JPS594030B2 - 地中穿孔機の位置および姿勢の計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は地中穿孔機によるトンネル掘進において、トン
ネルを計画通りに穿つべく地中穿孔機の位置および姿勢
を計測する装置に関するものである。

従来、地中穿孔機などの小口径掘進機におけるトンネル
掘進では、地中穿孔機の位置および姿勢の計測が全く行
なわれないかまたは測量機５こよる光学計測によって行
なわれていた。

この後者の測量機による光学計測に係る装置は地中穿孔
機内部に設けた目標板とこの目標板を測量するため地中
穿孔機の発進口に設置した測量機とで構成され、基準点
の掘進計画線に合わせて固定した測量機により地中穿孔
機の目標板に刻まれた座標点を観測して、地中穿孔機の
位置および姿勢を計測していた。

元来、この種地中穿孔機ではその位置および姿勢を計測
する場合、地中穿孔機が立坑から水平方向に（地中穿孔
機は必ずしも水平に掘進させるとは限らず、この場合水
平方向成分に）どのくらい移動しているかを表わす水平
移動位置、地中穿孔機が存在する深さ、地中穿孔機が水
平方向に左右どのくらい曲っているか換言すれば地中穿
孔機の進む方位を表わす方位角、地中穿孔機の掘進方向
（前後方向）の傾斜換言すれば地中穿孔機の上向きまた
は下向きの程度を表わす傾斜角、および地中穿孔機自体
の回転の程度を表わす回転角のそれぞれにつき計測を行
なうことが好ましい。

かかる位置と計測に関して前述の測量機および目標板の
場合を当てはめると、前述の目標板と測量機とを用いた
装置において、地中穿孔機自体が円周方向に回転しない
場合方位角と傾斜角は観測点の初期位置からの移動量に
より算定し得る。

ところが、多くの場合中する円周方向の回転が伴う場合
、方位角と傾斜角および回転角を分離することは困難で
これらの姿勢の計測は不可能であった。

そして、この場合は回転角につき別途の手段で計測し、
この計測値をもとにして方位角、傾斜角を補正して算定
するという複雑な手法を必要としていた。

また、地中穿孔機の水平移動位置および深さについては
別の手段で測定する必要がある。

また、前述の目標板と測量機とを用いた装置は、曲線部
を含むトンネル施工の場合目標板を測量機から見通せず
使用不可能であるという欠点を有し、さらに、測量機を
発進立坑内の掘進計画線後方に設置しなければならず立
坑の大型化を強いる外、掘進と同時にトンネル内へ管を
布設するときには押管装置のスペースが測量機によりじ
ゃまされるなどの欠点を有する。

そこで、本発明は上述の欠点を除き、たとえ曲線部を含
むトンネルであっても地中穿孔機の位置および姿勢のす
べてが計測でき、しかも立坑を大型化する必要もなく測
量機が押管装置をじゃますることもない地中穿孔機の位
置および姿勢の計測装置の提供を目的とし、新規な着想
に基づき発明されたものである。

かかる目的を達成するため本発明は、地中穿孔機の内部
にあってカルダン枠で支持されて重力方向に常に向う一
対の第１磁気発生素子を上記地中穿孔機の長手方向に沿
って互いに離間して備え、上記地中穿孔機の内部にあっ
て上記第１磁気発生素子を中心として両側の等距離位置
で上記長手方向と直交する円周方向に一対の第２磁気発
生素子を固定し、上記地中穿孔機の内部にこの地中穿孔
機の掘進方向の傾斜角と円周方向の回転角とを検知する
傾斜角検出素子を固定し、上記一対の第１磁気発生素子
どうしを結ぶ線、上記第１磁気発生素子の存在箇所、お
よび上記第２磁気発生素子の存在箇所を検出する磁気検
出素子を地上に備えたことを特徴とする。

ここで、本発明の実施例を図を参照しつつ説明する。

第１図は本実施例装置の全体の配置状態を示し、地中穿
孔機の穿孔途中の状態を示したものである。

トンネルを穿った地中穿孔機１内にはその上部前方およ
び上部後方の三箇所にて第１磁気発生素子２ａ、２ｂが
備えられ、さらにこの第１磁気発生素子２ａを含む円周
上で第１磁気発生素子２ａの側方には第２磁気発生素子
３ａ、３ｂ（３ｂは第１図では省略）が固定されている
。

