JP5131729B2 - 地中位置検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボーリングやシールドトンネルなどの掘削装置の地中位置を検知する地中位置検知方法に関する。

ボーリングやシールドトンネルなどの掘削装置の地中位置を検知する方法としては、従来、（１）ジャイロスコープを用いる方法と、（２）地磁気方位センサーおよび傾斜計を用いる方法と、（３）電磁誘導を利用した方法と、（４）弾性波を利用した方法などがあった。

（１）のジャイロスコープを用いた方法は、ボーリングやシールドトンネルの坑内にジャイロスコープを出し入れして掘削孔の三次元的な曲がりを計測することにより、ボーリングやシールドトンネルの先端等の位置を検知するようになっている。

（２）の地磁気方位センサーおよび傾斜計を用いる方法は、ボーリングやシールドトンネルの坑内に地磁気方位センサーおよび傾斜計をボーリングやシールドトンネル先端に設置してその位置を計測することにより、ボーリングやシールドトンネルの先端等の位置を検知するようになっている。

（３）の電磁誘導を利用した方法は、ボーリングやシールドトンネルの先端に設置したコイルに電流を流して磁界を発生させ、その磁界の強度を地上で測定して、ボーリングやシールドトンネルの先端の位置を検知するようになっている。

（４）の弾性波を利用した方法は、ボーリングやシールドトンネルの先端から弾性波を発生させ、地上あるいは地中で弾性波の到達時間を測定して、ボーリングやシールドトンネルの先端の位置を検知するようになっている。

また、その他の位置検知方法としては、特許文献１および特許文献２に示すようなものもあった。特許文献１の位置検出装置は、相対向させて発進させた２台の地中掘削機の相対位置を検出するための装置であって、一方の地中掘削機の前部に磁界発生器が設けられ、他方の地中掘削機磁界検出器が設けられている。そして、磁界発生器から発生される磁界のピーク発生時間差に基づいて、磁界発生器から見た磁界検出器間の角度を求め、各地中掘削機間の相対位置を求めるようになっている。特許文献２の位置検出装置は、地下掘削体に磁力発生源が内蔵され、測定点に磁力発生源が発生する磁界の直交する３方向成分を検出可能な一の検出手段が設けられている。そして、三次元座標の原点に測定点を置き、ｙ軸上に磁界発生源を任意の姿勢に置いた状態を想定して、所定の計算式を用いて、磁力発生源の位置を算出するようになっている。
特開平３−２５７３２１号公報 特開２００６−１０６２８号公報

しかしながら、（１）のジャイロスコープを用いた方法では、坑内に装置を出し入れするため、位置検知を行うために掘削作業を一時中断する必要があり、作業効率が低下してしまうといった問題があった。また、（２）の地磁気方位センサーおよび傾斜計を用いる方法では、地磁気方位センサーおよび傾斜計等の精密機械をボーリングやシールドトンネル先端に設置し、計測データを有線あるいは無線にて外部に伝送するようになっているので、構造が複雑になる問題があるとともに、地磁気方位センサーの近くに鉄類があるとその測定結果に誤差を生じてしまうといった問題もあった。さらに（３）の電磁誘導を利用した方法では、コイルの真上で測定をする必要があるため、既設構造物の下方での測定は困難であるといった問題があった。また、（４）の弾性波を利用した方法では、坑内に弾性波発生のための装置が必要であるため、構造が複雑になる問題があるとともに、地層の弾性波速度が均質でない場合は、測定結果に大きな誤差を生じてしまうといった問題もあった。

そこで、本発明は前記の問題を解決すべく案出されたものであって、位置検知のための装置を簡易な構造にすることができ、地上障害物に影響されることなく、ボーリングやシールドトンネルの地中位置を容易に検知することができる地中位置検知方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、掘削装置の地中位置を検知する地中位置検知方法において、前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記掘削装置の軸方向に伸びるｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｘ軸成分およびｚ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、前記ｘ軸成分およびｚ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、得られた位相差を、原点を含むｘｚ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、前記見込み角度より前記磁石の位置のｘ座標およびｚ座標を算出し、他方、前記掘削装置の掘削距離より前記磁石の位置のｙ座標を算出することを特徴とする地中位置検知方法である。

