JPH0972192A - 掘進管先端位置探査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非開削地中掘進工事の際、掘進管先端の鉛直
及び水平変位を同時に検知しながら進めることによっ
て、計画からのずれを抑制し、高精度な軌道を提供す
る。 【解決手段】 非開削掘進工事の掘進ルート１上に磁界
発生コイル７を設置し、地中の掘進管先端がコイル直下
或いはその付近に達した時点で、このコイル７に電源供
給装置８ａにより直流或いは矩形交番電流を与え、地中
に磁界を発生させる。この時の磁界強度を掘進管先端に
設置した磁気センサー１１により検出し、この値と、同
時に検出される先端の姿勢、電流値、コイル形状から求
める理論的磁界が一致する位置を求めることにより磁気
センサー１１の鉛直及び水平位置を知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非開削地中掘進工
法により、河川，道路等の障害物下の地中を直線あるい
は曲線状に掘進して埋設配管する際の、掘進管の先端位
置を探査する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、小口径推進工法等の非開削地中掘
進工法により、地中を掘進して埋設配管する場合に、掘
進管の先端位置の水平及び鉛直のずれを同時に探査する
方法として、特開昭６２−２６６４８４号に記載される
方法がある。

【０００３】この方法は図９、図１０に示すように、目
標掘進軌道１を横切る線上で掘削した複数の鉛直なボー
リング孔ａ，ｂ，ｃに、磁気センサー３を下降移動して
磁気を検出することにより掘進管先端の水平位置および
鉛直位置を探査する方法であり、推進工事前における複
数のボーリング孔ａ，ｂ，ｃの掘削および、ボーリング
孔中への非磁性パイプ５の挿入作業と、推進工事後にお
けるボーリング孔中からの非磁性パイプ５の撤去作業お
よびボーリング孔の埋め戻し作業が必要であり、このた
めの人手と時間を要する。また、探査孔の増設が容易に
出来ないので、推進途中の任意の位置に探査ポイントを
設けることが困難である等の課題がある。

【０００４】また、このようなボーリング孔を設けるこ
となく地表から地中に磁界を生じせしめて、この磁気強
度を掘進機先端部で検出して位置を探査するものが、例
えば、特開昭６３−３０７３０１号に開示されている。

【０００５】この特開昭６３−３０７３０１号に記載さ
れているのは、図１１（ａ）, （ｂ）に示すように、目
標軌道線１に沿って平行に配置した一対に導線７に交流
電流を供給して地中に交番磁界を発生させ、これを地中
掘進管６の外周壁の左右に備えた２つの磁界検出器２０
によって検出し、所定の演算処理によって水平位置のず
れδを算定するものである。

【０００６】更に、鉛直方向変位の把握が可能な探査方
法としては、特公平７−３５９７０号に開示されたもの
がある。これは前記と同様な磁界検出法において磁界検
出器２０を掘進管６の外周壁の上下に配置したものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記磁界検出手段によ
る掘進管先端位置の探査は、水平方向の位置ずれと深さ
方向の検知を同時にできない。また、掘進する地中や地
表周辺に磁気を帯びた物体が存在すると、磁界に影響が
生じて探査精度が低下するという課題があった。本発明
は、磁気センサーを利用して地中掘進管先端の水平位置
ずれと深さを、同時にかつ、精度よく探査する手段を提
供することを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的のうち、地中掘
進管先端の水平位置ずれと深さを同時に探査するには、
例えば前記従来技術の特開昭６３−３０７３０１号と特
公平７−３５９７０号の磁界検出器を掘進管の左右と上
下、即ち４ケ所に設けて磁界強度を検出することで解決
する手段も考えられるが、本発明ではこれとは別異な手
段を用いている。

【０００９】即ち、従来技術では、検出方向性を無視し
た磁界検出器を掘進管外周の左右、上下の所定の位置に
配置し磁界強度の分布を検知して位置を算定するもので
あるが、本発明の場合は、検出方向性を有する磁気セン
サーを同一位置にてそれぞれ直交させ、前後（Ｘ）、左
右（Ｙ）、鉛直（Ｚ）の３軸方向の磁界成分を計測し
て、別に求める掘進管の姿勢（傾斜θｉ、方位θｄ、及
び回転角θｔ）との関係から掘進管先端部の水平位置と
深さを同時に探査するものである。

