(57)【要約】【課題】地盤に正確に管を挿入制御すること。【解決手段】管を地盤に挿入するにあたり、管の先端部に取り付けた掘削装置３と、少なくとも管の先端部付近に取り付けた折れ角測定装置２と、折れ角測定装置から管の曲がりを計測し、掘削装置３を制御する計測制御装置４とを備え、地盤に管を挿入する際、管の挿入位置を制御する、管挿入制御装置、及びその方法。【選択図】        図１
2005213743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管を地盤に挿入する管挿入制御装置において、
管の先端部に取り付けた掘削装置と、
少なくとも管の先端部付近に取り付けた折れ角測定装置と、
折れ角測定装置から管の曲がりを計測し、掘削装置を制御する計測制御装置とを備え、
地盤に管を挿入する際、管の挿入位置を制御することを特徴とする、管挿入制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の管挿入制御装置において、
管の内部に配置された計測用内管を備え、
計測用内管内に折れ角測定装置を配置することを特徴とする、管挿入制御装置。
【請求項３】
管を地盤に挿入する管挿入制御方法において、
管の先端部に地盤を掘削する掘削装置を配置し、
少なくとも管の先端部付近に折れ角測定装置を配置し、
管を地盤に挿入すると共に管の曲がりを計測し、
管の挿入位置を制御することを特徴とする、管挿入制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の管挿入制御方法において、
トンネル構築の際、先進導坑の側面から管を地盤に挿入して先受け支保工を施工することを特徴とする、管挿入制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル構築などの地盤工事において、曲線管などの管を地盤に挿入する装置と方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、管の曲がりの計測は、管を地盤に挿入した後に、ジャイロを管内に配置し、管内で往復運動させて管の曲がりを計測している。そのため、地盤に挿入した後の管の曲がりの確認だけになり、地盤に管を挿入する際に、管の挿入位置を制御することはできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
＜１＞本発明は、地盤に正確に管を挿入制御することにある。
＜２＞本発明は、また、トンネル構築において、曲線管を地盤に正確に挿入制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
＜１＞本発明は、管を地盤に挿入する管挿入制御装置において、管の先端部に取り付けた掘削装置と、少なくとも管の先端部付近に取り付けた折れ角測定装置と、折れ角測定装置から管の曲がりを計測し、掘削装置を制御する計測制御装置とを備え、地盤に管を挿入する際、管の挿入位置を制御する、管挿入制御装置にある。
＜２＞また、本発明は、前記＜１＞に記載の管挿入制御装置において、管の内部に配置された計測用内管を備え、計測用内管内に折れ角測定装置を配置する、管挿入制御装置にある。
＜３＞また、本発明は、管を地盤に挿入する管挿入制御方法において、管の先端部に地盤を掘削する掘削装置を配置し、少なくとも管の先端部付近に折れ角測定装置を配置し、管を地盤に挿入すると共に管の曲がりを計測し、管の挿入位置を制御する、管挿入制御方法にある。
＜４＞また、本発明は、前記＜３＞に記載の管挿入制御方法において、トンネル構築の際、先進導坑の側面から管を地盤に挿入して先受け支保工を施工する、管挿入制御方法にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
＜１＞管挿入制御装置
管挿入制御装置は、挿入管を地盤内の所定位置に挿入する装置であり、特に曲線状の曲線管を所定の曲線に沿って挿入する装置である。管挿入制御装置は、例えば図１に示すように、曲線状の挿入管１を地盤に挿入するものであり、挿入管１の先端部に先導管１１を取り付け、先導管１１内に掘削装置３を取り付け、地盤内の挿入位置を制御するものである。挿入位置の制御は、挿入場所や挿入方向などを制御して行われる。掘削装置３で掘削した土砂は、挿入管１の内部を通して外部に排出される。掘削装置３の先頭のビットの向きを変えることにより、推進方向を調整することができる。
【０００６】
先導管１１の推進方向を計測するために計測用曲管１２を先導管１１の後方、例えば後端に取り付ける。計測用曲管１２の後端に挿入管１を取り付け、挿入管１を連結しながら、地盤中に挿入管１を挿入していく。計測用曲管１２は、曲がりを計測できる挿入管であり、計測精度を高めるなど必要に応じて、計測用曲管１２を複数取り付けても良い。
【０００７】
