は、光源４
２の入射方向や放射方向を表す。基点計測ユニット５及
び被測点計測ユニット６の全体のイメージについても、
それぞれ、図４に図示の前方側半分及び後方側半分と同
様のイメージになる。こうした各計測ユニット４，５，
６を地中掘進機の位置計測に使用する場合、シールド工
事及び管推進工事の何れの場合でも、基点計測ユニット
５は、通常、発進立坑３に設置し、被測点計測ユニット
６は、通常、掘削機１（シールド工事ではシールド掘進
機、管推進工事では先導体）にそれぞれ設置する。その
場合、基点計測ユニット５は、その基準線が発進方向と
一致するように精度良く設置する。ただし、基点計測ユ
ニット５の基準線を発進方向と一致させないで設置する
ようにしても、両者のなす角度を精度良く測定してお
き、その測定値をオフセット値としてコントローラ部４
３又は中央演算処理装置７に予め記憶させておき、地中
掘進機の掘進位置を中央演算処理装置７で演算する際に
その値を反映させるようにすれば、地中掘進機の位置計
測に支障は生じないので、こうした方法を採用すること
もできる。

【００１７】一方、各計測ユニット４，５，６のうち特
に中間計測ユニット４については、その設置方法がシー
ルド工事及び管推進工事とで若干異なる。すなわち、シ
ールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、中間計測
ユニット４を地下坑２内に配置する点では変わらない
が、前者の場合は、通常、地下坑２の内周壁を構成する
既設セグメント等に取り付け、後者の場合は、通常、地
下坑２を構成する埋設管の内壁や排土装置をなすオーガ
ケーシング、排土管等の外壁等に取り付ける。管推進工
事において地下坑２内に中間計測ユニット４を取り付け
る場合、特に、地下坑２の掘削の進展に伴って設置距離
を延伸させながら仮設し、地下坑２の掘削の終了後に撤
去するオーガケーシングや排土管等の延伸仮設体に取り
付けるようにすれば、延伸仮設体の撤去時に中間計測ユ
ニット４も自動的に撤去することができて至便である。
また、シールド工事の場合でも、送泥管、排泥管、排土
管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、同様の効
果が得られる。

【００１８】シールド工事では、シールド掘進機をシー
ルドジャッキで推進しながら掘進してその掘進により形
成された地下坑２内にセグメントを組み立て、こうした
工程の反復により工事が進められるが、工事の過程で、
被測点計測ユニット６が基点計測ユニット５の設置位置
から見通せなくなったら、これらの計測ユニット５，６
の中間の適宜の位置に中間計測ユニット４を新設する。
工事が進捗して、新設した中間計測ユニット４の設置位
置から被測点計測ユニット６が見通せなくなったら、こ
れらの計測ユニット４、６の中間の適宜の位置に新たな
計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を
繰り返す。管推進工事では、先導体の後方に連結される
埋設管の最後部を元押しジャッキで推進しながら最後部
の埋設管を地中に埋設し、最後部の埋設管の埋設が終了
する都度、新たな埋設管を継ぎ足して工事が進められる
が、工事の過程で埋設管を一定距離推進して埋設した
ら、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を設置す
る。工事が進捗して埋設管を更に一定距離推進して埋設
したら、再度、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４
を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返して各計
測ユニット４，５，６間の間隔を適宜の間隔に保つ。そ
の間隔の目安は、計画されている曲線施工区間において
も各計測ユニット４，５，６同士が見通せる位置に設置
する。

【００１９】こうして、適当数の中間計測ユニット４を
見通せるように地下坑２内に配置して互いに光を授受し
ているときの状態を摸式的に示した図面が図５である。
この図では、４（ｎ）は基点計測ユニット５側からみて
ｎ番目の中間計測ユニットを表し、４（ｎ＋１）及び４
（ｎ−１）はその前後の中間計測ユニットを表す。実際
の各計測ユニット４，５，６を地下坑２内に設置した場
合、図５に示すように当該計測ユニットへの入射光と当
該計測ユニットの放射光とが互いに交差し、かつ、一つ
の中間計測ユニット４の前後のレンズ４１１及び前後の
光源４２の各中心位置が基準となる一点に集中せず、Ｘ
−Ｙ面方向やＺ軸方向にずれた状態で計測が行われるこ
とになる。

【００２０】こうした状態で計測することにより得られ
るデータに基づいて地中掘進機の位置を演算する場合に
は、演算の便宜上、図６及び図７に示すように、前後の
レンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が各計測
ユニット４，５，６の基準点（前後のレンズ４１１の中
心線上の適宜の点、例えばその中心線上の真中の点）に
揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向や
Ｚ軸方向に位置補正して演算する。その場合、地中掘進
機の位置計測が一層正確に行えるようにするため、光軸
と基準線とのなす角度について若干補正をするが、その
補正値は、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各
中心位置と基準点との位置関係を考慮しながら、前記
（１）、（２）式から得られる角度Θ、角度Φに基づい
てコントローラ部４３で算出するようにしている。後述
する角度ΘＮ_n ，ΦＮ_n 、ΘＳ_n 、ΦＳ_n は、こうした
補正を経て得られたものである。このように、本具体化
例では、より正確な計測を期して光軸と基準線とのなす
角度について補正をしているが、前後のレンズ４１１や
光源４２の各中心位置のずれ量は、各計測ユニット４，
５，６間の距離に比べれば僅少な値であるので、レンズ
４１１や光源４２の中間計測ユニット４への配置を適切
に選定すれば、こうした補正をしなくても、実用性のあ
る位置計測装置が得られる。

【００２１】そこで、各計測ユニット４，５，６で得ら
れるデータにより地中掘進機の位置を演算する手法を、
図６乃至図９を用いて説明する。その説明をするに当た
り、これらの図面や以下の数式に用いている記号の意味
を説示する。 Ｖ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点同士を
結ぶ直線を意味する見通し線、この見通し線Ｖは、隣合
った各計測ユニット４，５，６間で授受する光の光軸と
みることができる。 Ｖ₀ ；地中掘進機の発進時の発進方向を表す発進方向
線、 Ｖ_n ；見通し線Ｖのうちのｎ−１番目の計測ユニットと
ｎ番目の計測ユニットとを結ぶ見通し線、 Ｇ；当該計測ユニットの凸レンズ４１１の中心を通りそ
の計測ユニットのＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する
線を意味する前述の基準線、 Ｇ_n ；基準線Ｇのうちのｎ番目の計測ユニットの基準
線、 Θ_n ；見通し線Ｖ_n が発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度
のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_n と発進方向線Ｖ₀
をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえ
ば、地下坑２の軸方向に向かって左右方向の角度）、 Φ_n ；見通し線Ｖ_n が発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度
のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_n と発進方向線Ｖ₀
をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえ
ば、地下坑２の軸方向に向かって上下方向の角度）、 ΘＮ_n ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通
し線Ｖ_n が基準線Ｇ_nとなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分
（見通し線Ｖ_n と基準線Ｇ_n をＸ−Ｚ平面上へ正投影し
た線のなす角度）、 ΦＮ_n ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通
し線Ｖ_n が基準線Ｇ_nとなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分
（見通し線Ｖ_n と基準線Ｇ_n をＹ−Ｚ平面上へ正投影し
た線のなす角度）、 ΘＳ_n ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通
し線Ｖ_n+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方
の見通し線）が基準線Ｇ_n となす角度のＸ−Ｚ平面上の
成分（見通し線Ｖ_n+1 と基準線Ｇ_n をＸ−Ｚ平面へ正投
影した線のなす角度）、 ΦＳ_n ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通
し線Ｖ_n+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方
の見通し線）が基準線Ｇ_n となす角度のＹ−Ｚ平面上の
成分（見通し線Ｖ_n+1 と基準線Ｇ_n をＹ−Ｚ平面上へ正
投影した線のなす角度）、 Ｌ_n ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点間の
距離のうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測
ユニットの基準点間の距離、 なお、地中掘進機の位置の演算手法を説明するに当たっ
ては、説明の便宜上、中間計測ユニット４だけに限ら
ず、全ての計測ユニット４，５，６を、４を頭文字とす
る符号４（ｎ）で統一して表すこととする。その場合、
４（ｎ）は、基点計測ユニット５の次の計測ユニットか
ら数えてｎ番目の計測ユニットを意味し、４（０）は、
基点計測ユニット５を意味する。また、Ｇ₀ は、基点計
測ユニット４（０）の基準線Ｇを意味し、本具体化例で
は発進方向線Ｖ₀ の方向と一致させるようにセットして
ある。角度Θ_n ，Φ_n ，ΘＮ_n ，ΦＮ_n ，ΘＳ_n ，ΦＳ
_n には、極性をもたせており、図６及び図７において
は、基準線Ｇ_n を基準にして見通し線Ｖ_n が時計方向回
りに傾斜している場合の角度を−の極性、反時計方向回
りに傾斜している場合の角度を＋の極性と定めた。した
がって、例えば、図６において、角度Θ₁ ，Φ₁ は、見
通し線Ｖ_n の傾斜方向を表す弧線先端矢印が反時計方向
を向いていてプラスの角度であり、角度ΘＮ₁ ，Φ
Ｎ₁ ，ΘＳ₁ ，ΦＳ₁は、見通し線Ｖ_n の傾斜方向を表
す弧線先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度
である。

