JPS5811030B2 - シ−ルド機の水平位置探知方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地中にトンネルを構築するのに用いるシール
ド機が掘削工事途中で地中のどこに存在するか、その水
平方向の位置を地上で探知する方法に関するものである
。

シールド工法によってトンネルを構築する場合、直径数
ｍないし２０ｍ程度の大断面の場合が多く、掘削をシー
ルド機で行なう場合に、複雑な作業や、目視を伴なう方
が安全、確実性に優れる作業はシールド機内や既掘削の
トンネル部分内に人が入って行なうことを通例としてい
る。

シールド機による掘削途中におけるその位置の計測も、
自動化されている極く特殊な場合を除いて人が計測する
のが普通である。

その位置計測で最も信頼されている方法は光学測量であ
り、シールド機の発進立坑および路上等に設けた測量基
準点を基準として、シールド機につけたターゲットの位
置を求める。

水平方向（左右方向）の位置を求めるにはトランシット
を用い、鉛直（上下）位置を求めるにはレベル計を用い
ている。

光学測定以外の位置計測方法として、発進立坑からレー
ザ光線をシールド機に向けて照射し、その照射位置から
シールド機位置を求める方法や、シールド機に姿勢角計
測装置を搭載して一掘進毎の姿勢角を測り、掘進軌跡を
推定することにより位置を求める方法等がある。

しかしながら、光学測量やレーザ光を用いる方法は、直
線的見通しを必要とし、かつ精度良く測定し得る距離が
５０〜１００ｍ程度と短かいので、トンネル内に人が入
って基準点を移す作業を行なわない限り、曲線状トンネ
ルや長いトンネルでは位置計測ができない。

またシールド機姿勢角の変化履歴からシールド機位置を
求める方法は、土質不均一や重力の影響によってシール
ド機が必ずしもその姿勢角の方向へ進むとは限らないた
め、計測値が本質的な誤差を含むこととなり、トンネル
長が長くなるに従って位置計測値の誤差は累積して大き
くなる。

そこでこの方法で行なう場合において長いトンネルのと
きは、誤差が所定の値以下になるスパン毎に別の位置計
測方法によって正しい位置を計測し、姿勢角から得られ
る位置計測値を確認、修正することを必要とする。

更に姿勢角とシールド機進行方向の不一致は曲線掘削時
に大きい傾向にあるので、曲線掘削では誤差の累積が直
線掘削の場合より大きくなる。

このような理由から、トンネルの径が小さく作業者が入
って作業することが困難な小断面トンネルをシールド機
によって構築しようとする場合、短距離直線掘削では従
来の位置計測法で事足りても、長距離掘削または曲線掘
削を行おうとすると位置計測が極度に困難となる。

本発明は上記の点にかんがみ、地上において掘進途中の
シールド機の水平方向位置を知ることができるようにし
て、小断面トンネルのシールド機による長距離曲線掘削
をも容易、確実且高精度に行わせ得ることを目的とし、
シールド機により地中にトンネルを掘削するに際し、該
シールド機に、該シールド機直上の地表点では地表上の
他の点と識別し得る特徴が現われる複数の異った磁界を
作るよう磁界発生器を取りつけ、掘進途中において磁界
探索器により地表上を走査して上記全部の磁界の上記特
徴を示す点を探査することによりその時のシールド機の
直上の地表点を探知することを特徴としたものであって
、以下図面に従い詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例を示し、１はトンネル掘削中の
シールド機、２はシールド機１上部に取りつけられ鉄心
にコイルを巻回されたもの等よりなる交番磁界発生器で
あって、電源部３より交番電流を供給される。

この磁界発生器２は、コイルの軸方向が水平方向になる
ようにかつコイルの軸を鉛直軸の回りに９０°回転でき
るようにしてＸ軸方向とＹ軸方向に方向を切換えられる
ようにしたもの、軸方向が垂直方向のコイルと軸方向が
水平方向のコイルとを設けてこれらを切換え得るように
したもの、あるいはＸ軸方向の軸をもつコイルとＹ軸方
向の軸をもつコイルとの組合わせたものであって、その
直上の地表上の点ではその地表上の他の点と識別し得る
特徴を示す磁界を作るものである。

