JP3929760B2 - トンネル掘進機の測量システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘進機の測量システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘進機（シールド掘進機やトンネルボーリングマシン等）は、掘進機本体の前部に設けたカッタによって切羽を掘削しつつ、掘進機本体の後方に組み立てられた既設セグメント（トンネル壁）に反力を取って掘進機本体を前進させ、地山を掘進してトンネルを構築するものである。近年、かかるトンネル掘進機を用いたトンネル工事において、トンネルを計画線に沿って正確に敷設する要請が高まっている。
【０００３】
そして、これを達成するには、地山を掘進するトンネル掘進機の掘削部の切羽中心の位置を正確に把握する必要がある。そこで、従来、掘進機本体の後方のトンネル内の底部に測量機器（トランシット等）を設置し、その測量機器から掘進機本体に取り付けた複数の測点を測量し、各測点までの距離やその挟角を測定することによって、掘進機本体の姿勢や測量機器（基準位置）からの距離等を測定していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記システムにおいては、測量機器をトンネル底部に設置していたため、掘進機本体が掘進して測量機器の有効視準距離以上に離れる前に、測量機器をトンネル底部から一旦取り外して掘進機本体側に近づけて設置し直す盛替作業が必要となる。特に、急カーブトンネル施工においては、死角となりやすいため、頻繁に盛替作業をしなければならない。
【０００５】
かかる測量機器の盛替作業は、重い測量機器を正確に設置し直さなければならないため、作業負荷が大きく、測量精度低下の原因にも繋がる。特に、トンネル径が小さい場合には、測量員が狭隘なトンネル空間内にて重い測量機器の盛替作業をしなければならず、苦渋作業となる。
【０００６】
また、掘進機本体の位置を測量する度に測量員が入坑し、その都度、測量機器を整準・視準することは、労力が大きく時間もかかる。特に、トンネル径が小さい場合には、測量員が狭隘なトンネル空間内にて測量機器を操作して測量作業をしなければならず、苦渋作業となる。
【０００７】
また、トンネル内に設置された測量機器が、ズリトロ台車や後続台車等の運行の邪魔になることも考えられる。特に、トンネル径が小さい場合には、この可能性が高い。この場合、掘進機本体の位置を測量した後には測量機器を撤去して台車の運行を確保し、再度測量するときに再び設置しなければならない。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、掘進機の掘削部の切羽中心の位置を容易に測定できるトンネル掘進機の測量システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、トンネル掘進機の内部に設けられ測点間の挟角および測点までの距離を計測する測量機器と、上記掘進機の後方のトンネルの内壁に複数設けられ地上等に設定された基準位置に対する位置が既知の坑内測点と、上記掘進機の内部に設けられ掘削部の切羽中心に対する位置が既知の機内測点とを備え、上記測量機器によって、坑内測点の位置に対する当該測量機器の位置を測量すると共に、その測量機器の位置に対する機内測点の位置を測量し、その機内測点の位置に基づいて切羽中心の位置を特定するトンネル掘進機の測量システムであって、上記トンネル掘進機内の掘進機本体内に設けられた固定フレームに、自在継手を介して吊下フレームを吊下し、上記自在継手に、締め込まれたとき上記固定フレームに対する上記吊下フレームの角度を固定し、弛められたとき上記固定フレームに対する上記吊下フレームの角度を自由とするロックボルトを設け、上記吊下フレームに、所定の可動範囲内でその台を水平に保持する機能を有する自動整準台を載置し、該自動整準台に、上記各測点を確認するためのＣＣＤカメラを備えた測量機器を載置し、上記ロックボルトは、上記掘進機本体の姿勢変化が上記自動整準台の可動範囲内のときには締め込まれた状態となり、上記可動範囲を超えたときには弛められて上記吊下フレームが重力によって略鉛直となった状態で再度締め込まれるものである。
【００１０】
また、上記固定フレームが、上記掘進機本体としてのシールドフレーム内の天井部に設けられ、その固定フレームに自在継手を介して吊下される上記吊下フレームが、上記トンネル内の底部に敷設されたレール上を走行するズリトロ台車、後続台車の運行を妨げないように、それら台車から離間するようにして吊下されたものであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１５】