【００１０】また、精度良く探査する手段としては、あ
らかじめ探査地点の地球磁場による磁界強度を計測して
おき、これを探査時の磁界強度から差し引くことで、周
辺に存在する磁気を帯びた物体から生じている磁界の影
響を排除して高精度化を図っている。

【００１１】本発明に係る掘進管の先端位置探査方法
は、非開削地中掘進工法で掘進管を推進する際におい
て、掘進管の発進部と到着部の間の目標掘進軌道上の任
意の探査地点に、ループ状の磁界発生コイルを配置し、
地中掘進管先端部の非磁性カラー内に互いに直交する３
軸方向の磁気センサーを設け、この磁気センサーに近接
して掘進管の傾斜と回転角を検出する姿勢計測センサー
を設け、先ず、コイルに通電しないで磁気センサーによ
り３軸方向の磁界強度（Ｈ_ax，Ｈ_ay，Ｈ_aZ）を検出し、
次にコイルに直流或いは矩形交番電流を通電した状態で
地中の磁界を変化させ、磁気センサーにより３軸方向の
磁界強度（Ｈ_ix，Ｈ_iy，Ｈ_iZ）を検出し、別途、掘進管
の傾斜θｉ、方位θｄ、及び回転角θｔを姿勢計測セン
サーで計測し、コイルに通電した状態の３軸方向の磁界
強度から通電しない状態のそれぞれ対応する軸方向の磁
界強度を差し引いた３軸方向の磁界強度と、掘進管の傾
斜θｉ、方位θｄ、及び回転角θｔの値から所定の算定
を行い、掘進管先端部の水平位置と深さを同時に求める
ことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明を図示の例によっ
て詳細に説明する。本発明を実施して非開削地中推進工
法における掘進管先端の位置を探査する場合、図１に示
すように地上に固定された掘進管推進装置４により推進
される掘進管の発進部と到達部の中間の目標推進軌道１
上の地表面２の任意の探査地点に、矩形状の磁界発生コ
イル７を設置し、更にこのコイル７に電流を供給するた
めの電源供給装置８ａを備え、接続ケーブル９によって
コイル７と接続しておく。またコイル７と電源供給装置
８ａの間には電流検出計８ｂを設ける。磁界発生コイル
７の形状はその線形が把握可能であれば３次元的に任意
の形状を設定可能であり、また地表面２だけでなく地中
或いは空中に設置しても良い。

【００１３】発進側にて掘進管６の推進本数を数える等
して、推進距離を把握しながら掘削推進を行い、先端の
掘進管後部の非磁性カラー１０中に配置された、磁気検
出センサーを含み傾斜，回転角および方位が検知可能な
測定器１１が、予め設定した磁界発生コイル７の直下、
或いはその付近に到達したとき、そこで推進作業を一時
停止する。

【００１４】この時点でコイルに通電しないで、まず磁
気検出センサーによって、図２に示すような掘進軸方向
を含み互いに直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）方向１４の
地球磁場による磁界強度の成分Ｈ_ax，Ｈ_ay，Ｈ_aZを検出
する。またこれと同時に、図３〜図５に示すような磁気
検出センサー部の中心軸方向の傾斜角θｉ１５、目標推
進軌道１に対する方位角θｄ１６、および掘進軸を中心
とする初期状態からの回転角θｔ１７を上記非磁性カラ
ー１０に配設した測定器１１により検出する。このとき
各検出値は地上の姿勢表示システム１３（図１参照）に
表示される。

【００１５】続いて、同一位置にて掘進管６を停止した
ままの状態で、磁界発生コイル７に電源供給装置８ａに
よって一定の電流Ｉを供給し、掘進管先端付近の磁界を
変化させ、このとき磁気検出センサーによって掘進軸方
向を含み、互いに直交する３軸方向の磁界強度の成分Ｈ
_ix，Ｈ_iy，Ｈ_iZを検出する。以上が本発明における掘進
管先端位置を求める為に必要とされるデータを得るため
の作業手順である。