計測用曲管１２には、折れ角測定装置２が内部に取り付けられ、折れ角測定装置２からの信号は、挿入管内に配置された光ファイバ２２を通して計測制御装置４に入力される。計測制御装置４では、折れ角測定装置２からの信号を受信して、例えば座標原点３２を基準点として先導管１１の曲がり角度を計測し、所定位置からズレている場合、掘削装置３を制御して掘削方向を調整して所定位置からのズレを補正することができる。
【０００８】
＜２＞掘削装置
掘削装置３は、地盤を切削するためのもので、掘削方向を制御できる止水構造付先端装置などの掘削装置を使用する。止水構造付先端装置は、砂質層、粘性土層、砂礫層、玉石層、硬質土層などを切削するビット、又は、硬質土層、岩盤などを掘削するためのパーカッションなどの打撃型機構、又は、砂質層を掘削するためのウオータジェットなどの噴射装置などがある。掘削装置３は、挿入管１を推進する推進装置３１と協働して、先導管１１を所定の方向に推進する。
【０００９】
＜３＞挿入管
挿入管１は、推進装置３１により地盤に挿入される管であり、例えば、地盤を凍結したり、薬液を注入したりして、地盤改良工を施工するのに使用される。挿入管１は、例えば接続用曲線管があり、これにより、曲線ボーリングを施工することができる。挿入管１は、光ファイバ用管、送排泥用管、掘削装置の推進・引戻し用管、駆動用管、エア・高圧水用管などの内管などを備えている。なお、挿入管１は、曲線管に限らず、任意の形状の管を使用できる。
【００１０】
＜４＞推進装置
推進装置３１は、先導管１、計測用曲管１２、挿入管１を地中に挿入し、又は引き戻す装置であり、ジャッキを用いた押引き装置、ギヤなどを用いたチェーン駆動装置、ワイヤ・ロッドなどを用いた装置などを備えている。推進装置３１は、一定曲率の曲線管を挿入する場合、一定曲率を保持するガイドベース付き架台を備えている。
【００１１】
＜５＞計測用曲管
計測用曲管１２は、折れ角測定装置２を備えている。計測用曲管１２は、管自体が掘削孔に従って曲がるものでも、又は、計測用曲管１２は、管自体がほぼ剛体で、挿入管と接続している接続個所で曲がるものでもよい。計測用曲管１２は、複数の計測用曲管１２を接続して、接続個所を曲がり易くしたものでもよい。
【００１２】
計測用曲管１２は、例えば図２（Ａ）〜（Ｂ）に示すように、内部に計測用内管２１を備え、その計測用内管２１内に折れ角測定装置２を取り付ける。計測用内管２１は、計測用曲管１２の曲がり（例えば、管自体又は接続個所の曲がり）に追従して曲がる管が好ましい。計測用内管２１は、計測用曲管１２の中心部、上部や下部、又は、左右側部など所定位置に取付けることができる。計測用内管２１を中心部に配置した場合、折れ角測定装置２の測定値の補正は簡単になる。計測用内管２１は、計測用曲管１２の内壁から突出している固定具１２１で所定位置に固定される。計測用内管１２が曲がることにより、折れ角測定装置２が折れ曲がり、折れ角を計測できる。計測用曲管１２の径は任意に決められ、例えば、Φ８１２．８ｍｍであり、計測用内管２１は、Φ１１４．３ｍｍであり、折れ角測定装置２は、Φ５０ｍｍである。
【００１３】
＜６＞折れ角測定装置
折れ角測定装置２は、折れ角センサなど折れ曲がりや折れ角を計測する測定装置で、例えば光ファイバ２２の一部にＦＢＧ部２３１などを有する歪センサ部２３を設けてある。折れ角測定装置２は、例えば図３（Ａ）〜（Ｂ）に示すように、ヒンジ２６により内部中空の剛体Ａ２４、剛体Ｂ２５が互いに一定の間隔だけ離間して結合されているとともに、ヒンジ２６と並行して、ヒンジ２６の両側、すなわちヒンジ２６から等距離の対称位置に、基端を一方の剛体Ｂ２５に固定するとともに先端（自由端）を他方の剛体Ａ２４内にそれぞれ進退可能に臨ませた一対の変位検出用棒２７、２７が介在される。
【００１４】
さらに他方の剛体Ａ２４内には固定バーにより全体としてＴ字形をした支持金具２２３が取り付けられており、しかも支持金具２２３には固定バーを中心とした両側であって、固定バーへの取り付け部から等距離の位置に一対の光ファイバの歪センサ部２３のそれぞれの端部が固定される。
【００１５】
すなわち、支持金具２２３における固定バーへの取り付け部から等距離の位置には張力調整ネジ２２２、２２２を介して張力調整バネ２２１、２２１の一端が取り付けられ、さらに張力調整バネ２２１、２２１のそれぞれの先端には歪センサ部２３、２３の光ファイバ基端部が接続されている。この場合に使用される一対の歪センサ部２３、２３は、ともに材質や太さおよび長さが均等のものが使用される。
【００１６】
さらにそれぞれの歪センサ部２３、２３の先端には前記した一対の変位検出用棒２７、２７の各先端に個別に連結させることにより折れ角測定装置を構成する。かかる構成において、変位検出用棒２７、２７の変位による折れ角の検出について図３（Ｂ）をもとに説明すると、剛体Ａ２４と剛体Ｂ２５とが相互に折れ角θにまで変位すると、剛体Ａ２４の内部に突出する一対の変位検出用棒２７と２７との突出長さに差ｄが発生する。このθとｄとの間には相互に一定の比例関係にあり、あらかじめこの関係を求めておけばｄを測定することによってθを知ることができる。
【００１７】
