JPS625119A - 掘進機の位置検出装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、掘進機により地中を掘削する場合、掘進機を
掘削目標線に沿って掘進させるための掘進機の位置を検
出する掘進機の位置検出装置に関する。

〔発明の背景〕

小口径掘進工法等により、地中に管等を非開削で埋設す
る場合、当該管の先端に配置する１１！Ｉ道機は予め定
められた掘削目標線に沿って地中を掘削してゆく必要が
ある。このため、地中における掘進機の位置を検出し、
掘進機が掘削目標線から外れた場合にはこれを修正しな
ければならない、このように、掘進機の位置を検出する
ことは、地中を掘削して管を埋設する場合、不可欠の手
段である。以下、従来の位置検出手段を図により説明す
る。

第６図は従来の位置検出装置の断面図である。

図で、１は地中を掘削中の掘進機、２は掘進機１の後部
に設けられる埋設管、３は掘進機１が掘削を開始するた
めの発進立坑である０発進立坑３内には、埋設管２の後
部を押す押し装置（図示されていない）が設けられてい
る。４は発進立坑３の適所に設けられたレーザ発振器で
ある。レーザ発振器４は埋設管２を通って掘進機１に対
してレーザ光５を放射するように構成されている。６は
掘搬機１に設けられたスクリーンであり、レーザ発振器
４からのレーザ光５を受光する。Ｔは掘進機１の掘削目
標線を示す。

掘進機１が掘削目標線Ｔ上を掘進している場合には、レ
ーザ光５はスクリーン６上の所定の個所において受光さ
れるが、掘進機ｌが掘削目標線Ｔから外れると、レーザ
光５も当該所定の個所から外れる。このスクリーン６上
のレーザ光５の偏差により掘進機１の掘削目標線Ｔから
のずれを検出し、これにより掘進機１の軌道の修正が行
なわれていた。

しかしながら、上記の手段は、掘削目標線Ｔが曲線の場
合（曲線施工の場合）にはレーザ光５がスクリーン６上
に到達しないので、掘進機ｌの位置偏差を検出すること
ができないという欠点を有しており、さらに、シールド
掘進機１の径が小径（例えば径が１００鶴程度）の場合
、掘進機１および埋設管２内に配設される種々の装置に
よりレーザ光５の通路を確保することができなくなると
いう欠点をも有していた。このような欠点を除くため、
次のような手段がＩＸされている。

第７図は他の従来の位置検出装置の断面図である０図で
、第６図と同一部分には同一符号が付しである。７は掘
進機１に備えられた磁界発生器、８は磁界発生器７で発
生した磁界を検出する磁界検出器、９は磁界検出器８の
地表上の位置を測量する測量器、１０は測量器９から磁
界検出器８の位置信号を入力し、これに基づいて掘進機
１の掘進方向を制御する制御部である。

磁界発生器７のＮ極およびＳ極が垂直線上にある場合、
地表上においては磁界発生器７の直上点で垂直方向の磁
界強度が最大（又は水平方向の磁界強度が最小）となる
、そこで、地表上において磁界検出器８を移動（走査）
させ、磁界強度が最大（又は最小）となる地点を探索す
れば、その地点が磁界発生器７の直上点となる。そして
、測量器９で磁界検出器８の位置を測量すれば掘進機１
の位置を検出することができる。このような装置は、上
記従来の欠点を解消することができるが、その反面地表
上において磁界検出器８を走査して掘進機１の位置を探
索し、かつ、その後磁界検出器８の位置を測量しなけれ
ばならず、このため、測量器を別途必要とするばかりで
なく、探索と測量に複雑な手数と長時間を要するという
欠点があった。この欠点を除くため、計測を自動化しよ
うとすれば、磁界検出および磁界検出器８の位置決定の
ため、必然的に自動追従装置等が必要となり、コスト高
になるという新らたな欠点を生じていた。

さらに、前述のように磁界検出器８を地表面上で走査す
る場合には、計測が断続的にならざるを得ず（例えば１
００ｍを掘削するのに５０ｃｍ毎に計測を行なうとして
２００回の走査が必要であり、計測が２００回断続する
ことになる。）、このため、掘進機１の自動方向制御を
実施するのは困難であるという欠点もあった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり
、その目的は、上記従来技術の欠点を除き、後続する埋
設管の空間を利用することなく、又測定器や自動追従装
置を用いることなく、掘進機の位置、姿勢を連続的に、
かつ、精度良く検出することができ、これにより、曲線
施工および掘進機の自動方向制御を可能とし、ひいては
、管等を高い精度で埋設することができる掘進機の位置
検出装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、掘進機に磁界検
出装置を２組備え、又、掘削目標線に沿って導線を設け
、この導線に電流を供給することにより生じる磁界を前
記２組の磁界検出装置で検出するようにしたことを特徴
とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）、　（ｂｌはそれぞれ本発明の実施例に係
る掘進機の位置検出装置を用いた系統の平面図および断
面図である０図で、第６図、第７図に示す部分と同一部
分には同一符号が付しである。１１ａ。