【００１６】以下に上記データを用いて掘進管先端位置
を求めるまでの手順と方法を記述する。

【００１７】まず、コイル７に電流Ｉを供給した状態で
の磁界強度の各成分から地球磁場による磁界強度の各成
分を差し引くことにより、すなわち次式（１）より、人
工的に発生させた磁界強度の成分Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を算
定する。 Ｈ１＝ Ｈ_ix − Ｈ_ax Ｈ２＝ Ｈ_iy − Ｈ_ay （１） Ｈ３＝ Ｈ_iZ − Ｈ_aZ

【００１８】続いて、上記の検出値θｉ１５，θｄ１
６，およびθｔ１７を用いた特定の変換式に基づき、
（１）式にて求めた磁界強度の成分Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を
図２に示すような各座標軸（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′軸）方向
１８に関する磁界強度の各成分Ｈ_X ′，Ｈ_Y ′，Ｈ_Z ′
に変換する。ここに、参照用の実施例は座標軸（Ｘ′，
Ｙ′，Ｚ′軸）において、Ｘ′軸は目標推進軌道１の方
位と平行とし、Ｘ′，Ｙ′軸は水平面と平行としている
が、基準点Ｏの位置は問わない。

【００１９】一方、上記の基準点Ｏに対する任意の位置
での各座標軸（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′軸）方向に関する磁界
強度の理論値の成分Ｈ_{Xt ,}Ｈ_{Yt ,}Ｈ_Ztは、コイル７の形
状，規模，供給電流値Ｉから事前に算定することが出来
る。例えば、磁気検出センサーの位置を（Ｘ_o ，Ｙ_o ，
Ｚ_o ）と仮定するとＨ_{Xt ,}Ｈ_{Yt ,}Ｈ_Ztは、電流とその周
囲に形成される磁界との関係についての基礎原理である
ビオ・サバールの法則に従い、下記のようにＸ_o ，
Ｙ_o ，Ｚ_o 、及び電流Ｉの関数として示される。 Ｈ_Xt＝ ｆ₁ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ） Ｈ_Yt＝ ｆ₂ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ） Ｈ_Zt＝ ｆ₃ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ）

【００２０】これらの算出磁界強度が上記の検出磁界強
度の成分Ｈ_X ′，Ｈ_Y ′，Ｈ_Z ′と等しくなる位置が磁
気検出センサー位置であるから、次の連立方程式（２）
を解き、同式が同時に成り立つ点の座標（Ｘ_o ，Ｙ_o ，
Ｚ_o ）を求めることによってその位置を知ることができ
る。 Ｈ_X ′＝ Ｈ_Xt ＝ ｆ₁ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ） Ｈ_Y ′＝ Ｈ_Yt ＝ ｆ₂ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ） （２） Ｈ_Z ′＝ Ｈ_Zt ＝ ｆ₃ （Ｘ_o ，Ｙ_o ，Ｚ_o ，Ｉ）

【００２１】上式（２）を解く一般的な方法の１つとし
て、先に解の近似値を設定しニュートンーラプソン法に
よる収束計算を行い、解を算定する方法がある。従っ
て、本算定方法を現場で適用する場合、瞬時に解析結果
を得ることを目的として、予め上記数値計算の手法をプ
ログラム化したソウトウェアを組み込んだコンピュータ
ーを用いて演算を実施することができる。

【００２２】供給電流Ｉは直流電流を供給しても良い
が、図６に示すような矩形の交番電流を用い、その周期
Ｔと演算に必要なデータ検出のタイミングを同調させ演
算対象とする測定回数を増やすことにより、効率的に測
定時の誤差を抑制することも可能である。