このような方法によれば、掘削装置内には磁石を取り付けておくだけでよいので、掘削機内には電源や精密機器を設置する必要がなく、位置検知のための装置は簡易な構造となる。また、回転磁場の測定は、地上や地中において、磁石からの磁場を測定するだけでよいので、測定場所の制限を受けず、地上障害物に影響されることはない。さらに、その測定データに基づいて位置を算出することで地中位置を容易に検知することができる。

請求項２に係る発明は、掘削装置の地中位置を検知する地中位置検知方法において、前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記掘削装置の軸方向に伸びるｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｘ軸成分およびｚ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、前記ｘ軸成分およびｚ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、得られた位相差を、原点を含むｘｚ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、前記見込み角度より前記磁石の位置のｘ座標およびｚ座標を算出し、他方、前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記ｙ軸およびｚ軸を含む平面上、またはｘ軸およびｙ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｙ軸成分およびｚ軸成分、またはｘ軸成分およびｙ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、前記ｙ軸成分およびｚ軸成分、または前記ｘ軸成分およびｙ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、得られた位相差を、前記原点を含むｙｚ平面またはｘｙ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、前記見込み角度より前記磁石の位置のｙ座標およびｚ座標、またはｘ座標およびｙ座標を算出することを特徴とする地中位置検知方法である。

請求項１の方法が掘削装置の掘削距離よりｙ座標を算出するのに対して、請求項２の方法は、ｘ座標とｚ座標と同様にｙ座標も回転磁場の磁束密度から算出するようにしたものである。このような方法によれば、請求項１の発明と同様に、位置検知に必要な装置は簡易な構造となる。また、回転磁場の測定は、測定場所の制限を受けず、地上障害物に影響されることはない。さらに、その測定データに基づいて位置を算出することで地中位置を容易に検知することができる。

本発明によれば、位置検知のための装置を簡易な構造にすることができ、地上障害物に影響されることなく、ボーリングやシールドトンネルの地中位置を容易に検知することができるといった優れた効果を発揮する。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、磁石２の回転中心を原点Ｏとして、磁石２がｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転する場合、磁石２のＮ極の向きのｘ軸からの回転角をφとすると、ある点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における回転磁場の磁束密度の３方向成分（Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚ）は、下記の式１、式２および式３で表される。

なお、式１〜式３中、ｒは点Ｐの原点Ｏからの距離を示し、ｍは磁石２の磁気モーメントを示している。

次に、下記の式４に示す関数式Ｆ_１を計算すると、図２の（ａ）に示すような、正弦波に表される。

ここで、図２の（ｂ）に示すように、点Ｐを、原点Ｏを含むｘｚ平面に投影した投影点Ｐ’（ｘ，０，ｚ）について、直線ＯＰ’のｘ軸からの角度をθとすると、Ｆ_１が最大値となるときの磁石２の回転角φ_ｍと角度θとは、以下の式５のような関係が成立する。

また、下記の式６に示す関数式Ｆ_２を計算すると、図３の（ａ）に示すような、正弦波に表される。

ここで、図３の（ｂ）に示すように、点Ｐを、原点Ｏを含むｘｚ平面に投影した投影点Ｐ’（ｘ，０，ｚ）について、直線ＯＰ’のｘ軸からの角度をθとすると、Ｆ_２がマイナス側からプラス側へ変化するときのＦ_２＝０の時点の磁石２の回転角φ_０と角度θとは、下記の式７のような関係が成立する。

すなわち、回転角φ_ｍおよびφ_０は、直線ＯＰ’とｘ軸とが成す角θに、π（＝１８０°）のｎ倍を加えたものに等しくなる。この性質を利用することで、地上あるいは地中で、時刻歴データとして測定した回転磁場の磁束密度のｘ成分Ｂ_ｘとｚ成分Ｂ_ｚから、以下に説明するようにして、測点Ｐに対する磁石２のｘ座標とｚ座標を求める。

