JPH04127014A - シールド測量方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、シールド測量方法に関するものである。さ
らに詳しくは、この発明は、シールド工法において計画
線に沿ってのトンネルの築造を可能にするためのシール
ド掘進坑内における測量方法に関するものである。

（従来の技術とその課題） 従来より、シールド掘進坑内において、シールド掘進機
が牽引している後方台車に位置する既知点からシールド
掘進機まで後方台車に沿って軌道を設置し、その軌道に
沿って走行する移動計測装置にジャイロコンパスまたは
加速度計を搭載し、その移動計測装置の走行部に設置し
たロータリーエンコーダで走行距離を測定することによ
り、後方台車に位置する既知点を基にシールド掘進機の
位置を自動的に測定する方法が知られている。

しかしながらこの方法においては、移動計測部の軌道が
先端のシールド掘進機に機械的に結合されているため、
シールド掘進機のローリング、ピッチング等の角度変位
による捻れ・引張・曲げなどが生じた場合にも、それに
対応しつつ正確な計測が可能となる軌道形状を保持しな
ければならない。この条件を満たす軌道を設置すること
は難しく、特殊な材質の軌道とすることや、特殊な敷設
技術が要求される。

また、もう一つの方法として、３個の輝点と反射プリズ
ムからなる、シールド掘進機上に設置されたターゲット
部と、このターゲットに対向するテレビカメラとターゲ
ットまでの距離を計測する光波距離計からなる、シール
ド掘進機の後方、たとえばセグメントの天端に固定され
た計測装置とによって、シールド掘進機のピッチング、
ローリング、ヨーイング、そして位置を測定する方法が
知られている。

しかしながら、この方法では、光波距離計がプリズムを
常に規準していることを計測条件とする、追従用のモー
ター等の装置が必要である。これらの装置はいずれも精
度の高いものが要求され、高コストな方法であるという
経済面での課題が残されている。

（課題を解決するための手段） そこでこの発明は、以上の通りの従来方法の欠点を解消
するものとして、移動計測部をシールド掘進機の付近ま
で走行させ、そこから非接触でシールド機の位置姿勢を
計測し、移動計測部により測定した軌跡と、非接触で計
測したシールド掘進機の位置姿勢をあわせて演算するこ
とにより、上記軌道をシールド機に固定することなくシ
ールド掘進機の正確な位置・姿勢を求めることかできる
ようにする。

また、後方台車・シールド掘進機間の距離がほぼ一定で
あることに着目し、自動追尾、距離計を必要としないよ
うにもする。

すなわち、この発明は、上記の移動計測部をシールド掘
進機後方台車の先頭台車位置まで走行させ、その軌跡を
求めつつ、先頭台車上の固定点に設けたテレビカメラ等
の撮像装置により前方のシールド掘進機に固定された２
個の輝点を規準してその３次元位置を正確に測定し、移
動計測部により測定された先頭台車の位置をもとにして
輝点の位置を算出することにより、基準点に基づいたシ
ールド掘進機の位置および姿勢を検出する。

この発明の方法は、より具体的には、シールド掘進機に
固定された２個の輝点と、後方台車の固定点上に設けた
テレビカメラ等の撮像装置、および撮像装置の画像信号
を処理する画像処理装置によって可能となる。撮像装置
は２個の起点を規準し、その画像信号を画像処理装置で
処理して輝点の２次元の位置を得る。そして、シールド
掘進機と後方台車を連結するワイヤ等の長さ、固定点の
位置、撮像装置の設置位置などを予め測定し、併せて演
算することにより、後方台車を基準とした２個の輝点の
３次元位置を、さらには２個の輝点の相対位置から姿勢
角を算定することができる。

