JPS61170612A - シ−ルド機の自動測量装置 - 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、シールドトンネル工事において、シールド
機の掘進位置、方向等を測量するため使用される自動測
量装置に係り、さらにいえば、シールド機にターゲット
部を設置し、その後方側に検出部、データ処理部を設置
して成るシールド機の自動測量装置に関する。

（従来技術とその問題点など） シールドトンネル工事を高精度かつ能率的に施工するた
めには、掘進中のシールド機の位置、姿勢あるいはセグ
メントの位置を常時リアルタイムで把握し、計画線上を
掘進するように適切な方向修正を行なうことが肝要であ
る。

従来、シールドトンネル工事における坑内測量は、立坑
内に設置した基準点をもとにしてトランシフト、レベル
、スチールテープ等による手作業でシールド中心線及び
シールド機の位置、方向を把握し、あるいはシールド機
に設置した傾斜計などによりシールド機の姿勢（ピッチ
ング、ローリングなど）を把握する測量方法を実施して
いるのが通例であった。

しかし、このような測量方法には次の如き欠点、問題点
があった。

■シールド工事の精度の高い施工を行なうためには、測
量に豊富な経験と高度な技術が要求された。

■測量及びシールド掘進の管理が繁雑になった。

■測量結果のフィードバー２りは、セグメントリングに
して数リングおき位に遅れる。このため施工精度の確保
が難しかった。

■測量が能率的でなく、省人化できない。

ところで、最近ではレーザービーム、ジャイロコンパス
、ＩＴＶ等を使用した自動測量システムも開発されてい
る。しかし、その自動測量システムは、いずれもシール
ド機内に検出部を設置した構成である。従って、 ■シールド径が小さくなるにしたがって施工中の機器メ
ンテナンスが困難になる。

■掘削部に近接した悪い雰囲気のため、精密機器である
検出部、データ処理部が故障しやすい。

等の欠点１問題点があった。

（発明の目的） そこで、この発明の目的は、シールド機の位置、姿勢を
リアルタイムに自動測量することができ、しかもシール
ド機内には発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）などに
よる検出用輝点、即ちターゲット部のみ設置し、精密機
器で構成した検出部及びデータ処理部はずっと後方に離
れた位置に設置して成るシールド機の自動測量装置を提
供することにある。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、この発明のシールド機の自
動測量装置は、 （イ）二等辺三角形（正三角形を含む）の各頂点の位置
に配置された３点の検出用輝点と、自動規準用輝点、測
距用の反射プリズムなどから成り、シールド機内に設置
されたターゲット部と、（ロ）前記検出用輝点をにらむ
ＴＶ右カメラ、自動規準用輝点をにらみ、かつ、反射プ
リズムまでの距離を測る自動規準光波距離計などから成
り、シールド機の後方の例えば立坑又はセグメントに設
置された検出部と。

（ハ）前記検出部で得た情報、即ちシールド機までの距
離、検出用輝点のＸ−Ｙ座標データをそれぞれ処理し、
シールド機の位置、姿勢、向きなどを、例えばシールド
機の計画線に対するずれ、ピッチング角、ヨーイング角
、ローリング角でそれぞれ計算し、記録表示するデータ
処理部と、により構成されてる。

（実施例） さらに、図示した実施例により詳細に説明する。

まず、第１図は、シールドトンネル工事に採用実施され
た、この発明に係る自動測量装置の位置づけを示してい
る。

図中１がシールド機、２はシールド機１の後方に組込ま
れたセグメントである。

そして、図中Ａがシールド機ｌ内に設置されたターゲッ
ト部、Ｂはシールド機１のずっと後方のセグメント２（
又は立坑）に設置された検出部、Ｃはデータ処理部であ
る。

ターゲット部Ａは、３点の方向検出用輝点３ａ、３ｂ、
３Ｃが中心をなす、これら３点の方向検出用輝点３ａ〜
３Ｃはそれぞれ発光ダイオード（ＬＥＤ）より成る。そ
の基本的配置は、第６図に示したとおり、正面方向（第
６図の正面図）に見ると水平一直線上に配置され、平面
方向（第６図の平面図）に見ると斜辺の長さが見である
二等辺三角形の各頂点に位置する配置とされている。