【００２２】すでに述べたことから明らかなように、見
通し線Ｖ_n が基準線Ｇ_n となす角度ΘＮ_n ，ΦＮ_n ，Θ
Ｓ_n ，ΦＳ_n は、計測ユニット４（ｎ）により求めるこ
とができるが、地中掘進機の位置を演算する際、本具体
化例で最終的に求めようとする角度は、見通し線Ｖ_n が
発進方向線Ｖ₀ となす角度Θ_n ，Φ_n である。図６及び
図７を用いてその角度Θ_n ，Φ_n の演算手法について説
明すると、まず、角度Θ₁ ，Φ₁ については、基点計測
ユニット４（０）の基準線Ｇ₀ を発進方向線Ｖ₀ の方向
と一致させるように、換言すると、Θ₁ ＝ΘＳ₀ 、Φ₁
＝ΦＳ₀ となるように予め設定しているので、基点計測
ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られる。
次に、角度Θ₂ ，Φ₂ については、それぞれ、こうして
得られた角度Θ₁ ，Φ₁ と計測ユニット４（１）で得ら
れたΘＮ₁ ・ΘＳ₁ ，ΦＮ₁ ・ΦＳ₁ の値を基に、次の
各式で求めることができる。 Θ₂ ＝Θ₁ −ΘＮ₁ ＋ΘＳ₁ ……………（３） Φ₂ ＝Φ₁ −ΦＮ₁ ＋ΦＳ₁ ……………（４） 同様にして、角度Θ_n+1 ，Φ_n+1 については、角度
Θ_n ，Φ_n が得られれば、この角度Θ_n ，Φ_n と計測ユ
ニット４（ｎ）で得られたΘＮ_n ・ΘＳ_n ，ΦＮ_n・Φ
Ｓ_n の値を基に、次の各式で求めることができる。 Θ_n+1 ＝Θ_n −ΘＮ_n ＋ΘＳ_n ……………（５） Φ_{n +1}＝Φ_n −ΦＮ_n ＋ΦＳ_n ……………（６） これら（５）、（６）式中の角度Θ_n ，Φ_n は、角度Θ
_n-1 ，Φ_n-1 の値が地中掘進機の位置の計測過程で演算
により求められるので、これらの値を基にして（５）、
（６）式から求めることができる。すなわち、前記
（３）、（４）式で得られた角度Θ₂ ，Φ₂ の値を
（５）、（６）式のΘ_n ，Φ_n に代入してΘ₃ ，Φ₃ を
算出し、その算出結果を基に再び（５）、（６）式から
Θ₄ ，Φ₄ を算出するという演算を順送りに行って角度
Θ_n-1 ，Φ_n-1 の値を得ることができるので、最後に、
これらの値を（５）、（６）式に代入することにより角
度Θ_n ，Φ_n を求めることができる。こうした角度
Θ_n ，Φ_n のような各光源４２の方向に関するデータ
は、本具体化例では前各式に従って中央演算処理装置７
の演算部で演算することにより求められる。本具体化例
では、各計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて
得られる各光源４２の方向に関するデータのうち、角度
ΘＮ_n ，ΦＮ_n 、ΘＳ_n 、ΦＳ_n についてはコントロー
ラ部４３の演算手段で求め、角度Θ_n ，Φ_n については
前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で求めてい
るが、これらのデータを何れで求めるかは、発明の実施
に際して任意に選択できる設計上の選択事項である。

【００２３】以上の説明から明らかなように、地中掘進
機の位置の演算の基礎となる、計測ユニット４（ｎ）の
見通し線Ｖ_n の発進方向線Ｖ₀ に対する角度Θ_n ，Φ_n
は、見通し線Ｖ_n のなす角度を発進方向線Ｖ₀ との関係
で直接的に検出しなくても、その計測ユニット４（ｎ）
の基準線Ｇ_n との関係で前後双方の見通し線Ｖ_n につい
て検出して各計測ユニット４（ｎ）ごとに角度ΘＮ_n ，
ΦＮ_n ，ΘＳ_n ，ΦＳ_n を順次計測し、その計測結果を
用いて前式のような手法で演算することにより間接的に
求めることができる。そのため、本具体化例によれば、
計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_n がその取付時の姿勢
によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイング
やピッチングによって変化したりしても、角度ΘＮ_n ，
ΦＮ_n ，ΘＳ_n ，ΦＳ_n さえ適正に計測すれば、こうし
た変化がそのまま織り込まれた状態で地中掘進機の掘進
方向を正しく演算することができ、その変化が演算結果
に影響をもたらすようなことはない。

【００２４】こうして、例えば角度Θ₁ 〜Θ_n の値やΦ
₁ 〜Φ_n の値を順次計測した後は、各計測ユニット４
（ｎ）と隣接する後方の計測ユニット４（ｎ−１）との
基準点間の距離Ｌ₁ 〜Ｌ_n の値を、後に詳述するような
適宜の方法で順次計測し、これらの角度と距離の計測結
果に基づいて、設定された３次元位置座標上における地
中掘進機の位置すなわち計測基点に対する被計測点の相
対位置を演算する。そこで、その演算方法の基本的な原
理を図８を用いて説明する。図８には、その演算方法の
理解を容易にするため、角度Θ_n ，Φ_n の一方だけを変
化させ他方を変化させないで地下坑を施工する場合すな
わち地中掘進機で水平方向か上下方向にだけ曲線施工す
る場合における各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置
を、Ｘ軸及びＹ軸に共用している縦軸とＺ軸としての横
軸とからなる２次元位置座標上に、（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，
Ｚ₁ ）、（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）……（Ｘ_n ，Ｙ_n ，
Ｚ_n ）というように順次表示している。その場合、２次
元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ₀ に一致させるととも
にその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基
点に一致させるようにしている。