また、２個の輝点のシールド掘進機上の取付位置・寸法
などを予め測定しておき、これらの量を併せて計算する
ことにより、シールド掘進機の任意の点の３次元位置を
求めることもできる。そして、前述の移動計測部により
測定された後方台車の位置を合わせることにより、基準
点をもとにしたシールド掘進機の正確な位置と姿勢を得
ることが可能になる。シールド掘進機に固定するターゲ
ット部としては、２個の輝点と、それらを支えるシール
ド機に固定するための支持アームからなり構成とするこ
とができる。このターゲット部を規準し、シールド機の
後方たとえば後方台車の固定点に設置されたテレビカメ
ラと、テレビカメラの画像信号を受けて画面上の物体の
重心位置の座標を求める処理を行う画像処理装置からな
る画像検出部と、シールド掘進機ピッチング角およびロ
ーリング角を検出する２個の傾斜計からなる傾斜角検出
部と、さらに、画像処理装置から処理結果を受は取り、
輝点の３次元位置および姿勢角の計算を行うデータ処理
部とによりこの発明の方法のための測量系を構成するこ
とができる。

（実施例） 以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の
測量方法をさらに詳しく説明する。

第１図は、シールドトンネル工事における測量装置の構
成部の位置づけを例示したものである。

シールド掘進機（１）およびこのシールド掘進機（１）
後方に組み込まれたセグメント（２）、後方台車（先頭
台車）（３）および移動測量部軌道（４）がまず示され
る。

そしてこの図中のＡはシールド掘進機（１）上に設置さ
れたターゲット部を、Ｂはシールド掘進機（１）後方（
たとえば後方台車上）に設置された画像検出部を、Ｃは
シールド掘進機（１）に設置された傾斜検出部、そして
Ｄはデータ処理部を示している。

ターゲット部Ａは、タープ・ソト支持アーム（１１）を
介して輝点（１２）および輝点２（１３）を有し、この
２個の輝点のそれぞれは例えば白熱電球等からなり、そ
の基本的配置は第２図に例示した通り、シールド掘進機
（１）後方から前方を見ると、シールド掘進機（１）の
スクリューコンベア（５）等に取付けた状態で、縦方向
（上下）に配置されており、シールド掘進機の真横から
水平方向に見ると一定の傾斜を持って設置されている。

輝点間の水平方向には間隔ＡＨが、また、鉛直方向には
間隔ＥＶが設けられている。

次に、検出部Ｂは、たとえば、タープ・ソトを規準する
テレビカメラ（１４）と、テレビカメラ（１４）が捕ら
えたタープ・ソトの位置を割り出す画像処理装置（１５
）と、テレビカメラ（１４）が捕らえた画像を表示する
モニターテレビ（１６）とを有している。

傾斜角検出部Ｃは、シールド掘進機のピ・ソチング角お
よびローリング角を検出する２個の傾斜計、すなわちロ
ーリング傾斜計（１７）　、ピッチング傾斜計（１８）
とを有している。計測された傾斜角度はデータ処理部り
へ送信される。

データ処理部りは、前記画像処理装置より位置データを
受は取り演算処理を行うパーソナルコンピュータ（１９
）と、その画像出力部たるＣＲＴ（２０）、記録部たる
ディスクユニット（２１）で構成することかできる。

次に、この発明の測量方法について、その基本的な計算
の考え方を説明する。まず、シールド掘進機のヨーイン
グ角の計算について説明し、続いてターゲット輝点の３
次元位置の計算について説明する。

はじめに、第３図から第５図までを用いて、ヨーイング
角の計算の基本的な考え方を説明する。

第３図は、シールド掘進機（１）が右折している状態に
おけるテレビカメラ（１４）とシールド掘進機（１）、
シールド掘進機（１）に設置されたターゲット部Ａの位
置関係を示す平面図である。

第４図は、シールド掘進機（１）と後方台車（３）か第
３図の位置関係にある状態でのテレビカメラ（１４）が
捕らえる画像を示している。そして、第５図ではヨーイ
ング角を計算するための要素であるターゲット部Ａの姿
勢と寸法を図示したものである。

