JP7366370B2 - トンネル掘削機の測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、シールド工法において地山を掘削するシールド掘進機をはじめとする推進ジャッキを備えたトンネル掘削機の位置を測量するトンネル掘削機の測量装置に関する。

地山内にトンネルを構築するシールド工法では、所定のトンネル線形に合わせて掘削を行うために、掘削中にシールド掘進機の位置や向きを把握する測量を行い、随時シールド掘進機の位置及び向きを修正する必要がある。

シールド掘進機の位置や向き測量するには、シールド坑内にトータルステーション等の測量機器を設置し、後方の基準点を視準して測量機器の自身の位置を把握した後、シールド掘進機に設けたターゲットを視準して、測量を行うことが多い。

特許文献１に記載のシールド掘進機の位置検出方法では、後方の基準点に基づいて位置が測量されている定点に光波距離計を設置し、シールド掘進機の内部に設けた複数の反射装置に向かって光波距離計から光を発射し、反射装置からの反射光により、光波距離計から反射装置までの距離と角度を測定し、そのデータからシールド掘進機の位置を検出している。

特許文献２に記載のシールド自動測量運転制御装置では、セグメントの中心線上に敷設されるレールの前端に、基準位置に対する相対位置が既知であるエンドプレートを設け、シールド掘進機に設けた測量機器によって、エンドプレートに設けたターゲットに対する測量機器の相対位置を検出し、これによりシールド掘進機の現在位置を検出している。

特開昭６２－２８９７１７号公報 特公平８－９９４８号公報

特許文献１に記載のように、シールド坑内に設置された光波距離計等の測量機器によってシールド掘進機の反射装置に光を投射しようとすると、シールド掘進機の複雑な部品が邪魔になる場合がある。また、トンネル線形が湾曲していると、セグメントに干渉されて測量を行うことができない。これを解消するためには、測量機器を頻繁に移設しなければならないが、重い測量機器を移設するのは重労働であり、移設作業中は掘進を止める必要がある。また、小口径のシールド坑では、運搬台車の走行や後方設備の設置に支障をきたすため、測量機器を設置することすらできない。

特許文献２に記載のように、シールド掘進機に測量機器を設置すると、掘進中には、シールド掘進機が常に動いており、測量機器もシールド掘進機と共に動いているため、測量を行うことができない。

また、ＴＢＭ工法における推進ジャッキを備えた掘削機においても同様の問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、掘削坑の口径や湾曲程度にかかわらず、掘削中であっても掘削機の測量を容易に行うことができる掘削機の測量装置を提供することを目的とする。

本願請求項１に係る発明は、推進ジャッキを備えたトンネル掘削機の測量装置であって、位置が既知である基準点を視準することにより自身の位置を検出し、前記トンネル掘削機を測量する測量機器を有し、前記推進ジャッキは、前記トンネル掘削機とともに前進する基部と、該基部に対して伸縮し、伸長時に、掘削坑内に構築された既設のセグメントを後方へ押圧する押圧部とを備えており、前記測量機器は、前記押圧部に設置されていることを特徴とするトンネル掘削機の測量装置である。

本願請求項２に係る発明は、前記押圧部は、後端に既設のセグメントに当接するスプレッタを備えており、前記測量機器は、前記スプレッタに設置されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機の測量装置である。

本願請求項３に係る発明は、前記測量機器は、前記押圧部に水平維持装置を介して吊り下げられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル掘削機の測量装置である。

本願請求項４に係る発明は、前記水平維持装置は、前記押圧部に取り付けられる基板と、該基板から下方へ延びる上部支軸と、該上部支軸と同軸上に設けられた下部支軸と、前記上部支軸の下端部及び前記下部支軸の上端部にそれぞれ設けられた上部球体及び下部球体と、前記上部球体及び下部球体を前後から揺動可能に挟む前部挟持板及び後部挟持板とを備えていることを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削機の測量装置である。

