トンネル掘進システム、水平方向測定方法

【課題】トンネル掘進機の水平方向を測定できるようにする。
【解決手段】本発明の水平方向測定方法は、非開削で地中を掘削するトンネル掘進機の水平方向を地上で測定する。水平方向測定方法では、トンネル掘進機の先導体内に、当該先導体の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線が向くように磁界を発生させる発信部を取り付けておく。そして、地上で、磁界測定ステップと水平方向検出ステップを行う。磁界測定ステップは、磁力線を検出する受信コイルの鎖交面の法線方向を水平に維持して、鎖交面の法線方向が変化するように回転させながら、受信コイルに生じる電圧を測定する。水平方向検出ステップは、測定した電圧が最小となるときの鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対して前記あらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向を検出する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非開削で地中を掘削するトンネル掘進機と地上で前記トンネル掘進機の水平方向を測定する水平方向測定装置とで構成されるトンネル掘進システムと、トンネル掘進機の水平方向を地上で測定する水平方向測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１はトンネル掘進機の構成を示す図、図２は非開削で地中を掘削するトンネル掘進機を地上側から見た平面図である。従来のトンネル掘進機９０は、先導体９５とヒューム管５００とで構成される。先導体９５は、掘削部１００と発信部９００を有する。図２は、トンネル掘進機９０が点線で示した位置から、実線で示した位置まで移動した様子を示している。一点鎖線は設計上のトンネルを形成する位置（計画線８１０）を示しており、点線は実際にトンネル掘進機９０が進む軌跡（軌跡８２０）を示している。非開削で地中を掘削する場合、土質の変化などの影響もあり、トンネル掘進機９０が計画線８１０の真下を進むとは限らない。したがって、計画線８１０に近づくように掘削部１００の向きを制御するために、何らかの方法でトンネル掘進機９０の水平位置を測定しなければならない。位置を検知する方法には、レーザターゲット法（先導体９５の末端に取り付けられたターゲット面に、トンネルの入口からレーザを照射して位置を検知する方法）、電磁法（発信部から出された電波を用いて位置を検知する方法）、プリズム方式（トンネルの曲線部分に受光器ユニットを配置し、トンネルの入口から先導体の位置を検知する方式）などが知られている。
【０００３】
特許文献１、２には、電磁法によりトンネル掘進機の水平位置を測定する方法が示されている。図３〜５は、特許文献２に示されたトンネル掘進機の水平位置を測定する方法を説明するための図である。図３は従来のトンネル掘進機を横から見た図、図４は図３のＡ−Ａ線でのトンネル掘進機の断面と位置測定装置の構成を示した図、図５は位置測定装置の原理を説明するための図である。発信部９００は、発信部９００内のコイル９１０の鎖交面の法線方向を垂直方向にし、垂直方向に磁力線９２０が向くように磁界を発生させる。位置測定装置９５０は、地表８００に配置され、第１受信コイル９５１−Ａ、第２受信コイル９５１−Ｂ、第１電圧測定部９５２−Ａ、第２電圧測定部９５２−Ｂを備えている。第１受信コイル９５１−Ａと第２受信コイル９５１−Ｂとは、鎖交面の法線方向が水平かつ一致するように、距離Ｌだけ離して配置されている（図４参照）。そして、第１電圧測定部９５２−Ａで測定された電圧をＶ_Ａ、第２電圧測定部９５２−Ｂで測定された電圧をＶ_Ｂとすると、トンネル掘進機９０の発信部９００は、第１受信コイル９５１−Ａと第２受信コイル９５１−Ｂの真ん中から
（Ｌ／２）×（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）
だけずれた位置にあることが測定される（図５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５８−１１０３０号公報
【特許文献２】特公平２−５９９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術の測定対象はトンネル掘進機９０の水平位置であり、その測定間隔は１．２ｍ程度であった。また、トンネル掘進機の方向は過去の水平位置と現在の水平位置から予測するしかなかった。したがって、軌道修正の遅れにより、蛇行やオーバーランが生じるという課題がある。特に、土質変化直後は、トンネル掘進機９０の挙動（方向の調整がどの程度効くのか）が推定しにくいので、この課題が顕著になる。例えば、硬い土質から柔らかい土質に変化した場合、舵が効きにくくなる。また、硬い土質と柔らかい土質の境界面が進行方向に対して傾いている場合、境界面ではトンネル掘進機９０は柔らかい土質側に曲がりやすくなる。
【０００６】