シールド掘進機（１）が後方台車（３）に対して真正面
の方向に進んでいる状態では、テレビカメラ（１４）に
映る２個の輝点（１２）（１３）は縦方向に並んでいる
。しかし、シールド掘進機（１）か右折または左折する
とき、第４図に示したように、画面上の２個の輝点（１
２−）（１３−）はヨーイング角に比例した量のずれＸ
を見せながら横方向に移動する。ターゲット部の支持ア
ーム（１１）の水平方向の間隔ＩＮは予め測定されてい
る。すると、第５図に示したように、検出されたずれの
量ＸとＩＨとの商が正弦である角度を求めることでヨー
イング角ψがψ＝Ｓｉｎ　’（ｘ／βＨ）で算出できる
。

ここで、シールド掘進機（１）がピッチング角・ローリ
ング角を持つ場合、テレビカメラ（１４）で捕らえた輝
点の位置からはヨーイング角を直接求めることはできな
いが、これらの傾斜は傾斜角検出部Ｃによりわかってい
るので簡単な座標変換により予め補正を行うことができ
る。従って、ヨーイング角は前述のとおり簡単に求める
ことができる。

次に、第６図および第７図を用いてターゲット部への２
個の輝点（１２）　　（１３）の３次元位置を求める計
算の基本的な考え方について説明する。

第６図はシールド掘進機（１）か右折中の状態を示した
平面図である。また、第７図は、位置計算の要領を説明
するため、主要座標軸に第６図の計算要素を記述した平
面図である。

第６図および第７図の記号は次のものを示している。

ＰＬ　　後方台車側牽引ワイヤー固定点Ｐ２　シールド
掘進機側ワイヤー固定点Ｑ　　後方台車に定める固定点 ψ　　シールド掘進機ヨーイング角 Ｔ　　シールド掘進機テール位置 Ｈシールド掘進機先端位置 β　　真北に対する後方台車の向き角度Ｎ　　真北方向
（ジャイロコンパス読み）（Ｙ＋、Ｚ＋）テレビカメラ
から見た輝点（１２）の位置 （Ｙ２．Ｚ２）テレビカメラから見た輝点（１３）の位
置 第７図に示したように、輝点（１２）　　（１３）の位
置は、後方台車に定める固定点Ｑを原点とし、ジャイロ
コンパスが示す真北方向と水平面の交差する軸をＹ軸、
鉛直方向をＺ軸、そしてこのＺ軸とＹ軸に垂直で、かつ
シールド掘進機（１）の進行方向に近い方向をｙ軸と設
定した座標軸における輝点の座標（Ｘ＋　、Ｙ＋　、Ｚ
＋　）、（Ｘ２゜Ｙ２，２りの値で表現される。

この位置を求める上で、後方台車上のテレビカメラ（Ｉ
４）から、この後方台車の前方をｙ軸、鉛直方向をＺ軸
、ｙ軸と２軸に垂直な方向をｙ軸と設定した座標系にお
ける輝点（１２）および輝点（１３）の縦面座標（Ｙｌ
、Ｚｌ）および（Ｙ２．Ｚ２）が検出される。そして、
ワイヤーの長さしおよびターゲット部とシールド掘進機
（１）におけるワイヤーの固定点とターゲットの間の位
置関係は予め測定しである。これらの数量を演算するこ
とで、輝点の座標の計算か可能になる。以下に、この計
算の要領を説明する。

