JPS61219827A - トンネル工法用坑内位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、坑内に視野を妨げる物件があって通常の光学
的計測では支障がある状況下のトンネル工法、特に、坑
内（推進管内）での作業要員の行動が困難な小口径管推
進工法において、曲折して。

見透しのきかない坑内の軌跡を、地上からのリモートコ
ントロールによりそれぞれの部位の曲率半径を光電的に
検出することにより計測するトンネル工法用坑内位置計
測に関するものである。

（従来の技術） 作業員の行動可能な口径のトンネル工事では通常のトラ
ンシフトやレーザトランシットを使用して光学的計測が
行われている。そのための作業条件として計測基準点か
ら坑内の被計測点に対する見透しは重要且つ不可欠であ
り、曲折した坑道の場合には計測員の坑内作業を必要と
した。現在、作業員が行動し得ない小口径トンネルに於
ては、見透しの利かない曲折した坑道の軌跡を計測する
方法として、ジャイロスコープ又はポテンションメータ
ーを使用して地上からのリモートコントロールによって
測量する方法以外は開発されておらず、光学的計測手段
を利用するものは皆無である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ジャイロスコープ方式では、ジャイロの
ドリフト補正が問題となり、ポテンションメータ一方式
は、多数点の計測個所を必要とするために繁雑さを免か
れない。

高精度を期待するためには、レーザを含めた光学的計測
手段を採用することが望ましいが、計測基準点と被計測
点との中間に視野の妨害物があれば光学的計測は不可能
となる。

本発明の目的は、このように計測基準点と被計測点との
間で視界を妨げられても、それ等の妨害物を坑外に排除
することなく、又坑内作業員を必要とすることもなく曲
率して見透しの利かない坑道でも容易に精度よく計測す
ることの出来るトンネル工法用坑道位置計測装置を提供
するにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するための本発明の構成を、実施例に
対応する第１図乃至第９図を参照して説明すると、本発
明は坑道ｌ内にその形状に沿って布設されたガイド５と
、前記ガイド５に案内されて互いに見通せる範囲内の一
定の距離を保って移動するレーザビーム発射手段６及び
該レーザビーム発射手段６からのレーザビーム７を受光
面８上に受光してその受光面８上の受光位置を電気的位
置信号に変換して検出する受光手段９と、計測基準点１
２から前記受光手段９までの距離を電気的距離信号とし
て検出する距離検出手段１３と、前記位置信号と前記距
離信号とを入力信号として前記受光手段の位置を前記計
測基準点１２を基点として求める信号処理部１８とを具
備して構成されている。

（作　用） このようにすると、坑道１が曲折していても、レーザビ
ーム発射手段６と受光手段９とが互いに見通せる範囲内
の一定距離を保って坑道１内をガイド５に案内されて移
動し、各移動位置毎に受光手段９の受光面８上に受光さ
れるレーザビーム７の位置を電気的位置信号として検出
するので、各位置を支障なく計測できる。位置信号は計
測基準点１２から受光手段９までの距離を測定する距離
信号と共に信号処理部１８に入力されるので、両信号を
処理することにより計測基準点１２からの受光手段９の
位置までの計測を逐次行うことができる。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図乃至第９図を参照して詳細
に説明する。坑道１は発進立坑２を基点として掘削機３
により掘削し、その掘削につれて発進立坑２より推進管
４を押込み、坑道１が崩れ　。

ないようにする。坑道１を掘削するにつれて坑道１内に
はパイプ状のガイド５を該坑道１に沿って布設して固定
する。従って、ガイド５は坑道１の曲折に倣って曲折す
るからガイド５の曲折計測は坑道１の軌跡の計測と同一
と見做される。ガイド５内には、相互に見通せる範囲内
の一定距離りをへだててレーザビーム発射手段６と、該
レーザビーム発射手段６からのレーザビーム７を受光面
８上に受光してその受光面８上の受光位置を電気的位置
信号に変換して検出するホジションセンサヘッドの如き
受光手段９とが配設され、両者は相互間に一定距離を保
つように連結手段１０で相互に連結されている。これら
の手段は車輪１１によってガイド５の内壁に沿って移動
できるようにされている。受光手段９の位置には、発進
立坑２における計測基準点１２から受光手段９までの距
離を電気的距離信号として検出する距離検出手段１３が
設けられている。この距離検出手段１３としては、例え
ば車輪１１の回転角度或は回転数に応じてパルス信号を
出すパルス発信機が用いられる。

レーザビーム発射手段６の前部には連結手段１４を介し
て自走式駆動部１５が設けられている。受光手段９の後
部にはバッファリングへラド１６が設けられている。発
進立坑２の入口には、位置信号と距離信号とがコード１
７を介し入力されて受光手段９の位置を計測基準点１２
を基点として求める信号処理部１８が設けられている。

