JPH1194549A

JPH1194549A - 自動追尾式測量装置

Info

Publication number: JPH1194549A
Application number: JP25083997A
Authority: JP
Inventors: Hisateru Ueda; 尚輝上田; Takashi Kitaoka; 隆司北岡; Nobuhiko Hiruko; 延彦蛭子; Masayoshi Tanaka; 政芳田中; Tetsuo Sato; 哲郎佐藤
Original assignee: Obayashi Corp; Sokkia Co Ltd
Current assignee: Obayashi Corp; Sokkia Topcon Co Ltd
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 1999-04-09
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: JP4182181B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測量機器の盛替えを不要にし、視準可能な空
間を拡大すること。【解決手段】シールド掘進機１０の後部側には、掘進
機１０の掘進に伴って牽引移動される後方台車１４の前
端には、自動視準型の測量機器１６が設置されている。
セグメント１２には、測量機器１６の視準可能な位置に
ターゲット２０₀〜２０_nが設置されている。ターゲット
２０₀は、自動追尾の原点ターゲットとなるものであ
る。第１〜第ｎターゲット２０₁〜２０_nは、シールド掘
進機１０の掘進が進行し、測量機器１６の位置が移動し
たときに、移動後の測量機器１６の設置位置の機械座標
値を求める際に使用するものである。自動追尾式測量装
置では、掘進機１０の停止中にターゲットを視準してそ
の座標値を求めることで、常時、視準可能な座標値が既
知のターゲットを３以上確保し、確保された座標値が既
知の３ターゲットに基づいて、移動後の測量機器１６の
機械座標値を順次求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動追尾式測量
装置に関し、特に、シールド掘進機やトンネルボーリン
グマシンなどのトンネル掘進機に用いられる測量装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機やトンネルボーリングマ
シンを用いるトンネル工事においては、近時、高精度，
高能率化が促進されており、このような要請に応えるた
めには、トンネル掘進機の位置，姿勢を正確に把握する
必要がある。

【０００３】そこで、従来は、このような要請に応える
ために、図４に示すような自動追尾式測量装置を設置し
ていた。同図に示した自動追尾式測量装置は、シールド
掘進機１に適用した場合であって、自動追尾式の測量機
器（トータルステーション）２は、シールド掘進機１の
後方において、順次環状に組立設置されるセグメント３
に設置されている。

【０００４】シールド掘進機１には、測量機器２により
視準されるプリズムないしは反射ターゲット４が配置さ
れている。測量機器２の設置位置の機械座標値は、後方
に設置されるダボと呼ばれる複数の座標原点から求めら
れる。

【０００５】シールド掘進機１の座標値は、測量機器２
の機械座標値と、ターゲット４までの距離と角度とを測
量機器２で視準して測定することによりリアルタイムで
検出し、この座標値に基づいてシールド掘進機１の姿勢
制御などが行われ、測量機器２の制御は、常にターゲッ
ト４を視準するように制御される。

【０００６】しかしながら、このように構成された従来
の自動追尾式測量装置には、以下に説明する技術的な課
題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、図４に示し
た測量装置では、測量機器２とシールド掘進機１に設置
したターゲット４との間には、実際の施工では、後方台
車などの各種設備が存在し、測量機器２で視準可能な空
間に制限があり、シールド掘進機１の位置を測定するの
に適した個所にターゲット４を設置することが難しい。

【０００８】また、測量機器２の有効視準距離は、直線
距離で１００ｍ程度であり、この有効視準距離外になる
と、重量のある測量機器２の面倒な盛替え作業を行うこ
とになる。

【０００９】この場合、特に、急角度の曲線部の施工で
は、短時間に有効視準距離外となり、自動測量が不能に
なって、盛替え作業を頻繁に行う必要があって、より一
層面倒な作業を伴う。

