(57)【要約】【課題】      地盤を直線状及び曲線状に掘削する自在掘削工法について、地盤を掘削するボーリングロッドのロケーティング精度を高める。【解決手段】  可撓性のボーリングロッド１０に、その撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサ５ａを取付ける。そして、地盤掘削時に撓み変形するボーリングロッド１０の掘削軌跡を、光ファイバセンサ５ａを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出する。検出された掘削軌跡は、表示装置に二次元又は三次元表示により可視化される。【選択図】    図２
2005156369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤を直線状及び曲線状に掘削する自在掘削工法におけるボーリングロッドのロケーティング方法において、
可撓性のボーリングロッドに、その長手方向に沿って、ボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサを取付けておき、地盤掘削時に撓み変形するボーリングロッドの掘削軌跡を、光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出することを特徴とするボーリングロッドのロケーティング方法。
【請求項２】
可撓性のボーリングロッドと、該ボーリングロッドを地盤内で直線状及び曲線状に自在掘削させる推進装置と、を備える自在掘削装置におけるボーリングロッドのロケーティングシステムにおいて、
ボーリングロッドの長手方向に沿って取付けられ、地盤掘削時の土圧の作用によるボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサと、
地盤掘削時に撓み変形するボーリングロッドの掘削軌跡を、光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出する掘削軌跡解析装置と、を備えることを特徴とするボーリングロッドのロケーティングシステム。
【請求項３】
可撓性のボーリングロッドの長手方向に沿って地盤掘削時のボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサが取付けられており、推進装置で該ボーリングロッドを地盤内に直線状及び曲線状に自在掘削する際のボーリングロッドの掘削軌跡の検出に用いられ、地盤掘削時に光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化から測定されるボーリングロッドの歪み量に基づいてボーリングロッドの掘削軌跡を求める処理をコンピュータに実行させるボーリングロッドの掘削軌跡解析用プログラム。
【請求項４】
請求項３記載のボーリングロッドの掘削軌跡検出用プログラムを記憶させたコンピュータ読取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地盤を直線状及び曲線状に掘削する自在掘削装置及び自在掘削工法におけるボーリングロッドのロケーティング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス管や水道管など各種の管材を、非開削で地盤に敷設する技術として、自在掘削工法が知られている（特許文献１）。自在掘削工法は、複数本の単位ロッドを連結してなるボーリングロッドを、発進側から推進力を付与しつつ地盤へ貫入し、直線状掘削時にはボーリングロッドを回転させ、曲線状掘削時にはボーリングロッドの回転を停止させる。こうしたボーリングロッドの回転・回転停止の制御により、地盤内で任意方向へ掘削できることが、自在掘削工法の大きな特徴とされている。
【０００３】
この自在掘削工法の施工に際しては、地盤掘削時にボーリングロッドのロケーティング、すなわちボーリングロッドの掘削位置の特定が行われる。その具体的な方法は、ボーリングロッドの掘削方向前端側の管内に、ゾンデ（電磁波発信器）を内蔵しておき、ゾンデから発信された電磁波を、地上でロケータ（電磁波探知機）により探知することで、ボーリングロッドの掘削位置を特定する。そして、計画経路から外れた場合には、前述のようにボーリングロッドの回転を停止して曲線状掘削により方向修正がなされる。
【特許文献１】特開平９−１５８６７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ゾンデからの電磁波をロケータで探知する従来方法では、地盤に敷設された高圧電線や工場の稼働中の機械等が発する電磁波の干渉によって電波障害が起こり、ロケータで探知した電磁波にノイズが乗って正確に掘削位置を特定できないことがある。また、建築物や構築物の下方地盤には水平方向に展開する基礎鋼を埋設していることがあり、ゾンデからの電磁波がそこで反射されてしまい、ロケータで電磁波を探知できなくなることもある。さらに、地盤内でのゾンデの軌跡を地上でトレースするように、ロケータを移動させるため、地上に例えば建築物や構築物等があると、それが障害物となって地上でのトレースが困難になることがある。