本実施例では、坑道ｌの進行方向にＹ軸をとり、これに
直角な水平方向にＸ軸をとり、これに直角な垂直方向に
Ｚ軸をとって位置を表わす。

即ち、坑道１の軌跡は必ず直線と曲線の組合せにより成
立する。従って、第１図（Ａ）（Ｂ）に示すように計測
基準点１２に対して前述したように坑道１の軌跡進行方
向を１軸とするＸＹ座標を描けばその面での任意の計測
地点の位置が求められるし、左右上下の２軸面に対応す
るＸＹＺ座標を求めれば立体的に計測基準点１２からの
位置を知ることができる。第３図及び第４図は施工計画
基本線のモデルケースを示している。即ち、この場合の
坑道１は、Ｘ−Ｚ平面からみてＡ−Ｂの直線区間Ｉと、
Ｂ−Ｃの曲線区間■と、Ｃ−Ｄの直線区間■と、Ｄ−Ｅ
の曲線区間■と、Ｅ−Ｆの直線区間■からなっている。

各区間の長さ、曲率半径及び勾配は図示の通りである。

このようなＸ、Ｙ、Ｚ軸上の変位は、前述したレーザビ
ームの発射手段６と受光手段９による曲率計測、及び距
離検出手段１３により計測基準点１２からの距離計測に
より求められる。

即ち、第５図＜１）　　（ＩＩ）　　（ＩＩＩ）に示す
ようにレーザビーム発射手段６をＡ点におき、受光手段
９の受光面８をレーザビーム発射手段６のＡ点から一定
距離したけ離れたＢ点におき、レーザ発射手段６から受
光手段９の受光面８に向けてレーザビーム７を照射する
と、ガイド５が真直ぐの場合には第５図（Ｉ）に示す如
くレーザビーム７は受光面８の中心点Ｏに受光される。

ガイド５が曲折していれば、第５図（ｒｌ）又は（ＩＩ
Ｉ）に示すようにレーザビーム７は受光面８の中心０か
ら離れた受光点Ｑに受光される。その点の中心点Ｏから
受光点Ｑまでの変位量Ｘを測定しつつレーザビーム発射
手段６及び受光手段９を前進させ、それぞれの場所にお
ける受光面８上の偏位置と計測基準点１２からの受光手
段９までの距離を対応させつつ信号処理部１８で積算し
て行けば、求める任意の区間の上下左右方向２軸間の立
体的変位量を算出することができる。また、この変位量
の測定はガイド５のその場所の曲率半径を求めることで
もある。

計測の対象となる曲率半径の大きさは約１００ｍ以上と
なるであろう。この程度の曲率半径での単位長さ当りの
変位量は第６図に示す如く、Ｒ＝８０ｍにて、７２ｘｏ
＝６．２５ｍ、Ｒ＝５００ｍにて１ｘｏ＝１．００ｍの
ように変化する。当然のことながら直線、即ち曲率半径
Ｒ＝　＝Ｏでは７！８゜−〇である。

受光手段９の分解能についてはＣＣＤ又はＰＳＤ素子を
用いる。これによって本装置で要求される約１０μｍ程
度の所要分解能が得られる。

ガイド５には製作上の誤差の他、坑内設置に至る迄の外
力による変形、設置後の曲折による断面歪等、種々の要
因による断面変形が生じる。また、レーザビーム発射手
段６や受光手段９の支持機構側の要因もあって、これら
はガイド５の曲率半径の計測に際しては非常に大きい影
響を与えるが、計測されているガイド５の壁面が計測基
準点１２から計測完了に至るまで断続することなく続い
ており、各手段６．９がこのガイド５の連続面を忠実に
走査しているならば計測演算は微小な曲線の変位を積分
して算出されるので計測結果には支障がない。

しかしながら、何等かの原因（例えば、振動、支持機構
の歪、ガイド５の急激な寸法変化等）によってレーザビ
ーム発射手段６のレーザビームがガイド５の連続した管
内壁面とは無関係な挙動を示すか、ガイド５の壁面に対
し計測基準点出発時と計測地点到達時との間でレーザビ
ーム発射手段６の支持姿勢が変化してしまった場合とか
は計測に大いに影響がある。

従って、実施に当っては、各手段６，９がガイド５の管
壁面に対して平行な姿勢を保つよう、またガイド５内を
往復して計測基準点１２に戻ったときはレーザビームが
計測開始前と同様に受光手段９の受光面８上の同じ受光
点を照射するようにレーザビーム発射手段６を保持する
ことが理想である。

レーザビーム発射手段６がガイド５の内部にあって正常
な姿勢を保持しているか否かを検知するためには、その
姿勢の状態を計測し、必要な場合には曲率測定値にフィ
ードバックして補正しなければならない。

