JP2757058B2 - 地中掘削機の相対位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、対向させて発進させた２台の地中掘削機を
地中において接合させる際の、両者の位置ずれを検出す
るのに好適な地中掘削機の相対位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

海底にトンネルを構築する場合、地中掘削機を発進さ
せる立坑を多く設置することができない。しかし、１台
の地中掘削機によって長距離を掘進することは、掘削土
砂の排出等に困難性が生じるばかりでなく、多くの危険
を伴う。このため、海底トンネルを構築する場合、地中
掘削機の掘削距離を短くするために、２台の地中掘削機
を相対向させて発進し、各地中掘削機が掘削したトンネ
ルを地中内において接合することが行われている。

ところが、接合点において両地中掘削機の中心が左
右、上下にずれると、接合したトンネルが不連続になる
ため、両地中掘削機の相対位置を求めて位置ずれを修正
する必要がある。そして、従来は、２台の地中掘削機間
の位置ずれを修正する場合、各地中掘削機のトンネル計
画線に対する位置ずれや、発進地点などの基準位置から
の位置を検出することにより、両地中掘削機間の相対的
な位置ずれを求め、この位置ずれに基づいて修正を行う
ようにしていた。

従来、地中にある地中掘削機の位置を求める場合、次
のような方法が採用されていた。

トランシットなどによる坑内測量によって地中掘削
機の基準点からの位置、計画線からのずれを求める。

地中掘削機の発進立坑内にレーザ光等のコヒーレン
トな光を発生する光学発信装置を設置し、この装置によ
ってトンネル計画線を照射し、地中掘削機に取り付けた
ターッゲト上の光点を読み取り、地中掘削機の発進立坑
からの位置、偏位、偏角を求める。

方位ジャイロ、圧力式沈下計、傾斜計およびトンネ
ル内に組み立てたセグメント長さを基準とする走行距離
計を組み合わせ、基準位置からの相対的な位置を求め
る。

しかし、上記した地中掘削機の位置を求める従来の各
方法は、下記のような欠点があり、地中接合を精度よく
行うことが困難であった。

の方法は、トンネルを屈曲して掘削する場合、測定
点を多く取る必要があり、リアルタイムに計測すること
ができず、実際的でない。また、の方法は、トンネル
計画線が屈曲していると、発進立坑からのレーザ光がタ
ーゲットに照射できない場合を生じ、光学発信装置を適
切な位置に移動させなければならない。しかも、レーザ
光を直接計画線の全長にわたって照射できないため、光
学発信装置を移動させる都度、ターゲットと光学測量装
置とトンネル計画線との相互の位置関係をそれぞれ実測
し、この測定結果に基づいて計算により計画路線を求め
た後に、地中掘削機の位置、偏位、偏角を算出しなけれ
ばならない。このため、光学発信装置の移設や測定、計
算に人手がかかり、掘進作業の能率が低下する、という
問題がある。

さらに、の方法は、累積誤差が発生し、長距離の掘
削には向かず、また曲率半径の小さな曲線を掘削する場
合や、曲線が連続しているトンネルを掘削する場合に対
しても、同様に不向きである。そして、地中接合のよう
に、２台の地中掘削機の相対位置を計測する場合には、
誤差がさらに増大する。

一方、比較的地中の浅い位置にある小型地下掘削機械
（例えばミニモール）の位置を検出する方法として、電
磁界送受信器と傾斜計とを組み合わせたものがある。こ
れは、地表に設置した送信用ループコイルが発生した磁
界を、掘削機械の内部に設けた受信コイルによって検出
して、ループコイルの中心に対する掘削機械の水平方向
のずれを求めるとともに、傾斜計の値と掘削機械の掘進
距離とから掘削機械の深さ方向の位置を得るものであ
る。

しかし、この場合においても、地中接合する２台の地
中掘削機械のそれぞれの位置を求めるものであるため、
検出誤差を生じたときに、接合を精度よく行うことがで
きない。

そこで、接合させる２台の掘削機械の一方に水平方向
位置検出用と鉛直方向位置検出用の受信コイルを設け、
この受信コイルをミニモールによって掘削機械から突出
させ、基準位置となる他方の掘削機械のカッタフェイス
に取り付けた送信コイルに近接させ、送信コイルの中心
に対する受信コイルのずれを検出することにより、両掘
削機械の相対位置ずれを検出することが考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の接合する２台の掘削機械の一方に送信
コイル、他方に受信コイルとを設けて両掘削機械の相対
位置を求める方法は、鉛直方向の位置ずれを検出するた
めの受信部と、水平方向の位置ずれを検出する受信部と
を必要とし、装置が複雑、高価となる。しかも、各受信
部を直交して配置した一対の受信コイルによって構成
し、これらのコイルに生じた誘導起電力の値を検出して
送信コイルによる磁界の強さを求める必要があるため、
受信コイルの取付け精度によって検出誤差を生じ、受信
コイルの姿勢を厳密に定める必要がある。

