JPH09243365A - 位置検出装置、測量方法及び掘削方向制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シールド機による小径のトンネルの掘削で
は、シールド機の後方の支援設備等により、後方から光
学的にシールド機を測量するのが困難であった。 【解決手段】 シールド機１０の位置の測量に、互いに
屈曲可能に連結され、各連結部２２間の長さが既知の定
規体２１を用いる。連結部２２に定規体２１の屈曲方向
を検出する屈曲方向検出部２２を設けることで、最後部
の定規体２１ｂから先頭部の定規体２１ａの位置がわか
る。この際に、途中の定規体２１は、どのように配置さ
れても良い。また、最後部の定規体２１ｂの位置は、基
準点Ｏに配置されたトータルステーション２８により測
量する。また、定規体２１に対するシールド機１０の位
置は、先頭部の定規体２１ａに配置されたトータルステ
ーション２５により測量する。従って、基準点Ｏとシー
ルド機１０との間に障害物や湾曲部があっても、基準点
Ｏからシールド機１０の位置を測量することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、掘削中のトンネル
の先端位置等のように周囲からの測量が困難な場所にお
ける位置を検出可能な位置検出装置と、該位置検出装置
を用いた測量方法と、上記位置検出装置を用いたシール
ド機の掘削における掘削方向制御システムとに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トンネルの構築においては、掘
削途中のトンネル内において測量を行い、トンネルの掘
削された部分の正確な位置を求めるとともに、求められ
た位置に基づいて掘削中のトンネルの経路を予め設計さ
れた経路にほぼ合わせるようにする必要がある。例え
ば、シールド機により大口径（口径が４ｍよりさらに大
きいもの）のトンネルを掘削する場合には、光学式測量
機（例えばトータルステーション）により、シールド機
の現在位置を測量し、この測量結果に基づいてシールド
機の掘削方向を制御している。

【０００３】また、トータルステーションには、自動的
に移動する目標を追尾して基準点から目標に対する方向
と距離を自動的、かつ、ほぼ連続的に計測可能な自動追
尾型のものが開発されている。上記自動追尾型トータル
ステーションを用いれば、シールド機の位置の変化をほ
ぼリアルタイムでほぼ連続的に検知することが可能とな
り、掘削すべき経路に沿うようにシールド機の掘削方向
を連続的に制御することができる。したがって、シール
ド機の掘削方向の制御を容易に自動化することが可能と
なる。

【０００４】従来、このような自動追尾型トータルステ
ーションを用いて、シールド機の位置を検出するととも
に、シールド機の姿勢を何らかの方法で検出し、これら
のデータと設計路線のデータとから、設計路線に合わせ
てトンネルを掘削するための最適なシールド機の掘削方
向を求め、シールド機を推進させるためのジャッキを制
御することによりシールド機の掘削方向を制御するシス
テムが提案されている。

【０００５】しかし、小口径（例えば、口径が４ｍ程度
より小さいもの）のシールド工法によるトンネルの掘削
においては、光学式測量機による測量が困難であり、ジ
ャイロ方式による測量が行われている。これは、掘削中
のシールド機の後方において、掘削土砂の搬出用、セグ
メントの供給用の台車が行き来するとともに、電力や油
圧の供給等のシールド機の支援用の台車や設備が配置さ
れているので、小口径のトンネルにおいては、光学式測
量機で測量するための見通し（距離測定用の光波や位置
の基準となるレーザ光線の経路）を確保することが困難
だからである。

【０００６】上記ジャイロ方式においては、ジャイロに
よりシールド機の姿勢（角度）を測定するとともに、推
進ジャッキのストロークを基にして掘進距離を推定し、
掘削されたトンネルの経路及びシールド機の現在位置を
判断している。なお、上記ジャイロ方式においては、シ
ールド機に搭載されたジャイロのデータと推定された掘
進距離により、シールド機の掘削方向を制御するので、
測量機器を移動する手間があまりかからない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シールド機
によるトンネルの掘削においては、掘削部分の土砂の強
度の相違等により、シールド機が横滑りして平行移動す
ることがあり、このような場合には、シールド機の角度
（姿勢）と掘進距離とから位置を割り出すと誤差が生じ
ることになる。

【０００８】また、ジャイロ方式が用いられるのは、上
述のように光学的な測量が困難な場合なので、掘進距離
の推定が繰り返し行われることになる。そして、シール
ド機の位置が求められることになるが、前に測定された
位置を基準として次に測定した際の位置を求めた場合に
は、上述のような誤差が累積され、大きな誤差を生じる
恐れがある。したがって、トンネルの掘削された部分に
おいて、上記トータルステーション等を用いて確認測量
を行い誤差を補正する必要があった。すなわち、ジャイ
ロ方式では、別の手段にて測量データを入力することに
より、掘進距離及び位置等の補正を行っているのが現状
である。

【０００９】また、大口径のトンネルの施工で用いられ
る光学式測量において、トンネルが直線状の場合には、
長い距離に渡った見通しを確保できるので、容易に測量
を行うことができるが、トンネルの湾曲部分において
は、短い距離でしか見通しを確保することができないの
で、頻繁に光学式測量機の盛り替えを行う必要がある。
また、光学式測量機の盛り替えにおいては、光学式測量
機の設置位置が正確に測定されていないと、測定に誤差
が生じるので、設置位置を正確に測量する必要があり、
極めて手間のかかる作業が必要となる。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、小口径のトンネルにおいても、正確な測量を可
能とし、かつ、大口径のトンネルにおいてトンネルの湾
曲部分における測量の手間を省力化することが可能な位
置検出装置及び該位置検出装置を用いた測量方法及び上
記位置検出装置を備えた掘削方向制御システムを提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
位置検出装置は、互いに屈曲可能に一列に連結され、か
つ、各連結部間の長さが既知である複数の定規体と、こ
れら各定規体同士の各連結部分における一方の定規体に
対する他方の定規体の屈曲方向をそれぞれ検出する屈曲
方向検出手段と、互いに連結された複数の上記定規体の
うちの最後部に配置された定規体の向いた方向を検出す
る最後部方向検出手段と、上記最後部方向検出手段によ
り検出された最後部の定規体の方向と、上記屈曲方向検
出手段に検出された各定規体同士の連結部分における屈
曲方向と、各定規体の連結部間の長さとに基づいて、最
後部の定規体に対する先頭部の定規体の位置を算出する
位置演算手段とを具備してなることを上記課題の解決手
段とした。

【００１２】上記構成によれば、障害物により基準点か
ら目標点を光学的に測量することが困難な場合、特に、
障害物を避けて測量するために複数回の基準点の盛替が
必要な場合や、障害物を避けて基準点を盛り替えること
が困難な場合に、上記最後部の定規体を基準点に配置
し、かつ、先頭部の定規体を目標点に配置すれば、最後
部方向検出手段により、最後部の定規体の方向を検出す
るとともに、上記屈曲方向検出手段により定規体同士の
各連結部の屈曲方向を検出することにより、各定規体の
連結部間の距離が既知なことから、基準点から目標点ま
での間において、順次、各連結部までの距離と方向とが
わかるので、最後部の定規体に対する先頭部の定規体の
位置を求めることができる。

【００１３】従って、基準点に対する目標点の相対位置
を容易に算出することができるとともに、基準点の絶対
位置がわかっていれば、目標点の絶対位置を求めること
ができる。なお、上記定規体は、長さが既知で、且つ、
その連結部がボールジョイント等のように連結された一
方の定規体に対して他方の定規体が揺動自在、すなわ
ち、上下左右に屈曲自在となっていれば、基本的にはど
のようなものでも良い。

【００１４】また、連結部の屈曲方向検出手段は、機械
的、電気的もしくは光学的に連結された定規体間の一方
の定規体に対する他方の定規体の屈曲方向が測定できる
ものならばどのようなものでも良く、例えば、周知のロ
ータリーエンコーダや、レーザー射出装置とレーザーの
受光位置を検出可能なスクリーンとを用いたものなどを
屈曲方向検出手段として用いることができる。また、上
記レーザー射出装置とスクリーンとを用いた方法におい
ては、連結された定規体の一方にレーザー射出装置を設
け、他方の定規体に上記レーザー射出装置から射出され
るレーザーを受光するとともに、受光位置を検出するこ
とが可能なスクリーンを設けることにより、連結された
定規体同士を屈曲させた場合のスクリーン上のレーザー
の照射位置の変化から定規体同士の屈曲方向を測定でき
るようになっている。

【００１５】また、最後部方向検出手段は、最後部の定
規体の方向を検出できるものならばどのようなものでも
良く、例えば、ジャイロなどを用いることができる。ま
た、トータルステーションなどにより最後部の定規体上
の二点以上の点を測量したり、上記レーザ照射装置とス
クリーンもしくは二重のスクリーンとを用いたりするこ
とができる。また、上記位置演算手段は、周知のＭＰＵ
（microprocessor unit）などのように演算処理が可能
な素子等を用いた専用の回路や、汎用のコンピュータシ
ステムなどを用いることができる。

