推進工法における管路の位置検出方法、その装置及び当該装置を用いた推進工法
【課題】小口径管の推進工法において、高精度の位置計測と迅速な施工を実現できる埋設管路の位置検出方法。
【解決手段】内管の隣接する一方の内管に投光部７を、他方の内管に受光部８を相対向して設け、前記投光部８に設けた第１レーザ照射器９からレーザ光を、第１ハーフミラー１０を通して前記受光部８の可動ミラー１２に照射し、ここで反射した光を投光部７の第１ハーフミラーで反射させて第１CMOSセンサー１１でこれを受け、隣接する内管が直線接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラー１２を動かして前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測して折曲角度を検出する。
【解決手段】内管の隣接する一方の内管に投光部７を、他方の内管に受光部８を相対向して設け、前記投光部８に設けた第１レーザ照射器９からレーザ光を、第１ハーフミラー１０を通して前記受光部８の可動ミラー１２に照射し、ここで反射した光を投光部７の第１ハーフミラーで反射させて第１CMOSセンサー１１でこれを受け、隣接する内管が直線接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラー１２を動かして前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測して折曲角度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地中に管路を埋設する推進工法において、埋設管路の位置を検出する工法及びこれに使用する装置並びに当該装置を用いた推進工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、小口径の管路の曲線推進の位置計測システムは、電磁誘導が用いられることが多いが、電磁誘導方式では水平方向の計測しか出来ず、鉛直方向（深さ）は液圧方式と併用される。この方式では、作業者が路上で磁界検出装置を操作することで計測する。従って、路上作業が必要であり、また、推進管付近に他の埋設物があると磁界に影響を受けるので、精度が悪化する。しかしながら、一般的に道路には埋設物が輻輳しているので、計測精度は期待できない。また、作業帯外での探査作業となるので、交通量の多い道路では危険が伴う。従って、この方式を主位置計測として採用するにはリスクが大きい。
【０００３】
また、中大口径管の曲線推進の位置計測システムは、トータルステーションが用いられることが多い。トータルステーションは測点間の距離と角度を高精度で計測することができ、取得したデータを座標換算して推進機の位置を算出するものである。このトータルステーションの機械の高さは約４５０mmであり、また見通し距離が小さいと、設置箇所数が増加して累積誤差が増える。この様に、トータルステーションは自動計測が可能であるが、機械の高さの関係から小口径管の推進には適用できない。
【０００４】
また、小口径管の推進位置を自動計測で行うための工夫としては、投光部と受光部を持ち、電気的に角度計測を行う、いわゆるレーザ方式の位置計測方法が開発されている。これは特許文献１に示すものである。これは、レーザ光を、前方に設置したユニットのミラー（コーナーキューブ）に照射し、ミラーで反射したレーザはＣＣＤカメラで受光する。レーザ照射角度は２軸ジンバルの回転で調整する。小口径推進という限られた空間内での位置計測装置は、人間の直接操作を必要としない自動演算が求められている。レーザ方式の位置計測は、レーザ受光点の、原点とのズレを電気的に感知することで自動演算を可能としている。
【０００５】
しかしながら、このレーザ方式では、レーザ照射角度の制御が２軸ジンバル構造のため、高さがあり、最小推進管径に制限があった。小口径推進の適用範囲拡大には、可動部分の構造を見直す必要がある。また、投光部と受光部（あるいは反射体）の相対位置が振動などにより変化（平行移動、回転移動、軸方向移動）した場合、これを分離して角度演算しなければならないが、前記特許文献１では装置単体による検出は不可能であった。このため傾斜計を別途設置しなければならない等、システムとしては不完全である。さらに、別途傾斜計を設置の場合、傾斜計本体が持つ誤差や取付け姿勢誤差が累積する。また、電力線、通信線が必要となり、接続手間により、工事進捗が悪化する。
高精度の位置計測と迅速な施工を実現するためには、相対変化要素検出を一体化したシステムを構築する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３２５８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明はこのような従来技術を考慮して為されたもので、小口径管の推進工法において、高精度の位置計測と迅速な施工を実現できる埋設管路の位置検出方法及びその装置並びに当該装置を用いた推進工法を提供し、上記課題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、請求項１の発明は、掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が折曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の折曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の折曲角度を検出して推進管の位置を計測する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【０００９】
また、請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から平行移動した場合は、前記投光部と受光部にガタツキが生じたことを検知し、この平行移動量を算出して前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１０】
また、請求項３の発明は、前記請求項１又は２の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動した場合は、前記投光部と受光部に回転移動が生じたことを検知し、既知の回転軸からの距離から回転角を算出して前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１１】
また、請求項４の発明は、前記請求項１、２又は３の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部のセンサーに垂直に照射し、また、前記投光部の他の場所から、さらに他のレーザ光を受光部の前記センサーに斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部の前記センサーの二つの受光点の距離、及び前記可動ミラーの傾斜角を前記センサーの傾斜角として計測することにより、前記投光部と受光部の軸方向の移動距離を検出し、前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１２】
また、請求項５の発明は、掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法に使用する管路の位置検出装置において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部にレーザ照射器、ハーフミラー及びセンサーを設け、前記受光部には可動ミラー及びこの可動ミラーを上下左右に傾斜自在に動かす動力手段を設け、前記投光部のレーザ照射器から照射されたレーザ光は前記ハーフミラーを通り、受光部の前記可動ミラーで反射させ、この反射したレーザ光を前記投光部のハーフミラーで受けて反射させ、前記センサーでこれを受光する構成とし、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを前記動力手段で上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して推進管の位置を計測する構成とした、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１３】
また、請求項６の発明は、前記請求項５の発明において、前記可動ミラーは３点で支持され、１点は固定軸の先端で上下左右に傾斜自在に支持され、他の二点はステップモータ軸の先端でそれぞれ支持され、前記動力手段は前記二つのステップモータとし、当該ステップモータ軸の突出度合いにより、前記可動ミラーが上下左右に傾斜する構成である、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１４】