また、検出信号の値を読み取る必要があるため、送信
コイルによって発生させる磁界は、土中における減衰の
少ない周波数の低い磁界しか発生させることができず、
受信コイルの受信感度を高めることが容易でない。

本発明は、このような欠点を解消するためになされた
もので、磁界検出器が出力する検出信号の値を求めるこ
となく地中接合させる２台の地中掘削機の相対位置を求
めることができる地中掘削機の相対位置検出装置を提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明に係る位置検出
装置は、地中接合させる一方の地中掘削機の前部に設け
た磁界発生器と、前記一方の地中掘削機に設けられ、磁
界発生器を地中掘削機の軸線に直交した面内で回転させ
る回転装置と、地中接合させる他方の地中掘削機に非直
線的に配設され、前記磁界発生器が発生した磁界を検出
する３つ以上の磁界検出器と、前記他方の地中掘削機に
設けられ、各磁界検出器を前記一方の地中掘削機に近接
させる推進機と、前記各磁界検出器の検出信号のピーク
を検知するピーク検出回路と、このピーク検出回路の出
力信号に基づいて、前記各磁界検出器の出力信号のピー
ク間隔を求めるピーク発生時間差測定回路と、このピー
ク発生時間差測定回路の出力に基づいて、前記各地中掘
削機間の相対位置を求める位置演算回路とを有すること
を特徴としている。

〔作用〕

上記の如く構成した本発明は、回転装置によって磁界
発生器を回転させると、各磁界検出器の検出信号は、周
期的に変化する。そこで、ピーク検出回路によって各磁
界検出器の検出信号のピークを検知し、各磁界検出器間
の検出信号のピークが現れた時間間隔をピーク発生時間
差測定回路によって求め、位置演算回路に入力する。位
置演算回路は、ピーク発生時間差測定回路が求めた時間
間隔から、磁界発生器を設けた地中掘削機の中心から見
た各磁界検出器間の角度を求め、地中接合する各地中掘
削機間の相対位置を求める。

従って、本発明においては、磁界発生器が磁界検出器
の前方または近傍を通過したことを検知できればよく、
磁界検出器をコイルによって構成した場合に単一のコイ
ルによって磁界の変化を容易に検知でき、装置が安価と
なるとともに、検出信号の値そのものを求める必要がな
いため、コイルの姿勢を厳密に定める必要がなく、誤差
も生じにくい。また、磁界の変化を検知できればよいた
め、土中における減衰の影響が少なく、磁界発生器の発
生する磁界の周波数を高くすることができ、磁界検出器
の検出感度を高められ、磁界検出器が磁界発生器から離
れていても両地中掘削機の相対位置の検出が可能とな
る。

〔実施例〕

本発明の位置ずれ検出装置の好ましい実施例を、添付
図面に基づいて詳説する。

第１図は、本発明の実施例に係る地中掘削機の相対位
置検出装置の構成図である。

第１図において、地中掘削機10、20は、図示しないカ
ッタを備えたカッタドラム12、22を有する。このカッタ
ドラム12、22は、回転可能であるとともに、任意の回転
位置に停止することができるようになっている。また、
地中掘削機10、20は、カッタドラム12、22を回転させな
がら前進することにより、カッタによって掘削した土砂
をカッタドラム12、22内に取り込み、スクリューコンベ
ヤ等によって後方に移送するようになっている。そし
て、これらの各地中掘削機10、20は、それぞれ異なった
発進立坑からトンネル計画線に沿って相互に接近する方
向に掘進し、掘削したトンネルを接合する。

一方の地中掘削機10には、カッタドラム12の前面また
は内部に、磁界発生器14が取り付けてある。この磁界発
生器14は、交流電流源16に接続され、交流電流源16から
給電されて交流磁界を発生する。また、磁界発生器14
は、第２図に示したように、矩形状をした送信ループケ
ーブルからなり、磁界発生器14の回転装置としての役割
をなすカッタドラム12が回転することにより、地中掘削
機10の中心O₁₀の周囲を矢印18のようにカッタドラム12
と一体に回転する。そして、磁界発生器14は、カッタド
ラム12が基準位置に停止したときに、送信ループケーブ
ルの長辺が地中掘削機10の鉛直軸であるＺ軸と平行にな
るとともに、中心O₁₀より上方に配置され、送信ループ
ケーブルの中心がＺ軸上に位置するように配設してあ
る。