【００２５】この図８を参照すると明らかなように、各
計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット
４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量は、各
角度Θ₁ 〜Θ_n やΦ₁ 〜Φ_n の値及び各距離Ｌ₁ 〜Ｌ_n
の値（各見通し線Ｖ₁ 〜Ｖ_nの長さに相当）を用いて三
角関数により順次算出することができる。すなわち、各
計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット
４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のう
ち、Ｘ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分は、それぞれＬ
_n ・ｓｉｎΘ_n 及びＬ_n ・ｓｉｎΦ_n として求めること
ができ、Ｚ軸方向の成分は、Ｌｎ・ｃｏｓΘ_n 又はＬ_n
・ｃｏｓΦ_n として求めることができる。なお、この例
では、曲線施工に際して前記したように角度Θ_n ，Φ_n
の一方だけを変化させるようにしているので、角度Θ_n
を変化させるようにした場合は、前記の各計測ユニット
４（ｎ）の基準点の座標位置の変化量のうちのＸ軸方向
の成分だけがＬ_n ・ｓｉｎΘ_n の量変化してＹ軸方向の
成分は変化せず、角度Φ_n を変化させるようにした場合
は、Ｙ軸方向の成分だけがＬ_n ・ｓｉｎΦ_n の量変化し
てＸ軸方向の成分は変化しない。

【００２６】こうして、各計測ユニット４（ｎ）の基準
点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対す
る座標位置の変化量のＸ軸方向又はＹ軸方向の成分及び
Ｚ軸方向の成分が求められると、これらの各方向の成分
の量をそれぞれ積算することにより、（Ｘ_n ，Ｙ_n ，Ｚ
_n ）の座標位置を算定することができる。図８の例で
は、各見通し線Ｖ_n がＺ軸に対して常に反時計方向回り
に傾斜するように変化しているので、その積算をする際
には、各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算すれば
よい。しかしながら、各見通し線Ｖ_n の傾斜方向が時計
方向回り、反時計方向回りにランダムに変化する場合で
あっても、角度Θ_n ，Φ_n に前述したような極性をもた
せるようにすれば、前記したと同様、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ
軸の各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算して、
（Ｘ_n ，Ｙ_n ，Ｚ_n ）の座標位置を算定することができ
る。

【００２７】図８では、曲線施工に際して角度Θ_n ，Φ
_n の一方だけを変化させる例を示したが、次に、角度Θ
_n ，Φ_n の双方を変化させて地中掘進機の掘進方向を上
下、水平方向というように３次元的に変える場合の地中
掘進機の位置の演算方法を図９を用いて説明する。図９
には、地中掘進機の掘進方向をこのように３次元的に変
える場合の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸からなる通常の３次元位置座標上に
（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ）、（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）というよ
うに計測ユニット４（１），４（２）についてだけ例示
的に示している。その場合、３次元位置座標のＺ軸を発
進方向線Ｖ₀ に一致させるとともにその原点を基点計測
ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるように
している。図９では、図６及び図７と同様、角度Θ_n ，
Φ_n に極性をもたせており、角度Θ_n については、Ｙ−
Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を＋の
極性、反時計方向回りに形成される角度を−の極性と定
めた。これに対し、角度Φ_n については、Ｘ−Ｚ面を基
準にして時計方向回りに形成される角度を−の極性、反
時計方向回りに形成される角度を＋の極性と定めた。し
たがって、図９において、角度Θ₁ ，Θ₂ は、角度を表
す弧線の先端矢印が何れも時計方向を向いていてプラス
の角度である。これに対し、角度Φ₁ は、角度を表す弧
線の先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度で
あり、角度Φ₂ は、角度を表す弧線の先端矢印が時計方
向を向いていてマイナスの角度である。

【００２８】各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位
置（Ｘ_n ，Ｙ_n ，Ｚ_n ）は、前述した方法で得られた角
度Θ₁ 〜Θ_n やΦ₁ 〜Φ_n の値と適宜の方法で計測して
得られた距離Ｌ₁ 〜Ｌ_n の値とを用いて、図８で概説し
たのと同様の手法により３次元的に算定する。まず、座
標位置（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ）については、基点計測ユニ
ット４（０）での計測結果から直接的に得られた角度Θ
₁ ，Φ₁ の値及び距離Ｌ₁ の値を基に、次の各式で求め
ることができる。 Ｘ₁ ＝Ｌ₁ ｃｏｓΦ₁ ｓｉｎΘ₁ ……………（７） Ｙ₁ ＝Ｌ₁ ｃｏｓΘ₁ ｓｉｎΦ₁ ……………（８） Ｚ₁ ＝Ｌ₁ ｃｏｓΘ₁ ｃｏｓΦ₁ ……………（９） 次に、座標位置（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）については、前
（７）、（８）、（９）式で得られたＸ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁
の値と前記（３）、（４）式で得られた角度Θ₂，Φ₂
の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ₂ の値を基
に、次の各式で求めることができる。 Ｘ₂ ＝Ｘ₁ ＋Ｌ₂ ｃｏｓΦ₂ ｓｉｎΘ₂ ……………（１０） Ｙ₂ ＝Ｙ₁ ＋Ｌ₂ ｃｏｓΘ₂ ｓｉｎΦ₂ ……………（１１） Ｚ₂ ＝Ｚ₁ ＋Ｌ₂ ｃｏｓΘ₂ ｃｏｓΦ₂ ……………（１２） 同様に、座標位置（Ｘ_n ，Ｙ_n ，Ｚ_n ）については、前
（１０）、（１１）、（１２）と同様の演算を順送りに
行って得られたＸ_n-1 、Ｙ_n-1 、Ｚ_n-1 の値と前記
（５）、（６）式で演算して得られた角度Θ_n ，Φ_n の
値と距離Ｌ_n の値とを基に、次の（１３）´、（１４）
´、（１５）´式で求めることができる。 Ｘ_n ＝Ｘ_n-1 ＋Ｌ_n ｃｏｓΦ_n ｓｉｎΘ_n ……………（１３）´ Ｙ_n ＝Ｙ_n-1 ＋Ｌ_n ｃｏｓΘ_n ｓｉｎΦ_n ……………（１４）´ Ｚ_n ＝Ｚ_n-1 ＋Ｌ_n ｃｏｓΘ_n ｃｏｓΦ_n ……………（１５）´ したがって、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位
置（Ｘ_n ，Ｙ_n ，Ｚ_n）は、結局、次の（１３）、（１
４）、（１５）で表すことができる。 Ｘ_n ＝ΣＬ_n ｃｏｓΦ_n ｓｉｎΘ_n ……………（１３） Ｙ_n ＝ΣＬ_n ｃｏｓΘ_n ｓｉｎΦ_n ……………（１４） Ｚ_n ＝ΣＬ_n ｃｏｓΘ_n ｃｏｓΦ_n ……………（１５） なお、前（１３）、（１４）、（１５）式中のΣはｎを
順次１からｎまでに置いて積算した値を意味し、それゆ
え、例えば、ΣＬ_n ｃｏｓΦ_n ｓｉｎΘ_n は、ΣＬ₁ ｃ
ｏｓΦ₁ ｓｉｎΘ₁ 〜ΣＬ_n ｃｏｓΦ_n ｓｉｎΘ_n の各
値の合計値を意味する。いま仮に、ｎ番目の計測ユニッ
ト４（ｎ）が被計測点を設定するための被測点計測ユニ
ット６であるとすると、基点計測ユニット５で設定した
計測基点に対する被計測点の相対位置は（Ｘ_n ，Ｙ_n ，
Ｚ_n ）となり、（１３）、（１４）、（１５）式により
容易に算定することができる。こうした前各式による位
置の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われる。

【００２９】このように、計測基点に対する被計測点の
相対位置は、計測ユニット４，５，６の検出結果に基づ
いて得られる各光源の方向に関するデータと隣接する計
測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、
（３）〜（１５）式に従って演算により計測するが、そ
の場合、隣接する計測ユニット間の各距離に関するデー
タを収集して中央演算処理装置７の演算部に入力する必
要がある。そこで、こうした距離に関するデータを中央
演算処理装置７の演算部に入力する手法の例を図１０及
び図１１に基づいて説明する。図１０は、第１具体化例
を管推進機に適用した場合における地下坑の距離に関す
るデータを中央演算処理装置に入力する手法を説明する
ための水平断面図、図１１は、第１具体化例をシールド
掘進機に適用した場合における図１０と同様の図であ
る。