また、請求項７の発明は、前記請求項５又は６の発明において、前記請求項２又は３の発明において、前記センサーはＣＭＯＳセンサーあるいはＣＣＤセンサーなどの２次元イメージセンサーである、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１５】
また、請求項８の発明は、前記請求項５乃至７のいずれかの位置検出装置を使用して管埋設用トンネルを作る推進工法とした。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１又は５の発明によれば、各推進管及び掘進機の地中における位置を精度よく、自動的に検出することができる。また、投光部から照射したレーザ光を受光部の可動ミラーで反射させ、投光部のハーフミラーで反射させてセンサーで受光し、可動ミラーを動かして屈曲角度を検出する構成としたため、前記可動ミラーの裏で当該可動ミラーを動かす動力手段を設けることが出来、従来のようなレーザ投光及び受光器を二軸ジンバルで支持するのと異なり、より小径の管路の計測に使用することができる。
【００１７】
また、請求項２の発明によれば、隣接する推進管にガタツキが生じた場合でもその平行移動量を検出して前記推進管の屈曲角度を補正することができ、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００１８】
また、請求項３の発明によれば、隣接する推進管に回転移動が生じた場合でもその回転角度を検出して前記推進管の屈曲角度を補正することができ、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００１９】
また、請求項４の発明によれば、隣接する推進管の振動やガタツキを原因とする軸方向移動量と、屈曲時の軸方向微小変位量を算出することが出来、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００２０】
また、請求項６の発明によれば、可動ミラーの傾斜角度の検出をより正確に効率よく検出することが出来る。また、請求項７の発明によれば、受光面積が大きいほど高画質であり、計測がより正確となる。また、請求項８の発明によれば、推進工法において、逐次推進管の位置を正確に把握することができるので、計画通りに管埋設用のトンネルを作ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明は、掘進機の後方に複数の推進管を接続して地中に推進する推進工法において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が折曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の折曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の折曲角度を検出して推進管の位置を計測する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００２２】
この様にして、小口径管路であっても、自動計測により推進管の位置を精度よく検出することができる。
【実施例１】
【００２３】
以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。
図２及び図３はこの発明の管路の位置検出を行う推進工法の説明側面図及び説明平面図である。
地中に管路を埋設する箇所の一端に発進立坑１を設け、他端に到達立坑２を設け、発進立坑１から掘進機３及びその後方に複数の推進管４を順次接続して元押し装置５により、地中に押込んでいく。前記推進管４は管埋設のためのトンネルを地中につくるためのもので、前記掘進機３が到達立坑２に達すると、推進管４の後部に複数の埋設する本管（図示省略）を順次接続してトンネルに引きいれ、本管を埋設するものである。
【００２４】
この様な推進工法を用いて、道路の交差点の下の地中で、当該交差点に沿って略９０度湾曲させて推進しなければならない場合もある。この様な湾曲推進箇所においても計画線に沿って推進管が推進しているかどうか、前記推進管の位置を検出する必要がある。この発明はその際の推進管の位置検出方法及びその装置に関する。
【００２５】
図４乃至図６はこの発明の方法に使用する、前記推進管４の継手部分の断面図を示す。各推進管４は隣接する推進管４相互で球面継手によって接続されている。これは一方の推進管４の一端に、内面が凹湾曲した雌型継手４ａを設け、他方の推進管４の一端に外面が湾曲した雄型継手４ｂを設けており、雄型継手４ｂを雌型継手４ａに嵌めることにより、ユニバーサルジョイントのように当該二つの推進管４が屈曲自在である。
【００２６】
これらの各推進管４の内部には、当該推進管４と略同じ長さで外径の小さな内管６が、前記推進管４と平行に固定されている。こられの隣接する内管６相互も前記推進管４と同様に、球面継手により屈曲自在に接続されている。そして、図４及び図５に示すように、隣接する一方の内管６の外周にはレーザ光の投光部７を設け、他方の内管６の外周にはレーザ光の受光部８を相互に相対向して設けている。
【００２７】
図１は前記投光部７と受光部８の詳細を示す斜視図である。
前記投光部７には第１レーザ照射器９、第１ハーフミラー１０及び第１CMOSセンサー１１（撮像素子）を設け、前記受光部8には可動ミラー１２及びこの可動ミラー１２を上下左右に傾斜自在に動かす動力手段１３（図１０参照）を設けている。そして、前記第１レーザ照射器９からレーザ光を、前記第１ハーフミラー１０を通して前記受光部８に照射し、受光部８に設けた前記可動ミラー１２で前記レーザ光を受けてこれを投光部７に向かって反射させ、投光部７では前記第１ハーフミラー１０で反射させて第１CMOSセンサー１１でこれを受光する。前記可動ミラー１２では投光部７からのレーザ光を可動ミラー１２の面で垂直に受け、垂直に反射させている。
【００２８】
図７に示すように、前記隣接する内管６相互が直線接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点で前記レーザ光を受光する。これは図９に示す第１CMOSセンサー１１の画面の中心点である原点Ｐに表示される。また、図８に示すように、前記隣接する内管６相互が屈曲接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の画面の原点Pからずれた箇所（図９で示すCMOSセンサー１１の画面のS点）で前記レーザ光を受光する。
【００２９】
当該第１CMOSセンサー１１で前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合には、前記可動ミラー１２を前記動力手段１３で上下左右に傾斜させることにより前記第１CMOSセンサー１１の画面上の前記レーザ光の受光点Sを原点Pに戻し、その時の前記可動ミラー１２の動きを計測することにより、前記隣接する内管６の相互の折曲角度を検出する。
【００３０】
前記可動ミラー１２及び動力手段１３の詳細を図１０により説明する。前記可動ミラー１２は前記レーザ光を任意の角度で反射させるために、鏡面を伸縮可能な２つのステップモータ軸１４及び固定軸１５の各先端の３点で支承されている。前記固定軸１５は上下左右に傾斜自在に鏡面を支持し、各ステップモータ軸１４は鏡面を突出自在に支持している。これらの各ステップモータ軸１４の伸縮量はエンコーダ（図示省略）で計測する。これにより可動ミラー１２は上下左右に角度を変えることが出来かつ各ステップモータ軸１４の伸縮量、即ちステップモータの回転数を前記エンコーダで計測して可動ミラー１２の傾斜角度を算出する。
【００３１】
そして、計測を開始すると、図１１に示すように、第１CMOSセンサー１１の画面上の受光点Sから原点P点に近づくように可動ミラー１２の角度を変化させてゆき、移動した受光点が原点Pと完全に一致した時の可動ミラー１２の角度 が、求める可とう角（隣接する内管６の相互の屈曲角度）である。しかしながら、実際に完全に一致することは稀であるので補正を行う。そこで、図1１の拡大図に示すように、最近接点と原点Pの座標計算から補正角度 を算出し、前記可動ミラーの角度θ１と補正角度θ２をプラスしたものが修正可とう角となる。
【００３２】
また、図１２に示すように、前記可とう角が小さい場合は、計測開始時にレーザ光が前記第１CMOSセンサー１１上に照射されるが、図１３に示すように、可とう角が大きい場合は、レーザ光が第１CMOSセンサー１１上に照射されない。このように、第１CMOSセンサー１１が光点を感知しないと判断すると、サーチモードに移行する。このサーチモードとは、第１CMOSセンサー１１が光点を感知するまで、図１４に示すように、可動ミラー１２を規則的に動かし続ける状態である。感知した後は前記の流れに戻り計測を行う。
【００３３】