図１に示すトンネル掘進機１は、筒体状の掘進機本体２（シールドフレーム）の前部に設けたカッタ３によって切羽４を掘削しつつ、その後方に組み立てた既設セグメント５（トンネル壁）に反力を取って掘進機本体２を前進させ、地山を掘進してトンネルＴを構築するものである。
【００１６】
そして、掘孔６とセグメント５との間には、側部地山の崩落を押さえると共にセグメント５の位置を固定するための裏込材７が、シールドフレーム２もしくはセグメント５から注入される。また、トンネルＴ内の底部には、掘削土砂を搬送するズリトロ台車や掘進機１の運転を制御する制御装置等が載置された後続台車のレール８が敷設されている。
【００１７】
シールドフレーム２の内部には、測点間の挟角および測点までの距離を計測する光学式の測量機器９が、取り付けられている。測量機器９は、図２にも示すように、遠隔操作可能なＣＣＤカメラ１０および自動整準機構を有し、坑外からモニタを介して測量作業が行えるようになっている。かかる測量機器９は、当該機器９をその自重によって鉛直に垂下させる自在継手１１を介して、シールドフレーム２の天井部に吊下されている。
【００１８】
詳しくは、シールドフレーム２の天井部には固定フレーム１２が取り付けられており、その固定フレーム１２には球面状の自在継手１１を介して枠状の吊下フレーム１３が吊下されており、吊下フレーム１３の底部には測量機器９が自動整準台１４を介して載置されている。自在継手１１には、固定フレーム１２に対する吊下フレーム１３の角度を固定するためのロックボルト１５が設けられている。ロックボルト１５は、通常、締められている。
【００１９】
測量機器９は、吊下フレーム１３の底部に設置された自動整準台１４上に載置され、その台１４の垂直軸廻りに旋回可能な第１フレーム１６と、第１フレーム１６に対して水平軸廻りに揺動可能な第２フレーム１７と、第２フレーム１７に取り付けられたＣＣＤカメラ１０とを有し、地上にてモニタを見ながらの遠隔操作によって各可動機構（第１フレーム１６、第２フレーム１７）を動かし、ＣＣＤカメラ１０の視準方向を測点に合わせて変更できるようになっている。また、測点を捕らえると、自動的に測点までの距離と角度とを測定するようになっている。
【００２０】
自動整準台１４は、ジャイロ等の水平センサが内蔵されており、シールドフレーム２（掘進機本体）の姿勢がある程度変化しても、自動的に水平を維持するようになっている。そして、この水平維持範囲を超えてシールドフレーム２の姿勢が変化したときには、図３に示すように、上記ロックボルト１５を緩めて吊下フレーム１３を固定フレーム１２に対して略鉛直に吊下させて自動整準台１４を略水平とし、その状態でロックボルト１５を締める。これにより、その状態からシールドフレーム２の姿勢が更にある程度変化しても、自動整準台１４が再び自動水平可能となる。
【００２１】
上記測量機器９は、以下に述べる測点を測量する。
【００２２】
図１に示すように、掘進機本体２の後方に構築されたトンネルＴの内壁（セグメント５の内面）には、地上に設定された基準点からの相対位置（距離・方向）が既知の坑内測点Ａ１、Ａ２が、複数（２カ所以上）設けられている。これら坑内測点Ａ１、Ａ２は、地上に設定された基準点を別の測量機器（シールドフレーム２に取り付けられる前の上記測量機器９を用いてもよい）で測量して立坑底部に降ろして複数の立坑底部基準点に盛り替えた後（移し替えた後）、それら立坑底部基準点をシールドフレーム２内の測量機器９で測量してトンネルＴの内壁（セグメント５の内面）に盛り替えたものである。
【００２３】
このように、地上の基準点からの位置が既知の坑内測点Ａ１、Ａ２をシールドフレーム２に取り付けた測量機器９によって測量し、測量機器９から各測点Ａ１、Ａ２までの距離および測量機器９と各測点間Ａ１、Ａ２との挟角を測定することで、測量機器９の位置（地上の基準点からの位置）を測量できる。この測量は、掘進機本体２を立坑から発進させた直後には、坑内測点Ａ１、Ａ２の代わりに立坑底部基準点が用いられる。これにより、発進直後においても測量機器９の位置を測量できる。
【００２４】
各測点Ａ１、Ａ２および基準点には、測量機器９による測量を的確に行うため、測量機器９からの測定光を反射する反射部材（反射シートやプリズム等）が取り付けられている。また、各測点Ａ１、Ａ２は、トンネルＴの内壁の左右両側部に設定されている。シールドフレーム２内の測量機器９から測量する際、測量機器９と各測点Ａ１、Ａ２間との挟角が大きくなって誤差を小さくできるからである。但し、測点Ａ１、Ａ２は、必ずしもセグメント５の同一リングに設定する必要はなく、またトンネルＴの内壁の片側に設定しても許される。