【００３０】計測ユニット間の各距離に関するデータ
は、基本的には既存の距離計で計測する等適宜の手段で
収集して中央演算処理装置７に入力すればよいが、その
ための代表的な手法を示すと、次のような方法がある。 （イ）各計測ユニット４，５，６間の各距離を自動的に
検出できる距離検出手段を設け、その距離計測手段での
検出結果により得られる各距離に関するデータを中央演
算処理装置７の演算部に自動的に入力する。 （ロ）地下坑２の所定区間の変化する距離を自動的に検
出できる距離検出手段を設け、距離が変化する区間につ
いては、その距離計測手段での検出結果により得られる
距離に関するデータを、中央演算処理装置７の演算部に
継続的に入力し、他の区間については、実地に計測して
得られる実測値や計画線から得られる計画値等の確定し
た距離に関するデータを非継続的に入力する。

【００３１】図１０及び図１１は、これらの手法のうち
（ロ）の手法を説明するための図である。管推進機で地
下坑２を施工する場合、地下坑２の距離は、元押しジャ
ッキで直接推進している埋設中の最後方の埋設管の区間
だけが時々刻々変化し、埋設管が地中に完全に埋設され
ている他の区間は、距離が固定されていて絶えず変動す
るようなことはない。こうしたことから、管推進工事の
場合、図１０に示すように、埋設管の埋設が進行してい
る最後方の区間についてだけ、その距離を元押しジャッ
キのストローク計１２で自動的に検出して距離に関する
データを中央演算処理装置７に入力し、埋設管が地中に
完全に埋設されている他の区間については、確定した距
離に関するデータを入力するようにしている。その場
合、埋設管の埋設が進行している最後方の所定の区間
は、埋設管の推進中に距離が絶えず変化するため、その
変化する距離に関するデータを連続的に自動入力する。
一方、埋設済みの埋設管が位置する他の区間は、最後方
の埋設管の埋設終了後、その後方で新たな埋設管の埋設
が再開されるまでは距離が変化しないので、その新たな
埋設管の埋設が再開される際に確定した距離に関するデ
ータを修正して再入力するというように断続的に手動で
入力する。その場合、当然のことながら、確定した距離
に関するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに、そ
の間の各距離が分かるように区分して入力する。確定し
た距離に関するデータとして、管推進工事の場合には、
実測値や計画値のほか埋設済みの埋設管の数に基づいて
算出できる距離データを用いることができる。

【００３２】シールド掘進機で地下坑２を施工する場
合、地下坑２のうち、掘削機１をシールドジャッキで推
進している最前方の区間は距離が時々刻々変動するが、
他の区間であるセグメントで覆工した区間は、距離が固
定されていて絶えず変動するようなことはない。こうし
たことから、シールド工事の場合には、図１１に示すよ
うに、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区間について
だけ、その距離をシールドジャッキのストローク計１３
で自動的に検出して距離に関するデータを中央演算処理
装置７に入力し、セグメントで覆工した区間について
は、確定した距離に関するデータを入力するようにして
いる。その場合、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区
間は、掘進中に距離が絶えず変化するため、その変化す
る距離に関するデータを連続的に自動入力する。一方、
セグメントで覆工した区間は、セグメントの１リング相
当分掘進して新たなセグメントを組み立てるまでは距離
が変化しないので、その新たなセグメントが組み立てら
れたときに確定した距離に関するデータを修正して再入
力するというように断続的に手動で入力する。その場合
も、管推進機で施工する場合と同様、確定した距離に関
するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに区分して
入力する。確定した距離に関するデータとして、シール
ド工事の場合には、実測値や計画値のほかすでに組み立
てられたセグメントの種類と数に基づいて算出できる距
離データを用いることができる。以上述べた地下坑２の
距離データの中央演算処理装置７への入力手法によれ
ば、何れも、管推進機やシールドジャッキに通常付設さ
れている元押しジャッキのストローク計１２やシールド
ジャッキのストローク計１３を地下坑の距離の計測に二
重に活用していて、その距離の計測のために特別の距離
計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離の
計測手段を設置するためのコストやスペースを節減する
ことができる。

【００３３】以上述べた本発明の第１具体化例の地中掘
進機の位置計測装置では、計測ユニット４，５，６を、
特に、隣接する計測ユニットに拡散光を発することので
きる光源４２と、隣接する計測ユニットの光源４２から
の拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１と、凸レ
ンズ４１１によりそれぞれ集められた光を受光しその受
光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の方
向を検出し得るように配置されたＣＣＤ撮像素子４１２
とで構成するようにしたので、光源４２の光を受光手段
としてのＣＣＤ撮像素子４１２に常に確実に当てること
ができ、その結果、地中掘進機の掘進位置を計測する際
に光を受光手段に当てるための操作をしなくても済み、
そのための複雑な操作機構を要しない。また、計測ユニ
ット４の取付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘
進時のヨーイングやピッチングによって変化したりして
も、こうしたことに影響されることなく、地中掘進機の
掘進位置を常に正しく演算して計測することができる。

【００３４】次に、図１２乃至図１８を用いて、本発明
の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置について説
明する。図１２は、本発明の第２具体化例の地中掘進機
の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図
１３は、図１２の地中掘進機の位置計測装置における中
間計測ユニットを示す斜視図、図１４は、図１２の地中
掘進機の位置計測装置で計測ユニット間の距離を算出す
る手法を説明するための概念図、図１５は、計測ユニッ
トの一つがローリングした際にそのローリング量を図１
２の地中掘進機の位置計測装置で計測する基本原理を説
明するための概念図、図１６は、計測ユニットの一つが
ローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘
進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概
念図、図１７は、隣接する計測ユニットの双方がローリ
ングした際に両者間の相対的なローリング量を図１の地
中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するため
の概念図である。図１２乃至図１６中、第１具体化例の
装置の説明の際にすでに用いた図面と同一の符号を付け
た部分は、その図面と同等の部分を表す。

【００３５】以上説明した本発明の第１具体化例の地中
掘進機の位置計測装置において、中間計測ユニット４、
基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６の何れか
に前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源４２
を複数個配置すると、第１具体化例の装置の機能に加
え、それら複数の光源を多角的に活用することにより、
次のような機能を併せ発揮することができる。 （ハ）第１具体化例の装置で地中掘進機の位置を演算す
る場合、前述のように、当該計測ユニットのレンズ４１
１及び光源４２の各中心位置が当該計測ユニットの一つ
の基準点に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−
Ｙ面方向及びＺ軸方向に位置補正し、これに伴って光軸
と基準線Ｇとのなす角度Θ、角度Φについて補正をする
が、当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２を基準
線Ｇを挟んで対称に対をなすように配置して、こうした
配置の光源４２を少なくとも１組設けると、当該計測ユ
ニットのレンズ４１１及び光源４２の各中心位置がＸ−
Ｙ面方向については当該計測ユニットの一つの基準点に
揃えられて、レンズ４１１及び光源４２の各中心位置を
一つの基準点に揃えるための補正は、Ｚ軸方向について
だけ行えばよくなり、簡略化される。 （ニ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適
宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユ
ニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユ
ニットとの間の距離を計測することができる。 （ホ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適
宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユ
ニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユ
ニットとの間のローリング量を計測することができる。