また、地中穿孔機１内にはこの地中穿孔機１の掘進方向
（前後方向）の傾きを示す傾斜角および回転角を検知す
る傾斜角検出素子４が固定されている。

第１磁気発生素子２ａ、２ｂおよび第２磁気発生素子３
ａ、３ｂの詳細な構造、取付状態は第２図以下を参照し
て後述する。

さらに第１図において、第１磁気発生素子２ａ、２ｂお
よび第２磁気発生素子３ａ、３ｂはそれぞれコイル２１
．３１よりなる。

このコイル２１．３１は信号伝送用ケーブル５に接続さ
れて地上まで導かれ信号供給装置６に接続されている。

また、傾斜角検出素子４は信号伝送用ケーブル５に接続
され、この信号伝送用ケーブル５は地上にあって電源装
置７および表示装置８に接続されている。

また、地上には測定架台９上に載せられた磁気検出素子
１０とこの磁気検出素子１０に接続された受信装置１１
が設置されている。

第１図中番号１２は立坑である。本実施例における計測
装置の概略は以上の如くである。

ここで、各部を詳細にする。第２図は第１図に示す第１
磁気発生素子２ａ、２ｂの具体例を示し、第１磁気発生
素子２ａ、２ｂは磁性体２２にコイル２１を巻回したも
ので磁性体２２の下端には電離２３が固着されている。

そして、この第１磁気発生素子２ａ、２ｂはこの第１磁
気発生素子２ａ、２ｂを中心として２自由度のカルダン
枠２４にて支持されている。

すなわち、第１磁気発生素子２ａ、２ｂは第１回転枠２
５に固定され、この第１回転枠２５にはさらに第２回転
枠２６が取付けられ、そしてこの第２回転枠２６は足の
ついた固定枠２７に取付けられている。

したがって、この第１回転枠２５と第２回転枠２６とは
回転方向が互いに直交するため、第１磁気発生素子２ａ
、２ｂとしては自由に回転することができる。

第１磁気発生素子２ａ、２ｂのコイル２１は前述したよ
うに信号伝送用ケーブル５を介して信号供給装置６に接
続されており、コイル２１は通電されて磁束を発生する
。

この場合、信号供給装置６としては通常の商用周波数で
の電源でもよく電源装置７と同一でもよいが、第１磁気
発生素子２ａ、２ｂまたは後述の第２磁気発生素子３ａ
。

３ｂによる磁束を特徴付けたとえば周波数などを変えて
磁気検出素子１０の便に供するため異種信号の発生源と
している。

第２図に示す第１磁気発生素子２ａ、２ｂは第３図およ
び第４図に示すように、地中穿孔機１の天井である上部
前方と上部後方とに地中穿孔機１の長手方向に沿いかつ
所定距離離間して備えられている。

すなわち、２個のカルダン枠２４の固定枠２７の足を地
中穿孔機１の天井に固定するのである。

このため、電離２３が固着されている第１磁気発生素子
２ａ、２ｂは地中穿孔機１が前後に傾斜し円周方向に回
転しても、常に重力方向に向うことになる。

地中穿孔機１の上部前方に備えた第１磁気発生素子２ａ
を中心として両側の等距離位置で長手方向と直交する円
周方向に一対の第２磁気発生素子３ａ、３ｂが固定され
ている。

この第２磁気発生素子３ａ、３ｂを構成するコイル３１
とこのコイル３１が巻回された磁性体３２とは固定板３
３に植立されて固定されており、この固定板３３は第２
磁気発生素子３ａ、３ｂが地中穿孔機１の内方に突出す
るよう地中穿孔機１の内壁に固定されている。

この場合、地中穿孔機１の軸心を中心として第３図に示
すように第１磁気発生素子２ａと第２磁気発生素子３ａ
、３ｂとは予め角度αをなすように設定されている。

第２磁気発生素子３ａ。３ｂのコイル３１も信号伝送用
ケーブル５を介して信号供給装置６に接続されているこ
と第１図の説明にて述べたとおりである。

また、地中穿孔機１内の上部後方にある第１磁気発生素
子２ｂと同一円周内にあって地中穿孔機１の下部には、
傾斜角検出素子４が固定板４１を介して固定されており
、この傾斜角検出素子４は地中穿孔機１の前後の傾斜角
および回転角を検出して表示装置８にてこれら角度を表
示するものである。

