WO1988001012A1 - Control unit for underground excavators - Google Patents

Description

明 細 書 地中掘削襟の制御装置 技 術 分 野

この発明は、 水道管、 ガス管等を地中埋設するため に ト ンネル掘削を行なう 地中掘削璣を掘削計画線通り に推進すべ く 制御する地中掘削機の制御装置に関 し、 特に周掘削鏺制御を半白動で行なう に好適な装置の具 現化に関する。 背 景 技 術

通常、 アイ ア ンモール級地中掘削機や ト ンネル機械 などにおいて は、. その掘削作業を計画通 り に遂行する ために 、. レーザ光を利 ^ して これ ら鏺械の地中での位 雹を計測する'よ う に している。 しか し 、 この発明で対 象 とするよ う な上記水道管やガス管等を地中埋設する ための ト ンネル掘削にあ っ て は、 当の地中掘削镞と し て超小口径 （ 例えぱ管径 Ί 0 0 諷程度 〉 のものが使用 される上に 、. 曲篛遐削なども頻繁に行なわれるこ とか 5 , こ う した レーザ光を利用 しての位置計翻 ¾ぉぽっ かないもの とな っ ていた。 すなわち 、 このよ う に超小 口径の地中掘削機では、 レーザ光の光路が確保 し難く ( 管内部に は， 油圧ホースや電気ケープル、. 各種支持 構造物などが収容されるが、. これが上記の如 く 超小口 径となる と ， こ れ ら驭容物が管内部に密寒されるこ と とな り 、 レーザ光の光路を確保できるだけの余裕ちな く なる 》 、 ま た、 た とえこの光路が韙俣できた と して も 、 直進性を有する レーザ光では、 上記曲線掘削に際 し て追 It不能となる。

そこで近年は、 特にこう した迢小口径の地中掘削襟 - を使用 して上記の如 く の ト ンネル掘削を行なう 適す る位置計測方法と して、 上記 レーザ光に代えて、 磁界 を利用 して同攮减の地 Φでの位置を計 1する方法も提 案され、 実甩されている。

第 5 図は、 こ う した磁界を利招 して位置計測を行な う地中掘削镲についてその溉要を図示したものであ り 、 以下、 この第 5 図を参照 して、 該地中掘削機を用いて 行なう ト ンネル掘削法と して従来実旛されていた方法 を説明する。

第 5 図において、 E P は地表面、 S H は発進立坑、 ' E H は到達立坑、 1 0 は地中遐 m機の掘削ヘ ッ ド、

2 0 は同 じ く パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド、 2 1 はこのパイ 口 ッ 卜 へ ッ ド .2 0 内に配されて上記 fi削へ ッ ド 1 Q の回転 角度を調節するための油圧モータ 、. ？ 2 は同じ く パィ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 内に配されて図示のよう な噴水 ^の 磁界を発生する磁界発生素子、 2 3 はこれもパイ ロ ッ 卜へ ッ ド 2 Q 内に配されて該パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0の 水平面に対する傾^を検岀する傾斜計、. 3 0 { 3 0 a _?

3 0 , 3 0 c ) は同パイ ロ ッ ト ヘ ッ ド 2 0 の後蜀部 に；頃次継ぎ足される ロ ッ ド营、 4 Q はこれら ロ ッ ド管 3 0 を頭次送り 出すこ とによ り上記遐削へ ッ ド 1 0並 びにバイ ロ ッ 卜 へッ ド 2 0を到達立坑 E H に向けて推 進せ し め る進進ジ ャ ッ キ 、 4 Ί はこ の進進ジ ャ ッ キ 4 〇 の適宜な部位に配されて上記 口 ッ ド管 3 0 の使用 数の計数に基づき上記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 の発進立 坑 S H か ら の推進距離を検出 する推進距離検出器、 5 0 は地上に 配さ れる主制卸盤 、 5 1 は該主制御盤 5 〇 の操作盤、 5 2 は同主制御盤 5 0 内に配されて上 記油圧モータ 2 1 に所要の油圧動力を供給する油圧源、 5 3 はこれも主制御盤 5 0 内に配されて上記磁界発生 素子 2 2 に対 し上記磁界を発生させるための所要の電 力を供給する送信器、 そ して 6 0 は上記磁界発生素子 2 2 か ら発生される磁界を図示の如 く 地表面 E Pで探 査 して上記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 の左右方向に関する 位置を計測するための磁界発生源探査器をそれぞれ示 す。

さ.て この従来の方法では、 周第 5 図に すよう に 、 地上に設置され 主制御磐 5 Q を操作する操作員 M と 、 発進立坑 S H 内で上記パイ ロ ッ ト ヘ ッ ド 2 0 の後 部に ロ ッ ド管 3 0 を接続 した り 周へ ッ ド 2 0 か らこの ロ ッ ド管 3 0 を離脱 した り する作業員 M 2 とが協力 し て当該地中掘削镲の操作を行なう 。

例えば、 地中掘削鏺を推進する場合についてステ ツ プ別に説明する と 、. 同作業は、.

第 Ί ステ ッ プ ： 地上にいる操作員 ; VI Ί は、 同 じ く 地 上に設置 してある主制御盤 5 0 を搡 作 して地中遐削攮を停止させる。

第 2 ステ ッ プ ： 発進立坑 S H 内にいる作業員 iV! 2 は、.