【００３６】第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置
は、これら（ハ）、（ニ）、（ホ）の機能を発揮できる
ようにするため、図１２及び図１３に示すように、前後
同じ方向に拡散光を発することのできる左光源４２
（Ｌ）及び右光源４２（Ｒ）とからなる一対の光源４２
を、中間計測ユニット４には前側及び後側に１組ずつ、
基点計測ユニット５には前側に１組、被測点計測ユニッ
ト６には後側に１組設けるようにしている。その場合、
前記（ハ）の機能を発揮できるようにするため、前後同
じ方向に拡散光を発することのできる１対の光源４２の
それぞれを、特に、基準線Ｇを挟んで対称位置に配置し
ている。こうして一つの計測ユニットの同じ側に一対の
光源４２を配置すると、これら一対の光源４２の各光
は、図１２に示すように隣接する計測ユニットの一つの
光源方向検出手段４１に入射し、光源方向検出手段４１
でそれぞれの方向が検出されるが、一対の光源４２は、
基準線Ｇを挟んで特に対称位置に配置されているため、
各光源４２の方向に関する検出値を平均すると、その平
均値は、レンズ４１１の中心位置と同じＸ−Ｙ面に設け
た一つの光源４２が前記の隣接する計測ユニットに入射
したときの検出値に近似する値となる。その結果、レン
ズ４１１及び光源４２の各中心位置を一つの基準点に揃
えることに伴って行う補正は、Ｚ軸方向についてだけ行
えばよくなり、帰するところ、地中掘進機の位置を計測
するに際して行う演算が簡略化されることとなる。本具
体化例では、対称位置に配置される一対の光源４２を各
計測ユニット４，５，６の同じ側に一組ずつしか設けて
いないが、こうした光源４２を複数組設けて、これらの
光源４２に関する光源方向検出手段４１での各検出値を
平均するようにすれば、その補正の精度を一層向上させ
ることができる。

【００３７】第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置
を用いて前記（ニ）の機能を発揮させるための手法を、
図１４を用いて説明する。図１４は、任意の計測ユニッ
ト４（ｎ）とその後方に隣接する計測ユニット４（ｎ−
１）との間の距離を、この計測ユニット４（ｎ−１）の
左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用して算出する
手法を説明するためのものである。その距離の算出をす
るに当たっては、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素
子４１２の中心を原点にとり、その計測ユニット４
（ｎ）の基準線Ｇ_n をいわゆるＺ軸とするとともにこれ
に直交するδＸｎ軸及びδＹｎ軸をいわゆるＸ軸及びＹ
軸とした３次元位置座標と、計測ユニット４（ｎ）の基
準線Ｇ_n をいわゆるＺ軸とするとともにこれに直交する
Ｘ_n-1´軸及びＹ_n-1´軸をいわゆるＸ軸及びＹ軸とし、
Ｘ_n-1´−Ｙ_n-1´面が計測ユニット４（ｎ−１）の左右
の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の中点を通るように設定
した３次元位置座標とを用いる。なお、前者の３次元位
置座標におけるδＸｎ−δＹｎ面は、計測ユニット４
（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の面と同じ面をなす。計
測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間の
距離の算出手法を説明をするに当たり、図面や以下の数
式に用いている記号の意味を説示する。

【００３８】４２Ｌ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−
１）の左光源、 ４２Ｒ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−１）の右光
源、 ４２Ｃ（ｎ−１）；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４
２Ｒ（ｎ−１）との中点、 ４２Ｌ（ｎ−１）´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）をＸ
_n-1´−Ｙ_n-1´面に正投影し た
点、 ４２Ｒ（ｎ−１）´；右光源４２Ｒ（ｎ−１）をＸ
_n-1´−Ｙ_n-1´面に正投影し た
点、 δ_xnＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−
１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、 δ_ynＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−
１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、 δ_xnＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−
１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、 δ_ynＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−
１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、 Θ_G ；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇ_n-1 をＸ
_n-1 −Ｇ_n 平面上へ正投影した線と計測ユニット４
（ｎ）の基準線Ｇ_n との交角、 Φ_G ；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇ_n-1 をＹ
_n-1 −Ｇ_n 平面上へ正投影した線と計測ユニット４
（ｎ）の基準線Ｇ_n との交角、 ＬＲ；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−
１）の離隔距離、 ＬＲ´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−
１）とを結ぶ線をＸ_{n -1´} −Ｙ_n-1´面に正投影した線
分の長さ、 ＬＣ；計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中
心からδＸｎ軸に下した垂線の長さ、換言すると、レン
ズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ
撮像素子４１２の中心の間の距離、 ＬＤ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）
の結像点と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点との中点
と、計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中心
の間の距離、 いま、この第２具体化例の装置により算出しようとする
計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間
の距離を、中点４２Ｃ（ｎ−１）とレンズ４１１（ｎ）
間の距離であると定めてその距離をＬＸとし、距離ＬＸ
の算出手法を説明する。

【００３９】まず、距離ＬＸの算出手法の要点を述べる
と、距離ＬＸの算出の基本的な手法は、距離ＬＲ´に対
する距離ＬＸの比率が「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源
４２Ｌ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＬ，δ_ynＬ）と右光源
４２Ｒ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＲ，δ_ynＲ）の間の距
離」に対する距離ＬＤの比率に等しいことを利用して距
離ＬＸを算出しようとする点にあり、このことは、後記
（１７）式に集約して表されている。距離ＬＸの算出手
法を具体的に述べると、左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光
源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離ＬＲと、左右の光源４２
Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を結ぶ線をＸ_n-1´−
Ｙ_n-1´面に投影した線分の長さＬＲ´との関係は、次
式で表すことができる。

【００４０】

【数１】

【００４１】一方、δＸｎ−δＹｎ面とＸ_n-1´−Ｙ
_n-1´面は、何れも基準線Ｇ_n に直交する平面であって
平行であるから、次式が成立する。

【００４２】

【数２】

【００４３】なお、この（１７）式において、（δ_xnＲ
−δ_xnＬ）² ＋（δ_ynＲ−δ_ynＬ）² の平方根の項は、
「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結
像点（δ_xnＬ，δ_ynＬ）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結
像点（δ_xnＲ，δ_ynＲ）の間の距離」を表す。

【００４４】前式中の距離ＬＤは、既知の値である距離
ＬＣと、光源方向検出手段４１の検出結果から算出でき
る左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の結
像点間の中点の座標（（δ_xnＬ＋δ_xnＲ）／２，（δ_yn
Ｌ＋δ_ynＲ）／２）の値とを用いてピタゴラスの定理に
より次式で表すことができる。

【００４５】

【数３】

【００４６】前（１８）式を用いて前（１７）式中のＬ
Ｄを消去し、同式を変形すると、算出しようとする前後
の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸを
次式で表すことができる。

【００４７】

【数４】

【００４８】この（１９）式に（１６）式を代入してＬ
Ｒ´を消去すると、距離ＬＸを次式で表すことができ
る。

【００４９】

【数５】

【００５０】この（２０）式中、基準線Ｇ_n と基準線Ｇ
_n-1 の交角（Θ_G ，Φ_G ）は、計測ユニット４（ｎ−
１）の検出結果に基づいて得られる角度ΘＳ_n-1 ，ΦＳ
_n-1 と計測ユニット４（ｎ）の検出結果に基づいて得ら
れる角度ΘＮ_n ，ΦＮ_n との差から容易に求め得る数値
である。また、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子
４１２で受光した左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ
（ｎ−１）の光の位置を表すδ_xnＬ，δ_ynＬ，δ_xnＲ，
δ_ynＲの値は、計測ユニット４（ｎ）の検出結果から得
られる値である。そして、前（２０）式中の「左光源４
２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離」
ＬＲと「レンズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４
（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心の間の距離」ＬＣ
は、何れも既知の値にすぎない。そうすると、前後の計
測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸは、帰
するところ、左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ
−１）を有する計測ユニット４（ｎ−１）とこれらの光
源の方向を検出する計測ユニット４（ｎ）とで得られる
両計測ユニットの光源の方向に関するデータΘＳ_n-1 ，
ΦＳ_n-1 ，ΘＮ_n ，ΦＮ_n と、計測ユニット４（ｎ）で
得られる左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−
１）の光の受光位置に関するデータδ_xnＬ，δ_ynＬ，δ
_xnＲ，δ_ynＲとに基づいて計測できることとなる。