は掘進機１の一方の側壁に設けられた磁界検出器、１１
ｂ１は掘進機ｌの中心を通る垂直面に関して他方の側壁
における前記磁界検出器１１ａ１の対称位置に設けられ
た磁界検出器である０本実施例では後述するようにこれ
ら磁界検出器１１ａ＋、　　１　ｌｂ＋が１組として用
いられる。　　１　ｆａｔ、　　１　ｌｂｇは磁界検出
器１１ａ＋、　　１　ｌｂ＋と同様の他の１組の磁界検
出器である。各磁界検出器１１ａｔ、　　１　ｌｂ３は
受信コイルにより構成され、掘進機１の側壁において、
その掘進方向のほぼ同一線上に位置するように配置され
ている。１２は地表上において掘削目標線Ｔの両側に沿
って敷設された誘導線であり、掘削目標線Ｔから一方側
の誘導線１２までの距離と他方側の誘導線１２までの距
離とは等しくされる。

この誘導線１２は一本の導線で構成されている。

１３は誘導線１２の両端が接続される電源であり、誘導
線１２に交流電流を供給する。１４は磁界検出器１１ａ
＋、　　１　ｌｂｇで検出された値を入力して位置偏差
信号δを算出する信号処理部である。

次に、本実施例の動作原理を第２図１８１．　（ｂ）に
示す掘進機の位置およびその位置における磁界強度特性
図を参照しながら説明する。電ｓ１３から誘導線１２に
電流が供給されると、誘導線１２のまわりには磁界が矢
印に示すように形成され、この磁界は磁界検出器１１ａ
、〜１１ｂ２により検出される。ここで、上記のように
磁界が形成されたとき、磁界検出器１１ａ＋＋　　１　
ｌｂ＋から出力される電気的信号について考察する。今 Ｉ　；電源１３から誘導線１２に供給される電流■。：
電流！の最大振幅 ω　：電流■の角周波数 Ｈ，：Ｘ軸上（後述）に発生するＸ方向成分の磁界強度 ｘ　：Ｘ軸上の任意位置 ｙ　：誘導＆１１２と磁界検出器１１ａｌ、　　１　ｌ
ｂ＋との間の垂直方向の距離 Ｗ　：掘削目標線Ｔと誘導Ｍ１２との間の距離とすると
、電流Ｉおよび磁界強度Ｈは次式により表わされる。

ｒ　−１ｏ　ｓ　ｉ　ｎ　ωｔ　　−−−−−・・・・
−−−−−−−−−−−＋１１２π　　（ｘ　＋Ｗ）”
＋ｙ”　　（ｘ　−Ｗ）”＋ｙ”第２図１ａｌは掘進機
１が掘削目標ｖＡＴからずれた位置（位置偏差δｌ）に
ある状態を示す図であり、磁気検出器１１ａ＋、　　１
　ｌｂ＋を結ぶ線をＸ軸にとっである。なお、掘進機１
の中心Ｆと各磁界検出器１１ａ＋、　　１　ｌｂ＋との
間の距離がｒで示されている。

第２ｌ−）は距Ｍｙと両磁界検出器１１ａ、、　　Ｌ　
ｌｂ＋間の距離２Ｗとが等しい（ｙ＝２Ｗ）場合におけ
る磁界強度Ｈの特性を示す図であり、横軸にＸ方向の位
置が、又、縦軸に磁界強度Ｈがとっである。

なお、距離ｙが大きくなるにしたがって図の直線の傾斜
が小さくなる０図から明らかなように、磁界強度Ｈは両
側の誘導線１２の中央で０となり、中央から離れるにし
たがって、その距離にほぼ比例して増大する。なお、こ
のような特性は実験により確かめることができた。ここ
で、 ｋＩ　；比例定数 ｘ　ｌ　、掘削目標線Ｔから磁界検出器１１ａ＋＋１１
ｂｌまでの距離 Ｈａ、　：磁界検出器１１ａ＋で検出される磁界強度Ｈ
ｂ、：ｉｆｉ界検出器１１ｂ１で検出される磁界強度δ
１　：シールド掘進機１の掘削目標線Ｔからのずれ（位
置偏差） とすると、 Ｈ酒に、−ｘ’　・・・・−・−・−・・−・・・−・
・−・・−−一−−−−−−−−・・−・・・・・・・
・・（３）で表わされるから、 ）（ａｔ−ｋｔ　　（ｒ十δ＋　）　−・−−−−−−
−−−−−・−−−−−−（４１Ｈｂ、−−に、（ｒ−
δｌ　）　−−−−・・・・−−−−−−−−−−−−
＋５１となる。そして、磁界検出器１１ａ１から出力さ
れる電気的信号Ｅａｔ、および磁界検出器１１ｂ１から
出力される電気的信号Ｅｂ、は、それぞれその検出され
た磁界強度に比例するので、次式が成立する。

