(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された母管に到達した弾性波を検知する複数個の弾性波受信センサーを、前記母管を横断する面内における該母管の内表面における複数の所定の角度位置に配設し、地表又は地中の所定位置から弾性波を発信させ、前記母管内表面に配設した複数個の弾性波受信センサーが弾性波を検知した夫々の時刻を基に前記所定位置からの前記母管の中心に対する方向を探査することを特徴とする母管存在方向の探査方法。
【請求項２】
概略一定の方向に地中を掘削できる掘削装置と、
指示を受けて該掘削装置の掘削方向を変化させられる方向制御装置と、
前記掘削装置の掘削した孔の先端で弾性波を発生させる弾性波発生装置と、
地中に埋設された母管の内表面に、該母管を横断する面内において所定の角度位置に配設された複数個の弾性波受信センサーと、
該複数個の弾性波受信センサーの夫々の弾性波受信時刻を基に、前記母管への弾性波の最早到達角度位置を決定する最早到達角度位置決定装置と、
該最早到達角度位置決定装置の決定した最早到達角度位置を基に前記掘削装置の掘削方向を補正し、前記方向制御装置に指示する方向指示装置と
を具備することを特徴とする母管に接続させる管路孔の掘削装置。
【請求項３】
前記複数個の弾性波受信センサーと接続されたマイクロコンピューターのプログラム処理によって前記最早到達角度位置決定装置と方向指示装置との機能が果たされることを特徴とする請求項２記載の母管に接続させる管路孔の掘削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地中に埋設された母管に対して斜め上の地表等から掘削してゆき、掘削孔を母管に正確に到達させるための方法と装置に関する。従って、下水の母管に対して家庭からの下水管を接続させる管路孔掘削等に利用できる。母管は水平とは限らず、斜めや鉛直の場合でもよく、また母管の側面に接続する他、母管終端面が半球状の場合に、ここに接続する場合にも利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
下水等の母管は地中に埋設されているため、各家庭等からの下水管を下水母管に接続させる際には道路を地表から開削し、母管の位置を確かめた後、横方向から開削して新たな管を接続敷設していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、このような開削方法は手間と時間を要し、特に道路下の母管の場合は交通を遮断する等影響が大きく、開削しないで済む方法が望まれていた。
【０００４】
依って本発明は、開削しないで埋設母管への接続を精度良く行うための埋設母管の存在方向探査方法と、該母管に接続させる管路孔の掘削装置の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑みて本第１発明は、地中に埋設された母管に到達した弾性波を検知する複数個の弾性波受信センサーを、前記母管を横断する面内における該母管の内表面における複数の所定の角度位置に配設し、地表又は地中の所定位置から弾性波を発信させ、前記母管内表面に配設した複数個の弾性波受信センサーが弾性波を検知した夫々の時刻を基に前記所定位置からの前記母管の中心に対する方向を探査することを特徴とする母管存在方向の探査方法を提供する。
【０００６】
また第２発明は、概略一定の方向に地中を掘削できる掘削装置と、指示を受けて該掘削装置の掘削方向を変化させられる方向制御装置と、前記掘削装置の掘削した孔の先端で弾性波を発生させる弾性波発生装置と、地中に埋設された母管の内表面に、該母管を横断する面内において所定の角度位置に配設された複数個の弾性波受信センサーと、該複数個の弾性波受信センサーの夫々の弾性波受信時刻群を基に、前記母管への弾性波の最早到達角度位置を決定する最早到達角度位置決定装置と、該最早到達角度位置決定装置の決定した最早到達角度位置を基に前記掘削装置の掘削方向を補正し、前記方向制御装置に指示する方向指示装置とを具備することを特徴とする母管に接続させる管路孔の掘削装置を提供する。
【０００７】
更には第３発明は、上記複数個の弾性波受信センサーと接続されたマイクロコンピューターのプログラム処理によって上記最早到達角度位置決定装置と方向指示装置との機能が果たされる母管に接続させる管路孔の掘削装置を提供する。
【０００８】
【作用】
第１発明では、母管の横断面内における内表面の複数所定角度位置に複数個の弾性波受信センサーを配設しており、所定位置から発せられた弾性波は地中を伝搬し、発信源と母管壁の円周上各角度位置を直線で結んだ線分の内、最短の線分を伝搬した弾性波が最初に母管に到達する。従って、配設した複数個の弾性波受信センサーは夫々弾性波検知時刻が異なり、弾性波を最も早い時刻に検知した弾性波受信センサーの取付け位置が発信源に最も近いことになる。