【００５１】このように、本発明の第２具体化例の装置
を用いれば、計測基点に対する被計測点の相対位置を計
測する過程において計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−
１）で得られるデータを、隣接する計測ユニット４
（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計測のためにほとんど
そのまま用いることができる。また、こうしたデータに
基づいてその距離を演算するときは、それらのデータを
中央演算処理装置７の演算部に入力し、前（２０）式に
従って演算するようにすればよい。したがって、以上述
べた計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計
測手段によれば、地下坑の距離の計測のために特別の距
離計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離
の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減す
ることができるとともに、地中掘進機の位置の計測のた
めに特別に設けた計測ユニット４，５，６を地下坑の距
離の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活
用することができる。

【００５２】図１４による説明では、計測ユニット４
（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）との間の距離を、こ
の計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２Ｌ（ｎ−
１），４２Ｒ（ｎ−１）を利用して算出する手法を説明
したが、逆に、その距離を、計測ユニット４（ｎ）の左
右の光源４２Ｌ（ｎ），４２Ｒ（ｎ）を利用して算出す
ることもできる。本具体化例では、特定の計測ユニット
４（ｎ−１）に前後同じ方向に拡散光を発することので
きる光源４２を２個配置した例を示したが、こうした光
源４２を多数配置し、これらの光源４２を二個ずつ組み
合わせて前述した手法で前後の計測ユニット４（ｎ），
４（ｎ−１）間の距離ＬＸに関するデータを多数得るよ
うにしてもよく、その場合には、これらの多数のデータ
を総合することにより、距離ＬＸの計測を一層正確に行
うことができる。図１４に示すような手法で距離ＬＸを
計測する場合において、基点計測ユニット５と被側点測
ユニット６の間に多数の中間計測ユニット４を設置しな
ければならないときには、距離ＬＸに関する計測誤差が
僅少であったとしても、各計測ユニット４，５，６間の
多数の計測誤差が積み重ねられて無視できない集積誤差
が生じることも考えられる。こうしたことから、図１４
のような計測手法を用いて第２具体化例の位置計測装置
により被側点測の位置を計測する場合、地中掘進機での
掘進がある程度進捗した段階において、冒頭で述べたよ
うな従来の各種の位置計測技術で被側点の位置を実測
し、第２具体化例の装置による被側点の位置の計測結果
をその実測による位置の計測結果と照合してこうした集
積誤差を修正するようにすれば、第２具体化例の装置に
よる位置計測を一層確実に行うことができる。以上述べ
た距離検出手段は、各計測ユニット４，５，６間の距離
を自動的に検出できるので、その距離データを利用する
場合には、前記（イ）、（ロ）に示した演算手段への距
離データの入力手法のうちの何れの手法も採用すること
ができる。

【００５３】最後に、第２具体化例の地中掘進機の位置
計測装置を用いて前記（ホ）の機能を発揮させるための
手法を、図１５乃至図１７を用いて説明する。地中掘進
機の掘進過程において、管推進機にあっては埋設管や掘
削機１がローリングして中間計測ユニット４や被側点計
測ユニット６がローリングし、シールド掘進機にあって
は掘削機１がローリングして被側点計測ユニット６がロ
ーリングすることがあるため、地中掘進機の位置の計測
過程で光源４２の方向に関するデータΘＮ_n ，ΦＮ_n ，
ΘＳ_n ，ΦＳ_n に変動が生じて、地中掘進機の位置の計
測結果に無視できない影響を及ぼすことがある。ここで
説明する技術手段は、地中掘進機の位置の計測結果の信
頼性を高めるため、第２具体化例の装置において、計測
ユニット４，５，６の左右の光源４２（Ｌ），４２
（Ｒ）を利用することにより、隣接する計測ユニット
４，５，６間のローリング量を計測して、こうした影響
を排除できるようにしたものである。なお、中間計測ユ
ニット４や被側点計測ユニット６は、通常、埋設管や掘
削機１の内周壁の近傍に取り付けるため、埋設管や掘削
機１がローリングすると、これらの中心軸線を中心とし
て公転するような位置の移動する。ここでいう中間計測
ユニット４や被側点計測ユニット６のローリングはこう
した公転するような位置の移動のことである。

【００５４】図１５は、任意の計測ユニット４（ｎ）が
ローリングした際に、そのローリング量を、その後方の
計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４
２（Ｒ）を利用して計測する基本原理を説明するための
ものである。計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４
１２の面には、基準線Ｇ_n 上を原点にとり、δｃＸ軸及
びδｃＹ軸をいわゆるＸ軸とＹ軸とした２次元位置座標
が設定されており、これらの軸により、ＣＣＤ撮像素子
４１２の面への光源４２の結像点の基準線Ｇ_nからのず
れ量のＸ軸方向の成分δｃｘ及びＹ軸方向の成分δｃｙ
が把握できるようになっている。図１５には、後方の計
測ユニット４（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），
４２（Ｒ）とともにローリング角γ_n-1 だけローリング
し、これに伴って、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像
素子４１２に結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像
がその角度γ_n-1 相当分傾動するとともに、計測ユニッ
ト４（ｎ）がローリング角γ_n だけローリングし、これ
に伴ってＸ軸としてのδｃＸ軸がその角度γ_n 相当分傾
動した状態が図示されている。計測ユニット４（ｎ）に
結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像は、こうした
状態において、δｃＸ，δｃＹ軸の２次元位置座標に対
してγ_n ＋γ_n-1 の角度だけ相対的に傾動することにな
る。また、その角度は、光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の
像の座標上の位置から一義的に定まる。ここで説明する
技術手段は、こうした現象を利用して、次に示す算出手
法により任意の計測ユニット４（ｎ）のローリング量を
算出するようにしたものである。

【００５５】最初に、計測ユニット４（１）についての
算出手法を、図１６を用いて説明する。図１６に示すよ
うに、計測ユニット４（１）がローリング角γ₁ だけロ
ーリングすると、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線がロー
リング角γ₁ だけ傾動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に
移動するとともに、計測ユニット４（１）のローリング
に伴う凸レンズ４１１のローリングに伴って、計測ユニ
ット４（１）に結像する基点計測ユニット５の光源４２
（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水
平線に対して傾動する。いま、その場合の左右の像Ｌ，
Ｒが水平線に対して傾く角度をγ₁s 、左右の像Ｌ，Ｒ
の座標位置（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における
位置）をそれぞれ（δ_x1Ｌ，δ_y1Ｌ）、（δ_x1Ｒ，δ_y1
Ｒ）とすると、像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，ＲのδｃＸ軸
への投影点間の距離との関係から、角度をγ₁s を次式
で求めることができる。

【００５６】

【数６】

【００５７】この計測ユニット４（１）に光を発する後
方の計測ユニット４（０）は、基点計測ユニット５であ
ってローリングすることはないため、この（２１）式で
算出される角度γ_1sの値は、ローリング角γ₁ と等しい
ものとみることができ、結局、この角度γ_1sが計測ユニ
ット４（１）のローリング量である。

【００５８】次に、任意の計測ユニット４（ｎ）とその
後方の計測ユニット４（ｎ−１）が共にローリングした
ときの計測ユニット４（ｎ）のローリング量の算出手法
を、図１７を用いて説明する。後方の計測ユニット４
（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）と
ともにローリング角度γ_n-1 だけローリングすると、こ
れに伴って、図１７に示すように、計測ユニット４
（ｎ）に結像する後方の計測ユニット４（ｎ−１）の光
源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒもその角度γ_{n- 1}
相当分傾動する。また、図１７に示すように、計測ユニ
ット４（ｎ）がローリング角γ_n だけローリングする
と、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線もその角度γ_n 分傾
動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に移動するとともに、
計測ユニット４（ｎ）のローリングに伴う凸レンズ４１
１のローリング（掘削機１や埋設管の中心軸線を中心と
して公転するような位置の移動）に伴って、計測ユニッ
ト４（ｎ）に結像する基点計測ユニット５の光源４２
（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水
平線に対して角度γ_n 相当分傾動する。