Ｅａｔ−ｋｌ−に、（ｒ＋６＋　＞　−＝−−−−−・
・・・−−−−＋６１Ｅｂ＋−ｋｌ　　・ｋｇ　　（ｒ
−δ、　）　−−−−−＋７１なお、上記式において、
ｋ２は比例定数であり、この比例定数に８は各磁界検出
素子１１ａ、、１１ｂ、のコイルの巻数をＮ、コイルの
断面積をａとすると、ｋｇ−ｐＪ−ａ・ωとなる。

以上のことから、シールド掘進機１の位置偏差δ、を求
めるには、 Ｅａ、−Ｅｂ、　　　ｒ の演算を行なえば、値ｒは一定値であるから位置偏差δ
１を求めることができる。（１号処理部１４は磁界検出
器１１ａ１の出力信号Ｅａ＋＋磁界検出器１１ｂｌの出
力信号Ｅｂ、を入力し、これらの値に基づいて上式の演
算を行ない、位置偏差δ、を算出する。

なお、地中深さくｙ）２〜３ｍにおいて、掘進ることが
確認された。

以上は磁界検出器１１ａｌ＋　　１　ｌｂ＋の出力信号
についての考察である。磁界検出器１１ｍ寓＋　　１　
ｌｂｍの出力信号についても全く同様であり、これによ
り、信号処理部１４において、磁界検出器１１ａｔ。

ＩＬｂｓの出力信号に基づく位置偏差６．を得ることが
できる。そして、これら位置偏差δ１．δ８の値により
、掘進機１の掘削目標線Ｔに対する状態を知ることがで
きる。以下、これを図により説明する。

第３図ｔａｌは掘削目標線と一敗した状態にある掘進機
の平面図、第３図世）は第３図（ａ）に示す状態におけ
る位置偏差信号の特性図である。ｍ搬機１が掘削目標線
Ｔ上にあるときには、さきの＋６１．　（７１式から磁
界検出器１１ａ＋＋　　１１ｂＨの出力は大きさ等しく
符号反対となる０Ｍｉ界検比検出器１８ｍ、１　ｌｂｇ
についても同様である。信号処理部１４では（８）式に
基づ（演算が行なわれるので、結局信号処理部１４から
構成される装置偏差δ３．δ、の値はいずれも０となる
。第３図（ｂ）はこのように、各組の磁界検出器に基づ
いて検出される位置偏差δ１゜δ８がいずれも０である
場合の信号処理部１４の位置偏差信号δを示し、これら
各信号を結んだ線が値Ｏを示す線、即ち掘削目標線Ｔに
一致することが判る。

第４図（ａ）は掘削目１１＆ｌｌからずれた状態にある
掘進機の平面図、第４図世）は第４図（ａｌに示す状態
における位置偏差信号の特性図である０図に示されるよ
うに、掘進機ｌは掘削目標線Ｔから角度θ（この角度を
ヨーイング角という、）ずれた位置にある。この場合、
各組における２つの磁界検出器の出力の大きさは異なり
、これに応じて（８）式により信号処゛理部１４から各
位置偏差δ１．δ、の値が出力される。第４図世）にこ
れらの値が示されており、これら各値を結んだ線は値０
の線にパして角度θ′をなす、この角度θ′は角度θに
比例する値であり、これにより、掘進機ｌのずれの角度
θ、すなわちヨーイング角が判る。このように磁界検出
器１１ａ、ｌｌｂを２組設けることにより掘進機ｌの姿
勢を検知することができる。

ところで、掘進機１の姿勢は、以上の説明だけからみる
と磁界検出器１１ａ＋＋　　１１ｂＨの１＆ｌを備えて
おれば充分であるようにみえる。しかしながら、掘進機
１の姿勢は第３図（ａｌおよび第４図（ａｌに示すよう
な姿勢ばかりではなく、第５図（ａｌ、　（ｂｌに示す
ような姿勢となる場合もある。