【０００５】
本発明は、以上のように、ボーリングロッドのロケーティングの精度が掘削環境により左右されることがあった従来技術を背景になされたのものである。よって、その目的は、掘削環境の影響を受けずに、ボーリングロッドのロケーティング精度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は、地盤を直線状及び曲線状に掘削する自在掘削工法におけるボーリングロッドのロケーティング方法について、可撓性のボーリングロッドに、その長手方向に沿って、ボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサを取付けておき、地盤掘削時に撓み変形するボーリングロッドの掘削軌跡を、光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出することを特徴として、前記目的を達成するものである。
【０００７】
また、本発明は、可撓性のボーリングロッドと、該ボーリングロッドを地盤内で直線状及び曲線状に自在掘削させる推進装置と、を備える自在掘削装置におけるボーリングロッドのロケーティングシステムについて、ボーリングロッドの長手方向に沿って取付けられ、地盤掘削時の土圧の作用によるボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサと、地盤掘削時に撓み変形するボーリングロッドの掘削軌跡を、光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出する掘削軌跡解析装置と、を備えることを特徴として、前記目的を達成するものである。
【０００８】
さらに、本発明は、可撓性のボーリングロッドの長手方向に沿って地盤掘削時のボーリングロッドの撓み変形とともに撓み可能な光ファイバセンサが取付けられており、推進装置で該ボーリングロッドを地盤内に直線状及び曲線状に自在掘削する際のボーリングロッドの掘削軌跡の検出に用いられ、地盤掘削時に光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化からボーリングロッドの歪み量を求める処理と、該歪み量からボーリングロッドの掘削軌跡を求める処理と、をコンピュータに実行させるボーリングロッドのロケーティング用プログラムを提供する。
【０００９】
そして、本発明は、前記ボーリングロッドのロケーティング用プログラムを記憶させたコンピュータ読取り可能な記憶媒体を提供する。
【００１０】
前記本発明では、曲線状掘削時にボーリングロッドが撓み変形すると、それとともに光ファイバセンサが撓み変形する。光ファイバセンサを通過する光は、撓み変形によって強度や波長などの物理値が変化し、この変化によって歪み量が測定される。この歪み量をボーリングロッドの撓み変形として捉えることで、ボーリングロッドの掘削軌跡を検出することができる。
【００１１】
光ファイバセンサの撓み変形により変化する光の物理値は、光ファイバセンサによる測定原理等に応じて異なるものであり、例えば撓み変形部分で生じる光の強度変化や波長変化などがあり、強度や波長の変化から歪み量が測定される。
【００１２】
前記本発明の光ファイバセンサは、地盤掘削時等の損傷防止のため、ボーリングロッドの内部に取付けたものとして構成される。具体的には、筒状のボーリングロッドの管内に取付けたものとされる。或いは、筒状のボーリングロッドの外周面に筒軸方向に沿う凹溝を形成し、該凹溝内に光ファイバセンサを取付け、蓋板により該凹溝を閉塞したものとして構成される。また、前記本発明では、１つの光ファイバセンサを、ボーリングロッドの掘削方向前端側に１つの光ファイバセンサを取付けたものとして構成すれば、目的の掘削軌跡を検出できるが、軟弱地盤の掘削時やボーリングロッドの自重によって、ボーリングロッドの掘削方向前端側とそれよりも後側では、掘削軌跡にズレ（沈み）が生じることがある。したがって、こうした場合であってもロケーティング精度を上げるには、ボーリングロッドの長手方向における複数箇所に、それぞれ光ファイバセンサを取付けたものとして構成できる。そさらに、光ファイバセンサを複数備えることによって、各光ファイバセンサで測定される歪み量の大小関係に基づいてボーリングロッドの掘削方向を検出することもできる。
【００１３】
