(57)【要約】【課題】本発明は、水道管等の管掘進工法における管掘進の方向制御方法を提供する。【解決手段】掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）を設定し、（ａ）先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする掘進ヘッドの向きと掘進計画路との角度αと、（ｂ）先導体の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する角度βを求める。（ｃ）角度αが安定角α’より大きいときには（第１の条件）、先導体１Ｂを掘進計画路に対し平行に、（ｄ）前記角度βがずれ修正角β’より大きいときには（第２の条件）、先導体１Ｂを目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に向ける修正を行う。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
後方から押圧力を受けて土中を掘進する掘進管の先端に備える先導体１Ｂの掘進方向を制御する管掘進工法であって、
前記先導体１Ｂの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を検出する位置検出手段を備えていて、
掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）上に、先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）より前方に予め定めた距離Ｌにある目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）を設け、
（ａ）先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする掘進ヘッドの向きと掘進計画路との角度αを算出し、
（ｂ）先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する角度βを求め、
（ｃ）前記角度αが予め設定の安定角α’より大きいときには（第１の条件）、先導体１Ｂを掘進計画路に対し平行になるように修正し、
（ｄ）前記角度βが予め設定のずれ修正角β’より大きいときには（第２の条件）、先導体１Ｂを目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に向ける修正を行う
ことを特徴とする管掘進工法。
【請求項２】
前記第１の条件と第２の条件を満たさず、且つ、先導体の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする掘進ヘッドの向きと掘進計画路との角度αが予め設定の平行化角γより大きい場合（第３の条件）には、先導体１Ｂを掘進計画路に対し平行になるように修正を行うことを特徴とする請求項１の管掘進工法。
【請求項３】
掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と先導体１Ｂの掘進路の軌跡及び又は角度αと角度βを画面に表示して、推進方向の指示表示をすることを特徴とする請求項１又は請求項２項の管掘進工法。
【請求項４】
角度θと深さＤを用いて先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置を、先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）が掘進した１つの前（ｉ−１）の深さの値Ｄｎ−１と現在の深さ値Ｄｎとの平均値で算出することを特徴とする請求項１又は請求項２の管掘進工法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２で求めた先導体１Ｂの姿勢制御を自動で行うことを特徴とする管掘進工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管掘進工法に関し、特に、管掘進工法における管掘進の方向制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管掘進工法に使用される管掘進機は、先頭部に管掘進の方向を制御するための方向制御装置と、予め設定した施工計画線と先端部の現在位置との偏差量を知る偏差量検出手段を備えている。そして、管掘進の際、オペレータは前記の偏差量を確認しながら必要に応じて先端部の方向修正を実施している。尚、前記偏差量を知る偏差量検出手段には、推掘機内部にレーザを通す方法、掘進機先端部に収納したコイルから発する電磁界を地上で測定する方法、ジャイロを使用する方法等があり、先行技術として特許第２５８３３９１号、特許第２８６６０７８号がある。
【０００３】
又、先端部を方向を修正するには、先端部の位置及び傾きの偏差量、土質、掘進機の屈曲量等、オペレータがそれらの制御量を判断しなければならず、熟練を要する。そのため、オペレータの作業を自動化する試みがされていて、例えば、特許第１５９１９４１号、特許第２０７８３５６号があり、この開示された技術は偏差量を減じさせる油圧ジャッキの制御量を計算機等で行い、ファジー理論が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第１５９１９４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術を使用するためには、掘進機先端部の微小制御を可能とする油圧ジャッキシステムが不可欠である。
そこで、本発明はオペレータの熟練に依存せず、容易に高精度の施工を可能とする管掘進工法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、先導体１Ｂの掘進方向を制御する管掘進工法であり、先導体１Ｂの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を検出する位置検出手段を備えている。そして、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）を設定し、（ａ）先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする掘進ヘッドの向きと掘進計画路との角度αと、（ｂ）先導体の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する角度βを求める。