本願請求項５に係る発明は、前記上部球体及び下部球体の外面に、前記上部支軸及び下部支軸を中心とする前記前部挟持板及び後部挟持板の回転を規制する回転抑制リブが形成されていることを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削機の測量装置である。

本願請求項６に係る発明は、前記押圧部に水平維持装置を介して保護ボックスが吊り下げられ、該保護ボックス内に前記測量機器が設置されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のうちいずれか１項に記載のトンネル掘削機の測量装置である。

本発明によれば、測量機器は推進ジャッキの押圧部に設置されているので、小口径の掘削坑であっても、測量機器の設置に支障はなく、測量機器が運搬台車の運行や後方設備の設置を邪魔することもない。
また、測量機器は推進ジャッキの押圧部に設置されているので、トンネル掘削機の前進に伴って重い測量機器を移設する必要もない。
さらに、掘進中であっても、推進ジャッキの押圧部は移動せず、押圧部に取り付けられた測量機器も動かないので、正確な測量を継続することができる。

加えて、測量機器を推進ジャッキのスプレッタに設置することにより、測量機器がロッドの伸縮の邪魔にならない。

加えて、測量機器を押圧部に水平維持装置を介して吊り下げてあるので、測量機器の自重を利用して水平性を確保し、トンネル掘削機のローリングや前後方向の傾斜の影響を抑制できる。

加えて、水平維持装置において、上部球体及び下部球体を前部挟持板及び後部挟持板が前後から揺動可能に挟むことにより、トンネル掘削機の傾斜やローリングを吸収することができ、しかも、上部球体及び下部球体の外面に、前部挟持板及び後部挟持板の水平方向の回転を規制する回転抑制リブを形成してあるので、測量機器が基準点やターゲットを視準するのに支障をきたさない。

加えて、押圧部に水平維持装置を介して吊り下げられた保護ボックス内に測量機器を設置してあるので、掘削によって発生する粉塵等から測量機器が保護され、測量の正確性及び測量機器の耐久性が高まる。

本発明の実施形態において、シールド掘進機による掘進工程の概略図であり、（イ）は掘進開始時、（ロ）は掘進中、（ハ）は掘進停止時を示す。 本発明の実施形態を示すシールド掘進機の測量装置の要部斜視図である。 本発明の実施形態に係る水平維持装置の分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態につき図１乃至図３を参照する等して説明する。なお、本発明は、実施形態に限定されないことはいうまでもない。

図１は、シールド掘進機による掘進工程を示し、図２は、一実施形態におけるシールド掘進機の測量装置を示し、図３は、水平維持装置を示す。
なお、以下の説明において、前方とは、掘削に伴ってシールド掘進機の進行する方向（図１を記した紙面の左方向）であり、左右方向とは、シールド掘進機による掘削で形成された掘削坑の幅方向（図１を記した紙面の厚み方向）、上下方向とは、掘削坑の上下方向（図１を記した紙面の上下方向）である。

本実施形態は、シールド掘進機１の測量装置であり、測量機器２を用いてシールド掘進機１の位置を検出するものである。
図１に示すように、シールド掘進機１は、スキンプレート１０、カッタヘッド１１及びシールドジャッキ１２、隔壁１３を備えている。

スキンプレート１０は、シールド掘進機１の外筒であり、その前端にカッタヘッド１１が回転自在に設けられる。
カッタヘッド１１は、図示しないモータで回転駆動されて地山を掘削する。そして、カッタヘッド１１を回転させ、シールドジャッキ１２によって前進させることにより掘削坑１００を形成する。掘削坑１００の内周面には、セグメント１０１をリング状に順次構築する。セグメント１０１の外周には図示しない裏込め材が注入充填される。

シールドジャッキ１２は、スキンプレート１０の内側に複数設けられ、周方向に間隔をあけて配置される。
シールドジャッキ１２は、前端がスキンプレート１０に固定されたシリンダ１２０と、シリンダ１２０の後端から伸縮するロッド１２１と、ロッド１２１の後端に取り付けられたスプレッタ１２２を備えている。