図１５は可とう角度の計測フローを示し、計測開始するとステップＳ１で第１CMOSセンサー１１上に光点があるかどうかを検出する。ない場合はステップＳ２でサーチモードで光点を第１CMOSセンサー１１上に乗せる。前記ステップＳ１で光点がある場合は、ステップＳ３に行く。ステップＳ３では画像の重心解析より第１CMOSセンサ−１１上の座標を算出する。ステップＳ４では原点座標と現在座標から可動ミラー１２を動かす方向を算出する。そしてステップＳ５で前記ステップモータ軸Ａ、Ｂの伸縮により可動ミラー１２を動かし、第１CMOSセンサー１１上の光点を原点に近づける。その後、ステップＳ６で近接点と原点の座標から、最終的な可とう角度を算出する。
【００３４】
この様にして、図１６に示すように、各隣接する内管６相互の可とう角度（屈曲角度）を算出し、それぞれの角度データを、発進立坑１近くに設置したコンピュータ１６に送り、既知の各内管６の長さ、レーザ照射器と可動ミラーの間隔から前記掘進機３及び各推進管４の位置を座標計算し、前記コンピュータ１６のモニターに出力する。なお、前記掘進機３の後端に最初の推進管４が直線状に接続されている場合は、その長さを測っていれば、掘進機３の先端位置を検出できる。また、掘進機３と最初の推進管４とが屈曲自在に接続されている場合は、前記隣接する推進管４と同様に投光部７及び受光部８を掘進機３と最初の推進管４の内部に設ければよい。
【００３５】
前記投光部７と受光部８の相対位置が振動などで変化すると、可とう角の計測以前に前記原点Pがずれてしまうので、精度に影響がでてしまう。そこでレーザ光とCMOSセンサーを増設して、投光部７と受光部８の平行移動、回転移動及び軸方向移動を検出する機能を付加した。
【００３６】
図１７は投光部７と受光部８の平行移動、回転移動検出に使用する投光部７Ａ及び受光部８Ａを示す。図示のように投光部７Ａに前記第１レーザ照射器９と平行して第２レーザ照射器１７、この第２レーザ照射器１７のレーザ光を通す第２ハーフミラー１８、この第２ハーフミラー１８のレーザ光を反射させる第１固定ミラー１９を夫々設ける。また、受光部８Ａには、前記第二ハーフミラー１８を通った第２レーザ照射器１７からのレーザ光を受ける第２CMOSセンサー２０、及び前記第１固定ミラー１９で反射したレーザ光を受ける第３CMOSセンサー２１を相応する箇所、すなわち、前記可動ミラー１２に対して対称位置に夫々設けられている。
【００３７】
これにより、投光部７Ａの第２レーザ照射器１７のレーザ光は二つに別れて、投光部７Ａから二つの平行したレーザ光が発せられ、受光部８Ａでは二つの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１でこれを各センサー面に対して垂直に受光する。勿論前記第２ハーフミラー１８から第２CMOSセンサー２０までの距離と第１固定ミラー１９から第３CMOSセンサー２１までの距離は等しい。また、レーザ照射器９からハーフミラー１０を通して前記可動ミラー１２に照射されるレーザ光と前記第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１に照射されるレーザ光は全て平行である。
【００３８】
前記投光部７Ａと受光部８Ａに、図１８（Ａ）に示す矢印のような平行移動（ガタツキ）が生じた場合は、図１８（Ｂ）に示すように、第２CMOSセンサー２０と第３CMOSセンサー２１の受光点は原点から同一の方向に平行移動する。この場合、これらの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１上のずれの量と方向から平行移動量を算出して補正する。
【００３９】
また、投光部７Ａと受光部８Ａに、図１９（Ａ）に示す矢印のような回転移動（ローリング）が生じた場合は、図１９（Ｂ）に示すように、第２CMOSセンサー２０と第３CMOSセンサー２１の受光点は原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動する。この場合には既知の回転軸からの距離からローリング角を算出して補正する。
【００４０】
なお、前記投光部７と受光部８の平行移動、回転移動を検出する機能を付加した装置は、図１７に示したものに限らず、前記投光部７から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部８の相応する箇所に設けた第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１で略垂直に受光する構成であれば良い。
【００４１】
図２０は、投光部７と受光部８の振動やガタツキを原因とする軸方向移動に使用する投光部７Ｂ及び受光部８Ｂを示す。この投光部７Ｂは、前記投光部７Ａに加え、前記第１ハーフミラー１０で反射したレーザ光を受ける第２固定ミラー２２及びこの第２固定ミラー２２で反射したレーザ光を受ける第３固定ミラー２３をそれぞれ設け、この第３固定ミラー２３で反射したレーザ光を受光部８Ｂの第３CMOSセンサー２１に対して斜めから照射している。受光部８Ｂの構成は前記受光部８Ａと同じである。
【００４２】
この様に、振動やガタツキを原因とする軸方向移動量と、屈曲時の軸方向微小変位量の和ΔＺは、図２１に示すように、第３CMOSセンサーに２方向から照射することで、算出できる。
【００４３】
これを図２２に基づいて説明すると、
ｌ１：第３CMOSセンサー２１上の２点ｂ点とｃ点間のＸ方向距離
ｌ２：第３CMOSセンサー２１上の２点ｄ点とｆ点間のＸ方向距離
θ：可とう角度
Ｚ：移動前の第３CMOSセンサー２１とレーザ交点ａ点との軸方向距離
を示す。
ｌ１とｌ２は第３CMOSセンサー２１上で算出し、またθは第１CMOSセンサー１１と可動ミラー１２で先に求めた可とう角度であり、いずれも既知の値となる。Ｚは投光部７と受光部８の初期配置から機械的に求まる値で、これも既知の値である。
屈曲時の軸方向微少変位量Ｚ１は三角形ｄｅｆから
Ｚ１＝ｌ２・sinθ
ガタツキによる軸方向移動量Ｚ２は、三角形ａｂｃと三角形ａｄｅが相似の関係であるから
ｌ１：（ｌ２・COSθ）＝Ｚ：（Ｚ＋Ｚ２） より
Ｚ２＝Ｚ・（ｌ２・COSθ／ｌ１−１）
従って、合計の軸方向変位量ΔＺは
ΔＺ＝Ｚ１＋Ｚ２＝ｌ２・sinθ＋Ｚ・（ｌ２・COSθ／ｌ１−１）となる。
この様にして、軸方向移動を検出して、正確な内管６乃至は推進管４の位置を検出する。
【００４４】
なお、前記投光部７及び受光部８の振動やガタツキを原因とする軸方向移動を検出する装置は、図２０のものに限らず、前記投光部７から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部８の第３CMOSセンサー２１に垂直に照射し、また、前記投光部７の他の場所からレーザ光を受光部８の前記第３CMOSセンサー２１に斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部８の前記第３CMOSセンサー２１の二つの受光点の距離、及び前記可動ミラー１２の傾斜角を前記第３CMOSセンサー２１の傾斜角として計測する構成であれば良い。
【００４５】
また、前記投光部７及び受光部８は上述のように、隣接する内管６と６の球面継手付近に相対向して設けられているが、前記図１７及び図２０に示す投光部７A及び７B、受光部８A及び８Bの場合に、受光部８A又は８Bの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１の受光面が小さい（５ｍｍ×５ｍｍ）ので隣接する内管６、６の屈曲による相対変位が大きいと、レーザ光を受光できなくなる。従って、前記相対変位が小さくなるような配置が望ましい。
【００４６】
そこで、図２３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、前記受光部８A又は８Bの前記可動ミラー１２の中心点を、前記球面継手の中心を通るＹ軸上に合わせる。これにより、図２４（Ａ）に示すように、隣接する内管６、６が屈曲しても、図２４(Ｂ)に示すように相対変位が小さくなるため前記第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１の受光面でレーザ光を受光できる。
【００４７】
また、上記各推進管４及び内管６は、上述のように、球面継手によって接続されているが、これらの各推進管４及び内管６を現場で接続すると、特に各内管６の接続誤差により正確な位置検出が出来ないおそれがある。そこで、図２５に示すように、前記球面継手の部分は工場で予め精度よく製作し、内管４を内部に固定した各推進管４の略中央で切断し、現場では内管４を含めた推進管４の直線箇所を直線継手２４により一体に接続、固定することも出来る。これにより、現場での作業が容易となり、かつ検出精度のより高い位置検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施例１の投光部と受光部の概略斜視図である。
【図２】この発明を適用する推進工法の説明側面図である。
【図３】この発明を適用する推進工法の説明平面図である。
【図４】この発明の実施例１の推進管及び内管の接続状態を示す斜視図ある。