【００１６】本発明の請求項２記載の位置検出装置は、
予め位置が測量された基準点に設置され、かつ、該基準
点に対する上記最後部の定規体の位置を光学的に測量す
る最後部測量手段と、上記先頭部の定規体に設けられ、
該先頭部の定規体に対する任意の目標点の位置を光学的
に測量する目標位置測量手段とが備えられ、上記位置演
算手段が、上記最後部測量手段により測量された上記基
準点に対する最後部の定規体の位置と、上述のように算
出された最後部の定規体に対する先頭部の定規体の位置
と、上記目標位置測量手段により測量された上記先頭部
の定規体に対する目標点の位置とから上記基準点に対す
る目標点の位置を算出することを上記課題の解決手段と
した。

【００１７】上記構成によれば、基準点と目標点との間
に障害物がある場合に、基準点から目標点を測量する際
に、基準点に最後部測量手段を配置し、基準点から光学
測量可能な位置に上記最後部の定規体を配置し、先頭の
定規体に設けられた目標位置測量手段により目標点が光
学的に測量可能となるように先頭部の定規体を配置し、
最後部の定規体と先頭部の定規体との間の定規体を上記
障害物を避けるように配置すれば、基準点から目標点を
測量することが可能となる。

【００１８】すなわち、上述のように定規体を配置した
場合には、基準点の配置された最後部測量手段により、
基準点に対する最後部の定規体の位置を測量することが
でき、最後部の定規体に対する先頭部の定規体の位置を
上述のように検出することができ、先頭部の定規体に設
けられた目標位置測量手段により、先頭部の定規体に対
する目標点の位置を測量することができる。従って、基
準点と目標点との間に障害物があっても、基準点から目
標点の位置を測量することができる。

【００１９】例えば、小口径のトンネルの掘削に際し
て、シールド機の後方に各種台車や設備が配置されて基
準点からシールド機まで光学的に測量が可能な見通しが
確保できなくとも、シールド機の後方から定規体を連続
して配置し、かつ、最後部の定規体を各種台車や設備よ
りも後方に配置することにより、基準点からシールド機
の位置を容易に測定することが可能となる。

【００２０】また、上記定規体をトンネルの湾曲した部
分に配置することで、湾曲したトンネルにおいて、基準
点から湾曲部を超えてシールド機の位置の測量を行うこ
とができる。なお、上記位置検出装置は、トンネル内の
シールド機の位置検出に限られるものではなく、上述の
ように光学的測量に際して、見通しが確保できない部分
の測量や位置検出に好適に用いることができる。

【００２１】また、上記最後部測量手段は、例えば、周
知のトータルステーションを用いることができるが、基
本的に、基準点から最後部の定規体に対する方向と距離
とを測量できるものならば良い。また、最後部測量手段
を、自動追尾型のトータルスーテーションとしても良
く、この場合には、最後部測量手段から光学的に測量が
可能な範囲内で、かつ、自動追尾が可能な範囲内なら
ば、最後部の定規体が移動しても、自動的に最後尾の定
規体を追尾して最後部の定規体の位置を継続して検出す
ることができる。

【００２２】また、最後部測量手段を自動追尾型のトー
タルスーテーションとするとともに、最後部方向検出手
段及び屈曲方向検出手段において常時方向の検出を行う
ものとすれば、最後部の定規体が上記範囲内からでない
状態で、定規体が移動しても、先頭の定規体の位置をほ
ぼリアルタイムに算出することができる。目標位置測量
手段は、基本的に先頭部の定規体から目標点に対する距
離と方向とを測量できれば良く、上記最後部測量手段と
同様の構成で良い。

【００２３】そして、目標位置測量手段を自動追尾型の
トータルステーションとすれば、目標点が移動しても、
先頭の定規体から目標点の位置をほぼリアルタイムに算
出することができる。従って、目標位置測量手段及び最
後部測量手段を自動追尾型のトータルステーションとす
れば、基準点に対して、定規体及び目標点がそれぞれ移
動しても、目標点の位置をほぼリアルタイムに算出する
ことができる。

【００２４】本発明の請求項３記載の位置検出装置は、
一列に互いに連結された複数の台車が備えられ、各台車
と各定規体とを対応させるとともに、上記台車同士の連
結部の位置と上記定規体の連結部の位置とを対応させて
上記定規体が台車に載せられていることを上記課題の解
決手段とした。

【００２５】上記構成によれば、上記定規体を台車によ
り容易に移動することが可能となる。また、位置検出装
置を小口径のシールド機の位置の測定に用いた場合、す
なわち、目標点をシールド機とし、障害物をシールド機
の支援設備（土砂やセグメントの搬出搬入用の台車は除
く）とした場合には、シールド機の後方に配置される支
援設備を上記定規体が載せられた台車に載置するように
することで、定規体が障害物を避けて配置された状態と
なる。

【００２６】すなわち、シールド機を目標点とした場合
に、先頭部の定規体にシールド機を目標点とする目標位
置測量手段を設けることにより、先頭部の定規体からシ
ールド機までの位置関係を把握することができ、支援設
備を台車に載せてしまうことで、基準点から見通しのき
く位置に最後部の定規体を配置することができるので、
結果的に既に掘削されたトンネル内において、基準点か
らシールド機までの見通しがなくとも、基準点からシー
ルド機の位置を測定することができる。なお、上記台車
は、特に限定されるものではないが、トンネル内に土砂
の搬出及びセグメントの搬入用の軌道とは別に、支援設
備の台車用の軌道が設けられる場合には、該軌道上を走
行する台車とすることが好ましい。

【００２７】本発明の請求項４記載の測量方法は上記請
求項２または３に記載された位置検出装置を用いたもの
であり、予め位置が測量された基準点に最後部測量手段
を配置し、上記最後部の定規体を上記最後部測量手段に
より光学的に測量が可能な位置に配置するとともに、上
記目標位置測量手段の設けられた先頭部の定規体を上記
目標位置測量手段により測量すべき目標点の光学的測量
が可能な位置に配置し、次いで、上記最後部測量手段に
より基準点に対する最後部の定規体の位置を測量し、上
記最後部方向検出手段により最後部の定規体の方向を検
出し、上記屈曲方向検出手段により各定規体の屈曲方向
を検出し、上記目標位置測量手段により先頭部の定規体
に対する目標点の位置を測量し、上記位置演算手段によ
り、上記基準点に対する上記目標点の位置を算出するこ
とを上記課題の解決手段とした。

【００２８】上記構成によれば、上記請求項２または３
に記載の構成の場合と同様に障害物などにより基準点か
ら目標点まで光学的な測量が無理な場合に、上記定規体
により障害物を迂回して基準点から目標点までの測量を
行うことができる。

【００２９】本発明の請求項５記載の掘削方向制御シス
テムは、上記請求項３記載の位置検出装置を用いたシー
ルド機による掘削におけるものであり、上記目標位置測
量手段及び最後部測量手段を有し、かつ、シールド機を
目標点とする位置検出装置と、該位置検出装置により検
出されたシールド機の位置に基づいてシールド機の推進
用ジャッキの駆動を制御してシールド機の掘削方向を制
御する制御手段とを具備してなり、上記シールド機を光
学的に測量可能な位置に上記先頭部の定規体を載せた台
車が配置されるとともに、上記基準点から光学的に測量
可能な位置に上記最後部の定規体を載せた台車が配置さ
れるように、上記互いに連結された定規体を載せた台車
が配置され、上記位置検出装置の位置演算手段が、上記
最後部測量手段、上記最後部方向検出手段、上記屈曲方
向検出手段、上記目標位置測量手段により求められた情
報に基づいて、上記基準点から目標点となる上記シール
ド機の位置を算出し、上記制御手段が上記位置検出装置
により求められた上記目標点となるシールド機の位置
と、予め設定されたシールド機の予定経路とに基づい
て、シールド機の推進用ジャッキを制御することを上記
課題の解決手段とした。

【００３０】上記構成によれば、上述のように小口径の
シールド機の場合に後方の支援設備により基準点からの
見通しが確保できなくとも、基準点からシールド機の位
置を追尾することが可能であり、上記シールド機の追尾
された位置に基づいて、小口径のシールド機において
も、大口径のシールド機と同様にシールド機の推進用ジ
ャッキによりシールド機の姿勢を制御することが可能と
なり、小口径のシールド機において、掘削方向の制御の
自動化を図ることができる。また、大口径のシールド機
において、上記定規体が載置された台車を、トンネルの
湾曲部に配置すれば、湾曲部において、基準点の盛替を
繰り返さなくとも、シールド機の位置を追尾して測定す
ることが可能となり、湾曲部及び湾曲部を超えた部分の
自動制御の省力化を図ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の位置検出装置、
測量方法及び掘削方向制御システムの実施の形態の一例
について説明する。なお、以下に説明する実施の形態の
一例の掘削方向制御システムは、シールド工法によるト
ンネルの構築に際し、本発明の位置検出装置及び測量方
法を応用して、シールド機の掘削方向を制御するもので
ある。