前記本発明の掘削軌跡解析装置は、光ファイバセンサを通過する光の物理値を電気信号に変換する光電変換器に接続され、該電気信号の演算処理により歪み量を測定し、この歪み量からボーリングロッドの掘削軌跡を検出するコンピュータを備えるものとして構成される。また、このコンピュータは、当該掘削軌跡を二次元又は三次元で表示装置に可視化表示するものとして構成できる。この点では、前記本発明のロケーティング用プログラムについても、コンピュータに接続された表示装置に、掘削軌跡を二次元又は三次元で可視化表示する処理を実行するものとして構成できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるボーリングロッドのロケーティング方法及びボーリングロッドのロケーティングシステムによれば、ボーリングロッドの撓み変形と追随的に撓み可能な光ファイバセンサの撓み変形による物理値の変化に基づいて歪み量を測定し、これに基づいてボーリングロッドの掘削軌跡を解析するため、ゾンデの電磁波をロケータで探知する際に問題とされる高圧電線等による電磁波障害が起こるような掘削環境や、地盤に埋設された鋼材によりゾンデの電磁波が反射するような掘削環境、さらには地面に既設建築物等がありロケータの移動による探知が困難な掘削環境など、従来問題とされていた掘削環境であっても、ボーリングロッドのロケーティングを高い精度で行うことができる。よって、非開削を特徴とする自在掘削工法の施工範囲を拡大できる。また、本発明によるボーリングロッドの掘削軌跡解析用プログラムによれば、ボーリングロッドの掘削軌跡を高い精度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。なお、本形態では、ガス管や井戸管などの管敷設工法で行う自在掘削工法を一例として説明するが、薬液注入による地盤改良などの地盤改良工法で行われる自在掘削工法に適用することもできる。
【００１６】
ボーリングロッドのロケーティングシステムは、図１で示すように、センサユニット１と、「掘削軌跡解析装置」としてのコンピュータ２と、を備えるものとして構成される。
【００１７】
センサユニット１は、ボーリングロッドに固定されるエンドボックス３，４と、エンドボックス３，４にて保持される光ファイバセンサ５と、エンドボックス４に接続する一次側光ファイバ６及び二次側光ファイバ７と、光−電気変換器８とを備える。
【００１８】
光ファイバセンサ５は、複数本のマルチモードファイバをストランド（撚り線）構造としたものである。光ファイバセンサ５による歪み量の測定原理の概要は、先ずボーリングロッドの撓み変形に伴って光ファイバセンサ５が撓むと、その撓み部分で光漏れが生じ減衰するようになっており、この光の強度変化が光−電気変換器８で検出され、検出された強度変化から被測定物であるボーリングロッドの歪み量が測定される、という原理で、光ファイバセンサ５のマイクロベンディング（微量屈曲）を利用したものである。したがって、測定原理が電気の使用を前提としないので、地盤中に可燃性ガスの存在が懸念されるような場所であっても施工することが可能であり、この意味でも自在掘削工法の施工範囲を拡大できる。
【００１９】
光−電気変換器８には、一次側光ファイバ６へ所定の光、本実施形態では赤外線を連続的に発生する光源を備えており、二次側光ファイバ７から戻ってきた赤外線の強度に応じて電気信号を生成し、前述のボーリングロッドの歪み量が測定されるようになっている。この光−電気変換器８は、測定された歪み量をコンピュータ２へ送出する。
【００２０】
以上のような本実施形態におけるセンサユニット１は、具体的にはOSMOS DEHA-COM B.V.社の“OSMOS(Optical Strand Monitoring System)”を適用できる。なお、これによれば、測定時間がリアルタイムであり、測定範囲（光ファイバセンサの長さ）が１．０ｍ〜１０．０ｍと長く採ることができる等の利点がある。
【００２１】
「掘削軌跡解析装置」としての本実施形態のコンピュータ２には、光−電気変換器８から送出された電気信号（歪み量）に基づいて、ボーリングロッドの掘削軌跡を解析したり、コンピュータ２に接続された表示装置２ａにボーリングロッドの掘削軌跡を二次元表示又は三次元表示したりする掘削軌跡解析用プログラムがインストールされ、コンピュータ２に備える演算処理装置により実行可能とされている。また、コンピュータ２には、モデム２ｂが接続されており、通信網ＮＷを介して、コンピュータ２での解析結果を事業所などの遠隔地のコンピュータ９に送信したり、あるいは遠隔地のコンピュータ９から現場のコンピュータ２による解析を遠隔操作できるようになっている。
【００２２】
次に、本形態による自在掘削工法で用いるボーリングロッドの構成を説明する。図２の分解図で示すように、ボーリングロッド１０は、掘削ヘッド１１を先頭に、センサ格納ロッド１２、カップリング１３、延長ロッド１４とで構成され、延長ロッド１４の後端には、カップリング１３と延長ロッド１４が所定の掘削長に至るまで継ぎ足される。
【００２３】