図４に示すように、本実施の形態に係る地中位置検知方法では、水平ボーリングやシールドトンネルなどの掘削装置１に磁石２が設けられている。磁石２には、永久磁石が用いられている。磁石２は、掘削装置１の回転軸などの回転部位に、磁石２のＮＳ方向が掘削装置１の軸方向に直交するように取り付けられている。ここで、掘削装置１の軸方向をｙ軸にとり、このｙ軸に直交する水平方向をｘ軸にとり、ｙ軸に直交する鉛直方向をｚ軸にとる。これによって、掘削装置１が作動して回転部位が回転すると、掘削装置１の軸方向に伸びるｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で磁石２が回転することとなる。このように磁石２が回転することによって、回転磁場が発生する。

そして、地上の二つの測点Ｐ_１，Ｐ_２と地中の測点Ｐ_３の三箇所において、回転磁場の磁束密度のｘ成分Ｂ_ｘとｚ成分Ｂ_ｚとをそれぞれ時刻暦データとして測定する。なお、各測点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３には、３軸コイルやフラックスゲート磁力計などの計測装置が設けられており、これらの計測装置で回転磁場の磁束密度を測定する。そして、測定されたｘ成分Ｂ_ｘとｚ成分Ｂ_ｚを式４に代入してＦ_１を算出するか、式６に代入してＦ_２を算出する。そうすると、各測点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３におけるＦ_１は、図５に示すようにそれぞれ正弦波状の形状になり、各測点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３におけるＦ_２も、図６に示すようにそれぞれ正弦波状の形状になる。

ここで、Ｆ_１またはＦ_２の各測点間（Ｐ_１とＰ_２間、Ｐ_２とＰ_３間）の位相の時間差ΔＴ_１２およびΔＴ_２３を測定する。磁石２の回転の１周期をＴとすると、時間差ΔＴ_１２およびΔＴ_２３から回転磁場の正弦波における磁石の回転角の位相差φ_１２およびφ_２３は、下記の式８および式９に表される。

式８で示された回転角の位相差φ_１２は、各測点Ｐ_１，Ｐ_２を、原点Ｏを含むｘｚ平面にそれぞれ投影した各投影点Ｐ_１’，Ｐ_２’から磁石２の位置を見込む見込み角度（直線ＯＰ_１’と直線ＯＰ_２’とが成す角度）θ_１２（図７参照）と等しくなる。また、式９で示された回転角の位相差φ_２３は、各測点Ｐ_２，Ｐ_３を、原点Ｏを含むｘｚ平面にそれぞれ投影した各投影点Ｐ_２’，Ｐ_３’から磁石２の位置を見込む見込み角度（直線ＯＰ_２’と直線ＯＰ_３’とが成す角度）θ_２３（図７参照）と等しくなる。したがって、各測点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３間の回転磁場の正弦波における回転角の位相差φ_１２，φ_２３を読み取って、原点Ｏを含むｘｚ平面にそれぞれ投影した各投影点Ｐ_１’，Ｐ_２’，Ｐ_３’から磁石２の位置を見込む見込み角度θ_１２，θ_２３とみなすことで、各投影点Ｐ_１’，Ｐ_２’，Ｐ_３’の各位置に対して相対的な磁石２の位置を算出して求めることができる。

以下に、各見込み角度θ_１２，θ_２３から磁石２の位置を算出する方法を説明する。

各測点座標を、Ｐ_１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、Ｐ_２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）、Ｐ_３（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）とする。また、図７に示すように、磁石２の位置から地表への鉛直線Ｌと測点Ｐ_２’との角度をθ’として、求めたい磁石２の位置を（Ｘ，Ｚ）とすると、下記の式１０〜式１２からなる方程式が成立する。

これらの式１０〜式１２を整理すると、下記の式１３および式１４からなる連立方程式のようになる。

この連立方程式を解くことで、磁石の位置（Ｘ，Ｚ）を求めることができる。

なお、前記の測点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３は、地上のみに配置してもよいし、地上と地中の組み合わせでもよく、任意の位置に設置することができる。また、前記の説明では、測点は三つ設けられていたが、四つ以上であってもよい。この場合、最小二乗法を適用して磁石の位置（Ｘ，Ｚ）を求める。