第５図（ａｌｌ、　（ｂ）は掘削目標線からずれた状態
にある掘進機の平面図である。各図では、いずれも磁界
検出器１１ａ＋＋　　１　ｌｂ＋で得られる位置偏差δ
。

が等しい、しかしながら、図から明らかなようにその姿
勢（ヨーイング角）は全（異なり、第５図（−）に示す
場合は掘削目標線Ｔから離れる方向にあるので、最大限
の方向修正能力を必要とするのに対して、第５図世）に
示す場合は掘削目標線Ｔに近づく方向にあり、りしろ方
向修正は必要としない段階にある。

さらに、磁界検出器１１ａｉｎ　　１　ｌｂ＋の中心Ｆ
が掘削目標線Ｔ上にあり、磁界検出器１１ａ＋＋　１１
ｂ＋で得られる位置偏差δ１がＯであっても、ヨーイン
グ角が０でない場合があることは、これを改めて図示し
なくても明らかである。この場合、当然ながら方向修正
を必要とするが、磁界検出器１１ａ、。

１１ｂ＋のみを備えている場合には方向修正は行なわれ
ないことになる。

以上のことから、磁界検出器１１ａ＋＋　　１　ｌｂ＋
だけでなく、磁界検出器１１ａｇ、１　ｌｂ雪も備えら
れることにより、はじめて確実に掘進機１の姿勢を判断
することができ、これに基づいて方向修正を行ない、精
度の良い管の埋設を実行できることが判る。

このように、本実施例では、目標掘削線に沿つて誘導線
を敷設し、この誘導線により発生する磁界を掘進機両側
面に設けられた組になった磁界検出器で検出するように
したので、何等支障なく曲線施工を行なうことができ、
又、連続した位置検出を行なうことができて自動方向制
御を行なうことができる。さらに、磁界検出器を２組設
けたので、掘進機の掘削目標線に対するずれの角度を検
出することができ、方向制御が確実にできると共に埋設
精度を向上させることができる。さちに又、磁界検出器
として小型のコイルを用いても充分に磁界検出を行うこ
とができるので、掘進機の口径が小さくてもこれに対応
することができる。

なお、上記実施例の説明では、ＭｓＨを掘削目標線の両
側に沿って敷設する例について説明したが、一方の誘導
線を掘削目標線と一敗させて敷設し、折返えされる他方
の誘導線をこれから充分に離して敷設するようにしても
よい、又、磁界検出器トシては、コイルの他に、ホール
効果型、ファラデー素子、ジョセフソン効果型、プロト
ンのような共鳴形磁力計、フラックスゲート型、薄膜型
等を用いることができる。さらに、磁界検出器の位置は
任意に選択することができる。又、各組の磁界検出器の
出力信号を平均化する手段を設ければ、検出器誤差や外
乱電磁波ノイズの影響を抑制することができ、検出精度
を一層向上せしめることができる。又、磁界検出器を非
磁性体のカバー“により保護することもできる。さらに
、磁界検出器は垂直でなく、傾けて設ければ、位置検出
範囲を拡大することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、掘削目標線に沿って導
線を敷設し、この導線から発生する磁界を掘進機に設け
られた２＆Ｉ、の磁界検出装置により検出するようにし
たので、掘進機の位置、姿勢を精度良く連続的に検出す
ることができ、曲線施工および自動方向制御を可能とし
、埋設精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図１ａｌ、　（ｂｌは本発明の実施例に係る掘進機
の位置検出装置の平面図および断面図、第２図（ａ）。 伽）は掘進機の位置を示す断面図およびその位置におけ
る磁界強度の特性図、第１図１ａｌ、　（ｂｌ、第１図
＋１１）、　（ｂ）は掘進機の位置、姿勢およびその位
置、姿勢における位置偏差信号の特性図、第５図（ａｌ
、　（ｂｌは掘進機の位置、姿勢を示す平面図、第６図
および第７図はそれぞれ従来の位置検出装置の断面図で
ある。 １・・・・シールド掘進機、１１ａ＋＋　　１　ｌｂ＋
、１１Ｍｇ。 １１ｂ８・・・・磁界検出器、１２・・・・誘導線、１
３・・・・電源、１４・・・・信号処理部。 代理人　弁理士　　弐　　顕次部（ほか１名）第１図 （ｂ） ｌり 第２図 Ｘ方向値ｌ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、地中を掘削する掘進機と、この掘進機に備えられた
   ２組の磁界検出装置と、前記掘進機の掘削目標線に沿つ
   て配置された導線と、この導線に電流を供給する電源と
   で構成されることを特徴とする掘進機の位置検出装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記磁界検出装置
   は、前記掘進機の左右壁の対称位置に設けられたものを
   １組とし、前記掘進機の掘進方向に沿つて２組設けられ
   ていることを特徴とする掘進機の位置検出装置。