【図５】この発明の実施例１の隣接する推進管が直線状態となっている時の断面図である。
【図６】この発明の実施例１の隣接する推進管の屈曲状態と成っている時の断面図である。
【図７】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が直線接続されている状態の投光部と受光部の斜視図である。
【図８】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が屈曲接続されている状態の投光部と受光部の斜視図である。
【図９】この発明の実施例１の隣接する推進管が屈曲接続されている場合のCMOSセンサーの表示画面の正面図である。
【図１０】この発明の実施例１の可動ミラーと動作手段を示す概略斜視図である。
【図１１】この発明の実施例１の隣接する推進管が屈曲接続している場合に、可動ミラーを動かして原点に近づけようとしているCMOSセンサーの表示画面の正面図である。
【図１２】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が小さい場合の説明図である。
【図１３】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が大きい場合の説明図である。
【図１４】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が大きくてレーザ光の受光点がない場合の可動ミラーのサーチモードを示す説明図である。
【図１５】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が屈曲接続されている場合の屈曲角度の算出フローを示すフローチャート図である。
【図１６】この発明の実施例１の隣接する各推進管の屈曲角度及び推進管緒長さのデータをコンピュータに入力する状態を示す説明図である。
【図１７】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部の平行移動及び回転移動する軸方向移動した場合の角度検出の補正値を計測するための投光部及び受光部の斜視図である。
【図１８】（Ａ）図はこの発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部の平行移動した場合の説明斜視図である。（Ｂ）図はその際のCMOSセンサーの画面の表示説明図である。
【図１９】（Ａ）図はこの発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が回転移動した状態の斜視図である。（Ｂ）図はその際のCMOSセンサーの画面の表示説明図である。
【図２０】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動する場合の角度検出の補正値を計測するための投光部及び受光部の斜視図である。
【図２１】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動した状態の投光部及び受光部の斜視図である。
【図２２】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動した場合の角度検出の補正値を計測する原理を示す原理図である。
【図２３】この発明の実施例１の受光部のより好ましい取り付け位置を示す図であり、（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は側面図である。
【図２４】この発明の実施例１の受光部をより好ましい取付け位置にした場合の隣接する内管の屈曲時のレーザ光の受光状態を示す図で、（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図の第３CMOSセンサーの要部拡大図である。
【図２５】この発明の実施例１の推進管の直線箇所の接続を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 発進立坑 ２ 到達立坑
３ 掘進機 ４ 推進管
５ 元押し装置 ６ 内管
７ 投光部 ８ 受光部
９ 第１レーザ照射器 １０ 第１ハーフミラー
１１ 第１CMOSセンサー １２ 可動ミラー
１３ 動力手段 １４ ステップモータ軸
１５ 固定軸 １６ コンピュータ
１７ 第２レーザ照射器 １８ 第２ハーフミラー
１９ 第１固定ミラー ２０ 第２CMOSセンサー
２１ 第３CMOSセンサー ２２ 第２固定ミラー
２３ 第３固定ミラー ２４ 直線継手
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地中に管路を埋設する推進工法において、埋設管路の位置を検出する工法及びこれに使用する装置並びに当該装置を用いた推進工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、小口径の管路の曲線推進の位置計測システムは、電磁誘導が用いられることが多いが、電磁誘導方式では水平方向の計測しか出来ず、鉛直方向（深さ）は液圧方式と併用される。この方式では、作業者が路上で磁界検出装置を操作することで計測する。従って、路上作業が必要であり、また、推進管付近に他の埋設物があると磁界に影響を受けるので、精度が悪化する。しかしながら、一般的に道路には埋設物が輻輳しているので、計測精度は期待できない。また、作業帯外での探査作業となるので、交通量の多い道路では危険が伴う。従って、この方式を主位置計測として採用するにはリスクが大きい。
【０００３】
また、中大口径管の曲線推進の位置計測システムは、トータルステーションが用いられることが多い。トータルステーションは測点間の距離と角度を高精度で計測することができ、取得したデータを座標換算して推進機の位置を算出するものである。このトータルステーションの機械の高さは約４５０mmであり、また見通し距離が小さいと、設置箇所数が増加して累積誤差が増える。この様に、トータルステーションは自動計測が可能であるが、機械の高さの関係から小口径管の推進には適用できない。
【０００４】
また、小口径管の推進位置を自動計測で行うための工夫としては、投光部と受光部を持ち、電気的に角度計測を行う、いわゆるレーザ方式の位置計測方法が開発されている。これは特許文献１に示すものである。これは、レーザ光を、前方に設置したユニットのミラー（コーナーキューブ）に照射し、ミラーで反射したレーザはＣＣＤカメラで受光する。レーザ照射角度は２軸ジンバルの回転で調整する。小口径推進という限られた空間内での位置計測装置は、人間の直接操作を必要としない自動演算が求められている。レーザ方式の位置計測は、レーザ受光点の、原点とのズレを電気的に感知することで自動演算を可能としている。
【０００５】
しかしながら、このレーザ方式では、レーザ照射角度の制御が２軸ジンバル構造のため、高さがあり、最小推進管径に制限があった。小口径推進の適用範囲拡大には、可動部分の構造を見直す必要がある。また、投光部と受光部（あるいは反射体）の相対位置が振動などにより変化（平行移動、回転移動、軸方向移動）した場合、これを分離して角度演算しなければならないが、前記特許文献１では装置単体による検出は不可能であった。このため傾斜計を別途設置しなければならない等、システムとしては不完全である。さらに、別途傾斜計を設置の場合、傾斜計本体が持つ誤差や取付け姿勢誤差が累積する。また、電力線、通信線が必要となり、接続手間により、工事進捗が悪化する。
高精度の位置計測と迅速な施工を実現するためには、相対変化要素検出を一体化したシステムを構築する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３２５８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明はこのような従来技術を考慮して為されたもので、小口径管の推進工法において、高精度の位置計測と迅速な施工を実現できる埋設管路の位置検出方法及びその装置並びに当該装置を用いた推進工法を提供し、上記課題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、請求項１の発明は、掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が折曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の折曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の折曲角度を検出して推進管の位置を計測する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【０００９】
また、請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から平行移動した場合は、前記投光部と受光部にガタツキが生じたことを検知し、この平行移動量を算出して前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１０】