【００３２】すなわち、この一例の掘削方向制御システ
ムは、基本的にシールド工法によるトンネルの構築設備
の一部をなすものであり、図１に示すように、シールド
機１０と、該シールド機１０の位置を検出する位置検出
装置２０と、該位置検出装置２０及びシールド機１０か
ら出力されるデータに基づいてシールド機を制御する制
御部３０と、上記位置検出装置２０を搭載するとともに
シールド機１０の支援設備を搭載する互いに連結された
複数の台車４０…とを基本構成とするものである。

【００３３】上記シールド機１０は、周知のシールド機
であるが、この一例では、図２に示す土圧シールド機１
０を用いている。なお、シールド機１０は、土圧シール
ド機１０に限定されるものではなく、周知のシールド機
１０を用いることができる。

【００３４】図２に示すように、上記シールド機１０
は、周知のように、円筒形の外板１１と、カッタービッ
トを有するディスク状もしくはスポーク状のカッター１
２と、セグメント１３…の組立用のエレクター１４と、
シールド機１０の先端部から後方側に土砂を取り込むス
クリューコンベヤ１５と、スクリューコンベヤ１５によ
り取り込まれた土砂を土砂運搬車（図示略）に積載する
ベルトコンベヤ１６と、組み立てられたセグメント１３
…から反力を取ってシールド機を前進させる油圧のジャ
ッキ１７…等とを有するとともに、切羽土圧センサ（図
５に図示）１８ａ、ガス検知器（図５に図示）１８ｂ等
のセンサと、上記ジャッキ１７…のストローク及びスピ
ード、カッター１２の回転数（回転速度）、スクリュー
コンベヤ１５のスクリュー回転数等のシールド機１０の
各種装置の作動を検出するセンサ（図示略）とを有す
る。

【００３５】また、シールド機１０は、各種センサから
の信号に基づいて、各センサの測定結果を制御部３０に
出力する作動状態出力装置（図５に図示）４１ａを有す
る。さらに、シールド機１０は、各ジャッキ１７…のス
トローク及びスピード、カッター１２の回転数、スクリ
ューコンベヤ１５の回転数等を操作する操作制御装置
（図５に図示）４１ｂを有する。

【００３６】すなわち、シールド機１０は、シールド機
１０を運転操作するために、シールド機１０の各種装置
を操作制御する操作制御装置４１ｂと、シールド機１０
の操作に際してシールド機１０の各種装置の運転状況を
表示出力するための作動状態出力装置４１ａとを有す
る。なお、操作制御装置４１ｂ及び作動状態出力装置４
１ａは、支援設備として操作盤用台車４１（図１等に図
示）に搭載されている。

【００３７】上記位置検出装置２０は、図１、図３及び
図４に示すように、互いに連結された複数の定規体２１
…と、各定規体２１…同士の連結部２２…に設けれら
れ、連結された定規体２１…の一方に対する他方の屈曲
方向を検出する屈曲方向検出部２３…と、上記シールド
機１０に取り付けられたターゲット２４及び上記定規体
２１…のうちの先頭の定規体２１ａに設けられた自動追
尾型のトータルステーション２５からなる目標位置検出
部２６と、上記定規体２１…のうちの最後部の定規体２
１ｂに設けられたターゲット２７及び予め位置が測定さ
れた基準点Ｏに設置された自動追尾型のトータルステー
ション２８からなる最後部位置検出部２９とを具備して
なるものである。

【００３８】互いに連結された複数の定規体２１…は、
この例において、円筒状に形成されたものであり、定規
体２１…同士の連結部２２…は、ボールジョイントとな
っている。そして、定規体２１…の連結部２２…間の距
離は既知ものとなっている。また、定規体２１…の連結
部２２…間の距離は、上記互いに連結された台車４０…
の連結器（図１に図示）４２…間の距離と対応したもの
となっている。

【００３９】また、各定規体２１…は、各台車４０…に
図示しない緩衝装置（図示略）を介して接合されてお
り、台車４０とともに移動可能となっているとともに、
台車４０…が移動した際に、連結された台車４０…間で
前後左右上下のずれや振動が生じても、上記緩衝装置に
より定規体２１…同士の連結が外れたり、定規体２１…
や連結部２２…に無理な力がかかったりしないようにな
っている。また、上記緩衝装置は、重力等により、定規
体２１…の上下方向を常に鉛直方向に沿わせて支持する
ようになっているとともに、連結部２２…において、ね
じれが生じないようになっている。

【００４０】また、上記ボールジョイントからなる連結
部２２…は、予め決められた許容範囲内で定規体２１…
同士を上下左右の全方向において屈曲可能に連結してい
るとともに、一方の定規体２１…から他方の定規体２１
…に挿通する挿通孔（図示略）が形成されている。そし
て、連結された定規体２１…においては、各連結部２２
…に屈曲方向検出部２３…が設けられている。

【００４１】図３に示すように、上記屈曲方向検出部２
３は、周知のものであり、互いに連結された定規体２１
…の一方の定規体２１…の連結側の端部の内部に配置さ
れたレーザー照射装置２３ａと、他方の定規体の連結側
の端部に配置されたレーザ光線を受光するスクリーン２
３ｂ及び座標検出部２３ｃとを有するものである。そし
て、レーザー照射装置２３ａは、互いに連結された定規
体２１、２１が一直線上に配置された状態で上記ポール
ジョイントの挿通孔を通して上記スクリーン２３ｂの基
準となる点（図示略）にレーザーを照射するようになっ
ている。

【００４２】また、連結された定規体２１、２１同士が
連結部２２で屈曲した場合には、その屈曲方向（角度）
に対応してスクリーン２３ｂ上のレーザ照射装置２３ａ
によるレーザーの照射位置が基準となる点からずれるよ
うになっている。また、上記スクリーン２３ｂは上述の
ようにレーザー光線を受光し、受光した部分が輝点とな
る。そして、上記座標検出部２３ｃは、例えば、ＣＣＤ
等の受光素子（撮像素子）により、スクリーン２３ｂ上
の上記輝点の位置を検出し、輝点の位置を、例えば、ス
クリーン２３ｂ上のＸＹ座標系のＸＹ座標に変換し、こ
のＸＹ座標を出力するものである。

【００４３】なお、座標検出部２３ｃを、単にスクリー
ン２３ｂの画像を出力するものとし、後述する路線管理
システム３１が、上記画像から上記輝点の位置を検出す
るものとしても良い。そして、スクリーン２３ｂの座標
検出部２３ｃから出力されたＸＹ座標は、路線管理シス
テム３１に出力され、連結部２２における一方の定規体
２１対する他方の定規体２１の屈曲方向のデータに変換
される。

【００４４】なお、上記定規体２１…においては、少な
くとも３つ以上の定規体２１…が連結された状態となっ
ているので、両端の定規体２１ａ、２１ｂを除く定規体
２１…においては、定規体２１…の一方の端部の内部に
上記レーザー照射装置２３ａが設けられ、他方の端部の
内部にスクリーン２３ｂ及び座標検出部２３ｃが設けら
れている。そして、上述のように各定規体２１…の連結
部２２…間の距離が既知で、かつ、各連結部２２…にお
ける屈曲方向が屈曲方向検出部２３により検出できるこ
とから、後述するように最後部の定規体２１ｂの方向が
わかれば、最後部の定規体２１ｂの所定部位に対する先
頭部の定規体２１ａの所定部位の相対位置を求めること
ができる。

【００４５】また、最後部の定規体２１ｂの所定部位の
絶対位置（最後部の定規体２１ｂの姿勢も含む）がわか
れば、先頭部の定規体２１ａの絶対位置がわかるように
なっている。目標位置検出部２６は、周知の自動追尾型
のトータルステーション２５と該トータルステーション
２５のターゲット２４とを有するものである。そして、
この一例においては、トータルステーション２５には、
ターゲット２４とまでの距離を光波により測定する周知
の光波測距儀２５ａと、上記屈曲方向検出部２３と同様
のレーザ照射装置２５ｂと、後述するターゲット２４か
らの信号に基づき、光波測距儀２５ａとレーザー照射装
置２５ｂの照射方向を水平面及び垂直面内でそれぞれ回
転移動させる方向制御部２５ｃと、上記方向制御部２５
ｃの移動に対応してトータルステーション２５からター
ゲット２４に対する水平角及び高度角を測定するセオド
ライト２５ｄとを有するものである。