【００２５】
掘進機本体２（シールドフレーム）の内部には、その掘削部の切羽中心Ｘまでの距離および方向が既知の機内測点Ｙが設けられている。すなわち、機内測点Ｙは、当該測点Ｙから切羽中心Ｘまでの距離、および当該測点Ｙと測量機器９とを結ぶ線に対する当該測点Ｙと切羽中心Ｘとを結ぶ線の角度を測定した上で、シールドフレーム内に設定される。なお、機内測点Ｙは、機器９と測点Ｙと切羽中心Ｘとの各距離を測定した上で、シールドフレーム２内に設定されてもよい。
【００２６】
機内測点Ｙには、坑内測点Ａ１、Ａ２と同様に、測量機器９からの測定光を反射するための反射部材が取り付けられる。そして、シールドフレーム２内の測量機器９によって、測量機器９といずれかの坑内測点Ａ２とを結ぶ線と、測量機器９と機内測点Ｙとを結ぶ線との挟角θを測定することで、機内測点Ｙの位置（地上の基準点からの位置）を測量できる。既述のように、坑内測点Ａ２および測量機器９の位置（地上の基準点からの位置）は測量済みだからである。
【００２７】
こうして測量した機内測点Ｙの位置（地上の基準点からの位置）に基づいて、掘削部の切羽中心Ｘの位置（地上の基準点からの位置）を特定できる。機内測点Ｙから切羽中心Ｘまでの距離、および機内測点Ｙと測量機器９とを結ぶ線に対する機内測点Ｙと切羽中心Ｘとを結ぶ線の角度が分かっているからである。
【００２８】
そして、測量機器９による各測点Ａ１、Ａ２、Ｙの視準の際、測量機器９は、遠隔操作可能なＣＣＤカメラ１０、可動機構（第１フレーム１６、第２フレーム１７）および自動整準機構を有しているので、坑外（地上）からモニタを介して測量作業が行える。よって、作業員が入坑して作業する必要はない。
【００２９】
特に、シールドフレーム２が小径の場合、作業員が測量機器９が取り付けられたシールドフレーム２内に入って測量作業をすることは実質的に困難であるが、本実施形態では地上にてモニタを見ながらの遠隔作業によって測量機器９のＣＣＤカメラ１０の視準方向を変更して測量しているので、作業員が入れない小径のシールドフレーム２であっても問題なく測量作業を行える。
【００３０】
また、測量機器９による測点箇所は、最低限、坑内測点Ａ１、Ａ２および機内測点Ｙの３箇所に過ぎないため、迅速に測量でき且つ誤差も小さい。すなわち、測量機器９をシールドフレーム２に取り付けているため、測量機器９の取付位置自体が機内既知測点としての役割を果たすことになる。よって、その測量機器９から機内測点Ｙと坑内測点Ａ２との挟角θを測定することで、機内測点Ｙの位置（地上の基準点からの位置）を測量できるのである。
【００３１】
また、測量機器９は、シールドフレーム２に取り付けられているので、レール８上を走行する後続台車等の運行を妨げることはない。すなわち、従来は測量機器９がトンネルＴ内の底部に設置されていたので、レール８上を走行する後続台車等の運行の妨げとなる場合もあったが、本実施形態ではかかる問題は生じない。
【００３２】
なお、シールドフレーム２内の測量機器９から坑内測点Ａ１、Ａ２を視準して、測量機器９の位置（地上の基準点からの位置）を測量するときに、坑内測点Ａ１、Ａ２が動いては正確な測量ができない。よって、セグメント５の移動を押さえる裏込材７の充填が適切に行われているかチェックする必要がある。
【００３３】
ところで、掘進機本体２の掘進によって測量機器９と坑内測点Ａ１、Ａ２との距離が有効視準距離以上に離れると、またはカーブトンネル施工において坑内測点Ａ１、Ａ２が測量機器９から死角になると、測量機器９によって坑内測点Ａ１、Ａ２を視準できなくなる。
【００３４】
そこで、それに先立って、図１に示すように、坑内測点Ａ１、Ａ２よりも掘進機本体２側（トンネル奥側）のトンネルＴの内壁（セグメント７の内面）に、新たな坑内測点Ｂ１、Ｂ２を複数（２カ所以上）設定する。これら新たな坑内測点Ｂ１、Ｂ２は、坑内測点Ａ１、Ａ２と同様にトンネルＴの内壁の左右両側部に設定されており、各測点Ｂ１、Ｂ２には、上記反射部材が取りつけられている。
【００３５】
そして、測量機器９によって、坑内測点Ａ１、Ａ２の位置（地上の基準点からの位置）を、新たな坑内測点Ｂ１、Ｂ２に盛り替える。すなわち、坑内測点Ａ１、Ａ２に基づいて測量機器９の位置（地上の基準点からの位置）を測量し、その位置を基準として新たな坑内測点Ｂ１（Ｂ２）までの距離を測定すると共に、測量機器９と新たな坑内測点Ｂ１（Ｂ２）及びいずれかの坑内既知測点Ａ１またはＡ２との挟角を測定することで、新たな坑内測点Ｂ１（Ｂ２）の位置（地上の基準点からの位置）を測量する。
【００３６】
