JP2551805B2 - 地中掘削機の水平変位計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は推進工法により地中へ水道管やガス管等を
埋設する地中掘削機の水平変位計測装置に関する。

（従来の技術） 従来水道管やガス管等の小口径管を計画線に沿って地
中へ精度良く埋設する方法として推進工法が用いられて
いる。

上記推進工法はまず発進立坑より到達立坑へ向けて先
導管を推進させて先導管の推進を行い、次にこの先導管
を案内にして小口径管を地中へ掘進させることにより、
計画線に沿って小口径管を精度よく埋設するようになっ
ており、小口径管の埋設精度は先導管の埋設精度により
決定される。

このため先導管を精度よく地中へ埋設するために、種
々の計測方法がすでに提案されている。

本出願人はさきに特願昭61−10700号（特開昭62−169
012号）を提案した。

これは地中掘削機（先導装置）が推進される計画線に
沿って等間隔に往路線と複路線が位置するように地表面
に磁界ケーブルを敷設し、地中掘削機側には磁界検出器
を設けて、この磁界検出器により上記磁界発生ケーブル
より発生される磁界を検出することにより、地中掘削機
の水平変位をリアルタイムで連続的に計測するようにし
たもので、道路の地下などに埋設する場合でも交通を遮
断せず施工できる効果がある。

また本出願人が提案した特開昭62−25202号（特開昭6
2−169012号）も磁界発生ケーブルの往復線を地表に敷
設し磁界を発生させて、その磁界を地中掘削機内の磁界
検出素子で受信することにより、地中掘削機の地中位置
を計測するにあたり、地表における地中掘削機の施工計
画線を挟んで、その両側へ地中掘削機の施工計画深度に
応じた距離だけ離隔して磁界発生ケーブルの往復線を敷
設するように構成したものである。

（発明が解決しようとする課題） しかし上記従来の水平方向変位計測装置では、第11図
に示すように小口径管の埋設深度によって実際の変位量
に対して変位量を表示する表示器の値にバラツキが生じ
ると共に、特に埋設深度が深くなるに従い、表示器の感
度が低下するなど、計測精度が埋設深度に影響されて、
埋設深度が深くなるほど精度の高い埋設ができなくなる
不具合があった。

この発明は上記不具合を改善する目的でなされたもの
で、深度較正回路を新たに追加することにより、埋設深
度が変わっても深度による表示のずれをなくした地中掘
削機の水平変位計測装置を提供しようとするものであ
る。

（課題を解決するための手段及び作用） 上記目的を達成するために、施工計画線に沿って予め
地表に敷設された磁界ケーブルより発生される磁界を、
地中を推進する地中掘削機内に設置した一対の磁界検出
素子により検出すると共に、上記磁界検出素子が検出し
た磁界レベルより上記地中掘削機の水平変位を演算して
表示器に表示するようにした地中掘削機の水平変位計測
装置において、磁界ケーブルを地中掘削の深度にかかわ
らず一定の往復路線間隔に布設し、かつ磁界検出素子が
検出した磁界レベルより水平変位を演算する演算処理回
路に、その深度に応じて深度較正器の可変抵抗器を回転
し、所望深度に設定する深度較正手段を設けたことによ
り埋設する小口径管の深度によって表示器に表示される
値がバラツクのを防止して、埋設深度に影響されること
なく水道管やガス管などの小口径管が施工計画線に沿っ
て精度よく埋設できるようにした地中掘削機の水平変位
計測装置を提供しようとするものである。

（実施例） はじめに第５図及び第６図を参照してこの発明の原理
を説明する。

いま、第５図に示すように、地表面EP上に、所定に離
間した往路線10a及び複路線10bからなる磁界発生ケーブ
ル10を敷設し、これに適宣の電流を流したとすると、該
ケーブル10のこれらの往復路線10a及び10bを中心として
その周囲には同第５図に示す態様で同心円状に磁界Ha及
びHbが発生する。

この発明では、こうして発生させる磁界Ha及びHbを同
図に示すような２つの磁界検出素子S1及びS2に同時に検
出せしめる。

そしてここでは簡単のため、これら２つの磁界検出素
子S1及びS2は互いにその磁界検出方向が直交し、かつそ
れぞれが上記ケーブル10の鉛直面に対して45度の角度に
維持されるとする。