【００１０】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的とするところは、測
量機器での視準可能な空間の自由度が増し、しかも、盛
替え作業が不要になる自動追尾式測量装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、トンネル掘進機の後方に位置する台車の
前部側に搭載され、測点間の挟角と測点までの測距が可
能な自動視準型の測量機器と、前記トンネル掘進機で掘
削された掘削面に順次環状に組立設置されるセグメント
に設置される複数のターゲットとを備え、掘進開始時に
設定される座標値が既知の複数のターゲットから、前記
測量機器の設置位置の機械原点を決定した後に、前記ト
ンネル掘進機の停止中に前記ターゲットを視準してその
座標値を求めることで、常時、前記測量機器での視準可
能な座標値が既知のターゲットを３以上確保し、確保さ
れた座標値が既知の３ターゲットに基づいて、移動後の
前記測量機器の機械座標値を順次求めるようにした。こ
のように構成した自動追尾式測量装置によれば、自動視
準型の測量機器がトンネル掘進機の後方に位置する台車
の前部側に搭載されているので、トンネル掘進機側の視
準の自由度が増す。また、測量機器は、３次元の機械座
標値が、常時確保される座標値が既知の３ターゲットに
基づいて順次求められ、この測量機器がトンネル掘進機
の後方に位置する台車に搭載されているので、測量機器
を盛替える必要がない。前記ターゲットは、環状に組立
設置された同一セグメントの端面内周に一対設置され、
これらのターゲットを前記測量機器で視準することによ
り、前記セグメントの中心点を求めることができる。こ
の構成によれば、特殊な計測機器を用いることなく、セ
グメントの中心点を求めることができる。前記ターゲッ
トは、前記トンネル掘進機本体の内周に一対設置され、
これらのターゲットを前記測量機器で視準することによ
り、前記トンネル掘進機先端の座標値を求めることがで
きる。この構成によれば、ジャイロなどの測定器を用い
ることなくトンネル掘進機の現在位置と方位，方向とが
求められる。前記ターゲットは、前記セグメントに貼着
する反射シートで構成することができる。この構成によ
れば、安価な反射シートを使い捨てにすることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１か
ら図３は、本発明にかかる自動追尾式測量装置の一実施
例を示している。

【００１３】同図に示した測量装置は、本発明をシール
ド掘進機１０に適用した場合を例示しており、シールド
掘進機１０は、中空円筒状の本体１０ａと、本体１０ａ
の前端に設けられたカッター１０ｂと、ジャイロ１０ｃ
とを備え、本体１０ａの内部には、図示省略の推進ジャ
ッキ，カッター１０ｂの駆動装置やセグメント１２の組
立て装置などが設置される。

【００１４】シールド掘進機１０の後方には、掘進に伴
って順次セグメント１２が環状に組立て設置される。ま
た、シールド掘進機１０の後部側には、環状に組立てら
れたセグメント１２内を走行する後方台車１４が設置さ
れている。

【００１５】本実施例の場合には、後方台車１４は、シ
ールド掘進機１０の掘進に伴って牽引移動され、その前
端には、自動視準型の測量機器１６が設置されている。
なお、この後方台車１４は、シールド掘進機１０で必ず
しも牽引移動させる必要はなく、例えば、自走式のもの
であってもよい。

【００１６】この測量機器１６は、いわゆるトータルス
テーションと呼ばれる測量機器であって、本実施例の場
合には、ＣＣＤカメラ１６ａを有し、３次元方向に移動
可能な雲台（図示省略）により支持されている。

【００１７】測量機器１６は、坑外に設置される制御装
置１８からの制御信号を受けて測点に設けられた反射タ
ーゲットを画像処理により自動的に探査することがで
き、探索された反射ターゲットの方向を視準して、光波
ないしはレーザー光線を反射ターゲットに向けて照射
し、その反射波を受光することで、測点までの距離の測
定と、測点間の挟角の測定を自動的に行うことができ
る。

【００１８】一方、環状に組立て設置されたリングセグ
メント１２には、測量機器１６の視準可能な位置に複数
のターゲット２０₀〜２０_n，２０_a，２０_bが設置されて
いる。この実施例では、各反射ターゲット２０₀〜２０_n
は、セグメント１２の内面側に貼着された反射シートか
ら構成されている。

【００１９】図１においてセグメント１２の後端に設置
されたターゲット２０₀は、自動追尾の原点ターゲット
となるものであって、シールド掘進機１０の掘進が開始
される際、もしくは、複数のリングのセグメント１２が
設置された状態で、その三次元座標値（ｘ₀，ｙ₀，
ｚ₀）が正確に求められて、視準し易さを考慮して、セ
グメント１２の天井側にトンネル軸方向と直交するよう
に配置される。