なお、複数の歪センサ部２３、２３は、図３に明示していないが、１本の光ファイバ２２内に形成されているとよい。その場合、１本の光ファイバ２２を所定の個所で曲げて、図３のように、歪センサ部２３、２３が平行になるように配置する。複数の折れ角測定装置２を複数直列に連結して配置する場合も、１本の光ファイバ２２で歪センサ部２３を構成するとよい。このような複数の折れ角測定装置２を複数の計測用曲管１２に挿入すると、計測用曲管１２自体の曲がりや、計測用曲管１２の接続個所の曲がりをより正確に測定することができる。その場合、１本の光ファイバ２２は途中で多数回曲げることになる。
【００１８】
図３では、一対の歪センサ部２３、２３を配置しているが、支持金具２２３の周囲に複数本配置しても良い。例えば、もう一対の歪センサ部２３、２３を図３の一対の歪センサ部２３、２３と４角形の頂点になるように配置することにより、折れ角測定装置２の周囲３６０°の折れ角を測定することができる。その場合、支持金具２２３は、Ｔ字型ではなく、Ｔの上部−が十字になる。
【００１９】
歪センサ部２３のＦＢＧ部２３１は、光ファイバ２２のコア部の屈折率を一定周期の間隔で変化させたもので、特定の波長（ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長）の光のみを選択的に反射する。コア部が伸びると、屈折率の間隔周期が長くなるため、ブラッグ波長が変化し、その変化により、曲がりの角度を計測できる。なお、折れ角測定装置２は、一例として、特願２００３−４１１１９８の特許出願の明細書に示されている。
【００２０】
＜７＞計測制御装置
計測制御装置４は、曲がりの角度を計測し、掘削装置３の掘削方向を制御するものであり、計測装置４１と制御装置４４を備えている。計測装置４１は、光ファイバの歪、例えばブラッグ波長を計測して、計測用曲管１２の曲率を算出する光アナライザ４２と計測用ＰＣ４３を備えている。計測装置４１は、計測用曲管１２の推進ごとに曲がり角度を計測し、計測用曲管１２が推進した距離全長について、曲がり角度を合計し、挿入管１全体の曲がり形状曲線を求める。制御装置４４は、計測装置４１で計測した値と、挿入管１を挿入する経路の所望の設計曲率とを対比して、設計曲率になるように掘削装置３を制御する。制御装置４は、例えばマシンコントロール演算部４５とオペレーション部４６を備えている。
【００２１】
以下に、管挿入制御装置を用いた、先受け支保工によるトンネル構築の例を説明する。
【００２２】
＜１＞先導管の発進
構築を予定しているトンネルの側部に、予め先進導坑５を設けておく。また、先導管１１、計測用曲管１２、仮挿入管１３などを回収する場合、先導管１１の到達位置に側壁導坑５１を設けておく。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、先進導坑５内に推進装置３１を設置し、先導管１１、計測用曲管１２、挿入管１を順々に結合して、所定の経路に沿うように地盤内に押し込む。挿入管１は、初め、短い仮挿入管１３を使用し、途中から長い本挿入管１４を使用するとよい。このようにすると、仮挿入管１３を側壁導坑５１から取り出し、本挿入管１４で置き換えることができる。短い仮挿入管１３を初めに使用すると、曲線の変動に追従し易く、後から挿入する長い本挿入管１４の挿入のガイドとなり、長い本挿入管１４を挿入し易くなる。
【００２３】
＜２＞先導管の制御
計測装置４４は、折れ角測定装置２の測定信号を受信して、計測用曲管１２の曲率を計測する。計測用曲管１２の推進位置毎の曲率を計測し、推進位置と計測された曲率とを積算することにより、現在、推進している個所までの挿入管１の曲率や経路を求めることができる。この求めた経路が予定経路と差異があれば、掘削装置３を制御して、所定の掘削路に沿って、先導管１１を動かすことができる。これにより、精度よく挿入管１３を配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】管挿入制御装置の説明図
【図２】計測用曲管の説明図
【図３】折れ角測定装置の説明図
【図４】先受け支保工によるトンネル構築の説明図
【符号の説明】
【００２５】
１・・・挿入管
１１・・先導管
１２・・計測用曲管
１２１・固定具
１３・・仮挿入管
１４・・本挿入管
２・・・折れ角測定装置
２１・・測定用内管
２２・・光ファイバ
２２１・張力調整バネ
２２２・張力調整ネジ
２２３・支持金具
２３・・歪センサ部
２３１・ＦＢＧ部
２４・・剛体Ａ
２５・・剛体Ｂ
２６・・ヒンジ
２７・・変位検出用棒
３・・・掘削装置
３１・・推進装置
３２・・座標原点
４・・・計測制御装置
４１・・計測装置
４２・・光アナライザ
４３・・測定用ＰＣ
４４・・制御装置
４５・・マシンコントロール演算部
４６・・オペレーション部
５・・・先進導坑
５１・・側壁導坑
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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