この場合、弾性波は地中を一定の速度で進行することを前提としているが、新たな管を母管と接続させる埋設開始位置と母管との距離は通常小さく、その間の地中の弾性波伝搬物性はほぼ一定と見なせるか、或いは予め地中の物性変化が判明している場合に適用できる。
また、各弾性波受信センサーが弾性波を検知する応答時間差は１マイクロ秒程度の差まで判別可能であり、相応の精度で母管壁面各角度位置への弾性波の到達時間差が判定できる。
【０００９】
第２発明では、母管の存在する所定の位置に向けて掘削しても、掘削装置の方向誤差によって母管に正確に到達できないか、或いは、母管の位置が不正確な場合に、掘削途中で掘削孔の先端から弾性波発生装置によって弾性波を発生させ、この弾性波を母管内表面の横断面内所定角度位置に配設した複数個の弾性波受信センサーによって受信し、この受信時刻の内、最早到達時刻は掘削孔先端（弾性波発生源）から最も近い距離にある母管角度位置のセンサーのものであり、掘削装置はこのセンサーの配設角度位置と母管の中心を結ぶ方向に位置しており、これが所期の方向からずれている場合には、方向指示装置によって掘削方向を補正し、方向制御装置に補正方向指示を与えて掘削装置の方向を補正する。
【００１０】
第３発明では、上記複数個の弾性波受信センサーと接続されたマイクロコンピューターのプログラム処理によって上記最早到達角度位置決定装置と方向指示装置との機能が果たされれば、弾性波を発生させた後即時に掘削方向の補正指示が出せ、掘削作業を迅速に進行できる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づき更に詳細に説明する。
図１は道路に沿って道路下に埋設され、特に正確な位置が不明の円管の下水用母管１０に対して、道路側に建てられた家から径の小さな下水管を、母管１０に対し該母管の直径方向に突き刺すように、即ち、母管の中心Ｏに向って接続させる場合の掘削方向、即ち母管の存在方向を探査する方法を示しているが、母管の正確な位置が判明している場合にこの方法を使用することは自由である。
まず、母管１０の直径が大きな１〜３ｍ程度であり、内部のメインテナンスのために道路に適宜間隔で設けたマンホール（人孔）から人が母管内に侵入できる場合とする。内部に作業者を侵入させ、適数の弾性波受信センサーＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を母管内表面に取付けることができる。
【００１２】
母管内では作業者は母管を直交状態に横断する面内にこれら弾性波受信センサーを配置すると共に、傾斜計を使用して中心Ｏを通る水平面Ｈを基準とした角度θ１，θ２，θ３，θ４（煩雑さ回避のため図にはθ１のみ図示）を設定して取り付ける。この実施例では図１における母管１０の左上方から接続されることは分っているため、弾性波受信センサーは母管の左半分かつ上半分の領域に探査精度を考慮して適宜角度間隔で配置すればよい。各弾性波受信センサーには検知信号と時間との対応が付けられるマイクロコンピューター等の時計手段との接続を行う。
【００１３】
一方、母管１０への接続のための掘削開始位置Ｐ１において、例えば地中に打ち込んだ鉄柱の頭をハンマーで打撃するというような方法でもよいが、同様のトリガー付き弾性波発生装置によって弾性波を生じさせる。地中では弾性波は縦波と横波となって伝搬されるが、この内縦波が速く進行する。従って、上記各弾性波受信センサーは発信源Ｐ１と各弾性波受信センサーを結ぶラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４上を伝わる縦波を最初に検知する。然しながら、母管１０は円管であるため、各ラインが中心Ｏを通過する直径方向ラインに近ければ近い程弾性波伝搬距離（各弾性波受信センサーと位置Ｐ１との距離）は短く、伝搬時間が短くなる。従って、各弾性波受信センサー毎の弾性波受信時刻を調べることにより、最短距離の方向、即ち、中心Ｏを通過する方向が弾性波受信センサーの配置間隔に応じた精度で分る。
【００１４】
図３はこの計測結果を図示したものであり、各弾性波受信センサーが夫々最初に弾性波（縦波）を検知した時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の中で最も早い時刻はＴ２であり、ラインＬ２の方向が母管中心Ｏの方向に向いていると判断できる。即ち、地表の水平面から角度θ２だけ下方に傾斜した方向に掘削して行く。