【００２０】なお、この原点ターゲット２０₀は、必要
に応じて盛替えることができる。また、各セグメント１
２の側面に設置された第１〜第ｎターゲット２０₁〜２
０_nは、シールド掘進機１０の掘進が進行し、これに伴
って測量機器１６の位置が移動したときに、移動後の測
量機器１６の設置位置の機械座標値（ｘ_0n，ｙ_0n，
ｚ_0n）を求める際に使用するものであって、本実施例の
場合には、１つのリングセグメント１２に対して１個設
けられており、測量機器１６で視準できる任意の位置に
貼付することができる。

【００２１】さらに、リングセグメント１２の前端側に
設けられた一対のターゲット２０_a，２０_bは、環状に組
立て設置されたリングセグメント１２の中心位置Ｏを求
めるためのものであって、リングゼグメント１２の内周
端面にあって、トンネル軸方向と直交する概略同一平面
上に設置されている。

【００２２】また、シールド掘進機１０の本体１０ａに
設けられた一対のターゲット２０_c，２０_dは、シールド
掘進機１０の先端座標値（ｘ_M，ｙ_M，ｘ_M）を求めるた
めのものであって、測量機器１６で視準可能な位置に、
トンネル軸方向と直交する概略同一平面上に配置されて
いる。

【００２３】次に、制御装置１８により測量機器１６を
制御して、自動追尾する手順の一例について説明する。
図２には、この制御手順の一例が示されており、手順が
スタートすると、まず、ステップｓ１で初期設定が行わ
れる。

【００２４】この初期設定の内容は、原点および第１，
２ターゲット２０₀，２０₁，２０₂の各座標値（ｘ₀，ｙ
₀，ｚ₀），（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）およ
び測量機器１６の設置位置の機械原点の座標値（ｘ₀₀，
ｙ₀₀，ｚ₀₀），セグメント１２に設置された２つのター
ゲット２０_a，２０_b，シールド掘進機１０に設置された
２つのターゲット２０_c，２０_dの座標値（ｘ_c，ｙ_c，ｚ
_c），（ｘ_d，ｙ_d，ｚ_d）を入力する。

【００２５】これらの各座標値は、予め求めておくもの
であるが、機械原点の座標値（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）は、
座標値が既知の３ターゲット（原点，第１，２ターゲッ
ト）２０₀，２０₁，２０₂を測量機器１６で視準するこ
とによって求めてもよい。

【００２６】また、ターゲット２０_c，２０_d，２０_a，
２０_bの座標値（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c），（ｘ_d，ｙ_d，ｚ_d）
は、測量機器１６の視準方向の指標を予め定めて、視準
の時間を短縮するために入力しているが、測量機器１６
の画像処理により視準方向を決定できるので、必ずしも
初期設定で入力する必要はない。

【００２７】初期設定が終了すると、ステップｓ２で、
初期設定で与えられた各ターゲット２０₀，２０₁，２０
₂，２０_a，２０_b，２０_c，２０_dの視準方向を算出し、
これを記憶させておくことで、以後の視準方向の指標と
してターゲット２０₀，２０₁，２０₂，２０_a，２０_b，
２０_c，２０_dの追尾を行う。

【００２８】続くステップｓ３では、第３ターゲット２
０₃の座標値（ｘ₃，ｙ₃，ｘ₃）を計算する。この場合の
計算は、測量機器１６の設置位置から第３ターゲット２
０₃を視準して距離を測距するとともに、座標値が既知
の３ターゲット２０₀，２０₁，２０₂の座標値（ｘ₀，ｙ
₀，ｚ₀），（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁），（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）と、
機械原点の座標値（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）とに基づいて行
われる。

【００２９】第３ターゲット２０₃の座標値（ｘ₃，
ｙ₃，ｘ₃）が計算されると、次の測量の準備のために、
測量機器１６は、原点ターゲッド２０₀の方向を向かせ
て、待機する。

【００３０】そして、ステップｓ４で１リング分の掘削
が終了し、シールド掘進機１０の掘進が停止されると、
ステップｓ５，６，７で、原点ターゲット，第２，３タ
ーゲット２０₀，２０₂，２０₃の順に計測が行われる。

【００３１】この計測は、各ターゲット２０₀，２０₂，
２０₃を視準して、測量機器１６からの距離と、ターゲ
ット２０₀，２０₂，２０₃間の挟角が測定される。続く
ステップｓ８では、測定結果とターゲット２０₀，２
０₂，２０₃の３既知座標値（ｘ₀ ，ｙ₀，ｚ₀），（ｘ₂，
ｙ₂，ｚ₂），（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃）に基づいて、移動後の
機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）が計算される。