本発明は、トンネル掘進機９０の軌道修正を効率的にするために、水平方向自体を測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水平方向測定方法は、非開削で地中を掘削するトンネル掘進機の水平方向を地上で測定する。水平方向測定方法では、トンネル掘進機の先導体内に、当該先導体の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線が向くように磁界を発生させる発信部を取り付けておく。そして、地上で、磁界測定ステップと水平方向検出ステップを行う。磁界測定ステップは、磁界を検出する受信コイルの鎖交面の法線方向を水平に維持して、鎖交面の法線方向が変化するように回転させながら、受信コイルに生じる電圧を測定する。水平方向検出ステップは、測定した電圧が最小となるときの鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対して前記あらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向を検出する。なお、あらかじめ定めた角度は、例えば０度（進行方向と同じ）、または９０度（進行方向と垂直な方向）にすれば、水平方向が分かりやすい。また、水平方向検出ステップで検出した方向と計画線とがなす角を測定する水平角測定ステップも有してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のトンネル掘進システムと水平方向測定方法によれば、過去に測定された水平位置の情報を利用しなくても、現在のトンネル掘進機の水平方向が分かる。また、前工程で与えた方向の修正量の効き具合を確認できる。したがって、適切にトンネル掘進機の方向を制御でき、蛇行やオーバーランがおこりにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】トンネル掘進機の構成を示す図。
【図２】非開削で地中を掘削するトンネル掘進機を地上側から見た平面図。
【図３】従来のトンネル掘進機を横から見た図。
【図４】図３のＡ−Ａ線でのトンネル掘進機の断面と位置測定装置の構成を示した図。
【図５】位置測定装置の原理を説明するための図。
【図６】実施例１のトンネル掘進機を横から見た図。
【図７】図６のＢ−Ｂ線でのトンネル掘進機の断面図。
【図８】水平方向測定装置を用いて測定している様子を示す平面図。
【図９】水平方向測定装置の原理を説明するための図。
【図１０】実施例１の水平方向測定装置の機能構成例を示す図。
【図１１】実施例１の水平方向測定方法の処理フローを示す図。
【図１２】試作した発信コイルの構成を示す図。
【図１３】実施例１の図７に相当する図であって、発信部の断面を示す図。
【図１４】発信コイルを発信部の筺体がない状態で据え置いた３．５ｍ上方での磁界の様子を測定した結果を示す図。
【図１５】受信コイルの鎖交面の接線方向と磁力線の方向とのなす角と、受信コイルに生じる電圧の関係を示す図。
【図１６】受信コイルに生じる電圧と土被りとの関係を示す図。
【図１７】図１５の発信コイルを、そのまま配置した場合と、発信部の筺体内に配置した場合の測定結果を示す図。
【図１８】水平方向測定装置の具体例を示す図。
【図１９】実施例１の図７に相当する発信部の断面を示す図。
【図２０】実施例１の図８に相当する水平方向測定装置を用いて測定している様子を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１のトンネル掘進機も外観は図１と同じであり、非開削で地中を掘削するトンネル掘進機を地上側から見た平面図は図２と同じである。図６は、実施例１のトンネル掘進機を横から見た図、図７は図６のＢ−Ｂ線でのトンネル掘進機の断面図、図８は水平方向測定装置を用いて測定している様子を示す平面図、図９は水平方向測定装置の原理を説明するための図、図１０は実施例１の水平方向測定装置の機能構成例を示す図、図１１は実施例１の水平方向測定方法の処理フローを示す図である。トンネル掘進機１０は、先導体１５内に、先導体１５の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線２２０が向くように磁界を発生させる発信部２００を備える。図６〜８では、あらかじめ定めた角度は０度である。つまり、図６〜８では、発信コイル２１０の鎖交面の法線方向は進行方向と一致しており、トンネル掘進機１０の真上では進行方向と磁力線の方向とは一致している。水平方向測定装置３００は、受信コイル３１０、電圧測定部３２０、回転手段３３０、方向検出手段３４０を備える。受信コイル３１０は、発信部２００が発生させた磁界を検出する。電圧測定部３２０は、受信コイル３１０に生じた誘導起電圧を測定する。回転手段３３０は、受信コイル３１０の鎖交面の法線方向を水平に維持しながら、鎖交面の法線方向が変化するように回転させる。方向検出手段３４０は、電圧測定部３２０で測定した電圧が最小となるときの鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向（発信部２００の進行方向）を検出する。また、水平方向測定装置３００は、方向検出手段３４０で検出した水平方向２２２と計画線８１０とがなす角を測定する水平角測定手段３５０も備えてもよい。
【００１２】