シールド機１の交番磁界発生器２の取りつけられる付近
は非磁性材料で構成される。

電源部３は発進立坑４内に設けた操作部５により既掘削
トンネル部６内を通した遠隔制御用ケーブル７により制
御される。

また磁界発生器２を前記のように水平方向のコイル軸を
鉛直軸の回りに９０゜回転させるものにしたときのコイ
ルの回転操作、また軸方向が垂直方向のコイルと水平方
向のコイルとを設けたものとして、これを切換えるとき
の操作も操作部５により行なう８は地上において、磁界
発生器２従ってシールド機１の地表面１０上の直上点９
を探知するための磁界探索器であって、磁界発生器２の
作る交番磁界と鎖交して起電力を誘起するコイルと、そ
の誘起起電力を計測する計測器等とよりなっている。

探索器８のコイルに誘起される起電力ｅは、コイル巻数
をＮ、コイル断面積をＳ、大地および空気の透磁率をμ
、コイルと鎖交する磁界の強さをＨｌその磁束密度をＢ
、その総磁束をφ、時間をｔとすれば、 であるから、 として表わされ、交番磁界が Ｈ＝Ｈｏ ５ｉｎＷｔ のときには ｅ＝Ｎμ５ＷＨｏ ｃｏｓＷｔ となる。

したがってこの起電力ｅを測ればコイル従って探索器８
の置いた位置での磁界の強さＨを知ることができる。

シールド機１のおおよその水平方向における位置は、シ
ールド機１の掘削音や、既掘削部分のトンネル６に施し
たライニング材の数量等により分るので、その付近の地
表１０上を探索機８により走査してその計測器を見つつ
磁界の特徴の現われる点を探査し、シールド機１の地表
１０における直上点９を探知するようにする。

第２図は磁界発生器２のコイルの軸方向をシールド機１
に鉛直方向になるよう取りつけた場合の発生磁界のパタ
ンの一例を示したもので、磁界発生器２から鉛直方向に
噴水状に磁力線１１を発する場合である。

このような磁界の地表面１０における鉛直２方向の磁界
の強さく探索機８のコイル軸を垂直方向にして測定）と
、水平γ方向の磁界の強さく探索機８のコイル軸を水平
方向にして測定）を、シールド機１の地表面１０の直上
点９を原点としてシールド機土被りｈにより無次元化し
た距離を横軸にとって表わした場合を第３図に示す。

従ってこのような磁界に対して探索器８により鉛直２方
向の磁界強さが最大になる点、あるいは水平γ方向の磁
界強さが０となる点を探知すれば、その点がシールド機
１の直上地点９となる。

第４図は磁界発生器２のコイルの軸方向が水平方向にな
るようシールド機１に取りつけて出来る発生磁界のパタ
ーンの例を示す。

この図でＸ軸方向は紙面に直角な方向としである。

このような磁界のときの地表上での鉛直２方向の磁界強
さおよび探索器８をｙ軸方向に動かして得られるような
ｙ軸方向の磁界強さを第５図ａに示し、探索器８をＸ軸
方向に動かして得られるようなｙ軸方向の磁界強さを同
図すに示す。

この場合も第２図の場合と同じ強さの磁界発生器２を用
い、また横軸のとり方は第３図の場合と同じである。

この図からも明らかのように、シールド機１の地表直上
点９において磁界の強さが最大になるか、零になるかの
特徴が現れる。

従ってこの場合も地上において探索器８によりこのよう
な特徴の現れる点を見つければ、そのときのシールド機
１の水平方向の位置を地上において知ることができる。

磁気発生器２に、軸方向が水平方向のコイルを鉛直軸の
回りに９０°回転できるようにしてＸ軸方向とＹ軸方向
とに方向を切換えられるようにしたものを用いた場合は
、コイルの方向をＸ軸方向に向けた場合と、Ｙ軸方向に
向けた場合について、それぞれ探索器８で地上を走査し
て両方の場合の磁界の特徴の現われる点を探査する。

また磁界発生器２に軸方向が垂直方向と水平方向の２個
のコイルを設け、これを切換えるようにしたものを用い
た場合は、一方のコイルによる磁界の特徴を現わす地上
の点を探索器８の走査により探索しついで他方のコイル
による磁界の特徴を現わす地上点を同様に探査する。