【００１５】
然しながら、複数個の弾性波受信センサーは離散的角度間隔で配置されているため、上記弾性波受信センサーＳ２の存在位置は位置Ｐ１と母管１０の中心Ｏとを通過する厳密なライン上に存在するとは限らず、当初の掘削方向θ２が既に幾分かの方向誤差を有していることも考えられる。実際、図３の各計測値を滑らかに結んだラインの時刻Ｔの最小点は弾性波受信センサーＳ２とＳ３との間に存在しており、図１のラインＬ２は母管中心Ｏから幾分か外れている。この他、現実の掘削による方向誤差も存在する。
【００１６】
従って、図２に示すように、掘削過程において幾分か掘り進んだ段階の掘削孔１２の先端位置Ｐ２において図１の場合と同様な探査を行う。位置Ｐ２において弾性波発生装置を弾性波させてラインＬ１’，Ｌ２’，Ｌ３’，Ｌ４’の各方向への弾性波伝搬を各対応弾性波受信センサーＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で受信し、その受信時刻を調べる。その最早の受信時刻に対応する弾性波受信センサーの方向に掘削すればよい。このように正確な方向を探査させつつ掘削すれば、より正確に母管１０に接続させられる。
【００１７】
図４は以上の方法が計測精度上可能であることを説明する図である。母管１０の半径をＲとし、弾性波の発信源位置をＰとし、この点Ｐと母管の中心Ｏを通るラインが母管と交差する点をＳとし、図のように角度θだけ離隔した点をＳ’とし、点Ｐと点Ｓを結ぶ距離をＬとし、点Ｐと点Ｓ’を結ぶ距離をＬ＋ΔＬとすると下記の式が成立する。
（Ｌ＋Ｒ（１−ｃｏｓθ））２  ＋（Ｒｓｉｎθ）２  ＝（Ｌ＋ΔＬ）２
ΔＬ２  はＬ２  よりも相当に小さいと見なせるため、下記の如く整理できる。
ΔＬ＝（Ｒ／Ｌ）（Ｒ＋Ｌ）（１−ｃｏｓθ）
【００１８】
ここで
Ｌ＝５０００ｍｍ
Ｒ＝１０００ｍｍ
θ＝π／１０
とした場合、ΔＬ＝５９ｍｍとなる。地中の縦波速度は３００〜１０００ｍ／ｓ程度であるが、１０００ｍ／ｓ（＝１ｍｍ／μｓ）としても縦波は点Ｐから点Ｓに到達するよりも点Ｓ’に到達する方が５９μｓだけ多く時間を要する。既述の如く、１マイクロ秒程度の精度で計測できるため、この５９マイクロ秒の差は充分に計測可能である。
【００１９】
また、母管が小径の場合で、Ｒ＝１００ｍｍの場合はΔＬ＝５ｍｍとなるが、やはり計測可能である。このように小径の母管の場合は、作業者が母管内に侵入して弾性波受信センサーを取付けることはできないが、棒状部材の先端に遠隔操作によって径方向に拡径させられる環状の膨張可能体の表面の所定角度位置に弾性波受信センサーを複数個配設しておき、母管内に挿入後、棒状部材を所定角度位置に回転位置させ、上記膨張可能体を膨張させ、各センサーが水平面に対して夫々所定の角度位置に来るように設定することができる。
【００２０】
図５は母管１０の位置、即ち中心Ｏの位置（Ｘ０，Ｚ０）が判明している場合を示しており、母管内表面の所定角度位置に複数個の弾性波受信センサーＳ１，・・・，Ｓ７を夫々配設し、このセンサーＳ４の配設されている角度位置に地表の点Ｓ０から管路孔を掘削接続させる手法を説明する。掘削すべき計画ラインはＬ０で示されており、先端にカッターを備えた掘削装置が厳密にこの計画ラインＬ０に沿って掘り進むならば何等の問題も生じないが、現実には装置の精度や地盤の強弱によって掘削方向が変動する。従って、実際の掘削孔１２は図のように計画ラインＬ０からずれる。これを補正して可級的正確に母管のセンサーＳ４の角度位置に到達させるには、掘削途中においてその掘削方向を調べ、その方向補正を行うことである。
母管１０の位置（Ｘ０，Ｚ０）が判明していない場合には、地表（軸線Ｘ）上の複数点において異なる時刻に弾性波を発生させ、これを夫々母管のセンサーＳ１，・・・，Ｓ７で検出し、最早到達時刻に対応する母管内表面のセンサー位置の角度（最早到達角度）と弾性波発生点の位置との複数組合せから知ることができる。
【００２１】
補正を幾度か行った後、図５の位置Ｐ２の所に掘削孔１２の先端が到達したとする。この図では図示し易いように誇張してある。この位置Ｐ２において弾性波発生装置から弾性波を発生させ、図１から図３において説明したことから分るように弾性波の母管への最早到達時刻の角度位置が位置Ｐ２に最も近く、この実施例ではその最早到達角度位置がセンサーＳ５の角度位置であるとすると、センサーＳ５の角度位置と母管の中心Ｏを結ぶラインＬ５の上に掘削孔先端位置Ｐ２が位置していることが判明する。ここで、掘削孔１２の長さは既知であり、この長さから、座標軸Ｘ又はＺの内、例えば、Ｘ座標軸について、掘削孔１２の先端の位置座標ＸをＸ１として概算できる。
【００２２】