掘削ヘッド１１の前端には、掘削水の噴射口１１ａが開口しており、地盤掘削時にはボーリングロッド１０の管内を流通してきた掘削水が、そこから噴射される。また、掘削ヘッド１１には、土圧受け面１１ｂが形成されており、地盤掘削時の曲線状掘削の際には、ここで土圧を受けて掘削方向が変更される。
【００２４】
センサ格納ロッド１２は、掘削ヘッド１１の後端に対し螺合連結される。センサ格納ロッド１２の外周面には、図２及び図３（ａ）で示すように、上・下・左・右の各位置に、長手方向に沿う４本の凹溝１２ａが形成されている。各凹溝１２ａの底には、エンドボックス３，４と光ファイバセンサ５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）がそれぞれ取付けられる。各凹溝１２ａの上端には、蓋板１２ｂが図外のボルトにて固定される。よって、蓋板１２ｂを外せば、エンドボックス３，４と光ファイバセンサ５は、凹溝１２ａに対して着脱自在となっている。凹溝１２ａの後端からは、センサ格納ロッド１２の後端にかけて、エンドボックス４に接続される一次側及び二次側光ファイバ６，７の挿通孔１２ｃが貫通形成してある。カップリング１３には、センサ格納ロッド１２の挿通孔１２ｃと合致する一次側及び二次側光ファイバ６，７の挿通孔１３ａが貫通形成されている。延長ロッド１４には、図３（ｂ）で示すように、カップリング１３の挿通孔１３ａと合致する一次側及び二次側光ファイバ６，７の挿通孔１４ａが貫通形成されている。
【００２５】
以上のようなセンサ格納ロッド１２、カップリング１３、延長ロッド１４は、相互に螺合連結される。これにより、ボーリングロッド１０には、掘削流体が流通する一連の通路１２ｄ，１３ｂ，１４ｂが形成され、掘削水はここを通じて掘削ヘッド１１の噴射口１１ａから噴射される。
【００２６】
次に、自在掘削工法によるボーリングロッド１０のロケーティング方法を説明する。図４で示すように、ボーリングロッド１０は、地面に設置した「推進装置」としてのボーリングマシン１５によって推進力と回転力が付与されて、地盤を自在掘削する。自在掘削は、直線状掘削と曲線状掘削の組合せにより行われ、直線状掘削は、ボーリングマシン１５がボーリングロッド１０に対して連続的な回転力と推進力を付与することでなされる。一方、曲線状掘削は、ボーリングマシン１５が、ボーリングロッド１０の回転を所定の回転位置で停止することで、掘削ヘッド１１の土圧受け面１１ｂが対峙する地盤からの土圧を受けられる状態とし、推進力を付与することでなされる。これらの掘削の組合わせにより、図４で示す直線部１６ａ、曲線部１７ａ、直線部１６ｂ、曲線部１７ｂ、直線部１６ｃ、曲線部１７ｃ、直線部１６ｄを有する掘削軌跡（削孔）が形成される。
【００２７】
このような掘削軌跡の形成過程におけるボーリングロッド１０のロケーティングは、次のように行われる。まず、地面から斜めに貫入した直後の直線部１２ａでは、直線状掘削がなされるため、ボーリングロッド１０は撓まない。このため、光ファイバセンサ部５を通過する光の物理値（本形態では強度）は一定である。
【００２８】
次に、曲線部１３ａでは、曲線状掘削により、ボーリングロッド１０の掘削方向が上方向へのみ振られる。すると、ボーリングロッド１０の撓み変形とともに、４本の光ファイバセンサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄも撓み変形する。この撓み変形が生じると、各光ファイバセンサ５を通じる光の強度が変化する。この光の強度変化は、光−電気変換器８で電気信号に変換されるとともに、その光の強度変化に基づいて各光ファイバセンサ５の歪み量が測定される。そして、コンピュータ２は、掘削軌跡解析用プログラムの実行により、測定された歪み量に基づいてボーリングロッド１０の掘削軌跡を、次のように解析する。
【００２９】
ボーリングロッド１０は、掘削方向に向かって全方向で、掘削方向を変更することが可能である。そして、４本の光ファイバセンサ５ａ〜５ｄは、例えば上方向にのみ振られた場合の歪み量の大小関係は、上位置(５ａ)＞右位置(５ｂ)及び左位置(５ｄ)＞下位置(５ｃ)となる。同様に、下方向にのみ振られた場合には下位置(５ｃ)＞右位置(５ｂ)及び左位置(５ｄ)＞上位置(５ａ)、右方向にのみ振られた場合には右位置(５ｂ)＞上位置(５ａ)及び下位置(５ｃ)＞左位置(５ｄ)、左方向にのみ振られた場合には左位置(５ｄ)＞上位置(５ａ)及び下位置(５ｃ)＞右位置(５ｂ)となる。そして隣接する方向間に振られた場合には、略同じであった右位置(５ｂ)と左位置(５ｄ)に強弱が、また上位置(５ａ)と下位置(５ｃ)に強弱が生じることになる。したがって、掘削軌跡解析用プログラムは、コンピュータ２に対して、このような光ファイバセンサ５ａ〜５ｄの歪み量、その大小比較、ボーリングロッド１０の推進量（距離、長さ、速度）などを変数として、地盤内での方向・深度・曲線部１７ａ〜１７ｃでの曲率などを求め、ボーリングロッド１０の掘削軌跡を解析する処理を実行させ、表示装置２ａに掘削軌跡を二次元又は三次元表示する処理を実行させる。このようにして、掘削軌跡解析用プログラムの実行により、実際の掘削軌跡を正しく把握できるので、掘削軌跡に応じてボーリングロッド１０の自在掘削を制御して、ロケーティングの精度を高めることができる。