こうした条件下で、各パラメータを同第５図のよう
に、すなわち L:磁界発生ケーブル10の往復路線間距離 D:磁界検出素子S1及びS2の深度 r₁,r₂:磁界発生ケーブル10からの磁界県室素子S1及びS2
までの距離 x:磁界検出素子S1及びS2の上記往復路ケーブル中心（施
工計画線PL）からの水平変位 x₁:磁界検出素子S1及びS2のケーブル復路線10bからの水
平変位 x₂:磁界検出素子S1及びS2のケーブル往路線10bからの水
平変位 θ₁:ケーブル複路線10bを中心としてその鉛直面と磁界
検出素子S1及びS2とのなす角度 θ₂:ケーブル複路10aを中心としてその鉛直面と磁界検
出素子S1及びS2とのなす角度 のように設定すれば、上記２つの磁界検出素子S1及びS2
による検出磁界のレベル比はこれをＲとする次式で表わ
される。

Ｒ＝（V₁₁＋V₂₁）／（V₁₂＋V₂₂） ……（１） ここでV₁₁,V₂₁,V₁₂,V₂₂は上記磁界発生ケーブル10の
往復路線10a及び10bと上記２つの磁界検出素子S1及びS2
との組合せによって計算される値である。

例えば右変位方向をｘの正の方向とすると、上記各パ
ラメータは、 と表わされ、これらパラメータを用いてこのV₁₁,V₂₁,V
₁₂,V₂₂を表わすと次式の通りとなる。

これら（３）〜（６）式のV₁₁,V₂₁,V₁₂,V₂₂の値を先
の（１）式に代入して、水平変位量ｘ〔ｍ〕と当のレベ
ル比Ｒとの関係をグラフ化したのが第６図である。

この第６図のグラフでは、Ｄ＝1m,2m,3mといった３様
の地中深さを想定し、これら地中深さ別に上記磁界検出
素子S1及びS2による検出磁界のレベル比Ｒと同磁界検出
素子S1及びS2の往復路ケーブル中心（施工計画線PL）鉛
直面VPからの水平変位量とを関係を表わしている。

さてこの第６図のグラフによれば、上述した条件下に
おかれる２つの磁界検出素子S1及びS2が上記往復路ケー
ブル中心に対してその鉛直面VPすなわち水平変位量
「０」の位置にあれば、その地中深さＤがいかなる値で
あれ、その各検出磁界のレベル比は「１」となることが
わかる。

しかもこれら磁界検出素子S1及びS2が上記水平変位量
「０」の位置から右半方向に変位する場合は、同レベル
比Ｒが Ｒ＞１ となり、逆に左半方向に変位する場合は、同レベル比Ｒ
が Ｒ＜１ となってこの例外は生じない また、そもそもこうした水平変位計測手法によれば、
上記地中深さＤによる影響も受け難い。

以上総括すれば、磁界検出方向が互いに直交し、かつ
そのそれぞれが往復する磁界発生ケーブル10の鉛直面に
対して45度の角度に維持される２つの磁界検出素子S1及
びS2にて同ケーブル10の発生磁界を検出するとき、これ
ら検出磁界のレベル比Ｒ＝１であればこれら磁界検出素
子S1及びS2は往復路ケーブル中心に対して水平変位量
「０」の位置にあり、同レベル比ＲがＲ＞１であれば同
磁界検出素子S1及びS2は同往復路ケーブル中心に対して
右半方向に変位した位置にあり、さらに同レベル比Ｒが
Ｒ＜１であれば同磁界検出素子S1及びS2は同往復路ケー
ブル中心に対して左半方向に変位した位置にあるといっ
た結論を得る。

また、同レベル比Ｒの値に応じてその各変化量をも併
せ求めることができる。

これら変位量は、磁界検出素子S1及びS2自身の地中深
さＤと略無関係に同レベル比Ｒに対応する。

なおここでは、上記２つの磁界検出素子S1及びS2の上
記ケーブル鉛直面に対する配置角度を上述の如く限定し
たが、基本的には、これら磁界検出素子S1及びS2の磁界
検出方向が同ケーブル鉛直面について互いに対称となる
ような角度に維持されさえすれば、上記と同様の原理に
基づいてその水平変位態様に関する計測を行なうことが
できる。

第１図及至第４図は、こうした原理に基づいて構成し
たこの発明にかかる地中掘削機の水平変位計測装置の一
実施例を示すものであり、以下これから第１図及至第４
図を参照して該実施例の構成並びに動作を詳述する。