他方の地中掘削機20には、前部に圧密掘進型の小径ボ
ーリング装置24a、24b、24cが設けてある。そして、各
ボーリング装置24a、24b、24c内部の先端部には、磁界
検出器である検出コイル26a、26b、26cが取り付けてあ
り（第３図参照）、磁界発生器14が発生した磁界を検出
できるようになっている。

ボーリング装置24a、24b、24cは、地中掘削機20の中
心O₂₀を中心とする半径ｒの円周上に、中心O₂₀に対して
120度間隔で配設してあり、ボーリング装置24aが地中掘
削機20の中心O₂₀を通る鉛直軸（Ｚ軸）上に位置してい
る。そして、ボーリング装置24a、24b、24cは、カッタ
ドラム22の後側に設けられ、カッタドラム22が基準位置
に停止したときに、カッタドラム22に形成した図示しな
い貫通孔を介して、地中掘削機20の軸線（Ｘ軸）と平行
に進退できるようになっており、検出コイル26a、26b、
26cを地中掘削機10の前面に近接させる推進機としての
役割をなす。

各検出コイル26a、26b、26cは、それぞれプリアンプ2
8a、28b、28c（プリアンプ28b、28cは図示せず）を介し
て増幅器30a、30b、30cに接続してあり、検出信号がプ
リアンプ、増幅器によって増幅される。

増幅器30a、30b、30cの出力側には、ピーク検出回路3
2a、32b、32cが接続してあり、検出コイル26a、26b、26
cの出力信号のピークを検知して、ピークを検知したと
きに、ピーク検知信号をピーク発生時間差測定回路34に
入力する。そして、ピーク発生時間差測定回路34は、ピ
ーク検出回路32a、32b、32cからのピーク検知信号の入
力時刻に基づいて、各ピーク検知信号間の時間差を求め
て位置演算回路36に送る。

位置演算回路36は、後述するように、ボーリング装置
24a、24b、24cの掘進量とピーク発生時間差測定回路34
の出力とから、地中掘削機10、20間の相対距離を求める
とともに、地中掘削機10の中心O₁₀に対する地中掘削機1
0の中心O₂₀の位置ずれ量を演算し、表示装置38に出力し
て表示する。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりであ
る。

地中掘削機10のカッタドラム22を基準位置に停止さ
せ、ボーリング装置24a、24b、24cを地中掘削機10に向
けて前進させ、各ボーリング装置の先端を地中掘削機10
の前面に到達させる。そして、各ボーリング装置24a、2
4b、24cの掘進距離は、位置演算回路36に入力する。な
お、ボーリング装置の先端が地中掘削機10に到達したこ
とは、ボーリング装置24の掘進抵抗を検出すること等に
よって容易に検知することができる。

ボーリング装置24a、24b、24cの先端が地中掘削機10
の前面に到達したならば、地中掘削機10のカッタドラム
12を第４図の矢印19のように所定の回転周期Ｔをもって
回転させる。カッタドラム12が回転すると、地中掘削機
10に設けた磁界発生器14がカッタドラム12と一体に回転
し、ボーリング装置24a、24b、24cの内部に設けた検出
コイル26a、26b、26cの前方を順次通過する。そして、
各検出コイル26a、26b、26cは、磁界発生器14が発生し
た磁界による誘起電圧を検出信号として出力する。

検出コイル26a、26b、26cが出力した検出信号は、そ
れぞれプリアンプ28a、28b、28cと、増幅器30a、30b、3
0cによって増幅され、ピーク検出回路32a、32b、32cに
送られる。ピーク検出回路32a、32b、32cは、それぞれ
対応する増幅器30a、30b、30cから入力してくる検出信
号の値を所定時間ごと、例えば10msごと取り込んで順次
比較する。すなわち、ピーク検出回路32aは、増幅器30a
が増幅した検出コイル26aの検出信号を所定時間ごとに
取り込み、今回取り込んだ検出信号のレベルを前回取り
込んだ検出信号のレベルと比較し、検出信号のピークを
検知する。