【００３０】
そして、以上のようなボーリングロッド１０のロケーティングによって、計画経路と実際の掘削経路とのズレを正確に認識することができる。したがって、例えば、掘削経路となる削孔をパイロット孔として、そこに新たに管を引き込んで敷設した後に、その周囲で他工事が行われても、実際の敷設経路が明らかなので、意図せず敷設管が損傷を受けることも防止できる。
【００３１】
前記実施形態では、ボーリングロッド１０のセンサ格納ロッド１２を１本としてあるが、連続して又は延長ロッド１４の数本置きに複数本のセンサ格納ロッド１２を接続してもよい。例えば図４で示す掘削方向最前端の延長ロッド１４の後にカップリング１３を介してセンサ格納ロッド１２を接続してもよいし、更にその後に接続される延長ロッド１４の後にセンサ格納ロッド１２を接続してもよい。このようにボーリングロッド１０の長手方向に沿って複数箇所に光ファイバセンサ５を取付けることで、軟弱地盤の掘削時やボーリングロッドの自重によって、ボーリングロッドの掘削方向後端側で生じる掘削軌跡のズレ（沈み）をも捕捉できるようになり、ロケーティングの精度を向上することができる。また、光ファイバセンサ５を複数本の延長ロッドに架け渡すようにして取付けてもよい。さらに、ボーリングロッド１０として二重管ロッドを利用し、内管か外管の何れかの内部に光ファイバセンサ５を備えるようにしてもよい。
【００３２】
前記実施形態では、センサ格納ロッド１２に４本の光ファイバセンサ５を取付けたが、掘削方向の特定が不要であれば、つまりボーリングロッド１０を特定方向にのみ振れるように推進させる場合であれば、これを１本とし、凹溝１２ａも１本としてもよい。この場合に、掘削方向の特定が必要であれば、例えばボーリングロッド１０の所定箇所における上・下・左・右の各位置に歪みゲージを取付け、歪みゲージで測定される抵抗の大小比較によって特定してもよい。
【００３３】
前記実施形態のセンサユニット１に適用可能な具体例として“OSMOS”を例示したが、これは一例である。要するに、本発明では、ボーリングロッドの撓み変形と追随的に撓み可能な光ファイバセンサを備えており、この光ファイバセンサの撓み変形による物理値の変化に基づいて歪み量を測定し、測定された歪み量に基づいてボーリングロッドの掘削軌跡を解析するもの、であるから、これと同様に光ファイバをセンサとして使用し、その物理値の変化に基づいて歪み量を測定できるセンサシステムであれば、その他のものを利用してもよい。したがって、物理値の変化としても、光の強度変化だけでなく波長変化等であってもよいし、また光ファイバセンサとして使用する光ファイバとしても、単一モードファイバ等や光ファイバに物理的や化学的な特殊加工を施したものであってもよいし、光源光も赤外線ではなくパルスレーザ等のレーザ光であってもよい。
【００３４】
前記実施形態では、「掘削軌跡解析装置」としてコンピュータ２を例示したが、「光源装置」としての光−電気変換器８を「掘削軌跡解析装置」としても機能させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態によるボーリングロッドのロケーティングシステムの構成説明図。
【図２】一実施形態によるボーリングロッドの断面図。
【図３】図２のボーリングロッドの断面図で、分図(ａ)はＳＡ−ＳＡ線断面図、分図(ｂ)はＳＢ−ＳＢ線断面図。
【図４】一実施形態によるボーリングロッドのロケーティング方法の説明図。
【符号の説明】
【００３６】
１    センサユニット
２    コンピュータ（掘削軌跡解析装置）
２ａ  表示装置
３    エンドボックス
４    エンドボックス
５    光ファイバセンサ
６    一次側光ファイバ
７    二次側光ファイバ
８    光−電気変換器
９    コンピュータ
１０    ボーリングロッド
１１    掘削ヘッド
１１ａ  噴射口
１１ｂ  土圧受け面
１２    センサ格納ロッド
１２ａ  凹溝
１２ｂ  蓋板
１２ｃ  挿通孔
１２ｄ  通路
１３    カップリング
１３ａ  挿通孔
１３ｂ  通路
１４    延長ロッド
１４ａ  挿通孔
１４ｂ  通路
１５    ボーリングマシン
１６ａ〜１６ｄ  直線部
１７ａ〜１６ｃ  曲線部
【図１】
2005156369.tif 000003
【図２】
2005156369.tif 000004
【図３】
2005156369.tif 000005
【図４】
2005156369.tif 000006