地中掘削機の停止を操作員 M 1 か ら の台図ま たは目視によ り 確認する。 第 3 ステ ッ プ ： 作業員 M 2 は、 地中掘削籙パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0の後部へ ロ ッ ド管 3 0 を接続する。

第 4 ステ ブ プ ： 操作 員 M Ί は 、 後続する ロ ッ ド管

3 0 の接続が完了 したこ とを作業員 M 2 からの合図または目視によ り確 する。

第 5 ステ ッ プ ： 操作員 M 1 は、 地中掘削翳主制御盤

5 0 を操作して地中掘削機を推進お よび掘削させる。 このとき、 推進距 離は 口 ッ ド管 3 0 の管長に相当 して いる。

第 1 ステ ッ プに戻る。 .

いう作業ステ ッ プで実施ざれている。

なお、 前述した地中掘削機の位置計測に際しては、. 上記パイ ロ ッ 卜ヘ ッ ド 2 0 内に設置されている磁界発 生素子 2 2 から発生される噴水状磁界を地表上で磁界 発生源探査器 6 Q を いて探査するこ とによ り この左 右方向に関する位置を計測する。 また、 上下方向に関 する位置は、 上記傾斜計 2 3 の出力 と進進距離検出器 4 1 の出力 とに基づいて操作盤 5 1 内で演算され、 こ れが主制御盤 5 Q の表示器 D Pに適宜に表示される。 操作員 M Ί は、. こう した位匱管報に蟇づき迪圧モータ 2 Λ を通じて （粱作盤 5 Ί の適宜の操作に基づいて油 圧モー タ 2 1 の駆動が制御される 》 遛削へ ッ ド Ί Q の 回転角度を調整するこ とによ り 当該地中掘削機 （特に そのパイ ロ ッ 卜ヘ ッ ド 2 Q ) の進 ¾俊正を行なう と こ ろで、 こ の従来の方法で は 、 上述 し た よ う に 、 特に前記第 2 ステ ッ プお よ び第 4 ステ ッ プに おいて 共 同作業者 と の合図交換、 ま た は機械の状態を 目 視確認 する作業が必要であるが 、 こ う し た共同作業者 と の合 図交換ゃ目 視確認に は 、 次に列記する よ う な問題も伴 な う こ と と なる。

( 1 ) 声で台 図する場合 、 地中掘削機動力源 （ 例え ば油圧ポンプ、 電動機 ） の騒音や 、 周囲の交 通騒音に紛れて こ の合図 と なる声が閬き と り に く い状況 となる。 ま し て 、 立坑が 4 m以上 の深さ の現場で は 、 地上に いる操作員 と 立坑 内の作業員 と の声に よる連絡 は非常に困難で ある 。

( 2 ) 手ま た は)標識を用 いて 合図する場合でも 、 立 坑内 ま た は立坑上空 に安全のた め に設け ら れ て いる構造物が視界の障害 と な り 、 さ ら に深 ぃ立坑で は地上 と立坑内 と の悶を見通す こ と す ら ほ と ん どできな く な り 、， し たが つ て こ の 合図 と なる手ま た は標識を確認する こ と も困 難である 。

( 3 ) 饈椟の状態を目 視確認する こ と は 、 各別の部 門を担当 する共同作業者間の コ ミ ュ ニケー シ ョ ン自体が存在 し ない こ と と な っ て不確実で め る。

以上 （ υ 〜（ 3 ) の問題点は 、 作業のや り 易さ と い う 範囲 に と ど ま らず、 誤認があ っ た場合 に は 、 立坑内の 作業員が 口 ッ ド管の接続ま た は離脱作業中 に突然地中 削機が動き出すなど人身事故につながる恐れがあ り 、 非常に危険である。

本発明は、 こう した （1 ) 〜（3 ) の問題点を根本的に 除去し 、 作業性の向上、 立坑内作業員の危険防止を具 現化 し得る地中掘削镲の制御装置を提供しょう とする ものである。 発 明 の 開 示

この発明では、 前述した磁界を利用 しての位置計測 を前提と して、 前記パイ ロ 卜 へ ッ ドの現在位置の検 出に基づいて同パイ ロ ッ 卜へ ッ ドの掘削計画疽に対す る位置偏差を求め、 さ らにこの位置儷差に基づいて前 記遐削へッ ドの掘削角度を自動補正する掘削角度補正 手段 -、 前記発進立坑内に配されて、 適宜の手動操作 に基づき前記推進ジャ ツ キの推進開始および推進停止 を指令する指令手段とを具えて、. 当の地中遐削毽の掘 削 W御にかかる装置を半自動化する。

このよう な溝瑛とするこ とによ り 地中錕 ^翳の進 路痉正に鼹 しては、 上記掘削角度補正手段の配設によ つ て自動制 SI 'ί匕される。 また、 こう して進路迄正が自 動 Μ御された地中掘削镲の掘削開始ま たは停止は、 立 坑内の作業員による上記指令手段の ¾作を通じ行なわ れる _c すなわち立坑内にいる作業員は、. ロ ッ ド管を接 続ま たは離脱する作業を行なう ときには該指令手段を 通じて地中掘削襟の掘削を停止させておき、 その作業 が終了 した ら同指令手段を通じて掘削を開始させる と い っ た操作を锞り返し行なう こ と となる。 以上によ り 、 地上の操泎員は不要 とな り 、 同時に地 上の操作員 と立坑内の作業員 と のコ ミ ュ ニ ケーシ ョ ン も不要 となる。