従って、掘削孔先端位置Ｐ２の近似の位置Ｐ２’が定まる。ここから母管１０のセンサーＳ４の方向に向けて掘削方向を変更しなければならず、その方向は、定まった点Ｐ２’と既知のセンサー点Ｓ４とを結ぶライン方向であって決定できる。この方向を掘削装置のカッター駆動機構に接続している方向制御装置に指示し、掘削させる。現実の掘削装置の先端は位置Ｐ２であるため、この後は他の方向誤差が生じなかったとしても母管の点Ｓ４’に到達するが、これは本発明では除去できない誤差である。しかし、この後も上記のような方向補正を適数回行うことにより、またセンサーの数を増やしてセンサー間隔角度を小さくすれば、それに応じて到達位置精度は向上する。
【００２３】
上述した最早到達角度位置の算出や掘削方向補正の算出を、弾性波受信センサーと接続し、切削装置の方向制御装置とも接続したマイクロコンピューターに予め組み込んだプログラムの処理で行うと作業が迅速に行える。この実施例の場合は上記概算の座標位置Ｘ１を算定するために掘削孔１２の長さもマイクロコンピューターに入力する必要がある。この掘削された長さが自動的に入力される方式が好ましいが、方向調査の度にキーボードから入力してもよい。特に小さなノート型パソコン等のパーソナルコンピューターを使用すると作業現場に持ち込め、取扱い操作に便利である。
【００２４】
更には作業現場において、地中を掘削している状態をマイクロコンピューターと接続したディスプレイに図示すれば、作業の現状が把握でき、効果的である。図６はその図示の一例であり、縦軸は母管１０の壁面の円周角度位置であり、Ｓ１からＳ７は夫々の弾性波受信センサーの配設された対応角度位置を示す。横軸は、例えば孔１２の計画ラインＬ０に対応する掘削長さを示す軸Ｌ０’であり、掘削進行途中位置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５において、各最早到達角度位置を基準にして各弾性波受信センサーが弾性波を受信した時刻と各センサーの間の角度位置を滑らかに点線で描き（即ち、各途中位置Ｄ１等においては横軸は時間軸でもある）、５本のグラフ（位置と同じ記号で示す）を示している。この５本のグラフＤ１，・・・，Ｄ５の各最早到達角度位置同士を実線で結んだラインは横軸Ｌ０’を地中の計画ラインＬ０に見立てれば、掘削装置の掘り進んでいる状態を模式的に示すことになる。従って掘削状態が擬似的に目視できる。その他、工事に必要な事項を表示させてもよい。
【００２５】
図３を用いて説明した探査方法では、掘削開始点Ｓ０から最初の方向補正検査点Ｄ１付近までは上述した点線グラフは直線に近くなるため（グラフＤ１も図のように直線状である）、最早到達角度位置を求める精度は低下する。そこで、代りに掘削開始点Ｓ０に近い範囲では可視範囲の測量、又は傾斜計を用いて計画線Ｌ０（Ｌ０’）に一致する方向を定める方法をとることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、母管壁に取り付けた弾性波受信センサーの内、弾性波の発信源から最も近い距離にある弾性波受信センサーが最も早く弾性波を検知する。この弾性波受信センサーの位置と発信源とを結ぶライン方向が母管の中心を通る方向であると見なせる。こうして掘削方向を定めて掘削し、他の管を母管に正確に接続することができ、道路等の開削工事が不要となり、交通を遮断するようなことが無くなり、人手を減らして工事ができ、工期の短縮や工事費用の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る母管方向の探査方法の説明図である。
【図２】図２は掘削途中における母管方向の探査方法の説明図である。
【図３】図３は計測結果の説明図である。
【図４】図４は母管方向探査方法の精度を説明する図である。
【図５】図５は他の実施例の母管に接続させる管路孔の掘削説明図である。
【図６】図６は図５における掘削途中状態の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１０                          母管
Ｏ                            母管の中心
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２                弾性波発生源
Ｓ１，・・・，Ｓ７            弾性波受信センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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