JP4164429B2 - 推進掘削機および掘進機位置算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、推進装置によって掘進機を地中に押し込みつつ掘削を行い、前記推進装置と前記掘進機との間に推進管を徐々に継ぎ足して管路を形成する推進掘削工法に関するものであり、より詳細には推進掘削機の構造および掘進機位置算出方法に関する。

推進工法とは、油圧ジャッキなどによる推進装置を用いて掘進機を立坑から横方向に押し込みつつ掘削を行って徐々に管路を形成する工法である。開削工法と異なり地上への影響（交通の遮断など）を最小限にとどめることができる。

推進工法に用いられる掘削機の概略を図１２で説明すると、図の符号３０は地盤Ｇに設けられた立坑、符号３１は推進ジャッキ３１ａを推進源とした推進装置である。推進装置３１は立坑３０内に設置される。符号３２は掘進機であり、地盤Ｇ中に位置している。また符号３３は掘進機３２が進行するに従って徐々に追加して設けられる推進管である。

次に推進工法の行程について図１３を用いて説明する。なお図は立坑３０および地盤Ｇを省略して描いてあるが、図１２のように掘進機３２は地盤Ｇ内に位置している。図１３(a)の状態から、推進装置３１の推進ジャッキ３１ａが掘進機３２を地中に圧入しつつ、掘進機３２が掘削を行って図１３(b)の状態となる。掘進機３２が所定幅進行した後は、図１３(c)のように推進ジャッキ３１ａを縮退させ、図１３(d)に示したように掘進機３２と推進ジャッキ３１ａとの間に推進管３３を設置する。次いで図１３(e)のように推進管３３を押して掘進機３２をさらに進行させる。以降、このように次々と推進管３３を継ぎ足していくことで推進管３３の敷設を行う。
なお、掘進機３２には不図示の方向修正ジャッキが設けられており、掘進機３２の掘削方向を制御できるようになっている。

ところで、計画線に沿って管路を正確に敷設するために、地中における掘進機３２の位置を把握する必要がある。推進管３３を直線状に配置してゆく場合は、レーザ測定を行って立坑３０と掘進機３２との間の距離を測定する。推進管３３が直線状に配置されているため、障害を受けることなくレーザ光を各推進管３３内部を貫通して照射することができるからである。
しかしながら、推進管３３を曲線状に配置する場合、レーザ光は推進管３３のカーブによって障害を受けるためにレーザ測定を行うことはできない。この場合、従来においては図１４に示される技術等によって掘進機３２の位置を測定している（特許文献１）。この技術では掘進機３２が磁力線発信器３４を備えている。推進時には、地上の作業員が磁力線受信機３５を用い、磁力線発信器３４が送信する磁力線３６を受信して掘進機３２の位置を検出する。
特開２００２−９７８８９号公報 特開平９−２８６３２６号公報

しかし、上記従来の方法では、地上に必ず作業員の配置が必要であるため、人件コストがかかるほか、作業員が立ち入れない場所では検出不可能であるという問題がある。また、掘進機３２と地上との間に障害物（他の配管などの埋設物）がある場合、磁力線３６が障害物に反射または遮蔽され、掘進機３２の位置に誤差が生じてしまうという問題点があった。
また、掘進機３２の位置を検出するための他の方法として、推進管３３の内部に、全長に渡ってレールを敷設し、このレールに沿って３軸ジャイロを備えた計測器を走らせることにより、敷設状況を調査する技術もある。しかしながらこの方法では狭い推進管３３内にレールを敷設するためのスペースを設けなければならないという問題点があり、また、掘削しながらのリアルタイム計測ができないという問題点もある。リアルタイム計測ができない場合、計画線に沿って掘削できているか否か、掘進機３２を停止しなければ判断することができない。また、計画線からのずれを修正した後でまた掘進機３２を停止してずれの修正が適切か否かを確認しなければならない。

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、掘進機の位置をリアルタイムに求めることができる推進掘削機および掘進機位置算出方法を提供することを目的とする。

本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に記載の発明は、掘削を行う掘進機と、該掘進機を押し出して推進させる推進装置とを備え、前記掘進機を地中に押し込みつつ掘削を行い、前記掘進機と推進装置との間に推進管を徐々に継ぎ足して管路を形成する推進掘削機において、前記掘進機の姿勢を検出するジャイロ方位計測装置と、前記掘進機が推進される際に、該掘進機の進む距離をカウントするリニアエンコーダと、前記ジャイロ方位計測装置と前記リニアエンコーダとの出力に基づいて前記掘進機の位置を算出する演算装置とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、掘進機が推進する際に、掘進機の推進方向（掘進機の姿勢）をジャイロ方位計測装置により計測し、その推進距離をリニアエンコーダにより計測する。これらのデータを利用すれば掘進機の推進経路および現在位置がリアルタイムでわかる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の推進掘削機において、前記掘進機に前記リニアエンコーダが設けられ、前記掘進機が推進される際に、一端が前記推進装置側に固定されたエンコーダワイヤが前記リニアエンコーダから引き出されることにより、前記掘進機の推進距離がカウントされることを特徴とする。