なお、 参考までに付言するに 、 地中掘削篛の進路修 正を自動化 しないで地上の主制御盤をそのま ま立坑内 に設置 し、 周立坑内の作業員に進路修正操作 と遐削開 始 ♦ 停止操作 とを併せ行なわせるこ と は実際の現場に は適合 しない。 すなわち 、 地上の主制御盤を立坑内に 設置する とすれば、 必然的に立坑自体を大き く する必 要が生 じ立坑工事費用の増大、 車遒規制領域の増大を まねく 。 しかも、 主制御翳の操作はある程度の熟練を 要 し 、 実際に立坑内に入 っ て作業を行なう 一般に未熟 練な作業員が対応できる と は限 らない。

この点本発明では、 わゆるオン オフ の操作のみ 'が要求される指令手段を立坑内に設けるちのであるた め上記の問題は生 じない。 図面の簡単な説明

第 1 図はこの発明にかかる地中掘削篛の制御装置の —実施例についてその構成の観要を模式的に示す横断 面図、 第 2 図は周実施例装置の平面構成を模式的に示 す平面図、 第 3 図は同実施例装置の正面方向か ら見た 部分断面図、 第 4 図は同実施例装置の演箅制御部構成 を示すブロ ッ ク図、. 第 5 図は従来採用されていた地中 掘削機並びに同地中掘削镞を用いた作業態様について その概要を模式的に示す橫断面図、 第 6 図は上記実施 例装置の計測原理を説明するための ¾図、 第 7 図ば第 6 図に示 した 2 つの磁界検岀素子によ っ て検岀される 磁界の レベル比とその磁界中心か らの水平変位量との 関係を示すグラ フ 、 第 8 図は地中 i 削篛の掘削へ ッ ド 構造を示す斜視図、 第 9 図は周掘削へ ッ ドと進路麄正 態様との闋係を模式的に示す ¾図、 第 1 0 図は上記実 施例装置による進路修正方法を説明するための図であ る 0 発明を実施するための最良の形態

は じめに 、 第 6 図〜第 Ί 0 図を参照 して以下に示す 実施 ^装置の原理を説明する。

いま ， 第 6 図に示すよう に、. 地表面 Ε Ρ上に 、. 所定 に離間 した往路線 8 0 a および復路線 8 0 b からなる

- 磁界発生ケープル 8 0 を敷設 し、 これに適宜の電流を 流 し た と する と 、 該ケープル 8 0 の こ れ ら往復路 8 0 a および 8 0 b を中心と してその周囲には同第 6 図に示す態様で同心円状に磁界 H a および H b 1$ %生 する。 以下に示す実施例では、 こう して発生される磁 界 H a および H b を同図に示すような 2 つの磁界検出 素子 S ， および S 2 に周時に検出せ しめる。 そ してこ こでは簡単のため、 これら 2 つの靆畀検出素子 S 1 お よひ' S 2 は互いにその磁界檢出方向が直交 し 、. かつそ れぞれが上記ケープル 8 0 の紛直面に対 して 4 5 度の 角度に維持される と する。 こう した条俘下で、 各パラ メ ータ を同第 6 図のよう に、 すなわち

W ： 界発生ケ一アル 8 Q の往復路線閭距離

D ： 遨畀検 S素子 S およぴ S 2 の深度 「 Ί ， 「 2 …磁界発生ケーブル 8 0 から磁界検出素子

S Ί および S 2 ま での距離

X ： 磁界検出素子 S および S 2 の上記往復路ケープ ル中心 （ 掘削計画線 P L 〉 からの変位

X ： 磁界検出素子 S 1 および S 2 のケーブル復路'線

8 0 b か らの水平変位

X 2 ： 磁界検出素子 S Ί および S 2 のケーブル往路線

8 0 a か らの水平変位

Θ 1 ： ケーブル復路镲 8 O b を中心 と してその鉛直面 と磁界検出素子 S 1 および S 2 とのなす角度 Θ 2 ： ケープル往路線 8 0 a を中心 と してその鉛直面 と磁界検出素子 S 1 および S 2 とのなす角度 のよ う に設定すれば、 上記 2 つの磁界検出素子 S 1 お よび S 2 に よる検出磁界の レペル比はこれを R とする と次式で表わされる。

R = ( V 11 + V 21 ) ·/ ( V 12 V 22 〉 … （ 1 ) こ こで、 V 11 , V 21 , V 12 , V 22は上記磁界発生ケー アル 8 0 の往復路線 8 0 a および 8 0 と上記 2 つの 磁界検出素子 S 1 および S 2 との組み合わせ に よ っ て 計算される値である。 例えば、 右変位方向を X の正の 方向 と する と 、 上記各パラメ ー タ は

( 2 )

と 表わ さ れ 、 こ れ らノ' ラ メ ー タ を用 いて こ の V 11 ， V 2- , V ，2 , V 22を表わす と次式の通り となる。

ゾ 1 = ( 1 Z 「 )

； X s in ( 4 5 ° — ^ 1 〉

• ただ し X ≤ 一 D ； V ^ = ( 1 / 「 1 )

！ X s ί n { 4 5 ^¾ - θ )

\ ただ し一 D く X 1 〇

{ 3 ) i V = ( 1 Z 「 1 )