第１図は作業状態にある地中掘削機を含む該実施装置
の大まかな構成を横断面図をもって模式的に示したもの
であり、また第２図は同実施例装置の平面構成を模式的
に示したものであり、さらに第３図は同地中掘削機の進
行方向から見た該実施例装置の要部断面構造を模式的に
示したものであり、これら図において、EPは地表図、SH
は発進立坑、EHは到達立坑、10は該地表面EP上の施工計
画線PLに沿ってその往路線10aと複数10bとがこれから等
間隔ずつ離間して平行するように敷設された磁界発生ケ
ーブル、20は地中掘削機、21は該掘削機20のヘッド、22
は該ヘッド21を支持する支持アーム、23は該支持アーム
22を推進せしめる推進ジャッキ、S1及びS2は例えばコイ
ルからなる前述した磁界検出素子、24はこれら磁界検出
素子S1及びS2の磁界検出方向が常に先の第５図に示した
関係となるようこれを地中掘削機20の支持アーム22内に
支持する姿勢支持枠、25は上記磁界検出素子S1及びS2の
検出信号を伝送す子信号機、30は図示の如く地上に設け
られて上記磁界発生ケーブル10に対する給電を行なうと
共に、上記信号線25を介して伝送される磁界検出素子S1
及びS2の検出信号に基づき当の地中掘削機20の水平変位
計測のための信号処理を一括して実行する操作盤をそれ
ぞれ示す。

この操作盤30の構成については第４図に詳しく示す。

すなわち第４図に示すように、この操作盤30は、上述
した地中掘削機20の水平変位量を示す目盛位置に適宣に
対応してLEDがアレイ状に配列された表示器40を併せ具
えると共に、適宣の繰り返し周波数を有する交流信号を
発振する発振器31、該発振された交流信号を電力増幅し
てこれを前記磁界発生ケーブル10に供給する電力増幅器
32とよりなる送信器Ａを有し、該送信器Ａの出力は第７
図に示すように送信ケーブル45により地表に敷設された
上記磁界発生ケーブル10へ供給される。

また地中掘削機20内に設けられた磁界検出素子S1及び
S2の磁界検出信号は、第８図に示すように地中掘削機20
と操作盤30の間を接続する信号線25を介して操作盤30に
設けられた演算処理回路Ｂへ伝送されると共に、演算処
理回路Ｂには、磁界検出信号を格別に同一の利得をもっ
て増幅する信号増幅器33a及び33b、これら増幅された信
号の中からノイズ成分を除去して有効信号成分のみを選
択的にろ波する帯域通過フィルタ（BPF）34a及び34b,こ
れらろ波信号を整流や平滑化するなどして所要に波形整
形する整形回路35a及び35b、これら波形整形された２つ
の信号を用いた除算を実行して前述した磁界検出素子S1
及びS2による検出磁界のレベル比Ｒに相当する値を出力
する除算器36,埋設深度によって生じる検出軽度のバラ
ツキを較正する深度較正器46、上記レベル比Ｒのとり得
る値について予め所望の視覚基準レベルが設定される基
準レベル設定器37、これら設定された比較基準レベルと
上記除算器36の出力レベルとを比較してその大小に関す
る結果を同設定された各比較基準レベルとの対応のもと
に出力するレベル比較器38、該比較出力に基づき上記表
示器40のLEDアレイのうちの該当するLEDを点灯駆動する
LED駆動回路39をそれぞれ具えており、第９図にこれら
の具体的な回路を示す。

上記回路で新たに追加された深度較正器46は埋設深度
に応じて可変自在な可変抵抗器VR10を具えていて、演算
処理回路Ｂにより演算された水平変位量を深度Ｄにより
較正して、深度が変わっても深度の影響を受けずに水平
変位の計測が行えるようになっている。

次に地中掘削機20の水平変位の計測について説明す
る。

いま、上記発振器31及び電力増幅器32を通じて前記磁
界発生ケーブル10に交流電流が供給されたとすると、例
えば先の第５図に示したような同ケーブル10のそれぞれ
往路線10a及び復路線10bを中心とした同心円磁界Ha及び
Hbが発生する。