また、請求項３の発明は、前記請求項１又は２の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動した場合は、前記投光部と受光部に回転移動が生じたことを検知し、既知の回転軸からの距離から回転角を算出して前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１１】
また、請求項４の発明は、前記請求項１、２又は３の発明において、前記投光部から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部のセンサーに垂直に照射し、また、前記投光部の他の場所から、さらに他のレーザ光を受光部の前記センサーに斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部の前記センサーの二つの受光点の距離、及び前記可動ミラーの傾斜角を前記センサーの傾斜角として計測することにより、前記投光部と受光部の軸方向の移動距離を検出し、前記屈曲角度を補正する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００１２】
また、請求項５の発明は、掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法に使用する管路の位置検出装置において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部にレーザ照射器、ハーフミラー及びセンサーを設け、前記受光部には可動ミラー及びこの可動ミラーを上下左右に傾斜自在に動かす動力手段を設け、前記投光部のレーザ照射器から照射されたレーザ光は前記ハーフミラーを通り、受光部の前記可動ミラーで反射させ、この反射したレーザ光を前記投光部のハーフミラーで受けて反射させ、前記センサーでこれを受光する構成とし、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを前記動力手段で上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して推進管の位置を計測する構成とした、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１３】
また、請求項６の発明は、前記請求項５の発明において、前記可動ミラーは３点で支持され、１点は固定軸の先端で上下左右に傾斜自在に支持され、他の二点はステップモータ軸の先端でそれぞれ支持され、前記動力手段は前記二つのステップモータとし、当該ステップモータ軸の突出度合いにより、前記可動ミラーが上下左右に傾斜する構成である、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１４】
また、請求項７の発明は、前記請求項５又は６の発明において、前記請求項２又は３の発明において、前記センサーはＣＭＯＳセンサーあるいはＣＣＤセンサーなどの２次元イメージセンサーである、推進工法における管路の位置検出装置とした。
【００１５】
また、請求項８の発明は、前記請求項５乃至７のいずれかの位置検出装置を使用して管埋設用トンネルを作る推進工法とした。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１又は５の発明によれば、各推進管及び掘進機の地中における位置を精度よく、自動的に検出することができる。また、投光部から照射したレーザ光を受光部の可動ミラーで反射させ、投光部のハーフミラーで反射させてセンサーで受光し、可動ミラーを動かして屈曲角度を検出する構成としたため、前記可動ミラーの裏で当該可動ミラーを動かす動力手段を設けることが出来、従来のようなレーザ投光及び受光器を二軸ジンバルで支持するのと異なり、より小径の管路の計測に使用することができる。
【００１７】
また、請求項２の発明によれば、隣接する推進管にガタツキが生じた場合でもその平行移動量を検出して前記推進管の屈曲角度を補正することができ、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００１８】
また、請求項３の発明によれば、隣接する推進管に回転移動が生じた場合でもその回転角度を検出して前記推進管の屈曲角度を補正することができ、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００１９】
また、請求項４の発明によれば、隣接する推進管の振動やガタツキを原因とする軸方向移動量と、屈曲時の軸方向微小変位量を算出することが出来、推進管の位置検出をより精度良く検出することが出来る。
【００２０】
また、請求項６の発明によれば、可動ミラーの傾斜角度の検出をより正確に効率よく検出することが出来る。また、請求項７の発明によれば、受光面積が大きいほど高画質であり、計測がより正確となる。また、請求項８の発明によれば、推進工法において、逐次推進管の位置を正確に把握することができるので、計画通りに管埋設用のトンネルを作ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明は、掘進機の後方に複数の推進管を接続して地中に推進する推進工法において、前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が折曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の折曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の折曲角度を検出して推進管の位置を計測する、推進工法における管路の位置検出方法とした。
【００２２】
この様にして、小口径管路であっても、自動計測により推進管の位置を精度よく検出することができる。
【実施例１】
【００２３】
以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。
図２及び図３はこの発明の管路の位置検出を行う推進工法の説明側面図及び説明平面図である。
地中に管路を埋設する箇所の一端に発進立坑１を設け、他端に到達立坑２を設け、発進立坑１から掘進機３及びその後方に複数の推進管４を順次接続して元押し装置５により、地中に押込んでいく。前記推進管４は管埋設のためのトンネルを地中につくるためのもので、前記掘進機３が到達立坑２に達すると、推進管４の後部に複数の埋設する本管（図示省略）を順次接続してトンネルに引きいれ、本管を埋設するものである。
【００２４】
この様な推進工法を用いて、道路の交差点の下の地中で、当該交差点に沿って略９０度湾曲させて推進しなければならない場合もある。この様な湾曲推進箇所においても計画線に沿って推進管が推進しているかどうか、前記推進管の位置を検出する必要がある。この発明はその際の推進管の位置検出方法及びその装置に関する。
【００２５】
図４乃至図６はこの発明の方法に使用する、前記推進管４の継手部分の断面図を示す。各推進管４は隣接する推進管４相互で球面継手によって接続されている。これは一方の推進管４の一端に、内面が凹湾曲した雌型継手４ａを設け、他方の推進管４の一端に外面が湾曲した雄型継手４ｂを設けており、雄型継手４ｂを雌型継手４ａに嵌めることにより、ユニバーサルジョイントのように当該二つの推進管４が屈曲自在である。
【００２６】
これらの各推進管４の内部には、当該推進管４と略同じ長さで外径の小さな内管６が、前記推進管４と平行に固定されている。こられの隣接する内管６相互も前記推進管４と同様に、球面継手により屈曲自在に接続されている。そして、図４及び図５に示すように、隣接する一方の内管６の外周にはレーザ光の投光部７を設け、他方の内管６の外周にはレーザ光の受光部８を相互に相対向して設けている。
【００２７】
図１は前記投光部７と受光部８の詳細を示す斜視図である。
前記投光部７には第１レーザ照射器９、第１ハーフミラー１０及び第１CMOSセンサー１１（撮像素子）を設け、前記受光部8には可動ミラー１２及びこの可動ミラー１２を上下左右に傾斜自在に動かす動力手段１３（図１０参照）を設けている。そして、前記第１レーザ照射器９からレーザ光を、前記第１ハーフミラー１０を通して前記受光部８に照射し、受光部８に設けた前記可動ミラー１２で前記レーザ光を受けてこれを投光部７に向かって反射させ、投光部７では前記第１ハーフミラー１０で反射させて第１CMOSセンサー１１でこれを受光する。前記可動ミラー１２では投光部７からのレーザ光を可動ミラー１２の面で垂直に受け、垂直に反射させている。
【００２８】