そして、（ｃ）角度αが予め設定の安定角α’より大きいときには（第１の条件）、先導体１Ｂを掘進計画路に対し平行になるように修正する。又、（ｄ）前記角度βが予め設定のずれ修正角β’より大きいときには（第２の条件）、先導体１Ｂを目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に向ける修正を行う。
この様に先導体１Ｂを制御することによって、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し、誤差を少なく掘進することができる。
【０００７】
請求項２は、請求項１の第１の条件と第２の条件を満たさず、且つ、先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とする掘進ヘッドの向きと掘進計画路との角度αが予め設定の平行化角γより大きい場合（第３の条件）には、先導体１Ｂを掘進計画路に対し平行になるように修正を行うものであり、この制御は先導体１Ｂが掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）を通り越さないための制御であり、この制御により、先導体１Ｂの不必要な軌道修正を減らすことができる。
【０００８】
請求項３は、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と先導体１Ｂで掘進路の軌跡を画面に表示することによって、容易に掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と掘進路の軌跡の相違を見ることができる。又、角度αと角度βを画面に表示することによって、推進方向の修正角の大きさが容易に判る。
又、請求項４の発明は、先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置を角度θと深さＤで算出する方法であり、該先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）が掘進した１つ前（ｉ−１）の深さ値Ｄｎ−１と現在の深さ値Ｄｎとの平均値で算出すると、精度の向上を図ることができる。
又、請求項５の管掘進工法は、例えば、図３に示すステップ２０で操作する回転駆動機構Ｒによって先導体１Ｂを、掘進計画路の目標値Ｋｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とその前の目標値Ｋｉ−１（ｘ，ｙ，ｚ）との２点で近似する直線に平行になるように修正することを自動で行うことによってより簡便に掘進することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の管掘進工法は、既によく知られているので概略説明すると、図１は掘進ヘッドの全体配置を示し、掘進ヘッド１は発進縦坑２に据え付けられた掘進機３の駆動により、後方から押圧することによって地中を掘削して行き、この掘進ヘッド１は複数のパイロット管４を順次接続して行く。
この掘進ヘッド１はヘッド本体１Ａと先導体１Ｂを備え、ヘッド本体１Ａの軸芯周りに回転自在で且つ軸芯方向に沿って出退自在な嵌合部材１ｂをヘッド本体１Ａに内嵌状態で設けてあり、前記先導体１Ｂには掘進を伴う土圧を受ける傾斜受圧面１ｃが設けてあると共に、嵌合筒部材１ｂの先端部に固着してある。
【００１０】
又、ヘッド本体１Ａには嵌合筒部材１ｂ並びにそれに固着された先導体１Ｂを筒軸芯周りに回転駆動する回転駆動機構Ｒと、前記嵌合筒部材１ｂ、先導体１Ｂを前記筒軸芯方向に出退駆動自在な出退駆動機構Ｔと、掘進ヘッドのロール方向の角度、ピッチ方向の角度を検出するロール角度センサＳ１とピッチ角度センサＳ２を備えている。
又、このヘッド本体１Ａの外周部には掘進ヘッド１の位置計測のための発進コイルＣ３が設けてある。この発進コイルＣ３からの電磁波は地上で位置検出手段の１例である公知の電磁波検出コイルユニットＣ１、Ｃ２により受信処理され、掘進ヘッドの先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。
尚、前記掘進用ヘッドのロール角度、ピッチ角度、掘進ヘッドの先導体の位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ロール角度センサＳ１やピッチ角度センサＳ２に替えて、磁界等を用いても測定できる。
【００１１】
尚、前記先導体１Ｂの傾斜受圧面１ｃはヘッド本体筒軸芯に対して傾斜させて形成してあるので、曲線掘進時には前記傾斜受圧面１ｃが掘進カーブ径方向外側に向くように前記回転駆動機構Ｒによって先導体１Ｂを筒軸芯周りに回転駆動操作し、その状態で先導体１Ｂを前方に押し進めると、掘進ヘッド１を掘進カーブ方向に誘導することができる。
【００１２】
次に、前記掘進ヘッドの先導体１Ｂの掘進制御について、図２に示す制御方式を示す図及び図３に示す制御フロー図を参照して説明する。尚、下記する制御方式は（Ｘ、Ｚ）面のみを考慮する。
図２は、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）（尚、制御装置には予め不連続値としてＭｉ（ｘ，ｙ，ｚ）（ｉ＝１，ｎ）で記憶してあるが、以下連続値として表示する）に対するＸＺ面を表示し、図３はＸＺ面における制御フローである。尚、Ｘ軸は掘進方向であり、Ｚ軸は地中の深さ方向である。
【００１３】
先ず、掘進ヘッドの先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める（Ｓ１）。この先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は、前記コイルＣ１〜Ｃ３で算出され、前記ロール角度センサＳ１でロール角度ψが、ピッチ角度センサＳ２でＸＺ面に対するピッチ角度φが求まる。尚、この先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は他の方法を採用してもよい。
次に、掘進計画路の目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）を設定する（Ｓ３）。この目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）は、予め設定された掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し、概算値として、前記求めた先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基準点として、Ｘ軸方向に予め設定の距離Ｌにおける掘進計画路Ｍ（ｘ＋Ｌ，ｙ，ｚ）とする。