以降、この新たな坑内測点Ｂ１、Ｂ２を使用し、上述した測量を繰り返すことで、掘削部の切羽中心Ｘの位置（地上の基準点からの位置）を測量できる。この際、測量機器９は、掘進機本体２の掘進に伴って前進するため、従来タイプのように設置位置を盛り替える必要はない。よって、作業員が坑内にて重い測量機器９を設置する盛替作業が不要になって作業負荷が軽減されると共に、測量機器９の盛り替えに伴う精度低下も回避できる。
【００３７】
ところで、掘進機本体２は、その掘進に伴って姿勢が変化（ローリング、ピッチング、ヨーイング）する場合がある。この場合、掘進機本体２（シールドフレーム）の姿勢変化が所定範囲内であれば、測量機器９を載置する自動整準台１４が自動的に水平を保持し、測量機器９を鉛直状態に保つ。そして、この場合であっても、複数の坑内測点Ａ１、Ａ２等に基づいて測量機器９のＣＣＤカメラ１０の位置（地上の基準点からの位置）を測量し、この測量機器９のＣＣＤカメラ１０の位置に基づいて機内測点Ｙの位置（地上の基準点からの位置）を測量できる。
【００３９】
また、シールドフレーム２の姿勢変化が自動整準台１４の可動範囲を超える場合には、図３に示すように、自在継手１１のロックボルト１５を緩め、測量機器９を略垂直に垂下させた状態でロックボルト１５を締める。これにより、図３の状態が基準となって更に自動整準台１４の可動範囲内にてシールドフレーム２の姿勢変化を許容できることになる。そして、この状態で、複数の坑内測点Ａ１、Ａ２等に基づいて測量機器９のＣＣＤカメラ１０の位置（地上の基準点からの位置）を測量し、測量機器９のＣＣＤカメラ１０の位置に基づいて機内測点Ｙの位置（地上の基準点からの位置）を測量することで、切羽中心Ｘの位置（地上の基準点からの位置）を特定できる。
【００４０】
なお、ロックボルト１５は、測量機器９によって各測点Ａ１、Ａ２、Ｙ等を視準するときに、吊下フレーム１３が固定フレーム１２に対して移動しないようにするため、締められるものである。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るトンネル掘進機の測量システムによれば、掘進機の掘削部の切羽中心の位置を容易に測量できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るトンネル掘進機の測量システムの説明図である。
【図２】 上記測量システムの測量機器を示す説明図である。
【図３】 上記測量システムの自在継手の作動を示す説明図である。
【符号の説明】
１ トンネル掘進機
２ 掘進機本体としてのシールドフレーム
８ レール
９ 測量機器
１０ ＣＣＤカメラ
１１ 自在継手
１２ 固定フレーム
１３ 吊下フレーム
１４ 自動整準台
１５ ロックボルト
Ｔ トンネル
Ｘ 切羽中心
Ｙ 機内測点
Ａ１ 坑内測点
Ａ２ 坑内測点
Ｂ１ 新たな坑内測点
Ｂ２ 新たな坑内測点

Claims (2)

1. トンネル掘進機の内部に設けられ測点間の挟角および測点までの距離を計測する測量機器と、上記掘進機の後方のトンネルの内壁に複数設けられ地上等に設定された基準位置に対する位置が既知の坑内測点と、上記掘進機の内部に設けられ掘削部の切羽中心に対する位置が既知の機内測点とを備え、上記測量機器によって、坑内測点の位置に対する当該測量機器の位置を測量すると共に、その測量機器の位置に対する機内測点の位置を測量し、その機内測点の位置に基づいて切羽中心の位置を特定するトンネル掘進機の測量システムであって、
   上記トンネル掘進機の掘進機本体内に設けられた固定フレームに、自在継手を介して吊下フレームを吊下し、上記自在継手に、締め込まれたとき上記固定フレームに対する上記吊下フレームの角度を固定し、弛められたとき上記固定フレームに対する上記吊下フレームの角度を自由とするロックボルトを設け、上記吊下フレームに、所定の可動範囲内でその台を水平に保持する機能を有する自動整準台を載置し、該自動整準台に、上記各測点を確認するためのＣＣＤカメラを備えた測量機器を載置し、
   上記ロックボルトは、上記掘進機本体の姿勢変化が上記自動整準台の可動範囲内のときには締め込まれた状態となり、上記可動範囲を超えたときには弛められて上記吊下フレームが重力によって略鉛直となった状態で再度締め込まれるものであることを特徴とするトンネル掘進機の測量システム。
2. 上記固定フレームが、上記掘進機本体としてのシールドフレーム内の天井部に設けられ、
   その固定フレームに自在継手を介して吊下される上記吊下フレームが、上記トンネル内の底部に敷設されたレール上を走行するズリトロ台車、後続台車の運行を妨げないように、それら台車から離間するようにして吊下された請求項１に記載のトンネル掘進機の測量システム。

Images