図７に示すように、前記隣接する内管６相互が直線接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の原点で前記レーザ光を受光する。これは図９に示す第１CMOSセンサー１１の画面の中心点である原点Ｐに表示される。また、図８に示すように、前記隣接する内管６相互が屈曲接続されている状態では、前記第１CMOSセンサー１１の画面の原点Pからずれた箇所（図９で示すCMOSセンサー１１の画面のS点）で前記レーザ光を受光する。
【００２９】
当該第１CMOSセンサー１１で前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合には、前記可動ミラー１２を前記動力手段１３で上下左右に傾斜させることにより前記第１CMOSセンサー１１の画面上の前記レーザ光の受光点Sを原点Pに戻し、その時の前記可動ミラー１２の動きを計測することにより、前記隣接する内管６の相互の折曲角度を検出する。
【００３０】
前記可動ミラー１２及び動力手段１３の詳細を図１０により説明する。前記可動ミラー１２は前記レーザ光を任意の角度で反射させるために、鏡面を伸縮可能な２つのステップモータ軸１４及び固定軸１５の各先端の３点で支承されている。前記固定軸１５は上下左右に傾斜自在に鏡面を支持し、各ステップモータ軸１４は鏡面を突出自在に支持している。これらの各ステップモータ軸１４の伸縮量はエンコーダ（図示省略）で計測する。これにより可動ミラー１２は上下左右に角度を変えることが出来かつ各ステップモータ軸１４の伸縮量、即ちステップモータの回転数を前記エンコーダで計測して可動ミラー１２の傾斜角度を算出する。
【００３１】
そして、計測を開始すると、図１１に示すように、第１CMOSセンサー１１の画面上の受光点Sから原点P点に近づくように可動ミラー１２の角度を変化させてゆき、移動した受光点が原点Pと完全に一致した時の可動ミラー１２の角度 が、求める可とう角（隣接する内管６の相互の屈曲角度）である。しかしながら、実際に完全に一致することは稀であるので補正を行う。そこで、図1１の拡大図に示すように、最近接点と原点Pの座標計算から補正角度 を算出し、前記可動ミラーの角度θ１と補正角度θ２をプラスしたものが修正可とう角となる。
【００３２】
また、図１２に示すように、前記可とう角が小さい場合は、計測開始時にレーザ光が前記第１CMOSセンサー１１上に照射されるが、図１３に示すように、可とう角が大きい場合は、レーザ光が第１CMOSセンサー１１上に照射されない。このように、第１CMOSセンサー１１が光点を感知しないと判断すると、サーチモードに移行する。このサーチモードとは、第１CMOSセンサー１１が光点を感知するまで、図１４に示すように、可動ミラー１２を規則的に動かし続ける状態である。感知した後は前記の流れに戻り計測を行う。
【００３３】
図１５は可とう角度の計測フローを示し、計測開始するとステップＳ１で第１CMOSセンサー１１上に光点があるかどうかを検出する。ない場合はステップＳ２でサーチモードで光点を第１CMOSセンサー１１上に乗せる。前記ステップＳ１で光点がある場合は、ステップＳ３に行く。ステップＳ３では画像の重心解析より第１CMOSセンサ−１１上の座標を算出する。ステップＳ４では原点座標と現在座標から可動ミラー１２を動かす方向を算出する。そしてステップＳ５で前記ステップモータ軸Ａ、Ｂの伸縮により可動ミラー１２を動かし、第１CMOSセンサー１１上の光点を原点に近づける。その後、ステップＳ６で近接点と原点の座標から、最終的な可とう角度を算出する。
【００３４】
この様にして、図１６に示すように、各隣接する内管６相互の可とう角度（屈曲角度）を算出し、それぞれの角度データを、発進立坑１近くに設置したコンピュータ１６に送り、既知の各内管６の長さ、レーザ照射器と可動ミラーの間隔から前記掘進機３及び各推進管４の位置を座標計算し、前記コンピュータ１６のモニターに出力する。なお、前記掘進機３の後端に最初の推進管４が直線状に接続されている場合は、その長さを測っていれば、掘進機３の先端位置を検出できる。また、掘進機３と最初の推進管４とが屈曲自在に接続されている場合は、前記隣接する推進管４と同様に投光部７及び受光部８を掘進機３と最初の推進管４の内部に設ければよい。
【００３５】
前記投光部７と受光部８の相対位置が振動などで変化すると、可とう角の計測以前に前記原点Pがずれてしまうので、精度に影響がでてしまう。そこでレーザ光とCMOSセンサーを増設して、投光部７と受光部８の平行移動、回転移動及び軸方向移動を検出する機能を付加した。
【００３６】
図１７は投光部７と受光部８の平行移動、回転移動検出に使用する投光部７Ａ及び受光部８Ａを示す。図示のように投光部７Ａに前記第１レーザ照射器９と平行して第２レーザ照射器１７、この第２レーザ照射器１７のレーザ光を通す第２ハーフミラー１８、この第２ハーフミラー１８のレーザ光を反射させる第１固定ミラー１９を夫々設ける。また、受光部８Ａには、前記第二ハーフミラー１８を通った第２レーザ照射器１７からのレーザ光を受ける第２CMOSセンサー２０、及び前記第１固定ミラー１９で反射したレーザ光を受ける第３CMOSセンサー２１を相応する箇所、すなわち、前記可動ミラー１２に対して対称位置に夫々設けられている。
【００３７】
これにより、投光部７Ａの第２レーザ照射器１７のレーザ光は二つに別れて、投光部７Ａから二つの平行したレーザ光が発せられ、受光部８Ａでは二つの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１でこれを各センサー面に対して垂直に受光する。勿論前記第２ハーフミラー１８から第２CMOSセンサー２０までの距離と第１固定ミラー１９から第３CMOSセンサー２１までの距離は等しい。また、レーザ照射器９からハーフミラー１０を通して前記可動ミラー１２に照射されるレーザ光と前記第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１に照射されるレーザ光は全て平行である。
【００３８】
前記投光部７Ａと受光部８Ａに、図１８（Ａ）に示す矢印のような平行移動（ガタツキ）が生じた場合は、図１８（Ｂ）に示すように、第２CMOSセンサー２０と第３CMOSセンサー２１の受光点は原点から同一の方向に平行移動する。この場合、これらの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１上のずれの量と方向から平行移動量を算出して補正する。
【００３９】
また、投光部７Ａと受光部８Ａに、図１９（Ａ）に示す矢印のような回転移動（ローリング）が生じた場合は、図１９（Ｂ）に示すように、第２CMOSセンサー２０と第３CMOSセンサー２１の受光点は原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動する。この場合には既知の回転軸からの距離からローリング角を算出して補正する。
【００４０】
なお、前記投光部７と受光部８の平行移動、回転移動を検出する機能を付加した装置は、図１７に示したものに限らず、前記投光部７から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部８の相応する箇所に設けた第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１で略垂直に受光する構成であれば良い。
【００４１】
図２０は、投光部７と受光部８の振動やガタツキを原因とする軸方向移動に使用する投光部７Ｂ及び受光部８Ｂを示す。この投光部７Ｂは、前記投光部７Ａに加え、前記第１ハーフミラー１０で反射したレーザ光を受ける第２固定ミラー２２及びこの第２固定ミラー２２で反射したレーザ光を受ける第３固定ミラー２３をそれぞれ設け、この第３固定ミラー２３で反射したレーザ光を受光部８Ｂの第３CMOSセンサー２１に対して斜めから照射している。受光部８Ｂの構成は前記受光部８Ａと同じである。
【００４２】
この様に、振動やガタツキを原因とする軸方向移動量と、屈曲時の軸方向微小変位量の和ΔＺは、図２１に示すように、第３CMOSセンサーに２方向から照射することで、算出できる。
【００４３】
これを図２２に基づいて説明すると、
ｌ１：第３CMOSセンサー２１上の２点ｂ点とｃ点間のＸ方向距離
ｌ２：第３CMOSセンサー２１上の２点ｄ点とｆ点間のＸ方向距離
θ：可とう角度
Ｚ：移動前の第３CMOSセンサー２１とレーザ交点ａ点との軸方向距離
を示す。
ｌ１とｌ２は第３CMOSセンサー２１上で算出し、またθは第１CMOSセンサー１１と可動ミラー１２で先に求めた可とう角度であり、いずれも既知の値となる。Ｚは投光部７と受光部８の初期配置から機械的に求まる値で、これも既知の値である。
屈曲時の軸方向微少変位量Ｚ１は三角形ｄｅｆから
Ｚ１＝ｌ２・sinθ
ガタツキによる軸方向移動量Ｚ２は、三角形ａｂｃと三角形ａｄｅが相似の関係であるから
ｌ１：（ｌ２・COSθ）＝Ｚ：（Ｚ＋Ｚ２） より
Ｚ２＝Ｚ・（ｌ２・COSθ／ｌ１−１）
従って、合計の軸方向変位量ΔＺは
ΔＺ＝Ｚ１＋Ｚ２＝ｌ２・sinθ＋Ｚ・（ｌ２・COSθ／ｌ１−１）となる。
この様にして、軸方向移動を検出して、正確な内管６乃至は推進管４の位置を検出する。