次に、図８、９、１１を参照しながら、水平方向測定方法の処理フローについて説明する。まず、トンネル掘進機１０の先導体１５内に、先導体１５の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線が向くように磁界を発生させる発信部２００を取り付けておく。なお、上述のとおり、図８ではあらかじめ定めた角度は０°である。そして、地上で、磁界測定ステップ（Ｓ３３０）と水平方向検出ステップ（Ｓ３４０）を行う。磁界測定ステップ（Ｓ３３０）では、磁界を検出する受信コイル３１０の鎖交面の法線方向を水平に維持して、鎖交面の法線方向が変化するように回転させながら、受信コイルに生じる電圧を測定する。図９は、受信コイル３１０の鎖交面の接線方向と磁力線２２０の方向とのなす角θと、受信コイルに生じる誘導起電圧の関係を示している。横軸が受信コイル３１０の鎖交面の接線方向と磁力線２２０の方向とのなす角θ、縦軸が受信コイルに生じる誘導起電圧を示している。受信コイル３１０に生じる電圧は、受信コイル３１０の鎖交面を横切る磁力線２２０の数に比例する。したがって、生じる電圧Ｖ_θは、θ＝９０°のときの電圧をＶ_{（θ＝９０）}としたときに、
Ｖ_θ＝Ｖ_{（θ＝９０）}×ｓｉｎθ
となる。そして、θ＝０°のときには電圧はＶ_θ＝０となる。水平方向検出ステップ（Ｓ３４０）では、測定した電圧が最小となるときの鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対して前記あらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向を検出する。図８の場合は、あらかじめ定めた角度は０°（進行方向と同じ）なので、受信コイル３１０の水平な接線方向が進行方向となる。また、図９から分かるように、電圧Ｖ_θ＝０となる角度付近では電圧Ｖ_θの変化量が大きい。したがって、高精度にトンネル掘進機１０の水平方向を検出できる。なお、理論的には水平な接線方向は、進行方向と後退方向の２方向がある。しかし、実際にはトンネル掘進機の大まかな進行方向は分かっているので、進行方向と後退方向とを間違うことはあり得ない。さらに、水平方向検出ステップで検出した方向と計画線とがなす角を測定する水平角測定ステップ（Ｓ３５０）も有してもよい。
【００１３】
従来のトンネル掘進システムでは、トンネル掘進機の水平方向を過去の水平位置２３１と現在の水平位置２２１から推測しなければならなかった（図２参照）。一方、実施例１のトンネル掘進システムでは、トンネル掘進機の水平方向２２２を現在の測定結果のみから求めることができる。また、過去に測定した水平方向２３２に基づいて行った方向の修正量の効き具合を確認できる。したがって、適切にトンネル掘進機の方向を制御でき、蛇行やオーバーランがおこりにくくなる。
［具体例］
次に、本発明のトンネル掘進システムに必要な構成要素ついて具体的に説明する。図１２は試作した発信コイルの構成を示す図、図１３は実施例１の図７に相当する図であって、発信部の断面を示す図である。図１２（Ａ）は発信コイル２１１の鎖交面側から見た図であって、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＣ−Ｃ線での断面を示す図である。発信コイル２１１は、フェライトコア２１１１に巻線２１１２を巻いた構造である。
【００１４】
図１４は、発信コイル２１１を発信部の筺体がない状態で据え置いたときの３．５ｍ上方での磁界の様子を測定した結果である。測定間隔を３００ｍｍとし、７５点で測定した。図１４から分かるように、発信コイル２１１の上部の±０．５ｍ程度の範囲では、磁力線の向きは発信コイル２１１の鎖交面の法線方向に一致している。したがって、水平方向測定装置を、発信部の厳密な真上に配置できなかったとしても、ほぼ真上に配置できればトンネル掘進機の水平方向を正確に測定できることがわかる。
【００１５】
図１５は、受信コイルの鎖交面の接線方向と磁力線の方向とのなす角と、受信コイルに生じる電圧の関係を示す図である。横軸が受信コイル鎖交面の接線方向と磁力線の方向とのなす角、縦軸が受信コイルに生じる電圧を示している。図１４で示した実験と同じように発信コイル２１１を用いた。図１５から分かるように、角度が０°の近傍で、電圧の変化量が大きい。したがって、高い精度で角度が０°となる方向を検知できる。図１６は、受信コイルに生じる電圧と土被りとの関係を示す図である。実線は、実験によって測定されたデータ同士をつないだ線であり、点線は予測される特性である。この結果から、受信コイルに生じる電圧は土被りの三乗根にほぼ比例して減衰することが分かった。図１７は、図１５の発信コイル２１１を、そのまま配置した場合と、発信部の筺体内に配置した場合の測定結果を示している。発信部の筺体は抵抗が大きく透磁率が低いステンレスで形成されている。しかし、筺体での磁界の減衰は避けられないので、図１７に示したように発信部に収容した場合の方が電圧は低くなっている。しかし、いずれの場合も最も電圧が低くなる角度の誤差は１°未満であり、十分な精度で測定できることが分かる。
【００１６】