また、ターゲット部Ａには、反射プリズム４及び１個の
自動規準用輝点（ＬＥＤ）５が包含されている。

次に、検出部Ｂは、前記３点の検出用輝点３ａ〜３Ｃを
にらみ撮影するＴＶカメラ６と、自動規準光波距離計７
とより成る。

前記自動規準光波距離計７は、測距部７ａと、自動視準
部７ｂとで構成されている。自動視準部７ｂでは、ター
ゲットである自動規準用輝点５を自動追尾し、当該自動
規準光波距離計７がたえずターゲット部Ａを規準するよ
うに水平及び垂直モータ部７ｃを動作させる。また、測
距部７ａは、反射プリズム４までの距離を測る。

次に、データ処理部Ｃは、前記ＴＶ右カメラで撮影した
画像が送られる移動物体位置検出装置８と、その画像表
示用のモニターテレビ９、及び前記自動規準光波距離計
７で測距した反射プリズム４までの距離を読み取るパー
ソナルコンピュータ１０とその画像出力部（モニタ一部
）たるＣＲＴｌｌ、記録部たるディスクユニツ）１２で
構成されている。

前記移動物体位置検出装置８では、モニターテレビ９の
画面内の３個の検出用輝点３ａ、３ｂ、３Ｃを追尾し、
同時にモニター画面上のＸ−Ｙ座標のデータをパーソナ
ルコンピュータｌＯで読取る。

パーソナルコンピュータｌＯにおいては、前記測距デー
タとＸ−Ｙ座標データから、シールド４１１１の計画線
に対するずれ、姿勢、方向を計算し記録表示する。

（計算の考え方） 以下に、第２図〜第４図に基いて計算の基本的考え方を
説明する。

まず、第２図に実線で示したΔａｂｃは、上記３点の検
出用輝点３ａ〜３Ｃが撮影されたモニタ画面とする。

このΔａｂｃのａ点の基本座標Ｘ−Ｙの原点Ｏからの位
置ずれ（ｘ、ｙ）を計画線に対するずれとして把握する
。

そして、Δａｂｃについては、ａ点を座標原点にとるｘ
−ｙ座標に座標変換して以下の図形処理を行なう。

まず、第２図のΔａｂｃを平面的に見た形が、第３図に
実線で示したΔａｂｃである。

そこで、第３図のΔａｂｃにおける斜辺ｂｃの中点Ｐを
通る直線ａｐが軸ｚ上に一致するまで回転したものが点
線図示のΔａｂ１　ｃｌ　である、このときの７１の回
転角αが、シールド１１１のヨーイング角αとして把握
される。

次に、上記第３図のΔａｂ１　ｃｌを第２図に正面図と
して写したものが点線図示のΔａｂｌ　ｃｌであり、そ
の側面図が第４図に点線図示したΔａｂｌ　ｃｌである
。該Δａｂｌ　　ｃｌ　における底辺ｂｌ　　ｃＩの中
点Ｑを通る直線ａＱが軸２と一致するまで回転したもの
が、第４１図に２点鎖線で図示したΔａｂ２　Ｃ２であ
る。このときの７酊の回転角βがシールド４！１１のピ
ッチング角βとして把握される。

上記第４図のΔａｂ２ｃ２　を再び第２図の正面図とし
て写したものが２点鎖線図示の直線２ａｃ２　である、
この直線”「丁−ｒτ］−を、上記３点の検出用輝点３
ａ、３ｂ、３ｃの基本的な水平方向−直線上の配置ｂ′
ａＣ′と一致させるべく回転したときの回転角゛γが、
シールドａ１のローリング角γとして把握される。

（計算式） 次に、上述した図形処理をパーソナルコンピュータ１０
における計算式で求める方法を説明する。

いま、モニターテレビ９の画面には、３点の検出用輝点
３ａ、３ｂ、３Ｃが、第５図中にａ点（Ｘｌ、　Ｙｌ　
）’　、　ｂ点（Ｘ２　、　Ｙ２　）　、　ｃ点（Ｘ３
　、　Ｙ３　）と表示されたものとする０本来の基本的
配置は第６図のとおりであるから、■計画線に対するシ
ールド４１１１の位置ずれ（平行ずれ）は、ａ点の座標
Ｘ＋、Ｙ＋　で求めることができる。