本発明によれば、リニアエンコーダはエンコーダワイヤの引き出し量に基づいて推進距離をカウントする。原理的にはリニアエンコーダを掘進装置側に設け、エンコーダワイヤの一端を掘進機に設けてもかまわないが、本発明では掘進機側にリニアエンコーダが設けられていることにより、掘進機内に装置系をまとめることができる。また、リニアエンコーダから推進装置までの全長分のエンコーダワイヤをリニアエンコーダ側に用意してもよいし、推進装置側を中継ワイヤにより代用してもよい。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の推進掘削機において、前記エンコーダワイヤの一端が、中継ワイヤを介して前記推進装置側に固定されることを特徴とする。

本発明によれば、中継ワイヤを用いることから、リニアエンコーダから推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。推進管が延びるに従って、ワイヤドラムに収納した中継ワイヤを引き出したり、中継ワイヤを継ぎ足したりすればよい。

請求項４に記載の発明は、推進装置によって掘進機を地中に押し込みつつ掘削を行い、前記掘進機と前記推進装置との間に推進管を徐々に継ぎ足して管路を形成する推進掘削機の掘進機位置算出方法において、前記掘進機を推進させる際に、該掘進機の進む距離をリニアエンコーダによってカウントするとともに、該掘進機の姿勢をジャイロ方位計測装置により測定し、これらリニアエンコーダおよびジャイロ方位計測装置の測定結果に基づいて掘進機の位置を算出することを特徴とする。

本発明によれば、掘進機が推進する際に、掘進機の推進方向（掘進機の姿勢）をジャイロ方位計測装置により計測し、その推進距離をリニアエンコーダにより計測する。これらのデータを利用すれば掘進機の推進経路および現在位置がリアルタイムでわかる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の掘進機位置算出方法において、前記掘進機に前記リニアエンコーダを設け、該掘進機を推進させる前に前記リニアエンコーダが備えるエンコーダワイヤの一端を前記推進装置側に固定し、その後該掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して該掘進機の推進距離をカウントすることを特徴とする。

本発明によれば、リニアエンコーダはエンコーダワイヤの引き出し量に基づいて推進距離をカウントする。原理的にはリニアエンコーダを掘進装置側に設け、エンコーダワイヤの一端を掘進機に設けてもかまわないが、本発明では掘進機側にリニアエンコーダが設けられていることにより、掘進機内に装置系をまとめることができる。また、リニアエンコーダから推進装置までの全長分のエンコーダワイヤをリニアエンコーダ側に用意してもよいし、推進装置側を中継ワイヤにより代用してもよい。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の掘進機位置算出方法において、前記推進装置に設けられた基準位置には中継ワイヤを収納・引き出し可能とするワイヤドラムが設置され、前記掘進機を推進させる前に、前記エンコーダワイヤの一端を前記中継ワイヤに連結し、次いで前記ワイヤドラムからの前記中継ワイヤの引き出しを規制しつつ前記掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、その後前記ワイヤドラムを前記掘進機側に移動させるとともにエンコーダワイヤをリニアエンコーダ内に収納して推進管を継ぎ足し、さらにその後前記ワイヤドラム内から中継ワイヤを引き出しつつ前記ワイヤドラムを前記基準位置に戻し、その後再びワイヤドラムからの中継ワイヤの引き出しを規制しつつ前記掘進機を推進させて前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、以後これらを繰り返して管路を形成することを特徴とする。

本発明によれば、推進管を延ばすに従ってワイヤドラムに収納された中継ワイヤを引き出して用いることから、リニアエンコーダ側に推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の掘進機位置算出方法において、前記掘進機を推進させる前に、前記エンコーダワイヤの一端を前記推進装置に設けられた基準位置に固定し、次いで前記掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、その後前記エンコーダワイヤの一端を前記基準位置から取り外して前記リニアエンコーダ内に収納し、推進管を継ぎ足すとともに前記エンコーダワイヤの一端と前記基準位置とを中継ワイヤを用いて連結し、その後再び前記掘進機を推進させて前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、さらにその後前記中継ワイヤを前記基準位置から取り外してエンコーダワイヤをリニアエンコーダ内に収納するとともに新たな推進管および中継ワイヤを継ぎ足して再び掘進機を推進させ、以後これらを繰り返して管路を形成することを特徴とする。