【００１４】
次に、ピッチ角度φを基に、角度α、βを求める（Ｓ５）。
（１）角度α
掘進ヘッドの先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基点に、ピッチ角度φの延長線（ｍ）と掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）の交点を（Ｘａ、Ｙａ）とする。
尚、制御装置に記憶の目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）は離散値であるので、目標値Ｋｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とその前の目標値Ｋｉ−１（ｘ，ｙ，ｚ）との２点で近似する直線と、前記直線ｍとの交点（Ｘａ、Ｙａ）を求める。
そして、この交点（Ｘａ、Ｙａ）における掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）とピッチ角度φの延長線（ｍ）の交差角をαとして求める。
【００１５】
（２）角度β
掘進ヘッドの先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を基点に、前記求めた掘進計画路の目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する直線（ｎ）を求めると共に、前記直線（ｍ）との角度をβとして求める。
【００１６】
次に、前記角度αと安定化角α’を比較する（Ｓ７）。この安定化角α’は予め設定された角度であり、図２（Ａ）に示すように、掘進ヘッドの先導体１Ｂと掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）との相対角度であって、掘進ヘッドが安定して掘進できる範囲、即ち、掘進ヘッドの掘進が制御不能になることを防止するものである。
そのため、この角度αが安定化角α’より大きいときには、回転駆動機構Ｒによって先導体１Ｂを、掘進計画路の目標値Ｋｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とその前の目標値Ｋｉ−１（ｘ，ｙ，ｚ）との２点で近似する直線に平行になるように修正する（Ｓ２０）。
【００１７】
前記ステップ７で、角度αが安定化角α’以下のときには、角度βとずれ修正判断角β’との比較を行う（Ｓ９）。
このずれ修正判断角β’は予め設定の角度であり、掘進ヘッドの先導体１Ｂと目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する角度の修正量である。
そこで、角度βが、ずれ修正判断角β’より大きいときには、回転駆動機構Ｒによって、掘進ヘッドの先導体１Ｂが掘進計画路の目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に向くように角度を修正する（Ｓ２１）。
【００１８】
前記Ｓ１１で、角度βが、ずれ修正判断角β’以下のときには、角度αと、予め設定の平行化角γとの比較を行う（Ｓ１１）。尚、この平行化角γは掘進ヘッドと掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）との相対角度であって、掘進ヘッドの先導体１Ｂの方向修正を禁止する範囲を示す。
即ち、角度αが予め設定の平行化角γより大きいとき（第３の条件）には、回転駆動機構Ｒによって、掘進ヘッドの先導体１Ｂが掘進計画路に対し平行になるように角度を修正する（Ｓ２２）。
尚、この第３の条件を満たす制御は、掘進ヘッドが目標値Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し通り越がないようにしたり、蛇行防止を図る処置である。
【００１９】
前記ステップ１１（Ｓ１１）で、角度αが予め設定の平行化角γ以下のときには、掘進ヘッドの先導体１Ｂは現状を維持する（Ｓ１３）。
次に、先導体１Ｂが最終点に到達したか否かを判断し（Ｓ１７）、到達したときにはこの処理を終了する。しかし、到達していないときには、ステップ１に戻って、前記工程を繰り返す。
【００２０】
以上のように、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し、掘進ヘッドの先導体１Ｂを制御することによって、円滑に且つ誤差が少なく掘進することを可能にする。
尚、前記はＸＺ面（Ｘ：進行方向、Ｚ：土中深さ）に対する適用であるが、ＸＹ面、ＺＹ面に対しても適用できる。更に、ＸＺ面とＸＹ面のように２面同時に、更には、ＸＹＺの３次元に対しても有効である。
【００２１】
次に、図４（Ａ）は、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と掘進ヘッドの先導体の位置Ｌｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の軌跡をＸＺ面で液晶画面等に表示し、推進方向の指示を行う図である。
Ｘ軸は先導体の掘進方向であり、Ｚ軸は土中の深さを表示する。従って、このＸＺ面で掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）（この掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）は、実際は離散値で記憶してあるので、離散値として表示）とサンプリングした掘進ヘッドの先導体の位置Ｌｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置を、画面表示することによって、容易に、掘った穴の深さを確認することができる。
又、図４（Ｂ）はＸＹ面における掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）（この掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）は、実際は離散値で記憶してあるので、離散値として表示）と掘進ヘッドの先導体の位置Ｌｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の軌跡を液晶画面等に表示する図であり、このＸＹ面に表示することによって、推進方向に対する左右方向のずれが一目で判る。
尚、この図４（Ａ）（Ｂ）に、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と掘進ヘッドの先導体の位置Ｌｉ（ｘ，ｙ，ｚ）及び前記Ｓ７〜Ｓ１３により決定された制御方向（角度）を液晶画面等に表示することによって、例えば、回転駆動機構Ｒによって先導体１Ｂを回転制御することに対し、自動化の他に、手動制御も行える。