すなわち、まず、第７図において４つの座標系を定義す
る。

（１）座標系Ｏ 原点＝後方台車におけるワイヤーの固定点Ｉ Ｘ軸＝台車正面方向に沿った軸 Ｙ軸＝Ｘ軸に垂直な面において、水平方向の軸 Ｚ軸＝同上、鉛直方向の軸 （２）座標系Ｏ′ 原点＝シールド掘進機におけるワイヤーの固定点Ｐ２ Ｘ′軸−台車正面方向に沿った軸 Ｙ′軸＝Ｘ＝軸に垂直な面において、水平方向の軸 Ｚ−軸一同上、鉛直方向の軸 （３）座標系Ｏ” 原　点＝シールド掘進機におけるワイヤーの固定点Ｐ２ Ｘ”軸＝シールド掘進機の進行方向に沿った軸 Ｙ”軸＝Ｘ”軸に垂直な面において、横方向の軸 Ｚ”軸＝同上、縦方向の軸 （４）座標系Ｑ 原　点＝後方台車に定める固定点Ｑ ＸＱ軸＝ＹＱ　ＺＱに垂直な軸 ＹＱ軸軸木水平方向真北方向の軸 ＺＱ軸＝鉛直方向の軸 輝点の位置を求めるには、０”系においてわかっている
輝点の座標がＱ系ではどの様な値になるのかを計算する
ことにより求めることができる。

この計算は、基本的には第７図にも示した３段階の座標
変換計算からなる。

段階ｌ：座標系Ｏ”から座標系Ｏ′への変換原点Ｐ２を
中心とし、ヨーイング、ピッチング、ローリングの順に
座標軸回転計算を行う。

段階２：座標系Ｏ′から座標系Ｏへの変換原点Ｐ２から
原点Ｐ１への座標軸平行移動計算を行う。

段階３：座標系Ｏから座標系Ｑへの変換まず、シールド
掘進機における原点Ｐ２から後方台車における原点ＰＩ
への座標軸平行移動計算を行い、続いて後方台車の座標
軸の向きから真北の方向へβ′の座標軸回転計算を行う
。

これらの方法による計算を、実際の計測データをもとに
パーンナルコンピュータで行うことにより、極めて短時
間に位置・姿勢の計算を行うことができる。

以上のような計算を行うことにより、シールド掘進機の
位置・姿勢が極めて簡易に測量することができる。

もちろん、この発明の測量方法においては、具体的測量
装置系の構成について様々な態様が可能であることはい
うまでもない。

（発明の効果） 以上詳しく説明した通り、この発明においては、シール
ド掘進機の位置は後方から非接触で測定するので、移動
計測軌道をシールド掘進機に結合する必要性がなくなり
、測量精度が向上する。

一方、ワイヤの長さを距離算定要素として用いることに
より、従来の自動追尾機構及び光測用の必要性がなくな
る。このため、経済的な測量方法が実現可能になる。

さらに、シールド掘進機ピッチング・ローリングを傾斜
計で測定することにより、ターゲットの輝点を２個に削
減した。このことからターゲットの設置が容易になり、
小口径シールド工事にも十分対応できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の測量方法に用いる装置の構成例を
示した平面配置図であり、第２図は、ターゲット部につ
いて示した斜視図である。 第３図は、ターゲット部とテレビカメラとの位置関係を
例示した平面図であり、第４図はテレビカメラがとられ
た輝点の位置画像図であり、さらに第５図は、ターゲッ
ト部の姿勢と寸法とを示した平面図である。 第６図は、３次元位置の算出のための位置関係を示した
平面図であり、第７図は、その算出のための座標系を示
した平面図である。 １・・・シールド掘進機 ２・・・セグメント ３・・・後方台車 ４・・・移動計測部軌道 ５・・・スクリューコンベア １１・・・ターゲット支持アーム １２．１３・・・輝　点 ４・・・テレビカメラ ５・・・画像処理装置 ６・・・モニターテレビ ７・・・ローリング傾斜計 ８・・・ピッチング傾斜計 ９・・・パーソナルコンピューター 〇・・・ＣＲＴ ■・・・ディスクユニット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シールド坑内において、シールド掘進機が牽引す
   る後方台車の固定点に撮像装置を設置し、シールド掘進
   機の固定点２ヵ所に輝点を設け、撮像装置からこの２ヵ
   所の輝点を規準することにより、シールド掘進機の２ヵ
   所の輝点の３次元座標を自動測量することを特徴とする
   シールド測量方法。
2. （２）移動計測部の走行による軌跡計測とを組合わせる
   請求項（１）のシールド測量方法。