【００３２】座標値が既知の３点から未知点の座標を求
める演算は、例えば、衛星を利用したＧＰＳシステムで
移動体の位置を求めることで実用化されていて、未地点
からの距離と挟角とを測定することで、未知点の３次元
座標値を高精度に求めることができる。

【００３３】ステップｓ８で求められた移動後の機械座
標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）が予測される範囲以上の誤差
があったり、あるいは、何らかの原因により求めること
ができなかった場合には、ステップｓ５に戻り、同様な
手順が繰返される。

【００３４】そして、移動後の機械座標値（ｘ₀₁，
ｙ₀₁，ｚ₀₁）が求められると、ステップｓ９に移行す
る。ステップｓ９では、セグメント１２に配置された一
対のターゲット２０_a，２０_bの計測が行われ、移動後の
機械座標値（ｘ₀₁，ｙ₀₁，ｚ₀₁）に基づいて、各ターゲ
ット２０_a，２０_bの座標値（ｘ_a，ｙ_a，ｚ_a），（ｘ_b，
ｙ_b，ｚ_b）が求められる。

【００３５】続くステップｓ１０では、セグメント１２
の中心Ｏの計算が行われる。この計算は、ステップｓ９
で求めた座標値（ｘ_a，ｙ_a，ｚ_a），（ｘ_b，ｙ_b，ｚ_b）
が、図３に示すように、リング状のセグメント１２の円
周上の２点に相当する位置なので、座標値（ｘ_a，ｙ_a，
ｚ_a），（ｘ_b，ｙ_b，ｚ_b）間の線分の長さを求めると、
セグメント１２の直径が既知なので、セグメントピッチ
ング値からセグメント１２の中心Ｏを求めることができ
る。

【００３６】このようにしてセグメント１２の中心Ｏを
求めることができると、従来行われていた、水準器付の
測定棒をセグメント１２の内周面に、水平状態に掛け渡
し、後方からトランシットで測量することにより中心Ｏ
を求める作業が不要になる。

【００３７】セグメント１２の中心Ｏを求めると、その
軌跡を順にプロットすることにより、構築したトンネル
の中心線が判り、計画したトンネルと構築したトンネル
との一致ないしは不一致を判断することができる。

【００３８】セグメント１２の中心Ｏの計算が終了する
と、ステップｓ１１で、シールド掘進機１０の本体１０
ａに配置されているターゲット２０_c，２０_dの計測が行
われる。

【００３９】そして、この測定によって得られた座標値
（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c），（ｘ_d，ｙ_d，ｚ_d）と、シールド掘
進機本体１０ａの直径Ｄと長さＬ（何れも既知）とに基
づいて、図４に示すように、掘進機１０の先端座標値
（ｘ_M，ｙ_M，ｘ_M）を求め、シールド掘進機１０の掘進
方向や姿勢制御の演算を行う（ステップｓ１２，１
３）。

【００４０】以上の処理手順が終了すると、ステップｓ
３に戻り、第４ターゲット２０₄の座標値（ｘ₄，ｙ₄，
ｘ₄）を計算し、ステップｓ５以降の手順が順次繰返さ
れる。

【００４１】さて、以上のように構成された自動追尾式
測量装置によれば、測量機器１６の設置位置の機械原点
（ｘ₀₀，ｙ₀₀，ｚ₀₀）を決定した後に、シールド掘進機
１０の停止中にターゲット２０₀〜２０_nを視準してその
座標値を求めることで、常時、測量機器１６での視準可
能な座標値が既知のターゲット２０₀〜２０_nを３以上確
保し、確保された座標値が既知の３ターゲット２０₀〜
２０_nに基づいて、移動後の測量機器１６の機械座標値
（ｘ_0n，ｙ_0n，ｚ_0n）を順次求めるので、牽引移動され
る台車１４側に測量装置１６を搭載しても、その座標値
を高精度に求めることができる。

【００４２】また、自動視準型の測量機器１６がシール
ド掘進機１０に牽引ないしはその後方に位置する台車１
４の前部側に搭載されているので、シールド掘進機１０
側の視準の自由度が増し、視準に適した場所にターゲッ
ト２０_c，２０_dを設置することが可能になる。

【００４３】さらに、測量機器１６がシールド掘進機１
０に牽引ないしはその後方に位置する台車１４に搭載さ
れているので、測量機器１６を盛替える必要がなく、重
い測量機器１６の移動，再設置を全く行う必要がない。