ロッド１２１及びスプレッタ１２２は、既設のセグメント１０１を後方へ押圧する押圧部を構成する。図１（イ）に示すように、スプレッタ１２２を既設のセグメント１０１の前端に当接させ、図１（ロ）に示すように、ロッド１２１を伸長させることにより、推進力を得てシールド掘進機１は前進する。

図１（ハ）に示すように、カッタヘッド１１が所定距離前進したら、ロッド１２１を退縮させ、スキンプレート１０の内側において、シールドジャッキ１２の後方に新たなセグメント１０１を構築する。

押圧部には、測量機器２が設けられている。具体的には、図１に示すようにスプレッタ１２２に取り付けられている。
測量機器２は、レーザー等の光を用いて距離と角度を測定し、測定値を内蔵したコンピュータに記録できるトータルステーションを用いる。

本実施形態では、測量機器２は、後方の掘削坑１００内において、位置（例えば、高さ、緯度、経度）が既知である２か所の基準点に設置された後視点用ミラー（図示せず）を視準することにより自身の位置を把握する。そして、隔壁１３の２か所に設置された反射ミラーより成るターゲット１０２ａ，１０２ｂを視準することによって、ターゲット１０２ａ，１０２ｂの位置を検出し、シールド掘進機１の位置、向きなどするものである。
また、測量機器２は、５分ごとに自動で測量を行い、そのデータを外部の図示しないコンピュータに送信する。

図２に示すように、測量機器２は保護ボックス３内に設置される。
保護ボックス３は、シールド掘進機１の頂部近傍に位置するシールドジャッキ１２のスプレッタ１２２に水平維持装置４を介して吊り下げられている。
保護ボックス３は、底板３０、天板３１、側板３２を備えている。
保護ボックス３の底板３０上には、測量機器２が固定ネジ３３によって固定されている。

測量機器２のトータルステーションは、一般的に有する自動補正機能によって、シールド掘進機の傾斜やローリング、微細な振動による誤差などを補正し、それを超えた場合にはさらに測量機器２を自動整準台に設置して対応する。しかし、それでも対応できない場合には、水平維持装置４が設けられる。

図３に示すように、水平維持装置４は、基板４０と、上部支軸４１及び下部支軸４２と、上部球体４３及び下部球体４４と、前部挟持板４５及び後部挟持板４６と、連結ネジ４７と、スプリング４８と、締付装置４９を備えている。
基板４０の上面にはマグネット５０がネジ５０’で固定され、このマグネット５０を介して基板４０がスプレッタ１２２の下面に取り付けられる。マグネット５０は、４つ設けられており、それぞれレバー５０ａを備えており、このレバー５０ａを操作することで、スプレッタ１２２に着脱することができる。

上部支軸４１及び下部支軸４２は、ネジ軸であり、同軸上に配置される。
上部支軸４１の上端部は基板４０を貫通し、基板４０の上方において上部支軸４１にナット４１’が螺合され、上部支軸４１は基板４０から下方へ延びている。
下部支軸４２の下端部は保護ボックス３の天板３１を貫通し、天板３１の下方において下部支軸４２にナット４２’が螺合される（図２）。

上部球体４３及び下部球体４４は、上部支軸４１の下端部及び下部支軸４２の上端部にそれぞれ設けられ、互いに間隔をあけて配置されている。
上部球体４３及び下部球体４４の外面には、それぞれ上部支軸４１の下端部及び下部支軸４２の上端部を通り、上部球体４３及び下部球体４４の外周面を前後に２分割する円周に沿って回転抑制リブ４３０，４４０が形成されている。

前部挟持板４５及び後部挟持板４６の対向面の上下部には、それぞれ上部球体４３と下部球体４４とを嵌合するための半球状の上部嵌合凹部５１及び下部嵌合凹部５２が形成される。
そして、前部挟持板４５及び後部挟持板４６は、それぞれ上部嵌合凹部５１を上部球体４３に、下部嵌合凹部５２を下部球体４４に外嵌することにより、上部球体４３と下部球体４４を前後から挟んで配置される。
前部挟持板４５と後部挟持板４６とは、その中央部を貫通する連結ネジ４７によって接離可能に連結される。