■ヨーイング角α（右方向を＋）を求めるには、まず座
標変換 ｘ１＝Ｏｙｌ　ヨＯ Ｘ２　＝Ｘ２−Ｘ＋　　　　　７２　＝Ｙ２−Ｙ＋Ｘ３
　＝Ｘ３−ＸＩ　　　　　７３　＝Ｙｚ　−Ｙ＋を行な
う、そして、この新座標ａ　（０，Ｏ）、ｂ（ｘｚ、７
２）、Ｃ（Ｘ３．７３）に基いて、２２　　＝　　　　
　　　　　−Ｘ２　−７２Ｚ　３　＝　　ｒ　ｆＬ下”
−＊　ａ””−”ｙ　＝”’とすると、α＝ｔａｎ’（
普寸−÷）Ｈ−）で求めることができる。

■ピッチング角β（前上りを＋）を求めるには、Ｘ２　
　’＝Ｘ２　　ｃｏｓａ−ｚ２　５ｉｎａ。

Ｚ２　　’＝Ｚ２　　Ｃｏ５（Ｘ＋Ｘ２　５ｉｎａＸ３
　　’＝Ｘ３　　ＣＱＳａ−２３５ｉｎａ、Ｚ３　　’
＝Ｚ３　　ｃｏｓａ＋ｘ３５ｉｎａとすると、 ができる。

■ローリング角γ（右回転を＋）を求めるには、７２　
　”＝Ｖ２　Ｃ，Ｏ３β−２２ｓｉｎβ、ｚ２”＝ｚ２
’ｃｏｓβ＋ｙ２ＳｉｎβＹ３　”＝１３　ｃｏｓａ−
ｚ３’ｓｉｎβ、Ｚ３　　＃：Ｚ３　　’ＣｏＳβ＋ｙ
３ｓｉｎβとすると、 ゛　−１−１１１”で求めること ““−３ｌ　ｎ　　　　ｘ ができる。

（計算例） ちなみに、第８図〜第１０図は、第７図のようにモニタ
画面に表示された３点の検出用輝点３ａ〜３Ｃの位置に
基いて計算し、その結果を図形表示したものである。ち
なみに検出用輝点３ａの位置は（−１２０、−８０）　
ｍｍ、検出用輝点３Ｃの位置は（−５０、−４０）ｍｍ
、検出用輝点３ｂ（７）位置は（２５、−５５）ｍｍテ
あった。

これに基いて計算した結果、ヨーイング角αは、第８図
にシールド機１の平面図を示したように右に０．７７９
０である。ピッチング角βは、第９図にシールド機１の
側面図を示したように前下りに−８，５０３°である０
位置ずれ及びローリング角γは第１０図にシールド機１
の背面図を示したとおりセンターからのずれが（−５０
、−４０）ｍｍで、左方向に−７，２８１’であること
がそれぞれ示されている。従って、シールド機１の方向
修正は、こうした画像に基いて各成分方向に行なえばよ
いことになる。

（第２の実施例） 検出部Ｂには、第１１図に示したように、自動視準部を
除き、測距部７ａと水平及び垂直モータ部７ｃにより構
成した自動規準光波距離計７′を使用することも可能で
ある。この場合、自動規準用輝点５は必要でない。

即ち、ＴＶ右カメラで撮影した画像に基すいて移動物体
位置検出装Ｍ８で得られたデータを基に計算した計画線
に対するシールド機ｌの位置ずれ（平行ずれ）の値を、
自動規準光波距離計７′の水平及び垂直モータ部７ｃに
フィードバック制御することにより、ターゲットである
反射プリズム４を自動規準することが可能だからである
。

（第３の実施例） 上記シールド機ｌに設置したターゲット部Ａを、第１２
図に示した如くセグメント２に対しトンネルスタッフ１
３を介して設置することにより、出該セグメント２の位
置を上記シールドａ１の測量の場合と全く同様に検出す
ることができる。

即ち、セグメント２はシールド４！！１の掘進動作にと
もない、漸次位置ずれを起すことが知られている。よっ
て、セグメントの計画線に対する位置を計算しその軌跡
を記録表示することも重要な管理である。