【００２２】
次に、図５（Ａ）〜（Ｃ）はＸＺ面の掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）を示す図であり、先導体１Ｂの位置Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する方式であり、特に、ビルの下において掘進する場合には、地上に電磁波検出コイルユニットＣ１、Ｃ２が設置できないときに、より有効な手段である。
図５（Ａ）は、従来に実施された方法であり、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）において、特に、土中の深さｚに対し、直線近似式をＤｎ＝Σ（Ｌｎ×Ｔａｎ（θｎ））として求め、先導体１Ｂの位置Ｌ（ｚ）を推定していた。
例えば、始点の掘進計画路Ｍｉ（ｚ）に対し、目標点に向かって掘進した結果の先導体１Ｂの位置Ｌｉ＋１（ｚ）は、ｚ０＋（Ｌ１×Ｔａｎ（θ１））で求めていた。又、更に掘進して、先導体１Ｂの位置Ｌｉ＋２（ｚ）は、ｚ０＋（Ｌ１×Ｔａｎ（θ１））＋（Ｌ２×Ｔａｎ（θ２））で求めていた。この近似式を使用すると、図５（Ｂ）に示すように、計算上の軌跡と実際の掘進路軌跡とが相違する。この相違は曲線において、外側に外力が作用し、計算上の軌跡より外側で掘進路が形成される。
【００２３】
そこで、先導体１Ｂの位置Ｌ（ｚ）の推定は、図５（Ｃ）に示すように、深さＤと角度θで、下記のような修正値でもって作成する。
即ち、深さＤｎ＝（Ｌｎ−１×Ｔａｎ（θｎ−１））＋Ｌｎ×Ｔａｎ（θｎ））／２として求める。
この様に、現在（ｉ）の深さＤｎは、１つの前（ｉ−１）の深さＤｎ−１と現在の深さＤｎとの平均値で算出する。
この様な平均値を採用して、先導体１Ｂの位置Ｌ（ｚ）を算出すると、図５（Ｃ）に示すように、従来の計算値と異なり、より正確な先導体１Ｂの位置Ｌ（ｚ）で掘り進むことができる。即ち、この方法で先導体１Ｂの位置Ｌ（ｚ）の位置を推定して掘り進むと、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、より誤差を少なくすることができる。
【００２４】
尚、この平均値を用いることに関し、前記は土中深さＤ（Ｚ軸）に対して行ったが、進行方向のＸ軸の値（ｘ）、或はＹ軸方向の値（ｙ）に対しても適用可能であることはいうまでもない。
【００２５】
又、前記構成において、例えば、図３に示すステップ２０で操作する回転駆動機構Ｒによって先導体１Ｂを、掘進計画路の目標値Ｋｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とその前の目標値Ｋｉ−１（ｘ，ｙ，ｚ）との２点で近似する直線に平行になるように修正することは、手動で行ってもよいし、自動で行ってもよい。
尚、この自動で行うことは、よく知られた回路構成であるので説明を省くと共に、操作量の変更に際し、いきなり平行となるように操作するのでなく、時間経過に伴って序々に平行になるように制御する等が好ましい場合があり、如何に変更するかは実験結果から求める。
又、同様に、ステップ２１の修正、ステップ２２の修正等においても、自動で実施してもよいことは言うまでもない。
尚、前記は、回転駆動機構Ｒで先導体を制御する管掘進工法について例示したが、本発明の管掘進工法は、他の構成による掘削機を用いても同様な効果を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の管掘進工法による先導体を制御することによって、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し、誤差を少なく掘進することができる。
請求項２は、更に、円滑に、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し、先導体を制御することができる。
請求項３は、掘進計画路Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）と先導体１Ｂの掘進軌跡の相違を見ることができるし、角度αと角度βを画面に表示することによって、修正角の大きさが容易に判る。
又、請求項４は、先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の現在の位置を算出するに当たって、先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）が掘進した１つの前（ｉ−１）の値Ｄｎ−１と現在の値Ｄｎとの平均値で算出すると誤差を少なくすることができる。
又、請求項５の管掘進工法は、先導体１Ｂを、掘進計画路の目標値Ｋｉ（ｘ，ｙ，ｚ）とその前の目標値Ｋｉ−１（ｘ，ｙ，ｚ）との２点で近似する直線に平行になるように修正することを自動で行うことによってより簡便に掘進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘進ヘッドの全体配置を示す図である。
【図２】先導体の制御方式を示す図である。
【図３】先導体の制御フロー図である。
【図４】画面表示例を示す図であり、（Ａ）はＸＺ面、（Ｂ）はＸＹ面の図である。
【図５】先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置を示す図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は従来例の計算値と先導体１Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の位置の相違、（Ｃ）は改良式とその相違図である。
【符号の説明】
１  掘進ヘッド
１Ａ  ヘッド本体
１Ｂ  先導体
１ｃ  傾斜受圧面
Ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）  目標値
Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）  先導体の位置
Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）  掘進計画路
Ｒ  回転駆動機構
【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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