また、基板４０に固定された上部支軸４１と、保護ボックス３が取り付けられる下部支軸４２とは、前部挟持板４５及び後部挟持板４６を介して連結される。
これにより、測量機器２を収容した保護ボックス３がシールドジャッキ１２のスプレッタ１２２から吊り下げられる（図２）。

前部挟持板４５と後部挟持板４６の間には、回転抑制リブ４３０，４４０が介在されている。
したがって、前部挟持板４５及び後部挟持板４６の、回転抑制リブ４３０，４４０に沿う左右方向の揺動は、比較的大きな可動域（±３０度程度）を有し、前後方向の揺動もある程度（約±１０度）許容される。また、下部支軸４２を中心とする水平方向の回転は非常に小さく（±５度程度）規制される。
この構成によって、シールド掘進機１がローリングしたり、トンネル線形が上下勾配となったりしても、保護ボックス３は、スプレッタ１２２に対して常に鉛直に保たれ、測量機器２は水平に維持される。下部支軸４２を中心とする水平方向の回転は、回転しないようにしても良いが、本実施形態では、左右方向の揺動及び前後方向の揺動を可能とするため、若干設けられるようにしている。

スプリング４８は、連結ネジ４７に外嵌されて、前部挟持板４５と後部挟持板４６とを離間する方向に付勢している。
締付装置４９は、後部挟持板４６の後方において連結ネジ４７に螺合される。測量時等に締付装置４９を締め込むと、後部挟持板４６が前方へ押されて、前部挟持板４５と後部挟持板４６とがスプリング４８の付勢力に抗して近接し、上部球体４３及び下部球体４４を締め付ける。締め付けは、上部球体４３及び下部球体４４が可動して、保護ボックス３がスプレッタ１２２に対して常に鉛直になることが可能な程度に締め付ける。
なお、締め付けを前部挟持板４５及び後部挟持板４６の揺動が規制され、測量機器２が揺れることなく停止するようにすることもできる。

以下、上記一実施形態のシールド掘進機１の測量装置を用いた測量について説明する。

セグメント１０１の組み立てが終了した後、図１（イ）に示すように、スプレッタ１２２を既設のセグメント１０１の前端に当接させ、カッタヘッド１１を回転するとともにロッド１２１を伸長し始めて掘進を開始する。
測量機器２は、後方の２か所の基準点を視準して自身の位置を把握した後、隔壁１３のターゲット１０２ａ，１０２ｂを視準することにより、シールド掘進機１の位置、向きなどを検出する。

図１（ロ）に示すように、ロッド１２１が伸長して、カッタヘッド１１が前進しながら掘削を行っている際にも、スプレッタ１２２はセグメント１０１に当接して固定されており、スプレッタ１２２に取り付けられた測量機器２は移動しないので、把握した測量機器２自身の位置がずれることがなく、測量を継続することができる。
この時、カッタヘッド１１に設けたターゲット１０２ａ，１０２ｂは移動しているが、測量時点におけるターゲット１０２ａ，１０２ｂの位置を瞬間的に検出するので、特に問題はない。なお、シールドジャッキ１２のジャッキストロークなどの掘進データを把握し、これを考慮してターゲット１０２ａ，１０２ｂの位置を把握するようにしても良い。例えば、ターゲット１０２ａを視準した後、ターゲット１０２ｂを視準する場合に、ターゲット１０２ａからターゲット１０２ｂを視準する時間差に生じたジャッキストロークなどの掘進データを考慮して、ターゲット１０２ｂの位置を検出して測量を行う。

シールド掘進機１が所定距離前進したら、図１（ハ）に示すように、ロッド１２１を退縮させ、新たなセグメント１０１を構築する。
この時、スプレッタ１２２と共に測量機器２も移動するので、この間の測量は中断となる。