【００５９】いま、その場合の左右の像Ｌ，Ｒが水平線
に対して傾く角度をγ_ns、左右の像Ｌ，Ｒの座標位置
（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における位置）をそ
れぞれ（δ_xnＬ，δ_ynＬ）、（δ_xnＲ，δ_ynＲ）とする
と、前（２１）式と同様に像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，Ｒ
のδｃＸ軸への投影点間の距離との関係から、角度をγ
_nsを次式で求めることができる。なお、計測ユニット４
（ｎ）がローリングした場合における傾動前のδｃＸ，
δｃＹ軸の位置は、計測ユニット４（ｎ）の左右の光源
４２についての後方の計測ユニット４（ｎ−１）でのそ
れらの像に関する座標位置の計測結果から求めることが
できる。

【００６０】

【数７】

【００６１】この計測ユニット４（ｎ）に光を発する後
方の計測ユニット４（ｎ−１）は、ローリング角度γ
_n-1 だけローリングするため、この（２２）式で算出さ
れる角度γ_nsの値は、計測ユニット４（ｎ）のローリン
グ角γ_n そのものではなく、そのローリング角γ_n は、
次式で表される。

【００６２】γ_n ＝γ_ns−γ_n-1 ……………（２３） このローリング角γ_n は、前（２３）式中のγ_n-1 の値
が計測ユニット４（ｎ）よりも後方の各計測ユニット４
（ｎ−１）のローリング量を計測する過程で演算により
順次求められるので、これらの値を基にして（２３）式
から求めることができる。すなわち、前記（２２）式で
得られた角度γ_1sの値すなわちローリング角γ₁ の値を
（２３）式のγ_n-1 に代入して角度γ₂ を算出し、その
算出結果を基に再び（２３）式から角度γ₃ を算出する
という演算を順送りに行って角度γ_n-1 の値を得ること
ができるので、最後に、これらの値を（２３）式に代入
することにより角度γ_n を求めて計測ユニット４（ｎ）
の実際のローリング量を求めることができる。こうした
計測ユニット４（ｎ）の演算は、中央演算処理装置７の
演算部で行われ、計測ユニット４（ｎ）より後方の各計
測ユニットに関するローリング角γ₁ ，γ₂ ，γ₃ 等の
ローリング量に関するデータは、オフセット量として中
央演算処理装置７の記憶部に記憶してその演算に用い
る。

【００６３】この例では、各計測ユニット４（ｎ）のロ
ーリング量を、こうした手法により精密に計測すること
ができるため、その計測されたローリング量に基づいて
地中掘進機の位置の計測過程で得られる光源４２の方向
に関するデータを正しく補正することにより、計測ユニ
ット４（ｎ）のローリングの影響を排除して地中掘進機
の位置の計測結果の信頼性を高めることができる。この
例では、各計測ユニット４（ｎ）のローリング角γ_n を
演算により順次算出するようにしているが、シールド掘
進機やセミシールド機で掘削した地下坑のように坑内に
人が入れる場合には、計測ユニット４（ｎ）よりも後方
の計測ユニット４（ｎ−１）について最初のローリング
を検出し次第、その計測ユニットをローリング量が０に
なるように設置し直し、以後、こうした作業を続行する
ようにしても、前記と同様の効果を発揮することができ
る。以上述べた計測ユニット４（ｎ）のローリング量の
計測手段によれば、そのローリング量の計測のための特
別の計測機器を新設する必要はないので、こうした機器
を設置するためのコストやスペースを節減することがで
きるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に
設けた計測ユニット４，５，６を計測ユニット４，６の
ローリング量の計測のためにも利用できて、特設機器を
多角的に活用することができる。

【００６４】本発明の第２具体化例では、計測ユニット
４（ｎ）のローリング量の計測手段に以上のような特別
の手段を用いているが、こうした手段を設ける代わりに
各計測ユニットに通常のローリング計（ローリング方向
の傾斜角を検出して電気信号に変換する計器）を内蔵さ
せるようにしてもよい。特に、シールド掘進機で地下坑
２を施工する場合、地下坑２のうち、シールドジャッキ
で推進している最前方の掘削機１の区間だけがローリン
グし、他のセグメントで覆工した区間はローリングしな
いので、こうしたローリング計を掘削機１の区間だけに
設ければよい。また、機器類を水平に保持してローリン
グさせないように設置するためのジンバルのような自動
整準手段を用いて中間計測ユニット４や被測点計測ユニ
ット６を設置するようにすれば、こうしたローリング量
の計測手段は設ける必要がないから、ローリング量の計
測手段は、本発明にとって不可欠の要件ではない。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、課題を解決するための手段の項に示した技術手段を
採用しているので、本発明によれば、地中掘進機の掘進
位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作し
なくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進
機の位置計測装置が得られる。また、計測ユニットの取
付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘進時のヨー
イングやピッチングによって変化したりしても、こうし
たことに影響されることなく、地中掘進機の掘進位置を
常に正しく演算して計測することができる。こうした効
果に加え、本発明を具体化すると、次のような効果を併
せ発揮することができる本発明を具体化する場合、特
に、特許請求範囲の請求項４に記載の技術手段を採用す
れば、中間計測ユニットに用いられる計測ユニットを基
点計測ユニットや被測点計測ユニットに兼用できること
により、製作する機器の種類を少なくできてそれらの製
作を省力化することができるだけでなく、使用する機器
の種類も少なくできて機器の使用上の便もよい。本発明
を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項５に記
載の技術手段を採用すれば、延伸仮設体の撤去時に中間
計測ユニット４も自動的に撤去することができて至便で
ある。

【００６６】本発明を具体化する場合、特に、特許請求
範囲の請求項７に記載の技術手段を採用すれば、地下坑
の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを
節減することができる。本発明を具体化する場合、特
に、特許請求範囲の請求項８又は請求項９に記載の技術
手段を採用すれば、こうした効果を発揮することに加
え、シールド掘進機又は管推進機に通常付設されている
シールドジャッキのストローク計又は元押しジャッキの
ストローク計を地下坑の距離の計測に二重に活用してい
て、その距離の計測のために特別の距離計測手段を新設
する必要はない。本発明を具体化する場合、特に、特許
請求範囲の請求項１０に記載の技術手段を採用すれば、
対称に対をなすように配置された光源について光源の方
向に関する検出結果を平均することにより、地中掘進機
の位置を計測するに際して行う演算が簡略化される。本
発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１
１に記載の技術手段を採用すれば、地下坑の距離の計測
手段を設置するためのコストやスペースを節減すること
ができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特
別に設けた各計測ユニットを地下坑の距離の計測のため
にも利用できて、特設機器を多角的に活用することがで
きる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の
請求項１２に記載の技術手段を採用すれば、計測ユニッ
トのローリング量の計測のための特別の計測機器を新設
する必要はないので、こうした機器を設置するためのコ
ストやスペースを節減することができるとともに、地中
掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニット
を計測ユニットのローリング量の計測のためにも利用で
きて、特設機器を多角的に活用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測
装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。

【図２】図１の地中掘進機の位置計測装置における計測
ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための
概念図である。

【図３】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間
計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。

【図４】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間
計測ユニットの作動時のイメージを示す斜視図である。

【図５】図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受し
ているときの状態を示す要部の水平断面図である。