' x cos ( 4 o 5 * - d Λ )

[ ただし 0 < X i D

V = ( 1 Z r 1 ) ' 、 x cos ( Θ 1 一 4 5 ^β )

ただし D ぐ x 1

, V 21 = ( 1 「 2 )

χ s i η ( θ 2 - 4 5 ^β )

ただし X 2 ≤ -.D

, V 2 = M / 「 2 )

； x s in ( Θ 2 - 4 5 ' )

： ただ し 一 D く x 2 ≤ 0

A \ V 2 = 一 （ 1 Γ 2 )

； χ cos ( 4 5 * - (92 )

I ただ し Q < x 2 ≤ D

； 21 - - ( Γ 2 )

\ χ cos ( β 2 - 4 5 * )

； ただ し D く Χ 2

\ V 2 = - ( 1 ノ 「 1 )

I χ cos ( - 4 5 ' )

1 ≤ — D

χ 1 ≤ Q

( 5 ) ··· x 1 ≤ D

D ぐ x

V 22 = ( Ί ノ r 2 〉

χ cos ( 4 5 ° 一 θ 2 )

ただ し χ 2 ≤ - D

, V 22 = ( 「 2 〉

i x cos ( 4 5。 - θ 2 )

； ただ し — - D < x 2 ≤ 0

( 6 ) … ；' V 22 = ( 1 「 2 )

； x s i n ( 4 5 * - Θ z )

ただ し 0 < x 2 ≤ D ί V 22 = 〈 Ί 「 2 )

i x s in ( 4 5 * - θ z )

ただ し D < X 2 こ れ ら （ -3 ) 〜 （ 6 ) 式の V 11 , V 2 , V 12 , V 22の 値を先の （ 1 ) 式に代入 して 、 水平変位量 X C m ； と 当の レベル比 R との関係をグラ フ化 し たのが第 7 図で あ る 。 こ の第 7 図の グラ フ で は 、 D = 1 m , 2 m , 3 m と い つ た 3 様の地中深さを想定 し、 これら地中深 さ別に上記磁界検出素子 S 1 および S ？ による検 ffi鏺 界の レペル比 R と周磁界検岀素子 S および S 2 の往 復路ケープル中心 （掘削計画線 P L ) 鉛直面 V Pから の水平変位量との関係を表わ している。

さてこの第 7 図のグラフ によれば、 上述 した条件下 におかれる 2つの磁界検出素子 S 1 および S 2 が上記 往復路ケーブル中心に対してその给直面 V Pすなわち 水平変位量 「 0 」 の位置にあれば、 その地中深さ D が いかなる値であれ、 その各検出磁界の レベル比は 「 1 j と なる こ と がわかる 。 しかも 、 こ れ ら磁界検出素子 S および S 2 が上記水平変位量 「 .0 」^f の位置から右 半方向に変位する場合.は、 同 レベル ^ R が

R > 1

とな り 、， 逆に左半方向に変位する場合は、. 同 レベル比

R が

R < 1

とな っ てこの例外は生 じない。 ま た、 そもそもこう し た水平変泣計測手法によれば、 上記地中深さ D による 影響ち受け難い。

J¾上総括すれば、. 磁界検 m方向 互いに直交し か つそのそれぞれが往復する磁界発生ケーアル 8 0 の紛 直面に対 して 4 5 度の角度に維持される 2 つの敏界検 出素子 S および S 2 にて同ケープル 8 0 の発生磁界 を渙出する とき、 これら検出磁界の レベル it R が R = Ί であればこれら遨 検出素子 S 1 および S 2 は往復 W /

― Λ Q ― 路ケーブル中心に対 し て水平変位量 Γ 0 」 の位置にあ り 、 同 レ ベル比 R が R > 1 であ れば同磁界検出素子 S 1 および S 2 は周往復ケープル中心に対 して右半方 向に変位 した位置にあ り 、 さ ら に周 レペル比 R が R く 1 であれば同磁 ^検出素子 S および S 2 は同往復路 ケーブル中心に対 して左半方向に変位 した位置にある とい っ た結論を得る。 ま た 、 周 レベル比 R の値に応 じ てその各変位量をち併せ求めるこ とができる。 これら 変位量は、 磁界検出素子 S 1 およひ' S 2 自身の地中深 さ D と略無関係に同 レベル比 R に対応する。

なおこ こでは、 上記 2 つの磁界検出素子 および S 2 の上記ケ.一プル鉛直面に対する配置角度を上述の 如 く 陧定 し た が 、 基本 に は 、 こ れ ら磁界検出素子 S 1 および S 2 .の磁界検 方向が同ケープル鉛直面に ついて互いに対称 となるよう な角度に維持されさえす れば、 上記と同様の原理に基づいてその水平変位態様 に関する計測を行なう こ とができる。

次に先の第 5 図を流用 して同実施倒に適用するパィ □ - 卜 へ ッ ド 2 0 の上下位置計測原理について説明す 第 5 図に示 した地中掘削镲パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 内 に設置 してある傾斜計 2 3 によれば同パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 の ピ ッ チング角 （ これを 3 とする ） を計測する こ とができる。 ま た、. 前述の通 り 、 発進立坑 S Η 内に 設 gされている推進ジ ャ ツ キ 4 Q に は推進距離検出器 4 1 が配設 （ 内蔵 〉 されて いて 、 これによ り上記パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 の推進距離 〈 こ れを し と する 〉 を計 測するこ とがでぎる。 したがっ て、 こ れら ピッ チング 角 Θ 推進距離 Lを用いれば、 上記パイ α ッ 卜 へ ッ 卜-