【００４４】
なお、前記投光部７及び受光部８の振動やガタツキを原因とする軸方向移動を検出する装置は、図２０のものに限らず、前記投光部７から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部８の第３CMOSセンサー２１に垂直に照射し、また、前記投光部７の他の場所からレーザ光を受光部８の前記第３CMOSセンサー２１に斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部８の前記第３CMOSセンサー２１の二つの受光点の距離、及び前記可動ミラー１２の傾斜角を前記第３CMOSセンサー２１の傾斜角として計測する構成であれば良い。
【００４５】
また、前記投光部７及び受光部８は上述のように、隣接する内管６と６の球面継手付近に相対向して設けられているが、前記図１７及び図２０に示す投光部７A及び７B、受光部８A及び８Bの場合に、受光部８A又は８Bの第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１の受光面が小さい（５ｍｍ×５ｍｍ）ので隣接する内管６、６の屈曲による相対変位が大きいと、レーザ光を受光できなくなる。従って、前記相対変位が小さくなるような配置が望ましい。
【００４６】
そこで、図２３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、前記受光部８A又は８Bの前記可動ミラー１２の中心点を、前記球面継手の中心を通るＹ軸上に合わせる。これにより、図２４（Ａ）に示すように、隣接する内管６、６が屈曲しても、図２４(Ｂ)に示すように相対変位が小さくなるため前記第２CMOSセンサー２０及び第３CMOSセンサー２１の受光面でレーザ光を受光できる。
【００４７】
また、上記各推進管４及び内管６は、上述のように、球面継手によって接続されているが、これらの各推進管４及び内管６を現場で接続すると、特に各内管６の接続誤差により正確な位置検出が出来ないおそれがある。そこで、図２５に示すように、前記球面継手の部分は工場で予め精度よく製作し、内管４を内部に固定した各推進管４の略中央で切断し、現場では内管４を含めた推進管４の直線箇所を直線継手２４により一体に接続、固定することも出来る。これにより、現場での作業が容易となり、かつ検出精度のより高い位置検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施例１の投光部と受光部の概略斜視図である。
【図２】この発明を適用する推進工法の説明側面図である。
【図３】この発明を適用する推進工法の説明平面図である。
【図４】この発明の実施例１の推進管及び内管の接続状態を示す斜視図ある。
【図５】この発明の実施例１の隣接する推進管が直線状態となっている時の断面図である。
【図６】この発明の実施例１の隣接する推進管の屈曲状態と成っている時の断面図である。
【図７】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が直線接続されている状態の投光部と受光部の斜視図である。
【図８】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が屈曲接続されている状態の投光部と受光部の斜視図である。
【図９】この発明の実施例１の隣接する推進管が屈曲接続されている場合のCMOSセンサーの表示画面の正面図である。
【図１０】この発明の実施例１の可動ミラーと動作手段を示す概略斜視図である。
【図１１】この発明の実施例１の隣接する推進管が屈曲接続している場合に、可動ミラーを動かして原点に近づけようとしているCMOSセンサーの表示画面の正面図である。
【図１２】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が小さい場合の説明図である。
【図１３】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が大きい場合の説明図である。
【図１４】この発明の実施例１の隣接する推進管の可とう角度が大きくてレーザ光の受光点がない場合の可動ミラーのサーチモードを示す説明図である。
【図１５】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が屈曲接続されている場合の屈曲角度の算出フローを示すフローチャート図である。
【図１６】この発明の実施例１の隣接する各推進管の屈曲角度及び推進管緒長さのデータをコンピュータに入力する状態を示す説明図である。
【図１７】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部の平行移動及び回転移動する軸方向移動した場合の角度検出の補正値を計測するための投光部及び受光部の斜視図である。
【図１８】（Ａ）図はこの発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部の平行移動した場合の説明斜視図である。（Ｂ）図はその際のCMOSセンサーの画面の表示説明図である。
【図１９】（Ａ）図はこの発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が回転移動した状態の斜視図である。（Ｂ）図はその際のCMOSセンサーの画面の表示説明図である。
【図２０】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動する場合の角度検出の補正値を計測するための投光部及び受光部の斜視図である。
【図２１】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動した状態の投光部及び受光部の斜視図である。
【図２２】この発明の実施例１の隣接する推進管の投光部と受光部が軸方向移動した場合の角度検出の補正値を計測する原理を示す原理図である。
【図２３】この発明の実施例１の受光部のより好ましい取り付け位置を示す図であり、（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は側面図である。
【図２４】この発明の実施例１の受光部をより好ましい取付け位置にした場合の隣接する内管の屈曲時のレーザ光の受光状態を示す図で、（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図の第３CMOSセンサーの要部拡大図である。
【図２５】この発明の実施例１の推進管の直線箇所の接続を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 発進立坑 ２ 到達立坑
３ 掘進機 ４ 推進管
５ 元押し装置 ６ 内管
７ 投光部 ８ 受光部
９ 第１レーザ照射器 １０ 第１ハーフミラー
１１ 第１CMOSセンサー １２ 可動ミラー
１３ 動力手段 １４ ステップモータ軸
１５ 固定軸 １６ コンピュータ
１７ 第２レーザ照射器 １８ 第２ハーフミラー
１９ 第１固定ミラー ２０ 第２CMOSセンサー
２１ 第３CMOSセンサー ２２ 第２固定ミラー
２３ 第３固定ミラー ２４ 直線継手
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法において、
前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、
前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、
前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、
この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して、推進管の位置を計測することを特徴とする、推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項２】
前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から平行移動した場合は、前記投光部と受光部にガタツキが生じたことを検知し、この平行移動量を算出して前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１に記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項３】
前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動した場合は、前記投光部と受光部に回転移動が生じたことを検知し、既知の回転軸からの距離から回転角を算出して前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１又は２に記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項４】