【００４６】そして、トータルステーション２５におい
ては、上記レーザ照射装置２５ｂとターゲット２４との
後述する作用により、ターゲット２４の移動方向及び移
動量を得ることができ、上記方向制御部２５ｃにより、
光波測距儀２５ａとレーザー照射装置２５ｂの照射方向
を常時ターゲット２４に向けられるようになっている。
そして、光波測距儀２５ａによりターゲット２４までの
距離を測定できるとともに、セオドライト２５ｃによ
り、ターゲット２４の水平角及び高度角を得ることがで
きるようになっている。

【００４７】上記ターゲット２４は、基本的に上記光波
測距儀２５ａからの光波を同一方向に反射するプリズム
反射鏡２４ａと、上記レーザー光線を受光する二重のス
クリーン２４ｂ、２４ｂ及びそれぞれのスクリーン２４
ｂ、２４ｂのレーザー光線の受光位置の座標を検出する
座標検出部２４ｃ、２４ｃとを有するものである。そし
て、ターゲット２４の二重のスクリーン２４ｂ、２４ｂ
及び座標検出部２４ｃ、２４ｃは、基本的に、上記屈曲
方向検出部２３のスクリーン２３ｂと座標検出部２３ｃ
と同様のものである。そして、二重のスクリーン２４
ｂ、２４ｂにおいては、二つのスクリーン２４ｂ、２４
ｂが平行に配置されているとともに、少なくとも、前方
のスクリーン２４ｂが、レーザー光線を透過することが
可能となっている。

【００４８】そして、各スクリーン２４ｂ、２４ｂに
は、上述の屈曲方向検出部２３と同様の座標検出部２４
ｃ、２４ｃが設けられ、二つのスクリーン２４ｂ、２４
ｂ上のレーザー光線の照射による輝点の位置をそれぞれ
のスクリーン２４ｂ、２４ｂ上のＸＹ座標位置として出
力するようになっている。そして、二重のスクリーン２
４ｂ、２４ｂに対して直角にレーザー光線が照射された
場合には、前後のスクリーン２４ｂ，２４ｂの照射位置
を示すＸＹ座標が同じになり、レーザー光線の照射方向
が直角からずれた場合には、該照射方向と二枚のスクリ
ーン２４ｂ、２４ｂ同士の間隔とに基づいて、各スクリ
ーン２４ｂ、２４ｂの照射位置を示す座標位置が異なる
ものとなる。

【００４９】従って、上記座標位置のずれから二重のス
クリーン２４ｂ、２４ｂに対するレーザー光線の照射方
向、言い換えれば、レーザー光線に対する二重のスクリ
ーン２４ｂ、２４ｂを有するターゲット２４及びターゲ
ット２４が配置された移動体（シールド機１０）の角度
（姿勢）を求めることが可能となっている。そして、レ
ーザー光線の方向は、トータルステーション２５のセオ
ドライト２５ｄにより測定可能であり、上述のように二
重のスクリーン２４ｂ、２４ｂにより、レーザー光線に
対するターゲット２４及びターゲット２４が配置された
シールド機１０の方向が測定可能なことから、シールド
機１０の現在の進行方向及び姿勢の変化（ピッチング及
びヨーイング）を算出することができる。

【００５０】また、二重のスクリーン２４ｂ、２４ｂの
座標検出部２４ｃ、２４ｃは、二重のスクリーン２４
ｂ、２４ｂ上において、レーザーの照射位置の移動量及
び移動方向を検出することができるようになっており、
レーザー光線に対するターゲット２４の移動方向と移動
量を検出することができる。従って、上記座標検出部２
４ｃ、２４ｃからのデータと、光波測距儀２５ａからの
距離のデータとにより、ターゲット２４を自動追尾する
ために、光波測距儀２５ａと及びレーザー照射装置２５
ｂの照射方向を上下左右に回転移動する移動方向及び移
動量を算出できるようになっている。

【００５１】そして、上記トータルステーション２５の
方向制御部２５ｃが、ターゲット２４により求められた
ターゲット２４の移動方向と移動量に基づいて、光波測
距儀２５ａと及びレーザー照射装置２５ｂの照射方向を
移動するようになっている。すなわち、上記トータルス
テーション２５とターゲット２４とからなる目標位置検
出部２６により、ターゲット２４までの距離と、ターゲ
ット２４の方向と、ターゲット２４の姿勢（レーザ光線
に対する角度）が得られるとともに、ターゲット２４が
移動した場合にこれを自動追尾して、常時、ターゲット
２４までの距離と、ターゲット２４の方向と、ターゲッ
ト２４の姿勢を測定することができるようになってい
る。

【００５２】また、目標位置検出部２６の上記ターゲッ
ト２４が上記シールド機１０の後部の所定位置に設置さ
れるとともに、上記トータルステーション２５が上記定
規体２１…のうちの先頭の定規体２１ａの連結部２２か
ら所定の距離の位置に設置されており、上記目標位置検
出部２６は、先頭の定規体２１ａの所定位置からシール
ド機１０までの距離と、方向と、シールド機１０の姿勢
を測定できるようになっている。

【００５３】上記最後部位置検出部２９は、基本的に、
上記目標位置検出部２６と同様の構成を有するものであ
り、図３に示すように、上述の自動追尾型のトータルス
テーション２８と、ターゲット２７とを有するものであ
る。そして、上記トータルステーション２８は、光波測
距儀２８ａと、レーザ照射装置２８ｂと、方向制御部２
８ｃと、セオドライト２８ｄとを有し、上記ターゲット
２７は、プリズム反射鏡２７ａと、二重のスクリーン２
７ｂ、２７ｂと、座標検出部２７ｃ、２７ｃとを有す
る。

【００５４】そして、最後部位置検出部２９のターゲッ
ト２７が上記定規体２１…のうちの最後部の定規体２１
ｂの所定位置に設置されるとともに、上記トータルステ
ーション２８が上記基準点Ｏに設置されており、上記最
後部位置検出部２９は、基準点Ｏから最後部の定規体２
１ｂの所定位置までの距離と、方向と、最後部の定規体
２１ｂの姿勢を測定できるようになっている。

【００５５】そして、上述のように、上記最後部位置検
出部２９により基準点Ｏから最後部の定規体２１ｂの所
定位置までの距離と、方向と、最後部の定規体２１ｂの
姿勢を測定でき、かつ、定規体２１…の連結部２２…間
の距離と、連結部２２…の各屈曲方向検出部２３…から
のデータにより、最後部の定規体２１ｂの所定部位に対
する先頭部の定規体２１ａの所定部位の相対位置が算出
でき、かつ、上記目標位置検出部２６により先頭の定規
体２１ａの所定位置からシールド機１０までの距離と、
方向と、シールド機１０の姿勢を測定できることから、
上記位置検出装置２０により、基準点Ｏに対するシール
ド機１０の位置と、シールド機１０の姿勢とを知ること
ができる。

【００５６】すなわち、上記位置検出装置２０により、
シールド機１０のターゲットを、基準点Ｏに設けられた
自動追尾型トータルステーションにより直接測量した場
合と同様のデータを得ることができ、かつ、連結された
定規体２１…の部分においては、直線的な見通しを確保
する必要がなく、障害物を避けたり、湾曲した経路に対
応したりすることができる。従って、上記位置検出装置
２０によれば、基準点Ｏからシールド機１０に対して光
学的に測量可能な見通しが確保できなくとも、見通しが
確保できた場合と同様にシールド機１０の位置の測量を
行うことができる。

【００５７】上記台車４０…は、図４に示すように、シ
ールド機１０後方の組み立てられたセグメント１３…の
底部に施設される第一の軌道４４上を移動するものであ
る。なお、上記台車４０…は、基本的にセグメント１３
…の搬入及び土砂の搬出に用いられる搬送台車（図示
略）とは異なるとともに、搬送台車用の第二の軌道４５
とは異なる第一の軌道４４上を移動するようになってい
る。

【００５８】すなわち、組み立てられたセグメント１３
…の底部には、セグメント１３…の搬入及び土砂の排出
に用いられる搬送台車のための第二の軌道４５と、位置
検出装置２０を搭載した台車４０…用の第一の軌道４４
との二系統の軌道４４、４５が敷設されるようになって
いる。また、これら軌道４４、４５は、シールド機１０
の前進に伴って延長されたセグメント１３…に追従して
順次延長されるようになっている。

【００５９】そして、上記台車４０…には、位置検出装
置２０の各定規体２１…及び屈曲方向検出部２３…、目
標位置検出部２６のトータルステーション２５及び最後
部位置検出部２９のターゲット２７が載せられた状態と
なっている。また、上記台車４０…が、図４に示すよう
に、湾曲した第一の軌道４４上を走行した場合には、上
記台車４０…上の定規体２１…の各連結部２２…が屈曲
することにより、定規体２１…が湾曲した第一の軌道４
４上の台車４０…にほぼ沿って配置されるようになって
いる。