これら２例のように異なった磁界の地表上の特徴点をそ
れぞれ測定することによりシールド機の位置を一層確実
に探知することができる。

つぎに磁界発生器２にＸ軸方向の軸をもつコイルとＹ軸
方向の軸をもつコイルを組み合わせて用いた場合には、
両コイルによる両磁界の合成されたものを測ることにな
り、この場合合成された磁界は第５図で示された磁界よ
り一層ピークの鋭い磁界となりより確実、高精度にシー
ルド機位置を探知できる。

このような探査は掘進途中において、排土作業等が行わ
れてシールド機の進行が一時停止しているときに行えば
よい。

第６図は空気中で行なった実験結果を示す。

この実験は磁界発生器２および探索器８にそれぞれ相当
する各コイルを共に巻数１００、径を２００ｍｍ、長さ
６ｍｍ、巻線厚さ４．５ｍｍ、巻線の素線径０．４ｍｍ
、の円筒状にしたものを用い、それぞれの端子に２００
０ｐＦのコンデンサを付加し、共振周波数である５０．
３ＫＨｚの交番電流を軸方向を水平方向に置いた磁界発
生コイル１２に流し、同図すに示すようにこの磁界発生
コイル１２の中心から直上距離が９０ｃｍ離れた線に沿
って探索コイル１３の中心が動くようにして行なったも
のであり、同図ａの曲線Ａは探索コイル１３の軸方向を
磁界発生コイル１２の軸方向と平行にして動かした場合
の探索コイル１３に発生した電圧、また曲線Ｂは、探索
コイル１３の軸方向を磁界発生コイル１２の軸方向と直
角方向にして動かした場合の探索コイル１３の発生電圧
を示す。

第７図は第６図における場合と同じく空気中において磁
界発生コイル１２および探索コイル１３とを用い、第７
図すに示すように磁界発生コイル１２の軸方向を垂直に
置き、このコイル１２の中心から直上距離９０ｃｍ離れ
た線に沿い一つは軸方向を垂直にした探索コイル１３の
中心が、他の一つは軸方向を水平にした探索コイル１３
の中心が動くようにして探索コイル１３に発生した電圧
を調べた場合の実験結果を示し、前者は同図ａの曲線Ｃ
として示され、後者は曲線りとして示される。

第６図ａおよび第７図ａから明らかのように、磁界発生
コイル１２の直上においては他の位置と比べ際立った特
徴が現われる。

従って磁界発生コイル１２が地中にある場合、地上にお
いて高精度にその直上位置を知ることができる。

本発明は以上のように、地上において磁界探索機により
、シールド機に取りつけた磁界発生器の作る磁界のシー
ルド機直上に現われる特徴を示す位置を探知するもので
あるから、トンネル内での計測作業を何ら要しなく、し
かも磁界発生器はシールド機直上の地表点では他の地表
上の点を識別し得る特徴が現われる複数の異った磁界を
作るようなものとし、この全部の磁界を探査するように
したものであるから、掘進途中におけるシールド機の水
平刃での位置を極めて容易にかつ１つの磁界のみを作る
ようにした場合より、一層確実、高精度に知ることがで
きる。

従って特に作業者の入ることの困難ないしは不可能な小
断面トンネルの掘削工事において従来方法では困難を極
めた長距離、曲線掘削工事の場合にもシールド機の水平
方向での位置を容易、確実に且つ高精度で知ることがで
き、ひいてはトンネル工事の省力化、高速化ならびに施
工精度の向上を計る上で有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面図、第２図は磁界発
生器の発生磁界の一パタン例を示す図、第３図は第２図
に示した磁界の地表面における磁界分布図、第４図は磁
界発生器の発生磁界の他のパタン例を示す図、第５図は
第４図に示した磁界の地表面における磁界分布図、第６
図および第７図は空気中においての探査実験結果を示す
図である。 １・・・シールド機、２・・・磁界発生器、８・・・磁
界探索器、９・・・シールド機の地表直上点、１０・・
・地表面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シールド機により地中にトンネルを掘削するに際し
   、該シールド機に該シールド機直上の地表点では地表上
   の他の点と識別し得る特徴が現われる複数の異なった交
   番磁界を作るよう磁界発生器を取りつけ、掘進途中にお
   いて磁界探索器により地表上を走査して上記複数の交番
   磁界の上記特徴を示す点を探査することによりその時の
   シールド機の直上の地表点を探知することを特徴とする
   シールド機の水平位置探知方法。