前記投光部から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部のセンサーに垂直に照射し、また、前記投光部の他の場所から、さらに他のレーザ光を受光部の前記センサーに斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部の前記センサーの二つの受光点の距離、及び前記可動ミラーの傾斜角を前記センサーの傾斜角として計測することにより、前記投光部と受光部の軸方向の移動距離を検出し、前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれかに記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項５】
掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法に使用する管路の位置検出装置において、
前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、
前記投光部にレーザ照射器、ハーフミラー及びセンサーを設け、前記受光部には可動ミラー及びこの可動ミラーを上下左右に傾斜自在に動かす動力手段を設け、前記投光部のレーザ照射器から照射されたレーザ光は前記ハーフミラーを通り、受光部の前記可動ミラーで反射させ、この反射したレーザ光を前記投光部のハーフミラーで受けて反射させ、前記センサーでこれを受光する構成とし、
前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを前記動力手段で上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して推進管の位置を計測する構成としたことを特徴とする、推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項６】
前記可動ミラーは、３点で支持され、１点は固定軸の先端で上下左右に傾斜自在に支持され、他の二点はステップモータ軸の先端でそれぞれ支持され、前記動力手段は、前記二つのステップモータとし、当該ステップモータ軸の突出度合いにより、前記可動ミラーが上下左右に傾斜する構成であることを特徴とする、請求項５に記載の推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項７】
前記センサーはＣＭＯＳセンサーあるいはＣＣＤセンサーなどの２次元イメージセンサーであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかの位置検出装置を使用して管埋設用トンネルを作る推進工法。
【請求項１】
掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法において、
前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、
前記投光部に設けたレーザ照射器からレーザ光を、ハーフミラーを通して前記受光部に照射し、受光部に設けた可動ミラーで前記レーザ光を受けてこれを投光部に反射させ、投光部では前記ハーフミラーで反射させてセンサーでこれを受光し、
前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、
この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して、推進管の位置を計測することを特徴とする、推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項２】
前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から平行移動した場合は、前記投光部と受光部にガタツキが生じたことを検知し、この平行移動量を算出して前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１に記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項３】
前記投光部から前記レーザ光とは別の平行したレーザ光を照射させ、このレーザ光を受光部の相応する箇所に設けた二つのセンサーで略垂直に受光し、これらの二つのセンサーにおける受光点が原点から回転軸を中心点とする円弧上を同一回転方向に移動した場合は、前記投光部と受光部に回転移動が生じたことを検知し、既知の回転軸からの距離から回転角を算出して前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１又は２に記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項４】
前記投光部から前記レーザ光とは別のレーザ光を受光部のセンサーに垂直に照射し、また、前記投光部の他の場所から、さらに他のレーザ光を受光部の前記センサーに斜めから照射し、前記隣接する内管の屈曲時の受光部の前記センサーの二つの受光点の距離、及び前記可動ミラーの傾斜角を前記センサーの傾斜角として計測することにより、前記投光部と受光部の軸方向の移動距離を検出し、前記屈曲角度を補正することを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれかに記載の推進工法における管路の位置検出方法。
【請求項５】
掘進機の後方に複数の推進管をつなげて発進立坑よりこれらの推進管を押して地中に管埋設用のトンネルを作る推進工法に使用する管路の位置検出装置において、
前記推進管相互は球面継手により接続し、これらの各推進管の内部に各推進管と略同じ長さで外径の小さな内管を設け、これらの複数の内管相互は球面継手により接続し、これらの内管の隣接する一方の内管の外周に投光部を、他方の内管の外周に受光部を相対向して設け、
前記投光部にレーザ照射器、ハーフミラー及びセンサーを設け、前記受光部には可動ミラー及びこの可動ミラーを上下左右に傾斜自在に動かす動力手段を設け、前記投光部のレーザ照射器から照射されたレーザ光は前記ハーフミラーを通り、受光部の前記可動ミラーで反射させ、この反射したレーザ光を前記投光部のハーフミラーで受けて反射させ、前記センサーでこれを受光する構成とし、
前記隣接する内管が直線接続されている状態では、前記センサーの原点で前記レーザ光を受光し、前記隣接する内管が屈曲接続されている状態では、前記センサーの原点からずれた箇所で前記レーザ光を受光し、当該センサーで前記レーザ光が原点からずれた箇所で受光した場合に、前記可動ミラーを前記動力手段で上下左右に動かすことにより前記センサー上の前記レーザ光の受光点を原点に戻し、その時の前記可動ミラーの動きを計測することにより、前記隣接する内管の相互の屈曲角度を検出し、この様にして、各隣接する内管の屈曲角度を検出して推進管の位置を計測する構成としたことを特徴とする、推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項６】
前記可動ミラーは、３点で支持され、１点は固定軸の先端で上下左右に傾斜自在に支持され、他の二点はステップモータ軸の先端でそれぞれ支持され、前記動力手段は、前記二つのステップモータとし、当該ステップモータ軸の突出度合いにより、前記可動ミラーが上下左右に傾斜する構成であることを特徴とする、請求項５に記載の推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項７】
前記センサーはＣＭＯＳセンサーあるいはＣＣＤセンサーなどの２次元イメージセンサーであることを特徴とする、請求項５又は６に記載の推進工法における管路の位置検出装置。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかの位置検出装置を使用して管埋設用トンネルを作る推進工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−２９３９５９（Ｐ２００９−２９３９５９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４５１６５（Ｐ２００８−１４５１６５）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【出願人】（０００１４１０６０）株式会社関電工 (115)
【出願人】（０００１５２８７１）株式会社日本システム研究所 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【出願人】（０００１４１０６０）株式会社関電工 (115)
【出願人】（０００１５２８７１）株式会社日本システム研究所 (5)
【Ｆターム（参考）】
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