図１８は、水平方向測定装置の具体例を示す図である。この水平方向測定装置３００’は、受信コイル３１０、信号処理部３０１、石突き３３１、マーカー３４１を備える。受信コイル３１０の巻数や大きさは、発信部２００で発生させる磁界の強さ、トンネル掘進機が形成するトンネルの深度などを考慮して設計すればよい。信号処理部３０１は、内部に電圧測定部３２０、水平角測定手段３５０（図示していない）を有している。また、信号処理部３０１には、電圧測定部３２０や水平角測定手段３５０の出力を表示するディスプレイ３２１、受信コイル３１０の鎖交面の法線方向が水平に保てていることを確認するための気泡管３３２、取っ手３３３、電池３２２なども具備されている。水平方向測定装置３００’では、石突き３３１と気泡管３３２と取っ手３３３で回転手段が構成されている。作業者は取っ手３３３を持ち、気泡管３３２で水平を確認しながら石突き３３１を中心に受信コイル３１０を回転させればよい。また、水平方向測定装置３００’では、ディスプレイ３２１とマーカー３４１と取っ手３３３で方向検出手段が構成されている。作業者は取っ手３３３を持ち、受信コイル３１０の向きを変えながら生じる電圧が最小となる向きをディスプレイ３２１で確認する。そして、生じる電圧が最小の向きのときにマーカー３４１で路上にマークを付ける。このようにすれば、方向を検出できる。
［変形例］
実施例１では、発信部が発生させる磁界の磁力線の向きは、先導体の進行方向と一致していた。しかし、必ずしも一致させる必要はない。磁力線の向きと先導体の進行方向の違いをあらかじめ定めた角度にしておけば、先導体の進行方向は分かるからである。例えば本変形例では、あらかじめ定めた角度を９０°とする。図１９は、実施例１の図７に相当する発信部の断面を示す図、図２０は、実施例１の図８に相当する水平方向測定装置を用いて測定している様子を示す平面図である。発信部２００”は、発信コイル２１０”を備えており、進行方向と９０°の水平方向に磁力線２２０”が向くように磁界を発生させる。そして、水平方向測定装置３００の受信コイル３１０に生じる電圧が最小となるときの受信コイル３１０の鎖交面の法線方向を進行方向とすればよい。
【符号の説明】
【００１７】
１０、９０トンネル掘進機１５、９５先導体
１００掘削部
２００、２００’、２００”、９００発信部
２１０、２１０’、２１０”、９１０発信コイル
２１１発信コイル３００水平方向測定装置
３０１信号処理部３１０受信コイル
３２０電圧測定部３２１ディスプレイ
３２２電池３３０回転手段
３３２気泡管３３３取っ手
３４０方向検出手段３４１マーカー
３５０水平角測定手段５００ヒューム管
９５０位置測定装置９５１受信コイル
９５２電圧測定部２１１１フェライトコア
２１１２巻線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
非開削で地中を掘削するトンネル掘進機と地上で前記トンネル掘進機の水平方向を測定する水平方向測定装置とで構成されるトンネル掘進システムであって、
前記トンネル掘進機は、
先導体内に、当該先導体の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線が向くように磁界を発生させる発信部
を備え、
前記水平方向測定装置は、
前記磁界を検出する受信コイルと、
前記受信コイルに生じた電圧を測定する電圧測定部と、
前記受信コイルの鎖交面の法線方向を水平に維持しながら、前記鎖交面の法線方向が変化するように回転させる回転手段と、
前記電圧測定部で測定した電圧が最小となるときの前記鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対して前記あらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向が検出できる方向検出手段と
を備える
ことを特徴とするトンネル掘進システム。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘進システムであって、
前記水平方向測定装置は、
さらに、前記方向検出手段で検出した方向と計画線とがなす角を測定する水平角測定手段も備える
ことを特徴とするトンネル掘進システム。
【請求項３】
非開削で地中を掘削するトンネル掘進機の水平方向を地上で測定する水平方向測定方法であって、
前記トンネル掘進機の先導体内に、当該先導体の進行方向に対してあらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向に磁力線が向くように磁界を発生させる発信部を取り付けておき、
地上で、
前記磁界を検出する受信コイルの鎖交面の法線方向を水平に維持して、前記鎖交面の法線方向が変化するように回転させながら、前記受信コイルに生じる電圧を測定する磁力線測定ステップと、
前記測定した電圧が最小となるときの前記鎖交面の法線方向に垂直な水平方向に対して前記あらかじめ定めた角度だけ異なる水平方向を検出する水平方向検出ステップと、
を有する水平方向測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の水平方向測定方法であって、
さらに、前記水平方向検出ステップで検出した方向と計画線とがなす角を測定する水平角測定ステップも
有することを特徴とする水平方向測定方法。

【図１】