【００６０】また、上記台車４０…は、シールド機１０
用の各種支援設備（図示略）が搭載可能となっている。
例えば、先頭の台車（操作盤用台車４１）４０には、上
述のシールド機１０の作動状態出力装置４１ａ及び操作
制御装置４１ｂが設置されている。また、先頭の台車４
０に順次連結された各台車４０…には、例えば、坑内受
変電設備（図示略）、各種ポンプ（図示略）、各種消耗
品用格納施設（図示略）等が搭載可能となっている。

【００６１】また、場合によっては、上記台車４０…上
に上記土砂搬出用のベルトコンベヤ１６を設置したり、
上記搬送台車への土砂の積み込みを行うホッパー設備を
設置するものとしても良い。すなわち、シールド機１０
の後方に配置することが必要な支援設備のほとんどを上
記台車４０…に搭載できるようになっている。

【００６２】また、上記台車４０…は、この一例におい
て、シールド機１０には、直接連結されておらず、上述
の各種設備用の配線や配管やコンベヤ等がシールド機１
０と台車４０…との間に配置されている。従って、台車
４０…は、シールド機１０の移動に伴って、常時移動す
る必要はないが、シールド機１０から大きく離れられな
いので、シールド機１０がある程度移動したら、台車４
０…も移動することになる。

【００６３】また、上述のようにシールド機１０のほと
んどの支援設備が台車４０…に載せられているので、上
記先頭部の定規体２１ａから最後部の定規体２１ｂの間
にシールド機１０の支援設備が配置されていることにな
り、先頭部の定規体２１ａからシールド機１０までの間
と、基準点０から最後部の定規体２１ｂまでの間に支援
設備が配置されることがなく、目標位置検出部２６のト
ータルステーション２５とターゲット２４との間及び最
後部検出装置２９のトータルステーション２８とターゲ
ット２７との間において、支援設備によりレーザー光線
や測距用の光波が遮られることがないようになってい
る。

【００６４】そして、上記制御部３０は、基本的に図示
しない周知の記憶装置、演算処理装置、入力装置、出力
装置等からなる三つのコンピュータシステムからなって
いる。すなわち、図１に示すように、制御部３０は、上
記操作盤用台車４１の作動状態出力装置（図５に図示）
４１ａからデータが入力され、これらのデータをチェッ
クするとともに管理する掘削管理システム３２と、上記
位置検出装置２０からのデータに基づいてシールド機１
０の位置と姿勢を算出するとともに、計画路線とのずれ
を監視する上記路線管理システム３１と、上記掘削管理
システム３２及び路線管理システム３１からのデータに
基づき上記操作盤用台車４１の操作制御装置（図５に図
示）４１ｂに操作信号を出力する掘削制御システム３３
とを有するものである。

【００６５】上記掘削管理システム３２は、図５に示す
ように、上記作動状態出力装置４１ａから入力されるジ
ャッキストローク、ジャッキスピード、ジャッキのトー
タル推力、カッター回転数、スクリューコンベヤのスク
リューの回転数、切羽土圧、ガス検知、排出度量等のデ
ータが入力されようになっている。なお、作動状態出力
装置４１ａには、ジャッキ１７、スクリューコンベヤ１
５、カッター１２に設けられたセンサや、切羽土圧セン
サ１８ａ、ガス検知器１８ｂ等から上記データが入力さ
れ、入力されたデータと入力されたデータから算出され
るデータを掘削管理システム３２に出力するようになっ
ている。

【００６６】そして、上記掘削管理システム３２は、こ
れらのデータが予め設定された上限及び下限の範囲内に
納まっているかいないかをチェックするとともに、シー
ルド機１０側で直接操作可能（ジャッキストローク、ジ
ャッキスピード、カッター回転数、スクリューフィーダ
のスクリューの回転数）もしくは間接的に改善可能（切
羽土圧、排出度量）なデータについては、これを掘削制
御システム３３側に出力し、掘削制御システム３３にお
いて、シールド機１０を操作することで、各種データが
適正範囲内に入るように管理するものである。

【００６７】上記路線管理システム３１は、図６に示す
ように、上記位置検出装置２０から出力されるデータに
基づいて、予め位置が測量された基準点Ｏに対するシー
ルド機１０の位置とシールド機１０の姿勢を求めるとと
もに、設計されたトンネルの計画経路と現在のシールド
機１０の位置とを比較するものである。そして、上記路
線管理システム３１は、その記憶部３１ａに、予め、計
画路線の経路データが入力されて格納されているととも
に、複数連結された定規体２１…における最後部の定規
体２１ｂのターゲット２７が設置された位置から最初の
連結位置までの距離と、その後の各連結部２２…間の距
離と、最後の連結位置から先頭の定規体２１ａのトータ
ルステーション２５の設置位置までの距離とが入力され
て格納されている。また、上記記憶部３１ａには、基準
点Ｏの座標位置が格納されている。

【００６８】上記路線管理システム３１に位置検出装置
２０から入力されるデータは、最後部位置検出部２９の
トータルステーション２８から入力される上記基準点Ｏ
から最後部の定規体２１ｂのターゲット２７までの距離
及び方向（水平角及び高度角）と、最後部位置検出部２
９のターゲット２７から入力される二重のスクリーン２
７ｂ、２７ｂのそれぞれにおけるレーザー照射位置を示
すＸＹ座標と、上記定規体２１…の各連結部２２…の各
屈曲方向検出部２３…のスクリーン２３ｂにおけるレー
ザー照射位置を示すＸＹ座標と、目標位置検出部２６の
トータルステーション２５から入力される上記先頭部の
定規体２１ａのトータルステーション２５からシールド
機１０のターゲット２４までの距離及び方向（水平角及
び高度角）と、目標位置検出部２６のターゲット２４か
ら入力される二重のスクリーン２４ｂ、２４ｂのそれぞ
れにおけるレーザー照射位置を示すＸＹ座標とである。

【００６９】そして、路線管理システム３１は、上記最
後部位置検出部２９のトータルステーション２８からの
データにより、基準点Ｏに対する最後部の定規体２１ｂ
のターゲット２７の位置を求めるようになっている。ま
た、上記最後部位置検出部２９のターゲット２７の各ス
クリーン２７ｂ、２７ｂにおけるＸＹ座標と、記憶され
た最後部の定規体２１ａのターゲット２７が設置された
位置から最初の連結位置までの距離とから上記ターゲッ
ト２７の設置位置に対する定規体２１…の最初の連結位
置を求めるようになっている。

【００７０】すなわち、上記二重のスクリーン２７ｂ、
２７ｂのそれぞれのＸＹ座標から最後部位置検出部２９
のトータルステーション２８から出力されるレーザに対
するターゲット２７の角度、すなわちターゲット２７の
姿勢を求めることができ、上記トータルステーション２
８により測量されたターゲット２７の方向（レーザー光
線の方向）と、予め記憶された最初の連結位置までの距
離と、上記ターゲット２７のレーザー光線に対する姿勢
とから上記ターゲット２７の位置に対する定規体２１ｂ
の最初の連結部２２の位置を求めることが可能である。

【００７１】また、路線管理システム３１は、予め記憶
された連結部２２…間の距離と、屈曲方向検出部２３…
から出力されるスクリーン２３ｂ上のレーザ照射位置の
ＸＹ座標とから最初の連結部２２の位置に対する次の連
結部２２の位置を求めるようになっている。すなわち、
スクリーン２３ｂ上のレーザ照射位置から屈曲方向を求
めることにより、連結された一方の定規体２１に対する
他方の定規体２１の方向を求めることができるので、方
向と距離とから最初の連結部２２対する次の連結部２２
の位置を求めることができる。

【００７２】そして、同様に順次、前の連結部２２に対
する次の連結部２２の位置を求めるようになっている。
また、同様に最後の連結部２２から先頭の定規体２１ａ
のトータルステーション２５の設置位置を求められるよ
うになっている。また、路線管理システム３１は、目標
位置検出部２６のトータルステーション２５から、シー
ルド機１０のターゲット２４までの距離と方向が入力さ
れ、先頭の定規体２１ａのトータルステーション２５の
設置位置に対するシールド機１０のターゲット２４の位
置を求めるようになっている。

【００７３】また、目標位置検出部２６のターゲット２
４の二重のスクリーン２４ｂ、２４ｂのそれぞれのレー
ザー照射位置のＸＹ座標から先頭の定規体２１ａのトー
タルステーション２５のレーザー光線に対するターゲッ
ト２４の姿勢、すなわち、シールド機１０の姿勢を求め
るようになっている。そして、以上のデータを順次累積
することにより、基準点Ｏに対するシールド機１０の位
置を求めるとともに、シールド機１０の姿勢（現在の掘
削方向）を求めるようになっている。また、記憶部３１
ａに格納された基準点Ｏの座標位置に基づいて、基準点
Ｏに対するシールド機１０の位置をシールド機１０の絶
対位置に変換するようになっている。