各ピーク検出回路32a、32b、32cは、それぞれの対応
する検出コイル26a、26b、26cが出力した検出信号のピ
ークを検知すると、ピーク検知信号をピーク発生時間差
測定回路34に送る。ピーク発生時間差測定回路34は、各
ピーク検出回路32a、32b、32cからピーク検知信号が入
力してくると、ピーク検知信号がピーク検出回路32aか
ら入力してきた時刻とピーク検出回路32bから入力して
きた時刻との差、およびピーク検出回路32aから入力し
てきた時刻とピーク検出回路32cから入力してきた時刻
とのさを求めて位置演算回路36に入力する。

位置演算回路36は、ボーリング装置24a、24b、24cの
掘進量から地中掘削機10と地中掘削機20との相対距離を
求めるとともに、各ボーリング装置24a、24b、24cの掘
進量の相違から、地中掘削機20の地中掘削機10に対する
傾斜角、傾斜方向を演算する。また、位置演算回路36
は、磁界発生器14の中心がＺ軸を通過した時刻と、磁界
発生器14が検出コイル26aを通過した時刻との差から、
地中掘削機20の地中掘削機10に対するローリング角を求
める。さらに、位置演算回路36は、求めたローリング角
と、ピーク発生時間差測定回路34が出力した、各検出コ
イル26a、26b、26c間の検出信号（出力電圧）のピーク
となった時刻の差（時間差）より、地中掘削機10と地中
掘削機20との相対位置、すなわち地中掘削機10の中心O
₁₀に対する地中掘削機20の中心O₂₀の位置を求める。

第４図に示したように、地中掘削機10の中心O₁₀と地
中掘削機20の中心O₂₀とが一致している場合には、磁界
発生器14が周期Ｔをもって回転すると、各検出コイル26
a、26b、26cが中心O₂₀に対して120度間隔で配置してあ
るため、検出コイル26a、26b間の検出信号のピーク間隔
は、第５図に示したようにT/3となり、検出コイル26a、
26c間の検出信号のピーク間隔が2T/3となる。従って、
位置演算回路36は、ピーク発生時間差測定回路34が求め
た検出信号のピーク間隔が第５図のようである場合、地
中掘削機10、20間に位置ずれが生じていない旨を表示装
置38に表示する。

一方、第６図に示したように、地中掘削機10と地中掘
削機20との間に位置ずれが生じている場合、検出コイル
26a、26b間の検出信号のピーク間隔はT_abとなり、検出
コイル26a、26c間のピーク間隔がT_acとなる（第７図参
照）。

いま、地中掘削機10の中心O₁₀をＹ−Ｚ座標の原点と
したときに、地中掘削機20に設けたボーリング装置24a
〜24cが、原点O₁₀に対して第８図のように位置したとす
る。そして、ボーリング装置24a〜24cは、地中掘削機20
の中心O₂₀に対して120度間隔で配置してあるので、一辺
の長さがｌの正三角形の頂点に位置する。そこで、位置
演算回路36は、磁界発生器14の回転周期Ｔとピーク間隔
T_ab,T_acとから、原点O₁₀から見たボーリング装置24a,24
b（検出コイル25a,26b）間の角度θ_ab、ボーリング装置
24a,24c（検出コイル26a,26c）間の角θ_acを次のごとく
求める。

一方、各ボーリング装置24a、24b、24cの座標を（a_y,
a_z）、（b_y,b_z）、（c_y,c_z）とし、原点O₁₀とボーリン
グ装置24cとを結ぶ線分がＹ軸となす角をψとすると、
幾何学的関係から次の式（５）〜（11）が得られる。

b_z＝c_z ……（８） c_y−b_y＝ｌ ……（９） a_y＝（b_y＋c_y）/2 ……（10） ｌは既知であり、θ_ac,θ_abは式（３）、（４）によ
って求められるので、未知数は、ψ、a_y、a_z、b_y、b_z、
c_y、c_zの７つである。よって式（５）〜（11）により各
未知数を解くことができる。

式（５）、（10）、（11）より 式（12）、（９）より 式（13）、（６）より 一方、式（７）、（８）、（９）より、 式（15）を変形して 式（16）を（14）へ代入して、整理すると 式（17）はψのみ未知数であるから、コンピュータを使
用した逐次比較法によりを求めることができる。

さらに、式（16）、（６）を用いてb_y、b_z、式
（９）、（８）を用いてc_y、c_z、式（10）、（11）を用
いてa_y、a_zを順次求めることができる。

よって、３本のミニモールで構成されている三角形の
中心である地中掘削機10の中心O₂₀の座標Ｐ（P_y、P_z）
は、 P_y＝a_y ……（18） と求めることができ、地中掘削機10、20の相対位置が得
られる。