【図６】図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄
りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するため
の概念図である。

【図７】図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点
の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための
概念図である。

【図８】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機
の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図
である。

【図９】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機
の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概
念図である。

【図１０】第１具体化例を管推進機に適用した場合にお
ける地下坑の距離に関するデータを中央演算処理装置に
入力する手法を説明するための水平断面図である。

【図１１】第１具体化例をシールド掘進機に適用した場
合における図１０と同様の図である。

【図１２】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計
測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。

【図１３】図１２の地中掘進機の位置計測装置における
中間計測ユニットを示す斜視図である。

【図１４】図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測ユ
ニット間の距離を算出する手法を説明するための概念図
である。

【図１５】計測ユニットの一つがローリングした際にそ
のローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で
計測する基本原理を説明するための概念図である。

【図１６】計測ユニットの一つがローリングした際にそ
のローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で
算出する手法を説明するための概念図である。

【図１７】隣接する計測ユニットの双方がローリングし
た際に両者間の相対的なローリング量を図１の地中掘進
機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念
図である。

【符号の説明】

１ 掘削機 ２ 地下坑 ３ 発進立て坑 ４ 中間測量ユニット ４１ 光源方向検出手段 ４１１ 凸レンズ ４１２ ＣＣＤ撮像素子 ４２ 光源 ４２（Ｌ） 左光源 ４２（Ｒ） 右光源 ４３ コントローラ部 ５ 基点計測ユニット ６ 被測点計測ユニット ７ 中央演算処理装置 ８ 表示装置 １２ 元押しジャッキストローク計 １３ シールドジャッキストローク計 Ｌ 左光源の像 Ｒ 右光源の像 Ｇ_n ｎ番目の計測ユニットの基準線 Ｌ_n 隣合ったｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットの
基準点間の距離、 ＬＣ；レンズの中心とＣＣＤ撮像素子の中心の間の距離 ＬＲ；左光源と右光源の離隔距離 Ｖ₀ 発進方向線 Ｖ_n ｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットを結ぶ見通
し線 Θ_n 見通し線Ｖ_n が発進方向線Ｖ₀ に対してなす角
度のＸ−Ｚ平面上の成分 Φ_n 見通し線Ｖ_n が発進方向線Ｖ₀ に対してなす角
度のＹ−Ｚ平面上の成分 Θ_G 基準線Ｇ_n-1 をＸ_n-1 −Ｇ_n 平面上へ正投影し
た線と基準線Ｇ_n との交角 Φ_G 基準線Ｇ_n-1 をＹ_n-1 −Ｇ_n 平面上へ正投影し
た線と基準線Ｇ_n との交角 γ_n ｎ番目の計測ユニットのローリング角 γ_ns 光源の左右の像が水平線に対して傾く角度 δ_xnＬ δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＸ
ｎ軸方向の成分 δ_ynＬ δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＹ
ｎ軸方向の成分 δ_xnＲ δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＸ
ｎ軸方向の成分 δ_ynＲ δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＹ
ｎ軸方向の成分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 泰昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 下村 義昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地下坑を掘削しながら地中を掘進する地
   中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に
   配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘
   進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置
   関係で計測する地中掘進機の位置計測装置であって、前
   方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源から
   の拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段によ
   り集められた光を受光しその受光した光の位置により前
   方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段
   とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方
   に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの
   拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により
   集められた光を受光しその受光した光の位置により後方
   の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段と
   を有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方
   及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び
   後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる
   集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光
   しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源
   の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し
   地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニッ
   トとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニッ
   トとを設けて構成し、これら基点計測ユニット、被測点
   計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットで
   の検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデ
   ータと各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間
   の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対す
   る被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するよ
   うにしたこと特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
2. 【請求項２】 集光手段と受光手段とを、それぞれ凸レ
   ンズとこれに平行に配置されたＣＣＤ撮像素子とで構成
   し、ＣＣＤ撮像素子の面への光源の結像点が凸レンズの
   中心を通りＣＣＤ撮像素子の面に直交する線である基準
   線からずれるずれ量と凸レンズとＣＣＤ撮像素子の間の
   距離とに基づいて、光源の光軸が基準線となす角度を求
   めて光源の方向に関するデータが得られるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装
   置。
3. 【請求項３】 受光手段が、フォトダイオードの表面抵
   抗を利用して光スポットの位置を知ることのできる位置
   検出素子であることを特徴とする請求項１記載の地中掘
   進機の位置計測装置。
4. 【請求項４】 中間計測ユニットに用いることのできる
   計測ユニットを基点計測ユニット及び被測点計測ユニッ
   トの少なくとも一方に兼用することを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
5. 【請求項５】 中間計測ユニットを地下坑内に配置する
   場合、地下坑掘削の進展に伴って設置距離を延伸させな
   がら仮設し地下坑掘削の終了後に撤去する延伸仮設体に
   取り付けて配置するようにしたことを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
6. 【請求項６】 各計測ユニットでの検出結果に基づいて
   得られる各光源の方向に関するデータと各計測ユニット
   における隣接する計測ユニット間の各距離に関するデー
   タとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置
   を演算手段で演算して計測する場合に、各計測ユニット
   における隣接する計測ユニット間の各距離を自動的に検
   出できる距離検出手段を設け、その距離計測手段での検
   出結果により得られる各距離に関するデータを演算手段
   に自動的に入力するようにしたことを特徴とする請求項
   １記載の地中掘進機の位置計測装置。
7. 【請求項７】 各計測ユニットでの検出結果に基づいて
   得られる各光源の方向に関するデータと各計測ユニット
   における隣接する計測ユニット間の各距離に関するデー
   タとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置
   を演算手段で演算して計測する場合に、地下坑の所定区
   間の変化する距離を自動的に検出できる距離検出手段を
   設け、距離が変化する区間については、その距離計測手
   段での検出結果により得られる距離に関するデータを演
   算手段に連続的に入力し、他の区間については、確定し
   た距離に関するデータを断続的に入力するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装
   置。
8. 【請求項８】 地中掘進機が掘削機をシールドジャッキ
   で推進しながら地中を掘進するシールド掘進機であり、
   距離検出手段がシールドジャッキのストローク検出器で
   あることを特徴とする請求項７記載の地中掘進機の位置
   計測装置。
9. 【請求項９】 地中掘進機が発進立坑内に設置した元押
   しジャッキで埋設管を推進する管推進機であり、距離検
   出手段が元押しジャッキのストローク検出器であること
   を特徴とする請求項７記載の地中掘進機の位置計測装
   置。
10. 【請求項１０】 基点計測ユニット、被測点計測ユニッ
    ト及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、集光手段
    の中心を通り受光手段の面に直交する線を挟んで対称に
    対をなすように配置され前後同じ方向に拡散光を発する
    ことのできる光源を有することを特徴とする請求項１又
    は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
11. 【請求項１１】 基点計測ユニット、被測点計測ユニッ
    ト及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、前後同じ
    方向に拡散光を発することのできる複数の光源を有し、
    この複数の光源を有する計測ユニットとこれらの光源の
    方向を検出し得るように配置された受光手段を有する隣
    接する計測ユニットとで得られる両計測ユニットの光源
    の方向に関するデータと、前記隣接する計測ユニットの
    受光手段で受光した複数の光源の光の位置に関するデー
    タとに基づいて、両計測ユニット間の距離を計測するよ
    うにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
    地中掘進機の位置計測装置。
12. 【請求項１２】 基点計測ユニット、被測点計測ユニッ
    ト及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、前後同じ
    方向に拡散光を発することのできる一対の光源を有し、
    この一対の光源が隣接する計測ユニットに結像する一対
    の像の傾斜に関するデータ基づいて、その隣接する計測
    ユニットのローリング量を計測するようにしたことを特
    徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置
    計測装置。