【００７４】上記掘削制御システム３３は、図７に示す
ように、上記掘削管理システム３２から入力されるシー
ルド機１０の作動状況を示す各データに基づいて、各デ
ータが所定の範囲内に納まるようにシールド機１０の操
作制御装置４１ｂに制御信号を出力するとともに、上記
路線管理システム３１から出力されるシールド機１０の
現在位置と現在の掘削方向（シールド機１０の姿勢）と
から掘削途中のトンネルを計画路線の経路に合わせるた
めに最適なシールド機１０の掘削方向を求めるととも
に、シールド機１０の掘削方向を求められた掘削方向に
合わせるために、シールド機１０の操作制御装置４１ｂ
に制御信号を出力するようになっている。

【００７５】また、掘削制御システム３３は、その制御
方法とし周知のファジイ制御を行うようになっており、
ファジイコントローラ３３ａを有する。そして、掘削制
御システム３３は、掘削管理システム３２及び路線管理
システム３１からの入力データに基づいて、シールド機
１０の推進用の各ジャッキ１７…のジャッキストローク
及びジャッキスピード、カッター１２のトルク、スクリ
ューコンベヤ１５のスクリューの回転数等を制御するよ
うになっている。

【００７６】なお、上述のようにジャッキ１７…は、シ
ールド機１０の円筒状の後端部内に円周に沿って所定の
間隔をあけて多数配置されており、これらジャッキのう
ちの一部のジャッキストロークを変更することにより、
シールド機１０の向きを変えることができるようになっ
ている。従って、掘削制御システム３３は、路線管理シ
ステム３１からのデータに基づいて、最適なシールド機
１０の掘削方向を求めた後に、シールド機１０の掘削方
向を変更するために、ジャッキストロークを変更するジ
ャッキ１７…を選択し、選択されたジャッキ１７…のス
トロークを変更するようになっている。

【００７７】次に、以上のような位置検出装置２０を有
する掘削方向制御システムにおけるシールド機１０の位
置の測量方法及びそれに基づく掘削方向の制御方法につ
いて説明する。掘削途中のトンネルにおいては、その先
端部においてシールド機１０が掘削及びセグメント１３
…による一次覆工を行いながら、前進することになる。
そして、シールド機１０の後方のトンネル内には、土砂
の搬出及びセグメント等の資材の搬入を行う搬送台車用
に第二の軌道４５が設けられるとともに、位置検出装置
２０の連結された定規体２１…と、シールド機１０の支
援設備を搭載した台車４０…用に第一の軌道４４が設け
られる。

【００７８】また、掘削途中のトンネルにおける上記位
置検出装置２０を用いたシールド機１０の位置の測量に
おいては、上述のように予め位置が測量された基準点Ｏ
が必要となる。そして、基準点Ｏに上記最後部位置検出
部２９のトータルステーション２８を配置する。そし
て、基準点Ｏのトータルステーション２８は、上述のよ
うに最後部の台車４０上の最後部の定規体２１ｂに設置
されたターゲット２７の基準点からの方向（水平角と高
度角）と距離とを測量し、路線管理システム３１に出力
する。

【００７９】なお、トータルステーション２９は、上述
のようにターゲット２７を自動追尾するので、常時、測
量を行うことが可能であり、路線管理システム３１にほ
ぼ常時測量結果を出力する。従って、路線管理システム
３１において、位置検出装置２０用の台車４０…が移動
しても、常時、最後部の定規体２１ｂの位置を求めるこ
とができるようになっている。

【００８０】また、上述のように、位置検出装置２０用
の台車４０…には、シールド機１０の支援設備が搭載さ
れているので、基準点Ｏと最後部の定規体２１ｂのター
ゲット２７との間のトンネル部分において、シールド機
１０の支援設備が配置されることがないので、基準点Ｏ
のトータルステーション２８と最後部の定規体２１ｂの
ターゲット２７との間に光波やレーザー光線の通過を妨
げるような障害物がなく、小さな径のトンネルの掘削に
おいて、支援設備や搬送台車などに邪魔されることな
く、上記トータルステーション２８により、最後部の定
規体２１ｂのターゲット２７の位置を測量することがで
きる。

【００８１】なお、搬送台車が上記トンネル部分を行き
来することになるが、搬送台車は、シールド機１０後方
のトンネル内に二系統設けられた軌道４４、４５の一方
の軌道４５を通行するので、他方の軌道４４側は、あい
た状態であり、この部分において、基準点のトータルス
テーション２８と最後部の定規体２１ｂのターゲット２
７との間の見通しを確保することができる。すなわち、
掘削されるトンネルの径が小さく、搬送台車や支援設備
により、基準点Ｏからシールド機１０までの見通しが確
保できないような場合でも、基準点から支援設備を搭載
した台車４０…のうちの最後部の台車４０までは見通し
を確保することができる。

【００８２】そして、最後部の定規体２１ｂのターゲッ
ト２７においては、上記各スクリーン２７ｂ、２７ｂ上
の上記トータルステーション２８から照射されたレーザ
ーの照射位置を示すＸＹ座標が路線管理システム３１に
出力される。そして、路線管理システム３１において
は、上述のように二重のスクリーン２７ｂ、２７ｂ上の
二つのＸＹ座標値と、トータルステーション２８から出
力されるターゲット２７の方向（レーザー光線の方向）
とから最後部の定規体２１ｂの姿勢、すなわち、定規体
２１ｂ上のターゲット２７の設置位置から定規体２１ｂ
の最初の連結部２２へ向かう方向を求めることができ
る。

【００８３】また、路線管理システム３１においては、
最後部の定規体２１ｂのターゲット２７の設置位置から
最初の連結部２２の中心点までの距離が既知となってい
るので、ターゲット２７の設置位置からの方向と距離と
から最初の連結部２２の位置を求めることができる。そ
して、定規体２１…の各連結部２２…においては、上記
屈曲方向検出部２３…の座標検出部２３ｃ…からＸＹ座
標が出力され路線管理システム３１に入力されている。

【００８４】上記ＸＹ座標は、連結部２２で連結された
一方の定規体２１に設けられたレーザー照射装置２３ａ
から定規体２１の中心軸を通過するレーザー光線が他方
の定規体２１内に設けられたスクリーン２３ｂに照射さ
れた際のスクリーン２３ｂ上の照射位置を示すものであ
る。従って、連結部２２で連結された定規体２１、２１
同士が直線上に配置された場合には、レーザー光線はス
クリーン２３ｂの基準となる点に照射され、連結部２２
で定規体２１、２１同士が屈曲した場合にレーザー光線
の照射位置がずれることになる。

【００８５】そして、路線管理システム３１において
は、連結部２２の中心位置からスクリーン２３ｂまでの
距離と、基準となる点のＸＹ座標と基準となる点からず
れた照射位置のＸＹ座標とから屈曲角度を求めることが
できる。また、この際に、この屈曲角度をＸ方向（水平
方向）及びＹ軸方向（鉛直方向）とに分ければ水平角と
高度角とからなる方向が求められる。また、路線管理シ
ステム３１においては、連結部２２…間の距離が既知と
なっているので、すなわち、屈曲方向の求められた連結
部２２から次の連結部２２までの距離が既知なので、最
初の連結部２２から次の連結部２２までの距離と方向が
求められることになり、次の連結部２２の位置が求めら
れる。

【００８６】そして、路線管理システム３１において
は、同様に、順次、前の連結部２２からその先の連結部
２２の屈曲方向が求められ、求められた方向と、既知の
連結部２２…間の距離とから、先の連結部２２…の位置
が求められる。また、最後の連結部２２においては、上
述の場合と同様に最後（先頭部）の定規体２１ａの方向
が求められる。また、最後の連結部２２から先頭部の定
規体２１のトータルステーション２５の設置位置までの
距離は既知となっているので、同様に先頭部の定規体２
１ａのトータルステーション２５の設置位置が求められ
る。

【００８７】また、上述のような定規体２１の各連結部
２２…間の屈曲方向に基づく位置の測量は、以下のよう
にまとめることができる。図８に示すように、最後部の
定規体２１ｂのターゲット２７の設置位置Ａから最初の
連結部２２までの距離をｌ0とする。また、最初の連結
部２２から最後の連結部２２までの各連結部２２…間の
距離をｌ1〜ｌn-1とし、最後の連結部２２から先頭部の
定規体２１ａのトータルステーション２５の設置位置Ｂ
までの距離をｌnとする。