なお、本実施の形態では、Ｆ_１またはＦ_２の一方を用いて計算しているが、両方の関数式を用いて計算して平均値を採用するようにしてもよい。このようにすれば、位相差データの精度が向上する。なお、Ｆ_２を計算する場合は、掘削装置２の回転軸の回転に同期した信号を選択的に検知して用いればよい。

次に、掘削装置２の掘削距離より、磁石２のｙ座標を算出する。具体的には、例えば、ボーリングの延長距離を求めることで、ｙ座標を精度よく算出することができる。以上のように、各座標を求めることで、３次元的に磁石２の位置を検知することができる。

なお、掘削装置２が、シールドトンネル掘削機の場合は、図８に示すように、掘削装置１に、側方に掘削する側方掘削装置３を設け、掘削装置１の先端のほかに、側方掘削装置３の先端にも磁石４を設けて回転させて、前記の手法に従って、ｙ座標を算出するようにしてもよい。

具体的には、磁石４を、前記ｙ軸およびｚ軸を含む平面上（またはｘ軸およびｙ軸を含む平面上）で回転させることで回転磁場を発生させ、地上あるいは地中の少なくとも三つの測点（図示せず）で磁石４が発生させる回転磁場の磁束密度のｙ軸成分およびｚ軸成分（またはｘ軸成分およびｙ軸成分）をそれぞれ時刻暦として測定し、得られたｙ軸成分およびｚ軸成分（または前記ｘ軸成分およびｙ軸成分）より、正弦の関数式Ｆ_１またはＦ_２を求め、各測点の正弦波の位相の時間差から位相差をそれぞれ算出し、得られた位相差を、各測点を原点を含むｙｚ平面（またはｘｙ平面）にそれぞれ投影した各投影点から磁石４の位置を見込む見込み角度とみなし、この見込み角度より磁石４の位置のｙ座標およびｚ座標（またはｘ座標およびｙ座標）を算出する。これによって、ｙ座標が算出され、先に算出されたｘ座標とｚ座標と合わせて、磁石４の位置を３次元的に検知することができる。

以上のような方法によれば、掘削装置１内には磁石２を取り付けておくだけでよい。掘削機内１には精密機器を設置する必要がない。特に、磁石２を掘削装置１の回転軸に取り付けておけば、掘削機内１には磁石の回転のための回転機構や電源を別途に設置する必要がなく、位置検知のための装置は簡易な構造となる。また、回転磁場の測定は、地上や地中において、磁石２の回転による回転磁場を測定するだけでよいので、測定場所の制限を受けず、地上障害物に影響されることはない。さらに、その測定データに基づいて位置を算出することで地中位置を容易に検知することができる。

前記した地中位置検知方法の他の検知方法としては、以下に説明するような方法もある。かかる地中位置検知方法は、掘削装置の回転軸に磁石を設け、この磁石を掘削装置の軸方向に直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、地上あるいは地中の任意の測点で回転磁場の磁束密度の３方向成分（Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚ）を測定する。そして、この磁束密度の３方向成分（Ｂ_ｘ，Ｂ_ｙ，Ｂ_ｚ）と別途測定した磁石の回転角φと、事前に測定した磁石２の磁気モーメントｍとを前記の式１、式２および式３に代入して磁石の位置を算出する。

なお、磁石の回転角φは、掘削装置の回転軸の回転角度を検知することで測定される。また、磁石の磁気モーメントｍは、磁石からある距離での磁場の振幅を予め測定しておくことで求めておく。

このような方法によっても、磁石の回転による回転磁場を測定するだけでよいので、測定場所の制限を受けず、地上障害物に影響されることはない。さらに、その測定データに基づいて位置を算出することで地中位置を容易に検知することができる。

なお、前記の検知方法の他には、磁場の振幅を測定する方法もある。この方向は、掘削装置の直上位置付近で、磁場を測定できる場合に適用できる方法であって、本発明の構成要件を示すものではない。この方法は、磁石の真上の位置で磁場が最大となる性質を利用した方法である。