第１２図中２０は位置検出用輝点、２１は反射プリズム
、２２は自動規準用輝点、２３は水準器である。

（作用効果） 以上に実施例で詳述したとおりであって、この発明の自
動測量装置によれば、シールド機１の測量を全自動的に
行なうので、坑内測量の省人化、効率化が図れる。

のみならず、シールド４１Ｉｌの位置、姿勢などは、シ
ールド４１１１の掘削運転中にも常時リアルタイムで測
量でき、ひいてはシールド！１１１の迅速な姿勢、方向
修正ができる。よって、高精度かつ能率的な施工を可能
ならしめる。

そして、測量及び掘進管理の簡素化を図ることもできる
。

また、シールド機１内にはターゲット部Ａが設置されて
いるにすぎず、そのずっと後方の安定なセグメント２又
は立坑に検出部Ｂ、データ処理部Ｃが設置されているの
で、トラブル発生時のメンテナンスが容易であり、しか
もシールド径が小さくなった場合にも十分対応して採用
実施できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はシールド機に対するこの発明の測量装置の位置
づけを示した説明図、第２図〜第４図は検出用輝点の画
像処理（図形処理）の要領を示した正面図と平面図及び
側面図である。第５図と第６図は計算例としてモニター
画面の座標表示と検出用輝点の配置を示した説明図、第
７図はモニター画面の一例、８８図〜第１０図は前記モ
ニター画面に基くシールド機のヨーイング、ピッチング
、ローリングの状態を図形表示した画像面、第１１図は
第２実施例としての自動規準光波距離計を示した正面図
、第１２図はセグメントにターゲット部を設置した状態
の正面図である。 第４ＦｉＡ ｙ 第５図 第７１！ｌ 第８図 第９ｒｉＡ 第１０ｉ！ｌ 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【１】（イ）３点の検出用輝点（３ａ）〜 （３ｃ）等より成り、シールド機（１）に設置されたタ
   ーゲット部（Ａ）と、 （ロ）前記検出用輝点（３ａ）〜（３ｃ）をにらむＴＶ
   カメラ（６）及び自動視準光波距離計（７）等より成り
   、シールド機（１）の後方所定の位置に設置された検出
   部（Ｂ）と、 （ハ）検出部（Ｂ）で得た情報を処理し、シールド機（
   １）の位置、姿勢、向きなどを演算し記録表示するデー
   タ処理部（Ｃ）と、 より成ることを特徴とするシールド機の自動測量装置。 【２】特許請求の範囲第１項に記載した３点の検出用輝
   点（３ａ）〜（３ｃ）は、基本的には正面方向から見て
   水平一直線上に配置し、平面方向に見ると二等辺三角形
   の各頂点の位置に配置された構成であるシールド機の自
   動測量装置。 【３】特許請求の範囲第１項に記載したターゲット部（
   Ａ）は、測距用の反射プリズム（４）及び自動規準用輝
   点（５）を包含した構成であるシールド機の自動測量装
   置。 【４】特許請求の範囲第１項に記載した自動視準光波距
   離計（７）は、反射プリズム（４）までの距離を測る測
   距部（７ａ）と、自動視準用輝点（５）をにらむ自動視
   準部（７ｂ）と、前記自動視準部（７ｂ）をして自動視
   準用輝点（５）を自動追尾させる水平及び垂直モータ部
   （７ｃ）とで構成されているシールド機の自動測量装置
   。 【５】特許請求の範囲第１項に記載した自動視準光波距
   離計（７）は、反射プリズム（４）までの距離を測る測
   距部（７ａ）と、測距部（７ａ）を反射プリズム（４）
   に対して自動追尾させる水平及び垂直モータ部（７ｃ）
   とで構成されているシールド機の自動測量装置。 【６】特許請求の範囲第１項に記載したデータ処理部（
   Ｃ）は、３点の検出用輝点（３ａ）〜（３ｃ）のＸ−Ｙ
   座標データからシールド機（１）の計画線に対するずれ
   、ピッチング角、ヨーイング角、ローリング角をそれぞ
   れ計算し記録表示するシールド機の自動測量装置。