本発明によれば、推進管を延ばすに従って中継ワイヤを継ぎ足すことから、リニアエンコーダ側に推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。

本発明においては以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、ジャイロ方位計測装置とリニアエンコーダの出力に基づいて、掘進機の推進経路および現在位置がリアルタイムでわかる。また、磁力線を検出する従来の技術と異なり、掘進機上方の地上の作業員が不要である。また、掘進機と地上との間の埋設物等の干渉を受けることもなく正確かつ容易に掘進機位置の検出が可能である。

請求項２に記載の発明によれば、掘進機側にリニアエンコーダが設けられていることにより、掘進機内に装置系をまとめることができる。

請求項３に記載の発明によれば、エンコーダワイヤの一端が、中継ワイヤを介して前記推進装置側に固定されるから、リニアエンコーダから推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。したがって、容積に限りがある掘進機内において、リニアエンコーダが占めるスペースを小さくすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、ジャイロ方位計測装置とリニアエンコーダの出力に基づいて、掘進機の推進経路および現在位置がリアルタイムでわかる。また、磁力線を検出する従来の技術と異なり、掘進機上方の地上の作業員が不要である。また、掘進機と地上との間の埋設物等の干渉を受けることもなく正確かつ容易に掘進機位置の検出が可能である。

請求項５に記載の発明によれば、掘進機側にリニアエンコーダが設けられていることにより、掘進機内に装置系をまとめることができる。

請求項６に記載の発明によれば、推進管を延ばすに従ってワイヤドラムに収納された中継ワイヤを引き出して用いることから、リニアエンコーダ側に推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。したがって、容積に限りがある掘進機内において、リニアエンコーダが占めるスペースを小さくすることができる。

請求項７に記載の発明によれば、推進管を延ばすに従って中継ワイヤを継ぎ足すことから、リニアエンコーダ側に推進装置までの全長分のエンコーダワイヤを用意する必要がない。したがって、容積に限りがある掘進機内において、リニアエンコーダが占めるスペースを小さくすることができる。

図１から図５に本発明の第１実施形態としての推進掘削機１を示した。推進掘削機１は、推進ジャッキ２ａを推進源とした推進装置２と、掘進機３を備えている。推進掘削機１は立坑内に設置され、掘進機３は地盤中に設置される（図１２参照）。
掘進機３は、先端にカッタ４が設けられると共に、内部には３軸の方位角を検出するジャイロ方位計測装置（３軸ジャイロ）５とそれに付随するジャイロアンプ６，エンコーダワイヤ７ａを収納・引き出し可能なリニアエンコーダ７とそれに付随するエンコーダアンプ８が設けられている。リニアエンコーダ７はエンコーダワイヤ７ａの引き出し距離をカウントするようになっている。
リニアエンコーダ７の出力はエンコーダアンプ８を介して演算装置１１に与えられるようになっている。演算装置１１にはまた、ジャイロアンプ６を介してジャイロ方位計測装置５の出力が逐次与えられるようになっている。

推進装置２に設けられた基準位置Ａには、中継ワイヤ１０ａを収納・引き出し可能とするワイヤドラム１０が設けられている。
このほか、図示はしていないが方向修正のためのジャッキ等も備えており、先端のカッタ４による掘削方向が変えられるようになっている。
なお、掘進機３がローリングするため、リニアエンコーダ７は掘進機３の中心に配置され、エンコーダワイヤ７ａおよび中継ワイヤ１０ａは掘進機３および後述の推進管１２の中心に沿って配設されるようになっている。（便宜上、図においては中心に配置されていない。）

以下、掘進に際して掘進機３の位置を検出する工程について説明する。
まず、推進の最初の段階においては、図１のように基準位置Ａに設置されているワイヤドラム１０の中継ワイヤ１０ａと、エンコーダワイヤ７ａの一端とが連結された状態とする。次に、図２のように、推進装置２により掘進機３を圧入する。このとき、ワイヤドラム１０からの中継ワイヤ１０ａの引き出しを規制しつつ掘進機３を推進させる。これに伴い、エンコーダワイヤ７ａがリニアエンコーダ７から引き出され、掘進機３の移動量がカウントされる。リニアエンコーダ７の出力はエンコーダアンプ８を通じて演算装置１１に与えられる。
次に、図３のように、ワイヤドラム１０を掘進機３側に移動させるとともに、エンコーダワイヤ７ａをリニアエンコーダ７内に取り込む。図４のように、推進管１２を設置した後、ワイヤドラム１０を再び基準位置Ａにセットする。このとき図のようにワイヤドラム１０内から中継ワイヤ１０ａを引き出すことにより、エンコーダワイヤ７ａを引き出すことなくワイヤドラム１０を基準位置に戻す。そして図５のように推進装置２によって最後尾の推進管１２を押し、その際にリニアエンコーダ７からエンコーダワイヤ７ａが引き出され、掘進機３の進行距離が演算装置１１に加算される。
以下、推進管１２を継ぎ足すたびに図３から図５の行程を繰り返す。