第１磁気発生素子２ａ、２ｂおよび第２磁気発生素子３
ａ、３ｂからの磁界の強さの信号を検知する磁界受信部
としては、磁気検出素子１０および磁気検出素子を載せ
るための測定架台９および受信装置１１から構成されて
いる。

測定架台９は第５図に示すように台座９１の下部にこの
台座９１の水平をとるための複数本の高さ調整ねじ９２
を有し、この台座９１上には水平を確認する第１水準器
９３および第２水準器９４が埋設されている。

また、台座９１上には四隅に第１傾斜ジヤツキ９５が配
置され、この４本の第１傾斜ジヤツキ９５は第１傾斜板
９６の四隅に連結されている。

さらに、第１傾斜板９６上には第２傾斜ジヤツキ９７が
配置され、この４本の第２傾斜ジヤツキ９７は第２傾斜
板９８に連結されている。

また、第２傾斜板９８上にはコイル１０１を磁性体１０
２に巻回したさぐりコイルである磁気検出素子１０が配
置されている。

そして、第１傾斜板９６の回動軸心と第２傾斜板９８の
回動軸心とが直交するようにこの第１傾斜板９６および
第２傾斜板９８に傾斜が与えられ、後桟の深さの計測に
て述べるように第１傾斜板９６と台座９１との間の角度
は前述の第２磁気発生素子３ａまたは３ｂと第１磁気発
生素子２ａとがなす角度α土地中穿孔機１の回転角に該
当させ、第１傾斜板９６と第２傾斜板９８との間の角度
は地中穿孔機１の前後の傾斜角に該当させている。

さて、以上にて計測装置の構造を説明したが、ここで計
測の仕方とともに各部の機能を説明する。

地中穿孔機１の掘進については第１磁気発生素子２ａ、
２ｂが地中穿孔機１の頂部に存在するように地中穿孔機
１を配置して、掘進を開始し、第１磁気発生素子２ａ、
２ｂおよび第２磁気発生素子３ａ、３ｂおよび傾斜角検
出素子４に信号伝送用ケーブル５を介して信号供給装置
６および電源装置７から信号を供給する。

この状態において、地中穿孔機１の前後方向の傾斜角換
言すれは地中穿孔機１の仰角もしくは俯角または地中穿
孔機１の円周方向の回転角に対応した信号（検出素子に
電位差計を用いた場合は電圧）が発生し、その仰角。

俯角などの傾斜角および回転角に該当する表示が表示装
置８にてなされる。

見方を変えれば傾斜角検出素子４は船舶にみなした地中
穿孔機１の縦揺れおよび横揺れの揺れ角度検出素子とみ
ることができる。

ついで、地中穿孔機１の水平移動位置および地上からの
深さおよび方位角については、地上の磁気受信部にて第
１磁気発生素子２ａ、２ｂおよび第２磁気発生素子３ａ
、３ｂによる磁界の強さの最大値または最小値を計測し
て得ることができる。

すなわち、水平移動位置については地中穿孔機１の回転
および傾斜があっても第１磁気発生素子２ａ、２ｂが常
に重力軸方向を向くため、地上にて水平に設置した測定
架台９を移動しまた磁気検出素子１０を第２傾斜板９８
上で移動して磁気測定を行ない第１磁気発生素子２ａ、
２ｂの位置ひいては地中穿孔機１の位置を知ることがで
きる。

また、地中穿孔機１の方位角については、堀進計画線と
第１磁気発生素子２ａ、２ｂどうしを結ぶ線とのずれ角
、換言すれは磁気検出素子１０の長さ方向と掘進計画線
とのずれ角により検知することができる。