【００２３】また、コイルの設置範囲を大きくとるか、
供給電流値Ｉを大きくすることによって測定可能深度を
深くすることが可能である。この供給電流値Ｉを大きく
する手段としては、供給電圧を上げるだけでなく、図
７、図８に示すようにコイル７を数段に重ねて用いるこ
とも有効な手段である。この発明の実施の形態において
は、一辺の長さが２０ｍ×１７ｍでケーブルを６０回巻
きにした長方形状コイルに約８アンペアの直流電流を供
給し、地表面から約２０ｍの深さの掘進管先端位置を検
出したがその際、磁界強度及び、先端部姿勢に関する各
々の測定結果は次のようであった。 Ｈ１ ＝ Ｈ_ix − Ｈ_ax ＝ −０．０５ Ｈ２ ＝ Ｈ_iy − Ｈ_ay ＝ ０．００ Ｈ３ ＝ Ｈ_iZ − Ｈ_aZ ＝ −０．２４ （単位はガウス）

【００２４】 θｉ ＝ ＋１３度（先端が上向きが＋） θｄ ＝ ＋ ２度（掘進方向に向かって右方向が＋） θｔ ＝ −２２度（掘進方向に向かって右回りが＋） また、上記の諸データを用いて、掘進管先端位置を算出
した結果を次に示す。但し、Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′は図に示
す原点Ｏに対する座標を表す。 Ｘ′＝ − ３．６４ｍ（掘進方向軸に関する位置） Ｙ′＝ ＋ ０．６８ｍ（水平方向のずれ） Ｚ′＝ ＋２１．１６ｍ（鉛直下向きの深さ）

【００２５】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明を直線掘進
或いは、鉛直方向に曲線掘進するような非開削推進工法
に適用することにより、掘進管先端の水平位置と深さを
正確かつ、迅速に把握することが可能となり、敷設管位
置の計画ルートからのずれを簡易な方法により最小限に
抑えることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を非開削掘進工事に適用する実施の形態
の斜視図である。

【図２】本発明の演算に用いる座標系と測定器の位置関
係を表す説明斜視図である。

【図３】本発明の用いる測定器の検出値を示すための説
明図である。

【図４】図３のＡ矢視拡大図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ矢視図である。

【図６】本発明の手段として用いる矩形交番電流を示す
図である。

【図７】磁界発生コイルを重ねて検出を行った発明の実
施の形態の図である。

【図８】図７のＣ矢視図である。

【図９】従来の第１例の斜視図である。

【図１０】図９のＤ部の拡大説明図である。

【図１１】従来の第２例の異なる角度での２つの断面説
明図である。

【符号の説明】

１ 目標推進軌道 ２ 地表面 ４ 掘進管推進装置 ７ 磁界発生コイル ８ａ 電源供給装置 ８ｂ 電流検出計 ９ 接続ケーブル １０ 非磁性カラー １１ 測定器 １２ 伝送ケーブル １３ 姿勢表示システム １５ 磁気検出センサーの傾斜角 １６ 磁気検出センサーの方位角 １７ 磁気検出センサーの回転角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非開削地中掘進工法において、発進部と
   到着部の間の目標掘進軌道上の任意の探査地点にループ
   状の磁界発生コイルを配置し、地中掘進管先端部の非磁
   性カラー内に互いに直交する３軸方向の磁気センサーを
   設け、この磁気センサーに近接して掘進管の傾斜と回転
   角を検出する姿勢計測センサーを設け、先ず、コイルに
   通電しないで磁気センサーにより３軸方向の磁界強度
   （Ｈ_ax，Ｈ_ay，Ｈ_aZ）を検出し、次にコイルに直流或い
   は矩形交番電流を通電した状態で地中の磁界を変化さ
   せ、磁気センサーにより３軸方向の磁界強度（Ｈ_ix，Ｈ
   _iy，Ｈ_iZ）を検出し、別途、掘進管の傾斜θｉ、方位θ
   ｄ、及び回転角θｔを姿勢計測センサーで計測し、コイ
   ルに通電した状態の３軸方向の磁界強度から通電しない
   状態のそれぞれ対応する軸方向の磁界強度を差し引いた
   ３軸方向の磁界強度と、掘進管の傾斜θｉ、方位θｄ、
   及び回転角θｔの値から所定の算定を行い、掘進管先端
   部の水平位置と深さを同時に求めることを特徴とする掘
   進管先端位置探査方法。