2 0 の掘削計画:擦 ( P L ) に対する現在の上下位置は れを H と して次のよう に計算される。

n

H = ∑ Δ H i

i = 1

( Δ L i X s i η Δ θ \ )

= 1

で π ： 現在までの推進回数 ロ グ ド管 3 0

4

の使用数）

Δ H i ： 推進回数 i 回目の上下位置 Δ i ： 推進回数 i 回目の ピ ッ チング角 厶 し i ： 锥進 1 回当 りの推進距離 （既知であ る ロ ッ ド管 3 0 の長さ ）

そ して次に 、 こう して求めた位置計測結果をち とに してどのよう に当の地中掘削襟 （特にパイ ロ ッ 卜 へ ッ Ρ 0 } 進路方向を g正するのかについて説明する 8 図に地中掘削機の掘削ヘ ッ ド Ί 0 を示した。 同 図に示すよう に、 この掘削ヘ ッ ド 1 0 はその先端がテ 一パ状にな っ ている （以下では説明の便宜上このへ ッ ド先 部分を図示の如 く Q とする 〉 。 したがっ て、 第 9 a ) に示すよう に、 ヘ ッ ド先绻部分 Qが上にあ る と は、. 同ヘ ッ ド 1 Q は土圧 Tを下方から受ける拔 態とな り 、 周へ ッ ド 1 0並びにパイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 Q は上方へ方向 g正さ れるよ う になる 。 逆に 、 第 9 図 f b に示すよう に、. へ ッ ド先繮部分 Qが下にある と きは 同へ ッ ド 1 Q は土圧 Tを上方から受ける拔態と な り 、 同へ ッ ド 1 0並ひ'にパイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 ◦ は下 方へ方向 g正されるよ う になる。

第 1 0 図に こ う し た掘削へ ッ ド Ί ◦ の制御方法を示 し た。

例えばいま 、 上述 した位置計測の結果、 左右方向に 関する位置が X 、 上下方向に関する位置が H であ っ た と する と 、 周地中掘削機が掘削計画線 P L に近づく た めには、 この掘削ヘ ッ ド 1 0並びにパイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 の方向を該計画線 P L に対する各方向の偏差 s _x およ び ε _Η が同時に吸収される方向すなわち図中矢印 Ρの方向 と しなければな らない。 これを実現するため に は、 現在のへ ッ ド先端部分 Qの位置を角 だけ回転 して該先端部分 Qが Q ' の位置に く るよ う にす.れば良 い。 こ のよ う にヘ ッ ド先端部分 Qが Q ' の位置にある 状態で周掘削ヘ ッ ド 1 0並びにパイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 を推進すれば当該掘削機の進路方向を掘削計画籙 P L に追従するよ う 俊正するこ とができる。

この発明では、 上述 した位置計測か ら進路修正ま で は全て自動的に行ない、 上記掘削ヘ ッ ド 1 ◦ 並びにパ イ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 ◦ の推進の開始および停止に関する 制卸についてのみ手動で行なえるよ う にする。

第 1 図乃至第 4 図は、 以上の原 Sに基づいて構成 し た この発明にかかる地中掘削機の制御装置の一実旛例 を示すものであ り 、 以下これ ら第 1 図乃至第 4 図を参 照 し て該実施例の構成並ひ'に動作を詳述する。