地中掘削機20内に同第５図に示す態様で搭載された磁
界検出素子S1及びS2がこれら往復路ケーブル中心すなわ
ち施工計画線PLの鉛直面VPについて右半方向にあるか左
半方向にあるかによって、この発生された磁界について
のこれら素子S1及びS2による検出磁界のレベル比Ｒが
「１」を境にて上下することは先の原理の説明において
述べた通りである。

この操作盤30は、こうした２つの磁界検出素子S1及び
S2による検出磁界のレベル比ＲがＲ＞１であるかＲ＜１
であるかといった関係、並びにその度合いに応じた水平
変位量を上記レベル比較器38を通じて判定するととも
に、この結果を上記表示器40を通じて可視表示する。

先の第６図を参照して詳述するに、この際例えば、上
記基準レベル設定器37に上記検出磁界のレベル比Ｒの
「１」と約「0.8」とに相当する電圧値が予設定されて
いて、同レベル比Ｒの実際値が「0.8〜１未満」の間と
なったときには、上記レベル比較器38は、これら値の前
述した比較に基づいて同計測レベル比Ｒが上記の予設定
基準レベル範囲にある旨判断し、LED駆動回路39を通じ
て表示器40の該当するLEDすなわち「左方向へ０〜20c
m」を示すLEDを点灯せしめる。

これによってオペレータは、地中掘削機20の当該水平
変位量が施工計画線PLに対し「左方向へ０〜20cm」の範
囲にあることを知ることができる。

また同様に、上記基準レベル設定器37に同検出磁界の
レベル比Ｒの「１」と約「1.3」とに相当する電圧値が
予設定されていて、同レベル比Ｒの実際の値が「１〜1.
3未満」の間となったときには、同レベル比較器38は、
これら値の上記同様の比較に基づいて同計測レベル比Ｒ
が上記予設定基準レベル範囲に有る旨判断し、LED駆動
回路39を通じて表示器40の該当するLEDすなわち「右方
向へ０〜30c」を示すLEDを点灯せしめる。

これによりオペレータは、地中掘削機20の当該水平変
位量が施工計画線PLに対し「右方向へ３〜30cm」の範囲
にあることを知ることができる。

一般的には同水平変位量をｎ段階の分解能をもって知
りたければ、上記基準レベル設定器37に（ｎ−１）種の
比較基準レベルを用意すればよい。

こうして地中掘削機20による掘削作業に伴って該掘削
機20の上記往復路ケーブル中心からの（施工計画線PLか
らの）水平変位態様並びにその変位量が連続的に計測さ
れ、上記表示器40を通じてこの計測内容が逐次リアルタ
イムでモニタされる。

以上小口径の埋設深度が1.5mと深い場合であるが、埋
設深度が深くなると磁界検出素子S1,S2に到達する磁界
が弱くなり、検出精度が低下する。

そこで埋設深度が変わった場合、その深度Ｄに応じて
深度較正器46の可変抵抗器VP10を回転し、所望深度に設
定する。

これによって水平変位量ｘを求める理論式は以下のよ
うになる。

l²＋D²＞＞x²としてx²項を無視すると、 ｘ項について解くと l²＜＜D²とすると なおR:磁界検出素子の受信レベル V₁:磁界検出素子S1の出力 V₂:磁界検出素子S2の出力 D:深度 l:ケーブルの施工計画線間距離 演算処理回路Ｂは上記理論式をもとに演算処理した結
果を表示器40へと出力するため、表示器40に表示される
値は、第10図に示すように埋設深度が変わっても特性に
バラツキを生じることがなく、従って深度の影響を受け
ずに地中掘削機20の方向修正を行うことができるように
なる。

なお、上記の実施例では、磁界発生ケーブル10に交流
電流を供給するようにしたが、この供給する電流は直流
であっても勿論よい。

また、この磁界発生ケーブル10自体単線である必要は
なく、複数のケーブル若しくはこれら複数のケーブルを
束ねたものであってもよい。

又、同実施例では、先の第５図及び第６図に基づいて
説明した原理に従って、２つの磁界検出素子の各磁界検
出方向（角度）を決定したが、同原理の説明で補足した
ように、基本的には、これら素子の磁界検出方向は上記
ケーブルの鉛直面について互いに対称とするような角度
に維持されさえすればよい。