さらに、深さの計測について説明するに、２個の第１磁
気発生素子２ａ、２ｂを結ぶ直線に水平な測定架台９の
中心線Ａ−Ａを合致させ、かかる状態にて複数本の第１
傾斜ジヤツキ９５を伸縮させて第１傾斜板９６の傾斜を
第２磁気発生素子３ａまたは３ｂのいずれか一方と地中
穿孔機１の鉛直軸とのなす角換言すれは傾斜角検出素子
４により得られた地中穿孔機１の回転角と前述した第２
磁気発生素子３ａまたは３ｂによる角±αとの和の角度
に一致させ、さらに複数本の第２傾斜ジヤツキ９７を伸
縮させて第２傾斜板９８の傾斜を傾斜角検出素子４によ
り得られた地中穿孔機１の前後方向の傾斜角に一致させ
、しかも第２傾斜板９８上にある磁気検出素子１０をＡ
−Ａ線と直交するＢ−Ｂ線方向に移動させる。

この作業によって、地中穿孔機１内の第２磁気発生素子
３ａまたは３ｂを地上の磁気検出素子１０に投影させる
と、この両者は直交することになり、第２磁気発生素子
３ａ、３ｂを検知することができる。

この結果、磁気検出素子１０の位置と第２磁気発生素子
３ａ。

３ｂのいずれか一方による鉛直軸に対する傾き角とによ
って深さを計算することができる。

こうして、地中穿孔機１の位置および姿勢のすべてを計
測することができ、曲線部を有するトンネルについても
計測は何ら差支えない。

上記実施例での地中穿孔機１は多くの場合トンネル内に
人員が入れない程の小口径のものに適用され得るが、計
測については別に小口径に限らず大口径のトンネルにつ
いても応用できる。

以上実施例にて説明したように本発明によれば、地中穿
孔機の内部にあってカルダン枠で支持されて重力方向に
常に向う一対の第１磁気発生素子を上記地中穿孔機の長
手方向に沿って互いに離間して備え、上記地中穿孔機の
内部にあって上記第１磁気発生素子を中心として両側の
等距離位置で上記長手方向と直交する円周方向に一対の
第２磁気発生素子を固定し、上記地中穿孔機の内部にこ
の地中穿孔機の掘進方向の傾斜角と円周方向の回転角と
を検知する傾斜角検出素子を固定し、上記一対の第１磁
気発生素子どうしを結ぶ線、上記第１磁気発生素子の存
在箇所、および上記第２磁気発生素子の存在箇所を検出
する磁気検出素子を地上に備えたことにより、地中穿孔
機の前後の傾斜および回転の絶対測定のみならず磁気検
出素子の磁気測定による第１磁気発生素子および第２磁
気発生素子の位置検出によって地中穿孔機の水平移動位
置、深さ、方位角の絶対測定を全て行なうことができ、
しかもかかる計測は光学計測でないのでトンネルが曲線
部を含むと否とにかかわらず可能であり、また掘進距離
による累積誤差も生じない。

さらに、測量機の設置が不要となって立坑の小形化を図
ることができ、押管装置に対しても伺等じゃまになるも
のが無くなった。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明による地中穿孔機の位置お
よび姿勢の計測装置の一実施例で、第１図は全体の配置
状態図、第２図は第１磁気発生素子とその支持物を示す
斜視図、第３図は地中穿孔機を第１図のＩ−Ｉ線で切断
した断面図、第４図は第１図の■−■線で切断した断面
図、第５図は磁気検出素子を中心に示した磁気受信部の
主要部の斜視図である。 図面中、１は地中穿孔機、２ａ、２ｂは第１磁気発生素
子、３ａ、３ｂは第２磁気発生素子、４は傾斜角検出素
子、１０は磁気検出素子、２４はカルダン枠である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 地中穿孔機の内部にあってカルダン枠で支持されて
   重力方向に常に向う一対の第１磁気発生素子を上記地中
   穿孔機の長手方向に沿って互いに離間して備え、上記地
   中穿孔機の内部にあって上記第１磁気発生素子を中心と
   して両側の等距離位置で上記長手方向と直交する円周方
   向に一対の第２磁気発生素子を固定し、上記地中穿孔機
   の内部にこの地中穿孔機の掘進方向の傾斜角と円周方向
   の回転角とを検知する傾斜角検知素子を固定し、上記一
   対の第１磁気発生素子どうしを結ぶ線、上記第１磁気発
   生素子の存在箇所、および上記第２磁気発生素子の存在
   箇所を検出する磁気検出素子を地上に備えた地中穿孔機
   の位置および姿勢の計測装置。