第 1 図は先の第 5 図周様作業状態にある とする地中 掘削篛を含む該実施例装置の大ま かな構成を横断面図 ― Ό ― をも っ て模式的に示したものであ り 、 ま た第 2 図は同 実施 裝置の平面構成を模式的に示 したものであ り 、 さ ら に第 3 図は周地中掘削隳の進行方 ^から見た該実 施剁装置の一部靳面構造を漠式的に示 し たものであ り 、 これら図において 、 E Pは ¾表面、 S H は発進立坑、 E H は到達立坑、 Ί Q は地中掘削籙の握削へ ッ ド、 2 0 は同 じ く ノ\°イ ロ ッ 卜ヘ ッ ド、 2 Ί はこのパイ ロ ッ 卜 へッ ド内に配されて第 Ί 0 図に示した原理のも とに 上記掘削へ ッ ド Ί 0 の回転角度 Φを調節するための油 圧モータ、 2 3 は同じ く パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 内に配 されて該パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 の水平面に対する傾斜 を検出する傾斜計、 S 1 および S 2 は倒えばコイルか らなる上述した磁界検出素子、 2 4 はこれら磁界検出 素子 S 1 および S 2 の磁界検出'方向が'常に第 6 図に示 した関係となるよう これをパイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 Q 内に 支持する姿勢支持桴、 3 0 ( 3 0 a , 3 0 b , 3 0 c ) は同パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 の後端部に頓次継ぎ足され る ロ ッ ド管、 4 ◦ はこれら ロ ッ ド管 3 0 を頤次送り 出 すこ とによ り上記掘削へ ッ ド 1 0並びにパイ ロ ッ 卜へ ブ ド 2 Q を到達立坑 E H に向けて進進せ しめる推進ジ ャ ツ キ、 4 1 はこの推進ジ ャ ッ キ 4 0 の適宜な部位に 配されて上記口 ッ ド管 3 G の使 ¾数を計数する進進距 離検出器、 7 Q は地上に配さ れる主隨御盤、 8 0 は 地表面 E P上の施工計画籙 P し に ¾ つ てそ の往路籙 8 0 a と復路線 8 0 b とがこれか ら等 .間隔すつ離藺 し て並行するよう に敷設された磁界発生ケーブル、 7 1 は主制酆翳 7 0 内 に配されて こ の遨殍発牛 ケーブル 8 0 に対 し 第 6 図 に示 し た よ う な磁界を発生させるた め の所要の電力 を供給する送信器 、 7 2 は同 じ く 主制 御盤 7 0 内に配さ れ て上記油圧モ ー タ 2 1 およ び推進 ジ ャ ッ キ 4 ◦ に所要の油圧勁力 を供給 する油圧源、 7 3 は こ れも同 じ く 主制御盤 7 0 内 に 配さ れて適宜の信 号綜を介 し て伝送さ れる磁界検出素子 S 1 , S 2 およ ぴ傾斜計 2 3 お よ び推進距離検出器 4 の各検出信号 に基づき当 の地中掘削機の進路自動修正のた めの演算、 制御処理を一括 し て実行する （ こ の修正信号は油圧源 7 2 を介 して油圧モ ー タ 2 に伝達さ れる と する ） 演 算制御部、 7 4 は発進立坑 S H 内の作業員 Mが操作 し 得る適宜の位置に配さ れて同作業員 M に よるスィ ツ チ 手段の オン . /オフ 等の手動操作に応 じ て上記推進ジ ャ ツ キ 4 0 の推進開始お よ ひ'推進停止を指令する （ こ の 指令信号は演箅制御部 7 3 を介 し て油圧源 7 2 に伝達 さ れ、 さ ら に油圧源 7 2 を介 し て推進ジ ャ ッ キ 4 0 に 伝達される と する ） 簡易操作器をそれぞれ示す 。 上記 演算制彻部 7 3 の ト；ポ し f: 進路 勒 ¾ に かかる構成 につ いて は第 4 図 に詳 し く 示す。

すなわち こ の第 4 図 に示す渎箅.制御部 7 3 に よれば、 磁界検出素子 S 1 お よび S 2 に よる各磁界検出信号は 、 それぞれ増福器 7 3 1 a およ び 7 3 1 b によ り 所要に 増福さ れた後、 左右位 g演算器 7 3 2 に受入される 。 こ の左右位置演算器 7 3 2 は 、 こ れ ら磁界検出信号の 比に基づいて 、 すなわ ち前記の （ 1 ) 式 に基づいてパ イ ロ ッ 卜 へ ツ ド 2 Q の左右方向に 関する位置 X を求め る演算器であ り 、 その具体的な據能は次の よ う にな つ る。

て

、 5 H'J sn ( 1 } 式

W 2 ： 掘削計画籙 P Lか ら磁界発生ケーブル 8 0 までの距鼸 （ 既知値） 。

D ： 地中掘削镲 (パィ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 ) の深 度 （ =前記 （ 7 ) 式から得られる上下位置 Η ) 。

x ： 地中遐削機 （パイ 口 ッ 卜へッ ド 2 0 ) の計 画線 P Lからの水平変位 （右方向を正とす る 》 。

を用いて表わす と、 前記 （ 2 ) 〜 （ 6 〉 式の関係よ り

( W Ζ 2 ) ² + D ² 一 X ( X - 2 D )

R

( W 2 ) ² + D 2 — X ( X + 2 D >

… （ 8 ) となる。 こ こで、 この （ 8 〉 式を X の求靜式にするた め に , 通常 W > 1 m , D > '！ m に対 し て X の值は数 c mである という事実に基づいて、. W ² + D ² 》 X ² という近似を導入する と、 この （ 8 〉 式は

( W / 2 ) 2 + D 2 ÷ 2 K D

R = { 9 )

( W X 2 ) 2 + D 2 - 2 D

となる _c レたが っ てこの ( 9 ) 式から X について求め れば

R 一 1 W ² ÷ D ²

X 一 ( 0 )

R ÷ 1 2 D

が得られる。 この第 4 図に示した左右位置演算器 7 3 2 は , 上記各磁界検出信号の比 R に基づいて この （ 1 〇 ) 式の演算を実行するこ とによ り 、 当該地中掘削 m ( ノ イ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 0 ) の左右方向に関する位置

X を求めるよ う 機能する。 同第 4 図において は、 該左 右方向に関する位置の値 Xを加算器 7 3 5 a に加えて 、 左右位置計画値設定器 7 3 6 a に予設定された同左右 位置に関する計画値との偏差 s _x を とるよ う にな っ て いるが、 この倒では、 左右位置演算器 7 3 2 によ っ て 直接的に計画値 （ 掘削計画線 P L ) に対する水平変位 が求め られるこ とか ら 、 上記設定器 7 3 6 a に はその 計画値と して 「 0 」 が設定され、 したが っ て これ ら x ， X , s _χ の値についても