【００４４】また、本実施例の場合には、ターゲット２
０_a，２０_bは、環状に組立設置された同一セグメント１
２の端面内周に一対設置され、これらのターゲット２０
_a，２０_bを測量機器１６で視準することにより、セグメ
ント１２の中心点Ｏを求めるので、特殊な計測機器を用
いることなく、セグメント１２の中心点Ｏを求めること
ができる。

【００４５】さらに、本実施例の場合には、ターゲット
ターゲット２０_c，２０_dは、トンネル掘進機本体１０ａ
の内周に一対設置され、これらのターゲット２０_c，２
０_dを測量機器１６で視準することにより、トンネル掘
進機先端の座標値（ｘ_M，ｙ_M，ｘ_M）を求めることがで
きるので、ジャイロなどの測定器を用いることなくトン
ネル掘進機１０の現在位置と方位，方向とが求められ
る。

【００４６】また、本実施例の場合には、ターゲット２
０₀〜２０_n，２０_a，２０_bは、セグメント１２に貼着す
る反射シートで構成しているので、安価な反射シートを
使い捨てにすることができる。

【００４７】なお、上記実施例では、測量機器１６の機
械座標値を求める場合に、原点ターゲット２０₀を視準
する場合を例示したが、本発明の実施は、これに限定さ
れることはなく、例えば、セグメント１２の側面に設け
られたターゲット２０₁〜２０_nにおいて、測量機器１６
で視準可能な３点以上の既知座標値が確保されれば、必
ずしも原点ターゲット２０₀を用いる必要はない。

【００４８】また、本発明の実施は、シールド掘進機１
０の自動追尾だけでなく、例えば、セグメントを使用す
るトンネルボーリングマシンの自動追尾にも適用するこ
とができる。

【００４９】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる自動追尾式測量装置によれば、測量機器
での視準可能な空間の自由度が増し、しかも、盛替え作
業が不要になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる自動追尾式測量装置の一実施例
を示す全体構成説明図である。

【図２】図１の測量装置の制御手順の一例を示フローチ
ャート図である。

【図３】図１の測量装置でセグメント１２の中心点０を
求める場合の説明図である。

【図４】図１の測量装置でシールド掘進機の先端位置座
標を求める場合の説明図である。

【図５】従来の自動追尾式測量装置の一例を示す説明図
である。

【符号の説明】

１０シールド掘進機１２セグメント１４後方台車１６測量機器１８制御装置２０₀〜２０_n ターゲット２０_a，２０_b ターゲット２０_c，２０_d ターゲット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蛭子延彦東京都千代田区神田司町２−３株式会社大林組東京本社内 (72)発明者田中政芳神奈川県厚木市長谷柳町260−63 株式会社ソキア厚木工場内 (72)発明者佐藤哲郎神奈川県厚木市長谷柳町260−63 株式会社ソキア厚木工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル掘進機の後方に位置する台車の
前部側に搭載され、測点間の挟角と測点までの測距が可
能な自動視準型の測量機器と、前記トンネル掘進機で掘削された掘削面に順次環状に組
立設置されるセグメントに設置される複数のターゲット
とを備え、掘進開始時に設定される座標値が既知の複数のターゲッ
トから、前記測量機器の設置位置の機械原点を決定した
後に、前記トンネル掘進機の停止中に前記ターゲットを視準し
てその座標値を求めることで、常時、前記測量機器での
視準可能な座標値が既知のターゲットを３以上確保し、確保された座標値が既知の３ターゲットに基づいて、移
動後の前記測量機器の機械座標値を順次求めることを特
徴とする自動追尾式測量装置。
【請求項２】前記ターゲットは、環状に組立設置され
た同一セグメントの端面内周に一対設置され、これらの
ターゲットを前記測量機器で視準することにより、前記
セグメントの中心点を求めることを特徴とする請求項１
記載の自動追尾式測量装置。
【請求項３】前記ターゲットは、前記トンネル掘進機
本体の内周に一対設置され、これらのターゲットを前記
測量機器で視準することにより、前記トンネル掘進機先
端の座標値を求めることを特徴とする請求項１記載の自
動追尾式測量装置。
【請求項４】前記ターゲットは、前記セグメントに貼
着する反射シートからなることを特徴とする請求項１な
いしは３記載の自動追尾式測量装置。