【００８８】また、各連結部２２…における上記スクリ
ーン２３ｂ…上のＸＹ座標から求められる各定規体２１
…同士の相対角度のうちの水平方向の角度をθx1からθ
xnとするとともに、上記最後部の定規体２１ｂのターゲ
ット２７により得られる最後部の定規体２１ｂの水平方
向の角度をθx0とする。同じく、各定規体２１…同士の
相対角度のうちの鉛直方向の角度をθy1からθynとする
とともに、上記最後部の定規体２１ｂのターゲット２７
により得られる最後部の定規体２１ｂの鉛直方向の角度
をθy0とする。

【００８９】そして、これら相対角度の和を Σθxn＝θXn Σθyn＝θYn とする。また、Ａ点の三次元のＸＹＺ座標上の位置をＡ
x、Ａy、Ａzとする。この場合にＢ点のＸＹＺ座標上の
位置は以下の式で求めることができる。 Ｂx＝Ａx＋Σｌn Sinθxn Ｂy＝Ａy＋Σｌn Sinθyn Ｂz＝Ａz＋Σｌn Cosθxn となる。

【００９０】以上のように、上記連結された定規体２１
…と各屈曲方向検出部２３…と最後部の定規体２１ｂの
ターゲット２７により求められた姿勢とにより、最後部
の定規体２１ｂのターゲット２７の設置位置Ａに対する
先頭部の定規体２１ａのトータルステーション２５の設
置位置Ｂの位置を求めることができる。また、上記Ｂ点
からＡ点の位置を求める際には、各連結部２２…が屈曲
可能でかつ角度が検出可能な範囲内ならばどのように屈
曲していても良いので、トンネルの湾曲部においても位
置を測量できる。

【００９１】また、上述のように、小径のトンネルの掘
削において、シールド機１０と基準点Ｏとの間に各種支
援設備や搬送台車等が配置され、測距用の光波や位置決
め用のレーザー光線を通過させる見通しを常時確保する
ことが困難な場合でも、支援設備や搬送台車を避けるよ
うにして、上記互いに連結された定規体２１…を配置す
ることで、支援設備より後ろに配置されたＢ点から支援
設備より前に配置されたＡ点の位置を測量することがで
きる。

【００９２】そして、路線管理システム３１において
は、上記先頭部の定規体２１ａに配置されたトータルス
テーション２５からシールド機１０に設置されたターゲ
ット２４を測量することにより、先頭部の定規体２１の
トータルステーション２５の設置位置からシールド機１
０までの距離と方向とが入力される。そして、路線管理
システム３１においては、上記トータルステーション２
５の設置位置に対するシールド機１０の位置が求められ
る。

【００９３】また、上述のように基準点０から最後部の
定規体２１ｂのターゲット２７の設置位置が測量され、
かつ、最後部の定規体２１ｂから順次各連結部２２…の
位置が測量され、最後の連結部２２から先端の定規体２
１ａのトータルステーション２５の設置位置が測量さ
れ、該トータルステーション２５の設置位置からシール
ド機１０のターゲット２４の位置が測量できることか
ら、基準点Ｏからシールド機１０の位置を測量すること
ができる。

【００９４】また、路線管理システム３１においては、
上記シールド機１０のターゲット２４から出力される二
重のスクリーン２４ｂ、２４ｂのレーザーの照射位置を
示す二つのＸＹ座標からシールド機１０の姿勢、すなわ
ち、シールド機１０の現在の掘削方向を得ることができ
る。そして、路線管理システム３１は、位置検出装置２
０からのデータに基づくシールド機１０の位置を常時監
視することで、実際に掘削されたトンネルの経路、現在
のシールド機１０の位置及びシールド機の掘削方向と、
予め入力された計画路線の経路とを比較し、そのずれを
算出する。

【００９５】また、路線管理システム３１は、上記掘削
制御システム３３に上述の、実際に掘削されたトンネル
の経路と、現在のシールド機１０の位置と、シールド機
１０の掘削方向と、計画路線と、計画路線に対する現在
のシールド機１０の位置のずれとを出力するようになっ
ている。また、上記シールド機１０の各センサから上記
作動状態出力装置４１ａを介して上記掘削管理システム
３２に、ジャッキストローク、ジャッキスピード、推
力、カッタートルク、スクリューコンベヤ１５のスクリ
ューの回転速度、切羽土圧、ガス検知、排出度量等のデ
ータが入力される。そして、掘削管理システム３２にお
いては、各データの最適な範囲を示す上限値や下限値、
許容限度を示す上限値や下限値を管理するようになって
いる。

【００９６】そして、掘削制御システム３３において
は、上述のように路線管理システム３１から現在のシー
ルド機１０の位置、シールド機１０の掘削方向（姿
勢）、シールド機１０の現在までの掘削経路（掘削中の
トンネルの実際の経路）等が入力される。そして、掘削
制御システム３３においては、予め、入力された計画路
線のトンネルの経路に、シールド機１０の実際掘削経路
を合わせるように、シールド機１０の姿勢を制御する。

【００９７】すなわち、シールド機１０の各ジャッキの
ジャッキストローク及びジャッキスピードをコントロー
ルして、シールド機１０の姿勢を制御し、シールド機１
０を計画路線上に沿って前進させるようにする。なお、
自動制御により、シールド機１０の掘削方向を計画路線
に沿って前進させようとした際に、例えば、シールド機
１０の位置が計画路線からずれた場合に、シールド機１
０の姿勢の大きく変化させて、計画路線に戻そうとする
と、シールド機１０の掘削方向がジグザグになる可能性
があり、また、シールド機１０の姿勢の変化が小さい
と、シールド機１０に掘削されるトンネルが計画路線か
ら離れたままになる可能性がある。

【００９８】そこで、この一例においては、掘削制御シ
ステム３３に周知のファジイコントローラ３３ａを用い
て、シュミレーションや試行により得られたデータに基
づいた最適な制御方法により、入力されたデータに対す
る各ジャッキ１７…のジャッキストローク及びジャッキ
スピードを決定するようになっており、シールド機１０
の計画路線からのずれを小さなものにするとともに、実
際のシールド機１０の掘削経路を経済的でトンネルとし
て適したものとするようになっている。

【００９９】なお、上記位置検出装置２０とを用いた測
量方法以外の部分は、周知技術により対応可能である。
すなわち、本発明のシールド機１０の掘削方向の制御
は、シールド機１０の位置の測量を除く部分について、
例えば、シールド機１０と基準点Ｏとの間で光学的測量
が可能な見通しを容易に確保できる大口径のトンネルに
おけるシールド機の掘削方向の制御と同様の方法を用い
ることができる。

【０１００】また、この一例では、シールド機１０のロ
ーリングについては、触れなかったが、水準器やジャイ
ロ等の測定装置により、シールド機１０のローリングの
状態を測定し、各ジャッキ１７…の位置を正確に把握で
きるようにすることで、さらにトンネルの掘削精度を向
上することができる。また、大口径のトンネルの掘削に
おいて、基準点Ｏとシールド機１０との間にトンネルの
湾曲部があり、トンネルの基準点Ｏとシールド機１０と
の間に光学的測量が可能な見通しを確保できない場合
に、トンネルの湾曲部に上記位置検出装置２０を配置す
ることにより、湾曲部において基準点Ｏの盛替を行わな
くとも、シールド機の１０自動制御が可能となる。

【０１０１】この場合には、必ずしも、位置検出装置２
０を支援設備用の台車４０…に搭載する必要はなく、位
置検出装置２０専用の台車４０を用いたり、位置検出装
置を直接トンネルに設置するようにしたりしても良い。
また、本発明の位置検出装置２０及び位置検出装置２０
を用いた測量方法は、上記トンネルの掘削における測量
だけに用いられるものではなく、基本的に、基準点と目
標点との間において光学的測量が可能な見通しを確保で
きない場合に用いることができる。

【０１０２】また、位置検出装置２０の屈曲方向検出部
２３は、上記レーザー光線を用いたものに限定されるも
のではなく、例えば、セオドライトに用いられるロータ
リーエンコーダにより、水平角と高度角を求めるような
ものとしても良い。また、シールド機１０及び最後部の
定規体２１ｂの姿勢は、必ずしも上記ターゲット２４、
２７の二重のスクリーン２４ｂ、２４ｂ、２７ｂ、２７
ｂにより求める必要はなく、ジャイロやジャイロ及び水
準器といった装置を用いて、シールド機１０や最後部の
定規体２１ｂの姿勢を測定するようにしても良い。