図９に示すように、掘削装置１の先端に磁石２を設けて回転させて回転磁場を発生させる。そして、その掘削装置１の真上位置付近の掘削計画線上で、回転磁場のｚ成分Ｂ_ｚを測定する。ここで、回転磁場のｚ成分Ｂ_ｚの振幅は、磁石が測点に近づくに連れて大きくなり、磁石が測点から遠ざかるに連れて小さくなる。すなわち、回転磁場のｚ成分Ｂ_ｚの振幅が最大になる位置の真下が掘削装置１の先端位置となる。そして、掘削装置１の深度は、測定した回転磁場の大きさもしくは距離減衰から逆算して求める。すなわち、回転磁場のｚ成分Ｂ_ｚは、下記の式１５のように表され、磁石と測点との距離ｒの三乗に反比例する。

ここで、ｍは磁石の磁気モーメントであって、事前に磁石からある距離での磁場の振幅を測定しておくことで求めておき、ｍを式１５に代入することによって、磁石と測点との距離ｒを算出することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、前記実施の形態では、磁石２は永久磁石にて構成されているが、電磁石等の他の構成であってもよい。

本発明に係る地中位置検知方法の磁石と座標軸の定義を示した斜視図である。 （ａ）はＦ_１の波形形状を示した波形図、（ｂ）は測点をｘｚ平面に投影した投影平面図である。 （ａ）はＦ_２の波形形状を示した波形図、（ｂ）は測点をｘｚ平面に投影した投影平面図である。 本発明に係る地中位置検知方法の磁石と測点の配置例を示した斜視図である。 各測点のＦ_１の波形形状をそれぞれ示した波形図である。 各測点のＦ_２の波形形状をそれぞれ示した波形図である。 各測点から磁石を見た見込み角度を示した図である。 ｙ座標を求める場合の掘削装置を示した概略図である。 磁界の振幅を利用して地中位置を検地する場合の掘削状態を示した概略図である。

符号の説明

１，３ 掘削装置
２，４ 磁石

Claims (2)

1. 掘削装置の地中位置を検知する地中位置検知方法において、
   前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記掘削装置の軸方向に伸びるｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、
   少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｘ軸成分およびｚ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、
   前記ｘ軸成分およびｚ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、
   得られた位相差を、原点を含むｘｚ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、
   前記見込み角度より前記磁石の位置のｘ座標およびｚ座標を算出し、
   他方、前記掘削装置の掘削距離より前記磁石の位置のｙ座標を算出する
   ことを特徴とする地中位置検知方法。
2. 掘削装置の地中位置を検知する地中位置検知方法において、
   前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記掘削装置の軸方向に伸びるｙ軸と直交するｘ軸およびｚ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、
   少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｘ軸成分およびｚ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、
   前記ｘ軸成分およびｚ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、
   得られた位相差を、原点を含むｘｚ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、
   前記見込み角度より前記磁石の位置のｘ座標およびｚ座標を算出し、
   他方、前記掘削装置に磁石を設け、この磁石を、前記ｙ軸およびｚ軸を含む平面上、またはｘ軸およびｙ軸を含む平面上で回転させることで回転磁場を発生させ、
   少なくとも三つの測点で前記磁石が発生させる回転磁場の磁束密度のｙ軸成分およびｚ軸成分、またはｘ軸成分およびｙ軸成分をそれぞれ時刻暦データとして測定し、
   前記ｙ軸成分およびｚ軸成分、または前記ｘ軸成分およびｙ軸成分より前記各測点間の位相差をそれぞれ算出し、
   得られた位相差を、前記原点を含むｙｚ平面またはｘｙ平面に前記各測点をそれぞれ投影した各投影点から前記磁石の位置を見込む見込み角度とみなし、
   前記見込み角度より前記磁石の位置のｙ座標およびｚ座標、またはｘ座標およびｙ座標を算出する
   ことを特徴とする地中位置検知方法。

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