X = X = ε X - ( 1 1 ) とい っ た関係が保たれている。 すなわち この刹の場合、 地表に障害 ¾等があ っ て磁界発生ケーブル 8 0 を掘削 計画線 P L に ¾ つ て均一 に敷.設できない等の特殊な場 台に 、 上記設定器 7 3 6 a に適当な左右位置計画値を 設定 してこれを補正するこ と となる 。 こう して得 ら れ る左右方向に関 しての偏差値 s _v ( = X = x 〉 は次に 進路修正方向演箅器 7 3 7 に加え られる。 なお、. 上記 い 0 )式における D ( パイ ロ ッ ト ヘ ッ ド 2 0 の深度 ） の 値は、 以下に説明する上下位置演算器 7 4 3 か ら当該 地中邇削機 （ パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド 2 0 〉 の上下方向に関 する位置情報 H と して与え られる。

—方， 前記傾斜計 2 3 か らパイ ロ ッ ト ヘ ッ ド 2 0 の 水平面に対する傾斜量に対応 して発生される電圧は、 電圧 . /角度変換器 7 3 3 に よ り ピ ッ チング角 に変換 され、 前記推進距離検出器 4 1 の検出出力 と と も に上 下位 E演算器 7 3 4 に受入される。 この上下位置演算 一 2 Q — 器 7 3 4 は 、 前記 （ 7 ) 式に よ っ て 当該地中想削镲 ( パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド 2 Q ) の上下位置に関する現在值 H を求める演算器であ り 、 この演算值 H は同パイ ロ ブ 卜へ ッ ド 2 0 の深度情報 D と して士述 した左右位置演 算器 7 3 2 に加え られる と ともに、 加算器 7 3 5 b に 加え られて上下位置計画値設定器 7 3 6 b に予設定さ れた当の地中掘削搽の上下位置 （ 深度） に関する計画 値 との羼差 s _H がと られる。 この求め られた偏差 s _H も先の左右方向に関 しての匾差 s _χ ( = X = x ) と と もに進路亵正方向演算器 7 3 7 に加え られる。

進路 g正方向演算器 7 3 7 は、 こ う して得られた左 右方向 s _χ と上下優差ミ _Η とによ り 、 先の第 1 0 図に 示 した幾何学的関係に基づいてこれら優差 ε _χ および s _Η ·が共に解消される前記掘削へ ッ ド Ί 0 の回 角度'、 すなわ 'ち同へ ッ ド先端部分 Qについての目標位置 Q ' を示す角度情報を求める演算器である。 該求め られた 目標位置 Q ' を示す角度情報は、 同へ ッ ド先蠕部分 Q についての現在位置 （ 前回目標と した位置） を示す角 度情報と ともに握削へ ッ ド回転角 御器 7 3 8 に加え られる。 掘削ヘ ッ ド回転角制御器 7 3 8 では、 これら 受入される角度情報の偏差すなわち上記ヘ ッ ド先端部 分 Qについての現在位置と目標位置 Q ' との角度優

をまめ、 該角度 ^ だけ掘削ヘ ッ ド 1 Q が回転される よ う 前記油圧モータ 2 1 に対して駆動指令を与える。

ズ上のよう であるから 、 該実 SI例装置によれば、 搡 作対象 となる地中掘削鑌は、. 予め設定された握削計画 適に追従するようその進路 自動 g正される。 したが つ て 、 当 の掘削作業も発進立坑 S H 内のた だ一人の作 業員 v! ( 第 1 図参照 〉 に よ っ て容易 に達成できる よ う に な り 、

第 1 ス テ ッ プ ： 作業員 ,Vl は 、 前記簡易操作器 7 4 を 操作 し て地中掘削鑕の掘削動作を停 止さ せる 。

第 2 ス テ ッ プ ： 停止を確認 し た後 、 周作業員 Μ は 、 後続の 口 ッ ド管 3 0 を接続する 。 第 3 ス テ ッ プ ： 作業員 Μ 2は 、 該 ロ ッ ド营 3 0 の接続 を確認 し た後簡易操作器 7 4 を操作 し て掘削動作を開始させる 。

第 Ί ステ ッ プに戻る 。

と い っ たステ ッ プを繰 り 返すだけで所要の掘削作業が 進め ら れる 。

なお 、 上記実施例で は 、 磁界発生 ケーアル 8 0 をそ の往路線 と復路線 とで掘削計画線 P L か らそれぞれ一 定の間隔が保た れる よ う 敷設 し たが 、. 該ケープル 8 0 の敷設に際 し て は 、 他に例えば 、 こ れ ら往路線お よ び 復路線のいずれか一方を掘削計画線 P L に直接沿 う よ う 敷設する よ う に し ても よ い 。 た だ し この場合 、 計画 線 P L に沿わせない他方の線につ い て は、 こ れか ら発 せ ら れる磁界が前記磁界検出素子 S 1 および S 2 に よ る磁界検出 に影罾を与えない程度に難陽 し て お く こ と が好 ま し い 。 ま た こ の場合 は 、. 磁界検出素子 S Ί お よ ひ' S 2 の検出磁界に基づ く 左右方向 に関 し て の位置計 測原理 も 前述 と は 多 少異 な り 、 こ れ ら 磁界検 出素子 S お よ び S 2 に よ る検出磁界 〈 遐削計画篛 P L に沿 つ て敷設された方の篛か ら発せ られる磁界についての 渙出磁界 》 の掘削計画籙 P L鈴直面を境とする右半方 向 と左半方向 とで異なる特徴に基づいて当該地中掘削 ( 特に 前記パイ 口 ッ 卜 ヘ ッ ド 2 Q ) の掘削計画篛 P L に対する左右方向に関 しての位置扁位が計測され る。 したが っ て この場合には、 磁界検出方向.が紛直方 向 となるよう な単一の磁界検出素子を ¾いても同位置 僱位に関する計測は可能である。