すなわちこうした場合、前述した左右の変位態様を判
別するためのこれら磁界検出素子による検出磁界のレベ
ル比（Ｒ）の値を該設定した角度に応じて変更すればよ
い。

さらに同実施例では、表示器40として第４図に図示し
たようなLEDアレイを配したものを用い、この点灯態様
をもって地中掘削機20の施工計画線PLに対する水平変位
量を表示するようにしたが、こうした表示方法は任意で
あり、他に例えば、アナログのレベルメータを用い、前
記レベル比Ｒ＝１を中心とした該メータ指針の捩れ方向
並びにその度合いをもって同地中掘削機20の水平変位量
を表示したり、あるいはただ単に「右変位」及び「左変
位」といった変位方向だけを２値的に表示したりするよ
うにしてもよい。

さらにまた、同実施例では、磁界検出素子S1及びS2の
出力を直接操作盤30内の信号増幅器33a及び33bに伝送す
るようにしたが、伝送し易い電圧レベルまでこれら磁界
検出素子S1及びS2の出力を予増幅するようにしてもよ
い。

これによれば、同計測装置のより安定した運営を図る
ことができるようになる。

また、操作盤30の上述した信号処理にかかる回路につ
いては、これをマイクロコンピュータに置き換え、この
随時の演算によって同水平変位量を求めるようにしても
よい。

ところで、上述の説明では、２つの磁界検出素子S1及
びS2による各検出磁界のレベル比に基づいて地中掘削機
の水平変位を求めることを前提としたが、要はこれら検
出磁界レベルの適宣な比較に基づけば同水平変位態様に
関する必要十分な情報は得られるものであり、他に例え
ば、これら検出磁界レベルの差分をとったりする方法等
も十分に採用可能である。

また因に、同地中掘削機の深さ方向の変位について
は、周知の傾斜計を用いることでこれを十分な精度で計
測することができる。

（発明の効果） この発明は以上詳述したように、演算処理回路に深度
較正器を設けて、埋設深度に応じて演算値を較正するよ
うにしたことから、表示器に表示される値が従来のよう
に埋設深度によりバラツクことがないため，誤った方向
修正を行うおそれがない。

これによって施工計画線に沿って精度の高い小口径管
の埋設が可能になると共に、埋設深度が深くなっても誤
差が大きくなることもなく、狭い市街地でも埋設可能と
なるなど、深度較正手段を設けたことによって磁界発生
ケーブルの往復路線間距離が一定で精度よく水平変位の
測定が行えるようになる。

また施工計画線両側に敷設する磁界発生ケーブルの位
置の測定において、磁界発生ケーブルの往復路線間距離
は埋設深さに関係ないので測定個所も少なくてよく、磁
界発生ケーブルを効率よく敷設できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる地中掘削機の水平変位計測装
置の一実施例についてその較正の概要を模式的に示す横
断面図、第２図は同実施例装置の平面構成を模式的に示
す平面図、第３図は同実施例装置の正面方向からみた部
分断面図、第４図は同実施例装置の操作盤構成を示すブ
ロック図、第５図はこの発明の計測原理を説明するため
の略図、第６図は第５図に示した２つの磁界検出素子に
よって検出される磁界レベル比とその磁界中心からの水
平変位量との関係を示すグラフ、第７図は送信系の回路
図、第８図は受信系の回路図、第９図は演算処理回路の
回路図、第10図は実水平変位量に対する較正後の表示を
示す線図、第11図は従来の装置による実水平変位量と表
示値の関係を示す線図である。 10……磁界発生ケーブル、20……地中掘削機 40……表示器、46……深度較正回路 Ｂ……演算処理回路、S1……磁界検出素子 S2……磁界検出素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】施工計画線に沿って予め地表に敷設された
   磁界ケーブル（10）より発生される磁界を、地中を推進
   する地中掘削機（20）内に設置した一対の磁界検出素子
   （S1），（S1）により検出すると共に、上記磁界検出素
   子（S1），（S2）が検出した磁界レベルにより上記地中
   掘削機（20）の水平変位を演算して表示器（40）に表示
   するようにした地中掘削機の水平変位計測装置におい
   て、磁界ケーブルを地中掘削機の深度にかかわらず一定
   の往復路線間隔に布設し、かつ磁界検出素子（S1），
   （S2）が検出した磁界レベルより水平変位を演算する演
   算処理回路（Ｂ）にその深度（Ｄ）に応じて深度較正器
   （46）の可変抵抗器（VR10）を回転し、所望深度に設定
   する深度較正手段を設けたことを特徴とする地中掘削機
   の水平変位計測装置。