セグメント１０１の構築が終了したら、再度、スプレッタ１２２をセグメント１０１に当接させ、掘進及び測量を再開する。

測量機器２は、スプレッタ１２２のうち比較的見通しが良くなることが多い上部、本実施例では１２時方向付近のスプレッタ１２２に設けたので、視準において障害物が存在することが少ない。
測量機器２は、常にシールド掘進機１とともに移動するので、測量を行う際に持ち運ぶ必要がない。
掘削坑１００が湾曲しているなどで、シールド掘進機１の前進に伴って、測量機器２で後方の基準点を視認できなくなる場合には、基準点の盛替えを行って、当該基準点に後視点用ミラーを設置する。

〔その他の変形例〕
本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば以下のようなものも含まれる。

本実施形態では、シールド工法のシールド掘進機における測量装置を説明したが、これに限られない。例えば、推進ジャッキを備えたＴＢＭ工法の掘削機であっても良い。

本実施形態では、水平維持装置が測量機器の揺動を規制する締付装置を備えているが、掘進中であるのでスプレッタは動いておらず、スプレッタに設けられた測量機器も動かないので、そのまま測量を行うことが可能である。しかし、測量時に締付装置によって揺動をロックして測量を行うようにしても良い。

本実施形態では、測量機器としてトータルステーションを用いているが、その他の測量機器であってもよい。例えば、オートレベルなどの水準器であっても良い。この場合には、測量する位置は、高さだけになる。

水平維持装置の構造は、上記実施形態に限定されず、測量機器の水平性を確保できるものであればよい。

１ シールド掘進機
１０ スキンプレート
１１ カッタヘッド
１２ シールドジャッキ
１２０ シリンダ（基部）
１２１ ロッド
１２２ スプレッタ
１３ 隔壁
２ 測量機器
３ 保護ボックス
３０ 底板
３１ 天板
３２ 側板
３３ 固定ネジ
４ 水平維持装置
４０ 基板
４１ 上部支軸
４２ 下部支軸
４３ 上部球体
４３０ 回転抑制リブ
４４ 下部球体
４４０ 回転抑制リブ
４５ 前部挟持板
４６ 後部挟持板
４７ 連結ネジ
４８ スプリング
４９ 締付装置
５０ マグネット
５１ 上部嵌合凹部
５２ 下部嵌合凹部
１００ 掘削坑
１０１ セグメント
１０２ａ，１０２ｂ ターゲット

Claims (6)

1. 推進ジャッキを備えたトンネル掘削機の測量装置であって、
   位置が既知である基準点を視準することにより自身の位置を検出し、前記トンネル掘削機を測量する測量機器を有し、
   前記推進ジャッキは、前記トンネル掘削機とともに前進する基部と、該基部に対して伸縮し、伸長時に、掘削坑内に構築された既設のセグメントを後方へ押圧する押圧部とを備えており、
   前記測量機器は、前記押圧部に設置されている
   ことを特徴とするトンネル掘削機の測量装置。
2. 前記押圧部は、後端に既設のセグメントに当接するスプレッタを備えており、
   前記測量機器は、前記スプレッタに設置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機の測量装置。
3. 前記測量機器は、前記押圧部に水平維持装置を介して吊り下げられている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル掘削機の測量装置。
4. 前記水平維持装置は、
   前記押圧部に取り付けられる基板と、該基板から下方へ延びる上部支軸と、該上部支軸と同軸上に設けられた下部支軸と、前記上部支軸の下端部及び前記下部支軸の上端部にそれぞれ設けられた上部球体及び下部球体と、前記上部球体及び下部球体を前後から揺動可能に挟む前部挟持板及び後部挟持板とを備えている
   ことを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削機の測量装置。
5. 前記上部球体及び下部球体の外面に、前記上部支軸及び下部支軸を中心とする前記前部挟持板及び後部挟持板の回転を規制する回転抑制リブが形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削機の測量装置。
6. 前記押圧部に水平維持装置を介して保護ボックスが吊り下げられ、該保護ボックス内に前記測量機器が設置されている
   ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のうちいずれか１項に記載のトンネル掘削機の測量装置。

Images