以上のように、掘進機３を推進させる際にリニアエンコーダ７の検出出力がエンコーダアンプ８を通じて演算装置１１に与えられる。演算装置１１は、このリニアエンコーダ７の出力と、ジャイロ方位計測装置５による測定データとを用いることで、地中における掘進機３の３次元位置を逐次算出することができる。
図６は推進管１２を曲線状に敷設した場合であるが、隣り合う推進管１２，１２の間に符号１３で示すように目地が開くため、推進管１２の長さの合計と実際の敷設長は一致しない。例えば、推進装置２で２．５ｍ押し出しても、掘進機３は開いた目地の分だけ余分に進み、２．６ｍ進む、といったことが発生する。本発明では、推進装置２の基準位置Ａから掘進機３までの実際の距離がリニアエンコーダ７によって計測されるため、目地の開きに左右されず、正確な進行距離をリアルタイムに測定することができる。
また、磁力線を用いる図１４の従来技術と異なり、地上との間の埋設物の影響を受けず、また掘進機３上方の地上に作業員を配置することも不要である。
さらに、工程が進むに従ってリニアエンコーダ７と推進装置２の基準位置Ａとの距離が離れてゆくが、ワイヤドラム１０から引き出される中継ワイヤ１０ａを用いてリニアエンコーダ７と基準位置Ａとを連結するため、リニアエンコーダ７側に長いエンコーダワイヤ７ａを用意しておく必要がない。したがって、容積に限りがある掘進機３内において、リニアエンコーダ７が占めるスペースを小さくすることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図７から図１１を用いて説明する。
図の推進掘削機１′においては、推進装置２の基準位置Ａには、エンコーダワイヤ７ａが連結されるワイヤ連結部１５が設けられている。また、ワイヤドラム１０のかわりに後述の中継ワイヤ１６が使用される。他の構成は上記第１実施形態と同様であるから同一の構成には同一の符号を用い、その説明を省略した。

以下、掘進に際して掘進機３の位置を検出する工程について説明する。
まず、推進の最初の段階においては、図７のようにリニアエンコーダ７のエンコーダワイヤ７ａを、基準位置Ａのワイヤ連結部１５に連結した状態とする。次に、図８のように、推進装置２により掘進機３を圧入する。それに伴ってエンコーダワイヤ７ａがリニアエンコーダ７から引き出される。リニアエンコーダ７の出力はエンコーダアンプ８を通じて演算装置１１に与えられる。
次に、図９のように、エンコーダワイヤ７ａをリニアエンコーダ７内に取り込む。図１０のように、推進管１２を設置した後、中継ワイヤ１６を引き込まれたエンコーダワイヤ７ａの一端とワイヤ連結部１５との間につなぐ。そして図１１のように推進装置２は最後尾の推進管１２を押し、その際にリニアエンコーダ７からエンコーダワイヤ７ａが引き出され、掘進機３の進行距離が演算装置１１に加算される。
さらにその後、図９と同様に中継ワイヤ１６をワイヤ連結部１５から取り外してエンコーダワイヤ７ａをリニアエンコーダ７内に取り込み、図１０と同様に新たな推進管１２を継ぎ足すと共に、中継ワイヤ１６とワイヤ連結部１５との間に新たな中継ワイヤ１６を継ぎ足す。
以下、図９から図１１の行程を繰り返して推進管１２と中継ワイヤ１６を継ぎ足していく。

以上のように、第１の実施形態と同様に、掘進機３を推進させる際にリニアエンコーダ７の検出出力がエンコーダアンプ８を通じて演算装置１１に与えられる。演算装置１１は、このリニアエンコーダ７の出力と、ジャイロ方位計測装置５による測定データとを用いることで、地中における掘進機３の３次元位置を逐次算出することができる。
また、目地の開きに左右されずに正確な進行距離をリアルタイムに測定することができること、地上との間の埋設物の影響を受けず、また地上に作業員を配置することが不要なのも上記第１実施形態の効果と同様である。
さらに、工程が進むに従ってリニアエンコーダ７と推進装置２の基準位置Ａとの距離が離れてゆくが、中継ワイヤ１６を次々と継ぎ足してリニアエンコーダ７と基準位置Ａのワイヤ連結部１５とを連結するため、リニアエンコーダ７側に長いエンコーダワイヤ７ａを用意しておく必要がない。したがって、容積に限りがある掘進機３内において、リニアエンコーダ７が占めるスペースを小さくすることができる。