そちそち、 同地中握削襟の上下方向に闋する位置計 測をも含めて、 こう した位置計測に関する手法は上述 した例に限らず任意であ り 、 当該地中掘削襟の掘削計 画値に対する位置镉差さえ得られるものであれば他の いかなる手法を用いてもよい。

産案上の利用可能性

上説明 したよ う に、 本発明の地中摁削攮の制御裝 置に よれば、 立坑内の作業員のみで地中掘削機による 掘削作業が実現できるよう になる。 このため、 従来懸 念されていた問題は根本的に解消される と とちに、.

( ィ 〉 人件費が低減される。

( 口 》 立坑内の作業員が白 ら掘 mの開始並びに停止 を指令できるこ とから、 作業性が良く 、 安全 も確保される。

等々の優れた効果が得られる.よう になる„

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 発進立坑か ら到達立坑ま での間を 、 所定長の ロ ッ ド管を順次謎ぎ足 し かっ こ れを推進ジ ャ ッ キ に て顒次 送 り 出 し つつ 該 ロ ッ ド管の先端 に接続さ れる掘削へ ツ ド並 びにパイ ロ ッ 卜 へ ッ ドを地表面に施 し た掘削計画 線に追従する よ う 推進せ しめて同掘削計画線に沿 っ た 卜 ンネル掘削を行な う 地中掘削機の制御装置であ っ て 、 前記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ドの現在位置の検出に基づいて 同パイ ロ ッ 卜 へ ッ ドの掘削計画値に対する位置靥差を 求め 、 さ ら に こ の位置儷差に基づいて前記掘削ヘ ッ ド の掘削角度を自動補正する掘削角度補正手段 と 、.

前記発進立坑内 に配さ れて 、 適宜の手動操作に基づ き前記推進ジ^ャ ッ キの推進開始お よ び推進停止を指令 する指令手段 と

を具え た地中掘削機の制御装置。

2 . 前記掘削角度補正手段は 、

前記掘削計画線に対応 し て地表面に敷設さ れて適宜 の給電に基づき所定の磁界を発生する磁界発生 ケープ ル と 、

前記パイ ロ ッ 卜 ヘ ッ ド内に配設さ れて 、 こ の磁界発 牛 ケーブルか ら 穽牛 さ れる磁界を檢出する ¾界椅出丰 段 と ,

周 じ く 前記パイ ロ ッ ト ヘ ッ ド内 に配設さ れて 、 同パ ィ 口 ッ 卜 へ ツ ドの水平面に対する傾斜を検出 する傾斜 検出手段 と 、

前記 ロ ッ ド管の使用数に基づいて前記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ドの発進立坑か らの推進距離を換出する推進距離検 出手段 と、

前記铤界検出手段の磁界検出態様に基づいて前記パ イ ロ ッ 卜へッ ドの前記掘削計画篛に左右方向について の位置匾差を求める第 1の演算手段と、

前記傾 ϋ筷 ffi手段の検出値および前記锥進距齄検出 手段の検出値に基づいて前記パイ ロ ッ ト へ ッ ドの予め 設定 した地表面からの深度計画値に対する上下方向に ついての位置偏差を求める第 2 の演算手段と

を具え、 これら第 1 および第 2 の演算手段によ り 求 め られる位置疆差に基づいて前記掘割ヘ ッ ドの掘削角 度を自動補正する請求の範囲第 1 項記載の地中掘削襪 の制御装置。 '

3, . 前記磁界発生ケ-ーアルは、 その往路線と復路線と で前記掘削計画線からそれぞれ一定の .間隔を傈つ て敷 rf れ、- 前記磁界検出手段は、 磁界検出方向が前記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ドの推進方向正面からみて鉛直方向か ら所定角 度傾斜 した方向 となるよう同パイ ロ ッ 卜 へ ッ ド内に固 定支持されて 15記磁界発生ケーブルから発生される邐 畀を渙出する第 1 の磁界検出素子と、 遨界換出方向が 前記パイ 口 ッ 卜 へ ッ ドの推進方向正面からみてこの第 1 の磁界渙出素子の磁界検出方向 と錯直方向軸につい て線対称となる角度をあ っ て交差する方向となるよう 同パイ 口 ッ 卜 へ ッ ド内に固定支持されて前記磁界発生 ケーブルから発生される磁界を検出する第 2 の遨界渙 出素子とを有して構成され、 前記第 1 の演算手段は 、 こ れ ら第 1 お よ び第 2 の磁 界検出素子に よる検出磁界 レベルの比較に 基づい て前 記パイ ロ ッ 卜 へ ッ ドの前記磁界発生ケー プル往復路中 心に対する左右方向 につ いて の位置 ϋ差を求め る請求 の範囲第 2 項記載の地中掘削機の制御装置。

4 . 前記第 1 およ び第 2 の磁界検出素子の前記パ イ 口 ッ 卜 へ ッ ドの推進方向正面か ら みて IS直方向 とな す所 定角度は 4 5 度である請求範囲第 3 項記載の地中掘削 機の制御装置。