レーザビーム発射手段６の姿勢保持状態が不良の場合の
計測誤差は割合に大きく、例えば第７図に示す如き寸法
の場合においては、レーザビーム発射手段６を搭載した
台車の両端支持車輪の変位がレーザビーム発射手段６の
中心軸に対して相互に反対方向に±０．１　ｍだけ誤差
が生じると、レーザビームの受光面８での変位は拡大さ
れて±０．３３３鶴となる。これは曲率半径がＲ＝１０
０ｍの場合±５ｍの誤差に相当する。

レーザビーム発射手段６のガイド５に対する姿勢計測手
段１９の２種の例を第８図及び第９図にて説明する。こ
れらの例では、レーザビーム発射手段６の前後の車輪１
１をそれぞれ支持する板ばね２０に、第８図は歪ゲージ
２１を貼布し、第９図ではヒンジ２２を介して差動トラ
ンス２３を連結し、前後の車輪１１の変位量の差をこれ
ら歪ゲージ２１又は差動トランス２３からなる姿勢計測
手段１９で計測することによって姿勢の検出を行うもの
である。これら姿勢計測手段１９の出力信号を信号処理
部１８に入力して補正を行う。

なお、２４は歪ゲージ２１のプロテクターである。

ガイド５としては可撓性を有する遮光性の管が好ましい
。このような遮光性管によれば、不要な光で誤計測を行
うことを防止できる。

また、管よりなるガイド５の場合には、工事終了後、撤
去することなく通信用光フアイバケーブルの管路等とし
て再利用することができる。

ガイド５としては、管４のほかにレール等も使用できる
。

このようにして、ガイド５の先端位置を計測することに
よって、トンネル先端部のガイド５の固定位置を知るこ
とができ、この固定位置のトンネル中心からの変位量を
あらかじめ一定にしておくことによってトンネル中心を
知ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、下記のような優れ
た効果を達成することができる。

（Ａ）　　従来不可能とされていた作業員が行動できな
い小口径坑道の位置の測定が可能となる。

（Ｂ）　　光学的計測であるため、ジャイロスコープ計
測にみられるドリフトが生ぜず、また直接的な計測を行
うから弾性波、電磁波系計測に比して精度が格段に高い
。

（Ｃ）　　ガイドを用いるため坑内の機器を坑外に搬出
せずに任意の時期に計測ができる。

（Ｄ）　　レーザビーム発射手段及び受光手段は、毎回
計測基準点から発進するので、坑道形成後に、万一地盤
沈下、地盤支持力の低下等のため坑道（推進管）が上下
、左右に移動しても変化後の軌跡を正確に把握できる。

また、計測を施工中には繰り返し顧繁に行なうと、この
ような事態の発見は容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（Ｂ）は本発明の装置の一実施例の使用状
態のＸＹ面断面図及びＹＺ面断面図、第２図は本発明で
用いるレーザビーム発射手よと受光手段のガイド内の一
例の縦断面図、第３図及び第４図は施工計画基本線のモ
デルケースの説明図、第５図（１）　　（ＩＩ）　　（
［［）はガイドの状態とその時のレーザビームの受光状
態の説明図、第６図は曲率半径と変位量の関係を示す図
、第７図はレーザビーム発射手段の支持機構の誤差拡大
図、第８図及び第９図はレーザビーム発射手段の姿勢計
測手段の２種の例を示す側面図である。 ■・・・坑道、２・・・発進立坑、３・・・掘削機、４
・・・推進管、５・・・ガイド、６・・・レーザビーム
発射手段、７・・・レーザビーム、８・・・受光面、９
・・・受光手段、１０・・・連結手段、１１・・・車輪
、１２・・・計測基準点、１３・・・距離検出手段、１
５・・・自走式駆動部、１８゛・・・信号処理部、１９
・・・姿勢計測手段、２０・・・板ばね、２１・・・歪
ゲージ、２３・・・差動トランス。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）坑内にその形状に沿って布設されたガイドと、前
   記ガイドに案内されて互いに見通せる範囲内の一定の距
   離を保って移動するレーザビーム発射手段及び該レーザ
   ビーム発射手段からのレーザビームを受光面上に受光し
   てその受光面上の受光位置を電気的位置信号に変換して
   検出する受光手段と、計測基準点からの前記受光手段ま
   での距離を電気的距離信号として検出する距離検出手段
   と、前記位置信号と前記距離信号とを入力信号として前
   記受光手段の位置を前記計測基準点を基点として求める
   信号処理部とを具備して成るトンネル工法用坑内位置計
   測装置。
2. （２）前記ガイドは可撓性の管である特許請求の範囲第
   １項に記載のトンネル工法用坑内位置計測装置。
3. （３）前記ガイドは可撓性で且つ遮光性の管である特許
   請求の範囲第１項に記載のトンネル工法用坑内位置計測
   装置。