このように、実施例においては、検出コイル26a、26
b、26cの出力信号のピークを検出し、ピークが生じた時
刻を知るだけで地中掘削機10、20の相対位置を求めるこ
とができる。従って、磁界発生器14が発生する磁界の強
さを検出するために、コイルを直交して配設する必要が
なく、磁界検出器を単一のコイルで構成でき、装置が安
価となるとともに、検出信号の絶対値を求める必要がな
いため、コイルの姿勢を厳密に定める必要がない。しか
も、中心O₁₀に対するＺ軸方向への位置ずれを検出する
ための検出器と、Ｙ軸方向への位置ずれを検出するため
の検出器とを別々に設ける必要がなく、装置が簡素、安
価となる。また、磁界の変化を検知できればよく、土中
における減衰の影響が小さいため、磁界発生器の発生す
る磁界の周波数を高くすることができ、磁界検出器の検
出感度を高められ、磁界検出器が磁界発生器から離れて
いたも両地中掘削機の相対位置の検出が可能となる。

なお、前記実施例においては、磁界発生器14が地中掘
削機10の中心から一側半径方向にある場合について説明
したが、中心を超えて地中掘削機のほぼ直径の長さを有
するようにしてもよく複数設けてもよい。そして、前記
実施例においては、磁界発生器14が送信ループケーブル
である場合について説明したが、磁界発生器14は永久磁
石等であってもよい。

また、前記実施例においては、磁界検出器である検出
コイルが３つの場合について説明したが、検出コイルは
４つ以上であってもよい。そして、検出コイルは、３つ
以上が一直線上に並ばないように配置してあれば、地中
掘削機20の中心を中心とする円周上に配置する必要はな
い。さらに、前記実施例においては、検出コイル26a、2
6b、26cを中心O₂₀に対して120度の等角度間隔で配置し
た場合について説明したが、等角度間隔でなくともよ
い。また、磁界検出器は、コイルに限定されず、磁気抵
抗素子等の磁界を検知できるものであればよい。さら
に、前記実施例においては、検出コイル26a、26b、26c
を前進させる推進機として圧密掘進型のボーリング装置
を用いた場合について説明したが、推進機はこれに限定
されない。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、３つ以上の
磁界検出器の検出信号のピークを検出するとともに、ピ
ーク間の時間を求めることにより、地中接合させる２台
の地中掘削機間の相対位置を求めることができ、検出信
号の値そのものを検知する必要がないところから、安価
な装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る地中掘削機の相対位置検
出装置の構成図、第２図は地中接合させる一方に地中掘
削機に設けた磁界発生器の正面図、第３図は地中接合さ
せる他方の地中掘削機に設けた磁界検出器の配置状態を
示す正面図、第４図は各地中掘削機の中心が一致してい
る場合の位置ずれ検出方法の説明図、第５図はの各地中
掘削機の中心が一致しているときの検出信号のピーク間
隔を示す図、第６図は各地中掘削機が位置ずれしている
状態を示す概念図、第７図は各地中掘削機の中心がずれ
ているときの検出信号のピーク間隔を示す図、第８図は
２台の地中掘削機の相対位置の求め方の説明図である。 10、20……地中掘削機、12……回転装置（カッタドラ
ム）、14……磁界発生器、24a〜24c……推進機（ボーリ
ング装置）、26a〜26c……磁界検出器（検出コイル）、
32a〜32c……ピーク検出回路、34……ピーク発生時間差
測定回路、36……位置演算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金光 保雄 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所研究所内 審査官 渡部 葉子 (56)参考文献 特開 昭62−168013（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−106313（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地中接合させる一方の地中掘削機の前部に
   設けた磁界発生器と、前記一方の地中掘削機に設けら
   れ、磁界発生器を地中掘削機の軸線に直交した面内で回
   転させる回転装置と、地中接合させる他方の地中掘削機
   に非直線的に配設され、前記磁界発生器が発生した磁界
   を検出する３つ以上の磁界検出器と、前記他方の地中掘
   削機に設けられ、各磁界検出器を前記一方の地中掘削機
   に近接させる推進機と、前記各磁界検出器の検出信号の
   ピークを検知するピーク検出回路と、このピーク検出回
   路の出力信号に基づいて、前記各磁界検出器の出力信号
   のピーク間隔を求めるピーク発生時間差測定回路と、こ
   のピーク発生時間差測定回路の出力に基づいて、前記各
   地中掘削機間の相対位置を求める位置演算回路とを有す
   ることを特徴とする地中掘削機の相対位置検出装置。