【０１０３】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の位置検出装置に
よれば、障害物により基準点から目標点を光学的に測量
することが困難な場合、特に、障害物を避けて測量する
ために複数回の基準点の盛替が必要な場合や、障害物を
避けて基準点を盛り替えることが困難な場合に、上記最
後部の定規体を基準点に配置し、かつ、先頭部の定規体
を目標点に配置すれば、先端部と最後部の間をつなぐ残
りの定規体がどのように配置されていようと、最後部方
向検出手段により、最後部の定規体の方向を検出すると
ともに、上記屈曲方向検出手段により定規体同士の各連
結部の屈曲方向を検出することにより、各定規体の連結
部間の距離が既知なことから、基準点から目標点までの
間において、順次、各連結部までの距離と方向とがわか
るので、最後部の定規体に対する先頭部の定規体の位置
を求めることができる。

【０１０４】従って、基準点に対する目標点の相対位置
を容易に算出することができるとともに、基準点の絶対
位置がわかっていれば、目標点の絶対位置を求めること
ができる。また、トンネルの掘削におけるシールド機の
位置の検出において、トンネルが湾曲している場合や、
トンネルが小口径のためにシールド機の後方に支援設備
等が配置され、基準点とシールド機との間に光学的に測
量可能な見通しを確保できない場合に有効の上記位置検
出装置を応用することができる。

【０１０５】本発明の請求項２記載の位置検出装置によ
れば、基準点と目標点との間に障害物がある場合に、基
準点から目標点を測量する際に、基準点に最後部測量手
段を配置し、基準点から光学測量可能な位置に上記最後
部の定規体を配置し、先頭の定規体に設けられた目標位
置測量手段により目標点が光学的に測量可能となるよう
に先頭部の定規体を配置し、最後部の定規体と先頭部の
定規体との間の定規体を上記障害物を避けるように配置
すれば、基準点から目標点を測量することが可能とな
る。

【０１０６】従って、基準点と目標点との間に障害物が
あっても、基準点から目標点の位置を測量することがで
きるとともに、基準点と、互いに連結された定規体と、
目標点とがそれぞれ離れていても測量が可能となる。

【０１０７】本発明の請求項３記載の位置検出装置によ
れば、上記定規体を台車により容易に移動することが可
能となる。また、位置検出装置を小口径のシールド機の
位置の測定に用いた場合、すなわち、目標点をシールド
機とし、障害物をシールド機の支援設備（土砂やセグメ
ントの搬出搬入用の台車は除く）とした場合には、シー
ルド機の後方に配置される支援設備を上記定規体が載せ
られた台車に載置するようにすることで、定規体が障害
物を避けて配置された状態となる。

【０１０８】すなわち、シールド機を目標点とした場合
に、先頭部の定規体にシールド機を目標点とする目標位
置測量手段を設けることにより、先頭部の定規体からシ
ールド機までの位置関係を把握することができ、支援設
備を台車に載せてしまうことで、基準点から見通しのき
く位置に最後部の定規体を配置することができるので、
結果的に既に掘削されたトンネル内において、基準点か
らシールド機までの見通しがなくとも、基準点からシー
ルド機の位置を測定することができる。

【０１０９】本発明の請求項４記載の測量方法によれ
ば、上記請求項２または３に記載の構成と同様の優れた
効果を奏することができる。

【０１１０】本発明の請求項５記載の掘削方向制御シス
テムによれば、上述のように小口径のシールド機の場合
に後方の支援設備により基準点からの見通しが確保でき
なくとも、基準点からシールド機の位置を追尾すること
が可能であり、上記シールド機の追尾された位置に基づ
いて、小口径のシールド機においても、大口径のシール
ド機と同様にシールド機の推進用ジャッキによりシール
ド機の姿勢を制御することが可能となり、小口径のシー
ルド機において、掘削方向の制御の自動化を図ることが
できる。また、大口径のシールド機において、上記定規
体が載置された台車を、トンネルの湾曲部に配置すれ
ば、湾曲部において、基準点の盛替を繰り返さなくと
も、シールド機の位置を追尾して測定することが可能と
なり、湾曲部及び湾曲部を超えた部分の自動制御の省力
化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の掘削方向制御シス
テムを説明するためのブロック図である。

【図２】上記一例の掘削方向制御システムに用いられる
シールド機を示す正面図、側断面図、後面図である。

【図３】上記一例の掘削方向制御システムの位置検出装
置を説明するための概略図である。

【図４】上記一例の掘削方向制御システムの位置検出装
置及び台車を示す概略平面図である。

【図５】上記一例の掘削方向制御システムの制御部の掘
削管理システムを説明するためのブロック図である。

【図６】上記一例の掘削方向制御システムの制御部の路
線管理システムを説明するためのブロック図である。

【図７】上記一例の掘削方向制御システムの制御部の掘
削制御システムを説明するためのブロック図である。

【図８】上記位置検出装置における測量方法を説明する
ための図面である。

【符号の説明】

Ｏ 基準点 １０ シールド機 １７ ジャッキ ２０ 位置検出装置 ２１ 定規体 ２２ 連結部 ２３ 屈曲方向検出部（屈曲方向検出手段） ２６ 目標位置検出部（目標位置測量手段） ２７ ターゲット（最後部方向検出手段） ２９ 最後部位置検出部（最後部測量手段） ３０ 制御部（制御手段） ３１ 路線管理システム（位置演算手段） ４０ 台車

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに屈曲可能に一列に連結され、か
   つ、各連結部間の長さが既知である複数の定規体と、 これら各定規体同士の各連結部分における一方の定規体
   に対する他方の定規体の屈曲方向をそれぞれ検出する屈
   曲方向検出手段と、 互いに連結された複数の上記定規体のうちの最後部に配
   置された定規体の向いた方向を検出する最後部方向検出
   手段と、 上記最後部方向検出手段により検出された最後部の定規
   体の方向と、上記屈曲方向検出手段に検出された各定規
   体同士の連結部分における屈曲方向と、各定規体の連結
   部間の長さとに基づいて、最後部の定規体に対する先頭
   部の定規体の位置を算出する位置演算手段とを具備して
   なることを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 予め位置が測量された基準点に設置さ
   れ、かつ、該基準点に対する上記最後部の定規体の位置
   を光学的に測量する最後部測量手段と、 上記先頭部の定規体に設けられ、該先頭部の定規体に対
   する任意の目標点の位置を光学的に測量する目標位置測
   量手段とが備えられ、 上記位置演算手段が、上記最後部測量手段により測量さ
   れた上記基準点に対する最後部の定規体の位置と、上述
   のように算出された最後部の定規体に対する先頭部の定
   規体の位置と、上記目標位置測量手段により測量された
   上記先頭部の定規体に対する目標点の位置とから上記基
   準点に対する目標点の位置を算出することを特徴とする
   請求項１記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 一列に互いに連結された複数の台車が備
   えられ、 各台車と各定規体とを対応させるとともに、上記台車同
   士の連結部の位置と上記定規体の連結部の位置とを対応
   させて上記定規体が台車に載せられていることを特徴と
   する請求項１または２記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】 上記請求項２または３に記載された位置
   検出装置を用いた測量方法であって、 予め位置が測量された基準点に最後部測量手段を配置
   し、 上記最後部の定規体を上記最後部測量手段により光学的
   に測量が可能な位置に配置するとともに、上記目標位置
   測量手段の設けられた先頭部の定規体を上記目標位置測
   量手段により測量すべき目標点の光学的測量が可能な位
   置に配置し、 次いで、上記最後部測量手段により基準点に対する最後
   部の定規体の位置を測量し、上記最後部方向検出手段に
   より最後部の定規体の方向を検出し、上記屈曲方向検出
   手段により各定規体の屈曲方向を検出し、上記目標位置
   測量手段により先頭部の定規体に対する目標点の位置を
   測量し、 上記位置演算手段により、上記基準点に対する上記目標
   点の位置を算出することを特徴とする測量方法。
5. 【請求項５】 請求項３記載の位置検出装置を用いたシ
   ールド機によるトンネルの掘削における掘削方向制御シ
   ステムであって、 上記目標位置測量手段及び最後部測量手段を有し、か
   つ、シールド機を目標点とする位置検出装置と、 該位置検出装置により検出されたシールド機の位置に基
   づいてシールド機の推進用ジャッキの駆動を制御してシ
   ールド機の掘削方向を制御する制御手段とを具備してな
   り、 上記シールド機を光学的に測量可能な位置に上記先頭部
   の定規体を載せた台車が配置されるとともに、上記基準
   点から光学的に測量可能な位置に上記最後部の定規体を
   載せた台車が配置されるように、上記互いに連結された
   定規体を載せた台車が配置され、 上記位置検出装置の位置演算手段が、上記最後部測量手
   段、上記最後部方向検出手段、上記屈曲方向検出手段、
   上記目標位置測量手段により求められた情報に基づい
   て、上記基準点から目標点となる上記シールド機の位置
   を算出し、 上記制御手段が上記位置検出装置により求められた上記
   目標点となるシールド機の位置と、予め設定されたシー
   ルド機の予定経路とに基づいて、シールド機の推進用ジ
   ャッキを制御することを特徴とする掘削方向制御システ
   ム。