本発明の第１実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第１実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第１実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第１実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第１実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 推進管が曲線状に配置された状態について示した図である。 本発明の第２実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第２実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第２実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第２実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 本発明の第２実施形態として示した推進掘削機の構成について示した図である。 従来の推進掘削機の使用状態を示した側面図である。 従来の推進掘削機による掘進工程について示した斜視図である。 従来の推進掘削機において、掘進機の位置を検出する手段について示した図である。

符号の説明

１ 推進掘削機
２ 推進装置
３ 掘進機
５ ジャイロ方位計測装置
７ リニアエンコーダ
７ａ エンコーダワイヤ
１０ ワイヤドラム
１０ａ 中継ワイヤ
１１ 演算装置
１２ 推進管
１６ 中継ワイヤ
Ａ 基準位置

Claims (5)

1. 掘削を行う掘進機と、該掘進機を押し出して推進させる推進装置とを備え、前記掘進機を地中に押し込みつつ掘削を行い、前記掘進機と推進装置との間に推進管を徐々に継ぎ足して管路を形成する推進掘削機において、
   前記掘進機の姿勢を検出するジャイロ方位計測装置と、
   前記掘進機に設けられ、前記掘進機が推進される際に該掘進機の進む距離をカウントするリニアエンコーダと、
   前記ジャイロ方位計測装置と前記リニアエンコーダとの出力に基づいて前記掘進機の位置を算出する演算装置とを備え、
   前記掘進機が推進される際に、一端が前記推進装置側に固定されたエンコーダワイヤが前記リニアエンコーダから引き出されることにより、前記掘進機の推進距離がカウントされることを特徴とする推進掘削機。
2. 前記エンコーダワイヤの一端が、中継ワイヤを介して前記推進装置側に固定されることを特徴とする請求項１に記載の推進掘削機。
3. 推進装置によって掘進機を地中に押し込みつつ掘削を行い、前記掘進機と前記推進装置との間に推進管を徐々に継ぎ足して管路を形成する推進掘削機の掘進機位置算出方法において、
   前記掘進機にリニアエンコーダを設け、前記進機を推進させる前に前記リニアエンコーダが備えるエンコーダワイヤの一端を前記推進装置側に固定し、その後該掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して該掘進機の推進距離をカウントするとともに、
   前記掘進機の姿勢をジャイロ方位計測装置により測定し、これらリニアエンコーダおよびジャイロ方位計測装置の測定結果に基づいて掘進機の位置を算出することを特徴とする掘進機位置算出方法。
4. 前記推進装置に設けられた基準位置には中継ワイヤを収納・引き出し可能とするワイヤドラムが設置され、
   前記掘進機を推進させる前に、前記エンコーダワイヤの一端を前記中継ワイヤに連結し、
   次いで前記ワイヤドラムからの前記中継ワイヤの引き出しを規制しつつ前記掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、
   その後前記ワイヤドラムを前記掘進機側に移動させるとともにエンコーダワイヤをリニアエンコーダ内に収納して推進管を継ぎ足し、さらにその後前記ワイヤドラム内から中継ワイヤを引き出しつつ前記ワイヤドラムを前記基準位置に戻し、その後再びワイヤドラムからの中継ワイヤの引き出しを規制しつつ前記掘進機を推進させて前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、以後これらを繰り返して管路を形成することを特徴とする請求項３に記載の掘進機位置算出方法。
5. 前記掘進機を推進させる前に、前記エンコーダワイヤの一端を前記推進装置に設けられた基準位置に固定し、
   次いで前記掘進機を推進させることで前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、
   その後前記エンコーダワイヤの一端を前記基準位置から取り外して前記リニアエンコーダ内に収納し、推進管を継ぎ足すとともに前記エンコーダワイヤの一端と前記基準位置とを中継ワイヤを用いて連結し、その後再び前記掘進機を推進させて前記エンコーダワイヤを前記リニアエンコーダから引き出して推進距離をカウントし、さらにその後前記中継ワイヤを前記基準位置から取り外してエンコーダワイヤをリニアエンコーダ内に収納するとともに新たな推進管および中継ワイヤを継ぎ足して再び掘進機を推進させ、以後これらを繰り返して管路を形成することを特徴とする請求項３に記載の掘進機位置算出方法。

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